Глава II. Определение видов и сроков выполнения ремонтных работ при эксплуатации участка автомобильной дороги

 

2.1. Определение межремонтного срока до среднего ремонта:

На износ покрытий наибольшее влияние оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой шина деформируется, в зоне контакта с покрытием сжимается, а вне контакта расширяется. Наибольший износ возникает при торможении автомобиля. Износ от грузовых автомобилей больше в 2 раза в сравнении с легковыми. Чем больше прочность, тем меньше и равномернее износ покрытия по ширине. На покрытие из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Износ покрытия является одним из основных видов разрушения происходящих непрерывно в течение всего года под воздействием движения автомобилей и природных факторов по всей ширине проезжей части. Уменьшение макрошероховатости под действием автомобилей происходит в два этапа. На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счет погружения щебня в нижележащий слой покрытия. Размер этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, крупности щебня и твердости покрытия, которую оценивают глубиной погружения иглы твердомера; асфальтобетонные покрытия могут быть очень твердые - 0 ÷ 2 мм, твердые - 2 ÷ 5 мм, нормальные - 5 ÷ 8 мм, мягкие - 8 ÷ 12 мм, очень мягкие - 12 ÷ 18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твердостью. Среднее значение уменьшения толщины покрытий в год вследствие износа можно определить по формуле проф. М.Б.Корсунского:

h_t = a + b · B (2.1.1)

или

h_t = a + b · N/1000 (2.1.2)

 

Износ покрытия за Т лет с учетом изменения состава и интенсивности потока в перспективе по геометрической прогрессии

(2.1.3)

а - параметр, зависящий в основном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий, (а = 0,4 ÷ 0,6 мм/год для асфальтобетонного покрытия, согласно [1] стр. 74, табл. 3.19);

b - показатель, зависящий от качества (в основном прочности) материала покрытия, степени увлажнения, состава и скорости движения (в = 0,25 ÷ 0,55 мм/млн.т.брутто для асфальтобетонного покрытия согласно [1] стр. 74, табл. 3.19);

B - грузонапряженность движения, млн. т брутто в год;

N - среднесуточная интенсивность движения, авт./сут;

N₁ - среднесуточная интенсивность движения в год сдачи дороги в эксплуатацию, авт./сут;

K = 1,05 ÷ 1,07 коэффициент, учитывающий изменение состава потока;

q - показатель ежегодного роста интенсивности движения: q = 1,017.

N₁ = N₄ / g^(T-1) (2.1.4)

 

Т - период, за который определяется износ, годы.

Срок износа покрытия является сроком службы покрытия и определяется межремонтный период для ремонта и восстановления износа покрытия (средний ремонт)

Срок износа покрытия определяется количеством лет, за которое износ превышает допустимую величину (h₀). Степень изношенности покрытия определяется коэффициентом изношенности:

К_изн = h_t / h₀ (2.1.5)

h₀ - нормативный износ покрытия ([1] стр.74, табл.3.19 для асфальтобетонного покрытия h₀ = 10 мм.)

 

Если К_изн > 1 требуется восстановление слоя износа за счет ремонта покрытия.

Межремонтный период для слоя износа покрытия определяется графоаналитическим способом. С этой целью определяется суммарный износ на 1, 2, 3, 4, 5 и так далее годы эксплуатации до превышения допустимой величины износа h₀.

Таблица 2.1.1

Определение суммарного износа.

T, год
Nt, авт./сут	1546,86	1599,90	1654,76	1711,50	1770,18
ht, мм	2,07	4,32	6,77	9,46	12,42
Kизн	0,21	0,43	0,68	0,95	1,24

 

На основании таблицы строят графики зависимости h_t и K_изн от T:

 

 

Период среднего ремонта Т = 8 лет и 4 месяцев. Найденная таким образом величина Т_ср.рем., является межремонтным сроком восстановления слоя износа или средним ремонтом.

2.2. Определение межремонтного срока до капитального ремонта:

Прочность дорожной одежды является одной из основных транспортно-эксплутационных характеристик, определяющих работоспособность и эффективность службы всей дороги. От прочности дорожной одежды зависит надежность обеспечения всех основных транспортно-эксплутационных характеристик дороги: скорости движения, пропускной способности, ровности, шероховатости, изнашиваемости, несущей способности, долговечности, и т.д.

Показателем достаточной прочности дорожной одежды является коэффициент прочности К_пр. - отношение фактических критериев к нормативным.

Прочность дорожной одежды оценивается по трем критериям:

· по общему прогибу;

· по сопротивлению сдвигу в несвязанных конструктивных слоях;

· по сопротивлению растяжению в связанных конструктивных слоях.

Минимально допустимое значение коэффициента прочности (К_пр) определяется в зависимости от типа покрытия, капитальности дорожной одежды и категории дороги (см. таб. 3.1 [2] или таб. 4.7 [1] стр. 80).

Период времени (в годах), за которое происходит снижение коэффициента прочности до минимально-допустимого, называется сроком службы дорожной одежды, или межремонтным периодом, после чего необходим капитальный ремонт.

Определение межремонтного периода для восстановления прочности дорожной одежды производится путём анализа изменения коэффициента прочности (К_пр) в процессе эксплуатации дороги в течение срока службы от момента ввода дороги в эксплуатацию (или предыдущего капитального ремонта) до момента потери прочности (минимальное значение брать из [2] или [3]). Анализ производится по всем критериям предельного состояния.

 

2.2.1. Анализ прочности по допустимому упругому прогибу

Расчёт на упругий прогиб

При проектировании дорожных одежд в качестве расчетных принимают нагрузки, соответствующие предельным нагрузкам на ось расчетного двухосного автомобиля.

Данные по расчетному автомобилю приведены в таблице (ОДН 218.046-01 стр.62 табл. П.1.1.)

Таблица 2.2.1

Группа расчетной нагрузки	Нормативная статическая нагрузка на ось, кН	Нормативная статическая нагрузка на поверхность покрытия от колеса расчетного автомобиля, Qрас, кН	Расчетные параметры нагрузки
Р, МПа	Д, см
А1			0,60

 

Величина N_p приведенной интенсивности на последний год срока службы определяют по формуле:

N_p = f_пол · å N_m · S_{m сут} (2.2.1)

f_пол - коэффициент, учитывающий число полос движения и распределения движения по ним: f_доп = 0,55 (ОДН 218. стр.27 табл.3.2.);

n - общее число различных марок транспортных средств в составе транспортного потока;

N_m - число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средств m-ой марки;

S_{m сут} - суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства m-ой марки и расчетной нагрузки Q_рас.

Допускается приближенно принимать суммарный коэффициент приведения S_{m сут} по таблице (ОДН 218.046-01 стр.64 табл. П.1.3.)

 

Легковой автомобиль	Автобусы, Икарус 250	Грузовые автомобили, ГАЗ 53	Автопоезда, КрАЗ 255В

 

N_p = 0,55 · (45 · 0,005 + 2 · 0,7 + 19 · 0,2 + 4 · 1,5) = 6,3 (авт./час)

 

 

Час суток	Коэффициент пересчёта	Приведенная интенсивность движения
0-1	0,08
1-2	0,02
2-3	0,01
3-4	0,02
4-5	0,06
5-6	0,14
6-7	0,27
7-8	0,30
8-9	0,52
9-10	0,68
10-11	1,00
11-12	0,84
12-13	0,74
13-14	0,75
14-15	0,83
15-16	0,97
16-17	1,05
17-18	0,95
18-19	0,79
19-20	0,47
20-21	0,26
21-22	0,24
22-23	0,19
23-24	0,12
		åNp =416 авт./сут.

 

Суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности конструкции за срок службы определяют по формуле:

 

åN_p = 0,7 · N_p · K_c /(q^{(Тсп - 1)}) · Т_рдг · К_n (2.2.2)

 

N_p - приведенная интенсивность на последний год срока службы: N_p =416 (авт./сут);

Т_рдг - расчетное число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции: Т_рдг = 135 (ОДН 218.046-01 табл.П1.6.1.);

K_n - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого: K_n = 1,32 (ОДН 218.046-01 табл. 3.3.);

К_с - коэффициент суммирования определяют по формуле:

К_с = (q^Tсл - 1)/(q - 1) (2.2.3)

 

Т_сп - расчетный срок службы Т_сп = 13 лет (ОДН 218.046-01 табл.П.6.2.);

q - показатель изменения интенсивности движения данного типа автомобиля по годам q = 1,017.

 

К_с = (1,017¹³ - 1)/(1,017 - 1) = 14,41

 

åN_p = 0,7 · 416 · (14,41/(1,017^{13 – 1)}) · 135 · 1,32 = 610 925 авт.

Определим расчетную влажность по формуле:

 

W_p = W_таб · (1 + t · ν_w) (2.2.4)

W_таб - среднее многолетнее значение относительной (в долях от границы текучести) влажности грунта W_таб = 0,65% · W_Т (ОДН 218.046-01 таб. П.2.1. II д.к.з.; II подзона);

t - коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности: t = 1,71 (ОДН 218.046-01 приложение 4 табл. П.4.2.).

ν_w - коэффициент вариации, равный 0,1 (ОДН 218.046-01)

W_p = 0,65 · (1 + 0,1 · 1,71) = 0,76 - от границы текучести

Зная W_p, определяем вид грунта: суглинок тяжелый С = 0,006 МПа, j = 7,2^о, Е_гр = 34 МПа (ОДН218.046-01, т.П.2.4, т.П.2.5).

Определим модуль упругости конструкции. Для определения общего исходного модуля упругости вычерчивают конструкцию дорожной одежды и производят расчёт снизу-вверх.

1. Модуль упругости грунта земляного полотна Е_гр = 34 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.2.5.);

2. Модуль упругости подстилающего слоя песка Е_п = 120 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.2.5.);

3. Модуль упругости основания из песчано-гравийной смеси Е = 200 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.3.8.);

4. Модуль упругости основания - фракционированный щебень Е = 450 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.3.9.);

5. Модуль упругости нижнего слоя покрытия из черного щебня. Е = 800 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.3.5.);

6. Модуль упругости верхнего слоя покрытия - плотный асфальтобетон Е = 2400 МПа (ОДН 218.046-01 табл.П.3.2.).

Конструкция дорожной одежды в целом удовлетворяет требованиям прочности и надежности по величине упругого прогиба при условии:

 

Е_общ / E_min ³ K^тр_пр (2.2.5)

 

Е_об - общий расчетный модуль упругости конструкции, МПа;

E_min - минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции, E_min=200 МПа (ОДН 218.046-01 табл. 3.4.)

K^тр_пр - коэффициент прочности K^тр_пр = 1,17. (ОДН 218.046-01 табл.П.3.1.).

Общий модуль упругости конструкции определяют с помощью номограммы, построенной по решению теории упругости для модели многослойной среды. Приведение многослойной конструкции к эквивалентной однослойной ведут послойно, начиная с подстилающего слоя.

1. Е_н/Е_в = 34/120 = 0,28; h_в/D = 65/37 = 1,76; Е_об = 0,71 · 120 = 85,2 МПа;

2. Е_н/Е_в = 85,2/200 = 0,43; h_в/D = 20/37 = 0,54; Е_об = 0,61 · 200 = 122 МПа;

3. Е_н/Е_в = 122/450 = 0,27; h_в/D = 26/37 = 0,70; Е_об = 0,50 · 450 = 225 МПа;

4. Е_н/Е_в = 225/800 = 028; h_в/D = 6,5/37 = 0,18; Е_об = 0,32 · 800 = 256 МПа;

5. Е_н/Е_в = 256/2400 = 0,11; h_в/D = 4/37 = 0,11; Е_об = 0,12 · 2400 = 288 МПа;

Общий расчетный модуль упругости конструкции Е_общ = 288 МПа.

Е_общ / E_min ³ K^тр_пр, 288 /200 ³ 1,17 1,44 ³ 1,17

Вывод: условие прочности на упругий прогиб выполняется.

Общий фактический модуль упругости дорожной одежды уменьшается в процессе эксплуатации дороги за счет износа покрытия, старения и потери прочности материала, накопления напряжений, микроповреждений и деформаций на 1-3% в год.

В общем случае изменение фактической прочности дорожной одежды можно определить по формуле:

Е_общ(т) = Е_общ1 · q_q^Т-1 (2.2.6)

 

Е_общ(т)- общий модуль упругости дорожной одежды по истечению «Т» лет эксплуатации, МПа;

Е_общ1- общий модуль упругости дорожной одежды в первый год эксплуатации, МПа;

q_q - знаменатель прогрессии уменьшения прочности дорожной одежды;

q_q= 0,99 ÷ 0,98 - дорожная одежда капитального типа с асфальтобетонным типом покрытия;

q_q= 0,98 ÷ 0,97 - дорожная одежда облегченного типа покрытия;

q_q= 0,97 ÷ 0,96 - дорожная одежда переходного типа.

(Большие значения для 4-5 климатических зон и меньшие для 2-3 климатической зоны). Примем q_q = 0,98.

Требуемый модуль упругости изменяется в зависимости от роста интенсивности движения. Кроме того, закономерность изменения не прямолинейная, поэтому его вычисляют на 1-ый, 5-ый, 10-ый, 15ый и так далее годы эксплуатации. Вычисления сводят в таблицу и строят график зависимости E=f(T), определяя тем самым срок службы дороги до капитального ремонта.

Участок 1:

Таблица 2.2.2

Год эксплуатации, год
Интенсивность движения N, авт./сут
Требуемый модуль упругости Етр, МПа	233,3	236,6	241,0	245,9	251,2
Общий модуль упругости Еобщ, МПа
Коэффициент прочности Кпр	1,03	0,94	0,83	0,74	0,65

По данным таблицы строим графики зависимости E=f(T)

Анализ 1ого участка дороги показывает, что нужен капитальный ремонт дороги в этом году.

Участок 2:

Таблица 2.2.3

Год эксплуатации, год
Интенсивность движения N, авт./сут
Требуемый модуль упругости Етр, МПа	233,3	236,6	241,0	245,9	251,2
Общий модуль упругости Еобщ, МПа
Коэффициент прочности Кпр	1,37	1,25	1,11	0,98	0,87

Анализ 2ого участка дороги показывает, что капитальный ремонт наступит через 7 лет.

 

Участок 3:

Таблица 2.2.4

Год эксплуатации, год
Интенсивность движения N, авт./сут
Требуемый модуль упругости Етр, МПа	233,3	236,6	241,0	245,9	251,2
Общий модуль упругости Еобщ, МПа
Коэффициент прочности Кпр	1,20	1,09	0,97	0,86	0,76

Анализ 3ого участка дороги показывает, что капитальный ремонт нужно провести в следующем году.

Участок 4:

Таблица 2.2.5

Год эксплуатации, год
Интенсивность движения N, авт./сут
Требуемый модуль упругости Етр, МПа	233,3	236,6	241,0	245,9	251,2
Общий модуль упругости Еобщ, МПа
Коэффициент прочности Кпр	1,07	0,97	0,86	0,77	0,68

Анализ 4ого участка дороги показывает, что капитальный ремонт нужен уже в этом году.

2.3. Расчет и назначение усиления конструкции дорожной одежды:

На трёх участках дороги дорожная одежда не соответствуем по прочности. Следовательно, было принято решение о её усилении асфальтобетонным слоем.

Участок 1:

Е_н/Е_в = 240/2400 = 0,1; Е_общ/Е_в = 288/2400 = 0,12; h_в = 0,15 · 37 = 5,6 см

На первом участке (0 ÷ 1,8 км) требуется уложить асфальтобетонное покрытие толщиной 5,6 см.

Участок 2:

Дорожная одежда соответствует по прочности.

Участок 3:

Е_н/Е_в = 280/2400 = 0,117; Е_общ/Е_в = 288/2400 = 0,12; h_в = 0,07 · 37 = 2,6 см

На третьем участке (3,7 ÷ 4,9 км) требуется уложить асфальтобетонное покрытие толщиной 2,6 см.

Участок 4:

Е_н/Е_в = 250/2400 = 0,104; Е_общ/Е_в = 288/2400 = 0,12; h_в = 0,14 · 37 = 5,2 см

На четвёртом участке (4,9 ÷ 6,0 км) требуется уложить асфальтобетонное покрытие толщиной 5,2 см.

2.4. Определение межремонтного срока до реконструкции дороги:

Сроком службы дороги является период в годах от начала эксплуатации до года реконструкции. Реконструкция дороги планируется тогда когда, эксплуатируемая дорога исчерпывает свои возможности по максимально возможной интенсивности движения, т.е. когда коэффициент интенсивности превышает единицу:

 

К_инт = N_ф(т) / N_max > 1 (2..4.1)

N_ф(т) - интенсивность движения на «Т» год эксплуатации дороги, авто/сут;

N_max - максимальная расчётная интенсивность движения для данной категории дороги: 3000 авто/сут. [4].

 

N_ф(т) = N₁ · q^Т-1 (2.4.2)

N₁ - интенсивность движения на первый год эксплуатации дороги: 1521 авт./сут;

g - знаменатель прогрессии роста интенсивности движения (1,017);

Т - год определения интенсивности движения (порядковый номер года от года сдачи дороги в эксплуатацию).

Все вычисления сводим в таблицу 2.4.1 и строим график для определения срока службы дороги до реконструкции.

Расчет сводится в таблицу.

Таблица 2.4.1

Год эксплуатации, год
Интенсивность движения Nф(т), авт./сут		2095,209	2935,259	2985,158	3035,906
Коэффициент интенсивности, Кинт	0,507	0,698403	0,97842	0,995053	1,011969

 

По полученным данным строим график определения срока службы дороги N_ф(т) = f(Т).

Вывод: срок службы дороги составляет 41 год.