Конструирование и расчет дорожных одежд
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
Конструирование и расчет дорожных одежд 10 обеспечения долговечности и надежности дорожных одежд. При этом решают такие задачи, как разработка методик сбора, учета и анализа статических данных о работе различных конструкций автомобильных дорог и их экономической эффективности; разработка математиче- ских основ количественной оценки надежности и прогнозирования отказов; изучение закономерностей возникновения отказов; оценка влияния внешних и внутренних факторов на происходящие в кон- струкции процессы; разработка методов восстановления работоспо- собности и повышения надежности, в частности, дорожных одежд. Развитие этого научного направления требует обширной инфор- мации о повреждениях (отказах) конструкций с учетом технологии строительства, условий эксплуатации, методов содержания и ремонта. Для количественной оценки надежности и долговечности дорожных одежд необходимо знать закономерности снижения надежности основ- ных параметров конструкций (прочность, трещиностойкость и др.), за- кономерности коррозии, износа и разрушения. Анализ работ по теории упрочнения и разрушения строитель- ных конструкций (первое направление исследований) показывает, что процесс изменения прочности дорожной одежды во времени может быть представлен графиком (рис. 1.2), на котором выделены три ха- рактерных этапа эксплуатации: I. Период повышенной потери прочности, вызванной первона- чальным интенсивным воздействием усадочных, температурных, влажностных напряжений и возникающих при этом деформаций. Этот период сравнительно короткий. Для него характерно проявление строительных дефектов. II. Период длительной потери прочности и износа. В данный пе- риод частично затухают, перераспределяются, снимаются возникшие в первый период напряжения за счет образования трещин; снижаются усадочные явления, но развиваются необратимые процессы, приводя- щие к деструкции материалов и медленному их разрушению. Этот пе- риод является основным в работе конструкции и самым длительным во времени, он составляет 80–90 % от общего срока службы. III. Период интенсивного разрушения, когда физический износ достигает критического значения. На этой стадии решается вопрос о целесообразности ремонта или реконструкции дорожной одежды. 10 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 11 Рис. 1.2. Обобщенный график изменения прочности жесткой дорож- ной одежды во времени Срок службы дорожной одежды – это период от начала ее экс- плуатации до достижения предельного состояния. Он включает время, когда конструкция эксплуатируется (безотказно функционирует), и вре- мя простоев всех видов, обусловленных как эксплуатационным содер- жанием и ремонтами, так и организационными и другими причинами. На фактический срок службы дорожной одежды влияют многие случайные факторы, часто не поддающиеся учету, например проявле- ние особенностей структуры материалов, качество строительных и ре- монтных работ, особенности содержания. Следует различать срок службы дорожной одежды и срок служ- бы покрытия, а также их проектные и эксплуатационные (фактиче- ские) сроки службы. Для прогнозирования долговечности дорожной одежды в целом необходимо располагать данными об изменении прочности еѐ матери- алов во времени с учетом воздействия окружающей среды и динами- ческих нагрузок. При благоприятных условиях многие строительные материалы сохраняют свою прочность стабильной, некоторые, напри- мер цементобетон, со временем могут упрочняться. 11 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 12 1.2. Воздействие на дорожную одежду нагрузки от транспортных средств В процессе эксплуатации дорожные одежды подвергаются дина- мическому воздействию транспортных средств, двигающихся с различ- ными скоростями. Постоянное изменение дорожных условий, вызывае- мое параметрами дороги и природными факторами, является причиной соответствующего изменения режима движения автомобилей. Современные представления теории прочности дорожных одежд автомобильных дорог требуют учитывать при оценке работо- способности конструкций не только максимальные нагрузки на колеса транспортных средств, но и скорости их движения, общее число воз- действий колес на проезжую часть, распределение движения во вре- мени и по ширине проезжей части. Воздействие транспортных средств на дорожную одежду пере- дается по площадке контакта пневматической шины с поверхностью покрытия. Площадь контакта зависит от нагрузки на колесо, давления в шинах и может изменяться от 300 до 10 000 см 2 . Давление в шинах колеблется от 0,15 до 0,7 МПа. Для определения площади контакта шины с покрытием профес- сор В.Ф. Бабков предложил следующую формулу [15]: К Ж 0 P F K P , (1.1) где Р К – статическая нагрузка от колеса на покрытие, Н; Р 0 – давление воздуха в шине, Па; K Ж – коэффициент, учитывающий влияние жест- кости боковых стенок шин, равный в среднем 1,1. При движении автомобиля давление колеса на покрытие повы- шается в результате влияния ряда условий: нагревания шины и увели- чения в ней внутреннего давления воздуха; увеличения жесткости шины от влияния растягивающей покрышку центробежной силы; продолжительности (кратковременности) контакта с покрытием каж- дого участка шины, в результате которой шина не успевает обжаться до размера, соответствующего статическому приложению фактически действующей нагрузки, т. е. как бы становится более жесткой. Из-за 12 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 13 неровностей и других дефектов покрытия при движении возникают колебания автомобиля. При расчете дорожных одежд колебания колесной нагрузки, как правило, учитывают, умножая значения нормативной статической нагрузки от колеса на коэффициент динамичности K Д . Он представля- ет собой отношение наибольшего амплитудного значения колесной нагрузки, передаваемой колесом покрытию в состоянии покоя. Зависимость коэффициента динамичности от скорости имеет следующий вид [16]: 0,1 Д 0,5(3 ) v K e , (1.2) где v – скорость, м/с. Если произвести расчеты по формуле (1.2), то получим: V, км/ч 10 20 30 50 80 K Д 1,12 1,21 1,28 1,38 1,45 Для дорог общего пользования значения коэффициента дина- мичности принимают равным 1,3 [1–3]. Скорости движения транспортных средств меняются в широком диапазоне, зависят от технических возможностей автомобиля, степени его загрузки, дорожных условий. На дорогах общего пользования средняя скорость грузовых автомобилей составляет около 60–80 км/ч. Одним из параметров режима движения является интервал вре- мени между двумя последовательно перемещающимися автомобиля- ми ( t). На дорогах общего пользования его величина случайна. Например, на карьерных дорогах движение автосамосвалов может производиться примерно с равными интервалами (на забойных доро- гах). Существует ряд математических моделей, описывающих распре- деление t для различных потоков и в зависимости от дорожных условий, интенсивности и состава движения [17]. Интенсивность движения транспортных средств на автомобиль- ных дорогах колеблется от нескольких автомобилей в сутки до десят- ков (иногда сотен) тысяч. Принято считать, что на дорогах общего пользования рост интенсивности движения N t происходит в геометри- ческой прогрессии от срока сужбы t: 13 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 14 0 1 t N N q , (1.3) где N 0 – начальная интенсивность движения на первый год эксплуата- ции дороги; q – ежегодный прирост интенсивности движения. Воздействие колес автомобилей неравномерно распределяется по ширине проезжей части дороги и по ширине полосы движения. Распределение следов автомобилей по ширине полосы движения, не- обходимое для оценки числа воздействий колес на угловые и краевые участки плит бетонных покрытий, принято характеризовать зазором между краем плиты и колесом автомобиля. Неравномерное распределение воздействий по ширине проез- жей части приводит к тому, что в зависимости от положения выбран- ного сечения число воздействий может существенно различаться, ме- няется и агрессивность (степень воздействия) различных положений нагрузки для данного сечения. В процессе эксплуатации дорожные покрытия подвержены воз- действию транспортных потоков, состоящих из различных автомоби- лей, отличающихся грузоподъемностью, габаритами, числом осей и их расположением, нагрузками на ось и давлением в шинах. При оценке воздействия транспортных средств на покрытие большое значение имеет расположение колес в плане (от положения отпечатков колес в значительной мере зависит напряженное состояние плиты покрытия жесткой дорожной одежды). 1.3. Природные и климатические воздействия на дорожную конструкцию В процессе эксплуатации любая дорожная конструкция нахо- дится под воздействием природно-климатических (внешних) факто- ров. Природные факторы весьма разнообразны (растительность, оро- графия, грунтовые, гидрологические условия и др.). Они действуют на конструкцию раздельно и в различных сочетаниях. Правильный учет воздействия географического комплекса при проектировании дорож- ных одежд имеет большое значение в обеспечении их заданной долго- 14 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 15 вечности. Особенно велико влияние климатических параметров: тем- пературы воздуха, режима промерзания грунтов, количества и распре- деления по сезонам года осадков [18]. Наибольшее влияние на сроки службы дорожных покрытий ока- зывают температура и влажность окружающей среды, поскольку от них зависят водно-тепловой режим грунтов землого полотна и осно- ваний дорожных одежд, температурные напряжения и деформации покрытий. Отрицательное воздействие природных факторов может проявляться в виде: переувлажнения оснований и, как следствие, сни- жение их несущей способности; пучения грунтов рабочего слоя зем- ляного полотна, температурных деформаций и эрозии материалов по- крытий; коррозионного разрушения слоев одежды минерализованны- ми грунтовыми водами и др. При расчете жестких дорожных одежд в первую очередь следу- ет принять во внимание, что изгиб цементобетонных плит может быть вызван не только нагрузкой от автомобилей, но и неравномерным распределением температуры по толщине плиты при колебаниях тем- пературы воздуха, а также пучением грунтов при их промерзании и неравномерными поднятием зимой и осадкой при весеннем оттаива- нии. Верх плиты нагревается днем и охлаждается ночью, температура низа плиты в связи с влиянием теплоемкости материала основания изменяется меньше. Разность температуры верха и низа плиты вызы- вает ее коробление, которому препятствуют отпор соседних плит и собственный вес плиты (рис. 1.3, а, б). При изменении среднесуточной температуры воздуха соответ- ственно меняется и общая температура плиты. С наступлением осени и зимы плиты сокращаются в размерах, с потеплением весной и ле- том – расширяются (рис. 1.3, в). Свободному температурному сжатию или расширению плит препятствуют силы трения и сцепления, разви- вающиеся между нижней поверхностью плиты и основанием. Силы трения и сцепления приложены эксцентрично по отношению к центру тяжести поперечного сечения плиты и вызывают дополнительные из- гибающие напряжения, которые тем значительнее, чем больше разме- ры плиты и температурный перепад. Температурные напряжения вполне могут быть причиной разрушения цементобетонных покры- тий, поэтому учет температурных воздействий обязателен при расчете и конструировании жестких дорожных одежд. 15 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 16 Рис. 1.3. Температурные деформации плит бетонных покрытий: а – температура верхней поверхности больше, чем нижней; б – темпе- ратура нижней поверхности больше, чем верхней; в – равномерное охлаждение плиты При промерзании грунтов земляного полотна в результате зим- ней миграции влаги и накопления линз льда происходит вертикальное поднятие покрытия. Этот процесс может быть равномерным, тогда всѐ покрытие приподнимается на одинаковую высоту, но в связи с неод- нородностью состава (минералогического, гранулометрического) грунтов или из-за неравномерного притока влаги в промерзающую толщу пучение чаще бывает неравномерным, образуются бугры пуче- ния. Приподнимая монолитное покрытие, взбугривание вызывает в ней изгибающие напряжения [18]. При весеннем оттаивании грунта поднявшаяся зимой поверх- ность покрытия оседает. В связи с неравномерным оттаиванием осад- ка может происходить неравномерно даже при равномерном его под- нятии за счет пучения промерзающих грунтов. В результате неравномерного поднятия при промерзании или опускания при оттаивании дорожной конструкции плита опирается на подстилающие слои лишь в отдельных местах. Возникающие при этом напряжения могут стать причиной разрушения покрытия. Необ- ходимая морозоустойчивость дорожных одежд обеспечивается без а б в 16 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 17 специальных мероприятий: в районах с малой глубиной промерзания; при непучинистых грунтах основания (пески, крупные супеси, скаль- ный грунт); если толщина покрытия, необходимая по условиям проч- ности, превышает 2 / 3 глубины промерзания; в сухих местах без избы- точного увлажнения с обеспеченным поверхностным стоком и низким уровнем грунтовых вод (за исключением случаев устройства покры- тий на грунтовых основаниях из пылеватых супесчаных грунтов). Во всех остальных случаях необходима специальная проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость. При решении задач обеспечения долговечности одежд автомо- бильных дорог следует особое внимание обратить на физические про- цессы, протекающие в дорожной конструкции. В зимний период влага интенсивно мигрирует к фронту промерзания (из нижних теплых сло- ев в подстилающий дорожную одежду грунт и дополнительный слой основания дорожной одежды). Накапливающаяся вода образует ледя- ные линзы и прослойки. Весной основание под покрытием проезжей части, имеющим тѐмный цвет, оттаивает быстрее, чем обочины, по- крытые снегом. Поверхность мерзлого грунта приобретает вогнутое очертание, где скапливается большое количество воды от растаявших ледяных линз и прослоек (рис. 1.4). Рис. 1.4. Схема оттаивания земляного полотна: 1 – оттаявший грунт; 2 – переувлажненный оттаявший грунт; 3 – граница мерзлого грунта; 4 – снег; 5 – мерзлый грунт 1 2 3 4 5 17 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 18 При проезде по дороге транспортных средств в переувлажнен- ном подстилающем грунте возникают гидродинамические напоры, вода отжимается в слои основания дорожной одежды (не имея воз- можности уходить вниз и в стороны). Частицы грунта, каменных ма- териалов расклиниваются, и их сопротивление сдвигу резко падает. В результате скорость повреждения дорожной одежды возрастает в тысячи раз (по сравнению со скоростью разрушения при отсутствии в ее слоях свободной воды) [19]. Для устранения этой проблемы необходимо обеспечить быстрое дренирование дополнительных слоев дорожной одежды из дискрет- ных материалов (менее нескольких дней). Но в природных условиях Западной Сибири (глубокое промерзание грунтов, преобладание грун- тов с низким коэффициентом фильтрации) это практически невоз- можно, поэтому приходится ограничивать движение тяжелых транс- портных средств. Ограничение движения заложено и в методике проектирования дорожных одежд [18]. На рис. 1.5 показана схема назначения расчет- ной величины эквивалентного модуля упругости грунтового основа- ния (Е гр ). Видно, что она принимается выше, чем минимальное значе- ние (E min ). Рис. 1.5. Схема определения расчѐтного периода (t p ) и модуля упруго- сти грунтового основания (Е гр ) 18 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 19 Такой подход объясняется тем, что минимальное значение наблюдается весьма непродолжительное время. Если запроектировать дорожную одежду на E min , почти все время она будет работать с боль- шим запасом прочности, что при разработке методики расчета было признано экономически нецелесообразным. Это объясняет необходи- мость ограничения движения для дорожных одежд, рассчитанных на перспективную нагрузку. Надо сказать, что вода – опаснейший враг дорожной одежды. Это понимали еще в древние времена. Например, римляне, строившие дороги ещѐ до нашей эры, знали о разрушающем действии воды. Под плоскими плитами основания они часто использовали слой песка, располагая его поверх грунтового основания [19, 20, 81]. Обеспечение прочности и долговечности дорожной конструкции за счет увеличения толщины покрытия экономически нецелесообразно. Конструктивные слои покрытия только распределяют нагрузку от транс- портных средств на большую площадь грунтового основания. Это пони- мал еще знаменитый Джон Макадам, который в 1820 г. заявил: «...если вода просачивается через дорожное покрытие и заполняет естественный грунт, дорога, независимо от толщины покрытия, теряет несущую спо- собность и разламывается на куски». К сожалению, современные проек- тировщики дорог основное внимание уделяют плотности и прочности и очень мало заботятся об осушении дорожной одежды. В результате подавляющее большинство одежд с покрытиями капитального типа, по- строенных в последние 30–40 лет, представляют собой слабо дренирую- щие системы. И здесь без ограничения движения весной не обойтись. Следует иметь в виду, что это делают не только на дорогах России. В Швеции, например, в весенний период вводят ограничение движения транспортных средств грузоподъемностью более 4 т на срок от 1,5 до 2 месяцев (в зависимости от климатической зоны). Из-за многообразия факторов, влияющих на механизм разруше- ния дорожных покрытий, процесс деформации является очень слож- ным. Чаще всего наибольший ущерб наносит вода, находящаяся в по- рах материалов, трещинах, промежутках между слоями. Некоторые из наиболее опасных воздействий транспорта и воды проявляются ис- ключительно внутри конструктивных слоев и не зависят от прочности и поведения грунтового основания. 19 / 44 |