4.2. Воздействие автомобильных нагрузок на дорожные одежды

В зависимости от дорожных условий (горизонтальные участки прямолинейные в плане, участки с продольным уклоном, участки на кривых в плане, участки на кривых в продольном профиле и др.), а также от режима движения (равномерное движение с постоянной скоростью, ускоренное или замедленное движение и др.) в процессе движения автомобиля по дороге на дорожную одежду действуют различные силы взаимодействия между колесами автомобиля и дорожной конструкцией.

К ним относятся силы, нормальные к поверхности проезжей части, и силы, касательные к поверхности проезжей части, которые, в свою очередь, подразделяют на силы, направленные вдоль траектории движения колес, или продольные, и силы, направленные перпендикулярно к траектории движения колес, или поперечные.

Нормальная сила давления колеса (от веса автомобиля), воздействующая на дорожную одежду, является основной расчетной нагрузкой для ее проектирования и расчета на прочность.

Механическая энергия от двигателя автомобиля через его трансмиссию передается на ведущие колеса в виде вращающего момента, который вызывает появление пары сил. Одна из них, окружная сила, приложенная в плоскости проезжей части к площадке контакта шины с покрытием, стремится сдвинуть его верхний слой в сторону, противоположную направлению движения автомобиля, а вторая - тяговое усилие - передается через ведущий мост и рессоры на раму автомобиля и вызывает его движение. Кроме того, в результате взаимодействия ведущих колес и покрытия в плоскости проезжей части в зоне контакта шины с покрытием возникает реактивная тангенциальная сила (касательная реакция), практически равная окружной силе (или тяговому усилию) и направленная в сторону движения автомобиля. Ее наибольшее возможное значение ограничено силой сцепления шины с покрытием, когда автомобиль может двигаться без скольжения (буксования) колес.

Напряжения, возникающие в дорожной одежде при проезде автомобиля от действия нормального и тангенциального усилий, затухают с глубиной (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Напряжения от колес автомобилей в многослойной дорожной одежде: а - эпюра вертикальных напряжений _z; б - эпюра горизонтальных напряжений_x; 1 - покрытие: 2 - основание; 3 - дополнительный слой основания; 4 - подстилающий грунт; 5 - напряжения в дорожной одежде; 6 - напряжения в однородном грунте

Воздействие автомобиля на дорожную одежду характеризуется нагрузкой, приходящейся на ось, удельным давлением в зоне контакта колеса автомобиля с покрытием, временем приложения нагрузки, частотой ее повторения и динамичностью приложения. Величина осевой нагрузки зависит от грузоподъемности автомобиля, количества осей и схемы их расположения. Время приложения нагрузки зависит от скорости движения автомобиля, а число приложений и интервал между ними непосредственно зависят от интенсивности движения и ее распределения по часам суток.

Указанные показатели автомобильных нагрузок определяют их воздействие на дорожную одежду, ее напряженно деформированное состояние, износ, работоспособность и срок службы.

В качестве расчетного используют наиболее тяжелый автомобиль из систематически обращающихся по дороге, доля которого составляет не менее 10 % с учетом перспективы изменения состава движения к концу межремонтного срока. Расчетной схемой нагружения дорожной одежды колесом автомобиля является гибкий круговой штамп диаметром D, передающий равномерно распределенную нагрузку величинойР. Величина расчетного удельного давления колеса на покрытиеРи расчетного диаметраDприведенного к кругу отпечатка расчетного колеса назначают с учетом параметров расчетных автомобилей. ВеличинуРпринимают равной давлению воздуха в шинах. Диаметр расчетного отпечатка шиныDопределяют из зависимости:

где                                                                                                         (4.16)

Q_расч- расчетная величина нагрузки, передаваемой колесом на поверхность покрытия, кН;

Р- давление, МПа.

При проектировании дорожных одежд в качестве расчетных принимают нагрузки, соответствующие предельным нагрузкам на ось расчетного двухосного автомобиля. Если в задании на проектирование расчетная нагрузка не оговорена специально, за расчетную принимают нагрузку, соответствующую расчетному автомобилю группы А. Порядок приведения изложен в п. 1.3. Данные о нагрузках, передаваемых на дорожное покрытие автомобилями, выпускаемыми серийно, принимают по специальным справочникам.

Исследования проф. В.Ф. Бабкова показали, что при движении транспортных средств по неровной поверхности давление колеса на покрытие то возрастает по сравнению со статическим, то убывает. Отношение напряжения (деформации), вызванного динамическим действием нагрузки, к напряжению (деформации), вызванному статическим действием той же нагрузки, называют коэффициентом динамичности нагрузки, или динамическим коэффициентом. Его зависимость от скорости для различных покрытий показана на рис. 4.9 и 4.10.

Рис. 4.9. Зависимость динамического коэффициента от скорости автомобиля на покрытии с неровной поверхностью (данные В.Ф. Бабкова)

Рис. 4.10. Зависимость динамического коэффициента (l_д/l_ст) от скорости автомобиля по дорогам с разными типами покрытия (данные В.Ф. Бабкова): 1 - асфальтобетонное покрытие; 2 - обработанное битумом щебеночное покрытие с неровной поверхностью; 3 - щебеночное покрытие с выбоинами; 4 - булыжная мостовая

Опыты показывают, что на ровном покрытии, содержащем органическое вяжущее, с повышением скорости автомобиля коэффициент динамичности по деформации не возрастает, а убывает, так как существенно проявляются реологические свойства покрытия и подстилающего грунта, вследствие чего деформации в них не успевают полностью произойти из-за кратковременного давления катящегося колеса при значительных скоростях. В этом случае фактор времени (скорости приложения нагрузки) эквивалентен влиянию уменьшения давления на одежду и грунтовое основание. Следует отметить, что приведенные данные нуждаются в корректировке и уточнении в связи с существенными изменениями систем подрессоривания и динамических свойств автомобилей.

Наряду с вертикальными нагрузками на покрытие воздействуют горизонтальные (тангенциальные) усилия. Они вызываются трением шины о покрытие при передаче тягового усилия и торможении автомобиля, ударами колес при наездах на неровности покрытия и трением о покрытие шины при неподвижном автомобиле. Наибольшего значения горизонтальное усилие F_maxдостигает при резком торможении автомобиля и хорошем сцеплении шины с покрытием. В этом случае

F_max=рт, где                                                                                                                  (4.17)

m- коэффициент, учитывающий режим движения автомобиля (изменяется от 1,1 до 1,4).

Напряжения в дорожной конструкции, обусловленные действием касательных усилий на покрытие, сравнительно быстро затухают по мере удаления от поверхности в глубину и наиболее опасны в пределах верхних слоев. Поэтому касательные усилия учитывают лишь при оценке прочности и сдвигоустойчивости самого покрытия.

Расчет дорожных одежд на перегонных участках ведут на кратковременное (динамическое) и многократное действие подвижной нагрузки. Продолжительность действия нагрузки для средних условий современных скоростей автомобиля и размеров отпечатка колеса принимают равной 0,1 с. В этом случае значения модуля упругости и прочностных характеристик материалов и грунта также соответствуют длительности действия нагрузки 0,1 с.

На пересечениях в одном уровне с автомобильными и железными дорогами и на автобусных остановках расчет дорожной одежды осуществляют как на кратковременное многократное, так и длительное (статическое) однократное нагружение. На стоянках дорожную одежду рассчитывают на длительное однократное нагружение.

В случае длительного действия нагрузки в расчет принимают значения модулей упругости материалов и грунтов и их прочностные характеристики, соответствующие продолжительности нагружения более 10 мин.

Суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки в точке на поверхности конструкции за срок службы определяют по формуле

(4.18)

или по формуле:

где                                                                                        (4.19)

f_noл- коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним, определяемый по табл. 4.6;

п- число марок автомобилей;

N_1m- суточная интенсивность движения автомобилейm-й марки в первый год службы (в обоих направлениях), авт./сут;

N_p- приведенная интенсивность на последний год срока службы, авт./сут;

S_mсум- суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средстваm-й марки к расчетной нагрузкеQ_расч[72];

k_п- коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (табл. 4.7);

Т_рдг- расчетное число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции (определяемое по табл. 4.8);

Таблица 4.6

Примечание. Порядковый номер полосы считается справа по ходу движения в одном направлении. Для расчета обочин принимают f_noл = 0,01.

Таблица 4.7

Таблица 4.8

Рекомендуемые значения Т_рдгв зависимости от местоположения дороги

Примечания: 1. Расчетным считается день, в течение которого сочетание состояния грунта земляного полотна по влажности и температуре асфальтобетонных слоев конструкции обеспечивают возможность накопления остаточной деформации в грунте земляного полотна или малосвязных слоях дорожной одежды. 2. Значения величины Т_рдг на границах районов следует принимать по наибольшему из значений.

К_с- коэффициент суммирования (табл. 4.9) определяют по формуле:

где                                                                                                                    (4.20)

Т_сл- расчетный срок службы. При отсутствии региональных норм расчетный срок службы дорожной одежды допускается назначить в соответствии с рекомендациями табл. 4.10;

q- показатель изменения интенсивности движения данного типа автомобиля по годам.

Таблица 4.9

Таблица 4.10

Рекомендуемый расчетный срок службы конструкции