Реконструкция участка автомобильной дороги

Реконструкция участка автомобильной  дороги 

Исходные  данные

1. Район  строительства – г. Сыктывкар;

2. Дорожно-климатическая  зона –II;

3. Категория  дороги – III;

4. Тип  дорожной одежды – облегченный;

5. Группа  расчетной нагрузки – А₁ (нормативная статическая нагрузка на ось – 100 кН);

6. Интенсивность движения (транспортных единицах) – 1600 авт/сут;

7. Дорожная одежда:

– верхний слой из щебня, обработанного органическим вяжущим, толщиной 30 см – 950 МПа.

– слой основания из фракционированного щебня с заклинкой фракционированым мелким щебнем – 450 МПа.

9. Рабочий  слой земляного полотна – супесь легкая – 65 МПа.

10. Фактический  модуль упругости на поверхности  дорожной одежды – 145 МПа

11. Требуемая  надежность дорожной конструкции  К_н – 0,95; 

      По  произведенной ранее проверке участка  автомобильной дороги на аварийность, удовлетворение расчетной скорости и обеспечение пропускной способности  следует, что необходимо провести ряд мероприятий по усилению дорожной одежды, довести модуль упругости на поверхности дорожной одежды с фактического до требуемого. 
 

Расчет  усиления дорожной одежды 

1. Для  заданной надежности устанавливаем  минимальные коэффициенты прочности  :

      – по критерию упругого прогиба  [1,табл. 3.1];

      – по сдвигоустойчивости и растяжению при изгибе =1,0 [1,табл. 3.1].

      По  нормативной статической нагрузке на ось равной 100 кН определяем расчетные  параметры нагрузки [1, табл. П.1.1]:

      – давление от колеса на покрытие р = 0,6 МПа;

      – диаметр штампа Д=37 см.

2. Суммарное  расчетное число приложений расчетной  нагрузки к точке на поверхности  за срок службы дорожной одежды:

, где

        – приведенная интенсивность  движения на последний год  срока службы одежды, 2688 авт/сут ;

        – коэффициент суммирования, берётся по таблице в зависимости  от срока службы конструкции  и показателя изменения интенсивности  q, ( ) [1, табл. П.6.3].

;

        – количество дней в  году, при котором ведется накопление  остаточных деформаций (берется  по карте районирования, для  Сыктывкара 135 дней) [1,табл. П.6.1]

        – коэффициент, учитывающий  вероятность отклонения интенсивности  движения от среднего значения. Зависит от типа покрытия и  от категории дороги ( ) [1,табл. 3.3]

        – расчетный срок службы, 14 лет [1, табл. П.6.4];

 авт. 

3. Определим  требуемый модуль упругости.

      Должно  выполняться условие:

, где

         – общий расчетный модуль упругости, МПа;

        – требуемый коэффициент прочности дорожной одежды при упругом прогибе [1,табл. 3.1].

        – минимальный требуемый  общий модуль упругости конструкции,  МПа. 

      Определим величину минимального общего модуля упругости конструкции:

МПа, где

      с – эмпирический параметр, принимаемый равным при расчетной нагрузке на ось 100 кН – 3,55;

        – суммарное расчетное  число приложений нагрузки за  срок службы дорожной одежды;

      Требуемый модуль упругости должен быть не менее  200 МПа [1, табл. 3.4]

МПа.

     Вывод: для данной категории необходимо, чтобы конструкция дорожной одежды в целом удовлетворяла требованиям прочности и надежности по величине упругого прогиба, которая равна 299 МПа.   

4. Найдем  толщину основания из фракционированного щебня с заклинкой фракционированым мелким щебнем.  
 
 

Расчетная схема

      Находим общий модуль упругости на границе верхнего и 1 слоя:

;

;

.

      Находим толщину 2-го слоя:

;

.

      Все вычисления сводим в таблицу: 

 

      Принимаем основание из фракционированного щебня  с заклинкой фракционированым мелким щебнем равное 17 см.

Схема существующей дорожной одежды 

        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Подбор вариантов усиления дорожной одежды до требуемого модуля упругости (299 МПа). Рассчитаем три варианта.

      1 вариант: принимаем поверх щебня слой плотного асфальтобетона на битуме БНД 60/90 с модулем упругости 4500 МПа и толщиной 6 см, слой высокоплотного асфальтобетона на битуме БНД 60/90 с модулем упругости 6000 МПа и толщиной 4 см.

      Все вычисления сводим в таблицу:

 
 

      

      2 вариант: принимаем поверх щебня слой плотного асфальтобетона на битуме БНД 40/60 с модулем упругости 6000 МПа и толщиной 10 см

      Все вычисления сводим в таблицу:

 

 

      3 вариант: Снимаем существующую дорожную одежду до подстилающего грунта. Основание принимаем из щебня пропитанного битумом толщиной 20 см (Е=700 МПа), и два слоя асфальтобетонного покрытия: нижний слой а/б пористый БНД 60/90 с модулем упругости 2000 толщиной 6 см и верхний слой плотный асфальтобетон БНД 60/90 с модулем упругости 3200 МПа и толщиной 4 см. 

      Все вычисления сводим в таблицу:

 

        

Расчет  по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных  конструктивных слоев

      Дорожную  одежду проектируют из расчета, чтобы  под действием кратковременных  или длительных нагрузок в подстилающем грунте или малосвязных (песчаных) слоях  за весь срок службы не накапливались  недопустимые остаточные деформации формоизменения. Недопустимые деформации сдвига в конструкции  не будут накапливаться, если в грунте земляного полотна и в малосвязных (песчаных) слоях обеспечено условие:

, где

      Т – расчетное активное напряжение сдвига (часть сдвигающего напряжения, непогашенная внутренним трением частиц грунта или песка) в расчетной (наиболее опасной) точке конструкции от действующей временной нагрузки, МПа;

      Т_пр – предельная величина активного напряжения сдвига (в той же точке), превышение которой вызывает нарушение прочности на сдвиг, МПа;

        – требуемое минимальное  значение коэффициента прочности,  определяемое с учетом заданного  уровня надежности, ; 

      При практических расчетах многослойную дорожную конструкцию приводят к двухслойной  расчетной модели.

      При расчете дорожной конструкции  на прочность по сдвигоустойчивости грунта земляного полотна в качестве нижнего слоя принимают рабочий слой земляного полотна, а в качестве верхнего - всю дорожную одежду. Толщину верхнего слоя h_в принимают равной сумме толщин слоев одежды .

      Модуль  упругости верхнего слоя модели вычисляют  как средневзвешенный по формуле:

, где

      n – число слоев дорожной одежды в расчетах на сдвиг грунта земляного полотна. При расчете песчаного слоя на сдвигоустойчивость n в формуле означает число слоев, лежащих над песчаным слоем;

      h_i – толщина i-го слоя, см;

      E_i – модуль упругости i-го слоя, МПа; 

      Действующие в грунте или в песчаном слое активные напряжения сдвига Т вычисляют по формуле:

, где

        – удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки, определяемое с помощью номограмм;

        – расчетное давление от колеса на покрытие, МПа. 

      Предельное  активное напряжение сдвига Т_пр в грунте рабочего слоя (или в песчаном материале промежуточного слоя) определяют по формуле:

       , где

        – сцепление в грунте земляного полотна (или в промежуточном песчаном слое), МПа, принимаемое с учетом суммарного числа приложений нагрузки, ;

        – коэффициент, учитывающий особенности работы конструкции на границе песчаного слоя с нижним слоем несущего основания. При устройстве нижнего слоя из укрепленных материалов, а также при укладке на границе «основание - песчаный слой» разделяющей геотекстильной прослойки, следует принимать значения k_д равным:

      - 4,5 – при использовании в песчаном слое крупного песка;

      - 4,0 – при использовании в песчаном слое песка средней крупности;

      - 3,0 – при использовании в песчаном слое мелкого песка;

      - 1,0 – во всех остальных случаях;

        – средневзвешенный удельный вес конструктивных слоев, расположенных выше проверяемого слоя, кг/см³;

        – глубина расположения поверхности слоя, проверяемого на сдвигоустойчивость, от верха конструкции, см;

      0,1 – коэффициент для перевода  в МПа;

        – расчетная величина угла внутреннего трения материала проверяемого слоя при статическом действии нагрузки, . 

      1 вариант:

      1) Определяем модуль упругости  верхнего слоя:

МПа;

      2) Определяем действующие в грунте активные напряжения сдвига Т:

;

МПа;

      3) Определяем предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте рабочего слоя:

      4) Проверяем выполнение условия:

; – условие выполняется. 
 
 

      2 вариант:

      1) Определяем модуль упругости  верхнего слоя:

МПа;

      2) Определяем действующие в грунте активные напряжения сдвига Т:

;

МПа;

      3) Определяем предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте рабочего слоя:

      4) Проверяем выполнение условия:

; – условие выполняется.

      3 вариант:

      1) Определяем модуль упругости  верхнего слоя:

МПа;

      2) Определяем действующие в грунте активные напряжения сдвига Т:

;

МПа;

      3) Определяем предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте рабочего слоя:

      4) Проверяем выполнение условия:

; – условие выполняется. 
 

Расчет  конструкции на сопротивление  монолитных слоев  усталостному разрушению от растяжения при  изгибе

      В монолитных слоях дорожной одежды (из асфальтобетона, дегтебетона, материалов и грунтов, укрепленных комплексными и неорганическими вяжущими и  др.), возникающие при прогибе  одежды напряжения под действием  повторных кратковременных нагрузок, не должны в течение заданного  срока службы приводить к образованию  трещин от усталостного разрушения. Для  этого должно быть обеспечено условие:

       , где

        – требуемое минимальное  значение коэффициента прочности,  определяемое с учетом заданного  уровня надежности, ;

        – прочность материала  слоя на растяжение при изгибе  с учетом усталостных явлений;

        – наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое, устанавливаемое расчетом;

      Наибольшее  растягивающее напряжение при изгибе в монолитном слое определяют с помощью номограммы, приводя реальную конструкцию к двухслойной модели.

      К верхнему слою модели относят все  асфальтобетонные слои, включая рассчитываемый. Толщину верхнего слоя модели h_в принимают равной сумме толщин, входящих в пакет асфальтобетонных слоев ∑h_i. Значение модуля упругости верхнего слоя модели устанавливают как средневзвешенное для всего пакета асфальтобетонных слоев по формуле:

;

      Нижним (полубесконечным) слоем модели служит часть конструкции, расположенная  ниже пакета асфальтобетонных слоев, включая грунт рабочего слоя земляного полотна. Модуль упругости нижнего слоя модели определяют путем приведения многослойной системы к эквивалентной по сопротивляемости с помощью номограммы ( ).

      Растягивающее напряжение в рассчитываемом слое определяют по формуле:

, где

        – растягивающее напряжение от единичной нагрузки при расчетных диаметрах площадки, передающей нагрузку, определяемое по номограмме;

        – коэффициент, учитывающий особенности напряженного состояния покрытия конструкции под спаренным баллоном, принимается равным 0,85;

        – расчетное давление от колеса на покрытие, МПа. 

      Прочность материала монолитного слоя при  многократном растяжении при изгибе определяют по формуле:

, где

        – нормативное значение предельного сопротивления растяжению (прочность) при изгибе при расчетной низкой весенний температуре при однократном приложении нагрузки;

        – коэффициент, учитывающий снижение прочности вследствие усталостных явлений при многократном приложении нагрузки, определяется по формуле:

, где

        – коэффициент, учитывающий различие в реальном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузкой, а также вероятность совпадения во времени расчетной (низкой) температуры покрытия и расчетного состояния грунта рабочего слоя по влажности;

      m – показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного слоя;

        – коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени от воздействия погодно-климатических факторов;

        – коэффициент вариации рекомендуется принимать равным ;

        – коэффициент нормативного отклонения, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности К_н, . 

      1 вариант:

      1) Определяем модуль упругости  верхнего слоя:

МПа;

      2) Определяем растягивающее напряжение:

;

;

МПа;

      3) Определяем прочность материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе:

;

МПа;

      4) Проверяем выполнение условия:

; – условие выполняется. 
 
 

      2 вариант:

      1) Определяем модуль упругости  верхнего слоя:

МПа;

      2) Определяем растягивающее напряжение:

;

;

МПа;

      3) Определяем прочность материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе:

;

МПа;

      4) Проверяем выполнение условия:

; – условие выполняется.

      3 вариант:

      1) Определяем модуль упругости  верхнего слоя:

МПа;

      2) Определяем растягивающее напряжение:

;

;

МПа;

      3) Определяем прочность материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе:

;

МПа;

      4) Проверяем выполнение условия:

; – условие выполняется.