Учет региональных особенностей

2.37. При проектировании дорожных одежд в различных конкретных регионах наряду с учетом общих нормативных положений и настоящих норм следует руководствоваться указаниями специальных региональных нормативно-технических документов, утвержденных в установленном порядке. При отсутствии таких документов следует руководствоваться настоящими нормами.

2.38. Расчетные температуры, деформационные и прочностные характеристики грунтов и дорожно-строительных материалов при отсутствии региональных норм, следует назначать в соответствии с рекомендациями справочных приложений 2 и 3.

2.39. В районах распространения вечномерзлых грунтов дорожную одежду конструируют с учетом принципов регулирования мерзлотного состояния на основе теплотехнических расчетов, выполняемых по специальным нормативно-техническим документам.

При проектировании дорог в районах орошаемых земель необходимо учитывать неблагоприятное влияние на работу дорожной конструкции повышенного уровня подземных вод во время поливов сельскохозяйственных угодий, местного повышения подземных вод вблизи сооружений оросительной сети, затопления резервов и водоотводных кюветов в результате полива земель.

При конструировании дорожных одежд на дорогах в песчаных пустынях следует предусматривать укрепление поверхности песка под дорожной одеждой. Оно может быть в виде слоя из связного грунта толщиной 15 см или из оптимальной смеси песка и суглинка, или же из песка, обработанного битумной эмульсией, с использованием геотекстиля и т.п.

Защитные слои из укрепленных или неукрепленных материалов на земляном полотне из барханных песков следует рассматривать как конструктивные элементы дорожной одежды.

Принципы назначения конструкций дорожных одежд при проектировании, реконструкции существующих дорог

2.40. На участках реконструируемых дорог, где устраивают новую дорожную одежду, проектирование дорожной одежды выполняют в соответствии с настоящими ОДН. На реконструируемых участках, где сохраняют или используют старую дорожную одежду, проектирование ведут в соответствии с положениями специальных нормативных документов на основе детальных данных по конструкции существующей дорожной одежды, состоянию ее конструктивных слоев и оценке способности этих слоев выполнять свои функции. Для получения исходных данных существующая дорожная одежда и рабочий слой земляного полотна должны быть детально обследованы с выполнением буровых и других работ и испытаний, позволяющих получить необходимую информацию. Количественные оценки прочности и морозоустойчивости конструкции осуществляют по методам, изложенным в настоящих ОДН.

При разработке проектного решения должны быть рассмотрены вопросы:

· целесообразности использования существующей дорожной одежды или отдельных ее конструктивных слоев без предварительного разрушения;

· целесообразности использования материалов конструктивных слоев после их переработки;

· необходимости усиления существующей конструкции;

· необходимости повышения морозоустойчивости существующей конструкции;

· необходимости улучшения дренирования существующей конструкции;

· необходимости изменения конструкции укрепления обочин;

· необходимости уширения дорожной одежды и способ уширения.

3. РАСЧЕТ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НА ПРОЧНОСТЬ

Основные положения

3.1. 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 (кратковременной, многократной или длительно действующей однократной), приложенной к поверхности покрытия.

3.2. Методика оценки прочности конструкции включает как оценку прочности конструкции в целом (с использованием эмпирической зависимости допускаемого упругого прогиба от числа приложений нагрузки), так и оценку прочности с учетом напряжений, возникающих в отдельных конструктивных слоях и устанавливаемых с использованием решений теории упругости.

3.3. Дорожную одежду следует проектировать с требуемым уровнем надежности, под которой понимают вероятность безотказной работы в течение межремонтного периода. Отказ конструкции по прочности физически может характеризоваться образованием продольной и поперечной неровности поверхности дорожной одежды, связанной с прочностью конструкции (поперечные неровности, колея, усталостные трещины), с последующим развитием других видов деформаций и разрушений (частые трещины, сетка трещин, выбоины, просадки, проломы и т.д.). Номенклатура дефектов и методика количественной оценки их определяются специальными нормами, используемыми при эксплуатации дорог.

В качестве количественного показателя отказа дорожной одежды как элемента инженерного сооружения линейного характера используют предельный коэффициент разрушения К_р^пр, представляющий собой отношение суммарной протяженности (или суммарной площади) участков дороги, требующих ремонта из-за недостаточной прочности дорожной одежды, к общей протяженности (или общей площади) дороги между корреспондирующими пунктами. Значения К_р^пр на последний год службы в зависимости от капитальности дорожной одежды и категории дороги следует принимать в соответствии с табл. 3.1.

Таблица 3.1

Требуемые минимальные коэффициенты прочности при заданных уровнях надежности

для расчета дорожных одежд по различным критериям прочности

продолжение таблицы 3.1

продолжение таблицы 3.1

3.4. Прочность конструкции количественно оценивается величиной коэффициента прочности. При оценке прочности конструкции в целом по допускаемому упругому прогибу коэффициент прочности в общем виде определяют по формуле:

, (3.1-а)

При оценке прочности конструкции по слоям по допускаемым напряжениям коэффициент прочности определяют по формуле:

, (3.1-б)

где: l_доп - допустимый общий прогиб конструкции под расчетной нагрузкой;

l - расчетный общий прогиб конструкции под расчетной нагрузкой;

s_расч - расчетные действующие напряжения (нормальные или касательные) от расчетной нагрузки;

s_доп - допустимые напряжения (нормальные или касательные) от расчетной нагрузки;

Е_об^тр - требуемый общий модуль упругости конструкции, определяемый при расчетной нагрузке;

Е_об - расчетный общий модуль упругости конструкции, определяемый при расчетной нагрузке.

3.5. Коэффициент прочности вдоль проектируемой конструкции должен быть таким, чтобы в заданный межремонтный период не наступил отказ по прочности с вероятностью более заданной, т.е. чтобы была обеспечена заданная (требуемая) надежность.

3.6. Для обеспечения заданной надежности (обеспеченности по прочности) коэффициент прочности проектируемой конструкции по каждому из расчетных критериев не должен быть ниже минимального требуемого значения, определяемого по табл. 3.1.

3.7. В задачу расчета входит определение толщин слоев одежды в вариантах, намеченных при конструировании, или выбор материалов с соответствующими деформационными и прочностными характеристиками при заданных толщинах слоев.

3.8. Отказ дорожной одежды (в формах, указанных в п. 3.3), связанный с недостаточной ее прочностью, может возникнуть в результате:

· накопления до истечения заданного срока службы конструкции под воздействием касательных напряжений, возникающих в конструктивных слоях и подстилающем грунте от транспортной нагрузки, недопустимых остаточных деформаций с потерей ровности поверхности покрытия и соответствующим снижением скорости движения;

· усталостных разрушений монолитных слоев конструкции под воздействием растягивающих напряжений от многократного приложения транспортной нагрузки с последующей интенсивной потерей дорожной одеждой транспортно-эксплуатационных свойств до истечения заданного срока службы.

В соответствии с этим расчет на прочность в слоях выполняют по допускаемым напряжениям на сдвиг в слоях с пониженной сопротивляемостью сдвигу и на растяжение при изгибе в монолитных слоях.

Расчет прочности конструкции в целом, без рассмотрения механизма нарушения прочности, ведут по допустимому упругому прогибу (или требуемому общему модулю упругости).

3.9. Дорожные одежды на перегонах дорог рассчитывают на кратковременное многократное действие подвижных нагрузок. Принимаемые значения параметров прочностных и деформативных характеристик материалов и грунта в этом случае должны соответствовать указанному характеру приложения нагрузки.

Одежды на остановках, перекрестках дорог, на подходах к пересечениям с железнодорожными путями и т.п. должны быть дополнительно проверены на однократное нагружение при продолжительности нагружения не менее 10 мин.

Одежды на стоянках автомобилей и обочинах дорог следует рассчитывать на продолжительное нагружение (более 10 мин). Расчет ведется на единичное нагружение. В этом случае используются статические значения расчетных параметров и коэффициенты на повторность не вводятся. Расчет ведут по критериям сдвига в грунте и слабосвязанных материалах.

3.10. При расчете конструкций со слоями из битумоминеральных материалов учитывают влияние на их свойства температуры. При расчете слоев асфальтобетонного покрытия на растяжение при изгибе его характеристики должны соответствовать низким весенним температурам (см. приложение 3 табл. П.3.1). При расчете слоев из слабосвязных материалов, а также грунта на сопротивление сдвигу модуль упругости асфальтобетонного покрытия должен соответствовать весенним повышенным температурам (см. п. 3.31 и приложение 3, табл. П.3.2).

3.11. Требуемый уровень проектной надежности в каждом конкретном случае должен быть указан при выдаче задания на проектирование.

Для основных случаев проектирования значения требуемого коэффициента прочности для различных критериев расчета допускается принимать в зависимости от заданного уровня надежности, типа дорожной одежды и категории дороги по табл. З.1.

3.12. Расчетные значения прочностных характеристик (сдвиговые характеристики и прочность на растяжение при изгибе) конструктивных слоев определяют через нормативные значения этих характеристик, используя зависимость:

, (3.2)

где: М_р - расчетное значение прочностной характеристики;

М_р - нормативное значение этой характеристики (приложение 3);

t - коэффициент нормированного отклонения М_р при допустимом уровне надежности (приложение 4);

n_t - коэффициент вариации характеристики (приложение 4).

В качестве расчетных значений деформационных характеристик (модулей упругости) конструктивных слоев допускается принимать их нормативные значения (приложение 3).

За расчетные значения прочностных (сдвиговых) и деформационных (модули упругости) характеристик грунта рабочего слоя допускается принимать их нормативные значения (см. приложение 2), отвечающие расчетному значению относительной влажности грунта, устанавливаемому по методике, изложенной в приложении 2.

Общая процедура и критерии расчета на прочность

3.13. Последовательность расчета:

3.13.1 Расчет дорожной одежды по критерию упругого прогиба на основе зависимости требуемого общего модуля упругости конструкции от суммарного числа приложений нагрузки.

В результате этого расчета назначаются толщины конструктивных слоев и их модули упругости таким образом, чтобы общий модуль упругости дорожной одежды был не менее требуемого с учетом соответствующего коэффициента прочности (табл. 3.1).

3.13.2 Расчет дорожной одежды, отвечающей критерию упругого прогиба, с учетом механизма нарушения прочности в ее отдельных конструктивных слоях по двум независимым критериям:

· критерию соответствия сдвигоустойчивости материалов конструктивных слоев и грунта возникающим в них касательным напряжениям, отражающему условие ограничения накопления сдвиговых остаточных деформаций (формоизменения) под воздействием многократных кратковременных нагрузок;

· по критерию соответствия сопротивления материалов монолитных конструктивных слоев возникающим в них растягивающим напряжениям от подвижной многократной нагрузки, отражающему сопротивление этих слоев усталостным процессам, обусловливающим развитие микротрещин в монолитных слоях, потерю их сплошности и снижение распределяющей способности.

Коэффициенты прочности по этим критериям должны быть не менее значений, указанных в табл. 3.1.

При недостаточной величине коэффициента прочности по любому критерию конструкцию уточняют.

3.14. Дорожные одежды переходного и низшего типов рассчитывают по упругому прогибу и по сдвигоустойчивости.

Конструкции, предназначенные для движения особо тяжелых транспортных средств (со статической нагрузкой на ось 120 кН и более), по упругому прогибу не рассчитывают. Расчет конструкции одежды обочин осуществляется по критерию сдвига при длительно действующей нагрузке.

Расчет напряжений и деформаций

3.15. Напряжения в конструктивных слоях и в подстилающем грунте от воздействия транспортной нагрузки вычисляют по формулам теории упругости для слоистой среды, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой через гибкий круглый штамп, с учетом условий на контакте слоев.

При этом используют приближенные методы, основанные на упрощенных расчетных схемах и построенных на их основе номограммах.

Упрощенная расчетная схема выбирается в зависимости от рассматриваемого расчетного критерия.

При выполнении расчетов реальные многослойные дорожные конструкции приводят к одно- или двухслойным моделям с помощью методов, изложенных в п.п. 3.27, 3.32 и 3.39.

3.16. Главные напряжения от собственного веса конструкции определяют, исходя из гидростатической схемы, по формуле:

, (3.3)

где: g_ср - средневзвешенный удельный вес конструкции, расположенной над расчетной точкой;

z_оп - расстояние от поверхности покрытия до расчетной точки.

3.17. Для использования при оценке характеристик напряженно-деформированного состояния конструкции дорожной одежды номограмм настоящих ОДН многослойные конструкции приводят к одно- и двухслойным расчетным схемам.

Расчетные параметры подвижной нагрузки

3.18. В качестве расчетной схемы нагружения конструкции колесом автомобиля принимается гибкий круговой штамп диаметром D передающий равномерно распределенную нагрузку величиной p.

Величины расчетного удельного давления колеса покрытия p и расчетного диаметра D, приведенного к кругу отпечатка расчетного колеса на поверхности покрытия, назначают с учетом параметров расчетных типов автомобилей.

В качестве расчетного типа используют наиболее тяжелый автомобиль из систематически обращающихся по дороге, доля которых составляет не менее 10% (с учетом перспективы изменения состава движения к концу межремонтного срока).

Приведение различных типов автомобилей к расчетному типу и приведение расчетного типа к расчетной схеме нагружения осуществляются в соответствии с указаниями приложения 1.

Величину р принимают равной давлению воздуха в шинах. Диаметр расчетного отпечатка шины D определяют из зависимости:

, см (3.4)

где: Q_расч. - расчетная величина нагрузки, передаваемой колесом на поверхность покрытия, кН;

р - давление, МПа.

(Значения D и р для расчетной нагрузки типа А см. приложение 1).

3.19. Учет характера действующей нагрузки (кратковременное многократное нагружение, статическое нагружение) осуществляется через принятие соответствующих расчетных значений расчетных характеристик конструктивных слоев, а также через введение коэффициента динамичности при назначении величины нагрузки.

3.20. В зависимости от вида расчета конструкции используют различные характеристики, отражающие интенсивность воздействия на нее подвижной нагрузки:

N - перспективную (на конец срока службы) общую среднесуточную интенсивность движения;

N_p - приведенное к расчетной нагрузке среднесуточное (на конец срока службы) число проездов всех колес, расположенных по одному борту расчетного автомобиля, в пределах одной полосы проезжей части (приведенная интенсивность воздействия нагрузки);

å N_p - суммарное расчетное число приложения приведенной расчетной нагрузки к расчетной точке на поверхности конструкции за срок службы.

3.21. Перспективную общую среднесуточную интенсивность устанавливают по данным анализа закономерностей изменения объема перевозок и интенсивности движения при проведении титульных экономических обследований.

3.22. Величину N_p приведенной интенсивности на последний год срока службы определяют по формуле:

, ед./сут. (3.5)

где: f_пол - коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним, определяемый по табл. 3.2.

n - общее число различных марок транспортных средств в составе транспортного потока;

N_m - число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средств m -й марки;

S_{m. сум}. - суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства m -й марки к расчетной нагрузке Q_расч., определяемый в соответствии с приложением 1.

Таблица 3.2

Примечания: 1. Порядковый номер полосы считается справа по ходу движения в одном направлении.

2. Для расчета обочин принимают f_пол. = 0, 01.

3. На многополосных дорогах допускается проектировать одежду переменной толщины по ширине проезжей части, рассчитав дорожную одежду в пределах различных полос в соответствии со значениями N_p., найденными по формуле (3.5).

4. На перекрестках и подходах к ним (в местах перестройки потока автомобилей для выполнения левых поворотов и др.) при расчете одежды в пределах всех полос движения следует принимать f_пол. = 0, 50, если общее число полос проeзжeй части проектируемой дороги более трех.

3.23. Суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности конструкции за срок службы определяют по формуле:

, (3.6)

или по формуле:

, (3.7)

где: n - число марок автомобилей;

N_1m - суточная интенсивность движения автомобилей m -й марки в первый год службы (в обоих направлениях), авт./сут.;

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

Т_рдг - расчетное число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции (определяемое в соответствии с приложением 6);

k_n - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (табл. 3.3);

К_с - коэффициент суммирования (см. приложение 6, табл. П.6.3) определяют по формуле:

, (3.8)

где: Т_сл - расчетный срок службы (см. приложение 6, табл. П.6.2);

q - показатель изменения интенсивности движения данного типа автомобиля по годам.

Таблица 3.3

Расчет конструкции в целом по допускаемому упругому прогибу

3.24. Конструкция дорожной одежды в целом удовлетворяет требованиям прочности и надежности по величине упругого прогиба при условии:

, (3.9)

где: Е_об - общий расчетный модуль упругости конструкции, МПа;

Е_min - минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции, МПа;

К_пр^тр - требуемый коэффициент прочности дорожной одежды по критерию упругого прогиба, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности (см. п. 3.6 и табл. 3.1).

3.25. Величину минимального требуемого общего модуля упругости конструкции вычисляют по эмпирической формуле:

, МПа (3.10)

где: å N_p - суммарное расчетное число приложений нагрузки за срок службы дорожной одежды, устанавливаемое в соответствии с п. 3.23 (формулы (3.6) и (3.7));

c - эмпирический параметр, принимаемый равным для расчетной нагрузки на ось 100 кН - 3, 55; 110 кН - 3, 25; 130 кН - 3, 05.

Примечания: 1. Формулой следует пользоваться при å N_p > 4´ 10⁴.

2. Для дорог в V дорожно-климатической зоне требуемые модули, определенные по формуле (3.10), следует уменьшить на 15%.

3.26. Независимо от результата, полученного по формуле (3.10), требуемый модуль упругости должен быть не менее указанного в табл.3 4.

Таблица 3.4

3.27. Общий расчетный модуль упругости конструкции определяют с помощью номограммы рис. 3.1, построенной по решению теории упругости для модели многослойной среды.

Приведение многослойной конструкции к эквивалентной однослойной ведут послойно, начиная с подстилающего грунта.

Рис.3.1. Номограмма для определения общего модуля упругости двухслойной системы Е_общ

Т - расчетное активное напряжение сдвига (часть сдвигающего напряжения, непогашенная внутренним трением) в расчетной (наиболее опасной) точке конструкции от действующей временной нагрузки (п. 3.34);

Т_пр - предельная величина активного напряжения сдвига (в той же точке), превышение которой вызывает нарушение прочности на сдвиг (п. 3.35).

3.31. При практических расчетах многослойную дорожную конструкцию приводят к двухслойной расчетной модели.

При расчете дорожной конструкции на прочность по сдвигоустойчивости грунта земляного полотна в качестве нижнего принимают грунт (с его характеристиками), а в качестве верхнего - всю дорожную одежду. Толщину верхнего слоя h_в принимают равной сумме толщин слоев одежды .

Модуль упругости верхнего слоя модели вычисляют как средневзвешенный по формуле:

, (3.12)

где: n - число слоев дорожной одежды;

E_i - модуль упругости i -го слоя;

h_i - толщина i -го слоя.

3.32. При расчете по условию сдвигоустойчивости в песчаном слое основания с помощью номограммы рис. 3.2 нижнему слою двухслойной модели условно присваивают обычные характеристики песчаного слоя (c_п,, j_п), а модуль упругости принимают равным общему модулю на поверхности песчаного слоя, определяемому по п. 3.27; толщину верхнего слоя модели принимают равной общей толщине слоев, лежащих над песчаным, а модуль упругости Е_в вычисляют как средневзвешенное значение для этих слоев по формуле (3.12).

Рис.3.2. Номограмма для определения активного напряжения сдвига от временной нагрузки в нижнем слое двухслойной системы

(при h_в/D = 0-2, 0)

3.33. При расчете дорожных одежд по условию сдвигоустойчивости значения модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, принимают соответствующими температурам, указанным в табл. 3.5.

Таблица 3.5

3.34. Действующие в грунте или в песчаном слое активные напряжения сдвига (Т) вычисляют по формуле:

, (3.13)

где: t_н - удельное активное напряжение сдвига от единичной нагрузки, определяемое с помощью номограмм (рис. 3.2 и 3.3);

р - расчетное давление от колеса на покрытие.

Рис.3.3. Номограмма для определения активного напряжения сдвига от временной нагрузки в нижнем слое двухслойной системы

(при h_в/D = 0-4, 0)

Примечание: При пользовании номограммой для определения t_н величину j принимают для случая воздействия динамической нагрузки (с учетом числа приложений), (см. приложение 2, табл. П.2.4 и П.2.6).

3.35. Предельное активное напряжение сдвига Т_пр в грунте рабочего слоя (или в песчаном материале промежуточного слоя) определяют по формуле:

, (3.14)

где: c_N - сцепление в грунте земляного полотна (или в промежуточном песчаном слое), МПа, принимаемое с учетом повторности нагрузки (приложение 2, табл. П.2.4 или П.2.6);

k_д - коэффициент, учитывающий особенности работы конструкции на границе песчаного слоя с нижним слоем несущего основания.

При устройстве нижнего слоя несущего основания из укрепленных материалов, или при укладке на границе «несущее основание - песчаный слой» (или «песчаный грунт») разделяющей геотекстильной прослойки, следует принимать значения k_д равными: - 4, 5 - при использовании в песчаном слое крупного песка;

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

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

При устройстве нижнего слоя несущего основания из неукрепленных материалов и без укладки разделительной прослойки следует принимать k_д = 2.

При проверке сдвигоустойчивости в подстилающем дорожную одежду глинистом грунте земляного полотна следует принимать k_д = 1.

z_оп - глубина расположения поверхности слоя, проверяемого на сдвигоустойчивость, от верха конструкции, см;

g_ср - средневзвешенный удельный вес конструктивных слоев, расположенных выше проверяемого слоя, кг/см³;

j_ст – расчетная величина угла внутреннего трения материала проверяемого слоя при статическом действии нагрузки, град.

3.36. Вo всех случаях в качестве расчетных значений угла внутреннего трения грунта и малосвязных слоев используют его значения, отвечающие расчетному суммарному числу воздействия нагрузки за межремонтный срок å N_p. Эту величину устанавливают по формуле (3.6).

Входящую в формулу (3.6) величину расчетных дней в году, соответствующих расчетному состоянию прочности и деформируемости конструкции Т_рдг определяют по специальным региональным справочным данным. Для условий Российских регионов следует использовать данные справочного приложения 6 (рис. П.6.1 и табл. П.6.1).

3.37. Расчет дорожной одежды по сопротивлению сдвигу в грунте земляного полотна, а также в песчаных материалах промежуточных слоев дорожных одежд ведут в следующей последовательности:

а) по табл. П.3.2 назначают расчетные модули упругости для слоев из асфальтобетона, соответствующие максимально возможным температурам в ранний весенний (расчетный) период (в соответствии с указаниями п. 3.33); назначают по таблицам П.2.4, П.2.6 приложения 2 (с учетом расчетной влажности и общего числа воздействия нагрузки) расчетные прочностные характеристики j и с грунта земляного полотна и песка промежуточного слоя одежды (если таковой имеется) с учетом требований п. 3.36. Остальные расчетные характеристики грунта и материалов остаются теми же, что и в расчете по упругому прогибу;

б) по рис.3.2 или рис.3.3 определяют активные напряжения сдвига t_н от единичной временной нагрузки. Для этого приводят многослойную конструкцию к двухслойным моделям (п. 3.31, п. 3.32);

в) по формуле (3.13) вычисляют расчетное напряжение сдвига в грунте земляного полотна или в песчаном слое одежды;

г) по формуле (3.14) вычисляют предельное напряжение сдвига;

д) по формуле (3.11) проверяют выполнение условия прочности (с учетом требуемой надежности);

е) при необходимости, изменяя толщины конструктивных слоев, подбирают конструкцию, удовлетворяющую условию п. 3.30.

Расчет конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе

3.38. В монолитных слоях дорожной одежды (из асфальтобетона, дегтебетона, материалов и грунтов, укрепленных комплексными и неорганическими вяжущими и др.) возникающие при прогибе одежды напряжения под действием повторных кратковременных нагрузок, не должны в течение заданного срока службы приводить к образованию трещин от усталостного разрушения. Для этого должно быть обеспечено условие:

, (3.15)

где: К_пр^тр - требуемый коэффициент прочности с учетом заданного уровня надежности (табл. 3.1);

R_N - прочность материала слоя на растяжение при изгибе с учетом усталостных явлений;

s_r - наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое, устанавливаемое расчетом.

3.39. Наибольшее растягивающее напряжение s_r при изгибе в монолитном слое определяют с помощью номограммы (рис. 3.4), приводя реальную конструкцию к двухслойной модели.

Рис.3.4. Номограмма для определения растягивающего напряжения s_r при изгибе

в верхнем монолитном слое двухслойной системы

К верхнему слою модели относят все асфальтобетонные слои, включая рассчитываемый. Толщину верхнего слоя модели h_в принимают равной сумме толщин, входящих в пакет асфальтобетонных слоев ().

Значение модуля упругости верхнего слоя модели устанавливают как средневзвешенное для всего пакета асфальтобетонных слоев по формуле (3.12).

Нижним (полубесконечным) слоем модели служит часть конструкции, расположенная ниже пакета асфальтобетонных слоев, включая грунт рабочего слоя земляного полотна.

Модуль упругости нижнего слоя модели определяют путем приведения слоистой системы к эквивалентной по жесткости с помощью номограммы рис. 3.1.

3.40. При использовании номограммы рис. 3.4 расчетное растягивающее напряжение определяют по формуле:

, (3.16)

где: s_r - растягивающее напряжение от единичной нагрузки при расчетных диаметрах площадки, передающей нагрузку, определяемое по номограмме рис. 3.4;

к_в - коэффициент, учитывающий особенности напряженного состояния покрытия конструкции под спаренным баллоном. Принимают равным 0, 85 (при расчете на однобаллонное колесо к_в = 1, 00);

р - расчетное давление, принимаемое по табл. П.1.1 приложения 1.

Порядок использования показан на рис. 3.4 стрелками.

3.41. Прочность материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе определяют по формуле:

, (3.17)

где: R₀ - нормативное значение предельного сопротивления растяжению (прочность) при изгибе при расчетной низкой весенней температуре при однократном приложении нагрузки, принимаемое по табличным данным (приложение 3, табл. П.3.1);

k₁ - коэффициент, учитывающий снижение прочности вследствие усталостных явлений при многократном приложении нагрузки;

k₂ - коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени от воздействия погодно-климатических факторов (табл. 3.6);

n_R - коэффициент вариации прочности на растяжение (приложение 4);

t - коэффициент нормативного отклонения (приложение 4).

Таблица 3.6

3.42. Коэффициент k₁, отражающий влияние на прочность усталостных процессов, вычисляют по выражению:

, (3.18)

где: å N_p - расчетное суммарное число приложений расчетной нагрузки за срок службы монолитного покрытия, определяемое по формуле (3.6) или (3.7) с учетом числа расчетных суток за срок службы (см. приложение 6);

m - показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного слоя (приложение 3, табл. П.3.1);

a - коэффициент, учитывающий различие в реальном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузкой, а также вероятность совпадения по времени расчетной (низкой) температуры покрытия и расчетного состояния грунта рабочего слоя по влажности, определяемый по табл. П.3.1.

3.43. Расчеты на усталостную прочность выполняют в следующем порядке:

а) приводят конструкцию к двухслойной модели и определяют отношении , ;

б) по полученным параметрам по номограмме рис. 3.4 находят значение s_r и по формуле (3.16) вычисляют расчетное растягивающее напряжение;

в) вычисляют предельное растягивающее напряжение по формуле (3.17). В пакете асфальтобетонных слоев за предельное растягивающее напряжение R_N принимают значение, отвечающее материалу нижнего слоя асфальтобетонного пакета;

д) проверяют условие (3.15) и при необходимости корректируют конструкцию.

4. ПРОВЕРКА ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ НА МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТЬ

4.1. В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна при неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях, наряду с требуемой прочностью и устойчивостью должна быть обеспечена достаточная морозоустойчивость дорожных одежд.

С этой целью применяют различные специальные мероприятия:

· использование непучинистых или слабопучинистых грунтов (табл. 4.1, табл. 4.2.) для сооружения верхней части земляного полотна, находящегося в зоне промерзания;

· осушение рабочего слоя земляного полотна (см. раздел 5), в том числе устройство дренажа для увеличения расстояния от низа дорожной одежды до уровня подземных вод; устройство гидроизолирующих или капилляропрерывающих прослоек для перехода от 2-ой или 3-й схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна к 1-й схеме;

· устройство морозозащитного слоя из непучинистых минеральных материалов, в т.ч. укрепленных малыми дозами минеральных или органических вяжущих;

· устройство теплоизолирующих слоев, снижающих глубину или полностью исключающих промерзание грунта под дорожной одеждой;

· устройство основания дорожной одежды из монолитных материалов (типа тощего бетона или других зернистых материалов, обработанных минеральным или органическим вяжущим).

Таблица 4.1

Классификация грунтов по степени пучинистости при замерзании (СНиП 2.05.02-85, прил. 2 табл. 6)

Таблица 4.2.

Группы грунтов по степени пучинистости (СНиП 2.05.02-85, прил. 2 табл. 7)

4.2. Конструкцию считают морозоустойчивой, если соблюдено условие:

, (4.1)

где: l_пуч - расчетное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна;

l_доп - допускаемое для данной конструкции пучение грунта (табл. 4.3).

Таблица 4.3

Примечание. В восточных районах II-III дорожно-климатических зон значения l_доп следует увеличивать на 20-40% (большие значения для облегченных и переходных дорожных одежд).

4.3. Расчет на морозоустойчивость необходимо выполнять для характерных участков или групп характерных участков дороги, сходных по грунтово-гидрологическим условиям, имеющим одну и ту же конструкцию дорожной одежды и схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

4.4. При предварительной проверке на морозоустойчивость величину возможного морозного пучения следует определять по формуле:

, (4.2)

где: l_пуч.ср - величина морозного пучения при осредненных условиях, определяемая по рис. 4.3 в зависимости от толщины дорожной одежды (включая дополнительные слои основания), группы грунта по степени пучинистости (табл.4.1) и глубины промерзания (z_пр);

К_УГВ - коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод (Н_g) (рис. 4.1); при отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод следует принимать: для супеси тяжелой и пылеватой и суглинка К_УГВ = 0, 53; для песка и супеси легкой и крупной К_УГВ = 0, 43;

К_пл - коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя (табл. 4.4);

К_гр - коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки (табл. 4.5);

К_нагр. - коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания (рис. 4.2);

К_вл - коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта (табл. 4.6).

Таблица 4.4

Рис.4.1. Зависимость коэффициента К_УГВ от расстояния Рис.4.2. Зависимость коэффициента К_нагр. от глубины

от низа дорожной одежды до расчетного УГВ или УПВ: промерзания z_пр от поверхности покрытия:

1 - супесь пылеватая и тяжелая пылеватая, суглинок; 1 - супесь тяжелая и пылеватая, суглинок;

2 - песок, супесь легкая и легкая крупная 2 - песок; супесь легкая, крупная

Таблица 4.5

Таблица 4.6

Рис.4.3. Графики для определения осредненной величины морозного пучения. l_{пуч. ср}

Примечания: 1. Кривую (II-V) выбирают в соответствии с табл. 4.2;

2. Кривую IIa выбирают при 2-й и 3-й схеме увлажнения рабочего слоя, кривую IIб - при 1-й схеме увлажнения.

4.5. Если данные натурных наблюдений отсутствуют, глубину промерзания дорожной конструкции допускается определять по формуле:

, (4.3)

где: z_пр(ср) - средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая при помощи карт изолиний (рис. 4.4).

4.6. При глубине промерзания дорожной конструкции z_пр до 2 м l_пуч.ср устанавливают по графикам рис. 4.3. При z_пр от 2, 0 до 3, 0 м l_пуч.ср вычисляют по формуле:

, (4.4)

где: l_{пуч.ср 2.0} - величина морозного пучения при z_пр = 2, 0 м;

а = 1, 0; b = 0, 16; c = 2, 0 при 2, 0 < z_пр < 2, 5;

а = 1, 08; b = 0, 08; c = 2, 5 при 2, 5 < z_пр < 3, 0.

4.7. Если при расчетном сроке службы до 10 лет полученная величина возможного пучения будет превышать требуемую (табл. 4.3), а при сроке службы более 10 лет будет превышать 80% от требуемой, необходимо рассмотреть вариант устройства морозозащитного слоя. В этом случае предварительно определяют ориентировочно требуемую толщину морозоустойчивой конструкции дорожной одежды, используя графики рис. 4.3. Для этого, зная допустимую величину морозного пучения l_доп., рассчитывают среднюю величину морозного пучения l_пуч.ср по формуле:

, (4.5)

Затем по графику рис. 4.3 в соответствии с группой грунта по степени пучинистости определяют h_од.

R_од(тр) - требуемое в данных условиях термическое сопротивление дорожной одежды, м²К/Вт;

l_мз - коэффициент теплопроводности морозозащитного слоя, равный среднеарифметическому значению коэффициентов теплопроводности материала слоя в талом и мерзлом состояниях, Вт/(мК).

При отсутствии фактически замеренных значений в расчет допускается включать табличные значения l_мз (табл. П.5.1).

Рис.4.4. Карта изолиний глубины промерзания z_пр.(ср) грунтов на территории СНГ: 1 - граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 - то же, островного; 3 - границы стран СНГ

R_од(тр) определяют в зависимости от номера изолинии на карте (рис. 4.5), соответствующей географическому положению рассматриваемого участка дороги. При расположении участка между изолиниями определяют два значения R_од(тр) и вычисляют два значения h_мз, соответствующих этим изолиниям. Искомую толщину морозозащитного слоя определяют методом интерполяции в зависимости от расстояния от рассматриваемого участка дороги до соседних изолиний.

4.10. Термическое сопротивление дорожной одежды R_од(о) вычисляют по формуле:

, м²К/Вт (4.7)

где: n_од - число конструктивных слоев дорожной одежды без морозозащитного слоя;

h_од(i) - толщина i -го слоя, м;

l_од(i) - коэффициент теплопроводности отдельных слоев в мерзлом состоянии, Вт/(мК).

4.11. Величину требуемого термического сопротивления R_од(тр) вычисляют по формуле:

, м²К/Вт (4.8)

где: R_пр - приведенное термическое сопротивление, определяемое при помощи номограммы (см. п. 4.12);

К_од - коэффициент, учитывающий срок службы дорожной одежды между капитальными ремонтами (табл. 4.7);

К_увл - коэффициент, учитывающий схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна, принимаемый при 2-й и 3-й схемах увлажнения равным единице, а при 1-ой схеме увлажнения - по табл. 4.8;

d - понижающий коэффициент, принимаемый для II₁, II₃ и II₅ дорожно-климатических подзон равным 1, 0; для II₂, Il₄ и II₆ подзон равным 0, 95; для III-ей дорожно-климатической зоны равным 0, 90; для IV дорожно-климатической зоны равным 0, 85 (схему дорожно-климатических зон см. приложение 2).

Рис.4.5. Карта с изолиниями для определения требуемых значений термического сопротивления дорожной одежды:

I-X - номера изолиний; 1 - граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 - то же, островного;

3 - Северный полярный круг

Таблица 4.7

Таблица 4.8

4.12. R_пр определяют с помощью номограммы (рис. 4.6) методом итерации через отношение l_доп/(С_пучС_р) (горизонтальная ось номограммы). Значения l_доп, С_пуч и С_р определяют соответственно по табл. 4.3, 4.9, и 4.10.

Таблица 4.9