30-1

УДК 625.855 Заложных В.М. Конструирование и расчет нежестких дорожных

одежд: Методические указания к лабораторным и практическим занятиям для студентов специальностей 260100 и 240400: /В.М.Заложных.–Воронеж: ВГЛТА, 2003.– с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТА

Рецензент: гл. инженер ОАО «Магистраль» Е.В.Токарев

Оглавление

Предисловие………………...………………………………………….….3

1 Конструирование дорожной одежды…………….…………………...3

2Расчет дорожных одежд на прочность……………………….………9

2.1Основные положения…………….…………………………….…….9

2.2Расчет дорожных одежд по допускаемому упругому прогибу..…11

2.3Расчет дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев..…25

2.4Расчет усовершенствованных дорожных одежд на

сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе……………….………………………….31

3 Проверка дорожной конструкции на морозостойкость..………...36

4 Пример расчета нежесткой дорожной одежды переходного типа………………………………………………………………………49

4.1Расчет дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу…50

4.2Расчет дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости

вподстилающем грунте земляного полотна……...…...………….51

4.3Расчет дорожной конструкции по условию сдвигоустойчивости

впесчаном слое…………………….…………………………….…53

4.4Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость..……..54

5.2Расчет дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна…………...………………………...……56

5.3Расчет дорожной конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе…….57

5.4Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость……....58 Приложение А………………..…………………………………….……61

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основным видом транспорта в лесной промышленности является автомобильный, им вывозится около 88 % объема древесины. Наиболее ответственным элементом автомобильной дороги является дорожная одежда, от качественного состояния которой зависит ритмичность производственной деятельности предприятия и эксплуатационные показатели работы дороги. Кроме того, дорожная одежда является наиболее дорогим элементом. Доля затрат на ее сооружение составляет 40…50 % и более общей стоимости постройки дороги. В зависимости от грузооборота согласно СниПу 2.05.07-91 могут применяться все типы дорожных одежд – от капитальных до низших.

Конструирование и расчет дорожных одежд производятся согласно отраслевым дорожным нормам ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд», введенным с 1 января 2001 года. Следует отметить, что по новой методике расчета существенно повышены требования к надежности дорожной одежды на весь заданный срок ее службы, что позволит повысить эксплуатационные качества, но и удорожает стоимость строительства. Это обстоятельство повышает ответственность проектировщиков за обеспечение наиболее оптимальной конструкции дорожной одежды в зависимости от грузооборота дороги, природно-климатических и грунтово-гидрологических условий района строительства дороги.

1 Конструирование дорожной одежды

Дорожной одеждой называют один или несколько конструктивных слоев, укладываемых на заранее подготовленное земляное полотно для создания прочной и ровной поверхности. Дорожную одежду устраивают из материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию колес движущегося транспорта и влиянию климатических факторов.

В зависимости от числа слоев дорожные одежды разделяют на однослойные и многослойные. В многослойных дорожных одеждах различают покрытие и слои основания. Верхний слой – покрытие–непосредственно воспринимает воздействие движущегося транспорта и обеспечивает необходимые эксплуатационные качества дороги.

Для увеличения сопротивления изнашиванию, а также улучшения сцепления шин с дорогой на поверхности покрытия иногда устраивают слои поверхностной обработки из мелкого щебня, обработанного вяжущими материалами.

Для повышения прочности покрытий из слабых каменных материалов поверх них устраивают тонкий слой износа.

Расположенный ниже покрытия слой дорожной одежды –основание– является основным конструктивным слоем дорожной одежды, обеспечивающим ее прочность и устойчивость. Оно может устраиваться из одного или нескольких слоев.

Ниже основных слоев основания в ряде случаев укладывают дополнительный (подстилающий) слой основания из песка и других местных зернистых материалов, служащий для дренажа одежды и повышения ее прочности и морозоустойчивости.

Роль слоев в основном сводится к распределению давления колес на большую площадь подстилающего грунта с целью снижения передающихся на него удельных нагрузок.

Все типы дорожных одежд по условиям их работы при действии нагрузок делят на две группы : жесткие и нежесткие. К жестким относятся одежды с покрытием из цементобетона, железобетонных плит и с деревянными колесопроводами, к нежестким – все остальные виды дорожных одежд.

Дорожные одежды обычно классифицируют по типу покрытия, которое должно обеспечивать основные эксплуатационные требования, предъявляемые к дороге.

В зависимости от их капитальности и степени обеспечения требований автомобильного движения дорожные одежды делят на капитальные, облегченные, переходные и низшие.

Для лесовозных дорог с расчетным объемом перевозок до 500 тыс. м3/год рекомендуется предусматривать переходные и низшие типы дорожных одежд из местных каменных материалов, минеральных отходов промышленности или из укрепленных различными способами грунтов.

Низшие типы дорожных одежд для дорог IV-в категории устраивают из выровненного скального или крупнообломочного грунта; из грунтов, укрепленных или улучшенных различными скелетными добавками (щебнем, гравием, дресвой, шлаком, горелыми породами и другими местными материалами); из местных каменных материалов; из грунтов, укрепленных местными вяжущими материалами (гранулированным доменным шлаком, активными золами уноса и др); с применением дерева (лежневые, бревенчатые сплошные и колейные).

Переходные типы дорожных одежд для III –в и IV-в категорий следует проектировать из прочного фракционированного щебня, укладываемого по способу заклинки; из подобранного щебеночного и гравийного материалов; шлаков требуемой прочности; из малопрочных каменных материалов и грунтов, укрепленных органическими, неорганическими или комплексными вяжущими.

К малопрочным материалам относятся щебень, гравий, щебеночно- гравийно-песчаные смеси и другие материалы, в которых содержится или может образоваться в процессе строительства или эксплуатации избыточное по сравнению с действующими нормами частиц размером менее 0,63 мм с числом их пластичности до 7.

Для покрытий, устраиваемых по способу заклинки применяют фракционированный щебень из естественных горных пород, горнорудных отходов и малоактивных металлургических шлаков, отвечающих требованиям действующих ГОСТов.

Дорожные одежды облегченного типа с усовершенствованными покрытиями рекомендуется устраивать на дорогах I-в и II-в категорий с использованием следующих материалов: асфальтобетона; черного щебня; щебня, обработанного вяжущим по способу пропитки; крупнообломочных, песчаных и супесчаных грунтов, обработанных в установке битумной эмульсией совместно с цементом.

Предварительно толщину покрытия из асфальтобетона облегченных дорожных одежд следует назначить ровной 4 …6 см, а при использовании других материалов – равной 6…8 см. Окончательную толщину покрытия устанавливают расчетом.

В отдельных случаях для дорог I-в и II-в категорий могут устраиваться капитальные дорожные одежды с покрытием из асфальтобетонных плотных смесей, укладываемых в горячем состоянии.

Для лесовозных дорог проектирование дорожных одежд капитального и облегченного типов следует производить раздельно для грузового и порожнего направлений движения автотранспортных средств.

При проектировании покрытий лесовозных дорог переходного типа в основном применяют серповидный профиль дорожной одежды (рис. 1.1).

Полукорытный профиль может применяться при ширине обочин 1 м и более и толщине покрытия более 15 см: для гравийных покрытий – на земляном полотне из дренирующих грунтов; для покрытий из грунтов, укрепленных вяжущими материалами – при любых грунтах.

Корытный профиль может применяться для дорог с усовершенствованными типами покрытий.

При полукорытном профиле нижние слои дорожной одежды размещаются в корыте, а верхний слой (собственно покрытие) проектируется на всю ширину полотна.

При земляном полотне из недренирующих грунтов можно предусмотреть устройство дополнительного слоя основания из песка на всю ширину земляного полотна толщиной не менее 20 см. Для слоя гравия в этом случае назначают полукорытный профиль.

Гравийные покрытия должны иметь слой износа (толщиной 2-5 см), не включаемый в расчет дорожной одежды.

Минимально допустимая толщина конструктивных слоев дорожной одежды из щебеночных и гравийных материалов, не обработанных вяжущими, при устройстве покрытия на песчаном основании принимается – 15 см; на более прочном основании (из щебня, гравия, укрепленного грунта) – 8 см.

Количество и толщина слоев покрытия или основания из грунта, укрепленного вяжущими, определяется в зависимости от расчетной толщины покрытия и условий обеспечения качественного перемешивания и уплотнения смеси. Толщина каждого слоя должна быть не менее 10 см и не более 20 см в плотном теле. Поверхностная обработка (слой износа) в этом случае предусматривается на магистралях лесовозных дорог двойная. Толщина слоев износа и поверхностной обработки приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Слой износа для различных покрытий

Примечание. Для гравийных (щебеночных) покрытий при устройстве поверхностной обработки значения таблицы умножаются на 1,5.

Слои материалов в конструкции нежесткой дорожной одежды располагают по убывающей прочности (сверху вниз) в соответствии с затуханием напряжений от колесной нагрузки. Для получения наиболее экономичной конструкции требуемую прочность дорожной одежды нужно обеспечивать проектированием основных несущих слоев из наиболее дешевых местных материалов; более дорогие и прочные материалы, используемые для покрытия и верхних слоев основания, проектируют минимальной толщины. При этом отношение модулей упругости смежных слоев из слабосвязанных материалов не должно превышать 5-6.

Необходимо стремиться к конструированию возможно минимального числа слоев дорожной одежды (обычно 2-3- слойные на магистрали с дорожной одеждой переходного типа и 1-2- слойные на ветках без учета слоев поверхностной обработки), чтобы не осложнять технологический процесс строительства дороги. Покрытие гравийных дорог проектируют из оптимальной гравийной смеси № 1 или № 2, а основание – из оптимальных смесей для основания (табл. 1.2).

Для щебеночных дорожных одежд размер частиц щебня для покрытия должен быть в пределах 5-40 мм и для основания – 25-100 мм.

Шлаковый щебень устойчивой структуры из высокоактивных и активных шлаков можно также использовать для устройства покрытий на дорогах

IV-в и III-в категорий. Щебень неустойчивой структуры из активных шлаков можно использовать только для устройства оснований.

Несущие основания для облегченных дорожных одежд с усовершенствованным покрытием предусматривают из монолитных или зернистых материалов: гравийного пористого асфальтобетона; гравийно-песчаных смесей, обработанных органическими вяжущими; различных материалов, грунтов и побочных продуктов промышленности, обработанных неорганическими или комплексными вяжущими; щебеночных и щебеночно-гравийных смесей.

Асфальтобетонное покрытие и основание следует предусматривать, как правило, однослойными.

Таблица 1.2

Зерновой состав конструктивных слоев

Основание из зернистых материалов должно быть, как правило, двухслойным: несущий слой из жестких и сдвигоустойчивых материалов (щебень, гравий, щебеночно-или гравийно-песчаные смеси, материалы и грунты, укрепленные неорганическими вяжущими) и дополнительный слой, выполняющий морозозащитные и дренирующие функции.

Морозозащитные слои устраивают из стабильных зернистых материалов, таких как песок, песчано-гравийная смесь, гравий, щебень, шлаки и др., а также из грунтов, укрепленных вяжущими, или других непучинистых материалов. В случае устройства морозозащитного слоя из зернистых материалов с коэффициентом фильтрации не менее 1-2 м/сут он может также выполнять функцию дренирующего слоя. В этом случае морозозащитный слой нужно устраивать на всю ширину земляного полотна с выходом на откосы насыпи. Ширина морозозащитного слоя должна превышать ширину вышележащего слоя не менее, чем на 0,5 м с каждой стороны.

Если крупнопористый материал (щебень, гравий) укладывается непосредственно на суглинистый или глинистый грунт земляного полотна, между ними необходимо устраивать прослойку из крупного или среднего песка, мелкого щебня, высевок, синтетических текстильных материалов в один слой, предотвращающих взаимопроникновение материалов смежных слоев. Толщину прослойки из зернистых материалов принимают равной 5…10 см.

При переувлажненном грунте земляного полотна толщина прослойки составляет 15…20 см, не учитываемую при расчете конструкции на прочность.

Защитной прослойкой может служить также слой из грунта, укрепленного вяжущими материалами, толщиной 5…8 см, которую уже учитывают при расчете одежды на прочность. Если на непереувлажненном грунте или одномерном песке толщина прослойки из зернистых материалов превышает 5 см, то толщину слоя сверх 5 см также учитывают при расчете дорожной одежды.

Поперечные уклоны проезжей части при двускатном поперечном профиле следует назначать для капитальных дорожных одежд 20 ‰, облегчен- ных–30 ‰, переходных – 35 ‰, низших – 40 ‰. Для дорог, расположенных в I дорожной климатической зоне, поперечные уклоны принимаются на

5 ‰ меньше.

Поперечные уклоны обочин следует принимать на 10-30 ‰ больше поперечных уклонов проезжей части. В зависимости от климатических условий

итипа укрепления обочин допускаются следующие поперечные уклоны, ‰: при укреплении с применением вяжущих – 30…40; при укреплении гравием, щебнем, шлаком– 40…50; при укреплении одерновкой и засевом трав– 50…60.

Для однополосных лесовозных дорог уклоны проезжей части и обочин надлежит принимать одинаковыми и равными, %о:

–при покрытиях гравийных, щебеночных, грунтощебеночных, грунтогравийных и грунтовых улучшенных– 50…60; –при покрытиях щебеночных, гравийных и из других материалов, укрепленных вяжущими – 30…40.

Участки обочин шириной 0,5 м, прилегающие к проезжей части дорог I-в и II-в категорий, предусматривают с твердым покрытием, прочность которого должна соответствовать нагрузке расчетного автомобиля. Поверхность остальной части обочин в зависимости от объема перевозок по дороге

исостава движения, типа грунта земляного полотна и особенностей климатических условий следует укреплять слоем щебня, гравия, шлака и других местных крупнозернистых материалов, допускающих по прочности систематические выезды транспортных средств на обочины без существенных деформаций.

2 Расчет дорожных одежд на прочность

2.1 Основные положения

Вертикальные силы от веса подвижного состава и динамических усилий, возникающих из-за неровностей покрытий, через контактную площадку от колес создают напряженное состояние в слоях дорожной конструкции. Возникающие деформации до какой-то определенной нагрузки носят обратимый характер. При увеличении этой нагрузки появляются остаточные (пластические) деформации, приводящие с течением времени к разрушению дорожной одежды.

Впроцессе службы дорог под влиянием многократно прилагаемых нагрузок в дорожных одеждах возникают явления усталости. Зерна минеральных материалов истираются и дробятся, органические вяжущие материалы под влиянием температурных колебаний и нагрузок становятся хрупкими, их прилипаемость к камню ухудшается. Многократное воздействие колес автомобилей в периоды временного снижения прочности подстилающих грунтов (весной или осенью) приводит к постепенному накоплению усталостных пластических деформаций в дорожной одежде. Если их суммарная величина превысит некоторое допустимое значение, одежда разрушится.

Таким образом, прочность дорожной одежды зависит от предельно допустимой величины прогиба и приложений нагрузки.

Под нагрузкой при прогибе дорожной одежды в ее верхний части происходит сжатие материала, а в нижней части конструктивных слоев– растяжение.

При превышении растягивающими напряжениями предела прочности материала образуются трещины, а в основаниях из несвязных и малосвязных материалов (гравия, песка, щебня) и в подстилающем грунте могут возникать зоны пластического течения, развитие которых приводит к потере прочности.

Всоответствии с этим нежесткие дорожные одежды рассчитывают на прочность по трем критериям: а) сопротивление упругому прогибу всей конструкции; б) сопротивление сдвигу в слоях с пониженной сопротивляемостью сдвигу; в)сопротивление растяжению при изгибе монолитных слоев.

Наиболее распространенные на автомобильных лесовозных дорогах

дорожные одежды с покрытиями переходного типа рассчитывают на воздействие подвижных нагрузок только по двум критериям – допускаемым напряжениям на сдвиг и допустимому упругому прогибу.

Нагрузка от колес автомобиля при его движении действует в течение краткого периода времени (0,1 с). При этом деформации одежды и грунта основания не успевают полностью проявиться из-за вязкости грунтов и материалов конструктивных слоев одежды. В результате замедления протекания деформации дорожная одежда прогибается меньше, чем при статическом приложении нагрузки. Для грунтового основания это аналогично уменьшению приложенного давления или возрастанию его модуля упругости.

Дорожные одежды на перегонах дорог рассчитывают на кратковременное действие подвижных нагрузок. Принимаемые значения параметров прочностных и деформативных характеристик материалов и грунта в этом случае должны соответствовать указанному характеру приложения нагрузки.

Одежды на остановках, подходах к пересечениям с железнодорожными путями, обочинах дорог следует рассчитывать на однократное нагружение при продолжительности нагружения более 10 мин. В этом случае используются статические значения расчетных параметров, и коэффициенты на повторность не вводятся. Расчет ведут по критериям сдвига в грунте и слабосвязных материалах.