Конструирование дорожной одежды, ее расчет на прочность. Определение расчётных параметров подвижной нагрузки. Оценка конструкции по упругому прогибу, по сопротивлению сдвигу в рабочем слое земляного полотна. Проверка конструкции на морозоустойчивость.
Аннотация к работе
Для обеспечения круглогодичного движения автомобилей на проезжей части дороги устраивают дорожную одежду, которая представляет собой уложенную на поверхность земляного полотна твердую монолитную конструкцию из материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию климатических факторов и колес транспортных средств. В дорожной одежде различают следующие слои: Покрытие - верхний, наиболее прочный, обычно водонепроницаемый, относительно тонкий слой одежды, хорошо сопротивляющийся истирающим, ударным и сдвигающим нагрузкам от колес, а так же воздействию природных факторов. Проектирование дорожной одежды состоит из двух последовательно выполняемых этапов: конструирования и расчета дорожной конструкции (системы дорожная одежда рабочий слой земляного полотна) на прочность, морозоустойчивость и осушение с технико-экономическим обоснованием вариантов с целью выбора наиболее экономичного в данных условиях. Процедура конструирования дорожной одежды включает: а) назначение типа дорожной одежды и вида покрытия; Для определения общего модуля упругости на поверхности конструктивного слоя одежды, лежащего над рабочим слоем земляного полотна , МПА, находится отношение модуля упругости грунта рабочего слоя земляного полотна к модулю упругости вышележащего слоя дорожной одежды , затем находится отношение толщины вышележащего слоя к диаметру следа колеса -В ходе выполнения курсовой работы нами были определены толщины слоев дорожной одежды в зависимости от выбранных материалов для строительства автомобильной дороги. Назначен тип дорожной одежды - асфальтобетонное покрытие на основании из щебня, обработанного в установке органическими вяжущими, и грунта, укрепленного битумом или цементом, сделан выбор материалов для устройства слоев дорожной одежды, а также установлено число слоев одежды и их ориентировочные толщины.
Введение
дорожный нагрузка прогиб морозоустойчивость
Для обеспечения круглогодичного движения автомобилей на проезжей части дороги устраивают дорожную одежду, которая представляет собой уложенную на поверхность земляного полотна твердую монолитную конструкцию из материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию климатических факторов и колес транспортных средств. В дорожной одежде различают следующие слои: Покрытие - верхний, наиболее прочный, обычно водонепроницаемый, относительно тонкий слой одежды, хорошо сопротивляющийся истирающим, ударным и сдвигающим нагрузкам от колес, а так же воздействию природных факторов.
Основание - несущая прочная часть одежды, устраиваемая из каменных материалов или грунта, обработанного вяжущими материалами.
Дополнительные слои основания из материалов, устойчивых при увлажнении, укладывают между основанием покрытия и подстилающим грунтом земляного полотна на участках с неблагоприятными климатическими и грунтово-гидрологическими условиями.
Грунт земляного полотна - тщательно уплотненные и спланированные верхние слои земляного полотна, на которые укладывают слои дорожной одежды.
Задача расчета - определение толщин слоев одежд, а так же выбор материалов с соответствующими прочностными характеристиками при заданной толщине слоев. Общая толщина дорожной одежды и толщины отдельных слоев должны обеспечивать прочность и морозоустойчивость конструкции.
1.
Исходные данные
1. Дорожно-климатическая зона - III
2. Подзона - 1
3. Грунт рабочего слоя земляного полотна - глина
4. Схема увлажнения земляного полотна - 1
2. Проверка конструкции дорожной одежды на морозоустойчивость
Конструкцию дорожной одежды считают морозоустойчивой, если соблюдено условие: , где - допускаемое для данной конструкции морозное пучение грунта земляного полотна, см. Для капитального типа дорожной одежды принимаем - 4 см;
- расчетное морозное пучение грунта земляного полотна, см.
При предварительной проверке на морозоустойчивость величину расчетного морозного пучения следует определять по формуле:
где - величина морозного пучения при осредненных условиях, см, при глубине промерзания дорожной конструкции ;
- коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод. Принимаем для крупного песка ;
- коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя. По таблице 1.2 принимаем ;
- коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки. Для песка принимаем - 1,5;
- коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания дорожной конструкции. По рисунку 1.3 ;
- коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта. По таблице 1.4 выбираем 1.
Поскольку для данного типа дорожной одежды допустимая величина морозного пучения составляет 4 см, морозозащитный слой назначать не требуется.
3. Конструирование дорожной одежды
Проектирование дорожной одежды состоит из двух последовательно выполняемых этапов: конструирования и расчета дорожной конструкции (системы дорожная одежда рабочий слой земляного полотна) на прочность, морозоустойчивость и осушение с технико-экономическим обоснованием вариантов с целью выбора наиболее экономичного в данных условиях.
Процедура конструирования дорожной одежды включает: а) назначение типа дорожной одежды и вида покрытия;
б) установление числа конструктивных слоев с выбором материалов для их устройства, размещение слоев в конструкции и назначение их ориентировочных толщин;
в) назначение дополнительных морозозащитных мер с учетом дорожно-климатической зоны, типа грунта рабочего слоя земляного полотна и схемы увлажнения рабочего слоя на различных участках;
г) назначение мер по осушению конструкции, а так же по повышению трещиностойкости конструкции;
д) оценка целесообразности укрепления или улучшения верхней части рабочего слоя земляного полотна;
е) выбор вариантов с учетом местной и проектной работы;
Типы дорожных одежд, основные виды покрытий, материалы и способы их укладки принимаются по таблице 27 [5] и таблице 58 [6].
Типы дорожных одежд и область их применения Основные виды покрытий, материалы и способы их укладки
Капитальные для дорог I-в, II-в, III-в; I-к и II-к категорий Цементобетонные монолитные и сборные, армобетонные монолитные, железобетонные монолитные и сборные, асфальтобетонные плотные из смесей, укладываемых в горячем и теплом состоянии, дегтебетонные плотные из смесей, укладываемых в горячем состоянии
Вид асфальтобетона, тип и марку асфальтобетонных смесей, а так же марку битума определяют по [2].
Вид асфальтобетона Тип асфальтобетонных смесей Марка
Плотные Смеси А 1
Пористые Смеси Крупнозернистая 1
В соответствии с первой категорией дороги и четвертой климатической зоной выбираем марку битума БНД 60/90.
Далее устанавливаем число конструктивных слоев, выбираем материалы для их устройства и намечаем ориентировочные толщины:
1 слой - мелкозернистый или песчаный асфальтобетон;
2 слой - крупнозернистый пористый асфальтобетон;
3 слой - щебень, обработанный органическими вяжущими материалами в установке;
4 слой - гравийная смесь;
5 слой - дополнительный (морозозащитный, дренирующий) слой основания из песка, гравия, шлака или морозоустойчивых местных каменных материалов.
4. Расчет дорожной одежды на прочность
Под прочностью дорожной одежды понимают способность сопротивляться процессу развития остаточных деформаций и разрушений под воздействием касательных и нормальных напряжений, возникающих в конструктивных слоях и подстилающем грунте от расчетной нагрузки, приложенной к поверхности покрытия.
Дорожную одежду следует проектировать с требуемым уровнем проектной надежности, под которой понимают вероятность безотказной работы в течение межремонтного периода. Требуемый уровень надежности выбирается по таблице 4.1 [3]. В качестве количественного показателя отказа дорожной одежды используют предельный коэффициент разрушения , представляющий собой отношение суммарной протяженности участков дороги, требующих ремонта изза недостаточной прочности дорожной одежды, к общей протяженности дороги между корреспондирующими пунктами. Значение на последний год службы для капитальной дорожной одежды и первой категории дороги принимаем - 0,05.
Прочность конструкции количественно оценивается величиной коэффициента прочности. Для обеспечения заданной надежности коэффициент прочности проектируемой конструкции по каждому из расчетных критериев не должен быть ниже минимального требуемого значения, определяемого по таблице 4.1. Значение требуемого коэффициента прочности принимается в зависимости от заданного уровня надежности, типа дорожной одежды и категории дороги.
4.1 Определение расчетных параметров подвижной нагрузки
При проектировании дорожных одежд в качестве расчетных принимают нагрузки, соответствующие предельным нагрузкам на ось расчетного двухосного автомобиля. Основные данные о нагрузках, передаваемых на дорожное покрытие, приведены в таблице: Основные данные о нагрузках, передаваемых на дорожное покрытие автомобилем
Марка транспортнсредства Грузоп-сть, т Нагрузка на покрытие от заднего колеса, КН Среднее уд. давление от заднего колеса на покрыт. МПА Диаметр следа заднего колеса для расчета дорожной одежды на действие автомобиля, см неподвижного движущегося Неподвижн. Движущ.
Татра-148 1 15,0 50,0 65,0 0,60 33 37
В зависимости от вида расчетной конструкции следует учитывать различные характеристики, отражающие интенсивность воздействия на нее подвижной нагрузки: N - перспективную (на конец срока службы) общую среднесуточную интенсивность движения, авт./сут.;
- приведенная интенсивность воздействия нагрузки на одну полосу проезжей части, авт./сут.;
- суммарное расчетное число приложения приведенной расчетной нагрузки к расчетной точке на поверхности конструкции за срок службы, авт.
Приведенную интенсивности воздействия нагрузки на одну полосу проезжей части в последний год срока службы , авт./сут., определяется по формуле где - коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним. Его значение для наиболее загруженной полосы движения составляет при двух полосах 0,55;
- общее число различных типов транспортных средств в составе транспортного потока;
- интенсивность движения по дороге в обоих направлениях транспортных средств -го типа, авт./сут.; определяется по формулам 4.2-4.4 [4]. , , , - суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства -го типа к расчетной нагрузке . Допускается приближенно принимать по таблице 4.3.
Суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности конструкции за срок службы , авт., определяют по формуле где - коэффициент суммирования; принимаем в соответствии с таблицей В.3 Приложения В равным 21;
- коэффициент, учитывающий прирост интенсивности движения автомобилей по годам; в расчетах принимается 1,05;
- расчетный срок службы дорожной одежды, лет; при отсутствии данных допускается в соответствии с таблицей В.2. В расчетах принимаем 16 лет;
- количество расчетных дней в году, соответствующих допустимой деформируемости конструкции; в соответствии с таблицей В.1 принимаем 145;
- коэффициент, учитывающий вероятность отклонению суммарного движения от среднего ожидаемого; согласно таблицы В.4 принимается 1,49;
4.2 Расчет конструкции в целом по допускаемому упругому прогибу
Конструкция дорожной одежды в целом удовлетворяет требованиям прочности и надежности по величине упругого прогиба при условии
, где - общий расчетный модуль упругости конструкции, МПА;
Затем по приложению Г рассчитываем модуль упругости грунта рабочего слоя земляного полотна. Для этого определяют расчетную влажность дисперсного грунта
Где - средняя многолетняя влажность грунта в долях от ; по таблице Г.1 выбираем значение 0,57;
- коэффициент вариации влажности, равный 0,1;
- коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности
Уровень проектной надежности 0,95
Коэффициент нормированного отклонения1,71
По таблице Г.5 для крупного песка выбираем модуль упругости 120 МПА.
Общий расчетный модуль упругости конструкции , МПА, определяют по номограмме, построенной по решению теории упругости для модели многослойной среды.
При расчете снизу вверх, начиная с рабочего слоя земляного полотна общий расчетный модуль упругости конструкции определяется в следующей последовательности: 1. Для определения общего модуля упругости на поверхности конструктивного слоя одежды, лежащего над рабочим слоем земляного полотна , МПА, находится отношение модуля упругости грунта рабочего слоя земляного полотна к модулю упругости вышележащего слоя дорожной одежды , затем находится отношение толщины вышележащего слоя к диаметру следа колеса -
Для дополнительного слоя ;
2. По номограмме находим кривую
Зная величину определяется значение ;
3. Для определения общего модуля упругости на поверхности конструктивного слоя вся процедура расчета повторяется, но при этом в качестве принимается значение . Таким образом, послойно определяют модули упругости на поверхности каждого конструктивного слоя дорожной одежды, пока не определится модуль упругости на поверхности покрытия.
Все расчеты сводятся в таблицу
Материал см
Мелкозернистый или песчаный асфальтобетон 5 0,13 3200 0,14 0,35 1180
Величину минимально требуемого общего модуля упругости конструкции , МПА, вычисляют по эмпирической формуле где - эмпирический параметр, принимаемый равным для расчетной нагрузки на ось 110 КН - 3,55;
;
Требование прочности и надежности по величине упругого прогиба удовлетворено.
4.3 Расчет конструкции по сопротивлению сдвигу в рабочем слое земляного полотна и в малосвязных конструктивных слоях
Дорожную одежду проектируют из расчета, чтобы под действием кратковременных или длительных нагрузок в рабочем слое земляного полотна или малосвязных слоях одежды за весь срок службы не накапливались недопустимые остаточные деформации формоизменения. Недопустимые деформации сдвига конструкции не будут накапливаться, если в рабочем слое земляного полотна и малосвязных слоях одежды обеспечено условие:
где - предельное активное напряжение сдвига в расчетной точке конструкции, превышение которой вызывает нарушение прочности на сдвиг, МПА;
- расчетное активное напряжение сдвига в расчетной точке конструкции от действующей временной нагрузки, МПА;
- требуемый коэффициент прочности дорожной одежды по критерию сдвига, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности (таблица 4.1);
При практических расчетах многослойную дорожную конструкцию приводят к двухслойной расчетной модели, в которой нижним слоем служит грунт рабочего слоя земляного полотна, а верхний слой имеет толщину, равную сумме толщины слоев дорожной одежды.
Рис 2 Схема приведения многослойной конструкции к двухслойной при расчете на сдвигоустойчивость грунта земляного полотна.
Наихудшие условия рабочего слоя земляного полотна на сдвигоустойчивость имеют место при наибольших положительных температурах покрытия, наблюдаемых в расчетный период весной. Поэтому при расчете дорожных одежд по условию сдвигоустойчивости значения модулей упругости материалов, содержащих органические вяжущие, должны соответствовать температурам: в III дорожно-климатической зоне 300С.
Модуль упругости верхнего слоя модели , МПА, вычисляют как средневзвешенный по формуле:
где - модуль упругости i-го слоя одежды, МПА.
Предельное активное напряжение сдвига , МПА, определяют по формуле:
где - сцепление в грунте земляного полотна, МПА, принимаемое с учетом повторности нагрузки (по приложению Г, таблице Г.4 выбираем 0,009);
- коэффициент, учитывающий особенности рабочей конструкции на границе песчаного слоя с нижним слоем несущего основания. При использовании в песчаном слое крупного песка ;
- поправочный коэффициент для перевода в МПА;
- средневзвешенный удельный вес конструктивных слоев, расположенных выше проверяемого слоя, кг/см2 ; в расчетах допускается принять равным ;
- глубина расположения поверхности слоя, проверяемого на сдвигоустойчивость, от верха конструкции, см;
- величина угла внутреннего трения материала проверяемого слоя при статистическом действии нагрузки, град. (по Приложению Г, таблице Г.4 ).
Для одежды, приведенной к двухслойной модели, находятся отношения
;
где - модуль упругости нижнего слоя модели, МПА (согласно таблице Г.5 Приложения Г принимаем );
- толщина верхнего слоя (принимается равной толщине всей дорожной одежды);
- диаметр следа колеса автомобиля (для Татра-148-1 принимаем ).
По номограмме (рис. 4.5) определяем удельное активное напряжение сдвига от единичной временной нагрузки.
Действующее в рабочем слое полотна активное напряжение сдвига , МПА, вычисляют по формуле:
где - удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки, определяемое с помощью номограмм;
- среднее удельное давление от заднего колеса на покрытие (для Татра 148-1 принимаем ).
Требование по сдвигоустойчивости в рабочем слое земляного полотна выполнено.
При расчете по условию сдвигоустойчивости в малосвязных конструктивных слоях одежды к верхнему слою относят всю дорожную одежду, находящуюся над малосвязным слоем.
Толщину верхнего слоя , см, принимают равной сумме толщин слоев одежды находящихся над малосвязным . В качестве нижнего слоя принимают малосвязный слой.
Расчет сдвигоустойчивости для дополнительного слоя
Модуль упругости верхнего слоя:
Для одежды, приведенной к двухслойной модели, находятся отношения: По номограмме (рис. 4.5 [6]) определяем удельное активное напряжение сдвига от единичной временной нагрузки.
Находим действующее в малосвязном слое активное напряжение сдвига
,
Требование по сдвигоустойчивости в малосвязных конструктивных слоях одежды удовлетворено.
Расчет сдвигоустойчивости для гравийного слоя
Модуль упругости верхнего слоя:
Для одежды, приведенной к двухслойной модели, находятся отношения: По номограмме (рис. 4.5 [6]) определяем удельное активное напряжение сдвига от единичной временной нагрузки.
Находим действующее в малосвязном слое активное напряжение сдвига
,
Требование по сдвигоустойчивости в гравийном слое одежды удовлетворено.
При расчете дорожной одежды по сопротивлению сдвигу в слоях асфальтобетона процедура расчета аналогична вышеописанной. При этом должны быть учтены следующие условия: К верхнему слою расчетной модели относят все слои асфальтобетона. Расчет проводится при условии однократной длительной нагрузке; за расчетную принимается температура и соответственно этой температуре выбираются расчетные характеристики асфальтобетона( по таблице Д.3 Приложения Д для плотных смесей типа А , для пористого крупнозернистого асфальтобетона ).
;
Предельное напряжение сдвига в слое асфальтобетона МПА, определяют по формуле:
где - сцепление в слое асфальтобетона (по Приложению Д, таблице Д.4 принимаем 0,20)
- комплексный коэффициент, учитывающий зацепление зерен асфальтобетона, условия работы (принимаем 1,1).
Нижним слоем модели служит часть конструкции, расположенная ниже пакета асфальтобетонных слоев, включая рабочий слой земляного полотна. Значение модуля упругости нижнего слоя модели, принимают равным общему модулю на поверхности данного слоя.
По номограмме определяем удельное активное напряжение сдвига в асфальтобетоне:
Критерий расчета дорожной одежды по сопротивлению сдвига в слоях асфальтобетона удовлетворен.
4.4 Расчет конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе
В монолитных слоях дорожной одежды возникающие при прогибе одежды напряжения под действием повторных кратковременных нагрузок, не должны в течении заданного срока службы преводить к образованию трещин от усталостного разрушения. Это обеспечивается при выполнении условия:
где - предельное допускаемое растягивающее напряжение материала монолитного слоя с учетом усталостных явлений, МПА;
- расчетное растягивающее напряжение в монолитном слое, МПА;
- требуемый коэффициент прочности дорожной одежды по критерию растяжения при изгибе, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности (при ), При практических расчетах многослойную дорожную конструкцию приводят к двухслойной рабочей модели.
К верхнему слою модели относят все асфальтобетонные слои, включая рассчитываемый. Толщину верхнего слоя модели , см, принимают равной сумме толщин, входящих в пакет асфальтобетонных слоев . Значение модуля упругости верхнего слоя определяется по формуле: Предельное допускаемое растягивающее напряжение материала монолитного слоя , МПА, определяют по формуле:
где - нормативное значение предельного сопротивления растяжению при изгибе при расчетной низкой весенней температуре при однократном приложении нагрузки, МПА; ( по таблице Д.1 принимаем ), - коэффициент, учитывающий снижение прочности вследствие усталостных явлений при многократном приложении нагрузки; определяют по формуле:
- коэффициент, учитывающий различие в реальном и лабораторных режимах растяжения повторной нагрузкой, а так же вероятность совпадения по времени расчетной (низкой) температуры покрытия и расчетного состояния грунта рабочего слоя по влажности ( по таблице Д.1 );
- показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного слоя ( принимаем по таблице Д.1 );
- коэффициент, учитывающий снижение прочности материала расчетного слоя во времени от воздействия погодно-климатических факторов; (принимается для асфальтобетона пористого - 0,80);
- коэффициент вариации прочности на растяжении при изгибе (согласно таблице 4.7 принимаем - 0,1);
- коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности ( по таблице Г.2 - 1,71),
Нижним слоем модели служит часть конструкции, расположенная ниже пакета асфальтобетонных слоев, включая рабочий слой земляного полотна. По таблице, составленной ранее, принимаем
; ;
Расчетное растягивающее напряжение в монолитном слое , МПА, определяют по формуле:
где - удельное растягивающее напряжение от единичной нагрузки при расчетных диаметрах площадки, передающей нагрузку (по номограмме определяем )
- коэффициент, учитывающий особенности напряженного состояния покрытия конструкции, под колесом автомобиля ( при спаренных баллонах принимаем равным 0,85);
Условие прочности монолитных слоев усталостному разрушению от растяжении при изгибе выполнено.
Вывод
В ходе выполнения курсовой работы нами были определены толщины слоев дорожной одежды в зависимости от выбранных материалов для строительства автомобильной дороги. Назначен тип дорожной одежды - асфальтобетонное покрытие на основании из щебня, обработанного в установке органическими вяжущими, и грунта, укрепленного битумом или цементом, сделан выбор материалов для устройства слоев дорожной одежды, а также установлено число слоев одежды и их ориентировочные толщины. Суммарная толщина слоев дорожной одежды составила 75 см.
Напряжения, возникающие в дорожной одежде при проезде автомобилей, затухают с глубиной. Это позволяет проектировать дорожную одежду многослойно, используя в отдельных ее слоях материалы различной прочности. Материалы в конструкции дорожной одежды располагают по убывающей прочности в соответствии с затуханием по глубине напряжений.
Таким образом, провели полный расчет дорожной одежды. Рассчитанная дорожная одежда и ее конструкция соответствует всем нормам и удовлетворяет всем условиям.
Список литературы
1. Бабков В.Ф., Андреев С.В. Проектирование автомобильных дорог. Ч.1.М.: Транспорт,1987.368с.
3. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд. - М.: Информавтодор, 2001. 158с.
4. СНИП 2.05.07-91. Промышленный транспорт / Госстрой СССР. - М.: АПП ЦИТП, 1992. 120 с.
5. Проектирование автомобильных дорог: Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Устройство и эксплуатация автомобильных дорог» для студентов специальности 190701. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. 49 с.
6. Проектирование нежестких дорожных одежд: Метод. разработка по выполнению курсовой работы по дисциплине «Пути сообщения, технологические сооружения» для студентов спец. 190701 / Цыганов А.В. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - 158 с.