Примеры расчета Приложение 3

Страница 17 из 19

Приложение 3

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Пример 1

Требуется запроектировать дорожную одежду с цементобетонным монолитным покрытием на магистральной дороге общегосударственного значения.

Исходные данные:

ширина проезжей части для движения в одном направлении - 7,5 м;

ширина земляного полотна (с учетом обочин) - 15 м;

расчетный срок службы покрытия - 25 лет;

расчетная нагрузка на дорожную одежду Р_к = 50 кН;

давление в шинах - 0,6 МПа;

интенсивность движения ед/сут в первый год службы характеризуется следующими данными:

ГАЗ-53А ............. 1080

ЗИЛ-180 ............... 950

МАЗ-500А ......... 1040

КамАЗ-5511 ........ 900

Икарус-250 ......... 500

показатель ежегодного роста интенсивности движения q = 1,05;

дорожно-климатическая зона - II-1;

схема увлажнения рабочего слоя - 2;

грунт земляного полотна - суглинок легкий пылеватый;

глубина промерзания - 1,5 м;

глубина залегания уровня грунтовых вод - 1,8 м;

коэффициент фильтрации дренирующего материала (песка) К_ф = 3 м/сут;

материал покрытия - бетон класса В_в_tв 4,4;

материал основания - песок, укрепленный цементом, нижний слой - песок среднезернистый;

расчетная влажность грунта W_р = 0,85 W_т;

Назначение расчетных характеристик грунтов и материалов дорожных одежд

Для проведения расчетов назначаем следующие показатели:

1) требуемый уровень надежности и соответствующий ему коэффициент прочности по табл. 5 Норм:

для вычисленной ниже интенсивности движения (1458 ед/сут) вероятность предельного состояния уровень (надежности) 0,95; коэффициент прочности К_пр = 1,00;

2) расчетный модуль упругости грунта по табл. П. 2.6:

для суглинка легкого пылеватого при W_р = 0,85 W_т Е_гр = 27 МПа;

3) расчетные характеристики сопротивления грунта сдвигу по табл. П. 2.6:

для суглинка легкого пылеватого j_гр = 11°; С_гр = 0,008 МПа:

4) коэффициенты А₁, А₂ и А₃, учитывающие сопротивление грунта сдвигу по табл. 8 Норм:

при j = 11° А₁ = 0,2; А₂ = 1,9; А₃ = 4,4;

5) плотность грунта j = 1,9 т/м³;

6) модуль упругости материала верхнего слоя основания (песок, укрепленный цементом) по табл. П. 2.7:

для песков (кроме мелких пылеватых и одноразмерных), укрепленных. цементом, 1 класса прочности (R_с7,5) E_ц/_г_p = 600 МПа;

7) модуль упругости песчаного слоя основания по табл. П. 2.5

для песка среднезернистого Е_п = 120 МПа;

8) характеристики сопротивления сдвигу песчаного слоя по табл. П. 2.8:

угол внутреннего трения j_п = 40°, сцепление С = 0,006 МПа;

9) коэффициент К^о_д виброползучести материала основания по табл. 10 Норм:

для цементогрунта на песке (h_o = 16 см) К^о_д = 1,5, когда стыки не работают; К^о_д = 1,1, когда стыки работают;

10) коэффициент виброползучести песка К^о_д по табл. 9 Норм:

для песчаного основания К^о_дп = 5,7, когда стыки не работают; К^о_дп = 1,6, когда стыки работают;

11) модуль упругости и сопротивление растяжению при изгибе бетона по табл. П. 1.4:

для бетона класса B_в_tв 4,4 R_p_и 55, Е = 36000 МПа;

12) характеристики для расчета конструкций на морозоустойчивость:

а) допустимое морозное поднятие одежды:

для цементобетонных покрытий с условиями эксплуатации по 1-й расчетной схеме допустимая величина общего приподнятия от выпучивания 3 см;

б) климатический показатель а_о по ВСН 46-83 (рис. 4.4) а_о = 90 см² (сут г. Тверь);

в) показатель пучинистости грунта В¢ по ВСН 46-83 (табл. 4.2):

для суглинка тяжелого пылеватого В¢ = 4,5 см³/сут.

Определение расчетной интенсивности нагрузки

Так как задана интенсивность движения автомобилей различных марок с нагрузкой на ось Р_i, то сначала число воздействий заданных автомобилей приводим к числу воздействия расчетных нагрузок:

1) по формуле (5) Норм находим коэффициент приведения i-го автомобиля с нагрузкой P_i (по ВСН 46-83) к нормативной нагрузке Р = 50 кН:

ГАЗ-53 A ¾ K_i = (28,0/50,0)^4,64 = 0,07;

ЗИЛ-130 ¾ К_i = (34,8/50,0)^4,64 = 0,19;

МАЗ-500А - К_i = (50,0/50,0)^4,64 = 1,0;

КамАЗ-5511 - К_i = l,05 (по ВСН 46-83);

Икарус-250 - К_i = (47,9/50,0)^4,64 = 0,82;

2) по табл. 6. Норм для двух полос движения f_пол = 0,55;

3) по формуле (4) Норм находим интенсивность движения N_п_p, приведенную к расчетной нагрузке:

N_п_p = 0,55 (0,07 × 1080 + 0,19 × 950 + 1,0 × 1040 + 1,05 × 900 + 0,82 × 500) = 1458 ед./сут;

4) по формуле (3) определяем расчетную повторность нагружения при Т = 25 лет; n_c = 210 сут; q = 1,05:

Определение необходимости проведения расчета конструкции на морозоустойчивость

Так как грунт земляного полотна (суглинок тяжелый пылеватый) является очень пучинистым по ВСН 46-83 (табл. 30); глубина промерзания конструкции 1,5 м, что меньше 0,6 м и толщина дорожной одежды не превышает 2/3 глубины промерзания, то расчет выполняем согласно разделу 4 ВСН 46-83.

По ВСН 46-83 (прил. 9, табл. 32) определяем эквиваленты теплотехнических свойств материалов по отношению к уплотненному щебню:

Е_ц_/б = 1,03; Е_ц_/гр = 1,00; E_п = 0,98.

Кроме того, для расчета необходимы следующие данные:

z - расчетная глубина промерзания z = 150 см;

z₁ - толщина стабильных слоев дорожной одежды z₁ = 73 см;

Н - расчетная глубина залегания УГВ Н = 180 см;

В' - комплексная характеристика грунта по степени пучинистости, В¢ = 4,5 см³/сут;

а_о - климатический показатель, а_о = 90 см2/сут.

Определяем отношения:

z₁/z = 73/150 = 0,49; z/Н = 150/180 = 0,83.

По ВСН 46-83 (рис. 4.2) , отсюда = 2,70 см.

Известно, что конструкция достаточно морозоустойчива, если удовлетворяется условие: (l_пуч + l_мз) < l_доп,

где l_пуч - расчетное (ожидаемое) пучение грунта, земляного полотна; l_мз - расчетное пучение морозозащитного слоя; l_доп - допустимое зимнее выпучивание покрытия.

Поскольку для устройства морозозащитного слоя применяется среднезернистый песок, то согласно ВСН 46-83 l_мз = 0. Отсюда l_пуч + l_мз = 2,70 + 0 = 2,70 см < 3,0 см, т. е. условие конструкции на морозоустойчивость выполняется.

Расчет необходимой толщины дренирующего слоя

По формуле (62) Норм находим толщину дренирующего слоя:

h_ф = 0,1(1 + L_ф/К_ф).

Согласно исходным данным ширина земляного полотна 15 м, К_ф = 3 м/сут. Тогда L_ф = 15/2 = 7,5 м и h_ф = 0,1 (1 + 7,5/3) = 0,35 м. Принимаем толщину дренирующего слоя равной 35 см.

Назначение конструкции дорожной одежды

Назначаем следующую конструкцию дорожной одежды:

покрытие - цементобетон класса В_в_tв 4,4; Е = 360000 МПа;

основание - песок, укрепленный цементом 1 класса прочности (R_с 7,5);

Е_о = 600 МПа; h_o = l6 см;

нижний слой основания - песок среднезернистый;

Еп = 120 МПа; h_n = 35 см.

Конструкции швов принимаем в соответствии с рис. 3 Норм. Согласно п. 2.11 Норм поперечные швы устраивают без штырей, при температуре бетонирования более 10 °С швы расширения в данной конструкции допускается не устраивать.

В соответствии с п. 2.7 Норм l_сж = 25 h = 5,5 м.

Определение эквивалентного модуля упругости

1. На уровне дренажного слоя песка:

При Е_гр = 27 МПа; Е_п = 120 МПа; h_п = 35 см; Д = 50 см, по формуле (2) прил. 2.

см.

По формуле (1) прил. 2.

МПа

2. На уровне слоя цементогрунта:

При Е_ц/гр = 600 МПа; Е_о = 51,25 МПа; h_ц_/г_p = 16 см; Д = 50 см.

см;

МПа.

Определение расчетной прочности бетона

По формуле (2) прил. 1 при N_pt = 14613113 циклов нагружения К_у = l,08 ´ = 0,38.

По формуле (1) прил. 1:

МПа.

Определение толщины покрытия

1) по формуле (1) Норм определяем расчетную нагрузку

Р = 50 × 1,3 = 65 кН;

2) по формуле (10) определяем радиус отпечатка колеса при q_ш = 0,6 МПа:

см;

3) для нескольких значений h определяем: l_у - по формуле (11) Норм; К_t - по табл. 7 Норм; s_р_t - по формуле (9); К_у - по формуле

Значения указанных величин приведены в табл. П. 3.1.

Таблица П. 3.1

Значение h, см	l_у, см	К_t	s_р_t, МПа	К_у
20	80,71	0,85	2,22	0,42
22	88,78	0,80	2,01	0,38
24	96,85	0,73	1,95	0,37

4) Строим график зависимости К_y = f(h);

с помощью этого графика определяем значение h = 22 см, соответствующее требуемому значению К_у = 0,38.

Расчет по сдвигу в грунте земляного полотна

По табл. 10 Норм находим Е_р = 1700 МПа.

Расчет производится в соответствии с п. 3.36 - 3.42 ВСН 46-83:

1) по формуле (3.12)

МПа;

2) Е_cp/Е_гр = 701,4/27 = 25,96;

4) по номограмме 3.6 (ВСН 46-83) при j = 11°

= 0,0115;

5) по номограмме 3.7 (ВСН 46-83) при j = 11°

t_в = 0,001 МПа;

6) по формуле (3.14)

Т_доп = 0,011506 + 0,001 = 0,0079 МПа;

7) по формуле (3.13)

Т_доп = 0,008 × 0,6 × 0,73 × 1,5 = 0,0053 МПа;

8) Т_доп/Т = 0,0053/0,0079 = 0,67.

Рассчитываем промежуточный слой (песка) из слабосвязного материала на устойчивость против сдвига (по ВСН 46-83):

1) по формуле (3.12)

Е_ср = (1700 × 22 + 600 × 16)/38 = 1236,8 МПа;

Е_р = 1700 МПа, h_o = 22 см;

Е_ц_/гр = 600 МПа, h_o = 16 см;

Е_п = 120 МПа, h_o = 35 см;

С = 0,006 МПа, j = 40°;

Е_гр = 27 МПа;

С = 0,008 МПа, j = 11°;

2) Е₁/Е₂ = Е_ср/Е_сл = 1236,8/120 = 10,31;

3) /Д = 38/33 = l,15;

4) по номограмме рис. 3.5 (ВСН 46-83) при j = 40°;

5) по номограмме рис. 3.7 (ВСН 46-83) при j = 40°

t_в = -0,0026 МПа;

6) по формуле (3.14)

Т = 0,014 × 0,6 + (-0,0026) = 0,0058 МПа;

7) по формуле (3.13)

Т_доп = 0,006 × 0,673 × 6,0 = 0,016 МПа;

8) Т_доп = 0,016/0,0058 = 2,76.

Определение ожидаемых пластических деформаций основания под поперечными швами

1. Рассчитываем полудлину и полуширину отпечатка колеса, отнесенного к нейтральной оси плиты по формуле (35) Норм:

а = 0,87R + 0,5h = 27,1 см;

в = l,15R + 0,5h⁺^0,5в1 = 38,5 см;

2. Определяем расчетную длину и ширину эпюр отпора основания:

по формуле (32) L^ц_х = 2,5l^х_у + а = 253,1 см;

по формуле (33) L^ц_у = 2,5l^ц_у + в = 264,5 см;

по формуле (34) L_x = 0,7 L^ц_х = 177,2 cм, L^т_у =0,7 L^ц_у = 185,1 см.

3. Вычисляем расчетное давление под углом плиты на уровне низа слоя основания по формуле (53) Норм:

4. Определяем коэффициенты, учитывающие площадки нагружения по формуле (57) Норм:

;

5. Рассчитываем допустимые напряжения на уровне низа основания по формуле (56) Норм:

q_доп = 1,3 (0,739 × 0,2 × 1,85 × 1,9 + 2,567 × 1,9 (0,22 + 0,16) l,9 + 1,313 × 4,3 × 0,8)/(1,1 × 100) = 0,101 МПа.

Поскольку q_pacч < q_дoп условие устойчивости основания против сдвига выполняется.

6. По формуле (60) определяем Kq:

7. По формуле (58) при E¹_о = 85,6 МПа, N_pt = 14613113 циклов, К_q = 0,085 и L^т_у = 158,1 см определяем w_уст, если стыки (штыри):

работают (К_q = 1,1 : m_ст = 0,7):

см;

не работают (К_q = 1,5 : m_ст = 1):

см.

Пример 2

Требуется запроектировать дорожную одежду с цементобетонным покрытием на местной дороге.

Исходные данные:

дорога имеет две полосы движения шириной по 3 м;

ширина земляного полотна - 10 м;

расчетный срок службы - 25 лет;

расчетная нагрузка на дорожную одежду Р_к = 50 кН;

общая суточная интенсивность движения расчетной нагрузки по проектируемой дороге на конец срока ее службы - 500 ед/сут различных марок на полосу;

схема увлажнения рабочего слоя - 1;

грунт земляного полотна - супесь легкая;

расчетная влажность W_p= 0,60W_т;

глубина промерзания - 0,5 м;

дорожно-климатическая зона - IV;

материал для покрытия - бетон класса В_в_tв3,6;

материал основания - песок среднезернистый: коэффициент фильтрации - 6 м/сут.

Назначение расчетных характеристик грунтов и материалов дорожной одежды.

Для проведения расчетов назначаем следующие показатели:

1) требуемый уровень надежности и соответствующий ему коэффициент прочности по табл. 5 Норм:

для заданной интенсивности движения уровень надежности 0,80; К_пр = 0,87;

2) расчетный модуль упругости грунта по табл. П. 2.6 для супеси легкой при W_p = 0,60W_т, Е_гр = 56 МПа;

3) расчетные характеристики сопротивления грунта сдвигу по табл. П. 2.6 для супеси легкой j_гр = 36°, С_гр = 0,014 МПа;

4) коэффициенты А₁, A₂, А₃, сопротивления сдвигу по табл. 8 Норм:

при j = 36° A₁ = 1,81, А₂ = 8,25, А₃ = 9,98;

при j = 40° A₁ = 2,46, А₂ = 10,84, А₃ = 11,74;

5) плотность грунта у = 1,9 т/м;

6) модуль упругости материала верхнего слоя основания (песок среднезернистый) по табл. П. 2.5.

Е_п = 120 МПа.

7) характеристики сопротивления сдвигу песчаного слоя по табл. П. 2.8: угол внутреннего трения j_п = 40°, сцепление С = 0,006 МПа;

8) модуль упругости и сопротивление растяжению при изгибе бетона по табл. П. 1.4: для бетона класса B_в_tв 3,6 марки R_ри 4,5 Е = 32000 МПа;

9) по табл. 9 Норм коэффициент К^о_д виброползучести материала основания: для песчаного основания К^о_д = 5,7, когда стыки не работают, К^о_д = 1,6, когда они работают.

Определение расчетной повторности нагружения

Так как общая интенсивность движения расчетной нагрузки на полосу на конец срока ее службы - 500 ед./сут, находим интенсивность движения в первый год:

N_о = 500/(1‑0,05)²⁵ = 148 ед./сут.

по формуле (3) определяем расчетную повторность нагружения:

N_pt = 0,2×148 210 = 296690.

Определение необходимости проведения расчета конструкции на морозоустойчивость

Глубина промерзания конструкции 0,5 м, что меньше 0,6 м, поэтому расчет дорожной одежды на морозоустойчивость не производится.

Расчет необходимой толщины дренирующего слоя.

По формуле (62) Норм находим толщину дренирующего слоя:

(1+ L_ф/К_ф).

Согласно исходным данным ширина земляного полотна 10 м

L_ф = 10/2 = 5 м; К_ф = 6 м/сут, тогда h_ф = 0,1(1 + 5/6) = 0,18 м.

Принимаем толщину дренирующего слоя равной 20 см.

Назначение конструкции дорожной одежды

Назначаем следующую конструкцию дорожной одежды:

покрытие - цементобетон класса В_в_tв 3,6; E_б = 32000 МПа;

основание - песок среднезернистый; E_п = 120 МПа; h_п = 30 см.

Определение эквивалентного модуля упругости на поверхности основания

По формуле (2) прил. 2 при h_п = 20 см; E_п = 120 МПа; E_гр = 56 МПа рассчитываем h_э:

h_э = 2 × 20 = 28,4 см.

По формуле (1) прил. 2 при Д = 50 см определяем :

= 66,7 МПа.

Определение расчетной прочности бетона

По формуле (2) прил. 1 при N_pt = 296690 находим K_y = 1,08 ´ 296690^-0б063 = 0,49.

По формуле (1) прил 1 при К_нп = 1,2 и К_у = 0,47 определяем

= 3,6 × 1,2 × 0,47 = 2,03 МПа.

Определение толщины покрытия

Для нескольких толщин h покрытия определяем: l_у - по формуле (11), s_р_t - по формуле (9), К_t - по табл. 7, К_у - по формуле К_у = , значения которых приведены в табл. П.3.2.

Строим график зависимости К_у = f(h), с помощью которого находим значение h = 18,5 см, соответствующее требуемому К_у = 0,49.

По формуле (1) Норм определяем расчетную нагрузку:

р = 50×1,3 = 65кН.

Таблица П.3.2

Значения /1, см	;„, см	<}„(. МПа		Ky
.14	59,25	3,46	0,95	0,70
16	67,71	2,87	0,94	0,58
18	76,18	2,54	0,89	0,51
20	84,64	2,30	0,84	0,46
24	101,57	2,05	0,71	0,41

По формуле (10) Норм находим радиус отпечатка колеса при q_ш = = 0,6 МПа:

R = = 18,6 см.

Расчет по сдвигу в грунте земляного полотна По табл. 10 Норм находим Е_р = 1600 МПа.

Расчет производим в соответствии с пп. 3.36 - 3.42 ВСН 46-83:

1) по формуле (3.12)

Е_ср = (18,5×1600+20×120)/38,5 = 831 МПа;

E_p = 1600 МПа, h_o = 18,5 см;

Е = 120 МПа, h_o = 20 см;

j = 40°, С = 0,006 МПа;

Е_гр = 56 МПа;

j =36°, С = 0,014 МПа,

2) Е/Е = 831/56 = 14,8;

3) = 38,5/33 = 1,17;

4) по номограмме рис. 3.5 (ВСН 46-83) при j = 36°, = 0,013;

5) по номограмме рис. 3.7 (ВСН 46-83) при j = 36°, = ‑0,002 МПа;

6) по формуле (3.14) Т = 0,013×0,6 ‑ 0,002 = 0,0058 МПа;

7) по формуле (3.13) Т_доп = 0,014×0,6×1,25×1,5 = 0,016 МПа;

8) Т_доп/Т = 0,016/0,0058 = 2,76.

Расчет промежуточного слоя (песка) из слабосвязного материала на устойчивость против сдвига

1) Е_ср = Е_р = 1600 МПа;

2) Е₁/ Е₂ = Е_ср/ Е_сл = 1600/120 = 13,33;

3) = 18,5/33 = 0,56;

4) по номограмме рис. 3.5 (ВСН 46-83) при j = 40°, = 0,032;

5) по номограмме рис. 3.7 (ВСН 46-83) при j = 40°, = ‑0,0013 МПа;

6) по формуле (3.14) Т = 0,032×0,6 ‑ 0,0013 = 0,0179 МПа;

7) по формуле (3.13) Т_доп = 0,006×0,6×1,25×6,0 = 0,027 МПа;

8) Т_доп/Т = 0,027/0,0179 = 1,51.

Определение ожидаемых пластических деформаций основания под поперечными швами (расчет уступов)

1. Определяем полудлину и полуширину отпечатка колеса, отнесенного к нейтральной оси плиты, по формулам (35) Норм:

a = 0,87R +0,5h = = 25,3см;

в = 1,15R +0,5h = 36,7см.

2. Находим расчетную длину и ширину эпюр отпора основания: по формуле (32)

+ 26,3 = 224,6 см;

по формуле (33)

+ 36,7 = 236,0 см;

по формулам (34)

= 157,2 см; = 162,2 см.

3. Определяем расчетное давление на основание по формуле (53) Норм:

= = 0,048 МПа.

4. Рассчитываем коэффициенты, учитывающие размеры площадки нагружения по формуле (57) Норм:

;

5. Определяем допустимые напряжения на поверхности песчаного основания по формуле (56) Норм

q_доп = 1,3(0,737×1,81×1,652×1,9+2,576×8,25 (0,185+0,2)×1,9+

+ 1,315×9,98×0,6)/(1,1×100) = 0,326 МПа.

Поскольку q_расч < q_дoп, условие устойчивости основания против сдвига выполняется.

6. Определяем допустимые напряжения на поверхности грунта земляного полотна (т.е. под слоем песка толщиной 20 см);

= 157,2 + 14 = 171,2 см;

= 165,2 + 14 = 179,1 см;

q_расч = 0,0405 МПа;

q_дoп = (0,734×1,81×1,683×1,9+2,59×8,25 (0,17+0,2)×1,9+

+ 1,32×9,98×1,4) = 0,432 МПа.

Условие устойчивости против сдвига выполняется.

7. Находим величину ожидаемых пластических деформаций основания в местах поперечных швов по формулам (58) Норм:

когда штыревые соединения работают при Е_o = 66,7 МПа, К_д = 1,6,

= 0, Р = 65 кН, т_ст = 0,7, = 165,2 см:

= 0,056 см.

когда штыревые соединения не работают, при К_д = 5,7 и

= 0,61 т_ст = 1, N = 296690 циклов:

= 1,23 см

12. Определяем длину плит (расстояния между швами сжатия по формуле (12) Норм при = 2,96 МПа, В = 150 см:

R = 18,6 см, h = 17 см, К_с = 1:

A = 2×4(18,6 +) = 412 см.

13. Находим диаметр штырей в швах сжатия:

по формуле (21) при w_шт = 1,5 мм, w_па = 5 мм и Р = 65 кН:

= 41 кН;

по формуле (20) при A_d = 3, R_и = 8×3,6 = 28,8 МПа, К_d = 075, п = 2 и Р_шт = 41 кН:

= 1,5 см » 16 мм.

Длина штырей равна 20×1,5 + 5,0 = 35 см.

Пример 3

Требуется запроектировать дорожную одежду с асфальтобетонным покрытием на цементобетонном основании.

Исходные данные:

дорога имеет две полосы движения по 3,5 м при ширине обочины 5 м;

расчетный срок службы покрытия - 15 лет;

расчетная нагрузка на дорожную одежду Р_к = 50 кН;

интенсивность движения расчетной нагрузки на полосу в конце срока эксплуатации дорожной одежды ¾ 1000 ед/сут;

дорожно-климатическая зона - III;

схема увлажнения рабочего слоя - I;

грунт земляного полотна - песок мелкий;

материал покрытия - асфальтобетон на основе БНД 60/90;

материал основания - бетон класса B_в_tв 2,8 (Р_ри 35).

Глубина промерзания и уровень залегания грунтовых вод значения не имеют, так как расчета конструкции на морозоустойчивость не требуется.

Назначение расчетных характеристик грунтов и материалов дорожной одежды

Для проведения расчетов назначаем следующие показатели:

1) требуемый уровень надежности и соответствующий ему коэффициент прочности по табл. 5 Норм:

для заданной интенсивности расчетной нагрузки уровень надежности 0,90: К_пр = 0,94;

2) модуль упругости грунта по табл. П. 2.10:

для песка мелкозернистого Е_п = 100 МПа;

3) характеристики сопротивления сдвигу песчаного слоя по табл. П.2.10:

угол внутреннего трения j = 38°, сцепление С_п = 0,005 МПа;

4) модуль упругости и сопротивление растяжению при изгибе бетона по табл. П.1.4.

для бетона B_в_tв 2,8, Р_ри 35 МПа, Е = 28000 МПа;

по табл. П.2.8 Е_а = 4500 МПа; R_d = 2,8 МПа.

Определение необходимости проведения расчета конструкции на морозное воздействие

Расчета конструкции на морозоустойчивость не требуется.

Расчет необходимой толщины дренирующего слоя

Расчет не производится, так как грунт земляного полотна - песок мелкозернистый.

Назначение конструкции дорожной одежды

Согласно табл. 3 Норм для интенсивности 1000 ед/сут назначаем следующую конструкцию дорожной одежды:

покрытие - асфальтобетон на основе БНД 60/90; Е_а = 4500 МПа; h_a = 13,5 см;

основание - цементобетон класса B_в_tв 2,8, Е_ц/б = 28000 МПа; h_ц/б = 16 см.

Согласно пп. 2.16 и 2.18 длину плит назначаем равной 15 м; продольный шов не устраиваем; поперечные швы устраиваем без штырей.

Проверка расчетом необходимости и достаточности выбранной толщины асфальтобетонного покрытия

По формуле (23) Норм определяем R_d.

По рис. П. 2.3 для N_c = 1000 ед/сут находим Куа = 1.

По формуле (1) вычисляем расчетную нагрузку:

р = р_к×т_д = 50×1,3 = 65 кН.

По табл. П.2.10 для мелкозернистого асфальтобетона находим С_а = 0,2 МПа.

Тогда

МПа.

При С_а = 0 2,8×1,0 > 0,23.

Таким образом, условие прочности для покрытия дорожной одежды выполняется.

Проверка расчетом необходимости и достаточности толщины слоя основания

По формуле (25) Норм определяем эквивалентную толщину слоя:

= 23,3 см.

По формуле (11) Норм рассчитываем упругую характеристику;

= 83,3 см.

По формуле (9) Норм определяем напряжения, возникающие от нагрузки:

при К_м = 1

´ = 1,00 МПа.

По табл. П.2.11 для III дорожно-климатической зоны (Курская обл.) находим А_п = 15,5.

Согласно п. 3.19 Норм w = 0,26 рад/ч; а_ta = 0,002 м³/ч; а_tб = 0,004 м³/ч.

По формуле (27) Норм определяем Dt_б:

= 3,52°С.

По формуле (26) Норм вычисляем напряжения от перепада температуры по толщине нижнего слоя:

= 0,49 МПа.

Находим интенсивность движения расчетных автомобилей в 1-й год:

N_о =N/(1 + q)^Т = 1000/(1,05¹⁵) = 481 ед/сут.

По формуле (3) Норм определяем расчетную повторность нагружений:

= 2179651.

По формуле (2) прил. 1 вычисляем коэффициент усталости К_у= 1,08×2179651^-0,063 = 0,43.

По формуле (1) прил. 1 находим:

= 2,8×0,43×1,2 = 1,45 МПа.

По формуле (24) и с учетом данных табл. 5 Норм

= 0,97.

Таким образом, условие прочности для нижнего слоя выполнено.

Пример 4

Требуется запроектировать дорожную одежду со сборным железобетонным покрытием из предварительно-напряженных плит размером 0,14´2´6 м.

Плита рассчитывается как типовая, с учетом возможности ее работы на первой стадии при двухстадийном строительстве, т.е. на земляном полотне из мелкого песка, модуль упругости которого с учетом пластических деформаций (см. п. 3.23) на первой стадии равен 37 МПа, а на второй, после укладки укрепленного слоя основания - 100 МПа (для Западной Сибири).

Нормативную нагрузку принимаем 65 кН на колесо, расчетную Р = 65×1,25×1,25 = 103 кН; давление в шинах q_ш = 0,5 МПа, расстояние между спаренными колесами в¹ = 15 см; расчетную повторность нагружения для типовых плит - 2000 авт/сут, для дорожной одежды - 1000 авт/сут.

Марка бетона плиты 350 (класс В30). Согласно СНиП 2.03.01-84 Е = 29×10³ МПа, расчетная прочность на сжатие = 17,3 МПа, расчетная прочность на растяжение при изгибе = 1,22 МПа.

В продольном направлении применяется арматура Æ 14, А-IV, Е = 190×10³ МПа, расчетная прочность R_s_,_ser = 600 МПа; в поперечном направлении применяется арматура Æ 5, Вр - I, Е = 170×10³ МПа, R_s_,_ser = 405 МПа. Предварительное напряжение s_sp = R_s_,_ser = - 30 - = 510 МПа. Потери предварительного напряжения s_пт = 100 МПа.

Определение количества арматуры в плите

Для определения количества арматуры рассматриваем работу плиты на первой стадии - до появления в бетоне узких "железобетонных" трещин - и на второй стадии - после появления этих трещин.

На первой стадии модуль упругости плиты равен модулю упругости бетона, на второй - определяется по степени раскрытия трещин по формуле (31) Норм. Первоначально задаемся удельным сечением арматуры f_а высотой сжатой зоны х¹.

Для продольного направления (для 5 Æ 14) f_а,х = 0,0385, x¹ = а_o = 4 см и для поперечного f_а,у = 0,0093 см², х¹ = 3 см и а_o = 5 см.

Для продольного направления

= 2694 МПа.

Для поперечного направления

= 183,6 МПа.

По формулам (35) определяем полуширину и полудлину отпечатков колеса а = 29 см и в = 29 см.

По формулам (32) - (34) определяем , , , .

Для первой стадии

= + 29 = 206,6 см; = 206 см;

= 144 см; =144 см;

для второй стадии

= 109 см; = 62 см; = 76,6 см; = 43 см.

Определяем изгибающие моменты на первой стадии (m = 0,17) по формулам (36), (37) и (40) в центре плиты с учетом пластических деформаций основания под краями плит:

в продольном направлении

в поперечном направлении

= = 5,33 кН.

В продольном направлении в центре плиты с учетом работы ненагруженных краевых полос плит по формуле (44) находим:

= 19,8 кН;

на продольном краю плит по формуле (38) (L_y + a не более 2В)

= 29,0 кН;

на поперечном краю в поперечном направлении - 10,6 кН. Определяем изгибающие моменты на второй стадии:

= 19,4 кН; = 4,38 кН; 34,7 кН; 9,04 кН.

Изгибающий момент от монтажных нагрузок при а₁ = 50 см и l = 500 см вычисляем по формуле (46) Норм:

= 16,63 кН.

Определяем количество арматуры на первой стадии. Бетон выдерживает на изгиб М_б = 8,49 кН, поэтому в поперечном направлении армирование (кроме торцов) не требуется.

Для продольного направления находим площадь поперечного сечения арматуры:

где s¢_пр - предварительное напряжение, равномерное по толщине плиты, от напряженной арматуры верхней зоны; для арматуры 5 Æ 14, A- IV s¢_пр = 1,237 МПа.

При знакопеременной нагрузке z = 6 см f_a = 6,4 см² (4,2 Æ 14, A-IV).

На второй стадии без учета арматуры верхней зоны

При z = 6 см.

F_а = 12,48 см² (8,1 Æ 14, A-IV).

С учетом арматуры верхней зоны при симметричном армировании

где

;

при а¢_o = a_o = 4 см, =19,4 кН, R_в = 17,3 МПа, х¢ = 1,2 см, f_a = 6,45 см² (4,2 Æ 14, A-IV).

При действии монтажных нагрузок изгибающий момент не выше, чем , поэтому отдельно его не рассматриваем.

Определяем количество поперечной арматуры, исходя из второй стадии работы плиты.

В центральной части по длине плиты

где а¢_o = a_o = 5 см; x¹ = 1 см (от верха плиты), = 5,4 см² (27 Æ 5, Вр-1).

На торцевых участках, допуская раскрытие узких трещин только до арматуры верхней зоны (z = 5 см), дополнительно к :

= 0,97 см² (5 Æ 5, Вр-1 плюс 2 Æ 8, A-III, см. п. 3.20).

Из условия работы арматуры в качестве штырей по формуле (47)

= 2,4 см² (13 Æ 5, Bp-1)

На торце l_тр = 85 см, в центре l_тр = 170 см.

Общее количество стержней равно 26+ = 58 Æ 5, что не превышает ранее определенного количества стержней 27´2+20 = =74 Æ 5.

Определение прочности стыковых соединений

Определяем требуемую и фактическую прочность стыковых соединений для Р = 103 кН, при допустимой величине пластических деформаций (уступов) 3 мм (для цементогрунтового основания) и w_пл = 5 мм для песчаных оснований.

1. Для цементогрунтовых оснований по формуле (21) Норм при -w_ст = 2 мм находим

= 30,9 кН.

Из формулы (48) при R_и = 30 МПа определяем

= 1,6 см.

При расчетной величине напряжения в сварке 75 МПа площадь сечения сварки скоб

= 4,12 см².

2. Для песчаных оснований при w_ст = 2 мм по формуле (21) = 55,6 кН, а по формуле (48) - d = 2,15 см. Площадь сварки скоб E_св = 7,41 см².

Определение величины накапливаемых уступов между плитами

Определяем величину накапливаемых уступов между плитами на первой стадии строительства, т.е. при условии, что стыки не работают, основание не укреплено.

В основании мелкий песок: Е_о = 37 МПа; С = 0,50 т/м², j = 38°. Срок работы покрытия на первой стадии Т = 2 года. Интенсивность расчетной нагрузки для основания 2000 авт/сут. Количество дней с расчетным состоянием основания 80. По формуле (53) Норм определяем q_расч (= 144 см):

= 0,136 МПа,

По формуле (56) Норм вычисляем q_доп (g = 1,65 т/м³).

Для этого по формулам (57) рассчитываем:

= 1 ‑ 0,25 = 0,75, = 1,5; = 1,3.

По табл. 8 Норм находим А₁ = 2,11; А₂ = 9,44; А₃ = 10,80.

Тогда

q_доп = (0,75×2,11×1,44×1,65+1,5×9,44×1,65×0,14 +

+ 1,3×10,80×0,50) = 16,60 т/м² = 0,166 МПа.

По формуле (60) Норм определяем коэффициент нагруженности основания:

= 0,669.

По формуле (58) при = 5,7 (см. табл. 9) Норм и N_pt = 2000×80´ ´ 2 = 320×10³ авт. определяем величину накапливаемых уступов между плитами:

= 4,39 см.

Как вариант, определяем, что при наличии стыковых соединений (т_ст = 0,7 и К_д = 1,6) при q_расч = 0,0952 МПа;

= 0,423;

= 0,383 см.

Указанную величину уменьшают при применении подшовных деревянных подкладок и при использовании в основании геотекстиля.

Определение требуемого эквивалентного модуля упругости основания и его толщины на второй стадии строительства.

Расчетный срок службы до стабилизации основания 10 лет. Модуль упругости бетона Е = 29000 МПа. Модуль упругости песчаного основания 100 МПа.

По формулам (32) - (34) находим:

= 109,5 см;

на уровне низа укрепленного основания (толщиной 16 см)

=+ 3 h₀ = 157,5 см.

Расчетное давление под углом плиты равно (стыки не работают) по формуле (53).

= 0,114 МПа.

При прежних значениях п и А по формуле (56) Норм

q_доп = (0,75×2,11×1,575×1,65+1,5×9,44×1,65×0,30 +

+ 1,3×10,80×0,50) = 21,2 т/м² = 0,212 МПа.

= 0,409.

Как видим q_расч < q_доп, и поэтому устойчивость основания против сдвига обеспечена.

При условии, что цементогрунт работает на изгиб при Д_ш = 50 см и Д = 2а + h = 58 + 14 = 72 см, по формуле (3) прил. 2 получим

= 148 МПа.

В этом случае

= 99 см;

При К_д = 1,5 и N = 1,6×10⁶ по формуле (58) Норм

= 0,317 см,

что находится в допустимых пределах.

При выравнивающем слое из цементобетонной смеси К_д = 1,1 и = 0,232 см.

При условии, что укрепленное основание на изгиб не работает, определяем по формулам (1) и (2) прил. 2, при h_о = 16 см; E_цг = 400 МПа; Е_зп = 100 МПа; h_э = 28 см; Д = 58 + 16 = 74см: