Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Кафедра АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
По дисциплине «Изыскание и проектирование автомобильных дорог»
«Проектирование дорожных одежд нежесткого типа»
Выполнил
Проверил
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).
Nt=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 )
fполос = 0,55 – коэффициент, учитывающий число полос движения и распределения движения по ним (1, табл.2.6),
Nm – число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средств m-ой марки,
Sm, сумм – суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства
m-ой марки к расчетной нагрузке Qрасч (Sm=0,08 – для ГАЗ-53А,Sm=0,2–дляЗИЛ-130, Sm=1,05 – для КАМАЗ-551) (3, табл.2, прил.1).
Np=0,55*((562,2*0,08)+(1124,4*0,2)+(252,99*1,05))=535,5 ед/сут
Значение Eтр= 220 МПа принимаем по графику 2.1. ( 1 )
Конструкцию дорожной одежды принимаем типовую.
Покрытия дорожных одежд капитального типа принимает однослойными, т.к. Np < 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.
Основные физико-механические свойства грунта земляного полотна (модуль упругости Eгр, угол внутреннего трения φгр, удельное сцепление Сгр) 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 Wт
По полученному значению Wт определяем расчетные характеристики грунта земляного полотна – песка мелкого [табл. 10]: Егр = 100 МПа; φгр = 38 0 ; Сгр = 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.
Материал конструктивного слоя
Расчет по упругому прогибу
Расчет по сопротивлению сдвигу
Расчет на растяжение при изгибе
1. Плотный асфальтобетон
E=1800 МПа
900 МПа
Е= 4500 МПа / Rн=2,8 МПа
2. Пористый асфальтобетон
E=1200 МПа
700 МПа
Е= 2800 МПа / Rн=1,6 МПа
3. Готовая песчано-гравийная смесь
E=1000 МПа
400
Е= 1000 МПа / Rн=0,7 МПа
4. Песок
E=100 МПа
φгр = 38 0
Сгр = 0.005
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 à Е’общ= 0.23* Едоп.осн=230
Е’общ/Еосн=230/1200=0.19
hосн/D = 0,08/0,37=0,21 à Е’’общ=0.25*1200=400 МПа.
Е’’общ /Епокр=400/1800=0.22
hдоп.осн/D = 0,17/0,37=0,46 à Еобщ=0,37*1800=660 МПа.
Еобщ/Етр=660/220=3>0.95
Вывод: условие надежности и прочности по упругому прогибу выполняется.
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);
Есл – 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:
Тдоп = сгр*к1*к2*к3, МПа.
где сгр – сцепление в грунте активной зоны земляного полотна в расчетный период или в материале малосвязного слоя; сгр – 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
Тдоп = 0,005*0,6*0,89*5=0,0134 МПа
Проверяем условие
0,91<0.0134/0.0019=7
Условие выполняется.
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.
0,91<0,22/0.019=11,6
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
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
0,91<1,53/1,28=1,2
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.
