OPTIMAL DESIGN OF RIGID PAVEMENT MADE OF PREFABRICATED REINFORCED CONCRETE SLABS BASED ON THE RESULTS OF THE CALCULATION OF THE SHEAR RESISTANCE BY FINITE ELEMENTS METHOD

Full Text

Бетон и железобетон используются в дорожном строительстве еще с XIX столетия. Естественно, что за такой долгий период в технологии устройства бетонных оснований и покрытий для автомобильных дорог различных категорий произошли большие изменения, в частности в последние десятилетия в развитых странах мира вместо стандартного бетона (обычных классов по прочности В20-В30) все шире используются бетоны нового поколения - высокопрочные, дисперсно-армированные и др. [1-3]. Однако отечественные методики проектирования автомобильных дорог с бетонными покрытиями (как правило, на основе сборных железобетонных дорожных плит типа ПДН), созданные в 50-70-е гг. ХХ в., к сожалению, во многом устарели и не отвечают современным требованиям. Например, действующими нормативами при подборе толщины слоев дорожной одежды и материалов, из которых они будут изготовлены, нормативными документами [4-7] предусмотрен обязательный расчет на сдвигоустойчивость подстилающего грунта и слабых конструктивных слоев. Основное требование - чтобы под действием кратковременных и длительных нагрузок за весь срок службы не накапливались недопустимые остаточные деформации формоизменения. Это значит, что под действием нагрузок в грунте или слоях дорожной одежды могут возникать зоны пластических деформаций сдвига. Добиваться, чтобы таких зон не возникало совсем, экономически нецелесообразно, поэтому их развитие ограничивается недо- А. О. Глазачев, Л. Ю. Гимадетдинова, А. П. Гончарук, И. В. Недосеко 5 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 пустимыми остаточными деформациями, которые могут повлиять на эксплуатационную надежность как дороги в целом, так и отдельных ее элементов. По методике расчета [5] такие деформации не будут накапливаться, если выполняется условие где - требуемое минимальное значение коэффициента прочности, определяемое с учетом заданного уровня надежности; Т - расчетное активное напряжение сдвига в расчетной точке конструкции от действующей временной нагрузки; - предельная величина активного напряжения сдвига, превышение которой вызывает нарушение прочности на сдвиг.В соответствии с [5] предельная величина активного напряжения сдвига определяется из условия равновесия в точке, где производится проверка. Здесь необходимо знать прочностные параметры грунта (угол внутреннего трения и удельное сцепление), а также вес вышележащего слоя. Кроме того, при расчете учитывается характер работы разных материалов на контакте слоев применением соответствующих коэффициентов. Действующие напряжения сдвига в интересующей точке определяются на основании специальных номограмм. Применение таких номограмм является удобным и быстрым инструментом для выполнения расчета, но как и все подобные методы он имеет ряд допущений и не учитывает многих факторов. Все это компенсируется запасами надежности, что не всегда обоснованно с экономической точки зрения. Как и другие инженерные расчеты на динамическое воздействие, данная методика сводится к статическому расчету системы. Динамическое воздействие учитывается повышающими коэффициентами для нагрузок. Цикличность нагружения - снижением значений механических характеристик грунта. Все это в целом учитывает особенности работы конструкции и с определенной точностью дает возможность получить параметры, которые требуется заложить в конструкцию при проектировании. В настоящее время активно развиваются инструменты моделирования и численного расчета конструкций, основанные на методах конечных элементов [8]. Такими инструментами служат различные программные комплексы, которые дают возможность выполнить расчет не только в упругой постановке, но и с учетом более сложных процессов путем применения различных моделей. Так, при подборе конструкции дорожной одежды при строительстве автодороги Кашкалево-Новотазларово в Бураевском районе Республики Башкортостан был выполнен расчет на сдвигоустойчивость с использованием геотехнического программного комплекса Plaxis 3D. Расчет в целом производился по методике [5], за исключением того, что напряжения сдвига определялись не по номограммам, а численным методом. Для выполнения расчетов были приняты следующие исходные данные: - тип дорожной одежды (капитальный); - категория дороги (IV); - дорожно-климатическая зона (III1); - нормативная нагрузка на ось (115 кН); - коэффициент надежности по нагрузке (0,95). Расчет выполнялся для уровня надежности 0,95 с коэффициентом прочности 1,00. Поперечный профиль дороги представлен на рис. 1. При моделировании приняты следующие параметры конструктивных слоев дорожной одежды: - железобетонные плиты ПНД серии 3.503.1-91 толщиной 140 мм; - выравнивающий слой из песка толщиной 50 мм; Рис. 1. Поперечный профиль дороги Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 6 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ - щебеночно-песочная смесь (ЩПС) толщиной 350(400) мм; - суглинок с песком (супесь) толщиной 300(250) мм; - суглинок. При численных расчетах в качестве модели материала железобетонной плиты покрытия применялась упруго-линейная модель, которая подчиняется закону Гука. Для моделирования грунтового основания использовалась модель Мора-Кулона. Она описывает упругое поведение среды при напряжениях ниже предела текучести и простое равнообъемное пластическое течение при напряжениях на пределе текучести. Рис. 2. Расчетная схема численной модели В ходе численного моделирования в трехмерной постановке была сгенерирована расчетная схема, представленная на рис. 2. Приложение нагрузки выполнялось путем приложения круглого пятна давления диаметром 36,5 см. Нагрузка прикладывалась в трех положениях плиты: 1) в центре, 2) у края длинной стороны и 3) у края короткой стороны. Анализ напряжений велся при толщине ЩПС 350 мм (глубина 54 см) и 400 мм (глубина 59 см). Общая толщина дорожной одежды остается без изменений - 84 см.В результате расчетов были получены касательные напряжения на глубинах 54; 59 и 84 см для трех вариантов приложения нагрузки. В соответствии с [5] были определены предельные напряжения сдвига для интересующих нас глубин, что позволило вычислить коэффициенты прочности. Для толщины слоя ЩПС 350 мм коэффициент прочности составил 0,80, а для толщины слоя 400 мм - 1,05. Таким образом, критерий выполнения условия прочности на сдвиг для уровня надежности 0,95 соблюдается при толщине ЩПС 400 мм. При определении напряжений сдвига по номограммам дорожная одежда получалась с более мощными слоями. Применение численных методов моделирования позволило наиболее точно учесть работу всех элементов конструкций. Напряжения в грунте зависят от учета жесткости железобетонной плиты и ее распределительной способности, что при моделировании достаточно просто выполнить. По принятым техническим решениям планируется строительство опытного участка дороги, где будет проводиться мониторинг состояния и контроль основных параметров конструкций дорожной одежды и земляного полотна, в результате чего можно будет сопоставить результаты расчета с результатами наблюдений. При более широком применении численных расчетов с использованием сложных грунтовых моделей можно получать не только значения напряжения, но и значения упругих и остаточных деформаций с учетом режима работы конструкции (цикличность нагружения и т. д.) и других особенностей материала конструкций.

About the authors

Anton O. GLAZACHEV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Liliya Y. GIMADETDINOVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Alexey P. GONCHARUK

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Igor V. NEDOSEKO

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files