Проектирование карьерных дорог

А.Г. Колчанов, к.т.н., ЗАО «ПромтрансНИИпроект»

В настоящее время в России открытым способом добывается более 60% угля, более 90% железной руды, более 70% цветных металлов, практически 100% природного сырья для промышленности стройматериалов. Общий объём ежегодных перевозок автомобильным транспортом в современных карьерах превышает 6 млрд. т. Наибольшее распространение при добыче рудных материалов и угля получили автосамосвалы грузоподъёмностью 110–130 т, наблюдается тенденция использования автосамосвалов особо большой грузоподъёмности 180–220 т и более.

Использование таких самосвалов приводит к увеличению ширины автомобильных дорог, толщины дорожных конструкций и соответственно их стоимости. Материалоёмкость дорожных конструкций на карьерных дорогах превышает в 15 раз и более материалоёмкость дорог общего использования. Поэтому обоснованное назначение толщины дорожных конструкций на карьерах и разрезах представляет собой одну из актуальных задач проектировщика.

Проектирование карьерных дорог

В России первый системный подход к проектированию дорог был изложен в 1870 году Егором Головачёвым, который в своей книге представил анализ существующего положения в проектировании, строительстве и содержании дорог в России и аргументировано предложил свой подход к этим проблемам [1]. Свои выводы Е.Головачёв сделал на основе длительных и многочисленных наблюдений за работой дорог в разных регионах страны.

В период до 1930-х годов крупных работ в области дорожных исследований не проводилось. В 1936–1938 гг. под руководством профессора Н.Н. Иванова были проведены исследования работы дорожных конструкций и разработаны технические условия на их проектирование. В качестве критерия прочности дорожной одежды была использована крайне неопределённая величина несущей способности грунта [2].

В 1950-е годы на основе анализа работы дорожных конструкций и теоретических исследований с использованием распределения напряжений Буссинэска в качестве критерия прочности была использована величина вертикального накопленного перемещения поверхности покрытия. Предложенный метод позволил определять толщину дорожной одежды с учётом грунтовых и гидрологических условий, типа автомобиля и интенсивности движения. Метод использовался проектными организациями СССР более 20 лет и перестал удовлетворять в условиях возрастающей интенсивности и изменения состава движения, появления новых материалов и технологий строительства и другого. [3]. В связи с этим был разработан принципиально новый подход к проектированию дорожных одежд.

Расчётная схема двухслойной системы дорог:

Проведённые исследования показали, что не только монолитные, но и дискретные материалы, не способные сопротивляться растяжению, могут работать в соответствующих конструкциях как упругие среды, что подтверждается также теоретическими исследованиями.

Это позволило рассматривать современные дорожные конструкции как сплошные квазиизотропные твёрдые среды, величину перемещений и деформаций – как незначительную по сравнению с размерами конструкций, связь деформаций и напряжений – линейную задачу о напряжённодеформированном состоянии как квазистатическую. Указанные предпосылки позволяют свести задачу о напряжённодеформированном состоянии к задаче теории упругости слоистого полупространства.

Однако, проектирование дорожных конструкций в упругой стадии целесообразно только для конструкций с капитальным типом покрытия (асфальтобетон и т.п.). Дорожные конструкции облегчённого и переходного типа целесообразно проектировать в упруго-вязко-пластической стадии. В соответствии с этим дорожные одежды с капитальным типом покрытия в России принято проектировать по трём критериям: упругому прогибу, сдвигу в грунте или слабосвязных материалах и растяжению при изгибе верхних монолитных слоёв (асфальтобетон и т.п.).

Дорожные одежды с облегчённым и переходным типом покрытия проектируют по двум критериям: упругому прогибу и сдвигу в грунте или в слабо связных материалах. Такой подход к проектированию дорожных конструкций принят и для карьерных дорог [4].

Однако, большое разнообразие подвижного состава и условий его работы в карьере потребовали длительных (более 30-летних) теоретических и экспериментальных наблюдений и исследований, которые были выполнены сотрудниками ЗАО «ПромтрансНИИпроект».

Основные задачи, которые решались в ходе исследований: - установление требуемой прочности дорожных конструкций в зависимости от общего объёма перевозок и состава движения;

- обоснование расчётных параметров подвижного состава;

- уточнение модулей упругости грунтов и асфальтобетонов с учётом фактической продолжительности воздействия нагрузки;

- определение сдвигающих напряжений в грунтах и слабосвязных материалах с учётом реальных значений параметров, определяющих данную конструкцию;

- определение коэффициентов приведения различных типов карьерных самосвалов к расчётному;

- определение коэффициентов приведения различных давлений в шинах к расчётному, и другие вопросы.

Установление требуемой прочности дорожных конструкций

Практика проектирования конструкций по критерию предельного упругого прогиба подтверждает высокую надёжность этого метода при условии соответствия проектных значений модулей упругости фактическим и учёта неоднородности условий работы покрытия. Однако, этот метод не давал надёжных результатов в случае недостаточного возвышения бровки земляного полотна и переувлажнения грунтов, а также при зимнем вспучивании, превышающем предельное значение. Аналогичный по надёжности результат обеспечивали конструкции, содержащие неорганические вяжущие.

Исследования работы дорожных конструкций подтвердили, что неразрушенные конструкции, как правило, работают в стадии упругих деформаций. В связи с этим такой критерий необходим для проектирования дорожных конструкций, что подтверждается и зарубежными данными (AASHO и др.).

Для установления требуемого модуля упругости дорожных одежд были проведены измерения упругого прогиба прецизионным нивелиром под колёсами гружёных карьерных автосамосвалов с нагрузкой на ось от 150 кН до 1100 кН на дорогах с асфальтобетонным и другими типами покрытий [5]. Испытания проводились на дорогах с разрушенными и не разрушенными покрытиями.

На основании полученных данных по каждому участку были построены интегральные кривые распределения, которые позволили установить требуемый модуль для конкретного участка. Измерение прогибов проводили в различных регионах страны в течение длительного периода (более 5 лет). В результате испытаний было получено эмпирическое выражение для определения требуемого модуля.

В частности для самосвалов с нагрузкой на спаренное колесо 228 кН требуемый модуль упругости Етр предлагается определять из выражения:

Расчётная схема двухслойной системы дорог:

где: ΣN – суммарное число проходов автомобиля с колёсной нагрузкой 228 кН.

Требуемый модуль для самосвалов с другой нагрузкой вычисляется с помощью коэффициента приведения.

Обоснование расчётных параметров карьерных самосвалов

Расчётный диаметр отпечатка в значительной степени определяет толщину дорожной конструкции. Поэтому обоснованное определение отпечатка колеса на поверхности покрытия стало одним из основных направлений наших исследований.

В настоящее время расчётный диаметр отпечатка определяется по выражению:

056 3

где: Qн – нормативная нагрузка на спаренное колесо автомобиля, кН; p – давление воздуха в шине, МПа.

Этот подход не учитывает того факта, что шины задних колёс автомобиля находятся друг от друга на некотором расстоянии, поэтому и напряжения в них меньше, чем, если бы колёсная нагрузка действовала на одиночные колёса. С целью определения диаметра отпечатка с учётом реальной расстановки шин заднего колеса (в дальнейшем – расчётный эквивалентный диаметр отпечатка) были проведены специальные аппаратурные исследования распределения напряжений, перемещений с параллельным измерением температуры в слоях дорожной одежды [6]. Измерение напряжений и перемещений осуществляли в горизонтальном и вертикальном направлениях, в статическом и динамическом положении.

Местоположение колеса относительно датчиков колебалось в пределах от 0 до 2 м с каждой стороны. Запись температуры осуществлялась круглосуточно в течение одного месяца с параллельным измерением температуры воздуха.

Пример расчёта трёхслойной конструкции дороги для автосамосвала БелАЗ/549 грузоподъёмностью 75 т

Сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований показало хорошую их сходимость. Скорость движения автомобилей изменяли от 5 км/ч до 20 км/ч.

Для обоснования расчётного (эквивалентного) значения диаметра отпечатка для различных автомобилей были выполнены расчёты двухслойных систем с соотношением модулей упругости слоя и грунтового полупространства Е1/Е2 = 3ч30 и толщинами слоёв Н/Д от 0.5 до 1.5, а также трёхслойных систем с соотношением модулей упругости слоёв и грунтового полупространства Е1/Е2 = 3ч10 и Е2/Е3 = 3ч30 и толщинами слоёв Н/Д от 0.5 до 1.5 (см. расчётную схему на рис.).

Анализ напряжённо-деформированного состояния дорожных одежд осуществлялся по перемещению поверхности покрытия, вертикальным нормальным напряжениям и сдвигающим напряжениям на поверхности земляного полотна с использованием принципа суперпозиций. Для расчёта использовалось точное решение задачи теории упругости для многослойного полупространства. Анализ напряжённодеформированного состояния дорожных одежд показал, что наилучшая сходимость значения напряжений от расчётного (эквивалентного) отпечатка и отпечатков от одиночных шин спаренного колеса наблюдается по нормальным вертикальным и сдвигающим напряжениям.

Для примера, в таблице представлен фрагмент расчёта трёхслойной конструкции по нормальным ω и сдвигающим τ напряжениям для самосвала БелАЗ-549 грузоподъёмностью 75 т. Угол внутреннего трения грунтов основания дороги ϕ принят равным 10°. Результаты расчётов показывают, что вертикальные и сдвигающие напряжения от двух шин заднего спаренного колеса самосвала БелАЗ-549 с диаметром отпечатка каждой шины D = 68 см, находящихся на расстоянии 80 см друг от друга, эквивалентны по своему воздействию одиночному колесу, диаметр отпечатка которого D = 80 см. В существующей расчётной схеме диаметр отпечатка составляет D = 102 см.

Расчёты дорожных одежд, выполненные для этих отпечатков, показывают, что толщина дорожной одежды, вычисляемая для отпечатка диаметром D = 80 см в среднем на 20% меньше, чем принятая в настоящее время (см. рис.) Таким образом, были определены расчётные эквивалентные диаметры отпечатков колёс для основных типов самосвалов БЕЛАЗ грузоподъёмностью до 180 т включительно.

Определение коэффициентов приведения различных типов самосвалов к расчётному

Коэффициенты приведения служат для приведения автомобилей разных типов к расчётному и представляют собой необходимую составную часть процесса проектирования дорожных одежд. Коэффициент приведения показывает отношение уровня напряжённо-деформированного состояния для автомобилей с разной колёсной нагрузкой.

Анализ существующих способов приведения различных автомобилей к расчётному показал, что рекомендуемые коэффициенты приведения основываются на экспериментальных результатах с автомобилями, колёсные нагрузки которых не превышают 70 кН. Попытки распространить рекомендуемые коэффициенты приведения для карьерных самосвалов не дают удовлетворительных результатов.

Более обоснованным на наш взгляд представляется анализ напряжённо-деформированного состояния для автомобилей с различной колёсной нагрузкой.

С этой целью были выполнены расчёты дорожных конструкций в широком диапазоне толщин H/D (от 0.5 до 2.0) и соотношением модулей упругости Е1/Е2 и Е2/Е3 в диапазоне от 3 до 30 [7].

Анализ напряжённо-деформированного состояния дорожных конструкций производился по трём критериям: перемещение поверхности покрытия, вертикальное нормальное напряжение и сдвигающее напряжение на поверхности земляного полотна.

На основе выполненного анализа была получена зависимость для определения коэффициента приведения различных колёсных нагрузок к расчётной нагрузке. На основании исследований, выполненных специалистами «ПромтрансНИИпроект», в качестве расчетной величины нагрузки предложена колёсная нагрузка задней оси гружёного самосвала БелАЗ-548 (228 кН).

Экспериментальные исследования показали, что для самосвалов БелАЗ-540, БелАЗ-548 и БелАЗ-549 может быть принят коэффициент динамичности k = 1.4. С учётом этого коэффициента расчётная колёсная нагрузка составляет Q = 319.5 кН. Расчётное давление на покрытие, равное давлению в шинах, составляет p = 0.62 МПа.

Приведение передних и задних осей различных типов самосвалов БЕЛАЗ осуществляется по формуле:

Приведение передних и задних осей различных типов самосвалов БЕЛАЗ осуществляется по формуле

где: k – коэффициент приведения передних и задних осей различных типов карьерных самосвалов к задней оси груженого самосвала БелАЗ-548; D –диаметр отпечатка колеса приводимой оси карьерных самосвалов различных типов, см; H – общая толщина дорожной одежды, см.

Исследования показали, что значительное влияние на уровень напряженно-деформированного состояния оказывает давление воздуха в шине и соответственно давление на покрытие. Поэтому для учёта разницы в давлениях приводимого и расчётного автомобилей необходимо принимать во внимание дополнительный коэффициент, определяемый по формуле:

056 6

где: p – фактическое давление в шинах приводимых автомобилей, МПа.

Уточнение модулей упругости асфальтобетонов и грунтов

Значительно больший диаметр отпечатка колёс у карьерных самосвалов по сравнению с отпечатком колёс автомобилей общего назначения приводит к увеличению времени воздействия нагрузки на дорожную конструкцию в целом. Экспериментальные исследования, проведённые «Промтрансниипроект» показали, что продолжительность времени воздействия нагрузки примерно в два раза больше принятой в настоящее время для автомобилей общего назначения и составляет 0.2 с [8].

Поэтому модули упругости асфальтобетонов и грунтов, как реологических тел, будут отличаться от принятых в настоящее время при проектировании дорог общего пользования. Для уточнения модуля упругости асфальтобетонов в зависимости от времени воздействия принята зависимость:

056 7

где: Eф – модуль упругости при фактическом времени приложения нагрузок tф; Е0 – модуль упругости, принятый в нормативных документах при длительности действия нагрузки t0 = 0.1 с; ρ – коэффициент пластичности.

Расчёты показали, что модули упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, ниже нормативных значений, принятых при проектировании дорог общего пользования на 10–20%.

Необходимость пересчёта модулей упругости грунтов вызвана следующими обстоятельствами. Расчёт дорожных одежд производят для периода, когда грунт находится в переувлажнённом состоянии. При этом модуль упругости грунта, принятый в нормативных документах, представляет собой эквивалентный модуль упругости системы: талый и мёрзлый грунты. Экспериментальные исследования, проведённые в нашей стране, показали, что наименьшее значение модуля упругости грунта получается при определённой глубине его оттайки. При воздействии нагрузки, распределённой на большие отпечатки, напряжённо-деформированное состояние захватывает и мёрзлый грунт.

В связи с этим были проведены исследования по определению наименьших модулей упругости грунтов для различных климатических и грунтово-гидрогеологических условий страны с учётом фактического времени воздействия нагрузки. Значения рекомендуемых модулей упругости грунтов при расчёте дорожных одежд для карьерных самосвалов – выше принятых при проектировании дорог общего пользования на 15–20% [9].

Определение сдвигающих напряжений в грунтах и слабосвязных материалах

Анализ напряжённо-деформированного состояния дорожных одежд показал, что сдвигающие напряжения в существенной степени зависят от величины принятых расчётных параметров, в частности, от коэффициента Пуассона (μ). Принятый коэффициент Пуассона μ = 0.35 для всех конструктивных слоёв дорожной одежды и грунта не соответствует результатам исследований ведущих учёных (Цытович, Терцаги и др.). Так, для песчаных грунтов рекомендуется принимать μ = 0.20.

Расчёты показали, что сдвигающие напряжения при рекомендуемых значениях м выше в 2 раза, чем принятые в нормативных документах.

Были проведены и другие исследования, направленные на приближение расчётной схемы к реальным условиям работы дорожной конструкции.

В результате многолетних исследований впервые разработана методика расчёта дорожных одежд для карьерных дорог, которая позволяет существенно снизить капиталовложения в их строительство и, в тоже время, повысить надёжность запроектированных конструкций.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Е. Головачёв. Об устройстве земских дорог и отношений их к железным путям для развития производительности России. Киев, 1870.

2. Н.Н. Иванов, A.M. Кривисский. Выбор конструкций дорожных одежд. М. Дориздат. 1943.

3. Н.Н. Иванов и др. Инструкция по назначению конструкций дорожных одежд не жёсткого типа ВСН 4660. М. Автотрансиздат. 1961.

4. Н.Н. Иванов и др. Инструкция по проектированию дорожных одежд нежёсткого ти па ВСН 4683. М. Транспорт. 1985, с. 157.

5. А.Г. Колчанов. О требуемой прочности дорожных конструкций для карьерных само свалов. М. Горный журнал. 1987 №6, с. 16–18.

6. А.Г. Колчанов. О некоторых расчётных параметрах при проектировании дорожных одежд на карьерах. М. Горный журнал. 1986 №1, с. 18–20.

7. А.Г. Колчанов. О расчёте дорожных конструкций для различных типов карьерных автосамосвалов М. Горный журнал. 1984 №10, с. 18–19.

8. Уточнение модулей упругости асфальтобетонов для сверхтяжёлых автомобилей. М. ПромтрансНИИпроект. 1989, с. 171–176.

9. А.Г. Колчанов. О расчётной прочности грунтов земляного полотна карьерных авто мобильных дорог. М. Горный журнал. 1988, №4 с. 26–28.

Журнал "Горная Промышленность" №6 (94) 2010, стр.56