СООРУЖЕНИЯ ДОРОЖНОГО ВОДООТВОДА 6 страница

13.4. Принципы конструирования дорожных одежд
и выбора материалов для них

Дорожная одежда является самой дорогостоящей частью автомобильной дороги. Затраты на ее устройство иногда достигают 60% общей стоимости строительства. Подвергаясь непосредственному воздействию транспортных нагрузок и природных факторов, дорожные одежды работают в более тяжелых условиях, чем другие сооружения на дороге. Поэтому к назначению конструкции дорожных одежд следует подходить особенно внимательно, сочетая стремление к обеспечению прочности с всемерным снижением стоимости строительства и уменьшением количества применяемых материалов. В связи с тем, что грунтово-гидрологические условия меняются по протяженности дороги и не удается полностью устранить влияние их изменения при нанесении проектной линии и проектировании земляного полотна, варианты дорожных одежд должны разрабатываться применительно к участкам с аналогичными условиями грунтов, увлажнения, интенсивности движения и обеспеченности строительными материалами. При этом наиболее рациональный метод конструирования дорожных одежд – обеспечение равнопрочного по всей протяженности дороги земляного полотна, что дает возможность применять на всей протяженности дороги постоянную конструкцию каменной части одежды.

Проектирование дорожных одежд состоит из двух последовательно выполняемых этапов: конструирования и расчета, которые взаимосвязаны и не должны противопоставляться друг другу. Подмена одного из них другим не может гарантировать получения устойчивой, экономичной и удобной в эксплуатации дорожной одежды.

В зависимости от работы при воздействии нагрузок все дорожные одежды условно делят на две группы: жесткие и нежесткие.

Нежесткими называют одежды, обладающие малым сопротивлением изгибу. К ним относятся практически все типы одежд, кроме цементобетонных, а также асфальтобетонных покрытий и мостовых на цементобетонных основаниях. Сопротивление большинства конструктивных слоев нежестких одежд растягивающим напряжениям очень мало, а у некоторых вообще отсутствует. Модули упругости материалов этих слоев зависят от температуры и влажности. Роль этих слоев сводится к распределению давления колес на большую площадь подстилающего грунта и к снижению передающихся на подстилающие грунты удельных нагрузок.

Жесткие одежды имеют один или несколько слоев, обладающих сравнительно большим сопротивлением изгибу и модулями упругости, практически не меняющимися при изменениях температуры и влажности. Жесткие одежды работают по принципу плит на упругом основании, распределяя давление от внешней нагрузки на площадь грунта, значительно большую, чем нежесткие.

При конструировании дорожной одежды необходимо руководствоваться следующими принципами:

а) тип покрытия, конструкция одежды в целом должны удовлетворять транспортно- эксплуатационным требованиям, предъявляемым к дороге соответствующей категории, и ожидаемым в перспективе составу и интенсивности движения;

б) конструкция одежды должна учитывать местные природные и грунтово-гидрологические условия, обеспечивать эффективное осушение и морозоустойчивость;

в) при выборе материалов для устройства конструктивных слоев следует стремиться к широкому применению местных материалов и отходов промышленного производства с предварительной их переработкой или укреплением;

г) материалоемкость и энергоемкость конструкции дорожной одежды должна быть минимальна, при этом следует обеспечивать технологичность, максимальную механизацию и индустриализацию дорожно-строительного производства;

д) при назначении конструкции дорожной одежды следует учитывать региональный опыт строительства и эксплуатации дорог в конкретном районе Республики Беларусь, однако при этом необходимо стремиться к широкому применению новых конструктивных и технологических решений, материалов, прошедших опытную проверку.

Конструирование дорожной одежды заключается в назначении типа покрытия, в выборе для нее наиболее подходящих материалов, исходя из наличия местных ресурсов и соображений организации работ, в целесообразном назначении размеров отдельных слоев и размещении их по глубине. Так как невозможно сразу наметить оптимальную для данных условий конструкцию, обычно разрабатывают несколько вариантов дорожной одежды, из которых на основе технико-экономического анализа выбирают наилучший.

Конструирование дорожной одежды – наиболее творческая часть проектирования. Оно должно основываться на четких представлениях о напряженном состоянии и механизме деформации конструктивных слоев и дорожных одежд в целом, на учете работы различных типов одежды в разных климатических условиях и особенностей воздействия на них движения по дороге и природных факторов.

Наметив конструкцию одежды, исходя из наличия материалов и учитывая возможности строящих организаций, вначале назначают толщину тех ее слоев, размеры которых определяются не столько прочностью одежды, сколько другими факторами (обеспечение отвода воды, предотвращение пучинообразования, сопротивление износу и т.д.), или же принимаются в связи с их высокой стоимостью минимально необходимой толщины с тем, чтобы общая прочность одежды обеспечивалась за счет слоев из более дешевых местных материалов.

В конструкции одежды на дорогах низших категорий необходимо предусматривать возможность постепенного (стадийного) ее усиления укладкой сверху слоев более прочных материалов по мере возрастания интенсивности или изменения состава движения. Верхние слои земляного полотна рассматривают как составной конструктивный элемент одежды, к прочности и однородности сопротивления нагрузкам которого предъявляются достаточно высокие требования. При этом должны предусматриваться мероприятия по обеспечению стабильности водного режима этих слоев и предохранения их от переувлажнения.

Расчет дорожной одежды заключается в обосновании необходимой толщины и устойчивости как всей дорожной одежды в целом, так и отдельных ее слоев. Он сводится к обеспечению равнопрочности всех сравниваемых вариантов одежды и соответствия их заданным условиям движения.

Одним из основных требований при назначении вариантов дорожных одежд является учет в каждом конкретном случае интенсивности движения и местных грунтовых, гидрологических и климатических условий, влияющих на службу дорожных одежд. Так, например, щебеночные и гравийные покрытия, не обработанные органическими вяжущими материалами, лучше работают во влажном, умеренном климате и относительно быстро разрушаются в условиях сухого климата на юге. Во влажном климате, где широко распространены процессы пучинообразования, необходимо вводить в конструкцию дорожной одежды специальные противопучинные (морозозащитные) слои, которые совершенно излишни в южных районах страны. Определение толщины противопучинного слоя является обязательным элементом расчета дорожных одежд в районах страны с большими глубинами промерзания. Климатические условия влияют на выбор типов дорожной одежды также в связи с ограничением продолжительности строительного сезона для производства работ с использованием органических вяжущих материалов. В засушливых районах применение цементобетонных покрытий осложняется трудностями снабжения строительства водой и организации ухода за бетоном.

Одно из основных требований при выборе конструкции дорожной одежды – максимальное использование местных материалов. При отсутствии местных каменных материалов следует устраивать основание из грунтов, укрепленных вяжущими. В последние годы в строительстве находят широкое применение золы уноса ТЭЦ, металлургические шлаки, обладающие цементирующими свойствами, каменные породы из отвалов рудников и каменноугольных шахт и многие другие побочные продукты промышленности. В связи со значительной неоднородностью этих материалов в отвалах необходима тщательная их сортировка перед укладкой в дорожную одежду. Многие местные слабые каменные материалы требуют предварительной обработки малыми дозами цемента или органических вяжущих для повышения морозоустойчивости. Вообще чем слабее и неоднороднее местные материалы, тем большего внимания требуют конструирование и устройство дорожных одежд.

На дорогах более низких категорий следует широко использовать местные материалы, отходы и побочные продукты промышленности, к которым следует отнести шлаки, имеющие распространение по всей республике, доломитовые материалы месторождения «Руба» (Витебская область), золы уноса, цементную пыль, фосфогипс, молотые шлаки, обладающие вяжущими свойствами.

При конструировании дорожных одежд необходимо учитывать технологические особенности их строительства, отдавая предпочтение вариантам конструкции, осуществление которых требует наименьших материальных ресурсов и затрат энергии и не связано с необходимостью применения ручного труда. Преимуществом обладают конструкции, наиболее простые при строительстве, допускающие индустриализацию заготовительных работ на базах и полную механизацию строительных работ.

Большое значение имеет возможность пропуска автомобилей в процессе строительства по уплотненным слоям дорожной одежды. Количество конструктивных слоев дорожной одежды не следует увеличивать без явной необходимости, так как это, как правило, бывает связано с осложнением технологического процесса, приводящим к возрастанию стоимости строительства.

При конструировании дорожных одежд, которые предполагается впоследствии по мере возрастания интенсивности движения подвергать усилению, необходимую прочность обеспечивают за счет слоев, которые в дальнейшем будут играть роль основания покрытия. Вначале на этих слоях устраивают тонкослойные покрытия или просто слои износа, возобновляемые по мере надобности.

Дорожная одежда должна быть предохранена от поступления и накопления в ней влаги. Водопроницаемость отдельных конструктивных слоев должна возрастать к низу, а из нижнего пористого слоя, если земляное полотно отсыпано из водонепроницаемых грунтов, необходимо обеспечить отвод воды. Поступление влаги из земляного полотна должно быть предотвращено возвышением низа дорожной одежды над возможными источниками увлажнения или укладкой прослоек из водонепроницаемого синтетического материала – геотекстиля. Для уменьшения притока поверхностных вод в основание дорожной одежды предусматривают устройство краевых полос, прикромочных дрен и укрепление обочин.

Конструирование дорожной одежды при проведении работ по усилению следует производить, максимально учитывая опыт службы существующей дорожной одежды за время эксплуатации дороги. При этом необходимо располагать данными о деформациях конструктивных слоев и причинах их возникновения, прочности дорожной одежды, эффективности работы морозозащитных и дренирующих слоев.

Принимаемые меры по улучшению состояния верхнего слоя покрытия или усилению дорожной одежды должны обеспечивать максимальную экономию асфальтобетона за счет применения современных технологий регенерации и переработки старого асфальтобетона.

При усилении существующей дорожной одежды следует предусмотреть мероприятия по предотвращению копирования имеющихся поперечных трещин температурного характера на поверхности нового покрытия, которые позволяют снизить материалоемкость конструкции и повысить срок ее службы. В качестве таких мероприятий необходимо применять укладку под трещинами геосетки и стеклоткани с выполнением подгрунтовки битумо-резиновым и полимерным вяжущим.

Для снижения воздействия радиационного загрязнения следует предусматривать устройство капитальных и облегченных типов покрытий на всех категориях дорог в районах, пострадавших в результате аварии на Чернобыльской АЭС.

Прикромочная зона дорожной одежды находится под более агрессивным воздействием транспортной нагрузки и природно-климатических условий по сравнению с центральной зоной проезжей части и более интенсивно подвергается деформациям и разрушениям. Поэтому возникает необходимость в усилении прикромочной зоны дорожной одежды устройством слоев переменной толщины по ширине проезжей части.

На автомобильных дорогах высоких категорий (I-III), где количество полос движения в одном направлении более двух, при проектировании дорожной одежды следует учитывать реальное распределение интенсивности по ним. С этой целью необходимо стремиться к рациональному распределению материалов, используемых для устройства дорожной одежды, по ширине проезжей части, что позволит получить значительную экономию наиболее дорогостоящих и дефицитных материалов с применением органических вяжущих.

Поперечные профили земляного полотна и конструкции дорожной одежды с переменной толщиной слоев по ширине проезжей части приведены на рис. 13.4.

Рис. 13.4. Поперечные профили земляного полотна и конструкции дорожной одежды с переменной толщиной слоев по ширине проезжей части

В процессе конструирования дорожной одежды, исходя из категории дороги, климатических и грунтово-гидрологических условий назначают тип покрытия, выбирают материалы для слоев дорожной одежды. Размещение слоев из различных материалов следует осуществлять таким образом, чтобы наилучшим образом проявилась их распределяющая и деформативная способность, прочностные и теплофизические свойства. При конструировании предварительно устанавливают количество слоев и их ориентировочную толщину; назначают мероприятия, обеспечивающие морозоустойчивость одежды, необходимые теплоизолирующие свойства, трещиностойкость и сдвигоустойчивость; предусматривают регулирование водно-теплового режима.

Для верхнего слоя следует применить материалы, обладающие достаточной прочностью при всех возможных в заданном районе значениях влажности и температуры.

Для нижнего слоя используют местный материал с необходимой его переработкой (сортировка, дробление), который может быть укреплен, особенно на дорогах высоких категорий, малыми дозами вяжущего. Целесообразно широкое применение укрепленных вяжущим грунтов. Выбор материала для дорожной одежды и ее конструкция должны быть обоснованы экономически.

При укладке крупнозернистых материалов, например щебня, на пылеватый, суглинистый и глинистый грунты необходимо предусматривать изолирующие прослойки, предотвращающие взаимопроникновение пористого материала и увлажненного грунта. Толщина таких прослоек из песка или другого материала должна быть не менее 0,05 м.

Материалы в конструкции дорожной одежды располагают по убывающей прочности в соответствии с затуханием по глубине напряжений от временной нагрузки. Следует учитывать жесткость и коэффициент температурного расширения смежных слоев одежды, так как при большом их различии в одежде возникают трещины.

Наиболее целесообразно, чтобы отношение модулей упругости смежных слоев из слабосвязных материалов не превышало 5-6. Ни в одном из слоев не должно возникать пластических смещений при действии расчетных нагрузок. Поскольку сдвигающие напряжения в одежде убывают с глубиной, по мере удаления от поверхности можно укладывать материалы, обладающие все меньшей прочностью и связностью.

Верхние слои основания, в которых возникают значительные напряжения сжатия и сдвига от тяжелых автомобилей, устраивают из материалов, обладающих достаточной прочностью при всех колебаниях температуры и влажности (подобранные по крупности щебеночные или щебеночно-гравийные смеси, обработанные вязким битумом или дегтем; щебень или гравий, укрепленный цементом). В нижних слоях оснований следует в максимальной степени использовать местные каменные материалы, которые в случаях необходимости сортируют, дробят и укрепляют малыми дозами вяжущих, а также укрепленные грунты.

Привозимые издалека каменные материалы укладывают слоями минимальной толщины, обеспечивающей возможность формирования из них монолитного конструктивного слоя, надежного в условиях эксплуатации. Отдельные слои дорожной одежды не должны быть тоньше минимальных значений, при которых еще обеспечивается их конструктивная прочность и однородность. Так, например, для асфальтобетона минимальная толщина покрытия составляет от 3 см для песчаных и холодных смесей до 6-7 см для крупнозернистых. Для щебеночных и гравийных материалов, обработанных вяжущими, она равна 8 см, для тех же материалов, но не обработанных, – 8 см при укладке на прочном (каменном или из укрепленных грунтов) основании и 15 см на песчаном основании.

При одинаковых интенсивностях движения могут быть применены разные типы дорожных одежд. Из нескольких возможных вариантов дорожных одежд при разработке проекта выбирают наиболее целесообразный. При этом учитывают требования автомобильного движения, природные условия, наличие местных строительных материалов, удобство организации строительных работ, последующие эксплуатационные затраты и др. Варианты сравнивают для равнопрочных конструкций, размеры которых предварительно должны быть обоснованы расчетом.

В соответствии с принятой в настоящее время методикой сравнения вариантов наиболее выгодным типом дорожной одежды является тот, который обеспечивает в течение заданного срока окупаемости строительных затрат наименьшую, отнесенную к 1 т×км перевозок, сумму транспортных расходов и расходов на строительство и эксплуатацию дороги – автомобильную и дорожную составляющие себестоимости перевозок.

Автомобильная составляющая себестоимости перевозок складывается из расходов на топливо, смазочные материалы и шины, из заработной платы водителей, из расходов на ремонт и обслуживание автомобилей, а также из стоимости амортизации автомобиля. Значительная часть этих расходов зависит от типа и состояния покрытия.

Дорожная составляющая себестоимости транспортных расходов складывается из отнесенных к 1 т×км расходов организаций на строительство, текущий и капитальный ремонты и содержание дорог. Обычно дорожная составляющая перевозок не превышает 10-15% полной себестоимости перевозок.

13.5. Расчетные характеристики грунтов и материалов
конструктивных слоев дорожных одежд

Надежные результаты расчетов толщины дорожных одежд могут быть получены только при использовании достоверных значений параметров, характеризующих материалы конструктивных слоев одежды и подстилающего грунта. При проектировании новых дорог обычно пользуются приводимыми в нормативных документах таблицами расчетных значений модулей упругости грунтов и материалов конструктивных слоев дорожной одежды. При разработке проектов реконструкции дорог, когда возникает вопрос об усилении изношенной существующей дорожной одежды, ее модули упругости определяют экспериментально, измеряя прогиб под колесом тяжелого грузового автомобиля и вычисляя по нему модули так называемым методом обратного перерасчета, используя формулы для расчета дорожных одежд по измеренным прогибам. Этот метод является также основным при накоплении данных для нормирования расчетных параметров грунтов.

В связи с тем, что для грунтов нет прямой пропорциональности между давлением и деформацией, модуль упругости изменяется при различных значениях погружения штампа. Малым деформациям соответствуют несколько большие значения модулей.

Для каждого типа дорожной одежды существует свое критическое значение прогиба. Для жестких одежд оно в 3-4 раза меньше, чем для нежестких. Поэтому условиям работы каждого типа одежд соответствует свое индивидуальное значение модуля упругости подстилающего грунта. Наиболее значительно модуль упругости грунта изменяется при очень малых деформациях, характерных для прогиба монолитных цементобетонных одежд. В интервале больших деформаций, соответствующих разрушающим прогибам для дорожных одежд, обладающих малым сопротивлением изгибу (нежесткие одежды), изменения модуля упругости сравнительно невелики. При расчетах в запас надежности для всех типов дорожных одежд как жестких, так и нежестких принимают одинаковые значения модулей упругости.

Водно-тепловой режим земляного полотна изменяется в течение года. Соответственно изменяются в течение года и модули упругости и деформации грунта основания (рис. 13.5). Чем меньше вероятность переувлажнения грунта в основании дорожной одежды, тем выше принимают их расчетные значения.

Рис. 13.5. Изменение модуля упругости грунта в течение года: 1 – талый грунт; 2 – мерзлый грунт; 3 – переувлажненный грунт во время весеннего оттаивания; E_отн – относительные значения модуля упругости; h – глубина

Особенно сильно значения модуля упругости снижаются во время весеннего переувлажнения. К этому периоду относятся расчетные значения модуля упругости, приводимые в инструкциях по расчету нежестких одежд. В сухое время года, а также зимой, когда грунт находится в замерзшем состоянии, модуль грунта много выше табличных значений, что следует учитывать при оценке возможности пропуска по дороге тяжелых нагрузок в соответствующие сезоны года.

В результате изучения водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог в разных районах страны были установлены характерные влажности верхних слоев земляного полотна под дорожной одеждой для разных характерных типов местности по условиям увлажнения. В табл. 13.2 приведены влажности характерных для Беларуси грунтов.

Таблица 13.2. Значения влажности грунтов

Примечание. W_Т – влажность границы текучести.

Введение в конструкцию дорожной одежды гидроизолирующих прослоек, морозозащитных слоев, устройство прикромочных дрен, укрепление обочин и повышение отметок земляного полотна над источниками увлажнения улучшает водный режим подстилающего грунта. В этих случаях при расчете дорожных одежд приведенные выше средние влажности грунта уменьшают на 0,03-0,05.

В табл. 13.3 приведены расчетные значения параметров наиболее устойчивого грунта (супеси) и наиболее неблагоприятных пучинистых грунтов земляного полотна.

Таблица 13.3. Расчетные значения параметров грунтов

Примечание. Значения модулей упругости и угла внутреннего трения крупнозернистых грунтов не зависят от влажности и составляют для крупного песка 130 МПа и 40⁰, для песка средней крупности – 120 МПа и 40°, для мелкого песка – 75 МПа и 33⁰, для мелкого пылеватого песка – 75 МПа и 33°. Легкая супесь имеет модуль упругости 65 МПа и угол внутреннего трения 40⁰. Сцепление перечисленных грунтов равно 0,005 МПа

Модули упругости материалов конструктивных слоев дорожных одежд зависят от прочности составляющих их каменных материалов, количества вводимого вяжущего и способа строительства.

Для материалов с органическим вяжущим модуль упругости и сцепление зависят от температуры, до которой они могут нагреваться в жаркие дни, и, кроме того, как для всех анизотропных материалов, от вида испытываемой деформации и продолжительности ее действия. Считается, что дорожные одежды на проезжей части подвергаются нагрузкам продолжительностью 0,1 с, а на стоянках – более 10 мин. Поэтому для асфальтобетона при расчете на общий прогиб покрытия и на растяжение используют разные значения модулей упругости. Некоторые средние значения расчетных характеристик материалов конструктивных слоев приведены в табл. 13.4.

Правильно сконструированная и рассчитанная дорожная одежда должна обеспечивать пропуск расчетных нагрузок и интенсивности в течение расчетного срока между капитальными ремонтами. Однако в процессе строительства земляного полотна и дорожных одежд неизбежны незначительные отклонения от нормативных требований к степени уплотнения грунта и прочности асфальтобетона, а также от средних погодно-климатических условий района строительства. При неблагоприятных сочетаниях этих факторов в отдельные периоды прочность дорожных одежд может оказаться меньшей, чем требуется по условиям движения и нагрузки.

Таблица 13.4. Средние значения расчетных характеристик материалов конструктивных слоев

Примечания. 1. Модуль упругости для плотного асфальтобетона указан: а – при расчете на общий прогиб одежды и на сдвиг при разных температурах покрытий, при кратковременных нагрузках; б – при длительной статической действии нагрузки (на стоянке); в – при расчетах на изгиб. 2. Угол внутреннего трения для грунтов, укрепленных жидким битумом, составляет: для непылеватых супесей 25-35°; для пылеватых супесей и суглинков 15-25°.

Поэтому при расчетах для обеспечения запаса надежности в значения расчетной влажности грунтов и модулей упругости асфальтобетона (параметры, наиболее подверженные влиянию погодных факторов), вводятся коэффициенты, обеспечивающие уровень проектной надежности, которым называют отношение прочности дорожной одежды в период возможного ее наибольшего ослабления к расчетной прочности.

Расчетные значения модуля упругости грунта можно определить по результатам натурных и лабораторных испытаний при их расчетном состоянии. При отсутствии возможностей выполнения испытаний модуль упругости при кратковременном нагружении может быть установлен в зависимости от района трассирования дороги и вида грунтов по табл. 13.5.

Таблица 13.5. Модули упругости грунтов при кратковременном нагружении, МПа

Значения модуля упругости в табл. 13.5 даны для дорог с земляным полотном, проходящим в насыпи и удовлетворяющим требованиям СНиП 2.05.02-85 в отношении плотности грунта и возвышения верха покрытия над уровнем грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод. В нулевых местах и выемках необходимо значения модуля упругости, принятые в соответствии с табл. 13.5 уменьшить на 10%.

При возвышении земляного полотна над грунтовыми и поверхностными водами или над поверхностью земли, превышающем значения, требуемые СНиП 2.05.02-85 более чем в 1,5 раза, значения модуля упругости увеличивают на 10%.