раСЧЕТ НЕжЕСТКОЙ дОрОжНОЙ ОдЕжды ЛЕСОВОЗНОЙ аВТОМОБИЛьНОЙ дОрОГИ ОТ ВОЗдЕЙСТВИЯ НаГрУЗОК

Наука и образование. Лесопромышленный комплекс
РАСЧЕТ НЕЖЕСТКОЙ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ЛЕСОВОЗНОЙ
АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАГРУЗОК
О.Н. БУРМИСТРОВА, доц. каф. технологии и машин лесозаготовок и прикладной геодезии
УГТУ, д-р техн. наук,
М.А. ВОРОНИНА, асп. каф. технологии и машин лесозаготовок и прикладной геодезии УГТУ
Р
асчет дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог произведен совместно
с дорожным агентством Республики Коми и
ООО «Дороги Севера». В статье приведен
расчет нежесткой дорожной одежды лесовозной автомобильной дороги Ухта – ТроицкоПечорск от воздействия нагрузок А-3 [1].
Основные характеристики расчетной
нагрузки А-3:
– нормативная нагрузка на ось 13000
кг (0,13 МН);
– давление воздуха в колесе наиболее
нагруженной оси – 6 кгс/см2 (0,6 МПа);
– диаметр отпечатка колеса при статическом нагружении – 37 см (0,37 м), при динамическом нагружении – 42 см (0,42 м);
– расчетная статическая нагрузка на
колесо – 6500 кг (0,065 МН).
Интенсивность движения принимается 50 расчетных лесовозных автопоездов в
сутки.
В связи с низкими физико-механическими характеристиками и значительной неоднородностью подстилающих грунтов, а также расположением участка строительства в
зоне распространения вечномерзлых грунтов
[2] в конструкции дорожной одежды, проектируемой с допущением оттаивания грунтов
в основании насыпи, в период эксплуатации
дороги (второй принцип [2]) предусмотрено
Рис. 1. Заклинка щебня в ячейках георешеток (образование слоя, способного воспринимать растягивающие напряжения)
20
oburmistrova@ugtu.net
применение георешеток Геоком Б-450 ОАО
«Комитекс», что в данных условиях является одним из наиболее эффективных и рациональных способов увеличения его прочности
и надежности. При этом:
1. Повышается однородность основания, что немаловажно для обеспечения равнопрочности покрытия, а, следовательно, и
надежности его работы на всей площади.
2. Практически исключается проникновение крупнозернистого материала в нижележащие слабосвязные слои (сохранение
толщины дренирующего слоя за счет исключения вдавливания щебня в подстилающий
грунт (рис. 1).
3. Обеспечиваются оптимальные условия для уплотнения щебня до требуемой
величины и тем самым достигается расчетное значение его модуля упругости и модуля
деформации.
4. Значительно снижается динамика накопления и величина остаточных деформаций конструкций вследствие того, что
значительные сдвигающие напряжения (тху)
концентрируются не в подстилающем грунте
и слабосвязных слоях конструкции, а в слое
«щебень – георешетка», способном сопротивляться сдвигу.
Кроме того, наблюдается тенденция к
увеличению и концентрации непосредственно под покрытием главных горизонтальных
напряжений а3, что свидетельствует об уменьшении коэффициента уровня напряженно-деформированного состояния конструкции Кунс
(1), величина которого в наибольшей степени
определяет характер деформирования среды
при многократных приложениях нагрузок
(σ1 − σ3 )(1 − sin ϕ)
(1)
K унс =
2(σ3 sin ϕ + C cos ϕ)
где σ1, σ3 – главные напряжения;
φ – угол внутреннего трения;
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
К 90-летию специальности «Лесоинженерное дело»
Рис. 2. Сравнительные графики деформаций конструкций
С – удельное сцепление.
Sупр/Sост = 0,328/2,003 = 0,194,
Sупр/Sост = 0,5/3,965 = 0,126.
5. Возможно увеличение величины
нагрузки на конструкцию, при которой будет
соблюдаться линейная зависимость между
напряжениями и деформациями, т.е. увеличение несущей способности (рис. 3). Увеличиваются деформативные характеристики
конструкции, включающей в свой состав георешетку.
Предлагается для дорог Республики Коми следующая конструкция, армированная георешеткой Геоком Б-450 (рис. 4).
Высотная отметка площадки варьируется
увеличением толщины слоя щебня (рис. 4,
1). В качестве подстилающего слоя проектируемой дорожной одежды выбран слой
торфа среднезаторфованного (ИГЭ – 6в) и
суглинка тяжелого мягкопластичного (ИГЭ
– 42г).
Исходные данные для производимых
расчетов сведены в табл. 1.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
Результаты расчета по допускаемому
упругому прогибу сведены в табл. 2 и представлены на рис. 5.
Недопустимые деформации сдвига в
конструкции не будут накапливаться, если в
слабосвязном слое дорожной одежды и подстилающем грунте обеспечено условие
Кпр ≥ τпр/τакт,
где Кпр – требуемый коэффициент прочности
по данному критерию Кпр = 0,87;
τакт – расчетное активное напряжение
сдвига в слабосвязном слое дорожной
одежды или грунте от действующей
нагрузки, кгс/см2;
τпр – предельная величина активного напряжения сдвига, превышение которой вызывает нарушение прочности
на сдвиг, кгс/см2.
Действующие в грунте активные напряжения сдвига τакт определены по зависимости
τакт = [(σ1 – σ2) – (σ1 + σ3)sinφ]/2cosφ,
где σ1 – максимальное главное напряжение;
21
Наука и образование. Лесопромышленный комплекс
Таблица 1
Расчет нежестких дорожных одежд на прочность
Исходные данные
Категория дороги
Дорожно-климатическая зона
Тип дорожной одежды
Давление воздуха в шине расчетного автомобиля
Нагрузка на колесо расчетного автомобиля
Кол-во осей (расчетных)
Кол-во колес на полуоси
Расстояние между осями (для многоосных)
Расчетная нагрузка на колесо
Расчетный диаметр отпечатка колеса
Коэффициент надежности
Расчетный срок службы, лет
Приведенная интенсивность движения автомобилей
на последний год службы
Изменение интенсивности
Число расчетных дней в году
Суммарное приведенное количество прохождений
расчетного автомобиля
1–5
1–5
к – капит.
о – облегч.
п – перех.
P, МПа
Q, т
Варианты
армированная конструкция
4
1
п
1 или 2
Бм
Qрасч., т
D, м
Кн
Тсл
0,6
6,5
1
2
0
6,5
0,42
0,8
10
Np, авт/сут
50
q
Трдг
1,02
135
∑Np, авт.
50218,22
Грунтовое основание
Расчетные характеристики грунтового основания
Модуль деформации
Егр, МПа
Удельное сцепление
Сгр, МПа
Угол внутреннего трения
φгр, град
Статический угол внутреннего трения
φст, град
Расчетные характеристики материалов дорожной одежды
E, МПа
Щебень
γ, кгс/см3
Георешетка Геоком Б-450
Тип
E, МПа
С, МПа
Песок
φ, град
φст, град
γ, кгс/см3
Толщины конструктивных слоев дорожной одежды
Щебень
h, м
Георешетка Геоком Б-450
Тип
Песок
Общая толщина дорожной одежды
hобщ, м
торф
средне-заторфованный
0,15
0,012
1
1
350
0,002
40
100
0,004
21
31
0,0017
0,95
40
1,25
2,20
Таблица 2
Минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции
Требуемый коэффициент прочности
Общий модуль упругости
Фактический коэффициент прочности
Выполнение критерия по упругому прогибу
22
Emin, МПа
Кпр I
Еобщ, МПа
Еобщ./Emin
113,53
1,02
147,95
1,303
да
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
К 90-летию специальности «Лесоинженерное дело»
Рис. 3. Сравнительные графики несущей способности конструкций
Рис. 4. Конструкция дорожной одежды
σ3 – минимальное главное напряжение;
φ – угол внутреннего трения грунта.
Главные напряжения σ1 и σ3 вычислены с использованием точного решения осесимметричной задачи теории упругости.
Предельная величина активных напряжений сдвига τпр определена по зависимости
τпр = кд(с + γср zon tg φст),
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
где с – сцепление в грунте, МПа;
zon – глубина расположения поверхности слоя, проверяемого на сдвигоустойчивость (от верха конструкции),
см;
γср – средневзвешенный вес конструктивных слоев, расположенных выше
проверяемого слоя, кгс/см3;
23
Наука и образование. Лесопромышленный комплекс
Рис. 5. Эпюры вертикальных напряжений от действующей нагрузки и собственного веса дорожной одежды
Рис. 6. Эпюры действующих и допускаемых активных касательных напряжений (τакт) в слабосвязном слое дорожной одежды и подстилающем грунте
φст – расчетный угол внутреннего трения материала проверяемого слоя
при статическом действии нагрузки,
град;
кд – коэффициент, учитывающий особенности работы конструкции на границе
подстилающего слоя с нижним слоем
несущего основания.
Для слабосвязного слоя дорожной
одежды кд = 1; для подстилающего слоя
кд = 4.
24
Для слабосвязного слоя τакт = 0,142 <
< τпр = 0,156; для подстилающего слоя τакт =
= 0,0002 < τпр = 0,511.
Условия прочности выполнены.
Выводы и рекомендации
1. Требуемые коэффициенты уплотнения Ку для щебеночных и для песчаных слоев
– не менее 0,98.
2. Минимальная величина нахлеста
полотен георешеток равна 30 см.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013