Design and Calculation of Rigid and Non-Rigid Roadway Pavement Coupling

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.136.9
Issue: № 10 (136), 2023
Suggested:
19.06.2023
Accepted:
26.09.2023
Published:
17.10.2023
537
16
XML
PDF

Abstract

At the coupling sections of rigid and non-rigid pavements, residual stresses in the structure occur during the application of repeated loads, causing the formation of a mould. This phenomenon does not refer to significant defects of the road surface, but it negatively affects the comfort of driving. The problem is relevant not only in our country, but also abroad, which means that it is not so much associated with the culture of production, but is based on the internal physical processes occurring in the interface section itself, under the influence of forces from the passing wheel. The problem has been addressed in previously published articles. In order to be used in the structural layers of pavements, it is necessary that the constructed pavement structure complies with the requirements of current methods and standards.

1. Введение

При эксплуатации автомобильных дорог на участке подхода от нежесткой к жесткой дорожной одежде образуются мульды покрытия. Изучение причины явления данной просадки не освещено в той мере, при которой имеется четкое представление о природе возникновения мульды и ее решения. Из-за локального участка распространения, эксплуатирующими службами данная просадка не воспринимается как дефект. И через несколько лет эксплуатации на месте просадки образуется яма, более того происходит это задолго до истечения срока службы верхнего слоя. Практически все участки с плавным сопряжением на участках с переходными плитами – либо вновь устроенные, либо восстановленные после просадок.

Целью исследования является разработка покрытия дорожной одежды, исключающей просадку на подходах в дорожной одежде искусственного сооружения. Для решения задач данной проблемы были проведены исследования по выявлению сил и напряжений, возникающих от колеса автомобиля, вызывающие упругие деформации в нежесткой дорожной одежде. На участке сопряжения, упругие напряжения нежесткой дорожной одежды переходят в напряжения изгиба жесткой дорожной одежды, и ввиду практического отсутствия модуля упругости у последних, вектор силы резко изменяют абсолютную величину и направление.

Элемент основания конструкции сопряжения жесткой и нежесткой дорожных одежд автомобильной дороги разработан для сопряжения обоих видов дорожных конструкций – жесткой и нежесткой, при строительстве, капитальном ремонте подходов к мостам, путепроводам. Конструкция предназначена для восприятия сил от ассиметричных нагрузок, вызываемых при проезде автомобиля на участке от нежесткой к жесткой дорожной одежде. Ввиду отсутствия методики определения осадки конструкции дорожной одежды как такового, так и вычисления просадок во времени, первоначально расчет мульды вычислял в программе Plaxis. Программный комплекс Plaxis основывается на характеристиках модуля деформации материалов. И расчет конструкции дорожной одежды на прочность осуществлялся по типовым расчетам с учетом данные регионального научно-практического опыта (в том числе в части применения местных материалов, уточнения расчетных значений характеристик и т.д.)

. Но в перовом квартале 2023 года основополагающий документ по расчету конструкций нежестких дорожных одежд был отменен
.

2. Основные результаты

При вычислении сил, возникающих от колесной нагрузки, а также направления изгибающего момента при приближении к жесткой дорожной одежде, распределение сил осуществляется путем их приложения к балке, по законам теоретической механики. При движении от подхода к устою моста, величина нагрузки, выраженная в общем крутящем моменте контрольных точках, меняет направление действия, и от точки переходит в отрицательную составляющую вычисляемого крутящего момента.

Для разработки конструкции дорожной одежды, было обращено внимание в поисках решения распределения различных и разнонаправленных нагрузок, вызываемых движением автотранспорта. Это шинная промышленность, а модель – ассиметричные шины, которые создаются для использования на всех типах дорог, не зависимо от вращения колеса. Но интересны не сам состав резиновой смеси, а присущие протектору покрышки разные функциональные свойства. При разностороннем вращении нагрузку воспринимает силовой каркас, и наиболее выгодным его переплетением, ориентированным вдоль беговой дорожки колеса, будет являться значение угла, синус которого максимально приближен к 1/2. В случае воздействия силы в продольном направлении относительного одного каркаса, за счет конструкции сплетения на второй корд будут передаваться касательные напряжения.

Схема плетения корда покрышки и распределение сил

Рисунок 1 - Схема плетения корда покрышки и распределение сил

На рис. 1 отображена схема расположения нитей силового каркаса в покрышке с ассиметричным рисунком протектора. В конструкции шины имеется достаточное число разработок, реализация которых позволяет колесу автомобиля в целом находится в работоспособном состоянии, принимать деформации без критических остаточных деформаций. Одно из таких решений, которые необходимо осветить – работа шины в пятна контакта. Колесо автомобиля приводится в движении благодаря передаче крутящего момента от силовой установки автомобиля. В пятне контакта возникает усилие – реакция на воздействие – имеющее направление в обратную сторону от действия прилагаемого усилия для движения колеса. Силовой корд покрышки, смонтированный под углом 30° относительно плоскости вращения колеса, передает на каркас последнего реактивную равнодействующую силу, с вектором направления параллельным оси вращения. Данное технологическое решение снижает нагрузки на нити каркаса, а угол асимметрии позволяет компенсировать сдвиговые и касательные нагрузки. Необходимая жесткость шины обеспечивается поперечной силой с нормальными напряжениями. Избыточная сила компенсируется через фрикционные силы – Fтрения, Fтрения покоя, а также изгибом шашек протектора, эластичностью ламелей. Львиная доля гашения указанных сил при вращении колеса обеспечивается за счет силы трения скольжения в пятне контакта с дорогой.

Рассчитав конструкцию дорожной одежды между подходом и устоем искусственного сооружения, основываясь на гипотезе, что на всем протяжении конструкции дорожной одежды изменяется не только Еупругости, но она становится восприимчивой к изменению вектора направления прилагаемой силы в связке с ее переменной величиной. Расчет конструкции предполагался с укреплением геосинтетическим материалом. Но в отличие от движущихся объектов, в цикличной схеме, расчетные силы которых создают баланс и гасят друг друга, создавая устойчивую к деформациям конструкцию, а возникающие внешние воздействия сил затухают за счет кратковременного смещения в пространстве и упругих деформаций материала (например, вышеописанное колесо автомобиля в пятне контакта, или летящий самолет относительно воздушных масс), то при рассмотрении конструкции дорожной одежды перемещение относительно сопрягаемых конструкций ограничено, и высвободить энергию через взаимодействие сил из-за возникающих временных и постоянных нагрузок затруднительно. Этот эффект и проводит к образованию просадки на подходах к устоям.

Чтобы уменьшить данный эффект, запроектирована система во взаимосвязи восприятия нормальных напряжений плотным грунтом или бетоном, а касательные напряжения гасились в растягивающие усилия, воспринимаемые геосинтетическим материалом (см. рис. 2).

Конструкция дорожной одежды на подходе к устою искусственного сооружения (а) и распределение напряжений (б)

Рисунок 2 - Конструкция дорожной одежды на подходе к устою искусственного сооружения (а) и распределение напряжений (б)

Конструирование участка сопряжения жесткой и нежесткой дорожных одежд производилось по напряженно-деформируемому состоянию, и рабочая схема указана на рис. 3.
Конструкция дорожной одежды участка на подходе к искусственному сооружению

Рисунок 3 - Конструкция дорожной одежды участка на подходе к искусственному сооружению

В настоящее время для расчета конструкции дорожной одежды используется методики, указанной в ПНСТ 542
для высококатегорийных дорог, а также дорог в населённых пунктах по упругому состоянию. Для дорог с низкой интенсивностью движения был разработан ПНСТ 371-2019
, а впоследствии утвержден ГОСТ 58818
. Особенностью методики конструирования и расчета низкоинтенсивных дорог является возможность применения связных материалов, грунтов в качестве покрытия и конструктивных расчетов по модулям деформации данных материалов, не по модулям упругости.

Другим результатом вычислений по методике расчёта конструкции дорожной одежды для дорог с низкой интенсивностью движения является отсутствие жестких требований при применении материалов, обработанных неорганическими вяжущими, по укладке определенной толщины вышележащих слоев асфальтобетона и материалов, содержащих органическое вяжущее, для ограничения появления «отраженных» трещин в слоях из асфальтобетона.

Для подсчета распределения напряжений по выявленным в процессе расчета нагрузкам был использован программным комплекс Plaxis для вычисления параметров сдвига и напряжений в области поставленной задачи (см. рис. 4).

Результат расчета в ПК Plaxis

Рисунок 4 - Результат расчета в ПК Plaxis

Расчет конструкции участка сопряжения производился в программном комплексе Indor Pavement по методике расчета дорожных одежд для дорог с низкой интенсивностью движения (см. рис. 5).

Результат расчета в ПК Indor Pavement

Рисунок 5 - Результат расчета в ПК Indor Pavement

3. Заключение

Результаты проделанной работы заключаются в следующем:

1. Изучена причинно-следственная связь образования мульды покрытия на стыке сопряжения жестокой и нежесткой дорожных одежд. Крутящий момент, передаваемый от колеса на покрытие изменяет знак нагрузки с положительной эпюры на отрицательную в конструкции дорожной одежды – нагрузка как бы входит в «завихрение» на стыке двух типов дорожных одежд. Изменение направления вектора происходит в непосредственной близости стыка дорожных одежд жесткой и нежесткой, что лежит в первопричине образования мульды покрытия нежесткой дорожной одежды;

2. Причиной образования мульды покрытия являются сами же нагрузки от колеса движущегося автомобиля в диапазоне изменений динамики. Нагрузки при разгоне автомобиля имеют не только различную силу тяги на колесе, но и различный вектор направления;

3. Доказана эффективность представленной конструкции дорожной одежды для сопряжения жесткой и нежесткой дорожных одежд для предотвращения образования мульды, с учетом произведенных расчетов по уточненным первичным нагрузкам;

4. Приведены расчеты конструкции дорожной одежды в программных комплексах по критериям прочности, как для статических, так и динамических нагрузок и систем расчета.

Article metrics

Views:537
Downloads:16
Views
Total:
Views:537