background image

VII. ANALIZA KONSTRUKCJI NAWIERZCHNI- NAPRĘŻENIA I UGIĘCIA W PÓŁPRZESTRZENI 

SPRĘŻYSTEJ, UKŁAD DWUWARSTWOWY, WIELOWARSTWOWY 

(wg  Boussinesq’a)  Ośrodek  gruntowy  można  uważać  za  półprzestrzeń,  która  jest  ograniczona  od  góry 
płaszczyzną poziomą (powierzchnią terenu) i rozprzestrzenia się nieskończenie głęboko i szeroko.  
Przyjmuje się, że ośrodek  gruntowy jest  sprężysty(liniowo  odkształcalny),  izotropowy (takie same właściwości 
fizyczne w każdym punkcie) i jednorodny. Takie założenie ułatwia wyznaczenie wartości naprężeń i odkształceń, 
a wartości błędu popełnionego przy obliczeniach zależą od tego, jak dalece rzeczywista zależność odkształceń 
od naprężeń gruntu w rozpatrywanych warunkach różni się od prawa Hoocke’a.  
W granicach stosowanych w praktyce obciążeń można przyjąć, że odkształcenia ośrodka gruntowego są liniowo 
zależne od naprężeń (ośrodek liniowo- odkształcalny). [Wiłun]  

Naprężenie  jest  to  graniczna  wartość  stosunku  siły  działającej  na  nieskończenie  mały  element  pola  przekroju 
ciała do wymiaru tego pola:  

 =lim⁡Δ /Δ  (A-> 0) 

1.  Naprężenia- notacja 

Układ wsp. radialny: 

σz- naprężenia pionowe 

σr- n. poziome radialne 

σϕ- n. poziome obwodowe 

Układ wsp. prostokątny: 

σx- n. poziome w kierunku ‘x’ 

σy- n. poziome w kierunku ‘y’ 

σz- n. pionowe 

2.  Interpetacja naprężeń pionowych nawierzchni 

 

background image

Z powyższego wynikają wnioski: 

-  informacja  o  maksymalnych  naprężeniach  gwarantuje  projektowanie  w  taki  sposób  by  naprężenia  nie 
powodowały uszkodzeń 

-  im  większa  głębokość  tym  naprężenia  są  mniejsze,  można  stosować  słabszy  grunt  (tym,  samym  słaby 
grunt może przenieść naprężenia o ile będzie wystarczająco daleko). 

Naprężenia można obliczyć: 

, gdzie 

Nz wyznaczamy z nomogramu. Jest to wielkość zależna od stosunku r/a oraz z/a. 

3.  Interpretacja naprężeń radialnych i obwodowych 

 

4.  Naprężenia styczne w nawierzchni 

Wyraża się wzorem: 

background image

 

 

Interpretacja graficzna naprężeń stycznych w półprzestrzeni: 

background image

 

5.  Modele  obliczeniowe  w  półprzestrzeni  sprężystej  (ugięcia  poniżej  dotyczą  ‘płyty’  naciskowej,  jaka 

obciąża półprzestrzeń) UGIĘCIA 

 Ugięcia pionowe nawierzchni występują wskutek:  
- ściśliwości nawierzchni, podsypki i podłoża;  
-przemieszczeń, występujących w materiale poszczególnych warstw.  
W warunkach małej wilgotności podłoża nawierzchnia pracuje dobrze. Ugięcia nawierzchni można uważać 
za sprężyste, a rozkład naprężeń i odkształceń można obliczać metodami teorii sprężystości.  
W warunkach dużej wilgotności podłoża (na wiosnę), gdy podsypka nie nadąża odsączać nadmiaru wody z 
podłoża,  tłuczniowa  warstwa  nośna  staje  się  również  zawilgocona.  Nawierzchnia  ma  zmniejszoną 
sztywność i wytrzymałość na zginanie. Wskutek tego ma miejsce koncentracja naprężeń bezpośrednio pod 
kołem.  Zwiększają  się  naprężenia  w  podłożu  gruntowym,  które  ulega  większym  ugięciom.  W  pierwszym 
okresie zwiększają się ugięcia nawierzchni w dół, czemu towarzyszy powstawanie naprężeń rozciągających 
w  dolnej  części  nawierzchni.  W  miarę  zwiększenia  się  wypierania  podłoża  i  podnoszenia  się  nawierzchni 
obok koła powstają naprężenia rozciągające również i w jej górnej części. 

5.1. Płyta podatna (obciążenie kołem ogumionym) 

Założenie: Naprężenie kontaktowe jest stałe na całej powierzchni. 

   

   

 

      

 

 , gdzie q- ciśnienie w ogumieniu 

v- wsp. Poissona 

E- moduł sprężystości 

a-  promień powierzchni zastępczej koła  
5.2. Płyta sztywna (płyta stalowa o dużej grubości (nieodkształcalna)) 

background image

Założenie: Naprężenie kontaktowe od obciążenia ma kształt paraboliczny 

 

   

 

 

 

  

 

      

 

    

 

 W uproszczeniu można przyjąć, że naprężenia od obciążenia kołem pojazdu rozkładają się pod kątem 35-
45 stopni, w zależności od sztywności danych warste. Im sztywniejsze warstwy, tym naprężenia rozkładają 
się na większym obszarze. 

6.  Układ dwuwarstwowy 

Rozwiązania  dla  ośrodków  dwuwarstwowych,  w  odróżnieniu  od  powszechnie  stosowanego  w  wielu 
modelach projektowania i diagnozowania nawierzchni – ośrodka jako półprzestrzeni sprężystej, daje lepszą 
możliwość  oceny  rzeczywistych  ugięć  nawierzchni  ze  względu  na  wyraźnie  występującą  warstwowość 
konstrukcji (warstwy nawierzchni – podłoże gruntowe). 

Burmister  opracował  zagadnienie  rozkładu  naprężeń  dla  ośrodka  dwuwarstwowego  przy  następujących 
założeniach i warunkach brzegowych i całości:  
- Materiał w każdej warstwie jest JEDNORODNY, SPRĘŻYSTY I IZOTROPOWY;  
- Górna warstwa ma ograniczoną grubość – h, ale nieograniczoną rozciągłość poziomą;  
- Dolna warstwa jest nieograniczona w poziomie i pionie;  
-  Warstwa  górna  spoczywa  na  warstwie  dolnej  i  warstwy  znajdują  się  w  ciągłym  między  sobą  kontakcie 
(pełna szczepność);  
- Wartość współczynnika Poissona przyjęto: v1=v2=0,5,  
- W górnej warstwie poza obszarem obciążonym nie występują dodatkowe naprężenia  
styczne i normalne.  
Naprężenia  i  odkształcenia  wyznacza  Burmister  w  zależności  od  stosunku  modułów  sprężystości  E1  i  E2 
górnej i dolnej warstwy.  
Naprężenia pionowe normalne w punkach leżących na osi pionowej obszaru obciążonego można obliczyć: 
  =     
Gdzie:  

 − [%] wyznaczany z nomogramu (zależny od  1 2 ,    ) [nomogram wyklad4/slajd17]  

q- obc na powierzchni warstwy pierwszej, działające na obszarze kołowym o promieniu a. 
 

W przypadku układu dwuwarstwowego ugięcia oblicza się ze wzoru: 

, przy czym wartość modułu E2 wyznacza się 

z pomocą nomogramu: 

background image

 

W porównaniu z układem jednowarstwowym w przypadku układu dwuwarstwowego ugięcia są mniejsze. 

7.  Model trójwarstwowy i wielowarstwowy 

Najczęściej stosowany jest model teoretyczny nawierzchni, który rozwiązuje się metodami: 
- analitycznymi 
- elementów skończonych. 
Konieczne  założenia:  materiały  warstw  są  jednorodne,  sprężyste  i  izotropowe.  Obciążenie  natomiast  jest 
przyłożone równomiernie na śladzie zastępczym kołowym, eliptycznym lub innym. 
Przykładowe programy komputerowe do analizy naprężeń w układach wielowarstwowych: 

 

8.  Szczepność międzywarstwowa 

background image

Niewystarczające powiązanie międzywarstwowe (sczepność) powoduje zwiększone ugięcia nawierzchni, te 
zaś generują zwiększone odkształcenia  i naprężenia  rozciągające na  spodzie poszczególnych warstw. Przy 
nałożeniu  się  niekorzystnych  warunków  obciążenia  i  stanu  konstrukcji  mogą  wystąpić  przedwczesne 
deformacje  (np.  koleiny),  wybrzuszenia,  boczne  przesunięcia  lub  też  strukturalne  uszkodzenia  w  postaci 
spękań, wyłomów lub odprysków. 

 

Przykład:  
Oblicz ugięcie nawierzchni pod kołem pojedynczym o ciężarze 50kN, ciś. Kontaktowym 850kPa ,gdy: 
Moduł odkształcenia gruntu: 40MPa 
Ułożono dwie warstwy licząc od góry: 200mm o E=250MPa i 200mm o E=150MPa