from 01.01.1983 to 01.01.2020
Belgorod, Russian Federation
from 01.01.2016 to 01.01.2020
Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
OKSO 08.04.01 Строительство
BBK 38 Строительство
TBK 54 Строительство
Road surface is one of the main components of highways, its condition ensures the safety and speed of traffic. Modern road surface is a complex engineering structure: it consists of layers of road construction materials laid in stages, which have various physical and mechanical properties. These properties are taken into account to ensure the safe movement of vehicles at any time of the year at the estimated speed, while preventing accidents and reducing traffic convenience. The method of structural numbers is one of the methods for calculating roadways. The possibility of its application for the design and calculation of road surface is analyzed. The article shows the possibility of using this rather simple method used in many countries, using a specific example. Since Russia is actively switching to the design of asphalt-concrete mixtures using the Superpave method, which improves the performance of road surfaces, this method has advantages in the design and calculation of road coverings, consisting in ease of use.
method of structural numbers, construction of road clothing, methods for calculating structures of road clothing, structural layers
Введение. За последние полвека создано большое количество разнообразных методов расчета дорожных одежд. У нас в стране был разработан и успешно применяется уже несколько десятилетий полуэмпирический метод, который включает оценку прочности конструкции в целом (с использованием эмпирической зависимости допускаемого упругого прогиба от числа приложений нагрузки) и оценку прочности с учетом напряжений, возникающих в отдельных конструктивных слоях и устанавливаемых с использованием решений теории упругости. Метод основан на расчетах и применении номограмм, построенных при решении задач теории упругости для модели многослойной среды. С учетом этих принципов разработаны специализированные программы расчета, позволяющие рассчитывать достаточно много вариантов конструкций дорожных одежд [1].
Основная часть. В мировой практике все методы можно разделить на две основные категории: аналитические и эмпирические. С помощью аналитических методов рассчитываются дорожные одежды, которые подвергаются нагрузкам более 10 млн эквивалентной нагрузки на одну ось (ESAL). Аналитические методы заключаются в анализе исходных данных, их интерпретации и преобразовании в значение нагрузочной пропускной способности дорожных одежд.
Эмпирические же методы применяются для дорожных одежд с низкой нагрузкой. Однако, если есть сомнения в том, что данная дорожная одежда выдержит рассчитанную нагрузку, для проверки применяют аналитический метод. Чем более сложным является метод расчета, тем более повышенные требования предъявляются к исходным данным [2].
К эмпирическим методам относят:
- метод калифорнийского числа SBR, который основан на определении несущей способности земляного полотна;
- каталогизированный метод, который базируется на типовых конструкциях дорожных одежд, созданных для различных случаев применения;
- метод DCP, в котором для обнаружения дефектов в дорожной одежде используется динамический конусный пенетрометр;
- метод индексирования дорожных одежд, при котором дорожным одеждам разных конструкций назначается свой индекс, зависящий от структурного числа;
- метод структурных чисел, в котором разным типам материала присваиваются определенные (структурные) коэффициенты [3].
Также на территории большинства стран Европы и США широкое распространение получили каталоги дорожных одежд. Каталоги представляют собой сборник типовых дорожных одежд с уже подобранными и рассчитанными слоями, оптимально подходящими для данной местности. Каталоги позволяют сэкономить время при проектировании автомобильных дорог, т.к. все расчеты произведены заранее. В РФ по заданию Росавтодора в настоящее время ведется разработка типовых каталогов дорожных одежд жесткого и нежесткого типов [4].
В настоящее время возросла необходимость совершенствования методики расчета дорожных одежд. Для решения данной проблемы более детально изучено и проанализировано динамическое воздействие многоосных транспортных средств [5], так как исследования напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции показывают, что основное разрушающее воздействие на автомобильную дорогу производят грузовые многоосные автопоезда, движение которых осуществляется с нагрузками, нередко превышающими нормативные.
Наибольший интерес представляет конструирование и расчет дорожной одежды методом структурных чисел, на конкретном примере расчета показана результативность данного метода (1 вариант) и сравнительный анализ с применяемым в настоящее время в РФ методом (вариант 2). Метод дополнен зависимостью структурного коэффициента грунта от модуля упругости последнего и корреляционной зависимостью основного параметра метода – «суммы структурных чисел» от требуемого модуля упругости дорожной конструкции.
Метод структурных чисел отличается от принятого в РФ метода проектирования нежестких дорожных одежд относительной простотой [6], он применяется в США с 1993 г. ассоциацией AASHTO. Метод структурных чисел активно используют в большинстве стран мира, т.к. он имеет ряд преимуществ: простота использования, быстрота получения результатов и возможность учета влияния климатических особенностей на поведение и характеристики материала, а также он позволяет без труда вводить в расчет новые материалы. Как и у всех «шаблонных» расчетов, надежность результатов здесь зависит от точности исходных параметров. Первым шагом, который определяет надежность расчета, является выбор для каждого слоя коэффициента, зависящего от его материала.
Метод заключается в том, что каждому виду материала, применяемого в дорожной одежде, присваивается определенный коэффициент Kc. Сумма произведений этих коэффициентов на толщину используемого слоя характеризует несущую способность дорожной конструкции. Так, структурные коэффициенты – аналоги значений модуля упругости, а сумма структурных чисел – аналог общего расчетного модуля упругости конструкции в соответствии с методикой, применяемой в настоящее время в РФ и описанной в ОДН [7] по нормативам СП [8]. Коэффициенты Кс конструктивных слоев из различных материалов приведены в табл.1.
Чтобы конструкция удовлетворяла необходимым требованиям, нужно, чтобы сумма структурных чисел ∑с была равна или больше расчетной суммы ∑ср, зависящей от суммарного расчетного числа приложений расчетной нагрузки за требуемый срок службы [9]. В соответствии с данным методом, меняя тип материала конструкции, можно уменьшить толщину дорожной одежды, что и показано в следующем расчете на примере дорожной одежды для дороги II технической категории из двухслойного асфальтобетонного покрытия на двухслойном щебеночном основании [10].
Для получения более экономичной, но равнопрочной конструкции, уменьшим толщины слоев асфальтобетона, но увеличим толщину слоев основания, чтобы сохранить сумму структурных чисел. Уменьшим слои плотного и пористого асфальтобетона до минимальных толщин в соответствии с ОДН 218.046-01 [7] на 1 см. Увеличиваем толщины слоев основания: щебень, укрепленный органическим вяжущим на 4 см, щебень по способу заклинки на 1 см. Получаем новую конструкцию дорожной одежды и сумму структурных чисел для 2-го варианта в табл. 3.
Произведем расчет конструкции дорожной одежды с изменёнными толщинами слоев и вычислим модуль упругости для 2-го варианта по методике, применяемой в РФ [7]:
Определим модуль упругости на поверхности 5-го слоя,
Определим модуль упругости на поверхности 4-го слоя,
Определим модуль упругости на поверхности 3-го слоя, МПа:
Определим модуль упругости на поверхности 2-го слоя, МПа:
Определим модуль упругости на поверхности 1-го слоя, МПа:
Таким образом, получены равнопрочные конструкции дорожной одежды по сравниваемым методам. Можно констатировать, что при расчете методом структурных чисел общий модуль упругости конструкции практически одинаков, но расчет производится быстрее и позволяет изменять толщины слоев, не прибегая к объемным расчетам и использованию номограмм.
В приведенных примерах расчета не учтен грунт земляного полотна, который по применяемой у нас методике входит в пакет рассчитываемых слоев. Для того, чтобы учесть грунт, необходимо увязать "наш" модуль упругости грунта с калифорнийским числом CBR, характеризующим несущую способность грунта в насыщенном водой состоянии. Исследования зарубежных специалистов показали [11, 12], что модуль упругости коррелируется с величиной CBR. Наиболее простой является эмпирическая зависимость:
;
. (1)
Формула (1) применима при CBR<10 %. Таким образом, для расчета конструкции дорожной одежды на упругий прогиб можно использовать эту зависимость и добавить в расчет грунт земляного полотна, получив равнопрочную конструкцию. Однако следует заметить, что CBR косвенно характеризует прочность материалов на сдвиг [13]. При экспериментальном определении CBR реализуются испытания статической нагрузкой, а дорожные одежды воспринимают динамические циклические нагрузки, поэтому фактические напряжения в дорожных одеждах меньше, чем при лабораторных испытаниях, что дает некоторый запас прочности.
Методу структурных чисел присущи недостатки:
1) отсутствие расчетных значений ∑ср, которые зависят от суммарного расчетного количества приложений расчетной нагрузки за срок службы;
2) как учесть модуль упругости грунта, хотя для грунтов с CBR от 15 до 40 % и от 7 до 15 % в [3] приводятся значения Кс, равные соответственно 0,031 и 0,024 см-1.
Однако исследованиями [9] данные недостатки устранены путем установления корреляционной зависимости между показателями суммы структурных чисел и общего модуля упругости конструкции дорожной одежды (рис. 1).
Выводы. Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что расчет дорожной одежды по методу структурных чисел достаточно прост, не использует большого количества расчетных формул, хорошо сочетается с применяемым в нашей стране методом расчета без использования компьютерных программ. С учетом назревшей на современном этапе необходимости изменения отечественного метода расчета дорожной одежды этот метод вполне жизнеспособен, удобен и может быть рекомендован для практического использования.
1. Bojkov V.N., Petrenko D.A., Lyust S.R., Skvorcov A.V. Automated road design system IndorCAD/Road. [Sistema avtomatizirovannogo proektirovaniya avtomobil'nyh dorog IndorCAD/Road]. Vestnik TGU. 2003. No. 280. Pp. 350-353. (rus)
2. Gercog V.N., Dolgih G.V., Kuzin N.V. Calculation of road surfaces based on evenness criteria. Part 1. Justification of asphalt concrete pavement evenness standards. [Raschet dorozhnyh odezhd po kriteriyam rovnosti. CHast' 1. Obosnovanie norm rovnosti asfal'tobetonnyh pokrytij]. Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal. 2015. No. 5(57). Pp. 45-57. (rus)
3. Wirtgen GmbH. Cold Recycling Wirtgen Cold Recycling Technology, 2012. 365 p.
4. Ushakov V.V. Cement concrete roads-our choice? [Dorogi iz cementobetona - nash vybor?]. Dorogi. Innovacii v stroitel'stve. 2018. No.68. Pp. 90-95. (rus)
5. Gorshkova N.G., Zhuravlev A.S. Influence of traffic flow structure and its characteristics on calculation of pavement design. Advances in Engineering Research, volume 158. International Conference "Aviamechanical engineering and transport" (AVENT 2018). Pp. 474-477.
6. AASHTO / Guide for the Design of Pavement Structures. Washington, 1993. 624 p.
7. ODN 218.046-01. Design of non-rigid road clothing. [Proektirovanie nezhestkih dorozhnyh odezhd]. Informavtodor, 2001. 143 p. (rus)
8. SP 34.13330.2012. Motor road. [Avtomobil'nye dorogi]. Gosstroj Rossii, 2013. 137 p. (rus)
9. Bahrah G.S. To the construction of road surface with regenerated layer using the method of structural numbers. [K konstruirovaniyu dorozhnoj odezhdy s regenerirovannym sloem po metodu strukturnyh chisel]. Dorogi i mosty. 2015. No. 2. Pp. 223-234. (rus)
10. Gorshkova N. G., Zhuravlev A. S. Determining the load of a multi-axle vehicle on road clothing. [Opredelenie nagruzki ot mnogoosnogo transportnogo sredstva na dorozhnuyu odezhdu]. Nauka i tekhnika v dorozhnoj otrasli. 2019. No. 1. Pp. 22-24. (rus)
11. Heukelom W., Foster C.R. Dynamic Testing of Pavements. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol. 86, No. SM1. 1960. Pp. 1-28.
12. Heukelom W., Klomp A.J.G. Dynamic Testing as a Means of Controlling Pavements During and After Construction. Proc., of 1st International Conference on Structural Design of Asphalt Pavements. 1962.
13. Semenova T.V., Dolgih G.V., Polugorodnik B.N. Application of the California load capacity number and dynamic cone penetrometer to assess the quality of soil compaction. [Primenenie Kalifornijskogo chisla nesushchej sposobnosti i dinamicheskogo konusnogo penetrometra dlya ocenki kachestva uplotneniya gruntov]. Vestnik SibADI. 2014. No. 1. Pp. 59-66. (rus)
