Распределение контактных напряжений в грунтовом основании дорожного покрытия из железобетонных плит

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ ИЗ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ

В.И. ЧЕРНЯКЕВИЧ, доц. каф. транспортно-технологических машин МарГТУ, канд. техн. наук

Важность изучения распределения напряжений в грунтовом основании сборноразборного дорожного покрытия из железобетонных плит определяется следующими факторами.

Во-первых, контактные напряжения в совокупности с внешней колесной нагрузкой образуют систему сил, воздействующих на дорожную плиту, и в конечном итоге определяют параметры самой плиты (ее армирование, высоту и т. п.).

Во-вторых, распределяемые плитой контактные напряжения являются нагрузкой для подстилающего плиту грунтового основания и их величина, а также и характер распределения во многом определяют условия работы последнего.

Теоретические исследования, рассматривающие плиту как балку или полосу в условиях плоской задачи теории упругости, выполненные М.И. Горбуновым-Посадовым

[1], В.А. Флориным [2] и другими учеными, показывают, что контактные напряжения по длине плиты распределяются весьма неравномерно. Их величина, характер распределения определяются величиной, местоположением на плите нагрузки, размерами, жесткостью поперечного сечения плиты и способом стыкования плит, а также и свойствами самого основания. Эти выводы подтверждаются и результатами выполненных экспериментов.

Как известно, дифференциальное уравнение изогнутой оси балки (полосы) имеет следующий вид:

DyIV = q

где D - жесткость поперечного сечение балки (полосы);

y - вертикальные перемещения нейтральной оси;

q(x) - заданный закон распределения активной нагрузки;

ф(х) - закон распределения контактных напряжений, являющийся неизвестной функцией, подлежащей определению.

Основной задачей при решении данного уравнения является установление неизвестного закона распределения контактных напряжений.

Одно из первых теоретических решений по определению контактных напряжений в условиях плоской задачи упругости было получено И.А. Садовским для центрально нагруженной абсолютно жесткой полосы в следующем виде

ф

где р - сосредоточенная сила; а - полудлина полосы; х - текущая координата.

В дальнейшем В.А. Флориным [2] и К.Е. Егоровым [3] указанное выше решение было распространено для случая сосредоточенной силы, приложенной к полосе с эксцентриситетом. Согласно этим решения эпюра контактных напряжений описывается уравнением

ф

где е - эксцентриситет приложения нагрузки.

Как видно из формулы (3), первый сомножитель уравнения представляет собой решение И.А. Садовского, а второй - поправку на эксцентриситет. Дальнейшие исследования показали, что при e > (a / 2) под противоположным нагруженному краю полосы в грунтовом основании теоретически возникают растягивающие напряжения.

Грунт, как известно, практически не работает на растяжение, и при таком эксцентриситете силы на плите ее противоположный конец отрывается от основания и между плитой и основанием образуется щель. Частное решение с учетом такой щели было дано В.М. Абрамовым, в котором участок основания с растягивающими контактными напряжениями исключен из рассмотрения.

В дальнейшем для решения дифференциального уравнения (1) был предложен ряд методов [1, 2]. Они отличаются видом функций, определяющих эпюру контактных

88

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2007

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

напряжений, способами решения данного уравнения. Эти методы хорошо разработаны, доведены до практического использования, неоднократно проверены рядом исследователей и рекомендованы методикой [5].

Нами были выполнены теоретические расчеты контактных напряжений по методам М.И. Горбунова-Посадова и В.А. Флорина, которые показаны на рис. 1.

Расчет контактных напряжений выполнялся для наиболее распространенной на лесовозных дорогах свободно лежащей плиты без учета стыков, что и наблюдается на практике из-за несовершенства существующего стыкового соединения плиты длиной 3,0 м. Расчетная нагрузка принималась от заднего колеса лесовозного автомобиля, расположенного в зоне стыка на расстоянии 0,15 м от торца плиты. Такое расположение нагрузки, как отмечает ряд исследователей и подтверждают наши расчеты и эксперименты, является критическим для напряжений, возникающих в грунтовом основании плит покрытия.

Величина нагрузки принималась равной 50 кН (нагрузка группы А) с коэффициентами динамичности и перегрузки 1,5 и 1,3 соответственно. Это согласуется с рекомендациями действующей методики расчета железобетонных дорожных плит.

Из рис.1 видно, что возникающие в краевых зонах подстилающего плиту основания контактные напряжения превосходят величину критических давлений Р приведенных в [5]. Величина указанных критических напряжений составляет: для среднезернистых и мелкозернистых песков подстилающего слоя 119 кПа и 83 кПа соответственно, а для суглинистого грунта земляного полотна при его влажности, составляющей 0,85 от границы текучести, - 49 кПа.

Отметим, что после выпадения обильных и продолжительных дождей, недостаточном уплотнении грунтового основания, а также с наступлением осенней или весенней распутиц прочность грунта основания может быть гораздо ниже приведенных критических величин.

Рис. 1. Эпюры контактных напряжений в основании железобетонных дорожных плит: 1 - по методу М.И. Горбунова-Посадова; 2 - по решению В.А. Флорина; Р - расчетные критические напряжения для грунтов основания

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2007

89

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Рис. 2. Конструкция многослойного

дорожного покрытия: 1 - плиты верхнего ряда;

2 - плиты нижнего ряда; 3 - песчаная подушка;

L - длина плиты

Для уменьшения контактных давлений в стыковой зоне плит и их выравнивания по длине плиты, по нашему мнению, необходимо оснастить дорожные плиты более совершенным типом стыкового соединения, например сварным, потому что применяемое в настоящее время соединение в колесопроводе деревянным бруском, находящимся в абразивной среде, быстро выходит из строя, и плиты работают как отдельно лежащие.

Одним из путей, позволяющим кардинальным образом решить наболевшую и злободневную проблему стыкового соединения дорожных плит, резко повысить эксплуатационные качества покрытия и увеличить срок его службы, является использование новой конструкции сборного покрытия из желебетонных плит для лесовозных дорог. На кафедре транспорта леса МарГТУ разработана и прошла всесторонние опытно-лабораторные и теоретические исследования многослойная (двухслойная) конструкция сборного дорожного покрытия, которая показана на рис. 2

Основным отличием предлагаемой конструкции сборного дорожного покрытия от существующей является то, что плиты верхнего ряда (1) укладываются на плиты нижнего ряда (2) со смещением равным 0,5 их длины. При этом происходит смещение стыков, и каждая плита верхнего ряда контактирует с двумя плитами нижнего ряда. В результате увеличивается площадь передачи нагрузки на грунтовое основание, соответственно снижаются контактные напряжения в основании, выравнивается и характер их распределения по длине плиты. В многослойном сборном покрытии, в отличие от применяемого однослойного, отсутствуют сквозные, про-

ходящие через всю конструкцию покрытия и доходящие до подстилающего основания ослабленные стыковые зоны. Известный в дорожном деле принцип многослойности дорожной одежды в полной мере используется и в предлагаемой конструкции. Согласно ему целесообразно усилить верхний слой плит, который подвергается непосредственному воздействию колесной нагрузки, а в нижнем слое - использовать малоармированные и, соответственно, более дешевые плиты. Рекомендуется также оснастить плиты многослойной конструкции сварным типом стыков. В заключение отметим, что нами выполнены экспериментальные исследования, подробные прочностные расчеты плит как верхнего, так и нижнего слоев сборного покрытия, подобран состав мелкозернистого (песчаного) цементного бетона для их изготовления. В заводских условиях проведены испытания на прочность и морозостойкость данного бетона [6]. Считаем, что сборное многослойное покрытие отвечает современным требованиям и тенденциям конструирования, строительства и эксплуатации лесовозных дорог.

Библиографический список

1. Горбунов-Посадов, М.И. Расчет конструкций на упругом основании / М.И. Горбунов-Посадов.

- М.: Гос. изд-во литературы по строительству и архитектуре, 1953. - 516 с.

2. Флорин, В.А. Основы механики грунтов. Т. 1 / В.А. Флорин. - М.-Л.: Госстройиздат, 1959. -372 с.

3. Егоров, К.Е. Распределение напряжений в основании ленточного фундамента / К.Е. Егоров // Вопросы расчета оснований и фундаментов: сб. науч. тр. лаборатории оснований и фундаментов. - М.: ГОНТИ, 1938. - С. 29-48.

4. Коновалов, С.В. Практическая методика расчета жестких дорожных покрытий с учетом повторности воздействия нагрузок / С.В. Коновалов, М.С. Коганзон. - М.: Высш. шк., 1970. - 219 с.

5. Сборник покрытия автомобильных дорог: учеб. пособие для вузов / В.М. Могилевич, Е.Н. Дубровин, С.В. Коновалов и др. - М., 1972. - 384 с.

6. Чернякевич, В.И. Направление совершенствования покрытий лесовозных автомобильных дорог из железобетонных плит / В.И. Чернякевич, Н.Н. Пушкаренко. - Марийск. гос. техн. ун-т.

- Йошкар-Ола, 2003. - Деп. в ВИНИТИ 17.07.03., № 1416-В. - 2003. - 178 с.

90

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2007