Расчёт дорожной одежды

 

Оглавление

 

 

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

 

Требуется запроектировать дорожную одежду при следующих исходных данных:

• дорога располагается во II2 дорожно-климатической зоне, в Нижегородской области;
• категория автомобильной дороги - IV;
• заданный срок службы дорожной одежды - Тсл = 12 лет;
• заданная надежность Кн = 0,85;
• приведенная к нагрузке типа А (Приложение 1 табл. П.1.1) интенсивность движения на конец срока службы Np = 237 ед./сут; приращение интенсивности q = 1,04;
• грунт рабочего слоя земляного полотна – суглинок леглий с расчетной
• толщина дорожной одежды - 0,75 м;
• схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна - 1,
• глубина залегания грунтовых вод - 10 м,
• тип дорожной одежды – капитальный.

 

 

ИНТЕНСИВНОСТЬ NО И СОСТАВ ТРАНСПОРТНОГО ПОТОКА

 

Состав транспортного потока

Тип автомобиля	% в  составе движения
Легковые	52
Грузовые, в том числе:
- легкие (6т)	30
- средние (8т)	12
- тяжелые (10т)	3
Автобусы	3

 

Интенсивность транспортного потока

Интенсивность, авт/сут							Итого
Грузовое движение					Пассажир. дв-ие		Nр, авт/сут	Nпрp, ед/сут
Всего	2т	6т	8т	10т	Легк.	Автоб.
2012 г.
248	-	165	66	17	286	15	550	866
2023 г.
1301	-	244	98	25	423	24	814	1280

 

2. Назначение типа нагрузки

При проектировании дорожной одежды в качестве расчётной принимаем нагрузку, соответствующую предельным нагрузкам на ось расчётного двухосного автомобиля. В качестве расчётного типа используется наиболее тяжёлый автомобиль из систематически обращающихся на дороге, доля которых составляет не менее 10 % с учётом перспективы изменения состава движения.

N10т/N∑*100=(3/52)*100=6%<10%

 

Принимаем группу нагрузки А1.

 

 

Расчетная нагрузка (П.1.1.)

Группа нагрузки	Статическая нагрузка на ось, кН	Нормированная нагрузка, передаваемая дорожной одежде колесом автомобиля, кН		Среднее расчетное давление на	Расчетный диаметр следа колеса, м
		неповижного Qэ	движуще-гося Qэ.д.	покрытие р,МПа	неподвижного, Dэ.н.	движу-щегося, Dэ.д.
А1	100	50	65	0,6	0,33	0,37

 

 

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАСЧЕТНОЙ НАГРУЗКИ

Приведенная интенсивность воздействия нагрузки:

 

где коэффициент,учитывающий число полос движения и распределение движения по ним =0,55(табл.3.2);

 число проездов в сутки  в обоих направлениях транспортных  средств определенной марки, ед/сут;

 суммарный коэффициент  приведения воздействия на дорожную  одежду транспортного средства  определенной марки к расчётной нагрузке (табл.П1.3.);

 

Суммарное расчётное число приложения приведенной расчётной нагрузки к расчётной точке на поверхности конструкции за срок службы.

 

 

или                               

где: суточная интенсивность движения автомобилей i-ой марки в первый год службы;

 коэффициент суммирования;

 

где показатель изменения интенсивности движения по годам;

 коэффициент, учитывающий  вероятность отклонения суммарного  движения от среднего ожидаемого,(табл.3.3); ;

 расчётное число  расчётных дней, соответствующих  определённому состоянию деформируемости  конструкции равно 125 дней (прил.6)

 

 

 

 

Принимаем для расчета: .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА РАБОЧЕГО СЛОЯ

Расчетную влажность дисперсного грунта Wp (в долях от влажности на границе текучести Wm) при суммарной толщине слоев дорожной одежды Z1< 0.75м определяется по формуле:

 

Где:

• =0,62 – среднее многолетнее значение относительной влажности грунта, наблюдавшееся в наиболее неблагоприятный (весенний) период года в рабочем слое земляного полотна (табл. П.2.1.);
•   = 0.00 – поправка на особенности рельефа территории (табл. П.2.2.);
• = 0,06 - поправка на конструктивные особенности проезжей части и обочин (табл. П.2.3.);
• = 0,00 – поправка на влияние суммарной толщины стабильных слоев дорожной одежды (рис. П.2.1.);
• t – 1,06 -  коэффициент нормативного отклонения, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности (табл. П.4.2.)

 

 

 

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ.

 

1. Вычисляем суммарное расчетное количество приложений расчетной нагрузки за срок службы по формуле (3.6):

, где Кс = 15,2 (Приложение 6 табл. П.6.3).

Трдг = 125 дней (табл. П.6.1), Кn = 1,31 (табл. 3.3)

 авт.

 

2. Предварительно назначаем конструкцию и расчетные значения расчетных параметров:

• для расчета по допускаемому упругому прогибу (Приложение 2 табл. П.2.5, Приложение 3 табл. П.3.2 и Приложение 3 табл. П.3.9);
• для расчета по условию сдвигоустойчивости (Приложение 2 табл. П.2.4, Приложение 3 табл. П.3.2 и Приложение 3 табл. П.3.6);
• для расчета на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе (Приложение 3 табл. П.3.1 и Приложение 3 табл. П.3.6).

 

№	Материал слоя	h слоя, см	Расчет упруг. прогибу, Е, МПа	Расчет по усл. сдвигоуст., Е, МПа		Расчет на растяжение при изгибе
				Статика	Динамика
						Е, МПа	Ro, МПа	a	m
1.	Асфальтобетон плотный мелкозернистыйна БНД марки 60/90	4	3200	1800		4500	9,80	5,2	5,5
2.	Асфальтобетон высокопористый на БНД марки 60/90	10	2000	1200		2100	5,65	6,3	4,0
3.	Укрепленная щебеночно-гравийно-песчаная смесь обработанная цементом марки М20	18	420	420		420	-	-	-
4.	Песок среднезернистый с содержанием пылевато-глинистых фракций 5%	30	120	120 С=0,005 φ=330	120 С=0,003 φ=280	120	-	-	-
5.	Суглинок легкий Wo = 0,65 WТ	-	50	50 С=0,024 φ=210	50+ С=0,011 φ=80	50	-	-	-

юю

 

 

3. Расчет по допускаемому упругому прогибу ведем послойно, начиная с подстилающего грунта по номограмме рис. 3.1:

1)

по Приложению 1 табл. П.1.1 р = 0,6 МПа, D = 37 см

 

 

 МПа

2)

 

 МПа

3)

 

 МПа

4)

 

 Еобщ = 0,07 ·3200 = 224 МПа

5) Требуемый  модуль упругости определяем  по формуле (3.9):

Етр = 98,65[lg(SNp) - 3,55] = 98,65[lg 442520 - 3,55] = 206 МПа

6) Определяем  коэффициент прочности по упругому  прогибу:

 

Требуемый минимальный коэффициент

 прочности  для расчета по допускаемому

упругому прогибу - 1,06 (табл. 3.1).

 

Следовательно, выбранная конструкция

 удовлетворяет условию прочности  по

допускаемому упругому прогибу.

 

 

4. Рассчитываем конструкцию по условию сдвигоустройчивости в грунте.

Действующие в грунте активные напряжения сдвига вычисляем по формуле (3.13):

 

А) Расчет грунта на статические воздействия:

 

Для определения предварительно назначенную

дорожную конструкцию приводим к двухслойной

 расчетной  модели.

В качестве нижнего слоя модели принимаем грунт

(суглинок  легкий) со следующими характеристиками:

(при Wp = 0,65 WТ и SNp = 1 авт.)

 Ен = 50 МПа (табл. П.2.4),

j = 21° и с = 0,024 МПа (табл. П.2.4).

 

Модуль упругости верхнего слоя модели вычисляем по формуле (3.12), где значения модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, назначаем по табл. П.3.2 при расчетной температуре +20 °С (табл. 3.5).

 МПа.

По отношениям и и при j = 21° с помощью номограммы (рис. 3.3) находим удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки: = 0,013 МПа.

Таким образом: Т = 0,013×0,6 = 0,0078 МПа.

 

Предельное активное напряжение сдвига Тпр в грунте рабочего слоя определяем по формуле (3.14), где СN = 0,024 МПа, Кд = 1,0.

Zоп = 4 + 10 + 18 + 30 = 62 см.

jст = 21° (Приложение 2 табл. 2.4)

ycp = = 0,00195+0,0018+0,0022+0,0024=0,00835 кг/см2

Тпр = сNkд + 0,1gсрzопtgjСТ = 0,024*1 + 0,1×0,00835×62×tg 21° = 0,044,

где 0,1 - коэффициент для перевода в МПа.

, что больше  (табл. 3.1).

 

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу.

 

 

Б) Расчет грунта на динамические воздействия:

 

 МПа.

По отношениям и и при j = 8° с помощью номограммы (рис. 3.3) находим удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки: = 0,023 МПа.

Таким образом: Т = 0,023×0,6 = 0,014 МПа.

 

Предельное активное напряжение сдвига Тпр в грунте рабочего слоя определяем по формуле (3.14), где СN = 0,011 МПа, Кд = 1,0.

Zоп = 4 + 10 + 18 + 30 = 62 см.

jст = 21° (Приложение 2 табл. 2.4)

ycp = 0,00195+0,0018+0,0022+0,0024=0,00835 кг/см2

Тпр = 0,011*1 + 0,1×0,00835×62×tg 21° = 0,031

где 0,1 - коэффициент для перевода в МПа.

, что больше  (табл. 3.1).

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу.

 

В) Расчет песка на статические воздействия:

 

Для определения предварительно назначенную

 дорожную  конструкцию приводим к двухслойной

расчетной модели.

 

В качестве нижнего слоя модели принимаем

 грунт (песок средней крупности) со следующими

 характеристиками: (при Wp = 0,65 WТ и SNp = 1 авт.)

 Ен = 120 МПа (табл. П.2.4),

j = 33° и с = 0,005 МПа (табл. П.2.4).

 

Модуль упругости верхнего слоя модели вычисляем по формуле (3.12), где значения модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, назначаем по табл. П.3.2 при расчетной температуре +20 °С (табл. 3.5).

 МПа.

По отношениям и и при j = 33° с помощью номограммы (рис. 3.2) находим удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки: = 0,028 МПа.

Таким образом: Т = 0,028×0,6 = 0,017 МПа.

 

Предельное активное напряжение сдвига Тпр в грунте рабочего слоя определяем по формуле (3.14), где СN = 0,005 МПа, Кд = 4,0.

Zоп = 4 + 10 + 18 = 32 см.

jст = 24° (Приложение 2 табл. 2.4)

ycp = 0,0018+0,0022+0,0024=0,0064 кг/см2

Тпр = 0,005*4 + 0,1×0,0064×32×tg 33° = 0,033,

где 0,1 - коэффициент для перевода в МПа.

, что больше  (табл. 3.1).

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу.

 

Г) Расчет песка на динамические воздействия:

Для определения предварительно назначенную дорожную конструкцию приводим к двухслойной расчетной модели.

В качестве нижнего слоя модели принимаем грунт (песок средней крупности) со следующими характеристиками: (при Wp = 0,6 WТ и SNp = 442520 авт.) Ен = 120 МПа (табл. П.2.4), j = 28° и с = 0,003 МПа (табл. П.2.4).

Модуль упругости верхнего слоя модели вычисляем по формуле (3.12), где значения модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, назначаем по табл. П.3.2 при расчетной температуре +20 °С (табл. 3.5).

 МПа.

По отношениям и и при j = 28° с помощью номограммы (рис. 3.2) находим удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки: = 0,037 МПа.

Таким образом: Т = 0,037×0,6 = 0,022 МПа.

 

Предельное активное напряжение сдвига Тпр в грунте рабочего слоя определяем по формуле (3.14), где СN = 0,003 МПа, Кд = 4,0.

Zоп = 4 + 10 + 18 = 32 см.

jст = 33° (Приложение 2 табл. 2.6)

ycp = 0,0018+0,0022+0,0024=0,0064 кг/см3

Тпр = 0,003*4 + 0,1×0,0064×32×tg 33° = 0,025,

где 0,1 - коэффициент для перевода в МПа.

, что больше  (табл. 3.1).

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу.

 

5. Рассчитываем конструкцию на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе.

Расчет выполняем в следующем порядке:

а) Приводим конструкцию к двухслойной модели, где нижний слой модели - часть конструкции, расположенная ниже пакета асфальтобетонных слоев, т.е. щебеночное основание, песок и грунт рабочего слоя. Модуль упругости нижнего слоя определяем по номограмме рис. 3.1.

 МПа

К верхнему слою относят все асфальтобетонные слои.

Модуль упругости верхнего слоя (hв = 14 см) устанавливаем по формуле (3.12)

 МПа

б) По отношениям и по номограмме рис. 3.4 определяем .

Расчетное растягивающее напряжение вычисляем по формуле (3.16):

 МПа.

в) Вычисляем предельное растягивающее напряжение по формуле (3.17):

при Ro = 5,65 МПа для нижнего слоя асфальтобетонного пакета (табл. П.3.1)

vR = 0,10 (табл. П.4.1)

t = 1,06 (табл. П.4.2)

- (формула 3.18)

m = 4,0; a = 6,3 (табл. П.3.1); SNp = 442520 авт.;

k2 = 0,8 (табл. 3.6)

RN = Rok1k2(1 - vR×t)= 5,65×0,277×0,8 (1 - 0,1×1,06) = 1,12 МПа

г) , что равно (табл. 3.1).

Следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет всем критериям прочности.

 

 

6.Проверка конструкции  на морозоустойчивость.

 

Материал	Толщина слоя hод(i), м	Коэффициент теплопроводности -lод(i) Вт/(мК) (Табл. П.5.1)
Плотный асфальтобетон	0,04	1,40
Высокопористый асфальтобетон	0,10	1,1
Укрепленная щебеночно-гравийно-песчаная смесь	0,18	2,02
Песок средней крупности	0,30	1,91

 

1. По карте рис. 4.4. находим среднюю глубину промерзания zпр(сp) для условий г. Нижний Новгород и по формуле (4.3) определяем глубину промерзания дорожной конструкции zпр:

zпр = zпр(cp)×1,38 = 1,55×1,38 = 2,14 м.

2. Для  глубины промерзания 2 м по номограмме рис. 4.3 по кривой для пучинистых грунтов определяем величину морозного пучения для осредненных условий:

lпр(ср) = 5,9 см.

По таблицам и графикам находим коэффициенты КУГВ = 0,4 (рис. 4.1): Кпл = 1,2 (табл. 4.4); Кгр = 1,3 (табл. 4.5); Кнагр = 0,90 (рис. 4.2); Квл = 1,05 (табл. 4.6).

По формуле 4.2 находим величину пучения для данной конструкции:

lпуч = lпуч(ср)×Кугв×Кпл×Кгр×Кнагр×Квл = 6,0×0,4×1,2×1,3×0,9×1,05 = 3,53 см.

Для данного типа дорожной одежды допустимая величина морозного пучения согласно табл. 4.3 составляет 4 см.

 

7. Расчет дренирующего  слоя:

В зависимости от конкретных условий дренажная конструкция может быть рассчитана на один из трех вариантов работы:

- работа  на осушение;

- работа  на осушение с периодом запаздывания  отвода воды;

- работа  на поглощение.

Полную толщину дренирующего слоя определяют по формуле:

hп = hнас + hзап= 0,14+0,14=0,28м,                                                          (5.1)

где hнас - толщина слоя, полностью насыщенного водой, м;

hзап - дополнительная толщина слоя, зависящая от капиллярных свойств материала и равная для песков крупных 0,10-0,12 м, средней крупности 0,14-0,15 м и мелких 0,18-0,20 м. Во всех случаях полную толщину дренирующего слоя следует принимать не менее 0,20 м.

 

1. Для дренирующего слоя, работающего по принципу осушения величину hнас устанавливают с помощью номограмм рис. 5.1 и 5.2 в зависимости от длины пути фильтрации L и расчетной величины притока воды в дренирующий слой на 1 м2 qp, определяемой по формуле:

qp=qКпКгКвогКр/1000=3,0*1,5*1*0,3/1000=0,0014, [м3/м2],                                         (5.2)

где q =3,0- осредненное (табличное) значение притока воды в дренирующий слой при традиционной конструкции дорожной одежды, отнесенное к 1 м2 проезжей части, м3/м2 (табл. 5.3);

Кп=1,5- коэффициент “пик”, учитывающий неустановившийся режим поступления воды из-за неравномерного оттаивания и выпадения атмосферных осадков (табл. 5.4);

Кг=1,0- коэффициент гидрологического запаса, учитывающий снижение фильтрационной способности дренирующего слоя в процессе эксплуатации дороги (табл. 5.4);

Квог=1 - коэффициент, учитывающий накопление воды в местах изменения продольного уклона, определяемый при одинаковом направлении участков профиля у перелома по номограмме рис. 5.3;

Кр =0,30- коэффициент, учитывающий снижение притока воды при принятии специальных мер по регулированию водно-теплового режима (табл. 5.5).

2. Полная толщина дренирующего слоя, работающего по принципу поглощения, определяется по формуле:

hп = (Q/(1000n) + 0,3hзап) : (1 -jзим)=(35/(1000*0,32)+0,3*0,14)=(0,109+0,04)/0.5=0,298 м.

где Q =35 - расчетное количество воды в л/м2, накапливающейся в дренирующем слое за весь расчетный период (табл. 5.3);

jзим =0,5- коэффициент заполнения пор влагой в материале дренирующего слоя к началу оттаивания (табл. 5.6);

n=0,32 - пористость материала, в долях единицы.

3. Полную толщину дренирующего слоя (в метрах), работающего по принципу осушения с периодом запаздывания отвода воды, достаточную для временного размещения в его порах поступающей в конструкцию в начальный период ее оттаивания воды, определяют по формуле:

hп = (qрТзап/n + 0,3hзап) : (1 - jзим)=(0,0014*5/0,32+0,3*0,21)/(1-0,45)=0,15 м,                                             

где Тзап =5 - средняя продолжительность запаздывания начала работы водоотводящих устройств, принимаемая для II дорожно-климатической зоны равной 4-6 сут, для III дорожно-климатической зоны равной 3-4 сут (большее значение - для мелких песков);

jзим =0,45- коэффициент заполнения пор влагой в материале дренирующего слоя к началу оттаивания (табл. 5.6);

qp =0,0014- расчетное значение воды, поступающей за сутки.

ВЫВОД:

Условия расчетов приведенных выше выполняются, следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет всем критериям. Выбранная дорожная одежда сможет противостоять таким деформациям и разрушениям, как:

- потери прочности дорожной  одежды, вызванные непрерывным воздействием колес автомобилей и природно-климатических факторов. На потерю прочности большое влияние оказывают ошибки, допущенные при проектировании, строительстве и эксплуатации дорожной одежды, а также температурные деформации;

- сдвиги - деформации, которые происходят при действии касательных сил от колеса автомобиля. Сдвиги являются причиной отсутствия связи верхнего слоя дорожного покрытия с нижним; 

- трещины - деформации, обычно вызываемые резкими температурными изменениями. Сетка трещин появляется на дорожном покрытии как результат недостаточной прочности основания или покрытия;

- колеи, которые образуются на асфальтобетонных покрытиях в результате выдавливания колесами автомобиля из-за недостаточной сдвигоустойчивости асфальтобетона;

- деформации и разрушения, вызванные пучинами, происходящими в весенний период при оттаивании грунта земляного полотна на участках с неблагоприятными условиями водоотвода и защиты земляного полотна от температурных воздействий. Причинами таких разрушений могут быть ошибки в оценке перспективной интенсивности движения и нагрузок, некачественные материалы и их неоднородность, плохое уплотнение земляного полотна и дорожной одежды, а также переувлажнение земляного полотна.