Расчет срока службы дорожной одежды переходного типа, армированной геоячейками (на основе теории риска) Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 625.7/8

Н.Е. КОКОДЕЕВА, канд. техн. наук (kokodeewa@mail.ru), О.Ю. МОСКАЛЕВ, инженер (moskalev-oleg@rambler.ru), Саратовский государственный технический университет

Расчет срока службы дорожной одежды переходного типа, армированной геоячейками (на основе теории риска)

В последние годы в дорожном строительстве все чаще применяются геосинтетические материалы. Эффективность их применения доказана мировой и отечественной практикой [1]. Использование геосинтетики, в частности геоячеек (объемной георешетки), — это один из наиболее простых способов улучшения транспортно-эксплуатационных качеств дороги, не требующих от дорожной организации использования сложных, дорогих технологий и оборудования.

Если практическая эффективность применения геосинтетических материалов не вызывает вопросов, то с экономическим обоснованием и расчетами дорожных конструкций при использовании этих материалов дело обстоит сложнее. Например, на практике в дорожных одеждах, армированных геоячейками, возникает меньше разрушений (колейность, просадки) и соответственно увеличивается срок службы, но рассчитать это увеличение существующими (детерминированными) методами не представляется возможным.

Решение этой задачи возможно в рамках научного направления «Проектирование, строительство и эксплуатация автомобильных дорог по условию обеспечения безопасности движения с учетом теории риска», основателем которого является профессор СГТУ В.В. Столяров. В этом случае основным критерием оценки дорожной одежды будет риск ее разрушения на определенный год эксплуатации дороги и его соотношение с допустимым риском. Такой подход отвечает цели Федерального закона № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а также основным положениям технического регламента Таможенного союза ТР ТС 014/2011 «Безопасность автомобильных дорог».

Рассмотрим пример влияния геоячеек на срок службы дорожной одежды переходного типа. Выбрана типовая конструкция дорожной одежды в соответствии с ВСН 26-90 «Инструкция по проектированию и строительству автомобильных дорог нефтяных и газовых промыслов Западной Сибири» (Министерство транспортного строительства СССР. М.: Транспорт, 1990. 94 с.) и рассчитана по ОДН 218.046—01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» [2]. Такие конструкции используются на промысловых дорогах в Западной Сибири (рис. 1).

По результатам расчета общий эквивалентный модуль упругости конструкции без геоячеек составил 162 МПа при минимальном требуемом модуле упругости для дорожных одежд переходного типа — 100 МПа [2]. Конструкция удовлетворяет требованиям прочности по критериям упругого прогиба и сдвигоустойчивости подстилающего грунта.

Расчетный модуль упругости конструкции с геоячейками был вычислен исходя из результатов испытаний, проведенных СоюздорНИИ [3], которые показали, что модуль упругости щебня, помещенного в геоячейки, увеличивается в 1,2 раза. Таким образом, расчетный модуль упругости, рассмотренный в примере конструкции с геоячейками, равен 194,4 МПа, т. е. 162x1,2 = 194,4 МПа.

Методика расчета срока службы дорожной одежды нежесткого типа

1. Устанавливается коэффициент вариации эквивалентного модуля упругости, соответствующий текущему году эксплуатации ? по формуле:

Сщ = СуТ + у ■ I,

(1)

где у — коэффициент, учитывающий снижение однородности эквивалентного модуля упругости во времени. В работе [4] установлено, что коэффициент у зависит от влажности грунта земляного полотна (Мр) и коэффициента вариации требуемого модуля упругости. Для рассматриваемых конструкций у = 0,22; ? — текущий год эксплуатации, годы; Су — коэффициент вариации приведенного к расчетной температуре эквивалентного модуля упругости на момент пуска дороги в эксплуатацию, С|т = 0,05.

2. Вычисляется среднее значение эквивалентного модуля упругости Еэти, приведенное к расчетной температуре, спустя ? лет после обследования дорожной одежды по формуле:

-,эт

Еж(1) ~ Е,

эт

(1

чЭТ

-т

•у О,

(2)

где Еэт — среднее значение эквивалентного модуля упругости в момент пуска дороги в эксплуатацию, МПа.

Рис. 1. Схемы конструкций дорожных одежд: а - без геоячеек; б - с геоячейками; 1 - покрытие - щебень фракционированный 40-80 мм с заклин-кой мелким щебнем, Ь=20 см; 2 - подстилающий слой - песок пылеватый с расчетной влажностью Wp=0,59 WT; 3 - геоячейки высотой 15 см, со стороной ячейки 21 см, Ь=20 см

научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 58 январь 2012 Ы *

Основные показатели дорожной конструкции Грунт земляного полотна - песок пылеватый, Wp = 0,59 WT

Дорожная конструкция

без геоячеек с геоячейками

годы эксплуатации годы эксплуатации

0 1 2 3 0 1 2 3 4

Г^ЭГТ - 0,27 0,49 0,71 - 0,27 0,49 0,71 0,93

-^этм 162 155,4 154,73 154,47 194,4 186,48 185,67 185,82 185,36

°ЭТ(0 - 41,96 75,82 109,67 - 50,35 90,98 107,23 131,61

r« ^0 0,0206757 0,1313573 0,2206502 ^0 0,0101710 0,080273 0,1400715 0,1894300

3. Определяется среднее квадратическое отклонение эквивалентного (общего) модуля упругости после t лет эксплуатации дороги:

°эт(о _ С^ • -Еэт(!).

(3)

4. Устанавливается значение минимального модуля упругости, при котором разрушение одежды будет достигать 50%:

при * 0,2

„ _ Ыр + [(с3/)2 - 1] • (Ег2р - 254р) —Eyp ,

iM »г- / >-»ЭТ\2 i ,

при cf = 0,2

Ем —

25 ■ (СуТ)2— 1

(4)

(5)

минимального модуля упругости:

JM

= С

эт

(6)

6. Определяется риск разрушения дорожной одежды спустя t лет эксплуатации дороги:

ЧаЭТ»+ам/

(7)

3,2 3

2,2 2

0,01

-4,6

~~Г -3

-2,3

-1,9

-1,6

-1,4

-1,2

Рис. 2. Зависимость срока службы дорожной одежды от риска ее разрушения: t - срок службы дорожной одежды; г - риск разрушения дорожной одежды; 1п г - натуральный логарифм риска разрушения: 1 - без геоячеек; 2 - с геоячейками

Если риск разрушения дорожной одежды в какой-либо год эксплуатации равен или превышает допустимый риск, то фактическим сроком службы дорожной одежды является период до этого года. Допустимый риск вычисляется по зависимости:

1 - Кн.

(8)

JM 2 • iJpp 5. Вычисляется среднее квадратическое отклонение

где Кн — требуемый минимальный коэффициент прочности, принимаемый для дорожных одежд переходного типа 0,85. Следовательно, допустимый риск рассмотренных выше конструкций (с геоячейками и без них) равен: гдоп = 1 — 0,85 = 0,15. Результаты расчета приводятся в таблице.

В результате проведенных расчетов при совместном использовании предложенной выше методики и исследований СоюздорНИИ [3] установили, что срок службы дорожной одежды переходного типа (при гдоп = 0,15) без применения в ней геоячеек составляет 2,2 года, а с использованием геоячеек — 3,2 года.

Дальнейшие исследования по оценке риска разрушения дорожных конструкций должны быть направлены на изучение работы слоя «геоячейки + щебень» в защемленном состоянии, т. е. когда слой «геоячейки + щебень» не является верхним в конструкции. Модель, описывающая защемленное состояние, представлена Н.Н. Ивановым [5]. Принципы конструирования, описанные им, до сих пор применяются на практике и заложены в действующие нормативные документы.

Ключевые слова: допустимый риск, срок службы, геоячейки, дорожная одежда, эквивалентный модуль упругости, теория риска.

Список литературы

1. Львович Ю.М. Геосинтетические и геопластиковые материалы в дорожном строительстве // Автомобильные дороги. Обзорная информация / М.: Информавтодор, 2002. Вып. 7.

2. Проектирование нежестких дорожных одежд (ОДН 218.046—01) / Гос. служба дор. хоз. Министерства транспорта РФ. М.: Транспорт, 2001. 145 с.

3. Пшеничникова Е.С., Хусаинов И.Ж. Метод расчета прочности дорожной одежды с объемной георешеткой // Дороги. Инновации в строительстве. 2011. № 7. С. 28-30.

4. Кокодеева Н.Е. Определение срока службы дорож-1П г ной одежды и темпов ее разрушения с учетом изменения влажности грунта в расчетный период года (с позиции теории риска) // Строительство и реконструкция. 2009. № 6/26 (574). С. 86-90.

5. Иванов Н.Н. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд. М.: Транспорт, 1973. 328 с.

'Е eö ЁС ёс Е eö Ei ёс

r

дои

4

0

rj научно-технический и производственный журнал

J^J ® январь 2012 59~