ББК 39.311
Р15
УДК 625.7Д8Сканы - бап;
Обработка - Armin.DWG.ruСерия основана в 1985 г.Рецензенты: д-р техн. наук И. Е. Евгеньев, Ю. Н. СлободянюкРедакция литературы по специальным и монтажным работам в
строительствеЗав. редакцией С. Н. Сотниченко
Редактор Т. Ю. КопачевскаяРадовский Б. С. и др.Проектирование дорожных одежд для движения
большегрузных автомобилей / Б. С. Радовский,А.	С. Супрун, И. И. Козаков.— К.: Будивэльнык,
1989.— 168 с.: ил.— (Ученые Украины — нар.
хоз-ву).ISBN 5-7705-0154-5.В книге описаны методы определения напряженно-деформи¬
рованного состояния дорожных одежд под действием подвиж¬
ной нагрузки. Рассмотрены особенности их расчета в условиях
движения большой интенсивности и воздействия большегруз¬
ных транспортных средств, в том числе многоосных автомоби¬
лей большой грузоподъемности. Даны рекомендации по конст¬
руированию дорожных одежд.Для специалистов проектных и дорожно-строительных ор¬
ганизаций.ББК 39.311© Издательство «Будивэльнык», 1989Р15_3203020000—027
М203(04) - 89 15-89ISBN 5-7705-0154-5
ПРЕДИСЛОВИЕОсновными направлениями экономического и социаль¬
ного развития СССР на 1986—1990 годы и на период до
2000 года намечено продолжить дальнейшее развитие
дорожного хозяйства, существенно улучшить эксплуата¬
ционные характеристики автомобильных дорог. В две¬
надцатой пятилетке предусмотрено построить и рекон¬
струировать 167 тыс. км автомобильных дорог с твердым
покрытием, в том числе 75 тыс. км дорог общего поль¬
зования.Одним из наиболее ответственных, сложных и мате¬
риалоемких элементов автомобильной дороги является
ее дорожная одежда. На дорогах с интенсивным движе¬
нием, например на подходах к крупным промышленным
центрам, в умеренных климатических условиях стоимость
1 м2 дорожной одежды составляет 10—15 р., а ее толщи¬
на достигает 80—90 см.Качество дорожной одежды, непосредственно влияю¬
щее на условия и безопасность движения транспорта, оп¬
ределяется множеством факторов. Однако, даже строгое
соблюдение нормативных требований и технологии про¬
изводства работ при строительстве и эксплуатации, как
правило, не в состоянии исправить просчеты, допущен¬
ные на стадии проектирования. Именно эффективность
проектных решений в значительной степени определяет
надежность и долговечность дорожной одежды.Современные методы расчета нежестких дорожных
одежд основаны на расчетной схеме слоистого упругого
полупространства. Применение решений теории упруго¬
сти позволяет рассчитывать дорожные одежды, как и
другие строительные конструкции, на прочность и жест¬
кость. Однако в настоящее время из всего многообразия
свойств дорожно-строительных материалов (вязкость,
пластичность, нелинейность, усталостные и температур¬
ные зависимости, дилатансия и т. д.) в расчете в явном
виде учитывается лишь упругость. Поэтому требуется1*3
совершенствование расчетной схемы дорожных одежд на
основе учета как можно большего числа свойств, прису¬
щих дорожно-строительным материалам и, в первую оче¬
редь, фундаментального свойства вязкости.В предлагаемой книге разъясняются отдельные узло¬
вые положения действующих нормативных документов
по проектированию дорожных одежд. Используя элемен¬
ты вязкоупругого анализа, авторы развивают их приме¬
нительно к конструированию и расчету дорожных одежд
на прочность под тяжелое и интенсивное движение. При
этом рассматривается два класса задач: проектирование
в условиях движения большой интенсивности обычных
грузовых автомобилей общетранспортного исполнения, а
также проектирование новых и оценка прочности сущест¬
вующих конструкций, по которым предполагается еди¬
ничный проезд или регулярное движение многоосных
многоколесных транспортных средств особо большой гру¬
зоподъемности. Применительно к обоим случаям с ис¬
пользованием накопленного отечественного и зарубеж¬
ного опыта даются рекомендации по выбору материалов
слоев и конструированию дорожных одежд. Рассматри¬
вается также вопрос установления соответствия между
постоянно возрастающими осевыми нагрузками автомо¬
билей и капитальностью дорожных одежд.	>-Работая над книгой авторы стремились осветить во¬
просы теории, решение которых способствовало бы раз¬
работке эффективных проектных решений конструкций
дорожных одежд.
ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПОД
ДЕЙСТВИЕМ ПОДВИЖНЫХ НАГРУЗОКПоведение дорожных одежд в процессе эксплуатации
определяется четырьмя фундаментальными реологиче¬
скими свойствами: упругостью, пластичностью, вяз¬
костью и прочностью.Под упругостью дорожной одежды понимают ее спо¬
собность к полному восстановлению деформаций после
приложения вызвавшей их нагрузки. Свойство пластич¬
ности проявляется в том, что деформации могут восста¬
навливаться неполностью. Деформирование происходит с
конечной скоростью, зависящей от вязкости материалов
слоев и грунта. Прочность — это способность дорожной
одежды работать без нарушения сплошности монолит¬
ных, в первую очередь, верхних слоев и без необратимых
сдвигов в несвязных слоях и грунте.Поскольку скорость деформирования конечна, т. е.
фактор вязкости проявляется всегда, то конструкция до¬
рожной одежды может работать в вязкоупругой либо
вязкоупругопластической стадии.Вязкоупругие свойства наиболее заметно проявляют¬
ся зимой при низких отрицательных температурах, ког¬
да жесткость всех слоев особенно велика и деформации
практически полностью обратимы. В период весеннего и
осеннего влагонакопления существенно снижается несу¬
щая способность грунта земляного полотна и нижних
слоев основания. Поэтому несмотря на то, что жесткость
верхних слоев, содержащих органическое вяжущее, еще
остается значительной, существует вероятность перехода
конструкции в стадию упругопластичности, т. е. образо¬
вания колеи, проломов и просадок покрытия в результа¬
те необратимых сдвигов в нижних слоях и грунте. Летом
наблюдается противоположное: несущая способность
нижних слоев и грунта, как правило, значительна, одна¬
ко из-за воздействия высоких температур снижается же¬
сткость органосодержащих слоев (например, асфальто-
и Дегтебетонных покрытий), а, следовательно, сохраня-5
ется опасность перехода конструкции в вязкоупругопла¬
стическую стадию. Признаком работы дорожной одежды
в этой стадии в летний период является колея, волны и
наплывы на поверхности покрытия. 'Степень проявления каждого из реологических свойств
зависит не только от температурно-влажностного режи¬
ма, но и от режима приложения и параметров нагрузок,
действующих на дорожную одежду. Влияние этих факто¬
ров во многом подобно. Например известно, что наибо¬
лее часто колея на поверхности асфальтобетонных по¬
крытий образуется в местах остановок и стоянок транс¬
портных средств, т. е. там, где к покрытию прилагаются
длительно действующие (медленно движущиеся либо не¬
подвижные) нагрузки, причем процесс колееобразования
происходит круглогодично. Перегонные же участки ав¬
томобильных дорог наиболее подвержены колееобразо-
ванию в летний период, особенно на спусках и подъемах,
обращенных на южную, солнечную сторону. Иными сло¬
вами, влияние повышенной температуры равноценно уве¬
личению времени действия нагрузок. Это утверждение
выражает основную идею метода температурно-времен-
ной аналогии.Применительно к конструкциям дорожных одежд
можно предположить также существование следующих
аналогий: нагрузочно-временной (один и тот же прогиб
может быть получен или вследствие увеличения самой
нагрузки или длительности ее воздействия, чтобы мате¬
риал мог в полной мере проявить свойство ползучести);
влажностно-временной (один и тот же прогиб может
быть получен при повышении влажности грунта земля¬
ного полотна или увеличении времени воздействия на¬
грузки); влажностно-температурной (при постоянной на¬
грузке один и тот же прогиб можно получить, повысив
влажность грунта или температуру слоев, содержащих
органическое вяжущее).Очевидно, для адекватного описания механического
поведения дорожной одежды количество используемых
в расчете деформативных и прочностных параметров
должно быть по крайней мере не меньше числа фунда¬
ментальных реологических свойств (четыре). Но, кроме
того, дорожно-строительные материалы и грунты прояв¬
ляют еще и свойства нелинейности, анизотропии, дила-
тансии и др. Поэтому обоснованное назначение деформа¬
тивных и прочностных характеристик дорожно-строи¬
тельных материалов — одна из важнейших задач меха¬
ники дорожных одежд.6
В настоящее время действующим нормативным доку¬
ментом ВСН 46-83 [2] введены две расчетные схемы —
динамическая и статическая и, соответственно, два типа
модуля упругости. Это объясняется тем, что одним зна¬
чением модуля упругости принципиально невозможно до¬
статочно точно охарактеризовать деформативные свойст¬
ва дорожно-строительных материалов во всем реальном
диапазоне скоростей нагружения и температур. Главная
причина этого — зависимость названных свойств от дли¬
тельности нагружения, особенно сильно проявляющаяся
у материалов, содержащих органическое вяжущее, а так¬
же у глинистых грунтов. Поэтому введение в инструк¬
ции ВСН 46-83 двух расчетных схем можно рассматри¬
вать как элемент вязкоупругой расчетной схемы.1.1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖДПРИ ДВИЖЕНИИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВОдним из основных факторов, определяющих напря¬
женно-деформированное состояние дорожной одежды,
является скорость движения транспортного средства.Для всех конструкций дорожных одежд характерно
монотонное снижение прогибов с ростом скорости дви¬
жения нагрузки (рис. 1, а). Это объясняется тем, что с
увеличением скорости длительность напряженного со¬
стояния дорожной одежды в каждой ее точке как бы
уменьшается и из-за вязкости материалов слоев и грун¬
та земляного полотна их модули упругости увеличивают¬
ся, а значит возрастает и общий модуль упругости кон¬
струкции.В отличие от прогиба поверхности вертикальные нор¬
мальные напряжения ог на границах между слоями, в
том числе и давление на грунт, зависят не от общего, а
от относительного модуля слоев, т. е. отношения сред¬
него модуля упругости вышележащих слоев к общему
модулю нижележащих: чем больше это отношение, тем
меньше az, и наоборот. Степень же увеличения модуля
упругости материала с увеличением скорости определя¬
ется его релаксационной способностью, т. е. способностью
к самопроизвольному уменьшению напряжений при по¬
стоянной деформации. Мерой этой способности может
служить отношение мгновенного модуля упругости к дли¬
тельному Ео/Есо. Если материал покрытия и основания
отличается большей способностью к релаксации, чем
грунт земляного полотна, то с увеличением скорости дви-
ения нагрузки давление на грунт будет падать (рис. 1,7
Рис. 1. Зависимость прогиба покрытия иг (а) и вертикаль¬
ных напряжений на поверхности грунта земляного полотна
Ог (б) под центром движущейся нагрузки от скорости.В цементобетонах и укрепленных неорганическими вя¬
жущими грунтах релаксация напряжений проявляется
слабее, чем в суглинистых грунтах земляного полотна.
Поэтому в дорожных одеждах с покрытиями и основа¬
ниями из таких материалов при увеличении скорости
движения относительный модуль упругости на границе
слоев дорожной одежды и грунта будет снижаться, а
максимальное давление на грунт — возрастать [6].Скорость движения нагрузки влияет также на растя¬
гивающие напряжения и деформации в покрытии. Когда
условия взаимодействия на границе покрытия с основа¬
нием приближаются к характерным для гладкого кон¬
такта, то с увеличением скорости горизонтальное нор¬
мальное напряжение от растяжения по подошве асфаль¬
тобетонного покрытия возрастает, а относительная де¬
формация снижается. Однако растягивающие напряже¬
ния по подошве асфальтобетонного покрытия могут и не
возникать, если между слоями обеспечено хорошее сце¬
пление, и модуль упругости материала покрытия при
большой длительности воздействия нагрузки меньше мо¬
дуля упругости материала основания. Именно этим объ¬
ясняется то, что тонкослойные асфальтобетонные покры¬
тия на щебеночных основаниях (если обеспечена сдвиго-
устойчивость грунта земляного полотна) могут выдер¬
жать без образования трещин медленно движущуюся и
даже неподвижную нагрузку, хотя прочность асфальто-8б), поскольку возрастание модулей упругости покрытия
и основания, обусловленное уменьшением длительности
действия нагрузки, будет происходить быстрее, чем в
грунте, и, следовательно, относительный модуль также
будет возрастать. Такое поведение характерно, в первую
очередь, для дорожных одежд, у которых верхние слои
содержат органические вяжущие.
бетона на растяжение снижается с увеличением длитель¬
ности ее воздействия. Поэтому при проектировании до¬
рожных одежд для проезда многоосных большегрузных
транспортных средств целесообразно предусматривать
мероприятия, способствующие повышению модуля ще¬
беночных оснований, например, расклинку доменным
шлаком или пропитку цементно-песчаной смесью.Данные экспериментов, а также результаты расчетов
дорожных одежд на действие подвижной нагрузки пока¬
зывают, что если автомобиль движется со скоростью
свыше 30—40 км/ч, напряжения и прогибы несуществен¬
но зависят от скорости. Влияние скорости на напряже¬
ния и прогибы наиболее заметны при малых ее значе¬
ниях (до 10 км/ч), характерных для многоосных больше¬
грузных транспортных средств.Это объясняется тем, что зависимость между време¬
нем нагружения и соответствующим ему значением мо¬
дуля упругости носит нелинейный характер: она тем
сильнее, чем меньше время нагружения. Характер этой
зависимости определяется видом материала. Наиболее
значительно длительность действия нагрузки отражается
на деформативных характеристиках материалов, содер¬
жащих органические вяжущие. Модуль упругости неко¬
торых асфальто- и дегтебетонов, например, при перехо¬
де от практически мгновенного нагружения (10~6 с) к
длительному воздействию (более 104 с) может изменять¬
ся в 100—1000 раз. Модуль упругости грунтов меняется
не более чем в 5—6 раз, а материалов, укрепленных не¬
органическими вяжущими, и неукрепленных материа¬
лов— в 1,1—1,5 раза. Неодинаковое изменение модулей
упругости покрытия и основания является, как уже отме¬
чалось, причиной зависимости напряжений в слоях до¬
рожной одежды и грунте от скорости движения нагруз¬
ки. Так, при изменении скорости от 0 до 5 км/ч (что на
уровне грунта земляного полотна соответствует длитель¬
ности действия нагрузки приблизительно 2—4 с), модули
упругости асфальтобетонных слоев возрастают в среднем
в 10—15 раз, а модули упругости основания и грунта —
в 1,05—1,10 раз. В то же время при изменении скорости
движения нагрузки от 5 до 100 км/ч эти модули увели¬
чатся в среднем лишь соответственно в 2—3 и 1,05—
1,50 раза. Поэтому влияние скорости на напряжения и
прогибы наиболее ощутимы при малых скоростях дви¬
жения.Еще большее значение для напряженно-деформирован-
ного состояния дорожной одежды имеет сам фактор дви¬9
жения транспортного средства. Отличие напряженно-де-
формированного состояния, вызванного действием непо¬
движной нагрузки и нагрузки движущейся, очень велико.
Так, для дорожной одежды с асфальтобетонным покры¬
тием и толстослойным (20 см) асфальтобетонным осно¬
ванием даже при температуре 0°С через 10—15 мин пос¬
ле остановки прогиб под центром отпечатка колеса при¬
близительно в 4 раза превышает прогиб при движении
этой же нагрузки со скоростью 5 км/ч. При этом прогиб
аналогичной конструкции с дегтебетонным основанием
такой же толщины был почти в 1,5 раза меньше.Рис. 2. Деформации нижней по¬
верхности асфальтобетонного ос¬
нования вдоль оси движения на¬
грузки.Расчеты дорожных одежд показывают, что под цен¬
тром движущейся нагрузки продольные гх и поперечные
еу деформации не равны между собой. Точно так же не
равны и соответствующие им напряжения ах и оу. При
этом максимум напряжений и деформаций смещен по от¬
ношению к центру нагруженной круговой площадки в
сторону, противоположную направлению движения.Различие по значению продольных и поперечных де¬
формаций является одним из проявлений «механической
памяти» дорожно-строительных материалов, в основе ко¬
торой также лежит свойство вязкости [10]. В самом де¬
ле, если сопоставить эпюры гх и гу по нижней поверхно¬
сти асфальтобетонного основания вдоль оси движения
нагрузки х (рис. 2), то окажется, что при */г>4,75 (г—
радиус нагруженного круга) деформации е* — сжимаю¬
щие, а при дг/г<4,75 — растягивающие (в точке х/гяз
«4,75 меняется знак кривизны — сжатие переходит в
растяжение). Деформации же еу нигде не меняют знак —
они всюду только растягивающие.Если бы материалы слоев и грунт проявляли только
упругие свойства, то напряженно-деформированное со¬
стояние дорожной одежды в каждый момент времени
однозначно определялось бы положением нагрузки и ее
значением в этот момент. Однако в результате проявле¬
ния вязкости напряжения и деформации зависят также
и от «истории» нагружения, т. е. от того, какие напряже¬
ния и деформации действовали в рассматриваемой точкеЮ
до текущего момента времени, какова была их длитель¬
ность и в какой последовательности они прикладыва¬
лись. Поэтому то обстоятельство, что при х/г>4,75 де¬
формации е* отрицательны (сжимающие), фиксируется
«механической памятью» конструкции. В результате
эпюра гх как бы опускается вниз по сравнению с эпюрой
еу. Таким образом, вдоль всей оси движения гу>гх.
Отличие между гу и е* тем больше, чем ближе располо¬
жена рассматриваемая точка к участку перемены знака
х/г да 4,75. При удалении от этого участка материал по¬
степенно как бы «забывает» о происшедшей перемене
знака. В итоге в поперечном направлении асфальтобе¬
тонное основание под действием движущейся нагрузки
растягивается больше, чем в продольном, и это при мно¬
гократных повторных проездах колес автотранспортных
средств приводит к возникновению первичной продоль¬
ной трещины по полосе наката.Нагрузка, передаваемая транспортным средством в
процессе движения на покрытие, непрерывно меняется
по значению в довольно широком интервале. Это объяс¬
няется прежде всего наличием неровностей и других де¬
фектов на поверхности покрытия.При расчете дорожных одежд колебания колесной на¬
грузки, как правило, учитывают, умножая значения нор¬
мативной статической нагрузки от колеса на коэффи¬
циент динамичности Кл• Он представляет собой отноше¬
ние наибольшего амплитудного значения колесной на¬
грузки к значению нагрузки, передаваемой колесом по¬
крытию в состоянии покоя.Зависимость коэффициента динамичности от скорости
движения можно выразить в виде/Сд = 0,5(3-*-<>.>«),	(1)где v — скорость, м/с.Этой формуле соответствуют следующие значения Кд:При таком подходе к расчету на действие динамически
меняющейся нагрузки учитывается лишь один ее пара¬
метр — амплитуда, но совершенно не принимается во11км/ч1,3952,78104,17155,56208,3330Кд1,061,121,171,211,28м/с
V' "км/ч11,114013,895016,676022,228027,78ГООКд1,341,381,411,451,47
Рис. 3. Влияние колебаний движу¬
щейся нагрузки на растягивающее
напряжение в асфальтобетонном
покрытии:/ — постоянная нагрузка; 2 — перемен¬
ная нагрузка.12внимание другой — частота. О том, что частота колеба¬
ний движущейся нагрузки может существенно влиять на
напряженно-деформированное состояние дорожной одеж¬
ды, свидетельствуют данные расчетов, приведенные на
рис. 3.Горизонтальные нормальные напряжения по подошве
асфальтобетонного покрытия рассчитаны в данном слу¬
чае от действия нагрузок двух типов. Первая из них —
переменная по значению, главный вектор которой меня¬
ется во времени t по законуQ (0 = Qo + Qi ■ cos2 ((at),	(2)где Qo — нагрузка на покрытие в состоянии покоя; Q =
= Q„+Q,— амплитудное (максимальное) значение на¬
грузки; со — круговая частота колебаний нагрузки.При расчетах принимали Q0=0,0490 МН, Qi =
=0,0147 МН. Этим значениям соответствует амплитуд¬
ная нагрузка Q=0,0490+0,0147=0.0637 МН и коэффи¬
циент динамичности ka=0,0637/0,0490= 1,3. По данным
П. И. Теляева и Ю. И. Смирнова, независимо от скоро¬
сти движения автомобиля область частот колебаний ко¬
лесной нагрузки f находится в пределах 0—20 Гц, а мо¬
дальная частота основной гармоники составляет 2—4 Гц.
Поэтому в формуле (2) ©=25,133 с-1, что соответствует
f=4 Гц. В рассматриваемом случае предполагалось, что
колебания значения нагрузки влияют только на размеры
отпечатка колеса, а удельное давление на покрытие по¬
стоянно (р=0,5392 МПа). Напряженно-деформирован¬
ное состояние определяли в момент, когда нагрузка, про¬
ходя над рассматриваемой точкой, принимает макси¬
мальное значение.Вторая нагрузка — постоянна. Ее главный вектор
Q(t) =0,0637 МН равен наибольшему значению первой
нагрузки. Естественно, что для второй нагрузки &д=1,0.На рис. 3 показано, как колебания движущейся на¬
грузки влияют на поперечные горизонтальные нормаль¬
ные напряжения в покрытии при различных скоростях.
Следует отметить, что в данном случае влияние скоро¬
сти сказывается не только на значении напряжений, но и
на их знаке — с возрастанием скорости растягивающие
напряжения уменьшаются до нуля и переходят в сжи¬
мающие. Это можно объяснить изменением положения
нейтральной оси дорожной одежды — приближением ее
к поверхности покрытия с увеличением относительной
жесткости слоев.Из рис. 3 следует, что растягивающие напряжения от
действия постоянной по значению движущейся нагрузки
больше, чем от движущейся и колеблющейся. Объяснить
это можно так называемой «механической памятью» ма¬
териалов. Действительно, несмотря на то, что в расчет¬
ный момент времени значения двух нагрузок совпадают,
одна из них до этого все время была постоянной, а вто¬
рая периодически колебалась. Эти колебания «запомни¬
лись» материалом конструкции и в результате итоговые
напряжения от действия переменной нагрузки получи¬
лись меньше, чем от действия нагрузки, значение кото¬
рой не менялось во времени.В диапазоне частот колебаний обычных грузовых ав¬
томобилей общетранспортного исполнения влияние ча¬
стоты колебаний на напряженно-деформированное со¬
стояние дорожной одежды незначительно. Увеличение
же коэффициента динамичности с возрастанием скорости
изменяет характер ее влияния на напряжения, переме¬
щения и деформации. Это проявляется во взаимодейст¬
вии двух противоположных тенденций: возрастании ам¬
плитуды колеблющейся нагрузки (из-за увеличения ско¬
рости) , вследствие чего прогиб увеличивается, и влиянии
вязких свойств, проявляющемся в уменьшении прогиба.
В результате возникает слабый минимум в зависимостях
прогиба и вертикального напряжения от скорости дви¬
жения при у=4...8 км/ч и происходит постепенное уве¬
личение прогиба и напряжения при о>8 км/ч. Кроме то¬
го, если при нагрузке, движущейся без колебаний, зна¬
чения изгибных деформаций в асфальтобетонном основа¬
нии убывают с возрастанием скорости, хотя изгибные на¬
пряжения при этом увеличиваются, то при движущейся
и колеблющейся нагрузке (см. формулу (1) с увеличе¬
нием скорости от 20 до 100 км/ч возрастают как изгиб¬
ные деформации, так и напряжения.Таким образом, целесообразно дифференцировать ко¬
эффициенты динамичности для расчета дорожной одеж¬
ды на прочность по различным критериям предельного
состояния.13
Конструкции одежд автомобильных дорог рассчитыва¬
ют так, чтобы в процессе эксплуатации они работали в
стадии обратимых деформаций. Тем не менее, как пока¬
зывает опыт, в ряде случаев на их поверхности все же
накапливаются остаточные деформации в виде колеи.
В некоторых странах при проектировании дорожной
одежды допускаемая глубина колеи Адоп принимается в
качестве расчетного критерия. При этом значение клоп
устанавливают исходя из условий безопасности (исклю¬
чение аквапланирования) и комфортности езды. Напри¬
мер, в Великобритании установлена допускаемая глуби¬
на колеи 10, а во Франции 15 мм.Если принять, что срок службы покрытия до капиталь¬
ного ремонта составляет 10 лет, то среднее приращение
глубины колеи в результате проезда одного автомобиля
имеет порядок 10-5 — 10-6 мм. Это значение примерно в
100 раз меньше чувствительности датчиков, применяю¬
щихся для измерения вертикальных перемещений. Поэ¬
тому экспериментальные данные обычно свидетельству¬
ют о том, что при уровнях напряжения, соответствующих
воздействию расчетных автомобилей групп А и Б, про¬
гибы дорожных одежд обратимы. Так, на рис. 4, а по-Рис. 4. Очертание изогнутой поверхности покрытия при проезде
автомобиля ЗИЛ-133 Г1 (а) и давление на грунт земляного по¬
лотна при проезде автомобиля КамАЭ-5320 с прицепом
ГКБ-8350 (б):1—5 — оси транспортного средства.14
казано очертание изогнутой поверхности дорожного по¬
крытия при проезде автомобиля ЭИЛ-133Г1, полученное
в ходе натурных испытаний. При расстоянии между пер¬
вой и третьей осью немногим более 5 м общая длина
«чаши прогиба» составляет примерно 15 м. Однако де¬
формации обратимы: после удаления нагрузки положе¬
ние поверхности покрытия в пределах точности измере¬
ний совпадает с положением этой поверхности в нена-
груженном состоянии. В данном случае чувствительность
датчика прогиба составляла 0,005 мм.При действии на дорожную одежду нагрузки от коле¬
са неподвижного автомобиля возникающее в ней напря¬
женно-деформированное состояние близко к осесиммет¬
ричному. Это означает, что напряжения и прогибы на
одинаковом расстоянии от центра нагруженной площади
равны между собой.С началом движения уже при самых малых скоростях
поле напряжений, деформаций и перемещений резко ме¬
няется и становится асимметричным относительно цен¬
тра отпечатка движущегося колеса (рис. 4).Тот факт, что эпюры напряжений, перемещений и де¬
формаций не симметричны относительно вертикальной
оси, проходящей через центр движущейся нагрузки, а
вытянуты в сторону, противоположную направлению
движения, является следствием вязкоупругого запазды¬
вания дорожной одежды — свойства, присущего всем
конструкциям из вязкоупругих материалов. В данном
случае это свойство проявляется в том, что при прибли¬
жении нагрузки к некоторой точке дорожной одежды ма¬
териал в ней как бы «не желает» включаться в работу,
деформации запаздывают и не соответствуют возраста¬
ющей нагрузке. После проезда нагрузки материал стре¬
мится подольше сохранить напряженное и деформиро¬
ванное состояния и вновь «запаздывает», но уже с вос¬
становлением деформаций.Вязкие свойства материалов конструкции проявляются
также в отставании максимумов прогибов и напряжений
от центра движущейся нагрузки. Экспериментально из¬
меренное расстояние между точкой с максимальным про¬
гибом покрытия и центром отпечатка колеса на покры¬
тии мало зависит от скорости и составляет 3—7 см.Поскольку точка с максимальным прогибом находится
сзади центра нагруженной площади, в процессе движе¬
ния этот центр как бы въезжает на наклонную плос¬
кость, хотя высотное положение центра нагруженной
площади при этом не меняется. Это вызывает появление15
сопротивления движению, зависящего от вязкоупругих
свойств дорожной конструкции. Расчеты показывают,
что влияние этого сопротивления по сравнению с влия¬
нием гистерезисных потерь в шинах, аэродинамическим
сопротивлением движению автомобиля, влиянием неров¬
ностей покрытия и продольного уклона невелико и со¬
ставляет около 0,03 %. Это обусловленное асимметрич¬
ностью деформированной поверхности покрытия сопро¬
тивление движению нагрузки существует независимо от
ровности покрытия и вызывает дополнительные затраты
энергии на движение транспортного средства.„ Один из наиболее эффективных способов снижения
уровня напряженно-деформированного состояния дорож¬
ных одежд состоит в увеличении числа осей автотранс¬
портных средств и применении колес со спаренными ши¬
нами (баллонами). Это является одной из причин того,
что в общей массе транспортных средств непрерывно
увеличивается доля многоосных автомобилей, прицепов
и полуприцепов с числом осей три и более. Особенности
поведения дорожных одежд под воздействием таких
транспортных средств непременно должны учитываться
и при расчете дорожных одежд на прочность.Применение спаренных баллонов позволяет рассредо¬
точить колесную нагрузку по поверхности покрытия.
Так, данные испытаний одиночных и спаренных колес
большегрузных транспортных средств показали, что при
одинаковой колесной нагрузке прогибы поверхности по¬
крытия и вертикальные нормальные напряжения на по¬
верхности грунта под одиночным колесом в среднем со¬
ответственно в 1,6—1,7 и 1,4—1,5 раза больше, чем под
каждым из баллонов спаренного колеса. Это означает,
что допустимая нагрузка на ось со спаренными колеса¬
ми может быть повышена на 40—50 % по сравнению с
допустимой нагрузкой на ось с одиночными колесами без
ухудшения условий работы дорожной одежды.В этих экспериментах колесную нагрузку варьировали
в пределах от 25 до 125 кН, давление воздуха в шинах
специально задавали одинаковым и равным 0,50 МПа.
Вместе с тем, у большегрузных транспортных средств,
использовавшихся в ходе испытаний, баллоны спаренных
колес были расставлены сравнительно далеко друг от
друга — на расстоянии /=90 см, при относительном рас¬
стоянии //£)=2,5...4,0, где D—диаметр круга, равнове¬
ликого отпечатку каждого из баллонов. У транспортных
средств группы А типа МАЗ-500 и КрАЗ-257 это расстоя¬
ние намного меньше: l/D= 1,3...1,9. Очевидно именно по¬16
этому давление на грунт от действия их одиночных и
спаренных баллонов практически одинаково.Полученные результаты легко объяснимы с позиций
принципа Сен-Венана. Применительно к механике до¬
рожных одежд этот принцип проявляется в том, что ха¬
рактер распределения колесной нагрузки на поверхности
покрытия (одиночный или спаренные баллоны, удельное
давление на покрытие, размеры и форма отпечатка ко¬
леса) существенно влияют на напряженно-деформи¬
рованное состояние лишь в пределах некоторой ограни¬
ченной зоны. Вне этой зоны значение имеет лишь глав¬
ный вектор нагрузки, т. е. собственно значение нагрузки
на колесо. Размеры зоны влияния зависят от конструк¬
ции дорожной одежды и не одинаковы для различных
напряжений, перемещений и деформаций.Эффект спаренности проявляется тем сильнее, чем
меньше толщина и жесткость слоев дорожной одежды,
т. е. чем ниже ее распределяющая способность.Полученные результаты свидетельствуют о целесооб¬
разности рассчитывать дорожную одежду не на нагруз¬
ку, распределенную по одной площадке, равновеликой
сумме площадей отпечатков двух шин, а на нагрузку,
распределенную по двум площадкам с учетом расстояния
между ними.Кроме того, эти данные показывают, что нормируемое
значение допустимой нагрузки на ось не является одно¬
значной характеристикой уровня воздействия транспорт¬
ного средства на дорожную одежду. Рационально раз¬
местив колеса по колее, можно добиться уменьшения
наибольшего уровня напряженно-деформированного со¬
стояния при данной осевой нагрузке либо повысить осе¬
вую нагрузку без изменения максимального уровня на¬
пряженного состояния дорожной одежды.Увеличение числа осей транспортного средства позво¬
ляет намного облегчить условия работы дорожной одеж¬
ды. Необходимо учесть, однако, что оси транспортных
средств оказывают заметное влияние на прогибы и на¬
пряжения друг под другом. Это влияние проявляется тем
сильнее, чем меньше межосевое расстояние, и приводит
к отличию максимальных значений напряжений, переме¬
щений и относительных деформаций при проезде впере¬
ди и позади идущих осей.Поскольку как вертикальные напряжения, так и вер¬
тикальные деформации за движущимся колесом больше,
чем перед ним, то при последовательном проезде двух
равнонагруженных колес максимальное вертикальное17
напряжение и перемещение под сзади идущим колесом
должно быть больше, чем под впереди идущим.На рис. 4 видно, что вертикальные перемещения и на¬
пряжения, вызванные второй и третьей осями, наклады¬
ваются. Вместе с тем, влияние колес второй оси на на¬
пряжения и перемещения под колесами третьей больше,
чем влияние колес третьей оси на напряжения и переме¬
щения под колесами второй, хотя нагрузки на эти колеса
равны между собой.Таким образом, вследствие проявления вязких свойств
в интервале между проездами близко расположенных
друг от друга смежных осей автотранспортных средств
вертикальные перемещения от действия передней по хо¬
ду движения колесной нагрузки не успевают восстано¬
виться к моменту приближения следующей за ней на¬
грузки, т. е. к этому моменту в дорожной одежде не ус¬
певает установиться начальное недеформированное со¬
стояние, хотя возникающие в дорожной одежде напря¬
жения и прогибы практически полностью обратимы. По¬
этому при равных нагрузках на колеса смежных осей
максимальные вертикальные напряжения и перемещения
под задним колесом больше, чем под передним.По результатам стендовых и натурных испытаний до¬
рожных одежд нагрузками от реальных транспортных
средств можно заключить, что при межосевых расстоя¬
ниях, характерных для многоосных автомобилей (1,2—
1,8 м), такое отличие в уровнях напряженно-деформиро-
ванного состояния составляет в среднем 10—20 %.Влияние группы сближенных осей транспортного сред¬
ства на напряженно-деформированное состояние дорож¬
ной одежды может быть оценено по данным о напряжен-
но-деформированном состоянии под действием одиночной
оси. К этому выводу можно прийти, анализируя резуль¬
таты эксперимента, поставленного на кольцевом испыта¬
тельном стенде (рис. 5).Рис. 5. Экспериментальная проверка применимости принципа су¬
перпозиции:1—4 — очертания изогнутой поверхности покрытия.18
Эксперимент состоял в том, что с помощью датчика
вертикальных перемещений сначала измеряли прогибы,
возникавшие при проезде двухосного транспортного
средства группы А с нагрузкой 22 кН на переднее (с од¬
ной шиной) колесо и 45 кН на заднее (со спаренными
шинами) при скорости движения 27 км/ч. Изменение пе¬
ремещений («чаша прогиба») при проезде такого двух¬
осного транспортного средства показано кривой 1. Кри¬
вая 2 на этом же рисунке соответствует проезду одной
задней оси с нагрузкой на колесо (со спаренными ши¬
нами) 45 кН. Эта кривая специально смещена на 1,4 м
относительно кривой 1 в сторону, противоположную на¬
правлению движения. Кривая 3 получена сложением ор¬
динат кривых 1 и 2, чтобы предсказать очертание изог¬
нутой поверхности покрытия при движении трехосного
транспортного средства с расстоянием 1,4 м между вто¬
рой и третьей осями.При идентичном водно-тепловом режиме конструкции
были измерены прогибы, возникавшие при проезде со
скоростью 27 км/ч трехосного транспортного средства
группы А с нагрузками 22 кН на колесо первой оси и
45 кН на каждое колесо второй и третьей оси, располо¬
женных на расстоянии 1,4 м друг от друга (такие нагруз¬
ки и межосевые расстояния соответствуют автомобилю
КрАЗ-257). Измеренные прогибы показаны кривой 4.Поскольку кривая 3 практически совпадает с экспери¬
ментальной кривой 4, можно заключить, что достаточно
точная информация о прогибах дорожной одежды под
действием нескольких равнонагруженных осей движуще¬
гося транспортного средства может быть получена на ос¬
нове принципа суперпозиции.К аналогичному выводу можно прийти также, анализи¬
руя данные эксперимента, подобного описанному выше,
в котором измеряли не прогибы поверхности, а давление
на грунт земляного полотна.Возможность применения принципа суперпозиции яв¬
ляется важным доказательством линейного поведения
дорожных одежд в расчетном интервале нагрузок, т. е.
пропорциональной зависимости между нагрузками и вы¬
зываемыми ими напряжениями, перемещениями и дефор¬
мациями.Эти результаты свидетельствуют о том, что при дви¬
жении группы из более чем двух равнонагруженных рав¬
ноудаленных осей прогибы и вертикальные напряжения
в дорожной одежде под колесами второй, третьей и пос¬
ледующих осей будут превышать прогибы и вертикаль-19
ные напряжения под одиночной осью с нагрузкой, рав¬
ной номинальной нагрузке на каждую ось группы. По¬
этому нагрузка, на которую рассчитывается дорожная
одежда, предназначенная для проезда многоосного авто¬
мобиля, должна превышать номинальную нагрузку, пе¬
редаваемую колесом на поверхность дорожного покры¬
тия. Насколько именно превышать — зависит от ряда
факторов, важнейшими из которых являются: межосевое
расстояние, размер отпечатка колеса на покрытии, капи¬
тальность дорожной одежды и скорость движения авто¬
мобиля. Для выяснения характера влияния этих факто¬
ров и построения соответствующих расчетных зависимо¬
стей Потребовалось выполнить специальную серию экс¬
периментов.Как уже отмечалось, принцип суперпозиции позволяет
характеризовать уровень напряженно-деформированного
состояния дорожной одежды при проезде группы из двух
и более равнонагруженных сближенных осей, имея ин¬
формацию о проезде одной из них. Поэтому достаточно
было исследовать влияние различных факторов на фор¬
му эпюр относительных напряжений, прогибов и дефор¬
маций (т. е. отношений значений этих величин в каждой
точке сечения к максимальному значению) в дорожной
одежде от действия одиночного колеса.Оказалось, что зависимость напряжений, прогибов и
деформаций от скорости движения впереди и сзади ко¬
леса такая же, как и под центром его отпечатка: с воз¬
растанием скорости эти величины, как правило, умень¬
шаются, если конструкция дорожной одежды имеет слои
из материалов, обработанных органическими вяжущими.
В итоге очертания эпюр перемещений, напряжений и от¬
носительных деформаций зависят от скорости слабо, хо¬
тя на абсолютные их значения скорость влияет сущест¬
венно.Расчеты на ЭВМ показывают, что с увеличением ско¬
рости форма эпюр становится более пологой, но это из¬
менение настолько незначительно, что может не прини¬
маться во внимание при инженерных расчетах.Такой вывод справедлив лишь для случая, когда
транспортное средство находится в состоянии движения.
Если же нагрузка, действующая на дорожную одежду
со слоями, содержащими органическое вяжущее, непо¬
движна, то модули упругости этих слоев уменьшаются
значительнее, чем модули упругости грунта, относитель¬
ная жесткость конструкции уменьшается, а, значит,
уменьшается и ее распределяющая способность. По этой20
причине эпюры компонент напряженно-деформированно¬
го состояния от действия неподвижной нагрузки намного
круче, чем от нагрузки движущейся. Это отличие уже
нельзя не учитывать при расчетах на прочность.Поскольку формы эпюр напряжений, перемещений и
деформаций практически не зависят от скорости движе¬
ния, то взаимное влияние колес сближенных осей транс¬
портного средства на напряженно-деформированное со¬
стояние дорожной одежды может быть охарактеризовано
единым графиком. Для расчетов же на действие непод¬
вижного транспортного средства должен быть преду¬
смотрен особый график.Размеры отпечатка колеса на поверхности покрытия
определяются значением нагрузки, давлением воздуха в
шине и типом шины.Влияние нагрузки, передаваемой колесом движущего¬
ся автотранспортного средства, на возникающие в до¬
рожной одежде напряжения, перемещения и относитель¬
ные деформации отражается на значениях этих величин
как под центром отпечатка колеса, так и на расстоянии
от него. Зависимость максимальных вертикальных пере¬
мещений и напряжений в грунте под центром отпечатка
колеса близка к линейной.С увеличением нагрузки на колесо (при постоянном
давлении воздуха в шине) прогибы на некотором рас¬
стоянии впереди и позади колеса растут несколько быст¬
рее, чем под центром его отпечатка на покрытии (рис. 6).
Это можно объяснить увеличением размера отпечатка
колеса с увеличением нагрузки. Вместе с тем, размах ко¬
лебаний экспериментальных значений иг(х)/иг(0) допус¬
кает определение средней кривой с погрешностью, кото¬
рая для практических целей может оказаться приемле¬
мой. Разброс точек относительно средней кривой можно
уменьшить, отложив по оси абсцисс не расстояние х, а
отношение расстояния к диаметру круга, равновеликого
отпечатку колеса.Возможность для дорожной одежды определенной кон¬
струкции пользоваться при различных нагрузках на ко¬
лесо единым графиком, характеризующим очертания
продольных эпюр прогибов поверхности покрытия, верти¬
кальных напряжений в грунте, растягивающих дефор¬
маций подтверждена серией экспериментов на кольцевом
испытательном стенде. Это позволяет приближенно ха¬
рактеризовать взаимное влияние впереди и сзади иду¬
щих колес сближенных осей транспортного средства на
напряженно-деформированное состояние дорожной одеж¬21
ды под каждым из этих колес единым графиком при раз¬
личных нагрузках на колесо.Большое влияние на напряжения и прогибы дорожных
одежд оказывает давление воздуха в шинах транспорт¬
ного средства (см. рис. 4, б): при движении автомобиля
КамАЭ-5320 вертикальное нормальное напряжение на по¬
верхности грунта земляного полотна под колесами пер-22Рис. 6. Влияние нагрузки, передаваемой колесом движущегося
транспортного средства, на отношение вертикальных перемеще¬
ний поверхности покрытия к максимальному перемещению:1—3 — нагрузка 43, 65 и 88 кН.вой оси в среднем в 1,23 раза выше, чем под колесами
второй и третьей, в то время как нагрузка на это колесо
на 25 % меньше. Это можно объяснить тем, что давле¬
ние воздуха в шине переднего колеса 0,72, а в шинах
задних колес 0,44 МПа, т. е. удельное давление на по¬
крытие под передним колесом примерно в 1,6 раза выше,
чем под задним. В данном случае измерения проводили
на сравнительно тонкой дорожной одежде с относитель¬
ной толщиной H/D= 1,5. На более толстой дорожной
одежде с H/D = 3,3 при уменьшении в два раза диамет¬
ра нагруженной площадки и соответствующем четырех¬
кратном увеличении ее интенсивности (т. е. при неизмен¬
ной полной нагрузке) растягивающие напряжения в ас¬
фальтобетонном покрытии возрастают в 7,5 раза, в то
время как вертикальные сжимающие напряжения на по¬
верхности грунта земляного полотна практически не ме¬
няются (по данным К. Джеррарда и Л. Вардла). Следо¬
вательно, если с точки зрения разрушающего действия
на покрытие важную роль играет давление в контакте,
то для грунта земляного полотна существенна, в первую
очередь, общая величина нагрузки на покрытие.Аналогично (по данным А. О. Салля) влияние кон¬
тактного давления заметно отражается на значении про¬
гиба лишь под центром нагрузки, а на расстоянии более
15 см от него определяющую роль играет полный вектор
нагрузки.Таким образом, наиболее сильно давление воздуха в
шинах влияет на напряженно-деформированное состоя¬
ние дорожной одежды в непосредственной близости от
колеса, особенно в верхних слоях конструкции.Экспериментальные данные, характеризующие влия¬
ние впереди идущего колеса на вертикальные перемеще¬
ния, напряжения и деформации, возникающие в дорож¬
ной одежде под позади идущим колесом, представлены
на рис. 7. По оси ординат отложены значения коэффи¬
циента спаренности kc, показывающие, во сколько раз
при проезде заднего колеса суммарный уровень воздей¬
ствия, обусловленный совместным влиянием переднего и
заднего колеса, больше, чем при проезде переднего ко¬
леса. По оси абсцисс отложено расстояние между цен¬
трами отпечатков двух следующих друг за другом колес.Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что
с повышением капитальности конструкции дорожной
одежды коэффициент влияния спаренности увеличи¬
вается.Большинство конструкций дорожных одежд имеет
слои, устроенные из щебня, гравия, песка и других зер¬
нистых материалов, не укрепленных вяжущими. Поведе¬
ние этих материалов и конструкций из них отличается
рядом особенностей, обусловленных дискретной структу¬
рой зернистых материалов. Эти особенности проявляют¬
ся как в характере распределения этими материалами
приложенного к ним давления, так и в изменении проч¬
ностных и деформативных характеристик в зависимости
от того, как расположен материал в слоистой конструк¬
ции и каковы деформативные свойства окружающих
слоев.В основе этих особенностей лежит свойство дилатан-
сии, отличающее зернистые совокупности от твердых тел
и жидкостей.23
Если песчаный или щебеночный слой рассматривать
как зернистую среду, состоящую из абсолютно твердых
частиц, то можно утверждать, что при фиксированном
положении окружающих частиц расположение каждой
внутренней частицы является вполне определенным.Рис. 7. Влияние впереди иду¬
щего колеса на вертикальные
перемещения, напряжения и де¬
формации под позади идущим
колесом по различным данным:
1, Г — Госдорнии о прогибах по¬
верхностей покрытия дорожных
одежд, рассчитанных на воздей¬
ствие транспортных средств групп
А и В; 2, 2' — то же о вертикаль¬
ных нормальных напряжениях в
грунте; 3 — то же об относитель¬
ных деформациях асфальтобетон¬ного покрытия при проезде двух осей с нагрузками 88 кН; 4 — Ленинградско¬
го филиала Союздорнии о вертикальных напряжениях под дорожной одеждой
при нагрузке на заднюю тележку 180 кН; 5 — AASHO (США) о прогибах при
проезде сдвоенных осей с нагрузкой на заднюю тележку 108—182 кН; 6 —
WASHO (США) о прогибах при проезде сдвоенных осей с нагрузкой на зад¬
нюю тележку 122 кН; 7 — ARRB (Австралия) о прогибах при проезде сдвоен¬
ных осей с нагрузкой на заднюю тележку 131—143 кН; 8 — TRRL (Великобри¬
тания) об относительных деформациях сжатия в грунте земляного полотна
при проезде сдвоенных осей с нагрузкой на заднюю тележку 33 кН.Следовательно, при прохождении между соприкасающи¬
мися соседними зернами внутреннее зерно не может из¬
менить своего положения, не вызывая «возмущения». По¬
этому любое искажение границ среды при деформирова¬
нии будет влиять на плотность ее упаковки. Это влияние
будет зависеть от расположения (упаковки) зерен. Если
зерна, составляющие среду, расположены достаточно
плотно, то любая последующая деформация приведет к
уменьшению плотности, разрыхлению, т. е. к увеличению
объема совокупности.Таким образом, дилатансия зернистого материала есть
не что иное, как изменение его объема при изменении
формы совокупности частиц, причем изменение объема24
может быть вызвано не только нормальными напряже¬
ниями, но и простым сдвигом.В дорожных одеждах усовершенствованного типа сла¬
босвязные зернистые материалы укладываются в проме¬
жуточные слои одежды и сверху прикрыты монолитными
слоями. В этих условиях эффект дилатансии (эффект
Рейнольдса) особенно сильно сказывается на напряжен¬
но-деформированном состоянии зернистого материала,
поскольку увеличивающийся в объеме в процессе сдвига
материал должен преодолеть не только вес вышележа¬
щих слоев дорожной одежды, но и сопротивление их из¬
гибу. Если же изгибная жесткость верхних монолитных
слоев достаточно велика, то, не будучи в состоянии прео¬
долеть это сопротивление, материал как бы самонапря-
гается, становится более жестким.Рис. 8. Влияние дилатансии щебеночного слоя на распределе¬
ние вертикальных нормальных напряжений:а —схема опыта; б — напряжения в грунте при свободной поверхности
щебня (/) и при ограничении возможности изменения объема щебе¬
ночного слоя (2).Для непосредственной проверки этого положения были
проведены две серии опытов на моделях дорожных
одежд [6] (рис. 8). В опытах первой серии штамп уста¬
навливали на свободную поверхность слоя щебня, лежа¬
щего на грунтовом массиве. Вторую серию опытов про¬
водили с уложенной поверх щебеночного слоя пластиной
из органического стекла, ограничивающей возможность25
изменения объема этого слоя. При этом штамп устанав¬
ливали на поверхность щебеночного слоя через отверстие
в пластине. Перемещение пластины вверх предотвращали
жесткими упорами по контуру.По результатам экспериментов было установлено, что
значение модуля упругости щебня, работавшего в усло¬
виях «защемления», более чем в 4 раза превышало зна¬
чение модуля этого же материала при отсутствии «за¬
щемления».Эффект дилатансии отчетливо проявился также при
стендовых испытаниях дорожной одежды с тонкослой¬
ным асфальтобетонным покрытием толщиной 3 см, уст¬
роенным поверх щебеночного основания (27 см) и допол¬
нительного основания из отходов камнедробления
(10 см). Испытания проводили летом в ясную погоду в
течение суток.Оказалось, что при понижении температуры покрытия
на 15—20 °С прогибы поверхности уменьшаются на 20—
30 %. При снижении температуры изгибная жесткость
тонкого асфальтобетонного слоя заметно возрастает, но
роль этого повышения жесткости в уменьшении прогиба
покрытия невелика. Поскольку влажность грунта земля¬
ного полотна в период испытаний оставалась постоян¬
ной, то уменьшение прогиба конструкции следует объяс¬
нить влиянием асфальтобетонного покрытия на распре¬
деляющую способность щебня, а именно: благодаря по¬
вышению жесткости асфальтобетонного покрытия резко
возрастает его сопротивление дилатансии щебеночного
слоя, жесткость которого в результате увеличивается.Для использования эффекта дилатансии конструкция
дорожной одежды должна удовлетворять двум противо¬
речивым требованиям. С одной стороны, изгибная жест¬
кость выше- и нижележащих слоев должна быть доста¬
точна для эффективного противодействия дилатансии
промежуточного слоя из неукрепленного зернистого ма¬
териала, с другой, должен быть достаточно высок и уро¬
вень напряженно-деформированного состояния в этом
слое, иначе дилатансия попросту не проявится.Разрешение этого противоречия при расчете дорож¬
ных одежд на прочность возможно лишь на основе ис¬
пользования методов теории оптимизации и решения сме¬
шанной задачи — теории упругости (вязкоупругости) и
механики зернистых сред.
1.2. расчетные характеристики материалови ГРУНТОВНаиболее часто при расчетах на прочность дорожную
одежду рассматривают как слоистое упругое полупрост¬
ранство, на поверхность которого действует неподвижная
нагрузка, равномерно распределенная по площади кру¬
га. Напряжения и перемещения в таком полупространст¬
ве определяют по решениям теории упругости, реализуе¬
мым с помощью ЭВМ, либо по таблицам или номограм¬
мам, построенным на основе этих решений.Все известные программы для ЭВМ, таблицы и номо¬
граммы разработаны исходя из положения, что нагруз¬
ка на слоистое упругое полупространство неподвижна.
Однако поскольку реальная нагрузка на дорожную
одежду является подвижной, для учета фактора движе¬
ния вводят модули упругости в соответствии с характер¬
ной длительностью напряженного состояния. Таким об¬
разом, нагрузка считается неподвижной, но действую¬
щей в течение заданного промежутка времени. Такой
подход условно может быть назван квазинеподвижным
упругим.В большинстве случаев при этом подходе заданную
длительность действия нагрузки считают не зависящей
от глубины рассматриваемой точки, хотя известно, что
длительность напряженно-деформированного состояния
возрастает с увеличением глубины и зависит от жестко¬
сти конструкции дорожной одежды и того, какой имен¬
но компонент напряжений, деформаций или перемеще¬
ний рассматривается.Исходя из того, что длительность действия нагрузки
несущественно влияет на напряженно-деформированное
состояние конструкции при скоростях движения, харак¬
терных для перегонных участков автомобильных дорог
(50—60 км/ч и более — см. рис. 1), при разработке инст¬
рукции ВСН 46-83 были введены два типа модулей упру¬
гости: динамический (при расчете дорожных одежд на
перегонных участках) и статический (при расчете в ме¬
стах остановок, стоянок, на обочинах, перекрестках
и т. д.). При расчете на действие неподвижного автомо¬
биля модули упругости материалов слоев и грунта зем¬
ляного полотна приняты в соответствии с длительностью
Действия нагрузки fH«600 с, а при расчете на действие
Движущегося автомобиля /н=0,1 с. Значения коэффици¬
ентов Пуассона считаются при этом не зависящими от
Длительности действия нагрузки.27
Как уже отмечалось, введение двух расчетных схем —
динамической и статической — является важным шагом
для внедрения при проектировании дорожных одежд ме¬
тодов теории вязкоупругости. Вязкоупругая расчетная
схема значительно полнее, чем упругая, отражает реаль¬
ные условия работы дорожной одежды под действием
движущейся нагрузки. В ней автоматически решается
ряд вопросов, которые при расчете по теории упругости
не могли быть решены до конца в принципе. Один из
этих вопросов — назначение расчетной длительности дей¬
ствия нагрузки. При расчете по теории вязкоупругости
уводится не один модуль упругости £, а бесконечный на¬
бор (спектр) этих модулей, характеризующий зависи¬
мость Е от длительности действия нагрузки t, т. е. функ¬
ция E(t), а используемый в расчете по ВСН 46-83 дина¬
мический модуль упругости представляет собой лишь
точку на графике E(t), соответствующую ^=0,1 с.Процессы деформирования вязкоупругих материалов
описываются с помощью уравнений теории наследствен¬
ной упругости. Эти уравнения математически выражают
принцип линейной суперпозиции, в основе которого ле¬
жат две гипотезы [5]:«1. Упругие силы зависят не только от мгновенно по¬
лученных смещений, но и от предшествующих деформа¬
ций, которые оказывают тем меньшее влияние на них,
чем больше времени протекло с момента предшествую¬
щих деформаций.2. Влияния полученных в разное время деформаций
складываются, т. е. объединяются путем непосредствен¬
ного сложения.»Предположим, что образец подвергается простому ра¬
стяжению или сжатию, причем нагрузка прикладывается
ступенчато в моменты п, тг, гп. Тогда принцип Больц¬
мана можно трактовать следующим образом [5]: в мо¬
мент времени t деформация e(f), являющаяся результа¬
том последовательного приложения ряда напряжений в
предыдущие моменты времени, может быть представле¬
на в виде суммы деформаций, которые наблюдались бы
в этот момент /, если бы каждую ступень нагружения
прикладывали независимо от других, т. е.е (t) = Да (тх) П (/— Tj) + Да (т2) П (/ — т2) + ... ++ Да (т„) П(* тп).	(3)Иными словами, каждая ступень нагружения вносит
вклад в результирующую деформацию в момент t, и этот28
вклад определяется не только значением нагрузки на
данной ступени, но и длительностью ее приложения.Если нагружение осуществляется не ступенчато, а
плавно, то сумма (3) должна быть заменена интеграломе(0 = /п(< — T)da(t).	(4)оЕсли e(t) известно, то из уравнения (4) можно найти
закон изменения напряжений во времениa (t) = J R (t — т) de (т).	(5)оУравнения (4) и (5) устанавливают связь между на¬
пряжениями и деформациями в теории линейной вязко¬
упругости и выполняют ту же роль, что и закон Гука в
теории упругости.Физический смысл функции П(^—т), входящей в (4),
может быть установлен, если предположить, что напря¬
жения прикладываются в начальный момент времени
ti=0 и вплоть до рассматриваемого момента t остаются
постоянными сг(0) =a(t) =а0- Тогда из (4) следуетП (0 = е (0 / <т0.	(6)Аналогично, если деформировать образец так, что
е(0) =e(t) =ео, то из (5) получимR(f) = о (t) / е„.	(7)Таким образом, функция П(/) характеризует свойство
ползучести материала — возрастание деформаций во вре¬
мени при постоянной внешней нагрузке, поэтому она и
называется функцией ползучести. Функция R(t) описы¬
вает явление уменьшения напряжений в теле с течением
времени при неизменной деформации. Эта функция на¬
зывается функцией релаксации.Как следует из (7), для экспериментального определе¬
ния функции релаксации необходимо «мгновенно» де¬
формировать образец до некоторого уровня ео, а затем,
поддерживая эту относительную деформацию постоян¬
ной, фиксировать непрерывно уменьшающиеся во време¬
ни t напряжения a(t). В испытаниях на ползучесть, нао¬
борот, «мгновенно» задается и поддерживается неизмен¬
ным начальное напряжение а о, а измеряется изменяюща¬
яся во времени деформация e(t).Поскольку экспериментально проще определить функ¬
цию ползучести, а при расчетах напряжений и прогибов
Дорожных одежд удобнее пользоваться функцией релак¬29
30сации, то целесообразно установить зависимости, связы¬
вающие функции П(<) и R(t). Так, применив к уравне¬
ниям (4) и (5) преобразование Лапласа, можно полу¬
чить равенствоС П (t — т) R (т) dx = С R (t — т) П (х) dx = t. (8)
о	оОднако уравнение (8) из-за сложности редко приме¬
няется в практических расчетах. Для них больше подхо¬
дит приближенный способ, позволяющий на основе чис¬
ленного интегрирования находить неизвестную функцию
R(t) по экспериментальной кривой П(^), а также осуще¬
ствлять обратное построение — определять П(/) по за¬
данным значениям R{t). В соответствии с этим способом
монотонные кривые функции П(/) и R(t) разбивают на
N интервалов, причем на каждом из них при(л=1, 2, 3, ..., N) функции П(0 и R(t) принимают
постоянными и равными: R{tn-1, п) =R(tn-1); П(/п-1, n) =
= n(/n-i). В начальный момент времени /о=0; /?(^0,i) =
=#(0);П(?ол)=П(0). На каждом интервалезначения функций П(^) и R(t) последовательно оп¬
ределяют по следующим формулам:
при построении функции релаксации по функции пол¬
зучестиГ	i=n-2	ti+lR(tn-un)= tn- S	f n(t„-T)dx :(=0 ttf U(tn — x)dx;‘n-lпри построении функции ползучести по функции релак¬
сацииП (/„_,.„) = tn— J П (*,.,+,) ( R (tn — х) dx :1=0 t{f R{tn—x)dx.*п—1Приближенное соотношение между функциями ползу¬
чести и релаксации следует из простого сопоставления
форм графиков П(^) и R(t) (рис. 9). Это соотношение
имеет видП (t) R(t) ж 1.	(Э)Возможность применения выражения (9) для описа¬
ния свойств тех или иных дорожно-строительных матери¬
алов можно оценить по другой приближенной зависимо¬
сти [12]:
П (t) R (t) « sin (mt) / (nn),	(10)в которой параметр n определяется экспериментально по
результатам испытаний материала гармонической на¬
грузкой:п= — ф,	(11)лгде ф — угол сдвига фаз между напряжением и дефор¬
мацией.Рис. 9. Графики функции ползу¬
чести П (t) и релаксации R(t) ас¬
фальтобетона типа Б на битуме
БНД 60/90.При этом необходимо иметь в виду, чтоП (t = 0) = МЕй\ R(t = 0) = £0; П (f -► оо) = 1 /£те;R(t-*-oo) — Ех.Здесь, Е0, Еоо — соответственно мгновенный и длитель¬
ный модули упругости, т. е. при /=0 и t-*-оо равенство
(9) является точным:П(0)Я(0)=1, П (оо) R (оо) = 1,а соотношение (10) дает оценку погрешности равенства
(9) на участке, где отклонения R(t) от П-1(0 значи¬
тельны.Из (7) и (9) следует, чтоЯ(0*1/П(Э=1/[-^1 =[-&■]= £(0, (12)ао \иолз [ е(0 Jгде E(t) —значение «модуля продольной упругости»
вязкоупругого материала, определяемое эксперименталь¬
но измерением относительной деформации е(£) образца
в течение промежутка времени t после мгновенного при¬
ложения нагрузки, создающей напряжение ао, остающе¬
еся затем постоянным.Таким образом, соотношение (9) позволяет, определив
для вязкоупругого материала «модули упругости» при
различной длительности действия постоянной нагрузки,31
приближенно считать найденную функцию E(t) функ¬
цией релаксации. Поэтому, учитывая равенство (12),
функцию релаксации R(t) часто называют модулем ре¬
лаксации, а приближенное соотношение (9) — квазиуп-
ругой аппроксимацией.Графически функции релаксации дорожно-строитель¬
ных материалов удобно изображать в двойном логариф¬
мическом масштабе. Тогда они принимают форму, пока¬
занную на рис. 9. Как видно, функция релаксации имеет
три характерных участка. Первый из них соответствует
мгновенному значению функции /?(0), численно совпада¬
ющему сб значением Е0у а третий — характеризует зна¬
чение функции релаксации при длительном нагружении
Rooy численно равное Еоо. Второй участок является пере¬
ходным между первым и третьим.Из рис. 9 следует, что для аналитического описания
функции R(t) необходимо по меньшей мере три парамет¬
ра: R(0), R(оо) и некоторый параметр (или группа па¬
раметров), характеризующий функцию релаксации на
втором участке. Обычно на переходном участке функцию
R(t) характеризуют временем релаксации Тг или набо¬
ром (спектром) таких времен. При этом для физическо¬
го обоснования и большей наглядности используют раз¬
нообразные реологические модели механического поведе¬
ния материалов (Максвелла, Кельвина, Фойхта, Бинга¬
ма, Мурояма, Шибота и др.). С помощью набора этих
моделей в принципе можно описать кривую релаксации
любого дорожно-строительного материала.В действительности же деформация, например грунтов,
является результатом ряда сложных процессов: «буфер¬
ного торможения» структурного скелета, изгиба пла¬
стинчатых частиц и роста сил отталкивания, сжатия обо¬
лочек связанной воды, сжатия частиц, сжатия и вытесне¬
ния водных пленок, уменьшения количества дефектов
структуры по сравнению с исходным состоянием, смыка¬
ния микротрещин, сжатия и вытягивания пустот в на¬
правлении сдвига. Каждому из этих процессов должно
соответствовать одно или несколько характерных времен
релаксации, так что спектр времен релаксации грунтов
весьма плотен и широк.Поэтому для установления расчетных значений функ¬
ции релаксации грунтов и других дорожно-строительных
материалов следует использовать не группу параметров
(например, R(0), R(оо) и 7V), а полный график функ¬
ции релаксации.Релаксационная способность каждого конкретного ви¬32
да грунта земляного полотна, т. е. тог диапазон, в кото¬
ром может происходить релаксация напряжений от на-
яального ао до конечного аоо=а(оо) его значения, опре¬
деляется соотношением мгновенного и длительного моду¬
лей упругости. Некоторые данные о соотношении дина¬
мического E(t)=EA и статического (длительного) ЕСт=
с=Еоо модуля упругости для различных видов грунтов
приведены в табл. 1. Под динамическим модулем упру¬
гости E(t)=EA понимается значение модуля упругости,
полученное в результате испытания материала кратко¬
временной нагрузкой при длительности нагружения t.Условия проведения экспериментов были таковы, что
большинство значений £д близки к значениям упруго-Таблица 1. Соотношения модулей упругости грунтов при крат¬
ковременной и длительной нагрузкеГрунт£д/£стУсловия определенияИсследовательПесок влаж¬
ныйПесок круп¬
нозернистый
независимо
от влажности
Песок
»»» средне¬
зернистый
То же
Супесь,
№=(0,55...
...0,85) №т
Супесь, су¬
глинокСуглинок лес¬
совыйСуглинок,
^«=(0,55...
...0,85) WTСуглинокводонасы-ЩенныйГлина,№=22 % =0.52 WT
Глина кем¬
брийская,
*-16.7...••22,1 %1,15-1,201,20
1.1—1.31.03
1.82,02,0
1,3—1,71.32-31.5-2,03.33.43-8.5Яд по скорости упругих
волнЯ при /=0,02...0.03 с_ . —6
Ястпри е=10 1/сЯд при /=0,4 с№=15 %Яд при е=17,5 1/с,Ест при ё=0,5* 10—31/с
ЕдПри /«0,001 сЯд при /« 0,005 с
Яд при г=0,02...0,03 сЯд при /^0,4 сЯ при е=24 1/с• —7
Ястпри е=1,4-10 1/сЯд при /=0,02...0,03 с—6Ястпри е=10 1/с
Яд, Яст по результатам
испытания на релакса¬
циюЯд при 8^130 1/сЯд — по результатам ви¬
брационных испытаний
и скорости распростра¬
нения упругих волнН. Д. КрасниковД. Д. Баркан,О. А. СавиновЮ. М. ЯковлевП. И. ТеляевA.	И. Котов и др.,
среднее значениеГ. М. Ляхов,И. Т. Трошин
Т. Лэмб
Ю. М. ЯковлевП. И. ТеляевB.	В. Мельников,Г. В. РыковЮ. М. ЯковлевC.	Р. Месчян,Р. А. ПостолакянЛ. Р. Ставницер
Н. Д. Красников2 8-160833
мгновенного модуля Е0, а Ест — к значениям длительного
модуля Е оо*Обращает на себя внимание то, что даже для песчаных
грунтов отношение Ел/ЕСт~Е0/Еос может достигать 2.
Распространенное мнение о близости этого отношения
для песков к единице объясняется тем, что исследовате¬
ли при определении Ел/Ест часто ограничивались испы¬
танием сухого песка, причем длительность действия на¬
грузки составляла не менее 0,3 с.Анализ соотношений Ед/Ест показал, что при опреде¬
лении их расчетных значений для грунтов земляного по¬
лотна автомобильных дорог за основу могут быть при¬
няты данные Ю. М. Яковлева [6].Соотношения Е0/Еоо~ Ел/Ест и некоторые другие рас¬
четные параметры приведены в табл. 2, 3. Исходя из этихТаблица 2. Расчетные значения Е01Е„, Ь, х для грунтов земля¬
ного полотнаГрунтW/wT*о/*соЬ, сX, 1/сСупесь легкая
непылеватая0,50,60,70,81,251,351,451,6062,5Супесь пылеватая;
песок пылеватый0,50,60,70,81,201,301,401,5563,0Суглинок легкий и тяжелый0,50,60,70,81.31.4
1,6
1,85,82,0Супесь тяжелая
пылеватая;
суглинок легкий
пылеватый0,50,60,70,81,251,351,551,755,92,25значений можно определить расчетные соотношения
G0/Gсо между мгновенным G0 и длительным G» моду¬
лями сдвига. При этом очевидноGo/Goo = [(1 + 2|i.) / (1 + 2ц0)] £„/£„, (13)где цо и |Лоо — мгновенный и длительный коэффициенты
поперечной деформации. При небольших напряжениях
их значения для грунтов находятся в пределах 0,25—0,30
и возрастают до 0,35—0,40 с приближением напряжения34
к разрушающему, а объемные релаксационные свойства
грунта при всестороннем гидростатическом сжатии не
дроявляются, т. е. мгновенный объемный модуль упру¬
гости В0 равен длительному В». Из этого условия с уче¬
том (13) может быть получено следующее соотношение,
связывающее G0/Goo с Е0/Еоо и цо:G0/Gx = - 1 + 2n0J (1 - 2ц0)-' .X а б л и ц а 3. Расчетные значения Е0/Еоо, Ь, х для зернистых мате¬
риаловМатериалООЬ, сИ, 1/сПесок:крупный и гравелистый1,10средней крупности1,1093,75мелкий1,15Щебень фракционированный1,05—1,1064,00Гравийный материал:для основания1,1063,75для подстилающего слоя1,10—1,1563,75При построении расчетных значений функций релак¬
сации грунтов в качестве базовых были приняты данные
Н. Я. Хархуты — Ю. М. Яковлева, исследовавших типич¬
ные виды грунтов земляного полотна с плотностью и
влажностью, характерными для условий работы грунтов
в земляном полотне автомобильных дорог [6].Для описания процесса ползучести грунта может ис¬
пользоваться зависимость Н. Я- Хархутыds(t)/dt = <r(*)/[Tio(l + х*)],	(14)где т/о — начальный коэффициент вязкости грунта; х —
постоянный коэффициент.Функция ползучести, соответствующая (14), имеет видП (t) = 1/£0{1 + 1Е0/ (Ло*)] In (1 + х*)}. (15)Преобразуем эту формулу так, чтобы описать и зату¬
хающую ползучесть. С этой целью введем малый пара-
МетР а<1 и запишемП (t) = 1 /Е0 {1 + [£о/(Ло*)1 In [(1 + *0/(1 + «*0»- (16)Учитывая, что возможность использования для описа¬
ния реологических свойств грунтов соотношения (9)
Подтверждена данными других исследователей, из (16)
м°жет быть получено следующее приближенное выраже¬
ние для функции релаксации:2*35
R (t) « £0{1 +[£«,/ too*)] In [(1 + x/) / (1 + fcxOl}-1. (17)При oc=0 формула (16) приводится к зависимости
(15). В предлагаемом виде формула (16) для П(/) име¬
ет предел при /-^оо, т. е. описывает затухающую ползу¬
честь, а выражение (17) для R(t) при /->с» описывает
процесс релаксации до некоторого установившегося на¬
пряжения, что соответствует экспериментальным данным
для грунтов.Значение а определим из очевидного условия
П(/->оо) = 1/Еоо или /?(/->оо) =Еоо и согласно (16), (17)
постучима = ехр [— (1 — Е оо/Е 0) 6х],где Ь = г]0/Еоо. С учетом этого формулы (16) и (17) при¬
нимают видП(0 = — 4—-— in _L±*L ;Е0	ЕооЬк	1 + axtR(')“£'(1+ здГ,пТТ^Г' <18)По данным табл. 2 и формуле (18) можно найти функ¬
ции релаксации R(t) для разных видов грунтов земляно¬
го полотна, имеющих различную влажность при стан¬
дартной плотности (рис. 10).Экспериментальные данные свидетельствуют, что ха¬
рактер кривых ползучести зернистых материалов близок
к характеру этих кривых для связных грунтов.Расчетные значения функций релаксации для песка,
гравийного и щебеночного материалов могут быть опре¬
делены по изложенной в этом параграфе методике с ис¬
пользованием приведенных в табл. 3 значений парамет¬
ров Ь и х. При этом соотношения мгновенных и длитель¬
ных модулей Eq/Eoo могут быть приняты 1,10—1,15 для
песка, 1,10—1,15 для гравийного материала и 1,05—1,Ю
для щебня. Значения мгновенного коэффициента попе¬36Рис. 10. Расчетные значения функ¬
ций релаксации для пылеватых су¬
песей и пылеватых песков при
влажности в долях от границы
текучести:1 — 0,5—0,6; 2 - 0,6-0,7; 3 - 0,7-0,8;
4 - 0,8-0,9.
речной деформации ц.о Для всех этих материалов близки
к 0,25.Наиболее заметно вязкоупругие свойства проявляются
у тех дорожно-строительных материалов, в составе ко¬
торых имеется органическое вяжущее. Прежде всего это
относится к асфальто- и дегтебетонам.По данным В. А. Золотарева и Г. Добсона, для ас¬
фальтобетона тангенс угла потерь в формуле (11) обыч¬
но не превышает tg tp=0,5...0,6. При этом из формулы(10)	следует, что наибольшая погрешность квазиупругой
аппроксимации (9) и (12) не превышает 14—18 %. Это
дает возможность, определив для асфальтобетона мо¬
дуль упругости Е в зависимости от эквивалентной дли¬
тельности действия t постоянной нагрузки, считать полу¬
ченную таким путем функцию E(t) приближенной функ¬
цией релаксации R(t) с погрешностью не более 14—18 %
для самого «невыгодного» значения t.Расчетные значения функции E(t) &R(t) были постро¬
ены по результатам серии экспериментов, поставленных
на приборе конструкции Б. С. Радовского — И. М. Щер¬
бакова [2]. Этот прибор позволяет определять модуль
упругости монолитных материалов при длительности дей¬
ствия нагрузки 0,06—0,15 с. Испытания проводили на
уровне нагружения 0,1—0,2 от однократной разрушаю¬
щей нагрузки той же длительности.В качестве основного был принят состав асфальтобе¬
тонной смеси из 55 % щебня, 6 минерального порошка и5,5	% битума БНД 40/60. Остальные составы отличались
от основного содержанием минерального порошка, би¬
тума, маркой битума либо гранулометрическим составом.
Основной состав содержал диоритовый щебень и извест¬
няковый минеральный порошок. Дополнительно испыты¬
вали образцы со щебнем из гранита и известняка.Как следует из полученных экспериментальных дан¬
ных, значение модуля релаксации (либо функции релак¬
сации R(t)) при фиксированном времени /=0,1 с возра¬
стает с повышением содержания битума, щебня и мине¬
рального порошка до некоторого предела. С дальнейшим
Увеличением содержания этих составляющих E(t) убы-
Вает. С повышением вязкости битума и понижением тем¬
пературы E(t) монотонно возрастает.В соответствии с принципом температурно-временной
аналогии одна и та же деформация при данной нагрузке
м°Жет быть получена путем увеличения продолжитель¬
ности действия нагрузки при постоянной температуре
ли повышения температуры при неизменной длитель¬37
ности нагружения. Возможность применения этого прин¬
ципа к асфальтобетонам экспериментально доказана
рядом исследователей (В. А. Золотарев, Л. С. Губач,В.	В. Мозговой, Г. Добсон и др.). Это позволяет восполь¬
зоваться приведенными на рис. 11, 12 и другими анало¬
гичными экспериментальными данными, найденными для
E(t)mR(t) при постоянном значении времени t, но пе¬ременной температуре Т, для приближенного определе¬
ния возможного диапазона значения функции R(t) в ши¬
роком интервале времени t при постоянной температуре
Т=Т0.Для такого определения на основе известных номо¬
грамм Ван-дер-Поля и компании «Шелл» с учетом дан-Рис. И. Влияние содержа¬
ния битума Б (а), щебня
Щ (б) и минерального по¬
рошка МП (в) на модуль
упругости асфальтобетона
при различных температу¬
рах, °С:/-(-17); 2—(—10); 3-0; 4 -
+ 1Q; 5-+20; 6 - +30.38
ных В. А. Золотарева были установлены значения функ¬
ции температурно-временного смещения ат(Т) (рис. 13).Таким образом, по данным рис. 11, 12 (при /=0,1 с и
различных температурах) можно найти значения модуля
релаксации асфальтобетона для других t, но при посто¬
янной температуре 70=20°С (рис. 14). Например, для
асфальтобетона с содержанием щебня 35 % при темпе-Рис. 12. Влияние вязкости би¬
тума на модуль упругости ас¬
фальтобетона:1—4 — глубина проникания 58, 83,
124, 160 град.Рис. 13. Функция температур¬
но-временного смещения ат ас¬
фальтобетона на битуме марки
БНД 40/60 при Го = 20 °С.Рис. 14. Значения модулей релак¬
сации асфальтобетона типа Б, рас¬
считанные методом температурно¬
временной аналогии по результа¬
там определения Е (/=0,1 с) при
шести различных температурах:1,2 — содержание щебня 35 и 50 %.ратуре 7=30 °С было экспериментально получено £(/=
=0,1 с) = 1,4-103 МПа, а при 7=—10 °С — E(t=
=0,1 с)=9,2-103 МПа (см. рис. 11). Соответствующие
этим температурам значения lg ат(7) согласно рис. 13
составляют—1,0 и +3,75, т. е. ат(30 °С) =0,1;
М—10°С) =5623. Поэтому при температуре 70 = 20°С
приведенное время t'=t/aT, соответствующее модулю ре¬
лаксации 1,4-103МПа /'=0,1/0,1=1 с. Приведенное вре-
Мя> соответствующее модулю 9,2-103МПа, составляет
Для температуры 7=20°С /'=0,1 : 5623= 18- 1Q-6 с.39
Подобным способом были получены расчетные значе¬
ния функций релаксации асфальтобетонов различных
гранулометрических типов (рис. 15).Графики функций релаксации, подобные изображен¬
ным на рис. 9, 10, 14 и 15, вместе со значениями коэффи¬
циентов Пуассона могут служить своеобразным паспор¬
том деформативных свойств дорожно-строительных ма¬
териалов при расчете на подвижную нагрузку.40Рис. 15. Расчетные значения
функций релаксации асфаль¬
тобетонов различных грану¬
лометрических типов при
температурах 20 и О °С.
1.3. РАСЧЕТ ПРОГИБОВ И НАПРЯЖЕНИЙ
ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ОТ ДЕЙСТВИЯ
подвижной НАГРУЗКИВ соответствии с современными представлениями ме¬
ханики дорожных одежд при расчете на прочность необ¬
ходимо учитывать не только упругие, но и вязкие свойст¬
ва материалов слоев и грунта земляного полотна. Имен¬
но учет вязких свойств позволяет вводить в расчет та¬
кой параметр нагрузки, как скорость ее движения, при¬
чем в явном виде, а не путем назначения условной дли¬
тельности действия нагрузки, как это делается при ква-
зинеподвижном упругом подходе.Вместе с тем, известные в настоящее время решения
задачи о напряженно-деформированном состоянии до¬
рожной одежды как вязкоупругой среды пригодны ско¬
рее для исследовательских целей, чем для инженерных
расчетов, поскольку либо основаны на простейших рео¬
логических моделях и с их помощью невозможно доста¬
точно точно описать вязкоупругое поведение реальных
материалов, либо для их численной реализации требуют¬
ся чрезмерные затраты времени на современных ЭВМ.В настоящем параграфе рассматривается приближен¬
ный способ определения напряженно-деформированного
состояния вязкоупругих дорожных одежд, позволяющий,
практически не выходя за рамки упругой расчетной схе¬
мы, эффективно решать задачи расчета дорожных одежд
на действие подвижной нагрузки.Дорожная одежда рассматривается как слоистое ли¬
нейное вязкоупругое безынерционное полупространство.
Каждый слой ограничен сверху и снизу двумя парал¬
лельными плоскостями. Предполагается, что все слои од¬
нородны и изотропны, их число произвольно. По поверх¬
ности слоистого полупространства движется нормальная
либо касательная нагрузка, распределенная внутри неко¬
торой области конечных размеров. Скорость движения
нагрузки, ее главный вектор и координаты произвольно
зависят от времени. Требуется определить напряжения,
перемещения и деформации, возникающие при этом в
любой точке дорожной одежды. Предполагается, что в
начальный момент времени напряжения, перемещения и
деформации отсутствуют.Сущность предлагаемого способа состоит в приближен¬
ной замене решения задачи для вязкоупругого слоистого
полупространства при движущейся нагрузке решением
ряда однотипных задач для упругого слоистого полупро-41
странства при неподвижной нагрузке, отличающихся зна¬
чением нагрузки, ее местоположением на граничной
плоскости и упругими характеристиками слоев.Решение задачи этим способом заключается в следую¬
щем. Пусть по поверхности дорожной одежды движется
переменная нагрузка Q(t), параметры которой — удель¬
ное давление на покрытие p(t) и диаметр нагруженного
круга D(t) —зависят от времени t произвольным обра¬
зом. Начало координат находится на поверхности покры¬
тия в точке *=0, у=0, 2=0. Траектория движения цен¬
тра нагруженной площади произвольна. В любой момент
времени t положение центра нагрузки описывается урав¬
нениями x=l(t), y=i\(t), 2=0. Точка, в которой требу¬
ется рассчитать напряжения, перемещения и деформа¬
ции, имеет координаты х=х0, y=yo, z=z0.В некоторый момент времени т* нагрузка имеет значе¬
ние Q(Tfe), а центр нагруженной площади находится в
точке с координатами *=£(т*), у=г\(хк), 2=0. Непре¬
рывное движение нагрузки представляют в виде пооче¬
редных ее стоянок в п точках траектории движения. На
каждой стоянке значение нагрузки задают таким, каким
оно было бы в момент прохождения через эту точку при
непрерывном движении.Для k-a стоянки при нагрузке Q(t*), расстояние от
центра которой до рассматриваемой точки определяется
соотношениями связей х0—|(т*), уо—т)(т*), г, используя
одно из известных решений теории упругости, например[8], рассчитывают напряжения а, перемещения и и де¬
формации е в искомой точке слоистого упругого полупро¬
странства, конгруэнтного рассматриваемому вязкоупру¬
гому. Этот расчет производят дважды.Для первого расчета значения модулей упругости Ек
и коэффициентов поперечной деформации и* материалов
слоев принимают исходя из значений функции релакса¬
ции либо ползучести этих материалов для момента вре¬
мени (t—хк), т. е. Ek=R{t—т*), ц*=ц(^—тл), илиЕ 9G(t-xk)B(t-xk)	. = 3B(t-xk)-G(t-xk) ng.*	G(t-xk) + 6B(t-xk)	' ™ G(t-xk) + 6B(t-xk)
либо£ __	5	•	м, — ЗПс (t	п0(; тА) /о0)*	6ПС(/—т*) + Пс, (t—Xk) ’	mc(t-Xk) + nv(t-xk)'Kгде G(t) и B(t) —функции релаксации при чистом сдви¬
ге и объемной деформации; Пс(0 и По(0—функции
ползучести при чистом сдвиге и объемной деформации.42
Найденные таким путем напряжения, перемещения и
деформации обозначают соответственно символами а+,
и+ и е+.Для второго расчета значения модулей упругости £*+1
'и коэффициентов поперечной деформации цн-i материа¬
лов слоев и грунта принимают исходя из значений функ¬
ции релаксации этих материалов для момента времени
(t—т/ж). При этом пользуются формулами (19) либо
(20), заменив в них индекс k на &+1- Напряжения, пере¬
мещения и деформации обозначают символами сг~, иг, г~.Из результата первого расчета вычитают результат
второго, а затем повторяют вычисления для следующей
стоянки и т. д. Другими словами, как бы считается, что
на каждой стоянке в момент т* действуют две равные по
модулю, но противоположно направленные нагрузки: по¬
ложительная Q(xk), действующая на полупространство
с характеристиками слоев £*, |л* и вызывающая напря¬
женно-деформированное состояние, определяемое вели¬
чинами а+, и+, е+, и отрицательная, действующая на по¬
лупространство с характеристиками слоев £*+ь Ц*+ь отдействия которой в конструкции возникают а~, иг и е~.
Найденные для каждой стоянки разности ((Т+—о-),(ы+—иг), (е+—е“) определяют тот элементарный вклад,
который вносит движение нагрузки между двумя сосед¬
ними стоянками в результирующее напряженно-дефор¬
мированное состояние конструкции в рассматриваемый
момент времени t. Эти разности суммируют по всем сто¬
янкам, кроме последней, и таким образом определяют ту
часть напряжений, перемещений и деформаций, которая
обусловлена проявлением вязких свойств материалов
слоев дорожной одежды и грунта.На последней стоянке прикладывается нагрузка, соот¬
ветствующая рассматриваемому моменту t. Длитель¬
ность ее действия равна нулю, т. е. напряженно-дефор-
мированное состояние принимают мгновенным. Для этой
стоянки производят один расчет при упругомгновенных
значениях модулей и коэффициентов поперечной дефор¬
мации материалов полупространства. Если рассчитанные
значения напряжений, перемещений и деформаций обо¬
значить как а, и и е, то формулы результирующих на¬
пряжений, перемещений и деформаций могут быть пред¬
ставлены в таком виде:43
o(f)&o(x — Z(t), y — r\ (t), z, Q(t), E0) ++ S	y — r\(rk), z, Q(xk), Ek) —k=\—	a-(* —g(t*), y — r\(т*), z, Q (rk), £ft+i)];
u(t)&u(x — 1(f), y — r\(t), z, Q(t), E0) ++ £ f“+ (x — % (т*)> У — Л W, 2, Q (x„), Ek) —k=\—	u~(x— l(xk), y — r\(x„), z, Q(xk), Ek+l)]\ (21)
8 (0 « 8 (x — £ (0, y — r\ (t), z, Q (t), E0) ++ S [e+ — S Ы- У — *1 (T*)- z> Q Ы> Ek) —Л=1—	г~(х — g (t*), у —r\ (xk), z, Q(xk), Ek+i)l
где Tn=t.Пример. Требуется определить вертикальные перемещения по¬
верхности однородного безынерционного вязкоупругого полупрост¬
ранства под центром движущейся по его поверхности нагрузки. На¬
грузка равномерно распределена по площади круга радиуса г,
создает удельное давление р и равномерно движется со скоростью
v. Функцию сдвиговой релаксации материала полупространства при¬
нимаем в видеG (0 = 2 [G0 - (0О - О J (1 - с -*'Тг)],где G0=94,294 МПа, Goo = 34,530 МПа, Тг — время сдвиговой ре¬
лаксации.Объемной релаксацией материала пренебрегаем, считая ее функ¬
цию постоянной: В0=ВЖ =В=В (t) = 204,305 МПа. Это соответствует
следующим значениям мгновенного и длительного коэффициентов
Пуассона: р,0=0,30; м,оо = 0,42.Расчеты будем производить при различных временах релаксации
Тг и скоростях движения v. Начало координат находится в точке
0(х=0, у=0, 2=0), совпадающей с центром круга нагрузки в рас¬
четный момент времени.Для упругого полупространства решение задачи о напряженно-
деформированном состоянии от действия нагрузки, равномерно рас¬
пределенной по площади круга, было получено М. Б. Корсунским
[7]. Согласно этому решению вертикальное перемещение граничной
плоскости при у=0, z=0 определяется формулой2/7г(1 —ца) „ ( х\
иг(х. О, 0) = 				 s, (уj ,гдеS,	= j* J1 (a)V0 aj , $t (0) = 1.044
Здесь Е, М- — модуль упругости и коэффициент поперечной дефор¬
мации полупространства. Значения интеграла S31jтабулированы в
работе [7].Заменяем движение нагрузки ее поочередными стоянками в 16
точках траектории, расположенных на следующих расстояниях х от
рассматриваемой точки: 7г, 6г, 5г, 4г, Зг, 2г, 1,8г, 1,6г, 1,4г, 1,2г,
1,0^, 0,8г, 0,6г, 0,4г, 0,2г, 0.Рассмотрим любую из стоянок, например х=4г. В этой точке
необходимо приложить две равные по модулю, но противоположно
направленные нагрузки. Время действия первой, положительной, со¬
ставляет Н-=4г/и, а второй, отрицательной, /~ = 3г/и. Те элемен¬
тарные вклады, которые вносит каждая из этих нагрузок в суммар¬
ный вязкоупругий прогиб в точке (0, 0, 0) в момент / = 0, составля¬
ют соответственно2рг[1-ц2 «+)]	2pr [1 ц.2 (/—)]“< =	IJF)	sa(4)’ “* =	TF)	5«(4)-где по формулам (19)9BG(4rlv)__'	_3S-G(4rA0_( ' 6B + G (4r/v) ’ ^ ' 65 + 0(4/-/») ’9BG (3r/v)	3B — G (3r/v)' 6B + G (Зг/у) ’ ^ ' 6B + G (3г/и) 'Разность Ды2=ы+2—и~г представляет собой ту часть искомого
прогиба, которая обусловлена движением нагрузки между точками
х = 4г и х=3г.На последней стоянке при *=0 приложена лишь одна положи¬
тельная нагрузка с нулевой длительностью действия, которой соот¬
ветствует упругомгновенный вклад в прогиб вязкоупругого полу¬
пространства от движущейся нагрузки:2рг(\—ц1)	2pr (1 — (Xq)«*=—1— v°)=—i— •Теперь, основываясь на (21), можно записать общую формулу
для определения вертикального перемещения вязкоупругого полупро¬
странства под центром нагруженного круга:*=15 , 2 / Ч \1 — И'о V1 14 ( о )L	-1 .	/ « 	 5, (“) .	(22)J 1где х\ш*7г; х3=6г,0,2r; *|,-0.45
Точное решение рассмотренной задачи приводится в [9]. Однако
в этой работе даны не абсолютные значения вертикальных переме¬
щений и2у а значения безразмерных прогибов£оw =	UZiprгде Е0 — мгновенный модуль продольной упругости материала полу¬
пространства, составляющий 245,164 МПа. Значение Е0 может быть
рассчитано по формуле (19) при /=т*.Таблица 4. Приведенные значения прогибов, рассчитанные по
точному wT (числитель) и приближенному w (знаменатель) реше¬
ниям 0В табл. 4 искомые значения прогибов полупространства w, вы¬
численные по приближенной формуле (22), сравниваются с точными
значениями дот, приводимыми в [9]. Для рассмотренных сочетаний
скорости движения нагрузки и времен релаксации материала полу¬
пространства расхождение между точным и приближенным реше¬
нием не превышает 6,75 %. Отметим, что точность вычислений мо¬
жет быть повышена путем увеличения числа стоянок.Серия вычислений, выполненная для оценки погреш¬
ности рассмотренного способа решения вязкоупругих за¬
дач, показала, что получаемые результаты находятся в
пределах точности инженерных расчетов.Из рассмотренного примера следует, что, располагая
соответствующим образом стоянки на поверхности по¬
крытия, назначая на них нагрузки и подбирая время пе¬
рехода с одной стоянки на другую, можно моделировать
практически любые режимы нагружения дорожной
одежды. Характерно, что трудоемкость вычислений при
этом не изменяется.Преимущество предлагаемого способа заключается
еще и в том, что он удобен при создании алгоритмов и
программ для ЭВМ: при организации вычислительного46Времярелакса¬ции7г.сСкорость движения нагрузки v, км/ч• 1• !2040601000,014.11804,04953,50223,05512,80752,54344,11804,07623,73853,24602,94112,61040,104,11702,91562,27662,08492,00291,92974,11703,07512,27052,01421,97471,91221,004,11802,03701,87091,84231,83371,82684,11802,00561,86581,8428'1,83521,899110,004,11801,83711,82181,82001,82001,82004,11801,83821,82461,82221,8215"1,8209'
процесса достаточно лишь «зациклить» решение соответ¬
ствующей задачи теории упругости.Предложенный способ решения задач о напряженно-
деформированном состоянии дорожных одежд был по¬
ложен в основу при разработке вычислительной програм¬
мы для ЭВМ, предназначенной для расчетов напряже-
ний, перемещений и деформаций дорожных одежд как
слоистых, вязкоупругих сред при действии на них движу¬
щейся нагрузки, равномерно распределенной по площа¬
ди круга — программы СТЕНД. На основании расчетов
по этой программе и построены рис. 1—3.При расчете дорожных одежд обычно учитывают лишь
вертикальную составляющую нагрузки, передаваемую
колесом транспортного средства. Однако в ряде случаев
на покрытие, кроме того, передаются значительные под¬
вижные переменные по значению касательные нагрузки.
Их учет также предусмотрен программой СТЕНД.Таким образом, программа СТЕНД позволяет анали¬
зировать напряженно-деформированное состояние до¬
рожной одежды при различных режимах приложения на¬
грузки от транспортного средства (стоянка на горизон¬
тальном участке и на участке с ненулевым продольным
уклоном, трогание с места на горизонтальном участке и
при движении на подъем, разгон, движение с различны¬
ми скоростями колеблющейся по значению нагрузки,
движение на горизонтальном закруглении, торможение
и т. д.).Результаты расчетов по программе СТЕНД сравнива¬
ли с данными стендовых испытаний. Исследовали следу¬
ющую конструкцию дорожной одежды: асфальтобетон¬
ное покрытие (12 см) и основание из асфальтобетона с
пониженным содержанием вяжущего (20 см), дополни¬
тельное основание из гранитного отсева (15 см), сугли¬
нистый грунт. В качестве нагрузки использовали расчет¬
ное колесо автомобиля группы А с главным вектором
Q=48,9 кН и удельным давлением на покрытие р=
=0,54 МПа.На основании экспериментальных данных и расчетов
по программе СТЕНД была получена зависимость про¬
гиба покрытия под центром нагрузки от скорости (рис.
16). При t»=0 км/ч после 15-минутной стоянки автомо¬
биля измеренное значение прогиба составило иг=
^=1,39 мм. То же значение, рассчитанное по программе
СТЕНД,— иг= 1,323 мм, а при о-»-оо ыг=0,319 мм. Как
®идно, результаты экспериментов хорошо согласуются с
Данными вычислений на ЭВМ.47
Для сопоставления результатов расчетов по програм¬
ме СТЕНД и действующему нормативному документу
ВСН 46-83 была выполнена серия вычислений. Расчеты
производили таким образом, чтобы различия в результа-
тах между сравниваемыми методами не зависели от вто-
ростепенных факторов, а проявлялись наиболее объек¬
тивно. Поэтому номограм¬
мами ВСН 46-83 не пользо¬
вались, а, минуя стадию по¬
слойного приведения, все
расчеты по квазинеподвиж-
ному упругому методу вы¬
полняли на ЭВМ по про¬
грамме А. К. Приварникова
для слоистой упругой среды
под действием нагрузки,
равномерно распределенной
по площади круга [8].Для вычисления напря¬
жений, перемещений и де¬
формаций от неподвижной
нагрузки значения длитель¬
ных модулей релаксации
R (оо) при расчетах по программе СТЕНД и модулей
упругости Е при расчетах по методу ВСН 46-83 прини¬
мали одинаковыми.При расчетах по ВСН 46-83 на действие нагрузки, дви¬
жущейся со скоростями, характерными для перегонных
участков автомобильных дорог (к=60 км/ч), модули уп¬
ругости материалов слоев и грунта назначали согласно
этой инструкции. Поскольку такие значения соответству¬
ют длительности нагружения /=0,1 с, то функции релак¬
сации при расчетах по СТЕНД подбирали так, чтобы
удовлетворялись условия #(0,1 с)=Е и ц(0,1 с)=ц.При расчете на действие нагрузки, движущейся с ма¬
лой скоростью, время нагружения дорожной одежды оп¬
ределяли по данным экспериментов. Так, скорости v=
= 1 км/ч соответствует tfa 13 с.Анализ результатов, полученных в ходе расчетов, поз¬
волил сделать такие выводы:	^1.	При определении напряженно-деформированного со¬
стояния дорожных одежд от действия транспортных
средств, движущихся со скоростями, характерными для
перегонов автомобильных дорог, либо находящихся на
стоянке, когда v=0, расчеты по методу ВСН 46-83 и
программе СТЕНД дают близкие результаты.Рис. 16. Зависи¬
мость прогиба по¬
верхности покры¬
тия от скорости:
данные экспери¬
мента (1) и ре¬
зультаты расче¬
тов по программе
СТЕНД (2).48f
2.	При расчетах на действие транспортных средств,
движущихся с малыми скоростями (v^.8 км/ч), приме¬
нение квазинеподвижного упругого подхода, в том числе
й метода ВСН 46-83, приводит к погрешностям, не до¬
пустимым для инженерных вычислений. Последнее непо¬
средственно относится к расчетам на действие многоос¬
ных транспортных средств особо большой грузоподъем¬
ности, максимальная скорость которых в нагруженном
состоянии не превышает 5—8, а номинальная находится
в пределах 1—5 км/ч. Следовательно, при определении
напряженно-деформированного состояния конструкций
дорожных одежд, предназначенных для восприятия та¬
ких нагрузок, следует применять решения теории вязко¬
упругости.ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА
ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ДЛЯ УСЛОВИИДВИЖЕНИЯ БОЛЬШОЙ ИНТЕНСИВНОСТИДорожная одежда относится к строительным конст¬
рукциям, предназначенным для работы в условиях дей¬
ствия многократно повторяющихся быстро прикладывае¬
мых нагрузок. Нормальная нагрузка на поверхность до¬
рожного покрытия от одной шины серийных автотранс¬
портных средств изменяется от 3 до 8 кН для легковых
и от 12 до 30 кН для грузовых автомобилей, полуприце¬
пов, прицепов и автобусов; от 18 до 55 кН для автомоби¬
лей повышенной проходимости; от 19 до 250 кН для
большегрузных автомобилей, строительных, дорожных и
подъемно-транспортных машин отечественного производ¬
ства. Касательная к поверхности покрытия нагрузка мо¬
жет достигать 0,8 нормальной.В результате действия таких нагрузок в дорожной
одежде возникают напряжения и деформации, много¬
кратное повторение которых вызывает накопление необ¬
ратимых механических изменений в материалах слоев,
обусловливающее разрушение конструкции. Признаками
разрушения являются образование трещин в покрытии
по полосам наката колес автотранспортных средств, вы¬
боин и возникновение неравномерных остаточных верти¬
кальных перемещений поверхности покрытия в виде ко-
Леи, волны, наплыва. Наиболее опасны пересекающиеся
тРещины в покрытии в пределах полосы наката и оста¬
точные вертикальные перемещения его поверхности в ви-
Ае колеи.49
За рубежом ремонт или усиление асфальтобетонного
покрытия считают необходимым, когда пересекающиеся
трещины имеются на 6—20 % общей площади поверхно¬
сти покрытия в зависимости от наличия других призна¬
ков разрушения — продольных неровностей, колейности,
выбоин, выкрашивания и шелушения. В качестве крити¬
ческой принята глубина колеи 10—20 мм, измеренная
под уложенной поперек дороги двухметровой рейкой.
В этом случае предусматривают усиление асфальтобе¬
тонного покрытия даже если трещин нет.В нашей стране примерно до 60-х годов при сравни¬
тельно'небольших нагрузках и интенсивности движения
образование дефектов асфальтобетонных покрытий было
обусловлено, в первую очередь, природно-климатически¬
ми факторами, приводившими к появлению поперечных
трещин в покрытии при резком понижении его темпера¬
туры поздней осенью или зимой и при неравномерном
поднятии (вспучивании) поверхности земляного полотна
во время промерзания. Существенное влияние на срок
службы покрытий оказывало совместное действие при¬
родных факторов и транспортных нагрузок, что приво¬
дило к шелушению, выкрашиванию материала покрытия
в период его увлажнения и к образованию волн и наплы¬
вов при высоких летних температурах.Однако в последние годы в связи с увеличением объ¬
емов грузовых и пассажирских перевозок, повышением
грузоподъемности автотранспортных средств основное
влияние на срок службы дорожных одежд оказывают
именно автотранспортные средства. Проявление устало¬
сти материалов под действием повторных нагрузок ста¬
ло основной причиной возникновения трещин при изгибе
асфальто-, цементо-, дегтебетонных и других усовершен¬
ствованных покрытий.Поверхность покрытия, требующего капитального ре¬
монта или усиления, обычно имеет все перечисленные
признаки разрушения. Особую опасность представляет
образование трещин в покрытии, после чего снижается
его способность распределять нагрузку на нижележащие
слои, а вода, поступающая через трещины в основание
и земляное полотно, переувлажняет материалы основа¬
ния, подстилающего слоя и грунт земляного полотна.
В результате снижается несущая способность всей кон¬
струкции, появляются новые трещины в покрытии, уско¬
ряется образование колеи, возникают просадки покрытия
в местах переувлажнения грунта земляного полотна.Вместе с тем, испытания и обследования показали, что50
дорожные одежды большой толщины могут даже при
йнтенсивном движении в течение 15—20 и более лет ра¬
ботать в стадии практически полностью обратимых де¬
формаций без существенных признаков разрушения. По¬
этому при конструировании и расчете дорожной одеж¬
ды важно правильно оценить значения и повторность
действующих в ней напряжений и деформаций, а затем
определить требуемые прочностные свойства материалов
и толщины слоев.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВПРИ ПОВТОРНЫХ НАГРУЗКАХПри проектировании дорожной одежды необходимый
запас прочности материала слоя на повторность воздей¬
ствия нагрузки должен назначаться в зависимости от
интенсивности движения, состава транспортного потока,
срока службы и от способности данного материала со¬
противляться усталостному разрушению.При каждом приложении колесной нагрузки слой из
монолитного квазисплошного материала (асфальто-, дег¬
тебетона, цементогрунта и др.), опирающийся на дефор¬
мируемое основание, изгибается. В результате повторных
проездов в материале слоя происходит процесс постепен¬
ного разрушения, складывающийся из развития микро¬
трещин, их увеличения, образования макротрещин, их
распространения и последующего нарушения сплошно¬
сти слоя, т. е. процесс усталостного разрушения. Термин
«усталость» не вполне отражает поведение материала
при повторяющихся нагрузках: обычно трудно обнару¬
жить прогрессирующее изменение механических и физи¬
ческих свойств материала с увеличением числа приложе¬
ний нагрузки, и зачастую разрушение происходит вне¬
запно; во время «отдыха» между повторными приложе¬
ниями нагрузки эффект от предшествовавших нагруже¬
ний практически не исчезает, т. е. повреждения в мате¬
риале накапливаются и, как правило, являются необра¬
тимыми.Особенно большое значение для обоснованного кон¬
струирования и расчета дорожных одежд имеют данные
°б усталостных свойствах асфальтобетона, поскольку
Именно этот материал наиболее широко используется при
Устройстве покрытий на автомобильных дорогах с интен¬
сивным движением. В нашей стране на дороги с асфаль¬
тобетонным покрытием приходится более 40 % грузообо-51
рота автотранспорта, хотя их протяженность составляет
около 20 % общей протяженности дорог с твердым по¬
крытием. Поэтому важно знать, как зависит число пов¬
торных приложений нагрузок, которое способен выдер¬
жать асфальтобетон до разрушения, от его состава и
свойств компонентов.Для получения при проектировании дорожной одежды
данных об усталостной прочности покрытия образцы ас¬
фальтобетона следует испытывать в лабораторных усло¬
виях повторными нагружениями при постоянной ампли¬
туде напряжения либо деформации в каждом цикле на¬
грузка — разгрузка. Длительность цикла повторного на¬
гружения при этих испытаниях должна соответствовать
условиям работы материала данного слоя в конструкции
дорожной одежды.Длительность напряженно-деформированного состоя¬
ния в различных точках дорожной одежды зависит от
глубины их расположения, скорости движения авто¬
транспортного средства, толщин и модулей упругости
слоев дорожной одежды. Она колеблется от 0,01 до 1,0 с.
В среднем принимают, что при скорости движения грузо¬
вого автомобиля 50—80 км/ч длительность напряженно-
деформированного состояния верхних слоев дорожной
одежды равна 0,1 с.Испытывают следующие типы образцов: в виде балок
на двух опорах; консольных балок трапецеидального
продольного сечения типа бруса равного сопротивления
изгибу; призматические с квадратным поперечным сече¬
нием при повторном сжатии — растяжении; цилиндриче¬
ские при осевом и внецентренном сжатии или повторном
кручении, цилиндрические при трехосном сжатии с пуль-
сационным нагружением, плиты и балки из асфальтобе¬
тона на упругом основании. Признаками усталостного
разрушения являются разделение образца на части, воз¬
никновение первой трещины, наблюдаемое визуально ли¬
бо обнаруживаемое по изменению скорости распростра¬
нения ультразвуковых колебаний или разрыву приклеен¬
ного к поверхности образца датчика, заметное снижение
жесткости образца по сравнению с первоначальной.В процессе испытания при постоянной амплитуде на¬
пряжения с увеличением числа приложений нагрузки же¬
сткость образца постепенно уменьшается вследствие раз¬
вития в нем трещин и его деформации возрастают. Если
опыты проводятся при постоянной амплитуде деформа¬
ций, то с увеличением числа приложений нагрузки на¬
пряжения в образце снижаются. Поэтому общее число52
приложений нагрузки, которое образец выдерживает при
испытании этими двумя методами, различно.Испытания образцов в виде балок на усталость при
изгибе с постоянной амплитудой напряжения целесооб¬
разно проводить с помощью пульсатора, сконструиро¬
ванного в Госдорнии И. М. Щербаковым и Б. С. Ра-ДОВСКИМ.Его отличительной особенностью является устройство,
которое, имитируя работу упругого основания под до¬
рожным покрытием, частично восстанавливает остаточ¬
ную деформацию образца в течение промежутка време¬
ни между приложениями нагрузок. При этом в период
действия нагрузки обеспечивается беспрепятственный
изгиб образца, т. е. сохраняется статически определи¬
мая схема работы балки на двух опорах, и амплитуда
напряжения в образце при постоянной амплитуде на¬
грузки не изменяется с увеличением количества ее при¬
ложений.Ввиду трудоемкости испытаний на усталость при на¬
значении коэффициента запаса прочности могут быть ис¬
пользованы имеющиеся результаты подобных исследова¬
ний различных дорожно-строительных материалов.В Госдорнии были испытаны на усталость асфальто-,
дегтебетоны и укрепленные цементом грунты.Образцы из мелкозернистого асфальтобетона разме¬
рами 4X4X16 см и пролетом 14 см испытывали при тем¬
пературе 20 °С и различных нагрузках (150—900 Н) в ус¬
ловиях чистого изгиба с помощью пульсатора конструк¬
ции Госдорнии. Длительность действия нагрузки состав¬
ляла 0,1 с, пауза — 0,4 или 0,9 с. В состав асфальтобе¬
тона входили дробленный диорит (зерна мельче 10 мм),
минеральный порошок из мраморовидных известняков,
окисленные битумы III реологического типа из Само-
тлорской нефти с различной глубиной проникания. На
каждом уровне нагружения испытывали не менее шести
образцов.Результаты испытаний позволяют судить о влиянии
вязкости битума, массовой доли щебня и амплитуды на¬
пряжения на усталостную прочность асфальтобетона, ха¬
рактеризуемую числом приложений нагрузки, которое
способен выдержать образец до разделения на части
(рис. 17). Показателем, отражающим влияние повыше-
Ния нагрузки на снижение усталостной прочности (цик¬
лической долговечности) материала, является коэффи¬
циент усталости в следующих зависимостях, предложен-
для асфальтобетона А. О. Саллем (Ленинградский53
филиал Союздорнии) и П. Пеллом (Ноттингемский уни¬
верситет, Англия):lg — =	L lgN. lg — =	— IgN, (23)ot	n	et	neгде N — число приложений нагрузки, которое выдержи¬
вает образец до разрушения; а, е — амплитуды напря¬
жения или относительной деформации в каждом циклеРис. 17. Влияние вязкости битума (а) и содержания щебня (б)
на усталостную прочность асфальтобетона:t—4 — при глубине проникания 58; 83; 124; 160 град (массовые доли %:
битума —5,5, минерального порошка — 6, щебня —55); 5—9 — при массо¬
вой доле щебня в минеральной части смеси 65, 55; 45г, 35 и 25 % (5—7 %
битума с глубиной проникания 58 град).нагрузка — разгрузка; ot — однократное разрушающее
напряжение (предел прочности на растяжение при изги¬
бе) при данной длительности t кратковременного нагру¬
жения; et — предельная относительная деформация ра¬
стяжения от изгиба при данной длительности t кратко¬
временного нагружения; п, п„ — постоянные, зависящие
от состава и свойств асфальтобетона.Параметр п, характеризующий сопротивление асфаль¬
тобетона усталостному разрушению при испытании с по¬
стоянной амплитудой напряжения, зависит в основном
от вязкости битума и возрастает с ее увеличением. Вме¬
сте с тем, с увеличением массовой доли минерального
порошка при постоянной массовой доле битума параметр
п также возрастает, что, по-видимому, обусловлено со¬
ответствующим увеличением доли битума, структурируе¬
мого минеральным порошком и имеющего поэтому по¬
вышенную эффективную вязкость.54
С уменьшением остаточной пористости асфальтобето¬
на за счет увеличения количества битума и минерально¬
го порошка усталостная прочность повышается (рис.
18, я, б). Однако существует такое содержание битума,
при котором усталостная прочность достигает максиму¬
ма. Например, максимальное число приложений нагруз¬
ки до разрушения (30 тыс.) наблюдалось при массовой
доле битума 7 % (массы минеральной части асфальтобе¬
тонной смеси), которой соответствует остаточная пори¬
стость 2 % (см. рис. 18, а).Характерно, что количество битума в смеси, при ко¬
тором усталостная прочность асфальтобетона при изгибе
максимальна, больше того его количества, при котором
асфальтобетон имеет максимальную прочность на сжа¬
тие и максимальный модуль упругости для данной тем¬
пературы и длительности нагружения. Оптимальные со¬
ставы асфальтобетонной смеси, соответствующие макси¬
мальной прочности и максимальной сдвигоустойчивости
асфальтобетона, не совпадают. В частности, количество
битума, оптимальное с точки зрения усталостной проч¬
ности при изгибе, больше оптимального количества би¬
тума, отвечающего наибольшей сдвигоустойчивости. Это
необходимо учитывать при выборе рационального соста¬
ва смеси в зависимости от природно-климатических усло¬
вий работы покрытия.Число приложений нагрузки, которое способен выдер¬
жать образец асфальтобетона до разрушения, возрастает55Рис. 18. Усталостная проч¬
ность асфальтобетона в за¬
висимости от количества в
нем битума Б с глубиной
проникания 58 град (а), ми¬
нерального порошка МП (б)
и щебня Щ (в).
с уменьшением массовой доли щебня в минеральной ча¬
сти асфальтобетона, (рис. 18, в). Поэтому дорожные по¬
крытия из асфальтобетонных смесей, минеральная часть
которых содержит щебня менее 45—50 %, должны иметь
повышенную усталостную прочность при изгибе.Аналогичные результаты получены при испытании на
усталость дегтебетонов из смесей с различным содержа¬
нием щебня при различной вязкости каменноугольных
дегтей.Усталость при изгибе под действием многократных
повторных нагрузок опасна не только для дорожного по¬
крытия, но и для основания из материала, укрепленного
вяжущим веществом. Для испытаний на усталость ха¬
рактерен большой разброс результатов повторных опы¬
тов, обусловленный вероятностной природой процесса
усталостного разрушения материала. Поэтому для
уменьшения начальной неоднородности следует перед
испытаниями тщательно подбирать образцы по таким
признакам, как, например, объемная масса, скорость
прохождения ультразвуковых колебаний в продольном
направлении, а также прогиб при одинаковой нагрузке,
не превышающей 20—40 % разрушающей.Испытания цементогрунтовых образцов-балок, выпи¬
ленных из основания дорожной одежды, проведенные
Г. В. -Малеванским, показали, что зависимость между
числом циклов до разрушения и напряжением в образце
является линейной в координатах 1 gN, lgo/ot согласно
первой формуле (23) с показателем п= 18,7. Следова¬
тельно, с помощью формул (23) можно описывать ре¬
зультаты испытания на усталость не только асфальтобе¬
тона, но и материала, содержащего неорганическое вя¬
жущее вещество, хотя значения параметра п для этих
материалов существенно отличаются.Усталостную прочность дорожно-строительных мате¬
риалов определяют для обоснованного назначения запа¬
са прочности дорожного покрытия и основания, сравни¬
тельной оценки влияния различных нагрузок на срок
службы дорожной одежды (например, при приведении
фактической интенсивности движения к интенсивности
движения расчетной нагрузки).Г. В. Малеванским и Б. С. Радовским проанализирова¬
ны данные о сопротивлении дорожно-строительных ма¬
териалов усталостному разрушению по результатам ис¬
следований, проведенных различными авторами при пов¬
торных нагрузках на сжатие, изгиб, изгиб на упругом
основании, растяжение — сжатие при постоянной ампли¬56
туде напряжения либо относительной деформации с раз¬
личными длительностями нагружения и периодами от¬
дыха. На рис. 19 по оси ординат отложен относительный
уровень нагружения — логарифм отношения сг/аюо или
е/еюо» где сгюо. еюо — амплитудные значения напряжения
или деформаций, при которых образцы выдерживают в
среднем 100 приложений кратковременной нагрузки. По
оси абсцисс отложен логарифм числа N приложений на¬
грузки до разрушения (разделения на части) образца.Рис. 19. Данные о сопротивлении дорожно-строительных материа¬
лов усталостному разрушению:1, 2 — цементобетон — Мурдок, Хильсдорф,: 3 — то же И. М. Грушко; 4 —
то же А. Н. Защепин; 5 — то же О. Я. Берг, Т. С. Каранфилов; 6 — це-
ментогрунт — Л. А. Марков, Бофннгер; 7 — известегрунт — Альберг, Мак-
Винн; 8 — то же Г. В. Малеванский, Б. С. Радовский; 9 — то же Свансон,
Томпсон; 10—14 — асфальтобетон — Бейкер и Папазян, Т. Н. Калашнико¬
ва и А. В. Руденский, А. О. Салль, Пелл,; 15 — то же Эверс; 16 — то же
И. М. Щербаков и Б. С. Радовский; 17—19 — то же Кучера, Лукас, Тей¬
лор; 20 — то же Пелл; 21 — то же И. В. Королев, и Г. Р. Фоменко, Ниж-
боер; 22 — дегтебетон — Тейлор и Пелл, И, М. Щербаков.Данные рис. 19 позволяют сделать следующие выводы:1.	Кривые усталости всех материалов слоев близки к
линейной зависимости в логарифмических координатах.
Однотипность этих кривых дает возможность на основе
единой зависимости описывать сопротивление различных57
материалов слоев усталостному разрушению. Если име¬
ются образцы-близнецы, один из которых подвергается
воздействию повторных нагрузок, вызывающих в каж¬
дом цикле напряжение с амплитудой ov а другой ап, то
соответствующие средние числа приложений нагрузок до
разрушения образцов NI и jVh связаны соотношениемNi/Nu=(oiiIoi)*9	(24)где п — константа, характеризующая наклон прямой ус¬
талости в координатах (lga, 1 gN)—котангенс угла ее
наклона к оси lgN.Соотношение (24) позволяет сравнивать влияние раз¬
личных по значению нагрузок на долговечность слоя, ма¬
териал ^которого характеризуется показателем степени п.2.	Значение постоянной п практически не зависит от
вида напряженно-деформированного состояния материа¬
ла (изгиб, сжатие, изгиб на упругом основании).3.	Дорожно-строительным материалам, содержащим
органические и минеральные вяжущие вещества, соот¬
ветствуют две различные не перекрывающиеся области
расположения усталостных прямых в логарифмических
координатах.4.	По чувствительности к повторности приложения на¬
грузки дорожно-строительные материалы можно распо¬
ложить в таком порядке: дегтебетоны; асфальтобетоны;
грунты, укрепленные известью или цементом; цементо¬
бетоны. Это следует из того, что на любом уровне на¬
гружения число приложений нагрузок до разрушения об¬
разцов различных материалов возрастает в указанном
порядке.5.	Положение усталостных прямых зависит главным
образом от вида и свойств вяжущего вещества. Постоян¬
ная /г, характеризующая наклон усталостной прямой,
имеет следующие значения: для горячих дегтебетонов и
холодных битумоминеральных смесей 2—3; горячих ас¬
фальтобетонов на битумах средней вязкости 3,5—5,0;
горячих асфальтобетонов на вязких битумах 5,0—6,3;
грунтов, укрепленных цементом либо известью 12—20;
цементобетонов 20—37. Поэтому из соотношения (24)
следует, что по влиянию значения повторной нагрузки
на долговечность дорожно-строительные материалы мож¬
но расположить в таком порядке: цементобетоны; грун¬
ты, укрепленные цементом или известью; асфальтобето¬
ны; дегтебетоны. Следовательно, материалы, укреплен¬
ные неорганическими вяжущими (цементом, известью),
гораздо лучше сопротивляются повторному приложению58
одинаковых нагрузок, чем материалы, содержащие орга¬
нические вяжущие (битум, деготь), но проявляют повы¬
шенную чувствительность к изменению амплитуды пов¬
торно прикладываемой нагрузки (например, к разовым
проездам автомобилей с большими нагрузками на ко¬
леса).Некоторые из этих фактов требуют физического объ¬
яснения. Однако общепринятая точка зрения на меха¬
низм усталостного разрушения твердых тел пока еще не
выработана. В исследованиях рассматривают чаще всего
какой-либо один из двух механизмов усталостного раз¬
рушения: критический или термофлуктуационный.Критический механизм (Гриффит и др.) предполагает
существование трех фаз процесса усталостного разру¬
шения: движение и скопление микродефектов, развитие
микротрещин, распространение трещин по телу, завер¬
шающееся разрушением тела как целого.Первая фаза выражается в движении и концентрации
микродефектов, вторая — в образовании микротрещины,
развитии и ветвлении системы микротрещин. Возникно¬
вение системы микротрещин вызывает двоякий эффект:
с одной стороны, трещины уменьшают «живое сечение»
материала, ослабляя его, с другой — снимают внутрен¬
ние микронапряжения, повышая сопротивление соответ¬
ствующего участка материала внешним по отношению к
нему нагрузкам. При достижении материалом критиче¬
ского ослабления начинается третья фаза процесса: воз¬
никает одна макроскопическая трещина (или немногие
макроскопические трещины), приводящая (приводящие)
к разрушению тела.Однако можно полагать, что материалы слоев дорож¬
ных одежд, обладающие не только упругими, но и в зна¬
чительной степени вязкими свойствами, могут разру¬
шаться не только вследствие развития дефектов. В ча¬
стности, для материалов, укрепленных органическими
вяжущими веществами, и в меньшей степени — для ма¬
териалов, содержащих минеральные вяжущие, сущест¬
венная роль принадлежит кинетическому термофлукту-
ационному процессу постепенного накопления нару¬
шений.Согласно термофлуктуационному механизму (С. Н.
Журков и др.) разрушение твердого тела является след¬
ствием постепенного накопления субмикроскопических
разрушений, развивающихся при совместном действии
механических напряжений и тепловых колебаний атомов
и молекул. Элементарными актами термического процес-59
са разрушения являются термофлуктуационные разрывы
связей (химических и межмолекулярных), активируемые
приложенным механическим напряжением. При этом
тепловые колебания считаются основной причиной раз¬
рыва связей, а роль внешней нагрузки сводится к умень¬
шению потенциального барьера, т. е. к увеличению ве¬
роятности разрыва связей.Можно предположить, что практически для всех до¬
рожно-строительных материалов характерно сочетание
критического и термофлуктуационного механизмов раз¬
рушения.На основе этих физических закономерностей усталост¬
ного разрушения можно проанализировать имеющиеся
экспериментальные данные о сопротивляемости образцов
разл^ных материалов слоев дорожных одежд повтор¬
ным кратковременным нагрузкам.Уже отмечалось, что усталостные прямые дорожно¬
строительных материалов, содержащих органические и
минеральные вяжущие вещества, располагаются в раз¬
личных областях графика, изображенного на рис. 19.
Между тем, ряд фактов свидетельствует о том, что ме¬
ханизмы усталостного разрушения даже таких различ¬
ных материалов, как асфальто- и цементобетон имеют
общие черты.Так, по измерению скорости прохождения ультразвука
в образцах обычно удается обнаружить, что микрораз¬
рушения в цементобетоне и цементогрунте появляются,
начиная с первых циклов нагружения. Одновременно
уменьшается модуль упругомгновенных деформаций,
причем это уменьшение происходит в течение небольшо¬
го количества циклов (в зависимости от уровня нагру¬
жения). Аналогично при испытании на усталость образ¬
цов асфальтобетона при постоянной амплитуде напряже¬
ния с увеличением числа повторных нагружений снижа¬
ется жесткость (начиная с первых циклов), что свиде¬
тельствует о появлении внутренних микроразрушений.Установлено, что усталостная прочность цементобето¬
нов, испытываемых при постоянном уровне напряжений,
в значительной степени зависит от минералогического
состава цементов и имеет максимум при оптимальном
содержании цементного клея. Подобно этому определя¬
ющая роль фазового состава битума в усталостной проч¬
ности асфальтобетона следует из результатов, получен¬
ных Ферштратеном, который экспериментально показал,
что при определенной массовой доле асфальтенов в би¬
туме усталостная прочность асфальтобетона резко возра-60
стает. Кроме того, как уже отмечалось, существует такое
содержание битума в асфальтобетоне, которому при по¬
стоянном уровне напряжений соответствует наибольшая
выносливость этого материала. При этом экстремум чис¬
ла приложений нагрузок до разрушения проявляется
довольно заметно (см. рис. 17).Обращает на себя внимание следующая особенность
поведения материалов, содержащих органические вяжу¬
щие вещества. Для битумоминеральных смесей и асфаль¬
тобетонов на положение усталостных прямых сравни¬
тельно мало влияет характер поверхности и форма ча¬
стиц каменного материала, содержание битума в смеси,
а также вид напряженного состояния. Конечно, число
приложений нагрузки до разрушения образца асфальто¬
бетона N при данной амплитуде деформации е или на¬
пряжения а зависит от содержания в нем битума. Одна¬
ко результаты экспериментов свидетельствуют, что нак¬
лон усталостных прямых не зависит от указанных фак¬
торов, а поэтому расположение этих прямых в коорди¬
натах (lgiV, lga/оюо) либо (lgN, lge/eioo) определяется в
основном свойствами битума: значение п увеличивается
с повышением вязкости битума и уменьшением темпера¬
туры асфальтобетона.Считается, что в цементобетоне зародыши трещин сна¬
чала возникают в зоне контакта цементного камня и за¬
полнителя. В асфальтобетоне, как следует из приведен¬
ных экспериментальных данных, разрушение образца
при испытании на усталость происходит по битумной
пленке.Асфальтобетоны значительно чувствительнее цементо¬
бетонов к изменению продолжительности пауз между
циклами нагружения. Однако при паузах, превышающих
некоторую пороговую (например около 0,5 с для испы¬
тания при температурах 10—40 °С с длительностью дей¬
ствия нагрузки 0,1 с), асфальтобетоны почти утрачивают
чувствительность к продолжительности периодов отдыха
между нагрузками.Рассмотренные данные свидетельствуют о существен¬
ных общих чертах закономерностей усталостного разру¬
шения различных связных материалов слоев дорожных
одежд и о том, что в процессе усталости действительно
сочетаются критический и термофлуктуационно-кинети-
ческий механизмы разрушения. Если условно предполо¬
жить, что все основные дорожно-строительные материа¬
лы сопротивляются внешним нагрузкам благодаря свя¬
зям (упругим, вязким и обусловленным кулоновым тре-61
нием между твердыми частицами), то ведущая роль foro
или иного механизма усталостного разрушения обуслов¬
ливается количеством связей различного типа.Так, асфальтобетоны и другие материалы, содержащие
органические вяжущие вещества, при положительных
температурах, очевидно, характеризуются преимущест¬
венно вязкими связями и связями кулонова трения. При
воздействии циклического нагружения происходит тиксо-
тропное разрушение коагуляционной структуры вязких
связей, а также десинхронизируются взаимные переме¬
щения твердых частиц, что приводит к нарушению кон¬
тактов между ними и снижению сопротивления, обуслов¬
ленного кулоновым трением. В материалах, содержащих
неорганические вяжущие вещества, с преобладающим
количеством упругих связей эти процессы протекают ме¬
нее интенсивно. Поэтому цементосвязные материалы при
любом нагружении проявляют более высокую сопротив¬
ляемость повторным нагрузкам, чем асфальтобетоны, би-
тумо- и дегтеминеральные смеси (см. рис. 19).Увеличение амплитуды напряжений при неизменной
длительности цикла приводит к возрастанию скорости
нагружения. При этом значительно возрастает сопротив¬
ляемость вязких связей. Можно полагать, что именно по¬
этому повышение уровня нагружения меньше влияет на
материалы, содержащие органические вяжущие вещест¬
ва. Так, из соотношения (24) следует, что при повыше¬
нии уровня нагружения на 10 % число приложений на¬
грузок, которое выдерживает образец материала до раз¬
рушения, уменьшается для асфальтобетона приблизи¬
тельно в 1,7 раза, для цементогрунта — в 6 и для цемен¬
тобетона— в 11 раз (при п=25).Рассмотренные закономерности усталости дорожно¬
строительных материалов базируются на результатах
испытания образцов этих материалов в лаборатории.
Вместе с тем, наблюдения свидетельствуют, что законо¬
мерности усталости слоя дорожной одежды в эксплуата¬
ционных условиях аналогичны. Так, в процессе усталости
образцов-балок асфальтобетона различимы три фазы:
накопление внутренних разрушений, сопровождающееся
заметным уменьшением жесткости; возникновение ми¬
кротрещин при относительно невысоком темпе уменьше¬
ния жесткости; распространение и прогрессирующее
развитие трещин с резким уменьшением жесткости и по¬
следующим разрушением. Эта закономерность подтверж¬
дена при изучении кинетики развития усталостных тре¬
щин в асфальтобетонных покрытиях и в основаниях лз62
укрепленной цементом либо известью золошлаковой
смеси ТЭЦ на кольцевых стендах и на опытных участ¬
ках автомобильных дорог.Оказалось, что сначала появление усталостных трещин
в слое не сопровождается существенными вертикальны¬
ми перемещениями его поверхности. После появления
первичных усталостных трещин вблизи подошвы асфаль¬
тобетонного покрытия их развитие как бы приостанавли¬
вается на продолжительный промежуток времени, в те¬
чение которого образовавшиеся внизу трещины распро¬
страняются к поверхности покрытия. В результате вдоль
полос наката постепенно появляется сетка пересекаю¬
щихся усталостных трещин. Обычно при этом происхо¬
дят резкое снижение распределяющей способности по¬
крытия, повышение его водопроницаемости, необратимые
просадки поверхности и образуются другие дефекты,
что требует ремонта покрытия.На автомобильных дорогах с асфальтобетонными по¬
крытиями по истечении нескольких лет эксплуатации
обычно сначала на правой полосе наката появляются во¬
лосяные трещины. Затем они расширяются с одновре¬
менным образованием между ними и кромкой проезжей
части новых продольных и поперечных трещин. В пер¬
вые годы эксплуатации показатель неровности поверх¬
ности дорожного покрытия по толчкомеру возрастает от¬
носительно медленно (например, на 2—7 см в год), а
при развитии усталостных трещин в последующие годы
темп роста этого показателя заметно повышается (на¬
пример, 10—20 см в год). Следовательно, в поведении
лабораторных образцов дорожно-строительных материа¬
лов и устроенных из этих материалов слоев дорожных
одежд при повторяющихся нагрузках действительно име¬
ются общие черты.Выше рассматривались закономерности усталостного
разрушения под действием многократно повторяющихся
нагрузок, при каждом приложении которых амплитуд¬
ное значение напряжения или относительной деформации
сохранялось постоянным. Однако при проезде автотранс¬
портных средств напряжения и деформации, возникаю¬
щие в любой точке слоя дорожной одежды, имеют раз¬
личные значения, так как автомобили движутся на раз¬
ных расстояниях от кромки проезжей части. Различны
также и нагрузки, передаваемые колесами на покрытие.Долговечность дорожно-строительного материала при
возникновении в нем повторяющихся напряжений раз¬
личных значений может быть наиболее просто оценена63
на основе правила Пальмгрена — Майнера о линейном
суммировании повреждений. Согласно этому правилу
усталостное разрушение от напряжений с различными
амплитудами прогнозируется следующим образом.Допустим, что при циклических напряжениях с одина¬
ковыми амплитудами о\ разрушение произойдет через N{
циклов. Обычно зависимость между этими величинами
известна из результатов испытаний на усталость. Если
такие же напряжения приложены в течение щ циклов,
причем пх меньше Nu то произойдет частичное повреж¬
дение образца, характеризуемое числом du называемым
поврежденностью. Аналогично при циклических напря¬
жениях с одинаковыми амплитудами аг разрушение про¬
изойдет чёрез N2 циклов, а поврежденность в результате
действия напряжения в течение П2 циклов, где щ мень¬
ше Л/2» можно охарактеризовать числом d2.По правилу линейного суммирования повреждений
считается, что разрушение произойдет, когда сумма пов-
режденностей от действия напряжений с различными ам¬
плитудами составит единицу:+ ... + dk = 1 или n1/N1 ++ n2/N2+ ... +nk/Nk= 1.	(25)При этом принимают, что поврежденность вследствие
циклического действия некоторого напряжения равна от¬
ношению фактического числа циклов его воздействия к
полному числу циклов, которое привело бы к разруше¬
нию от этого напряжения. Правило линейного суммиро¬
вания поврежденностей не учитывает влияния последо¬
вательности чередования больших и малых напряжений.
В действительности очередность воздействия напряжений
различного значения влияет на усталостную долговеч¬
ность, и поэтому в различных условиях нагружения раз¬
рушение может произойти, если сумма поврежденностей
составит от 0,6 до 1,6 вместо 1,0. Однако анализ резуль¬
татов испытаний дорожно-строительных материалов и
суглинистых грунтов земляного полотна повторными на¬
гружениями свидетельствует, что в большинстве случаев
разрушению соответствует сумма поврежденностей от
0,8 до 1,3. При этом чем случайнее чередуются большие
и малые напряжения, тем ближе сумма поврежденностей
в момент разрушения к единице. Следовательно, правило
линейного суммирования может применяться для прогно¬
зирования долговечности дорожных одежд.64
2.2. РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОГО КОЭФФИЦИЕНТАЗАПАСА ПРОЧНОСТИ НА УСТАЛОСТЬДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПРИ ИНТЕНСИВНОМ ДВИЖЕНИИОсновываясь на закономерностях усталостного разру¬
шения, описанных в 2.1, можно получить зависимости
для оценки суммарного усталостного воздействия транс¬
портных средств на материал изгибаемого слоя дорож¬
ной одежды с учетом характера распределения транспор¬
та по ширине проезжей части и сопротивления материа¬
ла данного слоя усталостному разрушению.Допустим, через поперечник полосы движения прошло
в одном направлении N колес автотранспортных средств.
Распределение следов колес по ширине проезжей части
охарактеризуем функцией ф(у) плотности вероятности
расположения центра отпечатка колеса на расстоянии у
от среднего положения этого центра (рис. 20). Считая,Рис. 20. Расчетная схема к оценке усталостного воздействия про¬
ездов колес, распределенных по ширине полосы движения:1 — плотность вероятности распределения положений центров отпечатков
правых колес; 2 — то же левых.что все колеса передают поверхности покрытия одинако¬
вые нагрузки, определим усталостное воздействие движе¬
ния транспорта, распределенного по ширине проезжей
части, на материал слоя дорожной одежды, работающе¬
го на изгиб.Действительный характер распределения положений
центра отпечатка колеса по ширине проезжей части мо-3 8-160865
жет быть установлен путем наблюдений на автомобиль¬
ных дорогах. Примером могут служить данные о распре¬
делении проездов правых колес по ширине дороги IV ка¬
тегории, полученные Госдорнии и Тернопольским обл-
автодором (рис. 21). Ширина земляного полотна автомо¬
бильной дороги 12, проезжей части — 7 м. Обочины грун-Рис. 21. Распределение положений центра отпечатка правого ко¬
леса по ширине проезжей части.товые. Покрытие устроено из фракционированного щеб¬
ня, обработанного в смесителе вязким битумом, со слоем
износа. Поверхность покрытия (от кромки к середине)
была разбита на 16 полос шириной по 0,2 м и одну, при¬
мыкающую к оси проезжей части, шириной 0,3 м. По¬
лосы были пронумерованы. При проезде автомобиля на¬
блюдатель отмечал номер полосы, в пределах которой
находился центр отпечатка правого заднего колеса. На¬
блюдения проводили в осенний день во время вывоза
урожая свеклы с 9 до 18 ч. За 9 ч суммарное число про¬
ездов грузовых автомобилей в день наблюдения состави¬
ло 438. На рис. 21 в виде гистограммы показано, сколько
правых задних колес Ni проходило через каждую из вы¬
деленных на покрытии полос. Например, в пределах ше¬
стой справа полосы шириной 0,2 м центр отпечатка зад¬
него правого колеса находился 71, а седьмой справа—
51 раз и т. д.Кривая на рис. 21 построена после статистической об-66
работки этих данных по формуле закона нормального
распределения/ ч	1 -yt/2Sl	/оа\ф(!/)=^71Ге •	(26)где у — расстояние центра отпечатка правого колеса, пе¬
ресекающего поперечник проезжей части от среднего
положения этого центра; 5К — среднеквадратическое от¬
клонение у.В данном случае точка, соответствующая среднему по¬
ложению центра отпечатка правого колеса, находилась
на расстоянии 1/макс=1,06 м от правой кромки покрытия.
Визуально это среднее положение может быть обнару¬
жено при осмотре поверхности покрытия как центр так
называемой «полосы наката». Как видно из рис. 21, че¬
рез полоску шириной 0,20 м, выделенную около центра
полосы наката, фактически проходит около 70 из 483 ко¬
лес, т. е. около 18 %. Среднеквадратическое отклонение
для кривой ф(у) составило 5К=0,48 м. Максимальное
значение плотности вероятности расположения центра
отпечатка колеса на расстоянии у от его среднего поло¬
жения равно <р(г/=0) =0,84 м-1.Раскрытие первых трещин, возникающих в результате
повторного кратковременного приложения движущихся
нагрузок, обычно начинается в нижней зоне изгибаемого
слоя вдоль линии, соответствующей среднему положению
центра отпечатка колеса, поскольку суммарное усталост¬
ное воздействие колес, проходящих на различных рассто¬
яниях, в этом случае является наибольшим. Поэтому
рассмотрим усталостную прочность на растяжение при
изгибе материала покрытия в точках, расположенных на
прямой у=0 (см. рис. 20).Поместим начало координат (х, у) в ту точку подош¬
вы работающего на изгиб рассматриваемого слоя (ас-
фальто-, дегтебетон, цементогрунт и т. п.), которая на¬
ходится под точкой, совпадающей со средним положени¬
ем центра отпечатка правого колеса на поверхности по¬
крытия. Ось У направим горизонтально в сторону правой
кромки проезжей части, а ось X — вдоль направления
движения.Каждый проезд колеса на расстоянии у от рассматри¬
ваемой точки с координатами (*=0, у=0) вызывает в
этой точке поперечное горизонтальное нормальное на¬
пряжение оу(х, у), которое достигает наибольшего зна¬
чения, когда колесо пересекает данный поперечник (т. е.
при jc=0). Чем больше расстояние у, на котором нахо-3*67
дится центр отпечатка проезжающего колеса от рассмат¬
риваемой точки (л:=0, у—0), тем меньше возникающее
в этой точке максимальное растягивающее напряжение
МО, у).Наибольшее влияние на накопление усталостных пов¬
реждений в материале слоя оказывает проезд колеса не¬
посредственно над рассматриваемой точкой (*=0, у=
=0), поскольку в этом случае в ней возникает растяги¬
вающее напряжение с максимальной амплитудой <ту(0,
0). Такой проезд можно назвать эталонным и воздейст¬
вие колес, проходящих на различных расстояниях у, оце¬
нивать соответствующим числом эталонных проез¬
дов., Изменение напряжения оу(х, у) с приближением и
последующим удалением колеса, пересекающего попе¬
речник на расстоянии у от центра полосы наката, анало¬
гично нагрузке и разгрузке образца материала слоя при
испытании этого образца на усталость в лаборатории.
В соответствии с соотношением (24), установленным по
результатам испытаний дорожно-строительных материа¬
лов на усталость, числу Ny проездов колес на расстоянии
у, когда амплитуда напряжения равна (ТгДО, у), соответ¬
ствует равноценное по усталостному воздействию число
N0 эталонных проездов над данной точкой, определяемое
по формулеГ °и(0, у) 1"уК.У)° 0,(0, 0) J у	’Выделим на поверхности покрытия полоску шириной
dy, заключенную между у и y-\-dy (см. рис. 20). Из об¬
щего количества NK правых колес, пересекающих данный
поперечник полосы движения, через полоску шириной
dy проходит dNy центров отпечатков колес:dNu = NK<p(y)dy.	(28)Дифференцируя обе части равенства (27), получимdN0= Г ау{°’ У) Г dNy.	(29)0 L М°- 0) J УПодставив выражение (28) в равенство (29), получим
число эталонных проездов dN0, равноценное проездам
колес в пределах элементарной полоски шириной dy:dN0~ NK<p (у) fH^±\ndy.	(30)Оу (0, 0)68
Согласно правилу линейного суммирования усталост¬
ных повреждений, суммируя все воздействия правых ко¬
лес, проезжающих в пределах полосы движения на раз¬
личных расстояниях, можно найти то количество эталон¬
ных проездов, которое по усталостному воздействию рав¬
ноценно влиянию проездов, распределенных по ширине.
Поэтому, интегрируя обе части равенства (30), получим(31)(В)где В — ширина полосы движения.Количество эталонных проездов N0 является удобной
мерой суммарного усталостного воздействия, оказывае¬
мого на материал изгибаемого слоя дорожной одежды
движением, распределенным по ширине проезжей части
с плотностью вероятности <р(у).Функция ф(г/), как показывают наблюдения за поло¬
жением колеса, пересекающего поперечник проезжей
части, хорошо описывается выражением (26). Среднее
положение центра отпечатка правого колеса в зависимо¬
сти от числа полос движения, ширины полосы, состоя¬
ния обочин, состава транспортного потока и интенсивно¬
сти движения обычно находится на расстоянии г/макс=
=0,7... 1,2 м от правой кромки проезжей части. Средне¬
квадратическое отклонение положения центра отпечатка
колеса от его среднего положения составляет примерно
5К=0,4...0,7 м.Воспользовавшись приближенными формулами
М. Б. Корсунского для горизонтальных нормальных на¬
пряжений в слое, лежащем на однородном полупрост¬
ранстве [6], можно представить соотношение напряже¬
ний в формуле (31) следующим образом:°и (0. У) = l+Vi —i/2fe2 (3—Уд)М0,0) ~ (i+Vl)(l+*V)3 ’DYn\	\2h1 V £х(1 —Vj) Jгде vj, V2 и Ей E2 — коэффициенты поперечной деформа¬
ции и модули упругости материалов слоя и полупрост¬
ранства, соответствующие значениям функций релакса¬
ции этих материалов в момент времени, равный харак¬
терной длительности напряженного состояния (например
0,1 с при скорости движения 60—70 км/ч); D — диаметр69
круга, равновеликого по площади отпечатку колеса на
покрытии; h\ — толщина слоя, в котором определяются
горизонтальные нормальные напряжения при изгибе.После подстановки выражений (26) и (32) в правую
часть равенства (31) получим формулу для определения
числа эталонных проездов, равноценных распределенно¬
му движению:Ч.8КС	_N= N»_ Г Ц+Ух-иМЗ-У.)]^0 kSK У 2к J	(1 + Vi)” (1 + и2)5"	'«W»	(34)Результаты испытаний на усталость, приведенные в
предыдущем параграфе, свидетельствуют, что для боль¬
шинства дорожно-строительных материалов значения п
превышают 3. Поэтому подынтегральная функция в ра¬
венстве (34) с увеличением абсолютного значения пере¬
менной интегрирования быстро убывает вследствие уве¬
личения множителя (1+и2)3" в знаменателе. Это позво¬
лило найти приближенное значение интеграла в равен¬
стве (34) и получить простые формулы для определения
эталонного числа проездовN ~ Nk Г *n@ +v0 . 1 1 °'5. /ос\
а, [ i+v, +»*5iJ '	<36)N0«	.	(36)nkSK у пПри обычно встречающихся значениях л от 3 до 30,
kSK от 0,25 до 2,5, Vi от 0,2 до 0,4 погрешность формулы
(35) не превышает 0,5, а формулы (36) —5 %.Рассматривая более простую формулу (36), можно ви¬
деть, что основное влияние на усталость материала слоя
при изгибе оказывают проезды колес на малом расстоя¬
нии от центра полосы наката. Об этом, в частности, сви¬
детельствует тот факт, что ширина полосы движения В
и расстояние между центром полосы наката и кромкой
*/мако, фигурирующие в (34), не входят в приближенную
формулу (36).Чем толще слой и больше модуль упругости по сравне¬
нию с модулем упругости расположенного под ним по¬
лупространства, тем, в соответствии с формулой (33),
меньше к, а следовательно, согласно формуле (36), боль¬
ше число эталонных проездов N0 при том же общем чис¬
ле проездов NK. Другими словами, чем больше относи¬
тельная жесткость слоя, тем шире та зона полосы дви-70
жения, с которой этот слой «собирает» усталостное воз¬
действие колес, проезжающих на различных расстояниях
от середины полосы наката. Чем больше концентрирует¬
ся движение к середине полосы наката, тем меньше
среднеквадратическое отклонение 5К, а, значит, больше
число эталонных проездов при том же общем числе про¬
ездов колес через поперечное сечение дороги.Назовем отношение $=NK/N0 коэффициентом попереч¬
ного приведения проездов, распределенных по ширине.
Тогда согласно формуле (36)р = nkSK Vn.	(37)Например, для асфальтобетонного покрытия толщиной
h\=7,5 см при Z>=30 см; £i=2000 МПа; £2= 100 МПа;
V!=V2=0,3; 5К=50 см и л=5,5 по формуле (33) оп¬
ределяем &=0,035 1/см, а затем по формуле (37) нахо¬
дим р= 12,9. Это означает, что проезд 1000 автомобилей,
распределенных по ширине полосы движения, эквива¬
лентен по усталостному воздействию на асфальтобетон¬
ное покрытие 1000 : 12,9«78 проездам автомобилей, дви¬
жущихся по одному следу.Таким образом, формулы (34) — (37) позволяют оце¬
нить суммарное воздействие колес автомобилей, проезды
которых распределяются в поперечном направлении по
нормальному закону. Более общее выражение (31) спра¬
ведливо для других функций распределения и для более
точных зависимостей, описывающих напряжения, возни¬
кающие в слое при изгибе.Полученные соотношения могут быть обобщены с уче¬
том сезонных изменений климатических и грунтово-гид-
рологических условий. Для этого календарный год мож¬
но разделить на периоды, в течение каждого из которых
эти условия являются практически стабильными. Один
из этих периодов (например, период наибольшего увлаж¬
нения земляного полотна весной) принимается в качест¬
ве базового. Определяется суммарное количество эталон¬
ных проездов, приведенных к базовому периоду, которое
служит мерой усталостного воздействия движения на из¬
гибаемый слой в течение года.Основой для приведения к базовому периоду, как и для
приведения к движению по одному следу, являются со¬
отношения (23) — (24), дающие возможность сравнить
влияния различных по значению напряжений, возникаю¬
щих в приводимый и в базовый периоды, на усталость
материала слоя. Вычисления свидетельствуют, что дейст¬
вие транспортного потока в течение календарного года71
может быть приведено к равноценному движению со
среднегодовой суточной интенсивностью в течение эффек¬
тивного периода Гэ, соответствующего весенним услови¬
ям, продолжительностью от 20 до 90 сут в зависимости
от вида материалов слоев дорожной одежды и грунта
земляного полотна, сезонной изменчивости природных
условий и колебаний интенсивности движения. Назовем
отношение у=365/Тэ коэффициентом приведения годово¬
го движения к базовому периоду. Тогда этот коэффици¬
ент будет изменяться примерно от 4 до 18.Мерой суммарного усталостного воздействия проездов
автомобилей на изгибаемый слой в течение срока его
службы должно служить количество эталонных проез¬
дов No6 в период, принятый за базовый, определяемое по
формулеN° = 365^сШ ,	(38)PYгде Nc — среднесуточное число приложений осевых на¬
грузок, приведенных к расчетной нагрузке; m — срок
службы, лет.Формула (38) позволяет приближенно оценить то чис¬
ло приложений нагрузки ау (0,0), приведенных по их
влиянию на усталость материала слоя, которое имеет
место в наиболее опасной точке этого слоя за заданный
срок службы. С другой стороны, допустимое из условия
сохранения сплошности слоя число приложений нагрузки
связано со значениями возникающих в нем циклических
напряжений зависимостью (23), получаемой в результа¬
те испытания образцов материала повторными нагруже¬
ниями до разрушения.Согласно выражению (23) число приложений нагрузок
N, при котором образец материала разрушается, зависит
от отношения предела прочности к напряжению:N = (о</о)п.	(39)Отношение предела прочности at при определенной
длительности кратковременного нагружения к амплиту¬
де напряжения а при той же длительности нагружения
представляет собой коэффициент запаса на усталость
(ky=otlo), необходимый для обеспечения заданной дол¬
говечности N. Полагая число повторных нагружений
равным числу базовых эталонных проездов N06, соответ¬
ствующих сроку службы т, из равенств (38) и (39) по¬
лучаем формулу для определения необходимого коэффи¬72
циента запаса прочности на усталость материала данно¬
го слояч_(«ие.)№	(40)или с учетом (37)k = (_МэГп_\1/п	/4Пу [ яkSKVn } '	( 'В соответствии с (40) или (41) запас прочности на ус¬
талость определяется в зависимости от интенсивности
движения и состава транспортного потока (величина
Nc); заданного срока службы (т); сезонных колебаний
температуры слоев и влажности грунта земляного полот¬
на, отражающихся на значениях Тэ или у; распределения
проездов по ширине дороги 5К; толщин и механических
характеристик слоев дорожной одежды (величина k) и
значения постоянной п, отражающей сопротивляемость
материала данного слоя усталостному разрушению под
действием повторных нагрузок.2.3. РАСЧЕТ ПОКРЫТИЯ НА ПРОЧНОСТЬПРИ ИНТЕНСИВНОМ ДВИЖЕНИИС ЗАДАННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ ПО ТРЕЩИНОСТОИКОСТИПри оценке опасности образования трещин в изгибаю¬
щемся слое дорожной одежды под действием повторяю¬
щихся проездов автотранспортных средств исходят из ре¬
зультатов испытаний образцов на усталость. По резуль¬
татам таких испытаний после статистической обработки
данных на графике, изображающем в логарифмическом
масштабе зависимость числа повторных нагрузок, выдер¬
живаемых образцом до разрушения, от уровня нагруже¬
ния, представляющего собой отношение напряжения в
образце к пределу его прочности, проводят среднюю
прямую.Между тем, для испытаний на усталость характерен
значительный разброс: например, при испытании цемен-
тогрунта на уровне нагружения 0,60 число повторных на¬
грузок до разрушения составило от 2,5 тыс. до 45 тыс.
Поэтому, если для прогнозирования долговечности образ¬
цов используется средняя прямая, связывающая lgN и
1 go/ot, то половина образцов может разрушиться раньше,
чем ожидается, а половина — позже. В связи с этим по¬
лученное в предыдущем параграфе выражение для ко¬
эффициента запаса на усталость слоя отвечает уровню73
надежности 0,5. Такой уровень надежности для дорожной
одежды является слишком низким. Поэтому необходимо
найти зависимости для расчета на усталостную трещино-
стойкость при заданном уровне надежности.Разброс циклической долговечности N при испытаниях
на усталость обусловлен прежде всего разбросом пока¬
зателя прочности образцов, характеризуемого величиной
at. Разброс же показателя прочности вызван колебания¬
ми плотности и содержания вяжущего в материале, не¬
равномерностью его строения, неодинаковой ориентацией
частиц, наличием случайно расположенных микро- и ма-
кроагрегатов различных по размеру и строению. Эти не¬
однородности приводят к разбросу прочностей образцов-
близнецов, изготовленных в лабораторных условиях, а
еще в большей мере — отобранных из слоев дорожных
одежд.Примем, что предел прочности at — случайная величи¬
на, имеющая среднее значение at, среднеквадратическое
отклонение s и следующая закону распределения'«">=77!ГГ “ '	<42>Тогда число повторных нагрузок N, при котором об¬
разец материала разрушается, также будет случайной
величиной, согласно равенству (39) связанной со случай¬
ной величиной at зависимостьюN (ot) = (at/o)n.	(43)Найдем функцию распределения g(N) числа приложе¬
ний нагрузок до разрушения, воспользовавшись извест¬
ной формулой теории вероятностейg(N) = f(ot(N)).\at(N)\>	(44)в которой ot(N) —функция, обратная по отношению к
N(a<), т. е.at (N) = oNl/n.	(45)После подстановки формулы (45) в (44) и преобразо¬
ваний получим следующее выражение для функции плот¬
ности вероятности g(N) числа приложений одинаковых
нагрузок до разрушения материала с учетом разброса
его прочности:(— —Л	l—(aNl/n-a~A2g(N)=—%=-М" >е **	. (46)па у 2п74
Для проверки формулы (46) воспользуемся результа¬
тами испытаний на усталость 100 одинаковых образцов
асфальтобетона в условиях изгиба при температуре
10 °С, частоте 1000 Гц и амплитуде напряжения1,05	МПа (рис. 22). Гистограмма распределения числа
приложений нагрузки до разрушения, показанная прямо¬
угольниками, построена по экспериментальным данным
Пелла, а кривая — по формуле (46) при среднем пре¬
дельном сопротивлении изгибу <т<=9,6 МПа, амплитуде
напряжения ст=1,05 МПа и усталостной характеристике
п=Ъ. Среднее квадратическое отклонение предельного
сопротивления изгибу найдено по одной эксперименталь¬
ной точке и составляет 5 = 1,1 МПа.дш)-ю5(2Рис. 22. Теоретическое и экс- Ю
периментальное распределение й!
числа приложений нагрузки до щ
разрушения при испытании ас- щ
фальтобетона на усталость. ^Как видно из рис. 22, найденная функция распределе¬
ния вероятности g(N) хорошо согласуется с опытными
данными. Анализируя формулу (46), нетрудно убедиться,
что наиболее вероятное число приложений нагрузки до
разрушения всегда меньше того их количества, которое
в состоянии выдержать образец, имеющий прочность,
среднюю для всех образцов. Так, данным на рис. 22 со¬
ответствует среднее число приложений нагрузки до раз¬
рушения около 64 тыс. (указано крестиком на оси абс¬
цисс) , а наиболее вероятное — 47 тыс.— соответствует
пику распределения долговечности. В идеальном случае,
когда разброса прочности нет (при s=0), наиболее ве¬
роятное и среднее значения N совпадают.Характерно, что с увеличением разброса прочности at
(т. е. с увеличением s) наиболее вероятное число прило¬
жений нагрузки до разрушения (пик функции g(N) на
рис. 22) смещается в область малых N, хотя возрастание
разброса прочности означает увеличение доли образцов
с пониженной и повышенной прочностью, и можно было
бы ожидать в равной мере уменьшения и увеличения
долговечности образцов N.Зададим теперь надежность а и найдем циклическую
долговечность Na при этой надежности. Например, при75
ос=0,9 определяют то число приложений нагрузок N0$,
которое могут выдержать без разрушения 90 % образ¬
цов. Применительно к условиям работы материала в до¬
рожном покрытии можно считать, что надежности а=
= 0,9 соответствует растрескивание 10 % протяженности
покрытия в пределах полосы наката после приложения
/V0>9 нагрузок в виде базовых эталонных проездов авто¬
транспортных средств.Согласно известным зависимостям теории вероятностей
значение Na должно быть определено из условия001	g (N) dN = а.	(47)«аПодставив в равенство (47) функцию g(N) в виде вы¬
ражения (46), заменим переменную интегрирования по
формуле/ = 		 тп.	(48)S	SТогда получим*06w.1, <«>огдеt<x — 		 NHn	(50)S	SЗначения интеграла в правой части равенства (49)
можно определять по таблицам математической ста¬
тистики. Из этих таблиц при заданном значении а на¬
ходят соответствующее значение нормированного откло¬
нения ta. Некоторые из наиболее часто используемых
значений /а для соответствующих значений а следующие:а	0,999 0,99 0,95 0,90 0,85 0,80ta	3,09 2,33 1,64 1,28 1,04 0,84Из формулы (50) получимta = (-2L. _ = — (Nl/n — NHn).S \ О	J sОтсюда находим формулу для определения цикличе¬
ской долговечности Na при заданной надежности а:М* = (1-/аСЛ)"ЛГ,	(51)76
где CR=s/ot — коэффициент вариации показателя проч¬
ности; N— (ot/o)n — долговечность, соответствующая
среднему значению показателя прочности материала.Например, для представленных на рис. 22 результатов
испытания асфальтобетона на усталость определим чис¬
ло приложений нагрузки до разрушения при надежности
а=0,9.		Среднему значению показателя прочности ot=
= 9,6 МПа при амплитуде циклического напряжения
(7= 1,05 МПа соответствует долговечность N=
= (9,6/1,05) 5=64 ООО. Коэффициент вариации прочности
Ся= 1,1/9,6=0,115. Нормированное отклонение при а=
=0,9 ta= 1,28. По формуле (51) циклическая дол¬
говечность с надежностью а=0,9 jV0,9=(1—1,28Х
Х0,115)5 64 000=28 900, т. е. 90 образцов из 100 испыты¬
вавшихся должны иметь долговечность больше, а 10 об¬
разцов — меньше 29 тыс. повторных приложений на¬
грузки.Теперь можно получить формулу для определения не¬
обходимого запаса на усталость материала слоя дорож¬
ной одежды при заданном уровне надежности. Для это¬
го приравняем число базовых эталонных проездов N06f
соответствующих сроку службы т, согласно выражению
(38) тому числу повторных нагрузок Na, которое в со¬
ответствии с выражением (51) может выдержать мате¬
риал при заданной надежности. Учитывая, что долговеч¬
ность при средней прочности N связана с коэффициентом
запаса на усталость N= (at/o)n=kny, получим вместо
(40) формулу	1	У'" (52)у	\ Рт )или с учетом (37)*у=— 1Vм.	(53)У	\nkSKVn )При уровне надежности а=0,5 нормированное откло¬
нение ta=0 и формулы (52), (53) превращаются в вы¬
веденные ранее формулы (40), (41).Пример. Проектируется дорожная одежда для дороги промыш¬
ленного предприятия, по которой в течение 6 лет предусматривается
движение серийных грузовых автомобилей MA3-5335 с нагрузкой
Q = 50 кН на колесо со спаренными шинами при среднесуточном
числе проездов, приведенных к нагрузке 50 кН, Л^с = 500 единиц на
полосу. Среднее давление на покрытие р=600 кПа. Дорога распо-77
ложена в III дорожно-климатической зоне. Земляное полотно уст¬
раивается из суглинистого пылеватого грунта. Толщины слоев оп¬
ределены в соответствии с ВСН 46-83 из расчета по упругому про¬
гибу и сдвигоустойчивости грунта земляного полотна и песчаного
подстилающего слоя:покрытие из плотного мелкозернистого горячего асфальтобетона
II марки, приготовленного на битуме марки БНД 60/90, /^ = 4 см;верхний слой основания из пористого крупнозернистого горячего
асфальтобетона, приготовленного на битуме марки БНД 60/90, /12=
= 8 см;нижний слой основания из гранитного щебня 2-го класса, Лз=
= 30 см;дополнительное основание из мелкого песка, hA=30 см.Определить, удовлетворяет ли дорожная одежда условию тре-
щиностойкости асфальтобетона при изгибе, если требуется, чтобы по
истечении 6 лет службы протяженность участков, имеющих по поло¬
се наката сетку пересекающихся трещин, не превышала 15 % общей
протяженности дороги.Поскольку дорога предназначена для серийных автомобилей,
эксплуатируемых при скорости движения 60—70 км/ч, для опреде¬
ления горизонтального нормального напряжения при изгибе верхнего
слоя основания может быть с достаточной точностью использована
расчетная схема слоистого упругого полупространства с модулями
упругости и коэффициентами поперечной деформации материалов,
соответствующими значениям функций релаксации этих материалов
при длительности напряженного состояния 0,1 с. Поэтому согласно
инструкции ВСН 46-83 для данных природных условий работы кон¬
струкции принимаем такие значения деформативных характеристик
Ei = 4500 МПа; £2=2800 МПа (для температуры 5°С); £3 =
= 350 МПа; £4=120 МПа; £5=38 МПа; vi = v2=v3=v4=0,25;
V5 = 0,35.Предельное сопротивление растяжению при изгибе для верхнего
слоя основания из пористого асфальтобетона при длительности дей¬
ствия нагрузки 0,1 с и температуре 5°С находим, пользуясь корре¬
ляционной зависимостью а/ = 0,18£Л42=0,18-2800м2=5,0 МПа.Способом послойного приведения в соответствии с инструкцией
ВСН 46-83 определяем общий модуль конструкции, находящейся под
верхним слоем основания. Получим £,,Общ=160 МПа. Вычисляем
средний модуль упругости асфальтобетонных слоев: £Ср= (4500-4+
+2800-8) : (4+8) «3400 МПа.Горизонтальное растягивающее напряжение в верхнем слое ос¬
нования определяем от действия одной из шин. Нагрузка от шины
на покрытие Qm = Q/2 = 50 кН/2 = 25 кН. Площади отпечатка F=
= <Эш/р=25 кН: 600 кПа = 0,0417 м2 соответствует диаметр равно¬
великого круга Д11=2(£/я)°-5=2-(417/3,14)°*5=23 см.Вычислив отношения (hx+h2)IDm = (4+8)/23=0,52; Еср/Е общ—
= 3400/160 = 21, по известной номограмме, приведенной в инструк¬
ции ВСН 46-83, находим растягивающее напряжение в верхнем слое
основания:ov/p=l,6; °V = 1,6-600 кПа = 0,96 МПа.Следовательно, растягивающее напряжение в верхнем слое ос¬
нования меньше прочности материала этого слоя в 5,0 : 0,96=5,2 ра¬
за, т. е. имеется пятикратный запас на усталость* &фх = 5,2.Определим требуемый запас на усталость для заданных интен¬
сивности движения, нагрузки, срока службы и уровня надежности
по формуле (52).78
Для надежностей ct=0,85 do данйЫМ, йриведейнЫм нй с. 76, на¬
ходим t =1,04. Принимаем типичное значение коэффициента вари¬
ации прочности асфальтобетона С*=0,10. Вычисляем по формуле
М. Б. Корсунского (33) значение параметра двухслойной конструк¬
ции, состоящей из слоя толщиной Нi = 12 см с модулем £'1=£ср=
= 3400 МПа и однородного полупространства с модулем £'г=
= £'общ=160 МПа, считая их коэффициенты поперечной деформа¬
ции равными между собой:2	/ 23 3 / 6 - 160 \ „* = ТзузЛ1 “,<!(ттг V 1й5")”ода'“ -Для определения коэффициента поперечного приведения распре¬
деленных по ширине проездов задаемся типичным для грузовых ав¬
томобилей значением среднеквадратического отклонения положений
центра отпечатка колеса от его среднего положения 5К = 65 см. При¬
нимая с учетом результатов испытаний на усталость, описанных в
2.1, для данного асфальтобетона при температуре 5°С усталостную
характеристику я=5,7, находим по формуле (37) коэффициент по¬
перечного приведения проездовР = 3.14 - 0,028 • 65 . VbJ = 13,7.Примем приближенно, что движение транспортного потока за ка¬
лендарный год эквивалентно по усталостному воздействию движе¬
нию в течение 1 мес при влажности грунта и температуре покрытия,
соответствующих весеннему периоду. Тогда Тэ=\ мес и коэффи¬
циент приведения годового движения к базовому периоду y=12.Необходимый коэффициент запаса на усталость асфальтобетона
верхнего слоя основания вычисляем по формуле (52):	1	 / 365 > 500-6 \Kjу_ 1 — 1,04-0,10 \ 13,7-12,0 / “ ’ ’Следовательно, имеющийся запас на усталость равен требуемому
(&Фу=£у), и конструкция дорожной одежды удовлетворяет требо¬
ваниям движения при заданном сроке службы и уровне надежно¬
сти по трещиностойкости асфальтобетонных слоев. Действительно,
общее число проездов по полосе движения за срок службы соста¬
вит N* = 500-365*6= 1,09-106. С учетом распределения проездов по
ширине и по временам года это суммарное число проездов пример¬
но равноценно N06= 1,09 -106: (13,7 • 12,0) = 6630 проездам колес
«след в след» в условиях, соответствующих расчетному весеннему
периоду.С другой стороны, имеющие прочность 5,0 МПа (при температу¬
ре 5 °С и длительности действия нагрузки 0,1 с) асфальтобетонные
образцы с надежностью а = 0,5 выдерживают до разрушения N=
= (5/0,96)5-7 = 12,2-103 приложений нагрузки, а с требуемой надеж¬
ностью а = 0,85 число циклов до разрушения в соответствии с фор¬
мулой (51) составляет N0,85= (1—1,04-0,10)5>7-12,2-103 = 6500, т. е.
практически равно числу базовых эталонных проездов колес авто¬
транспортных средств за необходимый срок службы.Если бы требуемый коэффициент запаса ky получился больше
имеющегося /гфу, потребовалось бы или увеличить общую толщину
асфальтобетонных слоев, или изменить состав асфальтобетона в верх¬
нем слое основания.79
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА
ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ДЛЯ УСЛОВИИ
ДВИЖЕНИЯ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВВ связи с развитием промышленного потенциала на¬
шей страны значительно возросли объемы перевозок по
автомобильным дорогам крупногабаритных, сверхтяже-
лых (массой до 1000 т и более) неделимых грузов. Ко¬
лонны и другие аппараты химических и нефтехимических
производств, котлы, трансформаторы, парогенераторы и
ядерные, реакторы электростанций, станины мощных
пресссов, другие уникальные грузы значительно эконо¬
мичнее и удобнее перевозить в собранном виде, т. е. в
состоянии максимальной заводской готовности с тем,
чтобы на месте установки избежать дорогостоящих,
сложных и длительных этапов монтажа и наладки. Та¬
кие перевозки осуществляются как по дорогам общей
сети, так и по специально построенным или реконструи¬
рованным дорогам специализированными автомобильны¬
ми поездами, в состав которых входит прицеп-тяжеловоз,
или с помощью самоходных большегрузных грузовых
платформ. Пример такого автопоезда приведен на
рис. 23.Рис. 23. Схема автопоезда для перевозки колонны нефтехимиче¬
ского синтеза (общая масса автопоезда — 834 т, масса транс¬
портного средства с грузом — 682 т, параметры грузовых плат¬
форм: количество спаренных колес—112, количество одиночных
баллонов—-224, давление воздуха в шинах—1,0 МПа, нагрузка
на ось — 500 кН, максимальная скорость — 3 км/ч).При движении автопоезда дорожная одежда работает
в условиях, значительно отличающихся от тех, которые
возникают при проезде обычных грузовых автомобилей
общетранспортного исполнения. Это объясняется тем,
что и прицепы-тяжеловозы и самоходные грузовые плат-80
формы представляют собой многоосные многоколесные
транспортные средства, для которых характерны такие
особенности:большое количество плотно расположенных осей и ко¬
лес, приводящее к взаимному наложению их воздействий
на дорожную одежду (в мировой практике известны слу¬
чаи перевозок особо тяжелых грузов с помощью транс¬
портных средств, ходовая часть которых имела более
800 колес [13]);значительные осевые нагрузки, достигающие 500—
600 кН при нагрузках на колеса, близких к обычным
(20—70 кН);контактное давление на покрытие, заметно отличаю¬
щееся от аналогичного давления под колесами грузовых
автомобилей групп А и Б вследствие применения специ¬
альных типов шин;низкие скорости движения, не превышающие 1—
5 км/ч;невысокая интенсивность движения (как правило, не
более одного проезда в сутки).Перечисленные особенности позволяют выделить мно¬
гоосные многоколесные транспортные средства в само¬
стоятельный класс нагрузок. Поэтому перед транспорти¬
рованием сверхтяжелого оборудования необходимо осу¬
ществлять анализ прочности, усиление существующих
или строительство новых дорожных одежд.Расчет нежесткой дорожной одежды на действие боль¬
шегрузного транспортного средства условно можно раз¬
делить на следующие этапы: выбор расчетных значений
деформативных характеристик (модулей упругости и ко¬
эффициентов Пуассона); назначение расчетных прочно¬
стных характеристик (предельных сцеплений и сопротив¬
лений растяжению при изгибе); определение параметров
расчетной нагрузки, вычисление действующих в конст¬
рукции напряжений и сравнение их с допустимыми зна¬
чениями.Такой расчет может быть выполнен на ЭВМ по про¬
грамме СТЕНД (см. 1.3), в которой теоретически учтены
перечисленные особенности воздействия на дорожную
одежду многоосных большегрузных транспортных
средств. Но на практике при проведении расчетов требу¬
ется опираться на положения действующих нормативных
документов, в первую очередь, инструкции ВСН 46-83, а
это требует внесения коррективов практически во все
этапы расчета. Значительные сложности возникают уже
при назначении расчетных характеристик деформатив-81
ных и прочностных свойств материалов и грунтов. Нор¬
мируемые ВСН 46-83 значения модулей упругости отве¬
чают длительности напряженно-деформированного состо¬
яния при движении нагрузки, распределенной по площа¬
ди круга диаметром D=28...39 см со скоростью пример¬
но у=60 км/ч, а коэффициенты запаса прочности даны
для интенсивности движения нагрузки не менее 30—
50 единиц в сутки. Однако в инструкции не указывается,
как назначать характеристики слоев, если требуется,
например, оценить возможность однократного проезда
нагрузки с параметрами £>=50 см, о=1 км/ч и расчет¬
ной интенсивностью Np=7 единиц в сутки. Ответ на по¬
добные вопросы и дает приводимая в настоящей главе
методика расчета дорожных одежд на действие больше¬
грузных транспортных средств. Эта методика по суще¬
ству представляет собой один из основных моментов ин¬
струкции ВСН 543-87 [3].3.1. КРИТЕРИИ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯРасчет любой конструкции на прочность или дефор-
мативность заключается, в конечном итоге, в проверке
выполнения неравенства типа А <.В, где А — некоторый
определяемый по расчету параметр; В — его установлен¬
ное предельно допустимое значение. Не составляют ис¬
ключения и одежды автомобильных дорог. При их рас¬
чете в качестве критерия предельного состояния В могут
приниматься различные факторы.В настоящее время среди специалистов в области
прочности дорожных одежд, нет единого мнения о том,
какие критерии или их сочетания являются наиболее на¬
дежными. Одно из основных требований, традиционно
предъявляемых к критерию предельного состояния,—
возможность его физической интерпретации, а еще луч¬
ше — возможность непосредственной экспериментальной
проверки его соблюдения в процессе эксплуатации путем
прямого измерения.В полной мере этому требованию отвечает критерий
допускаемой глубины колеи на поверхности покрытия.
Однако современный уровень развития теории механики
дорожных одежд не позволяет в ходе расчета доста¬
точно точно прогнозировать развитие процесса колееоб-
разования. Поэтому критерий допускаемой глубины ко¬
леи пока широко не применяется.В некоторых странах в качестве одного из критериев
принят допускаемый обратимый прогиб или, что то же82
самое,— общий модуль упругости поверхности покрытия
под центром колесной нагрузки. Прогиб легко может
быть измерен экспериментально и с высокой точностью
рассчитан теоретически. Вместе с тем, этот критерий
весьма общий и лишь в целом отражает суммарную
жесткость дорожной одежды и земляного полотна. Мож¬
но привести немало примеров, когда дорожная одежда,
требующая капитального ремонта, имеет общий модуль
упругости, превышающий расчетные значения. По этой
причине для оценки прочности дорожных одежд приме¬
няют и другие критерии: допускаемое активное напряже¬
ние сдвига в слабосвязных материалах слоев и грунте,
допускаемое растягивающее напряжение или деформа¬
ция по подошве монолитного слоя, вертикальные дефор¬
мация, напряжение или перемещение на поверхности
грунта земляного полотна.В последние годы для оценки прочности существую¬
щей дорожной одежды используют также модуль кри¬
визны, равный произведению радиуса кривизны поверх¬
ности покрытия в точке с максимальным прогибом на
значение этого прогиба и коэффициент прогибового спек¬
тра, равный отношению среднего из пяти измеренных
значений прогиба (на расстояниях 0; 30; 60; 90 и 120 см
от центра нагруженной площадки) к максимальному про¬
гибу при неподвижной кратковременной нагрузке.Согласно ВСН 46-83 при проектировании нежестких
дорожных одежд в качестве критериев предельного со¬
стояния применяют: прогиб поверхности покрытия под
центром действующей нагрузки, активные напряжения
сдвига в слабосвязанных материалах слоев и грунте зем¬
ляного полотна, растягивающие напряжения по подошве
монолитных слоев.Регламентируемые ВСН 46-83 допустимые значения
прогибов установлены эмпирически по результатам об¬
ширных обследований автомобильных дорог общей сети.
В ходе этих обследований на участках, находившихся в
хорошем эксплуатационном состоянии, измеряли прогиб
под центром колеса расчетного автомобиля, а получен¬
ное значение соотносили затем с фактической интенсив¬
ностью движения. Таким путем были построены расчет¬
ные номограммы зависимостей требуемых модулей упру¬
гости от расчетной интенсивности движения.Методика расчета по критерию упругого прогиба раз¬
работана применительно к случаям, когда транспортный
поток сформирован автомобилями группы А, Б или близ¬
кими к ним. Эта методика неприемлема в случаях, когда83
расчет ведется, например, на разовый пропуск транс¬
портного средства особо большой грузоподъемности.Таким образом, при расчетах дорожных одежд на дей¬
ствие многоосных большегрузных транспортных средств
в качестве расчетных следует принимать два критерия:
растягивающих напряжений и активных напряжений
сдвига.Расчетные значения модулей упругости следует назна¬
чать по графикам функций (модулей) релаксации (см.1.2) соответственно фактической длительности действия
напряжений в рассматриваемой точке дорожной одежды.Определим длительность действия нагрузки или, точ¬
нее, эффективное время нагружения дорожной одежды
tH (собственно длительность действия нагрузки в любой
точке конструкции теоретически бесконечна) как отно¬
шение tH=Lp/у, где Ьр — расчетная длина эпюры како-
го-либо компонента тензора напряжений, деформаций
или вектора перемещений; v — скорость движения на¬
грузки.При назначении расчетных характеристик монолитных
слоев дорожной одежды в качестве Lp целесообразно
принимать длину участка эпюры растягивающих напря¬
жений Or (г), в пределах которой значение напряжения
составляет не менее 5 % максимального. Эффективное
время нагружения при этом можно приближенно рассчи¬
тать по формулеt„ = 1,12Ш/{i>arctg[( 1,08ft VeJF2ID)-']\ , (54)где ft — глубина расчетной точки, т. е. расстояние по вер¬
тикали от этой точки до поверхности покрытия.Аналогично следует руководствоваться эпюрой верти¬
кальных нормальных напряжений аг(г) при назначении
расчетных характеристик грунтов и слабосвязных мате¬
риалов слоев. В этом случае эффективное время нагру¬
жения следует определять из выраженияК =	VTTwjm.	(55)VРассматриваемая методика разрабатывалась примени¬
тельно к нормам ВСН 46-83, основанным на расчетной
схеме двухслойного упругого полупространства. Поэтому
при расчете реальных конструкций многослойных до¬
рожных одежд на растягивающие напряжения в покры¬
тии либо основании в качестве Е\ следует принимать
средний модуль упругости слоев дорожной одежды84
(включая расчетный слой), расположенных над рассмат¬
риваемой точкой:т	м£1= £ Eihi/ £ к	(56)1=1 1=1где т — количество рассматриваемых слоев; Ei — мо¬
дуль упругости t-ro слоя; hi — толщина i-ro слоя, а в ка¬
честве Еч — общий модуль упругости £0бщ всех слоев,
подстилающих рассматриваемый слой, и полупростран¬
ства. Значение Е0бЩ может быть найдено одним из изве¬
стных нормативных методов. Если расчет производится
по сдвигу в грунте земляного полотна, то Е2 принимают
равным модулю упругости грунта, а Е\ — среднему моду¬
лю упругости всех слоев дорожной одежды, определяе¬
мому по формуле (56).При определении Е\ и Е2 в первом приближении мож¬
но использовать значения модулей упругости, приводи¬
мые в действующих нормативных документах по расчету
дорожных одежд. В дальнейшем можно воспользовать¬
ся методом итераций, т. е. определить по графикам функ¬
ций релаксации модули упругости материалов и грун¬
тов, рассчитать соответствующие значения Еи Е2, а затем
tH и т. д. до тех пор, пока между значениями Е\, Е2 и tH
не будет однозначного соответствия.При назначении расчетного сопротивления материала
растяжению при изгибе Rp необходимо учитывать незна¬
чительную повторяемость и большую длительность дей¬
ствия нагрузок, для чего вводят соответствующие коэф¬
фициентыЯР = KnKmRn,	(57)где Ки — коэффициент запаса прочности на повторность
действия нагрузки; K\t—коэффициент запаса прочности
на длительность действия нагрузки; Rn— нормативное
сопротивление материала растяжению при изгибе.В инструкции ВСН 46-83 коэффициент запаса на пов¬
торность Kn= 1 соответствует интенсивности движения
расчетных нагрузок N= 1000 единиц в сутки. Исходя из
формул (23), (24), при расчете дорожной одежды на дей¬
ствие большегрузного многоосного транспортного сред¬
ства, имеющего N равнонагруженных осей, коэффициент
запаса на повторность действия нагрузки можно опреде¬
лить из (24) по формулеKn = (1000/JV)l/n.	(58)Нормативные сопротивления изгибным растягиваю¬
щим напряжениям Rn, приводимые в ВСН 46-83, уста¬85
новлены по результатам испытаний образцов материалов
на прессе. При этом длительность деформирования об-
разца до разрушения составляла около 1 с. В то же вре¬
мя эффективная длительность нагружения монолитных
слоев от обычных транспортных средств в среднем рав¬
на 0,1 с. С учетом этого при расчете на действие медлен¬
но движущегося транспортного средства коэффициент
запаса прочности на длительность действия нагрузки ре¬
комендуется определять по формуле/Сд* = (0,1/*н),/л,	(59)где tn определяется по формуле (54) в зависимости от
скорости движения; при v=60...70 км/ч следует считать,
что <н=0,1 с, как и принято в ВСН 46-83.В соответствии с ВСН 46-83 допускаемое активное на¬
пряжение сдвига в грунте земляного полотна и слабо¬
связных материалах слоев определяют по формулеГдоп^А^/СзСгр,	(60)где Ki — коэффициент, учитывающий снижение сопро¬
тивления грунта сдвигу под агрессивным действием под¬
вижных повторных нагрузок и колебаний; при расчете
на действие кратковременных нагрузок принимают К\ =
= 0,6; Кг— коэффициент запаса на неоднородность ус¬
ловий работы, принимаемый в зависимости от интенсив¬
ности движения; при расчете на длительное действие
нагрузки Кг= 1,23; Кз — коэффициент, учитывающий ус¬
ловия работы грунта в конструкции, отличия фактиче¬
ских условий сопряжения слоев на контакте от принятых
при построении расчетных номограмм и выбираемый в
зависимости от вида грунта, причем для связных грун¬
тов /Сз= 1,5; СГр — нормативное значение сцепления
грунта в расчетный период года.Следует иметь в виду, что указание ВСН 46-83 о том,
что при длительном действии нагрузок с малой повторя¬
емостью Ki = 0,9, относится к случаям, когда расчет ве¬
дется по статической схеме на неподвижную нагрузку
(на перекрестках, стоянках общественного транспорта
и т. д.).Таким образом, от интенсивности движения N зависит
только значение коэффициента Кг- В ВСН 46-83 приве¬
ден график функции Кг(М) при 502000 осей в сут¬
ки, причем данные о значениях этого коэффициента при
N менее 50 осей в сутки отсутствуют, в то время как у
большинства многоосных большегрузных транспортных
средств число осей составляет от 6 до 20.86
рассматривая вопрос об экстраполяции значений коэф¬
фициента K2(N) в область малых N, заметим, что приве¬
денное в ВСН 46-83 выражение зависимости K2{N) в
виде функции, линейной в полулогарифмическом мас¬
штабе, нельзя признать единственно возможным. Такой
форме /Сг (N) отвечает функцияКг — AN-h,где для графика ВСН 46-83 А«2,4, b«0,17. Однако при
N-+-0 эта формула дает KiW)-*00, что не отвечает фи¬
зическому смыслу коэффициента запаса, а при реальном
N=1 /С2=2,4.В связи с изложенным рассмотрим зависимость, пред¬
ложенную для допускаемого давления на грунт или сла¬
босвязный зернистый слой Хайкеломом и Кломпом (Ни¬
дерланды) и применяемую в ФРГ для расчетов дорож¬
ных одежд при малой интенсивности движения. В соот¬
ветствии с этой формулой допускаемое вертикальное на¬
пряжение зависит от интенсивности движения следую¬
щим образом:[аг] = 0,006£д / (1 + 0,7 lg N),	(61)где £д—модуль упругости грунта или материала при
кратковременной нагрузке; N — расчетное число циклов
нагружения.На основе (61) была получена следующая приближен¬
ная формула для определения коэффициента К.2 при ма¬
лых значениях N:/Са W = 2,7/(l + 0,71gW).	(62)При 50600 результаты расчетов по формуле (62)
согласуются сданными ВСН 46-83 (табл. 5).Таким образом, при расчете по критерию сдвигоустой¬
чивости в грунте и слабосвязных материалах слоев ко¬
эффициент К2 рекомендуется рассчитывать по формулеТаблица 5. Значения коэффициента /Сг87NК2 (N)NKt {N)по (62)1 по ВСН 46-83по (62)по ВСН 46-8310203040501,591,411,331,271,231,23 1100
300
600
1 10001,130,990,920,871,130,960,860,78
(62) и принимать при N= 10 /(2=1,59; при N=20 К2—
= 1,41; при N=30 /С2=1,33; при N=40 /(2= 1,27; при
N=50 /С2= 1,23; при N=100 К2= 1,13.3.2.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ НАГРУЗКИС УЧЕТОМ КОЛИЧЕСТВА ОСЕЙИ КОЛЕС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВАГлавная особенность расчета дорожных одежд на дей¬
ствие многоосных большегрузных транспортных
средств — необходимость одновременного учета в рас¬
четной^* точке воздействий от нескольких рядом располо¬
женных движущихся колес. При этом возникает задача
определения напряженно-деформированного состояния в
стороне от вертикальной оси, проходящей через центр
нагрузки.В практике инженерных расчетов широко применяется
принцип эквивалентной колесной нагрузки, заключаю¬
щийся в том, что воздействие группы рядом расположен¬
ных одиночных колес заменяется эквивалентным ему
воздействием одного одиночного колеса, параметры на¬
грузки от которого (давление на покрытие, площадь кон¬
такта с покрытием) и определяют собственно эквивалент¬
ную колесную нагрузку Q3. Дальнейший расчет дорож¬
ной одежды на прочность производят по нормативным
методам на действие одиночной колесной нагрузки с па¬
раметрами Q3.Отличие между предлагавшимися в нашей стране и
за рубежом методами определения Qэ состоит в выборе
расчетной схемы (однородное либо двухслойное упругое
полупространство) и критерия эквивалентности (прогиб
поверхности покрытия, прогиб поверхности грунта зем¬
ляного полотна, активные напряжения сдвига в грунте
и т. д.). Общим для них является то, что все они рас¬
сматривают воздействие на дорожную одежду или аэро¬
дромное покрытие неподвижной нагрузки. При этом счи¬
тается, что влияние каждого отдельного колеса на напря-
женно-деформированное состояние распространяется
вглубь дорожной одежды во все стороны одинаково. Это
противоречит данным экспериментов (см. 1.1), которые
свидетельствуют о том, что напряжения, деформации и
прогибы сзади движущегося колеса больше, чем впере¬
ди него на таком же расстоянии. В результате оказыва¬
ется, что при движении многоопорной колесной тележки
автотранспортного средства или самолета колеса впере¬
ди идущих осей сильнее влияют на уровень напряженно-88
деформированного состояния под задними осями, чем
наоборот.Способ определения эквивалентной нагрузки, учитыва¬
ющий это обстоятельство, состоит в следующем.В качестве эквивалентной колесной нагрузки прини¬
мается нагрузка на одиночное отдельно стоящее колесо,
под действием которого в дорожной одежде возникает
напряженно-деформированное состояние, близкое к то¬
му, которое имеет место при одновременном действии на
дорожную одежду рассматриваемой группы колес транс¬
портного средства. Расчетная нагрузка на дорожную
одежду принимается равной наибольшей эквивалентной
колесной нагрузке.Эквивалентную колесную нагрузку на дорожную
одежду от действия произвольного i-го колеса транспорт¬
ного средства с учетом дополнительного влияния осталь¬
ных колес можно находить по формулег м—1	1<& = КА Qi + Е Q,g (1,,/D,) q (/,,/Dy) , (63)
/=i	Jгде /Сд — коэффициент динамичности; Q„ О/ — статиче¬
ские нагрузки на i-e и /-е колеса; М — общее количест¬
во колес; D}—диаметр круга, равновеликого отпечатку
движущегося /-го колеса:D, = ViKAQi/(nKlPB);	(64)Ki — коэффициент, зависящий от типа шины, обычно
равный 1,0—1,1; рв — давление воздуха в шине.Функции g(LalDj) и q(lij/D/) характеризуют уровень
взаимного влияния колес на возникающие под ними на¬
пряжения, перемещения и деформации в дорожной одеж¬
де. Предполагается, что этот уровень зависит от отно¬
сительных расстояний между центрами отпечатков колес
в продольном, т. е. вдоль оси движения, и поперечном
направлениях. Поэтому в качестве аргумента функций
g, q выбраны отношения Ьц/И,- и UjlDj, в которые вхо¬
дят абсолютные расстояния между центрами отпечатков
колес в продольном Ьц и поперечном /,/ направлениях.
Таким образом, функция g(Li;/Z)/) характеризует взаим¬
ное влияние колес в продольном, а функция q {UjlDj) —
в поперечном направлении.Для учета асимметрии напряженно-деформированного
состояния дорожной одежды относительно центра отпе¬
чатка движущегося колеса введено две различные функ¬
ции g: g~ — для характеристики влияния впереди иду¬
щих колес на идущие сзади и g+ — для характеристики89
влияния сзади идущих на передние. Причем g+(*)^
^q(x) ^g-(x). Значения функций g(Ln/Di) и q(hilD,)
установлены на базе численного анализа по программе
СТЕНД и по результатам испытаний дорожных одежд
движущимися транспортными средствами (рис. 24):g (LID) =	+ A2e~^L^';	(65)q (IID) = B1e~d'u/D'>' + B2e~dMD)t,	(66)где A, B, c, d — коэффициенты, зависящие от капиталь¬
ности дорожной одежды (табл. 6).Рис. 24. Графики функций g+, g~
и q для дорог категорий: I —III
(сплошная линия) и IV — V
(штриховая линия).Таблица 6. Значения коэффициентов для вычисления функцийg(x) и д(х)Если транспортное средство неподвижно, то напряжен¬
но-деформированное состояние симметрично относитель¬
но вертикальной оси, проходящей через центр нагружен¬
ного круга, т. е. g+(x) = q(x)=g~(x). В этом случае в
запас прочности рекомендуется принимать значения
функций g~(x) и q(x), равными соответствующим значе¬
ниям функции g+(*). Если номинальные нагрузки на все
колеса транспортного средства равны между собой, то
формула (63) принимает видмQlc = QKa £ g (Lij/Dj) q (ltl/Dj),	(67)/=iгде Q — номинальная колесная нагрузка.90Функ¬цияКатего¬
рия до¬
рогиКоэффициентыА\ |А2CiС 2BiВ2didtg-£+I —III0,580,490,420,510,0580,1400,580,64———	g-£+IV —V0,580,370,420,630,0700,2100,701,20————яI —III
IV V————0,400,330,600,670,0650,0800,440,53
Таким образом, при рассмотрении воздействия на до¬
рожную одежду реального многоколесного транспортно¬
го средства эквивалентная колесная нагрузка Q3A после¬
довательно рассчитывается для всех его колес по фор¬
муле (63) или (67). Наибольшая из найденных эквива¬
лентных нагрузок и принимается в качестве расчетной
QVРасчетную нагрузку считают равномерно распределен¬
ной по кругу диаметраDP=V 4Qp / (nKiPB)	(68)с интенсивностьюРР = KiPr.	(69)При расчете эквивалентной колесной нагрузки в соот¬
ветствии с (63) или (67) для каждого колеса необходимо
определять дополнительное влияние со стороны осталь¬
ных колес. Однако, поскольку современные многоосные
многоколесные транспортные средства могут иметь зна¬
чительное количество колес, то выполнение этой процеду¬
ры без ЭВМ становится очень трудоемким. В то же вре¬
мя существенное дополнительное воздействие на напря¬
жения и прогибы под рассматриваемым колесом обычно
оказывает лишь ограниченное число соседних колес, вли¬
янием же остальных можно пренебречь.Назовем зону, в пределах которой данное колесо мо¬
жет существенно влиять на напряженно-деформирован¬
ное состояние под другими колесами, зоной влияния оди¬
ночного колеса. Для определения границ этой зоны вли¬
яния была проведена серия расчетов. В качестве исход¬
ного приняли положение о том, что уровень взаимного
влияния колес на напряжения, деформации и прогибы
зависит от расстояния между ними, а также от относи¬
тельного модуля и толщины дорожной одежды.При установлении границ зоны влияния использова¬
лась схема двухслойного упругого полупространства.В процессе проведения расчетов все линейные разме¬
ры приводили к диаметру D круга, равновеликого отпе¬
чатку нагруженного колеса: расстояние между колесами
измеряли отношением Rq/D, где Rq — линейное расстоя¬
ние между ними; толщину дорожной одежды выражали
отношением Н/D, где Н — толщина в натуральных еди¬
ницах.Поскольку значения напряжений, действующих в двух¬
слойном упругом полупространстве, зависят не от абсо-91
лютных значений модулей упругости слоя Е\ и основания
Е2, а от их отношения Е\/Е2, то это отношение и было
использовано в качестве одного из параметров.Расчеты производили на ЭВМ по программе, основан¬
ной на решении А. К- Приварникова для определения
напряженно-деформированного состояния линейного изо¬
тропного слоистого упругого полупространства, на по¬
верхность которого действует нагрузка, равномерно рас¬
пределенная по площади круга. Контакт между слоем и
полупространством предполагали спаянным. За критерий
влияния одного колеса на напряжения под другим при¬
нимался уровень 6^5 %.Интересно отметить, что границы зоны влияния, опре¬
деляемые по критериям Or (рис. 25, а) и таКт (рис. 25, б),Рис. 25. Графики для определения границ зоны влияния Rq/D
одиночного колеса при расчете дорожной одежды по критерию:а — растягивающих напряжений в монолитном слое; б — сдвигающих на¬
пряжений в подстилающем грунте и слабосвязных материалах слоев
(цифры на кривых обозначают отношение Е\1Е2).отличаются мало. Превалирующее влияние на распреде¬
ляющую способность дорожной одежды как двухслойно¬
го упругого полупространства оказывает относительная
толщина покрытия Н/D, а не отношение Ei/E2 (возмож¬
но именно поэтому скорость движения незначительно
влияет на форму эпюр напряжений, деформаций и проги¬
бов дорожной одежды как слоистой вязкоупругой
среды).Для определения Ех и Ег реальные многослойные кон¬
струкции дорожных одежд должны быть приведены к
двухслойным. Приведение выполняется по обычной ме¬
тодике.92
Пример определения параметров эквивалентной колес¬
ной нагрузки при расчете дорожной одежды на действие
многоосного многоколесного большегрузного транспорт¬
ного средства приведен в 3.4.з.з. фактическая и расчетная интенсивностьДВИЖЕНИЯДля определения расчетной нагрузки необходимо
знать три ее параметра: диаметр круга Dp, равновелико¬
го отпечатку колеса расчетного автомобиля, удельное
давление на покрытие рр и приведенную расчетную ин¬
тенсивность воздействия нагрузки Np. Зная Dp и рр, тол¬
щины слоев дорожной одежды и модули упругости ма¬
териалов слоев и грунта, по соответствующим номограм¬
мам вычисляют значения прогиба дорожной одежды и
действующих в ней напряжений. Методика расчета Dp
и рр изложена в предыдущем параграфе.От значения третьего параметра — приведенной рас¬
четной интенсивности воздействия нагрузки Np — зави¬
сят коэффициенты запаса прочности, используемые при
определении расчетного сопротивления растяжению при
изгибе Rp (коэффициент запаса Кы) и допускаемого ак¬
тивного напряжения сдвига Гдоп (коэффициент запаса
/С2). Последовательность расчета Kn и /С2 приведена
в 3.1.При разработке отечественной и большинства зару¬
бежных методик определения Nv использованы резуль¬
таты натурных испытаний дорожных одежд, проведенных
в США Американской ассоциацией сотрудников дорож¬
ных организаций (AASHO).В ходе испытаний общее состояние каждой секции до¬
рожной одежды систематически оценивали по пяти¬
балльной шкале, пользуясь индексом эксплуатационного
состояния р: 4 и 5 — очень хорошо, 3 и 4 — хорошо, 2 и
3 — посредственно, 1 и 2 — плохо, 0 и 1 — очень плохо.
После завершения строительства оценка была в среднем
4,2 балла. За характеристику окончания срока службы
одежды с эксплуатационной точки зрения принимали
оценку /?=2,5 балла, при которой дорожная одежда мо¬
жет требовать капитального ремонта. Оценке р= 1,5 бал¬
ла соответствовало критическое состояние дорожной
одежды, требовавшее немедленного прекращения движе¬
ния и производства работ по капитальному ремонту.
Оценки давала компетентная комиссия, включавшая спе¬
циалистов различного профиля.93
Наряду с экспертной оценкой, производили также из¬
мерения ровности, площади растрескивания, ямочности,
колейности и других объективных показателей состоя¬
ния дорожной конструкции. Для нежестких дорожных
одежд зависимость, связывающая экспертную оценку с
объективными данными о состоянии покрытия, имеет видр = 5,03— 1,91 lg(l +Д;ср) — 0,01l/C+P^-0,00214d2, (70)где Д/ср — среднее изменение продольного уклона, изме¬
ренное по оси прохода колес автомобиля специальным
профилографом; С — площадь покрытия, на которой име¬
ется сетка пересекающихся трещин (в виде «крокодило¬
вой кожи»), м2/1000 м2; р — площадь покрытия, требую¬
щая ремонта по условию ямочности, м2/100 м2; d— сред¬
няя глубина колеи, мм.После анализа результатов испытаний 240 опытных
секций нежестких дорожных одежд была предложена за¬
висимость между толщиной дорожной одежды, значени¬
ем и типом нагрузки, с одной стороны, и возможным
числом приложений нагрузок до капитального ремонта,
с другой:lgA^ = lgp + y	,	(71)105.93 (0,394tfs + 1)9.36у4.33где	о = ———	2 -■■■■„	;	(72)У	(0,2250 +У)4’79	’а Пу11 0,081 (0,2250 +У)3-23 .Р = °'4+ (0,394«г+1)«'»^ ’	(73)//s = 0,44/ijl + 0,14/t2 Н- 0,11Лз,где N — число приложений осевых нагрузок (воздейст¬
вием передних осей транспортного средства, как прави¬
ло, пренебрегали в отличие от воздействия других осе¬
вых нагрузок); Я2 — показатель толщины дорожной
конструкции, см; hu Л2, h3 — соответственно толщина ас¬
фальтобетонного покрытия, щебеночного основания и
песчано-гравийного дополнительного основания, см; р,
р — положительные функции переменных hi, h2, /13, G и
/; G — номинальная нагрузка на ось, кН; / — тип оси
(для одиночных осей /=1, для сдвоенных /=2); р —
индекс эксплуатационного состояния дорожного покры¬
тия после N приложений осевых нагрузок, выраженный
в баллах по пятибалльной шкале.94
С достаточной для практических целей точностью фор¬
мула (71) может быть заменена равенством^ 8,51 • 106(0,394Я2+if-36/1-33	^~	(0.225G + У)4-79	’Пусть необходимо сравнить влияние, оказываемое на
долговечность дорожной одежды (т. е. на количество воз¬
можных проходов N осевых нагрузок до состояния, оце¬
ниваемого баллом /7=2,5) нагрузками типов а и Ь. Из
формулы (74) может быть получено выражение для оп¬
ределения коэффициента приведения воздействия от на¬
грузки Ь к нагрузке а:s =	[(<?«, + 4,444.^) / (Ga + 4,444/д)]4-79 . (75)В наиболее распространенных на практике случаях
формула (75) принимает следующий вид:
при сопоставлении нагрузки на одиночные оси (отсто¬
ящие друг от друга на расстоянии 6,06 м):s' = Na/Nb = [(G; + 4,444) / (G'a + 4,444)]4’79 , (76)где G'a и G'b — нагрузки на эти оси, кН;при сопоставлении нагрузки на сдвоенные оси (отсто¬
ящие друг от друга на расстоянии 1,27 м):/ Gl + 8.888 \4,79где G"a и G"b — нагрузки на сдвоенные оси, кН;при сопоставлении воздействия одиночных «а» и сдво¬
енных «6» осевых нагрузок:/ Gl + 8,888 \4'79
= = 0,0497	.где G'"a — нагрузка на одиночную ось, кН; G"'b — сум¬
марная нагрузка на сдвоенные оси, кН.Коэффициент приведения 5 показывает, во сколько раз
нагрузка а сильнее влияет на долговечность дорожной
одежды, чем нагрузка Ь. Например, из формулы (75)
следует, что долговечность дорожной одежды (выражен¬
ная в возможном количестве приложений одиночных на¬
грузок до капитального ремонта) при увеличении нагруз¬
ки на одиночную ось от 100 до 160 кН снижается при¬
близительно в 8,8 раза. С увеличением нагрузки на одну
треть долговечность нежесткой дорожной одежды умень¬
шается приблизительно в 4 раза. Двукратное увеличение
нагрузки на одиночную ось, как следует из формулы95
(75), приводит к уменьшению долговечности дорожной
одежды в 24—25 раз. В соответствии с инструкцией ВСН
46-83 в нашей стране в качестве расчетных приняты на¬
грузки транспортных средств групп А и Б (табл. 7).Таблица 7. Расчетные параметры нагрузок групп А и БТранс¬портныесредстваНоми¬
нальная
статиче¬
ская на¬
грузка на
ось, кННормированная
нагрузка, переда¬
ваемая дорожной
одежде колесом
автомобиля, кНСреднерасчетное
удельное
давление
колеса на
покрытие
р, МПаРасчетный диаметр
следа колеса авто¬
мобиля, смнепод¬вижногоDHдвижу¬щегося,непо I движу-
вижного щегосяQH 1 <?дtгАвтомо¬билигрупп:АБ10060503065390,60,533283732Автобусьгрупп:АБ11070553572460,60,534303934Пример. Определить коэффициенты приведения автомобиля
КрАЗ-260 к расчетным автомобилям групп А и Б. Исходные данные
для расчета: количество осей — 3; нагрузки на покрытие (статиче¬
ские): от колес первой оси Q! = 33,l кН; от колес второй и третьей
осей Q2 = Q3=38,5 кН; давление воздуха в шинах рв = 380 кПа;
расстояние между первой и второй осью (база) Li2 = 460 см, меж¬
ду второй и третьей осью (база тележки) L23= 140 см.Принимая согласно ВСН 46-83 коэффициент динамичности /Сд =
= 1,3, а коэффициент жесткости шины /Ci = l,0, по формуле (64)
вычисляем диаметры кругов, равновеликих отпечаткам колес движу¬
щегося автомобиля:		для колес первой оси D\ = 1/ 4-1,3-33,1/(3,14 -1,0-380) =38 см;
для колес второй оси Z)2 = Z)3 = T/4-1,3-38,5/(3,14-1,0-380) =
= 41 см.Определяем относительные расстояния между осями: LJ2/Di =
= 460/38= 12,1; /.,2/^2 = 460/41 = 11,2; L23/D2 = L2Z/D3 = 140/41 = 3,41.Поскольку L12/Z)!>8 и Li2/Z)2>8, то, как следует из рис. 24, влия¬
нием колес первой оси на напряженно-деформированное состояние
под колесами второй и третьей осей и влиянием колес второй и тре¬
тьей осей на напряженно-деформированное состояние под колесами
первой оси можно пренебречь.Рассмотрим случай движения автомобиля по дорогоам I—III ка¬
тегорий, для которых расчетной является нагрузка группы А —
65 кН (динамическая).По формуле (65) с учетом данных табл. 6 находим коэффици¬
енты взаимного влияния колес смежных осей тележки:колес второй оси на напряжения и прогибы под колесами третьей
ОСИ g—32(3,41) = 0,58е—0,058'3,41 *+0,42 е—°>58-3>412 =0,30;колес третьей оси на напряжения и прогибы под колесами вто-
рой оси g+23(3,41) =0,49 е~0,140'3'412+0,51е—0,64-3,41* =0,10.96
Так же, как и в табл. 2 прил. 1 ВСН 46-83, при определении ко¬
эффициентов приведения пренебрегаем взаимным влиянием смежных
колес одной оси. С учетом этого по формуле (67) находим значения
эквивалентных колесных нагрузок: Q3Ri = 1,3-33,1 =4,30 кН; (?эд2’=
^1,3(38,5+38,5-0,1) =55,1 кН; <2ЭДЗ= 1,3(38,5+38,5-0,3) = 65,1 кН.Значение коэффициента приведения к расчетной нагрузке груп¬
пы А рассчитываем по формуле (78) : s%= (43,0/65,0)4*4++ (55,1/65,0)4-4+ (65,1/65,0)4*4= 1,65.Рассмотрим движения автомобиля по дорогам IV — V категории,
для которых расчетной является нагрузка группы Б — 39 кН (ди¬
намическая).Расчет производим в той же последовательности, что и в преды-
дущем случае: £+23(3,41) =0,58 e-0'07,3'41‘+0,42е-0,7.з.41’=0 27;
£+23(3,41) = 0,37е—0,21'3,41*+0,63е—1 '2'3-41* = 0,03; = 1,3-33,1 =
= 43,0 кН; Q**2= 1,3(38,5+38,5-0,03) =51,6 кН; Q\3= 1,3(38,5+
+38,5-0,27) =63,6 кН.Эквивалентные нагрузки на покрытие от колес второй и третьей
осей превышают нормированную нагрузку группы Б более чем на
20 %. Поэтому, если по дороге IV — V категорий предполагается ре¬
гулярная эксплуатация автомобилей КрАЗ-260, то расчет дорожной
одежды на прочность следует производить на действие этих авто¬
мобилей независимо от их доли в составе транспортного потока.
Параметры расчетной нагрузки в этом случае находим по форму-
лам (68) и (69) : DP= V 4^63,6/(3,14-1,0-380) =46 см; рР= 1,0-380=
=380 кПа.Приведенное число проездов Np расчетной нагрузки на
колесо Qp, равноценное по усталостному воздействию
Ni проездам колеса с нагрузкой Qi, следует определять
по формулеNp = Na.Если рассматривается действие одиночных осей, то ко¬
эффициент St может быть определен согласно (76). Од¬
нако намного проще вычислить его по формуле, аппрок¬
симирующей это выражение:8t = (Qt/QpY'4.	(77)При приведении нагрузки к расчетной для транспорт¬
ных средств группы А расхождение между результата¬
ми вычислений по (76) и (77) не превышает 7 %, что в
данном случае следует признать приемлемым.Для оценки разрушающего действия транспортного
средства на дорожную одежду целесообразно использо¬
вать его суммарный коэффициент приведения к расчет¬
ной нагрузке:т	тS2 = X S, = 2 (Qi/Qp)4,4,	(78)1=1 i=lгде т — количество осей; Q*3— наибольшая эквивалент¬
ная колесная нагрузка на t-й оси.4 8—160897
По формуле (78) определяли коэффициенты приведе¬
ния транспортных средств к расчетным групп А и Б в
ВСН 46-83.Подобным образом определены коэффициенты приве¬
дения к расчетной нагрузке в зависимости от характе¬
ристик воздействия на дорожные одежды для некоторых
марок автомобилей и автопоездов (табл. 8, 9).Таблица 8. Характеристики воздействия на дорожные одежды
автомобилей различных марокВыражение для индекса эксплуатационного состояния
жестких дорожных одежд, которое применялось в ходе
анализа результатов испытаний AASHO, имеет видр = 5,41 — 1,8 lg (1+ Atcp) — 0,09 V С + Р. (79)Наименование показателейМарка транспортного средстваКрАЗ-260ЗИЛ-130—76ЭИЛ-133Г2ЗИЛ-1ЭЗГЯЗИЛ-131КамАЭ-53212МАЗ-53352Грузоподъемность, т
Нагрузка на покрытие от
переднего колеса, кН:
неподвижного
движущегося9,033,143,06,013.117.110,018,423,910,022,329,05.016.0
20,810,022,128,88,430.039.0То же от заднего коле¬
са, кН:
неподвижного
движущегося38,550,139,551,433.843.933.443.521,227,635,045,550.065.0Расстояние между осями
задней тележки трехос¬
ного автомобиля, м1,401,401,401,251,32Среднее удельное давле¬
ние от заднего колеса на
покрытие, МПа0,380,650,520,530,300,600,68Диаметр следа заднего
колеса для расчета до¬
рожной одежды на дей¬
ствие автомобиля, см:
неподвижного
движущегося3641283229332832303427313135Суммарный коэффициент
приведения к расчетным
нормированным нагруз¬
кам:угруппа A (sA)> B(*f)1,650,360,620,600,100,840,741,1198
Таблица 9. Характеристики воздействия на дорожные одежды ав¬
топоездов седельного типаНаименование показа¬
телейМарка тягача и полуприцепаМАЗ-6422+МАЗ-9389MA3-5432+МАЗ-9397КрАЗ-258Б1+ЧМЗАП-
9991 (кон¬
тейнеро¬
воз)MA3-504B+ЧМЗАП-
9985 (кон¬
тейнеро¬
воз)Грузоподъемность, т32,420,027,020,3Нагрузка на покрытие
от колес автопоезда
по осям, кН:
первая тягача
вторая >
третья >
первая полуприцепа
вторая >
третья »29,5/38,445,0/58,545,0/58,540,0/52,040,0/52,040,0/52,030,0/39,050,0/65,045,0/58,545,0/58,521,6/28,042,8/55,642,8/55,645,0/58,545,0/58,522,5/29,350,0/65,041,8/54,341,8/54,3База тележки, м:
тягача
полуприцепа1,401,54+1,651,541.401.401,40Среднее удельное дав¬
ление на покрытие,
МПа, колес:
задних тягача
полуприцепа:
односкатных
двускатных0,670,750,600,670,600,500,600,680,53Диаметр следа колес
автопоезда, см:
задних тягача
полуприцепа:
односкатных
двускатных29/3326/3029/3331/3531/3533/3831/3531/3532/36Коэффициенты для
приведения к расчет¬
ным нормированным
нагрузкам (автомоби¬
лям группы А):
тягача
полуприцепа
суммарный автопо¬
езда2,261,563,821,112,093,202,102,374,471,031,762,79Примечания: 1. В числителе дан показатель для движущегося авто¬
поезда (коэффициент динамичности Кдв1,3), а в знаменателе — непод¬
вижного. 2. Рассматриваемые автопоезда к расчетным автомобилям группы
Б не приводятся, поскольку для них Q>l,2Qf?°pM.В отличие от (70) здесь не учитывается колееобразо-
вание, поскольку этот вид разрушения не характерен для
цементобетонных покрытий.Итоговая формула испытаний AASHO для жестких до¬
рожных одежд имеет вид994*
lgiv = lgp+ -p- ig ’ (8°)где_ 105’85 (0,394# + 1)7»35J3»28 e
P“ (0,225G + /)4’62O _ ! , 3,63 (0,225G + J)5'20 .(0,394#+ I)8’46,/3*52H — толщина цементобетонной плиты. Остальные обо¬
значения те же, что и в формулах (72), (73).Фррмула (80) получена по результатам испытаний
270 секций жестких дорожных одежд с цементобетонны¬
ми покрытиями. Конструкции этих секций были запроек¬
тированы так, чтобы по результатам испытаний на ос¬
новании сравнительного анализа их эксплуатационного
состояния можно было судить о влиянии на условия ра¬
боты дорожной одежды таких факторов, как толщина
плиты (варьировалась в пределах 6,35—31,75 см), длина
плиты, толщина основания (варьировалась в пределах
7,62—22,86 см), наличие армирования. В итоговой же
формуле (80) отражен только первый из перечисленных
факторов, влияние остальных оказалось не столь суще¬
ственным.По аналогии с нежесткими дорожными одеждами при
проектировании дорожных одежд жесткого типа может
быть получено следующее выражение для коэффициента
приведения фактической нагрузки к расчетнойSt = (Qi/Qp)*'16,	(81)а для суммарного коэффициента приведеният	т	~	Л 1C= 2 %= s (Q'/Qp) ’ •Значения s„ вычисленные по формулам (77) и (81),
отличаются незначительно, а при нагрузках, близких к
расчетным, практически совпадают. Характерно, что при
приведении нагрузок менее расчетной, коэффициент при¬
ведения больше для жестких дорожных одежд, а для на¬
грузок, превышающих расчетную, этот коэффициент
больше у нежестких конструкций.Следует отметить, что тип покрытия и конструкция до¬
рожной одежды, судя по результатам испытаний AASHO,
не очень сильно влияют на коэффициенты перехода от
фактических нагрузок к расчетной, хотя лабораторные100
испытания на усталость указывают на то, что чувстви¬
тельность к повторным нагружениям у асфальто- и це¬
ментобетона различная. Это позволяет использовать при¬
веденные выше данные для всех дорожных одежд с твер¬
дыми покрытиями.Нагрузка группы А обычно принимается в качестве
расчетной при проектировании автомобильных дорог I —
III, а группы Б — IV—V категорий. При этом категория
дороги устанавливается в зависимости от среднегодовой
суточной интенсивности движения.Вместе с тем, на значительной части автомобильных
дорог общей сети СССР интенсивность движения в тече¬
ние года ощутимо меняется. В первую очередь это отно¬
сится к дорогам, находящимся в зоне расположения
крупных предприятий агропромышленного комплекса.
Максимальная интенсивность движения здесь наблюда¬
ется во время вывоза минеральных удобрений на поля,
во время посевной кампании и особенно в период уборки
урожая.Изучение интенсивности движения и состава грузового
потока в этот период на дорогах общей сети, проходящих
в зоне выращивания сахарной свеклы и расположения
сахарных заводов, показало, что суточная интенсивность
движения возрастает в 5—6 раз по сравнению со сред¬
негодовой, в несколько раз превышая расчетную интен¬
сивность для дорог IV и V категорий [4]. Практически
в это время от 10 до 40 % транспортного потока состав¬
ляют автомобили, перевозящие свеклу.Качество многих видов сельскохозяйственной продук¬
ции в значительной степени зависит от оперативности ее
вывозки на пункты хранения и переработки, и в резуль¬
тате на дорогах IV и V категорий эксплуатируются
МАЗы, КрАЗы, КамАЗы и колесные тракторы Т-150 К,
К-700 и К-701 с большегрузными прицепами. Автомоби¬
ли МАЗ и КрАЗ имеют наибольшую осевую нагрузку не
менее 90—100 кН на ось, что более чем в 1,5 раза пре¬
вышает нормативную нагрузку на ось (60 кН), на кото¬
рую проектируют дорожную одежду для дорог IV и V ка¬
тегорий. Результаты поосного взвешивания показали, что
такие автомобили сильно перегружены. Превышение
массы перевозимого груза, по сравнению с грузоподъем¬
ностью по техническому паспорту автомобиля, нередко
достигает 25—27 %, что приводит к превышению нагруз¬
ки на ось до 20 %. Водители транспортных средств соз¬
нательно идут на превышение грузоподъемности, по¬
скольку оплата их труда непосредственно зависит от ко-101
личества перевезенного груза. Положение усугубляется
тем, что посевные и уборочные кампании по срокам сов¬
падают с периодами весеннего и осеннего накопления
влаги в слоях дорожной одежды и земляном полотне,
т. е. проводятся в период, наиболее неблагоприятный для
работы дорожной одежды.Исходя из изложенного ВСН 46-83 разрешает рассчи¬
тывать одежды автомобильных дорог IV—V категорий
на нагрузку группы А, если в неблагоприятный период
года предполагается движение автомобилей этой группы.Если по проектируемой дороге предусматривается си-
стемар!ческая эксплуатация транспортных средств с осе¬
вой нагрузкой, более чем на 20 % превышающей норма¬
тивную, то эту фактическую нагрузку следует принимать
за расчетную, независимо от интенсивности ее движения.Когда в составе транспортного потока имеются транс¬
портные средства с осевой нагрузкой, превышающей
нормативную не более чем на 20 %, причем интенсив¬
ность их движения не более 5 % общей интенсивности
движения, в качестве расчетной следует принимать нор¬
мативную нагрузку.На сельскохозяйственных, промышленных, лесовозных
и других специальных дорогах в составе транспортного
потока могут преобладать автомобили определенной мар¬
ки. При наличии соответствующего обоснования нагруз¬
ка от них может быть принята за расчетную.Если за расчетную принимается не нормативная на¬
грузка группы А или Б, а фактическая нагрузка от
транспортного средства определенной марки, то может
быть дополнительно учтена специфика организации пере¬
возок. Например, на подъездных дорогах к крупным
предприятиям агропромышленного комплекса (сахарным
заводам, свеклоприемным пунктам, элеваторам и т. п.)
следует предусматривать превышение паспортной грузо¬
подъемности автотранспортного средства и вводить к
паспортной нагрузке на задние оси автомобиля, а также
автомобильного и тракторного прицепа коэффициент пе¬
регрузки 1,20—1,25.В ряде случаев целесообразно принимать во внимание,
что осевые нагрузки при движении автомобиля к грузо¬
образующей точке и от нее различны. Например, на подъ¬
ездах к карьерам, сахарным заводам, районам массовой
жилой застройки в городах в одном направлении дви¬
жутся загруженные, а в другом — порожние автотранс¬
портные средства. С учетом этого могут быть приняты
различные расчетные нагрузки, интенсивности их воз-102
действия и, соответственно, неодинаковая толщина до¬
рожной одежды для прямого и обратного направлений.На подходах к крупным промышленным центрам и в
городах ширина автомагистралей нередко составляет не¬
сколько десятков метров. Естественно возникает вопрос
о целесообразности устройства дорожной одежды посто¬
янной толщины на всю ширину проезжей части. В самом
деле, на многополосных магистралях тихоходный обще¬
ственный и грузовой транспорт большой грузоподъемно¬
сти концентрируется на двух первых полосах движения,
а легковой занимает остальные. В результате прочность
правых полос нередко оказывается недостаточной, а ле¬
вых — избыточной, что является одной из причин преж¬
девременного разрушения правых полос движения на
многополосных дорогах. Например, по данным Г. Г. Три-
шина и др. на четырехполосной автомобильной дороге
Москва — Минск — Брест (подъезд к Минску) на пра¬
вые полосы приходится 91,5—92,6 % суммарной интен¬
сивности движения автомобилей, которые учитываются
в расчете дорожной одежды на прочность. Легковые и
грузовые автомобили грузоподъемностью до 4 т, поль¬
зующиеся в основном полосами обгона, составляют 54—
68 % общего числа транспортных средств, а после при¬
ведения к расчетному автомобилю группы А их доля
уменьшается до 0,8—1,5 %.Поэтому для определения расчетной интенсивности
движения на полосе многополосной автомагистрали це¬
лесообразно применять формулуЛГр = /пол2 NjsJ,	(82)/=1где Nj — количество проездов в сутки в обоих направле¬
ниях транспортных средств /-й марки; т — общее коли¬
чество различных марок транспортных средств в составе
транспортного потока; sf — суммарный коэффициент
для приведения разрушающего воздействия на дорож¬
ную одежду транспортного средства /-й марки к расчет¬
ной нагрузке; fn0n — коэффициент, учитывающий количе¬
ство полос движения и распределение движения по ним
(табл. 10).Проектирование конструкций обочин автомобильных
дорог также должно осуществляться с учетом фактиче¬
ской интенсивности движения. Укрепленные обочины
улучшают водоотвод с поверхности проезжей части, об¬
легчают вождение автомобиля, обеспечивают проезд ве¬
лосипедистов, расширяют фронт работ при строительст-103
ве и эксплуатации дороги, служат для непредвиденных
остановок транспорта.До настоящего времени не существует единого мнения
о том, на какую именно интенсивность следует рассчи¬
тывать конструкции укрепленных обочин. Например, в
США в штате Калифорния их рассчитывают на интенсив¬
ность, составляющую 1 % интенсивности движения поТаблица 10. Значения коэффициента /полОбщее число полос
проезжей частиНомер полосы (справа по ходу движения)1211 31 ,1,020,7——30,70,7—40,50,2—60,40,30,02смежной полосе проезжей части, в штате Джорджия —
не менее 2,0—2,5 % той же интенсивности, в штате Айо¬
ва — на единичный проезд наиболее тяжелого автомо¬
биля в составе транспортного потока.Согласно ВСН 46-83 в СССР при расчете конструкций
обочин интенсивность движения определяется по форму¬
ле (82) при f пол — 0,01.При проектировании дорожных одежд с переменной
толщиной конструктивных слоев по ширине проезжей ча¬
сти необходимо учитывать режим загрузки перекрестков
и особенности пропуска через них транспорта.На подходе к перекресткам происходит перестроение
и накапливание транспортных средств для выполнения
левых и правых поворотов. Вероятность появления тя¬
желых транспортных средств здесь одинакова для всех
полос движения, следовательно, конструкции дорожных
одежд по ширине проезжей части должны быть равно¬
прочными. Переменная по толщине проезжей части кон¬
струкция дорожной одежды должна устраиваться толь¬
ко на перегонных участках автомобильных дорог.Рассмотренная методика определения параметров рас¬
четной нагрузки позволяет по-новому подойти к норми¬
рованию осевых и колесных нагрузок транспортных
средств.Максимальные осевые нагрузки в большинстве стран
мира ограничены национальными стандартами и состав¬
ляют, например, во Франции, Испании 130 и 210 кН, в
ЧССР, ГДР, Югославии, Финляндии 100 и 160 кН, в104
Польше 80 и 145 кН соответственно на одиночную ось и
две спаренные оси. В ряде стран (США, ФРГ) проезд
автомобилей с максимальными осевыми нагрузками раз¬
решен только на части дорог. В некоторых странах
(Италия, ФРГ) введена система строгого контроля за
соответствием фактических нагрузок допустимым для
данной дороги, причем денежный штраф за превышение
допустимой нагрузки увеличивается в степени 4,4, т. е. в
полном соответствии с формулой (77).В нашей стране нагрузки, передаваемые автотранс¬
портными средствами на дорогу, регламентировались
ГОСТ 9314—59. Отмена этого ГОСТа (в 1979 г.) нега¬
тивно отразилась на структуре автомобильного парка
страны с точки зрения условий работы дорожных одежд.
Действительно, ранее на дорогах IV—V технических ка¬
тегорий эксплуатировались автомобили марок ГАЗ,
ЗИЛ, КамАЗ с осевыми нагрузками, не превышающими
расчетные для группы Б (60 кН). После отмены ГОСТ
9314—59 автомобильная промышленность начала массо¬
вый выпуск автомобилей, предназначенных для эксплу¬
атации на дорогах низовой сети, но с осевыми нагрузка¬
ми, превышающими расчетную. Это такие автомобили
общего назначения, как ЗИЛ-130-76 (превышение на
32%), ЭИЛ-133Г2 (на 13%), ЭИЛ-133ГЯ (на 12%),
КамАЭ-53212 (на 17 %), КамАЗ-54112 (на 53 %), моло¬
ковоз КамАЗ-Г6-ОПА-15,5 (на 17 %), муковоз ЗИЛ-
41040-2Э (на 13%)- Как уже отмечалось, в периоды
сельскохозяйственных работ эти автомобили зачастую
перевозят грузы, масса которых превышает их макси¬
мальную грузоподъемность. А ведь, как следует из (77),
превышение осевой нагрузки всего на 10 % сокращает
долговечность дорожной одежды в 1,5 раза.Одной из причин, приведших к отмене ГОСТ 9314—59,
было несовершенство принципа нормирования осевой на¬
грузки независимо от числа колес на оси и от того, яв¬
ляется ли эта ось одиночной или движется в группе из
нескольких осей, например, в тандеме. Поэтому в даль¬
нейшем, при разработке новых нормативных документов
на весовые параметры транспортных средств целесооб¬
разно нормировать значение не некоторой неопределен¬
ной «осевой» нагрузки, а значение максимальной экви¬
валентной колесной нагрузки, передаваемой транспорт¬
ным средством на дорожную одежду.По аналогии с эквивалентной колесной нагрузкой вве¬
дем понятие эквивалентной осевой нагрузки. Она прини¬
мается равной нагрузке на одиночную отдельностоящую105
ось, под действием которой в дорожной одежде возни¬
кает напряженно-деформированное состояние, близкое к
тому, которое имеет место при одновременном действии
на дорожную одежду всей рассматриваемой группы осей.
Значение эквивалентной осевой нагрузки от действия
*-й оси транспортного средства может быть рассчитано
по формулеМ-1О? - Кд	2 G,g(Lt,IDj) j ,	(83)где Gi и Gj — статические нагрузки на i-ю и /-ю ось со¬
ответственно; М — количество осей.Допускаемые нагрузки на сдвоенные оси для различ¬
ных расстояний между ними могут быть получены с по¬
мощью формул (65) и (83), если потребовать, чтобы эк¬
вивалентная нагрузка на заднюю из сдвоенных осей бы¬
ла равна установленной предельной нагрузке на одиноч¬
ную ось (табл. 11).Таблица 11. Нагрузки на сдвоенные оси, кН, в зависимости от
нагрузки на одиночныеНа основании изложенного выше можно предложить
последовательность проверки прочности существующих
или расчета на прочность новых конструкций нежестких
дорожных одежд при действии многоосных многоколес¬
ных большегрузных транспортных средств по критериям
растягивающих напряжений по подошве монолитных
слоев и активных напряжений сдвига в слабосвязных ма¬
териалах слоев и в грунте земляного полотна.Расчет по критерию растягивающих напряжений аг
по подошве монолитных слоев1. Определение расчетных значений деформативных
характеристик — модулей упругости £а/б асфальтобетон¬
ных слоев:106Расстоя¬
ние меж¬
ду сдво¬
енными
осями, мДопускаемая нагрузка на одиночную ось, кН(4060801001201401,066941201471721981,270991261531792061,4731031321591862141,6751081381661942222,078114146178208236
а)	назначают исходные значения модулей упругости
(ВНС 46-83, прил. 3, табл. 12), а также толщины слоев
дорожной одежды;б)	по формуле (56) приводят многослойную конструк¬
цию дорожной одежды к двухслойной;в)	по формуле (64) определяют диаметр круга, равно¬
великого отпечатку движущегося колеса;г)	по формуле (54) рассчитывают длительность дей¬
ствия растягивающих напряжений /н(1) (первое прибли¬
жение). При этом, учитывая сравнительно невысокую (по
сравнению с асфальтобетоном) релаксационную способ¬
ность грунтов и материалов, не содержащих органиче¬
ское вяжущее, их модули упругости принимают постоян¬
ными, т. е. в формуле (54) варьируют только параметр
E\=Ez/6i а Е2 считают неизменным.д)	по рис. 15 при f=/H(1) определяют уточненное зна¬
чение модуля упругости асфальтобетона £а/б(1);е)	подставив значение £а/б(1) в формулу (54), находят
уточненное значение /н(2) (второе приближение);ж)	если fH(2)=^H(I), то переходят к следующему этапу
расчета, если же /н(2)¥=^н(1), то повторяют действия, опи¬
санные в п. г — ж до тех пор, пока не будет выполнено
условие /н(*+1) = £н(/\ т. е. добиваются соответствия дли¬
тельности действия растягивающих напряжений значе¬
нию модуля упругости асфальтобетона.2. Определение параметров расчетной нагрузки:а) последовательно находят значения эквивалентной
колесной нагрузки для всех колес транспортного
средства:по формуле (56) приводят многослойную конструкцию
дорожной одежды к двухслойной;по формуле (64) определяют диаметр круга, равнове¬
ликого отпечатку движущегося колеса;по рис. 25, а находят радиус зоны влияния рассмат¬
риваемого колеса Rq и определяют, какие из остальных
колес попали в зону влияния. Если нагрузки на различ¬
ные колеса существенно отличаются (что бывает крайне
редко), то необходимо рассчитывать Rq для каждого ко¬
леса отдельно;определив относительные расстояния между колесами
в продольном L/D и поперечном 1/D направлениях, по
формулам (65), (66) или рис. 24 находят значения функ¬
ций влияния g”, g+ и q колес, находящихся в зоне
влияния;по формуле (63) или, в частном случае, когда все ко¬
леса равнонагружены, по формуле (67) вычисляют экви-107
валентную колесную нагрузку от рассматриваемого
колеса;б)	определяют наибольшую эквивалентную нагрузку
среди всех колес транспортного средства и принимают
ее за расчетную;в)	по формуле (68) находят диаметр кругового отпе¬
чатка колеса с расчетной нагрузкой;г)	по выражению (69) определяют расчетное давление
на покрытие;д)	по формуле (78) определяют расчетную интенсив¬
ность движения, приведенную к расчетной эквивалентной
нагрузке.3- Определение расчетных значений прочностной ха¬
рактеристики — прочности асфальтобетона на растяже¬
ние при изгибе RP:а)	определяют нормативное значение прочности ас¬
фальтобетона на растяжение при изгибе (ВСН 46-83,
прил. 3, табл. 12);б)	по формуле (58) рассчитывают коэффициент запа¬
са прочности на повторность действия нагрузки;в)	по выражению (59) находят коэффициент запаса
прочности на длительность действия нагрузки;г)	по формуле (57) определяют расчетное значение
прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе Rp.4.	Определение расчетных растягивающих напряжений
Or по подошве асфальтобетонных (или других монолит¬
ных) слоев — производят согласно рис. 3.11 ВСН 46-83.5.	Проверка выполнения условия прочности:при Or^Rp прочность обеспечена. Можно переходить
к расчету по следующему критерию;при or>Rp требуется усиление конструкции. Расчет
повторяют в той же последовательности.Расчет по критерию активных напряжений сдвига хав слабосвязных материалах слоеви грунте земляного полотна1.	Определение расчетных значений деформативных
характеристик — модулей упругости £а/б асфальтобетон¬
ных слоев. Значения модулей упругости асфальтобетон¬
ных слоев, найденные при расчете по критерию аг остав¬
ляют без изменений.2.	Определение параметров расчетной нагрузки. Пос¬
ледовательность расчета прежняя. Отличие заключается
лишь в том, что при определении границ зоны влияния
следует пользоваться графиком рис. 25, б.3.	Определение расчетных значений прочностной ха-108
рактеристики — допускаемых активных напряжений
сдвига Т'доп*а)	определяют нормативное значение сцепления мате¬
риала слабосвязного слоя либо грунта в расчетный пе¬
риод (ВСН 46-83, прил. 2);б)	находят значения коэффициентов запаса прочности
/Ci и /Сз в соответствии с ВСН 46-83;в)	рассчитывают значение коэффициента запаса проч¬
ности К2 на повторность действия нагрузки по формуле
(62);г)	определяют расчетное значение допускаемого актив¬
ного напряжения сдвига по формуле (60).4.	Определение расчетных активных напряжений сдви¬
га Та в слабосвязных материалах слоев либо в грунте
земляного полотна — производят согласно рис. 3.5 и рис.
3.7 ВСН 46-83.5.	Проверка выполнения условия прочности:при 7’а^7’доп — прочность обеспечена. Расчет заканчи¬
вают или толщины слоев корректируют в сторону умень¬
шения и расчет повторяют;при 7’а>7’доп — требуется усиление конструкции. Рас¬
чет повторяют в той же последовательности.Здесь рассмотрена последовательность расчетов в наи¬
более сложном случае — когда конструкция дорожной
одежды включает асфальтобетонные слои. Если же та¬
ких слоев в конструкции нет, то расчет существенно уп¬
рощается, так как отпадает необходимость согласовы¬
вать расчетные значения модулей упругости с длитель¬
ностью действия нагрузки.3.4. ПРИМЕР ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВРАСЧЕТНОЙ НАГРУЗКИТребуется определить параметры расчетной эквива¬
лентной нагрузки для проектирования дорожной одеж¬
ды автомобильной дороги II категории на проезд много¬
осного многоколесного прицепа-тяжеловоза ЧМЗАП-5530
с грузом массой 120 т (рис. 26).Нагрузка на каждую ось Р=272 кН. Все колеса рав-
нонагружены. Коэффициент динамичности /Сд= 1,05, дав¬
ление воздуха в шинах рв=662 кПа, коэффициент жест¬
кости шины Ki = 1,1- Конструкция дорожной одежды сле¬
дующая: асфальтобетон мелкозернистый плотный типа Б
марки I (£i=1500 МПа; Н\=4 см); асфальтобетон
крупнозернистый, пористый (Е2= 1000 МПа; Н2= 10 см);109
черный щебень фракции 20—40 мм с расклинкой (£3
= 700 МПа; Я3=20 см); цементогрунт — 10 % цемента
(£4= 150 МПа; Я4= 18 см); грунт земляного полотна —
супесь легкая, непылеватая при влажности И7=0,7Ц7Т)
£5=39 МПа.Расчетная схема дорожной одежды приведена на рис.
27. Номинальная нагрузка на каждое из колес прицепа
Q=272/4=68 кН.Рис. 26. Схема расстановки
колес прицепа тяжеловоза
ЧМЗАП-5530.Рис. 27. Расчетная схема кон¬
струкции дорожной одежды.По формуле (64) определяем диаметр круга, равнове¬
ликого отпечатку движущегося колеса: D—]^4- 1,05Х
X68/(3,14-1,1-662) =35 см.Переходим к определению общих модулей упругости
на поверхности слоя цементогрунта Е"0бЩ и слоя черного
щебня £'обЩ. Расчеты производим по номограмме 3.3 ин¬
струкции ВСН 46-83: £5/£4=39/150 == 0,26; HJD =
= 18/35=0,51; £"Общ/£4=0,42; £"общ= 150-0,42=63
МПа; Е"06щ1Е3=63/700=0,09; H3/D=20/35=0,57,
Е'Общ1Е3=0,22- Е'Общ=700-0,22=154 МПа.Определяем границы зоны влияния при расчете дорож¬
ной одежды на растяжение при изгибе в асфальтобетон¬
ном основании. По формуле (56) £Ср1_2= (1500*4+
+ 1000-10)/14= 1143 МПа, откуда £ср1-2/£'общ=
= 1143/154=7,4; H/D= (4+10)/35=0,40.Интерполируя между линиями, соответствующими
Ei/E2=5 и £i/£,2=10, из рис. 25, а находим RQ/D= 1,36.Следовательно, при расчете на растяжение при изгибе
в нижнем слое асфальтобетона следует учитывать влия¬
ние лишь тех соседних колес, центры отпечатков которых
находятся на расстоянии не более Rq= 1,36-35»48 см
от рассматриваемого колеса. Вместе с тем, наименьшее110
асстояние между любыми двумя колесами составляетI	см (см. рис. 26), поэтому при расчете по данному кри-
:рию каждое колесо можно рассматривать как оди-
эчное.По формуле (78) находим интенсивность движения,
риведенную к расчетной нагрузке Qp=68 кН: Np=
=sz = 6(68/68)4'4=6 осей в сутки.Таким образом, параметры расчетной нагрузки сле-
ующие: рР= 1,1-662=728 кПа; Dp—35 см; NP=Q осей
сутки.Отметим попутно, что поскольку все колеса равнона-
ружены и имеют одинаковое давление воздуха в шинах,о	и границы зон их влияния распространяются на одно
: то же расстояние. Это обстоятельство будем учитывать
[ в дальнейшем.Определяем границы зоны влияния при расчете дорож-
юй одежды на растяжение в цементогрунтовом слое и
ia сдвиг в грунте земляного полотна. По формуле
;56) Еср'-*= (1500-4+1000-10+700-20+150-18)/(4+
4-10+20+18) =629 МПа, откуда Ecp1~iIEs=629/39=
= 16,1; HzjD= (4+10+20+18)/35= 1,5.По рис. 25, а приближенно находим, что при расчете
на растяжение в цементогрунте ощутимое влияние на
напряжение под любым колесом будут оказывать лишь
те колеса, которые находятся на расстоянии, не превы¬
шающем /?(з=4,5-35 см= 158 см. Анализируя с этой точ¬
ки зрения схему расстановки (см. рис. 26), можно за¬
ключить, что при расчете по данному критерию влияни¬
ем колес соседних осей прицепа можно пренебречь, по¬
скольку межосевое расстояние 177>158 см.Рассмотрим любую из осей, например первую, изоли¬
рованно. Выберем в качестве расчетного второе колесо.
Тогда /2i/£>i=68/35= 1,94 и по рис. 24 q(l2\IE>i) =
= q( 1,94) =0,42. Далее находим /23/Z)3= 153,5/35=4,4 и
<7 (/и/Я») =<7(4,4) =0,12.Влиянием четвертого колеса пренебрегаем, так как
расстояние между вторым и четвертым колесом превы¬
шает радиус зоны влияния: /24=221,5> 158 см.Поскольку зона влияния охватывает лишь колеса, рас¬
положенные на одной оси с расчетным, то продольное
(вдоль направления движения) расстояние между рас¬
сматриваемыми колесами L2i=L23=0 и по формуле
(65) g(L2z/D3) =g(0) = 1,00. Кроме того, L22=0 и
g(L22/D2)=g( 0) = 1,00.Так как все колеса прицепа равнонагружены, то для
определения эквивалентной колесной нагрузки на второеill
колесо применяем формулу (67): Q\2=68-1,05-(1,00V
Х0.42+1,00 • 1,00+1,00 • 0,12) = 110 кН.Приняв далее в качестве расчетных поочередно первое,
третье и четвертое колеса рассматриваемой оси, анало¬
гично находим следующие значения эквивалентных ко¬
лесных нагрузок: <Ээд1 = <Зэд4= 101 кН, <2эдз=110 кН.
Следовательно, наибольшая эквивалентная нагрузка
Q^=Q3a2=Q3a3= 110 кН и будет расчетной.По формулам (68) и (69) определяем: DP=V 4ХXI 10/(3,14-1,1-662) =44 см; рр= 1,1-662=728 кПа.По формуле (78) находим интенсивность движения,
приведенную к расчетной нагрузке Qp= 110 кН: Np=
=s2 =6-(110/110)4,4=6 осей в сутки.Параметры расчетной нагрузки таковы: рр=728 кПа;
Dp=44 см; JVP=6 осей в сутки.Определяем параметры расчетной нагрузки при расче¬
те по сдвигу в грунте земляного полотна. Из рис. 25, б
при £i/£2=16,1 и Я/D =1,5 приближенно находим
Rq/D = 5,4. Таким образом, при расчете по этому крите¬
рию следует учитывать дополнительное влияние со сто¬
роны только тех колес, центры отпечатков которых нахо¬
дятся не далее Rq—5,4-36= 189 см от расчетного.В данном случае за расчетное следует принимать од¬
но из колес второй оси, поскольку на напряжении под
ним, помимо влияния соседних колес одной с ним оси,
будет ощутимо накладываться влияние впереди идущей
(первой) и позади идущей (третьей) осей, в то время,
как на напряжения под колесами первой и третьей осей
будут существенно влиять только колеса второй оси.Определим эквивалентную колесную нагрузку для ше¬
стого колеса (см. рис. 26).Если из точки, совпадающей с центром его отпечат¬
ка, описать круг радиусом, равным зоне влияния Rq=
= 189 см, то в нем окажутся первое, второе, пятое, ше¬
стое, седьмое, девятое и десятое колеса. Их дополни¬
тельное влияние и требуется учесть:hilD\ = UblD5=/69/D9=68/35= 1,94 и по рис. 24 нахо¬
дим q(ki/Di) -q(ks/D5) = q(l69/D9) = q( 1,94) = 0,42;Ьг/D2=helD6—1ш/Вю=0,00 и q(l62/D2)-q(UD6) == q (WAo) =q (0,0) = 1,00;/67/D7= 153,5/35=4,4 и q(l67/D7) =q(4,4) =0,12;LsilD\—Lq2/D2= 177/35=5,06 и по рис. 24 находим
g-(L61/D:) -g~(L62/D2) =g~(5,06) =0,13;L65/D5=L6s/D6=L67/D7=0,00 и g (L6s/D5)=g (L66/
A) =g~(L67ID7) =g~( 0,0) = 1,00;112
L69/D9=L6lo/Dlo=\77/35=b,06 и по рис. 24 находим
g+(L69/D9) = g+ (L6l0/D10) =g+(5,06) =0,01.Значение эквивалентной колесной нагрузки определя¬
ем по формуле (67): <2эд6=68-1,05(0,13-0,42+0,13Х
X 1,00+ 1,00-0,42+ 1,00-1,00+ 1,00-0,12 + 0,01 -0,42 + 0,01 X
X 1,00) = 124 кН.Таким же образом можно найти эквивалентные колес¬
ные нагрузки и для остальных колес первых трех осей:
<Ээд1 = <2эд4=Ю2 кН; <2эд2=<2эдз=1П кН; Q\5=
= Q3a4= 115 кН; Q3a6=Q3r7= 124 кН; Q3M=Q\[2=
= 115 кН; Q3aio=Q3au= 123 кН.Следовательно, наибольшая эквивалентная колесная,
т. е. расчетная нагрузка при расчете по сдвигу в грунте
земляного полотна, формируется под средними — шес¬
тым и седьмым колесами второй оси: Qp= 124 кН.По формулам (68) и (69) определяем Z)P=]/4XХ124/(3,14-1,1-662) =47 см; рР= 1,1-662=728 кПа.По формуле (78) находим интенсивность движения,
приведенную к расчетной нагрузке Qp=124 кН: Np=
=s2 = (111/124)4,4+ (124/124) 4*4+ (123/124) 4,4+ (111/124)4>4+ (124/124)4’4+ (123/124)4>4 — 5 осей в сутки.В рассмотренном примере анализировалось совмест¬
ное воздействие на дорожную одежду только первых
трех осей. Остальные оси при этом не учитывались по
двум причинам: во-первых, расстояние между двумя осе¬
выми группами (1096 см, см. рис. 26) намного превышает
границы зон влияния, найденные расчетом, а, во-вторых,
в силу одинаковой расстановки колес в группах и равен¬
ства нагрузок под колесами четвертой, пятой и шестой
осей будет такое же напряженно-деформированное со¬
стояние, как под колесами соответственно первой, второй
и третьей.Таким образом, в результате проведенных расчетов
установлены следующие параметры расчетной нагрузки
для расчета дорожной одежды на действие многоосного
многоколесного прицепа-тяжеловоза ЧМЗАП-5530:при расчете на растяжение при изгибе в нижнем ас¬
фальтобетонном слое: Dp=35 см; рр=728 кПа; А/'р=
= 6 осей в сутки;при расчете на растяжение при изгибе в цементогрун¬
товом основании: Dp=44 см; рр=728 кПа; JVp=6 осей в
сутки;при расчете на сдвиг в грунте земляного полотна:
Dp=47 см; рр=728 кПа; Np=5 осей в сутки.113
ГЛАВА 4. КОНСТРУИРОВАНИЕ
ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ДЛЯ ТЯЖЕЛОГО
И ИНТЕНСИВНОГО ДВИЖЕНИЯПроектирование дорожных одежд должно состоять из
двух последовательных стадий: конструирования и рас¬
чета. Задача конструирования заключается в выборе и
целесообразном размещении слоев дорожной одежды с
тем, чтобы наилучшим образом использовать их механи¬
ческие и теплофизические свойства, обеспечив проч¬
ность, Технологичность и экономичность всей конструк¬
ции. Задачей расчета является правильное определение
толщин слоев в вариантах дорожных одежд, намеченных
при конструировании.Расчет дорожной одежды заключается в определении
исходных данных (параметров расчетной нагрузки, рас¬
четных прочностных и деформативных характеристик
слоев и др.), вычислении прогиба покрытия и напряже¬
ний в слоях и в грунте земляного полотна; в сопостав¬
лении прогиба и напряжений с допускаемыми значения¬
ми этих величин; в изменении исходных толщин слоев
и повторении вычислений до тех пор, пока не будут удов¬
летворены условия прочности по всем критериям пре¬
дельного состояния (по прогибу, изгибу и сдвигу). Рас¬
чет предусматривает четкую последовательность дейст¬
вий, которые могут быть описаны в виде формул, алго¬
ритмизированы и запрограммированы для ЭВМ. Приме¬
няемые методы определения напряжений и прогиба осно¬
вываются, как правило, на достаточно строгих решениях
теорий упругости или вязкоупругости. Расчетные меха¬
нические характеристики слоев и грунта (модуль упру¬
гости, предельное сопротивление растяжению, парамет¬
ры сопротивления сдвигу) определяют методами, разра¬
ботанными в механике твердого тела.Итерационный процесс изменения толщин слоев с це¬
лью отыскания такой комбинации толщин, при которой
дорожная одежда будет иметь минимальную стоимость,
основывается обычно на одном из известных методов вы¬
числительной математики (методы направленного пере¬
бора вариантов и др.).В отличие от расчета, при конструировании дорожной
одежды исходят из основанных на накопленном опыте
конструктивных ограничений (ограничения на минималь¬
ные толщины отдельных слоев, необходимые для фор¬
мирования их структур; ограничения минимальной об¬
щей толщины верхних слоев из материалов, укреплен¬114
ных органическим вяжущим, расположенных над слоем
из материала, содержащего минеральное вяжущее ве¬
щество, и т. д.) и правил (применение противозаилива-
ющей прослойки между щебеночным слоем и грунтом
земляного полотна, сочетание верхнего слоя из плотно¬
го асфальтобетона с расположенным под ним слоем из
пористого асфальтобетона и т. д.). Поэтому особые за¬
труднения возникают в нестандартных ситуациях, в част¬
ности при больших нагрузках на покрытие либо при боль¬
шой интенсивности движения.4.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯДОРОЖНЫХ ОДЕЖДКонструирование дорожной одежды должно обеспечи¬
вать рациональное использование дорожно-строительных
материалов. Казалось бы, задав множество вариантов
конструкций дорожной одежды и рассчитав с помощью
ЭВМ толщины слоев в каждом из вариантов, можно най¬
ти конструкцию минимальной стоимости. Однако замена
рационального конструирования множеством повторных
расчетов неравноценна по двум причинам. Во-первых,
сметная стоимость строительства дорожной одежды не
является достаточно основательным критерием ее опти¬
мальности: не учитывается срок службы, сравнительная
стоимость дорожно-строительных материалов в ряде слу¬
чаев не отражает соотношения их строительных свойств
(например деготь как вяжущее вещество хуже битума,
но дороже него). Во-вторых, число возможных вариантов
конструкций дорожных одежд из заданного набора до-
рожно-строительных материалов чрезвычайно велико, и
простой перебор этих вариантов вряд ли возможен.Следует подчеркнуть, что принципы конструирования
дорожной одежды по сравнению с методами ее расчета
на прочность пока разработаны недостаточно. Это не поз¬
воляет заранее так назначать сочетание и толщины сло¬
ев вариантов дорожных одежд, чтобы конструкции были
рациональными с точки зрения строительной механики
и заданных критериев прочности дорожной одежды.Целесообразно основываться на принципах конструи¬
рования дорожной одежды как трехмерной строительной
конструкции, работающей под действием повторных на¬
грузок в условиях переменного водно-теплового режима.Можно выделить три группы принципов конструирова¬
ния дорожной одежды: рациональное распределение ма¬
териалов по глубине, рациональное распределение мате¬115
риалов по ширине проезжей части, рациональное кон¬
струирование в зависимости от изменения условий рабо¬
ты дорожной одежды во времени (в годовом цикле и в
течение срока службы до капитального ремонта).Рациональное распределение материалов по глубине
дорожной одежды. Рациональное распределение мате¬
риалов по глубине должно предусматривать размещение
наиболее прочных дорожно-строительных материалов в
самых напряженных зонах конструкции. Достижение
этой цели осложняется тем, что дорожная одежда —
статически неопределимая конструкция, распределение
напряжений в которой зависит от изменения деформа-
тивных характеристик по глубине. Чтобы пояснить это,
рассмотрим пример.Допустим, дана 1 т стали для изготовления балки на
двух опорах, перекрывающей пролет 2 м. Требуется выб¬
рать форму поперечного сечения балки так, чтобы она
выдержала наибольшую возможную поперечную на¬
грузку. Эта задача решается известными методами со¬
противления материалов, и оптимальная форма попереч¬
ного сечения, как известно, должна иметь вид двутавра.
Остается лишь подобрать по сортаменту прокатный про¬
филь либо запроектировать составную двутавровую
балку.По-другому обстоит дело при проектировании дорож¬
ной одежды. Допустим, имеется 500 кг щебня прочной
горной породы, 500 кг песка и 25 кг битума на 1 м2 до¬
рожной одежды. Требуется израсходовать эти материа¬
лы наилучшим образом так, чтобы пропустить наиболь¬
шее возможное число расчетных нагрузок за заданный
срок службы дорожной одежды.Возможны разнообразные варианты конструкций до¬
рожных одежд:
двухслойное асфальтобетонное покрытие по щебеноч¬
ному основанию, верхняя часть которого пропитана би¬
тумом, с песчаным подстилающим слоем;однослойное асфальтобетонное покрытие на слое из
щебня, обработанного битумом в смесителе, с основани¬
ем из неукрепленного щебня и с песчаным подстилаю¬
щим слоем;утолщенное однослойное асфальтобетонное покрытие
на щебеночном основании, верхняя часть которого про¬
питана битумопесчаной смесью;двухслойное асфальтобетонное покрытие уменьшенной
по сравнению с первым вариантом толщины для исполь¬
зования части битума с целью укрепления грунта земля-116
ного полотна или для устройства гидропароизоляционной
прослойки в земляном полотне;асфальтобетонное покрытие на основании из грунто-
щебня с применением песка в качестве гранулометриче¬
ской добавки к суглинистому грунту земляного полотна.Можно наметить множество других вариантов конст¬
рукции и рассчитать толщины слоев для каждого из них.
Однако, поскольку конструкция, которая при заданном
расходе материалов в определенных условиях работы
обеспечит проезд максимального числа нагрузок, не из¬
вестна, то нет уверенности, что среди намеченных вари¬
антов есть наилучший. Не известно и решение обратной
задачи: об оптимальном распределении материалов по
толщине дорожной одежды при заданных нагрузке и ин¬
тенсивности движения.Идея рационального распределения материалов по
толщине дорожной одежды появилась относительно дав¬
но. Материалы и вяжущие вещества традиционно рас¬
пределяют таким образом, чтобы стоимость единицы
объема слоя снижалась с увеличением глубины его рас¬
положения от поверхности дорожной одежды, на кото¬
рую воздействует внешняя нагрузка.А. К. Бируля впервые предложил определять опти¬
мальный вид эпюры изменения модулей упругости слоев
дорожной одежды с глубиной. Поскольку вертикальное
нормальное напряжение в дорожной одежде под центром
нагруженной площадки с глубиной быстро убывает, это
изменение можно описывать экспоненциальной зависи¬
мостью и конструировать дорожную одежду так, чтобы
ступенчатая эпюра изменения модулей упругости слоев
по глубине приближалась к экспоненциальной зави¬
симостиЕ (г) = £макс ехр (- *- In -ЬаЦ ,	(84)\ “	^мин /где z — глубина от поверхности покрытия; £Макс, £мин —
модули упругости соответственно дорожного покрытия и
земляного полотна; Н — толщина дорожной одежды.При этом подразумевалось, что прочность на сжатие
материалов прямо пропорциональна их модулям упру¬
гости, а поэтому конструкция дорожной одежды с экс¬
поненциальным изменением модуля по глубине в соот¬
ветствии с характером затухания сжимающих напряже¬
ний была названа равнопрочной. Для конструирования
дорожной одежды считалось достаточным задать ^мин,117
£макс и Я, а затем построить эпюру E(z) по форму,
ле (84).В то же время Я. А. Калужский, О. Ф. Никитин и
В. Н. Ряпухин отметили возможность и целесообразность
применения дорожной одежды с немонотонным измене¬
нием эпюры модуля по глубине. В частности, они экспе¬
риментально показали, что преднамеренное введение в
конструкцию более жесткой прослойки, создающей «ска¬
чок» в эпюре изменения модуля, снижает деформатив-
ность дорожной одежды.Описанные предложения по рациональному конструи¬
рованию дорожной одежды направлены на установле¬
ние соответствия между вертикальными сжимающими
напряжениями на различной глубине и сопротивлением
материалов дорожной одежды сжатию. Однако более
опасными для укрепленных вяжущими слоев дорожной
одежды являются растягивающие напряжения, посколь¬
ку прочность этих материалов при растяжении гораздо
меньше прочности при сжатии. Поэтому при конструиро¬
вании дорожной одежды из материалов, укрепленных вя¬
жущими веществами, следует так распределять вяжущее,
чтобы наилучшим образом использовать способность ма¬
териалов сопротивляться растяжению при изгибе дорож¬
ной одежды.В такой постановке задача рационального распределе¬
ния портландцемента по толщине основания была реше¬
на Б. С. Радовским, Н. Ф. Сасько и А. Е. Мерзликиным.
Рассматривалось основание из укрепленного грунта или
каменного материала, причем предполагалось, что тех¬
нология строительства позволяет распределять вяжущее
по толщине основания согласно любому закону, а поэто¬
му модуль упругости и показатели прочности материала
неоднородного основания представляют собой произволь¬
ные функции глубины от поверхности этого основания.
Рациональным считали такое распределение вяжущего
по толщине, при котором основание, имея заданную из-
гибную жесткость (т. е. необходимую способность рас¬
пределять приложенную вертикальную нагрузку на рас¬
положенные под ним слои) и удовлетворяя требованиям
морозостойкости, обладает оптимальным сопротивлени¬
ем растяжению при изгибе. Оптимальное сопротивление
растяжению при изгибе характеризуется пропорциональ¬
ностью прочности при растяжении на любой глубине в
растянутой зоне неоднородного основания действующему
на этой же глубине растягивающему напряжению.В соответствии с найденным решением задачи опти-118
мальное распределение цемента S(2) по глубине z опре¬
деляется выражениемSm,	0<2<6;S(Z)= '-±- [Е(г)-е], 6<2<Л;Ия
Е(г)=\Ет/	(85)\т (г— 6 — /)-1 ,где Sm — наперед заданное минимальное содержание це¬
мента в верхней (сжатой) зоне основания, обеспечива¬
ющее морозостойкость материала; Ет — модуль упруго¬
сти, соответствующий укреплению добавкой цемента в
количестве Sm; 6 — глубина расположения границы меж¬
ду сжатой и растянутой зонами основания; А — толщина
укрепленного вяжущим основания; е, ks, т, I — коэф¬
фициенты, значения которых устанавливают по резуль¬
татам испытаний образцов, содержащих различное ко¬
личество цемента, с помощью соотношений между моду¬
лем упругости Е, пределами прочности на сжатие Rc, ра¬
стяжение Rp и количеством цемента:Е = е + A^S; Rc = гс + Rp — Гр~\~ ^рЕ\- (8б)
причем k — коэффициент запаса прочности на растяже¬
ние при изгибе (например, на усталость — см. гл. 2).Значение / определяется в зависимости от требуемой
(по критериям допускаемого упругого прогиба покрытия
либо активного напряжения сдвига в земляном полотне)
изгибной жесткости Dz укрепляемого неоднородного ос¬
нования с помощью выражения, вытекающего из извест¬
ной формулы О. Я. Шехтер для растягивающего напря¬
жения в плите на упругом основании:, (В„ _ -У». «--S f	«fa. (87)м ‘ " E.U-Ц) J ‘-+“0гдеаг = Г	Е° 2 I’73.	(88)L 20,0-Ио) JВ этих формулах ро, Ro — давление и радиус площадки
с нормальной нагрузкой на поверхности основания; ц,
jbLo — коэффициенты поперечной деформации материалов119
основания и расположенного под ним земляного полот-
на; /j — функция Бесселя; Е0 — модуль упругости грунта
земляного полотна.Порядок расчета оптимального распределения цемента
по толщине укрепленного основания следующий.Задают параметры нагрузки ро, Do и расчетные харак¬
теристики Ео, цо грунта земляного полотна.По результатам лабораторных испытаний образцов
грунта, укрепленного различными добавками цемента,
определяют с помощью формул (86) значения е, kE, гс,
кс, гр, kp, причем, если Е, Rc, Rp измеряются в МПа, а
5 — в Процентах, то размерность е, гс, гр — МПа, a kE —
МПа/%; коэффициенты kc, kp — безразмерные.В соответствии с ВСН 46-83 по критериям допускае¬
мого упругого прогиба и сопротивления грунта земляно¬
го полотна сдвигу обычным путем находят требуемые
толщину h и модуль Е материала однородного основания
с постоянным содержанием в нем цемента по толщи¬
не S(z)=S.Вычисляют требуемую цилиндрическую жесткость од¬
нородного основания по формулеD=	ElL_— .	(89)12(1— ц2)По формуле (87) или приближенному выражениюf « 2проа^о(‘-^о) (0)0507 _ 0 07951п(90)£<> О ~ Ц)
рассчитывают значение f.Вычисляют наибольшее напряжение от растяжения
при изгибе а+г на подошве (z=h) однородного основа¬
ния по формулеог(г) = Е(г)(г-6)Г,	(91)где для однородного основания принимают модуль по¬
стоянным по толщине E(z)=E и нейтральную плоскость
расположенной посредине толщины: z=h\ 6=0,5h.Определяют имеющийся коэффициент запаса прочно¬
сти на растяжение k=RPlar(h) по подошве однородного
основания. Фиксируют расход вяжущего (в условных
единицах) на укрепление однородного основания: 50бщ=
=hS.Находят оптимальную закономерность распределения
цемента по толщине неоднородного основания, обладаю-120
щего такой же жесткостью DZ=D, что и однородное,
имеющее такой же запас k=k на растяжение при изгибе
и удовлетворяющее требованию морозостойкости в верх¬
ней (сжатой) зоне. Принимают из условия морозостой¬
кости минимальное содержание цемента в верхней зоне
Sm и в соответствии с уже имеющимися значениями е,
kE находят модуль упругости Ет материала в этой зоне.По формулам (86) вычисляют т. и I, подставляя /=
=/ и k=k, поскольку требуемые жесткости неоднород¬
ного и однородного оснований равны между собой (Dz=
=DZ), а запасы прочности на растяжение также приня¬
ты одинаковыми (k=k).Определяют неизвестные толщину h неоднородного ос¬
нования и глубину б расположения границы между его
сжатой и растянутой зонами путем решения системы
уравненийh — 6 + Лп (l —— -LIsl 62 = 0;\	I ) 2 т(А —б)2 + -^-б2 +-| б) —(1 — ^2) = 0 (92)относительно h и б.По формулам (85) при найденных ft и б находят за¬
кономерность изменения эпюры модуля E(z) и требуе¬
мое распределение цемента S(г).Определив площадь эпюры распределения цемента,
фиксируют его расход на укрепление неоднородного ос¬
нования и оценивают эффективность применения такого
основания.Пример. Проектируется дорожная одежда, состоящая из слоя из¬
носа (холодный мелкозернистый асфальтобетон) и основания из
грунта, укрепленного цементом.Параметры расчетной нагрузки р0 = 0,5 МПа, R0= 14 см. Земля¬
ное полотно — из грунта с расчетным модулем упругости Е0=
= 50 МПа и коэффициентом поперечной деформации jj,0 = 0,35.Лабораторные испытания на изгиб и сжатие образцов грунта,
укрепленного различными добавками цемента, позволили при его
массовой доле 4% ^5 ^14% определить следующие значения ко¬
эффициентов в формулах (86):е = 0,14/ Ю3 МПа; kE =0,16- 103 МПа/96;
гс = 0,790 МПа; гр = —0,379 МПа; kc = — 1,5 • 10“3 ;kp = 0,71- 10-3 .При традиционном конструировании дорожной одежды можно
предусмотреть цементогрунтовое основание из двух слоев по 15 см121
122с массовой долей цемента в_каждом слое по 10 %. Тогда Л = 30 см
и по первой формуле (86) £=0,14* 103+0,16* 103« 10= 1,74* 103 МПа.
При 5^= 10 % предельные сопротивления сжатию и_растяжению од¬
нородного основания по формулам (86) составят Rc=—1,82 МПа,
ЖР=0,86 МПа.По формуле (89) цилиндрическая жесткость однородного осно¬
вания при £=1,74*103 МПа, Л = 30 см, ц,=0,20 равна Z)=4,1X
XIО6 МПа-см3.	__По формуле (88)_при £0 = 50 МПа, DZ=D = 4,1-10е МПа и
= 0,35 находим а2=а=0,01911/см, а затем по формуле (90) опреде¬
ляем /=0,1467* 10-4 1/см.По формуле (91) наибольшее растягивающее напряжение, возни¬
кающее по подошве однородного основания, составляета+,(30) = 1,74 • 10*(30—15) • 0,1467 • 10-4 = 0,383 МПа.Имеющийся коэффициент запаса прочности на растяжение k =
= 0,86:0,383=2,25. С учетом формул (38) и (40) такой запас на
усталость соответствует количеству базовых эталонных проездов ав¬
томобилей W06 = 2,25l5« 192 000 (при я=15 для цементогрунта) за
срок службы, что является достаточным. Расход вяжущего на ук¬
репление однородного основания составляет 50бщ = 30-10=300 %Х
Хсм.Для сжатой зоны неоднородного основания принимаем из усло¬
вия морозостойкости минимальную массовую долю цемента Sm=
= 6 %. Находим для этой зоны по формулам (86) модуль Ет=
= 1,1-103 МПа и прочность при сжатии Rc =—0,86 МПа.Определяем по последним формулам (86):т = — 0,379 / (2,25 • 0,1467 • 10~4) = — 1,15 • 104 МПа • см;/ = 0,71 • 10—® / (2,25 ♦ 0,1467 • 10“"4) = 21,6 см.После подстановки значений т, /, Ет и ц=0,2 система уравне¬
ний (92) принимает видh — б + 21,6 • In (1 — —) + 0,047836* = 0;\ 21,6 )(h — Ь)* — 0.09565S2 ^21,6+ -j- 8j +684,52 = 0и ее решение методом итераций дает толщину неоднородного осно¬
вания Л = 33,8 см и глубину границы между сжатой и растянутой
зонами б = 17,3 см.Согласно второй формуле (85) эпюра модуля по толщине слояП,1-Ю3МПа	при 0<z<17,3cm;2^ \ 1,15 • 104 (38,9 — г) 1 МПа при 17,3 см < z < 33,8 см.Согласно первой формуле (85) оптимальное распределение це¬
мента по толщине описывается закономерностьюГб %	при 0<z<17,3cm;S (z) = < 71 88U717	— 0,875 при 17,3 <2<33,8 см.| 3819 z
Расход цемента на укрепление неоднородного основания легко
найти, проинтегрировав последнее выражение для S(z) в пределах
от 0 до 33,8 см, что дает 194 %Хсм по сравнению с 300 %Хсм для
однородного основания.Полученное рациональное распределение цемента характеризует¬
ся постепенным повышением его количества по глубине растянутой
зоны (рис. 2*8). При этом в нижней точке этой зоны наибольшее на¬
пряжение от растяжения составляет 0,539 МПа, а массовая доля
цемента 13,1 %, что соответ¬
ствует прочности на растя¬
жение 1,211 МПа, т. е. коэффи¬
циент запаса по растяжению,
как и для однородного осно¬
вания, равен 2,25. Вместе с
тем, рациональное распределе¬
ние позволило добиться эконо¬
мии 35 % цемента.Технология, обеспечивающая заданное непрерывное
распределение цемента по толщине укрепленного основа¬
ния, пока не разработана. Поэтому к оптимальной эпюре
изменения массовой доли цемента по глубине можно
приблизиться, предусматривая слои с различными по¬
стоянными добавками цемента, причем при строитель¬
стве обязательно должно быть обеспечено сцепление
между этими слоями.Для двухслойного основания после назначения мини¬
мальной массовой доли вяжущего в верхнем слое Si =
=Sm его массовая доля в нижнем слое основания S2 оп¬
ределяется из уравнения, полученного А. Е. Мерзли-
киным:(rp + V + *pW Г / e+k^ \»/2 - _(e + W	[ + \ e + k& ) -2('P + y + W)3	т)(e + kES)*Фа толщины слоев затем находят по формуламК=К\/ -f-; = ^ 0Гр + крЕг). (94)Пример. Исходные данные те же, что и для предыдущего при¬
мера, Требуется запроектировать двухслойное основание с рацио¬
нальным содержанием цемента.Рис. 28. Эпюра рационального
распределения цемента по тол¬
щине неоднородного основания.123
В качестве исходного примем однородное основание толщиной
h = 30 см с массовой долей цемента 5=10%, имеющее цилиндраческую жесткость D = 4,l*106 МПа-см3.Зададим минимальную по условию морозостойкости массовую д0„
зу цемента в верхнем слое двухслойного основания Si = Sm = 6°/o
Подставив приведенные в предыдущем примере значения величин е
kE% гр, kp в уравнение (93), решим его относительно массовой доли
цемента в нижнем слое. Получим $2 = 9,5 %.По первой формуле (86) определяем модули слоев £i = lf10V
XIО3 МПа, Е2= 1,66-103 МПа.По формулам (94) определяем толщины слоев /i2= 14,6 см, h! =
= 17,9 см. По формуленаходим цилиндрическую жесткость сцепленных слоев, у которых со¬
отношение толщин соответствует первой формуле (94), и получаем
Dz=4,1-106 МПа-см3, т. е. общая жесткость двухслойного основа¬
ния равна жесткости исходного однородного основания.При данном соотношении толщин h\ и h2 обеспечивается работа
верхнего слоя только в сжатой, а нижнего — в растянутой зоне и
равенство общей жесткости двухслойного основания жесткости од¬
нородного. Кроме того, отношение прочности на растяжение по по¬
дошве нижнего слоя RP (S2 = 9,5 %) =0,86 МПа к растягивающему
напряжению or(z = 32,5 см) =0,382 МПа составляет 2,25, т. е. коэф¬
фициент запаса прочности остается прежним.Применение рационального двухслойного основания в данном
примере по сравнению с однородным основанием дает экономию
18 % цемента вместо 35 для рационального неоднородного, но тех¬
нология строительства проще.Таким образом, рациональное двухслойное основание со сцеп¬
ленными слоями должно иметь в нижнем слое больше цемента чем
в верхнем, причем толщина этих слоев должна находиться в опре¬
деленном соотношении. Между тем, сложившаяся практика конст¬
руирования дорожных одежд заключается в устройстве более проч¬
ного верхнего слоя поверх менее прочного нижнего.Для иллюстрации преимущества двухслойных основа¬
ний с более прочным нижним слоем А. Е. Мерзликиным
и Б. С. Радовским были испытаны на изгиб четыре пар¬
тии цементогрунтовых балочек размерами 4X4X16 см
сосредоточенной силой, приложенной посредине пролета
(табл. 12). Массовые доли цемента в образцах 1-й пар¬
тии— 5, а 2-й— 10 %. Образцы 3-й и 4-й партий были
двухслойными (слои одинаковой толщины прессовали
совместно). В образцах 3-й партии массовая доля цемен¬
та в верхнем слое— 10, в нижнем — 5, а в образцах 4-й
партии — наоборот: в верхнем слое — 5, в нижнем —
10%.Из полученных данных следует, что прогибы слоистых
балочек III и IV партий при одной и той же нагрузке
практически совпадают, т. е. эквивалентные модули уп-124
ругости балочек 10/5 и 5/10 практически одинаковы. Од¬
нако предельная нагрузка, которую выдерживали до раз¬
рушения образцы с увеличенной массовой долей цемен¬
та в нижнем слое (5/10), была почти в 1,6 раза выше,
чем для образцов с увеличенной массовой долей цемента
в верхнем слое. При одинаковом расходе цемента балоч-
ки с увеличенным его содержанием в нижнем слое ока¬
зались более прочными и имели такую же изгибную же¬
сткость, как и балочки с увеличенным содержанием це¬
мента в верхнем слое.Таблица 12. Несущая способность и модуль упругости однород¬
ных и двухслойных образцовРис. 29. Эпюры горизонтальных
нормальных напряжений в цент¬
ральном сечении двухслойных ба¬
лочек с различным расположени¬
ем слоев при нагрузке 100 Н по¬
средине пролета: в % указана
массовая доля цемента, модули
упругости и напряжения даны в
МПа.Максимальное растягивающее напряжение в балочке
5/10 больше, чем в балочке 10/5 в 1,79 раза (рис. 29), но
прочность при изгибе цементогрунта с 10 % цемента в
3 раза выше, чем с 5 % цемента. Поэтому предельная на¬
грузка, которую может выдержать балочка 5/10, выше
той, которую выдерживает балочка 10/5 (см. табл. 12).В этих испытаниях и расчетах балочки 10/5 соответ¬
ствовали обычно применяемым двухслойным основаниям
дорожных одежд, а более прочные балочки 5/10 — ра¬
циональным основаниям, в нижнем слое которых вяжу¬
щего больше, чем в верхнем.Рациональное конструирование оснований позволяет
добиться существенной экономии вяжущего. Так, для до¬
рожной одежды участка автомобильной дороги II кате¬
гории на обходе Уфы вместо основания толщиной 18 см
из гравийно-песчаной смеси, укрепленной 8 % цемента,125ПартияМассов.1
доля це¬
мента, %Модуль
упруго¬
сти, МПаПредел прочности, МПаПредельная
нагрузка на
образец, Нпри растя¬
жениипри сжатии1	5 2500 0,66 2,80 2002	10 7000 2,30 9,90 7103	10/5 3400 — — 2504	5/10 3500 — — 390
А. Е. Мерзликиным было предложено устроить двух,
слойное основание с верхним слоем толщиной 12 см с
5 % цемента и нижним толщиной 9 см с 7,5 % цемента.Для обеспечения надежного сцепления между слоями
основания их укладывали последовательно на захватках
длиной до 50 м в течение 5—6 ч с последующим укры¬
тием влажным песком. Толщины слоев и содержание в
них цемента определяли в соответствии с формулами
(93), (94). При этом равенство жесткостей предложен¬
ного и исходного оснований должно было обеспечить ра¬
венство прогибов покрытия, что и подтвердилось при ис-
пытании'участков с предложенным и первоначально за¬
проектированным основаниями. Вместе с тем, при стро¬
ительстве предложенной конструкции по сравнению с
первоначальной была достигнута экономия цемента око¬
ло 20 %, что составляет в зависимости от ширины про¬
езжей части от 40 до 60 т на 1 км дороги.Рассмотренный анализ рационального конструирова¬
ния дорожной одежды по глубине для определенности
был выполнен на примере из укрепленного цементом ос¬
нования, хотя такой же подход может быть реализован
применительно к конструкциям, различные слои которых
состоят из материалов с отличающимися друг от друга
свойствами. Так, А. О. Салль показал, что при трехслой¬
ном асфальтобетонном покрытии максимальные проч¬
ность и жесткость обеспечиваются при расположении в
верхнем и нижнем слоях более прочных и жестких мате¬
риалов, чем в промежуточном. К аналогичному выводу
пришли А. О. Рассказов и В. И. Косенко.Общий принцип конструирования дорожной одежды
по толщине состоит в том, что рациональное распределе¬
ние материалов по глубине конструкции должно устанав¬
ливаться исходя из закономерностей ее напряженно-де-
формированного состояния. Только таким путем можно
получить конструкции, рациональные с точки зрения
строительной механики. Как правило, такие конструкции
характеризуются пониженной материалоемкостью, по
сравнению с другими дорожными одеждами, либо при
той же материалоемкости — повышенной прочностью.Особое значение это имеет для дорожных одежд, ра¬
ботающих под действием большегрузных автомобилей.Рациональное распределение материалов по ширине
проезжей части. Опыт показывает, что на подъездных до¬
рогах к карьерам, крупным промышленным предприяти¬
ям, районам массовой жилой застройки в городах, са¬
харным заводам, элеваторам и т. п. фактические меж¬126
ремонтные сроки для полос прямого и обратного направ¬
лений отличаются, что затрудняет ремонтные работы и
приводит к их удорожанию. Причина этого состоит в том,
что к указанным объектам транспорт движется загру¬
женным, а возвращается — порожним. В подобных слу¬
чаях следует признать рациональным устройство дорож¬
ных одежд различной толщины для полос прямого и об¬
ратного направлений.На многополосных автомагистралях целесообразно
предусматривать дорожные одежды разной толщины и
для полос проезжей части с одним направлением дви¬
жения. Как отмечалось в гл. 3, условия работы слоев
дорожной одежды в пределах различных полос неравно¬
ценны, так как тихоходный общественный транспорт и
грузовые автомобили большой грузоподъемности занима¬
ют две первые (правые) полосы движения, а легковые
автомобили — остальные полосы.Перегрузка дорожной одежды крайней внешней поло¬
сы характерна для загородных автомагистралей и на об¬
ходах крупных промышленных центров. В связи с этим
здесь целесообразно проектировать дорожные одежды
разной толщины для различных полос движения. Одна¬
ко резкое отличие в толщинах слоев одежды смежных
полос при скачкообразном изменении жесткости конст¬
рукции может послужить причиной образования продоль¬
ных трещин вблизи границы этих полос. Кроме того, уст¬
ройство слоев со ступенчато изменяющейся толщиной по
ширине проезжей части приводит к технологическим
трудностям.Эти недостатки можно исключить при постепенном из¬
менении толщины дорожной одежды по ширине проез¬
жей части. Для этого достаточно придать поверхности
грунта земляного полотна поперечный уклон, превыша¬
ющий уклон поверхности покрытия.Такая дорожная одежда была впервые построена в
Киеве на шестиполосной магистрали общегородского
значения, являющейся участком Киевской окружной ав¬
томобильной дороги. Длина участка — 2,2 км. При про¬
ектировании дорожной одежды в пределах I, II и III по¬
лос принимали равные расчетные нагрузки, но различ¬
ные расчетные интенсивности движения. При строитель¬
стве дорожной одежды создавали поперечный уклон по¬
верхности земляного полотна 3,7, а поверхности покры¬
тия 2 %. Толщина песчаного подстилающего слоя изме¬
нялась от 10 до 16, щебеночного основания — от 16 до
24, асфальтобетонного основания от 5 до И см. Толщи¬127
на асфальтобетонного покрытия по ширине не изменя¬
лась. После 10 лет эксплуатации разрушений, вызван¬
ных изменением толщины слоев по ширине дороги, не
наблюдалось. Вместе с тем, экономический эффект, по¬
лученный за счет рационального изменения толщины
слоев по ширине проезжей части, превысил 50 тыс. р.Конструкции дорожных одежд с плавно изменяющей¬
ся толщиной по ширине проезжей части рекомендуются
в альбоме «Типовые конструкции дорожных одежд для
г. Киева», разработанном Киевпроектом, Госдорнии и
КАДИ.Рис. 30. Поперечный про¬
филь восьмиполосной доро¬
ги на подходе к мостовому
переходу:1 — полоса для общественного
пассажирского транспорта; 2 —3	— для смешанных потоков;4	— преимущественно для лег¬
кового транспорта,; 5 — разде¬
лительная полоса.Рис. 31. Конструкция дорож¬
ной одежды восьмиполосной
дороги:1 — верхний слой асфальтобетонно¬
го покрытия; 2 — верхний слой ос¬
нования из асфальтобетона; 3 —
промежуточный слой основания из
пористого асфальтобетона; 4 — ос¬
нование переменной толщины из
гравийного щебня; 5 — песок.Такая конструкция дорожной одежды была построена
на левобережном подходе к Южному мостовому перехо¬
ду через Днепр в Киеве. Проезжая часть подхода имеет
8 полос (рис. 30) —по 4 полосы в каждом направлении
с разделительной полосой шириной 2,00 м. Из четырех
полос в каждом направлении крайняя внешняя полоса
отводится для общественного пассажирского транспорта
и отделяется от остальных полос сплошной линией раз¬
метки.Конструкция дорожной одежды состоит из трех слоев
асфальтобетона и устроенного в два слоя щебеночного
основания переменной толщины (рис. 31). Наибольшая
толщина щебеночного основания крайней внешней поло¬
сы движения составляет 30, а наименьшая — 20 см. Зем¬
ляное полотно сооружено гидронамывом из речного пес¬
ка до незатапливаемых отметок. Экономический эффект
от применения щебеночного основания переменной тол¬
щины по ширине проезжей части для 6-километрового
участка дороги составил 100 тыс. р. (в результате эко¬
номии 9 тыс. м3 гранитного щебня).128
Наиболее широко распространены многополосные до¬
роги на подходах к крупным промышленным центрам и
в городах. Однако, как показали В. В. Рудюк и А. Я. Хо¬
мяк, на городских многополосных улицах и дорогах в
большинстве случаев действию наиболее тяжелого дви¬
жения (по грузоподъемности и интенсивности) подверга¬
ется не крайняя правая, а вторая справа полоса. В этом
случае предложение о конструировании дорожной одеж¬
ды с плавно изменяющейся толщиной по ширине проез¬
жей части не дает необходимого решения. Не приводит
к успеху это предложение и для загородних дорог с дву¬
мя — четырьмя полосами, хотя и на таких дорогах про¬
езды колес грузовых автомобилей распределяются по ши¬
рине существенно неравномерно (см. рис. 21).В таких случаях соответствие между прочностью до¬
рожной одежды и неравномерной ее загрузкой по шири¬
не может быть обеспечено и при постоянной толщине
слоев по ширине. С этой целью по предложению В. В. Ру-
дюка, Г. В. Малеванского и Б. С. Радовского после
устройства щебеночного основания осуществляют его
пропитку битумом, дегтем либо заклинку песчаным ас¬
фальтобетоном, цементнопесчаной смесью и т. п. не по
всей ширине проезжей части, а отдельными продольны¬
ми полосами, расположение и ширина которых устанав¬
ливаются согласно данным наблюдений за распределе¬
нием частоты проезда колес грузовых автомобилей по
ширине дороги. После пропитки или заклинки основания
устраивается покрытие постоянной толщины. При таком
конструировании дорожной одежды повышенная проч¬
ность основания и улучшенные условия работы покры¬
тия соответствуют местам с повышенной интенсивностью
воздействия внешней нагрузки.Рациональное конструирование дорожной одежды в
соответствии с изменением условий ее работы во вре¬
мени. Условия работы дорожной одежды в годовом цик¬
ле изменяются периодически, а в процессе службы —
постоянно. Это целесообразно принимать во внимание
при конструировании.В районах с жарким и влажным субтропическим и
тропическим климатом температура покрытия и влаж¬
ность грунта земляного полотна в течение года изменяет¬
ся мало. Совершенно иные условия работы дорожной
одежды складываются в районах с континентальным
климатом, характерным для большей части территории
нашей страны. Наиболее неблагоприятные условия при
связных грунтах земляного полотна создаются весной5У2 8-1608129
или осенью, когда вследствие переувлажнения снижа¬
ются жесткость и прочность грунта. Напротив, при песча¬
ных грунтах наиболее опасным может оказаться лето,
когда прочность асфальтобетонного покрытия и грунта
наименьшая.Как правило, толщины слоев дорожных одежд рассчи¬
тывают для наиболее неблагоприятного (особенно весен¬
него) периода. При этом принимают самые низкие зна¬
чения прочностных и деформативных характеристик
грунтов. Вместе с тем относительная продолжительность
работы дорожной одежды в таких условиях в течение
года составляет около 10 %. Следовательно, в остальные
периоду гола дорожная одежда имеет чрезмерный запас
прочности. Особенно характерна неравномерность усло¬
вий работы в течение года для одежд автомобильных
дорог в районах с развитым агропромышленным комп¬
лексом, по которым весной доставляют минеральные
удобрения, а осенью вывозят урожай. При этом для пе¬
ревозок используются тяжелые грузовые автомобили и
колесные тракторы Т-150К, К-700, К-701 с полуприцепа¬
ми и прицепами.По данным Я. П. Ковальчика и Б. С. Радовского, на
дорогах общей сети в регионе УССР, включающем ос¬
новные свеклосеящие области (Винницкую, Хмельниц¬
кую, Тернопольскую), доля сельскохозяйственных гру¬
зов составляет 25 %, из которых 80 являются сезонными.
В наиболее напряженный осенний период перевозится
примерно в 3 раза больше сельскохозяйственных грузов,
чем в наиболее опасный в отношении увлажнения зем¬
ляного полотна весенний месяц. Пиковая суточная ин¬
тенсивность весной превышает среднегодовую в 1,2—1,6	раза, а осенью в 1,5—3,1 раза. Влажность земляного
полотна, возведенного из суглинистых и супесчаных грун¬
тов, осенью составляет 92—99 % весенней влажности.
По сочетанию грузонапряженности движения и влажно
сти земляного полотна для этого региона наиболее опас¬
ным является осенний период (а именно октябрь). Вме¬
сте с тем, летом и зимой автотранспортные средства ока¬
зывают относительно небольшое разрушающее воздей¬
ствие на дорожную одежду.В связи с сезонной неравноценностью условий работы
можно считать, что рациональной является такая дорож¬
ная одежда, для которой запасы прочности по всем
критериям предельного состояния мало колеблются в
течение года.С этой точки зрения близкими к рациональным явля¬130
ются дорожные одежды с асфальтобетонными покрытия¬
ми и основаниями. В жаркое время года, когда модуль
упругости и показатели прочности асфальтобетона умень¬
шаются, возрастают модуль и сопротивление сдвигу
грунта земляного полотна. Напротив, осенью и весной,
когда связный грунт земляного полотна имеет понижен¬
ную несущую способность, асфальтобетон характеризу¬
ется повышенной прочностью и жесткостью. Такие кон¬
струкции как бы обладают способностью к саморегули¬
рованию прочности.В определенной мере это свойственно и традиционным
конструкциям с асфальтобетонным покрытием на щебе¬
ночном основании при земляном полотне из связного
грунта. Как известно, деформирование щебеночного
слоя, особенно при значительной локальной нагрузке от
колес автомобиля, сопровождается увеличением объема
этого слоя вследствие раздвижки зерен. Если увеличе¬
нию объема щебеночного основания препятствует распо¬
ложенное над ним асфальтобетонное покрытие, слой
щебня ведет себя как более жесткий, по сравнению с ус¬
ловиями беспрепятственного деформирования. Поэтому
чем жестче покрытие, тем более жестким является щебе¬
ночное основание, в частности, расчетный модуль упру¬
гости щебеночного слоя должен зависеть от температуры
расположенного над ним асфальтобетонного покрытия
(гл. 1). В жаркое время года жесткость асфальтобетон¬
ного покрытия, а, следовательно и распределяющая спо¬
собность щебеночного основания, снижаются, но возра¬
стает прочность связного грунта земляного полотна. На¬
против, весной и осенью падает прочность грунта, но
возрастает распределяющая способность асфальтобетон¬
ного покрытия.Вместе с тем, изменения свойств покрытия, основания
и грунта с изменением температуры и влажности не ком¬
пенсируют друг друга.По-видимому, наименьшей способностью к «саморегу¬
лированию» прочности обладают дорожные одежды со
слоями, содержащими неорганические вяжущие веще¬
ства, на земляном полотне из связного грунта. Правда,
распределяющая способность таких слоев не зависит от
температуры, но изменение свойств грунта обуславлива¬
ет неравномерность условий работы в течение года.Одной из мер, направленных на сближение условий
работы дорожной одежды в разные времена года, явля¬
ется применение гидропароизолирующих прослоек в ви¬
де укрепленного грунта, -полимерной пленки и т. п. вт
земляном полотне, особенно при глубоком залегании
грунтовых вод, когда главным источником увлажнения
грунта под дорожной одеждой является пар. Для огра,
ничения миграции влаги в верхние слои применяют так¬
же капилляропрерывающие прослойки. Они способству¬
ют стабилизации влажности грунта под дорожной одеж¬
дой. Другим приемом является уменьшение глубины
промерзания грунта земляного полотна с помощью теп¬
лоизоляционного слоя. Наиболее действенным является
применение устройств по осушению дорожных одежд и
земляного полотна.Неоднородность условий работы дорожной одежды в
'течение срока службы обусловлена постепенным повы¬
шением интенсивности движения и осевых нагрузок. Так,
среднегодовой темп прироста суточной интенсивности
движения составляет обычно не менее 5—7 %.Поэтому представляет большой интерес предложение
Н. Ф. Сасько о преднамеренном введении в дорожную
одежду слоя из материала, повышающего во времени
свою прочность в течение длительного срока с темпом,
примерно соответствующим темпу роста интенсивности
движения. К таким слоям приближаются основания из
смесей на основе гранулированного доменного шлака.
Интересно, что в определенной мере этому требованию
удовлетворяют укрепленные цементом материалы. Так, в
штате Айова (США) в течение 30 лет проводились на¬
блюдения за состоянием цементобетонного покрытия на
опытной дороге с отбором из покрытий и испытанием ци¬
линдрических кернов бетона марки 400. По сравнению
с прочностью на 28 сут прочность на сжатие через 260 сут
повысилась на И ,а через 28 лет — на 40 %. Установле¬
ние соответствия между ростом грузонапряженности
движения и повышением прочности дорожной одежды
во времени — один из принципов рационального кон¬
струирования.4.2. ДОРОЖНЫЕ ОДЕЖДЫ С АСФАЛЬТОБЕТОННЫМИ
покрытиямиНаиболее распространенным типом покрытия на доро¬
гах с тяжелым и интенсивным движением является ас¬
фальтобетон, что объясняется универсальностью техно¬
логических, технических и эксплуатационных свойств
этого материала: удобоукладываемостью, возможностью
строительства в течение большей части года, способно*132
стью к релаксации напряжений, возможностью регули¬
ровать его физико-механические свойства в широких пре¬
делах за счет изменения состава и свойств исходных
компонентов, возможностью устраивать за один прием
слои различной толщины (от 3 до 30 см), износостойко¬
стью и высокой ровностью, стабильной шероховатостью,
ремонтопригодностью и легкой восстанавливаемостью
при минимальных задержках движения, минимальным
шумом, легкостью разметки и ее хорошей видимостью,
возможностью повторного использования.Так, в нашей стране приблизительно 20 % общей про¬
тяженности дорог с твердыми покрытиями имеют покры¬
тие из асфальтобетона. В ФРГ из 8000 км автомагистра¬
лей 73 % имеют асфальтобетонное покрытие (в том чис¬
ле 3800 км из литого асфальтобетона и 2100 км из уп¬
лотняемого укаткой).Для повышения усталостной прочности асфальтобето¬
на при изгибе, износостойкости, коррозионной стойкости
к действию атмосферных факторов, низкотемпературной
трещиностойкости и сдвигоустойчивости в жаркое время
года целесообразно принимать ряд специальных мер по
регулированию свойств исходных компонентов асфальто¬
бетонной смеси, ее состава; армированию асфальтобето¬
на; созданию требуемых условий контакта асфальтобе¬
тонного покрытия с основанием (обеспечение надежного
сцепления либо, напротив, гладкого контакта между ни¬
ми); искусственному понижению температуры покрытия
в жаркий период; обеспечению необходимой толщины по¬
крытия; выбору вида и правильному определению тол¬
щины основания.В последние годы в западноевропейских странах на
дорогах с тяжелым и интенсивным движением эффектив¬
но применяется литой асфальт по «берлинскому рецеп¬
ту»— укатываемый литой асфальтобетон с поверхност¬
ной обработкой путем россыпи по поверхности покрытия
щебня, предварительно обработанного небольшим коли¬
чеством битума, с укаткой щебня для его втапливания
в асфальтобетон. При этом покрытие имеет свойствен¬
ную литому асфальтобетону замкнутую структуру с
межзерновыми порами, полностью заполненными ас¬
фальтовяжущим веществом, а поверхность его является
шероховатой. Покрытия из литого асфальта по техноло¬
гии, отработанной под руководством В. Н. Кононова,
построены на ряде дорог и улиц с интенсивным движе¬
нием в Москве (Варшавское шоссе, Ленинградский про¬
спект, Волгоградский проспект и др.).133
Практика показала, что плотные смеси с низким рас.
ходом битума на дорогах с тяжелым и интенсивным двц[
жением проявляют склонность к быстрому образованию
усталостных трещин и интенсивному износу от истира¬
ния. Кроме того, многощебенистые смеси с малым содер.
жанием битума имеют пониженную коррозионную стой¬
кость. Чтобы устранить эти недостатки, в ФРГ, Бельгии
и других странах начали применять смеси с большим
содержанием битума высокой вязкости и минерального
порошка и пониженным содержанием крупного щебня.
При этом повысилась усталостная прочность и износо¬
стойкость, но проявилась склонность к сдвиговым дефор¬
мациям в летнее время и образованию поперечных тре¬
щин при охлаждении.Накопленный опыт свидетельствует, что в условиях
современного тяжелого и интенсивного движения авто¬
транспортных средств предпочтение следует отдавать
многощебенистым смесям на битумах с относительно не¬
высокой вязкостью. Так, в ФРГ широко применяется
«кильская смесь», содержащая более 70 % щебня и при¬
готовленная на битуме с пенетрацией 65—80 град. Вы¬
сокая плотность минерального остова достигается надле¬
жащим подбором зернового состава минеральной части
смеси, например: частиц крупнее 2 мм — 70, от 8 до11	мм — свыше 40 %, щебень размером от 2 до 5 мм от¬
сутствует, минерального порошка 10—12%; пористость
минерального остова 15—17 %. Содержание вяжущего
снижено примерно до 5,5 %, но, благодаря низкой пори¬
стости минерального остова, остаточная пористость ас¬
фальтобетона невысока: 2—4%. Составы асфальтобе¬
тонных смесей с полупрерывистой гранулометрией (на¬
пример, отсутствие в щебне для «кильской смеси»
фракции 2—5 мм) разработаны и в нашей стране
(А. О. Салль, И. П. Шульгинский и др.).Перспективным приемом улучшения механических
свойств асфальтобетона является его армирование. Ди¬
сперсное армирование (асбестовые волокна, дробленая
металлическая стружка, стальные волокна диаметром
около 0,5 мм и длиной 20—40 мм с массовой долей в
асфальтобетоне 0,5—2,0 % и др.) способствуют повыше¬
нию модуля упругости, прочности на растяжение при из¬
гибе и износостойкости. Однако теоретические основы
дисперсного армирования асфальтобетона пока не раз¬
работаны, хотя в СССР, ФРГ, Франции, Японии и дру¬
гих странах уже имеется опыт работы участков с такими
покрытиями.134
Направленное армирование осуществляют металличе¬
скими или полимерными сетками с ромбической, квад¬
ратной или прямоугольной ячейкой. Армирование метал¬
лическими сетками асфальтобетона на участках разго¬
на и торможения способствует предотвращению летних
пластических деформаций, но увеличивает трещинообра-
зование в прохладное время года. Полимерные сетки
часто повреждаются во время уплотнения горячей ас¬
фальтобетонной смеси и, кроме того, препятствуя пере¬
мещениям зерен щебня, ухудшают уплотняемость смеси.
В результате модули упругости армированного полимер¬
ной сеткой и неармированного асфальтобетона практи¬
чески равны между собой. Вместе с тем армирование
сеткой позволяет замедлить рост трещин либо ограни¬
чить ширину их раскрытия в асфальтобетонном покры¬
тии над швами либо трещинами, имеющимися в распо¬
ложенном под ним основании.Некоторые меры, направленные на улучшение работы
асфальтобетонных покрытий, приводят в разных услови¬
ях к противоположным результатам. Так, увеличение со¬
держания щебня и повышение вязкости битума способ¬
ствуют улучшению сдвигоустойчивости асфальтобетона
летом, но ухудшают его низкотемпературную трещино-
стойкость поздней осенью и зимой. Поэтому особое зна¬
чение имеют приемы, позволяющие одновременно улуч¬
шать свойства асфальтобетона при высоких и низких
температурах. Одним из таких приемов является введе¬
ние в битум полимерных добавок, разработанных в Со-
юздорнии. Другой прием состоит в введении в асфаль¬
тобетон осветляющих добавок. Например, температура
асфальтобетонного покрытия из смеси, содержащей ще¬
бень светлых горных пород, в жаркое время примерно
на 10—15°С меньше, чем из темных, что в отношении
подверженности сдвиговым деформациям равноценно
замене битума на более вязкий. Это дает возможность
применять многощебеночные смеси на битуме с относи¬
тельно невысокой вязкостью (например, марки БНД
60/90 вместо БНД 40/60), что способствует повышению
температурной трещиностойкости в холодное время и
одновременно обеспечивает сдвигоустойчивость асфаль¬
тобетона летом.В Москве для осветления поверхности покрытий при
приготовлении асфальтобетонной смеси используется ще¬
бень из отечественного искусственного светлокристалли¬
ческого материала — дорожного ситалла (сокращенно —
дорсил).135
Важное значение для долговечности покрытия, экс¬
плуатируемого под действием большегрузных автомоби¬
лей, имеют вид и толщина основания.Взамен оснований из неукрепленного щебня под ас¬
фальтобетонными покрытиями дорог с тяжелым и интен¬
сивным движением применяют основания, все слои кото¬
рых обработаны вяжущими веществами. Особое внима¬
ние привлекли к себе толстослойные основания из ас¬
фальтобетона. Применение таких оснований было связа¬
но с освоением новой в то время технологии их укладки
и уплотнения. До 1962 г. толщину асфальтобетонного
слоя, укладываемого за один проход, ограничивали зна¬
чением 5,0—7,5 см, поскольку считали, что достичь необ¬
ходимой степени уплотнения при укладке более толстых
слоев невозможно. Однако в 1963—1970 гг. было уста¬
новлено, что укладка и уплотнение за один прием слоя
толщиной 15—20 и даже 30 см не требует существенно¬
го изменения конструкции уплотняющих механизмов:
благодаря медленному остыванию смеси в толстом слое
резерв времени для уплотнения достигает 3—4 ч.Устройство толстослойных асфальтобетонных основа¬
ний отличается технологичностью, высоким темпом ук¬
ладки в связи с уменьшением количества слоев, возмож¬
ностью строительства при низкой температуре и исполь¬
зования некондиционных каменных материалов. Недо¬
статком дорожных одежд с такими основаниями явля¬
ется повышенный расход битума, что отчасти компенси¬
руется уменьшением расхода каменных материалов, а в
некоторых случаях и цемента.Так, в Киеве для участка кольцевой дороги первона¬
чально была запроектирована такая конструкция до¬
рожной одежды: асфальтобетонное покрытие — 4 см,
первый слой основания из крупнозернистого пористого
асфальтобетона — 5, второй слой из фракционированно¬
го щебня, обработанного в смесителе вязким битумом —
8, третий слой из цементобетона марки 100 — 20, допол¬
нительное основание (технологический слой) из отходов
дробления гранитного щебня — 10 см, земляное полотно
из супесчаного грунта.Стоимость строительства 1 м2 дорожной одежды этой
конструкции (в ценах 1975 г.) составляла И р.Во время строительства запроектированной конструк¬
ции для одного из участков дороги Госдорнии была пред¬
ложена такая дорожная одежда: покрытие из мелкозер¬
нистого асфальтобетона—6 см; основание из асфальто¬
бетона, укладываемого за один прием слоем толщиной136
20 см из смеси, содержащей 70 % гранитного щебня раз¬
мером 40—10 мм и 30 % отходов камнедробления с ча¬
стицами менее 5 мм, а также 3,8 % битума марки БНД
90/130; дополнительное основание из щебня с расклин¬
кой доменным шлаком — 10 см; земляное полотно из су¬
песчаного грунта.Смесь уплотняли тремя проходами 5-тонного, пятью
проходами 7-тонного и семью проходами 30-тонного пнев¬
мокатка. Затем поперечными проходами 10-тонного кат¬
ка поверхность основания выравнивали. На конструкцию
с асфальтобетонным основанием израсходовано битума
на 38 % больше, однако достигнута экономия большого
количества портландцемента. Кроме того, значительна
экономия каменного материала, поскольку толщина до¬
рожной одежды с толстослойным асфальтобетонным ос¬
нованием на 11 см меньше, чем с цементобетонным.
Сметная стоимость строительства 1 м2 дорожной одеж¬
ды с асфальтобетонным основанием составила около
8 р., т. е. на 27 % ниже, чем с цементобетонным; эконо¬
мический эффект достиг 28 тыс. р. на 1 км. Проводившие¬
ся в течение 9 лет наблюдения показали, что в покрытии
на участке с асфальтобетонным основанием нет попереч¬
ных трещин, имеющихся на участке с цементобетонным
основанием.Однако в связи с нехваткой и повышением стоимости
нефтепродуктов дорожные одежды с толстослойными
(20—30 см) основаниями из асфальтобетона считаются
малоперспективными.Вместе с тем, на особо ответственных автомагистралях
с тяжелым и интенсивным движением по-прежнему счи¬
тают необходимым устраивать все слои основания из
материалов, укрепленных вяжущими. Типичным приме¬
ром такой конструкции является дорожная одежда авто¬
магистрали № 1 Будапешт — Татабанья (ВНР) протя¬
женностью 60 км, построенной в 1985—1987 гг.Автомагистраль № 1 имеет две проезжих части и раз¬
делительную полосу шириной 4 м. Каждая из проезжих
частей состоит из двух полос шириной по 3,75 и одной
дополнительной внешней полосы шириной 3,5 м, поверх¬
ность которой отличается по цвету или оттенку от по¬
верхности основных полос. В пределах всех полос до¬
рожная одежда имеет одинаковую толщину.Конструкция дорожной одежды включает пять слоев:покрытие толщиной 4 см из горячего мелкозернистого
плотного асфальтобетона, содержащего 22 % щебня
фракции 12—20 мм, 7 отходов камнедробления с части¬6 8—1608137
цами менее 5 мм, 63 песка, 8 минерального порошка и
8,2 % битума марки БНД 50. Остаточная пористость ас.
фальтобетона — менее 1 %; для придания покрытию ще'
роховатости в него вдавливали щебень фракции 5^.12	мм, предварительно обработанный битумом в коли-
честве 1,3—1,5 %;первый слой основания толщиной 6 см из горячего мел¬
козернистого плотного асфальтобетона, содержащего
70% щебня (фракции 5—12 мм — 22 и 12—20 мм—.
48 %), 28 песка, 2 минерального порошка и 5,3 % биту¬
ма марки БНД 90; остаточная пористость, асфальтобе¬
тона — менее 6 %;второй слой основания толщиной 12 см (укладывае¬
мый и уплотняемый в два приема слоями по 6 см) из
горячего мелкозернистого асфальтобетона, содержащего
50% щебня (фракции 5—12 мм—15 и 12—20 мм —
35%), 8 отходов камнедробления с частицами менее5	мм, 42 гравелистого песка и 5,2 % битума марки БНД
90; остаточная пористость асфальтобетона находится в
пределах 6—7 %;третий слой основания толщиной 12 см из дресвы, обра¬
ботанной 7 % цемента марки 500 в смесителе;четвертый слой основания толщиной 15 см из местно¬
го суглинистого грунта, укрепленного 6 % цемента, пере¬
мешанного с грунтом дорожной фрезой.Таким образом, все слои дорожной одежды автомаги¬
страли Будапешт — Татабанья содержат вяжущие веще¬
ства. Благодаря этому общая толщина дорожной одеж¬
ды не очень велика и составляет 49 см, причем 27 см
толщины приходится на слои, содержащие цемент, и
22см — на асфальтобетонные слои, что практически ис¬
ключает опасность распространения поперечных трещин
цементосодержащих слоев к поверхности покрытия.Обращает на себя внимание то, что все три верхних
слоя выполнены из плотного горячего мелкозернистого
асфальтобетона. Это способствует высокой прочности
«пакета» сцепленных асфальтобетонных слоев на изгиб
и улучшает распределение ими напряжений на ниже¬
лежащие слои. Два нижних асфальтобетонных слоя со¬
держат много щебня в связи с необходимостью обеспе¬
чения сдвигоустойчивости в жаркое время года. Состав
смеси для верхнего слоя примерно соответствует «бер¬
линскому рецепту», а высокая его плотность придает по¬
крытию водонепроницаемость.Данная дорожная одежда имеет высокую капиталь¬
ность, хотя при ее устройстве использованы местные138
дресва и грунт. Из привозных каменных материалов
устроены только асфальтобетонные слои, суммарная тол¬
щина которых составляет 45 % общей толщины дорож¬
ной одежды.Тем не менее, большой расход битума на устройство
оснований значительной толщины из плотного асфальто¬
бетона является главной причиной, по которой такие ос¬
нования применяют все реже. Перспективными в этом
смысле считают основания из высокопористого асфаль¬
тобетона. Составы смесей для таких оснований и техно¬
логия их строительства разработаны в МАДИ и Ленин¬
градском филиале Союздорнии.Основная цель применения высоко пор истого асфаль¬
тобетона заключается в подборе такого сочетания зер¬
нового состава минеральной части и количества битума,
чтобы использовать только вяжущие свойства последне¬
го, а битум, заполняющий межзерновые поры, исклю¬
чить. По мнению Н. В. Горелышева, это дает возмож¬
ность ограничиться содержанием битума менее 3,5 %
вместо обычного его содержания 5,5—7,0 % в плотном и
4,5—6,0 % в пористом асфальтобетоне.Однако с уменьшением содержания битума при соот¬
ветствующем увеличении остаточной пористости проч¬
ность асфальтобетона снижается. Характерные в этом
отношении результаты испытания образцов асфальтобе¬
тона на изгиб кратковременной нагрузкой при темпера¬
туре + 5°С таковы: при содержании битума 6,5; 5,0; 4,5
и 3,5 % (минерального порошка — 2 %) и остаточной по¬
ристости 3,5; 6,0; 8,5 и 11,5 % его прочность на растяже¬
ние при изгибе составляет соответственно 9,3; 7,6; 6,0 и
3,9 МПа. Если считать, что в среднем плотный асфаль¬
тобетон имеет остаточную пористость 3,5, пористый —
8,5, а высокопористый—14,5%, то, приняв прочность
плотного асфальтобетона за 100%, получим для пористо¬
го 65 и для высоко пористого 22 %. Тогда при толщине
покрытия 5 см из плотного асфальтобетона расчет необ¬
ходимой из условия прочности на изгиб толщины основа¬
ния из пористого либо высокопористого асфальтобетона
приводит к выводу, что толщине слоя пористого асфаль¬
тобетона 10 см соответствует необходимая толщина вы¬
сокопористого 15 см. Поэтому в тех случаях, когда при
расчете дорожной одежды критерий прочности на изгиб
является главным, использовать высокопористый асфаль¬
тобетон вместо пористого не следует, поскольку при этом
не только не достигается экономия битума, но и получа¬
ется перерасход каменного материала.6*139
Перспективным для уменьшения расхода битума яв¬
ляется применение дорожных одежд с асфальтобетонный
ми покрытиями на основаниях из каменных материалов
или грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими и
прежде всего — цементом. В таких конструкциях ас¬
фальтобетонное покрытие обеспечивает хорошие сцеп¬
ные качества с автомобильной шиной и комфортабель¬
ные условия движения, а высокая изгибная жесткость
основания создает условия для обеспечения стабильной
ровности поверхности покрытия. Дорожные одежды та¬
кого типа применимы на дорогах с тяжелыми транспорт¬
ными нагрузками и в неблагоприятных грунтовых усло¬
виях. Однако при конструировании таких дорожных
одежд должны быть приняты специальные меры для
обеспечения трещиностойкости покрытия при изменени¬
ях температуры.Первоначально наиболее распространенным типом це¬
ментосодержащего основания являлся цементобетон. Од¬
на из таких дорожных одежд на автомобильной дороге
I категории Киев—Борисполь состоит из пяти слоев,
каждый из которых имеет вполне определенное назначе¬
ние. Устроенный поверх земляного полотна из мелко¬
зернистого песка слой дополнительного основания из от¬
ходов дробления гранита имеет толщину 15 см и пред¬
назначен для пропуска дорожно-строительных машин и
механизмов при укладке бетона, а также — для улучше¬
ния условий опирания цементобетонной плиты. Нижний
слой основания толщиной 20 см выполнен из цементобе¬
тона марки от 100 до 200—250 и является главным не¬
сущим слоем конструкции, обеспечивающим распреде¬
ление вертикальных напряжений. В основании устраи¬
вали швы сжатия, а швами расширения явились рабо¬
чие швы, расположенные через 100—150 м. Асфальтобе¬
тонное покрытие толщиной 4 см обеспечивало удобство
и безопасность движения (асфальтобетон в пределах
трех полос проезжей части отличается по цвету благода¬
ря применению щебня из горных пород разной окраски).
Верхний слой основания толщиной 4,5 см из пористого
асфальтобетона и расположенный под ним слой толщи¬
ной 6 см из обработанного битумом фракционированно¬
го щебня должны компенсировать отличие в температур¬
ных деформациях асфальтобетонного покрытия и це¬
ментобетонного основания. В целом эта дорожная одеж¬
да является жесткой и прочной.Однако уже через 2—4 года после ввода дороги в
эксплуатацию на поверхности асфальтобетонного покры-140
гця точно над швами цементобетонного основания по¬
явились поперечные трещины, пересекающие всю про¬
езжую часть. При этом количество поперечных трещин
возрастает примерно пропорционально увеличению мар¬
ки цементобетона, т. е. чем прочнее цементобетонное
основание, тем больше вероятность появления трещин
з покрытии над швом в основании. В описанной кон¬
струкции трещины в покрытии появились практически
над всеми поперечными швами. Между тем, в Велико¬
британии считается, что количество трещин шириной бо¬
лее 3 и глубиной б мм не должно превышать 5 % протя¬
женности швов в бетоне основания. Менее широкие и
глубокие трещины считают допустимыми.Опасность образования температурных трещин в по¬
крытии, копирующих трещины (температурные, усадоч¬
ные) или швы в основании, типична для подобных кон¬
струкций. Для уменьшения количества таких трещин це¬
лесообразно предусматривать меры по улучшению
свойств асфальтобетона дорожного покрытия, улучше¬
нию конструкции основания и технологии строительства
дорожной одежды.Повысить температурную трещиностойкость мате¬
риала покрытия за счет регулирования свойств этого ма¬
териала можно путем введения добавки полимера в би¬
тум, армирования синтетическими волокнами, выбора
для щебня каменного материала с коэффициентом тем¬
пературного деформирования, как можно меньше отли¬
чающимся от значения этого коэффициента для битума.
Кроме того, по данным В. В. Мозгового, для обеспече¬
ния повышенной трещиностойкости покрытия при ох¬
лаждении целесообразно назначать оптимальное в этом
смысле содержание битума в смеси, применять битумы
с индексом пенетрации от —0,5 до 0,5 и повышать сцеп¬
ление битума с каменным материалом (например, вве¬
дением в смесь поверхностно-активных веществ).При конструировании дорожной одежды для повыше¬
ния температурной трещиностойкости покрытия целесо¬
образно использовать трещинопрерывающие прослойки
между асфальтобетонным покрытием и содержащим це¬
мент основанием (зернистые: например, из щебня, необ¬
работанного вяжущим; эластичные: резинобитумная
смесь, коврик из битумно-полимерного вяжущего); обе¬
спечивать повышенное трение между основанием и грун¬
том; уменьшать трение между покрытием и основанием
в зоне шва (например, с помощью прокладки из стекло¬
ткани, полиэтилена и т. п.); уменьшать модуль упруго¬141
сти основания (например, путем снижения содержани
в нем цемента), а также уменьшать длину «блоков» 0сЯ
нования до размера не более четырех—восьмикратной
толщины покрытия или до 0,5—1,2 м.Опасность образования температурных трещин в ас¬
фальтобетонном покрытии можно уменьшить также сле¬
дующими технологическими мероприятиями: устрой¬
ством цементобетонного покрытия в прохладный период-
обеспечением минимально возможной температуры ас¬
фальтобетона к окончанию его уплотнения; замедлением
остывания асфальтобетонного покрытия при его устрой¬
стве путем применения временной теплоизоляции его
дневной поверхности (особенно, если асфальтобетон ук¬
ладывается при низкой температуре воздуха). Эти меры
позволяют уменьшить температурные напряжения в ас¬
фальтобетонном покрытии.Перечисленные приемы повышения температурной
трещиностойкости асфальтобетонного покрытия приме¬
нимы в тех случаях, когда необходимо усилить асфальто¬
бетоном существующее дорожное покрытие, имеющее
трещины или деформационные швы.Дефицит битума и цемента в последние годы вновь
привлек внимание к устройству под асфальтобетонные
покрытия оснований из неукрепленного щебня. Так, в
ФРГ с 1966 г. такие основания допускалось устраивать
только на дорогах низких категорий, а с 1975 г. разреше¬
но сооружать щебеночные и гравийные основания и на
автомагистралях. При этом минимальная толщина ще¬
беночного слоя 20, а гравийного — 25 см. В альбоме ти¬
повых конструкций дорожных одежд ФРГ предусмотре¬
но устройство двух слоев: верхнего и нижнего морозо¬
защитного, причем общий модуль упругости на поверх¬
ности щебеночного основания должен быть не менее
180 МПа. В этом случае суммарная толщина располо¬
женных над ним слоев, содержащих битум, составит 12—14	см, в том числе асфальтобетонное покрытие — от 4 до6	см.Целесообразность применения для оснований щебня
определяется не только ограниченным количеством ор
ганических вяжущих, но и новым критерием эффектив¬
ности технических решений — энергозатратами. Дело в
том, что устройство слоев, содержащих вяжущие веще¬
ства, сопряжено с повышенным расходом энергии на про¬
изводство цемента, битума, на приготовление асфальто¬
бетонных и цементобетонных смесей. Вместе с тем, для
обеспечения равнопрочности конструкций дорожных142
одежд толщина неукрепленного слоя должна быть в не¬
сколько раз больше, чем укрепленного, а это обуславли¬
вает повышенные затраты энергии при транспортирова¬
нии каменных материалов. По данным исследователей
США и Франции, расход энергии на устройство 1 см не¬
укрепленного слоя в 2,5—3,5 раза меньше, чем асфаль¬
тобетона, но примерно во столько же раз толщина щебе¬
ночного основания должна быть больше толщины ас¬
фальтобетонного. Тем не менее, расчеты показывают, что
замена асфальтобетонного основания слоем из неукреп¬
ленных каменных материалов в равнопрочных дорожных
одеждах позволяет сократить потребление энергии при¬
мерно на 30 %.4.3.	ДОРОЖНЫЕ ОДЕЖДЫС ЦЕМЕНТОБЕТОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИЗа последние 10—15 лет существенно увеличилась
протяженность дорог с цементобетонными покрытиями,
которые хорошо зарекомендовали себя в условиях тя¬
желого и интенсивного движения. Возросла доля авто¬
мобильных дорог с такими покрытиями в сети скорост¬
ных автомагистралей у нас в стране, расширилось ско¬
ростное строительство таких покрытий благодаря освое¬
нию производительной технологии бетонирования в
скользящей опалубке, смонтированной на автоматизиро¬
ванном бетоноукладчике. В США общая протяженность
дорог с цементобетонными покрытиями превышает
300 тыс. км, а в Великобритании с 1972 г. не менее 20 %
общей протяженности новых магистральных дорог стро¬
ится с такими покрытиями.Опыт эксплуатации дорожных одежд с цементобетон¬
ными покрытиями показал, что срок их службы обычно
превышает ожидаемый. Так, проектный срок службы та¬
ких покрытий в большинстве стран ранее составлял
20 лет, а фактический срок в среднем по 19 штатам
США — 27 лет, в Австрии — 30 лет, в ФРГ и Великобри¬
тании 35—45 лет. В настоящее время в Великобритании
расчетным сроком службы цементобетонных покрытий
считают 40 лет. За это время асфальтобетонное покры¬
тие необходимо несколько раз перекрывать защитным
слоем и во многих случаях капитально ремонтировать.Конкурентоспособность дорожных одежд с монолит¬
ными цементобетонными покрытиями по сравнению с ас¬
фальтобетонными возросла вследствие того, что по сум¬
ме строительных и эксплуатационных затрат на дорогахИЗ
с интенсивным движением большегрузных автомобиле
(в частности, на подходах к городам) цементобетонны*1
покрытия оказались экономичнее. Учитывают также,
затраты энергии при строительстве бетонного покрьгг^
примерно в 2 раза ниже, чем асфальтобетонного.В конструкциях жестких дорожных одежд различают
такие слои: цементобетонное покрытие, воспринимающее
непосредственно действие колесной нагрузки и, в отличие
от нежестких дорожных одежд, играющее главную роль в
распределении вертикальных напряжений; выравнива¬
ющий слой, предназначенный для устранения неровно¬
стей на поверхности основания и обеспечивающий плот¬
ное опирание покрытия; основание, обеспечивающее в
период строительства подвоз дорожно-строительных ма¬
териалов и проезд бетоноукладчика, а затем — участву¬
ющее в распределении напряжений и предотвращающее
выдавливание переувлажненного грунта под краями
плит покрытия; дополнительное основание, играющее
роль дренирующего и морозозащитного слоя.Цементобетонное покрытие чаще всего устраивают од¬
нослойном толщиной 18—30 см из бетона с прочностью
при сжатии 35—40 МПа и при изгибе 4,5—5,5 МПа (яга
28-е сутки). Необходимую толщину покрытия определя¬
ют исходя из расчета на изгиб под действием внешней
нагрузки от колеса автомобиля. Однако, кроме того, в
цементобетонном покрытии при изменении температуры
и невозможности изменения длины покрытия возникают
температурные напряжения от = ЕаАТ, где Е — модуль
упругости бетона, а — коэффициент линейного темпера¬
турного деформирования, АТ — изменение температуры.
Так, при Е = 33* 103 МПа, а= 10-5 1/°С и охлаждении пли¬
ты на АГ = 30°С температурное напряжение составит
около ат=Ю МПа, что больше прочности бетона на
растяжение.Кроме температурных напряжений, растяжение цемен¬
тобетона вызывает воздействие напряжений от усадки.
Поскольку жесткость связей между элементами структу¬
ры затвердевшего бетона велика, его релаксационная
способность незначительна по сравнению с асфальтобе¬
тоном. Поэтому в бесшовном цементобетонном покрытии
неизбежно образование беспорядочно расположенных
сквозных трещин, неправильная форма которых затруд¬
нила бы последующую их очистку и заполнение водоне¬
проницаемым материалом. Так, в США была построена
опытная дорога с бесшовным цементобетонным покры¬
тием толщиной от 11,4 до 15, 2см на основании из гра-144
рия. Через 1 мес после бетонирования образовались по¬
перечные трещины на расстоянии 25—28 м одна от дру¬
гой, через 1 год — 8—18, 2 года — 6—12, 5 лет—5,2—
10,1, 14 лет — 4,6—8,0, через 28 лет — 4,0—5,5 м. При
этом среднее расстояние между поперечными трещинами
было примерно пропорционально толщине плиты.Для обеспечения возможности деформирования це¬
ментобетонного покрытия в нем устраивают поперечные
и продольные деформационные швы. Однако швы рас¬
членяют покрытие, и при проезде автомобиля смежные
плиты порознь воспринимают нагрузку. Для объедине¬
ния плит в швы устанавливают стальные штыри, обеспе¬
чивающие передачу нагрузки от колеса с плиты на пли¬
ту. Чтобы штыри не препятствовали изменению разме¬
ров плит с изменением температуры, одну из половин
штыря обмазывают расплавленным битумом, устраняя
сцепление между штырем и бетоном. В последнее время
предпочитают применять штыри с полимерным покры¬
тием вместо обмазки битумом.Известно, что бетонные покрытия со швами требуют
постоянного ухода, в первую очередь за швами расши¬
рения: очистки, заполнения битумно-резиновой мастикой.
Загрязнение швов препятствует расширению плит летом,
приводит к появлению в плитах значительных сжимаю¬
щих усилий, трещин, сколу кромок, выпучиванию плит.
Так, в 1979 г. после обильных майских дождей с резким
повышением к концу мая температуры воздуха до 30 °С
на одной из автомобильных дорог в Житомирской обла¬
сти во второй половине дня наблюдались массовые выпу¬
чивания — подъемы плит. При этом смежные плиты у по¬
перечного шва расширения, отрываясь от основания, об¬
разовывали «домики» высотой от 0,3 до 1, Зм, что, поми¬
мо разрушения плит, создало серьезную опасность до¬
рожно-транспортных происшествий, и потребовались
срочные меры для восстановления ровности бетонного
покрытия.Поэтому мероприятия, направленные на уменьшение
количества швов, существенно снижают расходы на со¬
держание цементобетонных покрытий. В связи с этим в
последние годы в европейских странах расстояние меж¬
ду швами расширения (сквозными пазами) последова¬
тельно увеличивали до 30, 50, 100 м и более. Во Фран¬
ции, ЧССР и США было исключено устройство швов
расширения при толщине покрытия более 24—25 см.
Вместе с тем выпучивание бетонного покрытия летом в
США происходит довольно часто, но возникающие де¬145
формации оперативно устраняются службой эксплуата¬
ции дорог.Учитывая необходимость обеспечения продольной
устойчивости цементобетонных покрытий в жаркое вре¬
мя, при их строительстве без швов расширения целесо¬
образно: обеспечивать сцепление между покрытием и
основанием, чтобы «пригрузить» покрытие снизу;
устраивать покрытие толщиной не менее 24 см, чтобы
оно имело достаточную общую массу; нарезать пазы в
швах сжатия на одинаковую глубину, чтобы уменьшить
эксцентриситет продольного усилия; вводить в состав бе¬
тонной смеси, наряду с гранитным, прочный известняко¬
вый щебень для уменьшения коэффициента температур¬
ного расширения цементобетонного покрытия.Зарубежный и отечественный опыт последних лет по¬
казал, что оптимальное расстояние между швами сжа¬
тия составляет примерно 5,0 м. При отсутствии в шве
штырей передача нагрузки от колеса с плиты на плиту
происходит благодаря зацеплению смежных плит по зуб¬
чатой поверхности разрыва, образовавшегося под пазом
(глубиной 25—30 % толщины плиты) при раскрытии
шва. Однако, если раскрытие шва сжатия превышает1	мм, зацепление обычно не проявляется. Поэтому на
дорогах с движением тяжелых автомобилей рекоменду¬
ется устанавливать штыри в швы сжатия, в противном
случае между соседними плитами образуются уступы вы¬
сотой несколько миллиметров. Вместе с тем, установка
штырей — трудоемкая операция, а при их випропогруже-
нии в бетон после прохода бетоноукладчика уменьшает¬
ся количество замкнутых пор в бетоне, что снижает его
морозостойкость вблизи шва. Поэтому в настоящее вре¬
мя стремятся не устанавливать штыри в швах сжатия, а
образование уступов предотвращают за счет применения
под цементобетонным покрытием основания из грунта
либо каменного материала, укрепленного вяжущим ве¬
ществом. Такие конструкции дорожных одежд построе¬
ны, например, на участках дорог Москва—Волгоград в
1973—1976 и Киев — Житомир в 1980—1986 гг.Возможность ликвидировать швы сжатия, а швы рас¬
ширения устраивать на расстоянии 100 м и более друг
от друга либо вовсе не устраивать открывается при при¬
менении цементобетонных покрытий с непрерывной про¬
дольной арматурой. Такие покрытия получают в послед¬
нее время все большее распространение за рубежом при
строительстве автомагистралей с тяжелым и интенсив¬
ным движением.146
Непрерывно армированные покрытия имеют продоль¬
ную стальную арматуру с площадью поперечного сече¬
ния 0,5—0,7 % площади поперечного сечения бетонной
плиты (в Бельгии — до 0,85%). Продольные стержни
изготавливают из стали периодического профиля диа¬
метром 12—16 мм и устанавливают с интервалом 15—
18 см. Поперечные стержни диаметром 12—14 мм укла¬
дывают через 60—90 см. Продольные стержни длиной
18 м стыкуют с перекрытием до 30 см. Арматурную сетку
укладывают специальной машиной, погружая вибраци¬
ей в смесь до середины толщины цементобетонного по¬
крытия. По окончании смены устраивают рабочий шов с
выпусками арматуры. Затем к ним стыкуют новые
стержни и продолжают устраивать покрытие.Непрерывно армированные цементобетонные покры¬
тия принципиально отличаются от обычных неармирован-
нььх отсутствием температурных швов сжатия и расши¬
рения. Под влиянием температурных изменений в таких
покрытиях образуются поперечные трещины с шагом
2—3 м и раскрытием на поверхности до 0,15—0,30 мм.
Вследствие столь незначительного раскрытия при проез¬
де нагрузки поперечная сила передается с плиты на пли¬
ту за счет зацепления. Ширина трещины с приближени¬
ем к арматуре убывает, и вблизи стержней края трещи¬
ны столь плотно прижаты друг к другу, что вода к арма¬
туре не проникает и защита последней от коррозии не
требуется.При проезде столь узкие трещины не ощущаются. По¬
крытие из непрерывно армированного цементобетона
имеет высокие транспортно-эксплуатационные качества:
отпадает необходимость ухода за швами и первоначаль¬
ная ровность покрытия сохраняется на протяжении деся¬
тилетий. Поэтому срок службы таких покрытий весьма
продолжителен, а эксплуатационные затраты невелики.Большинство поперечных трещин образуется в первые
2—3 года службы и после 10 лет их число не увеличива¬
ется. Оно примерно пропорционально количеству арма¬
туры, а ширина их раскрытия — обратно пропорциональ¬
на этому количеству. Так, на одном из опытных участков
с увеличением процента армирования от 0,3 до 1,0 %
среднее расстояние между трещинами уменьшилось от3,6	до 1,5 м, а ширина трещин на поверхности — от 0,090
до 0,025 мм.Наиболее распространенная толщина цементобетонной
плиты непрерывно армированного покрытия — около
20 см, прочность бетона при изгибе через 28 сут —147
4,8	МПа, содержание цемента — 240—300 кг/м3, количе¬
ство продольной арматуры — 0,6% от площади попе¬
речного сечения плиты. Арматура не должна работать
на растяжение при изгибе плиты, она предназначена для
предотвращения раскрытия поперечных трещин. Поэто¬
му ее располагают в серединной плоскости плиты или
немного выше этой плоскости. Толщину непрерывно ар¬
мированных покрытий считают возможным принимать
на 25 % меньше чем неармированных. Основным недо¬
статком непрерывно армированных покрытий является
большой расход стальной арматуры.В СССР, Англии, Японии и других странах исследует¬
ся ^возможность дисперсного армирования цементобетона
для дорожных покрытий отрезками стальной проволоки
(диаметром 0,5—0,7 мм и длиной 30—50 мм в количест¬
ве 2—3%), обрезками крученых капроновых волокон
(диаметром 0,2, длиной 15—25 мм в количестве 1 %),-во¬
локнами из стекла, стали, асбеста. Таким путем удается
повысить прочность цементобетона на растяжение при
изгибе на 40—50 %, что позволяет уменьшить толщину
покрытия и увеличить расстояние между поперечными
швами до 10—15 м.До 70-х годов под цементобетонным покрытием преду¬
сматривался выравнивающий слой толщиной 3—5 см из
битумопесчаной смеси либо в виде поверхностной обра^
ботки с применением битумной эмульсии. В некоторых
случаях выравнивающий слой устраивали из песка.
В последние годы за рубежом этот слой в ряде случаев
не устраивают, а требуемой ровности опорной поверхно¬
сти для плиты стремятся достигнуть при устройстве ос¬
нования.При конструировании и расчете жестких дорожных
одежд важнейшее значение имеет выбор материала ос¬
нования и правильное определение необходимых толщин
покрытия и основания. Особенно важно это при больших
нагрузках от автотранспортных средств, которые могут
вызвать разрушение дорожной одежды с традиционными
толщинами слоев буквально за несколько проездов. Так,
М. А. Железниковым были проведены эксперименты на
контейнерном терминале морского порта в Ленинграде,
где испытывали цементобетонные покрытия под действи¬
ем контейнеровозов с нагрузкой на колесо 90 и 260 кН.
Оказалось, что уже после 30 проездов колесной нагруз¬
ки 260 кН в цементобетонной плите традиционной толщи¬
ны 24 см образовались трещины, и лишь плиты толщиной
30 см на щебеночном и 34 см на песчаном основании ра¬148
ботали в стадии практически полностью обратимых де¬
формаций.Раньше основания под цементобетонные покрытия
устраивали преимущественно из песка. Однако переув¬
лажненный проникающей с обочины дождевой водой,
песок при проезде тяжелых автомобилей выжимается из
под краев покрытия вместе с водой. В результате в зоне
швов и вдоль краев покрытия плотное опирание плит на
основание нарушается, что приводит к появлению в пли¬
тах трещин.В последние годы общепризнана целесообразность
применения под цементобетонными покрытиями основа¬
ний из грунта либо каменного материала, укрепленного
вяжущим веществом: грунта, укрепленного цементом или
битумом, тощего цементобетона, гравийно-песчаной сме¬
си, укрепленной цементом либо гранулированным шла¬
ком и известью. При назначении толщины основания учи¬
тывают действие на него нагрузки от автомобилей, ис¬
пользуемых в период строительства дороги.Г. И. Глушков, Б. И. Демин и Б. И. Смолка экспери¬
ментально показали, что при недостаточной толщине ос¬
нования происходит накопление неравномерных оста¬
точных перемещений земляного полотна под воздействи¬
ем подвижных нагрузок. Это приводит к нарушению
контакта плит с основанием, так как между ними появ¬
ляется зазор. Плита, имеющая непрерывный контакт с
основанием, после приложения повторных нагрузок начи¬
нает работать как частично контактирующая с основа¬
нием, вследствие чего напряжение при изгибе возрастает.
А. М. Кривисским и М. А. Железниковым разработан
метод расчета толщины основания, необходимой для
предотвращения пластических сдвиговых деформаций в
грунте земляного полотна. Этот метод приведен в «Ин¬
струкции по проектированию жестких дорожных одежд»
(ВСН 197-83).Весьма перспективным следует считать метод строи¬
тельства щебеночных оснований с расклинкой или про¬
питкой пескоцементом или другими смесями каменных
материалов с органическими или неорганическими вя¬
жущими.Для этого из щебня (например, фракции 40—70 мм)
устраивают слой толщиной 20—30 см. При его уплотне¬
нии ограничиваются обжимкой, т. е. легким уплотнением
без поливки водой с целью компактного размещения зе¬
рен щебня. Затем поверх этого слоя распределяют смесь
для пропитки. Пропитывают обычно 1/3 толщины слоя.
причем расход смеси для пропитки составляет 20—40 %
объема пропитываемого слоя (при щебне фракции 40—
70 мм — примерно 40 %, фракции 5—40 мм — 20 %). Ма¬
териалами для пропитки служат смесь песка с цементом
(примерно 10 %) с прочностью на сжатие через 28 сут не
менее 3 МПа, отвальный активный доменный шлак,
песчаный асфальтобетон. Объединение слоя щебня с
расклинивающей смесью производят при уплотнении кат¬
ками либо с помощью фрезы профилировщика. Основа¬
ния из щебня с расклинкой или пропиткой пескоцемент¬
ной смесью или активным доменным шлаком устроены,
например, на дорогах I категории с цементобетонным
покрытием в Киевской обл. (Киев — Житомир, Киев —
Обухов).Функции морозозащитного и дренирующего слоев ча¬
сто совмещают в одном. В некоторых случаях их устраи¬
вают раздельно. Например, на дороге Париж — Лион
под укрепленным основанием устроен морозозащитный
слой из дробленого гравия, а дренирующий слой выпол¬
нен из песчано-гравийной смеси. Известны примеры сов¬
мещения функций основания и дренирующего слоя. Так,
во Франции для удаления воды из зоны между основа¬
нием и покрытием устроили основание из пористого то¬
щего цементобетона, уплотняемого укаткой. Такой бетон
содержит (в 1 м3): песка 200—300 кг, щебня размером
от 5 до 20 мм— 1300—1500 кг, цемента 150—250 кг, во¬
ды 70—120 л и воздухововлекающую добавку. Прочность
этого бетона при сжати на 28 сут составляет 7—10 МПа,
а пористость изменяется от 10 до 28 %, что обеспечивает
фильтрацию воды через основание.Для движения большегрузных автомобилей на доро¬
гах промышленных предприятий, нефтепромысловых,
карьерных, лесовозможных и других дорогах в последние
годы хорошо себя зарекомендовали покрытия сборного
типа из железобетонных плит.Особенно широкое распространение дорожные одеж¬
ды со сборными железобетонными покрытиями получили
при освоении западно-сибирского нефтегазоносного ре¬
гиона. Условия для дорожного строительства здесь край¬
не неблагоприятны: острый дефицит местных строитель¬
ных материалов и практически полное отсутствие мощ¬
ностей по их переработке, вечная мерзлота, заболочен¬
ная местность, многочисленные реки и озера, резко кон¬
тинентальный климат с суровой продолжительной зи¬
мой (морозы до —50 °С) и коротким жарким летом (тем¬
пература поднимается до +40°С), большое количество150
бсадков, очень тяжелое и интенсивной движение
(КРАЗы, МАЗы, «Магирусы», «Татры»). В этой ситуа¬
ции покрытиям из сборных железобетонных плит труд¬
но найти равноценную замену несмотря на то, что даль¬
ность их перевозки достигает нескольких тысяч километ
ров (дорожно-строительные тресты Украины, Латвии,
Эстонии). На первом же этапе освоения региона они, по
существу, являлись единственно возможным типом по¬
крытия.На нефтепромысловых дорогах высокие эксплуатаци¬
онные качества проявляют покрытия из предварительно
напряженных плит ПДН, размером в плане 6X2 м и
толщиной 14 см. По сравнению с ненапряженными пли¬
тами ПДО эти плиты характеризуются повышенной тре-
щиностойкостью, выносливостью, жесткостью, морозо¬
стойкостью и уменьшенным весом.Работоспособность и долговечность дорожной одежды
зависят от общей устойчивости системы насыпь — осно¬
вание насыпи, качества земляного полотна и плит.Для устройства основания применяют укрепленные
портландцементом либо неукрепленные гравийные, пес-
чано-гравийные и песчаные смеси. В результате общий
модуль упругости под железобетонной плитой достига¬
ет— 100—130 МПа. Поэтому важен непрерывный по
всей поверхности контакт плиты и основания. При нару¬
шении такого контакта плита начинает зависать, меня¬
ется расчетная схема и резко ухудшаются условия ее ра¬
боты. Причиной тому могут быть неровности основания,
промоины со стороны откосов и обочин или выплески
материала основания через швы в стыках плит. Соответ¬
ственно следует различать и три способа предотвраще¬
ния такой ситуации: устройство выравнивающего слоя
(3 см) из песчано-цементной смеси, укрепление откосов
и обочин, особенно на подходах к искусственным соору¬
жениям и изоляция швов.Традиционно изоляция швов выполняется битумны¬
ми мастиками. Однако в условиях низких температур они
быстро охрупчиваются, а затем выдавливаются и «выса¬
сываются» колесами проезжающих автомобилей. Поэто¬
му для большей надежности работы шва необходимо
проводить дополнительные мероприятия. Это может
быть, например, укладка на поверхности основания (осо¬
бенно неукрепленного) в месте будущего шва прослойки
из нетканого синтетического материала типа дорнит. Ис¬
следования, проведенные А. Г. Полуновским, Н. В. Таба¬
ковым, Б. П. Брантманом и др., показали, что текстиль¬151
ное полотно играет роль своеобразного экрана, уменьша¬
ющего, с одной стороны, размыв основания в зоне шва
поверхностными водами и предотвращающего, с другой,
попадание материала основания в шов при динамиче¬
ском воздействии автомобилей. Те же авторы рекомен¬
дуют укладывать поперечные полотна на всю ширину
верхней части земляного полотна (с целью отвода воды
на откос), а также дополнительные продольные полотна
под кромкой проезжей части (для укрепления прикро-
мочной части обочины).Вместо нетканого синтетического материала запод¬
лицо с поверхностью основания поперек проезжей части
может быть уложена также специальной формы желе¬
зобетонная балка (предложение ХАДИ).Профилактику основания под плиты осуществляют
путем протаскивания на тросовой тяге специального утю¬
га, представляющего собой сварную металлическую ра¬
му, состоящую из трех уложенных поперек дороги труб
(очертание их соответствует поперечному профилю по¬
крытия), скрепленных между собой жесткими продоль¬
ными связями. Для повышения работоспособности про¬
дольных швов в покрытиях из сборных железобетонных
плит по предложению В. С. Орловского в первой и вто¬
рой поперечных трубах утюга в соответствующих местах
необходимо последовательно установить два устройства.
Первое из них делает углубление в основании в месте
будущего шва, а из второго в это углубление доверху
сыплется цемент, третья, последняя труба, выполняет
планировку. Таким образом, жесткость основания в ме¬
сте предполагаемого продольного шва будет существен¬
но повышена.4.4.	ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕСТНЫХМАТЕРИАЛОВ И ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИВ ОСНОВАНИЯХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖДСтремление сократить расход битума, цемента и при¬
возного щебня из прочных горных пород обусловливает
возрастающий интерес к применению в основании дорож¬
ных одежд местных малопрочных каменных материалов
и отходов промышленности.Чтобы проиллюстрировать целесообразность их при¬
менения, сопоставим влияние на допустимую (с точки
зрения сдвигоустойчивости грунта земляного полотна)
колесную нагрузку двух факторов: толщины Н дорожной
одежды и среднего модуля упругости ее слоев £Ср. При¬152
153ближенная формула для максимального активного на¬
пряжения сдвига в грунте на поверхности земляного по¬
лотна имеет видт„ « 0,218—ffi-0,1 (1 — ,	(95)Н1л(Еср/Егр)°*соь<р	v 'где Q — вертикальная нагрузка от колеса на покрытие;
р — среднее давление на покрытие; Етр — модуль упру¬
гости грунта земляного полотна; <р — угол внутреннего
трения грунта.Если вид грунта, его расчетная влажность и интенсив¬
ность движения автотранспортных средств заданы, то до¬
пускаемое активное напряжение сдвига ТАОц может быть
найдено по ВСН 46-83. Приняв действующее активное
напряжение сдвига тн равным допускаемому его значе¬
нию Тдоп» рассмотрим две возможности увеличения до¬
пускаемой нагрузки Q на покрытие: увеличение толщи¬
ны дорожной одежды и увеличение среднего модуля ее
слоев.Из формулы (95) следует, что для увеличения допус¬
каемой нагрузки Q на дорожное покрытие в 2 раза при
сохранении прежнего значения активного напряжения
сдвига в грунте требуется либо увеличить толщину до¬
рожной одежды в 1,41 раз (с сохранением прежнего со¬
отношения между толщинами ее слоев и без изменения
модулей этих слоев) либо увеличить модули всех слоев
в 3,5 раза без изменения их толщин. Такое изменение
модулей упругости равносильно, например, замене слоя
из белого рядового щебня с модулем 250 МПа слоем та¬
кой же толщины из фракционированного горячего черно¬
го щебня с модулем около 900 МПа.Учитывая дефицит фондируемых вяжущих, можно сде¬
лать вывод, что при тяжелых нагрузках, но относительно
невысокой интенсивности движения (когда накопление
остаточных деформаций от внутреннего износа материа¬
лов слоев под действием повторных проездов не вызыва¬
ет особых опасений) для обеспечения сдвигоустойчиво¬
сти грунта под дорожной одеждой целесообразнее
увеличивать ее толщину за счет применения в основании
местных некондиционных каменных материалов, чем по¬
вышать модули упругости слоев путем применения дефи¬
цитных вяжущих и высокопрочных каменных материа¬
лов, необходимых для дорожных покрытий.Эти соображения относятся к условиям устойчивости
грунта земляного полотна против сдвига. Рассмотрим
теперь, как влияют механические характеристики и тол-
щииа оснований, а также модуль упругости грунта з^м-
ляного полотна на изгибное напряжение в дорожном
покрытии.А. О. Саллем была выявлена важная особенность изги¬
ба верхнего слоя в трехслойной конструкции покрытие-—
основание—земляное полотно: максимальное растягива¬
ющее напряжение в верхнем слое заданной толщины
зависит главным образом от модуля упругости материа¬
ла, расположенного в пределах «активной зоны» и прак¬
тически не зависит от модуля материалов, расположен¬
ных ниже этой зоны.Чтобы пояснить это, в табл. 13 приведены вычислен¬
ные А. О. Саллем, Б. С. Радовским и Б. А. Высоцкой
максимальные растягивающие напряжения в покрытии
при среднем давлении р= 1 МПа, действующем в преде¬
лах круга с диаметром D. Напряжение в верхнем слое
упругого трехслойного полупространства рассчитывалиТаблица 13. Влияние модуля грунта земляного полотна и харак¬
теристик основания на растягивающее напряжение в покрытииEJE%Е,1ЕЛМаксимальное растягивающее напряжение, МПа, в
верхнем слое толщиной /t|/D=0,25 при h2/D0,51 ьо1.5211,5791,5791,5791,57951,8981,4951,4241,410102,1271,5101,4071,38610152,2621,5171,3941,368202,3541,5201,3831,353252,4231,5201,3731,34012,7312,7312,7312,73153,4432,7922,6302,58120103,8882,8882,6402,568154,1512,9252,6422,555204,3322,9532,6402,544254,8812,9732,6372,53313,5183,5183,5183,51854,5183,7123,4793,400105,1163,8633,5173,39930155,4693,9423,5333,395205,7113,9923,5433,388255,8924,0293,5483,38314,1184,1184,1184,11855,3404,4294,1394,03340106,0564,6344,2024,046156,4764,7434,2324,049206,7624,8134,2514,048256,9754,8654,2654,047154
на ЭВМ в соответствии с полученным А. К. Приварнико-
вым решением задачи теории упругости. Слои на контак¬
тах считали сцепленными и характеризовали модулями
упругости Еи Е2, Е% коэффициентами поперечной дефор¬
мации ць ц,2. Из и толщинами hu h2 (третий слой — одно¬
родное полупространство). Принимали ц,1=0,25, |А2=цз =
=0,35, а отношение толщины верхнего слоя к диаметру
нагруженной площадки постоянным hJD=0,25.Расчеты показывают (табл. 13), что влияние модуля
упругости третьего (нижнего) слоя — полупростран¬
ства — неоднозначно: его повышение при малой толщи¬
не второго слоя h2/D приводит к снижению растягиваю¬
щего напряжения в первом, а при большой его толщи¬
не — к увеличению этих напряжений. Характерно, что
при данной толщине верхнего слоя можно найти значе¬
ния Ei/E2 и h2/D, при которых Е2/Е3 в пределах точности
практических расчетов не влияет на растягивающее на¬
пряжение в верхнем слое. При этих значениях растяги¬
вающее напряжение при любом значении Е3 практически
такое же, как и в двухслойной системе с модулем упру¬
гости нижнего полупространства Е2, равным модулю
промежуточного слоя трехслойной системы.Полученные результаты подтверждают выдвинутое
А. О. Саллем положение о том, что в толще слоев осно¬
вания и земляного полотна можно выделить «активную
зону», оказывающую влияние на растягивающее напря¬
жение в покрытии, а жесткость нижележащих слоев на
это напряжение не влияет. Толщина этой зоны опреде¬
ляется по приближенной формулеh^hiVEjE,.	(96)Например, при значении толщины покрытия &i=0,25Z)
(см. табл. 13) для отношения модуля покрытия к моду¬
лю основания Ei/E2 = 20 по формуле (105) получим Ла =
=0,251/20= 1,11Д т. е. характеристики слоев, располо¬
женных глубже уровня z=l,\D от подошвы покрытия,
практически не должны влиять на растягивающее на¬
пряжение в покрытии. Действительно, как видно из таб¬
лицы, при h2=l,5D и постоянном модуле основания Е2
для Ei/E2 = 20 уменьшение модуля земляного полотна
£з в 5 раз, соответствующее изменению соотношения
Е2/Е3 от 5 до 25, приводит к увеличению растягивающего
напряжения в покрытии от 2,630 до 2,637 МПа, т. е. лишь
на 0,27 %.С точки зрения описанных в 4.1 общих принципов кон¬
струирования, эти результаты представляют значитель-155
ный практический интерес при выборе рациональных ва¬
риантов дорожных одежд. В частности, при проектирова¬
нии дорожных одежд на слабых грунтах (торф, илы,
грунты с влажностью вблизи границы текучести), харак¬
теризуемых модулем упругости менее 20 МПа, для ис¬
ключения влияния слабого грунта на растягивающее
напряжение в покрытии достаточно назначить толщину
основания превышающей определяемую по формуле
(96) глубину «активной зоны». Аналогично, расположен¬
ные ниже «активной зоны» слои из местных материалов
с пониженным модулем упругости будут мало влиять на
растягивающее напряжение в покрытии.Пример. Асфальтобетонное покрытие толщиной h\ = 8 см с моду¬
лем упругости при температуре 0°С и длительности действия на¬
грузки 0,1 с, равным Е\ = 3600 МПа, устраивается поверх основа¬
ния из материалов со средним модулем слоев £2 = 400 МПа. Опре¬
делить такую толщину основания, при которой растягивающее на¬
пряжение в покрытии от колесной нагрузки с размером отпечатка
D = 33 см не будет зависеть от изменения модуля грунта земляного
полотна.По формуле (96) находим, что минимальная толщина активной
зоны влияния на покрытие составляет йа = 8*1/3600/400=24 см. Ре¬
зультаты вычисления макси¬
мального горизонтального нор¬
мального напряжения в покры¬
тии при давлении на него
р=0,6 МПа и коэффициентах
поперечной деформации jjii =
= 0,25, |ы2 = м-з = 0,35 приведе¬
ны на рис. 32 для конструкций
с основаниями различной тол¬
щины: 12, 24, 36 и 48 см.При толщинах основания 12
и 16 см растягивающее напря¬
жение в покрытии с уменьше¬
нием модуля упругости грунта
резко возрастает; при толщине
основания 24 см эта зависи¬
мость, как и следовало ожи¬
дать, ослабевает, а при толщи¬
не /г2=32 см растягивающее
напряжение в покрытии пере¬
стает зависеть от модуля упру¬
гости грунта земляного полот¬
на. Более того, при толщине
основания свыше 32 см напряжение в изогнутом покрытии с умень¬
шением модуля упругости грунта земляного полотна убывает.Примечательно, что в данном примере при толщине асфальтобе¬
тонного покрытия 8 см (и обеспечении его сцепления с основанием)
толщина основания 32 см является оптимальной в том смысле, что
при этой толщине основания изгибное напряжение в покрытии не
будет зависеть от вида и состояния грунта земляного полотна.Рис. 32. Зависимость напряжения
в покрытии от модуля упругости
грунта при толщине основания, см:
1 — 12; 2 — 16; 3-24; 4 — 32; 5 — 48.156
Своеобразно должен проявляться «эффект активной
зоны влияния на покрытие» при капитальном ремонте.
Например, при реконструкции существующей дороги ча¬
сто требуется изменить поперечный уклон. Для этого
поверх старого покрытия укладывают слой основания
под новое покрытие.Считается, что разбирать старое покрытие нерацио¬
нально, поскольку его сохранение будет способствовать
улучшению условий работы на изгиб нового покрытия.
Однако подобно приведенному примеру, можно на осно¬
ве расчетов показать, что, если толщина нового основа¬
ния, устроенного поверх старого покрытия, больше глу¬
бины «активной зоны влияния на новое покрытие», то
наличие старого покрытия нисколько не улучшает усло¬
вия работы нового на изгиб. Например, если новое ас¬
фальтобетонное покрытие имеет толщину h\=8 см, то
при щебеночном основании 32 см новое покрытие как бы
«забывает» о существовании старого, даже если оно вы¬
полнено из монолитного цементобетона. Эту закономер¬
ность полезно учитывать при проектировании усиления
существующих дорожных одежд.Приведенный выше анализ влияния толщины и сред¬
него модуля слоев основания на напряжение сдвига в
земляном полотне показал, что выгоднее увеличивать
суммарную толщину слоев основания, чем использовать
в этих слоях дефицитные вяжущие вещества и прочные
каменные материалы. С другой стороны, показано, что
повысить трещиноустойчивость покрытия при изгибе под
действием нагрузки от колеса автомобиля либо снизить
его требуемую толщину можно путем увеличения средне¬
го значения модуля упругости слоев «активной зоны».
Таким образом, суммарная толщина слоев основания
должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить
сдвигоустойчивость грунта земляного полотна, но для
снижения растягивающих напряжений в покрытии сле¬
дует стремиться использовать материалы с высоким мо¬
дулем упругости только в верхней части основания, что
же касается нижних слоев (лежащих глубже границы
«активной зоны влияния на покрытие»), то в этих слоях
целесообразно использовать разнообразные местные ма¬
териалы и укрепленные грунты.Среди местных материалов и отходов промышленности
УССР, используемых в дорожном строительстве, особое
место занимают металлургические шлаки. Наиболее ра¬
циональным путем их применения является устройство
так называемых полужестких слоев, постепенно приоб-157
ретающих связность. Металлургические шлаки могут
применяться при строительстве покрытий и оснований:
из фракционированного щебня сталеплавильных шлаков
фракции 40—70 мм способом заклинки; из щебня стале¬
плавильных шлаков фракции 40—70 мм с расклинцовкой
высокоактивным доменным шлаком фракции 0—20 мм
или доменным гранулированным шлаком; из подобран¬
ной по зерновому составу смеси сталеплавильных шла¬
ков с укреплением известью, молотым доменным шлаком
или цементом. Проведенные в Госдорнии Миндорстроя
УССР исследования показали, что экономический эф¬
фект от замены 1 м3 щебня из естественных прочных гор¬
ных пород щебнем шлаковым соответствующего класса
прочности составляет около 2 р.Примером рационального использования промышлен¬
ных отходов является запроектированная Днепропет¬
ровским филиалом Укргипродора конструкция дорожной
одежды автомобильной дороги I категории Днепропет¬
ровск—Кривой Рог (маршрут Волгоград—Кишинев) с
интенсивностью движения 14 тыс. автомобилей в сутки.Земляное полотно автомобильной дороги имеет шири¬
ну 27,5, ширина обочины — по 3,0 м, разделительной по¬
лосы — 3,0 м. Проезжие части состоят из двух полос по
3,75 м и имеют прикромочные полосы: внутреннюю шири¬
ной 1,0 и внешнюю — 0,75 м. Земляное полотно возведе¬
но из суглинистого пылеватого грунта, характеризуемого
расчетным модулем упругости 31,5 МПа. Общий модуль
упругости запроектированной дорожной одежды —
215 МПа. Она включает покрытие из плотного горячего
мелкозернистого асфальтобетона толщиной 5 см; верх¬
ний слой основания из дегтебетона на дегтеполимерном
вяжущем (деготь с добавкой поливинилхлорида) толщи¬
ной 10 см; промежуточный слой основания из гранитного
щебня с расклинцовкой доменным шлаковым щебнем
толщиной 18 см (поверх этого слоя перед укладкой дег-
теполимербетона предусмотрен розлив дегтя с расходом
0,8 л/м2); нижний слой основания из доменного шлака
фракции 0—70 мм толщиной 20 см. Таким образом, из
общей толщины дорожной одежды 53 см все слои, кроме
покрытия толщиной 5 см, выполнены с применением по¬
бочных продуктов промышленности: дегтя, шлакового
щебня, отвального шлака.Зарубежный опыт подтверждает целесообразность
применения в нижних слоях оснований побочных про¬
дуктов промышленности. Так, в Нидерландах при строи¬
тельстве дорожных одежд под движение большегрузных158
транспортных средств с осевой нагрузкой 450 кН на
подъездных дорогах к крупным промышленным пред¬
приятиям хорошо себя зарекомендовала такая конструк¬
ция дорожной одежды; асфальтобетонное покрытие —
5 см; три слоя асфальтобетонного основания 6+8+8 см;
два слоя основания по 20 см из смеси, включающей 80 %
дробленого и 20 гранулированного доменного шлака с
добавкой 2 % негашеной извести и 10 частей воды; до¬
полнительное основание, состоящее из двух слоев —15	см песка и 10 дробленного доменного шлака. Общая
толщина дорожной одежды — 92 см, в том числе 50 из
металлургического шлака. При столь больших нагрузках
эффективно использовать также основания, укрепленные
цементом. Так, инженерным корпусом армии США ис¬
пытаны дорожные одежды для тяжелых нагрузок с ук¬
репленными цементом слоями толщиной 54—64 см с
прочностью укрепленного грунта или местного малопроч¬
ного каменного материала не менее 7 МПа.Местные каменные материалы, побочные продукты
промышленности и укрепленные грунты — источник по¬
вышения эффективности проектных решений дорожных
одежд. Пути их рационального применения при проек¬
тировании автомобильных дорог для большегрузных
транспортных средств должны определяться с учетом
рассмотренных принципов конструирования дорожных
одежд и накопленного опыта их службы.4.5.	ДОРОЖНЫЕ ОДЕЖДЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВОСОБО БОЛЬШОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИРазличают два основных типа транспортных средств
особо большой грузоподъемности: автомобили-самосва¬
лы и многоосные многоколесные транспортеры.Большегрузные карьерные автомобили-самосвалы ти¬
па БелАЗ грузоподъемностью до 200 т и более имеют 2—
3 оси, на каждой из которых расположено по два колеса
с одиночными или спаренными шинами. Давление возду¬
ха в шинах 0,5—0,7 МПа, а значения колесных нагрузок
могут достигать ШООкН и более при эквивалентном диа¬
метре отпечатка колеса до 2 м. Эти последние два пара¬
метра, а также специальные карьерные типы протекто¬
ров на шинах и обуславливают большую агрессивность
воздействия большегрузных автосамосвалов на дорож¬
ные одежды.Согласно рекомендациям Промтрансниипроекта, под
такие нагрузки, особенно при значительных объемах пе-159
ревозок, следует применять дорожные одежды капиталь¬
ного типа с усовершенствованными покрытиями. Это
могут быть, например, одно-двухслойные бетонные по¬
крытия толщиной 19—58 см. В качестве основного не¬
сущего слоя нежестких одежд с двухслойным асфальто¬
бетонным покрытием (4 + 5 см) следует использовать
двухслойные основания. Верхний слой основания — об¬
работанный битумом щебень (8 см) либо битумомине¬
ральная смесь (8—18 см), нижний слой — укатанный
щебень (15—2ч0 см), щебень или дробленый гравий, ук¬
репленный гранулированным доменным шлаком (24—
34 см), или щебень (дробленый гравий), укрепленный
5—6 % цеме«та (22—32 см) [1].Опыт проектирования дорожных одежд для движения
многоосных многоколесных и других специальных типов
транспортных средств показывает, что применение здесь
традиционных приемов конструирования часто ведет к
чрезмерному утолщению конструкций. Это объясняется
тем, что с точки зрения условий работы грунта земляного
полотна увеличение толщины дорожной одежды скажет¬
ся на двух обстоятельствах. Во-первых, напряжения в
грунте от каждого отдельно взятого колеса уменьшатся.
Но, с другой стороны, увеличится радиус влияния этих
колес (см. 3.2), т. е. возрастет площадь, с которой рядом
расположенные колеса оказывают существенное влия¬
ние на напряжение под рассматриваемым, а, следова¬
тельно, увеличится и число таких колес. В результате
может оказаться, что увеличение дополнительного влия¬
ния со стороны соседних колес будет превалировать над
уменьшением напряжений из-за утолщения дорожной
одежды. Процесс конструирования дорожной одежды в
данном случае должен носить итерационный характер,
поскольку каждой конструкции будет соответствовать
своя величина расчетной эквивалентной колесной нагруз¬
ки. Только таким путем здесь может быть найдена опти¬
мальная конструкция.Кроме того, у рассматриваемых типов транспортных
средств давление воздуха в шинах и, соответственно,
удельное давление на покрытие могут заметно отличать¬
ся от нормируемых и «привычных» /?р = 0,6 МПа для на¬
грузок группы А и рР=0,5 МПа для нагрузок группы Б.
Например, давление воздуха в шинах эксплуатируемых
сейчас прицепов-тяжеловозов серии ВНИИМСС, предна¬
значенных для перевозки крупногабаритных неделимых
грузов массой до 600 т, составляет 1 МПа, а в перспек¬
тивных транспортных средствах подобного типа это дав-160
ление за счет применения авиационных шин будет дове¬
дено до 1,5 МПа. В других случаях, наоборот, стремятся
понизить давление воздуха в шинах, как это сделано,
например, на тракторах К-700, Т-150К, двух- и трехосных
прицепах к ним.Влияние повышенного и пониженного, по сравнению с
нормируемым, удельного давления на покрытие на на¬
пряженно-деформированное состояние дорожной одежды
изучали путем численного анализа на ЭВМ по специаль¬
но разработанной программе. Установлено, что при ана¬
лизе воздействия нагрузки, удельное давление от которой
ниже расчетного для данной дорожной одежды, опреде¬
ляющим будет критерий сдвигоустойчивости в грунте
земляного полотна, а если это давление выше расчетного,
то главное внимание следует уделять растягивающим на¬
пряжениям в монолитных слоях.В каждом конкретном случае расчеты выполняли по
следующей схеме. Дорожная одежда, как слоистое упру¬
гое полупространство, рассчитывалась на действие на¬
грузки группы А с параметрами р=0,6 МПа, Q = 50 кн
(Q — главный вектор нагрузки). Затем, приложив к кон¬
струкции нагрузку с пониженным р<0,6 МПа или повы¬
шенным р>0,6 МПа удельным давлением, методом по¬
следовательных приближений подбирали такое новое
значение главного вектора Q0 (за счет постепенного уве¬
личения или уменьшения диаметра нагрузки), чтобы
расчетные напряжения Такт или аг были такими же, как
и в случае воздействия нагрузки группы А. Дорожные
одежды рассматривались как двухслойное упругое полу¬
пространство относительной толщины Я/D с относитель¬
ным модулем Е\\Е2.Некоторые результаты расчетов приведены в табл. 14.
Из представленных здесь данных следует, что измене¬
ние относительной толщины покрытия более существенно
влияет на напряженно-деформированное состояние по
сравнению с изменением относительного модуля. Напри¬
мер при /?о = 0,3 МПа изменение толщины покрытия в
2 раза от H/D= 1 до H/D = 2 при Е\/Е2 = 5 и фгр=18° де¬
лает возможным повышение максимально допустимой
нагрузки в 1,71/1,13=1,61 раза, а изменение относитель¬
ного модуля в 2 раза — от Ei/E2=10 до Е\/Е2 = 5 при
H/D= 1 позволяет повысить эту нагрузку в 1,71/1,44 =
= 1,19 раза. Следовательно, двукратное изменение тол¬
щины в данном случае в 1,61/1,19= 1,36 раза сильнее
сказывается на величине максимально допустимой на¬
грузки, чем такое же изменение относительного модуля.161
Из результатов расчетов, приведенных в табл. 14, сле¬
дует также, что из двух дорожных одежд, рассчитанных
на нагрузку групп А, Б либо категорий Н-10, Н-30, при
действии на них нагрузки с пониженным (по сравнению
с расчетным) удельным давлением более низкий уро¬
вень напряженно-деформированного состояния будет уТаблица 14. Изменение допускаемой нагрузки в зависимости от
давления на покрытие, его толщины и соотношения модулей упру¬
гостиЕх/ЕлH/D**Qo/QРо=0,3 МПаЯо=0,4 МПаРо =
0,7 МПаЛ>=
1,0 МПафгр==18°=38°^гр=18°фгр"“=38°0,15оооооооо0,030,040,25оооооооо0,280,1950,50оооооооо0,900,651,001,71оо1,311,601,000,881,501,201,361,131,131,001,002,001,131,201,131,131,001,000,15оооооооо0,100,100,25оооооооо0,540,320,50оооооооо0,900,77101,001,44оо1,221,401,001,001,501,201,281,131,131,001,002,001,131,131,041,131,001,000,15оооооооо0,330,190,25оооооооо0,800,470,50оооо1,71оо1,000,77201,001,36оо1,221,401,001,001,501,201,281,131,131,001,002,001,131,131,041,131,001,000,15оооооооо0,470,250,25оооооооо0,900,560,502,76оо1,60оо1,000,77301,001,36оо1,221,401,001,001,501,131,281,131,131,001,002,001,131,131,041,131,001,00Примем ание. Символ °° соответствует вариантам, для которых при
давлении на покрытие р =0,3 МПа или р =0,4 МПа допустимая нагрузка
Qo на колесо, вызывающая то же максимальное вертикальное напряжение
тяктна повеРхности земляного полотна, что и расчетная нагрузка Q при дав¬
лении р=0,6 МПа, может быть теоретически сколько угодно велика.той, которая характеризуется меньшей относительной
толщиной и меньшим относительным модулем. Это мож¬
но объяснить тем, что с уменьшением Н/D и Е\/Е2 пада¬
ет и распределяющая способность дорожной одежды, т. е.
напряжения и деформации все быстрее убывают по мере162
Удаления От места приложения вызвавшей их нагрузки.
В результате может случиться, что часть нагрузки, рас¬
положенная вдали от центра нагруженной площади, не
оказывает, как это показано на рис. 33, практически за¬
метного влияния, например, на максимальные напряже¬
ния Oz, формирующиеся именно под центром круга на¬
грузки. Следовательно, дальнейшее увеличение нагрузки
только за счет возрастания диаметра нагруженного кру¬
га, т. е. при постоянном удельном давлении на покры¬
тие, не отразится на величине максимальных напряже¬
ний а*.Рис. 33. Вертикальные нормаль¬
ные напряжения на поверхно¬
сти грунта земляного полотна
от действия нагрузки, распреде¬
ленной по кругу диаметром D\
(1) и по кольцу шириной
(D—Di)/2 (2).Ег?тПа	0<Р-18°аРис. 34. Конструкции дорож¬
ных одежд:а — многослойной; б — однослой¬
ной; 1, 2 — асфальтобетон мелко¬
зернистый плотный и крупнозерни¬
стый пористый; 3 — черный щебень
с расклинкой; 4 — щебень с рас¬
клинкой; 5 — мелкий ракушечник;
6 — суглинок, №=0,63 W^\ 7 — ря¬
довой щебень.На рис. 34 приведены схемы двух конструкций дорож¬
ных одежд, существенно отличающихся по капитально¬
сти. Вместе с тем, каждая из них рассчитана на нагруз¬
ку группы А. Определим, какую наибольшую колесную
нагрузку с удельным давлением на покрытие ро=0,3 МПа
можно допустить для каждой из конструкций. Первая
дорожная одежда (рис. 34, а) характеризуется пара¬
метрами Я/Z?»2, Еср/Егря£ 10. Из табл. 14 находим Q =
= 50• 1,13=56,5 кН. Аналогично для второй конструкции
(рис. 34, б) при H/D= 1 и ЕСр/Егр = 5 имеем Qo=50 • 1,71 =
=85,5 кН. Таким образом, в данном случае для менее
капитальной дорожной одежды допустима большая на¬
грузка с пониженным (по сравнению с расчетным)
удельным давлением на покрытие, чем для более капи¬
тальной.163
Проведенный анализ работы нежестких дорожных
одежд позволяет сделать следующий вывод: при кон¬
струировании дорожных одежд, предназначенных для
движения транспортных средств с пониженным давлени¬
ем воздуха в шинах, необходимо стремиться к тому, что¬
бы при соблюдении всех условий прочности толщина и
модули упругости слоев дорожной одежды были возмож¬
но наименьшими. При этом следует отдавать предпочте¬
ние уменьшению толщины дорожной одежды по сравне¬
нию с уменьшением модулей. Применительно к конструи¬
рованию дорожных одежд для движения многоосных
многоколесных транспортных средств применение отно¬
сительно тоцких и маложестких слоев дает еще один по¬
ложительный эффект, состоящий в том, что при этом
резко уменьшается число соседних колес, влияющих на
напряженно-деформированное состояние под рассматри¬
ваемым колесом, а значит, уменьшается и величина рас¬
четной эквивалентной колесной нагрузки.Для обеспечения сдвигоустойчивости грунта земляного
полотна слои дорожной одежды должны быть достаточно
жесткими. Однако слабым местом таких жестких и тон¬
ких слоев будет их трещиностойкость. Поэтому приме¬
нение асфальто- и дегтебетонов, щебеночных и гравий¬
ных материалов, обработанных органическими и неорга¬
ническими вяжущими, а также любых других материа¬
лов, конструктивные слои из которых подлежат провер¬
ке на прочность по растяжению при изгибе, здесь не ре¬
комендуется. Наиболее целесообразным представляется
устройство покрытий из щебеночных слоев толщиной до
15—20 см, укладываемых по способу заклинки. Верхняя
часть каждого щебеночного слоя должна быть закрепле¬
на, например, путем пропитки цементно-песчаной смесью
или расклинки активным доменным шлаком. Для обеспе¬
чения сдвигоустойчивости грунта земляного полотна пу¬
тем повышения модуля упругости слоев возможны и дру¬
гие меры, например, улучшение грунтов гранулометри¬
ческими добавками с последующей обработкой органи¬
ческими вяжущими, либо только обработка органически¬
ми вяжущими. Весьма эффективными могут оказаться
здесь также рассмотренные в 4.1 способы рационально¬
го распределения вяжущего по глубине конструкции.Комплексное применение этих мероприятий позволяет
конструировать сравнительно тонкие дорожные одежды
необходимой жесткости.В табл. 14 приведены результаты расчетов дорожных
одежд при удельном давлении на покрытие выше расчет-164
ного. Анализируя эти данные, можно заключить, что мак¬
симально допустимое значение главного вектора Q0 на¬
грузки с повышенным удельным давлением увеличива¬
ется с возрастанием толщины и модуля упругости слоя.
Вместе с тем, утолщение слоя сверх H/D = 0,5 при р0=
=0,7 МПа и сверх H/D= 1,0 при р0= 1 МПа практически
не отражается на максимально допустимом уровне Q0
по сравнению с расчетной нагрузкой группы А.Из табл. 14 следует, что при проектировании новых и
усилении существующих дорожных одежд, предназначен¬
ных для движения транспортных средств с повышенным
давлением воздуха в шинах, главное внимание следует
уделять толщине укладываемых слоев, а не их упругим
характеристикам. Более целесообразной представляется
укладка толстых слоев из менее жестких материалов,
чем применение слоев с повышенными модулями упруго¬
сти. Для иллюстрации этого положения рассмотрим кон¬
струкции, изображенные на рис. 35. Приводимые здесь
конструкции сильно отличаются по капитальности, но
каждая из них рассчитана на нагрузку группы А. Опре¬
делим, какую наибольшую колесную нагрузку с удель¬
ным давлением на покрытие ро=1 МПа может воспри¬
нять каждая из конструкций. Первая дорожная одежда
(рис. 35, а) характеризуется параметрами #i/D = 0,25,
£,i/£/o6iu = 20. Из табл. 14 находим Qo= 50*0,47 = 23,5 кН.
Аналогично для второй конструкции (рис. 35, б) при
Нi/D=0,5, Ei/E'o6ui=10 имеем Q0=50-0,77 = 38,5 кН. Та¬
ким образом и в данном примере менее капитальная до¬
рожная одежда может воспринимать большую нагрузку
по сравнению с более капитальной дорожной одеждой.
Это объясняется тем, что у дорожной одежды низкой
капитальности поверхность монолитного слоя, подлежа¬
щая расчету по растяжению при изгибе, «запрятана» глу¬
боко вниз, в более же капитальной дорожной одежде
она расположена близко к поверхности покрытия (обо¬
значено кружком).165
Таким образом, расчетные горизонты монолитных сло¬
ев дорожных одежд, по которым предусматривается экс¬
плуатация транспортных средств с повышенным давле¬
нием воздуха в шинах, целесообразно устраивать на воз¬
можно большей глубине. В основании таких дорожных
одежд рекомендуется применять грунты, либо местные
некондиционные каменные материалы, укрепленные ор¬
ганическими либо минеральными вяжущими, а поверх
монолитных слоев покрытия устраивать слой необходи¬
мой толщины из зернистого неукрепленного материала
(щебня, гравия) с пропиткой верхней части слоя вязким
битумом либо дегтем или с поверхностной обработкой.Важно отметить, что предлагаемые типы конструкций,
несмотря ца способность воспринимать значительные
нагрузки, могут характеризоваться относительно неболь¬
шой долговечностью. Поэтому в первую очередь их целе¬
сообразно применять, когда речь идет о выборе маршру¬
та, реконструкции существующей или строительстве но¬
вой дорожной одежды для разового пропуска сверхнор¬
мативной нагрузки.В последние годы в мировой практике дорожного
строительства все более широкое применение находят
геотекстильные материалы. Первоначально геотекстили
использовали для повышения устойчивости откосов и
увеличения несущей способности грунта земляного по¬
лотна, особенно, на слабых основаниях. Однако впослед¬
ствии область их применения была распространена и на
дорожные одежды, где они могут выполнять следующие
функции: разделяющей прослойки между слоем крупно¬
зернистого материала, уложенного поверх мелкодисперс¬
ного грунта (на границе щебень—грунтощебень, ще¬
бень—грунт и т. д.); фильтра, препятствующего выплес¬
кам материала основания через швы сборных железобе¬
тонных покрытии; дренирующей прослойки в основании
дорожной одежды; армирующей прослойки в асфальто¬
бетоне; армирующей прослойки в конструкции времен¬
ного проезда на слабом основании.Механизм влияния слоя геотекстиля на работу до¬
рожной одежды изучен недостаточно, но, вместе с тем,
установлено, что геотекстильные прослойки задержива¬
ют минеральные частицы при фильтрации воды, препят¬
ствуют их проникновению из слоя в слой, а также
предотвращают проникновение щебеночных и грунтовых
материалов в дренирующие и морозозащитные слои.Все большее распространение геотекстили получают
при реконструкции дорожных одежд. В этом случае по-166
верхность существующей дорожной одежды предвари¬
тельно очищают, а выбоины, проломы, просадки заделы¬
вают и выравнивают, после чего по поверхности разли¬
вают жидкий битум и немедленно укладывают геотек¬
стиль. Асфальтобетон укладывают обычным способом.
По данным Д. Лассаля (Франция), в подобной конструк¬
ции при толщине нового асфальтобетонного покрытия
5—6 см на 2—3 года замедляется выход на поверхность
трещин, отраженных от старого основания.Благоприятное влияние, оказываемое геотекстилями
на условия работы дорожной одежды, объясняется, глав¬
ным образом, их способностью предотвращать взаимо¬
проникание материалов смежных слоев конструкции, а
также фильтрующими свойствами. Что же касается ар¬
мирующих свойств геотекстилей, то на этот счет имеют¬
ся противоречивые данные. Объяснение этому следует
искать в том, что геотекстили характеризуются низкими
модулями упругости. Поэтому для включения их в рабо¬
ту конструкции в качестве арматуры необходимым усло¬
вием будет наличие больших деформаций. Армирующая
способность геотекстилей проявляется тем сильнее, чем
выше нагрузка и ниже несущая способность дорожной
одежды. Наибольший эффект достигается при обеспе¬
чении временного проезда на участках слабых грунтов,
когда слой геотекстиля укладывается непосредственно на
слабое основание, а поверх этого слоя отсыпается 20—
40 см песчаной либо гравийной смеси. Такие конструкции
(разработка Б. П. Брантмана, Союздорнии) хорошо за¬
рекомендовали себя на подъездах к нефтяным скважи¬
нам в Тюменской области.Опыт работы по проектированию и строительству до¬
рожных одежд для тяжелого и интенсивного движения
свидетельствует, что для них следует более широко ис¬
пользовать местные некондиционные материалы и про¬
мышленные отходы. При этом необходимы разработка
рациональных технологий предварительной обработки
этих материалов и устройства слоев и грамотных кон¬
структивных решений дорожной одежды, предусма¬
тривающих максимальное ослабление отрицательных
свойств используемых материалов и создание условий
для проявления их положительных качеств.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ1.	Дегтяренко В. Н. Автомобильные дороги и автомобильный тран¬
спорт промышленных предприятий.— М.: Высш. шк., 1981.— 261 с.2.	Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого ти¬
па: ВСН 46-83.—М., 1985.— 157 с.3.	Инструкция по расчету нежестких дорожных одежд для специ¬
ализированных тяжеловозных транспортных средств: ВСН 543-
87.—М., 1987.— 117 с.4.	Ковальчик Я. П., Супрун А. С. Воздействие тяжелого грузового
движения на дорожные одежды сельскохозяйственных дорог//
Автомоб. дороги.— 1982.— № 12.— С. 15—16.5.	Колтунов М. А. Ползучесть и релаксация.— М.: Высш. шк.,
1976.—278 с.6.	Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд/Под
ред. Н. Н. Иванова.— М.: Транспорт, 1973.— 328 с.7.	Корсунский М. Б. Определение напряжений и перемещений в ос¬
новании сооружения, создающего на грунт вертикальное равно¬
мерное давление по площади круга // Основания и фундаменты.—
1964.—№ 55.—С. 5—15.8.	Приварников А. К. Пространственная деформация многослойного
основания // Устойчивость и прочность элементов конструкций.—
Днепропетровск, 1973.— С. 27—45.9.	Приварников А. К. Радовский Б. С. Влияние вязкоупругих
свойств и инерционных сил на поведение дорожной одежды под
действием подвижной нагрузки // Изв. вузов. Сер. Стр-во и ар¬
хитектура.— 1980.— № 4.— С. 105—111.10.	Работное Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела.— М.:
Наука, 1988.—711 с.11.	Радовский Б. С. Экспериментальные исследования напряженно-
деформированного состояния покрытий автомобильных дорог как
слоистого вязкоупругого основания при подвижной нагрузке //
Прикл. механика.— 1980.— Т. 16, № 4.— С. 131—135.12.	шепери Р. А. Вязкоупругое поведение композиционных матери¬
алов//Механика композитов.— М.: Мир, 1978.— Т. 2.— С. 102—
195.13.	Daurats МLichtenstein Н., Marchand J.-P. Exemple D’un
d’utilisation de la methode rationelle de dimensionnement: le tran-
sfert d’un engin exceptionnel dans L’enceinte du Port autonome
de Marseille//Bulletin de liason des laboratoires des ponts et
chaussees— 1983 —No 125.—P. 68—75.
Производственное изданиеУченые Украины — народному хозяйствуРадовский Борис Самойлович, Супрун Анатолий Сергеевич,Козаков Иван ИвановичПроектирование дорожных одежддля движения большегрузных автомобилейХудожественный редактор О. В. Набока
Технический редактор К. Е. Ставрова
Корректор Я. Я. ЧигринаИБ № 2947Сдано в набор 19.07.88. Подписано в печать 19.01.89. БФ 04008. Формат 84Х
Х1087з2. Бумага типографская № 1. Гарнитура литературная. Печать высокая.
Уел. печ. л. 8,82. Уел. кр.-отт. 9,13. Уч.-изд, л. 9,78. Тираж 2800 экз. Заказ
№ 8—1608. Цена 70 к.Издательство «Будивэльнык». 252053 Киев, ул. Обсерваторная, 25.Киевская фабрика печатной рекламы им. XXVI съезда КПСС. 252067 Киев,
ул. Выборгская, 84.
ОГЛАВЛЕНИЕПредисловие	 3Глава 1. Определение напряженно-деформированного состо¬
яния дорожных одежд под действием подвижных нагрузок 51.1.	Закономерности поведения дорожных одежд при движе¬
нии транспортных средств	 71.2.	Расчетные характеристики материалов и грунтов ... 271.3.	Расчет прогибов и напряжений дорожных одежд от дей¬
ствия подвижной нагрузки	41Глава 2. Особенности расчета дорожных одежд для усло¬
вий движения большой интенсивности	492.1.	Определение прочности дорожно-строительных материа¬
лов при повторных нагрузках		 .	512.2.	Расчет необходимого коэффициента запаса т ^чности на
усталость дорожной одежды при интенсивном движении .	652.3.	Расчет покрытия на прочность при интенсивном движениис заданной надежностью по трещиностойкости .... 73Глава 3. Особенности расчета дорожных одежд для усло¬
вий движения большегрузных транспортных средств ... 803.1.	Критерии предельного состояния	823.2.	Определение расчетной нагрузки с учетом количества осейи колес транспортного средства	883.3.	Фактическая и расчетная интенсивность движения	933.4.	Пример определения параметров расчетной нагрузки	109Глава 4. Конструирование дорожных одежд для тяжелого
и интенсивного движения	1144.1.	Общие принципы конструирования дорожных одежд	1154.2.	Дорожные одежды с асфальтобетонными покрытиями	1324.3.	Дорожные одежды с цементобетонными покрытиями	1434.4.	Особенности применения местных материалов и отходов
промышленности в основаниях дорожных одежд	.	1524.5.	Дорожные одежды для транспортных средств особо боль¬
шой грузоподъемности	159Список использованной литературы	. .	168
УЧЕНЫЕУКРАИНЫНАРОДНОМУХОЗЯЙСТВУБ. С. Радовский
А. С. Супрун
И. И. КозаковПРОЕКТИРОВАНИЕДОРОЖНЫХОДЕЖДДЛЯ ДВИЖЕНИЯБОЛЬШЕГРУЗНЫХАВТОМОБИЛЕЙКИЁВ БУДИВЭЛЬНЫК 1989