Еще статьи про дорожные конструкции: 1, 2
Направления совершенствования проектирования и принципы рационального алгоритма расчёта нежестких дорожных одежд
Д.т.н. А.П. Васильев,
к.т.н. С.В. Лугов,
к.т.н. Е.В. Калёнова
Количественные
и качественные изменения транспортных потоков не могут не отразиться на
фактическом состоянии дорожных одежд и покрытий, а также требованиях к их
эксплуатационному состоянию. В этой связи, безусловно, должна
совершенствоваться и нормативно-техническая (рекомендационная) база, требования
которой, в конечном итоге, должны обеспечивать высокий уровень скоростей и
безопасности движения, а также ожидаемые сроки службы дорожных конструкций.
Существующие
методы расчёта нежёстких дорожных одежд, применяемые в нашей стране, в
частности действующая инструкция [9], оперируют в качестве основных расчётных критериев
прочности нормативным упругим прогибом (модулем упругости), сопротивлением
сдвигу в несвязных слоях дорожной одежды и сопротивлением при изгибе в
монолитных слоях, что в основном позволяет всесторонне учесть процессы, происходящие
в дорожной одежде. Однако расчетная модель имеет ряд определённых допущений,
упрощений и обобщений. Например, расчёт нежёстких дорожных одежд по
существующим нормам производятся для горизонтальных участков, т.е. при сочетании
продольного и поперечного уклоне 0;0. Однако, в реальных условиях изменение
уклонов на существующих дорогах происходит приблизительно в следующем
диапазоне: поперечного уклона от 0‰ до +50‰, а продольного от 0‰ до 120‰ .
Очевидно, что воздействие автомобиля на дорожную одежду и характер её
напряжённо-деформированного состояния на наклонных поверхностях будет
отличаться от горизонтальных участков [3,4]. Так в исследованиях В.П. Матуа [10],
М.Г. Горячева, В.Б. Фадеева, М.Ю. Расторгуева, С.В. Лугова при измерении колеи
отмечено, что правая колея в зависимости от характера распределения
транспортного потока оказывается на 4-16% глубже левой, чего не учитывает ни
один из существующих методов расчёта дорожных одежд. На основании теоретических
исследований, изложенных в [3,4], авторами статьи были рассчитаны коэффициенты
приведения для расчётного автомобиля при различном сочетании продольного и
поперечного уклонов проезжей части (см. табл. 1), пропорциональное увеличение
которых позволит получить коэффициенты приведения для всех транспортных
средств, имеющихся в потоке, с учётом уклонов проезжей части.
Таблица 1
|
Продольный уклон, ‰ |
Суммарные коэффициенты приведения для расчетного автомобиля
при поперечном уклоне в ‰ |
|||||
|
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
|
|
0 |
1,05 |
1,11 |
1,18 |
1,27 |
1,34 |
1,42 |
|
10 |
1,06 |
1,14 |
1,21 |
1,29 |
1,37 |
1,46 |
|
20 |
1,08 |
1,15 |
1,24 |
1,31 |
1,39 |
1,49 |
|
30 |
1,11 |
1,18 |
1,25 |
1,34 |
1,43 |
1,51 |
|
40 |
1,13 |
1,21 |
1,28 |
1,37 |
1,46 |
1,55 |
|
50 |
1,16 |
1,23 |
1,31 |
1,39 |
1,49 |
1,58 |
|
60 |
1,17 |
1,26 |
1,34 |
1,42 |
1,51 |
1,62 |
|
70 |
1,2 |
1,28 |
1,37 |
1,46 |
1,55 |
1,64 |
|
80 |
1,23 |
1,31 |
1,4 |
1,49 |
1,58 |
1,68 |
|
90 |
1,25 |
1,34 |
1,42 |
1,52 |
1,62 |
1,71 |
|
100 |
1,28 |
1,37 |
1,45 |
1,54 |
1,65 |
1,75 |
|
110 |
1,31 |
1,4 |
1,48 |
1,58 |
1,68 |
1,79 |
|
120 |
1,33 |
1,43 |
1,52 |
1,61 |
1,71 |
1,82 |
Весьма
прогрессивным является то, что в сегодняшних нормах, в отличие от ранее
действующих, требуемый модуль упругости назначают исходя из суммарного
количества приложений расчётной нагрузки за срок службы дорожной одежды. Однако
вклад единичного приложения нагрузки, который зависит от его продолжительности,
а в итоге от средней скорости транспортного потока, фактически не учитывается.
Формально продолжительность действия нагрузки учтена в величинах динамических
модулей упругости материалов слоёв и составляет 0,1 с, что не совсем соответствует
реальной продолжительности нагружения конструкции. Что и отмечено в
исследованиях А.М. Богуславского, Б.С. Радовского, А.В. Руденского, А.В. Смирнова, Ю.М. Яковлева, П.П. Петровича и др. [5-8]. С учётом
теоретических предпосылок [1,2] авторами статьи предлагается корректировка
динамических модулей упругости асфальтобетонов при различной продолжительности
нагружения, что позволит на стадии проектирования дорожной одежды приблизиться
к реальным условиям её работы.
При выполнении
госбюджетных и хоздоговорных работ по кафедре «Строительство и эксплуатации
дорог» МАДИ (ГТУ), авторы столкнулись со следующей проблемой: отсутствием
чёткого алгоритма расчёта нежёстких дорожных одежд. В существующей инструкции
на проектирование нежёстких дорожных одежд предусмотрен расчёт по нескольким
критериям для того, чтобы всесторонне учесть все факторы, влияющие на дорожную
конструкцию. Однако, ни в действующих нормах, ни в ВСН 46-83 (ВСН 46-72) не было предусмотрено
чёткого алгоритма расчёта дорожных одежд, не были оценены наиболее значимые
параметры, влияющие на соблюдение того или иного критерия расчёта, и не
обоснованы значения минимальных толщин конструктивных слоёв. Таким образом,
зачастую конструкция, удовлетворяющая какому-нибудь одному критерию (например,
упругому прогибу), не удовлетворяет другому (например, сопротивлению монолитных
слоёв усталостному разрушению от растяжения при изгибе), поэтому инженеру
приходится изменять толщины конструктивных слоёв, что влечёт за собой неоднократное
повторение всей процедуры расчёта. Это очень трудоёмко и зачастую ведёт к
перерасходу материала, поскольку изменение толщины какого-либо одного
конструктивного слоя оказывает влияние на прочностные свойства дорожной
конструкции в целом. Конечно, в настоящее время существует множество
программных обеспечений, таких как продукт «CREDO» «Радон», «RUBOR», «GEONIX», «ЛИРА» и др., позволяющих снизить трудоёмкость
расчётов дорожных конструкций, но они имеют свои недостатки, ограничивающие их
использование. Основным недостатком программных комплексов является их высокая
стоимость и необходимость в обновлении в связи с внесением поправок в
нормативные документы, на которые они (программные комплексы) опираются. Кроме
того, «Радон» и «RUBOR» при расчёте
дорожной конструкции основываются на методике, изложенной в ОДН 218.046-2001,
которая имеет некоторые недочёты и ошибки, ликвидированные в более поздней
версии МОДН 2-2001. Расчёт дорожной одежды с помощью
пакета «ЛИРА», основанного на методе конечных элементов, не позволяет
всесторонне учесть все процессы, происходящие в дорожной конструкции. Таким
образом, хотя проектировщики и сходятся во мнении о том, что из всего перечня
программных комплексов, предназначенных для расчёта дорожных одежд, программный
комплекс «RUBOR» наиболее чётко
отвечает поставленной задаче, тем не менее «ручной» метод расчёта с
использованием действующих норм был и остаётся основным методом расчёта
нежёстких дорожных одежд. Только неавтоматизированный метод расчёта позволяет
учесть всё многообразие факторов, влияющих на прочность дорожных конструкций,
он наиболее точен и не требует существенных затрат на обновление. Но он достаточно трудоёмок.
Разработка
рационального алгоритма расчёта нежёстких дорожных одежд позволит снизить
трудоёмкость расчётов, позволит обосновать требования к минимально допустимым
толщинам конструктивных слоёв, оценить область применения высокопористого и
песчаного асфальтобетонов с различными расчетными характеристиками в нижней
части пакета из асфальтобетонных слоев, определить, в каких же случаях проверка
дорожной конструкции на морозоустойчивость актуальна, а также определить
степень применимости критерия сдвигоустойчивости малосвязных материалов и
подстилающего грунта. Для этого был произведён ряд расчётных экспериментов, в
которых с учётом различных исходных данных, таких как суммарное движение,
группа грунта по степени пучинистости, расчётная влажность грунта, марка битума
асфальтобетона и т.д., было рассчитано более 300 конструкций дорожных одежд по
трём основным критериям и одному вспомогательному (морозному пучению) критерию
расчёта. В результате расчётов были определены минимальные толщины дорожных
одежд, удовлетворяющие критерию морозоустойчивости конструкции. Анализ
расчётных экспериментов позволил определить степень применимости критерия
сдвигоустойчивости малосвязных материалов и подстилающего грунта, а также
обосновать требования к минимально допустимым толщинам нижних слоев из
высокопористого и пористого асфальтобетона для различных марок битума при различных
сочетаниях толщин верхних слоев. Для определения минимально допустимой толщины
нижнего слоя из высокопористого или пористого асфальтобетона исходя из условия
обеспечения сопротивления усталостному разрушению от растяжения при изгибе, нами
была предложена формула.
Таким
образом, с учётом проведённых теоретических исследований возможно в первом
приближении наметить пути совершенствования расчётной модели и сформировать
основу рационального алгоритма расчёта нежёстких дорожных одежд и обосновать
требования к материалам и минимальным толщинам конструктивных слоёв. Предварительно
можно считать критерий сопротивления монолитных слоёв усталостному разрушению
от растяжения при изгибе в качестве исходного. В первую очередь назначаются
толщины слоёв асфальтобетона и определяется толщина нижнего слоя, которые
заведомо удовлетворяют рассматриваемому критерию. Толщина дренирующего слоя
определяется в соответствии с методикой, изложенной в [9]. Расчёт по упругому
прогибу является вспомогательным. По нему определяется толщина слоя основания,
которая может быть в дальнейшем скорректирована расчётом по другим критериям.
Далее полученная толщина конструкции дорожной одежды сравнивается с минимальной
толщиной дорожной одежды, удовлетворяющей критерию обеспечения морозоустойчивости
конструкции в соответствии с исходными
данными. Если толщина рассматриваемой конструкции не обеспечивает её
морозоустойчивости, то корректируется толщина дорожной одежды путём увеличения
толщины песчаного слоя. Если глубина промерзания дорожной одежды более
Кроме
того, проведённые теоретические исследования позволяют также учесть фактические
скорости движения и транспортные нагрузки, которые позволяют предложить
уточнения основных расчётных показателей, таких как коэффициенты приведения к
расчётному грузовому автомобилю и динамические модули упругости
асфальтобетонов, при расчёте нежёстких дорожных одежд.
Литература
1. Лугов С.В. Расчёт
продолжительности единичного приложения транспортной нагрузки с учётом
прочностных свойств дорожной конструкции/Новости в дорожном деле: научно-технический
инфорационный сборник. - М.: Информавтодор, 2004. - вып.2. С. 20-29.;
2. Лугов С.В. О влиянии продолжительности действия нагрузки
на упругие характеристики асфальтобетона//Естественные и технические науки. -
2003.-№5(8). - С. 82-83.;
3.Горячев М.Г., Лугов С.В. Влияние уклонов проезжей части
автомобильных дорог на требуемую прочность дорожных одежд/ Новости в дорожном
деле: Научно-технический информационный сборник. - М.: Информавтодор, 2003. -
Вып. 3. - С. 1-9.;
4. Горячев М.Г., Лугов С.В. Уточнение величины
нагрузки от двухосного транспортного средства при сочетании продольного и
поперечного уклонов проезжей части автомобильной дороги // Актуальные проблемы
современной науки. Информационно аналитический журнал. - 2003. -№1(10). - С.
338-342.;
5. Петрович П.П., Фурсов С.Г., Протасов А.Ю., Магомедов С.М.
Исследование процессов взаимодействия колеса с а/б покрытием нежестких дор.
одежд // Строительство и эксплуатация автомобильных дорог. Задачи и решения:
Сб. научн. тр. / МАДИ. - 2001. С.156-178.;
6. Смирнов А.В. Динамическая устойчивость и расчёт дорожных
конструкций. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2003.;
7. Мевлидинов З.А. Обоснование основных показателей,
учитывающих влияние остаточных деформаций при расчёте дорожных одежд нежёсткого
типа: Автореф. дис….канд. техн. наук. – М:Изд-во МАДИ (ТУ), 1997.;
8. Богуславский А.М., Богуславский Л.А. Основы реологии
асфальтобетона. – М.: Высшая школа, 1972.;
9. Проектирование
нежёстких дорожных одежд, ОДН 218.046-01. – М., 2001.
10. Матуа В.П.
Исследование напряжённо-деформированного состояния дорожных конструкций с
учётом их неупругих свойств и пространственного нагружения: Автореф. дис….докт.
техн. наук. – М:Изд-во МАДИ (ГТУ), 2002.;
11. Калёнова Е.В.,
Лугов С.В. Методы расчёта нежёстких дорожных одежд и некоторые пути их
совершенствования. // Строительство и эксплуатация дорог: научные исследования
и их практическое применение. Сборник научных трудов. / МАДИ (ГТУ). – М., 2006.
– с.67-79.