Геоспан Анализ расчетов дорожных одежд капитального типа с учетом изменения расчетного давления колеса с 600 до 800 кПа

Анализ расчетов дорожных одежд капитального типа с учетом изменения расчетного давления колеса с 600 до 800 кПа

09.04.2018 16:25

Год от года возрастающая интенсивность дорожного движения диктует новые требования к прочности конструкций дорожных одежд автомобильных дорог. До недавнего времени требуемая минимальная прочность на поверхности автомобильной дороги рассчитывалась с учетом показателей транспортных средств, не изменяющихся довольно продолжительное время (ГОСТ Р 52748-2007 «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения»), что приводило к фактическому сокращению срока службы транспортных сооружений под воздействием ненормативных нагрузок. Было очевидно, что требуется актуализация расчетных схем нагружения. В основном с этой целью был введен ГОСТ 32960-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения», описывающий современные уровни значений давления от транспортных средств. При его разработке Научно-исследовательским институтом транспортного строительства (ОАО ЦНИИС)» после проведения консультаций с ФАУ «Росдорнии» было принято решение изменить нормируемый параметр давления колеса с 600кПа до 800кПа. Однако все расчетные нагрузки, используемые в действующих ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» основаны на расчетном давлении 600кПа; этому давлению соответствует и эмпирическая формула (3.10) для определения требуемого общего модуля упругости рассчитываемой конструкции дорожной одежды.

В конце 2016 года Росавтодором была внесена поправка (письмо № 01-28/41562 от 20.12.2016) в определение требуемого общего модуля упругости рассчитываемой конструкции дорожной одежды капитального типа. Теперь принято уточнять требуемый модуль упругости в методике расчета по ОДН 218.046-01 при давлении, отличном от 600кПа, по формуле (до переработки методики проектирования нежёстких дорожных одежд):

где p - принятое в расчете давление от колеса на покрытие;

при р = 800 кПа Етр=1,155×98,65(lgN - c).

Данная поправка будет действовать до переработки методики проектирования нежёстких дорожных одежд и, по нашему мнению, может существенно поменять практику конструирования и расчета дорожных одежд. Во-первых, требуемое значение модуля упругости увеличивается на 15,5%, что должно заметно увеличить толщину покрытия и несущих слоёв основания дорожной одежды (теоретически наиболее заметно увеличение толщины должно наблюдаться при коэффициенте надёжности 0,98 для федеральных дорог I категории). Во-вторых, очевидно, что дорожные эксперты Росавтодора взяли курс на повышение работоспособности и эксплуатационной надёжности дорожных одежд и достижение экономического эффекта за счёт продления межремонтных сроков эксплуатации. В-третьих, создаются благоприятные условия для ускорения процесса внедрения передовых инновационных технологий и материалов, способных к усилению несущей способности конструкции, например:

  • применение геосинтетических, композитных материалов, выполняющих функцию армирования и разделения;
  • применение щебеночно-песчаных смесей из металлургических шлаков;
  • стабилизация грунта неорганическими вяжущими совместно с полифилизаторами и др. добавками;
  • технология холодной регенерации асфальтобетонов, полимерно-битумные вяжущие.

Чтобы убедиться насколько эффективна поправка ЦНИИС, рассмотрим подробно на конкретных примерах автомобильных дорог с капитальным типом покрытия: к чему на самом деле она ведёт? Для этого сравним расчеты дорожных одежд, выполненные в программе CREDO RADON 3.61, которая учитывает данную поправку.

  1. Автомобильная дорога Iа категории (один из участков строительства ЦКАД в Подмосковье). Исходные данные: дорожно-климатическая зона (подзона) – 2(2); количество полос движения – 6; срок службы покрытия – 18 лет; коэффициент надежности – 0,98; грунт рабочего слоя – суглинок тяжелый; суммарное расчетное число приложений на полосу за весь срок службы – 3млн, коэффициент роста интенсивности – 1,06. Нормативная статическая нагрузка на ось – 115кН, давление в шинах – 0,6МПа (0,8МПа при расчете по ГОСТ 32960-2014), диаметр штампа колеса – 39,83см (34,49см при расчете по ГОСТ 32960-2014).

Расчет конструкции дорожной одежды без учета поправки представлен на рис.1. Согласно ему по действующей методике требуемый модуль упругости составляет 323МПа, при минимальном запасе прочности (1,5) расчетный модуль упругости составляет 486МПа.

Рисунок 1. Расчет КДО автодороги Iа категории без учета ГОСТ 32960-2014.

Расчет конструкции дорожной одежды с учетом поправки представлен на рис.2. Согласно ему требуемый модуль упругости увеличивается и становится уже 373МПа, но так как по расчету при давлении в шинах 0,8МПа диаметр штампа колеса уменьшается до 34,49см, расчетный запас прочности также увеличивается (до 1,57), а расчетный модуль упругости существенно возрастает почти на 100МПа с 486МПа до 585МПа. При этом, если проводить оптимизацию конструкции по критерию минимального запаса прочности (1,5), то появляется возможность даже сократить либо слой несущего основания из смеси С-4 на 5см, либо верхний слой основания из асфальтобетона на 1см, и тем самым уменьшить себестоимость дорожной одежды.

Таким образом, создается обратный эффект, когда у одной и той же конструкции по новому расчету за счет уменьшения диаметра штампа колеса значительно увеличивается как требуемый модуль упругости (с 323 до 373 МПа), так и расчетный запас прочности – с 1,5 до 1,57. Т.е. поправка, вместо того чтобы повысить надежность транспортного сооружения за счет увеличения требуемых показателей прочности, вместо этого также увеличивает и расчетный запас прочности без изменения конструкции.

  1. Автомобильная дорога регионального значения IV категории в Калужской области. Исходные данные: дорожно-климатическая зона (подзона) – 2(2); количество полос движения – 2; срок службы покрытия – 12 лет; коэффициент надежности – 0,85; грунт рабочего слоя – суглинок тяжелый; источник увлажнения – верховодка; суммарное расчетное число приложений на полосу за весь срок службы – 210769, коэффициент роста интенсивности – 1,04. Нормативная статическая нагрузка на ось – 115кН, давление в шинах – 0,6МПа (0,8МПа при расчете по ГОСТ 32960-2014), диаметр штампа колеса – 39,83см (34,49см при расчете по ГОСТ 32960-2014).

 

Рисунок 2. Расчет КДО автодороги Iа категории с учетом ГОСТ 32960-2014.

Расчет конструкции дорожной одежды без учета поправки представлен на рис.3. Согласно ему по действующей методике требуемый модуль упругости составляет 210МПа, при запасе прочности 1,32 (минимальное значение запаса прочности 1,06) расчетный модуль упругости составляет 277МПа.

Рисунок 3. Расчет КДО автодороги IV категории без учета ГОСТ 32960-2014.

Расчет конструкции дорожной одежды с учетом поправки представлен на рис.4. Согласно ему требуемый модуль упругости теперь составляет 242МПа, но т.к. по расчету при давлении в шинах 0,8МПа диаметр штампа колеса уменьшается до 34,49см, то запас прочности увеличивается с 1,32 до 1,33, а расчетный модуль упругости возрастает до 321МПа. Другими словами, увеличиваем требуемый модуль упругости, а запас прочности конструкции остаётся без изменения.

Рисунок 4. Расчет КДО автодороги IV категории с учетом ГОСТ 32960-2014.

Исходя из расчетного анализа рассматриваемых конструкций, выполненного в программе CREDO RADON 3.61, можно сделать вывод о сомнительной эффективности внесения поправки в формулу требуемого модуля упругости, если при этом уменьшается диаметр штампа колеса с 39,83 до 34,49см. Расчеты показывают, что при увеличении требуемого общего модуля упругости на 15,5% запас прочности одной и той же конструкции остаётся либо без изменения, либо даже увеличивается (как показано на примере автомобильной дороги I категории).

Если цель – это повышение эксплуатационной надёжности и продление межремонтных сроков эксплуатации дорожных одежд с учетом современных транспортных нагрузок, то повышение требуемого модуля упругости в любом случае должно приводить к увеличению толщины конструкции дорожной одежды, а также использованию более прочных и эффективных материалов и технологий. Но этого не происходит. Сегодня все дорожники сходятся во мнении, что методику ОДН 218.046-01 необходимо полностью перерабатывать. И в процессе переработки методики проектирования и расчета нежёстких дорожных одежд такой подход должен стать ключевым. Хотя существуют и другие варианты переработки устаревшей методики расчета. Например, учесть опыт разработки типовых конструкций дорожной одежды ведущими организациями отрасли (каталог СТО АВТОДОР 2.25-2016)

Марков В.О., Руководитель инжинирингового центра ГЕКСА

Егоров А.В., Ведущий инженер