35Алгоритм подбора конструкции дорожной одежды с учетом особенностей расчета на изгиб слоев асфальтобетона
Бобнева Алена Николаевна
руководитель проекта, АО «Петербургские дороги», bobneva@mail.ru
В данной статье рассматриваются изменения, внесенные в методику расчета нежестких дорожных одежд, согласно ПНСТ 542-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования». Проведена оценка влияния определения растягивающих напряжений с использованием новой номограммы для гладкого контакта на результаты расчета дорожных одежд по отношению к действующему ранее нормативному документу ПНСТ 265-2018 «Дороги автомобильные общего пользования. Проектирование нежестких дорожных одежд». Выполнены необходимые расчеты дорожных одежды с использованием программного обеспечения автоматизированного проектирования и выявлены определяющие критерии при назначении толщины слоев применяемых материалов. Разработан алгоритм по подбору оптимальной конструкции дорожной одежды на примере произведенного расчета для магистральной улицы районного значения, когда при первом приближенном расчете, определяющим критерием для толщины асфальтобетонов на выходе является критерий расчета на растяжении при изгибе. Определены дальнейшие направления исследования по возможности увеличения прочности покрытия и уменьшения влияния усталостных процессов на прочность при расчете пакета слоев из асфальтобетона на изгиб. Ключевые слова: расчет дорожной одежды, расчет асфальтобетона на изгиб, растягивающие напряжения при изгибе, нежесткие дорожные одежды, коэффициент прочности, толщина слоя асфальтобетона.
Введение
С введением в действие с 1 июня 2021 года ПНСТ 542-2021 «Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования» [1] и ряда других, дополняющих его нормативных документов, проектные институты столкнулись с необходимость разработки нового алгоритма подбора конструкции дорожной одежды с учетом принципиально новых положений действующего предварительного национального стандарта.
Одним из критических изменений является применение при расчете на изгиб пакета слоев из асфальтобетона для определения растягивающих напряжений с использованием новой номограммы рис. Е.52 (рис. 1) [1] для гладкого контакта, когда одновременно укладываются все слои асфальтобетона на основание из неукрепленного материала.
Расчет по номограмме рис. Е.52 ПНСТ 542-2021 [1], разработанной для гладкого контакта, дает завышенные напряжения на изгиб, по сравнению с расчетом для спаянного контакта по номограмме рис. Е.51 (рис. 2) [1], которая рекомендуется для применения в двух случаях:
- при новом строительстве при укладке пакета слоев из асфальтобетона на основание из укрепленных вяжущими материалов;
- при ремонте слоев покрытия, когда они укладываются на основание из асфальтобетона или из укрепленных вяжущими материалов.
0,05 0.™ [1,16 0.20 3,26 Э.ЗО 0,36 0.40 0,46 0.50 0.56 С,60 О.вВ 0.70 [1,75 0.60 0,«6 0.00 0,05 1.00 1,05 1,10 1,15 1,20
аде 0,10 0.15 0,20 0,25 Э.ЗС 0,36 0.40 О,-46 0,50 0,66 0,00 0,65 0,70 0.75 0.80 0.85 0.80 0.65 1,00 1.05 1,10 1,15 1,20
Vе
Рис. 1 Рисунок Е.52 - Номограмма для определения растягивающего напряжения при изгибе от единичной нагрузки в верхнем монолитном слое двухслойной системы при гладком контакте на границе слоев
0,05 0,10 0,15 0.20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,76 О.вС 0,05 0,30 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20
ЦО
Рис. 2 Рисунок Е.51 - Номограмма для определения растягивающего напряжения при изгибе от единичной нагрузки в верхнем монолитном слое двухслойной системы при спаянном контакте на границе слоев
Учитывая, что стоимость дорожных одежд может составлять до 75-80 % стоимости всех работ по строительству дорог [2], подбор конструкции дорожной одежды экономически обоснованной и, отвечающей требованиям действующей нормативной документации, является актуальной задачей.
Целью данной статьи является разработка алгоритма по подбору оптимальной конструкции дорожной одежды с учетом изменений, введенных ПНСТ 542-2021 в части расчета на изгиб слоев асфальтобетона на примере произведенного расчета конструкции дорожной одежды для магистральной улицы районного значения.
Методы и материалы
Методология, используемая в данной работе, основана на изучении действующей нормативной документации и учебных пособий, проведении необходимых расчетов конструкций дорожной одежды с последующим анализом полученных результатов.
Результаты и обсуждения
Расчет конструкций дорожных одежд был произведен в программном комплексе Топоматик Robur - Дорожная одежда (Сертификат соответствия ТП 208-21. Срок действия до 28.06.2024 г.), разработанном научно-производственной фирмой «Топоматик». Программа предназначена для расчета конструкций дорожных одежд нежесткого и жесткого типа автомобильных дорог общего пользования вне границ населенных пунктов и городских дорог и улиц.
При определении алгоритма подбора оптимальной конструкции дорожной одежды использовались следующие исходные данные (табл. 1).
Таблица 1
Исходные данные для расчета
Наименование Значение
Категория Магистральная улица районного значения (II категория)
Количество полос движения в обоих направлениях 4
Тип дорожной одежды капитальный
Ежегодный прирост интенсивности 1.02
Дорожно-климатическая зона 11-1
Тип расчетной нагрузки А-11.5 (Р = 0.8 МПа)
Тип местности по увлажнению 3
Срок службы,лет 24
Уровень надежности 0.95
Глубина промерзания грунта, м 1.20
Приведенная интенсивность на одну полосу, авт./сут. 1071.11
Уровень грунтовых вод, от низа дорожной одежды, м 0.50
Суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки 2 722 189
Техническим заданием были определены указания к использованию в проектной документации конкретных материалов покрытия и основания дорожной одежды, а именно применение асфальтобетонных смесей по ГОСТ Р 58401.2 [3] и ГОСТ Р 58401.1 [4] с использованием вяжущего по ГОСТ Р 58400.1 [5] с учетом корректировки марки битума, учитывая температурный режим района проектирования, а также устройство основания из щебеночно-песчаной смеси С4 по ГОСТ 25607-2009 [6].
При расчете конструкций дорожных одежд по ранее действующему ПНСТ 2652018 [7] определяющими критериями для толщин слоев покрытия и основания выступали коэффициенты прочности по расчету по упругому прогибу и по сдвигу. Полученные результаты отражены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчета по ПНСТ 265-2018
№ Материал слоя н, см Критерий расчета Пред. значение Факт. значение Кпр Кпр.тр
1 SMA 16 на битумном вяжущем по PG 76-28 5 Упругий прогиб 342.160 464.887 1.36 1.20
2 SP-22Т на битумном вяжущем PG 70-28 6
3 SP-32Т на битумном вяжущем PG 58-22 8 Растяжени е при изгибе 2.517 1.335 1.89 1.00
4 Щебеночная смесь С4, размер зерен 80 мм 47
5 Мелкий песок с содержанием пылеватых частиц 5% Сдвиг Статика 0.01057 0.01257 0.01036 0.01129 1.02 1.11 1.00 1.00
Применяя в основании конструкции дорожной одежды трехосную пластмассовую георешетку для улучшения работы конструкции на сдвиг, получаем следующие результаты расчета (табл. 3).
Таблица 3
Результаты расчета по ПНСТ 265-2018 с применением георешетки в основании
№ Материал слоя н, см Критерий расчета Пред. значение Факт. значение Кпр Кпр.тр
1 SMA 16 на битумном вяжущем по PG 76-28 5 Упругий прогиб 342.160 420.114 1.23 1.20
2 SP-22Т на битумном вяжущем PG 70-28 6
3 SP-32Т на битумном вяжущем PG 58-22 8 Растяжени е при изгибе 2.517 1.418 1.78 1.00
4 Щебеночная смесь С4, размер зерен 80 мм 23
5 Георешетка 0
6 Мелкий песок с содержанием пылеватых частиц 5% Сдвиг Статика 0.02306 0.02906 0.01914 0.02857 1.20 1.02 1.00 1.00
Применение трехосной геотешетки позволило уменьшить толщину основания из щебеночной смеси С4 на 24 см, то есть в 2 раза.
Ниже приведены данные расчета конструкции дорожной одежды по ПНСТ 5422021 [1] по тем же исходным данным (табл. 1). Полученные результаты отражены в таблицах 4 и 5.
Таблица 4
Результаты расчета по ПНСТ 542-2021
№ Материал слоя н, см Критерий расчета Пред. значение Факт. значение Кпр Кпр.тр
1 SMA 16 на битумном вяжущем по PG 76-28 5 Упругий прогиб 368.493 497.250 1.35 1.20
2 SP-22Т на битумном вяжущем PG 70-28 6
3 SP-32Т на битумном вяжущем PG 58-22 14 Растяжени е при изгибе 1.091 1.090 1.00 1.00
4 Щебеночная смесь С4, размер зерен 80 мм 26
5 Мелкий песок с содержанием пылеватых частиц 5% Сдвиг Статика 0.01859 0.02259 0.01820 0.02225 1.02 1.02 1.00 1.00
Таблица 5
Результаты расчета по ПНСТ 542-2021 с применением георешетки в основании
№ Материал слоя н, см Критерий расчета Пред. значение Факт. значение Кпр Кпр.тр
1 SMA 16 на битумном вяжущем по PG 76-28 5 Упругий прогиб 368.493 497.250 1.35 1.20
2 SP-22Т на битумном вяжущем PG 70-28 6
3 SP-32Т на битумном вяжущем PG 58-22 14 Растяжени е при изгибе 1.091 1.091 1.00 1.00
4 Щебеночная смесь С4, размер зерен 80 мм 21
5 Георешетка 0
6 Мелкий песок с содержанием пылеватых частиц 5% Сдвиг Статика 0.02609 0.03209 0.02065 0.02655 1.26 1.21 1.00 1.00
Полученные результаты показывают, что в данном расчете по новому ПНСТ 5422021 [1] определяющим критерием является расчет на растяжение при изгибе. Учитывая большой запас прочности по критерию расчета по допускаемому упругому прогибу, требуется поиск иного решения при конструировании дорожной одежды.
Рассматривая возможные варианты решения данного вопроса, были изучены факторы, влияющие на результаты расчета при растяжении на изгиб.
Наибольшее растягивающее напряжение в пакете слоев из асфальтобетона возникает в нижней зоне нижнего слоя. При расчете принятую конструкцию приводят к
двухслойной модели с модулем упругости упругого полупространства ниже пакета слоев из асфальтобетона, неограниченного снизу Еобщ.н (рис. 3) [1].
Рис. 3 Схема двухслойной системы для расчета растягивающих напряжений в слоях асфальтобетона
где, Ьв - толщина верхних слоев асфальтобетона;
Ев - средневзвешенный модуль упругости верхних слоев;
Еобщ.н - модуль упругости упругого полупространства, ниже слоев из асфальтобетона, неограниченного снизу (нижнего слоя).
Согласно формуле (1) [1], упредить образование трещин от усталостного разрушения возможно при условии:
(1)
^ М.
-.то
где аг - наибольшее растягивающее напряжение в слое асфальтобетона, устанавливаемое расчетом;
Кщ? - требуемый коэффициент прочности;
- предельное напряжение при изгибе с учетом усталостных явлений, вычисляемое по формуле (2):
Д0^2(1-7йО (2)
где Д0 - нормативное значение предельного сопротивления растяжению при изгибе (принимают по таблице Г.5 приложения Г [1]);
к± - коэффициент, учитывающий снижение прочности вследствие усталостных явлений при многократном приложении нагрузки;
к2 - коэффициент, учитывающих снижение прочности во времени от воздействия природно-климатических факторов (таблица 8 [1]);
7Й - коэффициент вариации прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе, равный 0,1;
ь - коэффициент нормированного отклонения (таблица В.3, приложение В [1]). Наибольшее растягивающее напряжение аг вычисляют по формуле (3) [1,8]: аг = огркв (3)
где, аг - растягивающее напряжение от единичной нагрузки, определяемое по номограмме рис. Е.52 (рис. 1) [1];
р - расчетное давление на покрытие (таблица 1 [1]);
кв- коэффициент, учитывающий особенности напряженного состояния покрытия (0,85 - для двускатного колеса и 1,00 - для односкатного колеса).
Рассматривая составляющие данных формул, определяем, что на значение предельного напряжения при изгибе главным образом влияет наличие в конструкции дорожной одежды верхнего слоя основание из асфальтобетона. Значения Д0 согласно таблице Г.5 [1], для асфальтобетонов верхних и нижних слоев покрытий на 15 % выше, чем для асфальтобетонов при устройстве верхнего слоя основания, также как и усталостный коэффициент т, который влияет на значение коэффициента к1.
Коэффициент к2 также зависит от того, является ли нижний слой пакета из асфальтобетонов нижним слоем покрытия или верхним слоем основания и составляет 0,85 и 0,80 соответственно.
Значения коэффициентов 7Й и ь не зависят от назначения слоя асфальтобетона.
Исключая из расчета верхний слой основания из асфальтобетона, получаем следующие результаты (см. табл. 6 и 7).
Таблица 6
Результаты расчета по ПНСТ 542-2021, исключая верхний слой основания из асфальтобетона
№ Материал слоя н, см Критерий расчета Пред. значение Факт. значение Кпр Кпр.тр
1 SMA 16 на битумном вяжущем по PG 76-28 5 Упругий прогиб 368.493 450.463 1.22 1.20
2 SP-22Т на битумном вяжущем PG 70-28 13 Растяжени е при изгибе 2.354 1.809 1.30 1.00
3 Щебеночная смесь С4, размер зерен 80 мм 34
4 Мелкий песок с содержанием пылеватых частиц 5% Сдвиг Статика 0.01850 0.02250 0.01693 0.02187 1.09 1.03 1.00 1.00
Таблица 7
Результаты расчета по ПНСТ 542-2021 с применением георешетки в основании
№ Материал слоя н, см Критерий расчета Пред. значение Факт. значение Кпр Кпр.тр
1 SMA 16 на битумном вяжущем по PG 76-28 5 Упругий прогиб 368.493 443.106 1.20 1.20
2 SP-22Т на битумном вяжущем PG 70-28 13 Растяжение при изгибе 2.354 1.822 1.29 1.00
3 Щебеночная смесь С4, размер зерен 80 мм 28
4 Георешетка 0
5 Мелкий песок с содержанием пылеватых частиц 5% Сдвиг Статика 0.02558 0.03158 0.01997 0.02706 1.28 1.17 1.00 1.00
Учитывая тот факт, что для достижения требуемого коэффициента уплотнения, слой асфальтобетонного покрытия толщиной более 10 см строителями будет укладываться послойно, пересчитаем расчет, задавая нижний слой покрытия в программу дважды, разделяя на 2 слоя, учитывая минимальную толщину укладки слоя ЭР-22Т 6 см.
Полученные результаты представлены в таблицах 8 и 9.
Таблица 8
Результаты расчета по ПНСТ 542-2021, учитывая укладку нижнего слоя покрытия в 2 слоя
№ Материал слоя н, см Критерий расчета Пред. значение Факт. значение Кпр Кпр.тр
1 ЭМА 16 на битумном вяжущем по PG 76-28 5 Упругий прогиб 368.493 442.649 1.20 1.20
2 ЭР-22Т на битумном вяжущем PG 70-28 7
3 ЭР-22Т на битумном вяжущем PG 70-28 7 Растяжени е при изгибе 2.354 1.666 1.41 1.00
4 Щебеночная смесь С4, размер зерен 80 мм 38
5 Мелкий песок с содержанием пылеватых частиц 5% Сдвиг Статика 0.01975 0.02375 0.01456 0.01850 6 8 СО С\| 1.00 1.00
Таблица 9
Результаты расчета по ПНСТ 542-2021, учитывая укладку нижнего слоя покрытия в 2 слоя, с применением георешетки в основании
№ Материал слоя н, см Критерий расчета Пред. значение Факт. значение Кпр Кпр.тр
1 ЭМА 16 на битумном вяжущем по PG 76-28 5 Упругий прогиб 368.493 443.954 1.20 1.20
2 ЭР-22Т на битумном вяжущем PG 70-28 7
3 ЭР-22Т на битумном вяжущем PG 70-28 7 Растяжени е при изгибе 2.354 1.664 1.41 1.00
4 Щебеночная смесь С4, размер зерен 80 мм 37
5 Георешетка 0
6 Мелкий песок с содержанием пылеватых частиц 5% Сдвиг Статика 0.02926 0.03526 0.01489 0.01910 1.96 1.85 1.00 1.00
Выводы
Предложенный алгоритм расчета конструкции дорожной одежды с исключением верхнего слоя основания из асфальтобетона и разделения нижнего слоя покрытия толщиной более 10 см на два слоя подходит к применению в том случае, когда при первом приближенном расчете, определяющим критерием для толщины асфальтобетонов на выходе является критерий расчета на растяжении при изгибе.
По результатам расчетов двухслойной конструкции, с укладкой нижнего слоя покрытия в два слоя, выявлено отсутствие в данном случае экономической целесообразности укладки георешетки, так как она не дает существенного преимущества в толщине укладываемого слоя основания, учитывая стоимость геосинтетического материала.
В данной работе не учитывается возможность применения геосеток и плоских георешеток для увеличения прочности покрытия и уменьшения влияния усталостных процессов на прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия и может являться объектом дополнительного исследования.
Литература
1. ПНСТ 542-2021 Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования. - Введ. 01.06.2021 - М.: Стандартинформ, 2021.
2. Иванов, Н.Н. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд - М.: Транспорт, 1973. - 328 с.
3. ГОСТ Р 58401.2-2019 Дороги автомобильные общего пользования. Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Система объемно-функционального проектирования. Технические требования (с Поправкой). -Введ. 01.06.2019 - М.: Стандартинформ, 2019.
4. ГОСТ Р 58401.1-2019 Дороги автомобильные общего пользования. Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон. Система объемно-функционального проектирования. Технические требования (с Поправкой). - Введ. 01.06.2019 - М.: Стандартинформ, 2019.
5. ГОСТ Р 58400.1-2019 Дороги автомобильные общего пользования. Материалы вяжущие нефтяные битумные. Технические условия с учетом температурного диапазона эксплуатации (с Поправкой). - Введ. 01.07.2019 - М.: Стандартинформ, 2019.
6. ГОСТ 25607-2009 Смеси щебеночно-гравийно-песчаные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия. - Введ. 01.01.2011 - М.: Стандартинформ, 2018.
7. ПНСТ 265-2018 Дороги автомобильные общего пользования. Проектирование нежестких дорожных одежд. - Введ. 15.05.2018 - М.: Стандартинформ, 2018.
8. Бобков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог: в 2 ч. Ч.1 -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1987. - 368 с.
Algorithm for selecting pavement structure taking into account the features of bending calculations for asphalt concrete
layers Bobneva A.N.
JSC "Peterburgskie dorogi"
This article describes the changes made to the methodology for calculating non-rigid pavements, according to PNST 542-2021 "Automobile roads in general use. Flexible pavement. Design rules". An assessment of the influence of determining tensile stresses using a new nomogram for smooth contact on the results of calculation of pavement structures was made in comparison with the previously valid regulatory document PNST 265-2018 "Automobile roads in general use. Flexible pavement design". The required calculations of pavement structure using automated design software were performed. The defining criteria for determining the layers thickness were identified. An algorithm has been developed for selecting the optimal pavement structure using as an example a calculation for a collector street. The application of this algorithm can be used when, in the first approximate calculation, the determining criterion for thickness of the asphalt concrete layer is the criterion of bending tensile strength. Directions for further research on increasing the pavement strength and reducing the influence of fatigue processes on strength in bending calculations for asphalt concrete layers were determined. Keywords: calculation of pavement structure, bending calculations, tensile stress in bending, non-rigid pavement, strength factor, thickness of asphalt concrete layer.
References
1. PNST 542-2021 Public automobile roads. Non-rigid road clothes. Design rules. - Input. 06/01/2021 - M .: Standartinform, 2021.
2. Ivanov, N.N. Design and calculation of non-rigid pavement - M .: Transport, 1973. - 328 p.
3. GOST R 58401.2-2019 Roads for public use. Asphalt-concrete road mixes and crushed-stone-mastic asphalt concrete. Volu-
metric-functional design system. Specifications (as amended). - Input. 06/01/2019 - M .: Standartinform, 2019.
4. GOST R 58401.1-2019 Public automobile roads. Mixes asphalt concrete road and asphalt concrete. Volumetric-functional design
system. Specifications (as amended). - Input. 06/01/2019 - M .: Standartinform, 2019.
5. GOST R 58400.1-2019 Public automobile roads. Materials knitting oil bituminous. Specifications taking into account the operat-
ing temperature range (as amended). - Input. 07/01/2019 - M .: Standartinform, 2019.
6. GOST 25607-2009 Crushed stone-gravel-sand mixtures for pavements and foundations of highways and airfields. Specifica-
tions. - Input. 01/01/2011 - M .: Standartinform, 2018.
7. PNST 265-2018 Public automobile roads. Design of non-rigid pavement. - Input. 05/15/2018 - M .: Standartinform, 2018.
8. Bobkov V.F., Andreev O.V. Road design: in 2 hours. Part 1 - 2nd ed., Revised. and additional - M.: Transport, 1987. - 368 p.
