Конструирование и расчет дорожных одежд
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» Серия «Учебники ТГАСУ» О.П. Афиногенов, С.В. Ефименко, В.Н. Ефименко КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД Под редакцией С.В. Ефименко Рекомендовано Учебно-методическим советом ТГАСУ в качестве учебного пособия для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки «Строительство» (программа подготовки «Автомобильные дороги»), и специалистов, подготовка которых осуществляется по специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений», специализация «Строительство автомагистралей, аэродромов и специальных сооружений» Томск Издательство ТГАСУ 2020 1 / 44 УДК 625.84/.85.001.2(075.8) ББК 39.311 А94 Серия «Учебники ТГАСУ» основана в 2013 году Афиногенов, О.П. Конструирование и расчет дорожных одежд : учебное пособие / О.П. Афиногенов, С.В. Ефименко, В.Н. Ефименко ; под ред. С.В. Ефименко. – 2-е изд., доп. и перераб. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2020. – 444 с. – Текст : непосредственный. ISBN 978-5-93057-930-7 Приведены общие сведения об особенностях функционирования до- рожных одежд автомобильных дорог, обзор методов их расчета. Рассмотрен порядок конструирования и расчета дорожных одежд, регламентированный действующими нормативными и методическими документами. Изложены особенности расчета жестких дорожных одежд в частных случаях, а также необходимые сведения для учета при проектировании в природных условиях Западной Сибири. Даны необходимые комментарии и примеры расчета. Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающих- ся по направлению подготовки бакалавров 08.03.01 «Строительство» (про- грамма подготовки «Автомобильные дороги»), и специалистов, подготовка ко- торых осуществляется по специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений», специаация «Строительство автомагистралей, аэродро- мов и специальных сооружений. Может быть полезно слушателям факультетов повышения квалификации, а также специалистам проектных организаций. УДК 625.84/.85.001.2(075.8) ББК 39.311 Рецензенты: В.В. Ушаков, докт. техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Строи- тельство и эксплуатация дорог», проректор по научной работе МАДИ (ТУ), заслуженный работник высшей школы РФ; В.А. Шаламанов, докт. техн. наук, профессор Кузбасского государственного университета. ISBN 978-5-93057-930-7 © Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2020 © Афиногенов О.П., Ефименко С.В., Ефименко В.Н., 2020 А94 2 / 44 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие .......................................................................................................... 5 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог .......................................... 6 1.1. Понятие о надежности, долговечности и сроках службы дорожных одежд ................................................................................................ 6 1.2. Воздействие на дорожную одежду нагрузки от транспортных средств .............................................................................................................. 12 1.3. Природные и климатические воздействия на дорожную конструкцию .................................................................................................... 14 1.4. Характерные повреждения и дефекты эксплуатируемых дорожных одежд .............................................................................................. 21 1.5. Влияние состояния дорожной одежды на показатели работы автомобильного транспорта ........................................................................... 31 2. Конструирование дорожных одежд ............................................................. 37 2.1. Назначение конструкций дорожных одежд и основные требования, предъявляемые к ним ................................................................. 37 2.2. Конструктивные слои, классификация дорожных одежд ..................... 39 2.3. Задачи и принципы конструирования дорожных одежд ...................... 44 2.4. Эффективность применения и особенности конструирования жестких дорожных одежд ................................................................................ 47 2.5. Особенности конструирования нежестких дорожных одежд ................... 70 2.6. Конструирование дополнительных слоев основания ............................ 76 2.7. Особенности конструирования дорожных одежд со слоями из малопрочных материалов и побочных продуктов промышленности ......... 80 2.8. Повышение прочности и стабильности рабочего слоя земляного полотна ............................................................................................................. 81 3. Обзор методов расчета дорожных одежд ................................................... 85 3.1. Методы расчета жестких дорожных одежд ........................................... 85 3.2. Методы расчета нежестких дорожных одежд...................................... 107 4. Расчетные параметры подвижной нагрузки ........................................... 114 5. Расчетные характеристики материалов .................................................. 124 6. Практическая методика расчета жестких дорожных одежд с монолитными цементобетонными покрытиями ..................................... 127 6.1. Общие положения расчета жестких дорожных одежд ........................ 127 6.2. Расчет толщины монолитного покрытия.............................................. 128 6.3. Расчет основания .................................................................................... 134 6.4. Пример расчета ....................................................................................... 140 7. Особые случаи расчета жестких дорожных одежд ................................ 150 3 / 44 4 7.1. Расчет асфальтобетонных покрытий с цементобетонным основанием ..................................................................................................... 150 7.2. Расчет сборных покрытий...................................................................... 151 7.3. Расчет сборно-монолитных покрытий .................................................. 159 7.4. Определение толщины покрытий на стадии технико- экономических обоснований ........................................................................ 166 8. Расчет нежестких дорожных одежд........................................................... 170 8.1. Общие положения нормативного метода расчета ............................... 170 8.2. Расчет дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу ....... 176 8.3. Расчет по сдвигу в грунте земляного полотна и слабосвязанных материалах ..................................................................................................... 180 8.4. Расчет монолитных материалов на растяжение при изгибе ............... 184 8.5. Пример расчета ....................................................................................... 188 9. Обеспечение морозоустойчивости дорожных одежд ............................. 200 10. Проектирование осушения дорожной одежды и земляного полотна ............................................................................................................... 223 11. Учет региональных особенностей проектирования дорожных одежд ................................................................................................................... 237 11.1. Принципы регионального районирования и назначения расчетных характеристик грунтов ............................................................... 237 11.2. Значения характеристик грунтов для расчета дорожных одежд в условиях Алтайского края ......................................................................... 246 11.3. Особенности проектирования дорожных одежд в условиях Кемеровской области .................................................................................... 257 11.4. Значения характеристик грунтов для расчета дорожных одежд на территории Новосибирской области ....................................................... 304 11.5. Особенности проектирования дорожных одежд на территории Томской области ............................................................................................ 342 11.6. Расчетные значения характеристик грунтов для проектирования дорог в Тюменской области ...................................... 361 Библиографический список ........................................................................... 394 Приложение 1. Характеристики грунтов и материалов дорожных одежд ................................................................................................................... 404 Приложение 2. Характеристики транспортных средств ............................... 432 Приложение 3. Расчетная амплитуда колебаний температуры на поверхности покрытия .................................................................................. 441 Приложение 4. Условные обозначения материалов в слоях дорожной одежды ................................................................................................................ 442 Приложение 5. Пример оформления поперечного профиля конструкции земляного полотна и дорожной одежды.................................... 443 4 / 44 5 ПРЕДИСЛОВИЕ Дорожная одежда – один из наиболее ответственных и материа- лоемких элементов автомобильной дороги. Состояние дорожного по- крытия во многом определяет режимы и безопасность движения, эф- фективность функционирования автомобильного транспорта. Пособие посвящено вопросам конструирования и расчета наибо- лее распространенных типов дорожных одежд с учетом действующих нормативных документов [1–3] и является переработанным и допол- ненным изданием учебных пособий [4, 5]. Цель пособия – обеспечить студентов высших учебных заведений, осуществляющих бакалаврскую и специальную подготовку по направлениям 08.03.01«Строительство» и 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений», слуша- телей факультетов повышения квалификации необходимым материа- лом для учебного проектирования дорожных одежд. При подготовке пособия учтены положения, сформулированные в работах [6, 7]. Значительное внимание уделено особенностям проектирования автомобильных дорог общего пользования в регионе основной добычи углеводородного сырья России – Западной Сибири. Приведены уточ- ненные климатические параметры, расчетные характеристики грунтов для территорий Алтайского края, Кемеровской, Новосибирской, Том- ской и Тюменской областей, полученные в результате многолетних ис- следований сотрудников Томского государственного архитектурно- строительного университета (ТГАСУ) [8, 9]. В предлагаемой работе отражены положения актуализированных и вновь принятых в отрасли норм проектирования дорожных одежд, последних результатов науч- ных исследований. Учебное пособие подготовили кандидат технических наук, до- цент О.П. Афиногенов (директор Кузбасского центра дорожных ис- следований), доктор технических наук, декан дорожно-строительного факультета С.В. Ефименко, доктор технических наук, профессор ка- федры «Автомобильные дороги» В.Н. Ефименко (Томский государ- ственный архитектурно-строительный университет). 5 / 44 6 1. РАБОТА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ 1.1. Понятие о надежности, долговечности и сроках службы дорожных одежд Используемая в настоящее время система терминов и понятий, относящихся к службе дорожных одежд, предложена профессором А.К. Бирулей [10]. Большой вклад в еѐ развитие внесли профессора И.А. Золотарь, В.К. Некрасов, С.В. Коновалов, Ю.М. Яковлев, М.С. Коганзон и др. [11]. Ниже рассмотрена терминология, применя- емая специалистами дорожной отрасли при конструировании и расчѐ- те дорожных одежд. Долговечность – свойство дорожной одежды сохранять работо- способность до наступления определенного предельного состояния при нормальном эксплуатационном содержании и ремонтах. Этот термин с таким же содержанием может быть применен не только ко всей одежде, но и к каждому еѐ слою отдельно. Предельное состояние дорожной одежды наступает, когда еѐ дальнейшая эксплуатация ста- новится неэффективной (нерациональной) из-за старения, разруше- ния, частых отказов или увеличения затрат на ремонт. Показателем долговечности может служить, например, срок службы до капиталь- ного ремонта без потери основных эксплуатационных качеств [12]. Предельное состояние может также определяться так называемым мо- ральным устареванием покрытия. Следует различать показатели, характеризующие долговечность по наработке (ресурс) и календарному времени службы (срок служ- бы). Ресурс и срок службы могут отсчитываться от момента сдачи в эксплуатацию до первого капитального ремонта, между капиталь- ными ремонтами и до реконструкции или утилизации (ликвидации). Таким образом, под долговечностью дорожной одежды подразумева- ют предельный срок еѐ службы, в течение которого она сохраняет требуемые эксплуатационные качества. В технике принято различать долговечность моральную и физиче- скую. Моральная долговечность дорожной одежды характеризуется сро- ком службы до того момента, когда она перестает отвечать изменяю- щимся условиям эксплуатации или режимам технологических процессов. 6 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 7 Физическая долговечность дорожной одежды определяется про- должительностью износа и (или) других деструктивных процессов в основных несущих элементах (слоях) конструкции под воздействием транспортных нагрузок и физико-химических факторов. Долговечность сокращается при неправильной эксплуатации дороги, перегрузках одежды, а также при резко выраженных разру- шающих воздействиях окружающей среды (действие грунтовой и по- верхностной воды, солнечной радиации, мороза и т. д.) В значитель- ной степени долговечность дорожных одежд зависит от правильного выбора конструктивно-технологических решений (с учетом особенно- стей географического комплекса), специфики эксплуатации, обеспе- чения качества строительства. Поскольку долговечность – один из показателей качества про- дукции, актуальность совершенствования методов проектирования дорожных одежд с продолжительным жизненным циклом достаточно высока. Для обеспечения долговечности дорожных одежд необходимо учитывать положения теории управления качеством (рис. 1.1) [13], предварительно внедрив их в учебный процесс подготовки проекти- ровщиков и строителей автомобильных дорог. Рис. 1.1. Влияние вида управления на качество продукции Ур овен ь кач ес тва пр оду кц ии , % 7 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 8 Физическая и моральная долговечность должны быть согласо- ваны между собой: чем меньше моральная долговечность, тем ниже должны быть требования и к физической долговечности. При решении проблемы долговечности дорожных одежд следу- ет учитывать, что она – лишь одна из характеристик надежности кон- струкции. Надежность любого инженерного сооружения характеризу- ется способностью сохранять значения установленных параметров функционирования в определенных пределах, соответствующих за- данным режимам и условиям использования и технического обслужи- вания [14]. Другими словами, надежность – это устойчивость каче- ства системы (инженерного сооружения) по отношению ко всем воз- можным возмущениям, которые могут встретиться при изготовлении, возведении, полезном функционировании, транспортировании, хране- нии и т. п. В зависимости от назначения системы и условий ее эксплу- атации надежность может включать такие свойства, как безотказ- ность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость (резерви- руемость), или любое сочетание этих свойств. Профессор А.К. Бируля предложил следующее определение надежности дорожной одежды [15]: «Надежность – это свойство одеж- ды, обусловленное безотказностью, долговечностью, ремонтопригод- ностью всего сооружения или его частей и обеспечивающее сохранение эксплуатационных показателей одежды в заданных пределах». Основное понятие, используемое в теории надежности, – поня- тие отказа, т. е. утраты работоспособности, наступающее внезапно или постепенно. Работоспособность – такое состояние дорожной одежды, при котором она соответствует всем требованиям, предъяв- ляемым к ее основным параметрам. К числу основных параметров до- рожных одежд относят несущую способность (прочность), износо- стойкость, ровность, сцепление колеса с поверхностью покрытия, их принято называть транспортно-эксплуатационными показателями или показателями качества. Показатели качества изменяются с течением времени. Их изме- нение, превышающее допустимые значения, способствует частичному или полному отказу дорожной одежды. Мерой работоспособности обычно является срок службы одежды, определяемый массой грузов и транспортных средств (масса брутто), 8 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 9 пропущенных дорогой от еѐ сдачи в эксплуатацию до потребности в капитальном ремонте или между капитальными ремонтами (полная работоспособность) либо за период от сдачи в эксплуатацию до ремон- та или между ремонтами (частичная работоспособность) [12]. Такой подход нельзя признать правильным, поскольку при этом устанавлива- ют не срок службы, а ресурс дорожной одежды (см. выше). Кроме того, не учитывают и другие факторы, влияющие на работоспособность. Факторы, действующие на дорожную одежду, можно объеди- нить в следующие группы: – транспортные нагрузки (состав движения, нагрузка на коле- со, интенсивность, скорость, распределение по ширине проезжей ча- сти и др.); – показатели водно-теплового режима (влажность и температура земляного полотна и слоев дорожной одежды и др.); – методы, сроки и качество работ по содержанию, ремонту и капи- тальному ремонту дорожной одежды и других дорожных сооружений. Применительно к условиям Сибири данный вопрос подробно рассмотрен в работах [9, 109, 110]. Многочисленность и сложность факторов, определяющих рабо- тоспособность дорожных одежд, в сочетании с практической важно- стью проблемы обеспечения их долговечности и надежности вызывают необходимость исследований в этой области. В настоящее время доста- точно чѐтко прослеживаются два реализуемых научных направления. Первое направление состоит в изучении физических основ рабо- ты и старения конструкций. При этом исследователи решают следую- щие задачи: оценка влияния внешних и технологических факторов на прочность, плотность и другие свойства материалов и конструкции в целом; изучение закономерностей износа, коррозии материалов под действием влаги, газов, агрессивных сред; измерение степени и оценка характера повреждений конструкции; разработка способов и средств восстановления транспортно-эксплуатационных качеств. При всей важности отмеченного направления, к сожалению, оно не учитывает в достаточной мере динамику факторов, воздействую- щих, например, на дорожную одежду в процессе еѐ эксплуатации. Здесь необходимо использовать элементы теории надежности. В еѐ разработке и состоит второе направление исследований в области 9 / 44 |