Проектирование капитальной дорожной одежды нежесткого типа
1. Проектирование
дорожной одежды нежесткого
1.1. Определение категории
автомобильной дороги и типа дорожной
Ориентировочно категория дороги назначается по перспективной интенсивности движения Nt:
Nt = N0 ( 1 + 0,01 p ) t – 1 , авт/сут;
где N0 – начальная интенсивность движения, авт/сут;
p – ежегодный прирост интенсивности, % (по заданию);
t – расчетный период (t=20лет).
N20=1100(1+0,01*2)20-1=1603, авт/сут;
По полученной интенсивности движения автомобилей определяю:
- категорию дороги IV
Тип дорожной одежды выбираем в зависимости от категории дороги по табл.1.1.2.
Тип дорожной одежды – капитальный.
Вид покрытия, материалы и способы их укладки – асфальтобетонные из плотных смесей: марки II, укладываемые в горячем и теплом состояниях; марки I , укладываемой в холодном состоянии.
Используя Справочные данные (табл. 1.3.1) и данные задания составляем колесные схемы обращающихся по дороге автомобилей на первый год эксплуатации и определяем интенсивность движения. Расчет ведем в табличной форме.
Таблица 1.1.1
№ п/п |
Вид и марка транспортного средства |
Схема транспортного средства |
Макси- мальная нагрузка на ось,т |
%, автомобилей |
|
1 |
2 |
2 |
3 |
4 |
|
1. |
Легковые автомобили |
-------- |
0.75 |
25 |
|
2 |
Грузовые автомобили грузоподемностью до 2,5-и тонн |
|
1,7 |
5 |
|
3 |
Грузовые автомобили до 5 тонн |
|
3,2 |
10 |
|
4 |
Грузовые автомобили до 12-ти тонн марки МАЗ-533603-221 |
|
8,2 |
10 |
|
5 |
Грузовые автомобили до 12-ти тонн марки КА МАЗ – 53605 |
|
20/1.78 = 11.2 |
10 |
|
6 |
Грузовые автомобили до 12-ти тонн марки ЗиЛ - 432932 |
|
8.2 |
10 |
|
7 |
Автопоезд МАЗ 6430А5-320- 010 |
|
19/1.78 = 10.7 |
10 |
8 |
Автопоезда с прицепом марки КАМАЗ -65221 |
20/1.78 = 11.2 |
10 | |
9 |
Автобусы марки МАЗ 105 |
11.5 |
10 |
Из данных таблицы видно, что количество автомобилей с нагрузкой на одиночную ось более 10 тонн составляет 50% (строки 3,5.6). Нагрузки выше 11.5 тонн отсутствуют. Следовательно в качестве расчетной принимаем нагрузку класса А2.
Для дороги 4-й категории с капитальным типом покрытия и нагрузки А2 по табл. 1.4.2 примем уровень надежности 0.85.
Для IV категории дороги с капитальным типом покрытия при коэффициенте надежности 0.85 срок службы составит 8 лет (табл. 1.5.2). Битум для устройства покрытия (верхнего и нижнего слоев) примем марки БНД 90/130 по СТБ 1062 (Табл.1.5.3). Материал верхнего слоя покрытия (слоя износа) –
смеси асфальтобетонные мелкозернистые горячие плотные типа А марки I по СТБ 1033. Материал нижнего слоя покрытия (несущего слоя) – смеси асфальтобетонные крупнозернистые горячие пористые марки I по СТБ 1033.
Определим величину приведенной интенсивности движения на последний год срока службы дорожной одежды Np (ед/сут) определяют по формуле
где fпол - коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним, равный 0.55
Nm - число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средств в физических единицах на конец срока службы.
Nm = 1100*(1+0,01*2)8-1 = 1264 авт/сут
Sm cум - суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства т-й марки к расчетной нагрузке Qрасч,,
Значение суммарного коэффициента приведения при упрощенном подходе Smсум определяют по формуле
где n - число групп отдельных автомобилей.
Sn - коэффициент приведения конкретной группы автомобилей по табл. 1 (2). Приложения 2;
Рn- удельное количество автомобилей данной группы, в долях единицы.
Расчет выполним в табличной форме.
Таблица 1.1.2 Расчет коэффициентов приведения
№ п/п |
Вид и марка транспортного средства |
Схема транспортного Средства По табл. 1 Прил. 2 |
Макси- мальная нагрузка на ось,т |
%,авто-мобилей в долях едиицы |
Строчка табл 1 П1 |
коэфприведения |
1 |
2 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
1. |
Легковые автомобили |
-------- |
0.75 |
0.25 |
1 |
0.0015 |
2. |
Грузовые автомобили грузоподемност-ью до 2,5-и тонн |
------------- |
1,7 |
0.05 |
3.1 |
0.1 |
3 |
Грузовые автомобили грузоподъемностью до 5 тонн |
3,2 |
0,1 |
3.3.1 |
0,3 | |
4. |
Двухосные грузовые авто Зил-432932 |
|
8,2 |
0.1 |
3.3.1 |
0,87 |
5. |
Грузовые автомобили до 12-ти тонн марки МАЗ-533603-221 |
|
11,5 |
0.1 |
3.3.2 |
1,0 |
6. |
Грузовые автомобили до 12-ти тонн марки КАМАЗ - 53605 |
|
20 на тележку |
0. 1 |
3.3.4 |
1,6 |
7. |
Автопоезд марки МАЗ 6430А5-320-010 |
|
тележка тягача 20 т |
0.1 |
4.7. |
3,5 |
8 |
Автопоезд с прицепом марки КАМАЗ -65221 |
тележка тягача 20 т |
0,1 |
5,5 |
2,5 | |
9 |
Автобусы марки МАЗ 105 |
средняя ось 11,5 т |
0,1 |
6,3 |
1,2 |
Получаем суммарный коэффициент приведения по формуле:
=0.25*0.015+0.05*0.1+0.1*0.3+
+0.1*3.5+0.1*1.2=1,106
Величину
приведенной интенсивности
Выполненный расчет позволяет назначить уровень надежности материла покрытия, который необходимо обеспечить на стадии подбора состава (рис1. 5.1). Интенсивность 769 поэтому принимаем значение 0.77.
Определим суммарное число воздействий расчетного автомобиля за срок службы по формуле:
где Np - приведенная интенсивность воздействия нагрузки на последний год срока службы, авт/сут;
Трдг - расчетное число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции, определяемое по табл; 1.6.4.
kn - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого, принимаемый по таблице 1.6.3. В нашем случае kn=1,31
Кс - коэффициент суммирования определяют по формуле:
где Тсл - расчетный срок службы дорожной одежды ;
q - показатель изменения
интенсивности движения
q=1+0.01p=1+0.02=1.02
Расчетное число расчетных дней в году (Трдг) за проектный срок службы конструкции (Тсл) устанавливают по данным специальных исследований. Расчетным считается день, в течение которого сочетание состояния грунта земляного полотна по влажности и температуре асфальтобетонных слоев конструкции обеспечивают возможность накопления остаточной деформации в грунте земляного полотна или малосвязных слоях дорожной одежды и верхних слоях асфальтобетона. Значение Трдг северного дорожно-климатического района составит 125 дней.
1.2 Конструирование дорожной
Конструкцию дорожной одежды под нагрузку 11.5.тонн примем по рис 1.2.1. Она включает двухслойное покрытие. Двухслойное основание и дополнительный слой основания.
Верхний слой покрытия (1) назначим из горячего плотного асфальтобетона типов А марки 1 по СТБ 1033.
Для устройства нижнего слоя
покрытия (2) будем использовать
горячий, крупнозернистый,
Верхний слой основания (3)
будем устраивать из песчано-
Дополнительный слой основания
(5) устраиваем из песков с коэффициентом
фильтрации не менее 1 м/сутки. В нашем
случае можно использовать песок
крупнозернистый или песок
Рис 1.2.1 - Конструкция дорожной одежды под нагрузку 11.5 тонн (А2)
В соответствии с заданием принимаем грунт земполотна в виде глины. Для Витебской области по рис. 1.7.6 назначаем первый климатический район.
Назначим в качестве основного источника увлажнения кратковременно стоящие (до 30 сут) поверхностные воды, атмосферные осадки, что соответствует схеме увлажнения №2 (Табл. 3 Приложения 3),. По таблице относительной нормативной влажности грунта (Табл. 2 Приложения 3), уровня надежности 0.85, первого климатического района, второй схемы увлажнения относительная нормативная влажность для глины составит 0.71.
Расчетную влажность грунта Wр определяют по формуле
Wр = Wтаб(1+0,1t),
где Wтаб - среднее многолетнее значение относительной (доли от границы текучести) влажности грунта в наиболее неблагоприятный (весенний) период года в рабочем слое земляного полотна в зависимости от дорожно-климатической зоны, схемы увлажнения земляного полотна и типа грунта;
t - коэффициент нормированного отклонения, принимаемый по таблице 7.4.1. в зависимости от требуемого уровня надежности.
По формуле определим влажность грунта с учетом неоднородности. Параметр (t) по таблице 1.7.1. составит 1.06.
Wр = Wтаб(1+0,1t) =0.71(1+0.1х1.06)=0.79
По таблице расчетных значений характеристик грунтов (табл. 1 Приложения 3) определим расчетные характеристики для глины легкой непылеватой:
- модуль упругости – 11 МПА
- угол внутреннего трения - 4
- силу внутреннего сцепления – 0.012 МПа
В качестве дополнительного слоя основания согласно заданию применяем песок крупнозернистый и песок мелкозернистый.
По таблице расчетных значений характеристик грунтов определяем характеристики для мелкозернистого песка:
- модуль упругости – 100 МПА
- угол внутреннего трения – 31о
- силу внутреннего сцепления – 0.003 МПа
Для крупнозернистого песка
- модуль упругости – 130МПа
- угол внутреннего трения - 35о
- силу внутреннего сцепления – 0.004
Для асфальтобетона и нагрузки А1 (также А2) расчет асфальтобетона на сдвиг не производиться. Поэтому достаточно назначить характеристики для расчета на упругий прогиб и сплошность монолитных слоев.
Как было показано выше в качестве материала покрытия принимаем из горячего плотного асфальтобетона типа А марки 1 на битуме БНД 90/130.
В качестве материала нижнего слоя покрытия принимаем горячий пористый асфальтобетон на битуме БНД 90/130.
Для верхнего слоя
основания будем применять
Для нижнего слоя основания используем щебень обработанный битумом.
песчано-гравийную смесь укрепленную цементом. Характеристики материалов для устройства дополнительных слоев (песок средний и крупный) были получены в предыдущем разделе.
Все данные сведем в таблицу 1.2.1.
Таблица 1.2.1 – Значения расчетных характеристик
Материал |
Модуль упругости при температуре, МПа |
Прочность на изгиб при 0оС, МПа |
Угол внутр. трения φ, о |
Внутр. сцепле- ние С, МПа |
Коэффициенты m и а | ||
0 0С |
10/20 0С |
50 0С |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Горячий, плотный, м/з а/б типа Б, марки 2 на битуме БНД 90/130 |
3600 |
2400 1200 |
420 |
9.5 |
|
5.0;4.8 | |
Горячий, пористый, к/з а/б на битуме БНД 90/130 |
2200 |
1400 800 |
350 |
7.8 |
|
4,0;8.6 | |
Щебень обработанный битумом |
280 |
0.2 |
|||||
ПГС укр. цементом |
600 |
0,6 |
|||||
Песок крупный |
130 |
35 |
0,004 |
||||
Песок мелкий |
100 |
31 |
0.003 |
||||
Грунт зп супесь пылеватая |
11 |
4 |
0.012 |
||||
На основании выполненных расчетов в курсовом проекте с учетом минимальных толщин окончательно принимаем следующую конструкцию дорожной одежды и ее характеристики (рис. 1.2.2):
Рис. 1.2.2. Принятая конструкция дорожной одежды.
1.Горячий плотный
2. Горячий пористый крупнозернистый асфальтобетон на битуме 90/130. Минимальная толщина – 6 см
3. ПГС укрепленная цементом. Минимальная толщина 12 см.
4. Щебень обработанный битумом. Минимальная толщина 17 см.
5. Песок. Минимальная толщина 50 см.
1.3 Определение толщины дренирующего слоя и толщины дорожной одежды по условиям морозозащиты.
Полную толщину дренирующего слоя дорожной одежды hп (м) определяют по формуле
hп=hm∙b∙Кс+hзап
где hm - толщина слоя, определяемая по номограмме (рисунок 1.8.1) в зависимости от коэффициента фильтрации материала дренирующего слоя (Кф) и объема воды, поступающей в основание проезжей части за сутки (q), м;
Кф = 3,5м/сут - пески мелкие
Кф = 11 м/сут - пески крупные
b - коэффициент, зависящий от длины пути фильтрации воды, равный для дороги IV категории 0.33
Кс - коэффициент, учитывающий снижение фильтрационных свойств материала фильтрующего слоя в процессе эксплуатации дорог, равный 1.0
hзап - дополнительная толщина слоя, зависящая от капиллярных свойств материала и равная:
0,18-0,20 м- пески мелкие
0,10 - 0,12 м -пески крупные;
Определим толщину дренирующего слоя из к/з песка (Кф = 11 м/сут):
Hд = 0,35*0,33*1,0+0,11=0,23 м<25 см, принимаем 25 см
Определим толщину дренирующего слоя из м/з песка (Кф = 3,5 м/сут):
Hд = 0,63*0,33*1,0+0,19=0,40м>25 см, принимаем 40 см
Рассчитаем стоимость обоих слоев:
С1 = 5000*25=125000 руб/м3;
С2 = 4000*40=160000 руб/ м3 .
Учитывая более низкую стоимость слоя из крупного песка, его принимаем в качестве дренирующего слоя.
Условие морозоустойчивости имеет вид;
Hфакт ≥ Hдоп
где Hфакт – фактическая толщина дорожной одежды:
Hфакт = ∑ hi
где hi – толщины конструктивных слоев дорожной одежды;
Hдоп – требуемая (допустимая) толщина дорожной одежды, определяемая по рис.1.13.1.
Проверим критерий
морозостойкости дорожной одежды, т.к.
грунт земляного полотна
Определим фактическую толщину дорожной одежды:
Hфакт = ∑ hi = h1+h2+h3+h4 = 4+6+22+21+42 = 95 см.
Требуемую толщину дорожной одежды определим по рис.1.13.1. Для Витебской области требуемая толщина составит 90 см.
Проверяем критерий
морозостойкости дорожной
95 см ≥ 90 см – условие выполняется.
Корректировка дорожной одежды не требуется.
1.4 Определение требуемого модуля упругости дорожной одежды
Конструкция дорожной одежды
в целом удовлетворяет
Еоб > Етрп ,
где Еоб - общий расчетный модуль упругости конструкции, МПа;
Етр - минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции, МПа;
Ктрпр - требуемый коэффициент прочности дорожной одежды по критерию упругого прогиба, принимаемый в зависимости от требуемого коэффициента надежности по табл. 1.4.1 – 1.4.4.
Величину минимального требуемого общего модуля упругости конструкции дорожной одежды при SNр > 4×104 (авт) Етр (МПа) вычисляют по формуле (в нашем случае авт)
Етр = 98,65 [lg(SNh) - c],
где SNр - суммарное расчетное число приложений нагрузки за срок службы дорожной одежды;
с - коэффициент, равный для группы нагрузки А2 3,23;
Еmin = 98,65 [lg(SNр) - c] =98,65* (lg658403 – 3,23)=255МПа
Независимо от результата расчета по формуле ,требуемый модуль
упругости дорожной одежды должен быть не менее указанного в таблице1. 10.1.
Т.к. по таблице 1.10.1. для нагрузки А2 и дороги IV-ой категории значение Етр отсутствует, примем: Етр= Еmin=255 МПа.
Значение Ктрпр примем по табл. 1.4.2. В нашем случае оно составит 0.85.
Окончательно принимаем Еобщ= Ктрпр * Е тр =255*0.85=217МПа
1.5 Определение оптимального
Значения расчетных модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, принимаем при температуре +10 °С. Составляем схему конструкции дорожной одежды (рис. 1.5.1).
Рис.1. 5.1 - Схема конструкции дорожной одежды
Назначим минимальные толщины слоев в курсовом проекте, руководствуясь положениями:
1. Горячий, плотный, м/з а/б типа А, марки 1 на битуме БНД 90/130.
М/з а/б типа А имеет максимальный размер частиц щебня - 20 мм. Содержание щебня составляет более 50%. Следовательно, минимальная толщина слоя составит 1.5*20= 30 мм. Учитывая, что число слоев покрытия менее 2 минимальную толщину слоя примем 4 см.
2. Горячий, пористый, к/з а/б на битуме БНД 90/130.
К/з а/б имеет максимальный размер зерен 40мм. Содержание щебня примем менее 50%. Тогда минимальная толщина составит 1.5*40 = 60 мм.
3. ПГС, укрепленная цементом. В соответствии с табл. 1.7.3 минимальная толщина составит 12 см.
4. Щебень обработанный битумом. В соответствии с табл. 1.7.3 минимальная толщина составит 17 см.
5. Песчаный слой. Минимальная
толщина песчаного слоя
Используя номограмму (рис.1.7.8) для определения общего модуля упругости двухслойной системы, выполняя расчет сверху вниз, находим эквивалентный модуль упругости на поверхностях слоев.
На поверхности нижнего слоя покрытия EэI (см. рис.1.10.4).
К2=h1/D= 4/39=0.1 ,
К1=Eобщ /Е1=217/2400=0,09
По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение EэI/ Е1 (К3), которое составит К3=0,085
EэI= Е1* К3=2400*0,085=204 МПа
Определяем эквивалентный
K2= h2/D= 6/39=0.15 ,
K1=EэI/Е2=204/1400=0,146
По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение EэI1/ Е2 (К3), которое составит К3=0,13
EэII= Е2* К3=1400*0,13=182 МПа
Определяем эквивалентный
Толщину слоя из ПГС, укрепленной цементом примем минимальной, равной 12 см.
K2= h3/D= 12/39=0.31,
K1=EэI1/Е3=182/600=0,3
По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение EэI11/ Е3 (К3), которое составит К3=0,22
EэII1= Е3* К3=600*0,22=132 МПа
Определяем эквивалентный
Задаемся h5 =hmin=50 см.
K2= h5/D= 50/39=1.08 ,
K3=Eгр /Е5=11/130=0,085.
По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение EэI111/ Е5 (К3), которое составит К1=0,33
EэI11= Е5* К3=130*0,33=43 МПа
Находим толщину нижнего слоя основания h4
m1=Eэ III1/Е4=43/280=0,15
m2= EэII1/Е4=132/280=0,47,
По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение h4/D (m3) которое составит 1,15. Тогда h4 =1,15*39 = 45 см.
Определяем стоимость дренирующего слоя h5 и основания h3 , h4.
С= h4С4+ h3С3=42*5000+9000*45+8000*12=
Начинаем вариацию толщин слоев дорожной одежды с целью поиска толщин, обеспечивающих минимальную стоимость.
Увеличим толщину верхнего слоя основания с определенным шагом. Шаг варьирования толщины принимается любой. В нашем случае, учитывая очень большую толщину слоя щебня (45 см) примем шаг варьирования 5 см.
Задаемся новым значением h3 =hmin+5см=12+5=17см
K2= h3/D= 17/39=0,44,
K1=EэI1/Е3=182/600=0, 3,
По номограмме (рис.1.7.8) найдем отношение EэI11/ Е3 (К3), которое составит К3=0,18
EэII1= Е3* К3=600*0,18 = 108 МПа
Находим толщину нижнего слоя основания h4
m1=Eэ III1/Е4=43/280=0,15
m2= EэII1/Е4=108/280=0,38,
По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение h4/D (m3) которое составит 0,80. Тогда h4 =0.80*39 = 31 см.
Определяем стоимость дренирующего слоя h5 и основания h3 , h4.
С= h4С4+ h3С3=42*5000+9000*31+8000*17=
Задаемся новым значением h3 =hmin+5см=17+5=22см
K2= h3/D= 22/39=0,56,
K1=EэI1/Е3=182/600=0, 3,
По номограмме (рис.1.7.8) найдем отношение EэI11/ Е3 (К3), которое составит К3=0,14
EэII1= Е3* К3=600*0,14 = 84 МПа
Находим толщину нижнего слоя основания h4
m1=Eэ III1/Е4=43/280=0,15
m2= EэII1/Е4=84/280=0,3,
По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение h4/D (m3) которое составит 0,55. Тогда h4 =0.55*39 = 21 см.
Определяем стоимость дренирующего слоя h5 и основания h3 , h4.
С= h4С4+ h3С3=42*5000+9000*21+8000*22=
Проведенные расчеты показывают, что увеличение толщины верхнего слоя основания однозначно ведет к падению стоимости. Поэтому дальнейшие расчеты выполнять нецелесообразно. Принимаем толщину нижнего слоя основания равной 21 см.
Расчетом по вышеизложенной методике находим толщину верхнего слоя основания при минимальной толщине щебня – 22 см. Получим толщину верхнего слоя 22 см.
Окончательно принимаем
Рис. 1.5.2 - Принятая конструкция дорожной одежды
1.6 Проверка сдвигоустойчивости дорожной одежды
В качестве исходной принимаем конструкцию,
полученную при расчете по упругому прогибу
с учетом коррекции модулей упругости
асфальтобетона при 20 градусах.
Рис.1.6.1 - Конструкция дорожной одежды для расчета на сдвигоустойчивость
Расчет грунта земляного полотна.
Конструкцию дорожной одежды
приводим к двухслойной вида
Найдем расчетное активное напряжение сдвига по формуле (1.11.9)
tа - найдем по номограмме (рис.1.11.2 или 1.11.3) для этого определим суммарную толщину вышележащих слоев (hв), отношение (hв/Д) и средневзвешенный модуль упругости вышележащих слоев (Ев). Значение модулей упругости асфальтобетона примем при 20 град (табл. 1.7.2).
hв =42+22+21+6+4=95 см
hв /Д = 95/39=2,44
Ев=(4·1200+6·800+22·600+280*
Ев /Ен=353/11=32,1
Угол внутреннего трения φг =4 о
По номограмме (рис.1.11.3, hв /Д≽2) получим что tа =0,09
По номограмме на рисунке 1.11.4 получим, что tв =0,003 МПа
Подставляя все полученные значения в формулу (1.11.9) получим
Та=0,09·0,6+0,003=0,084 МПа
Определим предельное активное напряжение сдвигу Тпр в грунте рабочего слоя по формуле 1.11.7.
Тпр=С·k1·k2,
где С – сцепление в грунте земляного полотна (или в песчаном слое), МПа;
k1 – коэффициент учета особенностей работы рассчитываемого слоя (грунта) на границе с вышележащим слоем дорожной одежды, принимаемый по таблице 1.11.1;
k2 – коэффициент запаса на неоднородность условий работы дорожной одежды, определяемый по графику, представленному на рисунке 1.11.1.
Сцепление в грунте земляного полотна с=0,012 МПа.
Коэффициент k1 составит 6.0 (Табл. 1.11.1). Коэффициент k2 определим по графику на рисунке 1.11.1.
По формуле (1.11.8) найдем:
Nсут=åNр/(Трдг·Tcл) = 658403/125*8 = 658 авт/сут