3857

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 1. Значения коэффициента прочности по допускаемому упругомупрогибу дорожной одежды от категории дороги в зависимости от уровня заданной надежности:

а) ОДН 218.04601; МОДН 2-2001; б) ПНСТ 265-2018 (уровень надежности 1 — 0,98; 2 — 0,95; 3 — 0,90).

где К — категория дороги. Коэффициент корреляции равен 1,0.

При выборе материала для дорожных покрытий облегченного типа нормативным документом ОДН 218.046-01 допускается применение как асфальтобетонных смесей (горячих и холодных), так и органоминеральных. Принятым документом ПНСТ 265-2018 определено, что при устройстве таких покрытий необходимо применять только органоминеральные смеси.

В зависимости от дорожно-климатической зоны и категории дороги нормативными документами ОДН 218.046-01 и СП 34.13330.2012 устанавливается межремонтный срок эксплуатации дороги в пределах 13—20 лет. Новый стандарт ПНСТ 265-2018 устанавливает межремонтные сроки проведения работ по капитальному ремонту для дорог I—IV категорий 24 года и ремонту 12 лет.

Принятие таких межремонтных сроков эксплуатации предъявляет более высокие требования к прочностным характеристикам слоев дорожной одежды, зависящим от действующей нагрузки и интенсивности движения транспортных средств. В табл. 1 представлены изменения требований к суммарному минимальному расчетному числу приложений расчетной нагрузки на наиболее нагруженную полосу дорожного покрытия в зависимости от категории дороги.

Из представленных данных видно, что повышение требований к суммарному минимальному числу приложений расчетной нагрузки на наиболее нагруженную полосу дорожной одежды относится ко всем категориям дорог. Анализ минимального расчетного числа приложений расчетной нагрузки на наиболее нагруженную полосу по категориям дорог подчиняется линейной зависимости и имеет общую закономерность для всех нормативных документов.

30

С увеличением числа приложений расчетной нагрузки изменяются требования к минимальному требуемому модулю упругости дорожной одежды, который характеризует способность дорожных одежд сопротивляться процессу развития остаточных деформаций под действием нагрузки от транспортных средств. При движении транспортных средств под действием осевой нагрузки в зоне контакта шины с поверхностью покрытия возникает упругий прогиб дорожного покрытия, зависящий от прочности дорожной конструкции. Для обеспечения заданного срока службы дорожной одежды необходимо, чтобы возникающая деформация под действием нагрузки не превышала предельно допустимый прогиб дорожных покрытий.

Исследованиями [1, 8, 9, 14, 15] установлена связь минимального требуемого модуля упругости дорожной одежды от предельного упругого прогиба дорожного покрытия (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость модуля длительной упругости асфальтобетонного покрытия от величины предельного упругого прогиба

Данная зависимость характеризует связь модуля длительной упругости покрытия нежесткого типа с величиной предельного упругого прогиба при интенсивности движения 103 авт./сут с приведенной к расчетному автомобилю нагрузкой 10 кН.

Численное значение модуля длительной упругости асфальтобетонного покрытия в зависимости от величины упругого прогиба можно определить следующим образом:

где λупр — упругий прогиб покрытия, мм. Коэффициент корреляции зависимости равен 0,99. Экспериментальными исследованиями [1, 14] установлена зависимость между величиной предельного упругого прогиба дорожной одежды и интенсивностью движения транс-

портных средств (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость величины предельного упругого прогиба дорожного покрытия от интенсивности движения до 103 авт./сут с приведенной нагрузкой 10 кН к расчетномуавтомобилю

Расчетное значение величины предельного упругого прогиба дорожного покрытия в зависимости от интенсивности движения имеет вид:

31

Научный журнал строительства и архитектуры

где Ν — интенсивность движения транспортных средств, 103 авт./сут. Коэффициент корреляции зависимости равен 0,98.

С учетом установленных зависимостей минимального модуля упругости, предельного упругого прогиба дорожного покрытия и числа приложения нагрузки нормативными документами ОДН 218.046-01 и МОДН 2-2001 принята эмпирическая зависимость, определяющая минимальный модуль упругости дорожного покрытия в зависимости от числа приложения нагрузки при расчетном удельном давление колеса р на дорожное покрытие в пределах 0,5—0,6 МПа, которая имеет вид:

где Nр — суммарное расчетное число приложений нагрузки за срок службы дорожной одежды; с — эмпирический параметр, принимаемый равным для расчетной нагрузки на ось

100 кН — 3,55; 110 кН — 3,25; 130 кН — 3,05.

Прочностные характеристики дорожных одежд зависят от предельных нагрузок на ось расчетного двухосного автомобиля. Нормативными документами ОДН 218.046-01 и МОДН 2-2001 расчетная нагрузка на дорожную одежду представлена в виде группы расчетной нагрузки (А1, А2, А3), соответствующей нормативной статической нагрузке на ось автомобиля 100, 110 и 130 кН при расчетном параметре подвижной нагрузки на дорожную одежду, за который принимается удельное давление колеса на дорожное покрытие (давление воздуха в шинах) р = 0,6 МПа.

В зависимости от суммарного минимального расчетного числа приложений расчетной нагрузки на наиболее нагруженную полосу и категории дороги нормативными документами ОДН 218.046-01 и МОДН 2-2001 определены значения требуемого минимального модуля упругости, не учитывающие группу расчетной нагрузки А (табл. 2).

Таблица 2 Минимальное значение требуемого модуля упругости дорожной одежды на наиболее нагруженную полосу

Результаты расчетов минимального требуемого модуля упругости дорожной одежды по зависимости (5) показали, что предложенный минимальный требуемый модуль упругости дорожной одежды обеспечивается при нагрузке А1. С увеличением группы нагрузки возрастает минимальный требуемый модуль упругости дорожной одежды.

Зависимость минимального требуемого модуля упругости дорожной одежды от технической категории дороги и группы расчетной нагрузки представлена в техническом кодексе установившейся практики в Республике Беларусь ТКП 45-3.03-112-2008 (02250) «Автомобильные дороги. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования» (табл. 3).

Повышение грузоподъемности транспортных средств приводит к изменению конструктивных параметров автомобильных шин, что позволяет повысить давление в шине, а следовательно, нагрузку на дорожную одежду.

В то же время нормативными документами СП 34.13330.2012, ГОСТ 32960-2014 и ПНСТ 265-2018 группа расчетной нагрузки для покрытий капитального типа принимается А-11,5 с осевой нагрузкой 115 кН при расчетной нагрузке на дорожное покрытие (давление воздуха в шинах) 0,8 МПа, а для покрытий облегченного типа группа расчетной нагрузки —

32

А-10 с нагрузкой на ось 100 кН. В ОДН 218.046-01, МОДН 2-2001 давление воздуха в шинах принимается равным 0,6 МПа, независимо от группы расчетной нагрузки и типа дорожной одежды, кроме того, группа расчетной нагрузки А2 соответствует нагрузке на ось 110 кН.

Таблица 3

Значение требуемого модуля упругости дорожной одежды в зависимости от категории дороги и группы нагрузки, МПа

Для покрытий капитального типа, где давление на покрытие отличается от 0,6 МПа, нормативным документом ПНСТ 265-2018 при расчете минимального требуемого модуля упругости предлагается зависимость, учитывающая повышение расчетной нагрузки по формуле:

где р — расчетное давление на покрытие; Nр — суммарное расчетное число приложений приведенной расчетной нагрузки на полосу движения за нормативный межремонтный срок службы проведения работ по капитальному ремонту, эмпирический параметр, равный для расчетной нагрузки: А-10 — 3,55; А-11,5 — 3,20.

Повышение давления в зоне контакта шины с покрытием с 0,6 до 0,8 МПа, а также увеличение суммарного минимального расчетного числа приложений расчетной нагрузки на наиболее нагруженную полосу требует повышения минимального требуемого модуля упругости дорожной одежды, что учитывается документом ПНСТ 265-2018 (табл. 4).

На основании проведенного анализа нормативной документации по расчету дорожных одежд нежесткого типа по допускаемому упругому прогибу установлено, что в современных условиях эксплуатации автомобильных дорог с учетом роста интенсивности движения транспортных средств и повышения осевой нагрузки на дорожные одежды возникла потребность пересмотра нормативной базы по расчету прочностных характеристик дорожных одежд нежесткого типа по допускаемому упругому прогибу, что нашло отражение в нормативном документе ПНСТ 265-2018. Однако в данном документе не учтена нагрузка на ось 130 кН, что характерно для большегрузного транспорта.

2. Определение параметров транспортного потока. Для уточнения нагрузки на до-

рожное покрытие при движении транспортного потока с интенсивным движением и значи-

33

Научный журнал строительства и архитектуры

тельной осевой нагрузкой в натурных условиях проведены экспериментальные исследования, позволяющие уточнить влияние транспортного потока на прочностные характеристики дорожных одежд.

Исследования проводились на федеральной дороге II технической категории с покрытием нежесткого типа при движении транспортного потока в летний период времени. Результаты измерения интенсивности движения транспортных средств с разной осевой нагрузкой на рассматриваемой участке дороги показали, что суточная приведенная интенсивность движения составляет около 20000 авт./сут. Транспортные средства, передвигающиеся по данному участку дороги и параметры контакта шины с дорожным покрытием для данной группы машин и автопоездов (легковые длиной 4—6 м, малые грузовые — 6—9 м, грузовые — 9—13 м) представлены в табл. 5.

Анализ транспортного потока по воздействию осевой нагрузки на дорожное покрытие показал, что доля грузового транспорта, превышающего расчетную нагрузку на дорожные одежды, составляет от 30 до 40 % от общего количества транспортных средств. Из представленных в табл. 5 данных видно, что передаваемая нагрузка на дорожное покрытие изменяется в широком интервале в зависимости от осевой нагрузки автомобиля.

Анализ конструктивных параметров пневматических шин для автомобильного транспорта показал, что они находятся в широких пределах. В соответствии с ГОСТ Р 52899-2007 для каждой марки шины нормированы эксплуатационные режимы (нагрузка и давление). Установлено, что площадь контакта пневматической шины, а также распределение напряжений в зоне контакта шины с поверхностью покрытия зависит не только от нагрузки и внутреннего давления в шине, но и от конструктивных параметров шины. В зависимости от грузоподъемности и конструктивной схемы машины воздействие транспортного потока на дорожную конструкцию разное. Повышение нормативного давления в зоне контакта шины с покрытием, как правило, характерно для большегрузного транспорта, что не учитывается увеличением осевой нормативной нагрузки и разделением на группы расчетной нагрузки.

Нормативными документами ГОСТ 32960 и ПНСТ 265-2018 учитывается расчетная нагрузка на дорожное покрытие 0,8 МПа. Из представленных в табл. 5 данных видно, что в настоящее время при движении транспортного потока нагрузка на дорожное покрытие превышает рекомендуемую величину и может достигать до 0,9 МПа. Принимая расчетную нагрузку на покрытие при 0,6 МПа за единицу (согласно ОДН 218.046-01), представим на рис. 4 зависимость величины коэффициента превышения нагрузки под шиной от действующей нагрузки транспортного средства.

Численное значение коэффициента превышения нагрузки под шиной от действующей нагрузки можно определить по зависимости:

где р — расчетное удельное давление под шиной (0,6 МПа). Коэффициент корреляции зависимости равен 0,99.

34

Рис. 4. Зависимость величины коэффициента превышения нагрузки под шиной от действующей нагрузки транспортного средства

Тогда зависимость (6) можно представить в виде:

Для уточнения влияния интенсивности движения транспортных средств на минимальный модуль упругости используем зависимость (5) с учетом прогнозируемой интенсивности движения до 40000 авт./сут при расчетной нагрузке на дорожную одежду 10 кН. Результаты расчетов представлены в виде зависимости на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость величины минимального модуля упругости от интенсивности движения

Численное значение минимального модуля упругости в зависимости от интенсивности движения может быть определено следующим образом:

где Ν — интенсивность движения транспортных средств, 103 авт./сут. Коэффициент корреляции зависимости равен 0,99.

Представим данные на рис. 5 в относительных значениях, принимая условно интенсивность движения при 103 авт./сут за единицу, обозначим принятую величину коэффициентом влияния интенсивности движения КN транспортных средств на минимальный модуль упругости дорожной одежды.

На рис. 6 представлена зависимость величины коэффициента КN от интенсивности движения до 40000 авт./сут.

Рис. 6. Зависимость величины коэффициента КN от интенсивности движения, 103 авт./сут

35

Научный журнал строительства и архитектуры

гдеN—интенсивностьдвижения,103авт./сут.Коэффициенткорреляциизависимостиравен0,99.

Внормативных документах при расчете на прочность дорожной одежды интенсивность движения транспортных средств выражена через суммарное минимальное расчетное число приложений расчетной нагрузки на наиболее нагруженную полосу.

Вотличие от ОДН 218.046-01 и МОДН 2-2001, где число приложений приведенной расчетной нагрузки на дорожную одежду составляет 750000, документом ПНСТ 265-2018 число приложений приведенной расчетной нагрузки составляет 1285000. Учитывая зависимость (5), на рис. 7 представлена зависимость минимального модуля упругости от интенсивности движения до 30000000 приложений приведенной расчетной нагрузки к дорожной одежде с учетом группы нагрузки при расчетном давлении на покрытие 0,6 МПа.

3 2 1

Рис. 7. Зависимость минимального модуля упругости от числа приложений приведенной нагрузки: 1 — А1; 2 — А2; 3 — А3

Для установления общей закономерности зависимости минимального модуля упругости от числа приложений приведенной расчетной нагрузки представим расчетные значения, представленные на рис. 7, в относительных значениях, принимая условно минимальные модули упругости при 750000 приложений приведенной нагрузки при разных группах нагрузки за единицу. Обозначим данную величину коэффициентом влияния числа приложений приведенной нагрузки.

На рис. 8 представлена зависимость величины коэффициента влияния от числа приложений приведенной расчетной нагрузки.

Рис. 8. Зависимость величины коэффициента влияния от числа приложений приведенной расчетной нагрузки

36

где N — число приложений приведенной нагрузки. Коэффициент корреляции уравнения ра-

вен 0,99.

Согласно ТКП 45-3.03-112-2008 (табл. 3) величина требуемого модуля упругости зависит от группы нагрузки. На рис. 9 представлены зависимости влияния группы нагрузки на величину требуемого модуля упругости для разных категорий дороги.

1 — I категория;

2 — II категория;

3 — III категория;

4 — IV категория

Рис. 9. Зависимость требуемого модуля упругости от группы нагрузки для разных категорий дороги

Из полученных на рис. 9 данных видно, что модуль упругости дорожной одежды зависит от группы нагрузки и подчиняется прямо пропорциональной зависимости.

Анализ представленных зависимостей по определению минимального требуемого модуля упругости от группы нагрузки показал, что независимо от категории дороги они характеризуются линейной зависимостью.

Для установления общей зависимости требуемого модуля упругости от группы нагрузки представим данные рис. 9 в относительных значениях, принимая модуль упругости для группы нагрузки А1 за единицу. Обозначим принятую величину коэффициентом влияния группы нагрузки на модуль упругости Кгн.

На рис. 10 представлена зависимость величины модуля упругости от группы нагрузки.

1 — по ОДН 218.046-01;

2 — по ПНСТ 265-2018

Рис. 10. Зависимость коэффициента влияния группы нагрузки Кгн на дорожную одежду от группы нагрузки А

Численное значение коэффициента влияния группы нагрузки Кгн на дорожную одежду определяется зависимостями:

по ОДН 218.046-01:

коэффициент корреляции зависимости равен 1,0;

37

Научный журнал строительства и архитектуры

по ПНСТ 265-2018:

где А — группа нагрузки. Коэффициент корреляции зависимости равен 0,99.

Тогда минимальный требуемый модуль упругости дорожной конструкции в зависимости от группы нагрузки может быть определен по следующим зависимостям:

по ОДН 218.046-01:

Следовательно, полученные зависимости позволяют определить требуемый минимальный модуль упругости покрытия в зависимости от группы нагрузки согласно нормативным документам ОДН 218.046-01 и ПНСТ 265-2018.

3. Влияние конструктивных параметров дорожной одежды на ее прочностные ха-

рактеристики. На рис. 11 представлены зависимости требуемого модуля упругости дорожной одежды от категории автомобильной дороги при интенсивности движения автомобилей менее 40000 авт./сут.

1 — А3;

2 — А2;

3 — А1;

4 — по ПНСТ 265-2018

Рис. 11. Зависимость модуля упругости дорожной конструкции от категории дороги при разных группах расчетной нагрузки

Из представленных на рис. 11 данных видно, что требуемый модуль упругости дорожной одежды зависит от группы расчетной нагрузки и категории дороги. Установлена корреляционная связь между категорией дороги и минимальным значением модуля упругости в зависимости от группы нагрузки. Численное значение требуемого модуля упругости дорожной конструкции с учетом группы нагрузки для любой категории дороги может быть определено по зависимостям, приведенным ниже, МПа:

по ОДН 218.046-01:

группа расчетной нагрузки А1:

Еупр 10К2 24К 215,

группа расчетной нагрузки А2:

группа расчетной нагрузки А3:

Еупр 2,5К2 16,5К 327,5;

38

по ПНСТ 265-2018:

Еупр 13,75К2 43,25К 298,75,

где К — категория дороги. Коэффициент корреляции уравнений равен 0,98.

Анализ данных на рис. 11 и зависимостей (16) показал, что независимо от нагрузки требуемый модуль упругости дорожнойконструкции подчиняется общей закономерности (рис.12).

Для получения общей зависимости требуемого модуля упругости от категории дороги представим зависимости (17) в относительных значениях, принимая модуль упругости для дороги I категории за единицу. Обозначим принятую величину коэффициентом влияния категории дороги на модуль упругости Кк.

Рис. 12. Зависимость коэффициента влияния категории дороги

на модуль упругости: 1 — ПНСТ 265-2018, 2 — ОДН 218.046-01

Численное значение коэффициента Кк может быть определено по зависимостям:

для ОДН 218.046-01:

где К — категория дороги. Коэффициент корреляции зависимостей равен 0,98.

Толщина дорожного покрытия влияет на требуемый модуль упругости и зависит от транспортной нагрузки. Документами ПНСТ 265-2018, СП 34.13330.2012 рекомендуется укладывать слои покрытия нежесткого типа толщиной 0,10—0,12 м при условии, что толщина конструктивного слоя должна быть не менее двойного размера наиболее крупной фракции применяемого минерального материала. С учетом данных рекомендаций на рис. 13 представлена зависимость требуемого модуля упругостиЕтр от толщины верхнего слоя покрытия.

Рис. 13. Зависимость требуемого модуля упругости Етр от толщины верхнего слоя покрытия

Численное значение требуемого модуля упругости с учетом толщины верхнего слоя покрытия определяется по зависимости:

где Нсл — толщина слоя покрытия из асфальтобетона, м. Коэффициент корреляции зависимости равен 0,99.

39