Конструирование и расчет дорожной одежды нежесткого типа

План работы
Анализ исходных данных
Определение суммарного количества приложений расчетной нагрузки
Конструирование трех вариантов дорожной одежды
Расчет по допустимому упругому прогибу
Расчет из условия сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна
Расчет монолитных слоев на растяжение при изгибе
Проверка конструкции дорожной одежды на морозостойкость
Определение толщины дренирующего слоя

Анализ исходных данных
Проектирование дорожных одежд нежесткого типа производится в соответствии с требованиями ВБН В.2.3–218–186–2004 «Споруди транспорту. Дорожній одяг нежорсткого типу»
Исходные данные:
район строительства Закарпатская область
грунт земляного полотна тяжелый суглинок
интенсивность движения N20 = 2180 авт./сут.
показатель изменения интенсивности движения q = 1,05
состав движения:

Анализ исходных данных

Анализ исходных данных
По таблице 2 принимаем:
Кн = 0,95 – коэффициент надёжности;
β = 1,645 – характеристика надёжности ;
Коэффициенты прочности:
Кпр = 1,43 – упругий прогиб;
Кпр= 1,48 – сдвиг несвязных слоёв;
Кпр = 1,35 – изгиб монолитных слоёв.
Для дороги ІІ категории в качестве расчетной нагрузки принимаем автомобиль группы А1 с нагрузкой на ось 115кН (см. стр. 10 МУ)
Расчетные параметры нагрузки А1 принимаем из табл. 4:
- удельное давление колеса на покрытие р=0,8 МПа,
- расчетный диаметр отпечатка колеса Дд = 34,5 см.

Анализ исходных данных
По рис. А.1 определяем номер дорожного района по грунтово-геологическим условиям:
- район III.Г.8
Для района III.Г.8 средняя районная расчетная относительная влажность земляного полотна для дороги ІІ категории составит по табл. В.1:
Wp = 0,72
По таблице В.7 определяем расчетные значения характеристик грунта:
модуль упругости грунта Еу = 34 МПа;
угол внутреннего трения φ = 140;
удельное сцепление С = 0,015 МПа

2. Определение суммарного количества приложений расчетной нагрузки
По табл. 5 назначаем коэффициент полосности: fп = 0,55

Среднесуточное перспективное количество проездов всех колес, которые размещены по одну сторону транспортного средства в пределах одной полосы проезжей части, приведенное к расчетной нагрузке, определяем по формуле (2):
2. Определение суммарного количества приложений расчетной нагрузки

2. Определение суммарного количества приложений расчетной нагрузки

3. Конструирование трех вариантов дорожной одежды
Варианты конструкции дорожной одежды
Вариант 1

3. Конструирование трех вариантов дорожной одежды
Варианты конструкции дорожной одежды
Вариант 2

3. Конструирование трех вариантов дорожной одежды
Варианты конструкции дорожной одежды
Вариант 3

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Конструкция дорожной одежды отвечает требованиям надежности и прочности по критерию упругого прогиба, если
Кпр ≤ Еоб /Етр , (6)
где Кпр =1,43 – коэффициент прочности дорожной одежды (табл. 2);
Еоб – общий модуль упругости;
Етр – требуемый модуль упругости с учетом капитальности дорожной одежды, типа покрытия и интенсивности движения (рис. 1).
По рис. 1 или по формуле:
Етр = 42,843*ln(∑ Np) – 315,68 = 229 МПа
Требуемый модуль упругости для дорог общей сети не должен быть меньше величин, указанных в таблице 10.
Етр = 229 МПа < Етр, min = 235 МПа → принимаем Етр = 235 МПа.
Еобщ=Кпр*Етр=1,43*235=336 МПа.

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Первый вариант (расчет «снизу вверх») :

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Первый вариант (расчет «снизу вверх») :
Е1 = 400 МПа Е2 = 34 МПа Е2 / Е1 = 0,085
h/D = 30/34,5 = 0,87
По номограмме находим Еоб / Е1 = 0,3 тогда Еоб = Е1 * 0,3 = 400 * 0,3 = 120 МПа

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Первый вариант (расчет «снизу вверх») :

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Первый вариант (расчет «снизу вверх») :
Е1 = 600 МПа Е2 = 120 МПа Е2 / Е1 = 0,2
h/D = 8/34,5 = 0,23
По номограмме находим Еоб / Е1 = 0,265 тогда Еоб = 600 * 0,265 = 159 МПа

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Первый вариант (расчет «снизу вверх») :

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Первый вариант (расчет «снизу вверх») :
Е1 = 2800 МПа Е2 = 159 МПа Е2 / Е1 = 0,057
h/D = 9/34,5 = 0,26
По номограмме находим Еоб / Е1 = 0,1 тогда Еоб = 2800 * 0,1 = 280 МПа

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Первый вариант (расчет «снизу вверх») :

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Первый вариант (расчет «снизу вверх») :
Е1 = 4400 МПа Е2 = 280 МПа Е2 / Е1 = 0,064
h/D = 5/34,5 = 0,14
По номограмме находим Еоб / Е1 = 0,083 тогда Еоб = 4400 * 0,083 = 365 МПа

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Первый вариант (расчет «снизу вверх») :
Еоб / Етр = 365 / 235 = 1,55 > Кпр = 1,43
Условие прочности выполняется

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Второй вариант (расчет «сверху вниз») :

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Второй вариант (расчет «сверху вниз») :
Е1 = 4400 МПа Еоб = 336 МПа Еоб / Е1 = 0,076
h/D = 5/34,5 = 0,14
По номограмме находим Е2 / Е1 = 0,055 тогда Е2 = 4400 * 0,055 = 242 МПа

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Второй вариант (расчет «сверху вниз») :

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Второй вариант (расчет «сверху вниз») :
Е1 = 2800 МПа Еоб = 242 МПа Еоб / Е1 = 0,086
h/D = 9/34,5 = 0,26
По номограмме находим Е2 / Е1 = 0,05 тогда Е2 = 2800 * 0,05 = 140 МПа

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Второй вариант (расчет «сверху вниз») :

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Второй вариант (расчет «сверху вниз») :
Е1 = 800 МПа Еоб = 140 МПа Еоб / Е1 = 0,175
h/D = 8/34,5 = 0,23
По номограмме находим Е2 / Е1 = 0,12 тогда Е2 = 800 * 0,12 = 96 МПа

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Второй вариант (расчет «сверху вниз») :

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Второй вариант (расчет «сверху вниз») :
Е1 = 500 МПа Еоб = 96 МПа Еоб / Е1 = 0,192
Е1 = 500 МПа Е2 = Егр = 34 МПа Е2 / Е1 = 0,068
По номограмме находим h/D = 0,55 тогда h = 37,5 * 0,55 = 21 см

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Второй вариант (расчет «сверху вниз») :
Для обеспечения требуемого модуля упругости дорожной одежды Етр = 235 МПа толщина нижнего слоя основания должна быть не менее 21 см.
Из конструктивных соображений принимаем 25 см.
Полученное значение должно удовлетворять требованиям таблицы 1 (hmin = 8 см)

4. Расчет по допустимому упругому прогибу
Третий вариант (расчет «снизу вверх») :
Еоб / Етр = 365 / 235 = 1,55 > Кпр = 1,43
Условие прочности выполняется

5. Расчет из условия сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна
При действии расчетной нагрузки в слоях дорожной одежды, не обладающих большой связностью, не должно возникать явлений сдвига, приводящих к деформациям дорожных одежд.
Деформации сдвига в конструкции дорожной одежды не будут накапливаться, если будет обеспечено условие:
Кпр =Тгр /Та , (9)
где Кпр = 1,48 – коэффициент прочности дорожной одежды (табл. 2);
Тгр – предельная величина активного напряжения сдвига, превышение которой вызовет нарушение прочности на сдвиг;
Та – расчетное активное напряжение сдвигу в расчетной точке конструкции от действия временной нагрузки.

5. Расчет из условия сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна
Первый вариант
При расчетах многослойную дорожную конструкцию приводят к двухслойной расчетной модели.
За нижний слой принимают грунт (с его характеристиками, а за верхний – все вышележащие слои дорожной одежды).
Характеристики грунта : Ен = Егр = 34 МПа; ф = 140; С=0,015 МПа.
Толщину верхнего слоя hв принимают равной сумме толщины всех слоев
hв = ∑ hi = 5+9+8+30 = 52 см
Модуль упругости верхнего слоя модели определяют по формуле:
Ев= ∑ Ei*hi/∑ hi = (1300*5+900*9+600*8+400*30) / 52 = 604 МПа

5. Расчет из условия сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна
Первый вариант
Активное напряжение сдвигу Та, возникающие в грунте или в песчаном слое, определяют по формуле:
Та = τн*р (11)
где τн – относительное активное напряжение сдвигу от одиночной нагрузки, определяется с помощью номограмм (рис. 3 и 4);
р = 0,8 МПа – расчетное давление колеса на покрытие (см. табл. 4).

5. Расчет из условия сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна
Первый вариант
Ев/ Ен = 17,8; hв/Д = 1,5; ф = 140
Тогда τн = 0,014

5. Расчет из условия сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна
Первый вариант
Активное напряжение сдвига: Та = τн*р = 0,014*0,8=0,0112 МПа
Предельную величину активного напряжения сдвига Тгр в грунте земляного полотна (или в песчаном слое дорожной одежды) определяют по формуле:
Тгр = С*kд +0,1*γср*Zontg(фN) = 0,015*2+0,1*0,002*52*tg140 = 0,0326 МПа.
kд = 2 – коэффициент работы.
Zon= 52 см – глубина размещения поверхностного грунта.
γср= 0,002 кг/см3 – средний удельный вес конструкции слоёв.
Тгр/ Та = 0,0326/0,0112 = 2,91 > Кпр = 1,48 – условие прочности выполняется

5. Расчет из условия сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна
Второй вариант
hв= ∑ hi = 47 см – толщина верхнего слоя.
Ев= ∑ Ei*hi/∑ hi = 713 МПа.
Ев/ Ен = 21; hв/Д = 1,36; ф = 140
Тогда τн = 0,015
Активное напряжение сдвига :
Та = τн*р = 0,015*0,8=0,012 МПа.
Предельно-активное напряжение сдвига :
Тгр = С*kд +0,1*γср*Zontg(фN) = 0,015*2+0,1*0,002*47*tg140=0,0323 МПа.
kд = 2 – коэффициент работы.
Zon= 47 см – глубина размещения поверхностного грунта.
γср= 0,002 кг/см3 – средний удельный вес конструкции слоёв.
Тгр/ Та = 0,0323/0,012 = 2,7 > Кпр = 1,48 – условие прочности выполняется.

5. Расчет из условия сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна
Третий вариант
hв= ∑ hi = 70 см – толщина верхнего слоя.
Ев= ∑ Ei*hi/∑ hi = 713 МПа.
Ев/ Ен = 11,4; hв/Д = 2; ф = 140
Тогда τн = 0,011
Активное напряжение сдвига :
Та = τн*р = 0,011*0,8=0,0088 МПа.
Предельно-активное напряжение сдвига :
Тпр = С*kд +0,1*γср*Zontg(фN) = 0,015*2+0,1*0,002*70*tg140=0,0335 МПа.
kд = 2 – коэффициент работы.
Zon= 70 см – глубина размещения поверхностного грунта.
γср= 0,002 кг/см3 – средний удельный вес конструкции слоёв.
Тпр/Т = 0,0335/0,0088 = 3,81 > Кпр = 1,48 – условие прочности выполняется.

6. Расчет монолитных слоев на растяжение при изгибе
В монолитных слоях дорожной одежды из асфальтобетона, полимерасфальтобетона, материалов из грунтов, укрепленных вяжущими, напряжения, возникающие при изгибе дорожной одежды под действием кратковременных нагрузок не должны вызывать нарушения структуры одежды и приводить к возникновению трещин, т.е. должно быть обеспечено условие
Кпр ≤ Rдоп /σr, (13)
где Кпр = 1,35 – коэффициент прочности дорожной одежды (табл. 2);
Rдоп - предельно допустимое напряжение растяжения материала слоя с учетом усталости;
σr – наибольшее напряжение растяжения в рассматриваемом слое, которое определяется расчетом.

6. Расчет монолитных слоев на растяжение при изгибе
Первый вариант
Модуль упругости нижнего слоя
Еоб. осн = 159 МПа (принимается из расчета на упругий прогиб как общий модуль для всех слоев ниже монолитного – см. слайд №17);
hв = 14 см
Ев= ∑ Ei*hi/∑ hi = (6000*5+3600*9) / 14 =
= 4457 МПа.
hв/Д = 0,41; Ев/ Еоб. осн = 28
следовательно, единичное растягивающее напряжение по рис. 5 σr1=2,32
Тогда полное растягивающее напряжение:
σr = σr1*р*Кб=2,32*0,8*0,85=1,58 МПа

6. Расчет монолитных слоев на растяжение при изгибе
Первый вариант
Предельно допустимое напряжение растяжению материала слоя с учетом усталости:
Rp = Rлаб*km *kТ *kкп = 8,3*1*1*1 = 8,3 МПа.
Rлаб = 8,3 МПа – лабораторное значение прочности при изгибе самого нижнего из монолитных слоев.
km = 1 – коэффициент снижения прочности во времени от действия погодно-климатических факторов;
kТ = 1 – коэффициент снижения прочности во времени от температурного воздействия;
kкп = 1 – коэффициент кратковременности и повторяемости нагрузки.
Rp/σr =8,3/1,58 = 5,26 > 1,35 – условие прочности выполняется.

6. Расчет монолитных слоев на растяжение при изгибе
Второй вариант
Модуль упругости нижнего слоя Еоб. осн = 160 МПа ;
hв = 14 см
Ев= ∑ Ei*hi/∑ hi = 4457 МПа.
hв/Д = 0,41; Ев/ Еоб. осн = 28
следовательно, единичное растягивающее напряжение σr1=2,32
Тогда полное растягивающее напряжение:
σr = σr1*р*Кб=2,32*0,8*0,85=1,58 МПа
Прочность при растяжении монолитного слоя:
Rp = Rлаб*km *kТ *kкп = 8,3*1*1*1 = 8,3 МПа.
Rлаб = 8,3 МПа – лабораторное значение прочности при изгибе нижнего слоя.
km = 1 – коэффициент снижения прочности во времени от действия погодно-климатических факторов;
kТ = 1 – коэффициент снижения прочности во времени от температурного воздействия;
kкп = 1 – коэффициент кратковременности и повторяемости нагрузки.
Rp/σr =8,3/1,58 = 5,26 > 1,35 – условие прочности выполняется.

6. Расчет монолитных слоев на растяжение при изгибе
Третий вариант
Модуль упругости нижнего слоя Еоб. осн = 144 МПа ;
hв = 15 см
Ев= ∑ Ei*hi/∑ hi = 4400 МПа.
hв/Д = 0,435; Ев/ Еоб. осн = 31
следовательно, единичное растягивающее напряжение σr1=2,35
Тогда полное растягивающее напряжение:
σr = σr1*р*Кб=2,35*0,8*0,85=1,6 МПа
Прочность при растяжении монолитного слоя:
Rp = Rлаб*km *kТ *kкп = 8,3*1*1*1 = 8,3 МПа.
Rлаб = 8,3 МПа – лабораторное значение прочности при изгибе нижнего слоя.
km = 1 – коэффициент снижения прочности во времени от действия погодно-климатических факторов;
kТ = 1 – коэффициент снижения прочности во времени от температурного воздействия;
kкп = 1 – коэффициент кратковременности и повторяемости нагрузки.
Rp/σr =8,3/1,6 = 5,19 > 1,35 – условие прочности выполняется.

7. Проверка конструкции дорожной одежды на морозостойкость
Целью расчета конструкции дорожной одежды на морозостойкость является обеспечение необходимой устойчивость дорожного покрытия против нарушения ровности при неравномерном набухании грунтов земляного полотна, т.е. недопущения появления деформаций от морозного пучения, которые превышают допустимые.
Проверку на морозоустойчивость не производят в следующих случаях:
а) в районах с глубиной промерзания меньше 0,7м (см. рис. 7);
Закарпатская область – 65 см, значит расчет не производится
б) при устройстве земляного полотна из непучинистых или слабопучинстых грунтов (табл. 13).
Грунт земляного полотна - тяжелый суглинок
По табл. 13 – грунт очень пучинистый, тогда расчет производится