КОНСТРУКЦИЯ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ
PAVEMENT SURFACING DESIGN

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог, а именно к конструкциям дорожной одежды.
Известны конструкции многослойных нежестких дорожных одежд, состоящие из различных сочетаний толщин и материалов слоев основания и асфальтобетонного покрытия.
Известна конструкция дорожной одежды, включающая основание, выполненное из щебня и высокопористого асфальтобетона и двухслойного асфальтобетонного покрытия с толщиной нижнего слоя 50 мм и верхнего слоя 40 мм (Дорожный асфальтобетон/Л.Б.Гезенцвей, Н.В.Горелышев, A.M.Богуславский, И.В.Королев под ред. Л.Б.Гезенцвея - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1985, с.292).
Известна конструкция, включающая основание в виде дренирующего слоя, слоя щебня из слабопрочного известняка, гравия и слоя крупнозернистого асфальтобетона, на котором размещено покрытие из асфальтобетона с расположенным на нем слоем поверхностной обработки из черного щебня-клинца крупностью до 10 мм (см. патент РФ № 2332535, МПК E01C 7/18, опубл. 27.08.2008).
Известна также конструкция дорожной одежды, включающая основание из переуплотненного грунта с двухслойным покрытием из асфальтобетона (см. патент РФ № 2310031, МПК E01C 3/04, опубл. 10.11.2007).
Указанные аналоги обладают общим недостатком, а именно тем, что эксплуатационная работоспособность и долговечность дорожных одежд у них значительно ниже проектных параметров. Это приводит к необходимости выполнения преждевременных ремонтов. Это связано с тем, что конструкции дорожных одежд характеризуются высоким уровнем вибрационных сил в слоях, который является одной из основных причин разрушения дорожных одежд.
Известна конструкция дорожной одежды, принятая в качестве прототипа, состоящая из дренирующего песчаного слоя толщиной 30 см, слоя из гравийной смеси толщиной 12 см, слоя щебня, обработанного вяжущими материалами, толщиной 8 см, слоя крупнозернистого пористого асфальтобетона толщиной 6 см и покрытия из мелкозернистого плотного асфальтобетона толщиной 5 см (см. Типовые строительные конструкции, изделия, узлы. Серия 3.503-71. Дорожные одежды автомобильных дорог общего пользования. Материалы проектирования. С.53).
Недостатком известных конструкций, включая прототип, является недостаточная прочность, связанная с повышенным уровнем вибрационных сил и вибрацией слоев из-за отсутствия противофазных движений смежных слоев, которые могли бы осуществлять гашение колебаний друг друга.
Технической задачей, решаемой изобретением, является снижение уровня вибрационных сил в слоях дорожной одежды и, как следствие, повышение работоспособности и долговечности дорожной одежды.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в конструкции дорожной одежды, состоящей из многослойного основания, включающего дренирующий слой и два слоя несущего материала, и верхнего и нижнего слоев асфальтобетонного покрытия, согласно изобретению толщины слоев дорожной одежды подобраны в соответствии с толщиной и плотностью верхнего слоя асфальтобетонного покрытия, а также плотностью соответствующего слоя по следующей функциональной зависимости:
i
1
1
i
4
3
2
h=(-0,342i+4,004i-15,659i+24,413i-11,417)·h·ρ/ρ,
i
1
1
где i - порядковый номер слоя; ρ - плотность i-го слоя; h и ρ - толщина и плотность верхнего слоя покрытия.
Решение поставленной технической задачи осуществляется благодаря тому, что в процессе возникновения колебаний слоев дорожной одежды, возникающее после прохождения автомобильного транспорта колебательное движение смежных слоев происходит в противофазе. Противофазность обеспечивается определенным соотношением собственных частот слоев дорожной одежды, достигаемым проектированием толщин по предложенной функциональной зависимости. При противофазном движении смежных слоев они осуществляют взаимное гашение колебаний, что приводит к снижению уровня разрушающих динамических сил и повышению работоспособности и долговечности дорожных одежд.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена многослойная конструкция дорожной одежды; на фиг.2 представлен расчетный колебательный спектр колебательных сил, реализуемых в конструкции дорожной одежды прототипа; а на фиг.3 - то же для предлагаемой конструкции дорожной одежды. На фиг.2 и 3 приведены спектры динамических сил F=f(t) в верхнем слое покрытия из плотного асфальтобетона (сплошная линия) и в нижнем слое покрытия из пористого асфальтобетона (прерывистая линия), где t - время.
Конструкция дорожной одежды состоит из асфальтобетонного покрытия и основания (на чертеже не обозначены). Асфальтобетонное покрытие состоит из верхнего и нижнего слоев 1 и 2 соответственно. Причем верхний слой 1 состоит из слоя плотного асфальтобетона, а нижний слой 2 - из пористого асфальтобетона. Основание включает два слоя несущего материала в виде слоя 3 из черного щебня и слоя 4 из фракционированного щебня, а также дренирующий слой 5.
i
i
i
1
1
Каждый из i-х слоев 2, 3, 4, 5 конструкции дорожной одежды характеризуется толщиной h, ρ Причем толщина h подбирается в соответствии с толщиной h, плотностью ρ верхнего слоя асфальтобетонного покрытия и плотностью i-гo слоя.
Подбор осуществляется по следующей функциональной зависимости:
i
1
1
i
4
3
2
h=(-0,342i+4,004i-15,659i+24,413i-11,417)*h*ρ/ρ,
i
1
1
где i - порядковый номер слоя; ρ, - плотность i-го слоя; h и ρ - толщина и плотность верхнего слоя покрытия.
Предлагаемая функциональная зависимость выведена расчетным путем на основе оптимального соотношения собственных частот слоев дорожной одежды, учитывающего инерционность слоев и процесс развития колебаний сверху вниз в дорожной конструкции. Необходимая совокупность собственных частот, распределенная по слоям дорожной одежды, аппроксимировалась полиномиальной зависимостью. Так как частоты колебаний являются функциями масс и жесткостей слоев дорожной одежды, то производилось распределение по слоям также масс и жесткостей и их полиномиальная аппроксимация. Соответствующим математическим преобразованием была получена искомая функциональная зависимость для расчета толщин слоев дорожной одежды рассматриваемой конструкции.
Параметры конструкции дорожной одежды прототипа и изобретения представлены в таблице.
Таблица
№ слоя
Толщина, см
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
прототип
изобретение
1
5,0
5,0
2400
2
6,0
6,9
2300
3
8,0
7,8
2000
4
12,0
29,3
1800
5
30,0
38,4
1850
Для сравнения произведены расчеты динамических сил, возникающих в этих конструкциях после прохождения грузового автомобиля со скоростью 90 км/ч. Спектры динамических сил, приведенные на фиг.2 и фиг.3 в двух смежных слоях покрытия, показывают, что у прототипа число противофазных движений не превышает 59%, в то время как у конструкции согласно изобретению эта величина составляет 88%. Расчет средних динамических сил в покрытии по данным спектрам выявляет, что в предлагаемой конструкции дорожной одежды эти силы примерно в 2 раза меньше, чем у прототипа. Так, у прототипа в слое плотного асфальтобетона средние динамические силы равны 5,7 кН, в слое пористого асфальтобетона - 8,2 кН. В конструкции согласно изобретению эти силы составляют 2,7 кН и 4,0 кН соответственно.
Таким образом, изобретение за счет подбора оптимального соотношения толщин слоев, осуществляемого расчетным путем по функциональной зависимости, позволяет снизить уровень вибрационных сил в слоях дорожной одежды, что ведет к повышению работоспособности и долговечности дорожных одежд.