Принципи розрахунків

 

Дорожні покриття жорсткого типу розраховують за методом граничних розрахункових станів. Основним є розрахунок за носівною (несучою) здатністю (тримкістю, міцністю). Обов’язковий перевірочний розрахунок виконується по утворенню тріщин.

Обмежене застосування дорожнього одягу жорсткого типу на вулицях міст і сільських населених пунктів обумовлене головним чином особливостями транспортних потоків. Дорожній одяг цього типу проектують переважно за високої інтенсивності та вантажонапруженості руху на під’їзних дорогах. Для головних вулиць найбільш доцільним є застосування збірних цементобетонних покриттів.

Плиту монолітного цементобетонного покриття за сприятливих ґрунтових і гідрогеологічних умов, а також невеликій вантажо-напруженості руху вкладають на піщану основу з проміжним прошарком з промащеного картону. В усіх інших випадках необхідно влаштовувати штучну основу з необроблених мінеральних матеріалів (щебеню, гравію, шлаків), маломіцних мінеральних матеріалів або ґрунтів, оброблених в’яжучою речовиною. По штучній основі вкладається вирівнюючий шар піску (необробленого або з обробкою бітумом) та проміжний прошарок з промащеного картону або іншого водонепроникного матеріалу.

Частіше в населених містах застосовується дорожній одяг нежорсткого типу.

Нежорстким дорожнім одягом звуться шаруваті конструкції, матеріал яких характеризується модулем пружності та граничним опором розтягу при згині або параметрами опору зсуву, що істотно залежать від температури та вологості, режиму навантаження. До них належить також одяг з шарами основи, в яких допускається утворення тріщин, та з покриттями, не здатними чинити достатній опір розтягу при згині.

Нежорсткий дорожній одяг влаштовують з різних видів асфальто- та дьогтебетонів, інших сумішей з в’яжучими речовинами, з кам’яних матеріалів, побічних продуктів промисловості або ґрунтів, укріплених мінеральними чи комплексними в’яжучими речовинами, а також з кам’яних матеріалів без обробки їх в’яжучими речовинами тощо.

Схемою конструкції нежорсткого дорожнього одягу є шарувате середовище, що має необмежені розміри в плані та за глибиною (шаруватий напівпростір).

Нежорсткий дорожній одяг – це конструкція, що складається з низки шарів з різних матеріалів. Найпростіші конструкції можуть мати один шар з щебеневих, гравійних та інших мінеральних матеріалів, не оброблених або укріплених в’яжучою речовиною.

В загальному випадку розрахунок дорожнього одягу нежорсткого типу в стадії пружних деформацій виконують в такій послідовності:

· обирають тип дорожнього одягу – з урахуванням категорії дороги, транспортних вимог, природних умов тощо;

· розробляють конструкцію дорожнього одягу;

· визначають розрахункові навантаження;

· виконують розрахунок за допустимим пружним прогином;

· розраховують на зсув у ґрунтовій основі та в проміжних шарах із слабкозв’язних матеріалів;

· виконують розрахунок конструктивних шарів із слабкозв’язаних матеріалів;

· розраховують на розтяг при згині;

· визначають необхідність дренування дорожніх конструкцій, обирають типи дренуючих шарів, розраховують приток води в дренуючий шар, встановлюють товщину дренуючих шарів;

· визначають морозостійкість конструкцій та розробляють заходи щодо її забезпечення.

Проектування за тим чи іншим критерієм вважається завершеним, якщо знайдені параметри відрізняються від гранично допустимих не більше як на 5%.

Призначають конструкції та розраховують на міцність дорожній одяг, виходячи з приведеної інтенсивності руху транспортних засобів на перспективу, що відповідає несприятливому для роботи дорожнього одягу періоду.

Одяг автомобільних доріг та міських вулиць розраховують на склад та інтенсивність перспективного руху, що очікується на рік служби покриття перед капітальним ремонтом. Термін служби до капітального ремонту приймають: для доріг з покриттям капітального типу – 15 років, з удосконаленим полегшеним – 10, з перехідним – 8.

 

Розрахунок дорожнього одягу на міцність

Задача розрахунку – правильне визначення товщини шарів одягу в варіантах, намічених при конструюванні, або вибір матеріалів з відповідними деформаційними та міцнісними характеристиками при заданих товщинах шарів.

Розрахунок дорожнього одягу на міцність заснований на наступних принципах:

§ залежність деформації від напруги для дорожньо-будівельних матеріалів та ґрунтів при розрахункових показниках вологості, щільності та температури є лінійною;

§ напружено-деформований стан шаруватої дорожньої конструкції під впливом місцевого навантаження визначається рішеннями теорії пружності для шаруватого (двошарового і тришарового) напівпростору, на поверхню якого діє вісьосиметричне навантаження;

§ вплив тривалості та повторності дії навантажень від рухомих автомобілів на напружено-деформований стан дорожніх конструкцій враховують введенням в розрахунок характеристик пружно-в’язких та утомних властивостей матеріалів та ґрунтів залежно від особливостей роботи різних частин дороги: перегонів, перехресть, зупинок та стоянок автомобілів, узбіч, зупинок міського громадського транспорту;

§ сили інерції, що діють в дорожній конструкції в процесі деформування, досить малі й розрахунком не враховуються (задача є квазістатичною);

§ вплив коливань автомобіля в процесі руху враховують введенням динамічного коефіцієнта до статичного навантаження;

§ граничний стан дорожньої конструкції характеризується показниками, що залежать від властивостей матеріалу кожного шару одягу та ґрунту земляного полотна, а також від їх розміщення та умов роботи в конструкції;

§ за розрахункові приймають найбільш важкі автомобілі, які рухаються по дорозі в несприятливий період року;

§ інтенсивність руху враховують при визначенні граничних величин міцнісних характеристик матеріалів та ґрунтів та пружного прогину конструкції в цілому.

Дорожній одяг на перегонах доріг розраховують на короткотривалу й багаторазову дію рухомих навантажень. Тривалість дії навантажень за сучасних швидкостей руху вантажних автомобілів приймають менше 0,1с; в цьому випадку в розрахунок приймають значення модуля пружності та міцнісних характеристик матеріалів і ґрунту, визначені також за тривалості дії навантаження 0,1 с.

Одяг на зупинках автобусів і тролейбусів, перехрестях доріг, підходах до пересічень із залізничними і трамвайними коліями тощо розраховують на багаторазову тривалу дію навантаження, а також на тривале одноразове навантаження. Під час розрахунку одягу на додаткову дію навантаження використовують значення модуля пружності матеріалів і ґрунту та їх міцнісні характеристики, визначені під час тривалості навантаження не менше 10 хвилин.

Одяг на стоянках автомобілів та узбіччях доріг розраховують на тривале навантаження (більше 10 хвилин). Через малу поверхню впливу навантажень розрахунок можна вести на одноразове навантаження.

Розрахунок дорожнього одягу ведуть з урахуванням надійності, під якою розуміють вірогідність безвідмовної роботи конструкції протягом всього періоду між капітальними ремонтами.

Відмовою вважається такий стан дорожнього одягу, при якому необхідно проведення капітального ремонту раніше терміну, встановленого діючими нормами.

Кількісним показником є рівень надійності, що є відношенням протяжності міцних, не потребуючих капітального ремонту конструкцій до загальної протяжності ділянки з даним значенням запасу міцності та за допустимих коефіцієнтах варіації випадкових функцій «міцність» і «навантаження».

Функція «міцність» характеризує міцнісні або граничні деформаційні показники, що застосовуються в розрахунках, а функція «навантаження» – напруги або деформації в небезпечних місцях конструкції, обумовлені дією зовнішніх навантажень.

Встановлення допустимого рівня надійності конструкції, що проектується, до кінця періоду між капітальними ремонтами є техніко-економічною задачею, що втілюється у визначенні порівняльної економічної ефективності капітальних вкладень з урахуванням фактору часу, будівельних витрат і дорожньо-транспортних експлуатаційних витрат, спрямованих на підвищення надійності конструкцій. Вирішувати її в кожному конкретному випадку доцільно на основі порівняння варіантів.

Для основних випадків проектування допустимий (необхідний) рівень надійності, що визначає мінімальне значення коефіцієнта міцності, який дорожній одяг повинен мати на кінець терміна служби між капітальними ремонтами, нормується залежно від категорії дороги і типу покриття (від 0,60 для перехідного дорожнього одягу до 0,95 для дорожнього одягу капітального типу з удосконаленим покриттям).

Дорожній одяг на міцність розраховують за трьома критеріями:

1) опір зсуву в ґрунті і шарах із слабкозв’язаних матеріалів;

2) опір розтягу при згині монолітних шарів;

3) опір пружному прогину всієї конструкції.

Пластичні зміщення в ґрунті та слабкозв’язаних матеріалах не виникнуть, якщо напруги зсуву в них не досягнуть місцевої граничної рівноваги за зсувом.

Цілісність монолітних шарів не буде порушена, якщо напруги розтягу при багаторазовому згині не перевищать допустимих напружень для матеріалу даного шару, встановленого з урахуванням утомних явищ.

Вся конструкція дорожнього одягу під впливом силових і природних чинників буде надійно працювати, якщо пружний прогін (узагальнена наближена характеристика) її не перевищує нормованого значення, встановленого за результатами випробувань та вивчення досвіду служби дорожнього одягу за різноманітних природних умов і різних умов руху.

Розрахунок дорожнього одягу на вплив рухомих коротко-тривалих навантажень є обов’язковим по всіх трьох критеріях.

Виконується також розрахунок шарів з асфальтобетону на опір зсуву. Мета даного розрахунку – перевірка відповідності властивостей обраної для верхнього шару основи асфальтобетонної суміші умові зсувостійкості матеріалу в конструкції. При незадоволенні вимоги міцності за зсувом в асфальтобетоні необхідно замінити його більш зсувостійким матеріалом.

 

Забезпечення морозостійкості дорожнього одягу
та земляного полотна

 

Розрахунки на морозостійкість виконують для дорожнього одягу, призначеного для районів з несприятливими ґрунтово-геологічними і гідрологічними умовами з сезонним промерзанням. Метою розрахунку є забезпечення необхідної стійкості дорожнього покриття проти порушення рівності у процесі нерівномірного набухання ґрунтів земляного полотна, тобто недопущення появи деформацій від морозного здимання, які перевищують допустимі. Немає необхідності в спеціальних заходах щодо морозозахисту конструкцій:

o в районах з глибиною промерзання менше 0,7 м;

o при земляному полотні, яке укладено на всю глибину промерзання з ґрунтів, що не здимаються або слабо здимаються;

o у випадках, коли необхідна за умовами міцності загальна товщина дорожнього одягу перевищує 2/3 глибини промерзання.

Основні заходи, що сприяють забезпеченню необхідної морозостійкості дорожнього одягу та земляного полотна:

· застосування ґрунтів, що не здимаються або слабо здимаються, для спорудження верхньої частини земляного полотна, що знаходиться в зоні промерзання;

· забезпечення достатнього підвищення покриття над рівнем ґрунтових або поверхневих вод;

· влаштування морозозахисних шарів із стабільних матеріалів, які не змінюють свій об’єм під час промерзання у зволоженому стані, або теплоізоляційних шарів, що затримують хід та зменшують глибину промерзання земляного полотна;

· застосування спеціальних пристроїв, що уберігають земляне полотно від несприятливого впливу від’ємних температур повітря;

· пониження рівня ґрунтових вод;

· влаштування капілляроперериваючих та водоізоляційних прошарків.

Метод розрахунку дорожніх конструкцій на морозостійкість обирають з урахуванням:

§ типу місцевості за умовами зволоження;

§ відношення розрахункової глибини промерзання до відстані від поверхні покриття до розрахункового рівня ґрунтових вод;

§ виду матеріалу (стабільного традиційного, теплоізоляційного, конструктивно-теплоізоляційного), що використовується для захисту конструкції від морозу.