Расчет нежесткой дорожной одежды лесовозной автомобильной дороги от воздействия нагрузок Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

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

[email protected]

Расчет 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 - Троицко-Печорск 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)

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 рав-нопрочности 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 (т ху) 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

K = Oi -g3 )(1 - sin Ф) (1)

унс 2(а3 sin ф + C cos ф) где о1, о3 - главные напряжения; ф - угол внутреннего трения;

20

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

С - удельное сцепление.

S /S = 0,328/2,003 = 0,194,

упр ост 7 7 7 7

S IS = 0,5/3,965 = 0,126.

упр ост

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.

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

К > т /т ,

где Кпр - требуемый коэффициент прочности по данному критерию Кпр = 0,87; т - расчетное активное напряжение

акт

сдвига в слабосвязном слое дорожной одежды или грунте от действующей нагрузки, кгс/см2;

тпр - предельная величина активного напряжения сдвига, превышение которой вызывает нарушение прочности на сдвиг, кгс/см2.

Действующие в грунте активные напряжения сдвига такт определены по зависимости

Такт = [(°1 - °2) - (°1 + ^з)sinф]|2cosф,

где о1 - максимальное главное напряжение;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

21

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

Таблица 1

Расчет нежестких дорожных одежд на прочность

Исходные данные Варианты

армированная конструкция

Категория дороги 1-5 4

Дорожно-климатическая зона 1-5 1

Тип дорожной одежды к - капит. о - облегч. п - перех. п

Давление воздуха в шине расчетного автомобиля P, МПа 0,6

Нагрузка на колесо расчетного автомобиля Q, т 6,5

Кол-во осей (расчетных) 1

Кол-во колес на полуоси 1 или 2 2

Расстояние между осями (для многоосных) Бм 0

Расчетная нагрузка на колесо QpacH., т 6,5

Расчетный диаметр отпечатка колеса D, м 0,42

Коэффициент надежности К 0,8

Расчетный срок службы, лет Тсл 10

Приведенная интенсивность движения автомобилей на последний год службы N, авт/сут 50

Изменение интенсивности q 1,02

Число расчетных дней в году Трдг 135

Суммарное приведенное количество прохождений расчетного автомобиля YNp, авт. 50218,22

Грунтовое основание торф средне-заторфованный

Расчетные характеристики грунтового основания

Модуль деформации Егр, МПа 0,15

Удельное сцепление Сгр, МПа 0,012

Угол внутреннего трения Фгр, град 1

Статический угол внутреннего трения Фст, град 1

Расчетные характеристики материалов дорожной одежды

Щебень E, МПа 350

Y, кгс/см3 0,002

Георешетка Геоком Б-450 Тип 40

Песок E, МПа 100

С, МПа 0,004

Ф, град 21

Фст, град 31

Y, кгс/см3 0,0017

Толщины конструктивных слоев дорожной одежды

Щебень h, м 0,95

Георешетка Геоком Б-450 Тип 40

Песок 1,25

Общая толщина дорожной одежды hобщ, м 2,20

Таблица 2

Минимальный требуемый общий модуль упругости конструкции Emi„, МПа 113,53

Требуемый коэффициент прочности К„р I 1,02

Общий модуль упругости Еобщ, МПа 147,95

Фактический коэффициент прочности Еобщ.1Emin 1,303

Выполнение критерия по упругому прогибу да

22

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

Давление кгс/см2 3 4

7

Н7

\

ч

*\ \ \

\

ч \

\

ч ч

ч

3

3

у

£

о

о

Неармированная конструкция

Конструкция, армированная георешеткой Геоком

Рис. 3. Сравнительные графики несущей способности конструкций

1. Щебень гранитный, марки 1200, фр. 20-М0 мм с расклинцовкой по

ГОСТ 25607-94, ГОСТ 8267-93, = 0,98 t = 80 см

2. Песок мелкий по ГОСТ 8267-93,

Кулп = 0,98, Кф > 3 м/сут t =125 см

3. Щебень гранитный, марки 1200, фр. 20-^-40 мм с расклинцовкой по

ГОСТ 25607-94, ГОСТ 8267-93, = 0,98 t = 15 см

4. Георешетка Геоком Б-450

5. Грунтовое основание -

торф среднеразложившийся (ИГЭ - 6в)

Рис. 4. Конструкция дорожной одежды

а3 - минимальное главное напряжение; ф - угол внутреннего трения грунта.

Главные напряжения и а3 вычислены с использованием точного решения осесимметричной задачи теории упругости.

Предельная величина активных напряжений сдвига тпр определена по зависимости т = к,(с + y z tg ф ),

пр д4 • ср on ° т ст/:>

где с - сцепление в грунте, МПа;

z - глубина расположения поверхности слоя, проверяемого на сдвигоустойчивость (от верха конструкции), см;

Ycp - средневзвешенный вес конструктивных слоев, расположенных выше проверяемого слоя, кгс/см3;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

23

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

Эпюры напряжений по оси штампа D=42 см, давление Р= б кгс/см2 Рис. 5. Эпюры вертикальных напряжений от действующей нагрузки и собственного веса дорожной одежды

Эпюры напряжений по оси штампа D=42 см, давление Р= б кгс/см2 Значения напряжений, кгс/см2

--- Допустимые касательные напряжения

-*— Касательные напряжения в слое песка

-■— Касательные напряжения в слое торфа среднер аз ложившегося

Рис. 6. Эпюры действующих и допускаемых активных касательных напряжений (т ) в слабосвязном слое дорожной одежды и подстилающем грунте

фст - расчетныи 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 к = 4.

Для слабосвязного слоя т = 0,142 < < т = 0,156; для подстилающего слоя т =

пр ак^^

= 0,0002 < т = 0,511.

7 пр 7

Условия прочности выполнены. Выводы и рекомендации

1. Требуемые коэффициенты уплотнения К для щебеночных и для песчаных слоев - не менее 0,98.

2. Минимальная величина нахлеста полотен георешеток равна 30 см.

24

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013