CC BY
98
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
oburmistrova@ugtu.net
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
