Приложение Г (справочное). Пример расчета конструкции дорожной одежды капитального типа

Приложение Г
(справочное)

Пример
расчета конструкции дорожной одежды капитального типа

Г.1 Пример 1

Требуется запроектировать дорожную одежду капитального типа для участка автомобильной дороги IБ категории на участке перегона между транспортными развязками.

Г.1.1 Исходные данные:

ГАРАНТ:

Нумерация подпунктов приводится в соответствии с источником

а) область проектирования - Курская;

б) количество полос движения - 4 в обоих направлениях;

в) дорожно-климатическая зона - III₂;

г) тип местности по увлажнению - 2;

д) номер района проектирования, соответствующий количеству расчетных дней в году, - 3;

е) количество расчетных дней в году Т_рдг = 125;

ж) тип дорожной одежды - капитальный;

и) тип нормативной нагрузки А-11,5:

1) статическая нагрузка на колесо P = 57,5 кН;

2) давление на покрытие р = 0,8 МПа;

3) диаметр отпечатка при расчете на подвижную нагрузку D = 34 см;

к) заданный уровень надежности K_н = 0,98 (см. таблицу 10);

л) коэффициенты прочности (см. таблицу 11):

1) по допускаемому упругому прогибу  = 1,5;

2) по условию сдвигоустойчивости и на сопротивление при изгибе  = 1,1;

м) показатель изменения интенсивости движения q = 1,03;

н) срок службы дорожной одежды Т_сл = 24 года;

п) тип земляного полотна - насыпь;

р) грунт рабочего слоя земляного полотна - пылеватая супесь;

с) глубина промерзания грунта рабочего слоя - 1,0 м;

т) расстояние от низа дорожной одежды до уровня грунтовых вод - 2,8 м.

Состав движения на конец нормативного межремонтного срока проведения работ по капитальному ремонту (24-й год эксплуатации дороги) в обоих направлениях приведен в таблице Г.1.

Г.1.2 Расчет суммарного числа приложений расчетной нагрузки

Г.1.2.1 Расчет приведенной интенсивности движения выполнен в таблице Г.1. Коэффициенты приведения приняты в соответствии с таблицей 6 настоящего стандарта.

Таблица Г.1 - Фактическая и приведенная интенсивность движения

Схема	Наименование	Коэффициент приведения Ki	Интенсивность Ni, авт/сут	Приведенная интенсивность NiKi, авт/сут
	Легковые автомобили и фургоны	0,01	10500	105
	Двухосные грузовые автомобили	0,6	1205	723
	Трехосные грузовые автомобили	2,49	200	498
	Четырехосные грузовые автомобили	3,62	200	724
	Четырехосные автопоезда	1,81	1000	1810
	Пятиосные автопоезда	2,15	500	1075
	Трехосные седельные автопоезда	2,39	500	1195
	Четырехосные седельные автопоезда	4,13	1000	4130
	Пятиосные седельные автопоезда (двухосный тягач)	6,48	200	1296
	Пятиосные седельные автопоезда (трехосный тягач)	4,70	500	2350
	Шестиосные седельные автопоезда	7,94	200	1588
	Автомобили с семью и более осями	8,47	300	2541
	Автобусы	0,75	300	225
Итого : 18260

Г.1.2.2 Приведенную интенсивность движения к воздействию расчетной нагрузки N_p на полосу движения на конец нормативного межремонтного срока проведения работ по капитальному ремонту Т_сл рассчитывают по формуле (3) настоящего стандарта

.

При четырех полосах в обоих направлениях f_пол = 0,45.

Суммарное число приложений приведенной расчетной нагрузки рассчитывают по формуле (6) настоящего стандарта

.

Г.1.3 Выбор типа асфальтобетона АБ ТР ТС для устройства слоев покрытия и верхнего слоя основания

По методике, представленной в приложении Д, определяют:

- суммарное число приложений приведенной расчетной нагрузки с учетом круглогодичного использования дороги (Т_годы = 365 сут).

;

- определяют коэффициент перехода к нагрузке 100 кН

;

- определяют суммарное число приложений приведенной расчетной нагрузки 100 кН за срок службы дорожной одежды

.

В соответствии с нормативными документами на асфальтобетонные смеси АБ TP ТС при  > 3 млн авт для устройства слоев покрытия и верхнего слоя основания следует выбрать смеси для дорог с тяжелыми условиями движения.

Г.1.4 Назначение конструкции дорожной одежды и ориентировочных толщин конструктивных слоев:

- ЩМА TP ТС ЩМА 16 на ПБВ 60 по ГОСТ Р 52056 - 5 см;

- АБ TP ТС А22 НТ на битумном вяжущем БНД 70/100 по ГОСТ 33133 - 9 см;

- АБ TP ТС А32 ОТ на битумном вяжущем БНД 70/100 по ГОСТ 33133 - 13 см;

- ЩПС, укрепленная цементом, М 40 - 12 см;

- щебень фракции свыше 31,5 до 63 мм из прочных изверженных пород М 1000, уложенный по способу заклинки, - 15 см;

- песок средней крупности с содержанием пылеватых и глинистых частиц 5 % - 64 см.

Г.1.5 Назначение расчетных характеристик конструктивных слоев дорожной одежды и грунта рабочего слоя

Расчетные характеристики конструктивных слоев дорожной одежды приведены в таблице Г.2.

Таблица Г.2 - Расчетные характеристики конструктивных слоев дорожной одежды

Материал слоя	Модуль упругости, МПа, для расчета			Расчетные характеристики при расчете усталостному разрушению от растяжения при изгибе
	по допускаемому упругому прогибу	по условию сдвигоустойчивости (при T = 20°) на подвижную нагрузку	по усталостному разрушению от растяжения при изгибе	сопротивление растяжению при изгибе R0, МПа	m
ЩМА TP ТС на ПБВ 60 по ГОСТ Р 52056	4600	2500	6200	9,8	5,5	5,2
АБ TP ТС А22 НТ на битумном вяжущем БНД 70/100 по ГОСТ 33133	3300	2250	4500	9,8	5,5	5,2
АБ TP ТС А32 ОТ на битумном вяжущем БНД 70/100 по ГОСТ 33133	2100	1250	2950	8	4,3	7,1
ЩПС, укрепленная цементом, М 40	600	600	600	0,42	-	-
Гранитный щебень фракции свыше 31,5 до 63 мм М 1000, уложенный по способу заклинки	350	350	350	-	-	-
Песок средней крупности	120	120	120	-	-	-

Расчетные характеристики грунта - пылеватой супеси определяют в зависимости от расчетной влажности по формуле (А.1, приложение А) при значениях:

- W_табл = 0,70 - среднемноголетнее значение относительной влажности (в долях от границы текучести) (таблица А.2, приложение А);

-  = 0,00 - поправка к W_табл для участков дороги, проходящих в насыпи, с рабочей отметкой не менее чем руководящая отметка для данного типа грунта и типа местности;

-  = 0,00 - поправка в равнинных районах местности;

-  = 0,03 - поправка при устройстве на остановочной полосе обочины покрытия из асфальтобетона таблица А.3, приложение А);

- V_r = 0,10 - коэффициент вариации;

- t = 2,19 - коэффициент нормированного отклонения при требуемом уровне надежности K_н = 0,98 (таблица А.4, приложение А);

-  = 0 - поправка на влияние суммарной толщины слоев дорожной одежды при W_табл < 0,75 (см. рисунок А.2, приложение А).

.

Модуль упругости грунта - пылеватой супеси определяют по таблице А.5 (приложение А) в зависимости от W_p = 0,817; Е_гр = 30,33 МПа.

Расчетные сдвиговые характеристики грунта определяют по таблице А.6 (приложение А), в зависимости от W_p = 0,817 и  = 18687183 авт:

.

Расчетные сдвиговые характеристики среднего песка определяют по таблице А.8 (приложение А) в зависимости от  = 18687183 авт:

.

Г.1.6 Результаты расчета дорожных одежд на прочность на кратковременное многократное действие подвижных нагрузок

Г.1.6.1 Расчет на прочность по допускаемому упругому прогибу

Расчет по допускаемому упругому прогибу выполняют в следующей последовательности:

- определяют минимальный требуемый модуль упругости по эмпирической формуле (10), при с = 3,20

;

- общий модуль упругости E_общ определяют по номограмме (см. рисунок 4), выполняя расчет снизу вверх.

Результаты расчета общего модуля упругости приведены в таблице Г.3 и на рисунке Г.1.

Таблица Г.3 - Результаты расчета общего модуля упругости

N слоя	Материал слоя дорожной одежды	Модуль упругости E, МПа	Толщина слоя h, см	h/D	Eобщ/Ei	Общий модуль упругости на поверхности слоев, МПа
1	ЩМА TP ТС на ПБВ 60 по ГОСТ Р 52056	4600	5	0,147	594,00/4600 = 0,129
2	АБ TP ТС А22 НТ на битумном вяжущем БНД 70/100 по ГОСТ 33133	3300	9	0,265	388,50/3300 = 0,117
3	АБ TP ТС А32 ОТ на битумном вяжущем БНД 70/100 по ГОСТ 33133	2100	13	0,382	207,00/2100 = 0,098
4	ЩПС, укрепленная цементом, М 40	600	12	0,353	140,00/600 = 0,233
5	Гранитный щебень фракции 31,5-63 мм М 1000, уложенный по способу заклинки	350	15	0,441	85,80/350 = 0,245
6	Песок средней крупности	120	64	1,882	30,33/120 = 0,253
-	Пылеватая супесь	30,33	-	-	-	Eгр = 30,33

Рисунок Г.1 - Схема конструкции дорожной одежды и результаты расчета по допускаемому упругому прогибу

- определяют коэффициент прочности:

.

Прочность по допускаемому упругому прогибу обеспечена.

Г.1.6.2 Расчет по условию сдвигоустойчивости в подстилающем грунте

Расчетная схема конструкции приведена на рисунке Г.2.

Рисунок Г.2 - Схема конструкции дорожной одежды для расчета по условию сдвигоустойчивости на подвижную нагрузку в грунте

Расчет выполняют в следующей последовательности:

- определяют средневзвешенный модуль упругости по формуле (16) настоящего стандарта

;

- по отношениям E_ср/Е_гр = 585,85/30,33 = 19,31;  = 118/34 = 3,47 и  = 11,33° с использованием номограммы (см. рисунок 5) находят активное удельное напряжение сдвига от единичной нагрузки (р = 1 МПа)  = 0,0050 МПа.

Активное напряжение сдвига определяют по формуле (14) при р = 0,8 МПа

;

- предельное напряжение сдвига Т_пр определяют по формуле (13) при k_д = 1

;

- определяют коэффициент прочности

.

Прочность по сдвигу в грунте обеспечена.

Г.1.6.3 Расчет по условию сдвигоустойчивости в песчаном основании

Расчет выполняют в следующей последовательности:

- определяют средневзвешенный модуль упругости без учета слоя песка по формуле (16) настоящего стандарта

;

- по отношениям при E_ср/ = 1137,96/85,80 = 13,26,  = 54/34 = 1,59 и  = 26° с использованием номограммы (см. рисунок 6) находят активное удельное напряжение сдвига от единичной нагрузки  = 0,01259 МПа.

Активное напряжение сдвига определяют по формуле (14) при р = 0,8 МПа

;

- предельное напряжение сдвига определяют по формуле (13):

;

- определяют коэффициент прочности

.

Прочность по сдвигу в песке обеспечена.

Г.1.6.4 Расчет монолитного слоя основания (асфальтобетона) по усталостному разрушению от растяжения при изгибе

Расчетная схема конструкции дорожной одежды приведена на рисунке Г.3.

Рисунок Г.3 - Схема конструкции дорожной одежды для расчета слоев асфальтобетона по усталостному разрушению от растяжения при изгибе

Расчет выполняют в следующей последовательности:

- определяют средневзвешенный модуль упругости по формуле (16) настоящего стандарта

;

- по отношениям E_ср/ = 4068,52/207,00 = 19,65 и  = 27/34 = 0,79 с использованием номограммы (см. рисунок 9) находят напряжения от единичной нагрузки  = 0,925 МПа.

Наибольшие растягивающие напряжения определяют по формуле (20) при р = 0,8 МПа

;

- предельное напряжение на растяжение при изгибе с учетом усталостных явлений R_N в нижнем слое асфальтобетона определяют по формуле (18) при коэффициенте k₁, определяемом при параметрах:  = 7,1, m = 4,3 (таблица Б.5, приложение Б) по формуле (19) настоящего стандарта

.

;

- определяют коэффициент прочности

.

Прочность по усталостному разрушению от растяжения при изгибе обеспечена.

Г.1.6.5 Расчет монолитного слоя основания (укрепленного) по усталостному разрушению от растяжения при изгибе

Расчетные модули упругости слоев из материалов, содержащих органическое вяжущее, принимают при температуре 20 °С, соответствующей расчету дорожной одежды по критерию сдвигоустойчивости.

Расчет выполняют для слоя в следующей последовательности:

- определяют средневзвешенный модуль упругости слоев из асфальтобетона при температуре 20 °С по формуле (16) настоящего стандарта

;

- по номограмме (см. рисунок 10) по отношениям Е_ср/Е₄ = 1814,81/600 = 3,02 (цифра на кривой), E₄/ = 600/140,00 = 4,29 (цифра на луче) и  = 39/34 = 1,15 (абсцисса) вычисляют растягивающее напряжение при изгибе от единичной нагрузки  = 0,22 МПа.

Откуда

;

- рассчитывают предельное напряжение на растяжение при изгибе с учетом усталостных явлений материалов по формуле (22) настоящего стандарта

,

где  = 0,42 МПа - предельное напряжение на растяжение при изгибе (таблица Б.1, приложение Б);

- коэффициент усталости, учитывающий снижение прочности материалов, укрепленных неорганическими и комплексными вяжущими, при многократном приложении нагрузки, определяемый по формуле (23) настоящего стандарта

;

- определяют коэффициент прочности

.

Прочность по усталостному разрушению от разрушения при изгибе в монолитном слое основания обеспечена.

Вывод: конструкция дорожной одежды удовлетворяет всем критериям прочности.

Г.1.7 Расчет дорожной одежды на морозоустойчивость

Требуемую по критерию морозоустойчивости толщину дорожной одежды определяют по номограмме (см. рисунок 12) в зависимости от группы грунта по степени пучинистости (таблица 16), глубины промерзания Z_пр и I_{пуч. ср} - величины морозного пучения при осредненных условиях, определяемой по формуле (25) настоящего стандарта

,

где  = 0,56 при  = 2,8 м (считая от низа дорожной одежды) - коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых вод (см. рисунок 12);

 = 1,0 при  = 0,98 - коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя (таблица 19) настоящего стандарта;

 = 1,10 - коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи, принимаемый для супеси пылеватой;

 = 1,05 при глубине промерзания дорожной конструкции z_пр = 1,38; см - коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое (см. рисунок 13);

 = 1,22 - коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта (таблица 20).

.

По номограмме (см. рисунок 11) определяют для грунта - супеси пылеватой IV группы по степени пучинистости при I_{пуч. ср} = 5,06 см и Z_пр = 138 см требуемую толщину дорожной одежды h_{д.о. треб} = 79,9 см.

Фактическая толщина дорожной одежды h_д.о = 118 см.

Вывод: морозоустойчивость дорожной одежды обеспечена.

Г.1.8 Расчет дренирующего слоя

Г.1.8.1 Исходные данные:

- ширина разделительной полосы а = 5,0 м;

- ширина проезжей части в одном направлении b = 7,5 м;

- ширина обочины с = 3,75 м;

- поперечный уклон низа дренирующего слоя i = 30 ;

- коэффициент заложения откосов земляного полотна;

- коэффициент фильтрации песка K_ф = 5 м/сут;

- коэффициент пористости песка n = 0,36;

- продольный уклон i = 20 .

Принимают конструктивное решение - устройство песчаного слоя на всю ширину земляного полотна (см. рисунок 15а).

Г.1.8.2 Расчет дренирующего слоя по способу осушения

Г.1.8.2.1 Определяют расчетную величину притока воды q_p в дренирующий слой на 1 м² по формуле (29) при значениях q = 3,0 л/м² (таблица 21), K_пик = 1,5 (таблица 22), K_г = 1,1 (таблица 22), K_вог = 1,0, K_p = 1,0 (таблица 23).

Г.1.8.2.2 Определяют длину пути фильтрации L на уровне половины толщины песчаного слоя при двухскатном поперечном профиле и заложении откосов 1:1,5 по следующей формуле:

,

где а - ширина разделительной полосы, м;

b - ширина проезжей части в одном направлении, м;

с - ширина обочины, м;

d - длина дренирующего слоя, расположенная в откосной части земляного полотна, равная сумме толщин дорожной одежды до уровня середины дренируемого слоя, умноженной на заложение откосов:

;

.

Г.1.8.2.3 По номограмме (см. рисунок 19) определяют h_нас - толщину слоя, полностью насыщенного водой при значении погонного удельного притока воды в дорожную конструкцию

.

При поперечном уклоне корыта 30  и абсциссе /K_ф = 0,0371/5 = 0,0074 ордината номограммы (см. рисунок 19) 3,5 h_нac/L = 0,09 м.

Вычисляют значение h_нас

.

Г.1.8.2.4 Вычисляют полную толщину дренируемого слоя (формула 31)

.

Г.1.8.3 Расчет дренирующего слоя по способу поглощения

Полную толщину дренирующего слоя, работающего по принципу поглощения, рассчитывают при расчетном притоке воды в дренирующий слой за весь расчетный период Q = 40 л/м² по формуле (35) настоящего стандарта

.

Окончательно принимают толщину дренируемого слоя, равную 64 см.

Вывод: принятая конструкция дорожной одежды удовлетворяет всем критериям прочности, морозоустойчивости и осушения.

Г.2 Пример 2

Требуется запроектировать дорожную одежду для участков торможения (остановок, пересечений с дорогами V категории на одном уровне и съездов транспортных развязок) на автомобильной дороге категории IБ по данным примера 1.

Г.2.1 Исходные данные

Исходные данные - по примеру 1.

Расчет на кратковременное многократное действие подвижных нагрузок аналогичен примеру 1.

Дополнительно, согласно 10.1.6, дорожную одежду на остановках и остановочных полосах, расположенных на обочинах, перекрестках, на съездах транспортных развязок и подходах к пересечениям с железнодорожными путями, проверяют на однократное нагружение длительностью не менее 10 мин (статическую нагрузку).

Расчет выполняют на нормативную нагрузку А-11,5. Параметры расчетной нагрузки при однократном нагружении (см. таблицу 3):

Статическая нагрузка на колесо P = 57,5 кН, давление на покрытие р = 0,8 МПа, диаметр при статическом приложении нагрузки D_ст = 30 см.

Расчетные характеристики грунта при  = 1 и W_p = 0,817:

.

Расчетные характеристики песка при  = 1:

.

Г.2.2 Принятая конструкция дорожной одежды:

- ЩМА TP ТС ЩМА 16 на ПБВ 60 по ГОСТ Р 52056 - 5 см;

- АБ TP ТС А22 НТ на битумном вяжущем БНД 70/100 по ГОСТ 33133 - 9 см;

- АБ TP ТС А32 ОТ на битумном вяжущем БНД 70/100 по ГОСТ 33133 - 13 см;

- ЩПС, укрепленная цементом, М 40 - 12 см;

- щебень фракции свыше 31,5 до 63 мм из прочных изверженных пород М 1000, уложенный по способу заклинки, - 15 см;

- песок средней крупности с содержанием пылеватых и глинистых частиц 5 % - 64 см.

Г.2.3 Расчет конструкции дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости на статическую нагрузку в грунте

Модули упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, при статическом действии нагрузки во II ДКЗ принимают при температуре 20 °С по таблице Б.6 (рисунок Г.4)

Рисунок Г.4 - Схема конструкции дорожной одежды при расчете по условию сдвигоустойчивости на статическую нагрузку в грунт

Расчет выполняют в следующей последовательности:

- определяют средневзвешенный модуль упругости по формуле (16) настоящего стандарта

;

- по отношениям Е_ср/Е_гр = 265,93/30,33 = 8,77,  = 118/30 = 3,93 и  = 34° по номограмме (рисунок 5) определяют активное удельное напряжение сдвига от единичной нагрузки  = 0,0030 МПа.

Определяют активное напряжение сдвига по формуле (14) настоящего стандарта

;

- предельное напряжение сдвига определяют по формуле (13) при k_д = 1, с_ст = 0,00996 МПа, Z =  = 118 см,  = 0,002 кг/см³,  = 34°:

;

- определяют коэффициент прочности:

.

Поскольку полученный коэффициент прочности больше  = 1,00, условие прочности по сдвигу на статическую нагрузку в грунте выполняется.

Г.2.4 Расчет конструкции дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости на статическую нагрузку в песчаном основании

Расчет выполняют в следующей последовательности:

- определяют средний модуль упругости на поверхности песка:

;

- по отношениям Е_ср/ = 438,9/87,09 = 5,03,  = 54/30 = 1,80 и  = 33°;

с использованием номограммы (см. рисунок 6) определяют активное удельное напряжение сдвига от единичной нагрузки  = 0,0138 МПа.

Определяют активное напряжение сдвига по формуле (14):

МПа;

- предельное напряжение сдвига определяют по формуле (13) при k_д = 2, с_ст = 0,005 МПа, Z =  = 54 см,  = 0,002 кг/см³,  = 33°:

;

- определяют коэффициент прочности:

.

Поскольку полученный коэффициент прочности больше  = 1,00, условие прочности по сдвигу на статическую нагрузку в песке выполняется.

Вывод: конструкция дорожной одежды на участках торможения дополнительно удовлетворяет критериям прочности по условию сдвигоустойчивости в грунте и песчаном основании при статической нагрузке.