2.3. Прочность и деформация дорожной одежды

Прочность дорожной одежды является наиболее важным показателем транспортно-эксплуатационного состояния автомобильной дороги, который не­обходимо регулярно оценивать в течение всего срока ее службы.

Прочностные качества дорожной одежды опре­деляются прежде всего сопротивляемостью подсти­лающего грунта сжатию. Дорожная одежда долж­на распределять действующую на нее нагрузку от колеса автомобиля по возможности на большую площадь и предупреждать проникание воды, кото­рая значительно ослабляет прочность грунтового основания.

Возможны три случая деформации дорожного покрытия в зависимости от прикладываемой на­грузки.

Если нагрузка невелика, а слои дорожной одежды и земляного полотна хорошо уплотнены, то дорожная одежда не разрушается и происходят только упругие деформации, т. е. дорожная одежда под действием нагрузки прогибается и после проезда автомобиля возвращается в прежнее по­ложение.

При возрастании нагрузки или при временном снижении прочности грунтов основания в весенний или осенний периоды возникают постепенно накап­ливающиеся пластические малые деформаций. В случае, если их суммарное значение за период, ослабленного состояния дорожной одежды превы­сит некоторые предельные значения, дорожная одежда разрушится.

Прочность одежды зависит от предельно допу­стимого прогиба, а также от количества приложе­ний нагрузки за период ослабления дорожной одежды.

При очень больших нагрузках или при значи­тельном ослаблении прочности грунта основания вначале замедленно накапливаются деформации, которые в дальнейшем быстро возрастают, в ре­зультате чего происходит полное разрушение до­рожной одежды.

При действии давления от колеса основание до­рожной одежды сжимается в пределах активной зоны (зоны, в которой возможно перемещение грунта) и происходит прогиб дорожной одежды по некоторой криволинейной поверхности с об­разованием так называемой «чаши прогиба» (рис. 2.4).

Давление, передаваемое на грунтовое основа­ние, зависит от площади, на которую распределя­ется нагрузка. С увеличением толщины дорожной одежды эта площадь увеличивается, а давление соответственно уменьшается. В весенний или осен­ний период, когда вследствие большого переувлаж­нения снижается прочность грунта, существующая толщина дорожной одежды не обеспечивает безопасное давление, и при проезде очень тяжелых автомобилей могут возникнуть проломы дорожной одежды.

В связи с этим в течение двух-трех наиболее неблагоприятных недель дорожники закрывают движение тяжелых автомобилей.

При действии нагрузки (см. рис. 2.4) происхо­дят сжатие 2 и доуплотнение дорожной одежды, а в нижней части дорожной одежды - растяже­ние 3.

При превышении предельной прочности ма­териалов верхних или нижних слоев дорожной одежды образуются трещины 9.

По периметру зоны контакта шины колеса с покрытием действуют срезывающие напряжения 4, которые могут приводить при слабом основании и топкой дорожной одежде к ее пролому или выкалыванию отдельных ее частей.

В нижних слоях дорожных одежд из малосвяз­ных и несвязных материалов и в грунтовых осно­ваниях могут возникать необратимые деформации (так называемые пластические течения), развитие которых приводит к накоплению деформаций до­рожной одежды и ее разрушению.

Предельно допускаемые прогибы приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Интенсивность, авт/сут., приведенная к расчетному автомобилю и нагрузке 10^5 Н	Прогиб дорожных покрытий, мм
	капитальных	облегченных	переходных
100 200 500 1000 2000 5000 10000	1,15 1,03 0,92 0,85 0,78 0,73 0,69	1,45 1,27 1,10 - - - -	1,85 1,68 - - - - -

Вероятность появления деформаций связана с одновременным действием нагрузки от колеса и климатических факторов (влажности и температу­ры). При эксплуатации автомобильных дорог все деформации протекают вначале скрытно и трудно предвидеть их развитие. Поэтому необходимо про­водить профилактический контроль прочности до­рожной одежды в неблагоприятные периоды года с целью разработки мероприятий по предупреж­дению разрушения.

Прочность дорожной одежды характеризуют модулем длительной упругости (2.12)

где р - давление на дорожное покрытие от колеса автомо­биля;

D - диаметр площади круга, равновеликого площади контакта с покрытием;

_у - относительная упругая деформация (прогиб).

Величина рD - постоянная для расчетного автомобиля, поэтому для определения модуля уп­ругости Е_у и оценки по его значению прочности дорожной одежды достаточно определить про­гиб _у.

Наиболее простым прибором, применяемым для оперативного определения _У, является прогибомер МАДИ-ЦНИЛ Гушосдора (рис. 2.5, а). Нагрузка создается от колеса расчетного грузово­го автомобиля, например, МАЗ-500. Прогиб _у из­меряют путем установки иглы прогибомера в центре (под осью) между спаренными колесами расчетного грузового автомобиля. Предварительно автомобиль взвешивают и определяют нагрузку иа колесо.

Кроме того, применяется также установка ди­намического нагружения (рис. 2.5, б), которая позволяет фиксировать чашу прогиба при действии динамической нагрузки. Работа прибора основана на сбрасывании груза (обычно весом 1000 Н) с заданной высоты с одновременным измерением деформации.

Для непрерывного автоматического измерения прогиба в разных странах создан ряд конструкций специальных автомобилей-лабораторий. В СССР такие ходовые лаборатории созданы в Харьковском и Московском автомобильно-дорожных институтах, они обеспечивают измерение со скоростью передвижения до 10 км/ч.

В СССР, для широкого практического использования рекомендована ходовая лаборатория МАДИ (УДННК) (рис. 2.6, а), которая прошла всесторонние испытания. Эта лаборатория позво­ляет выполнять измерения со скоростью 10 км/ч. Принцип измерения модуля упругости этой лабо­ратории тот же, что и на установке динамическо­го загружения. Особенностью лаборатории явля­ются простота конструкции, удобство использова­ния на практике, низкая стоимость.

В последние годы во Франции разработана конструкция ходовой лаборатории - курвиметр СЕВТР (рис. 2.6, б). Прогиб измеряется с помощью непрерывной мерной ленты, проходящей между спаренными задними колесами в момент движения автомобиля-лаборатории. На ленте ус­тановлены специальные измерительные преобразо­ватели. Максимальная рабочая скорость лабора­тории 18 км/ч.

По значению прогиба, полученному этими ла­бораториями, определяют фактический модуль уп­ругости дорожной одежды. Для оценки прочности нежестких дорожных одежд используют следую­щие показатели: максимальный прогиб , мм; ра­диус кривизны поверхности дорожного покрытия г; произведение _уг. Основной сравнительной ха­рактеристикой является статистическая оценка максимальных прогибов на измеряемом участке автомобильной дороги.

Прочность жестких дорожных одежд оценивают:

- максимальным динамическим прогибом _у под воздействием падающего груза (амортизирован­ный удар) прибора ударного типа;

- максимальным радиусом кривизны покрытия r при воздействии динамической нагрузки (аморти­зированный удар);

- максимальным напряжением в бетонной пли­те, определяемым согласно теории упругости,

, (2.13)

где h - толщина плиты;

Е - модуль упругости;

r - радиус кривизны;

- коэффициент Пуассона;

жесткостью дорожной одежды S , определяемой отношением максимальной ударной силы F к мак­симальному динамическому прогибу _у ;

S = F/ (2.14)

Основной сравнительной характеристикой явля­ется статистическая оценка жесткости дорожной одежды.