РАСЧЁТ СРОКА СЛУЖБЫ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПЕРЕХОДНОГО ТИПА, АРМИРОВАННОЙ ГЕОЯЧЕЙКАМИ (НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ РИСКА)
Лекция 6
РАСЧЁТ СРОКА СЛУЖБЫ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПЕРЕХОДНОГО ТИПА,
АРМИРОВАННОЙ ГЕОЯЧЕЙКАМИ (НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ РИСКА)
В последние годы в дорожном строительстве всё чаще применяются геосинтетические материалы. Эффективность их применения доказана мировой и отечественной практикой [1]. Использование геосинтетики, в частности, геоячеек (объёмной георешётки) – это один из наиболее простых способов улучшения транспортно-эксплуатационных качеств дороги, не требующих от дорожной организации использования сложных, дорогих технологий и оборудования.
Если практическая эффективность применения геосинтетических материалов не вызывает вопросов, то с экономическим обоснованием и расчётами дорожных конструкций при использовании этих материалов дело обстоит сложнее. Например, на практике в дорожных одеждах, армированных геоячейками, возникает меньше разрушений и, соответственно, увеличивается срок службы, но рассчитать это увеличение существующими (детерминированными) методами не представляется возможным.
Решение этой задачи возможно в рамках научного направления «Проектирование, строительство и эксплуатация автомобильных дорог по условию обеспечения безопасности движения с учётом теории риска», основателем которого является профессор СГТУ В.В. Столяров. В этом случае основным критерием оценки дорожной одежды будет риск её разрушения на определённый год эксплуатации дороги и его соотношение с допустимым риском. Такой подход отвечает цели Федерального закона №184-ФЗ «О техническом регулировании» [2], а также основным положениям технического регламента Таможенного Союза ТР ТС 014/2011 «Безопасность автомобильных дорог» [3].
В связи с этим, рассмотрим пример влияния геоячеек на срок службы дорожной одежды переходного типа. Была выбрана типовая конструкция дорожной одежды в соответствии с типовой серией 3.503-71 «Дорожные одежды автомобильных дорог общего пользования» [4] и ВСН 26-90 «Инструкция по проектированию и строительству автомобильных дорог нефтяных и газовых промыслов Западной Сибири» [5], и рассчитана по МОДН 2-2001 «Проектирование нежестких дорожных одежд» [6]. Такие конструкции используются на промысловых дорогах в Западной Сибири.
Таблица 1
Схемы конструкций дорожных одежд
|
Конструкция дорожной одежды без геоячеек
|
|
|
1. Покрытие – щебень фракционированный 40-80 мм с заклинкой мелким щебнем, h=20 см;
2. Подстилающий слой – песок пылеватый, расчётной влажностью Wp=0,59WT.
|
|
Конструкция дорожной одежды с геоячейками
|
|
|
1. Покрытие - щебень фракционированный 40-80 мм с заклинкой мелким щебнем, уложенный в геоячейки высотой 15 см, со стороной ячейки 21 см, h=20 см;
2. Подстилающий слой – песок пылеватый, расчётной влажностью Wp=0,59WT.
|
По результатам расчета общий эквивалентны модуль упругости конструкции без геоячеек составил 162 МПа, при минимальном требуемом модуле упругости для дорожных одежд переходного типа равном 100 МПа [6]. Конструкция удовлетворяет требованиям прочности по критериям упругого прогиба и сдвигоустойчивости подстилающего грунта.
Расчётный модуль упругости конструкции с геоячейками был вычислен исходя из результатов испытаний, проведённых СоюздорНИИ, [7], которые показали, что модуль упругости щебня, помещённого в геоячейки, увеличивается в 1,2 раза. Таким образом, расчетный модуль упругости рассмотренной в примере конструкции с геоячейками равен 194,4 МПа, т.е. 162 x 1,2= 194,4 МПа.
Методика расчёта срока службы дорожной одежды нежесткого типа
1. Устанавливаем коэффициент вариации эквивалентного модуля упругости, соответствующий текущему году эксплуатации t по формуле:
, (1)
где – коэффициент, учитывающий снижение однородности эквивалентного модуля упругости во времени, 1/годы. В работе [8] установлено, что коэффициент зависит от влажности грунта земляного полотна (Wp) и коэффициента вариации требуемого модуля упругости. Для рассматриваемых конструкций ;
– текущий год эксплуатации, годы;
– коэффициент вариации приведенного к расчетной температуре эквивалентного модуля упругости на момент пуска дороги в эксплуатацию,
2. Вычисляем среднее значение эквивалентного модуля упругости , приведенное к расчетной температуре, спустя t лет после обследования дорожной одежды по формуле:
, (2)
где – среднее значение эквивалентного модуля упругости в момент пуска дороги в эксплуатацию, МПа.
3. Определяем среднее квадратическое отклонение эквивалентного (общего) модуля упругости после t лет эксплуатации дороги:
; (3)
4. Устанавливаем значение минимального модуля упругости, при котором разрушение одежды будет достигать 50%:
- при :
, (4)
- при :
; (5)
5. Вычисляем среднее квадратическое отклонение минимального модуля упругости:
; (6)
6. Определяем риск разрушения дорожной одежды спустя t лет эксплуатации дороги:
. (7)
Если риск разрушения дорожной одежды в какой-либо год эксплуатации равен или превышает допустимый риск, то фактическим сроком службы дорожной одежды является период до этого года. Допустимый риск вычисляется по зависимости:
, (8)
где – требуемый минимальный коэффициент прочности, принимаемый для дорожных одежд переходного типа 0,85. Следовательно, допустимый риск рассмотренных выше конструкций (с геоячейками и без них) равен .
Таблица 2
Результаты расчета
|
Основные показатели дорожной
конструкции
|
Грунт земляного полотна – песок пылеватый, Wp=0,59WT
|
|
|
Дорожная конструкция
|
|
|
без геоячеек
|
с геоячейками
|
|
|
годы эксплуатации
|
годы эксплуатации
|
|
|
0
|
1
|
2
|
3
|
0
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
|
-
|
0,27
|
0,49
|
0,71
|
-
|
0,27
|
0,49
|
0,71
|
0,93
|
|
|
162
|
155,40
|
154,73
|
154,47
|
194,4
|
186,48
|
185,67
|
185,82
|
185,36
|
|
|
-
|
41,96
|
75,82
|
109,67
|
-
|
50,35
|
90,98
|
107,23
|
131,61
|
|
|
0
|
0,0206757
|
0,1313573
|
0,2206502
|
0
|
0,0101710
|
0,080273
|
0,1400715
|
0,1894300
|
Рис.1 Зависимость срока службы дорожной одежды от риска её разрушения
Вывод. В результате проведенных расчетов при совместном использовании предложенной выше методики и исследований СоюздорНИИ [7] установили, что срок службы дорожной одежды переходного типа (при rдоп = 0,15) без применения в ней геоячеек составляет 2,2 года, а с использованием геоячеек – 3,2 года.
Дальнейшие исследования по оценке риска разрушения дорожных конструкций должны быть направлены на изучение работы слоя «геоячейки + щебень» в защемленном состоянии, т.е. когда слой «геоячейки + щебень» не является верхним в конструкции. Модель, описывающая защемленное состояние, предложена в работе [9].
Литература
1. Львович Ю.М. Геосинтетические и геопластиковые материалы в дорожном строительстве // Автомобильные дороги. Обзорная информация / Информавтодор. – М., 2002. - Вып. 7.
2. О техническом регулировании: Федеральный №184-ФЗ. – Введ. 2002-27-12. – Электрон.дан. – М., - 2011. – http://consultant.ru.
3. Технический регламент Таможенного Союза ТР ТС 014/2011 Безопасность автомобильных дорог [Электронный ресурс]. – URL: http://www.tsouz.ru/KTS/KTS32/Documents/P_827_1.pdf (дата обращения 13.11.2011).
4. Дорожные одежды автомобильных дорог общего пользования (Серия 3-503-71) / Союздорпроект. – М., 1971. – 93.
5. Инструкция по проектированию и строительству автомобильных дорог нефтяных и газовых промыслов Западной Сибири (ВСН 26-90) / Министерство транспортного строительства СССР. – М.: Транспорт, 1990. – 94 с.
6. Проектирование нежестких дорожных одежд (МОДН 2-2001) [Электронный ресурс]. – URL: http://www.docload.ru/Basesdoc/10/10791/index.htm (дата обращения 14.11.2011).
7. Метод расчета прочности дорожной одежды с объемной георешеткой / Е.С. Пшеничникова, И.Ж. Хусаинов // Дороги. Инновации в строительстве. – 2011. - №7. – С. 28-30.
7. Кокодеева Н.Е. Оценка качества существующих дорожных одежд нежесткого типа с учетом вариации влажности грунта земляного полотна (с позиции теории риска) / Диссертация на соиск. уч. степени канд. техн. наук. – Саратов: СГТУ, 2001.
8. Иванов Н.Н. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд. – М.: Транспорт, 1973. – 328 с.
РАСЧЁТ СРОКА СЛУЖБЫ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПЕРЕХОДНОГО ТИПА, АРМИРОВАННОЙ ГЕОЯЧЕЙКАМИ (НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ РИСКА)