|
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ВСЕСОЮЗНЫЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Утверждены
зам. директора Союздорнии
МОСКВА 1988 Изложены основные принципы расчета дорожных одежд на воздействие подвижных нагрузок. Составлен алгоритм для разработки программы применительно к любой ЭВМ. Алгоритм предназначен для расчета перегонных участков автомобильных дорог на прочность при кратковременном воздействии подвижных нагрузок. Приведены таблицы исходных расчетных характеристик грунтов и материалов, а также основные расчетные зависимости и таблицы для расчета дорожных одежд. Предисловие
В настоящее время введена в действие «Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа» ВСН 46-83 (М.: Транспорт, 1985), которая содержит ряд новых, по сравнению с ВСН 46-72, положений: учитываются заданный уровень надежности при назначении минимально допустимого значения коэффициентов прочности и при определении расчетного значения сопротивления растяжению при изгибе асфальтобетона и влажности грунта, длительность и динамичность воздействия нагрузки на покрытие; принимаются особые температурные условия для расчета покрытий на изгиб, осуществляемого с учетом сил трения на контакте покрытия с основанием, и т.п. В связи с этим требуется переработка рабочих программ для ЭВМ, по которым выполняются расчеты дорожных одежд в проектных организациях. В данной работе кратко изложены основные принципы расчета дорожных одежд на воздействие подвижных нагрузок в соответствии с ВСН 46-83, составлен алгоритм для разработки программы применительно к любой ЭВМ, приведены таблицы исходных расчетных характеристик грунтов и материалов, а также основные расчетные зависимости и таблицы для расчета, намечены пути реализации рекомендаций. Алгоритм предусматривает поиск наиболее экономичного по строительным затратам варианта дорожной одежды. Настоящие Методические рекомендации составили канд. техн. наук П.И. Теляев, инж. В.А. Мазуров, канд. техн. наук А.Е. Мерзликин, инженеры Е.И. Масленкова, Г.А. Муромова, И.Н. Налобин, Т.Е. Полтаранова. Замечания и пожелания просьба направлять по адресу: 143900, Московская обл., г. Балашиха-6, Союздорнии или 191065, Ленинград, Д-65, ул. Герцена, 19, Ленинградский филиал Союздорнии. 1.
Основные положения
1.1. Алгоритм разработан для расчета на прочность дорожных одежд перегонных участков при кратковременном многократном воздействии подвижных нагрузок. Расчет
дорожной одежды ведут с учетом надежности, под которой подразумевают вероятность
безотказной работы конструкции в течение всего периода между капитальными ремонтами. Количественным
показателем надежности является уровень надежности Конструкция дорожной одежды должна удовлетворять следующим трем критериям прочности. 1.2. В грунте и слабо-связных материалах не должны возникать остаточные деформации, вызванные пластическими смещениями. Сдвиг в грунте земляного полотна не возникнет, если
где
Допустимое напряжение сдвига в грунте или слабо-связном материале определяется по формуле
где
1.3. Напряжения, возникающие в монолитных слоях под действием повторных кратковременных нагрузок, не должны приводить к образованию трещин. Для этого должно быть обеспечено следующее условие:
sч - наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое, найденное путем расчета. 1.4. Упругий прогиб поверхности покрытия от колеса расчетного автомобиля не должен превосходить некоторого нормированного значения. Это условие удовлетворяется, если
где
1.5. Для определения напряжений и деформаций, входящих в выражения (2)-(4), используют решения теории упругости для слоистых сред с корректировкой их по условиям сопряжения слоев на контактах и по принятому методу приведения многослойной системы к двухслойной. В связи с этим решения теории упругости для многослойных сред со спаянными или скользкими контактами между слоями для непосредственных вычислений напряжений и деформаций не применимы. В этом случае следует пользоваться составленными по расчетным номограммам ВСН 46-83 вспомогательными таблицами, интерполируя приведенные в них данные для промежуточных значений входных параметров. В качестве расчетной нагрузки принимают нагрузку от колеса наиболее тяжелых автомобилей, систематическое обращение которых возможно в расчетный для дорожной одежды период. 1.6. Одежды рассчитывают на состав и интенсивность перспективного движения, ожидаемого на последний год службы покрытия перед капитальным ремонтом. Все автомобили
приводят к расчетным путем умножения числа автомобилей с данной нагрузкой на ось на коэффициент приведения 1.7. При расчете по трехкритерийному
методу свойства материалов конструктивных слоев дорожной одежды и грунта
характеризуются следующими показателями:
деформационными (модуль упругости Е)
и прочностными (сопротивление растяжению при изгибе Расчетные значения
сопротивления растяжению при изгибе асфальтобетона и влажности грунта
определяют с учетом уровня надежности 1.8. При расчете на прочность дорожных одежд с
асфальтобетонным покрытием учитывают особенности
его поведения при эксплуатации в зависимости от температуры. В то время как
покрытие наиболее напряженно
работает при низких положительных температурах, грунт земляного полотна и слои
одежды из слабо-связных
материалов испытывают большие напряжения при повышенных температурах, когда
модуль упругости асфальтобетона существенно снижается. Поэтому при расчете самого асфальтобетонного покрытия на
растяжение при изгибе используют его характеристики,
соответствующие низким весенним температурам (табл.
6 прил. 1). При расчете слоев из
слабо-связных материалов и грунта на сопротивление сдвигу принимается модуль упругости асфальтобетона в покрытии,
соответствующий весенним повышенным температурам (табл. 7 прил. 1). 2.
Составление алгоритма
2.1.
Расчетная схема
2.1.1. Общая расчетная схема дорожной одежды нежесткого типа применительно для ЭВМ (рис. 1) включает девять конструктивных слоев дорожной одежды и грунтовое полупространство. Конструктивными слоями являются: 1 - покрытие усовершенствованного типа, устраиваемое преимущественно из плотного асфальтобетона; 2 - верхний слой основания, устраиваемый чаще всего из пористого или высокопористого асфальтобетона; 3 - покрытие облегченного типа либо при наличии слоя 2 - слой основания; слой 3 устраивают из материалов, обработанных органическим вяжущим; 4-9 - слои основания, которые устраиваются из следующих материалов: 4 - из щебеночных материалов, шлакового щебня; 5 и 6 - из материалов и грунтов, укрепленных цементом
или другим неорганическим вяжущим. Если в конструкции имеется всего один слой из материала, укрепленного цементом, то слою
присваивают индекс 5; 7 - из местных неукрепленных мало-прочных каменных материалов (гравий, щебень, гравийные, щебеночные и гравийно (щебеночно)-песчаные смеси, в которых содержится или может образоваться в процессе строительства и эксплуатации основания избыточное по сравнению с действующими нормами количество мелких частиц с числом пластичности до 7; природные или искусственно составленные смеси с содержанием зерен гравия (щебня) крупнее 5 мм не менее 20 %; щебень из осадочных пород марок по дробимости 400, 300 и 200; щебень из изверженных и метаморфических пород марки по дробимости 600, дресва, опоки, грунто-щебень и др.); 8 - из песков крупных, гравелистых, средней крупности или мелких; 9 - из грунтов, укрепленных жидким органическим вяжущим. Рис. 1. Расчетная схема дорожной одежды нежесткого типа для ЭВМ 2.1.2. Слои 2, 5
и 6 рассчитывают на растяжение при изгибе,
слои 7, 8 и 9 из слабо-связных материалов и грунтовое полупространство 10 - исходя из условия недопущения сдвига.
Проверять напряженное состояние слоев 1 и 3 обычно нет необходимости: надежность этих
материалов, если они отвечают современным техническим требованиям, в достаточной
мере доказана практикой. Не проверяют расчетом
также возможность возникновения сдвига в слое 4. 2.1.3. Расчетной схемой предусматривается, что толщины слоев 1 и 3 назначаются по конструктивным соображениям и в процессе расчета не изменяются. Толщины остальных слоев варьируют в зависимости от расчетных характеристик материалов и грунта, а также от затрат на устройство слоев. В процессе варьирования толщина слоя не должна назначаться ниже минимальной конструктивной (табл. 15 прил. 1), регламентированной технологией укладки и условиями формирования слоя. 2.1.4. Полагая в общей расчетной схеме толщины
отсутствующих слоев равными нулю, можно получать практически все обычно встречающиеся
при проектировании варианты конструкций дорожных одежд. Например, дорожная
одежда из двухслойного асфальтобетона, уложенного
на слой обработанного битумом щебня, лежащего, в свою очередь, на двухслойном
основании из укрепленного цементом материала и грунта земляного полотна, будет обозначаться так: 1, 2, 3, 5, 6, 10. 2.2.
Исходная информация
2.2.1. В качестве исходной информации вводятся следующие данные: тип расчетной нагрузки и ее параметры: среднее давление колеса на покрытие Р (МПа) и диаметр следа колеса D (м) (табл. 1 прил. 1); расчетная
перспективная интенсивность воздействия нагрузки на полосу движения тип одежды и покрытия, категория дороги, дорожно-климатическая зона, тип местности по условиям увлажнения х); допустимый
уровень надежности требуемый
общий модуль упругости дорожной одежды вид материалов
конструктивных слоев (индекс слоя i) и исходные толщины
деформационные
и прочностные характеристики для слоев 1 и 2: а) расчетные
модули упругости б) расчетное значение сопротивления материала слоя 2 растяжению при изгибе; деформационные и прочностные характеристики материалов промежуточных слоев: а) расчетные
модули упругости б) модули
упругости в) расчетный
модуль упругости г) расчетные модули упругости вид грунта и его расчетные характеристики: а) если грунт - песок (кроме пылеватого)
или супесь легкая крупная, - расчетный
модуль упругости б) если грунты
глинистые, -
исходная относительная средняя многолетняя влажность минимальные конструктивные толщины слоев дорожной одежды максимальная
толщина второго слоя суммарная
толщина стабильных слоев дорожной одежды затраты номера
конструктивных слоев Х) Дорожно-климатическая зона и тип местности по условиям увлажнения принимаются согласно «Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа» ВСН 46-83. 2.2.2. Требуемый общий модуль упругости
дорожной одежды
где Требуемый
общий модуль упругости, рассчитанный по формуле
(5), не должен быть меньше значений, указанных в табл. 5 прил.1. 2.2.3. Расчетное сопротивление материала слоя 2 растяжению при изгибе
где
2.2.4. Расчетное сопротивление растяжению при изгибе
где 2.2.5. Расчетный модуль упругости
2.3.
Последовательность операций
при расчете дорожной одежды
2.3.1. Блок-схема алгоритма для отыскания оптимальных толщин слоев дорожной одежды (рис. 2) состоит из пяти блоков: I - введение исходной информации; II - оценка прочности конструкции; III - корректировка толщин слоев одежды с целью обеспечения условий прочности; IV - нахождение оптимального по строительным затратам варианта дорожной одежды методом покоординатного спуска; V - определение толщины слоев одежды, удовлетворяющей требованиям морозозащиты земляного полотна. Рис. 2. Блок-схема алгоритма для расчета толщин слоев дорожной одежды Расчет дорожных
одежд на прочность в блоке II
2.3.2. В процессе расчетов все предусмотренные блоком II операции повторяются многократно. Для программы этот блок является стандартным и на схемах обозначается треугольником с цифрой II внутри. Блок II включает следующие операции. 2.3.3. Вводимые в блок
толщины слоев сопоставляются с минимальными конструктивными. Если 2.3.4. Для глинистых грунтов и пылеватых песков по заданной исходной относительной средней многолетней влажности с учетом заданного уровня надежности и поправки на условия работы вычисляют исходную относительную влажность
Полученную исходную влажность принимают за расчетную, если выполняются условие:
В противном
случае расчетную влажность грунта
При расчетной
относительной влажности согласно табл. 14
прил. 1 определяют расчетные значения модуля упругости 2.3.5. Для каждого рассчитываемого слоя,
включая слой 10, вычисляют показатель
прочности
где
Знак «минус» у Если Условия прочности конструкции в целом оценивают
величиной общего показателя прочности
Ниже приведена последовательность операций по вычислению показателей прочности. Рис. 3. Схема определения нормативных характеристик глинистых грунтов и пылеватых песков 2.3.6. Определение определяют
отношение модуля упругости подстилающего полупространства вычисляют отношение толщины слоя для
вычисленных отношений а) при
б) при
вычисляют общий модуль на поверхности двухслойной системы и заносят его в память; производя
такой расчет столько раз, сколько конструктивных
слоев в одежде, доходят до верхнего слоя и
определяют вычисляют
общий показатель прочности 2.3.7. Определение
В случае
отсутствия слоя l находят
отношение вычисляют
отношение по табл. 2 прил. 2 в зависимости
от а) при
б) при
где вычисляют полное растягивающее напряжение
рассчитывают показатель прочности
где 2.3.8. Определение вычисляют средний модуль упругости слоев, лежащих над рассчитываемым:
находят
отношение этой величины к модулю упругости
рассчитываемого слоя определяют
отношение суммы толщин вышележащих слоев и толщины рассчитываемого слоя по известным
отношениям
где
вычисляют
отношение модуля упругости рассчитываемого слоя Значение рассчитывают растягивающее напряжение при изгибе
вычисляют показатель прочности
где 2.3.9. Определение находят
суммарную толщину вычисляют
отношение среднего модуля упругости определяют
отношение суммарной толщины слоев, лежащих над рассчитываемым,
находят
активное напряжение сдвига от временной нагрузки а) при
б) при
в) при
Затем вычисляют
где
находят
активное напряжение сдвига от веса вышележащих слоев толщиной
определяют полное активное напряжение сдвига в рассчитываемом слое: находят
допустимое напряжение сдвига Допустимое
напряжение сдвига вычисляют показатель прочности
2.3.10. Определяют, из какого блока (из
исходного, II или IV) конструкция поступила в блок II. В блоке II после вычисления всех показателей прочности проверяется индекс итерации ( К=0 или К¹0). Если К=0, конструкция с вычисленными показателями прочности вновь поступает в блок IV для последующих операций без каких-либо дополнительных проверок. Если К¹0, то организуется проверка условий прочности по следующей схеме. 2.3.11. Проверяют, удовлетворяются ли условия прочности во всех слоях и в конструкции в целом. Принимают, что
конструкция прочная, если При несоблюдении
этого условия хотя бы по одному показателю прочности
конструкция вновь поступает в блок III
на корректировку толщин слоев 1-9. Если все показатели прочности больше нуля (конструкция прочная), то устанавливают, нет ли в конструкции явно излишних запасов прочности. Для этого проверяют условие, вписывается ли хотя бы один какой-либо показатель прочности в пределы:
Если условие (35) хотя бы для одного показателя прочности удовлетворяется, то конструкция
поступает в блок IV; если
нет - в блок III. Каждый раз при прохождении конструкции через блок III ей присваивается индекс К, отмечающий номер итерации. Расчет в блоке III
2.3.12. Блок III предназначен для корректировки толщин слоев одежды в целях обеспечения прочности конструкции или ликвидации излишних запасов прочности. Коррективы в толщины слоев вносятся по формулам, полученным на основе обобщения многочисленных расчетов дорожных одежд в различных условиях. Корректировка толщин слоев производится в зависимости от показателей прочности. В блоке III производятся следующие операции. 2.3.13. Толщины слоев на каждой последующей итерации (К+1) рассчитывают по приводимым ниже формулам: слой 2:
где При отсутствии
слоев 4 и
6 показатель слой 4:
где где
слой 6:
где слой 7:
где слой 8:
где 2.3.14. Проверяют, удовлетворяют ли абсолютные значения поправок для слоев i =2; 4; 5; 6; 7 условию
Если неравенство (43) не удовлетворяется, то полагают
Знак «+» или «-» принимается обратным знаку показателя прочности 2.3.15. Проверяют, выполняется ли условие
Если неравенство (44) для какого-либо слоя не удовлетворяется, то для этого слоя принимают
2.3.16. Проверяют, удовлетворяется ли неравенство
Если для какого-либо слоя условие (45) оказывается нарушенным, то для этого слоя принимают 2.3.17. Вычисляют индекс итерации в блоке III: К=К+1. 2.3.18. Расчет любой
конструкции дорожной одежды с подбором толщины по
блоку III и с удовлетворением условий прочности по второй части блока II всегда будет завершен
максимально за 25 итераций. Если рас -чет не завершится, то это означает, что неудовлетворительно заданы исходные
условия. Такая конструкция должна быть выведена в блок IV с соответствующей отметкой. Поэтому завершающим этапом расчетов в блоке III должна
быть проверка условия К³25. Если оно
выполняется, то конструкция поступает в блок IV; если нет - то, в
зависимости от условий прочности, она либо возвращается в блок II,
либо поступает в блок IV. Проверка
конструкции дорожной одежды
по условию
морозоустойчивости
2.3.19. Конструкция дорожной одежды (толщины
слоев), рассчитанная по условию прочности в блоке II, проверяется на морозоустойчивость. Для этого толщина одежды,
необходимая по условиям прочности всей конструкции и приведенная по
теплопроводности к толщине слоя гранитного щебня Если Если Расчет в блоке IV
2.3.20. Блок IV предназначен для нахождения оптимального по строительным затратам варианта дорожной одежды методом покоординатного спуска. Последовательность
операций в блоке IV представлена в прил. 4. 2.3.21. Предусматривается проводить расчеты в
три этапа (индекс этапа ч).
На каждом этапе варьируют попарно толщины двух из
заданных слоев с индексом 2.3.22. Для каждой итерации строительные
затраты
Значение 2.3.23. Для расчетов на каждом последующем этапе принимается вариант
с наименьшим значением 2.3.24. Проведение расчетов по первым трем этапам (ч=3) составляет первое приближение ( Если толщины
слоев, определенные на предыдущем и последующем приближениях, отличаются менее чем на 1 см, расчет считается оконченным. При этом на
выход должны быть поданы из памяти данные не только
по варианту конструкции с наименьшим значением На основании этих данных из конструкций, незначительно отличающихся между собой по строительным затратам, может быть выбрана наиболее целесообразная в данных условиях по натуральным показателям (энергоемкости, необходимости расхода дефицитных материалов, индустриальности и т.д.). Расчет в блоке V
2.3.25. В блоке V определяются толщины слоев дорожной одежды для случая, когда их общая толщина должна удовлетворять требованиям морозозащиты земляного полотна. При этом экономические требования к соотношению толщин слоев становятся второстепенными, так как конструкция проектируется по принципу подбора минимально допустимых толщин покрытия и верхнего слоя основания при значительном развитии толщины наиболее дешевого морозозащитного слоя. Этот принцип и реализуется в блоке V. 2.3.26. Алгоритм расчетов по блоку V представлен в прил. 5. Алгоритм
предусматривает введение коррективов в толщины покрытия
где Пример расчета дорожной одежды приведен в прил. 7. Приложение 1
Таблицы для введения исходной информации
Таблица 1 Параметры расчетных нагрузок
Таблица 2 Допустимый уровень
надежности значение
коэффициента прочности
Значения коэффициента нормированного отклонения t
Таблица 4 Коэффициенты а и в для
расчета для I-IV дорожно-климатических зон
Примечание. Для
V дорожно-климатической
зоны требуемые значения модуля упругости Таблица 5 Минимальные
значения требуемого модуля упругости
Таблица 6 Характеристики
материалов слоев 1 и 2 при определении
Таблица 7 Расчетные
модули упругости
Примечания:
1. Модули упругости плотного асфальтобетона даны для смесей типа Б. Для III-IV
дорожно-климатических зон модули упругости для
смесей типа А следует увеличить на 20 %,
типов В, Г и Д - уменьшить на 20 %. 2. Модули упругости пористого и высокопористого асфальтобетонов даны для средне- и
мелкозернистых смесей. Для III-IV дорожно-климатических зон модули упругости
крупнозернистых смесей следует увеличить на 20
%. Таблица 8 Расчетные значения характеристик неукрепленных и укрепленных на дороге материалов и грунтов
Таблица 9 Характеристики материалов и грунтов, укрепленных вяжущими
Примечание.
Большие значения следует принимать
при укреплении: битумом - для I-III дорожно-климатических зон; неорганическими вяжущими - для IV-V дорожно-климатических зон; комплексным вяжущим - в случае использования битумной эмульсии
или жидкого битума совместно с цементом, а также
битумной эмульсии совместно с карбамидными смолами. Таблица 10 Расчетные характеристики песчаных грунтов (кроме песка пылеватого) и супеси легкой крупной
Примечание. Сцепление для указанных видов грунта С=0,005 МПа. Таблица 11 Значение коэффициента
особенности работы подстилающего грунта
Таблица 12 Исходная средняя
многолетняя влажность пылеватых песков и глинистых грунтов
Примечания: 1. Средние значения влажности грунта приведены для толщины одежды 75 см. 2. Для. дорог, проходящих в неблагоприятных
грунтово-гидрологических условиях - в
выемках и нулевых отметках,
данные таблицы следует увеличивать на 0,03. 3. Для предгорных (до 1000м) районов данные таблицы увеличиваются на 0,03 и для горных (свыше
1000м) - на 0,05. Поправка
Таблица 14 Расчетные значения деформационных и прочностных характеристик глинистых грунтов и пылеватого песка
Таблица 15 Минимальные толщины слоев
дорожной одежды
Приложение 2
Таблицы для
определения напряженно-
деформированного состояния дорожной одежды
Таблица 1 Расчетная таблица для определения общего модуля упругости двухслойной
системы
|