Основы теории.

По автомобильным дорогам обращаются транспортные средства различной конструкции, конфигурации, назначения и грузоподъемности, которые приводят к появлению напряжений и деформаций в конструктивных слоях, развитие повреждаемости в строительстве и в последующем потери их прочности и несущей способности.

Каждое транспортное средство в виду особенностей его конструкции по-разному влияет на напряженное состояние дорожной одежды, поэтому важно знать основные характеристики транспортных средств и их влияние на напряженное состояние.

К основным характеристикам транспортных средств относят:

1) Грузоподъемность;

2) Количество осей и колес на оси;

3) Нагрузки на ось и колесо;

4) Параметры и характеристики шин колеса.

Грузоподъемность автомобилей может достигать 60 т. Количество осей 6-8 нагрузок на ось 13-15 т. Очень важное значение имеет конструкция и характеристика шины автомобиля. При контакте с покрытием особое значение приобретает ширина и длина беговой дорожки.

Современные шины высокого давления распределяют нагрузку неравномерно, а сконцентрированы в центре отпечатка, что приводит к повышению сдвигающих напряжений в покрытии и появлению колеи (рис. 1.2.1а), в то время как шины низкого давления имеют плавное распределение нагрузки, однако ее интенсивность сохраняется на большую глубину (рис.1.2.1 б). В результате автомобили с шинами высокого давления приводят к преждевременному выходу из строя материалов покрытия, а низкого давления к накоплению остаточных деформаций в грунте земляного полотна и потере ровности. Поэтому при расчете дорожных одежд и оценке устойчивости материала покрытия желательно учитывать различные виды расчетных нагрузок.

а) б)

Рис. 1.2.1- Характер распределения давления и напряжений в шинах высокого (а) и низкого (б) давления

Выполненные теоретические исследования показали, что для расчетной схемы с распределением нагрузки равномерно по площади круга (эталон) (рис. 1.2..2а) и с экстремальным распределение нагрузки с максимумом в центре отпечатка (реальный автомобиль) (рис. 1.2.2б), наблюдаются отличия, как в характере, так и в уровне сдвигающих напряжений.

а) б)

Рис.1. 2.2- Расчетные схемы определения напряженно-деформированного состояния, учитывающие неравномерность распределения давлений по площади отпечатка

Для первого случая (при расчетном давлении Р=0, 7 МПа) максимальные сдвигающие напряжения составляют 0, 26 МПа, а во втором случае – 0, 33 МПа, разница составляет практически 30 %. При этом необходимо отметить, что зона максимальных касательных напряжений смещается ближе к центру отпечатка. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод, что для шин высокого давления характерна узкая глубокая колея в основном только в верхнем слое покрытий, а для шин низкого давления – широкая меньшей глубины, но которая распространяется на большую глубину.

Ширина беговой дорожки (В) (Рис. 1.2.3) мало зависит от грузоподъемности автомобиля и скорости движения. Она определяется, в основном, конструкцией шины.

Для большинства шин грузовых автомобилей В=20-30 (см).

Рис. 1.2.3- Вид шины спереди с выделением беговой дорожки

Длина беговой дорожки L (рис. 1.2.4) зависит как от конструкции ширины, так и нагрузки Qн. Связано это с тем, что в продольном направления происходит вертикальная деформация (смятие шины).

Рис. 1.2.4 - Вид шины сбоку с выделением длины беговой дорожки

Вертикальная деформация определяется как:

f= , (1.2.1.)

где а, в – константы шин, которые принимаются по справочнику в зависимости от их конструкции.

Q_н - нормативная нагрузка на колесо.

Q_н= , (1.2.2)

где Q_н - нагрузка на ось;

n-число колес на оси;

К_д-коэффициент динамичности, равный 1, 1-1, 3, зависит от типа и конструкции подвески;

Р_w – давление воздуха в шине.

Если известно значение f и B, то можно определить L:

L= , (1.2.3)

где D_ш - наружный диаметр шины;

f - прогиб.

Используя значения B и L, можно определить такую важную характеристику, как площадь отпечатка следа колеса на покрытии:

F= , (1.2.4)

Конфигурация отпечатка бывает различной от круга, до прямоугольника (Рис. 1.2.5):

Рис. 1.2.5- Виды отпечатка следа колеса на покрытии

В зависимости от формы отпечатка вычисляют F. Зная форму и площадь отпечатка, можно определить такой важный показатель, как удельное давление колеса на покрытие (сила на ед. площади).

Удельное давление Р равно:

Р= , (1.2.5)

В целом, эпюра давления на покрытии имеет сложный характер (Рис. 1.2.6:

Рис. 1.2.6- Эпюры распределения давления шины на покрытии

1-статическое неподвижное положение

2- подвижное положение.

Вычисленные по формуле (2.1.5) давления являются средними. Учитывая сложный характер отпечатка колеса и характер распределения нагрузки для упрощения построения расчетных схем и выполнения практических расчетов сложный отпечаток (прямоугольник, эллипс) заменяют равновеликим по размерам кругом.

Характеризуется данный круг эквивалентных диаметром (Рис. 1.2.7)_,

Рис. 1.2.7- Схема к определению эквивалентного диаметра

D_э – эквивалентный диаметр круга, равновеликого отпечатку следа колеса.

D_э = , (1.2.6)

Данная методика определения F, D_э, P принята в странах Евросоюза. В России и некоторых странах СНГ принята упрощенная методика, в соответствии с которой D_э вычисляется по формуле:

D_{э= ,} (1.2.7)

В этом случае F отпечатка получают сразу как круг.

F= , P= . (1.2.8)

Таким образом, параметрами, характеризующими влияние транспортного средства на работу дорожного покрытия и дорожной одежды, являются:

1)нагрузки на ось и колеса расчетного автомобиля Q_o и Q_н;

2) эквивалентный диаметр и площадь круга D_э и F, равновеликого отпечатку следа колеса.;

3) удельное давление колеса на покрытие Р.

На участках разгона и торможения, а также уклонах более 30 ‰, кроме вертикальной нагрузки Q_н может учитываться горизонтальная сила Т_г (Рис. 1.2.8).

Т_г=(0, 5-1, 0)*Qн, (1.2.9)

Рис. 1.2.8- Схема приложения горизонтальной силы

Учет (Т_г) способствует росту D_э и Р.