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

Приложение Д
(справочное)

Пример
расчета на прочность и эксплуатационную надежность

Д.1 Пример расчета дорожной одежды переходного типа

Пример:

Требуется запроектировать дорожную одежду переходного типа на автомобильной дороге с низкой интенсивностью движения на подъезде к жилой застройке категории IVБ-п, устраиваемой в Вологодской области (II дорожно-климатическая зона). Коэффициент надежности дорожной одежды 0,82. Прогнозируемая на срок службы дорожной одежды среднесуточная интенсивность движения в весенний период года равна 300 авт./сут.

Состав движения следующий:

- легковые автомобили - 70 %;

- автомобили с полной массой менее 3,5 т - 5 %;

- автомобили с полной массой свыше 3,5 до 12 т - 16 %;

- автомобили с полной массой свыше 12 т, включая автобусы, - 8 %;

- седельные двухосные тягачи с полуприцепом - 1 %.

Конструкция дорожной одежды переходного типа согласно рисунку 1 стандарта представлена в таблице Д.1.

Таблица Д.1 - Конструкция дорожной одежды

Схема	Материалы слоев	Модуль деформации, МПа	Толщина, см
	1 - поверхностная обработка	-	В расчете не учитывается
	2 - щебень фракционированный с заклинкой фракционированным мелким щебнем	130	15
	3 - песок крупный	35	30
	4 - супесь легкая	15	-

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

Согласно 6.4 стандарта осевая статическая нагрузка Q = 100 кН, Р = 0,6 МПа, D = 33 см.

Определяем по формуле (3) стандарта величину интенсивности движения нормативной нагрузки N_р на последний год срока службы:

.

Коэффициент, учитывающий повторность воздействия и динамичность нагрузки K в соответствии с формулой (4) стандарта:

.

Требуемый модуль деформации дорожной одежды с учетом состава и интенсивности перспективного движения по формуле (2) стандарта:

.

Д.3 Расчет конструкции дорожной одежды по модулю деформации

Общий модуль деформации дорожной одежды по рисунку 8 стандарта:

- общий модуль деформации дорожной одежды на поверхности песка крупного:

;

;

- общий модуль деформации дорожной одежды на поверхности щебеночного слоя:

;

.

Е_д.общ = 43 МПа > 29,4 МПа на 32 %, поэтому следует уменьшить толщину слоев до минимально возможных толщин.

Для второй итерации расчета следующие толщины слоев: слой щебень фракционированный с заклинкой фракционированным мелким щебнем - 15 см; слой песок крупнозернистый - 15 см.

Определим общий модуль деформации дорожной одежды:

;

;

;

.

Е_д.общ = 34 МПа > 29,4 МПа, что больше на 13,5 %. При минимальной толщине щебеночного и песчаного слоя дальнейшая оптимизация (уменьшение толщины слоев) невозможна, осуществляется переход к проверке эксплуатационной надежности.

Конструкция дорожной одежды, определенная по условиям прочности (таблица Д.2), проверяется на эксплуатационную надежность.

Таблица Д.2 - Конструкция дорожной одежды по условиям прочности

Схема	Материалы слоев	Толщина, см
	1 - поверхностная обработка	В расчете не учитывается
	2 - щебень фракционированный с заклинкой фракционированным мелким щебнем	15
	2 - песок крупный	15
	4 - супесь легкая

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

Д.4 Проверка на колееобразование

Интенсивность движения различных типов автомобилей (N₀) на первый год эксплуатации дорожной одежды определяется по формуле:

:

1) легковых автомобилей:

;

2) автомобилей с полной массой менее 3,5 т:

;

3) автомобилей с полной массой свыше 3,5 до 12 т:

;

4) автомобилей с полной массой свыше 12 т, включая автобусы:

;

5) седельных двухосных тягачей с полуприцепом:

.

Интенсивность движения нормативной нагрузки N_р на первый год эксплуатации дорожной одежды N_po по формуле (8) стандарта:

.

Толщина истирания материала покрытия в полосе наката h_н по формуле (7) стандарта:

- при Т = 1: ;

- при Т = 2: ;

- при Т = 3: ;

- при Т = 4: ;

- при Т = 5: .

Вычислим значение общей толщины износа материала покрытия h_ср по формуле (9) стандарта:

- при T = 1: ;

- при T = 2: ;

- при T = 3: ;

- при T = 4: ;

- при T = 5: .

Остаточная деформация слоев дорожной одежды и грунта земляного полотна по формуле (6) стандарта:

.

Глубина колеи по формуле (5) стандарта:

:

- при Т = 1: h_k = S + h_н = 17 + 17 = 34 мм;

- при T = 2: h_k = S + h_н = 17 + 34 = 51 мм;

- при T = 3: h_k = S + h_н = 17 + 52 = 69 мм;

- при T = 4: h_k = S + h_н = 17 + 71 = 88 мм;

- при T = 5: h_k = S + h_н = 17 + 90 = 107 мм.

Толщины истирания материала покрытия в полосе наката, общей толщины износа покрытия, глубины колеи за годы эксплуатации рассчитываемой дорожной одежды (таблица Д.3, рисунок Д.1).

Таблица Д.3 - Изменение толщины истирания полосы наката, износа покрытия и глубины колеи в процессе эксплуатации дорожной одежды

Расчетные характеристики	Годы эксплуатации дорожной одежды
	1	2	3	4	5
Толщина истирания материала покрытия в полосе наката, мм	17	34	52	71	90
Общая толщина износа покрытия, мм	10	20	31	43	54
Глубина колеи, мм	34	51	69	88	107

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

Результаты расчета на колееобразование показывают (см. рисунок Д.2), что при отсутствии защитного слоя шероховатой поверхностной обработки глубина колеи уже в течение первого года службы превысит допустимое значение (согласно ГОСТ 33220 для дорог IV при 1-2 уровнях содержания - 30 мм). Поэтому согласно 5.1.3 стандарта логично в конструкции дорожной одежды был предусмотрен защитный слой одиночной шероховатой поверхностной обработки с двойным распределением щебня общей толщиной 30 мм.

Слой поверхностной обработки толщиной 30 мм не позволит образоваться колее, превышающей по глубине допустимое значение, в течение эксплуатации более 2 лет.

Для обеспечения межремонтного срока службы 5 лет по колееобразованию 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: предусмотреть в проектной документации конструкции дорожной одежды помимо защитного слоя дополнительно устройство слоя износа из щебня на толщину 30 мм (проектная толщина будет равна 15 + 3 = 18 см) для обеспечения поперечной ровности в процессе эксплуатации до следующего межремонтного срока;

- разновременные эксплуатационные расходы, а именно: устройство на 3-й год эксплуатации (2,4 года) и, при обосновании необходимости, на 5-й год (4,2 года) эксплуатации по профилированию покрытия нового защитного слоя поверхностной обработки толщиной 30 мм;

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

Сплошная линия - глубина колеи с учетом устройства поверхностной обработки после 2,4 года службы, пунктирная - без устройства поверхностной обработки после 2,4 года службы

Рисунок Д.2 - Изменение глубины колеи в процессе эксплуатации

Д.5 Проверка на износ

Износ щебеночного слоя покрытия при отсутствии защитного слоя шероховатой поверхностной обработки на конец межремонтного срока службы (5 лет) составит 54 мм (см. рисунок Д.3), то есть в этом случае толщина щебеночного покрытия будет равна 150 - 54 = 96 мм и конструкция не будет отвечать требованиям прочности по допустимым остаточным деформациям.

Сплошная линия - толщина слоя покрытия с устройством поверхностной обработки после 2,8 года службы, пунктирная - без устройства поверхностной обработки после 2,8 года службы

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

Для обеспечения межремонтного срока службы 5 лет по износу 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: предусмотреть в проектной документации конструкции дорожной одежды устройство помимо защитного слоя дополнительного слоя износа из щебня на толщину 20 мм (проектная толщина будет равна: 15 + 2 = 17 см) для обеспечения требований по условиям износа покрытия;

- разновременные эксплуатационные расходы, а именно: необходимо устроить после 3-го года службы защитный слой одиночной шероховатой поверхностной обработки с общей достаточной толщиной 20 мм, слой поверхностной обработки по условиям износа покрытия с толщиной 30 мм, и на 3-й год (2,8 года) службы вновь устроенный слой поверхностной обработки с достаточной толщиной 20 мм позволит сохранить проектную толщину щебеночного слоя до 4,7 года эксплуатации и тем самым практически обеспечить требования по износу покрытия;

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

Таким образом, для предотвращения колееобразования больше 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 колееобразования.

Д.6 Проверка на морозоустойчивость

Глубина промерзания грунта земляного полотна по формуле (12) стандарта:

:

.

Относительная деформация морозного пучения принята по результатам лабораторных работ по ГОСТ 28622 как средняя для супеси легкой.

Глубина промерзания определена по формуле (13) стандарта:

:

,

где Z_пр(ср) - средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая при помощи карт изолиний (рисунок 9 ПНСТ).

Толщина слоев из стабильных материалов (дорожная одежда по прочности + морозозащитный слой) для дорожной одежды переходного типа по формуле (14) стандарта:

:

.

Общая толщина слоев из стабильных материалов для конструкции дорожной одежды составляет: 15 + 15 = 30 см (таблица Д.2).

Толщина дополнительного морозозащитного слоя по формуле (15) стандарта будет равна: 40 - 30 = 10 см.

При этом целесообразно из технологических соображений два песчаных слоя выполнить из одного материала (песка крупного) толщиной слоя 25 см, тогда конструкция дорожной одежды, обеспечивающая условия морозоустойчивости, примет следующий вид (таблица Д.4).

Таблица Д.4 - Конструкция дорожной одежды после расчета на морозоустойчивость

Схема	Материалы слоев	Толщина, см
	1 - поверхностная обработка	В расчете не учитывается
	2 - щебень фракционированный с заклинкой фракционированным мелким щебнем	15
	3 - песок крупный	25
	4 - супесь легкая

Д.7 Проверка на осушение

Результаты расчета на осушение для конструкции дорожной одежды (таблица Д.4) показали следующее:

- полная толщина дренирующего слоя, работающего по принципу осушения, по формуле (31) стандарта 265 равна 21 см;

- полная толщина дренирующего слоя, работающего по принципу поглощения, по формуле (35) стандарта 265 равна 22 см.

Следовательно, проверка на осушение выполняется, толщина дренирующего слоя равна максимальному значению 22 см, что меньше толщины слоя из песка крупного, равной 25 см (см. таблицу Д.4).