Оценка надежности материалов дорожной одежды. Расчет уровня надежности. Тип местности по условиям увлажнения

Исходные данные и результаты расчета приведены в таблицах 3.1, 3.2, 3.3

Предлагаемая конструкция

Исходные данные

Тип дорожной одежды- 1

Тип местности по условиям увлажнения- 2

Время непрерывной эксплуатации- 11,0 лет

Автоварьирование при расчёте- да

Дорожно-климатическая зона- 2

Категория дороги -3

Поправка к относительной влажности- 0

Тип расчетной нагрузки –автомобили А

Признак расчета на динамические нагрузки –да

Дорожно-климатическая подзона -1

            Таблица 3.1 Исходные данные

№	Код материала	Начальная толщина	Максимальная толщина	Шаг приращения толщины	Модуль упругости для расчета Е экв.	Сопротивление растяжению при изгибе	Угол внутреннего трения	Сцепление	Коэффициент сопряжения слоев
		см	см	см	МПа	МПа	град	МПа
1 2 3 4	3 10 50 52 204	5.0 7.0 22.0 30.0 0.0	5.0 7.0 22.0 30.0 0.0	0.0 0.0 0.0 0.0 0.0	2400 1400 200 120 75	2.400 1.6650 0.0000 0.0000 0.0000	0.0 0.0 40.0 40.0 40.0	0.2000 0.3000 0.0300 0.0060 0.0050	1.1 1.6 7.5 6.0 3.0

Слой N1 Щебневая мелкозернистая плотная горячая а/б смесь тип Б по

СТБ 1033-04

 Слой N2 Щебневая крупнозернистая пористая а/б смесь по

СТБ 1033-04

                              Таблица 3.2 Расчетные модули упругости асфальтобетонных смесей

№	Код материала	Для расчета Е экв.	Для расчета на изгиб в монолитном слое	Для расчета на сдвиг в монолитном слое	Для расчета на сдвиг в слоях основания
1 2	2 8	3200.0 2000.0	4500.0 3600.0	200.0 250.0	1000.0 1700.0

 Диаметр следа колеса – 37.00 см;

Коэффициент прочности – 0.94

Расчетная приведенная интенсивность движения – 142.0 ед/сут

Среднее давление колеса на покрытие – 0.60 МПа;

Требуемый модуль упругости – 206.00 МПа

            Таблица 3.3 Результаты расчета

Материал слоя		Толщина слоя	Общий модуль упругости
Код	Наименование
2	Щебневая мелкозернистая плотная горячая а/б смесь тип Б по СТБ 1033-04	5,0	230,90
8	Щебневая крупнозернистая пористая а/б смесь по СТБ 1033-04	7,0	180,57
50	Гравийно-песчаная смесь С5	10,0	122.70
52	Песок средней крупности	22,0	76.53
204	Супесь легкая крупная	,0	75.0

Толщина конструкции – 64.00 см

Надежность дорожной одежды на стадии проекта

Для оценки надежности дорожной одежды на стадии проекта необходимо вычислить частные уровни надежности по критериям прочности, а затем оценить общий уровень надежности.

Коэффициенты запаса по критериям прочности определяют следующим образом:

1) Коэффициент запаса по упругому прогибу:

К_Е = Е_Ф/Е_тр

(3.1)

 Где Е_Ф – фактический модуль упругости на покрытии дорожной одежды, принятый по расчету            (таблица 3.3);

Е_тр – требуемый модуль упругости (исходные данные).

К_Е = 210.1/206.00=1.0 > К_пр = 0.94

По номограмме (рисунок 1.6 [1]) находим уровень надежности, который составил 0.90

2) Коэффициент запаса по второму критерию прочности (сплошность монолитных слоев)

2.1) Расчет сопротивления  растяжению при изгибе асфальтобетонного покрытия:

1. Расчетная величина модуля упругости для слоев асфальтобетонного покрытия: Е1 = 2400МПа, Е2 = 1400 МПа (таблица 3.2)

2. Средний модуль упругости двухслойного асфальтобетона:

Еср = (Е1*h1 + Е2*h2)/(h1 + h2)                                                                                            (3.2)

Еср = (2400*5+1400*7)/(5+7)=1816.66 МПа

3. Растягивающее напряжение в асфальтобетоне:

Еср/Еобщ =1816.66/160.57=11.31

Где Еобщ – общий модуль упругости основания;

(h1 + h2)/D = (5 + 7)/37= 0.32

где hi – толщина i-го слоя (исходные данные);

D - диаметр следа колеса ( 37.0 см – исходные данные);

По номограмме (рисунок 7.9 [2]) находим σр = 1.4 МПа;

σр = p* σр                                                                                                                                (3.3)

где  σр – наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое;

       σр – растягивающее напряжение, определяемое по номограмме;

p – давление на покрытие от расчетного автомобиля (p = 0.6 МПа – исходные данные);

σр = 1.4*0.6=0.84 МПа

4. Допускаемое растягивающее напряжение для нижнего слоя асфальтобетонного покрытия:

Rдоп = R*(1-θ*υ_R)*Ку*Км

Где R – нормативное значение сопротивления растяжению при изгибе (таблица 3.1);

θ = 0.32 – коэффициент нормативного отклонения (ст.134 [2]);

υ_R = 0.1 – коэффициент вариации;

Ку – коэффициент усталости (Ку = 0.7 – по таблице 7.6 [2]);

Км – коэффициент снижения прочности от воздействия природных факторов, принимается для асфальтобетонов 3марок Км = 1;

Rдоп = 2.4*(1-1.32*0.1)*1.2*0.8=1,7МПа

5. Коэффициент прочности на растяжение при изгибе:

Кизг = Rдоп/ σр                                                                                                                      (3.4)

Кизг = 1.7/0.0.84=1.3>  К_пр =0.94

Так как Кизг >  К_пр, следовательно устойчивость на растяжение при изгибе обеспечена.

По номограмме (рисунок 1.7 [1]) находим уровень надежности, который составил 0.97

2.2) Расчет сопротивления  растяжению при изгибе промежуточного слоя дорожной одежды

1. Расчетное значение модуля упругости:

Ер = Ез =200МПа (таблица 3.1)

2. Средний модуль упругости верхних слоев:

Еср = 1817.6 МПа (таблица 3.1)

3. Растягивающее напряжение в слое:

Е1/Е2 = Еср/Ез = 1817.6/200=9.08

Е2/Е3 = Е3/Е³общ = 200/122.70=1.6

(h1 + h2 + h3)/D = 22/37=0.59

По номограмме (рисунок 7.9 [2]) находим σр = 0.11МПа

По формуле (3.3):

σр = 0.6*0.11=0.20 МПа

Допускаемое растягивающее напряжение для песка Rдоп = 0.25 МПа

По формуле (3.4):

Кизг = 0,25/0.20=1.24>  К_пр =0.94

Так как Кизг >  К_пр, следовательно устойчивость на растяжение при изгибе обеспечена.

По номограмме (рисунок 1.7 [1]) находим уровень надежности, который составил 0.93

3) Коэффициент запаса по третьему критерию прочности (сдвигоустойчивость слабосвязных  слоев и грунта)

3.1) Расчет сопротивления сдвигу в подстилающем грунте:

1. Средний модуль упругости  дорожной одежды:

Еср = (Е1*h1 + Е2*h2 + Е3*h3 + Е4*h4)/(h1 + h2 + h3 + h4)                                              (3.5)

Где Еi – модуль упругости i-го слоя;

hi – толщина i-го слоя;

Еср = (2400*5+1400*7+200*22+120*30)/64=465.6 МПа

2. Расчетное значение модуля упругости грунта:

Егр = 75.00

3. Напряжение сдвига от временной нагрузки:

Еср/Егр = 465.6/75=6.2

∑h/D = 64/37 = 1.72

φ = 40^о

По номограмме (рисунок 7.7 [2]) находим:

t = tн/p = 0.009

tн = 0.009*0.6=0.0054

4. Напряжение сдвига от массы одежды:

для hдо = 64  и φ гр = 40° по графику (рисунок 7.8 [2]) находим tв = - 0.0034

5. Суммарное напряжение сдвига в грунте:

Т = tн + tв

Т = 0.0054-0.0034=0.002

6. Расчетная величина сцепления в активной зоне:

Сгр = Сгр*(1 - θ*υ_с)                                                                                                                (3.7)

Где Сгр – сцепление (исходные данные);

υ_с = 0.15 -  коэффициент вариации сцепления;

Сгр = 0.003*(1-1.32*0.15)=0.002  

7. Допускаемое сдвигающее напряжение в грунте:

Тдоп = Сгр*К1*К2*К3                                                                                                     (3.8)

Где  К1 = 0.6 – коэффициент, учитывающий снижение сопротивления сдвигу;

К2 = 1.09 -коэффициент неоднородности условий работы дорожной одежды

(рисунок 7.6 2]);

К3 =  1.5  коэффициент, учитывающий особенности работы грунта в конструкции

(ст. 131 [2]);

Тдоп = 0.002*0.6*1.09*1.5=0.0021

8. Коэффициент прочности по сдвигу:

Ксдв = Тдоп/Т                                                                                                                         (3.9)

Ксдв = 0.0021/0.002=1.1>  К_пр =0.94

Напряжение сдвига в грунте не меньше допускаемого сдвигающего напряжения, т.е. устойчивость на сдвиг обеспечена.

По номограмме (рисунок 1.7 [1]) находим уровень надежности, который составил 0.70

Расчет сопротивления сдвигу в песчаном слое основания

1. Средний модуль упругости одежды, расположенной выше слоя песка:

Еср = (5*2400+7*1400+22*200)/34=1154.54 МПа

2. Напряжение сдвига от временной нагрузки:

Еср/Еобщ = 1454.54/122.70=11.80

∑h/D = 0.34

φ = 40^о

По номограмме (рисунок 7.7 [2]) находим:

t = tн/p = 0.004

tн = 0.004*0.6=0.024

3. Напряжение сдвига от массы одежды:

для hдо = 34 см и φ гр = 40° по графику (рисунок 7.8 [2]) находим tв =0.0023   

4. Суммарное напряжение сдвига в песчаном слое:

Т = tн + tв

Т = 0.024+0.002=0.026

1. Расчетная величина сцепления в активной зоне:

Сп = С4*(1 - θ*υ_с) 

(3.10)

Где Сгр – сцепление (исходные данные);

υ_с = 1.32 -  коэффициент вариации сцепления;

Сгр =0.02*(1 – 1.32*0.15) = 0.02

2. Допускаемое сдвигающее напряжениев песке:

Тдоп = Сгр*К1*К2*К3

Где  К1 = 0.6 – коэффициент, учитывающий снижение сопротивления сдвигу;

К2 =1.09 – коэффициент неоднородности условий работы дорожной одежды

(рисунок 7.6 2]);

К3 = 8.0 - коэффициент, учитывающий особенности работы грунта в конструкции

(ст. 131 [2]);

Тдоп =0.02*0.6*1.09*8= 0.023

3. Коэффициент прочности по сдвигу:

Ксдв = Тдоп/Т

Ксдв = 0.023/0.02 = 1.3> К_пр = 0.94

Напряжение сдвига в грунте больше допускаемого сдвигающего напряжения, т.е. устойчивость на сдвиг в песчаном слое обеспечена.

По номограмме (рисунок 1.7 [1]) находим уровень надежности, который составил 0.97

Определяем общий проектный модуль упругости:

Роб = ⁵√0.90*0.97*0.93*0.70*0.97=0.90

2. Оценка строительного уровня надежности

В результате испытания образцов материала покрытия получены следующие значения прочности:

прочность при 0 °С – 2.4 МПа;

прочность при +10 °С – 1.5 МПа;

прочность при -15 °С и скорости деформации 3 мм/мин – 2.7 МПа;

прочность при -15 °С и скорости деформации 10 мм/мин – 3.2 МПа.

Вычисляем значение предельной структурной прочности по формуле:

Rс = R/((1 + 1.92*lg(R1/R2)                                                                                                  (3.11)

Где R1 и R2 – прочность на растяжение при -15 ^оС со скоростью 3 и 10 мм/мин соответственно;

R = (R1 + R2)/2

R = (2.7 + 3.2)/2 = 3.10 МПа

Rс = 3.10/((1 + 1.92* lg(2.7/3.2) = 3.40 МПа

По формуле вычисляем значение прочности на изгиб в расчетных условиях соответственно при 0 и +10 ^оС:

Ru(10) = (2.5*R¹⁰)/(0.431 + (R¹⁰/Rc))                                                                                   (3.12)

Ru(0) = (2.5*R⁰)/(0.431 + (R⁰/Rc))                                                                                        (3.13)

Ru(10) = (2.5*1.5)/(0.431 + (1.6/3.40)) =3.0 МПа

Ru(0) = (2.5*2.5)/(0.431 + (2.5/3.40)) =3.3 МПа

Находим максимальное значение модуля упругости:

Ес = 3.6*(16.3*Rc)^1.9                                                                                                                                       (3.14)

 

Ес = 3.6*(16.3*3.5)^1.9 =5037.19 МПа

Находим значения модуля упругости при температурах 0 и +10 ^оС соответственно:

lg(Е/Ес) = (lg(R/Rc))/m                                                                                                         (3.15)

где m– параметр, учитывающий структуру материала (для асфальтобетона m = 0.8)

Для 0 ^оС получим:

lg(Е/Ес) = (lg(2.2/2.82))/0.8 = -0.18

Е/Ес = 0.67

Е = 3838 МПа

Для 10 ^оС получим:

lg(Е/Ес) =  -0.20

Е/Ес = 0.36

Е = 2541 МПа

Определяем коэффициент запаса:

1. По модулю:

Кз = Еф/Епр                                                                                                                           (3.16)

Где Еф – полученный модуль при 10 ^оС;

Епр – проектный модуль (таблица 3.1);

Кз = 2541/2400 = 1.2

По номограмме (рисунок 1.7 [1]) находим уровень надежности, который составил 0.90

2. По прочности:

Кз = Rф/Rпр

Где Rф – фактическая прочность на изгиб;

Rпр – проектная прочность (таблица 3.1);

Кз = 3.2/2.4 = 1.2

По номограмме (рисунок 1.7 [1]) находим уровень надежности, который составил 0.90

Определяем общий строительный модуль упругости:

Роб = √0.90*0.90=0.90

Заключение: технологический уровень надежности равен проектному