Конструирование и расчет дорожных одежд
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
Конструирование и расчет дорожных одежд 30 при содержании конструктивных элементов автомобильных дорог, приведѐн в работе [28]. Таблица 1.1 Дефекты, характерные для нежестких дорожных одежд Вид дефекта Характерные особенности дефекта А. Дефекты прочностного характера Трещины: одиночные Поперечные и косые трещины, расположенные на расстоянии более 15–20 м друг от друга отдельные Поперечные и косые трещины, расположенные при- мерно на одинаковом расстоянии друг от друга. Рас- стояние между соседними трещинами – 10–15 м редкие Поперечные и косые трещины (нередко с ответвле- ниями), не связанные между собой. Среднее расстоя- ние между соседними трещинами – 4–10 м частые Поперечные и косые трещины с ответвлениями, ино- гда связанные между собой, но, как правило, не об- разующие замкнутых фигур. Среднее расстояние между соседними трещинами – 1–4 м Сетка трещин Поперечные и продольные трещины, развитые в зоне полос наката и образующие замкнутые, преимуще- ственно четырехугольные фигуры с расстоянием между сторонами менее 1 м. Нередко сопровожда- ются просадками, колейностью и волнообразованием Колейность Плавное искажение поперечного профиля дорожного покрытия, локализованное вдоль полос наката. На покрытиях, устроенных с применением вяжущих, обычно сопровождается продольными трещинами и сеткой трещин Просадки Резкое искажение профиля покрытия, имеющее вид впадины с округлыми краями. На покрытиях, устроен- ных с применением вяжущих, просадки сопровожда- ются сеткой трещин, нередко охватывающей также и зоны покрытия, непосредственно к ним прилегающие Волны Закономерное чередование (через 0,5–2,0 м) на покры- тии впадин и гребней в поперечном направлении по от- ношению к продольной оси дороги. Как правило, имеют место на дорогах с переходными типами покрытий 30 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 31 Окончание табл. 1.1 Вид дефекта Характерные особенности дефекта Б. Дефекты, обусловленные влиянием нарушений в технологии производства работ Проломы Полное разрушение дорожной одежды на всю ее толщину с резким искажением профиля покрытия Выкрашивание и шелушение Поверхностные разрушения покрытия за счет потери отдельных зерен минерального материала и отслаи- вания вяжущего Выбоины Местные разрушения дорожного покрытия, имею- щие вид углублений с резко выраженными краями Сдвиги Смещение покрытия, наблюдающееся обычно на крутых спусках, в местах остановок и торможения автомобилей. Иногда в местах сдвига наблюдаются разрывы покрытия 1.5. Влияние состояния дорожной одежды на показатели работы автомобильного транспорта Скорость движения автомобилей, их пробег до капитального ремонта, расход топлива, износ шин, а в конечном итоге и себестои- мость перевозок находятся в прямой зависимости от прочности и ровности дорожной одежды, коэффициента сцепления колеса с по- крытием. В процессе эксплуатации дороги под влиянием движения авто- мобилей и природно-климатических условий происходит постепенное снижение ровности покрытия, которое обычно связано с появлением различных необратимых деформаций дорожной одежды. Такие де- формации большей частью возникают вследствие недостаточной прочности одежды в тех или иных местах. Многолетние исследования, проведенные в Харьковском авто- мобильно-дорожном институте (ХАДИ) под руководством профессора А.К. Бирули и других, позволили выявить взаимосвязь между прочно- стью дорожной одежды, ровностью покрытия и скоростью движения потока автомобилей (табл. 1.2) [10, 11]. 31 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 32 Таблица 1.2 Взаимосвязь прочности дорожной одежды с равностью покрытия и скоростью движения автомобильного потока Показатель Общее состояние дороги Хо ро шее и уд овл ет во- ри тел ьн ое Час тые тр ещ ин ы и се тк а тр е- щи н С етк а тр ещи н и от де льн ые раз ру шени я Час тые раз ру шени я Пр акт ич ес ки сп ло ш но е ра зр ушени е Степень разрушения, % по площади 0–15 15–35 35–50 50–70 > 70 Коэффициент прочно- сти, K пр 1 1–0,85 0,85–0,8 < 0,48 – Ровность покрытия по показателям толчко- мера на легковом авто- мобиле, см/км < 300 300–1000 > 1000 – – Ровность покрытия по показателям толчко- мера на грузовом авто- мобиле, см/км < 100 100–700 700–1200 > 1200 – Средняя скорость по- тока, км/ч 80–55 55–35 35–25 25–20 < 20 Надежность дорожной одежды по прочности 1–0,85 0,85–0,65 0,65–0,5 0,5–03 0,3 В табл. 1.2 коэффициент прочности вычислен как отношение среднего фактического модуля упругости дорожной одежды в период ее наибольшего ослабления к требуемому модулю упругости. Наличие достаточно устойчивой связи между скоростью потока, ровностью и прочностью дорожной одежды позволяет принимать в качестве одного из основных критериев расчета модуль упругости дорожной одежды. С другой стороны, обеспечение требуемой прочно- сти дорожной одежды гарантирует достаточную ровность и заданную скорость движения. 32 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 33 На эффективность работы автомобильного транспорта значи- тельное влияние оказывает также тип дорожной одежды. В табл. 1.3 приведены обобщенные данные А.К. Бирули и С.И. Миховича [10], иллюстрирующие эту зависимость. Таблица 1.3 Зависимость эффективности работы автомобильного транспорта от типа дорожной одежды [10] Тип покрытия По каз ател ь ро вн ост и пр и удо вл ет во ри тел ьн ом со сто ян ии о деж ды, см /к м К оэ фф иц иен т со пр от ивл ен ия дв иж ен ию Относительные значения Т ех ни чес кая с ко ро сть Ра сх од т оп ли ва Из но с ши н Ме ж рем он тн ы й пр обег С ум м ар ные эк сп лу ат ац ио нн ые р ас хо ды Асфальтобетонное 50–150 0,015 1 1 1 1 1 Цементобетонное 75–150 0,02 1 1,02 1,3 1 0,9 Битумощебеноч- ная смесь с поверхностной обработкой 100–200 0,03 0,95 1,05 1,25 0,95 1,3 Необработанное гравийное 300–400 0,03–0,05 0,75 1,1–1,2 1,4 0,8 1,6 Сухая грунтовая профилированная дорога 100–300 0,03–0,06 0,7–0,8 1,2 1,0 0,7–0,8 1,8–2,0 Булыжная мостовая 300–500 0,05–0,07 0,6 13 1,4 0,6 1,8 Несмотря на наличие устойчивой связи между ровностью по- крытия и прочностью нежесткой дорожной одежды (см. табл. 1.2), не следует считать, что ровность не может быть самостоятельным 33 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 34 критерием качества дорожного покрытия. Иногда по тем или иным причинам на вновь построенной дороге ровность покрытия оказыва- ется недостаточной даже при прочной одежде. Одна из основных при- чин этого – несовершенство технологий устройства дорожных одежд. Большое значение имеют также несовершенство используемых машин и нарушение технологии работ. Действующие нормативные методики проектирования дорожных одежд [1–3], к сожалению, не предусмат- ривают расчет по критерию ровности, хотя соответствующие исследо- вания ведутся [29, 30]. Важнейшая характеристика транспортно-эксплуатационного со- стояния дороги – скользкость дорожного покрытия, критерием кото- рой является коэффициент сцепления. Недостаточное сцепление ши- ны колеса с покрытием нередко становится причиной дорожно- транспортных происшествий с тяжелыми последствиями [17, 31]. Величина коэффициента сцепления определяется, прежде всего, шероховатостью покрытия [32, 33], однако при неблагоприятных до- рожных условиях (обледенение, сильное загрязнение) она может резко уменьшаться независимо от качества поверхности проезжей части. Коэффициент сцепления нормируют в зависимости от условий движения и особенностей отдельных участков дорог [34]. Многочис- ленные исследования показывают, что основная часть дорожно- транспортных происшествий, обусловленных недостаточным сцепле- нием колеса с покрытием, происходит при величине коэффициента сцепления на влажном покрытии менее 0,45, поэтому это значение принято в качестве минимально допустимого [Там же]. Покрытия с величиной коэффициента сцепления более 0,6 по этому условию практически безопасны. Высокие сцепные качества покрытия обеспечивают подбором устойчивых против шлифования материалов заполнителя для покры- тий, а также созданием повышенной шероховатости и др. [32, 33]. Обеспечивая безопасность движения, эти мероприятия увеличивают сопротивление качению, что с точки зрения экономичности работы автомобиля является нежелательным. С другой стороны, чем меньше деформируемость дорожной одежды (больше эквивалентный модуль упругости), тем меньше сопротивление качению. Таким образом, пе- реход к более совершенным типам покрытия, даже с повышенной ше- 34 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 35 роховатостью, в любом случае будет способствовать снижению со- противления качению. Отметим, что на безопасность движения значительное влияние также оказывают ровность и поврежденность покрытия [31]. Подроб- но влияние состояния дорог на показатели работы автотранспорта рассмотрено в работе [35]. Серьезной проблемой дорожных одежд переходного и низшего типов является их повышенная пылимость. Загрязнение воздуха до- рожной пылью наносит вред здоровью человека, оказывает пагубное воздействие на растительный и животный мир. При наличии пыли резко ухудшаются условия видимости, что часто становится причиной дорожно-транспортных происшествий с тяжелыми последствиями. Пыль обуславливает существенное ухуд- шение транспортно-эксплуатационных показателей, главным образом пропускной способности дорог, скорости движения автомобилей. Усиливается износ двигателей, возрастают затраты на обеспечение должного технического состояния транспортных средств. Особенно сложны условия движения при запыленности ночью. При большой запыленности воздуха не только усложняется ор- ганизация движения, но и создаются тяжелые условия для эксплуата- ции автомобилей. Так, одной из причин перегрева двигателей и закли- нивания поршней в цилиндрах является наружное загрязнение радиа- торов пылью. Из-за пыли возникают отказы систем питания, электрооборудования и смазки [36]. Контрольные вопрсы по разделу 1 1. Что понимают под терминами «долговечность» и «надѐж- ность» автомобильной дороги и еѐ элементов: дорожной одежды, зем- ляного полотна, искусственных сооружений? 2. Назовите показатели, характеризующие долговечность до- рожной одежды. 3. Назовите критерии, характеризующие надѐжность дорожной одежды автомобильной дороги. 4. Охарактеризуйте понятие «отказ» дорожной одежды. 5. Приведите сведения, характеризующие понятие «работоспо- собность дорожной одежды». 35 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 36 6. Назовите факторы, влияющие на работоспособность дорож- ной одежды. 7. Приведите три характерных этапа эксплуатации дорожных конструкций автомобильных дорог. 8. Назовите элементы динамического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию. 9. Приведите результаты воздействия природных и климатиче- ских факторов на работу эксплуатируемых дорожных одежд. 10. Перечислите природные и климатические факторы, воздей- ствующие на эксплуатируемые дорожные конструкции. 11. Какие деформации происходят в слоях дорожных конструк- ций при сезонных изменениях погоды (промерзание и оттаивание грунтов земляного полотна)? 12. Что понимают под расчѐтным периодом эксплуатации авто- мобильных дорог в годовом цикле водно-тепловых процессов? 13. Какова роль воды в надѐжной эксплуатации автомобильных дорог? 14. Перечислите виды деформаций покрытий дорожных одежд, возникающих под воздействием природно-климатических условий. 15. Как классифицируют повреждения покрытий дорожных одежд? 16. Назовите основные причины повреждений, наблюдаемых на эксплуатируемых автомобильных дорогах. 17. В чѐм отличие понятий «дефект» и «повреждение»? 18. Перечислите показатели, характеризующие эффективность работы траспорных средств, пользователей автомобильных дорог. 19. Назовите показатели, характеризующие состояние покрытий дорожных одежд. 20. Продемонстрируйте на примерах связь состояния покрытия дорожной одежды и эффективной работы средств автомобильного транспорта. 36 / 44 37 2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД 2.1. Назначение конструкций дорожных одежд и основные требования, предъявляемые к ним Дорожная одежда – многослойная конструкция в пределах проезжей части автомобильной дороги, воспринимающая нагрузку от автотранспортного средства и передающая еѐ на грунт. Дорожные одежды классифицируют по типам исходя из их капитальности [12, 37]. По мнению проф. Ю.М. Ситникова [35], дорожная одежда и зем- ляное полотно с дренажными, удерживающими и укрепительными конструктивными элементами составляют дорожную конструкцию. Конструкция дорожной одежды, как и любое инженерное соору- жение, должна быть достаточно надежной, экономичной, технологич- ной и соответствовать определенным эксплуатационным требованиям. Под надежностью дорожной одежды понимают ее способность обеспечивать безопасное расчетное движение со средней скоростью, близкой к оптимальной, в течение нормативного или заданного срока службы (см. п. 1.1). Надежность – комплексный показатель, завися- щий от прочностных показателей материалов слоев, их морозоустой- чивости, истираемости, свойств грунта земляного полотна и т. д. Поскольку дорожные одежды являются одним из наиболее до- рогих элементов автомобильных дорог, их экономичность в значи- тельной степени определяет строительную стоимость объекта в целом и эффективность капиталовложений в него. Технологичность – свойство, позволяющее в процессе строи- тельства использовать наиболее экономичные технологические прие- мы и процессы без снижения качества продукции. Основные эксплуатационные требования к дорожной одежде: – достаточная прочность независимо от сезонного изменения режима увлажнения земляного полотна; – ровность покрытия, обеспечивающая безопасное и комфор- табельное для пассажиров движение автомобилей с расчетными ско- ростями; – повышенная шероховатость покрытия, обеспечивающая эф- фективное торможение автомобилей в случае экстренной необходи- 37 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 38 мости, а также безопасное движение (без заносов) с расчетными ско- ростями; – беспыльность, т. к. пыль ухудшает видимость, создает дис- комфорт для водителей и пассажиров, снижает срок службы двигате- лей и т. д.; – отсутствие продуктов износа покрытия, вредных для здоровья людей, животных и растений; – радиационная безопасность используемых строительных ма- териалов. Необходимо обратить внимание на следующее обстоятельство. С 2003 г. вступил в силу Федеральный закон «О техническом регули- ровании», в котором зафиксировано, что обязательные для примене- ния и использования требования к объектам технического регулиро- вания (в том числе к инженерным сооружениям) устанавливаются техническими регламентами. Технические регламенты принимают в целях: – защиты жизни или здоровья граждан, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества; – охраны окружающей среды, жизни или здоровья животных и растений; – предупреждения действий, вводящих в заблуждение приобре- тателей. Со дня вступления в силу Федерального закона «О техническом регулировании» впредь, до вступления в силу соответствующих тех- нических регламентов, требования к продукции (в том числе к дорож- ным одеждам), установленные нормативными правовыми актами Рос- сийской Федерации и нормативными документами федеральных орга- нов исполнительной власти (например, Госстроя России, Минтранса России), подлежат обязательному исполнению только в части, соот- ветствующей указанным выше целям. Для дорожных одежд это тре- бования к величине удельной эффективной активности естественных радионуклидов строительных материалов, коэффициенту сцепления шин автомобилей с поверхностью покрытия. Для правильного понимания и выполнения требований регла- ментов предусмотрены стандарты (предварительные национальные, национальные, организаций, международные), которые устанавлива- 38 / 44 2. Конструирование дорожных одежд 39 ют характеристики продукции, правила осуществления процессов и т. д. Стандарты разрабатывают для добровольного многократного использования. Госстандарт России (выполнял функции национально- го органа Российской Федерации по стандартизации) постановил при- знать национальными стандартами действующие государственные и межгосударственные стандарты, введенные в действие до 1 июля 2003 г. При этом решено сохранить условные обозначения «ГОСТ» и «ГОСТ Р». Впредь до вступления в силу соответствующих техниче- ских регламентов применение действующих государственных и меж- государственных стандартов будет осуществляться в добровольном порядке (за исключением обязательных требований, обеспечивающих достижение целей законодательства Российской Федерации о техни- ческом регулировании). 2.2. Конструктивные слои, классификация дорожных одежд Воздействие нагрузки, приложенной к поверхности покрытия, уменьшается по толщине конструкции вследствие распределяющей способности материалов слоев. Это позволяет проектировать дорож- ную одежду многослойной, используя в отдельных слоях материалы различной прочности в соответствии с действующими усилиями и ин- тенсивностью влияния природных факторов [15]. Теоретические и экспериментальные исследования функциони- рования дорожных одежд дают возможность выделить в них три кон- структивные зоны [38, 39]: 1. Слой износа, к которому предъявляют требования шерохова- тости, износостойкости, ровности, сдвигоустойчивости. Этот слой по мере его истирания периодически восстанавливают. В расчетах на прочность он не учитывается. 2. Покрытие, толщина которого в зависимости от величины транспортной нагрузки составляет 8–15 см. В данной зоне действуют значительные вертикальные и горизонтальные напряжения. 3. Основание дорожной одежды, которое предназначено для распределения давления на грунт. Величина напряжений от транс- портной нагрузки в этой зоне относительно быстро уменьшается. При 39 / 44 |