МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВСЕСОЮЗНЫЙ ДОРОЖНЫЙ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
(СОЮЗДОРНИИ)

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
НА ДЕЙСТВИЕ ПОДВИЖНЫХ НАГРУЗОК
(В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ)

Одобрены Минтрансстроем

Москва 1978

Содержат основные положения метода расчета дорожных одежд на действие подвижных нагрузок с учетом изменений водно-теплового режима дорожных одежд и верхней части земляного полотна в течение теплого периода года.

Приводятся примеры расчета дорожных одежд для III дорожно-климатической зоны.

Предисловие

«Методические рекомендации по проектированию дорожных одежд на действие подвижных нагрузок (в условиях Западной Сибири)» составлены на основе исследований, проведенных Омским филиалом Союздорнии и Сибирским автомобильно-дорожным институтом им. В.В. Куйбышева в течение 1967 - 1978 гг., и изучения опыта работы дорожных одежд в условиях Западной Сибири.

Настоящие «Методические рекомендации», основанные на новом принципе расчета дорожных одежд, публикуются для ознакомления с ним широких кругов специалистов и выполнения пробных и сравнительных расчетов применительно к условиям Западной Сибири, для которых предложены конкретные значения расчетных параметров.

«Методические рекомендации» составили канд. техн. наук А.В. Смирнов, инженеры Б.Б. Самойленко, А.С. Пилипенко, А.Г. Широков (Омский филиал Союздорнии) с использованием материалов инж. А.Г. Малофеева (СибАДИ) и инж. Л.Г. Ефремова (МАДИ).

1. Общие положения

1.1. Настоящие «Методические рекомендации» предназначены для опытного проектирования дорожных одежд автомобильных дорог I - IV категорий в условиях Западной Сибири с учетом грунтовых и климатических условий и воздействия подвижных колесных нагрузок.

1.2. «Методические рекомендации» предусматривают проектирование дорожных одежд на земляном полотне, возведенном в соответствии со СНиП II-Д.5-72.

1.3. При проектировании дорожных одежд на действие подвижных нагрузок за расчетную нагрузку принимают 10 тс на ось с приведением разнородного состава транспортного потока к этой нагрузке.

1.4. Предлагаемый метод расчета дорожных одежд предусматривает работу дорожных одежд в стадии обратимых деформаций. Общий срок службы одежды включает время ее работы в упругой стадии и время работы до допустимого уровня эксплуатационного состояния.

1.8. Движение автомобиля по поверхности покрытия вызывает деформацию дорожных одежд и сопровождается передачей кинетической энергии. При однократном проезде колеса передаваемая кинетическая энергия (в кДж или тм²/с²) равна:

                                                            (1)

где m - масса колесной нагрузки расчетного автомобиля, т;

u - упругий прогиб, м;

t - время загружения, с;

 - скорость деформирования поверхности дорожной одежды, м/с.

При многократном приложении расчетной колесной нагрузки за период эксплуатации дорожной одежды переданная ей кинетическая энергия (в кДж) составит:

                                              (2)

где s - время работы одежды в стадии обратимых деформаций, годы;

i - число месяцев в году работы дорожной одежды на талом основании;

n - среднемесячное количество приложений расчетной колесной нагрузки.

1.6. Применительно к процессу взаимодействия транспортных потоков и дорожных одежд закон сохранения и превращения энергии, составляющий основу метода, формулируется в виде:

∑Е = ∑Е_y + Е_тепл + DЕ_пот                                              (3)

или

где m_пр - масса дорожной одежды и грунтового основания, вовлекаемая з колебания при воздействии подвижной нагрузки, т;

 - предельная скорость деформаций дорожной одежды, м/с;

С_s - коэффициент, отражающий степень снижения предельной потенциальной энергии упругих колебаний в процессе эксплуатации за счет усталостных явлений;

Е_тепл - кинетическая энергия, преобразуемая в тепловую, кДж;

∆Е_пот - потенциальная энергия пластических деформаций дорожной одежды, кДж. Потери энергии за счет тепловыделения при деформировании дорожной одежды в процессе взаимодействия с подвижными нагрузками, а также потенциальная энергия пластических деформаций малы и в дальнейших расчетах не учитываются;

∑Е_y - предельная потенциальная энергия упругих колебаний дорожной одежды до нарушения сплошности одного из конструктивных слоев, сопротивляющихся изгибу, кДж;

∑Е - кинетическая энергия, кДж.

2. Расчет дорожных одежд

2.1. Расчет толщины покрытий и оснований дорожных одежд производится путем сопоставления передаваемой кинетической энергии транспортным потоком с предельной потенциальной энергией упругих колебаний, воспринимаемой дорожной одеждой.

Динамическую устойчивость дорожной одежды определяет условие

∑Е £ ∑Е_у,                                                                        (4)

достигаемое последовательным приближением с точностью до 10 %.

2.2. Передаваемую кинетическую энергию определяют в следующем порядке:

устанавливают срок эксплуатации дорожной одежды в стадии обратимых деформаций, выделяя его из общего срока службы одежды до капитального ремонта;

предварительно назначают тип и толщину покрытий и оснований дорожной одежды, которую проверяют на морозоустойчивость по ВСН 46-72;

устанавливают длительность работы дорожной одежды на талом грунтовом основании;

определяют среднемесячное количество приложений расчетной колесной подвижной нагрузки;

определяют среднемесячную температуру асфальтобетонных покрытий и оснований за теплый период года и их динамические модули упругости;

устанавливают среднемесячную влажность грунтов земляного полотна и их динамические модуля упругости;

определяют динамический эквивалентный модуль упругости основания дорожной одежды за каждый месяц теплого периода года;

определяют скорость изменения прогиба дорожной одежды под действием подвижной расчетной колесной нагрузки;

устанавливают передаваемую дорожной одежде кинетическую энергию за месяц, за весь период работы одежды в году на талом грунтовом основании, а также срок работы одежды в стадии обратимых деформаций.

2.3. Предельную потенциальную энергию дорожной одежды к концу срока эксплуатации в стадии обратимых деформаций определяют в следующем порядке:

рассчитывают массу дорожной одежды и грунтового основания, вовлекаемую в колебания;

назначают предельные обратимые прогибы материалов покрытий и оснований в зависимости от среднемесячных дневных температур и параметры усталости (по результатам лабораторных испытаний образцов-балочек);

по величине динамического эквивалентного модуля упругости одежды помесячно назначают функции веса растягивающих напряжений при изгибе монолитных слоев покрытий и оснований и функцию веса сжимающих напряжений, воспринимаемых земляным полотном;

вычисляют среднемесячные предельно допустимые скорости деформаций дорожной одежды;

определяют предельную потенциальную энергию колебаний дорожной одежды за месяц, весь теплый период года, а также к последнему году работы ее в стадии обратимых деформаций.

2.4. Общий срок службы дорожных одежд до капитального ремонта принимают по табл. 1.

Таблица 1

Примечания:

1. Коэффициенты a₁ и a₂ получены на основании опыта эксплуатации автомобильных дорог Западной Сибири.

2. Коэффициент a₁ соответствует эксплуатационному состоянию, характеризуемому отсутствием трещин и выбоин и ровностью покрытий одежд нежесткого типа по толчкомеру не более 50 см/км, а жесткого типа - не более 150 см/км.

3. Коэффициент a₂ соответствует эксплуатационному состоянию, характеризуемому ровностью покрытий одежд нежесткого типа по толчкомеру не более 150 см/км, а жесткого типа - не более 250 см/км. При этом процент поражения площади покрытий трещинообразованием и выбоинами на одеждах нежесткого типа составляет не более 40 %, а показатели растрескивания покрытий одежд жесткого типа - не более 20 м/100 м².

Расчет передаваемой дорожным одеждам кинетической энергии от транспортного потока, а также предельной потенциальной энергии упругих колебаний производят на срок эксплуатации S, равный длительности работы одежды в стадии обратимых деформаций и определяемый по формуле:

S = S_o ∙ a_1,2,

где a_1,2 - соответственно коэффициенты учета длительности эксплуатации одежд в стадии обратимых деформаций и до удовлетворительного состояния покрытий по ровности (табл. 1).

2.5. Для расчета кинетической энергии, передаваемой дорожным одеждам, предварительно назначают минимальные толщины покрытий и оснований:

                                                                                                                                   Толщина слоя, см

Цементобетон................................................................................................................ …………………20

Плотный асфальтобетон (горячий или теплый)........................................................ …………………..8

Щебень, обработанный способом пропитки............................................................. …………………..8

Щебеночные (гравийные) материалы, обработанные вяжущим способом  смешения на дороге…   8

Щебеночные (гравийные) материалы, укрепленные цементом,

на каменном  : основании или на грунте, укрепленном вяжущим........................... ………………    .12

Грунты и малопрочные каменные материалы, обработанные органическими

или неорганическими вяжущими................................................................................ …………………..10

Щебеночные (гравийные) материалы, не обработанные вяжущим:

на песчаном основании ……………………………………………………………………………….    15

на прочном основании (каменном или из укрепленного грунта): для щебня…………………………10

для гравийного материала........................................................................................... …………………..12

В случае необходимости при последующих пересчетах толщину покрытия увеличивать на 2 - 3 см, основания - на 5 см.

2.6. Длительность работы дорожной одежды (в месяцах) на талом основании определяют по формуле:

                                                          (5)

где Т^{в > 0 °C} - длительность теплого периода, дни (принимают в соответствии со «Справочником по климату СССР» как сумму дней с момента перехода среднемесячной температуры воздуха через 0 °С в весенний период до момента перехода среднемесячной температуры воздуха через 0 °С в осенний период);

А^III, А^IV - ориентировочное количество дней соответственно оттаивания дорожной конструкции на глубину 1,5Д и промерзания ее на глубину 2Д от поверхности покрытия, принимаемое по табл. 2.

Таблица 2

2.7. Категорию дороги устанавливают по суточной интенсивности движения согласно СНиП II-Д.5-72.

Количество приложений расчетных колесных нагрузок за месяц в пределах одной полосы движения определяют по формуле (6), полученной на основе расчетов частотных характеристик и плотности вероятностного транспортного потока:

                                                          (6)

где  - суточная интенсивность движения, авт/сутки, средняя за период эксплуатации дорожных одежд в стадии обратимых деформаций, определяемая при законах роста интенсивности движения N_s = N₁ (1 + gS) и

N_s = N₁ (1 + g)^s и известной начальной интенсивности N₁ соответственно как:

и

.

При известной перспективной интенсивности движения N_s среднесуточная интенсивность движения  с учетом отмеченных законов ее изменения определяется соответственно:

и

где g - ежегодный прирост интенсивности движения относительно единицы;

K_g - коэффициент учета доли расчетных автомобилей в потоке (табл. 1.1 приложения 1).

2.8. Динамические модули материалов покрытия, основания и грунтов земляного полотна назначаются с учетом изменения температурно-влажностного режима и продолжительности действия нагрузки (приложение 2).

2.9. Эквивалентный динамический модуль упругости системы «грунт земляного полотна - основание» определяют в следующем порядке (рис. 1):

определяют по величине  и  значение η (приложение 3), затем устанавливают

определяют по величинам  и  новое значение η (приложение 3) и устанавливают

последовательно для каждого слоя конструкции, начиная с нижнего, определяют  и общий .

2.10. Скорость колебаний дорожных одежд от действия подвижной нагрузки определяют по значениям , ,  для каждого месяца теплого периода в зависимости от скорости движения транспортного потока (скорость транспортного потока на дорогах общего пользования составляет в среднем 60 км/ч) и величины нагрузок по номограмме рис. 2.

Рис. 1. Схема для определения эквивалентного динамического модуля упругости основания

Рис. 2. Номограмма для определения скоростей колебаний дорожных одежд:

  - жесткого типа;  - нежесткого типа

 

2.11. Кинетическую энергию, передаваемую дорожной одежде, рассчитывают по формуле (2). При этом массу колесной нагрузки расчетного автомобиля для автомобилей группы А и Б (по ГОСТ 9314-59) принимают соответственно 5 и 3 т.

2.12. Предельную потенциальную энергию к концу периода работы дорожной одежды в стадии обратимых деформаций определяют (в кДж) по формуле

                                              (7)

где m_пр - масса дорожной одежды и грунтового основания, вовлекаемая в колебания, т, рассчитываемая по формуле

                                                            (8)

Д_дин - размер динамической чаши прогибов, для одежд жесткого типа Д_дин = 20Д, но не менее длины плиты, для одежд нежесткого типа при общем эквивалентном динамическом модуле  более 6000 кгс/см², равном 5000 и 4000 кгс/см² Д_дин соответственно равны 10Д; 6,5Д и 5Д (Д = 34 см);

ρ - средняя плотность слоев дорожной одежды и грунтового основания, т/м³;

h - глубина зоны активного динамического деформирования, определяемая для жестких дорожных одежд по номограмме рис. 4.1 приложения 4, для нежестких - по табл. 4.1 приложения 4;

 - среднемесячные предельные скорости колебаний дорожной одежды, определяемые для покрытий, лежащих на дискретных основаниях, по формуле

                                                         (9)

для покрытий, лежащих на монолитных основаниях:

                                        (10)

u₁, u₂ - предельные обратимые прогибы образцов оболочек материалов покрытий и оснований при испытаниях на изгиб, определяемые для асфальтобетонов в зависимости от среднемесячной дневной температуры:

u₁, u₂ = А^v + В^vТ.                                                                    (11)

Значения А^v и В^v приведены в табл. 3.

Таблица 3

Примечание. Для асфальтобетонов типов В, Г и Д постоянная А^v увеличивается на 3 %, а постоянная В^v - на 18 %.

Для остальных материалов значения предельных упругих прогибов, а также параметр усталости (а_i) и плотность (ρ_i) монолитных материалов покрытий и оснований даны в табл. 2.1 приложения 2.

t_з.л. - длительность загружения образцов-балочек при испытании на изгиб, t_з.л. = 0,5 с;

v - скорость транспортного потока, v = 60 км/ч;

l_1,2 - пролет образцов-балочек при испытаниях на чистый изгиб, м;

n₁ - количество приложений нагрузки к дорожной одежде, устанавливаемое для первого месяца теплого периода года путем подсчета, а для каждого из последующих месяцев путем прибавления такой же величины. Например, в апреле n₁ = 63´10⁴, тогда в мае n₁ = 126´10⁴, в июне n₁ = 189´10⁴, в июле n₁ = 252´10⁴ и т.д.;

Q - функция веса сжимающих напряжений верхней части земляного полотна, определяемая для каждого месяца периода работы дорожной одежды на талом основании по номограмме рис. 4.2 приложения 4;

b₁ - функция веса растягивающих динамических напряжений, воспринимаемых покрытием, определяемая для каждого месяца по формуле

                                                             (12)

 - динамические изгибающие напряжения от подвижной расчетной нагрузки, определяемые по номограмме рис. 4.3 приложения 4;

Р_о - удельная статическая нагрузка под колесом расчетного автомобиля; для автомобилей группы А Р_о = 6 кгс/см², группы Б Р_о = 5 кгс/см²;

К_дин - коэффициент динамичности подвижной нагрузки для дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, принимаемый по табл. 4.2 приложения 4;

b₂ - функция веса растягивающих напряжений, воспринимаемых монолитными основаниями или нижними слоями покрытия, устанавливаемая для каждого месяца по номограмме рис. 4.4 приложения 4;

С_s - коэффициент, отражающий степень снижения предельной потенциальной энергии колебаний в процессе эксплуатации за счет усталостных явлений, определяемый по формуле

                                                (13)

где j - число монолитных слоев дорожной одежды, воспринимающих изгиб и характеризующихся параметрами усталости а₁, а₂, ..., а_j, считая от верхних слоев дорожной одежды. Значения С_s приведены в табл. 4.3 приложения 4.

2.13. Расчет дорожных одежд завершается путем сопоставления энергий в соответствии с п. 2.1 «Методических рекомендаций».

Пример расчета приведен в приложении 5.

2.14. Для ускоренного расчета дорожных одежд составлены номограммы, основанные на реализации вышеприведенного метода, и даны примеры расчета (приложение 6).

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Характеристики для определения расчетных нагрузок

Таблица 1.1

Значения коэффициента К_g, учитывающего долю расчетных автомобилей в потоке

Долю расчетных автомобилей в потоке (g_расч) определяют по формуле

где  - коэффициент приведения грузовых автомобилей потока к расчетному (5 т), принимаемый по табл. 1.2 приложения 1;

g_μ - грузовые автомобили в общем потоке, %;

μ - количество типов грузовых автомобилей в потоке.

Таблица 1.2

Значения коэффициента приведения грузовых автомобилей к расчетному

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Расчетные характеристики материалов дорожных одежд и грунтов земляного полотна

Таблица 2.1

Деформативные характеристики и плотность материалов порожных одежд

Примечания: 1. При других размерах поперечного сечения и пролета образцов-балочек значения предельного прогиба уменьшаются пропорционально горизонтальному сечению и квадрату высоты и увеличиваются пропорционально квадрату пролета.

2. Предельные прогибы приведены для однократного загружения.

Динамические модули асфальтобетонов (кгс/см²) назначают по формуле

                                                        (2.1)

где А, Б, С, Д - постоянные величины, определяемые наибольшим размером зерен минеральной части смесей, принимаемые по табл. 2.2 приложения 2.

Таблица 2.2

Примечание. Доверительная вероятность величин А, В, С, Д для мелко-, средне- и крупнозернистых асфальтобетонов составляет соответственно 0,98; 0,96; 0,84.

t - время нагружения, t = 0,1 с;

T - температура в середине слоя асфальтобетонного покрытия или основания, °С,

                                                  (2.2)

где  - среднемесячная температура °С поверхности асфальтобетонных покрытий за светлое время суток, определяемая как:

                                                       (2.3)

 - среднемесячная температура воздуха за светлое время суток, принимаемая в соответствии со «Справочником по климату СССР», °С;

а, в - эмпирические коэффициенты, принимаемые по табл. 2.3 приложения 2.

К - коэффициент, полученный из результатов наблюдений за температурным режимом дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием, равный:

Таблица 2.3

H_i - толщина асфальтобетонного покрытия или основания, предварительно назначенная по п. 2.5 «Методических рекомендаций»;

i’ - порядковые номера месяцев в период работы дорожной одежды на талом основании.

Динамические модули упругости (кгс/см²) грунтов земляного полотна определяют по формуле

                                                    (2.4)

где А^II, В^II - постоянные величины, зависящие от вида грунта, определяемые по табл. 2.4 приложения 2;

Таблица 2.4

 - относительная среднемесячная влажность грунтов земляного полотна на глубине до 0,5 м от низа дорожной одежды, определяемая по формулам:

а) во II - IV дорожно-климатических зонах для всех видов грунтов

                                                  (2.5)

 - весовая влажность грунта, %;

F_тек - влажность на границе текучести, %;

 - расчетная относительная влажность грунта земляного полотна, принимаемая по ВСН 46-72;

К₂ - эмпирический коэффициент, равный

б) в I дорожно-климатической зоне для суглинков и глин

                                            (2.6)

K₃ - эмпирический коэффициент, равный

 - расчетная относительная влажность грунта земляного полотна;

W_о.п. - относительная влажность грунта открытого поля^х), принимаемая для Салехарда и Ханты-Мансийска соответственно 1,0 и 0,9.

^х) См. рис. 23 в книге «Земляное полотно автомобильных дорог в северных условиях». Под общ. ред. А.А. Малышева. М., «Транспорт», 1974.