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

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.)

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.

Рисунок 1 - Схема плетения корда покрышки и распределение сил

DOI:10.23670/IRJ.2023.136.9.1

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).

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

DOI:10.23670/IRJ.2023.136.9.2

Конструирование участка сопряжения жесткой и нежесткой дорожных одежд производилось по напряженно-деформируемому состоянию, и рабочая схема указана на рис. 3.

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

DOI:10.23670/IRJ.2023.136.9.3

В настоящее время для расчета конструкции дорожной одежды используется методики, указанной в ПНСТ 542

[3]

для высококатегорийных дорог, а также дорог в населённых пунктах по упругому состоянию. Для дорог с низкой интенсивностью движения был разработан ПНСТ 371-2019

[4]

, а впоследствии утвержден ГОСТ 58818

[5]

. 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).

Рисунок 4 - Результат расчета в ПК Plaxis

DOI:10.23670/IRJ.2023.136.9.4

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

Рисунок 5 - Результат расчета в ПК Indor Pavement

DOI:10.23670/IRJ.2023.136.9.5

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.