Проектирование дорожных одежд нежесткого типа

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Кафедра АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Изыскание и проектирование автомобильных дорог»

«Проектирование дорожных одежд нежесткого типа»

Выполнил

Проверил

Введение

Курсовая работа выполнена на основании задания, выданного кафедрой «Автомобильные дороги».

Исходными данными для проектирования являются :

1) Задание на разработку курсовой работы.

2) Категория проектирования дороги – 2.

3) Характеристики движения.

4) Дорожно-климатическая зона – 3.

5) Тип местности по условиям увлажнения – 3

6) Грунтовые условия – по результатам бурения скважин глубиной до 5м выявлено наличие слоя песка мелкого толщиной 3,8м.

7) Интенсивность движения – N₀=2811 авт/сут.

Проектирование дорожной одежды и земляного полотна представляет собой единый процесс конструирования и расчета дорожной конструкции на прочность, морозоустойчивость, осушение и технико-экономического обоснования вариантов.

В данной работе предусмотрены следующие разделы:

- назначение типа покрытия,

- выбор материалов для устройства слоев дорожной одежды,

- назначение числа слоев и их ориентировочных толщин.

Задачей расчета является уточнение толщины слоев одежды в намеченном варианте конструкции или выбор материалов с соответствующими деформационными и прочностными характеристиками при заданных толщинах слоев.

Расчет на прочность следует производить по трем критериям:

- по допускаемому упругому прогибу всех конструкций,

- по сдвигу в подстилающем грунте, слоях из слабосвязанных материалов и в слоях асфальтобетона,

- на растяжение при изгибе слоев из монолитных материалов.

Курсовая работа представлена пояснительной запиской на страницах и чертежом на 1 листе.

1. Конструирование дорожной одежды.

Этапы конструирования включают в себя:

1.Определение типа дорожной одежды и покрытия, минимально допустимого уровня надежности и требуемого коэффициента прочности.

2. Назначение требуемого модуля упругости на поверхности конструкции.

3.Выбор материалов для слоев дорожной одежды, количество слоев и их предварительных толщин.

3. Определение расчетных характеристик материалов дорожной одежды.

1.1. Назначение требуемого модуля упругости.

1.1.1. Определение перспективной интенсивности на период до капитального ремонта.

Перспективную интенсивность движения определяют по закону сложных процентов:

, авт/сут ( 1 )

где:

N₀ – интенсивность движения на расчетный год (год ввода дороги в эксплуатацию), авт/сут,

q – ежегодный прирост интенсивности движения,

t=18 лет – срок службы дорожной одежды до капитального ремонта (1, табл.2.4).

N_t=2811*(1+0,033)¹⁸=5043 авт/сут

1.1.2. Определение приведенной интенсивности движения к расчетной нагрузке на одну полосу.

Приведенную к расчетной нагрузке на одну полосу интенсивность движения определяют по формуле:

, сумм, ед/сут ( 2 )

где:

f_полос = 0,55 – коэффициент, учитывающий число полос движения и распределения движения по ним (1, табл.2.6),

N_m – число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средств m-ой марки,

S_m, сумм – суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства

m-ой марки к расчетной нагрузке Q_расч (S_m=0,08 – для ГАЗ-53А,S_m=0,2–дляЗИЛ-130, S_m=1,05 – для КАМАЗ-551) (3, табл.2, прил.1).

N_p=0,55*((562,2*0,08)+(1124,4*0,2)+(252,99*1,05))=535,5 ед/сут

Значение E_тр= 220 МПа принимаем по графику 2.1. ( 1 )

1.1.3. Выбор конструкции дорожной одежды.

Конструкцию дорожной одежды принимаем типовую.

Покрытия дорожных одежд капитального типа принимает однослойными, т.к. N_p < 1500 ед/сут.

Слой покрытия устраиваем из плотной асфальтобетонной смеси марок I-II. Верхний слой основания устраиваем из пористого (или высокопористого) асфальтобетона марок I-II, "черного" щебня и плотных смесей, обработанных с применением органического вяжущего в установке, щебня, обработанного органическими вяжущими методом пропитки, "тощего" пенобетона.

Для нижнего слоя основания применяем каменные материалы I-III класса прочности, укрепленные неорганическими вяжущими или без укрепления.

Таким образом, число слоев – 3. Основание проектируем на 0,6-1,0 м шире покрытия с целью обеспечения нормальных условий работы прикромочной части дорожной одежды.

На основании приведенной к расчетному движению интенсивности, ДКЗ, типа местности по условиям увлажнения, грунта земляного полотна из альбома типовых конструкций дорожной одежды серии 3503-71 принимается следующая схема конструкции дорожной одежды.

1) покрытие – плотный асфальтобетон из горячей мелкозернистой щебеночной смеси типа А (I марки) на битуме БНД 60/90;

2) верхний слой основания – пористый асфальтобетон из горячей крупнозернистой щебеночной смести II марки на битуме БНД 60/90;

3) нижний слой основания – готовая песчано-гравийная смесь, укрепленная 8 % цемента марки М5/1;

4) дополнительный слой основания – песок по ГОСТ 8736-85.

1.2. Определение расчетных характеристик грунта земляного полотна и материалов слоев дорожной одежды.

Основные физико-механические свойства грунта земляного полотна (модуль упругости E_гр, угол внутреннего трения φ_гр, удельное сцепление С_гр) зависят от его расчетной влажности Wр.

Значения Wр вычисляют с учетом неоднородности грунта по влажности:

где W – средняя многолетняя влажность грунта в долях предела текучести Wт ; W = 0,61

Сw – коэффициент вариантности, равный 0,1;

t – коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от заданного уровня проектной надежности; t = 1,71

=0,61*(1+1,71*0,1) = 0,71 W_т

По полученному значению W_т определяем расчетные характеристики грунта земляного полотна – песка мелкого [табл. 10]: Е_гр = 100 МПа; φ_гр = 38 ⁰ ; С_гр = 0,005 МПа.

Для дороги II технической категории по табл. 2.2. определяем коэффициент надежности Kн = 0,95 и коэффициент прочности Кпр = 1,0.

Расчетные характеристики остальных материалов определены по табл. 12,13,14,16 [1] и сведены в табл. 1.

Значения расчетных характеристик материалов

Таблица 1.

2. Расчет дорожных одежд на прочность.

2.1. Расчет дорожных одежд по допускаемому упругому прогибу.

Конструкция дорожной одежды удовлетворяет требованиям надежности и прочности по критериям упругого прогиба, если:

где - коэффициент прочности дорожной одежды.

- требуемый модуль упругости.

- общий модуль упругости конструкции.

Значение рассчитываем с помощью номограммы рис 3,3, последовательно приводя многослойную конструкцию с двухслойной.

Расчет по упругому прогибу можно вести в двух вариантах:

1.Определяя общий модуль упругости конструкции при известных толщинах слоев одежды.

2.Определяя толщину промежуточного слоя при известном модуле конструкции .

Расчет 1-го варианта:

D=0.37 м

Егр=100 МПа

Едоп.осн=1000 МПа hдоп.осн = 0,17 м

Еосн=1200 МПа hосн = 0,08 м

Епокр=1800 МПа hпокр = 0,04 м

Егр/Едоп.осн=100/1000=0,1

hдоп.осн/D = 0,17/0,37=0,46 - Е’общ= 0.23* Едоп.осн=230

Е’общ/Еосн=230/1200=0.19

hосн/D = 0,08/0,37=0,21 - Е’’общ=0.25*1200=400 МПа.

Е’’общ /Епокр=400/1800=0.22

hдоп.осн/D = 0,17/0,37=0,46 - Еобщ=0,37*1800=660 МПа.

Еобщ/Етр=660/220=3>0.95

Вывод: условие надежности и прочности по упругому прогибу выполняется.

3.2. Расчет дорожных одежд по сдвигу в подстилающем грунте и малосвязных материалах конструктивных слоев.

Прочность дорожной одежды по сдвигу обеспечена при условии:

где - допускаемое напряжение сдвига, обусловленное сцеплением в грунте или материале;

Т – активное напряжение сдвига от действующей кратковременной (длительной) нагрузки.

В процессе расчета многослойную конструкцию приводят к двухслойной модели. Рассчитываемый слой условно служит полупространством из слабосвязного материала с присущими ему расчетными характеристиками. Толщину верхнего слоя модели принимают равной сумме толщин всех слоев, расположенных над рассчитываемым , а средний модуль упругости определяют по формуле:

406.4

Определяем напряжения от единичной нагрузки по по рис 3.6 [2]. Для этого вычисляют отношения

=406/120=3,39 , =0,69/0,37=1,86

где D – диаметр нагруженной площади с учетом характера действия нагрузки (подвижная или статическая);

Е_сл – модуль упругости грунта или материала малосвязного слоя.

Получается _н = 0,0135

Определяем напряжения от собственного веса дорожной одежды по рис. 3.2:

= - 0,0062

Действующее в слое активное напряжение сдвига вычисляют по формуле:

где P =0,6 МПа – среднее расчетное давление на покрытие.

=0,0019 МПа.

Допускаемое активное напряжение сдвига вычисляют по формуле:

Т_доп = с_гр*к₁*к₂*к₃, МПа.

где с_гр – сцепление в грунте активной зоны земляного полотна в расчетный период или в материале малосвязного слоя; с_гр – 0,005;

к₁ – коэффициент, учитывающий снижение сопротивления грунта или малосвязного материала сдвигу под агрессивным воздействием подвижных нагрузок; к₁ = 0,6;

к₂ – коэффициент запаса на неоднородность условий работы дорожной одежды, принимается по рис 3.3; к₂=0,89

к₃ - коэффициент, учитывающий особенности работы грунта и малосвязных слоев; к₃=5

Т_доп = 0,005*0,6*0,89*5=0,0134 МПа

Проверяем условие

0,91<0.0134/0.0019=7

Условие выполняется.

3.3 Расчет асфальтобетонных слоев по сдвигу

Расчет сдвигоустойчивости асфальтобетона ведут на длительное действие нагрузки при расчетной температуре для всех ДКЗ +50 ⁰С. Допустимое активное напряжение сдвига определяют по формуле:

МПа

где К – комплексный коэффициент, учитывающий зацепление зерен асфальтобетона и условия его работы (см. табл 3,2);

с – сцепление в слое асфальтобетона (см. табл 3.2).

МПа.

При расчете асфальтобетона на сдвиг определяют средний модуль упругости его слоев Еср.асф (см формулу), корректируют общий модуль упругости на поверхности нижележащих слоев Еобщ.осн и вычисляют отношения по формулам:

767 МПа

=767/400=1,92

= 0,12/0,37=0,32.

Получается _н = 0,035 = - 0,002

Активное напряжение сдвига:

=0,019 МПа.

Проверяем условие

0,91<0,22/0.019=11,6

3.4. Расчет конструктивных слоев из монолитных материалов на растягивающие напряжения при изгибе

Критерий прочности:

где - предельно допустимое растягивающее напряжение материала слоя с учетом усталостных явлений

- наибольшее растягивающее усилие в рассматриваемом слое;

Для расчета приводим конструкцию к двухслойной системе с общим модулем упругости основания, рассчитанным по номограмме.

Определяем средний модуль упругости пакета из асфальтобетонных слоев:

3367 МПа

=3367/230=14,64

= 0,12/0,37=0,32.

Получается _г = 2,5 МПа.

Полное растягивающее напряжение:

=2,5*0,6*0,85=1,28 МПа.

где - коэффициент, учитывающий особенности напряженного состояния покрытия под колесом автомобиля со спаренными баллонами (=0,85)

Определяем допускаемое напряжение:

где = 1,6 МПа – расчетная прочность на растяжение при изгибе пористого асфальтобетона;

t = 1,32 – нормативное отклонение от среднего значения;

= 0,1 – коэффициент вариации;

= 1,1 – коэффициент усталости, учитывающий многократное воздействие нагрузки, определяется по рис 3.4 [1];

=1,0 – коэффициент, учитывающий снижение прочности материала под действием природно – климатических факторов.

=1,53

Проверяем условие

0,91<1,53/1,28=1,2

3.5 Расчет морозоустойчивости дорожной одежды при 3-м типе местности.

Специальных мероприятий, обеспечивающих морозоустойчивость дорожной одежды, не требуется в следующих случаях:

1) в районах с малой глубиной промерзания (IV и V ДКЗ);

2) на земляном полотне, сложенном на всю глубину промерзания неморозоопасными грунтами (пески, супеси легкие, крупные);

3) при толщине одежды, необходимой по условиям прочности и превышающей 2/3 глубины промерзания;

4) На местности, отнесенной по усл. увлажнения к I типу.

5) И т.д.

Так как земляное полотно на глубину 3,8 м сложено из мелких песков (по заданию), то специальных мероприятий, обеспечивающих морозоустойчивость дорожной одежды, не требуется.

Расчет дренирующего слоя также не требуется по тем же условиям.