Расчетные характеристики материалов дорожной одежды

1 Материалы, содержащие органическое вяжущее, обладают упруго-вязко-пластическими свойствами. Модули упругости этих материалов, как и прочностные их характеристики, в значительной мере зависят от температуры и режима нагружения - скорости приложения нагрузки, продолжительности действия ее и др. Прочность таких материалов зависит, кроме того, от повторности нагружений и условий работы в конструкции.

Таблица 12

Материал	Марка битума	Характеристики для расчета на изгиб
Модуль упругости Е, МПа	Среднее сопротивление растяжению при изгибе , МПа
Плотный асфальтобетон I-II марки	БНД-40/60		3,2
БНД-60/90		2,8
БНД-90/130		2,4
БНД-130/200		2,0
БНД-200/300		1,8
БГ-70/130		1,7
СГ-130/200		1,6
Пористый асфальтобетон	БНД-40/60		1,8
БНД-60/90		1,6
БНД-90/130		1,4
БНД-130/200		1,2
БНД-200/300		1,1
Высокопористый щебеночный асфальтобетон	БНД-40/60		1,1
БНД-60/90		1,0
БНД-90/130		0,9
Высокопористый песчаный асфальтобетон, в том числе битумопесчаная смесь по ТУ 218 РСФСР 395-79	БНД-40/60		1,3
БНД-60/90		1,1
Плотный дегтебетон	-		2,5
Пористый дегтебетон	-		1,5

Таблица 13

Материал	Марка битума	Расчетные значения кратковременного модуля упругости Е, МПа, при температуре покрытия, °С
+10	+20	+30	+40	+50(60)
Плотный асфальтобетон	БНД-40/60
БНД-60/90
БНД-90/130
БНД-130/200
БНД-200/300
БГ-70/130
СГ-130/200
СГ-70/130	}800
МГ-70/130
Пористый и высокопористый асфальтобетон, в том числе битумо-песчаная смесь по ТУ 218 РСФСР 395-79	БНД-40/60
БНД-60/90
БНД-90/130
БНД-130/200
БНД-200/300
Плотный дегтебетон	-
Пористый дегтебетон	-

Примечания: 1. Если данных непосредственных региональных наблюдений за температурой покрытия не имеется, можно применять в качестве расчетной температуры асфальтобетона в I-II дорожно-климатических зонах +20° С, в III зоне - +30° С, в IV - +40° С и в V - +50° С.

2. Модули упругости плотного асфальтобетона даны в таблице применительно к смесям типа Б. При температурах от 30 до 50 °С модули упругости для смесей типа А следует увеличить, а типов В, Г, Д - уменьшить на 20 %.

3. Модули упругости пористого и высокопористого асфальтобетона даны в таблице применительно к песчаным смесям. При температуре от 30 до 50 °С модули упругости для мелкозернистых смесей следует увеличить на 10 %, а для крупнозернистых смесей - на 20 %.

4. Расчетные значения кратковременного модуля упругости Е приведены для использования в расчетах конструкций по упругому прогибу и сдвигу в грунте и в промежуточных слоях одежды.

Так как конструкции дорожных одежд на перегонных участках подвергаются в основном воздействию подвижных нагрузок, а на стоянках, остановках, перекрестках и т.п. - статическому воздействию от средств транспорта, значения модуля упругости асфальтового бетона ниже в табл. 12 - 14 даны применительно к этим двум видам режима нагружения конструкции.

2. При расчете асфальтобетонного покрытия на прочность необходимо располагать данными о расчетной его температуре, т. е. температуре, при которой покрытие в конкретных условиях работает наиболее напряженно. В районах сезонного промерзания дорожных конструкций независимо от того, в какой дорожно-климатической зоне они находятся, наиболее неблагоприятные условия для работы покрытия наступают в начале весны при низкой положительной температуре покрытия, с учетом которой составлена табл. 12.

К концу весны при значительном оттаивании земляного полотна модуль упругости асфальтобетона уменьшается, что неблагоприятно сказывается на сопротивлении сдвигу грунта земляного полотна и промежуточных слоев одежды. Так как интенсивность повышения температуры воздуха в весенне-летнее время разная в различных дорожно-климатических зонах, то и расчетная температура покрытия также неодинакова. В табл. 13 приведены значения кратковременного модуля упругости асфальтобетона при разных температурах. Расчетные значения температуры в данном случае желательно уточнять по результатам региональных наблюдений.

Таблица 14

Вид асфальтобетона	Вид смеси	Расчетный модуль упругости Е при статическом действии нагрузки, МПа, при расчетной температуре, °С
+20	+30	+40	+50
Плотные смеси, тип Б	Крупнозернистая
Плотные смеси, типы Г, Д	Мелкозернистая
Пористые и высокопористые смеси	Песчаная
Крупнозернистая
Мелкозернистая
Песчаная

Примечание. Модули упругости асфальтобетона типа А увеличивают на 20 %, а типа В уменьшают на 20 %.

3. Данные табл. 12 и 13 относятся к асфальтобетону на битумах марок БНД. Допустимо использование этих данных при применении битума марок БН соответствующей вязкости.

4. В табл. 12, 13 и 14 приведены значения деформационных и прочностных характеристик асфальтобетона и дегтебетона, используемые в расчетах по критерию - сопротивление растяжению при изгибе (см. табл. 12), сопротивление сдвигу в грунте и слоях из зернистых и слабосвязных материалов (см. табл. 13 и 14), упругому прогибу поверхности покрытия конструкции (см. табл. 14).

Рис. 8. Зависимость коэффициента усталости К_у, учитывающего повторность нагружения от расчетной приведенной интенсивности N_р воздействия нагрузки на полосу:

1 - для асфальтобетонов на битумах БНД-130/200 и БНД-200/300, высокопористых асфальтобетонов и дегтебетона; 2 - для плотных и пористых асфальтобетонов на битумах БНД-40/60, БНД-60/90 и БНД-90/130; 3 - для материалов и грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими

5. Расчетное значение сопротивления асфальтобетона или дегтебетона растяжению при изгибе

R_p =(1 - tn_R)К_yК_m, (5)

где - среднее значение сопротивления асфальтобетона растяжению при изгибе (см. табл. 12);

t - коэффициент нормированного отклонения R, принимаемый по п. 11 приложения 2 в зависимости от уровня проектной надежности К_н конструкции дорожной одежды; К_н=0,95;

n_R - коэффициент вариации прочности на растяжение при изгибе асфальтобетона, равный 0,1;

К_y - коэффициент усталости, учитывающий повторность нагружения от расчетной приведенной интенсивности движения на полосу, определяемый по графику (рис. 8);

К_m- коэффициент снижения прочности, от воздействия природно-климатических факторов; назначается для асфальтобетона I - II марок на щебне изверженных пород К_m=1,0 и III марки - К_m = 0,8; для смесей на щебне осадочных пород и гравийных материалов I марки К_m = 0,9 и II - III марок - 0,7; для дегтебетонов - К_m = 0,7.

6. При расчете дорожной одежды на статическое действие нагрузки расчетные значения модуля упругости асфальтобетона необходимо принимать по табл. 14.

7. Для расчета асфальтобетонных слоев по сопротивлению сдвигу, расчетные значения модуля упругости асфальтобетона следует принимать по табл. 14, а расчетные характеристики для определения допускаемого сопротивления асфальтобетона сдвигу - по табл. 15.

Таблица 15

Вид смеси асфальтобетонных слоев	Характеристика асфальтобетона для расчета на сдвиг	Вид смеси асфальтобетонных слоев	Характеристика асфальтобетона для расчета на сдвиг
Комплексный коэффициент К	Сцепление с_аб, МПа	Комплексный коэффициент К	Сцепление с_аб, МПа
Крупнозернистая	1,6	0,30/0,27	Мелкозернистая	1,1	0,20/0,17
Песчаная	0,9	0,15/0,13

Примечания: 1. В числителе дано сцепление для горячих смесей на вязких битумах (40/130), а в знаменателе - для смесей с битумом 130/300.

2. Характеристики материалов даны ориентировочные и должны уточняться по мере накопления данных исследований.

3. Если асфальтобетон приготовлен с применением дробленого песка, то сцепление следует увеличить на 20 %.

8. Расчетные значения характеристик материалов и грунтов, укрепленных вяжущими веществами, следует принимать по табл. 16 и 17. В табл. 17 приведены также характеристики слоев из неукрепленных зернистых материалов.

Характеристики материалов, приведенные в табл. 16, 17, а также в табл. 18 (см. ниже) до накопления дифференцированных по длительности действия нагрузки данных следует применять при расчетах как на кратковременное, так и на длительное (статическое) нагружение.

9. Расчетные значения деформационных и прочностных характеристик теплоизоляционных материалов, используемые в расчетах на прочность дорожных одежд с теплоизолирующими слоями, следует принимать по табл. 18.

Таблица 16

№ пп.	Материал	Расчетные характеристики материалов и грунтов, укрепленных вяжущим
Модуль упругости Е, МПа	Прочность на растяжение при изгибе, R, МПа
1.	Щебень и гравий, обработанные цементом, марок:
			0,7
			0,6
			0,5
2.	Крупнообломочные грунты и гравийно-песчаные смеси оптимального или близких к оптимальному составов, укрепленные комплексными вяжущими:
	I класс прочности	900-700	0,55-0,45
	II класс прочности	650-500	0,42-0,35
	III класс прочности	450-300	0,32-0,25
3.	То же, укрепленные цементом:
	I класс прочности	800-550	0,46-0,34
	II класс прочности	530-350	0,33-0,25
	III класс прочности	320-280	0,22-0,20
4.	То же, укрепленные активной золой-уносом или гранулированным шлаком, известью, фосфатными вяжущими и другими композиционными вяжущими из них с добавками или без добавок ПАВ, дегтем и т.п.:
	I класс прочности	700-530	0,40-0,32
	II класс прочности	500-330	0,31-0,22
	III класс прочности	300-250	0,20-0,18
5.	Крупнообломочные грунты и гравийно-песчаные смеси оптимального или близких к оптимальному составу, укрепленные вязким битумом или эмульсией на вязком битуме	350-250	0,35-0,30
6.	Крупнообломочные грунты и гравийно-песчаные смеси неоптимального состава, пески (кроме мелких, пылеватых и одноразмерных), супесь легкая, крупная, щебень малопрочных пород и отходы камнедробления, укрепленные комплексными вяжущими:
	I класс прочности	800-650	0,50-0,42
	II класс прочности	600-450	0,40-0,32
	III класс прочности	420-280	0,31-0,24
7.	То же, укрепленные цементом:
	I класс прочности	700-500	0,40-0,30
	II класс прочности	480-330	0,28-0,22
	III класс прочности	300-250	0,19-0,18
8.	То же, укрепленные вяжущими, указанными в порядковом номере 4:
	II класс прочности	450-300	0,25-0,17
	III класс прочности	280-200	0,16-0,12
9.	То же, укрепленные вязким битумом или эмульсией на вязком битуме	300-200	0,30-0,25
10.	Пески мелкие и пылеватые, супесь легкая и пылеватая, укрепленные комплексными вяжущими:
	I класс прочности	750-600	0,47-0,40
	II класс прочности	650-400	0,37-0,30
	III класс прочности	380-250	0,28-0,22
11.	То же, укрепленные цементом:
	I класс прочности	650-480	0,35-0,26
	II класс прочности	450-300	0,25-0,18
	III класс прочности	260-220	0,16-0,13
12.	То же, укрепленные вяжущими, указанными в п. 4:
	II класс прочности	430-280	0,22-0,11
	III класс прочности	230-180	0,08-0,07
13.	То же, укрепленные вязкими битумами или эмульсиями на вязких битумах	300-220	0,25-0,20
14.	Побочные продукты промышленности (каменные материалы и крупнообломочные грунты, сопутствующие рудным ископаемым, золошлаковые смеси, формовочные смеси, фосфоритные “хвосты” и т.п.), укрепленные комплексными вяжущими:
	I класса прочности	700-550	0,45-0,37
	II класс прочности	530-350	0,36-0,28
	III класс прочности	320-200	0,20-0,12
15.	То же, укрепленные цементом:
	I класса прочности	600-420	0,30-0,22
	II класс прочности	400-250	0,20-0,14
	III класс прочности	220-180	0,12-0,09
15.	То же, укрепленные вяжущими, указанными в п. 4:
	II класс прочности	350-220	0,15-0,09
	III класс прочности	200-130	0,08-0,06
17.	То же, укрепленные вязкими битумами или эмульсиями на вязких битумах	250-180	0,20-0,15
18.	Супеси тяжелые и пылеватые, суглинки легкие, укрепленные комплексными вяжущими:
	I класс прочности	600-500	0,40-0,35
	II класс прочности	450-300	0,32-0,25
	III класс прочности	280-150	0,24-0,10
19.	То же, укрепленные минеральными вяжущими - цементом, золой-уносом или гранулированным шлаком:
	I класс прочности	600-350	0,22-0,16
	II класс прочности	350-230	0,16-0,12
	III класс прочности	200-120	0,09-0,07
20.	То же, укрепленные вяжущими, указанными в п. 4:
	II класс прочности	300-200	0,12-0,08
	III класс прочности	180-100	0,06-0,05
21.	То же, укрепленные эмульсиями на вязких битумах	250-180	0,17-0,10
22.	Суглинки тяжелые и пылеватые, глины песчанистые и пылеватые, укрепленные минеральными и комплексными вяжущими:
	II класс прочности	330-200	0,12-0,08
	III класс прочности	180-80	0,00-0,05

Примечания: 1. Под комплексными вяжущими понимаются: цемент + вязкий битум или эмульсии на вязком битуме; цемент + полимерное вяжущее, цемент (известь) + активные золы-уносы или гранулированные шлаки и т.п.

2. Большие значения расчетных характеристик принимают при: а) использовании более качественных минеральных материалов и активных вяжущих; б) укреплении материалов и грунтов неорганическими вяжущими в III-V дорожно-климатических зонах; в) укреплении вязким битумом и битумной эмульсией на вязком битуме в I-II дорожно-климатических зонах.

3. Подбирать составы смесей и назначать их класс прочности следует ГОСТ 23558-79 и по Инструкции СН 25-74.

10. Расчетные характеристики неукрепленных малопрочных каменных материалов принимают по рис. 9. Под малопрочными каменными материалами понимаются гравий, щебень, гравийные, щебеночные и гравийно-(щебеночно)-песчаные смеси, в которых содержится или же может образовался в процессе строительства и эксплуатации основания избыточное по сравнению с действующими нормами количество мелких частиц, с числом их пластичности до 7. Предусматривается применение: природных или искусственно составленных смесей с содержанием зерен гравия (щебня) крупнее 5, мм не менее 20 %, щебня из осадочных пород марок 400, 300 и 200 по дробимости, щебня из изверженных и метаморфических пород марки 600 по дробимости, дресвы, опоки, грунтощебня и др.

Упругодеформационные и прочностные свойства малопрочных материалов зависят в основном от процентного содержания и числа пластичности смеси фракции размером мельче 0,63 мм. Для щебня число пластичности этих фракций определяется после его стандартного испытания на дробимость или износ.

Расчетные характеристики слоев из щебеночных смесей и щебня для дорог во II-III дорожно-климатических зонах устанавливают по графику (см. рис. 9); для дорог в IV- V климатических зонах значения этих характеристик следует увеличивать на 25 %. Расчетные характеристики слоев из гравийных и гравийно-песчаных смесей для дорог в IV-V климатических зонах устанавливают по графику рис. 9; для дорог во II-III климатических зонах значения этих характеристик следует уменьшить на 30 %.

Рис. 9. Зависимость модуля упругости Е; от содержания частиц n размером менее 0,63 мм (или показателя дробимости малопрочного щебня) для щебеночных и гравийных материалов (смесей). На кривых показано число пластичности частиц в смеси размером мельче 0,63 мм

Таблица 17

Материал (грунт)	Расчетные характеристики	Примечание
Модуль упругости Е, МПа	Угол внутреннего трения j, град	Сцепление с_м, МПа
Черный щебень, уложенный по способу заклинки	600-900	-	-	Большие значения - для покрытий, меньшие - для оснований
Слой из щебня класса прочности, устроенный по способу пропитки вязким битумом	400-600			То же
Щебень фракционированный I-III класса прочности, уложенный по способу заклинки:
из прочных осадочных пород	350-450	-	-	“
из изверженных пород	250-350			-
Фракционированый щебень, укрепленный цементно-песчаной смесью по способу пропитки
Шлак с подобранным гранулометрическим составом:				Большие значения при устойчивой структуре шлака
активный	350-450
малоактивный	200-300	-	-
Рядовой шлаковый щебень	150-200	-	-	-
Каменная мостовая, пакеляж	400-500	-	-	-
Грунт, укрепленный жидким битумом:
супесь непылеватая	150-200	25-35	0,02-0,035	Большие значения - при смешении в установке и применении битумной эмульсии
суглинок, супесь пылеватая	80-150	15-25	0,02-0,035
Песчано-гравийные смеси № 1,2,4 по ГОСТ 25607-83			0,03
Песок, удовлетворяющий требованиям Государственного стандарта:
		0,007	Показатели см и Е приняты при остаточной пористости песка, уплотненного до максимальной плотности 26 %<n<32 %, при n<26 % - увеличиваются на 20 %, а при n>32% уменьшается на 20 %
крупный и гравелистый			0,006
средней крупности мелкий			0,005

Таблица 18

Теплоизоляционный материал	Расчетные характеристики
Модуль упругости, Е, МПа	Предел прочности при изгибе, R, МПа
Пенопласт марки ПС-4	13,0-33,5	0,8-1,2
Стиропорбетон	500,0-800,0	0,3-0,4
Аглопоритовый щебень, обработанный вязким битумом	400,0	0,4
Керамзитовый гравий, обработанный вязким битумом	500,0	0,4
Гравий (щебень) с легкими заполнителями, обработанные вязким битумом	500,0	0,8
Цементогрунт с перлитом	130,0	0,2
То же, с полистиролом, состава:	300,0	0,2
гранулы полистирола 3-2 %
песок 97-98 % (% от массы)
цемент 7-6 %
То же, с керамзитом, состава;	300,0	0,3
песок 75 %
керамзит 25 %
цемент 6 %
Битумоцементогрунт с перлитом, состава:	200,0-300,0	0,2-0,3
перлитовый щебень 25-20 %
песок 75-80 %
цемент 4-6 %
битум 12-10 % от (массы песка, перлита и цемента)
Цементогрунт с аглопоритом, состава:	250,0-350,0	0,25-0,35
супесь или песок 70-80 %
аглопорит 30-20 %
цемент 6 %
Золошлаковые смеси, укрепленные цементы	150,0	0,4
Грунт, укрепленный золой-уносом	200,0	0,4
Цементогрунт, обработанный битумной эмульсией	-	0,6

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Пример 1. Требуется запроектировать конструкцию одежды с асфальтобетонным покрытием для дороги II категории, проходящей во 2 подзоне II дорожно-климатической зоны.

Исходные данные: местность по условиям увлажнения относится ко 2-му типу; грунт земляного полотна - суглинок пылеватый; материалы для основания - фракционированный щебень из прочных осадочных пород и песок средней крупности.

Перспективная интенсивность грузового движения на полосу 2440 авт./сут; распределение по маркам грузовых автомобилей:

Марка автомобиля	ЗИЛ-130	МАЗ-500А	ЗИЛ-ММЗ-554	КамАЗ-5511	КрАЗ-256Б1
Число проходов по полосе в сутки

За расчетную нагрузку принят автомобиль группы А со следующими параметрами (см. табл. 1): давление на покрытие р = 0,6 МПа, расчетный диаметр следа колеса движущегося автомобиля D_д =37 см. Суммарные коэффициенты (см. графу 11 табл. 2) для приведения автомобилей к расчетной нормированной нагрузке группы А в порядке упоминания марок автомобилей в исходных данных равны 0,20; 1,04; 0,15; 1,05 и 3,48. Расчетная приведенная интенсивность воздействия нагрузки на полосу

N_p=900×0,20 + 540×1,04 + 450×0,15 + 450×1,05 + 100×3,48 = 1630 ед./сут.

Требуемый уровень надежности для заданной категории дороги К_н = 0,95 (см. табл. 3.1).

Расчетные характеристики материалов дорожной одежды и грунта земляного полотна назначают исходя из эксплуатационных требований, с учетом наличия и стоимости отдельных материалов, условии их транспортировки; принимая по внимание имеющуюся технику, намечают следующие материалы для слоев дорожной одежды: 1) покрытие - плотный асфальтобетон 1 марки, горячий, на битуме БНД-60/90; 2) верхний слой основания - пористый асфальтобетон, горячий, на битуме БНД-60/90; 3) слои основания - фракционированный щебень из прочных осадочных пород и песок средней крупности с остаточной пористостью 25 %. Характеристики материалов приведены в табл. 19.

При конструировании дорожной одежды намечают следующие толщины слоев дорожной одежды (индекс соответствует номеру слоя в табл. 19); h₁ = 5 см; h₂ = 8 см; h₃ = 30 см; h₄ = 50 см (рис. 10).

Коэффициенты прочности по всем критериям, соответствующие требуемому уровню надежности К_н = 0,95 (см. табл. 3.1) принимают не менее единицы (рис. 3.1). Расчет в данном случае слагается из четырех основных этапов.

1. При вычисленной расчетной приведенной интенсивности воздействия нагрузки находят по рис. 3.2 требуемый модуль упругости Е_тр = 275 МПа. Это значение Е_тр выше минимального модуля упругости, приведенного в табл. 3.3.

Послойно рассчитывают дорожную одежду снизу вверх с помощью графика (см. рис. 3.3), в результате чего получают общий модуль упругости на поверхности покрытия (этапы расчета сведены в табл. 20).

Затем определяют коэффициент прочности по упругому прогибу:

Е_общ/Е_тр = 275:275 = 1,0,

что равно минимальному требуемому значению К_пр.

Рис. 10. Деталь конструкции к примеру 1:

1 - плотный асфальтобетон; 2 - пористый асфальтобетон; 3 - фракционированный щебень из прочных осадочных пород: 4 - песок средней крупности; 5 - суглинок тяжелый

Таблица 19

№ слоя	Материал слоя и грунт	Источник исходных данных	Расчет по
упругому прогибу	сопротивлению сдвигу	сопротивлению растяжению при изгибе
	Асфальтобетон покрытия	Табл. 13 + 10°С	Е₁ = 3200 MПa	-	-
То же + 20°С	-	Е₁ = 1800 МПа	-
Табл. 12	-	-	Е₁ = 4500 МПа
	Асфальтобетон верхнего слоя основания	Табл. 13 + 10°С	Е₂ = 2000 МПа	-	-
То же + 20°С			-
Табл. 12	-	Е₂ = 1200 МПа
Формулы (3.16) и (5)	-	-	Е₂ = 2800 МПа
			R = 1,6 МПа
			R_доп = 1,6´(1 - 1,71×0,1)´0,921×1 = 1,22 МПа
	Щебень осадочных пород	Табл. 17	Е₃ = 350 МПа	Е₃ = 350 МПа	Е₃ = 350 МПа
	Песок средней крупности	Табл. 17	Е₄ = 120 МПа	Е₄ = 120 МПа	Е₄ = 120 МПа
		j₄ = 40°
		с₄ = 0,006 МПа
	Суглинок пылеватый	Табл. 6	-	= 0,70 W_т;
Формулу (4)		W_исх = 0,7´(1 + 1,7×0,1)
	W_т = 0,82 W_т
С учетом поправки на толщину одежды (см. п. 11 приложения 2 и рис. 7)		При W_исх = 0,82 W_т
	Sh = 93 см
	W_р = 0,79
Табл. 10 (в дальнейшем уточняются по фактической Sh)	Е_гр = 33 МПа	Е_гр = 33 МПа;	Е_гр = 33 МПа
	j_гр = 13°;
	с = 0,0106 МПа

Таблица 20

№ слоя	Материал	Е, МПа	h, см	h	Общий модуль упругости, МПа
D_д
	Асфальтобетон			0,14	Е_общ = 275
	„			0,22	= 240
	Щебень			0,81	= 168
	Песок			1,35	= 78
	Суглинок		-	-	-

2. Рассчитывают конструкцию по сопротивлению сдвигу в грунте. Для чего вычисляют по формуле (3.1) средний модуль упругости одежды:

МПа.

По отношениям Е_ср/Е_гр = 377/33 = 11,4 и Sh/D_д = 93:37=2,51 и при j_гр = 13° с помощью номограммы (см. рис. 3.6) находят удельное напряжение сдвига = 0,0098; отсюда

t_н = р = 0,0098×0,6 = 0,0059 МПа.

По номограмме (см. рис. 3.7) определяют напряжение сдвига от веса одежды при толщине ее 93 см и j_гр = 13°, t_в = 0,0008 МПа. Суммарное напряжение сдвига в грунте

Т=t_н + t_в = 0,0059 + 0,0008 = 0,0067 МПа.

Допустимое сдвигающее напряжение в грунте по формуле (3.12);

Т_доп = с_грk₁k₂k₃ =0,0106×0,6×0,7×1,5 = 0,0067 МПа.

Т_доп/T = 0,0067/0,0067 = 1,0, что равно минимальному требуемому коэффициенту прочности.

3. Рассчитывают асфальтобетонные слои на сопротивление растяжению при изгибе:

= (4500×5 + 2800×8):13 = 3454 МПа.

По отношениям /Е_общ = 3454:168 = 20,6 и (h₁ + h₂):D_д = 13:37 = 0,35 с помощью номограммы (см. рис. 3.11) находят, что = 2,35.

Следовательно, по формуле (17) s_r = рК_б = 2,35×0,6×0,85 = 1,20 МПа.

R_доп/s_r = 1,22:1,20= 1,02, что несколько больше К_пр = 1,0.

4. Проверяют, удовлетворяется или условие прочности по сдвигу в песчаном слое основания. Для этого определяют средний модуль упругости слоев, лежащих выше песчаного, при температуре асфальтобетона +20° С:

=(1800×5 + 1200×8 + 350×30):43 = 677 МПа.

При /Е_пес = 677:120=5,64, Sh/D_д = 43:37=1,16, активное напряжение сдвига в песке от подвижной нагрузки по номограмме (см. рис. 3.5) составит t_н = р = 0,022´0,6 = 0,0132 МПа.

Активное напряжение сдвига от собственного веса t_в = -0,0030 МПа. Полное активное напряжение сдвига Т_пес = 0,0132 - 0,0030 = 0,0102 МПа, а допускаемое для песка, найденное по формуле (3.12): Т_доп = 0,006×0,6×0,7×6 = 0,0151 МПа, Т_доп/Т_пес = 0,0151:(0,0102) = 1,48.

Следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет всем критериям прочности.

Пример 2. Требуется запроектировать конструкцию дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием для городской скоростной дороги при следующих исходных данных: дорожно-климатическая зона - IV; поскольку имеется ливневая канализация, а грунтовые поды находятся на большой глубине, местность по условиям увлажнения отнесена к 1-му типу; грунт земляного полотна - суглинок пылеватый; материалы для сооружения основания - щебень из прочных известняковых пород и крупный песок.

Таблица 21

Марка автомобиля	Нагрузка, кН от движущегося автомобиля на колесо	Коэффициент приведения к расчетной нагрузке 72 кН на колесо	Интенсивность движения на полосе, авт./сут	Приведенное число воздействий от четной нагрузки по полосе, сут
переднее	заднее	переднее	заднее	суммарный
Автобусы
ЛАЗ-4202	26,7	60,5	0,02	0,48	0,50
Икарус 250	36,4	62,3	0,05	0,54	0,59
Троллейбусы
ЗИУ-9В	40,6	67,4	0,08	0,80	0,88
ЗИУ-682В	39,6	70,7	0,07	0,95	1,02
Автомобили
ГАЗ-53А	11,8	36,3	-	0,05	0,05
ЗИЛ-130-76	17,1	51,4	-	0,23	0,23
МАЗ-500А	31,4	65,0	0,3	0,68	0,71
Итого воздействий расчетной нагрузки в сутки	-	-	-	-	-	-

Перспективная интенсивность движения по полосе составляет 2300 авт./сут., в том числе: автобусов ЛАЗ-4202 340 авт./сут, Икарус-250 380 авт./сут; троллейбусов ЗИУ-9В 200 авт./сут, ЗИУ-682В 210 авт./сут; автомобилей ГАЗ-53А 320 авт./сут, ЗИЛ-130-76 420 авт./сут, МАЗ-500А 430 авт./сут.

Поскольку в составе движения имеются троллейбусы ЗИУ-9В и ЗИУ-682В, нагрузка на заднее колесо которых превышает нормированную нагрузку для автомобиля группы А, а число троллейбусов составляет более 5 % общей интенсивности движения, за расчетную нагрузку следует принять автобус группы А. По данным табл. 1, расчетное давление на покрытие р = 0,6 МПа и расчетный диаметр следа колеса движущейся нагрузки D_д = 39 см.

Конструирование и расчет в данном случае слагается из семи этапов:

1. Приведенная перспективная интенсивность движения к расчетной интенсивности нагрузки дана в табл. 21.

2. Минимальное значение коэффициента прочности одежды по любому из критериев, соответствующее коэффициенту надежности К_н = 0,95 (см. табл. 3.1), составляет (см. рис. 3.1) К_пр =1,0.

3. Принимая во внимание высокие эксплуатационные требования к скоростной дороге, намечают конструкцию одежды: покрытие из плотного асфальтобетона, уложенного на основание из высокопористого асфальтобетона, подстилаемого слоями из щебня и крупнозернистого песка. Расчетные характеристики материалов и грунта следующие:

а) модули упругости асфальтобетона покрытия (асфальтобетон плотный I марки, на битуме БНД-60/90) при +40°С Е₁ =550 МПа, а при +10°С Е₁ = 3200 МПа, в расчете на изгиб Е₁ = 4500 МПа;

б) асфальтобетон верхнего слоя основания (асфальтобетон высокопористый I марки, на битуме БНД-60/90). Его модуль упругости при +40°С Е₂ = 460 МПа, а при +10°С Е₂ = 2000 МПа, в расчете на изгиб Е₂ = 2100 МПа, сопротивление растяжению при изгибе

R_изг = 1,0(1 - 1,71×0,1)0,98×1,0 = 0,812 МПа;

Таблица 22

№ слоя	Материал слоя	Е, МПа	h, см	h	Общий модуль упругости на поверхности слоев, МПа
D
	Асфальтобетон покрытия			0,128	Е_общ = 352
	Асфальтобетон основания			0,385	= 300
	Щебень известняковый			0,590	= 144
	Песок крупный			0,718	= 76
	Грунт-суглинок пылеватый		-	-	-

в) модуль упругости фракционированного щебня из прочных осадочных пород (см. табл. 17) Е₃ = 350 МПа;

г) расчетные характеристики крупного песка (см. табл. 17): Е₄ = 130 МПа, (j_п = 42°, с₄ = 0,007 МПа;

д) расчетная относительная влажность грунта земляного полотна (см. приложение 2, табл. 6)

W_p = 0,60(1 + 1,71×0,1)W_т = 0,70 W_т.

При этой расчетной влажности расчетные характеристики грунта: Е_гр =46 МПа; j_гр = 18°; с_гр = 0,016 МПа.

4. При расчете одежды по упругому прогибу требуемый модуль упругости конструкции в соответствии с указаниями п. 3.31 настоящей инструкции составляет Е_гр = 265×1,1 = 292 МПа.

Подбирают толщины слоев одежды так, чтобы общий модуль упругости на поверхности покрытия был не менее E_тp с учетом заданной надежности. Этому условию отвечает конструкция (рис. 11), результаты расчета которой приведены в табл. 22; Е_общ > Е_тр; Е_общ/Е_гр = 352:292 = 1,21 > К_пр = 1,0.

5. Определяют, не достигается ли предельное равновесие по сдвигу в подстилающем одежду грунте. Вычисляют средний модуль упругости дорожной одежды:

Е_ср = (550×5 + 460×15 + 350×23 + 130×28):71 = 301 МПа.

Отношения: Е_ср/Е_тр = 301/46 = 6,54;

Sh/D = 71:39 = 1,82.

По этим данным с помощью номограммы (см. рис. 3.5) при j_гр = 18° находят t_н/р = 0,0182; активное напряжение сдвига от временной нагрузки t_н = 0,0182×0,6 = 0,0109 МПа. Активное напряжение сдвига от веса вышележащих слоев одежды (см. рис. 3.7) t_в = -0,0003 МПа. Полное активное напряжение сдвига: Т = 0,0109 - 0,0003=0,0106 МПа. Допускаемое активное напряжение сдвига в грунте:

Т_доп = 0,016×0,6×0,75×1,5 = 0,0108 МПа.

Таким образом, Т < Т_доп, Т_доп/Т = 0,0108:0,0106 = 1,02 > К_пр =1,0.

6. Определяют, не достигается ли предельное напряженное состояние в песчаном слое. Для этого вычисляют средний модуль упругости слоев, лежащих выше песчаного,

= (550×5 + 460×15 + 350×23):43 = 412 МПа;

отношения:

/Е_пес = 412:130 = 3,17 и Sh/D = 43:39 = 1,10.

Рис. 11. Деталь конструкции к примеру 2:

1 - плотный асфальтобетон; 2 - высокопористый асфальтобетон; 3 - известняковый щебень; 4 - песок крупный; 5 - суглинок легкий пылеватый

Активное напряжение сдвига в песчаном слое от движущейся нагрузки при этих отношениях по номограмме (см. рис. 3.5) составляет t_н/р = 0,029, откуда t_н = 0,029×0,6 = 0,0174 МПа. Напряжение сдвига от веса слоев одежды, лежащих выше песчаного по номограмме (см. рис. 3.7): t_в = -0,0034 МПа.

Полное активное напряжение сдвига:

Т_пес = 0,0174 - 0,0034 = 0,0140 МПа,

что меньше Т_доп = 0,007×0,6×0,75×7,0 = 0,022.

7. Рассчитывают асфальтобетон на растяжение при изгибе. Для этого вначале определяют средний модуль упругости асфальтобетонных слоев дорожной одежды

= (4500×5 + 2200×15):20 = 2775 МПа.

При = 144 МПа (см. табл. 22) отношение Е_ср/ = 2775:144 = 19,27. Относительная толщина асфальтобетонного слоя

(h₁ + h₂):D = 20:39 = 0,513

По номограмме (см. рис. 3.11) инструкции = 1,59 и s_r = 1,59×0,6×0,85 = 0,811 МПа. Коэффициент прочности R_изг/s_r = 0,812:0,811 = 1,00, что равно минимальному требуемому коэффициенту прочности К_пр = 1,0.

Согласно расчетам, принятая конструкция удовлетворяет всем критериям прочности.

Пример 3. Требуется запроектировать дорожную одежду для дороги III_п категории, проходящей в IV дорожно-климатической зоне при 2-м типе местности по условиям увлажнения, при следующих исходных данных: расчетная интенсивность воздействия нагрузки группы А - 500 ед. сут. на полосу; параметры нагрузки: давление р = 0,6 МПа, диаметр нагруженной площади движущегося автомобиля D_д = 37 см; материалы для сооружения основания - щебень известняковый песок, а грунт земляного полотна - суглинок пылеватый.

Конструирование и расчет слагается из семи этапов.

1. Предварительно намечают конструкцию одежды: двухслойный асфальтобетон на известняковом щебне; основание из фракционированного щебня 2-го класса прочности, укладываемого с расклинкой; подстилающий слой из песка мелкого.

2. Требуемый коэффициент прочности проектируемой дорожной одежды, соответствующий коэффициенту надежности для дороги III_п категории 0,95К_пр ³ 1,0 (см. табл. 3.1).

3. Рассчетные характеристики Е _i материалов и грунта принимают:

а) для материала усовершенствованного капитального покрытия - плотного асфальтобетона I марки (битум БНД-60/90) динамические модули упругости (см. табл. 12, 13); при +40°С, Е₁ = 550 МПа, при +10°С Е₁ = 3200 МПа и при расчете на изгиб Е₁ = 4500 МПа;

б) для верхнего слоя основания - пористого асфальтобетона из известнякового щебня марки 700 (битум БНД-60/90) модуль, упругости (см. табл. 12, 14): при +40° С, Е₂ = 460 МПа; при +10°С, Е₂ = 2000 МПа, а при расчете на изгиб Е₂ = 2800 МПа, причем допускаемое напряжение на растяжение при изгибе по формуле (5):

R₂ =1,6(1 - 1,71×0,1)1,10×0,9 = 1,31 МПа;

в) для нижнего слоя основания - фракционированного щебня 2-го класса прочности из осадочных пород, укладываемого с расклинкой (см. табл. 17) Е₃ = 350 МПа;

г) модуль упругости и характеристики прочности песка (табл. 17).

Е₄ = 120 МПа, j₄ = 40°, с₄ =0,006 МПа;

д) расчетные характеристики грунта земляного полотна - суглинка пылеватого при расчетной влажности (см. табл. 6, формулу (4):

W_p = 0,64(1 + 1,71×0,1)W_т = 0,75 W_т,

Е_гр = 38 МПа; j_гр = 15°; с_гр = 0,013 МПа;

допускаемое напряжение сдвига в грунте по формуле (3.12)

Т_гр = 0,013×0,6×0,88×1,50 = 0,0103 МПа.

4. Требуемый модуль упругости при заданной интенсивности воздействия нагрузки составляет 245 МПа.

5. Подбирая толщины слоев одежды так, чтобы общий модуль упругости на поверхности покрытия был близок к E_тp, устанавливают, что этому условию отвечает конструкция, результаты расчета которой приведены в табл. 23. Отсюда имеют Е_общ/Е_тр = 272:245 = 1,11 > К_пр = 1

6. Проверяют конструкцию на сопротивление сдвигу в грунте. Находят, что

МПа,

a Sh/D_д = 72:37 = 1,95 и /Е_пес = 278:38 = 7,32.

При этих отношениях и j_гр = 15° по номограмме (см. рис. 3.6) находят = 0,0167, откуда t_н = 0,0167×0,6 = 0,0100 МПа. Составляющая от веса одежды (см. рис. 3.7) равна t_в = +0,0002 МПа. Действующее в грунте сдвигающее напряжение

Т = t_н + t_в = 0,0100 + 0,0002 = 0,0102 МПа.

Таблица 23

№ слоя	Материал слоя	Е, МПа	h, см	h	Общий модуль упругости на поверхности слоев, МПа
D
	Асфальтобетон покрытия			0,108	Е_общ = 272
	Асфальтобетон основания			0,216	= 240
	Известняковый щебень			0,81	= 15
	Песок			0,81	= 70
	Грунт-суглинок пылеватый		-	-

Коэффициент прочности по сдвигу в грунте

Т_доп/Т = 0,0103:0,0102 = 1,01 > К_пр = 1,00.

7. Проверяют прочность конструкции на сопротивление сдвигу в песке. Допускаемое напряжение сдвига в песке

Т_доп = k₁k₂k₃c₄ = 0.6×0,88×6,0×0,006 = 0,0190 МПа;

=(550×4 + 460×8 + 350×30):42 = 390 МПа.

При Е_cp/Е_пес = 390:120 = 3,25 и Sh/D_д = 42:37 = 1,14 и при j₄ = 40° по номограмме (см. рис. 3.5) определяют = 0,052, откуда t_н = 0,03×0,6 = 0,018 МПа.

От веса вышележащих слоев при Sh = 42 см и j₄ = 40° составляющая напряжения сдвига t_в = -0,0028 МПа; действующее напряжение сдвига в песке

Т₄ = 0,018 - 0,0028 = 0,0152 МПа.

Коэффициент прочности по сдвигу в песке T_доп/Т = 0,0190:0,0152 = 1,25. Условия прочности песка по сдвигу допускают корректировку конструкции, если это экономически целесообразно.

8. Выясняют прочность асфальтобетона на растяжение при изгибе

= (4500×4 + 2800×8):12 = 3367 МПа.

При отношениях Е_ср/Е_осн = 3367:159 = 21,18 и Sh _i /D_д = 12:37 =0,324 по номограмме (см. рис. 3.11) находят, что = 2,5, откуда действующее растягивающее напряжение при изгибе s_r = 2,5×0,6×0,85 = 1,28 МПа; R₂/s_r = 1,31:1,28 = 1,02, что равно минимальному требуемому коэффициенту прочности.

Пример 4. Требуется запроектировать дорожную одежду с покрытием из гравийного материала на дороге IV категории во II₁ дорожно-климатической зоне (1-я подзона) при следующих исходных данных: местность по условиям увлажнения относится ко 2-му типу; грунт земляного полотна - суглинок тяжелый; материал для основания - песок мелкий; расчетная нагрузка - автомобиль группы Б (D_д = 32 см, р = 0,5 МПа), расчетная интенсивность воздействия нагрузки - 250 ед./сут на полосу, заданный уровень надежности сооружения (см. табл. 3.1) К_н = 0,60.

Конструирование и расчет слагается из четырех основных этапов.

1. Устанавливают расчетные характеристики грунта земляного полотна и материалов конструктивных слоев:

а) расчетная влажность грунта при заданном уровне надежности К_н = 0,60 (см. табл. 6) по формуле (4)

W_р = 0,68W_т(1 + 0,25×0,1) = 0,70W_т;

б) характеристики грунта при расчетной влажности 0,70W_т (см. табл. 10)

Е_гр = 41 МПа, j_гр = 18°, с_гр = 0,019 МПа;

в) расчетное значение модуля упругости материалов (гравийной смеси) при условии, что частиц менее 0,63 мм 15 % и n = 0,5 (см. приложение 3, рис. 8) Е₁ = 190 МПа, а мелкого песка (см. табл. 17) Е₂ = 100 МПа.

Рис. 12. Деталь конструкции к примеру 4:

1 - гравийный материал; 2 - песок мелкий; 3 - суглинок тяжелый

По графику (см. рис. 3.1) находят, что минимальное допустимое значение коэффициентов прочности при коэффициенте надежности К_н = 0,60 составляет К_пр = 0,63.

2. Предварительно намечают конструкцию одежды (рис. 12): гравийный материал h₁ = 18 см; слой песка h₂ = 28 см.

3. Рассчитывают конструкцию по упругому прогибу. При N_р = 250 ед./сут требуемый модуль упругости Е_тр = 165 МПа; он превышает минимальное значение для заданных условий (см. табл. 3.3). Поэтому в расчет вводят полученный по номограмме (см. рис. 3.2) требуемый модуль упругости. Результаты расчета (см. в табл. 24).

Коэффициент прочности по упругому прогибу Е_общ/Е_тр = 104:165 = 0,63, что равно минимально допустимому значению коэффициента прочности К_пр при заданном уровне надежности К_н = 0,60 дороги.

4. Рассчитывают конструкцию на сопротивление сдвигу в грунте земляного полотна. При заданных толщинах слоев одежды (см. рис. 12), средний модуль упругости одежды

Е_ср = (190×18 + 100×28):46 = 135 МПа,

а отношения Е_ср/Е_тр = 135:41 = 3,29 и (h₁ + h₂)/D_д = 46:32 = 1,44.

Для этих отношений по номограмме (см. рис. 3.5) находят, что = 0,049, откуда t_н = ×р = 0,049×0,5 = 0,0245 МПа. Составляющая активного напряжения сдвига за счет веса одежды (см. рис. 3.7) t_в = 0,0002 МПа. Полное активное напряжение сдвига в грунте

Т = t_н + t_в = 0,0245 - 0,0002 = 0,0243 МПа;

допускаемое активное напряжение сдвига в грунте

Т_доп = k₁k₂k₃c_гр = 0,6×0,99×1,5×0,019 = 0,0169 МПа.

Коэффициент прочности по сопротивлению сдвигу в грунте составляет Т_доп/Т_пр = 0,0169:0,0243 = 0,70, что превышает требуемое значение К_пр = 0,63. Но поскольку коэффициент прочности по упругому прогибу равен требуемому, нет необходимости перепроектировать конструкцию одежды.

5. Расчет песчаного слоя по сопротивлению сдвигу не требуется (см. п. 3.29).

Таблица 24

Материал строя	Модуль упругости Е, МПа	Толщина h, см	h _i	Е_общ, МПа
D_д
Гравийный материал			0,56	Е_общ = 104
Песок			0,88	= 68
Грунт		-	-	-

Пример 5. Требуется запроектировать конструкцию дорожной одежды внутризаводской дороги на комбинате при исходных данных: II дорожно-климатическая зона, I-я подзона расчетная интенсивность движения в сутки на полосу - 100 большегрузных автомобилей БелАЗ-548А и 80 автомобилей БелАЗ-540. При наличии столь тяжелых автомобилей в составе движения влияние стандартных автомобилей можно не учитывать.

Параметры расчетного автомобиля БелАЗ-548А: давление на покрытие р = 0,56 МПа, расчетный диаметр следа колеса D_д = 82 см. Грунт земляного полотна - суглинок легкий. Тип увлажнения местности 1-ый. Для устройства дорожной одежды могут быть использованы материалы: асфальтобетон плотный I марки (битум БНД-60/90), асфальтобетон высокопористый на битуме БНД-60/90, щебень известняковый, укладываемый с расклинкой, и песок средней крупности.

Конструирование и расчет включает семь этапов.

1. Предварительно намечают конструкцию: асфальтобетонное покрытие 5 см, верхний слой основания из высокопористого асфальтобетона 17 см, щебень известняковый 30 см, песоксредней крупности 40 см.

2. Результаты приведения интенсивности движения к расчетной интенсивности нагрузки, воздействующей на полосу, помещены в табл. 25. Проектируемую дорогу относят к III категории. По табл. 3.1 находят, что коэффициент надежности для такой дороги К_н = 0,9.

3. По таблицам приложений 2 и 3 назначают расчетные характеристики материалов дорожной одежды и грунта с учетом заданного уровня надежности: асфальтобетон плотный на битуме БНД-60/90 при температуре +20°С модуль упругости Е₁ = 1800 МПа; асфальтобетон высокопористый из каменных материалов изверженных пород на битуме БНД-60/90 при температуре +20°С модуль упругости Е₂ = 1200 МПа, для расчета на изгиб Е₂ = 2100 МПа, сопротивление растяжению при изгибе

R_изг = 1,00(1 - 1,32×0,1)1,8×1,0 = 1,56 МПа;

Щебень известняковый, укладываемый с расклинкой, Е₃ = 300 МПа; песок средней крупности (см. табл. 17) Е₄ = 120 МПа, j₄ = 40°, с₄ = 0,006 МПа; суглинок легкий, II дорожно-климатическая зона, I подзона, I тип местности по условиям увлажнения. Отсюда:

W_р = 0,65W_т(1 + 1,32×0,1) = 0,77W_т;

Е_гр = 35 МПа, j_гр = 16°, с_гр = 0,016 МПа;

Т_доп.гр = 0,6×1,1×1,5×0,016 = 0,0158 МПа.

4. Согласно п. 3.23, расчет по у