logo
СЭД

18.2. Расчёт и прогнозирование глубины колеи и динамики её развития

Методика расчёта и прогнозирования глубины колеи разработана на кафедре строительства и эксплуатации дорог МАДИ (ГТУ) проф. А.П. Васильевым, проф. Ю.М. Яковлевым и канд. техн. наук СВ. Луговым.

Процесс образования колеи связан с накоплением остаточных деформаций в грунте земляного полотна, слоях основания и покрытия, а также со структурным разрушением каменного материала. Чтобы определить общую глубину колеи на поверхности покрытия по полосам наката, необходимо знать величину остаточных деформаций, накопившихся в активной зоне земляного полотна, в слоях основания и покрытия, а также учесть высоту гребней выпора.

Накопление остаточных деформаций в грунте обусловлено большим количеством факторов, в числе которых наиболее существенную роль играют вид грунта, его консистенция, а также суммарное число приложений нагрузки и общая жесткость вышележащих слоев дорожной одежды (Васильев А.П. Проблемы разработки методов прогнозирования глубины колеи на автомобильных дорогах // Проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог в начале XXI века. - М., 2000. - С. 4-32. - (Сб. науч. тр./ МАДИ (ТУ).

Вычисление ожидаемого суммарного числа приложений расчетных нагрузок по годам эксплуатации дороги Npctпроизводят по формуле:

где                                                                                       (18.2)

Np1- суточная интенсивность движения автомобилей на полосу, приведённых к расчётной нагрузке (100 кН на ось) в первый год службы дорожной одежды, авт/сут;

q - показатель изменения интенсивности движения по годам;

t - год, на который прогнозируют глубину колеи;

Тpcг- расчётное количество дней в году, соответствующее определённому состоянию дорожной одежды (для грунта земляного полотна по табл. п 6.1 [72]);

Кпу- коэффициент поперечной установки автомобиля, учитывающий неточное попадание последовательно движущихся автомобилей в один след,Кпу= 0,6-0,7.

Вычисление остаточной осадки земляного полотна hЗПtза срок службы производят по формуле:

hЗПt=hГРt·КЕ·Khа, м, где                                                                                                       (18.3)

hГРt- исходная остаточная осадка грунта земляного полотна под дорожной одеждой, определяемая по графику (рис. 18.4), который построен дляЕД/ЕГ= 30,h/D= 2 (ЕД- средневзвешенный модуль упругости дорожной одежды, МПа;ЕГ- модуль упругости грунта, МПа;h- общая толщина слоев дорожной одежды, м;D- диаметр круга, равновеликого отпечатку колеса расчётного автомобиля, равный 0,37 м);

(18.4)

п- число слоев в дорожной одежде;

Еiиhi- модуль упругости материала и толщинаi-того слоя;

КЕ- коэффициент, учитывающий поправку на фактическое соотношениеЕД/ЕГ, определяемый по табл. 18.1 (приЕД/ЕГ=30, принятом при построении графика на рис. 18.4-КЕ= 1,0);

Khа- коэффициент, учитывающий поправку на фактическую относительную толщину дорожной одеждыh/D, определяемый по табл. 18.2 (приh/D= 2, принятом при построении графика на рис. 18.4 -Khа= 1,0).

Основной причиной накопления остаточных деформаций в слоях основания, не содержащих битум, является одновременное (совместное) воздействие на материал транспортной нагрузки и природно-климатических факторов. С течением времени каменный материал разрушается (измельчается) и дорожная одежда теряет свою первоначальную прочность и жесткость, начинают преобладать пластические деформации. В песчаных слоях при многократно повторяющихся нагрузках также происходит накопление деформаций вследствие сдвиговых явлений.

Таблица 18.1

Значения коэффициента КЕ

ЕД/ЕГ

2

3

4

5

7

10

15

20

25

30

35

50

КЕ

2,0

1,65

1,5

1,35

1,25

1,17

1,08

1,04

1,02

1,0

0,95

0,92

Примечание. Для промежуточных значенийЕД/ЕГвеличинуКЕопределять способом линейной интерполяции.

Таблица 18.2

Значения коэффициента Khапри различныхh/D

h/D

0,75

0,8

1,0

1,15

1,25

1,5

1,75

2,0

2,25

2,6

3,25

Khа

2,3

2,05

1,5

1,33

1,25

1,13

1,04

1,0

0,96

0,94

0,90

Примечание. Для промежуточных значенийh/DвеличинуKhаопределять способом линейной интерполяции.

Рис. 18.4. График для определения исходной остаточной деформации в грунте: цифры на кривых - угол внутреннего трения грунта, зависящий от его влажности, град.

Экспериментально установлено, что накопление остаточных деформаций в слоях основания в значительной степени зависит от величины остаточной деформации, накопленной в активной зоне грунта земляного полотна.

Абсолютная остаточная деформация слоя основания из щебня, гравия, песчано-гравийной смеси может быть определена по эмпирической зависимости

где                                                                                         (18.5)

аиb- эмпирические показатели, зависящие от толщины слоя (табл. 18.3);

ЕМ- модуль упругости материала слоя, МПа.

Таблица 18.3

Показатель

Величины показателей а и b в зависимости от толщины слоя (толщина слоя в метрах)

0,1

0,15

0,2

0.25

0,3

а

-0,025

-0,033

-0,037

-0,039

-0,043

b

0.3

0,5

0.7

0,85

1,0

Примечание. Для промежуточных толщин следует применять линейную интерполяцию.

Для слоев основания, укреплённых неорганическим вяжущим, и песчаных слоев следует использовать выражение

где                                                                                             (18.6)

сиd- эмпирические показатели, зависящие от толщины слоя и материала слоя (табл. 18.4).

Таблица 18.4

Показатель

Величины показателей с и d в зависимости от толщины песчаного слоя, м

Величины показателей с и d в зависимости от толщины укреплённого слоя

0,15

0,2

0,25

0,3

0,4

0,5

0,15

0,2

0,25

0,3

с

1,1

0,88

0,97

1,2

1,19

0,87

0,69

0,53

0,47

0,49

d

-1,6

-1,14

-1,1

-1,22

-1,04

-0,7

-1,0

-0,66

-0,47

-0,39

Примечание. Для промежуточных толщинсиdнадо округлять до ближайшего значения.

Величину пластической деформации в битумосодержащих слоях можно вычислить по видоизменённой формуле, полученной на основе исследованийA.M. Богуславского (БогуславскийA.M., Богуславский Л.А. Основы реологии асфальтобетона / Под ред. проф. Н.Н. Иванова. - М., 1972. - 200 с), учитывающей изменения напряжений и расчётной вязкости по толщине слоя:

где                                        (18.7)

М- число расчётных слоев;

Квып- коэффициент, учитывающий выпор по краям колеи (Квып= 1,0-1,3);

Npct- суммарное число приложений расчётной нагрузки, вычисленное по формуле (18.2) приTpcг, назначенном по табл. 18.5, в зависимости от среднегодовой положительной температуры воздуха(см. формулу (18.8));

tц- длительность одного приложения транспортной нагрузки в пределах следа колеса (tц= 0,015-0,03), большие значения для низких категорий и большей доле в транспортном потоке грузовых автомобилей и автобусов, с;

Т(z) - касательное напряжение, ориентировочно определяемое по формуле (18.9), МПа;

hj- толщина слоя, в пределах которого вязкость существенно не меняется (hj= 0,02 м);

р- расчётная вязкость асфальтобетона при температуре 50°С, полученная путём лабораторных испытаний стандартных образцов (Руденский А.В. Дорожные асфальтобетонные покрытия. - М.: Транспорт, 1992. - 254 с), МПа·с;

Квj- коэффициент, учитывающий различие между лабораторными испытаниями образца и фактической работой асфальтобетона в покрытии, а также увеличение вязкости по слоям вследствие уменьшения среднесуточной температуры и осреднённые условия старения материала (табл. 18.6).

Среднегодовую положительную температуру воздуха определяют по формуле

где                                                                                                              (18.8)

tcpi- средняя температураi-того месяца (по данным метеостанции или климатического справочника), °С,

nм- количество месяцев в году с устойчивой положительной температурой;

Таблица 18.5

Приведённое количество дней в году с температурой покрытия +50°С

, °С

11

13

15

17

19

21

23

25

Трсг, дни

0,5

1,1

3,5

10,5

19

34

62

104

Примечание. Промежуточные значения следует определять линейной интерполяцией.

Таблица 18.6

Средние значения коэффициентов увеличения расчётной вязкости по слоям

Глубина расположения слоя, м

0,00- 0,02

0,03-0,05

0,06-0,1

Среднее значение Квj

1,0

3,5

5,0

Т(z)  =Кт·Р, где                                                                                                                   (18.9)

Кт- коэффициент перехода от нормального напряжения к касательному (Кт= 0,1-0,5 - большие значения для верхних расчётных слоев);

Р- давление от колеса расчётного автомобиля, МПа.

Общая глубина колеи (средняя на участке, для которого производится прогноз) может быть выражена зависимостью, учитывающей, что остаточные деформации в различных направлениях (продольное, поперечное) взаимосвязаны, так как являются функциями снижения деформационной устойчивости конструкции:

где                                                           (18.10)

Кно- показатель, характеризующий долю неравномерной остаточной деформации, одной из существенных причин которой является неравномерное увлажнение грунта земляного полотна, может быть принят в зависимости от уровня надёжности одежды от 0,12 до 0,17 (большие значения при уровне надёжности 0,98 меньшие при 0,85 и меньше);

m- число слоев основания, не содержащих органическое вяжущее;

КП- коэффициент перехода от неравномерной остаточной деформации в продольном направлении к глубине колеи, может быть принят 2,56 (Фадеев В.Б. Прогнозирование процесса колееобразования с учетом накопления остаточных деформаций в грунте земляного полотна // Проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог в начале XXI века. - М., 2000. - С. 142-149.- (Сб. науч. тр /МАДИ (ГТУ)

Иt- износ (истирание) покрытия заtлет, м.

Если необходимо располагать данными о максимально возможной глубине колеи на данном участке, то она может быть рассчитана по формуле

где                                                                                              (18.11)

t- коэффициент доверительной вероятности, назначаемый в соответствии с [72] в зависимости от принятого уровня надёжности дорожной одежды;

Cv- коэффициент вариации глубины колеи (Cv= 0,25-0,35 большие значения для дорог низких категорий).