ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 199
Скачиваний: 7
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Конструирование и расчет дорожных одежд
18
При проезде по дороге транспортных средств в переувлажнен- ном подстилающем грунте возникают гидродинамические напоры, вода отжимается в слои основания дорожной одежды (не имея воз- можности уходить вниз и в стороны). Частицы грунта, каменных ма- териалов расклиниваются, и их сопротивление сдвигу резко падает.
В результате скорость повреждения дорожной одежды возрастает в тысячи раз (по сравнению со скоростью разрушения при отсутствии в ее слоях свободной воды) [19].
Для устранения этой проблемы необходимо обеспечить быстрое дренирование дополнительных слоев дорожной одежды из дискрет- ных материалов (менее нескольких дней). Но в природных условиях
Западной Сибири (глубокое промерзание грунтов, преобладание грун- тов с низким коэффициентом фильтрации) это практически невоз- можно, поэтому приходится ограничивать движение тяжелых транс- портных средств.
Ограничение движения заложено и в методике проектирования дорожных одежд [18]. На рис. 1.5 показана схема назначения расчет- ной величины эквивалентного модуля упругости грунтового основа- ния (Е
гр
). Видно, что она принимается выше, чем минимальное значе- ние (E
min
).
Рис. 1.5. Схема определения расчѐтного периода (t
p
) и модуля упруго- сти грунтового основания (Е
гр
)
18 / 44
1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог
19
Такой подход объясняется тем, что минимальное значение наблюдается весьма непродолжительное время. Если запроектировать дорожную одежду на E
min
, почти все время она будет работать с боль- шим запасом прочности, что при разработке методики расчета было признано экономически нецелесообразным. Это объясняет необходи- мость ограничения движения для дорожных одежд, рассчитанных на перспективную нагрузку.
Надо сказать, что вода – опаснейший враг дорожной одежды.
Это понимали еще в древние времена. Например, римляне, строившие дороги ещѐ до нашей эры, знали о разрушающем действии воды. Под плоскими плитами основания они часто использовали слой песка, располагая его поверх грунтового основания [19, 20, 81].
Обеспечение прочности и долговечности дорожной конструкции за счет увеличения толщины покрытия экономически нецелесообразно.
Конструктивные слои покрытия только распределяют нагрузку от транс- портных средств на большую площадь грунтового основания. Это пони- мал еще знаменитый Джон Макадам, который в 1820 г. заявил: «...если вода просачивается через дорожное покрытие и заполняет естественный грунт, дорога, независимо от толщины покрытия, теряет несущую спо- собность и разламывается на куски». К сожалению, современные проек- тировщики дорог основное внимание уделяют плотности и прочности и очень мало заботятся об осушении дорожной одежды. В результате подавляющее большинство одежд с покрытиями капитального типа, по- строенных в последние 30–40 лет, представляют собой слабо дренирую- щие системы. И здесь без ограничения движения весной не обойтись.
Следует иметь в виду, что это делают не только на дорогах России.
В Швеции, например, в весенний период вводят ограничение движения транспортных средств грузоподъемностью более 4 т на срок от 1,5 до
2 месяцев (в зависимости от климатической зоны).
Из-за многообразия факторов, влияющих на механизм разруше- ния дорожных покрытий, процесс деформации является очень слож- ным. Чаще всего наибольший ущерб наносит вода, находящаяся в по- рах материалов, трещинах, промежутках между слоями. Некоторые из наиболее опасных воздействий транспорта и воды проявляются ис- ключительно внутри конструктивных слоев и не зависят от прочности и поведения грунтового основания.
19 / 44
1 2 3 4 5
Конструирование и расчет дорожных одежд
20
В случае заполнения водой всех пор материалов слоев дорожной одежды и пустот между ними транспортные нагрузки оказывают на воду динамическое воздействие типа гидравлического удара. Пульси- рующее давление воды вызывает эрозию, выбрызгивание материала из-под покрытия, может привести к расслаиванию.
Свободная вода, находясь в деформированных асфальтобетон- ных покрытиях, способствует образованию трещин, окислению биту- ма, увеличению жесткости покрытия, что может привести к растрес- киванию и общему разрушению слоя. Вода является средой, в которой частицы глинистого грунта земляного полотна выталкиваются в обра- зующиеся трещины в монолитных слоях дорожной одежды, препят- ствуя тем самым их смыканию и самозалечиванию.
Наиболее опасна вода в порах и трещинах материала покрытия весной, когда в ночное время происходит еѐ замерзание. При этом давление, возникающее в скелетных материалах (главным образом в результате льдообразования), приводит к растрескиванию покрытия из-за чрезмерных напряжений. В весенний период происходит много- кратное замерзание и оттаивание, что ускоряет процесс разрушения материала покрытия. Поскольку нагрузки от транспортных средств при этом крайне опасны, ограничение движения разумно с точки зре- ния условий, возникающих внутри материалов конструктивных слоев дорожной одежды и земляного полотна.
Нельзя не замечать и другую сторону проблемы: часто весеннее ограничение движения является способом компенсации ошибок служб ремонта и содержания дорог. В качестве примера обратим внимание на работу дренажа дорожной одежды (рис. 1.6).
В процессе содержания дороги грязь, наносы сталкиваются на откос и препятствуют водоотводу из дренирующего слоя, в результате в материалах дорожной одежды скапливается свободная вода (послед- ствия этого рассмотрены выше). Необходимы периодическая очистка и планировка обочин, откосов и восстановление дренажа.
Другим эффективным способом защиты дорожных покрытий в ве- сенний период является своевременный ремонт дефектов в виде трещин.
Вследствие малой распределяющей способности нагрузки в ас- фальтобетонных покрытиях приходится увеличивать их ширину, пре- вышая требуемую по условию движения автомобилей (чтобы не раз-
20 / 44
1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог
21 рушалась кромка слоя). Цементобетонные покрытия не требуют такой предосторожности, т. е. ширина слоя цементобетона может быть в пределах допускаемой. Высокая распределяющая способность це- ментобетона исключает необходимость ограничения движения в пе- риоды ослабления несущей способности земляного полотна.
Рис. 1.6. Схема дорожной конструкции в процессе эксплуатации:
1 – дренирующий слой; 2 – проектное очертание откоса; 3 – наносы, грязь
Работоспособность нежестких дорожных одежд резко снижает- ся и в результате уменьшения модуля упругости асфальтобетона при повышении его температуры (рис. 1.7). При 50 °С (достаточно типич- ная температура покрытия в летний период) величина модуля упруго- сти асфальтобетона составляет 12 % от значения модуля при 10 °С.
Для компенсации этого явления требуется увеличение толщины слоя, что, в свою очередь, приводит к соответствующему росту затрат.
В жаркий период года на асфальтобетонных покрытиях появляются сдвиговые деформации (колея, волны). Вероятность их образования значительно повышается при низких скоростях движения и наличии сверхтяжелых нагрузок. Цементобетон практически не меняет своих прочностных свойств при изменении температуры.
1.4. Характерные повреждения и дефекты
эксплуатируемых дорожных одежд
Соблюдение норм проектирования дорожных одежд, как прави- ло, способствует заблаговременному выявлению наиболее уязвимых
1
2
3
21 / 44
Конструирование и расчет дорожных одежд
22 мест образования дефектов в слоях дорожных одежд. К сожалению, единая классификация дефектов по количественным признакам пока недостаточно проработана. Приведенные ниже сведения – результаты анализа опыта эксплуатации покрытий аэродромов и автомобильных дорог общего пользования [21, 28].
Рис. 1.7. Изменение модуля упругости горячего плотного асфальтобе- тона (Е) в зависимости от температуры (t):
1 – на битуме марки БНД 60/90; 2 – БНД 90/130
Повреждения, встречающиеся на дорожных покрытиях, можно классифицировать по причинам, их вызывающим; характеру процес- сов разрушения; значимости последствий разрушения и трудоемкости восстановления транспортно-эксплуатационных свойств [22].
10 20 30 40
t, °С
E, МПа
1
2
22 / 44
1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог
23
Причины, вызывающие повреждения любых сооружений, мож- но свести к четырем видам: воздействие внешних природных и искус- ственных факторов; воздействие факторов, обусловленных техноло- гическими процессами при строительстве сооружения; проявление дефектов, допущенных при проектировании; недостатки и нарушения правил эксплуатации.
По характеру процессов, приводящих к разрушению конструк- ций, оно может быть:
– механическим, вызванным приложением сил (сверхрасчетной нагрузки и т. д.);
– физико-механическим, вызванным воздействием поперемен- ного замораживания-оттаивания, химических противогололедных ма- териалов и т. д.
По степени разрушения или значимости их последствий выде- ляют три категории повреждений:
1) аварийного характера, требующие немедленного устранения;
2) несущих конструкций, не являющиеся аварийными, устране- ние которых допустимо при капитальном ремонте;
3) мелкие местные, устраняемые при текущем ремонте.
По аналогии со стандартизованной классификацией дефектов по- вреждения можно разделить на критические, значительные и незначи- тельные (мелкие). Однако следует делать различие между понятиями
«дефект» и «повреждение». Дефект – это каждое отдельное несоответ- ствие конструкции установленным требованиям, а повреждение – ре- зультат проявления дефекта. Наличие дефекта не всегда приводит к по- тере или снижению работоспособности дорожной одежды.
Наиболее полная классификация основных видов разрушений
(повреждений) дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями отражена в работе А.П. Васильева [22], а с цементобетонными покры- тиями дана Н.В. Свиридовым [23].
Довольно типичный вид повреждения цементобетонных покры- тий – шелушение. Шелушением называют отслоение раствора с по- верхности покрытия на глубину до 5 мм. Оно может быть сплошным, очаговым и вдоль поперечных и продольных швов. Основная причи- на – низкая прочность бетона верхнего слоя плит.
23 / 44
Конструирование и расчет дорожных одежд
24
Сплошное шелушение поверхности плиты и отдельных ее участков вызывают также:
– применение излишне пластичной смеси, вследствие чего при уплотнении выделяется на поверхности избыток раствора, обогащен- ного цементом и водой;
– использование загрязненных заполнителей, в результате чего в верхней части плиты скапливаются загрязняющие примеси;
– способ ухода, не соответствующий температурным условиям твердения бетона;
– бетонирование покрытия в дождливую погоду;
– использование хлористых солей для борьбы с гололедом;
– замораживание бетона до набора прочности менее 50 % от проектной;
– несоответствие прочности и морозостойкости бетона верхнего слоя фактическим напряжениям от механической нагрузки и климати- ческих воздействий.
Очаговое шелушение – шелушение отдельных мест – свидетель- ствует о применении некоторых замесов бетонной смеси низкого каче- ства или об отсутствии должного ухода на локальных участках дороги.
Шелушение вдоль поперечных и продольных кромок цементо- бетонных плит, помимо указанных выше общих причин, может быть следствием скопления влаги у швов при наличии превышений в сты- ках смежных плит. Верхний слой насыщается водой, при ее замерза- нии участки вдоль кромок плит интенсивно разрушаются. Шелушение вдоль швов вызывается также повышенными динамическими нагруз- ками из-за уступов в стыках смежных плит.
Разрушение поверхности покрытия (на глубину 5–20 мм) воз- никает по тем же причинам, что и шелушение. Переход шелушения в стадию разрушения происходит из-за запаздывания с ремонтом. Раз- рушение покрытия на глубину более 20 мм с выкрашиванием крупно- го заполнителя, оголением арматуры называют послойным. При дви- жении транспортных средств по неровному покрытию возникают до- полнительные нагрузки. В сочетании с уменьшенным сечением плиты это приводит к еѐ преждевременному разрушению. Отмечено, что участки покрытий с разрушенной поверхностью подвержены интен- сивному обледенению в зимний период.
24 / 44