Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




19.09.2018


18.09.2018


17.09.2018


17.09.2018


14.09.2018


11.09.2018


07.09.2018


07.09.2018


07.09.2018


07.09.2018





Яндекс.Метрика
         » » Общие принципы проектирования дорожных одежд

Общие принципы проектирования дорожных одежд

30.07.2014

Дорожная одежда является важнейшим и наиболее капиталоемким элементом автомобильной дороги. К дорожной одежде как к инженерной конструкции предъявляют ряд конструктивных, технологических и эксплуатационных требований.
Дорожная одежда должна быть прочной, надежной, долговечной, иметь ровную и шероховатую поверхность, обеспечивающую высокий коэффициент сцепления и наименьшее сопротивление при движении автомобилей.
Конструкция дорожной одежды должна предусматривать возможность целесообразного использования местных дорожно-строительных материалов, применения комплексной 'Механизации и индустриальных методов строительства.
Дорожную одежду проектируют в комплексе с земляным полотном как единую конструкцию.
В процессе службы дорожная одежда подвергается воздействию механических и атмосферных факторов, под влиянием которых в ней возникают соответствующие напряжения и деформации.
Главные из действующих напряжений (нормальные и касательные) затухают с глубиной по нелинейному закону (рис. 27), что позволяет проектировать дорожную одежду как многослойную конструкцию. В каждом слое такой конструкции материалы с различной прочностью размещаются в соответствии с величиной напряжений, действующих в данном слое.
Общие принципы проектирования дорожных одежд

В настоящее время в России при проектировании нежестких дорожных одежд считается целесообразным принимать в расчет следующие показатели: упругий прогиб одежды, сопротивление сдвигу, сопротивление растяжению при изгибе, Такой подход позволяет наиболее всесторонне учесть возможные причины разрушения дорожной одежды, увеличивая тем самым ее надежность.
При проектировании дорожной одежды с применением местных каменных материалов следует учитывать возможный характер разрушения местного материала в конструктивных слоях дорожной одежды исходя из фактических условий его работы.
Из четырех основных видов разрушения материала, рассматриваемых современной физикой твердого тела (хрупкого, вязкого, вязкопластичного и пластичного), для каменного материала в обычных условиях его раооты в дорожной одежде наблюдается только хрупкое или вязкое.
В процессе службы на дороге каменный материал в основном разрушается от ударного воздействия колес транспортных средств по схеме хрупкого разрушения, т. е. без возникновения пластических деформаций.
Вязкое разрушение может быть при медленном изменении температуры, расширении замерзающей в порах камня воды, а также при воздействии длительно действующих статических нагрузок значительной величины. В связи с тем что упругие характеристики большинства местных каменных материалов весьма непостоянны, создаются условия для возникновения неравномерных контактных усилий, под воздействием которых образуется сложное поле напряжений, вызывающих разрушение материала.
Истирание каменного материала является одной из форм проявления микроразрушения. Интенсивность его зависит от свойств каменной породы, скорости нагружения и скорости перемещения частиц в пограничном слое материала.
Большое влияние на прочность слабых каменных материалов, работающих в различных слоях дорожной одежды, оказывает изменение влажности материала и скорости приложения действующих сил.
Прочность каменного скелета в конструктивном слое заметно снижается при увлажнении и увеличивается с возрастанием скорости приложения внешних сил и уменьшением длительности их действия.
Существенное влияние на характер и степень разрушения каменного материала в дорожной одежде оказывает макроструктура, слоя, определяемая гранулометрическим составом, формой частиц, количеством и свойствами вяжущего вещества, пористостью слоя и характером структурных связей.
Наряду с прочностью решающую роль в обеспечении долговечности конструктивных слоев дорожной одежды с применением местных материалов имеет морозостойкость камня.
Следует, однако, различать разрушение самого каменного материала от разрушения слоя из этого материала.
Характер и вид разрушения конструктивного слоя из местного каменного материала зависит не только от характера и вида разрушения самого материала в конкретных условиях его работы, но также от расположения слоя в конструкции дорожной одежды. На характер и вид разрушения конструктивного слоя основное влияние оказывают макроструктура слоя и прочность структурных связей, возникающих в процессе его постройки и последующего периода формирования.
Основными видами деформаций конструктивных слоев, не обработанных вяжущими, являются: продавливание слоя с выпучиванием материала вследствие полного разрушения структурных связей и потери несущей способности; образование воли; «гребенки», колей на поверхности покрытий вследствие недостаточной сопротивляемости слоя сдвигу; внутренний износ в результате расшатывания структуры слоев, построенных по принципу расклинивания, при многократном воздействии напряжений, которые не могут быть погашены структурными связями в слое.
Для слоев, обработанных вяжущими, характерными видами деформаций являются температурные трещины и сдвиговые деформации, а при работе их в качестве покрытий, кроме того, выкрашивание, истирание, шелушение.
Для повышения стойкости слоев с местными каменными материалами против возникновения перечисленных деформаций наряду с обработкой их гидрофобизирующими и вяжущими веществами применяют мероприятия, улучшающие водно-тепловой режим работы этих слоев.
Важнейшим показателем качества дорожных одежд с применением местных каменных материалов является надежность конструкции, т. е. способность сохранять требуемые проектно-эксплуатационные характеристики в определенных условиях работы в течение установленного срока службы.
Обеспечение оптимальной надежности для конструкций дорожных одежд с применением местных каменных материалов является технико-экономической задачей. Решение этой проблемы должно основываться на комплексном учете ряда технико-экономических показателей: первоначальной стоимости и технологичности конструкции, величине межремонтных сроков службы, объеме затрат на ремонтно-восстановительные работы, стабильности основных транспортно-эксплуатационных. свойств дорожной одежды в условиях эксплуатации и др.
Проектирование дорожных одежд с применением местных каменных материалов должно базироваться на следующих основных принципах:
- учете специфических строительно-технических свойств местных каменных материалов и условий их работы в различных слоях дорожных одежд,
- рациональном использовании ресурсов местных каменных материалов;
- разработке конструктивно-технологических мероприятий, учитывающих местные дорожно-климатические и транспортные условия, которые смогли бы обеспечить надежную работу проектируемой конструкции дорожной одежды в процессе эксплуатации;
- применении прогрессивной технологии работ, обеспечивающей возможность эффективного использования комплексной механизации строительного процесса и внедрения индустриальных методов строительства,
- проектировании рациональных конструкций дорожных одежд, допускающих стадийное усиление по мере их износа и роста интенсивности автомобильного движения по дороге с минимальными затратами.
Проектирование дорожных одежд с использованием местных каменных материалов состоит из двух взаимно связанных этапов: конструирования дорожной одежды и расчета на прочность. В процессе конструирования дорожной одежды устанавливают оптимальное количество конструктивных слоев и их взаимное расположение из условия рационального использования имеющихся местных материалов и обеспечения требуемой прочности, надежности и долговечности всей конструкции в целом.
Перед конструированием собирают необходимые исходные данные: устанавливают вид и запасы местных каменных материалов, детально изучают их строительно-технические свойства, выясняют условия обеспечения транспортом и дорожно-строительной техникой, уточняют ряд других вопросов. Особое внимание уделяют сбору и анализу данных, характеризующих водно-тепловой режим на проектируемой дороге.
На основе собранных данных обосновывают технико-экономическую целесообразность использования местных материалов при строительстве дорожной одежды в заданных конкретных условиях и назначают варианты конструктивных слоев.
При расчете проверяют и уточняют толщину отдельных конструктивных слоев дорожной одежды с применением местных каменных материалов, учитывают деформационные и прочностные свойства каждого конструктивного слоя дорожной одежды.
Деформационные свойства конструктивных слоев характеризуют величиной модуля упругости E и коэффициентом Пуассона и. Значение коэффициента Пуассона принимают в среднем равным 0,25. Величину модуля упругости назначают по табл. 44 или на основе Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа (ВСН 46-72 Минтрансстроя России). Для отдельных видов материалов модуль упругости определяют на полигонах или непосредственно на дорогах, а также путем испытания образцов в лабораторных условиях.
Прочностные свойства слоев оценивают сопротивлением растяжению при изгибе Rи и сопротивлением сдвигу т. Для материалов, обработанных вяжущими, с прочными структурными связями при расчете учитывают их сопротивление растяжению при изгибе.
В тех случаях, когда в материале слоя отсутствуют прочные структурные связи между частицами (щебеночные, гравийные, песчаные — без обработки вяжущими), учитывают сопротивление сдвигу. Сопротивление сдвигу определяют на основе парам: угла внутреннего трения φ и сцепления С.
Численные значения прочностных и деформационных характеристик всех конструктивных слоев, устраиваемых с применением местных каменных материалов, принимают для случаев максимально-возможного увлажнения этих слоев с учетом конкретных условий работы в дорожной одежде на проектируемой дороге.
Учет приходных условий. На качество, надежность и долговечность дорожных одежд с применением местных каменных материалов большое влияние оказывают природные геофизические условия. При этом весьма существенное воздействие оказывают климатические, гидрологические и гидрогеологические условия придорожной полосы.
Климатические условия характеризуются амплитудой и быстротой изменения температуры, величиной и распределением осадков в течение года, скоростью их испарения, направлением и скоростью ветров. Наглядное представление о климатических условиях района проложения дороги дает график климатических характеристик (рис. 28).
Общие принципы проектирования дорожных одежд

Гидрологические и гидрогеологические условия характеризуют условия испарения и стока, количество выпадающих осадков, глубину залегания грунтовых вод и особенности их режима, режима рек и ручьев, протекающих вблизи дороги.
Долговечность и высокие транспортно-эксплуатационные свойства проезжей части автомобильных дорог, устроенной с применением местных каменных материалов, зависят от водно-теплового режима и закономерностей его изменения в процессе службы дороги. От водно-теплового режима зависит устойчивость земляного полотна, прочность грунтов в активной зоне под проезжей частью, прочность и долговечность дорожных одежд.
Водно-тепловой режим характеризуется изменением влажности и температуры земляного полотна по глубине во времени и зависит от климатических условий и вида грунтов, из которых возведено земляное полотно.
По климатическим условиям территория России разделена на пять дорожно-климатических зон, идущих в направлении с севера на юг. Зоны дорожного, районирования примерно соответствуют границам почвенных и ландшафтно-географических зон. В основу дорожно-климатического районирования положен водно-тепловой режим местности.
Внутри каждой зоны отдельные участки дорог по характеру и степени увлажнения делятся па три типа: сухие, сырые и места с постоянным избыточным увлажнением.
Опасное действие неблагоприятного водно-теплового режима на дорогу проявляется в разуплотнении грунта земляного полотна, снижении прочности, образовании пучим зимой и просадочных явлений проезжей части в весенний период, возникновении трещин в покрытии, что, в конечном счете, приводит к снижению ровности и прочности дорожных одежд, понижению скорости движения и производительности транспортных средств.
Характер водно-теплового режима определяется видом и мощностью источников увлажнения (атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды, водяные пары в пустотах грунта), скоростью и продолжительностью охлаждения земляного полотна. Основные виды источников увлажнения земляного полотна схематически показаны на рис, 29.
Общие принципы проектирования дорожных одежд

Под влиянием притока воды извне, а также при изменении температуры и атмосферного давления происходит колебание уровня грунтовых вод и горизонта капиллярного поднятия, перемещение водяных паров и пленочной влаги из мест с более высокой температурой и влажностью в места с более низкой температурой и меньшей влажностью.
В уплотненном грунте земляного полотна содержится от 3 до 15% пор, заполненных паровоздушной смесью. Кроме водяного пара, находящегося в насыщенном состоянии, слои грунта, расположенные выше уровня капиллярного поднятия, содержат также пленочную влагу в виде тончайших пленок, прочно удерживаемых в порах грунта ка поверхности грунтовых частиц силами молекулярного взаимодействия между молекулами воды и молекулами пограничного слоя минеральной фазы грунта.
Пленочная влага замерзает при более низкой температуре, чем свободная влага, в результате чего процессы миграции пленочной влаги в грунте не прекращаются и после того, как температура грунта понизится ниже 0° С.
Насыщенный водяной пар и незамерзшая пленочная влага образуют в грунте земляного полотна двухфазную систему — поровую двухфазную влагу, которая непрерывно мигрирует из мест с большей влажностью в места с меньшей влажностью.
Миграция двухфазной влаги (концентрационная миграция) в грунте происходит под действием давления, возникающего в пленках. Величина этого давления может быть определена по формуле
Р = Рв - σ/r,

где Рв — давление паровоздушной смеси в порах грунта; σ — поверхностное натяжение воды на границе раздела жидкой фазы с паровоздушной смесью; r — радиус кривизны водяной плевки. Наряду с концентрационной миграцией влаги в грунте происходит и термомиграция (термодиффузия) под влиянием разности температур. Термомиграция влаги сопровождается переносом тепла и теплообменом, происходящими за счет теплопроводности грунта и тепла, образующегося (или поглощаемого) при фазовых переходах воды (замерзание, таяние, испарение, сублимация, конденсация). В результате протекания указанных процессов возможно интенсивное влагонакопление в активной зоне грунта земляного полотна под дорожной одеждой, т. е. в зоне передачи нагрузки.
Интенсивное влагонакопление может привести к переувлажнению верхних слоев земляного полотна и конструктивных слоев дорожной одежды из местных каменных материалов. В результате переувлажнения происходит резкое понижение прочностных и деформационных характеристик этих слоев, вследствие чего дорожная одежда может разрушиться. В южных засушливых районах роль грунтовых вод в водном балансе уменьшается, а роль парообразного перемещения влаги повышается. Важнейшими источниками увлажнения в степной зоне являются атмосферные осадки и конденсация водяных паров в порах грунта. В северных районах в увлажнении земляного полотна возрастает роль капиллярного поднятия грунтовых вод и уменьшается роль испарения влаги.
Для предохранения грунта земляного полотна и конструктивных слоев дорожных одежд от переувлажнения применяют различные мероприятия устраивают систему надежно действующего водоотвода, повышают бровку земляного полотна над уровнем грунтовых вод, отсыпают верхнюю часть насыпи из хорошо дренирующих грунтов, устраивают из соответствующих материалов пароизоляционные, дренирующие, водонепроницаемые или теплоизолирующие слои. Значительные исследования в этом направлении проведены А. Я. Тулаевым и др.
На участках дорог с водонепроницаемыми покрытиями и глубоким залеганием грунтовых вод для улучшения водно-теплового режима наиболее эффективно устройство пароизоляционных слоев.
Пароизоляционные слои размещают под дорожной одеждой на ширину, превышающую ширину проезжей части на 0,2 м с каждой стороны. Материалы, применяемые для устройства пароизоляционных слоев, должны обладать малой паропроницаемостью. В качестве таких материалов применяют грунты, уплотненные до состояния оптимальной плотности; грунты, обработанные органическими и минеральными вяжущими (битумированные грунты и цементогрунт); рулонные материалы на базе органических вяжущих (пергамин, толь, руберойд), песчаный и мелкозернистый асфальтобетон; полиэтиленовую пленку; пенопласт; пенополистирол; пенополивинилхлорид и др.
При конструировании пароизоляции, в соответствии с рекомендациями В. М. Сиденко, сначала выбирают материал для устройства пароизоляционного слоя, а затем определяют толщину слоя и глубину его заложения от поверхности дорожной одежды. Толщину пароизоляционного слоя определяют по формуле
Общие принципы проектирования дорожных одежд

где λп — паропроницаемость слоя, кг/м*ч*мм; ∑rп — суммарное сопротивление прохождению пара слоев дорожной одежды, расположенных выше пароизоляционного слоя, кг/м*ч*мм; Рно — максимальная упругость насыщенного водяного пара, на нижней границе пароизоляциониого слоя, мм; Pн1 — то же, на верхней границе пароизоляциониого слоя, мм; Pв — упругость водяного пара воздуха, равная Pв = 0,01Рвφ; P'в максимальная упругость водяного пара воздуха для конца холодного периода с температурой tD, мм; φ — относительная влажность воздуха в холодный период, %.
Глубину заложения пароизоляционного слоя h' считая от верха дорожной одежды, определяют по формуле
h' = 10,4√a,

где а — среднее значение коэффициента теплопроводности слоев дорожной одежды.
Интенсивность увлажнения дорожной одежды и грунтового основания поверхностными водами резко возрастает при устройстве водопроницаемых покрытий и плохом поверхностном водоотводе.
В условиях II и III дорожно-климатических зон, характеризующихся значительным количеством атмосферных осадков, наиболее рациональной конструкцией дорожной одежды с применением местных каменных материалов пониженной прочности и морозостойкости будет конструкция с водонепроницаемым покрытием.
Водонепроницаемые покрытия устраивают из минеральных смесей оптимального гранулометрического состава, обработанных органическими вяжущими.
При неблагоприятных гидрологических условиях, когда имеется опасность переувлажнения за счет капиллярного поднятия грунтовых вод, устраивают гидроизолирующие или дренирующие прослойки.
Конструктивно эти прослойки могут устраиваться (рис. 30) путем укладки тонкого слоя (2—3 ом) битумированного грунта, расстилки водонепроницаемых рулонных или пленочных материалов, а также путем укладки на всю ширину земляного полотна хорошо дренирующего материала (песка, чистого гравия, фракционированного щебня).
Общие принципы проектирования дорожных одежд

Дренажные прослойки, устроенные на всю ширину земляного полотна, могут отводить грунтовую воду и атмосферные осадки, проникающие через одежду и обочины.
При проектировании дорожных одежд для дорог высоких категорий в сложных грунтово-гидрологических условиях целесообразно рассмотреть возможность устройства трубчатых дрен для отвода воды из подстилающих слоев.