ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 201
Скачиваний: 7
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог
9 пропущенных дорогой от еѐ сдачи в эксплуатацию до потребности в капитальном ремонте или между капитальными ремонтами (полная работоспособность) либо за период от сдачи в эксплуатацию до ремон- та или между ремонтами (частичная работоспособность) [12]. Такой подход нельзя признать правильным, поскольку при этом устанавлива- ют не срок службы, а ресурс дорожной одежды (см. выше). Кроме того, не учитывают и другие факторы, влияющие на работоспособность.
Факторы, действующие на дорожную одежду, можно объеди- нить в следующие группы:
– транспортные нагрузки (состав движения, нагрузка на коле- со, интенсивность, скорость, распределение по ширине проезжей ча- сти и др.);
– показатели водно-теплового режима (влажность и температура земляного полотна и слоев дорожной одежды и др.);
– методы, сроки и качество работ по содержанию, ремонту и капи- тальному ремонту дорожной одежды и других дорожных сооружений.
Применительно к условиям Сибири данный вопрос подробно рассмотрен в работах [9, 109, 110].
Многочисленность и сложность факторов, определяющих рабо- тоспособность дорожных одежд, в сочетании с практической важно- стью проблемы обеспечения их долговечности и надежности вызывают необходимость исследований в этой области. В настоящее время доста- точно чѐтко прослеживаются два реализуемых научных направления.
Первое направление состоит в изучении физических основ рабо- ты и старения конструкций. При этом исследователи решают следую- щие задачи: оценка влияния внешних и технологических факторов на прочность, плотность и другие свойства материалов и конструкции в целом; изучение закономерностей износа, коррозии материалов под действием влаги, газов, агрессивных сред; измерение степени и оценка характера повреждений конструкции; разработка способов и средств восстановления транспортно-эксплуатационных качеств.
При всей важности отмеченного направления, к сожалению, оно не учитывает в достаточной мере динамику факторов, воздействую- щих, например, на дорожную одежду в процессе еѐ эксплуатации.
Здесь необходимо использовать элементы теории надежности. В еѐ разработке и состоит второе направление исследований в области
9 / 44
Конструирование и расчет дорожных одежд
10 обеспечения долговечности и надежности дорожных одежд. При этом решают такие задачи, как разработка методик сбора, учета и анализа статических данных о работе различных конструкций автомобильных дорог и их экономической эффективности; разработка математиче- ских основ количественной оценки надежности и прогнозирования отказов; изучение закономерностей возникновения отказов; оценка влияния внешних и внутренних факторов на происходящие в кон- струкции процессы; разработка методов восстановления работоспо- собности и повышения надежности, в частности, дорожных одежд.
Развитие этого научного направления требует обширной инфор- мации о повреждениях (отказах) конструкций с учетом технологии строительства, условий эксплуатации, методов содержания и ремонта.
Для количественной оценки надежности и долговечности дорожных одежд необходимо знать закономерности снижения надежности основ- ных параметров конструкций (прочность, трещиностойкость и др.), за- кономерности коррозии, износа и разрушения.
Анализ работ по теории упрочнения и разрушения строитель- ных конструкций (первое направление исследований) показывает, что процесс изменения прочности дорожной одежды во времени может быть представлен графиком (рис. 1.2), на котором выделены три ха- рактерных этапа эксплуатации:
I. Период повышенной потери прочности, вызванной первона- чальным интенсивным воздействием усадочных, температурных, влажностных напряжений и возникающих при этом деформаций. Этот период сравнительно короткий. Для него характерно проявление строительных дефектов.
II. Период длительной потери прочности и износа. В данный пе- риод частично затухают, перераспределяются, снимаются возникшие в первый период напряжения за счет образования трещин; снижаются усадочные явления, но развиваются необратимые процессы, приводя- щие к деструкции материалов и медленному их разрушению. Этот пе- риод является основным в работе конструкции и самым длительным во времени, он составляет 80–90 % от общего срока службы.
III. Период интенсивного разрушения, когда физический износ достигает критического значения. На этой стадии решается вопрос о целесообразности ремонта или реконструкции дорожной одежды.
10 / 44
1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог
11
Рис. 1.2. Обобщенный график изменения прочности жесткой дорож- ной одежды во времени
Срок службы дорожной одежды – это период от начала ее экс- плуатации до достижения предельного состояния. Он включает время, когда конструкция эксплуатируется (безотказно функционирует), и вре- мя простоев всех видов, обусловленных как эксплуатационным содер- жанием и ремонтами, так и организационными и другими причинами.
На фактический срок службы дорожной одежды влияют многие случайные факторы, часто не поддающиеся учету, например проявле- ние особенностей структуры материалов, качество строительных и ре- монтных работ, особенности содержания.
Следует различать срок службы дорожной одежды и срок служ- бы покрытия, а также их проектные и эксплуатационные (фактиче- ские) сроки службы.
Для прогнозирования долговечности дорожной одежды в целом необходимо располагать данными об изменении прочности еѐ матери- алов во времени с учетом воздействия окружающей среды и динами- ческих нагрузок. При благоприятных условиях многие строительные материалы сохраняют свою прочность стабильной, некоторые, напри- мер цементобетон, со временем могут упрочняться.
11 / 44
Конструирование и расчет дорожных одежд
12
1.2. Воздействие на дорожную одежду нагрузки
от транспортных средств
В процессе эксплуатации дорожные одежды подвергаются дина- мическому воздействию транспортных средств, двигающихся с различ- ными скоростями. Постоянное изменение дорожных условий, вызывае- мое параметрами дороги и природными факторами, является причиной соответствующего изменения режима движения автомобилей.
Современные представления теории прочности дорожных одежд автомобильных дорог требуют учитывать при оценке работо- способности конструкций не только максимальные нагрузки на колеса транспортных средств, но и скорости их движения, общее число воз- действий колес на проезжую часть, распределение движения во вре- мени и по ширине проезжей части.
Воздействие транспортных средств на дорожную одежду пере- дается по площадке контакта пневматической шины с поверхностью покрытия. Площадь контакта зависит от нагрузки на колесо, давления в шинах и может изменяться от 300 до 10 000 см
2
. Давление в шинах колеблется от 0,15 до 0,7 МПа.
Для определения площади контакта шины с покрытием профес- сор В.Ф. Бабков предложил следующую формулу [15]:
К
Ж
0
P
F
K
P
,
(1.1) где Р
К
– статическая нагрузка от колеса на покрытие, Н; Р
0
– давление воздуха в шине, Па; K
Ж
– коэффициент, учитывающий влияние жест- кости боковых стенок шин, равный в среднем 1,1.
При движении автомобиля давление колеса на покрытие повы- шается в результате влияния ряда условий: нагревания шины и увели- чения в ней внутреннего давления воздуха; увеличения жесткости шины от влияния растягивающей покрышку центробежной силы; продолжительности (кратковременности) контакта с покрытием каж- дого участка шины, в результате которой шина не успевает обжаться до размера, соответствующего статическому приложению фактически действующей нагрузки, т. е. как бы становится более жесткой. Из-за
12 / 44
1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог
13 неровностей и других дефектов покрытия при движении возникают колебания автомобиля.
При расчете дорожных одежд колебания колесной нагрузки, как правило, учитывают, умножая значения нормативной статической нагрузки от колеса на коэффициент динамичности K
Д
. Он представля- ет собой отношение наибольшего амплитудного значения колесной нагрузки, передаваемой колесом покрытию в состоянии покоя.
Зависимость коэффициента динамичности от скорости имеет следующий вид [16]:
0,1
Д
0,5(3
)
v
K
e
,
(1.2) где v – скорость, м/с.
Если произвести расчеты по формуле (1.2), то получим:
V, км/ч 10 20 30 50 80
K
Д
1,12 1,21 1,28 1,38 1,45
Для дорог общего пользования значения коэффициента дина- мичности принимают равным 1,3 [1–3].
Скорости движения транспортных средств меняются в широком диапазоне, зависят от технических возможностей автомобиля, степени его загрузки, дорожных условий. На дорогах общего пользования средняя скорость грузовых автомобилей составляет около 60–80 км/ч.
Одним из параметров режима движения является интервал вре- мени между двумя последовательно перемещающимися автомобиля- ми (
t). На дорогах общего пользования его величина случайна.
Например, на карьерных дорогах движение автосамосвалов может производиться примерно с равными интервалами (на забойных доро- гах). Существует ряд математических моделей, описывающих распре- деление
t для различных потоков и в зависимости от дорожных условий, интенсивности и состава движения [17].
Интенсивность движения транспортных средств на автомобиль- ных дорогах колеблется от нескольких автомобилей в сутки до десят- ков (иногда сотен) тысяч. Принято считать, что на дорогах общего пользования рост интенсивности движения N
t
происходит в геометри- ческой прогрессии от срока сужбы t:
13 / 44
Конструирование и расчет дорожных одежд
14 0
1
t
N
N
q
,
(1.3) где N
0
–
начальная интенсивность движения на первый год эксплуата- ции дороги; q – ежегодный прирост интенсивности движения.
Воздействие колес автомобилей неравномерно распределяется по ширине проезжей части дороги и по ширине полосы движения.
Распределение следов автомобилей по ширине полосы движения, не- обходимое для оценки числа воздействий колес на угловые и краевые участки плит бетонных покрытий, принято характеризовать зазором между краем плиты и колесом автомобиля.
Неравномерное распределение воздействий по ширине проез- жей части приводит к тому, что в зависимости от положения выбран- ного сечения число воздействий может существенно различаться, ме- няется и агрессивность (степень воздействия) различных положений нагрузки для данного сечения.
В процессе эксплуатации дорожные покрытия подвержены воз- действию транспортных потоков, состоящих из различных автомоби- лей, отличающихся грузоподъемностью, габаритами, числом осей и их расположением, нагрузками на ось и давлением в шинах.
При оценке воздействия транспортных средств на покрытие большое значение имеет расположение колес в плане (от положения отпечатков колес в значительной мере зависит напряженное состояние плиты покрытия жесткой дорожной одежды).
1.3. Природные и климатические воздействия
на дорожную конструкцию
В процессе эксплуатации любая дорожная конструкция нахо- дится под воздействием природно-климатических (внешних) факто- ров. Природные факторы весьма разнообразны (растительность, оро- графия, грунтовые, гидрологические условия и др.). Они действуют на конструкцию раздельно и в различных сочетаниях. Правильный учет воздействия географического комплекса при проектировании дорож- ных одежд имеет большое значение в обеспечении их заданной долго-
14 / 44
1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог
15 вечности. Особенно велико влияние климатических параметров: тем- пературы воздуха, режима промерзания грунтов, количества и распре- деления по сезонам года осадков [18].
Наибольшее влияние на сроки службы дорожных покрытий ока- зывают температура и влажность окружающей среды, поскольку от них зависят водно-тепловой режим грунтов землого полотна и осно- ваний дорожных одежд, температурные напряжения и деформации покрытий. Отрицательное воздействие природных факторов может проявляться в виде: переувлажнения оснований и, как следствие, сни- жение их несущей способности; пучения грунтов рабочего слоя зем- ляного полотна, температурных деформаций и эрозии материалов по- крытий; коррозионного разрушения слоев одежды минерализованны- ми грунтовыми водами и др.
При расчете жестких дорожных одежд в первую очередь следу- ет принять во внимание, что изгиб цементобетонных плит может быть вызван не только нагрузкой от автомобилей, но и неравномерным распределением температуры по толщине плиты при колебаниях тем- пературы воздуха, а также пучением грунтов при их промерзании и неравномерными поднятием зимой и осадкой при весеннем оттаива- нии. Верх плиты нагревается днем и охлаждается ночью, температура низа плиты в связи с влиянием теплоемкости материала основания изменяется меньше. Разность температуры верха и низа плиты вызы- вает ее коробление, которому препятствуют отпор соседних плит и собственный вес плиты (рис. 1.3, а, б).
При изменении среднесуточной температуры воздуха соответ- ственно меняется и общая температура плиты. С наступлением осени и зимы плиты сокращаются в размерах, с потеплением весной и ле- том – расширяются (рис. 1.3, в). Свободному температурному сжатию или расширению плит препятствуют силы трения и сцепления, разви- вающиеся между нижней поверхностью плиты и основанием. Силы трения и сцепления приложены эксцентрично по отношению к центру тяжести поперечного сечения плиты и вызывают дополнительные из- гибающие напряжения, которые тем значительнее, чем больше разме- ры плиты и температурный перепад. Температурные напряжения вполне могут быть причиной разрушения цементобетонных покры- тий, поэтому учет температурных воздействий обязателен при расчете и конструировании жестких дорожных одежд.
15 / 44
Конструирование и расчет дорожных одежд
16
Рис. 1.3. Температурные деформации плит бетонных покрытий:
а – температура верхней поверхности больше, чем нижней; б – темпе- ратура нижней поверхности больше, чем верхней; в – равномерное охлаждение плиты
При промерзании грунтов земляного полотна в результате зим- ней миграции влаги и накопления линз льда происходит вертикальное поднятие покрытия. Этот процесс может быть равномерным, тогда всѐ покрытие приподнимается на одинаковую высоту, но в связи с неод- нородностью состава (минералогического, гранулометрического) грунтов или из-за неравномерного притока влаги в промерзающую толщу пучение чаще бывает неравномерным, образуются бугры пуче- ния. Приподнимая монолитное покрытие, взбугривание вызывает в ней изгибающие напряжения [18].
При весеннем оттаивании грунта поднявшаяся зимой поверх- ность покрытия оседает. В связи с неравномерным оттаиванием осад- ка может происходить неравномерно даже при равномерном его под- нятии за счет пучения промерзающих грунтов.
В результате неравномерного поднятия при промерзании или опускания при оттаивании дорожной конструкции плита опирается на подстилающие слои лишь в отдельных местах. Возникающие при этом напряжения могут стать причиной разрушения покрытия. Необ- ходимая морозоустойчивость дорожных одежд обеспечивается без
а
б
в
16 / 44
1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог
17 специальных мероприятий: в районах с малой глубиной промерзания; при непучинистых грунтах основания (пески, крупные супеси, скаль- ный грунт); если толщина покрытия, необходимая по условиям проч- ности, превышает
2
/
3
глубины промерзания; в сухих местах без избы- точного увлажнения с обеспеченным поверхностным стоком и низким уровнем грунтовых вод (за исключением случаев устройства покры- тий на грунтовых основаниях из пылеватых супесчаных грунтов). Во всех остальных случаях необходима специальная проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость.
При решении задач обеспечения долговечности одежд автомо- бильных дорог следует особое внимание обратить на физические про- цессы, протекающие в дорожной конструкции. В зимний период влага интенсивно мигрирует к фронту промерзания (из нижних теплых сло- ев в подстилающий дорожную одежду грунт и дополнительный слой основания дорожной одежды). Накапливающаяся вода образует ледя- ные линзы и прослойки. Весной основание под покрытием проезжей части, имеющим тѐмный цвет, оттаивает быстрее, чем обочины, по- крытые снегом. Поверхность мерзлого грунта приобретает вогнутое очертание, где скапливается большое количество воды от растаявших ледяных линз и прослоек (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Схема оттаивания земляного полотна:
1 – оттаявший грунт; 2 – переувлажненный оттаявший грунт; 3 – граница мерзлого грунта; 4 – снег; 5 – мерзлый грунт
1
2
3
4
5
17 / 44