Прочность дорожных одежд

       

      1 Прочность дорожных  одежд

 

       Дорожная  одежда является одним из важнейших  составных элементов автомобильной  дороги. Затраты на её устройство в  ряде случаев достигают 60…70 % от общей  стоимости строительства, а состояние  дорожной одежды в значительной степени  влияет на скорость и безопасность движения.

       Необходимо  учесть, что дорожная одежда большей  части автомобильных дорог рассчитана на осевую нагрузку 6 т, автомобильные  магистрали имеют в лучшем случае прочность дорожной одежды, соответствующую 10 т на ось. В 1990 – 1997 гг. из-за сложного экономического положения в стране средств на финансирование ремонта  и содержания существующих автомобильных  дорог выделялось недостаточно, работы по новому строительству и реконструкции  практически отсутствовали, в то время как выпускаемые и поставляемые в Россию грузовые автомобили имеют  осевую нагрузку порядка 14 т (МАЗ, Scania, MAN). В настоящее время при проектировании и строительстве автомобильных дорог максимальная расчётная нагрузка согласно СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» составляет 11,5 т.

       Под прочностью дорожной одежды понимают способность сопротивляться процессу развития остаточных деформаций и разрушений под воздействием касательных и  нормальных напряжений, возникающих  в конструктивных слоях и подстилающем грунте от расчетной нагрузки (кратковременной, многократной или длительно действующей  однократной), приложенной к поверхности  покрытия.

       Методика  оценки прочности конструкции включает в себя как оценку прочности конструкции  в целом (с использованием эмпирической зависимости допускаемого упругого прогиба от количества приложений нагрузки), так и оценку прочности с учетом напряжений, возникающих в отдельных  конструктивных слоях и устанавливаемых  с использованием решений теории упругости.

       Реконструкцию дорожной одежды следует проектировать с  требуемым уровнем надежности, под  которой понимают вероятность безотказной  работы в течение межремонтного  периода. Отказ конструкции по прочности  физически может характеризоваться  образованием продольной и поперечной неровностей поверхности дорожной одежды, связанных с прочностью конструкции (поперечные неровности, колея, усталостные  трещины), последующим развитием  других видов деформаций и разрушений (частых трещин, сетки трещин, выбоин, просадок, проломов и т.д.). Номенклатура дефектов и методика их количественной оценки определяются специальными нормами, используемыми при эксплуатации дорог.

       В качестве количественного показателя отказа дорожной одежды как элемента инженерного сооружения линейного  характера используют предельный коэффициент  разрушения , представляющий собой отношение суммарной протяженности (или суммарной площади) участков дороги, требующих ремонта из-за недостаточной прочности дорожной одежды, к общей протяженности (или общей площади) дороги между корреспондирующими пунктами.

         Прочность конструкции количественно  оценивается величиной коэффициента  прочности. При оценке прочности  конструкции в целом по допускаемому  упругому прогибу коэффициент  прочности в общем виде определяют  по формуле

        .                                        (1.1) 

       При оценке прочности конструкции по слоям по допускаемым напряжениям  коэффициент прочности определяют по формуле 

        ,                                                 (1.2) 

где l_доп - допустимый общий прогиб конструкции под расчетной нагрузкой;

   l - расчетный общий прогиб конструкции под расчетной нагрузкой;

     -   расчетные действующие напряжения (нормальные или касательные) от расчетной нагрузки;

     - допустимые напряжения (нормальные  или касательные) от расчетной  нагрузки;

     -  требуемый общий модуль упругости конструкции, определяемый при расчетной нагрузке;

   Е_об -    расчетный общий модуль упругости конструкции, определяемый при расчетной нагрузке.

       Коэффициент прочности реконструируемой конструкции  должен быть таким, чтобы в заданный межремонтный период не наступил отказ  по прочности с вероятностью более заданной, т.е. чтобы была обеспечена заданная (требуемая) надежность.

       Для обеспечения заданной надежности (обеспеченности по прочности) коэффициент прочности  реконструируемой конструкции по каждому  из расчетных критериев не должен быть ниже минимального требуемого значения.

       В задачу расчета входит определение  толщин слоев одежды в вариантах, намеченных при конструировании, или  выбор материалов с соответствующими деформационными и прочностными характеристиками при заданных толщинах слоев.

       Отказ дорожной одежды, связанный с недостаточной  ее прочностью, может возникнуть в  результате   усталостных разрушений монолитных слоев конструкции под воздействием растягивающих напряжений от многократного приложения транспортной нагрузки с последующей интенсивной потерей дорожной одеждой транспортно-эксплуатационных свойств до истечения заданного срока службы.

       В соответствии с этим расчет на прочность  в слоях выполняют на растяжение при изгибе в монолитных слоях.

       Расчет  прочности конструкции в целом, без рассмотрения механизма нарушения  прочности, ведут по допустимому  упругому прогибу (или требуемому общему модулю упругости).

       Дорожные  одежды на перегонах дорог рассчитывают на кратковременное многократное действие подвижных нагрузок. Принимаемые  значения параметров прочностных и  деформативных характеристик материалов и грунта в этом случае должны соответствовать указанному характеру приложения нагрузки.

       Одежды  на остановках, перекрестках дорог, подходах к пересечениям с железнодорожными путями и т. п. должны быть дополнительно  проверены на однократное нагружение при продолжительности нагружения не менее 10 мин.

       Одежды  на стоянках автомобилей и обочинах дорог следует рассчитывать на продолжительное нагружение (более 10 мин). Расчет ведется на единичное нагружение. В этом случае используются статические значения расчетных параметров и коэффициенты на повторность не вводятся. Расчет ведут по критериям сдвига в грунте и слабосвязанных материалах.

       При расчете конструкций со слоями из битумоминеральных материалов учитывают  влияние температуры на их свойства. При расчете слоев асфальтобетонного  покрытия на растяжение при изгибе его характеристики должны соответствовать  низким весенним температурам. При  расчете слоев из слабосвязных материалов на сопротивление сдвигу модуль упругости асфальтобетонного покрытия должен соответствовать весенним повышенным температурам.

       Требуемый уровень проектной надежности в  каждом конкретном случае должен быть указан при выдаче задания на проектирование.

       Для основных случаев проектирования значения требуемого коэффициента прочности  для различных критериев расчета  допускается принимать в зависимости  от заданного уровня надежности, типа дорожной одежды и категории дороги.

       Расчетные значения прочностных характеристик (прочность на растяжение при изгибе) конструктивных слоев определяют через  нормативные значения этих характеристик, используя зависимость  

        ,                                         (1.3) 

где М_р - расчетное значение прочностной характеристики;

     - нормативное значение этой  характеристики;

   t -    коэффициент нормированного отклонения М_р при допустимом уровне надежности;

   v_t -  коэффициент вариации характеристики.

       В качестве расчетных значений деформационных характеристик (модулей упругости) конструктивных слоев допускается  принимать их нормативные значения.   
 

       2 Защита дорог от влияния погодно-климатических факторов 

       Автомобильные дороги как транспортные сооружения работают при постоянном воздействии  погодно-климатических факторов.

       В зимний период на безопасность дорожного  движения оказывают большое влияние  снежные заносы, гололед, туман, низкая температура, короткая продолжительность  светлого времени суток. Безопасность дорожного движения в зимний период зависит от качества проведения работ  по содержанию дорог в надлежащем состоянии. В подавляющем большинстве  случаев из-за неполного удаления снега на отдельных участках дороги для зимнего периода наиболее характерны: потеря четкого очертания  земляного полотна, изменение размеров поперечного профиля проезжей части, сужение проезжей части.

       Сроки ликвидации зимней скользкости и  окончания снегоочистки для автомобильных  дорог, а также улиц и дорог  городов и других населенных пунктов  с учетом их транспортно-эксплуатационных характеристик приведены в ГОСТе Р 50597-93 "Автомобильные дороги и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения". Согласно этому нормативному документу:

       - На дорогах и улицах городов и других населенных пунктов снег с проезжей части следует убирать в лотки или на разделительную полосу и формировать в виде снежных валов с разрывами на ширину 2,0 - 2,5 м.

       - Формирование снежных валов не допускается:

       - на пересечениях всех дорог  и улиц в одном уровне и  вблизи железнодорожных переездов  в зоне треугольника видимости;

       - ближе 5 м от пешеходного перехода;

       - ближе 20 м от остановочного  пункта общественного транспорта;

       - на участках дорог, оборудованных  транспортными ограждениями или  повышенным бордюром;

       - на тротуарах. 

       - В городах и населенных пунктах уборку тротуаров и пешеходных дорожек следует осуществлять с учетом интенсивности движения пешеходов после окончания снегопада или метели в сроки, приведенные в ГОСТе.

       Осень и весна приносят так же немало забот. В осенний период характерны следующие явления:

       - Переувлажнения дорожной одежды;

       - Туманы и значительное количество осадков;

       - Загрязнение дорожного покрытия в связи с листопадом;

       - Утренние заморозки, кратковременный гололед (часто проявляется на хорошо продуваемых сооружениях – мостах, эстакадах, виадуках и др.).

       Весной  с начала снеготаяния на дорогах  много вешней воды. Вода ухудшает сцепление  шин с дорогой, в отдельных  случаях может возникнуть явление  «аквапланирование» и автомобиль станет неуправляемым. При движении по воде тормозные колодки смачиваются водой и теряют коэффициент трения, тормоза теряют свою эффективность. Весной так же возможны туманы.  В это время в связи с переувлажнением низа дорожной одежды снижается ее несущая способность, что требует ограничения движения тяжелых автомобилей.  
 Погодно-климатические условия включают в себя метеорологические явления и факторы, которые оказывают существенное влияние на: состояние дороги, автомобиля и водителя; взаимодействие автомобиля с дорогой; восприятие водителем дороги и окружающей обстановки; режим и безопасность движения транспортных потоков. К метеорологическим явлениям, создающим неблагоприятные условия движения, относятся высокая и низкая температуры воздуха, твердые, жидкие и смешанные осадки, метель, гололед, туман и ветер. Каждое метеорологическое явление характеризуется частотой или вероятностью появления, интенсивностью и продолжительностью. С увеличением интенсивности явления условия движения на дороге ухудшаются, снижается скорость движения, возникают заторы, растет число дорожно-транспортных происшествий.