Проектирование автомобильных дорог. 3

     Введение  

     Автомобильные дороги - важнейшее звено общей  транспортной системы страны, без  которого не может функционировать  ни одна отрасль народного хозяйства. Уровень развития и техническое  состояние дорожной сети существенно  влияют на экономическое и социальное развитие как страны в целом, так и ее отдельных регионов, поскольку надежные транспортные связи способствуют повышению эффективности использования основных производственных фондов, трудовых и материально-технических ресурсов, повышению производительности труда.

     Дорожное  хозяйство находится на сложном  этапе развития, когда от преимущественного  строительства новых дорог дорожные организации постепенно и неуклонно  переходят к повышению технического уровня и эксплуатационного состояния  существующих дорог, капитальности дорожных одежд, реконструкции дорог и мостов. На первое место выдвигаются задачи повышению скорости, удобства и безопасности движения, инженерного оборудования и удобства дорог, архитектурного эстетического оформления.

     Рост  интенсивности движения и особенно доли в ней большегрузных автомобилей, автомобильных поездов и автобусов привел к существенному возрастанию изнашиванию и разрушающего воздействия автомобилей на дорогу, следствием чего является увеличение потребности в ремонтно-восстановительных дорожных работах, их объемов; эта тенденция в ближайшей перспективе будет неизбежно нарастать.

     Дорожная  сеть - национальное богатство республики, которое нужно беречь, преумножать  и эффективно использовать.

     Повышение эффективности дорожного строительства связанно с поиском новых материалов, прежде всего вяжущих, которые позволяют заменить битумы и снизить расход цемента. Такими вяжущими могут стать полимерные материалы при снижении стоимости их производства. Большой экономический эффект может дать замена природных каменных материалов песками, укрепленными грунтами, побочными продуктами и отходами промышленности, искусственными материалами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Характеристика природно-климатических условий района проложения трассы. 

     Восточно- Казахстанская область.  

     
    1.  Климат.
 

     Город Семипалатинск находится в западной части Восточно-Казахстанской области  и является первым по величине городом  области. Расположен по обоим берегам  протекающей через город реки Иртыш.

     Климат  региона — резко-континентальный, что связано с наибольшим удалением на материке от океанов и обуславливает большие амплитуды в годовом и суточном ходе температуры. Территория района Семипалатинска открыта для арктического бассейна, однако изолирована горными системами Азии от влияния Индийского океана.

     Средняя годовая температура составляет 3,5 °C. Имеются большие колебания температуры в суточном ходе: зимой она может достигать −45 °C, а летом 45 °C. Средняя годовая скорость ветра составляет 2,4 м/с, средняя годовая влажность воздуха — 66 %. 

     
    1.  Рельеф.
 

     Преобладают горный, горно-таежный, горно-луговой, лесной, лесостепной, степной, долинный, полупустынный и пустынный ландшафты. Большую часть территории занимают горные системы Рудного и Южного Алтая, Калбы, Саур-Тарбагатая. Высота гор - от 800 до 1500 м, на крайнем востоке Алтая - до 3000-4000 м (г. Белуха, 4506 м). В казахстанской части Алтая насчитывается около 350 ледников общей площадью 99,1 кв. км.

     Горные  системы разделены широкими межгорными впадинами. Крупнейшие из них - Зайсанская и Алакольская.

     Западная  часть области занята Казахским  мелкосопочником. Долина Иртыша - наиболее равнинная часть области. 

     1.3 Геологические и гидрологические условия. 

     В области сосредоточено более 40 % всех водных запасов республики. Протекает  более 800 рек, общая протяженность которых составляет свыше 10 000 км. Главными водными артериями являются Иртыш (крупные притоки - реки Уба, Ульба, Бухтарма, Курчум, Чар, Кызылсу), Усть-Каменогорское и Бухтарминское водохранилища, созданные в результате сооружения Усть-Каменогорской (1952 г.) и Бухтарминской (1960 г.) гидроэлектростанций.

     Насчитывается около 2000 озер площадью от 1 га до 528 кв. км. Наиболее крупные - Маркаколь, Зайсан, Сибинские, Маралье, Рахмановское, Кемерколь, Сасыкколь, Алаколь.

     Недра богаты полезными ископаемыми, особенно, полиметаллическими рудами. В рудах содержатся свинец, цинк, медь, золото, серебро и редкие металлы - кадмий, молибден, висмут, индий, таллий, селен, теллур, кобальт и другие. Крупными месторождениями полиметаллов являются: Лениногорское, Зыряновское, Березовское, Белоусовское, Глубоковское, Тишинское, Бухтарминское. Имеются месторождения сурьмы, ртути, бурого и каменного углей, горючих сланцев, известняка, гранита, мрамора, поделочных камней, графита и др.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Конструирование и расчет дорожных одежд нежесткого типа 

     Для обеспечения круглогодичного движения автомобилей и пешеходов устраивают дорожную одежду, которая представляет собой уложенную на поверхность  земляного полотна твердую монолитную конструкцию из материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию климатических факторов и нагрузок от автомобилей.

     Напряжения, возникающие в дорожной одежде при  проезде автомобилей затухают с  глубиной.

     Конструирование дорожной одежды заключается в назначении типа покрытия, в выборе для нее наиболее подходящих материалов, исходя из местных ресурсов и соображений организации работ, в целесообразном назначении размеров отдельных слоев и размещении их по глубине.

     Одно  из основных требований при выборе конструкции дорожной одежды – это максимальное использование местных строительных материалов, что позволяет существенно снизить стоимость строительства.

     Материалы в конструкции дорожной одежды располагают  по убывающей прочности. При назначении толщины каждого конструктивного слоя, необходимо учитывать материал, который уложен в слой дорожной одежды. Чем  выше стоимость материала, тем меньше должна быть толщина слоя.

     При конструировании и расчете на прочность дорожной одежды важную роль играют параметры, характеризующие  материалы конструктивных  слоев и грунта земляного полотна. При проектировании новых дорог в расчетах на прочность используют приводимые в нормативных документах расчетные значения модулей упругости конструктивных слоев дорожной одежды и грунта земляного полотна. При разработке проектов реконструкции автомобильных дорог, модули упругости изношенной дорожной одежды определяют экспериментальным путем.

     Водно-тепловой режим земляного полотна изменяется в течение всего года. Соответственно меняются модули упругости и деформации грунта основания. Особенно сильно значения модуля упругости грунта снижаются во время весеннего переувлажнение. Расчетные значения модуля упругости, угла внутреннего трения j, сцепления С, приводимые в нормативных документах соответствуют именно этому периоду т.е. самому неблагоприятному. Основным нормативным документом для расчета дорожной одежды нежесткого типа является СН РК 3.03.19-2006 “Проектирование дорожных одежд нежесткого типа".

     Давление  колес автомобиля на дорожную одежду является основной нагрузкой при расчете дорожной одежды на прочность.

     Дорожная  одежда современной автомобильной  дороги должна быть запроектирована  на определенную расчетную нагрузку, которую должна выдержать дорога и искусственные сооружения при  движении по ним транспортных средств.

     Расчет  дорожной одежды на прочность осуществляется по трем критериям:

     - по допускаемому упругости прогибу;

     - по сдвигу в грунте земляного  полотна и слабосвязных материалах  конструктивных слоев;

     - на растяжение при изгибе в  монолитных слоях.

     Для расчетов используют СН РК 3.03.19-2006 «Проектирование  дорожных одежд нежесткого типа».

     Дорожная  одежда должна быть рассчитана с учетом надежности, когда конструкция работает безотказно до капитального ремонта (таблица 2.1). 

Таблица 2.1 - Значение коэффициентов прочности дорожных одежд при заданных уровнях надежности.

Тип дорожной одежды Категория дороги Уровень надежности Коэффициент прочности
Капитальный I, II 0,95 1,0
III 0,90 0,94
Облегченный III, IV, V 0,85 0,90
Переходный IV, V 0,60 0,63
 

     2.1 Конструирование варианта дорожной одежды 

     Дорожная  одежда является самой дорогостоящей  частью автомобильной дороги. Затраты  на её устройство достигает 60% от общей  стоимости дороги.

     Проектирование  дорожной одежды состоит из двух последовательно  выполняемых этапов: конструирования и расчета, которые взаимосвязаны и не должны противопоставляться друг другу. Конструирование дорожной одежды заключается в назначении типа покрытия, в выборе для нее наиболее подходящих материалов, исходя из местных ресурсов и соображений рациональной организации работ, в целесообразном назначении размеров отдельных слоев и размещении их по глубине.

     Расчет  на прочность дорожной одежды основных полос движения ведется на многократное действие кратковременной нагрузки расчетного автомобиля. В зависимости от состава движения в качестве расчетной нагрузки может быть принята нормативная статическая нагрузка на одиночную ось расчетного автомобиля равная 100 кН (нагрузка группы А1), 110 кН (нагрузка группы А2), 130 кН (нагрузка группы А3).

     При отсутствии в составе транспортного  потока автомобилей с нагрузкой  на одиночную ось расчетного автомобиля свыше 120 кН расчетная нагрузка принимается  равной:

     100 кН – в случае, когда доля  автомобилей с нагрузкой на  одиночную ось свыше 100 кН не  превышает 5% от общего числа грузовых автомобилей;

     110 кН - в случае, когда доля автомобилей  с нагрузкой на одиночную ось  свыше 110 кН более 5% от общего  количества грузовых автомобилей;

     130 кН – при наличии в перспективном  составе движения на межремонтный  срок службы в пределах 120-130 кН, а также при проектировании дорожных  одежд на автомобильных дорогах международного значения.

     При проектировании дорожных одежд для  дорог международного значения за расчетную  нагрузку следует принимать нагрузку расчетного автомобиля группы А3.

     Расчетными  параметрами, характеризующими степень  воздействия и ее повторяемость  на дорожную одежду от расчетной нагрузки являются:

     - расчетное удельное давление  колеса на покрытие – Р, МПа;

     - расчетный диаметр круга, равновеликого  площади отпечатка сдвоенных колес расчетного автомобиля – D, см;

     - расчетное суммарное количество  приложений расчетной нагрузки  за межремонтный срок службы  дорожной одежды - ∑Np.

     Расчетное удельное давление колеса на покрытие  Р и расчетный диаметр круга, равновеликого площади отпечатка сдвоенных колес расчетного автомобиля  D представлены в таблице 2.2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Таблица 2.2 - Расчетные параметры нагрузки

Группа  расчетной нагрузки Нормативная статическая нагрузка,

кН на ось

 Нормативная нагрузка, передаваемая дорожной одежде колесом автомобиля, кН Расчетные параметры нагрузки
неподвижного, Qрасч. движущегося,

Qрасч.

 среднее расчетное  удельное давление колеса на покрытие  Р, МПа; расчетный диаметр  круга, равновеликого площади отпечатка  сдвоенных колес расчетного автомобиля – D, см;
А1 100 50 65 0,6 37/33
А2 110 55 71,5 0,6 39/34
А3 130 65 84,5 0,6 42/37
 

     Проанализировав данные о наличии местных материалов, отходов промышленности, карьеров каменных материалов, их дальности возки относительно проектируемого участка дороги:

     1. Назначаем конструкцию дорожной  одежды на участке автомобильной  дороги, проектируемой в IV дорожно-климатической зоне (ДКЗ). За расчетную принимаем нагрузку А3, диаметр следа колеса D=45 см.

     2. Минимальную толщину слоев назначаем,  исходя из рекомендаций СН РК

     1) Асфальтобетон мелкозернистый, h=4 см;

     2) Асфальтобетон крупнозернистый, h=6 см;

     3) Асфальтобетон крупнозернистый  пористый, h=6 см;

     4) Щебеночная смесь h=15 см;

     5) Песок, h=15 см; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 2.0 Минимальная толщина слоев 

      3. Перспективная интенсивность движения  N=2860 авт/сут;

     4. Состав транспортного потока: 

№ п/п Марка автомобиля %
Грузовые:
1. Газель (ГАЗ-53А) 14
2. ЗИЛ-130 17
3. МАЗ 500 с прицепом МАЗ 83781 18
4. КамАЗ-53208 11
5. Volvo F-6 с п\прицепом ASKO 7
Автобусы:
6. ПАЗ-657 10
7. Икарус-260 7
8.  Легковые и микроавтобусы:                                                                16
 

     5. Уровень проектной надежности  Кн=0,90 (таблица 2.1);

     6. Тип местности по условиям  увлажнения – 2 (определяется по результатам инженерно-геологических изысканий)

     7. Коэффициент ежегодного прироста  интенсивности движения, определяемый  по данным экономических изысканий  составляет q=1,03 

     2.2 Расчет дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу. 

     Дорожные одежды на прочность рассчитывается по трем критериям:

  • по допускаемому упругому прогибу;
  • по сдвигу в грунте земляного полотна и малосвязных слоях основания;
  • на растяжение при изгибе в монолитных слоях и промежуточных слоях, обработанных неорганическими или комплексными вяжущими.

        Верхние слои земляного полотна рассматривают как составной конструктивный элемент дорожной одежды, к прочности, однородности и сопротивлению, внешним нагрузкам которых предъявляют достаточно высокие требования. 

     2.2.1 Определение модуля упругости грунта 

     Модуль  упругости грунта Егр зависит от расчетной влажности Wр  

           Wp = Wср·(1+t·νw)  (2.1)

     где Wср – средняя влажность грунта в долях от Wт, которую определяют по таблице 2.3  

Таблица 2.3 - Среднее значение влажности 

Дорожно-климатическая зона (ДКЗ) Тип местности  по условиям увлажнения Среднее значение влажности Wср
Супесь  песчанистая Песок пылеватый Суглинок легкий песчанистый, тяжелый песчанистый, глина  Супесь пылеватая, суглинок легкий пылеватый, тяжелый  пылеватый
III 1 0,55 0,57 0,6 0,63
  2-3 0,59 0,61 0,63 0,67
IV 1 0,53 0,55 0,57 0,6
  2-3 0,57 0,58 0,6 0,64
V 1 0,52 0,53 0,54 0,57
  2-3 0,55 0,56 0,57 0,6
 

     Для глины в IV ДКЗ для 2 типа местности по условиям увлажнения Wср=0,63

     t – коэффициент нормированного  отклонения влажности, зависящий от уровня проектной надежности (t=1,32, согласно таблицы 2.4)

     νw – коэффициент вариации влажности (νw =0,1 принимается во всех случаях) 

Таблица 2.4 - Коэффициенты нормированного отклонения

Уровень проектной надежности Кн 0,60 0,85 0,90 0,95
Коэффициент t нормированного отклонения 0,26 1,06 1,32 1,71
 

     Расчетные данные для грунта земляного полотна. Глина: Eгр = 41 МПа; φгр=18; С гр =0,019.

Wp=0,63·(1+1,32·0,1)=0,713

     2.2.2 Определение интенсивности движения, приведенной к расчетным нагрузкам Np и требуемого модуля упругости Етр 

     При расчете на прочность дорожной одежды следует учитывать перспективную  интенсивность движения автомобилей  различных марок в обоих направлениях, которые приводятся к эквивалентной  интенсивности воздействия расчетной нагрузки на одну полосу проезжей части в сутки. Расчетная интенсивность определяется по формуле: 

           Np = fпол·∑(Ni·Si), авт/сут  (2.2) 

     где: fпол – коэффициент приведения к одной полосе движения (fпол  =0,55, таблица 2.5);

     Ni    - интенсивность движения i- той марки автомобиля;

     Si  - суммарный коэффициент приведения автомобиля  i – той марки к расчетным нагрузкам , определяемый по таблице 1.2 Приложение 1 СН РК 3.03.19-2006 «Проектирование дорожных одежд нежесткого типа» 
 
 
 
 
 
 

     Таблица 2.5 - Коэффициент полосности 

Число полос движения                   Значение коэффициента для полосы номер
1 2 3
1 1,00 - -
2 0,55 - -
3 0,50 0,50 -
4 0,35 0,20 -
6 0,30 0,20 0,05
 

     Расчет  интенсивности движения каждой марки  автомобиля в общем транспортном потоке сводим в таблицу 2.6 

     Таблица 2.6 - Расчет приведенной интенсивности движения 

№ п/п Марка автомобиля % Интенсивность движения, Ni, авт/сут Коэффициент приведения к расчетным нагрузкам, Si Ni ·Si
1 Газель (ГАЗ-53) 14 400,4 0,02 8,01
2 ИКАРУС 7 200,2 0,23 46,05
3 ЗИЛ-130 17 486,2 0,06 29,17
4 Легковые 16 457,6 0 0
5 Volvo F-16 7 200,2 4,73 946,95
6 ПАЗ-657 10 286 0,011 3,15
7 МАЗ 500 18 514,8 0,89 458,17
8 КамАЗ-5320 11 314,6 0,1 31,46
Ni Si  = 1522,96 авт/сут
 

     Np = 1522,96 ·0,55=837,63 авт/сут

     Расчетное суммарное количество приложений расчетной  нагрузки к дорожной конструкции  за срок службы определяют по формуле: 

              (2.3) 

     где q – коэффициент ежегодного прироста интенсивности движения;

         Т – срок службы покрытия, определяемый по таблице 2.7 

     Таблица 2.7 – Расчетные сроки службы конструкций дорожных одежд 

Категория дороги Тип дорожной одежды Расчетный срок службы, Т, год
I Капитальный 20
II Капитальный 20
III Капитальный 20
  Облегченный 16
IV Облегченный 14
  Переходный 10
V Переходный 8
 

     Расчетное суммарное количество приложений расчетной  нагрузки к дорожной конструкции  за срок службы  

     

 

     Требуемый модуль упругости определяется в  зависимости от расчетного суммарного количества приложений расчетной нагрузки за срок службы конструкции дорожной одежды по формуле: 
 

      (2.4) 

     где А, В и С  - параметры уравнения, равные А=120 МПа; В=74 МПа; для нагрузок А1,А2,А3, соответственно С=4,5; С=4,3; С=4,0. 

     

 МПа 

     2.2.3 Расчет конструкции дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу 

     Конструкция дорожной одежды удовлетворяет требованиям  надежности и прочности по критерию упругого прогиба, если выполняется  следующее требование: 

           Кпр ≤Еобщ/Етр  (2.5) 

     где: Еобщ – общий модуль упругости конструкции дорожной одежды, МПа

Проектирование автомобильных дорог. 3