Нежесткие дорожные одежды

Нежесткие дорожные одежды

Исходные данные

а) Область проектирования (Уч. пособие 4/36, табл. 1.1 стр. 4):

Вариант №6

Район строительства - Самарская область

Грунт земляного полотна - супесь пылеватая;

Тип местности по увлажнению - II;

Тип дорожной одежды - капитальный

Материалы конструкции:

-й слой - Асфальтобетон мелкозернистый плотный марки I-II, тип Б на битуме БНД 90/130; h=5 см;

-й слой - Асфальтобетон пористый марки I-II на битуме БНД 90/130; h=8 см;

-й слой - щебень фракционированный; h=22 см;

-й слой - песок крупнозернистый; h - по расчету;

б) Перспективная интенсивность автомобилей в сутки на последний год службы. (Уч. пособие 4/36, по последней цифре шифра табл. 1.2 стр. 5)

1. Расчетные нагрузки

1)   Приведенная интенсивность движения на последний год службы

дорожной одежды (ДО)

=0,55 (по табл. 2.5 стр20)

0,55x(600x0+480x0,08+100x0,2+120x3,59+200x1,07+300x0,08+240x1,05+100*0,03+60*0,53+110*0,91= 666 ед./сут.

III-категория дороги. Капитальная.

Перспективная интенсивность движения - 2810 авт./сут. (сумма по табл. 1.2 стр. 5)

Коэффициент роста интенсивности движения g=1,05

Заданный уровень надёжности Кн=0,95

Расчет дорожных одежд производится в соответствии с отраслевыми дорожными нормами ОДН 218.046-01, введенными в действие в 2001 году.

) Суммарное количество приложенной нагрузки за весь срок службы

Для расчета применяем формулу:

где ∑ Np - число марок автомобилей за весь срок службы ДО;_р - приведенная интенсивность на последний год срока службы, авт/сут;

Т_рдг =135 количество расчетных дней в году (наихудшему состоянию погоды)

k_n - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (табл. 2.4);

К_с - коэффициент суммирования по интерполяции (прил. 1, табл. 4)

Т_сл - расчетный срок службы (прил. 1, табл. 3) [l];

g - коэффициент роста интенсивности движения;

Тсл =15

К_с = 21,6 (15 лет, табл. 4, стр. 48)

К_n =1,49=1,05

С учетом поправки в примечании Т_рдг - 135 дней

(Самарская область; III - дородно-климатическая зона).

УN_р = 0,7*666*(21,6/1,05¹⁴) *135*1,38 = 947488 ед.

. Расчет требуемого и общего модуля упругости конструкции

Минимальный требуемый модуль упругости нежёстких дорожных одежд (категория дороги III; капитальная; ∑Np min =375000) (табл. 2.7)

Етр min =220 МПа

Так как Етр =239 МПа > Етр min = 220 МПа, принимаем Етр =238 МПа

Из условия прочности: Кпр* Етр ≤ Еобщ

Кпр - нормативный коэффициент прочности по критерию упругого прогиба (тип ДО - капитальный, III - категория дороги) (табл. 2.3) [Уч. пособие 4/36]

Кпр = 1,17

Eтр = 98,65 [lg (∑ Np) - c] МПА

с =3,55 - эмпирический параметр, принимаемый для расчётной нагрузки на ось 100 кПа

Так как Етр =239 МПа > Етр min = 220 МПа, принимаем Етр =239 МПа - категория К_н =0,95; К_пр =1,17 (стр. 18, табл. 2.3) [Уч. пособие 4/36]

Определяется общий модуль упругости конструкции:

Еобщ = Етр * Кпр

Е_общ =239*1,17=279,6 МПа

Е_общ =280МПА

. Расчетные характеристики грунтов и материалов слоев дорожной одежды

Определение расчетных характеристик грунта рабочего слоя земляного полотна.

Основными параметрами физико-механических свойств грунта земляного полотна, которыми пользуется в расчётах дорожных одежд на прочность, являются модуль прочности грунта Егр, угол внутреннего трения ᵩгр, Сгр - сцепление.

В соответствии с приложением 1 СНиП 2.05.02-85 Самарская область относится к III дорожно-климатической зоне, тип местности по увлажнению II.

Среднее значение влажности (супесь пылеватая):

Wcp = 0,67 доли Wт грунта (прил. 2, табл. 1, стр. 60)

Определим расчетную влажность грунта (супесь пылеватая) W_р:

t - коэффициент нормативного отклонения по уровню надёжности

Кн = 0,95 (прил. 4, табл. 2)) [Уч. пособие 4/36]

t= 1,71 (табл. 2, стр60)) [Уч. пособие 4/36]

нw =0,1 коэффициент вариации влажности грунта рабочего слоя земляного полотна (прил. 4, табл. 1, стр. 60)) [Уч. пособие 4/36]

В зависимости от расчетной влажности Wр и типа грунта определяем расчетные характеристики грунта рабочего слоя земляного полотна (прил. 2, табл. 4):

Е_гр = 32 МПа; ц_гр = 19⁰; С_гр = 0,010 МПа

1)   Определяем расчетную прочность асфальтобетона на растяжение при изгибе.

Расчётная прочность асфальтобетона на растяжение при изгибе определяется с учётом усталостных явлений при многократном нагружении по формуле:

RN = Rн *(1- t нR)* Kу*Км,

где Rн - нормативное значение предельного сопротивления растяжению при изгибе (стр. 55, табл. 1, прил. 3);

нR =0,1 коэффициент вариации прочности асф. бетона слоёв на растяжение при изгибе (прил. 4, табл. 1)) [Уч. пособие 4/36]

t =1,71 коэффициент нормированного отклонения (прил. 4, табл. 2);

Ку =1,2 коэффициент, учитывающий снижение прочности следствие усталых явлений (график зависимости стр. 59, прил. 3, 2-я кривая);

Км =1 коэффициент, учитывающий снижение прочности под воздействием погодно-климатических факторов (для а/б марок I-II);

Для верхнего слоя из мелкозернистого плотного асфальтобетона марки I-II типа Б на битуме БНД 90/130

Rн =1,4 МПа

Для верхнего слоя из мелкозернистого плотного асфальтобетона марки I-II типа Б на битуме БНД 90/130 (прил. 3, табл. 1)

Ru =2,4 МПа

RN1 = 2,4* (1-1,71*0,1)*1,1*1=2,2 МПа

Для нижнего слоя из крупнозернистого пористого асфальтобетона марки I-II типа Б на битуме БНД 90/130 (прил. 3, табл. 1)

Ru =1,4 МПа= 1,4*(1-1,71*0,1)*1,1*1 =1,3 МПа

Расчётные характеристики для асфальтобетонных слоёв дорожной одежды III дорожно-климатической зоны принимаем при t= 30 С (табл. 2.6)

Расчётные характеристики материалов дорожной одежды сводим в (таб. 2 . прил. 6, стр. 65)

4. Расчёт по упругому прогибу дорожной конструкции

Определяется расчётная приведённая интенсивность движения на последний год эксплуатации дорожной конструкции:

За расчетную нагрузку принимаем автомобиль группы А₁ со следующими параметрами, давление на покрытие p= 0,6 МПа, расчетный диаметр следа колеса движущего автомобиля D_д. = 37 см; нормативная статическая нагрузка на ось100 кН; нормативная статическая нагрузка на поверхность покрытия от колес расчетного автомобиля, Q_расч. = 50 кН. (прил. 1, таб. 1) [l].

Предварительно с учётом конструктивных требований намечаем толщины слоёв дорожной одежды, за исключением толщины крупнозернистого песчаного слоя, которая определяется расчётом.

h 1 = 6 см;

h 2 = 8 см;

h 3 = 22 см;

h 4= по расчёту

Послойно рассчитываем дорожную одежду сверху вниз (рис. 1)

Рис. 1. Расчетная схема приведения многослойной дорожной конструкции к двухслойной

В расчёте будем пользоваться номограммой ОДН 218.046-01. или рис. 2.2 Еобщ= 280 Мпа

Определяем отношения h1/D=6/37=0,16 и Еобщ/Е1=286/2400=0,12

По номограмме в зависимости от этих отношений определяем отношение

Eʹобщ/E1=0,1; от сюда Еʹобщ=Е1 * 0,1=2400 * 0,1=240 МПа (1-й слой)

Определяем отношения h2/D=8/37=0,22 и Еʹобщ/E2=240/1400=0,17

По номограмме в зависимости от этих отношений определяем отношение

Еʺобщ/E2=0,13; от сюда Еʺобщ=E2 * 0,13=1400 * 0,13= 182 МПа (2-й слой)

Определяем отношения h3/D=22/37=0,6 и Еʺобщ/E3=182/450=0,4

По номограмме в зависимости от этих отношений определяем отношение

Е‴общ/E3=0,22; от сюда Е‴общ=E3 * 0,22=450 * 0,22= 99 МПа (3-й слой)

Определяем толщину дренирующего слоя. Для этого определяем отношения

Е‴общ/E4=99/130=0,76 и Егр/E4=53/130=0,4

По номограмме в зависимости от этих отношений определяем отношение

/D=1,4; от сюда h=D * 1,4=37 * 1,4=51,8 h4 ≈ 52 см

Результаты расчёта

5. Расчёт на сдвиг в грунте

Рис. 2. Расчетная схема приведения многослойной дорожной конструкции к двухслойной при определении сопротивления сдвигу в подстилающем грунте

Недопустимые деформации под действием кратковременных или длительных нагрузок, в течении всего срока службы дорожной конструкции, не будут накапливаться в подстилающем грунте и малосвязных слоях основания, если будет обеспечено условие прочности:

Кпр * Т ≤ Тдоп,

где Кпр - нормативный коэффициент прочности сдвига и растяжения при изгибе (табл. 2.3) [l];

Кпр =1

Тдоп - предельное (допускаемое) напряжение сдвига;

Т - активное напряжение сдвига в грунте и малосвязных слоях основания то воздействия нагрузи. Складывается из двух составляющих:

Такт = фн + фв,

где фн - активное напряжение сдвига в грунте и малосвязанных слоях основания от нагрузки А1 (транспортных средств) определяем по формуле:

фн=фʹ * p

p = 0,6 МПа - давление в колёсах;

фв - напряжение сдвига в грунте и малосвязанных слоях от

собственного веса конструкции;

) Для определения фн предварительно назначенную конструкцию дорожной одежды приводим к двухслойной расчётной модели. В качестве нижнего слоя модели принимаем грунт (супесь лёгкая) со следующими характеристиками:

при Wр = 0,65 от Wт и ∑Np =947488) Eгр= 32 МПа, цгр= 19º, Сгр=0,01 МПа.

) Определяем средний модуль упругости по критерию прочности на сдвиг в грунте и малосвязанных слоях основания всей конструкции дорожной одежды, по формуле:

Еср = (∑EЯ * hЯ) / ∑hЯ

ЕЯ - (табл. 2 данной работы)

Еср = (660*6+610*8+450*22+130*52) / (6+8+22+52) =25500 / 88 = 290 МПа

) Определим отношения:

Еср / Егр =290 / 32 =9,1

∑ hЯ / D = 88 / 37 = 2,4

По номограмме (рис. 2.5) зависимости от вычисленных отношений и угла внутреннего трения грунта (ц=19º) определяем фʹ от единичной нагрузке (p=1МПА);

фʹ= 0,012

фн = 0,012 * 0,6 = 0,007 МПА

) По номограмме (рис. 2.6) определяется фв напряжение сдвига в грунте от веса дорожной конструкции:

фв=-0,0061 МПА

Определяем полное активное напряжение сдвига в грунте:

Такт = фн + фв=0,007 + (- 0,0061) = 0,0009 МПа

Определяем допускаемое напряжение сдвига в грунте по формуле:

Тдоп = Сгр * К1 * К2 * К3,

где К1 =0,6 коэффициент для кратковременных нагрузок;

К2=0,82 коэффициент, учитывающий количество приложений нагрузки (интенсивность движения), в зависимости от приведённого количества приложений расчётной нагрузки в сутки на последний год срока службы Np=598 ед./сут. (табл. 2.8);

К3 =1,5 коэффициент, учитывающий особенности работы грунтов и материалов слоёв в конструкции (защемление, зацепление, сопряжения) (табл. 2.9);

Тдоп = 0,01 * 0,6 * 0,82 * 1,5 =0,007

Проверяем условия прочности: Кпр * Т ≤ Тдоп

* (0,0009) ≤ 0,007 - условия прочности выполняются.

Следовательно, конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу в грунте.

6. Расчет на сдвиг в песке

Рис. 3. Расчетная схема приведения многослойной дорожной конструкции к двухслойной при определении сопротивления сдвигу в слабосвязанных слоях основания

Расчёт конструкции дорожной одежды по условию сдвига устойчивости в слабосвязанном слое основания, производится аналогично расчёту для подстилающего грунта, где должно обеспечиваться условия прочности:

Кпр * Т ≤ Тдоп

Малосвязанный слой в многослойной модели конструкции - песок крупнозернистый со следующими характеристиками: Епеск = 130 МПа; цпеск=42º; Спеск= 0,007 МПа (прил. 2, таб. 5) [l].

Еср =(∑ЕЯ*hЯ) / ∑hЯ

Еср = (660*6+610*8+450*22) / (6+8+22) =18740 / 36=520,6 МПа

Определяется активное напряжение сдвига для рассчитываемого слоя по формуле:

Такт =фн + фв;

фн =фʹ * р;

р = 0,6 МПа

По отношению Еср / Епеск; ∑hЯ / D и номограмме (рис. 2.4) находим фʹ

Еср / Епеск =520,6 /130 =4

∑hЯ / D =36 / 37 =0,97

фʹ = 0,03

фн = 0,03 * 0,6 = 0,018

фв - напряжение сдвига в грунте от веса дорожной конструкции над песчаным слоем определяем по номограмме (рис. 2.6; [l]) в зависимости от толщи конструкции (∑hЯ) и угла внутреннего трения цпеск;

фв = -0,0027 МПа

Определяем полное активное напряжение сдвига в грунте:

Такт = 0,018 - 0,0027 =0.0153 МПа

Определяем допускаемое напряжение в грунте Тдоп по формуле:

Тдоп =Спеск * К1 * К2 * К3;

Спеск = 0,007 МПа

К1 = 0,6

К2 = 0,82

К3 - коэффициент принимается в зависимости от типа грунта или материала слоя (табл. 2.9)

К3 = 7

Тдоп = 0,007 * 0,6 * 0,82 * 7 =0,024

Проверяем условие прочности:

Кпр * Такв ≤ Тдоп

* 0,0027 ≤ 0.024 - условие прочности выполняется.

Конструкция удовлетворяет условию прочности по сдвигу.

7. Расчёт конструкции по критерию прочности монолитных слоёв растяжения при изгибе

Монолитные слои дорожной одежды (из асфальтобетона) проектируются так, чтобы напряжения, возникающие в этих слоях под воздействием повторных кратковременных нагрузок, не вызывали усталостных разрушений (трещин), т.е. должно быть обеспечено условие прочности:

Кпр * уᵣ ≤ RN,

где Кпр - нормативный коэффициент прочности по критерию прочности прочности на растяжение при изгибе (табл. 2.3)

уᵣ - max. растягивающее напряжение в монолитном слое возникающее под воздействием повторных кратковременных нагрузок.

RN - прочность материала слоя на растяжение при изгибе с учётом усталых явлений.

Приводим конструкцию к двухслойной модели, где нижний слой модели - часть конструкции, расположенная ниже пакета асфальтобетонных слоев, т.е. щебеночное основание и грунт рабочего слоя.

Рис. 4. Расчетная схема приведения многослойной дорожной конструкции к двухслойной при определении растягивающих напряжений при изгибе для верхних слоев покрытия.

1)   Толщина слоя Нв принимается равной сумме толщин всех

асфальтобетонных слоёв:

Нв =∑ hЯ

Нв= 6 + 8 =14 см;

) Модуль упругости верхнего слоя устанавливаем по формуле:

Еср асф. б = ∑(ЕЯ *hЯ) / Нв

Еср.асф. б = (3600 * 6 + 2200 * 8) / 14 =2800 МПа

) Модуль упругости основания Еʺобщ. оснв (смотреть пред. расчёт)

Еʺобщ. оснв = 182 МПа

По отношениям Н_в/D; Е_{ср.асф.б} / Еʺ_{общ.осн} и по номограмме (рис. 2.8; [l]) определяем уʹᵣ - растягивающее напряжение от воздействия, единичной нагрузки (p= 1,0 МПа);

Нв/D =14 /37 = 0,38

Eср. асф. б / Еʺобщ. осн. = 2800/182 = 15,4

уʹᵣ = 2 МПа

Расчетное растягивающее напряжение вычисляем по формуле:

уᵣ = уʹᵣ * p *Кб,

где Кб =0,85 коэффициент, учитывающий уменьшение напряжения в монолитном слое под нагрузкой спаренного колеса;

уᵣ = 2 * 0,6 * 0,85 = 1,02 МПа

Проверяем условие прочности Кпр * уᵣ ≤ RN

RN1 = 2,2 (верхний слой асф. б; смотреть пред. расчёт),

RN2 = 1,3 (нижний слой асф. б; смотреть пред. расчёт).

Сравниваем с прочностью асфальтобетона RN2 - нижнего слоя пакета, т.к. находится в худших условиях (растянутая зона).

* 1,02 ≤ 1,3 - условия выполняются.

Выбранная конструкция дорожной одежды удовлетворяет всем критериям прочности.

Список использованной литературы

1. СНиП 2.05..20-85. Автомобильные дороги.

. Проектирование нежестких дорожных одежд. Отраслевые дорожные нормативы ОДН 218.046. - 01. - М., 2001.

. Проектирование нежестких дорожных одежд. Межгосударственные отраслевые дорожные нормы МОДН 2-2001. - М., 2002.

. ГОСТ 9128-97 Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.

. Изыскания и проектирование дорог.

Учебно-методическое пособие по конструированию и расчету дорожных одежд нежесткого типа для студентов 5 курса специальности автомобильные дороги и аэродромы. №4/36