Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы совершенствования теории расчета и параметров конструкции сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог 12
1.1 Анализ факторов определяющих направления совершенствования сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог 12
1.1.1 Факторы, определяющие проектные решения лесовозных автомобильных дорог 12
1.1.2 Функции автомобильных дорог в производственных процессах предприятий лесного комплекса 18
1.1.3 Классификация автомобильных дорог 20
1.1.4 Транспортные сети предприятий лесного комплекса 24
1.2 Анализ конструкций и оценка транспортно-эксплуатационных качеств сборных дорожных покрытий 30
1.2.1 Конструкция и классификация дорожных одежд 30
1.2.2 Конструкции сборных дорожных покрытий 33
1.2.3 Сборно-разборные дорожные покрытия из древесины 42
1.2.4 Работоспособность сборных дорожных покрытий 47
1.2.5 Обеспечение требуемых по условиям безопасности движения значений коэффициента сцепления 49
1.3 Анализ методов расчета сборных дорожных покрытий 51
1.3.1 Обоснование параметров сборных дорожных покрытий 51
1.3.2 Состояние проблемы совершенствования расчета сборных дорожных покрытий 54
2 Обоснование параметров конструкции сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог 61
2.1 Исследование влияния параметров сборных дорожных покрытий на условия и безопасность движения 61
2.2 Исследование схем укладки плит в покрытие 66
2.3 Обоснование ширины дорожной плиты 72
2.3.1 Расчет параметров проезжей части автомобильных дорог с колейными покрытиями 72
2.3.2 Уширение колесопроводов на кривых в плане 75
2.3.3 Эффективность использования уширенных дорожных плит 78
2.4 Обоснование ширины полосы движения 79
2.4.1 Классификация полос движения и методы расчета их ширины 79
2.4.2 Оптимизация ширины полосы движения 86
2.5 Требования к элементам продольного профиля дороги 93
3 Исследование влияния кривизны в плане на параметры конструкции сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог 97
3.1 Исследование свойств криволинейных колесопрводов 97
3.2 Обоснование плановых размеров дорожных плит для криволинейных колесопроводов 105
3.3 Повышение надежности и качества сборных дорожных покрытий из типовых конструкций плитна кривых в плане 116
3.4 Колесопроводы, образованные сочетанием прямоугольных и трапецеидальных плит 122
3.5 Требования к конструкциям сборных дорожных покрытий на переходных кривых 127
4 Разработка конструкций сборных дорожных покрытий для использования на кривых в плане 134
4.1 Разработка конструкций сборных дорожных покрытий для виражей и отгонов виражей 134
4.1.1 Требования к конструкциям сборных дорожных покрытий 134
4.1.2 Ступенчатые виражи 139
4.2 Совершенствование конструкции плит и щитов сборных дорожных покрытий
с симметричными криволинейными торцами 142
4.3 Разработка конструкции плит и щитов сборных дорожных покрытий с несимметричными криволинейными торцами 158
5 Совершенствование теории расчета усилий, действующих в конструктивных элементах сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог 167
5.1 Теория расчета усилий, действующих в конструктивных элементах сборных дорожных покрытий 167
5.1.1 Обоснование расчетной схемы 168
5.1.2 Теория расчета усилий, действующих в дорожных плитах от многоосевой подвижной нагрузки 171
5.1.3 Особенности расчета усилий, действующих в элементах двухслойных сборных покрытий 175
5.2 Моделирование нагружения сборных дорожных покрытий многоосевой подвижной нагрузкой 180
5.2.1 Определение положения внешних нагрузок на дорожных плитах 180
5.2.2 Математическая модель нагружения элементов сборных дорожных покрытий подвижной нагрузкой 186
5.2.3 Результаты имитационного моделирования нагружения конструктивных элементов сборных дорожных покрытий подвижной нагрузкой 188
5.2.4 Природоохранные аспекты сборных покрытий автомобильных дорог 196
5.3 Монтажные усилия в дорожных плитах 198
6 Оптимизация параметров транспортных систем предприятий лесного комплекса 205
6.1 Оптимизация параметров примыкания сетей автомобильных дорог предприятий лесного комплекса к дорогам общего пользования 205
6.2 Оптимизация параметров сборных дорожных покрытий по технико экономическим показателям 218
6.2.1 Экономико-математическая модель обоснования параметров сборных покрытий автомобильных дорог 219
6.2.2 Результаты расчета технико-экономических показателей сборных покрытий автомобильных дорог и оптимизации их параметров 227
6.2.3 Оценка результатов обоснования параметров сборных дорожных покрытий 231
6.3 Расчет объемов производства земляных работ с учетом кривизны в плане и продольном профиле и асимметрии в поперечном профиле дороги 234
6.3.1 Совершенствование расчета объемов производства земляных работ. 235
6.3.2 Частные случаи расчета объема призматоида 240
6.3.3 Функции параметров призматоида 242
6.3.4 Дифференциальная оценка распределения грунтовых масс по длине дороги 244
6.3.5 Разработка математической модели управления поворотным отвалом бульдозера 246
Основные выводы 251
Список использованных источников 254
Приложение
- Анализ конструкций и оценка транспортно-эксплуатационных качеств сборных дорожных покрытий
- Исследование схем укладки плит в покрытие
- Повышение надежности и качества сборных дорожных покрытий из типовых конструкций плитна кривых в плане
- Моделирование нагружения сборных дорожных покрытий многоосевой подвижной нагрузкой
Введение к работе
Актуальность проблемы. В производственных процессах лесного комплекса автомобильный транспорт занимает ведущее положение, являясь второй фазой лесозаготовительного производства и выполняя функции по обслуживанию и обеспечению технологических процессов, лесохозяйственных, лесовосстановительных и охранных мероприятий. В настоящее время по автомобильным дорогам вывозится более 90 % заготавливаемых лесоматериалов. Значение автотранспорта в лесном комплексе будет возрастать по следующим причинам: переход на многоцелевое комплексное лесопользование, возрастание среднего расстояния вывозки лесоматериалов, переход на вывозку лесоматериалов непосредственно к потребителю, дальнейшее развитие сетей дорог общего пользования и ведомственных с переводом последних в структуру дорог общего пользования, интенсивное развитие автомобилестроения и сервисного обслуживания автотранспортных средств. По причине возрастания средообразующих, рекреационных, защитных функций леса и развития комплексного лесопользования транспортные потоки на ведомственных' дорогах предприятий лесного комплекса становятся более разнообразными, отличаясь сочетанием крупногабаритных транспортных средств, легковых и грузовых автомобилей, автобусов, а также специализированных машин. Эффективность и безопасность функционирования автотранспортных систем в лесном комплексе определяется соответствием параметров и состояния автомобильных дорог условиям эксплуатации.
К сожалению, при возрастании требований к качеству дорог, состояние ведомственных автомобильных дорог предприятий лесного комплекса на большей их протяженности остается неудовлетворительным, а параметры не отвечают требованиям движения. Принимаемые проектные решения автомобильных дорог- должны быть оптимальными для конкретных условий эксплуатации, учитывать особенности процессов и условий лесного комплекса и основываться на последних достижениях науки, техники средств автоматизированного проектирования. Требования к качеству дорог предприятий лесного комплекса обуславливаются так же и перспективой их перевода после реконструкции в сеть дорог общего пользования. Только грамотно обоснованные проектные решения дорожных элементов, сооружений и конструкций позволяют создать системы ведомственных дорог с заданными транспортно-
эксплуатационными качествами и уровнем надежности и тем самым повысить эффективность лесозаготовительного производства и обеспечения процессов лесохо-зяйственных и прочих мероприятий.
Проблема совершенствования теории расчета и параметров конструкции сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог актуальна для отрасли, так как ее решение способствует развитию индустриального дорожного строительства, улучшению качества проектных работ, повышению транспортно-эксплуатационных качеств постоянных и временных путей и снижению затрат на вывозку лесоматериалов. Научные исследования по проблеме осуществлялись при выполнении научно-исследовательских работ по гранту министерства образования РФ: ТОО-11.2-2206 «Развитие теории расчета, разработка системы автоматизированного проектирования и совершенствование конструкции сборных покрытий автомобильных дорог лесопромышленного комплекса» (№ госрегистрации 01.2.00103889) в 2001...2002 гг. и в соответствии с направлением научно-исследовательской работы кафедры транспорта леса и инженерной геодезии Воронежской государственной лесотехнической академии: «Разработка ресурсосберегающих и экологически перспективных технологий лесовозного автомобильного транспорта» (№ госрегистрации 105362) в 1999...2004 гг., в которых соискатель являлся ответственным исполнителем.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение транспортно-эксплуатационных качеств сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог на стадии проектирования путем совершенствования теории расчета и параметров конструкции.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются параметры и элементы конструкций сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог. Научные исследования проводились при помощи методов: дифференциального и интегрального исчислений, теории вероятностей, аналитической геометрии, теоретической и строительной механики, теории расчета конструкций на упругом основании, имитационного моделирования, экономического анализа. При экспериментальном исследовании опытных участков использовалась передвижная дорожная лаборатория 38473-0000010 (КП-514МП), оборудованная ПЭВМ, прибором контро-
ля ровности и скользкости дорожных покрытий (ПКРС) и установкой динамического нагружения ДИНА-ЗМ. Обработка результатов измерений производилась методами математической статистики с применением современных средств вычислительной техники. Достоверность результатов научных исследований подтверждается апробацией конструктивных разработок, рекомендаций на предприятиях лесного комплекса и в дорожных организациях, а так же использованием рекомендаций и математического обеспечения системы автоматизированного проектирования (САПР) проектными организациями при разработке проектов автомобильных дорог в Калужской, Тамбовской областях и республике Коми. Научная новизна работы:
аналитические и графические зависимости показателей транспортно-эксплуатационных качеств сборных дорожных покрытий от их геометрических параметров, отличающиеся тем, что позволяют выявить рациональные пределы варьирования длины дорожной плиты при разработке конструкций сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог в САПР;
теоретическое обоснование параметров сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог в поперечном профиле, отличающееся учетом состава и режимов движения и позволяющее в САПР оценивать параметры проезжей части колейных покрытий и воздействия транспортных средств на дорожные одежды;
теоретическое обоснование параметров конструкций сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог на криволинейных участках плана дороги, отличающееся математической идентификацией требований по оптимальному вписыванию сборных элементов в сложные траектории и поверхности с учетом возможного многообразия конструктивных форм и условий эксплуатации в лесном комплексе;
теоретическое обоснование рациональных параметров конструкции переносных дорожных элементов с криволинейными торцами, отличающиеся учетом требований по обеспечению высоких транспортно-эксплуатационных качеств дорожных покрытий;
математическое обеспечение САПР сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог, отличающееся тем, что позволяет моделировать процессы нагружения
их элементов многоосевой подвижной нагрузкой и повысить точность расчета усилий, действующих в элементах сборных дорожных покрытий;
экономико-математическое обоснование параметров сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог, отличающееся учетом возможностей использования автомобильных дорог общего пользования, особенностей формирования грузопотока, затрат на изготовление элементов сборных дорожных покрытий, их строительство и эксплуатацию, потерь от дорожно-транспортных происшествий (ДТП) и обеспечивающее минимизацию затрат на вывозку лесоматериалов;
расчет объемов производства земляных работ, отличающийся тем, что учитывает кривизну в плане и продольном профиле, асимметрию поперечных профилей и позволяет производить дифференциальную оценку распределения грунтовых масс на стадии разработки технологических процессов возведения земляного полотна.
Практическая значимость и результаты внедрения. Практическая ценность работы связана с использованием основных ее положений:
аналитических и графических зависимостей, связывающих параметры конструктивных элементов сборных дорожных покрытий с параметрами плана дороги и показателями транспортно-эксплуатационных качеств покрытий, позволяющих найти рациональные конструктивные решения для конкретных условий эксплуатации и дающие возможность широкой индустриализации дорожного строительства на предприятиях лесного комплекса;
предложенных конструкций переносных элементов сборных дорожных покрытий,
обеспечивающих высокие транспортно-эксплуатационные качества и надежность дорожных конструкций на кривых в плане;
математических моделей и алгоритмов нагружения конструктивных элементов сборных дорожных покрытий, позволяющих выявить экстремальные значения внутренних усилий с высокой точностью расчетов в САПР;
экономико-математических моделей и алгоритмов обоснования оптимальных параметров транспортных сетей предприятий лесного комплекса, примыкающих к автомобильным дорогам общего пользования и конструкций сборных дорожных покрытий, обеспечивающих снижение себестоимости вывозки лесоматериалов;
- алгоритмов расчета объемов производства земляных работ с учетом кривизны в плане и продольном профиле и асимметрии поперечных профилей с дифференциальной оценкой распределения грунтовых масс, позволяющих оптимизировать технологические процессы производства земляных работ при строительстве дорог.
Разработанное математическое обеспечение САПР способствует повышению производительности и качества проектных работ. Разработанные на основе полученных результатов рекомендации и практические методы использовали: Центр дорожно-мостового проектирования «МАГИСТРАЛЬ» (г. Воронеж) - при разработке проектов строительства автомобильных дорог в Калужской и Тамбовской областях (1997, 1999, 2001 гг.); Коми республиканский дорожный департамент (г. Сыктывкар) и ОАО «Ухтагорпроект» (г. Ухта) - при разработке проектов строительства автомобильных дорог в Республике Коми (2001 г.).
Опытные участки дорог со сборными покрытиями, разработанными на основе материалов диссертации, построены: в Кантемировском районе Воронежской области (Кантемировский филиал ОАО «Воронежавтодор»); в ОАО «Баталинский ЛПХ» (Тверская область); в ЗАО «Монолит-М» (Воронежская область); в Серебрянобор-ском опытном лесничестве института лесоведения РАН (Московская область). Результаты проверки показателей транспортно-эксплуатационных качеств покрытий опытных участков передвижной дорожной лабораторией КП-514МП подтверждают адекватность и достоверность результатов диссертационной работы.
Разработанные методы расчетов, математическое обеспечение САПР используются в учебном процессе Воронежской государственной лесотехнической академии и Ухтинского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 250301 - Лесоинженерное дело. Научные положения, выносимые на защиту:
Аналитические и графические зависимости показателей транспортно-эксплуатационных качеств сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог от длины дорожной плиты.
Аналитические зависимости для обоснования ширины дорожной плиты и параметров проезжей части колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог.
Аналитические и графические зависимости для обоснования параметров конструкции сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог на кривых в плане.
Усовершенствованные конструкции переносных дорожных элементов для укладки на участках кривых в плане.
Математическое обеспечение САПР сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог и результаты моделирования нагружения конструктивных элементов сборных дорожных покрытий многоосевой подвижной нагрузкой.
Результаты оптимизации параметров сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог и проверки адекватности математической модели нагружения их конструктивных элементов многоосевой подвижной нагрузкой.
Аналитические зависимости для расчета объемов производства земляных работ с учетом кривизны в плане, продольном профиле и асимметрии в поперечном профиле и результаты оценки влияния кривизны в плане и асимметрии в поперечном профиле на величину объема производства земляных работ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались:
на международных научных, научно-практических и научно-технических конференциях: «Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (Воронеж, 1998 г.); «Рациональное использование лесных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1999 г.); «Леса Беларуси и их рациональное использование» (Минск, 2000 г.); «Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства и модификации древесины» (Воронеж, 2000 г.); «Повышение эффективности лесозаготовок малолесных районов России» (Воронеж, 2001 г.); «Рациональное использование лесных ресурсов» (Йошкар-Ола, 2001 г.); «Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего» (Воронеж, 2004 г.); «Проблемы функционирования, стабилизации и устойчивости развития предприятий лесопромышленного комплекса в новом столетии» (Воронеж, 2004 г.);
на всероссийских научных, научно-практических и научно-технических конференциях: «Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродуктового) лесопользования» (Воронеж, 1995 г.); «Рациональное ис-
пользование ресурсного потенциала в агролесном комплексе» (Воронеж, 1998 г.); «Повышение технического уровня машин лесного комплекса» (Воронеж,
1999 г.);
- на всероссийском молодежном научном симпозиуме «Молодежь и проблемы ин-
формационного и экологического мониторинга» (Воронеж, 1996 г.);
на юбилейной научной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию образования ВГЛТА «Лес и молодежь ВГЛТА - 2000 г.» (Воронеж, 2000 г.);
на межвузовской научно-практической конференции, посвященной 70-летию ВГЛТА «Восстановление лесов, ресурсо- и энергосберегающие технологии лесного комплекса» (Воронеж, 2000 г.);
на научно-практической конференции с международным участием «Интеграция науки и высшего лесотехнического образования, инновационная деятельность на предприятиях лесного комплекса» (Воронеж, 2002 г.);
- на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава
в ВГЛТА с 1995 по 2004 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 77 работ, включая 7 монографий, 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 патента РФ, в том числе 2 монографии и 32 статьи без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении проблемы, цели и задач; выполнении теоретических разработок; проведении расчетов на ЭВМ; обработке и анализе их результатов; разработке практических методов обоснования проектных решений автомобильных дорог для условий лесного комплекса.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разде-
лов, основных выводов, списка использованных источников из 282 названий и
включает 381 страницу текста, 25 таблиц, 82 рисунка и 15 приложений.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту - Заслуженному работнику Высшей школы РФ, профессору В.К. Курьянову за полезные замечания, ценные советы и помощь, оказанную при работе над диссертацией.
Анализ конструкций и оценка транспортно-эксплуатационных качеств сборных дорожных покрытий
Дорожная одежда является важнейшим конструктивным элементом автомобильной дороги представляет собой многослойную или однослойную конструкцию, устраиваемую в верхней части земляного полотна автомобильной дороги в пределах проезжей части, краевых полос и укрепленных обочин из каменных материалов и укрепленных грунтов и предназначенную для создания прочной, ровной, шероховатой и беспылыюй поверхности проезжей части и обочин, а так же защиты земляного полотна от атмосферных воздействий [31, 36, 37, 87, 88]. Дорожная одежда воспринимает нагрузки от движителей (колес) автотранспортных средств и передает их в распределенном виде на грунт земляного полотна. Классификация дорожных одежд и покрытий по [87] приведена в таблице 1.1.
Различают следующие элементы дорожной одежды [31, 36, 37, 87, 88];1. Покрытие - верхняя часть дорожной одежды, состоящая из одного или нескольких единообразных по материалу слоев, воспринимающая усилия от колес транспортных средств и подвергающаяся непосредственному воздействию атмосферных факторов. По поверхности покрытия могут быть устроены слои поверхностных обработок различного назначения (для повышенияшероховатости, защитные слои, слои износа).2. Основание - часть конструкции дорожной одежды, расположенная под покрытием и обеспечивающая совместно с покрытием перераспределение напряжений в конструкции и снижение их величины в грунте рабочего слоя земляного, полотна (подстилающем грунте), а также морозоустойчивость и осушение конструкции. Следует различать несущую часть основания (несущее основание) и его дополнительные слои.
Несущая часть основания должна обеспечивать прочность дорожной одежды и быть морозоустойчивой.Дополнительные слои основания - это слои между несущим основанием и подстилающим грунтом, предусматриваемые при неблагоприятных погодно-климатических и грунтово-гидрологических условиях. Эти слои совместно с покрытием и основанием должны обеспечивать необходимые морозоустойчивость и дренирование конструкции и позволять снижать толщину вышележащих слоев из дорогостоящих материалов. В зависимости от функции дополнительный слой называют морозозащитным, теплоизолирующим, дренирующим. К ним относят также гидро-и пароизолирующие, капилляропрерывающие, противозаиливающие и другие. Дополнительные слои устраивают из песка и других местных материалов в естественном состоянии или укрепленных органическими, минеральными или комплексными вяжущими; из местных грунтов, обработанных вяжущими; из укрепленных смесей с добавками пористых заполнителей, а также из специальных материалов (геотекстильный материал, пенопласт, полимерная пленка). При наличии дополнительных слоев в проекте необходимо учитывать технологические проблемы, связанные с движением по ним построечного транспорта.
Рабочий спой земляного полотна (подстилающий грунт) - верхняя часть земляного полотна от низа дорожной одежды до 2/3 глубины промерзания, но не менее 1,5 м от поверхности покрытия.
По сопротивлению действующим нагрузкам и по реакции на климатические воздействия дорожные одежды подразделяются на две группы [36, 87, 88, 89, 90, 91]:1. Жесткие. К ним относятся дорожные одежды, имеющие цементобетонные покрытия, сборные покрытия из железобетонных и армобетонных плит, асфальтобетонные покрытия на цементобетонном основании.2. Нежесткие. К ним относятся дорожные одежды со слоями, устроенными из асфальтобетонов разного вида, из материалов и грунтов, укрепленных битумом, цементом, известью, комплексными и другими вяжущими, а также из слабосвяз-ных зернистых материалов (щебня, шлака, гравия и других).
Транспортно-эксплуатационные качества дорожных одежд обеспечиваются состоянием их ездовой поверхности, которое может быть охарактеризовано следующими показателями:1. Макронеровности. Образуются в результате воздействия внешних нагрузок итемпературных напряжений и развиваются в процессе эксплуатации дороги. Кним относятся выбоины, волны, трещины, пучины, сколы кромки проезжей части. Макронеровности могут присутствовать и по конструктивно технологическим причинам: швы между плитами сборных покрытий, температурные швы в монолитных покрытиях из цементного бетона. Макронеровности# представляют собой негативное явление, которое способствует разрушению дорожной дежды, увлажнению слоев основания и грунта земляного полотна. Они создают дополнительное сопротивление движению, вызывают колебание подвески, снижают скорость движения и повышают вероятность возникновения ДТП.2. Микронеровности. Зависят от шероховатости покрытия и определяют величинукоэффициента сцепления (р шины с поверхностью покрытия. Структура шероховатости должна быть оптимальной для достижения максимального значения (р.
Коэффициент сцепления ср определяет тяговые и тормозные возможности автотранспортных средств, а так же устойчивость при движении по кривым в плане. 3. Влажность. Вода заполняет шероховатую поверхность покрытия, что приводит к снижению значения коэффициента сцепления.4. Обледенелость. Явление характерное для морозного периода года, когда застывшая на поверхности покрытия вода образует ледяную корку и изменяет шероховатость покрытия. В результате снижается значение коэффициента сцепления.5. Загрязнение. Явление, связанное с наносом на поверхность покрытия почвы и грунта движителями транспортных средств с грунтовых дорог, обочин. Ухудшается качество ездовой поверхности, изменяется микроструктура покрытия. В сухое время года повышенное пылеобразование, в период выпадения осадков -мокрое грязное покрытие с пониженным значением коэффициента сцепления.
В настоящее время детально отработаны и постоянно усовершенствуются ме тодики расчета дорожных одежд жесткого и нежесткого типов и их конструкции [87, 88, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102]. В развитии данного научного направления важное значение имеют работы таких ученых как Н.Н. Иванов, В.Ф. Баб-ков, И.А. Золотарь, СВ. Коновалов, Э.О. Салминен, Л.В. Петровский, А.А. Яблоч-кин, В.К. Курьянов, Н.П. Вырко, М.С. Коганзон, В.П. Подольский, А.К. Бируля, В.К. Некрасов, В.М. Сиденко, A.M. Кривисский, В.В. Савельев.
. Сборные дорожные покрытия включают следующие конструктивные элементы: плиты или щиты, соединяемые посредством стыковых соединений в колесопроводы и основание [90, 91]. По форме в плане плиты могут быть самыми различными: круглые, шестиугольные, восьмиугольные, пятиугольные, квадратные, ромбические, треугольные, прямоугольные, трапециидальные, крестообразные [89, 90, 91, 103, 104]. Исходя из техно # логических и экономических соображений, наиболее оптимальными являются прямоугольная и трапециидальная плиты [91, 97, 98, 99, 104, 105], которые и получили наибольшее распространение в дорожном строительстве. В конструктивном исполнении любая плита имеет две грани (верхняя и ниж няя) и определенное количество торцов, которое зависит от формы плиты. Верхняя
Исследование схем укладки плит в покрытие
Схема укладки плит в покрытие определяет их взаимное расположение и условия работы в процессе нагружения. Схемы укладки плит однослойных покрытий показаны на рисунке 2.5, из которого видно, что колейные однослойные покрытия имеют одну схему укладки (см. рисунок 2.5а), а сплошные - две: продольная укладка плит (см. рисунок 2.56); поперечная укладка плит (см. рисунок 2.5в). Двухслойные покрытия могут иметь следующие схемы укладки плит: без перевязки; с продольной перевязкой; с поперечной перевязкой; с продольно-поперечной перевязкой. Данные схемы обуславливают взаимное расположение плит верхнего и нижнего слоев покрытия и их геометрические параметры. Схемы укладки с продольной и продольно-поперечной перевязкой обеспечивают лучшие условия работы покрытия при действии внешней нагрузки, так как они значительно ослабляют проявление краевого эффекта. Эти схемы представлены на рисунке 2.6
Если рассматривать каждый слой двухслойного покрытия отдельно, то можно сделать вывод о том, что он имеет такую же схему укладки плит, что и однослойное покрытие. В таблице 2.2 показаны соотношения параметров конструктивных элементов слоев сборных дорожных покрытий. Схема укладки плит однослойного покрытия или верхнего слоя двухслойного определяет эксплуатационные качества покрытия и строительные затраты, связанные с устройством стыков, заделкой швов, а так же эксплуатационные затраты на содержание и восстановление швов и стыков.
Протяженность швов определяет затраты по отделке и эксплуатации покрытия, влияет на процессы строительно-монтажных работ [223]. Швы являются причиной проникновения влаги в слой дорожной одежды, ухудшения ездовых качеств покрытия (при их некачественной заделке и неправильном содержании покрытия). Целесообразно стремиться к минимуму протяженности швов на покрытии в пределах полосы движения. Швы сборных покрытий по их расположению относительно направления дороги можно разделить на продольные и поперечные, последние непосредственно контактируют с движителями транспортных средств, что приводит к их быстрому разрушению. Это значит, что важно не только сократить протяженность поперечных швов, а так же увеличить расстояние между поперечными швами.
Суммарная длина швов 1ш на некоторой длине пути / составляет (L, В - соответственно длина и ширина плиты, м С- ширина полосы движения, м):
Для схемы продольной укладки величина В ограничена половиной ширины полосы движения С, а длина может достигать предельных размеров для плит сборных дорожных покрытий. Для схемы поперечной укладки длина плиты равна ширине полосы движения, а ширина ограничена параметрами транспортных средств, используемых для перевозки плит, а именно Я 2,5 м, то есть габаритной ширинойподвижного состава автомобильных дорог общего пользования. Величина — представляет собой протяженность швов на 1 пог. м полосы движения. На рисунке 2.7 показаны графики зависимости суммарной длины швов на 1 пог. м покрытия от длины L и ширины В плиты при С = 3,5 м.
Анализ кривых 1 и 2, представленных на рисунке 2.7 показывает, что протяженность швов меньше для схемы поперечной укладки, но длина плит при этом со ставляет 3,5 м. Если рассматривать удельную протяженность поперечных швов/которая составляет — = — для продольной схемы и — = — для поперечной (см. ри сунок 2.7 кривая 3), то с увеличением длины преимущество имеет схема продольнойукладки, которое проявляется при длине плит — 2,5 м. Если удельную протяжен ІШПЧ _ность поперечных швов — разделить на ширину полосы движения С, то получится величина - удельная протяженность поперечных швов на единицу площади покрытия или частота появления поперечных швов на покрытии, равная: для схемы1 „ 1 ппродольной укладки — и для схемы поперечной укладки . Данный показательявляется величиной обратной расстоянию между соседними поперечными швами иопределяет величину макронеровностей покрытия [96, 104, 221, 222, 224].
Анализ рисунков 2.3 и 2.7 позволяет сделать вывод о том, что необходимостремиться к увеличению расстояния между поперечными швами с целью повышения удобства и безопасности движения, а значит, схема продольной укладки является более рациональной.
Расчет параметров проезжей части автомобильных дорог с колейными покрытиями. При движении автопоезда или другого транспортного средства линия следа колеса не является прямой вследствие ряда технических и других причин. При этих условиях скорость поступательного движения колеса (она же ско-# рость автопоезда) представляет собой вектор, направленный по касательной к траектории движения в точке, определяемой координатами положения колеса на покрытии (х, у) в данный момент времени, что проиллюстрировано на рисунке 2.8.
Как видно из рисунка 2.8 движение колеса по сложной траектории можнопредставить прямолинейным в двух взаимно перпендикулярных направлениях(вдоль осей X и Y), причем движение вдоль оси X строго направленное, то естьФ проекция вектора v(. на ось X не меняет направления, а вдоль оси Y движение взаимообратное. Важнейшим параметром проезжей части дороги с колейным покрытием является ширина колесопровода В, то есть зоны, где существует вероятность появления колеса при направленном движении с определенной скоростью. Величина В определяется через крайние координаты положения колеса на покрытии _утах и ут[п В = _утах - _ymin. Если предположить, что колесо движется по прямолинейной траектории, определяемой некоторой координатой укі, то, несомненно ymin yki утах. Предполагая равную вероятность отклонения колеса от линии yki(см. рисунок 2.8) можно утверждать, что — = утяк-укі=укі-утіа; Укі = Ух Ут т Предельная величина отклонения колеса от нормали равна половине ширины колесопровода. Фактическая же величина отклонения Ау находиться в пределах
Повышение надежности и качества сборных дорожных покрытий из типовых конструкций плитна кривых в плане
Совместный анализ рисунков ЗЛО, 3.11 и 3.15 показывает, что применение трапецеидальных плит с показателем формы, определяемым при помощи рисунка 3.16, позволяет добиться минимизации ширины поперечного шва при меньших радиусах кривых, чем в случае прямоугольных плит. Но данные показатели формы очень малы и дают значения разности длин боковых граней в пределах допусков на отклонение размеров плиты (до 5 мм), а значит, практически они ни чем не отличаются от прямоугольных плит. Отсюда следует вывод, что для каждого стандартного значения радиуса кривой меньшего величин, определяемых поверхностями рисунков 3.10 и 3.11 необходимо изготавливать плиты с показателем формы, дающим величину разности длин боковых граней 5 мм и более.
Зависимость (3.10) показывает, что значение AL ограничивается величиной 5Ы, и в частности типовые конструкции требуют уширение шва на величину до0,02L в однопутных и до 0,05L в двухпутных покрытиях. Таким образом, при малых радиусах на закруглениях целесообразно использовать нетиповые конструкции трапецеидальных плит со следующими параметрами AL = const 5 мм, L = f[R0i); R0l —, то есть для каждого колесопровода закругления необходимо изготавли-AL вать плиты конкретной длины. Плиты одинаковой длины во всех колесопроводах могут быть использованы только при радиусах оси первого от центра закругления колесопровода равных или больших значений, определяемых по графикам рисунка 3.6. Увеличение длины колесопроводов можно компенсировать укладкой между плит брусов [241, 242], имеющих длину равную ширине плиты, толщину равную толщине плиты и ширину - уширению поперечного шва Sol=— -L. При этом можно использовать потенциал раскрытия поперечного шва для расширения диапазона возможных значений Rx, которые определяются из формулы (3.4): На рисунке 3.17 представлены диаграммы разброса значений радиуса оси первого от центра закругления колесопровода для трапецеидальных плит, из которых видно, что уменьшение значения к обеспечивает более широкий разброс значений радиусов в сторону верхней границы #1тах, которая для прямоугольных плит бесконечна. Диаграмма рисунка 3.17 показывает допустимые пределы варьирования значений радиусов оси первого от центра закругления колесопровода за счет потенциала раскрытия поперечного шва при компенсации его уширения посредством брусов или нетиповыми конструкциями плит. его уширения Исключить необходимость изготовления плит разных типоразмеров для закруглений позволить применение стыковых брусов (см. рисунок 3.18) [242], имеющих клиновидную форму в плане и шипы, размещенные по боковым граням, входящие в торцевые пазы смежных плит, при этом длина бруса равна ширине плиты, толщина - толщине плиты, а ширина бруса рассчитывается по формулам:а) для внутренней кромки колесопровода а0 (по отношению к центру закругления) Данные формулы предназначены для определения параметров основных брусов, ширина доборных брусов равна половине ширины основных.
Предлагаемый брус клиновидной формы для соединения плит в колесопровод обеспечивает компенсацию уширения и раскрытия поперечного шва на закруглениях в плане, что дает возможность использования прямоугольных плит типовых конструкций на всем протяжении дороги, а также воспринимает сжимающие усилия, вызываемые сближением торцов смежных плит при действии внешних нагрузок, что повышает жесткость стыкового соединения, а следовательно и его надежность. 120 На рисунке 3.18а изображен брус для соединения плит в колесопровод в пределах круговой кривой (основной), а на рисунке 3.186 показан брус для соединения плит в узлах перехода от прямой вставки к кривой в плане (доборный). На рисунке 3.19 изображено сборное покрытие автомобильной дороги на кривой в плане. Брус для соединения плит в колесопровод на кривых в плане включает тело 1 клиновидной формы в плане, и шипы 2, расположенные по его боковым граням. Сборное покрытие автомобильной дороги на кривой в плане включает брусы 1, оснащенные шипами 2 и плиты 3, имеющие пазы в торцах. Соединение плит в колесо-провод обеспечивается тем, что шипы 2 бруса 1 входят в пазы, размещенные в торцах смежных плит 3. При проектировании покрытия автомобильной дороги для каждого колесопро-вода отдельно взятой кривой в плане определяются параметры брусов по выше изложенной методике. По этим параметрам изготавливают брусы. Укладка покрытия производится при помощи шаблонов, при этом осуществляется поочередная укладка брусов и плит, таким образом, чтобы шипы бруса входили в торцевые пазы смежных плит. Размеры бруса обеспечивают необходимый радиус оси колесопровода. Ширина поперечного сечения бруса равна полному увеличению ширины поперечного шва, то есть d + Soj и зависит от положения относительно центра закругления, увеличиваясь по мере удаления от внутренней боковой грани плиты к внешней. Расширить диапазон радиусов кривых для плит конкретных конструкций позволяет устройство колесопроводов, образованных сочетанием трапецеидальных и прямоугольных плит [243], расчетная схема такого колесопровода показана на рисунке 3.20. Из колесопровода можно выделить сегмент, включающий т трапецеидальных ячеек и примыкающие к нему прямоугольные вставки. Внутренний угол (угол поворота) сегмента составляет та0, а длина оси колесопровода в пределах этого сегмента - mLT + Ln, где LT - длина средней линии трапецеидальной ячейки, м; Ьп - длина прямоугольной вставки, м. Таким образом, радиус оси колесопровода /?,. составит
Моделирование нагружения сборных дорожных покрытий многоосевой подвижной нагрузкой
Задача моделирования динамики нагружения сборных покрытий автомобильных дорог движущимися автотранспортными средствами заключается в определении усилий, действующих в конструктивных элементах дорожной одежды в любой момент времени / [251].
Существующие методы определения усилий в элементах сборных дорожных покрытий [91, 98] базируются на схемах с фиксированным положением внешних нагрузок или с подвижными нагрузками, но при этом временной фактор и изменение внутренних усилий не рассматриваются, хотя для покрытий автомобильных дорог, работающих в условиях кратковременного переменного нагружения подвижными нагрузками это очень важно [252]. Моделирование динамики нагружения сборных покрытий автомобильных дорог позволит значительно улучшить технологию проектирования и получать адекватные проектные решения.
Распределение внешних (колесных) нагрузок по некоторой площади контакта А говорит о том, что процесс нагружения дорожного переносного элемента (плиты, щита) начинается при переходе колеса первой оси со смежной плиты на рассматриваемую (расчетную) и заканчивается, когда колесо последней оси съезжает с расчетной плиты на смежную. Моментом наезда колеса на рассматриваемую плиту следует считать касание следа колеса первой оси к торцу рассматриваемой плиты и моментом съезда - касание отпечатка следа колеса последней и0-ой оси [253]. Запериод нагружения плиты автопоезд, имеющий скорость V (м/с) (момент начала на-гружения) и ускорение а (м/с ) проходит некоторое расстояние 5 (м), которое назовем пробегом нагружения. В момент начала нагружения /0 колесо 1-ой оси имеет координату х0 (центр отпечатка следа колеса), а в момент окончания /, - х,. Величина S есть ни что иное, как разность этих координат (S = л:, - х0). где R\, Rn - соответственно, радиусы кругов равновеликих отпечаткам следов колес 1-ой и п0-ой осей, м; L - длина дорожного элемента (плиты, щита), м; /,. - межосевое расстояние между осями автопоезда / -ой и (/ +1) -ой.
Значения периода Т и пробега S нагружения дорожной плиты подвижной нагрузкой взаимосвязаны между собой, чем больше S тем, больше и Т. Помимо S величина Т зависит от скорости автопоезда в момент начала нагружения v(/0) и егоускорения а при движении на протяжении пробега нагружения S. Движение автопоезда на участке пробега нагружения можно рассмотреть как поступательное движение одного из его колес вдоль оси х, например, колеса первой оси, а точнее -центра круга, равновеликого отпечатку следа колеса. При поступательном движении материальной точки, ее координата х(/) в произвольный момент времени / опреде at1ляется уравнением x{t)- XQ + V(/Q)- t + , где t - время, отсчитываемое от моментаначала нагружения. Продолжительность периода нагружения Т дорожного элемента можно найти, используя условие, что в момент времени /, координата центра отпечатка следа колеса x{t\) = х\ = XQ + v(tQ \t\ - /Q ) + —— -, а следовательноrw-i Z,S = v(?o)r + . Преобразуем эту зависимость к виду —Т+ v(tQ)-S-0, в результате имеем квадратное уравнение, решение которого относительно Т
Величина Т, определяемая по формуле (5.11) положительная, так какyjv (to)+2aS V(/Q) при этом a 0, то есть транспортное средство движется ускоренно. Если а = 0, то уравнение (5.11) примет вид v(to)-S = 0, а период нагру т S жения составит Т - ———.v( o) Учитывая распределение внешней нагрузки по площади круга А. с радиусомR., создаваемой колесом /-ой оси автопоезда, полное положение этой нагрузки нарасчетной схеме будем описывать тремя координатами (относительно левого торца плиты): хн_ - координата точки начала отпечатка, м; xt, - координата точки центраотпечатка, м; хк, - координата точки конца отпечатка, м. Можно установить следующие соотношения между параметрами внешней нагрузкиxKl =x„l+2Ri = xtlj+R.; хщ = „,+/?,; ,, =хЦі -і?,.; \М) =- ,, +/,-.,» (5-12)где /м - расстояние между (/ - 1)-ой и / -ой осями автопоезда, м.
Если координата точки ухи, хц_, х\ меньше 0, то точка расположена левееплиты будетгде Ц -длина 1-ой плиты, м. Если какая-либо из координат х н_, х ц_, х к, меньше 0, то точка не лежит на расчетной схеме из трех плит, в противном случае она лежит на 1-ой плите. Если 0 х ( [х щ_,х[ ) L, то точка приложена ко 2-ой расчетной (центральной) плите, при х[{х[и,х Л L точка расположена правее центральной плиты, а ее координата относительно левого торца третьей плиты составит Если координата x"fx ,x" J L3, то точка не попадает на расчетную схему, в противном случае она расположена на третьей плите. Возможны варианты расположения точек, определяющих положение распределенной нагрузки, на разных (смежных) плитах. В этом случае имеет место торцевой переход, т.е. часть нагрузки расположена на одной плите, а оставшаяся часть -на другой. Это имеет место при переходе колеса с одной плиты на другую (смежную). Опираясь на выше принятое описание положения внешней нагрузки координатами можно сформулировать термин «период нагружения» - это разность моментов, которым соответствуют следующие значения координат: а) для /0 б) для /, Если принять момент времени t0 за начало отсчета времени (ґ0 = 0), то tx = Т. Существуют две модели нагружения элементов сборных покрытий автомобильных дорог [252, 253]: 1. Нагружение в пространственном интервале, которое представляет собой расчет внутренних усилий при различных значениях координат положения внешних нагрузок на расчетной плите; 2. Нагружение во временном интервале, которое представляет собой определение внутренних усилий в фиксированные моменты времени / в течение периода нагружения (0 / Г). Моделирование нагружения в пространственном интервале подробно изложено в [96, 252], где нагрузки от колес представлены как сосредоточенные силы. При моделировании нагружения во временном интервале целесообразно период нагружения разбить на отрезки, которые представляют собой интервалы времени А/ между фиксированными моментами, количество интервалов / = T/At, а количество точек на временном отрезке [0; Г]: / +1. Чем меньше принят интервал At, тем больше / и точнее результаты моделирования. Временной отрезок [0; Т] выглядит следую
