Материал: Проектирование автомобильных дорог. Ч. 1

При движении давление колеса на покрытие повышается в ре­ зультате влияния ряда факторов: нагревания шины и увеличения в ней внутреннего давления воздуха; увеличения жесткости шины от влияния растягивающей покрышку центробежной силы: кратко­ временности контакта с покрытием каждого участка шины, в ре­ зультате чего шина не успевает обжаться до размера, соответству­ ющего статическому приложению фактически действующей нагруз­ ки, т. е. как бы становится более жесткой.

Кроме того, поверхность дороги всегда имеет неровности в ви­ де волн разной длины (от 1 до 20 м и более), при движении по ко­ торым возникают колебания автомобиля. Давление колес на по­ крытие то возрастает, то уменьшается по сравнению со средним зна­ чением.

Исследование колебаний подвески автомобилей при движении по дороге, неровности на покрытии которой характеризуются за­ кономерностями математической теории случайных функций, дают возможность определить силовое взаимодействие дороги и автомо­ биля К

Результаты теоретического анализа и опытные данные привели к выводу, что при скорости до 80 км/ч среднее значение давления на покрытие возрастает примерно прямо пропорционально скорос­ ти, а далее остается практически постоянным.

Из-за проявления вязкости грунтов и материалов некоторых конструктивных слоев деформации дорожных одежд протекают за­ медленно. Полный прогиб одежды, соответствующий приложен­ ной нагрузке, достигается лишь по прошествии нескольких минут. При кратковременном воздействии на дорогу катящегося колеса в результате замедленности протекания деформации и инерционного сопротивления дорожная одежда прогибается меньше, чем при ста­ тическом приложении равной нагрузки. Поэтому можно считать, что в этом случае динамический коэффициент для грунтового основа­ ния менее единицы.

При неровной поверхности динамический коэффициент для грун­ тового основания превышает единицу, но меньше коэффициента, измеренного по непосредственному ударному воздействию колеса на поверхность дороги. Динамический коэффициент тем выше, чем более неровно покрытие. При расчетах дорожных одежд его при­ нимают 1,3.

В СССР за расчетную нагрузку для дорожных одежд всех ти­ пов на загородных участках дорог принимают осевые автомобиль­ ные нагрузки 60 и 100 кН (6 и 10 тс). За рубежом во многих стра­ нах расчеты ведут на осевые нагрузки в 100 и 130 кН.

Данные о расчетных нагрузках приведены в табл. 16.1.

1 Динамика системы дорога — шина — автомобиль — водитель/А. А. Хачату­ ров, В. Л. Афанасьев, В. С. Васильев и др. М.: Машиностроение, 1976. 536 с.

316

Т а б л и ц а 16.1

Нагрузки от автомобилей группы А используют при расчетах одежд на дорогах I—III, 1с и Нс категорий. Предусмотрен постепен­ ный переход на расчет на эту нагрузку одежд и вновь строящихся дорог IV категории. В дальнейшем в процессе капитальных ремон­ тов одежды на дорогах IV категории будут усиливаться под на­ грузку 100 кН. Дороги V категории, если по ним не предусматри­ вается проезд большегрузных автомобилей, рассчитываются на осе­ вую нагрузку 60 кН.

16.2. Прочность нежестких дорожных одежд

Деформация нежестких дорожных одежд является результатом проявления ряда процессов (рис. 16.1), протекающих одновремен­ но или следующих друг за другом:

грунтовое основание дорожной одежды сжимается под нагруз­ кой в пределах активной зоны, вследствие чего происходит прогиб дорожной одежды по некоторой криволинейной поверхности с об­ разованием так называемой чаши прогиба глубиной Д. Чем боль­ шую толщину и жесткость имеет дорожная одежда, тем на боль­ шую площадь распределяется давление внешней нагрузки и, сле­ довательно, тем меньше напряжения, передающиеся на грунт;

под нагрузкой происходит сжатие материала дорожной одеж­ ды, а в нижней части изогнувшихся конструктивных слоев — рас­ тяжение. При превышении растягивающими напряжениями пре­ дела прочности материала в покрытии или основании образуются трещины. По периметру участка контакта нагрузки с покрытием действуют срезывающие напряжения, которые при больших нагруз­ ках вызывают пролом дорожной одежды, иногда с выкалыванием

317

точные деформации, связанные с дополнительным уплотнением, которые в дальнейшем прекращаются, и одежда затем испытывает только упругие деформации (линия I). Происходящее в процессе эксплуатации дороги незначительное накопление деформаций связайо с процессами старения и износа материала конструктивных слоев одежды.

При проезде нагрузок, превышающих расчетные или при вре­ менном снижении прочности грунтов основания в весенний или осенний периоды возникают постепенно накапливающиеся малые пластические деформации (линия //). Бели их суммарное значение за период ослабления одежды превысит некоторое допустимое зна­ чение, одежда разрушится (линия III).

Таким образом, прочность одежды зависит от предельного до­ пустимого прогиба и количества приложений нагрузки за период ослабления. При очень больших нагрузках или при значительном снижении прочности грунта осадки, вначале накапливающиеся за­ медленно, в дальнейшем начинают быстро возрастать и происходит полное разрушение одежды.

В зависимости от требований, предъявляемых к дороге, расчет толщины дорожной одежды можно вести из условия достижения заданного значения деформации.

Считается, что дорожные одежды с покрытиями капитальных типов должны работать в стадии упругих деформаций с обеспече­ нием достаточного запаса прочности и в наиболее неблагоприятные периоды года, когда грунт имеет наименьшую прочность. На доро­ гах с покрытиями усовершенствованных облегченных типов до­ рожные одежды также рассчитывают на работу 'без допущения воз­ можности накопления пластических деформаций, но с меньшими запасами прочности, чем при покрытиях капитальных типов.

Одежды с покрытиями переходных типов, восстановление ров­ ности которых легко осуществимо, рассчитывают, допуская неко­ торое накопление деформаций под действием движения. Это дает возможность снижения толщины дорожной одежды.

Принятый в СССР метод расчета нежестких дорожных одежд является итогом многолетней работы большого коллектива ученых, начатой под руководством проф. Н. Н. Иванова. Значительный вклад в создание этого метода внесли профессора А. М. Кривисский и М. Б. Корсунский.

В связи со сложностью процессов, протекающих в деформиру­ емой дорожной одежде, за обобщенный показатель ее прочности при расчете принимается комплексная характеристика —допуска­ емый упругий прогиб. Конструкцию дорожной одежды, удовлетво­ ряющую этому основному требованию, дополнительно проверяют по следующим критериям: устойчивости несвязных слоев против воз­ никновения сдвигов, допустимому значению растягивающих напря­ жений в слоях связных материалов, допустимому значению зимне­ го вспучивания, обеспечению отвода воды из пористых слоев.

319

16.3. Расчет толщины дорожных одежд по предельному допустимому упругому прогибу

С точки зрения строительной механики дорожные одежды пред­ ставляют собой многослойные системы, состоящие из слоев разной

Передача давления, осадка и сжатие отдельных слоев многослой­ ных систем зависят от толщины отдельных слоев, соотношения их модулей упругости и коэффициентов Пуассона, возможности сме­ щения слоя по слою в процессе деформации. Для неоднородных нелинейно деформируемых материалов, к которым относятся кон­ структивные слои дорожных одежд (асфальтобетон, уплотненный щебень и т. п.), еще не найдено теоретических решений, позволяю­ щих рассчитать напряжения, передающиеся на грунтовое основа­ ние. Поэтому с некоторой долей условности при расчетах дорож­ ных одежд исходят из закономерностей распределения напряжений в многослойных системах, разработанных в теории упругости. При­ менимость этих схем к дорожным одеждам обосновывается тем, что при малых прогибах они работают как линейно деформируемые многослойные системы.

Задачи о напряженном состоянии многослойных систем реше­ ны лишь для некоторых частных случаев. Трудность задачи возрас­ тает с увеличением числа рассматриваемых слоев и поэтому боль­ шинство решений относится к двухслойным системам, у которых верхний слой имеет больший модуль упругости, чем нижний.

Решения обычно даются в виде таблиц напряжений и верти­ кальных перемещений двух- и трехслойных систем под действием вертикальной нагрузки, равномерно распределенной по круглой площадке (рис. 16.3). Таблицы дают значения смещений поверх­ ности полупространства и напряжений в слоях для разных соотно­ шений модулей упругости EI/E2, толщин слоев и диаметра площад­ ки, через которую передается нагрузка, h/D при разных коэффи­ циентах Пуассона.

Конструкции применяемых дорожных одежд весьма разнооб­ разны. Для обеспечения их равнопрочности и возможности сопос­ тавления разных вариантов по прочности их оценивают эквивалент­ ным модулем упругости — общим модулем упругости — модулем та­ кого однородного полупространства, которое при приложении рас­ четной нагрузки имеет такую же деформацию, как многослойная до­ рожная одежда (рис. 16.4).

Для двухслойной системы эквивалентный модуль упругости (об­ щий модуль упругости) выражается зависимостью

0,71 arctg

320