Приложение Е (справочное). Пример расчета на прочность и эксплуатационную надежность

Приложение Е
(справочное)

Пример расчета на прочность и эксплуатационную надежность

Е.1 Пример расчета дорожной одежды переходного типа

Требуется запроектировать дорожную одежду переходного типа на автомобильной дороге с НИД на подъезде к коттеджному поселку категории IVБ-п, устраиваемой в дорожно-климатической зоне II, подзона 1. Ежегодный прирост интенсивности движения составляет 3 %. Коэффициент надежности дорожной одежды 0,82. Прогнозируемая, на срок службы дорожной одежды 12 лет (до ремонта), среднесуточная интенсивность движения в неблагоприятный (весенний) период года будет равна 300 авт./сут.

Состав движения, следующий:

- легковые автомобили - 227 авт./сут;

- двухосные грузовые автомобили - 52 авт./сут;

- трехосные грузовые автомобили - 16 авт./сут;

- четырехосные грузовые автомобили - 5 авт./сут.

Конструкция дорожной одежды переходного типа согласно рисунку А.1а) представлена в таблице Е.1.

Таблица Е.1 - Предлагаемая конструкция дорожной одежды

Схема	Материалы слоев	Модуль деформации, МПа	Толщина, см
	1 - защитный слой из одиночной шероховатой поверхностной обработки	-	3 (в расчете не учитывается)
	2 - щебеночно-гравийно-песчаная смесь, обработанная органическим вяжущим	130	10
	3 - крупный песок	35	30
	4 - легкий суглинок	13	-

Е.2 Расчет интенсивности движения нормативной нагрузки и требуемого модуля деформации для заданных конструкций

Согласно 6.2 Q = 100 кН, P = 0,6 МПа, D = 32,6 см.

Определяют по формуле (5) величину интенсивности движения нормативной нагрузки N _p на последний год срока службы:

.

Определяют коэффициент, учитывающий повторность воздействия нагрузки K в соответствии с формулой (4):

.

Определяют требуемый модуль деформации дорожной одежды с учетом состава и интенсивности перспективного движения по формуле (3):

.

Е.3 Расчет конструкции дорожной одежды по модулю деформации

Общий модуль деформации дорожной одежды по номограмме (см. рисунок 1):

- общий модуль деформации дорожной одежды на поверхности крупного песка:

;

;

- общий модуль деформации дорожной одежды на поверхности щебеночно-гравийно-песчаного слоя обработанного органическим вяжущим:

;

.

.

E _д.общ = 33,8 МПа > 28,7 МПа, что на 17,8 % больше, это не противоречит требованиям 6.4 настоящего стандарта.

Конструкцию дорожной одежды, определенную по условиям прочности (см. таблицу Е.1), проверяют на эксплуатационную надежность.

Проверку на эксплуатационную надежность выполняют по следующим условиям: колееобразования, износа покрытия, морозоустойчивости и осушения дорожной одежды.

Е.4 Проверка на колееобразование

Интенсивность движения различных типов автомобилей N ₀ на первый год эксплуатации дорожной одежды определяют по формуле

,

(Е.1)

где N _t - интенсивность движения на t-й год эксплуатации;

q ^t - показатель ежегодного роста интенсивности движения на t-й год эксплуатации.

а) для легковых автомобилей:

;

б) для двухосных грузовых автомобилей:

;

в) для трехосных грузовых автомобилей:

;

г) для четырехосных грузовых автомобилей:

.

Определяют интенсивность движения нормативной нагрузки N _p на первый год эксплуатации дорожной одежды N _p0 по формуле (9):

.

Определяют толщину истирания материала покрытия в полосе наката h _н по формуле (8):

,

- при T = 1:

h _н = 2,5(1,4  1 + 5  57((1,07  1,03) ¹ - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 4 мм;

- при T = 2:

h _н = 2,5(1,4  2 + 5  57((1,07  1,03) ² - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 9 мм;

- при T = 3:

h _н = 2,5(1,4  3 + 5  57((1,07  1,03) ³ - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 13 мм;

- при T = 4:

h _н = 2,5(1,4  4 + 5  57((1,07  1,03) ⁴ - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 17 мм;

- при T = 5:

h _н = 2,5(1,4  5 + 5  57((1,07  1,03) ⁵ - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 22 мм;

- при T = 6:

h _н = 2,5(1,4  6 + 5  57((1,07  1,03) ⁶ - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 27 мм;

- при T = 7:

h _н = 2,5(1,4  7 + 5  57((1,07  1,03) ⁷ - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 31 мм;

- при T = 8:

h _н = 2,5(1,4  8 + 5  57((1,07  1,03) ⁸ - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 36 мм;

- при T = 9:

h _н = 2,5(1,4  9 + 5  57((1,07  1,03) ⁹ - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 41 мм;

- при T = 10:

h _н = 2,5(1,4  10 + 5  57((1,07  1,03) ¹⁰ - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 47 мм;

- при T = 11:

h _н = 2,5(1,4  11 + 5  57((1,07  1,03) ¹¹ - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 52 мм;

- при T = 12:

h _н = 2,5(1,4  12 + 5  57((1,07  1,03) ¹² - 1)/1000  (1,07  1,03 - 1)) = 57 мм.

Вычисляют значение общей толщины износа материала покрытия h _ср по формуле (10):

- при T = 1: h _ср = kh _н = 0,6  4 = 3 мм;

- при T = 2: h _ср = kh _н = 0,6  9 = 5 мм;

- при T = 3: h _ср = kh _н = 0,6  13 = 8 мм;

- при T = 4: h _ср = kh _н = 0,6  17 = 10 мм;

- при T = 5: h _ср = kh _н = 0,6  22 = 13 мм;

- при T = 6: h _ср = kh _н = 0,6  27 = 16 мм;

- при T = 7: h _ср = kh _н = 0,6  31 = 19 мм;

- при T = 8: h _ср = kh _н = 0,6  36 = 22 мм;

- при T = 9: h _ср = kh _н = 0,6  41 = 25 мм;

- при T = 10: h _ср = kh _н = 0,6  47 = 28 мм;

- при T = 11: h _ср = kh _н = 0,6  52 = 31 мм;

- при T = 12: h _ср = kh _н = 0,6  57 = 34 мм.

Определяют остаточную деформацию слоев дорожной одежды и грунта земляного полотна S по формуле (7):

.

Определяют глубину колеи по формуле (6):

h _k = S + h _н,

- при T = 1: h _k = S + h _н = 16 + 4 = 20 мм;

- при T = 2: h _k = S + h _н = 16 + 9 = 25 мм;

- при T = 3: h _k = S + h _н = 16 + 13 = 29 мм;

- при T = 4: h _k = S + h _н = 16 + 17 = 33 мм;

- при T = 5: h _k = S + h _н = 16 + 22 = 38 мм;

- при T = 6: h _k = S + h _н = 16 + 27 = 43 мм;

- при T = 7: h _k = S + h _н = 16 + 31 =49 мм;

- при T = 8: h _k = S + h _н = 16 + 36 = 52 мм;

- при T = 9: h _k = S + h _н = 16 + 41 = 57 мм;

- при T = 10: h _k = S + h _н = 16 + 47 = 63 мм;

- при T = 11: h _k = S + h _н = 16 + 52 = 68 мм;

- при T = 12: h _k = S + h _н = 16 + 57 = 73 мм.

Толщина истирания материала покрытия в полосе наката, общая толщина износа покрытия, глубина колеи за годы эксплуатации рассчитываемой дорожной одежды приведены на рисунке Е.1 и в таблице Е.2.

- толщина истирания материала покрытия, мм;

- общая толщина износа материала покрытия, мм;

- глубина колеи, мм.

Рисунок Е.1 - Изменение толщины истирания полосы наката, износа покрытия и глубины колеи в процессе эксплуатации дорожной одежды

Таблица Е.2 - Изменение толщины истирания полосы наката, износа покрытия и глубины колеи в процессе эксплуатации дорожной одежды

Расчетные характеристики	Год эксплуатации дорожной одежды
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Толщина истирания материала покрытия в полосе наката, мм	4	9	13	17	22	27	31	36	41	47	52	57
Общая толщина износа покрытия, мм	3	5	8	10	13	16	19	22	25	28	31	34
Глубина колеи, мм	20	25	29	33	38	43	49	52	57	63	68	73

Результаты расчета на колееобразование показывают (см. рисунок Е.2), что при отсутствии защитного слоя шероховатой поверхностной обработки глубина колеи достигнет в течение трех лет службы предельных значений (согласно ГОСТ 33220 для дорог категории IV при первом и втором уровнях содержания - 30 мм). Поэтому, для защиты покрытия дорожной одежды, согласно 5.1.2 настоящего стандарта в конструкции дорожной одежды изначально был предусмотрен защитный слой одиночной шероховатой поверхностной обработки с одиночным распределением щебня общей толщиной 20 мм.

- сплошная линия - глубина колеи с учетом изначального устройства поверхностной обработки, мм;

пунктирная - без устройства поверхностной обработки после трех лет эксплуатации, мм;

- глубина колеи с учетом устройства поверхностной обработки после трех лет эксплуатации, мм

Рисунок Е.2 - Изменение глубины колеи дорожной одежды в процессе эксплуатации

Слой поверхностной обработки толщиной 20 мм не позволит образоваться колее, превышающей по глубине предельное значение, в течение эксплуатации менее семи лет.

Для обеспечения межремонтного срока службы на основе технико-экономического сравнения вариантов могут быть выбраны следующие проектные решения с учетом работ по содержанию в процессе эксплуатации:

- единовременные строительные затраты, а именно: в проектной документации конструкции дорожной одежды помимо защитного слоя дополнительно предусматривают устройство слоя износа на толщину 20 мм (проектная толщина будет равна 100 + 20 = 120 мм) для обеспечения поперечной ровности в процессе эксплуатации до следующего межремонтного срока (что и выполнено в настоящем примере);

- разновременные эксплуатационные расходы, а именно: устройство на седьмой год эксплуатации покрытия нового защитного слоя поверхностной обработки толщиной 20 мм;

- выполнение работ по содержанию в процессе эксплуатации [устранение колеи, досыпка щебня (при необходимости) и т.д.].

Е.5 Проверка на износ покрытия

Износ щебеночного слоя покрытия при отсутствии защитного слоя шероховатой поверхностной обработки на конец межремонтного срока службы (двенадцать лет) составит 34 мм (см. рисунок Е.3), то есть в этом случае толщина дорожного покрытия будет равна 120 - 34 = 86 мм, и конструкция не будет отвечать требованиям прочности по допустимым остаточным деформациям.

- сплошная линия - толщина слоя покрытия с учетом дополнительного слоя износа, мм;

пунктирная - без устройства поверхностной обработки после семи лет эксплуатации, мм;

- толщина слоя с устройством поверхностной обработкой после семи лет эксплуатации, мм

Рисунок Е.3 - Изменение толщины покрытия дорожной одежды в процессе эксплуатации

Для обеспечения межремонтного срока службы (двенадцати лет) на основе технико-экономического сравнения вариантов могут быть выбраны следующие проектные решения с учетом работ по содержанию в процессе эксплуатации:

- единовременные строительные затраты, а именно: в проектной документации конструкции дорожной одежды помимо защитного слоя дополнительно предусматривают устройство слоя износа на толщину 20 мм (проектная толщина будет равна: 100 + 20 = 120 мм) для обеспечения требований по условиям износа покрытия;

- разновременные эксплуатационные расходы, а именно: необходимо устроить после седьмого года службы защитный слой одиночной шероховатой поверхностной обработки с общей достаточной толщиной 20 мм, что позволит сохранить проектную толщину щебеночного слоя до двенадцатого года эксплуатации и тем самым обеспечить требования по износу покрытия;

- выполнение работ по содержанию в процессе эксплуатации [устранение колеи, досыпка щебня (при необходимости) и т.д.].

Таким образом, для предотвращения колееобразование более допустимого значения и износа слоя покрытия до значения, при котором снижается проектируемая прочность дорожной одежды, необходимо на основе технико-экономического сравнения выбрать эффективное проектное решение с учетом обеспечения эксплуатационной надежности. Определяющим критерием из двух вышеперечисленных будет условие колееобразование.

Е.6 Проверка на морозоустойчивость

Глубину промерзания грунта земляного полотна вычисляют по формуле (14):

.

Относительную деформацию морозного пучения принимают по ГОСТ 33063-2014 (таблица Г.2) для легкого суглинка.

Глубину промерзания определяют по формуле (15):

,

где Z _пр(ср) - средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая при помощи карт изолиний (см. приложение Д), равная 120 см.

Определяют толщину слоев из стабильных материалов (дорожная одежда по прочности + морозозащитный слой) для дорожной одежды переходного типа по формуле (13):

.

Общая толщина слоев из стабильных материалов для конструкции дорожной одежды составляет: 12 + 30 = 42 см (см. таблицу Е.2).

Толщина дополнительного морозозащитного слоя по формуле (16) будет равна:

.

При этом целесообразно из технологических соображений два песчаных слоя выполнить из одного материала (крупного песка) толщиной слоя 52 см (30 см + 22 см), тогда конструкция дорожной одежды, обеспечивающая условия морозоустойчивости, примет следующий вид (см. таблицу Е.3).

Таблица Е.3 - Конструкция дорожной одежды после расчета на морозоустойчивость

Схема	Материалы слоев	Толщина, см
	1 - защитный слой из одиночной шероховатой поверхностной обработки	3 (в расчете не учитывается)
	2 - щебеночно-гравийно-песчаная смесь, обработанная органическим вяжущим	12
	3 - крупный песок	52
	4 - легкий суглинок	-

Е.7 Проверка на осушение дорожной одежды

Результаты расчета на осушение для конструкции дорожной одежды (см. таблицу Е.4) показали следующее:

- полная толщина дренирующего слоя, работающего по принципу осушения, по формуле (1) [2] равна 24 см;

- полная толщина дренирующего слоя, работающего по принципу поглощения, по формуле (5) [2] равна 31 см.

Следовательно, проверка на осушение выполняется, толщина дренирующего слоя равна максимальному значению 31 см, что менее толщины слоя из крупного песка, равной 52 см (см. таблицу Е.3).