Проектирование капитальной дорожной одежды нежесткого типа

 

На основании выполненных  расчетов в курсовом проекте с  учетом минимальных толщин окончательно принимаем следующую конструкцию дорожной одежды и ее характеристики (рис. 1.2.2):

                                  

              Рис. 1.2.2. Принятая конструкция дорожной одежды.

 

1.Горячий плотный мелкозернистый  асфальтобетон типа Б марки  2 на битуме 90/130. Минимальная толщина  – 4 см 

2. Горячий пористый крупнозернистый асфальтобетон на битуме 90/130.           Минимальная толщина – 6 см

3. ПГС укрепленная цементом. Минимальная толщина 12 см.

4. Щебень обработанный битумом. Минимальная толщина 17 см.

5. Песок. Минимальная толщина 50 см.

1.3 Определение  толщины дренирующего слоя и  толщины дорожной одежды по  условиям морозозащиты.

Полную толщину дренирующего слоя дорожной одежды h_п (м) определяют по формуле

h_п=h_m∙b∙К_с+h_зап                                     

где h_m - толщина слоя, определяемая по номограмме (рисунок 1.8.1) в зависимости от коэффициента фильтрации материала дренирующего слоя (К_ф) и объема воды, поступающей в основание проезжей части за сутки (q), м;

К_ф = 3,5м/сут - пески мелкие

К_ф = 11 м/сут - пески крупные

  b - коэффициент, зависящий от длины пути фильтрации воды, равный для дороги IV категории 0.33

  К_с - коэффициент, учитывающий снижение фильтрационных свойств материала фильтрующего слоя в процессе эксплуатации дорог, равный 1.0

     h_зап - дополнительная толщина слоя, зависящая от капиллярных свойств материала и равная:

  0,18-0,20 м- пески мелкие

  0,10 - 0,12 м -пески крупные;

Определим толщину дренирующего слоя из к/з песка (К_ф = 11 м/сут):

Hд = 0,35*0,33*1,0+0,11=0,23 м<25 см, принимаем 25 см

 Определим толщину дренирующего слоя из м/з песка (Кф = 3,5 м/сут):

Hд = 0,63*0,33*1,0+0,19=0,40м>25 см, принимаем 40 см

 

Рассчитаем стоимость  обоих слоев:

С₁ = 5000*25=125000 руб/м³;

С₂ = 4000*40=160000 руб/ м³ _.

 

Учитывая более низкую стоимость слоя из крупного песка, его  принимаем в качестве дренирующего слоя.

Условие морозоустойчивости имеет  вид;

H_факт ≥ H_доп          

   где  H_факт – фактическая толщина дорожной одежды:

H_факт = ∑ h_i         

   где h_i – толщины конструктивных слоев дорожной одежды;

         H_доп – требуемая (допустимая) толщина дорожной одежды, определяемая по рис.1.13.1.

Проверим критерий морозостойкости дорожной одежды, т.к. грунт земляного полотна автомобильной  дороги  – глины, относящиеся  по степени пучинистости к пучинистым грунтам

Определим фактическую толщину  дорожной одежды:

 

H_факт = ∑ h_i = h₁+h₂+h₃+h₄ = 4+6+22+21+42 = 95 см.

Требуемую толщину  дорожной одежды определим по рис.1.13.1. Для Витебской области требуемая толщина составит 90 см.

  Проверяем критерий  морозостойкости дорожной одежды:

95 см ≥ 90 см – условие выполняется.

Корректировка дорожной одежды не требуется.

    1.4 Определение требуемого модуля упругости дорожной одежды

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

Е_об > Е_трп ,                            

где Е_об - общий расчетный модуль упругости конструкции, МПа;

      Е_тр - минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции, МПа;

      К^тр_пр - требуемый коэффициент прочности дорожной одежды по критерию упругого прогиба, принимаемый в зависимости от требуемого коэффициента надежности по табл. 1.4.1 – 1.4.4.

Величину минимального требуемого общего модуля упругости конструкции  дорожной одежды при SN_р > 4×10⁴ (авт)  Е_тр (МПа) вычисляют по формуле (в нашем случае авт)

 Е_тр = 98,65 [lg(SN_h) - c],                           

где SN_р - суммарное расчетное число приложений нагрузки за срок службы дорожной одежды;

       с - коэффициент, равный для группы нагрузки А₂ 3,23;

  

  Е_min = 98,65 [lg(SN_р) - c] =98,65* (lg658403 – 3,23)=255МПа

Независимо от результата расчета по формуле ,требуемый модуль

упругости дорожной одежды должен быть не менее указанного в  таблице1. 10.1.

                                                      Е_факт> Е _тр

 

Т.к. по таблице 1.10.1. для нагрузки А₂ и дороги IV-ой категории значение Е_тр отсутствует, примем: Е_тр= Е_min=255 МПа.

Значение  К^тр_пр примем по табл. 1.4.2. В нашем случае оно составит 0.85.

Окончательно  принимаем  Е_общ= К^тр_пр * Е _тр =255*0.85=217МПа

 

1.5 Определение оптимального соотношения  толщины слоев дорожной одежды

Значения расчетных модулей  упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, принимаем при температуре +10 °С. Составляем схему конструкции дорожной одежды (рис. 1.5.1).

              

Рис.1. 5.1 - Схема конструкции дорожной одежды

Назначим  минимальные толщины слоев в  курсовом проекте, руководствуясь положениями:

1. Горячий, плотный, м/з а/б типа А, марки 1 на битуме БНД 90/130.

М/з а/б типа А имеет максимальный размер частиц щебня - 20 мм. Содержание щебня составляет более 50%. Следовательно, минимальная толщина слоя составит 1.5*20= 30 мм. Учитывая, что число слоев покрытия менее 2 минимальную толщину слоя примем 4 см.

2. Горячий, пористый, к/з  а/б на битуме БНД 90/130.

К/з а/б имеет максимальный размер зерен 40мм. Содержание щебня  примем менее 50%. Тогда минимальная  толщина составит 1.5*40 = 60 мм.

3. ПГС, укрепленная цементом. В соответствии с табл. 1.7.3 минимальная толщина составит 12 см.

4. Щебень обработанный битумом. В соответствии с табл. 1.7.3 минимальная толщина составит 17 см.

5. Песчаный слой. Минимальная  толщина песчаного слоя составляет  по табл. 1.7.3 -  42 см. Поскольку подстилающий слой выполняет функцию дренирующего, его минимальная толщина не должна быть ниже, полученной по расчету толщины дренирующего слоя. В нашем случае (см. раздел 1.8.2) толщина дренирующего слоя составляет 25 см. Окончательно толщину подстилающего слоя принимаем, равной 42 см.

Используя номограмму (рис.1.7.8) для определения общего модуля упругости двухслойной системы, выполняя расчет сверху вниз, находим эквивалентный модуль упругости на поверхностях слоев.

На поверхности нижнего  слоя покрытия E_э^I (см. рис.1.10.4).

К₂=h₁/D= 4/39=0.1 ,

К₁=E_общ /Е₁=217/2400=0,09

По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение E_э^I/ Е₁  (К3), которое составит К₃=0,085

E_э^I= Е₁* К₃=2400*0,085=204 МПа

Определяем эквивалентный модуль на поверхности верхнего слоя основания E_э^II

K₂= h₂/D= 6/39=0.15  , 

K₁=E_э^I/Е₂=204/1400=0,146

По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение E_э^I1/ Е₂  (К3), которое составит К₃=0,13

  E_э^II= Е₂* К₃=1400*0,13=182 МПа

Определяем эквивалентный модуль на поверхности нижнего основания E_э^II1

Толщину слоя из ПГС, укрепленной цементом примем минимальной, равной 12 см.

K₂= h₃/D= 12/39=0.31, 

K₁=E_э^I1/Е₃=182/600=0,3

По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение E_э^I11/ Е₃  (К3), которое составит К₃=0,22

  E_э^II1= Е₃* К₃=600*0,22=132 МПа

Определяем эквивалентный модуль упругости на поверхности песчаного  слоя

Задаемся h₅ =h_min=50 см.

 

K₂= h₅/D= 50/39=1.08 ,

K₃=E_гр /Е₅=11/130=0,085.

По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение E_э^I111/ Е₅  (К3), которое составит К₁=0,33

 

E_э^I11= Е₅* К₃=130*0,33=43 МПа

       Находим толщину нижнего слоя основания h₄

m₁=E_э ^III1/Е₄=43/280=0,15

m₂= E_э^II1/Е₄=132/280=0,47,

По номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение h₄/D (m₃) которое составит 1,15.  Тогда h₄ =1,15*39 = 45 см.

Определяем стоимость  дренирующего слоя h₅ и основания h₃ , h_4.            

  С= h₄С₄+ h₃С₃=42*5000+9000*45+8000*12=711 000 руб.

Начинаем  вариацию толщин слоев дорожной одежды с целью поиска толщин, обеспечивающих минимальную стоимость.

Увеличим толщину верхнего слоя основания с определенным шагом. Шаг варьирования толщины принимается  любой. В нашем случае, учитывая очень  большую толщину слоя щебня (45 см) примем шаг варьирования 5 см.

Задаемся  новым значением h₃ =h_min+5см=12+5=17см

K₂= h₃/D= 17/39=0,44, 

K₁=E_э^I1/Е₃=182/600=0, 3, 

По номограмме (рис.1.7.8) найдем отношение E_э^I11/ Е₃  (К3), которое составит К₃=0,18

  E_э^II1= Е₃* К₃=600*0,18 = 108 МПа

Находим толщину нижнего слоя основания h₄

m₁=E_э ^III1/Е₄=43/280=0,15

m₂= E_э^II1/Е₄=108/280=0,38,

По  номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение h₄/D (m₃) которое составит 0,80.  Тогда h₄ =0.80*39 = 31 см.

Определяем стоимость  дренирующего слоя h₅ и основания h₃ , h_4.            

  С= h₄С₄+ h₃С₃=42*5000+9000*31+8000*17=625 000 руб

      Задаемся новым значением h₃ =h_min+5см=17+5=22см

K₂= h₃/D= 22/39=0,56, 

K₁=E_э^I1/Е₃=182/600=0, 3, 

По номограмме (рис.1.7.8) найдем отношение E_э^I11/ Е₃  (К3), которое составит К₃=0,14

  E_э^II1= Е₃* К₃=600*0,14 = 84 МПа

Находим толщину нижнего слоя основания h₄

m₁=E_э ^III1/Е₄=43/280=0,15

m₂= E_э^II1/Е₄=84/280=0,3,

По  номограмме (рис. 1.7.8) найдем отношение h₄/D (m₃) которое составит 0,55.  Тогда h₄ =0.55*39 = 21 см.

Определяем стоимость  дренирующего слоя h₅ и основания h₃ , h_4.            

  С= h₄С₄+ h₃С₃=42*5000+9000*21+8000*22=575 000 руб.

 

 

Проведенные расчеты показывают, что  увеличение толщины верхнего слоя основания  однозначно ведет к падению стоимости. Поэтому дальнейшие расчеты выполнять  нецелесообразно. Принимаем толщину  нижнего слоя основания равной 21 см.

Расчетом по вышеизложенной методике находим толщину верхнего слоя основания  при минимальной толщине щебня  – 22 см.  Получим толщину верхнего слоя 22 см.

Окончательно принимаем конструкцию  с минимальной толщиной песчаного  слоя – 50 см (рис. 1.10.5). Толщина нижнего  слоя основания составит 21 см, верхнего 22 см. Толщина нижнего слоя покрытия 6 см, верхнего 4 см.

      Рис. 1.5.2 - Принятая конструкция дорожной одежды

 

 

1.6 Проверка сдвигоустойчивости  дорожной одежды

В качестве исходной принимаем конструкцию, полученную при расчете по упругому прогибу с учетом коррекции модулей упругости асфальтобетона при 20 градусах.                                

Рис.1.6.1 - Конструкция дорожной одежды для расчета на сдвигоустойчивость

 

Расчет грунта земляного полотна.

Конструкцию дорожной одежды приводим к двухслойной вида                                 (см. рис.1.11.5).

Найдем  расчетное активное напряжение сдвига по формуле (1.11.9)

t_а - найдем по номограмме (рис.1.11.2 или 1.11.3) для этого определим суммарную толщину вышележащих слоев (h_в), отношение (h_в/Д) и средневзвешенный модуль упругости вышележащих слоев (Е_в). Значение модулей упругости асфальтобетона примем при 20 град (табл. 1.7.2).

h_в =42+22+21+6+4=95 см

h_в /Д = 95/39=2,44

Е_в=(4·1200+6·800+22·600+280*21+42·130)/(4+6+22+21+42)=353

Е_в /Е_н=353/11=32,1

Угол внутреннего трения φ_г =4 ^о

По номограмме (рис.1.11.3, h_в /Д≽2) получим что t_а =0,09

По номограмме на рисунке 1.11.4 получим,  что  t_в =0,003 МПа

Подставляя все полученные значения в формулу (1.11.9) получим 

Т_а=0,09·0,6+0,003=0,084 МПа

Определим предельное активное напряжение сдвигу Т_пр в грунте рабочего слоя по формуле 1.11.7.

Т_пр=С·k₁·k₂,

где С – сцепление в грунте земляного полотна (или в песчаном слое), МПа;

       k₁ – коэффициент учета особенностей работы рассчитываемого слоя (грунта) на границе с вышележащим слоем дорожной одежды, принимаемый по таблице 1.11.1;

       k₂ – коэффициент запаса на неоднородность условий работы дорожной одежды, определяемый по графику, представленному на рисунке 1.11.1.

          Сцепление в грунте земляного полотна  с=0,012 МПа.

Коэффициент k₁ составит 6.0 (Табл. 1.11.1). Коэффициент k₂ определим по графику на рисунке 1.11.1.

По формуле (1.11.8) найдем:

N_сут=åN_р/(Т_рдг·T_cл) = 658403/125*8 = 658 авт/сут