автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка конструкции и оценки напряженно-деформированного состояния жесткой дорожной одежды со сборным основанием из решетчатых плит

hJ '

57/ГЗ з

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОШЖГ РОССИЙСКОЙ ЗВДРАЦШ по ШСШШ ОБРАЗОВАНА

СИБИРСКИЙ АВТОМОБИЯШО - ДОРОШЙ ИНСТГОТ

На правах рукописи СОДЧЕНКО ВИКТОР МАКСИМОВИЧ Ш 625.851 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ И ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-

даошровАНнопз состояния шлкои дорошоа одада со сборным основанием из ршетчаш плит #

Специальность 05.23,11 - Строительство автомобильных

дорог и аэродромов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

С.А.Матвеев

Научный консультант кандидат технических наук,

профессор

В.П.Никиткн

Омск 1995

г

ОГДАШЕШЕ

ЗБЕМШ .............................................' 5

Глава I. СССТОЯьЕ ВОПРОСА И ЗДДАЧЛ

ИССЛЕДОБАН.Ш................................ 8

1.1. Анализ срока службы яестких дорожных одежд с различной степенью сцепления конструктивных слоев..............................8

1.2. Анализ конструктивных решений, используемых для обеспечения совместной работы слоев жестких дорожных одежд......... 13

1.3. Выводы, цель и задачи исследования ......... 20

Глава 2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ МНОГОСЛОЙНОЙ

ЖЕСТКОЙ данной оmm со СКРЕПЛЕННЫМИ СЛОЯМИ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОБАНШ ЕЁ

МРЯШШО-даФОРМИРОБАШОГО СОСТОЯНИЯ........ 33

2Д. Разработка конструкции многослойной жесткой дорожной одежцы со скрепленными слоями................................. 33

2.2. Исследование основных параметров и

характеристик предлагаемой дорожной

»

конструкции.............................................................37

обоснование расчетной схемы ................ 4,

2.4. Решение задачи об изгибе, многослойной

жесткой дорожной одещды .............................50

2.5. Анализ результатов расчета.................. 67

2.5. Выводы по главе 2........................... 80

(

Глава 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСОЕДСВАНИЯ iG.iUik

ЖРХЛОЙКЫХ ЖТЖ ДОРОДНЫХ ОДЕДД.........32

3.1. Исследование прочности на срез

материалов, укрепленных вяяущим ............ 32

3.1 Л, Методика проведения исследований..........32

3.1.2. Результаты исследований ..................35

3.2. Исследование напряженно-деформированного состояния моделей дорожных одежд поляризационно-оптическим методом .......... 39

3.2.1. Материалы и оборудование ................. 39

3.2.2. Результаты исследований ................. J0I

3.3. Выводы по главе 3..........................JII

Глава 4. СТЕНДОВОЕ ИСПЫТАНИЯ ЖЕСТКОЙ ДОРОДНОЙ

О№Щ СО СБОРНЫМ ОСНОВАНИЕМ ИЗ

РЕШЕТЧАТЫХ ПЛИТ.............................J13

4.1. Цель и задачи исследований..................ИЗ

4.2. Конструкции, материалы и оборудование......113

4.3. Методика исследований.....................Д23

4.4. Анализ результатов испытаний................136

4.5. Выводы по главе 4.........................Д48

Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛИТ И

ООШО-ЭКСПШШЕЖАЛЬНОЕ СТЮШЛЬСГВО. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭШКГШОСТЬ ЖСЛЕДУЕШХ

дороаных одад...............................149

5.1. Технология изготовления

решетчатых плит............................ .149

5.2. Опытно-експериментальное

строительство ..............................165

5.3. Результаты испытаний дорожных

одежд.......................................184

«

j.-t. с.сономииеская эффективность

результатов исследований................... 190

j.o. выводы по глазе о......................... 197

Jb Joi>J,4i ........................................ 193

wLlwa ,iUi€^lb3<mAi:lii*A ЛС/Гj4h!lnuD..................... 199

i. иопии патентов и авторе, m

свидетельства ......................... 216

Программа об^аботш разуть гитов

испытаний на %станов"е "лАьЫи"......... 221

1РШШЕЫ1Е о. Результаты стендовых испытаний........ 226

1Р1ЬЮ«*£ш1Ь (4. Акты на строительство и обследование

опытных участков дорог ................ 237

ЛРгШОлЕНИЕ 5w Акт о внедрении результатов

диссертационной работы................ 255

*

t

?'--ст -фсмышленного и сельскохозяйственного производства, ^вели^еь.ие объеме в строительства и грузооборота сопровождается возрастанием лнгенсивности движения и скорости транспортных лотолоз, ювчаенисм нагрузок от подвижного состава на дорожкою одечд:.

щее ?венным недостатком нежесткой дорожной одежды «вляется юзы пенная де^срмативнссть, которая при большой интенсивности движения транспортных средств приводит к разрушению не только самого покрытия, но и к разрушению основания.

па современных автомобильных дорогах обычно устраивают дорожные одежды с монолитными слоями, Они, особенно с покрытиями усовершенствованного типа асфальтобетонными и цементо-бетонными при соответствующем качестве исполнения, в большенсТ' ве случаев в достаточной степени отвечают требованиям тяжелого

■V ^

и скоростного движения автомобилей. Но монолитные покрытия,

*i

' в первую очередь, цементобетонные, наряду с существенными положительными качествами имеют ряд конструктивных технологи-честах недостатков, с_х воэ^ость „ Активность

их применения, как-то; существенную зависимость производства

«

работ от погодно-климатических условий; невозможность открывать движение транспорта до истечения срока твердения и упрсиения бетона; ограниченная дальность транспортирования бетонной смеси (в обычных условиях 30-40 км), обусловленная сроками схватывания цемента и др..Кроме того, строительство гаких типов покрытий для дорог малой протяженности оказывается экономически невыгодно, так как не позволяет эффективно применять высокопроизводительные бетоноукладочные машины.

Зги .недостатки а значительной мере устраняются, если перейти к устройству покрытий и оснований из предварительно изготовленных в заводских условиях плит, что позволяет сократить трудоемкость работ на дороге, устранить укладку, уплотнение смеси и уход за твердеющим бетоном, *1литы сборных покрытий и оснований можно изготавливать в заводских условиях или на приобъектных полигонах круглый год независимо от погод-но-климатических условий сезона. .Это снижает их стоимость, уменьшает затраты труда, материалов и других средств на единицу продукции. Качество плит, изготовленных в стационарных или полустационарных хорошо оборудованных цехах существенно повышается.

хЬшты сборных покрытий и оснований можно перевозить на экономически выгодные расстояния. Круглогодичное изготовление плит позволяет вывозить их к месту укладки в течении- всего года,что обеспечивает более равномерную потребность в автотранспорте.

Наряду с целым радом положительных свойств сборные покрытия имеют и недостатки, основными из которых являются: большое количество швов (стыков) между плитами снижающих ровность и вызывающих разрушение покрытия, большой расход арматуры, высокая строительная стоимость.

JgmtM из возможных путей совершенствования строительства современных автомобильных дорог может быть применение комбинированных дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием на сборном основании из элементов заводского изготовления.

морожные одежда со сборными основаниями под асфальтобетонное покрытия характеризуются повышением уровня индустриализации дорожного строительства, что отвечает основным направлениям современного строительного производства.

!

1 ?

, 1

Строительство дорожных одежд со сборными основаниями создает условия для принятия наиболее рациональных и экономичных конструктивных решений, совершенствования механизации процесса укладки плит, дает возможность удлинить строительный сезон и сокранить сроки ввода дорог в эксплуатацию.

Учитывая постоянный рост объемов производства сборного железобетона, можно полагать, что переход к дорожным одеждам со сборным основанием под асфальтобетонное покрытие открывает позые возможности получения прочных, долговечных и экономичных дорожных одежд. Б нашей стране и за рубежом продолжаются исследования в области совершенствования конструкций плит сборных покрытий и оснований, методов их расчета, а также способов укладки плит. Это свидетельствует о том, что многие вопросы проектирования и строительства дорожных одежд со сборными покрытиями и основаниями разработаны в недостаточной степени. Поэтому необходимо дальнейшее совершенствование конструкций дорожных одежд со сборными основаниями и технологии их строительства.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА Л ЗА^ЧЛ ЛСОЕДОВАЬЛН

1,1. Анализ срока службы жестких дорожных одежд с различной степенью сцепления конструктивных слоев.

Несущая способность многослойных зестких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием определяется жестксстью каждого конструктивного слоя и степенью связности слоев меащу собой. В то же время при расчете дорожных одежд большое внимание необходимо уделять температурным напряжениям.

Для анализа влияния различной степени сцепления асфальтобетонного покрытия с бетонным основанием на срок службы жесткой дорожной одежды выполнены теоретические расчеты. Рассмотрено напряженное состояние на уровне подошвы асфальтобетонного покрытия (рис. I.I) от действия подвижной нагрузки и температурного воздействия при поперечном изгибе двухслойной жесткой дорожной одежды с помощью известных решений

С. ^«.

112,114].

В случае, если плита состоит только из двух слоев ( Я «2), расстояние до срединной плоскости (рис.1.1) определяете?! по формуле

jt

. 2С = - ал.) .

Расстояние между срединной и нейтральной плоскостями двухслойной плиты определяется на основании зависимости jsij.

hi

2

hj a

/

z3o

Ею

■20

z

Ei

no.

£

Еэо

Рис. I.i. Схема определения геометрических характеристик двухслойной плиты

Zio -расстояние от нейтральной . оси двухслойного сечения до верхней или нижней поверхности слоев; Zi -ординаты срединных плоскостей слоев; Hi, Иг -толщина соответственно цементобетонного основания и асфальтобетонного покрытия.

ч

-J __ ill (l-^)

/ 3A. • f! = ^ •

где > J* iit '

С p - модули упругости материалов слоев дорожной 2.

одежды.

Значения погонных моментов инерции нижнего Ji и верхнего За конструктивных слоев определяются на основании решения Федорова Ю.П. [lI2 ] для двухслойной системы в зависимости от коэффициента связности слоев \ :

где Zio, Z20, И30- расстояния от нейтральной оси двухслойного сечения дорожной одежды до соответствующих границ слоев; % - коаффипиент связности конструктива слоев дорожной одежды. При \ «0, ^ . полное сцепление - совместная работа

слоев; \ «I, полное проскальзывание -отсутствие сцепления между слоями.

Приведенная цилиндрическая жесткость» 9) двухслойной плиты при изгибе равна

^ Ei • Е». За /т . .

Ъ'—г^п—*

■•де

|[ I» - усредненный коэффициент ауассона .материала верхнего и нижнего слоев дорожной одеящы, определяемый по формуле

ц Ki • fi-i + На, (1.6.)

* hi+ кг

где Jll,JUj~ коэффициенты Пуассона материалов слоев дорожной

одежды.

Упругая характеристика двухслойной пли™ I . входят

в формулу для определения изгибающего момента, определяется из зависимости ч

Е

эо

где ' Еэд - эквивалентный модуль упругости на поверхности

неукрепленного основания; JUo- эквивалентный коэффициент Пуассона на '

поверхности неукрепленного основания» Упругая характеристика нижнего и верхнего слоев дорожной одежды L *t имеет вид [ш]

где Еэо, - эквивалентный модуль упругости материала под нижнем слоем дорожной оцещы; £3Qi- то же, под верхнем слоем дорожной одежды. Значение эквивалентного модуля упругости материала под верхнем слоем Езог определяется по формуле (ш].

ЕЭОа = 0,91 r^/fe - <1.9.)

где- R - эквивалентный радиус отпечатка колеса расчетного автомобиля.

Расчетный изгибающий момент М * в двухслойной «веткой

*

дорожной"одежде можно определить как для плит из одного материала (например, по формуле М,И.Горбунова-Посадова )

\к= ? (о,05 92 - 0,092&4 • tin 3=-).

Л (1ЛО.)

Проверка прочности по наибольшим растягкваодш напряжениям в верхнем и нижнем (о pi слоях жесткой дорожной одежды от действия временной нагрузки выполняется по формулам [63]

(о.

Е t * 1А. / - ч * P1 = \ ^ "" > (1Л1.)

i 13 = ■'■(i-JU.i)» ^ " <1.12.)

P<

-асчет температурных напряжений в двухслойных жестких дорожных одеящах на подошве асфальтобетонного покрытия при свободном смещении слоев (без учета релаксации материала покрытия) выполняется по формуле [423

*

• <3tl = ^'^аТ . С* , . . (х.хз.)

где <^2, Еа- соответственно коэффициент линейного

температурного расширения и модуль упругости асфальтобетона;

Л Т - перепад температуры между верхней и нижней поверхностями асфальтобетоного покрытия;

Сх " коэффициент коробления асфальтобетонного покрытия.

Температурные напряжения,возникающие на подошве асфаль-

. > / -

тобетонного покрытия при полном сцеплении слоев дорожной одежды, опредчллсггся по формуле

Pta - -тг-1-'--Сх <1Л4.)

где / £ - коэффициент линейного темпергатурного

расширения нижнего бетонного слоя.

Суммарное растягивающее (сжимающее) напряжение на нижней поверхности асфальтобетонного покрытия жесткой дорожной одежды от подвижной нагрузки и температурных воздействий при различном сцеплении конструктивных слоев определяется по

формуле

i

<5*с = вра + . (Х.Хо.)

Зная суммарное напряжение на нижней поверхности асфальтобетонного покрытия, можно определить расчетное число циклов нагружений покрытия за. период эксплуатации [45 J

I

■ Ц^-к-Ч^' : «•*•>

i г

где )(, - число циклов приложения нагрузки за срок

службы до капитального ремонта; 1>и - требуемая динамическая прочность асфальтобетона на изгиб "при температуре 0°С; М - коэффициент усталости асфальтобетона.

t

По аналогии с выражением (1.16.) допускаем, что для

суммарного сжимаяцего напряжения на нижней поверхности

■ t

асфальтобетонного покрытия расчетное число циклов нагружений

за период эксплуатации можно определять по формуле

»

где Ivcjk ~ требуемая прочность асфальтобетона на

сжатие при температуре 0°С., Срок службы асфальтобетонного покрытия на бетонном основании при различной степени сцепления конструктивных слоев дорожной одежды определяется из выражения [4?J

т .

Jft = И L (I.I8.)

где «^t - среднесуточная интенсивность движения через

1 лет-эксплуатации асфальтобетонного покрытия;

YI - число расчетных дней в году с температурой воздуха 0°С;

Т - срок службы асфальтобетонного покрытия; . - показатель роста интенсивности движения; - среднесуточная интенсивность движения » . течение первого года эксплуатации.

Из выражения (1.18.), опуская промежуточные выводы, выразим срок службы асфальтобетонного покрытия с различной степенью сцепления конструктивных слоев жесткой дорожной одежды

*

ti-jft-W (1Л9Л

Формула (1.19.) была реализована при el.06, KL =20 дней для дорог 1У категории с JVt от 100 до оОО азт/сут, J категории с А от 500 до 1500 авт/сут и П категории с Ml от IoOO до мОО авт/сут. Среднесуточная интенсивность Jft через Т лет эксплуатации асфальтобетонного покрытия определена по формулам (1.16. - I.I7.) для дорожных одежд с различной степенью сцепления слоев.

Анализ результатов выполненных расчетов показывает, что напряженно-деформированиео состояние дорожных одежд существенно зависит от жесткости каждого конструктивного слоя и степени связности слоев меаду собой» Несмотря на то, что цилиндрические жесткости и изгибающие моменты в двухслойных плитах с полным сцеплением слоев значительно больше, чем в конструкциях с полным проскальзыванием слоев, суммарное напряжение (5с. на уровне нижней поверхности асфальтобетонного покрытия в конструкциях первого типа на 70-80 % меньше.

Установлено, что (прогнозируемые сроки службы жестких дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями и полностью

г

сцепленными слоями на 42-53 % выше сроков службы аналогичных

» S

конструкций со свободно проскальзывающими слоями (рис, 1*2), *

В то же время, прогнозируемые сроки службы дорожных одежд с полностью сцепленными слоями для дорог й категории превышают средние нормированные сроки на 7-13 %, для дорог Ш категорий на 19-24 %, для дорог 1У категорий на 47-53 %.

г

Таким образом, можно сделать вывод, что при обеспечении полного сцепления между конструктивными слоями при существующих нормативных сроках службы имеется возможность создать дорожные одежды с меньшими толщинами слоев по сравнению со случаем отсутствия сцепления.

20

i2

%

_- ' ■' ' ' ' ' ' ' **

—*—«—. ------ --- К — V к-- -- X.

•

- — — —. _ • в1_* -J 1 1

* J 1 г —

• 1 i • 1 ч *>

1QQ

200

№ Ш f500

iQOO

iTrl

o5T/CST

200 О

Рис. 1.2. Прогноз сроков службы жестких двухслойных дорожных одеад с асфальтобетонным покрытием при различней степени сцепления конструктивных слоев. ---слои не соеплены;

•5 W

слои слеплены; средний нормированный срок службы покрыт** до капитального ремонта|аб,87].

—х— х-

1.2. Анализ конструктивных решений, используемых для обеспечения совместной работы слоев жестких дорожных одежд.

Дрочность и работоспособность сборных покрытия (оснований) з значительной степени зависят от свойств нижележащего слоя и о? обеспечения плотного контакта и сцепления каждой плиты с нижележащем слоем. Особенно велика эта зависимость в плитах жесткого типа, плохо воспринимающих растягивающие напряжения при изгибе (бетонных и слабоармированных).

"Исследованию плотности контакта плит сборного покрытия с основанием посвящены многие работы в нашей стране и за рубежом.

В.М.Могилевичем [73] предложено учитывать поправочный коэффициент в расчетной формуле толщина плиты сборных покрытий , для условий неоднородной плотности песчаного основания и неполного опирания плит на основание.

Исследования, .выполненные А.И.Ткачеаы, [iQV.IOe] показали.

-a е

что затраты времени на обеспечение полного контакта дорожной плиты �