Воздействие автомобильных нагрузок на дорожные одежды
В зависимости от дорожных условий (горизонтальные участки прямолинейные в плане, участки с продольным уклоном, участки на кривых в плане, участки на кривых в продольном профиле и др.), а также от режима движения (равномерное движение с постоянной скоростью, ускоренное или замедленное движение и др.) в процессе движения автомобиля по дороге на дорожную одежду действуют различные силы взаимодействия между колeсами автомобиля и дорожной конструкцией.
К ним относятся силы, нормальные к поверхности проезжей части, и силы, касательные к поверхности проезжей части, которые, в свою очередь, подразделяют на силы, направленные вдоль траектории движения колeс, или продольные, и силы, направленные перпендикулярно к траектории движения колес, или поперечные.
Нормальная сила давления колеса (от веса автомобиля), воздействующая на дорожную одежду, является основной расчeтной нагрузкой для ее проектирования и расчета на прочность.
Механическая энергия от двигателя автомобиля через его трансмиссию передается на ведущие колeса в виде вращающего момента, который вызывает появление пары сил. Одна из них, окружная сила, приложенная в плоскости проезжей части к площадке контакта шины с покрытием, стремится сдвинуть его верхний слой в сторону, противоположную направлению движения автомобиля, а вторая – тяговое усилие – передается через ведущий мост и рессоры на раму автомобиля и вызывает его движение. Кроме того, в результате взаимодействия ведущих колeс и покрытия в плоскости проезжей части в зоне контакта шины с покрытием возникает реактивная тангенциальная сила (касательная реакция), практически равная окружной силе (или тяговому усилию) и направленная в сторону движения автомобиля. Еe наибольшее возможное значение ограничено силой сцепления шины с покрытием, когда автомобиль может двигаться без скольжения (буксования) колeс.
Напряжения, возникающие в дорожной одежде при проезде автомобиля от действия нормального и тангенциального усилий, затухают с глубиной (рис. 4.8).
Воздействие автомобиля на дорожную одежду характеризуется нагрузкой, приходящейся на ось, удельным давлением в зоне контакта колеса автомобиля с покрытием, временем приложения нагрузки, частотой ее повторения и динамичностью приложения. Величина осевой нагрузки зависит от грузоподъемности автомобиля, количества осей и схемы их расположения. Время приложения нагрузки зависит от скорости движения автомобиля, а число приложений и интервал между ними непосредственно зависят от интенсивности движения и еe распределения по часам суток.
Указанные показатели автомобильных нагрузок определяют их воздействие на дорожную одежду, ее напряженно деформированное состояние, износ, работоспособность и срок службы.
Рис. 4.8. Напряжения от колeс автомобилей в многослойной дорожной одежде:
а — эпюра вертикальных напряжений 
; б — эпюра горизонтальных напряжений 
;
1 — покрытие; 2 — основание; 3 — дополнительный слой основания; 4 — подстилающий грунт;
5 — напряжения в дорожной одежде; 6 — напряжения в однородном грунте
В качестве расчeтного используют наиболее тяжeлый автомобиль из систематически обращающихся по дороге, доля которого составляет не менее 10 % с учeтом перспективы изменения состава движения к концу межремонтного срока. Расчeтной схемой нагружения дорожной одежды колесом автомобиля является гибкий круговой штамп диаметром D, передающий равномерно распределeнную нагрузку величиной Р. Величина расчeтного удельного давления колеса на покрытие Р и расчeтного диаметра D приведeнного к кругу отпечатка расчeтного колеса назначают с учeтом параметров расчeтных автомобилей. Величину Р принимают равной давлению воздуха в шинах. Диаметр расчeтного отпечатка шины D определяют из зависимости:
, см, где (4.16)
QРАСЧ – расчетная величина нагрузки, передаваемой колесом на поверхность покрытия, кН;
Р– давление, МПа.
При проектировании дорожных одежд в качестве расчeтных принимают нагрузки, соответствующие предельным нагрузкам на ось расчeтного двухосного автомобиля. Если в задании на проектирование расчетная нагрузка не оговорена специально, за расчeтную принимают нагрузку, соответствующую расчетному автомобилю группы А. Порядок приведения изложен в п.1.3. Данные о нагрузках, передаваемых на дорожное покрытие автомобилями, выпускаемыми серийно, принимают по специальным справочникам.
Исследования проф. В.Ф. Бабкова показали, что при движении транспортных средств по неровной поверхности давление колеса на покрытие то возрастает по сравнению со статическим, то убывает. Отношение напряжения (деформации), вызванного динамическим действием нагрузки, к напряжению (деформации), вызванному статическим действием той же нагрузки, называют коэффициентом динамичности нагрузки, или динамическим коэффициентом. Его зависимость от скорости для различных покрытий показана на рис. 4.9 и 4.10.
Рис. 4.9. Зависимость динамического коэффициента от скорости автомобиля
на покрытии с неровной поверхностью (данные В.Ф. Бабкова)
Рис. 4.10. Зависимость динамического коэффициента ( 
) от скорости автомобиля
по дорогам с разными типами покрытия (данные В.Ф. Бабкова):
1 — асфальтобетонное покрытие; 2 — обработанное битумом щебeночное покрытие с неровной поверхностью;
3 — щебeночное покрытие с выбоинами; 4 — булыжная мостовая
Опыты показывают, что на ровном покрытии, содержащем органическое вяжущее, с повышением скорости автомобиля коэффициент динамичности по деформации не возрастает, а убывает, так как существенно проявляются реологические свойства покрытия и подстилающего грунта, вследствие чего деформации в них не успевают полностью произойти из-за кратковременного давления катящегося колеса при значительных скоростях. В этом случае фактор времени (скорости приложения нагрузки) эквивалентен влиянию уменьшения давления на одежду и грунтовое основание. Следует отметить, что приведeнные данные нуждаются в корректировке и уточнении в связи с существенными изменениями систем подрессоривания и динамических свойств автомобилей.
Наряду с вертикальными нагрузками на покрытие воздействуют горизонтальные (тангенциальные) усилия. Они вызываются трением шины о покрытие при передаче тягового усилия и торможении автомобиля, ударами колес при наездах на неровности покрытия и трением о покрытие шины при неподвижном автомобиле. Наибольшего значения горизонтальное усилие FMAX достигает при резком торможении автомобиля и хорошем сцеплении шины с покрытием. В этом случае
, где (4.17)
m – коэффициент, учитывающий режим движения автомобиля (изменяется от 1,1 до 1,4).
Напряжения в дорожной конструкции, обусловленные действием касательных усилий на покрытие, сравнительно быстро затухают по мере удаления от поверхности в глубину и наиболее опасны в пределах верхних слоев. Поэтому касательные усилия учитывают лишь при оценке прочности и сдвигоустойчивости самого покрытия.
Расчeт дорожных одежд на перегонных участках ведут на кратковременное (динамическое) и многократное действие подвижной нагрузки. Продолжительность действия нагрузки для средних условий современных скоростей автомобиля и размеров отпечатка колеса принимают равной 0,1 с. В этом случае значения модуля упругости и прочностных характеристик материалов и грунта также соответствуют длительности действия нагрузки 0,1 с.
На пересечениях в одном уровне с автомобильными и железными дорогами и на автобусных остановках расчeт дорожной одежды осуществляют как на кратковременное многократное, так и длительное (статическое) однократное нагружение. На стоянках дорожную одежду рассчитывают на длительное однократное нагружение.
В случае длительного действия нагрузки в расчeт принимают значения модулей упругости материалов и грунтов и их прочностные характеристики, соответствующие продолжительности нагружения более 10 мин.
Суммарное расчетное число приложений расчeтной нагрузки в точке на поверхности конструкции за срок службы определяют по формуле
(4.18)
или по формуле:
, где (4.19)
fПОЛ – коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним, определяемый по табл. 4.6;
n – число марок автомобилей;
N1m – суточная интенсивность движения автомобилей m-й марки в первый год службы (в обоих направлениях), авт./сут;
NР – приведeнная интенсивность на последний год срока службы, авт./сут;
SmСУМ – суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства m-й марки к расчeтной нагрузке QРАСЧ [72];
kп – коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (табл. 4.7);
ТРДГ – расчeтное число расчeтных дней в году, соответствующих определeнному состоянию деформируемости конструкции (oпpeдeляeмoe по табл. 4.8);
Таблица 4.6
| Число полос движения | Значение коэффициента fПОЛ для полосы с номером от обочины | ||
| 1,00 | – | – | |
| 0,55 | – | – | |
| 0,50 | 0,50 | – | |
| 0,35 | 0,20 | – | |
| 0,30 | 0,20 | 0,05 |
Примечание. Порядковый номер полосы считается справа по ходу движения в одном направлении. Для расчeта обочин принимают fПОЛ = 0,01.
Таблица 4.7
| Тип дорожной одежды | Значение коэффициента kПпри различных категориях дорог | ||||
| I | II | III | IV | V | |
| Капитальный | 1,49 | 1,49 | 1,38 | 1,31 | – |
| Облегчeнный | – | 1,47 | 1,32 | 1,26 | 1,06 |
| Переходный | – | – | 1,19 | 1,16 | 1,04 |
Таблица 4.8
Рекомендуемые значения TРДГв зависимости от местоположения дороги
| Номера районов на карте | Примерные географические границы районов | Рекомендуемое количество расчeтных дней в году (TРДГ) |
| Зона распространения вечномeрзлых грунтов севернее семидесятой параллели | ||
| Севернее линии, соединяющей Онегу – Архангельск – Мезень – Нарьян-Мар – шестидесятый меридиан – до побережья Европейской части | ||
| Севернее линии, соединяющей Минск – Смоленск – Калугу – Рязань – Саранск – сорок восьмой меридиан – до линии, соединяющей Онегу – Архангельск – Метень – Нарьян-Мар | ||
| Севернее линии, соединяющей Львов – Киев – Белгород – Воронеж – Саратов – Самару-Оренбург – шестидесятый меридиан — до линии районов 2 и 3 | ||
| Севернее линии, соединяющей Ростов-на-Дону- Элисту-Астрахань — до линии Львов – Киев – Белгород – Воронеж – Саратов – Cамара | ||
| Южнее линии Ростов-на-Дону – Элиста – Астрахань для Европейской части, южнее сорок шестой параллели для остальных территорий | ||
| Восточная и Западная Сибирь, Дальний Восток (кроме Хабаровского и Приморского краев, Камчатской области), ограниченные с севера семидесятой параллелью, с юга сорок шестой параллелью | 130—150 (меньшие значения для центральной части) | |
| Хабаровский и Приморский края. Камчатская область |
Примечания: 1. Расчeтным считается день, в течение которого сочетание состояния грунта земляного полотна по влажности и температуре асфальтобетонных слоев конструкции обеспечивают возможность накопления остаточной деформации в грунте земляного полотна или малосвязных слоях дорожной одежды. 2. Значения величины TРДГ на границах районов следует принимать по наибольшему из значений.
KС – коэффициент суммирования (табл. 4.9) определяют по формуле:
, где (4.20)
ТСЛ – расчeтный срок службы. При отсутствии региональных норм расчетный срок службы дорожной одежды допускается назначить в соответствии с рекомендациями табл. 4.10;
q – показатель изменения интенсивности движения данного типа автомобиля по годам.
Таблица 4.9
| Показатель изменения интенсивности движения по годам, q | Значение КС при сроке службы дорожной одежды ТСЛ, в годах | |||
| 0,90 | 5,7 | 6,5 | 7,9 | 8,8 |
| 0,92 | 6,1 | 7,1 | 8,9 | 10,1 |
| 0,94 | 6,5 | 7,7 | 10,0 | 11,8 |
| 0,96 | 7,0 | 8,4 | 11,4 | 13,9 |
| 0,98 | 7,5 | 9,1 | 13,1 | 16,6 |
| 1,00 | 8,0 | 10,0 | 15,0 | 20,0 |
| 1,02 | 8,6 | 10,9 | 17,2 | 24,4 |
| 1,04 | 9,2 | 12,0 | 20,0 | 29,8 |
| 1,06 | 9,9 | 13,2 | 23,2 | 36,0 |
| 1,08 | 10,6 | 14,5 | 27,2 | 45,8 |
| 1,10 | 11,4 | 15,9 | 31,7 | 67,3 |
Таблица 4.10
Рекомендуемый расчeтный срок службы конструкции