Методические указания к выполнению Практических работ по расчёту конструкции нежёсткой дорожной одежды
методическая разработка

Расчет конструкции нежесткой дорожной одежды

Запроектировать дорожную одежду при следующих исходных данных:

- область проложения автомобильной дороги - Московская область

       (II2 дорожно-климатическая зона);

- категория дороги III (= 2100 авт/сут);

- приращение интенсивности движения q=1,02;

- грунт рабочего слоя земляного полотна – супесь лёгкая, коэффициент уплотнения 0,97-0,95;

-глубина залегания грунтовых вод УГВ – 1,5м .

- схема увлажнения - 1;

- модуль упругости щебеночного основания = 250 МПа;

- песок мелкий  Еп= 100 МПа; hп = 20см;

- высота насыпи hн = 2,1м;

- процент автомобилей грузоподъемности:

     от 1 до 2 т – 46%;

     от 2 до 5 т – 27%;

     от 5 до 8 т – 16%;

      >8 т – 6 %;

     автобусов – 3%;

     тягачей – 2%.

Что отмечено красным заполняется по своему варианту. В итоговом расчёте красного цвета и пояснений красного цвета не должно быть. Расчёт ведётся по ОДН 218-046-01.

Если что то не понятно - рекомендуется прочитать раздел до конца.

1. Расчет на прочность

         Вычисляем суммарное расчетное количество приложений расчетной нагрузки за срок службы

∑ = 0,7 ∙∙ ∙  , где

 - приведенная интенсивность на последний год службы, авт/сут.;

- коэффициент суммирования =13,42  [табл. П 6.3],

выбираем в зависимости от q=1,02 и от =12лет  выбираемой по таблице П.6.2

= 17,2 - (17,2 – 10,90)/(15-10)∙(15-13) = 17,2 – 3,78 = 13,42;

Коэффициент Кс находится с помощью интерполяции по указанным таблицам

ОДН 218-046-01. Внимательно. Есть таблица 6.2, а есть П 6.2.

q - приращение интенсивности движения;

 - срок службы дорожной одежды;

 - расчетное число, расчетных дней в году соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции  (определяется в соответствии с приложением 6 в зависимости от номера района по карте)

         Трдг = 125 дней в году (номер района 3) [т. П 6.1]

Кп - коэффициент учитывающий вероятность отклонения суммарного действия от среднего ожидания [т. 3.3]

Кп = 1,38  (III техническая категория)    Кп = 1,49 (II техническая категория )

Выбирается в зависимости от интенсивности движения

            =∙, един/сут,

 где  – коэффициент учитывающий число полос движения и распределения движения по ним, определяемый по табл. 3.2     = 1,00 (2 полосы движения);

= 1,00∙(2100∙0,46∙0,005+2100∙0,27∙0,2+2100∙0,16∙0,7+2100∙0,06∙1,25+2100∙0,03∙0,7+

         +2100∙0,02∙1,5)  =  1,00·(5+113+235+158+44+63) = 1,00·618 = 618 авт/сут.

Коэффициенты которые не выделены красным цветом у всех одинаковы. Округление производится так же как и в методическом указании.

∑Nр = 0,7 ∙∙ ∙  = 0,7∙618∙ 125∙ 1,38 = 805430 авт/сут.

2. Предварительно назначаем конструкцию и расчетные значения  расчетных параметров:

- для расчета по допускаемому прогибу (приложения 2 табл. П.2.5 , приложение 3 табл. П.3.2  и приложение 3 табл. П.3.9) ;

- для расчета по условию сдвигоустойчивости (приложение 3 табл. П.3.2. и приложение 3    

   табл. П. 3.6 ) ;

- для расчета на сопротивление монолитных слоёв усталостному разрушению при изгибе (приложение 3 табл. П. 3.1 , приложение 3 табл. П. 3.6).

    Таблица 1

Характеристики материалов для расчетов

         Предварительно назначаем толщину слоев содержащих органическое вяжущее. Так как в данных условиях хорошо зарекомендовала себя конструкция дорожной одежды с hmin=16 (18)см  табл. 2.1(тип дор.од. – капитальный). Принимаем =3cм;  =5cм ; =8см .

Находим по табл. П. 2.1 среднее значение влажности  oт  равное 0,57.

                Находим по табл. П.2.5 значение модуля упругости для супеси лёгкой при относительной влажности  = 57;  Егр = 60 – (60-56) /5·2 = 60 – 1,6 = 58,4 ≈ 58 МПа.

Расчёт производится с помощью интерполяции по таблицам ОДН 218-046-01.

Если значение влажности  oт  кратно 5сотым  (0,50, 0,55, 0,60 и т.д.) расчёт не требуется.

 3. Расчет по допускаемому упругому прогибу ведем послойно начиная с верхнего слоя  

       = 58 МПа

=98,65 ∙ [ lоg ( ∑  )-3,55 ]=98,65∙[ lоg 805430 – 3,55 ] = 98,65·2,356 = 232,4 ≈ 232 МПа

Сравниваем требуемый модуль упругости с табличным [табл. 3.4]

=232МПа > =200 МПа

Принимаем к расчету = 232 МПа.

1.  ==0,097 ; =  = 0,081 и по номограмме на рис. 3.1. находим отношение

                            = 0,090 , отсюда = 0,090 ∙ 2400 = 216 МПа.

2.  == 0,154; == 0,135 и по номограмме на рис. 3.1. находим отношение

                             = 0,132, отсюда = 0,132∙1400 = 184,8 ≈ 185 МПа.

3.  == 0,132; == 0,216 и по номограмме на рис. 3.1. находим отношение

                            = 0,085 ; отсюда = 0,085∙1400 = 119 МПа

4)   = 58 /100 =  0,58 ; = 20 / 37= 0,54 и по номограмме  на рис. 3.1. находим отношение

                             = 0,73 ; отсюда = 0,73 ∙ 100 = 73 МПа      

5)   = 73 /250 = 0,29;  = 119 /250 = 0,48  и по номограмме на рис. 3.1. находим отношение    

                               = 0,56  отсюда  h = 0,56 ∙ 37 = 20,71 см

Принимаем толщину щебёночного слоя 21 см.

          Выбранная конструкция дорожной одежды удовлетворяет условию прочности по допускаемому упругому прогибу.

Если толщина щебёночного слоя меньше 16 сантиметров расчёт переделывается. Можно:

1. Уменьшить толщину песка.

2. Применить для расчёта песок с меньшим модулем упругости.

3. Уменьшить модуль упругости щебня.

4. Скорректировать расчётные значения отношений найденные по номограмме рис.3.1.

             Методы работы с номограммой. рис.3.1. 

              Первый тип работы с номограммой,

      выполняются пункты предыдущего расчёта 1), 2), 3).

               Второй тип работы с номограммой  

        выполняются пункты предыдущего расчёта 4).

              Третий тип работы с номограммой

       выполняются пункты предыдущего расчёта 5).

4. Рассматриваем конструкцию по условию сдвигоустойчивости в грунте.

    Действующие в грунте активные напряжения сдвига вычисляется по формуле : T =∙ Р

Для определения  предварительно назначенную дорожную конструкцию, приводим к двухслойной расчётной модели. В качестве нижнего слоя модели принимаем грунт ( супесь лёгкая ) со следующими характеристиками (= 0,57 и  ∑= 805430 авт/сут. )

Е= 58 МПа;  φ = 12º;  C= 0,005 МПа (=1·106 (табл. П.2.4 ))

φ и C находятся с помощью интерполяции

            Модули упругости верхнего слоя модели вычисляем по формуле, где значение модулей упругости материалов содержащих органическое вяжущее назначаем по табл. П.3.2; при расчетной температуре +20ºС ( табл. 3.5 )

= ==

        =  = 372,81 ≈ 373 МПа

= = 6,43 ; = =1,54  и  при φ =12º с помощью номограммы ( рис. 3.2. ) находим удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки = 0,03.

По номограмме 3.2. работают следующим образом (на ней показано стрелочками), вначале откладывают по одной из двух нижних граф значение h/D (не путать с τн), затем проводят перпендикуляр до линии соответствующей значению Ев/Ен, затем проводят горизонтальную прямую до луча соответствующему значению φ. После этого опускают перпендикуляр на самую нижнюю ось τн. 

 Таким образом   Т = 0,03 ∙ 0,6 = 0,018 МПа

Предельное активное напряжение сдвига Тпр в грунте рабочего слоя определяем по формуле: =∙ + 0,1∙ ∙ ∙ tg,

где : - коэффициент  учитывающий особенности работы конструкции на границе песчаного   слоя с нижним слоем несущего основания. При устройстве нижнего слоя из укрепленных материалов, а так же при укладке на границе «основание – песчаный слой» разделяющей геотекстильной прослойки, следует принимать значение  равным :

        - 4,5 при использовании в песчаном слое крупного песка;

        - 4,0 при использовании в песчаном слое средней крупности песка;

        - 3,0 при использовании в песчаном слое мелкого песка;

        - 1,0 во всех остальных случаях.

- глубина расположения поверхности слоя, проверяемого на сдвигоустойчивость, от                    

        верха конструкции, см ;

- средневзвешенный удельный вес конструктивных слоёв, расположенных выше  проверяемого слоя ;

- расчетная величина угла внутреннего трения материала проверяемого при

статическом действии нагрузки ( =1, табл. П.2.4 ) Сст = 0,014; φст =36º.

= 3+5+8+21+20 = 57см.

= 0,014 ∙ 3,0 + 0,1 ∙ 0,002 ∙ 57 ∙ tg 36º = 0,042 + 0,088 = 0,130

где 0,1- коэффициент перевода в МПа

== = 7,22, что больше = 0,94 ( табл. 3.1. )

Следовательно, конструкция удовлетворят условию прочности по сдвигу.

5. Расчитываем конструкцию на сопротивление монолитных слоёв усталостному

              разрушению от растяжения при изгибе.

        Расчет выполняется в следующем порядке:

а) Приводим конструкцию к двухслойной модели, где нижний слой модели – часть конструкции расположенная ниже пакета асфальтобетонных слоёв, т.е. щебеночное основание, подстилающий

слой из песка и грунт рабочего слоя. Требуемый модуль упругости на поверхности четвертого

     слоя   = 119МПа. К верхнему слою относят все асфальтобетонные слои. Модуль упругости

     верхнего слоя устанавливаем по формуле :

== = 2212,5 ≈ 2213 МПа

б)  По отношениям == 0,43 и = 2213 / 119 = 18,59 и по номограмме (рис. 3.4) определяем = 1,75 МПа.

С номограммой на рис.3.4,  работают как на ней указано стрелочками. Ен в данном случае принимается ЕтрIII из расчёта по упругому прогибу.

Расчетное растягивающие напряжение вычисляем по формуле ( 3.16 ).

     = ∙ p ∙ , где :

 - растягивающее направление от единичной нагрузки при расчетных диаметрах площадки передающей нагрузку, определяемое по номограмме ( рис. 3.4 );

- коэффициент, учитывающий особенности напряженного состояния покрытия конструкции под спаренным баллоном. Принимают равным 0,85 (при расчете на однобалонные колеса = 1,0 ) ;

        Р – расчётное давление принимаемое  по табл. П. 1.1

= 1,73 ∙ 0,6 ∙ 0,85 = 0,882 МПа

 в) Вычисляем предельное растягивающее напряжение по формуле 3.17 :

= ∙ k1∙ k2 ·( 1-υR∙ t ),

где : - нормативное значение предельного сопротивления растяжению (прочность ) при    

         изгибе при расчётной низкой  весенней температуре при однократном приложении    

         нагрузки, принимаемое по табличным данным (табл. П. 3.1) ;

 k1- коэффициент, учитывающий снижение прочности в следствии усталостных явлений          

         при многократном приложении нагрузки;

        k2-  коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени от воздействия    

         погодно-климатических факторов (табл. 3.6) k2 = 0,8;

         υR - коэффициент вариации прочности на растяжение;

        t- коэффициент нормативного отклонения (приложение 4, табл. П.4.2);

            t = 1,32 при = 0,90 [ табл. 3.1 ]

        Коэффициент k1 отражающий влияние на прочность усталостных процессов, вычисляют по выражению k1 =,

где: - расчетное суммарное число приложенной расчётной нагрузки за срок службы          

       монолитного покрытия, определяемого по формуле (3.6) или (3.7) с учётом числа  

       расчётных суток за срок службы (см. прилож. 6);

         m – показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного  

         слоя ( табл. П.3.1 ) ;

α – коэффициент учитывающий различие в реальном и лабораторных режимах   растяжения повторной нагрузки, а так же вероятность совпадения во времени расчётной (низкой) температуры покрытия и расчётного состояния грунта рабочего слоя по влажности, определяемый по табл.П.3.1.    α = 6,50

        k1 = =  = 0,217

k2 = 0,80 (табл. 3.6)

= 5,50 ∙ 0,217 ∙ 0,80 ( 1 – 0,1 ∙ 1,32 ) = 0,829 МПа  

== 0,94, что больше или равно, чем =  0,94 МПа ( табл. 3.1 )    ≥

Следовательно, выбранная конструкция удовлетворяет всем критериям прочности.

Довольно часто этот расчёт не сходится. Следует более «внимательно» поработать с номограммой.

6. Проверка конструкции на морозоустойчивость.

              1. По карте рис. 4.4 находим среднюю глубину промерзания Zпр(ср) для условий Московской области и по формуле 4.3 определяем глубину промерзания дорожной конструкции.

=  Zпр(ср) ∙1,38 = 1,4∙1,38  ≈ 1,93м

2. Для глубины промерзания 1,93 м по номограмме рис.4.3(для Zпр = 200см) по кривой для пучинистых грунтов табл. 4.1 (супесь лёгкая) определяем величину морозного пучения для осреднённых условий –

Lпр(cр) = 6,5 см ( от = 0,57 )

Супесь лёгкая  – III группа ( табл. 4.2 )

По таблицам и графикам находим коэффициент Кугв= 0,46 ( рис. 4.1 )

= + - =  1,5 + 2,1 - 0,57 = 3,03м

           - 1,1 (табл. 4.4)

           - 1,1 (табл. 4.5)

           - 0,85 (рис. 4.2) =1,93

           - 1,0 (табл. 4.6)

       По формуле 4.2. находим величину пучения для данной конструкции

= ∙∙∙∙∙=  6,5 ∙ 0,46 ∙ 1,1 ∙ 1,1 ∙ 0,85 ∙ 1,0 = 3,08 см

            Поскольку для данного типа дорожной одежды допустимая величина морозного пучения согласно табл. 4.3. составляет 4см, морозозащитный слой можно не применять.

        если больше 4 см - следует назначать  морозозащитный слой Terram.