МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВСЕСОЮЗНЫЙ ДОРОЖНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ (СОЮЗДОРНИИ)

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С ОСНОВАНИЯМИ ИЗ УКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ И МАТЕРИАЛОВ

Одобрены Минтрансстроем

Москва, 1977

СОДЕРЖАНИЕ

Приводится уточненный метод расчета дорожных одежд с основаниями из укрепленных грунтов и материалов по действующей расчетной схеме. Рассматривается новая расчетная схема для проектирования оснований из укрепленных грунтов и материалов, позволяющая более полно учитывать фактические условия работы материала в конструктивных слоях, а также использовать в качестве расчетных характеристики материалов, получаемые при лабораторных (полевых) испытаниях.

Использованы изобретения, защищенные авторскими свидетельствами № 361389,428261,445910,449300, 481661,

Рис. 5, табл. 6.

Предисловие

"Методические рекомендации по совершенствованию методов проектирования дорожных одежд с основаниями из укрепленных грунтов и материалов" разработаны на основе исследований Ленинградского филиала Союздорнии при участии Союздорнии и его Казахского, Среднеазиатского и Омского филиалов, а также Госдорнии Минавтошосдора УССР. Кроме того, использованы результаты широкого опытного строительства, проведенного совместно с трестами "Севзапдорстрой", "Латавтодормост" Минавтошосдора ЛатССР, управлениями "Ленавтодор" и "Вологдаавтодор" Минавтодора РСФСР и др.

Настоящие "Методические рекомендации" разработаны с целью уточнить действующий метод проектирования дорожных одежд в части расчетных параметров укрепленных грунтов и материалов. Кроме того, в "Методических рекомендациях" приведена новая расчетная схема для проектирования дорожных одежд с конструктивными слоями из укрепленных грунтов и материалов, более полно учитывающая реальные условия работы данного материала и позволяющая применять расчетные характеристики материалов, получаемые при лабораторных (полевых) испытаниях. Предлагаемый метод рекомендуется применять при проектировании отдельных объектов в целях его широкой проверки.

При разработке "Методических рекомендаций" использованы изобретения, защищенные авторскими свидетельствами К- 361380, 429261, 445910, 449300, 481601.

"Методические рекомендации" разработали кандидаты технических наук П.И. Теляев и Ю.М. Васильев при участии кандидатов технических наук М.А. Железникова, М.Г. Мельниковой, инженеров И.И. Зактрегера, В.А. Мазурова, Е.И. Масленковой, Т.Е. Полтарановой (Ленинградский филиал Союздорнии). При этом были также использованы материалы исследований, проведенные кандидатами технических наук Л.А. Марковым (Союздорнии), Ю.В. Бутлицким (Среднеазиатский филиал Союздорнии)| Ю.Н. Никольским (Омский филиал Союздорнии); А.Ф. Котвицким (Казахский филиал Союздорнии), Б.С. Радовским (Госдорнии) и инж. Е.Л. Дмитриевым (Союздорнии).

1. Общие положения

1.1. Цементогрунты и аналогичные им по свойствам грунты и местные каменные материалы, укрепленные другими различными вяжущими, благодаря эксплуатационным качествам практически можно использовать для устройства оснований и морозозащитных слоев в дорожных одеждах на всей территории СССР. Применение таких материалов в конструкциях дорожных одежд дает экономический эффект, заключающийся в снижении строительных затрат по сравнению с затратами на традиционные основания из зернистых материалов в среднем на 15 - 30 %. Экономия обеспечивается за счет использования более дешевых местных материалов взамен привозных и, кроме того, за счет уменьшения общей толщины дорожной одежды в результате снижения расчетной влажности грунта земляного полотна под конструкциями из плотных материалов. При этом обеспечиваются более высокие транспортно-эксплуатационные качества покрытия и прежде всего длительное сохранение его ровности.

1.2. Настоящие "Методические рекомендации" дополняют существующую методику проектирования дорожных одежд в части расширения номенклатуры укрепленных грунтов и материалов, значений расчетных характеристик, коэффициентов перехода от характеристик, установленных в лабораторных условиях, к их расчетным значениям.

1.3. Предлагаемая новая расчетная схема более полно учитывает фактические условия работы материала в конструктивном слое и позволяет использовать в качестве расчетных характеристики материалов, полученные при испытаниях в лабораторных (полевых) условиях.

1.4. Настоящие "Методические рекомендации" дополняют методы проектирования дорожных конструкций, изложенные в "Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа" ВСН 48-72 и "Инструкции по применению грунтов, укрепленных вяжущими материалами, для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов" СН 25-74.

2. Конструирование дорожных одежд со слоями из укрепленных грунтов и материалов

2.1. Тип конструкции дорожной одежды выбирают в зависимости от состава и интенсивности перспективного автомобильного движения, грунтово-гидрологических и климатических условий, а также в зависимости от обеспеченности района строительства дороги дорожностроительными материалами.

2.2. Укрепленные неорганическими вяжущими грунты и материалы применяют при устройстве:

покрытий облегченного и переходного типов;

верхних и нижних слоев оснований;

морозозащитных слоев;

верхней части земляного полотна.

2.3. Покрытия облегченного и переходного типов устраивают из каменных материалов и грунтов, укрепленных комплексными вяжущими^*) и другими вяжущими с последующей двойной (одиночной) поверхностной обработкой или устройством тонкослойного асфальтобетонного покрытия в III-V дорожно-климатических зонах на дорогах III-У категорий (во II зоне на дорогах IV-V категорий) при интенсивности движения до 500 авт/сутки на одну полосу. Такой тип покрытия рекомендуется также для устройства дорожной одежды в местах длительного воздействия статической нагрузки (площадки отдыха, места стоянки транспортных средств, покрытия обочин дорог и т.д.).

Прочность укрепленного материала должна соответствовать I-II классу по СН 25-74.

*) Комплексные вяжущие: цемент + битумная эмульсия, цемент + полимерные вяжущие, цемент + гранулированные шлаки или активные золы уноса.

2.4. Для устройства верхних слоев основания в условиях II-V дорожно-климатических зон на дорогах всех категорий, независимо от интенсивности движения, допускается использовать гравийные и щебеночные материалы, а также песчаные и супесчаные грунты, укрепленные неорганическими вяжущими.

Прочность укрепленного материала или грунта должна соответствовать I классу.

Такие материалы из-за повышенной жесткости склонны к трещинообразованию. Для предотвращения этого явления целесообразно грунты и материалы укреплять комплексными вяжущими.

К материалам, обладающим повышенной деформативной способностью, могут быть отнесены грунты, укрепленные полимерными вяжущими, и грунты, укрепленные активными золами уноса с добавками хлористого кальция.

Во избежание появления трещин на покрытии рекомендуется над слоем укрепленного грунта или материала устраивать слои из асфальтобетонных смесей общей толщиной не менее: 16 см - для дорог I категории; 14 см - для II категории; 12 - 10 см - для III-V категорий; 8 - 6 см - для дорог, с легковосстанавливаемыми покрытиями из щебеночных или гравийных материалов, обработанных битумом.

Примечание. При основаниях из укрепленных материалов с повышенной деформативной способностью минимальная толщина слоев из асфальтобетона может быть снижена на 20 - 30 %.

2.5. Для уменьшения проникания поверхностной влаги в земляное полотно целесообразно слой из укрепленных материалов и грунтов укладывать на 1 м шире вышележащего слоя.

2.6. Для устройства нижних слоев основания под одежды нежесткого типа и основания под цементобетонные покрытия допускается использовать обработанные различными неорганическими и комплексными вяжущими грунты практически всех видов и местные каменные материалы.

Укрепленный материал должен обладать прочностью, соответствующей II классу. В отдельных случаях допускается на дорогах IV-Vкатегорий укладывать в нижние слои оснований укрепленные грунты III класса прочности.

Основания такого типа можно применять во всех дорожно-климатических зонах СССР на дорогах всех категорий, независимо от состава и интенсивности перспективного движения,

2.7. При неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях устраивают морозозащитный слой. Для этого слоя, наряду с необработанными зернистыми материалами (гравий, песок и т.д.), можно использовать укрепленные неорганическими вяжущими грунты в основном II-III классов прочности.

2.8. Для повышения качества земляного полотна в тех случаях, когда расчетная влажность грунта превышает 0,7 W_T, его верхнюю часть целесообразно устраивать из грунтов, укрепленных малыми добавками вяжущего (извести, цемента, активных зол уноса, гранулированного шлака и т.д.). Прочность таких грунтов должна быть 5 - 15 кгс/см², а коэффициент морозостойкости - не менее 0,5 - 0,6.

2.9. Для укрепления необходимо выбирать такие материалы и грунты, которые потребуют наименьшего расхода вяжущих и в то же время обеспечат достаточную прочность и морозостойкость укрепленного материала. В частности, не рекомендуется укреплять только цементом мелкие одномерные пески, нескольку в этом случае требуется значительное количество вяжущего. Подобные грунты следует предварительно улучшить гранулометрическими добавками или применять для их укрепления вяжущие типа зол уноса, зол уноса с добавками извести, цемента и т.п.

Рис. 1. Рекомендуемые слои дорожных одежд с основаниями из укрепленных грунтов и материалов

Покрытие: 1-2 - асфальтобетон 1-2 марки; 3 - цементобетон; 4 - асфальтобетон (3-4 марки или черный щебень); 9 - поверхностная обработка.

Основание: 5 - грунты и материалы, укрепленные цементом (1 класс прочности); 6 - грунт или материал, укрепленный комплексным вяжущим типа: цемент + битумная эмульсия, цемент + полимерные вяжущие, цемент + гранулированные шлаки или золы уноса или грунт, укрепленный полимерным вяжущим, активными золами уноса (1 класс прочности); 7 - цементогрунт и грунты, укрепленные комплексными вяжущими типа: цемент, цемент с добавками извести, битумной эмульсии, зол, шлаков, шламов и т.п., а также грунт, укрепленный фосфатными вяжущими, активными золами уноса, полимерными вяжущими (II класс прочности).

Морозозащитный слой: 8 - укрепленные грунты II-III класс прочности.

Для укрепления сильнозасоленных и загипсованных грунтов наиболее эффективны комплексные вяжущие. Слабо- и среднезасоленные грунты можно укреплять вяжущим одного какого-либо вида (цементом, известью и т.д.).

2.10. Рекомендуемые слои дорожных одежд с основаниями из грунтов и материалов, обработанных неорганическими и комплексными вяжущими, приведены на рисунке. При этом, необходимость устройства нижнего слоя основания или морозозащитного слоя определяется расчетом дорожной одежды на прочность и морозоустойчивость; нижний слой основания или морозозащитный слой может быть устроен и из зернистых материалов, отвечающих требованиям СНиП; при переувлажненных или неустойчивых грунтах земляного полотна может быть предусмотрена обработка его верхнего слоя на глубину 10 - 20 см негашеной известью или другими вяжущими материалами.

3. Расчет дорожных одежд с основаниями из укрепленных грунтов и материалов по действующему методу

3.1. Дорожные одежды, имеющие капитальные, усовершенствованные облегченные покрытия нежесткого типа и содержащие в основании слои из укрепленных грунтов и материалов, следует рассчитывать по ВСН 46-72 на основе трех критериев прочности: сдвига, растяжения при изгибе и упругого прогиба, с учетом дополнений (п.п. 3.2 - 3.6).

3.2. При расчете на морозоустойчивость дорожных конструкций, включающих морозозащитные слои из укрепленных цементом грунтов, определенную расчетом толщину морозозащитного слоя меньше 30 см следует уменьшить на 20 %, а при толщине слоя больше 30 см - на 25 - 80 %. При расчете должны быть учтены и теплофизические свойства укрепленных грунтов.

3.3. При назначении расчетной влажности грунта земляного полотна под дорожными одеждами, все слои которых сооружены из обработанных вяжущими грунтов и материалов, для 1-го и 2-го типов местности по условиям увлажнения значения расчетной относительной влажности грунта, рекомендуемые ВСН 46-72, следует уменьшить на 0,10 W_Т. В случае, если из укрепленного грунта устраивают только нижний слой основания или морозозащитный слой, лежащий непосредственно на земляном полотне, расчетную влажность уменьшают на 0,05 W_T по сравнению с рекомендуемой ВСН 46-72. Для условий IV-V дорожно-климатических зон расчетная влажность может быть уменьшена на 0,15 W_Т.

Для 3-го типа местности в случае устройства земляного полотна из грунтов I-IV групп по степени их пучинистости при промерзании (СН 448-72, приложение 4) расчетная влажность грунта также может быть снижена на 0,05 W_T по сравнению с рекомендуемой ВСН 46-72 при проектировании оснований и морозозащитных слоев из укрепленных грунтов или материалов.

Данные рекомендации справедливы для случая, если при сооружении земляного полотна учтены требования СНиП и ВСН 48-72.

Пример. Необходимо определить расчётную влажность пылеватого суглинистого грунта земляного полотна под дорожной одеждой, все слои основания которой устраивают из укрепленных цементом материалов и грунтов, во II дорожно-климатической зоне при 2-м типе местности по условиям увлажнения. Согласно табл. 1 приложения 2 ВСН 46-72 расчетная относительная влажность составляет 0,85 W_T. В соответствии с п.3.3 расчетная относительная влажность может быть принята 0,75 W_Т.

Таблица 1

Примечания:

1. Грунты и материалы укрепляли в основном портландцементом марки "400".

2. Для материалов повышенной деформативной способности, т.е. для грунтов, укрепленных комплексными вяжущими (цемент + битумная эмульсия, цемент + гранулированные шлаки или активные золы уноса, цемент + полимеры) значения расчетных характеристик могут быть увеличены на 10 - 15 %.

3.4. Расчетные характеристики грунтов и материалов, укрепленных неорганическими вяжущими, уточненные и дифференцированные на основе обобщения результатов последних испытаний, приведены в табл. 1. и 2.

3.5. При малых добавках вяжущих в грунт земляного полотна значения его расчетных характеристик могут быть увеличены по сравнению с рекомендуемыми ВСН 46-72 на 20 - 30 %.

3.6. При расчете конструкций по действующему методу ориентировочные значения расчетных характеристик грунтов и материалов, укрепленных неорганическими вяжущими, можно получить умножением значений характеристик, определяемых по результатам лабораторных испытаний, на переходные коэффициенты К (табл.3).

3.7. Для материалов повышенной деформационной способности, т.е. для грунтов, укрепленных комплексными вяжущими (цемент + битумная эмульсия; цемент + гранулированные шлаки или активные золы уноса; цемент + полимерные вяжущие), значения расчетных характеристик могут быть увеличены на 10 - 15 % по сравнению со значениями, установленными по результатам лабораторных испытаний аналогичных цементогрунтов в соответствии с требованиями п. 3.6.

4. Расчет дорожных одежд с основаниями из укрепленных грунтов и материалов по новой расчетной схеме

4.1. При расчете монолитных слоев основания на изгиб по принятой в настоящее время расчетной схеме исходят из предпосылки, что рассчитываемый слой не имеет нарушений сплошности. В действительности же в слоях основания из укрепленных грунтов и материалов всегда возникают трещины, имеющие различную природу (усадочные, температурные, трещины, развивающиеся при деформации земляного полотна и др.). Трещины в значительной мере снижают распределяющую способность монолитного слоя, приводят к совершенно иному, чем это предполагается расчетной схемой, распределению напряжений в конструкции. Чтобы учесть это обстоятельство, в расчет по действующей схеме приходится вводить условные (примерно на порядок более низкие, чем получаемые при испытаниях материалов в лаборатории) значения модуля упругости и сопротивления растяжению при изгибе (табл. 3),

Таблица 2

Примечания: 1. При добавлении в зологрунт цемента, извести или электролитов значения расчетных характеристик повышают на 15 - 20 %.

2. Расчетные параметры зологрунтов являются в определенной мере ориентировочными, так как они значительно зависят от свойств и вида самого зольного вяжущего.

Таблица 3

Примечание. Коэффициенты получены в основном для грунтов, укрепленных портландцементом марок "300" и "400". При применении других вяжущих переходные коэффициенты могут быть приняты лишь временно, до накопления достаточного количества данных, позволяющих уточнить их.

В связи с некоторой условностью действующей расчетной схемы и затруднениями в назначении расчетных характеристик целесообразно перейти к расчетам слоев оснований из укрепленных материалов на изгиб по новой расчетной схеме, более полно учитывающей фактические условия работы материалов в конструкции. Преимуществом новой расчетной схемы является возможность использовать в качестве расчетных характеристики, получаемые непосредственно при лабораторных испытаниях материалов. При расчетах лишь вводятся понижающие коэффициенты К_сниж учитывающие усталостные явления в материалах и влияние технологических факторов.

4.2. По новой расчетной схеме ^х) принята такая последовательность расчетов. Сначала намечают толщины конструктивных слоев дорожной одежды.

^х) Методики расчета и номограммы разработаны М.А. Железниковым применительно к расчету дорожных одежд с цементобетонными покрытиями.

Расчетные характеристики всех материалов, кроме укрепленных неорганическими вяжущими, назначают по ВСН 46-72. Модули упругости Е_У и прочностные характеристики R_u укрепленных неорганическими вяжущими материалов и грунтов можно назначать по табл. 4 и 5 или определять по результатам лабораторных испытаний с введением коэффициентов:

К_сниж = 0,5 - для зернистых материалов, песков, крупных супесей;

К_сниж = 0,35 - для пылеватых супесей, суглинков.

Таблица 4

При назначении расчетных характеристик грунта земляного полотна учитывают рекомендации п. 3.3.

Для материалов повышенной деформационной способности, т.е. укрепленных комплексными вяжущими расчетные характеристики могут быть повышены на 10 - 15 % по сравнению с расчетными характеристиками по табл. 4 или установленных по результатам лабораторных испытаний аналогичных цементогрунтов с учетом коэффициентов К_сниж.

Таблица 5

Примечание. Добавка в зологрунт цемента, извести или электролита повышает расчетные характеристики на 15 - 20 %.

4.3. Проектируемую конструкцию приводят к трехслойной системе (рис.2); при этом общий модуль упругости Е₃, подстилающего монолитный слой полупространства определяют по ВСН 46-72. Если покрытие многослойное, то его модуль упругости Е₁  определяют как средневзвешенный.

4.4. Рассчитывают слой из укрепленных материалов на растяжение при изгибе.

Для этого сначала определяют эквивалентную упругую характеристику L_экв двухслойной плиты (покрытие + основание из монолитного материала) по формуле:

,                                                                     (1)

где λ_c - параметр приведения, определяемый по номограмме рис. 3;

μ₃ - коэффициент Пуассона полупространства, принимаемый равным 0,3.

Затем находят действующее в монолитном слое из укрепленного материала напряжение растяжения при изгибе по формуле:

,                                                                      (2)

где Р - расчетная нагрузка на колесо, кгс,

М - безразмерный изгибающий момент, определяемый по номограмме рис. 4

Рис. 2. Расчетная схема с шарниром в трещине двухслойной платы:

1 - покрытие; 2 - слои из укрепленных грунтов и материалов; 3 - подстилающее монолитный слой полупространство (грунт или грунт + слой зернистого материала)

Действующее напряжение σ_и сопоставляют с заданным допускаемым растягивающим напряжением при изгибе для нижнего слоя монолитной плиты R_и и определяют коэффициент прочности по изгибу:

.                                                                                (3)

Рис. 3. Номограмма для определения λ_с

Коэффициент К_и должен быть не менее 0,95.

Рис. 4. Номограмма для определения безразмерного изгибающего момента в монолитном слое

4.5 Проверяют прочность конструкции по условию недопустимости сдвига в подстилающем плиту полупространстве:

                                                                                        (4)

где τ_а.м. максимальное активное напряжение сдвига от временной расчетной нагрузки в полупространстве;

τ_а.в. - то же от собственной массы дорожной одежды определяется по рис. 10 ВСН 46-72);

τ_доп - допускаемое напряжение сдвига в зернистом слое, подстилающем монолитный слой, или в грунте земляного полотна.

Активное напряжение сдвига τ_а.м определяют по номограмме рис. 5, предварительно вычислив .

Устойчивость на сдвиг полупространства надлежит проверять в слое из зернистого (но не щебеночного) материала в грунте. Напряжение сдвига в песчаном или гравийном подстилающем слое определяют на глубине Z = 5 см от низа монолитной плиты. Напряжение τ_а.м в грунте земляного полотна находят по номограмме для Z = 5 см в случае отсутствия зернистого подстилающего слоя или для глубины Z, равной толщине этого слоя, если он имеется в конструкции.

Рис. 5. Номограмма для определения напряжений сдвига в слое из зернистого материала или в грунте, имеющих угол внутреннего трения y₃. Сплошные линии - L_экв, пунктирные

Допускаемое напряжение сдвига в слое вычисляют по формуле:

                                                                                               (5)

где К_к = 1 при расчетной интенсивности движения N ≤ 1000 расч. авт/сутки на полосу;

К_к = 0,85 при N > 1000 расч. авт/сутки на полосу;

С - сила сцепления в зернистом слое или в грунте, кгс/см².

Вычисляемый коэффициент прочности по сдвигу в зернистом слое и в грунте:

                                                                                     (6)

должен быть не менее 0,95.

4.6. Конструкцию дорожной одежды рассчитывают по упругому прогибу.

Общий модуль упругости дорожной одежды, определяемый по формуле:

,                                                              (7)

сопоставляют с требуемым по ВСН 46-72 модулем упругости. Далее определяют коэффициент прочности по упругому прогибу:

.                                                                                 (8)

4.7 Конструкция должна быть проверена на морозоустойчивость (см. п. 3.2).

4.8. Расчет дорожной одежды считается законченным, когда один из коэффициентов прочности равен 0,05, а остальные превышают 0,95.