Особенности конструирования дорожных одежд для городских улиц

 

5.59 При конструировании дорожных одежд для городских улиц и дорог необходимо учитывать ряд особенностей, связанных с условиями их строительства и эксплуатации:

- ограниченную возможность варьирования проектных отметок продольного профиля, обусловленную общими архитектурно-планировочными требованиями;

- необходимость временного сбора воды у кромок проезжей части с последующим отводом ее через ливневую канализацию;

- необходимость в ряде случаев размещения под проезжей частью электротехнических, тепловых, водопроводных и других коммуникаций;

- необходимость устройства сопряжений дорожной одежды с люками, трамвайными путями;

- расположение улицы или дороги в непосредственной близости от жилых построек;

- наличие участков, где наблюдаются частые разгоны и торможение транспортных средств на проезжей части, а также участки остановок общественного транспорта с наибольшим совпадением траектории движения колес транспортных средств.

5.60 При проектировании дорожных одежд магистральных улиц общегородского значения и дорог грузового движения с асфальтобетонными покрытиями в верхнем слое основания необходимо применять только монолитные материалы из крупнозернистых пористых и высокопористых асфальтобетонных смесей, укатываемого цементобетона марок 75-150, а также щебня, обработанного по методу пропитки цементопесчанной смесью (раствором).

Условный переход от классификации городских улиц к категориям дорог общего пользования представлен в таблице 5.3.

5.61 При отсутствии ливневой канализации следует предусматривать продольные и поперечные дренажи мелкого заложения как элемент дорожной одежды. Продольный дренаж нужно устраивать при продольном уклоне проезжей части менее 30%, а поперечный — при продольных уклонах 30% и более.

5.62 Для остановок общественного транспорта в городах необходимо конструировать дорожные одежды с покрытиями и основаниями повышенной сдвигоустойчивости при высоких положительных температурах. Основание следует устраивать, как правило, из пористых или высокопористых асфальтобетонных смесей на вязком битуме или из тощего бетона. При применении материалов, содержащих цемент, необходимо предусматривать «трещинопрерывающие» прослойки.

5.63 На участках, где трамвайные пути расположены не на обособленном земляном полотне, дорожная одежда внутри путей и между ними должна иметь такую же прочность, как у дорожной одежды, примыкающей к рельсовым путям.

 

Таблица 5.3 — Условный переход от классификации городских улиц

к техническим категориям дорог общего пользования

 

№ п/п	Категория городских улиц и дорог по СНиП РК 3.01-01*	Аналог категории дорог общего пользования
	Магистральные дороги: скоростного движения; регулированного движения. Магистральные улицы общегородского значения: непрерывного движения; регулируемого движения.	I-II
	Магистральные улицы районного значения: транспортно-пешеходные; пешеходно-транспортные.	II
	Улицы и дороги местного значения: улицы в жилой застройке; улицы и дороги в научно-производственных, промышленных и коммунально-складских зонах (районах).	III
	Улицы и дороги местного значения: пешеходные улицы и дороги; парковые дороги; велосипедные дорожки.	IV-V

 

6. Расчет дорожных одежд на прочность

 

Общие положения

 

6.1 Дорожные одежды капитального и облегченного типа независимо от группы расчетной нагрузки рассчитывают на прочность по трем критериям:

- сопротивление упругому прогибу всей конструкции;

- сопротивление сдвигу в грунтах и слоях из слабосвязных материалов;

- сопротивление растяжению при изгибе монолитных слоев.

6.2 Расчет выполняют с учетом заданного уровня надежности при односторонней доверительной вероятности. Уровень надежности должен быть задан на стадии проектирования. Вместе с тем, он не может быть ниже значений, представленных в таблице 6.1.

 

Таблица 6.1 — Значение коэффициентов прочности дорожных одежд

при заданных уровнях надежности

 

Тип дорожной одежды	Категория дороги	Уровень надежности Кн	Коэффициент прочности Кпр
Капитальный	I, II	0,95	1,0
III	0,90	0,94
Облегченный	III, IV, V	0,85	0,90
Переходный	IV, V	0,60	0,63
Примечание - Если уровень надежности на стадии проектирования задан выше 0,95, то коэффициент прочности определяется по формуле: Кпр = 500Кн2; - 942Кн + 444,65 при ограничении: 0,95 ≤ К ≤ 0,98

 

6.3 В зависимости от уровня надежности определяется коэффициент прочности (см. таблицу 6.1), который представляет собой отношение расчетных значений по критериям прочности к требуемым (допустимым) из условия ее обеспечения. Коэффициент прочности является основным показателем работоспособности дорожной конструкции по трем критериям прочности, который с заданной надежностью гарантирует безотказную работу в пределах межремонтного срока службы согласно ПР РК 218-05.1.

6.4 Конструкция дорожной одежды удовлетворяет требованиям надежности и прочности по критерию упругого прогиба, если:

 

(6.1)

 

где Е_р — расчетный модуль упругости конструкции дорожной одежды, МПа;

Е _тр — требуемый модуль упругости с учетом интенсивности воздействия расчетной нагрузки, МПа.

6.5 Конструкция дорожной одежды удовлетворяет требованиям надежности и прочности по критерию сдвига, если

 

(6.2)

 

где Т _доп — допускаемое напряжение сдвига в грунте, МПа;

Т_р — расчетное активное напряжение сдвига в грунте от действующей нагрузки, МПа.

6.6 Конструкция дорожной одежды удовлетворяет требованиям надежности и прочности по критерию растяжения при изгибе, если:

 

(6.3)

 

где R_N — предельное допустимое растягивающее напряжение в материале слоя с учетом усталостных явлений, МПа;

σ_r — расчетное наибольшее растягивающее напряжение в материале слоя, МПа.

6.7 Общая процедура расчета дорожной одежды заключается в следующем:

- выполняют расчет по критерию упругого прогиба с учетом определения требуемого модуля упругости и предварительного назначения конструкции дорожной одежды;

- продолжают расчет дорожной одежды по сдвигоустойчивости материалов конструктивных слоев и грунта земляного полотна;

- затем рассчитывают монолитные слои дорожной одежды на растяжение при изгибе.

Коэффициенты прочности по всем трем критериям должны быть не менее значений, указанных в таблице 6.1.

Дорожные одежды переходного типа рассчитывают только по двум критериям: упругому прогибу и сдвигоустойчивости.

 

Расчетные нагрузки

 

6.8 Расчет на прочность дорожной одежды основных полос движения ведется на многократное воздействие кратковременной нагрузки расчетного автомобиля, укрепленных обочин и различного рода площадок для стоянки автомобилей - на однократное длительное воздействие расчетного автомобиля. В зависимости от состава движения в перспективный период равный межремонтному сроку службы дорожной одежды в качестве расчетной нагрузки может быть принята нормативная статическая нагрузка на одиночную ось расчетного автомобиля равная 100 кН (группа А₁), 110 кН (группа А₂) или 130 кН (группа А₃).

При отсутствии в перспективном составе транспортного потока автомобилей с нагрузкой на одиночную ось свыше, 120 кН расчетная нагрузка принимается равной:

100 кН — в случае, когда доля автомобилей с нагрузкой на одиночную ось свыше 100 кН не превышает 5% от общего количества грузовых автомобилей; и

110 кН — когда число таких автомобилей составляет более 5% общего количества грузовых автомобилей.

При наличии в перспективном составе движения на межремонтный срок службы дорожной одежды автомобилей с нагрузкой на одиночную ось в пределах 120-130 кН, а также при проектировании дорожных одежд на автомобильных дорогах международного значения расчетную нагрузку следует принимать равной 130 кН.

В случае, когда в составе транспортного потока с учетом перспективы на межремонтный срок службы дорожной одежды присутствуют автомобили с расчетной нагрузкой на одиночную ось превышающей 130 кН, то за расчетную следует принимать фактическое значение осевой нагрузки, а расчет дорожных одежд осуществлять согласно методическим положениям применительно к специализированным тяжеловесным транспортным средствам.

6.9 При проектировании дорожных одежд для дорог международного значения за расчетную нагрузку следует принимать нагрузку расчетного автомобиля группы А₃. В других случаях следует руководствоваться пунктом 6.8 настоящих строительных норм.

6.10 Расчетными параметрами, характеризующими степень воздействия и ее повторяемость на дорожную одежду от расчетной нагрузки являются:

- расчетное удельное давление колеса не покрытие - Р, МПа;

- расчетный диаметр круга, равновеликого, площади отпечатка сдвоенных колес расчетного автомобиля, D, см;

- расчетное суммарное количество приложений расчетной нагрузки за межремонтный срок службы дорожной одежды.

Величина Р представляет собой отношение нагрузки на два спаренных колеса расчетного автомобиля к общей площади контакта этих двух колес с дорожным покрытием. Численно величина Р равна давлению воздуха в шинах. Расчетный диаметр D определяется по формуле:

 

(6.4)

 

где Q_p — нагрузка на два спаренных колеса расчетного автомобиля, кН;

Р - давление в шине, МПа.

Значения параметров Р и D представлены в приложении 1.

6.11 Для определения расчетного суммарного количества приложений расчетной нагрузки за межремонтный срок службы дорожной одежды необходимо располагать данными об интенсивности и составе движения транспорта и изменении их во времени.

Общую интенсивность движения на первый год службы (планируемый год сдачи дороги в эксплуатацию) приводят к расчетному автомобилю:

(6.5)

где N_p — расчетная интенсивность движения автомобильного транспорта в первый год службы, приведенная к расчетной нагрузке с учетом количества полос движения, авт./сут.;

f _пол — коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним (таблица 6.2);

 

Таблица 6.2 — Коэффициент полосности

 

Число полос движения	Значение коэффициента f пол для полосы номер
	1,00	-	-
	0,55	-	-
	0,50	0,50	-
	0,35	0,20	-
	0,30	0,20	0,05
Примечания: 1. Порядковый номер полосы считается справа по ходу движения в одном направлении. 2. Для расчета обочин принимается f пол = 0,01. 3. На многополосных дорогах допускается проектировать одежду переменной толщины по ширине проезжей части, рассчитав дорожную одежду в пределах различных полос в соответствии со значениями Np найденными по формуле (6.5). 4. На перекрестках и подходах к ним (в местах перестройки потока автомобилей для выполнения левых поворотов и др.) при расчете одежды в пределах всех полос движения принимается f пол = 0,50, если общее число полос проезжей части проектируемой дороги более трех.

 

n — общее число различных марок транспортных средств m в составе транспортного потока;

N_m — интенсивность движения транспортных средств марки m, авт./сут.;

S_m.сум — суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства m-й марки к расчетной нагрузке Q_расч (см. приложение 1).

6.12 Расчетное суммарное количество приложений расчетной нагрузки к дорожной конструкции за срок службы определяют по формуле:

 

(6.6)

 

где n_р — количество дней в году с расчетным движением транспорта, 365 дней*;

q — коэффициент изменения интенсивности движения, приведенной к расчетной нагрузке,

Т — расчетный срок службы, лет.

Величина q представляет собой отношение приведенной интенсивности движения транспорта в n году к интенсивности движения в предыдущем n-1 году. На реконструируемых дорогах эта величина определяется по данным предыдущих лет с учетом прогноза на перспективу по результатам экономических изысканий. В большинстве усредненных условий развития автомобильных перевозок q = 1,02 -1,05.

На международных маршрутах величина q может составлять 1,04 - 1,06 и более.

За расчетный срок службы дорожной одежды Т следует принимать дифференцированный межремонтный срок службы, определяемый согласно требований, изложенных в «Инструкции по назначению межремонтных сроков службы нежестких дорожных одежд и покрытий» ПР РК 218-05.1. Интервалы назначения дифференцированных значений расчетного срока службы представлены в таблице 6.3.

 

Таблица 6.3 — Расчетные сроки службы конструкций дорожных одежд

 

Категория дороги	Тип дорожной одежды	Значения расчетного срока службы Т, годы
I	капитальный
II	капитальный
III	капитальный
облегченный
IV	облегченный
переходный
V	переходный
Примечание: Для проектирования и расчета нежестких дорожных одежд на дорогах международного значения следует предусматривать капитальный тип дорожной одежды, с соответствующим для него дифференцированным расчетным сроком службы, но не менее 16 лет.

___________________________

* Для условий Казахстана n_р = 365 дней, т.к. при установлении уравнения требуемых модулей упругости в расчетах была принята среднегодовая среднесуточная интенсивность движения, приведенная к расчетной нагрузке.

 

6.13 Исходя из условия прочности (формула 6.1), дорожную одежду конструируют таким образом, чтобы на ее поверхности был обеспечен общий модуль упругости, равный расчетному:

Е_общ = Е_р = Е_тр·К_пр (6.6)

 

Требуемый модуль упругости определяется в зависимости от расчетного суммарного количества приложений расчетной нагрузки за срок службы конструкции дорожной одежды:

 

Е_тр = А + B(lgΣN_р - C), (6.7)

 

где А, В и С — параметры уравнения, равные А = 120 Мпа; В = 74 Мпа; соответственно С = 4,5; С = 4,3; С = 4,0, для нагрузок А₁, А₂, А₃; ΣN_р, - расчетное суммарное количество приложений расчетной нагрузки, авт/сут (определяется по формуле (6.6) при N_р ≥ 10ед./сут).

Для дорог V дорожно-климатической зоны (ДКЗ) требуемые модули упругости следует уменьшить на 15%. Причем уменьшение должно осуществляться дискретно: при удалении от границы с IV ДКЗ на каждые 10 км - 1%, т.е. при удалении на 150 км и более уменьшение Е _тр составит 15%.

6.14 Для выполнения расчета по критерию упругого прогиба по формуле (6.7) определяют общий модуль упругости Е _общ. Независимо от результата, полученного по формуле (6.7), общий модуль упругости должен быть не менее указанного в таблице 6.4.

Общий модуль упругости дорожной одежды, рассчитанный для нагрузки группы A₃, независимо от результатов расчета, должен быть не менее 230 Мпа.

 

Таблица 6.4 — Минимальные значения общего модуля упругости

 

Категория дороги	Минимальный требуемый модуль упругости дорожной одежды, МПа
капитального типа	облегченного типа	переходного типа
I		-	-
II		-	-
III			-
IV	-
V	-

 

6.15 Общая толщина верхних слоев из материалов, содержащих органическое вяжущее, назначается ориентировочно в зависимости от общего модуля упругости, рассчитанного по формуле (6.7):

 

Общий модуль упругости, МПа	до 125	125-180	180-220	220-250	свыше 250
Толщина слоя, см	4-6	6-8	8-10	10-13	13-16

 

Для дорожных одежд, рассчитанных на осевую нагрузку группы А₃, следует предусматривать двухслойное асфальтобетонное покрытие общей толщиной не менее 15 см на основании, укрепленном органическими или неорганическими вяжущими.

Обязательным является как минимум двухслойное основание. Верхний слой основания должен быть укреплен органическими, либо неорганическими или бесцементными вяжущими (золы уноса, шлаки и т.п.). При этом толщина верхнего слоя основания, укрепленного вяжущим материалом, независимо от результатов расчета должна быть не менее:

12 см — слои, укрепленные органическими вяжущими;

20 см — слои, укрепленные неорганическими вяжущими, в т.ч. зольными, шлаковыми и бокситовыми вяжущими.

Дополнительные слои основания конструируют согласно методическим положениям пунктов 5.27-5.38.

6.16 Послойный расчет дорожной одежды выполняют с использованием номограммы, которая связывает пять параметров двухслойной системы (рисунок 6.1): отношение E₂/E₁; отношение h/D и отношение Е_общ/Е₁, где Е₁ — модуль упругости материала верхнего слоя, МПа; E₂ — модуль упругости на поверхности нижнего слоя, МПа; h — толщина верхнего слоя, см; D — расчетный диаметр круга отпечатка сдвоенных колес расчетного автомобиля (приложение 1), см; Е_общ — общий модуль упругости на поверхности верхнего слоя, МПа.

Зная значения любых четырех параметров, рекомендуется определить пятый.

Послойный расчет многослойной конструкции рекомендуется вести снизу вверх, начиная с подстилающего одежду грунта, когда необходимо определить общий модуль упругости конструкции, или сверху вниз, когда заданы требуемый модуль и коэффициент прочности К_пр дорожной одежды.

Для определения Е_общ на номограмме проводится вертикаль из точки на горизонтальной оси, соответствующей значению h/D, и горизонтальная прямая из точки на вертикальной оси, соответствующей отношению Е₂/Е₁. Точка пересечения этих прямых дает искомое значение E_общ/E₁. Зная величину E_i нетрудно вычислить Е_общ.

При толщине i -го слоя многослойной дорожной одежды (счет слоев сверху вниз), превышающей 2D, общий модуль упругости на поверхности i -го слоя:

 

где (6.9)

 

i — номер рассматриваемого слоя дорожной одежды, считая сверху вниз (i =1, 2, 3,...);

h_i — толщина i -го слоя, см;

D — диаметр нагруженной площади, см;

— общий модуль упругости полупространства, подстилающего i-й слой, МПа;

Е_i — модуль упругости материала i-го слоя, МПа.

6.17 Расчетные значения модулей упругости материалов следует назначать в соответствии с указаниями приложения 2. Значения модуля упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, следует принимать при температуре +10°С во всех дорожно-климатических зонах. Так как конструкции дорожных одежд на перегонных участках подвергаются в основном воздействию подвижных нагрузок, а на стоянках, остановках, перекрёстках и т. п. — статическому воздействию от транспортных средств, значения модуля упругости асфальтового бетона в приложении 2 в таблице 2.3 даны применительно к этому виду режима нагружения конструкций.

Расчетные значения модулей упругости грунтов земляного полотна следует назначать в соответствии с указаниями приложения 3.

6.18 Исходя из методических положений, представленных в пунктах 6.12-6.17, расчет дорожных одежд по допускаемому упругому прогибу выполняют в следующей последовательности:

- по величине приведенной к расчетной нагрузке интенсивности движения транспорта определяют требуемый модуль упругости (формула 6.8);

- по формуле (6.7) с учетом коэффициента прочности определяют общий модуль упругости Е_общ.;

- в соответствии с разделом 5 настоящих Строительных норм выполняют конструирование дорожной одежды с предварительным назначением толщин конструктивных слоев (в т. ч. с учетом пункта 6.15) и модулей упругости материалов каждого конструктивного слоя (приложение 2), а также модуля упругости на поверхности рабочего слоя земляного полотна (приложение 3);

- по номограмме (рисунок 6.1) выполняют расчет сверху вниз, определяя модуль упругости на поверхности основания;

- если основание однослойное, то по модулям упругости на поверхности основания, материала основания и грунта земляного полотна определяют толщину основания по той же номограмме (рисунок 6.1);

- если по конструктивным или технологическим соображениям, по условиям осушения или обеспечения необходимей морозоустойчивости и т.п. предусмотрена конструкция основания из нескольких слоев, то предварительно назначают толщины дополнительных слоев, а затем послойно снизу вверх определяют по номограмме (рисунок 6.1) модуль упругости на поверхности дополнительного слоя (морозозащитного, теплоизоляционного, дренирующего или другого дополнительного слоя), после чего, аналогично изложенному, определяют толщину остальной части основания.

По аналогии с изложенным, расчет рекомендуется выполнять снизу вверх с последовательным определением модулей упругости на поверхности конструктивных слоев.

 

Рисунок 6.1 — Номограмма для определения общего модуля упругости двухслойной системы Е_общ.

 

 

Рисунок 6.2 — Номограмма для определения активного напряжения сдвига τ_д

от общей толщины дорожной одежды

 

Рисунок 6.3 — Номограмма для определения активного напряжения сдвига от временной нагрузки

в нижнем слое двухслойной системы (при h/D = 0÷2,0)

 

Рисунок 6.4 — Номограмма для определения активного напряжения сдвига от временной нагрузки

в нижнем слое двухслойной системы (при h_в/D = 0÷4,0)

 

Расчет дорожных одежд на сдвигоустойчивость подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев

 

6.19 Исходя из условия прочности (6.2), дорожную одежду конструируют таким образом, чтобы под действием кратковременных или длительных нагрузок в подстилающем грунте или малосвязных слоях не возникли остаточные деформации, вызванные пластическими смещениями.

Расчетное активное напряжение сдвига в фунте или в песчаном слое определяется по формуле:

Т_р = Р + τ _д, (6.10)

 

где τ _д — активное напряжение сдвига от веса дорожной одежды, находится по номограмме (рисунок 6.2), — активное удельное напряжение сдвига от единичной нагрузки, определяемое с помощью номограмм рисунки 6.3 и 6.4);

Р — расчетное давление колеса на покрытие, МПа.

При определении по номограмме (рисунки 6.3, 6.4), величину φ грунта принимают по таблице 3.3 приложения 3, величину φ для малосвязных слоев принимают по таблице 2.9 приложения 2.

6.20 Допускаемое напряжение сдвига грунта определяют по формуле:

 

Т _доп = с_грk₁k₂k₃, (6.11)

 

где с_гр — сцепление в грунте активной зоны земляного полотна в расчетный период (таблица 3.3 приложения 3), МПа;

k₁ — коэффициент, учитывающий снижение сопротивления грунта сдвигу под агрессивным действием подвижных нагрузок, колебаний и т.д. (при расчете на воздействие кратковременных нагрузок принимают k₁ = 0,6; при длительном действии нагрузок с малой повторностью k₁ = 0,9);

k₂ — коэффициент запаса на неоднородность условий работы конструкции, связанный с недоучетом неблагоприятных природных особенностей, технологических и других причин (эти факторы проявляются тем больше, чем выше интенсивность движения автотранспорта, коэффициент k₂ — определяется по графику (рисунок 6.5), при расчете на длительное действие нагрузки k₂ = 1,23);

k₃ — коэффициент, учитывающий особенности работы грунта конструкции на границе песчаного слоя с нижним слоем несущего основания. Значения k₃ с учетом вида грунта следующие:

Пески крупные — 7,0;

Пески средней крупности — 6,0;

Пески мелкие — 5,0;

Пески пылеватые, супеси песчанистые — 3,0;

Глинистые грунты (глины, суглинки, супеси, кроме крупной) — 1,5.

Расчетная приведенная интенсивность движения на последний год службы (см. рисунок 6.5) определяется по формуле:

 

N₁ = N_p×q^τ-1 (6.12)

 

Параметры формулы (6.12) те же, что в формуле (6.6)

6.21 Для выполнения расчета, многослойную дорожную конструкцию приводят к двухслойной расчетной модели, в которой нижним слоем является подстилающий грунт (с учетом его расчетных характеристик), а верхним — вся вышележащая конструкция дорожной одежды, толщина верхнего слоя равна сумме толщин входящих в него слоев одежды.

Модуль упругости верхнего слоя модели вычисляют как средневзвешенный по формуле:

 

(6.13)

 

где n — число слоев дорожной одежды;

E_i — модуль упругости i-го слоя, МПа;

h_i — толщина i-го слоя, см.

6.22 При расчете дорожных одежд по условию сдвигоустойчивости значения модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, принимают соответствующими расчетным температурам (таблица 2.1 приложения 2).

6.23 Расчет дорожной одежды по сопротивлению сдвигу в грунте земляного полотна, а также в материалах малосвязных промежуточных слоев дорожных одежд ведут в следующей последовательности:

- назначают расчетные модули упругости для слоев из асфальтобетона, соответствующие максимально возможным температурам в весенний (расчетный) период (таблица 2.1 приложения 2), расчетные прочностные характеристики (φ и с) грунта земляного полотна и песка промежуточного слоя одежды согласно пункта 6.19;

- по рисункам 6.3 или 6.4 определяют активные напряжения сдвига от единичной временной нагрузки, для чего многослойную конструкцию приводят к двухслойной модели;

 

Рисунок 6.5 — зависимость коэффициента k₂ от расчетной приведенной

интенсивности N_t, воздействия нагрузки

 

- по формуле (6.10) вычисляют расчетное активное напряжение сдвига в грунте земляного полотна или в песчаном слое одежды;

- по выражению (6.11) рассчитывают допускаемое напряжение сдвига;

- по формуле (6.2) проверяют выполнение условия прочности (с учетом требуемой надежности);

- при необходимости, изменяя толщину конструктивных слоев, подбирают конструкцию, удовлетворяющую условию (6.2).

6.24 Расчет нежестких дорожных одежд на длительное действие нагрузки следует выполнять по сдвигу грунта и в слабосвязных слоях одежды. Характеристики асфальтобетона принимаются по таблице П 2.3 приложения 2.