Современные научные исследования в дорожном и строительном производс

МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

А.В. Кочетков, Н.В. Кокодеева

Саратовский государственный технический университет, Россия

П.Б. Рапопорт, Н.В. Рапопорт

ООО Центр дорожных технологий «Дорэксперт», г. Новосибирск, Россия

И.Г. Шашков

Военный авиационный инженерный университет, г. Воронеж, Россия

Допустимый модуль упругости Едоп дорожной одежды – это такой модуль, при котором еще не возникают деформации, свидетельствующие о недостаточной прочности, но ниже которого указанные деформации уже появляются. Требуемые значения эквивалентного (общего) модуля упругости многослойных нежестких дорожных одежд были установлены на основе многочисленных экспериментов в СССР, РФ и за рубежом по испытаниям дорожных одежд нагрузками и анализа причин их разрушений в условиях эксплуатации, но до сих пор четкой связи между коэффициентами надежности и прочности со сроками службы дорожной одежды нет.

В соответствии с этим расчет на прочность в слоях выполняют по допускаемым напряжениям на сдвиг в слоях с пониженной сопротивляемостью сдвигу и на растяжение при изгибе в монолитных слоях. Расчет прочности конструкции в целом, без рассмотрения механизма нарушения прочности, ведут по допустимому упругому прогибу (или требуемому общему модулю упругости). Расчет дорожной одежды, отвечающей критерию упругого прогиба, с учетом механизма нарушения прочности в ее отдельных конструктивных слоях осуществляют по двум независимым критериям:

1)критерию соответствия сдвигоустойчивости материалов конструктивных слоев и грунта возникающим в них касательным напряжениям, отражающему условие ограничения накопления сдвиговых остаточных деформаций (формоизменения) под воздействием многократных кратковременных нагрузок;

2)по критерию соответствия сопротивления материалов монолитных конст-

руктивных слоев возникающим в них растягивающим напряжениям от подвижной многократной нагрузки, отражающему сопротивление этих слоев усталостным процессам, обусловливающим развитие микротрещин в монолитных слоях, потерю их сплошности и снижение распределяющей способности.

251

Напряжения в конструктивных слоях и в подстилающем грунте от воздействия транспортной нагрузки вычисляют по формулам теории упругости для слоистой среды, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой через гибкий круглый штамп, с учетом условий на контакте слоев. При этом используют приближенные методы, основанные на упрощенных расчетных схемах и построенных на их основе номограммах. Упрощенная расчетная схема выбирается в зависимости от рассматриваемого расчетного критерия. При выполнении расчетов реальные многослойные дорожные конструкции приводят к одноили двухслойным моделям.

Расчетные характеристики материалов конструктивных слоев, приведенные в работе [1], определены испытанием лабораторных образцов. Так как изготовление лабораторных образцов существенно отличается от реальных условий, то и материал образцов существенно отличается от того же материала конструктивного слоя. Методы лабораторных испытаний материалов не моделируют реальные условия работы этих материалов в конструктивных слоях. Как следствие, в методах расчета [1] используются характеристики свойств виртуальных материалов, а не реальных. Методики определения отдельных свойств дорожностроительных материалов в РФ не отработаны, например, такие как:

–определение нормативных, расчетных и кратковременных модулей упругости материалов, содержащих органическое вяжущее, и дисперсных материалов;

–прочность материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе;

–нормативное значение предельного сопротивления растяжению при изгибе при расчетной низкой весенней температуре при однократном приложении нагрузки;

–коэффициенты, учитывающие снижение прочности вследствие усталостных явлений при многократном приложении нагрузки и снижение прочности во времени от воздействия погодно-климатических факторов.

Проверка стандартных методов испытаний «на правильность» в соответствии с рекомендациями ГОСТов серии 5725 не произведена. Случайные причины, влияющие на результаты испытаний, невозможно определить заранее, а тем более учесть количественно. В результате влияния случайных факторов полученные значения одного и того же показателя имеют случайный характер. А случайные показатели не могут характеризовать истинные свойства материала. Путем статистической обработки результатов можно установить значение, максимально близкое к истинному значению изучаемого свойства материала. При этом также обнаруживается картина изменчивости свойства и некоторые его закономерности, что способствует управлению процессом исследования и надлежащего контроля над ним. Например, коэффициент вариации в работе [1] неза-

252

висимо от видов испытаний принят одинаковым (равным 0,10), что не вполне корректно. Отдельные действительные значения коэффициентов вариации и величины ошибки их определения по стандартным методикам приведены в табл. 1.

		Таблица 1
Характеристики показателей
	Коэффи-		Средняя
Наименование показателей при испытаниях	циент ва-		величина
	риации V		ошибки b
Определение плотности грунта прибором Ковалева	0,03		0,015
Испытание асфальтобетонной смеси и асфальтобетона
	0,03		0,01
Модуль упругости грунта штампом
	0,3		0,1
Модуль упругости слоев дорожной одежды прогибомером
	0,25		0,1
Определение толщины слоев дорожной одежды
	0,2		0,08
Определение ширины слоев
	0,1		0,05
Просвет под трехметровой рейкой
	0,8		0,2
Определение прочности асфальтобетона
	0,1		0,05
Определение прочности цементогрунта
	0,15		0,05
Определение влажности грунта
	0,1		0,05
Определение угла естественного откоса грунта
	0,1		0,05
Температура асфальтобетонной смеси
	0,18		0,03

Погрешность некоторых из получаемых результатов определения показателей характеризуется приведенными в табл. 2 возможными границами определяемых величин, т.е. доверительными интервалами, которые получены в результате статистической обработки опытных данных.

Анализ данных, приведенных в табл. 2 и 3, показывает, что точность испытаний в целом не обеспечена. В отдельных случаях (определение содержания щебня, толщины слоя, водонасыщения) погрешность превышает 25, 46, 66 % и более от определяемой величины. Данные показывают, что погрешности определения отдельных показателей существенны.

Точность определения свойств материалов конструктивных слоев в значительной степени предопределяется неоднородностью материалов в слое. Например, в 80-е годы 20 века в г. Ленинграде обследованием дорог установлено, что асфальтобетонные покрытия дорог достаточно быстро разрушались, из-за недоуплотнения и неоднородности асфальтобетона покрытия (табл. 3).

253

Таблица 2

Статистические характеристики некоторых показателей свойств

Наименование	Характеристика показателей по объектам			Примечание
	Бердское шоссе,	Бердское шоссе,
показателя			ул. Лесная
	новое покрытие	старое покрытие
Плотность а/б	2,459±0,01, ко-	2,47±0,02 коэффи-	2,505±0,016, ко-	результаты изменя-
смеси	эффициент ва-	циент вариации	эффициент ва-	лись от 2,44 до 2,47;
	риации 0,407	0,76	риации 0,76	от 2,45 до 2,52; от
				2,48 до 2,52 соответ-
				ственно
Плотность а/б	2,46±0,01 коэф-	2,46±0,02 коэффи-	2,495±0,035	изменялись от 2,42 до
	фициент вариа-	циент вариации	коэффициент	2,48; от 2,43 до 2,48;
	ции 0,67	0,752	вариации 0,75	от 2,43 до 2,53
Коэффициент	1,00±0,012	0,995±0,015	0,996±0,02	изменялись от 0,98 до
уплотнения				1,12; от 0,98 до 1,1; от
				0,97 до 1,1
Водонасыще-	1,377±0,34 стан-	1,51±0,14 уровень	1,73±1,25 уро-	изменялись от 0,6 до
ние а/б смеси	дартная ошибка	надежности 0,82	вень наде-	2,7; от 0,8 до 2,3; от
	0,14		жности 1,65	0,9 до 4,9
Водонасыще-	0,79±0,13	1,79±1,2 уровень	2,03±0,9 уро-	изменялись от 0,4 до
ние а/б		надежности 0,28	вень надеж-	1,8 от 0,6 до 4,9 от 1,1
			ности 0,28	до 3,1
Содержание	34,37±7,99	42,45±5,28	42,25±7,53	изменялись от 28,9 до
щебня				37; от 34 до 58,3; от
				21,8 до 54,5
Толщина слоя	6,79±3,14 стан-	5,83±1,06 уровень	4,21±0,89 уро-	изменялись от 4,9 до
	дартная ошибка	надежности 0,77	вень надеж-	9,5 от 4 до 9 от 3 до 5
	0,62		ности 0,76

Таблица 3

Распределение степени уплотнения асфальтобетона в покрытиях

Коэффициент уплотнения		<0,9	0,98	0,99	1,0
асфальтобетона (в долях 1,0)

Средняя доля (%) значений в общем количестве тестов покрытий в г. Ленинграде

(мониторинг треста Лендорстрой и Ленфилиала СоюздорНИИ)

1982 г.

1983 г.

1984 г.

1985 г.

1986 г.

Средняя 1982–1986 гг.

10	20	34	36
26	24	24	26
14	19	36	31
13	16	25	46
13	42	26	19
15	24	29	32

Данные, представленные в табл. 3, показывают, что имеет место тенденция увеличения по годам доли значений неуплотненных участков.

В работе [2] приведены результаты воспроизводимости, полученной по результатам межлабораторных испытаний, например:

254

–для массы образцов на воздухе для песчаной смеси – 405,168, что почти

в2 раза превышает определяемую величину (рекомендуемая масса образцов

всоответствии с ГОСТ 12801–98 составляет 220–240 г);

–для высоты образцов из песчаных асфальтобетонных смесей – 0,395/0,360, что превышает допускаемое отклонение в 3–4 раза (рекомендуемые размеры образцов в соответствии с ГОСТ 12801–98 составляют: диаметр 50,5,

а высота 50,5±1,0 мм);

–для средней плотности песчаной смеси – 0,055, для мелкозернистой смеси – 0,032/0,031 что превышает допускаемое отклонение на 10–80 % (допускаемое отклонение значений плотности 0,03 г/см3 в соответствии с п. 7.3

ГОСТ 12801–98);

–для водостойкости песчаной смеси – 0,238, мелкозернистой смеси – 3,031/0,169, что превышает определяемое значение этого показателя в 2 раза;

–для пределов прочности при температурах 20, 50 и 0 ºС значения полученной воспроизводимости соизмеримы со значениями определяемых величин.

Используемые на практике методы измерений и испытаний не обеспечивают требуемой точности, воспроизводимости и повторяемости, для отдельных показателей отсутствуют. Методы испытания требуют уточнения, что соответствует решениям XVIII Международного дорожного конгресса (1984 г.) в Сиднее.

Для приближения результатов расчета предполагаемой конструкции к реальным условиям работы дорожной одежды в теоретические зависимости вводились эмпирические коэффициенты, (например α-коэффициент, учитывающий различие в реальном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузкой, а также вероятность совпадения во времени расчетной (низкой) температуры покрытия и расчетного состояния грунта рабочего слоя по влажности). Величины значений эмпирических коэффициентов составляют от 0,4 до 6 и более. Большие по величине значения (до 6,0) и многочисленность (14 наименований) эмпирических коэффициентов, которые практически определяют степень нашего незнания реальных условий работы конструкций, доказывают, что существующие методы расчета недостаточно корректно отражают работу дорожной одежды в составе конструкции реальной дороги.

Необходимо отметить, что значения эмпирических коэффициентов получены на основе анализа состояния и изменения состояния конструкций дорожных одежд, существующих на момент обследования, т.е. построенных до 1980 г. Условия, обеспечивающие надежность и долговечность дорожных конструкций, определялись более 30 лет назад для условий европейской части 2-й и 3-й до- рожно-климатических зон, а позже – и для других регионов страны в зоне вечной мерзлоты, в Сибири, на Дальнем Востоке в условиях засушливой зоны в Казахстане и Средней Азии, на единой теоретической основе.

Следует отметить, что нормы, созданные на основе практических данных, эффективны только в тех условиях, для которых они создавались. Возможно, этим объясняются наблюдаемые на практике нередкие случаи преждевременного разрушения дорожных одежд во всех климатических зонах.

255

Анализ сложившейся ситуации показывает, что НД не обеспечивают потребности проектирования дорожных одежд. Со времени разработки действующих норм изменились: требования к автомобильной дороге; состав транспортных потоков, виды транспортных средств, нагрузки; материалы, из которых изготавливаются дорожные одежды; свойства традиционных материалов непосредственно в конструктивных слоях; технологии и способы строительства дорожных одежд.

За последнее время значительно изменились условия работы автомобильных дорог и, соответственно, функциональные требования к покрытию со стороны автомобильного транспорта, что и предопределило изменение методики проектирования покрытия в большинстве зарубежных стран. В РФ до настоящего времени практически не учитываются функциональные требования к качеству асфальтобетона: износостойкость, устойчивость к деформациям (сдвигоустойчивость), водостойкость, трещиностойкость, способность смеси к уплотнению

идругие. Все это объясняет недостаточную долговечность покрытий автомобильных дорог РФ по сравнению с зарубежными [3].

Врезультате двух массовых независимых обследований дорог в европейской части СССР (проведенных СоюздорНИИ, ГипродорНИИ и МАДИ в 60–70-е гг. прошедшего столетия) установлено, что средний срок службы их покрытий составлял примерно две трети от срока службы зарубежных дорог, а в Сибири он вообще часто не превышал 50–55 %. В ЕС нормативный срок службы национальных автотрасс колеблется от 40 лет в схожей с Россией по климатическим условиям Швеции до 80 лет в Италии (в РФ срок службы дорог по материалам 80-х гг. составлял не более 10–12, в настоящее время – 5–6 лет). По данным Н.В. Горелышева, средний срок службы асфальтобетонных покрытий снизился с 16–18 лет в 50-х, до 12–14 лет в 80-х, 8–10 в 90-х и не более 5–6 лет в 2000–2005 гг., что совпадает с нашими данными. Например, в г. Санкт-Петербурге до начала 90-х гг. прошлого столетия срок службы вновь уложенного асфальтобетонного покрытия составил 5–8 лет. Все чаще в РФ фиксируются случаи интенсивного разрушения асфальтобетонных покрытий в первые три года после их строительства.

Одним из недостатков существующего метода расчета нежестких дорожных одежд является отсутствие четкой связи между коэффициентами надежности или степенью деформированности со сроком службы между капитальными ремонтами и качеством строительства. Анализ литературных источников показывает, что математический аппарат для учета качества строительства дорожных одежд к настоящему времени разработан. Однако практические методики, обобщающие накопленный опыт, отсутствуют.

Имеющее место снижение долговечности не учтено при разработке норм

иметодов расчета дорожных одежд, например, при расчете нежесткой дорожной одежды капитального типа для 1 категории дороги рекомендуемый срок службы составляет от 15 до 20 лет [1].

256

В ряде зарубежных методов проектирования дорожных одежд расчет на усталость материала изгибаемого слоя считается главным при определении требуемой толщины слоев конструкции (метод нефтяной компании «Шелл», финские нормы на проектирование и т.п.). Важный вывод получен в ходе разработки «Руководства по механико-эмпирическому проектированию новых и реконструируемых дорожных одежд» (США), в котором большое внимание уделено вопросам усталостного трещинообразования (рассматриваются восходящий и нисходящий виды усталостного трещинообразования). Он состоит в том, что наибольшему усталостному разрушению подвержены асфальтобетонные покрытия толщиной 7,6–12,7 см. Увеличение или уменьшение толщины асфальтобетонного покрытия приводит к повышению его усталостной долговечности.

Учитывая, что в РФ на дорогах III, IV технической категории толщина двухслойного асфальтобетонного покрытия составляет 8–12 см, следует уделять повышенное внимание разработке мероприятий по повышению сопротивления асфальтобетонов усталостному разрушению.

Настало время, когда проектирование нежестких дорожных одежд, по нашему мнению, необходимо осуществлять моделированием дорожных одежд, основанном на системном конструировании с регулированием напряженнодеформированного состояния (НДС) и оптимизацией конструкции. При этом должны соблюдаться следующие основные принципы:

–многовариантность, основанная на анализе различных технологических схем строительства и ожидаемых условий эксплуатации за расчетный срок службы;

–соответствующая оптимизация конструкций на основе регулирования НДС;

–моделирование предстоящих условий эксплуатации одежд;

–оценка надежности проектных решений и оценка риска разрушения дорожных одежд.

Для анализа НДС возможных многослойных конструкций дорожных одежд на упругой и на пластической стадии работы может быть использован метод конечных элементов (МКЭ) [2], что позволит анализировать множество направлений регулирования НДС дорожной одежды с учетом конкретных условий эксплуатации, возможной неоднородности и видов материалов, динамического воздействия нагрузок и дополнительных напряжений, возникающих от темпера- турно-влажностных деформаций в реальной климатической среде. Подобного типа моделирование НДС позволяет рассматривать многослойную конструкцию без приведения ее к эквивалентной одноили двухслойной, что снижает вероятность ошибок и приближает рассматриваемую схему конструкции к реальной. При этом отпадает необходимость определять общий расчетный модуль упругости конструкции, модуль упругости верхнего слоя модели.

Всвязи с изложенным моделирование НДС требует уточнения методов определения потребительских и расчетных свойств материалов дорожных одежд. Естественно, что определение этих свойств надлежит вести в условиях, макси-

257

мально приближенных к реальным условиям работы этих материалов в составе конструкции дорожных одежд. Причем вместо абсолютных значений свойств материалов расчет необходимо осуществлять по относительным значениям, что позволит исключить зависимость результатов расчета от методик определения их свойств.

Список литературы

1.ОДН 218.046–01 Проектирование нежестких дорожных одежд. Государственная служба дорожного хозяйства Минтранса России. – М., 2001. – 144 с.

2.Регулярные межлабораторные испытания / Ю.Э. Васильев [и др.] // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2006. – № 2. – С. 41–43.

3.Прогнозирование долговечности автомобильных дорог / П.Б. Рапопорт [и др.] // Транспортное строительство. – 2008. – № 5. – С. 20–26.

4.Оптимизация конструкции дорожной одежды методом моделирования

еенапряженно-деформированного состояния / Н.В. Рапопорт [и др.] // Транспортное строительство. – 2008. – № 3.

258

ПРИМЕНЕНИЕ ХОЛОДНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ МАК-ПОРОШКА ПРИ РЕМОНТЕ ДОРОГ В РЕСПУБЛИКЕ КАЗАХСТАН

П.А. Логвиненко, Н.Н. Годына

Инновационный Евразийский университет, г. Павлодар, Казахстан

Строительный сезон с использованием асфальтобетонных смесей до сих

пор ограничен	на территории Казахстана до плюс 5 градусов. Низкие
и отрицательные	температуры способствуют преждевременному разрушению

покрытий из асфальтобетона. Ремонтные работы, осуществляемые в эти периоды, не гарантируют их качества. Отсутствие нормативно-технических документов и технологий производства работ при низких температурах сдерживает требуемое обеспечение безопасности дорожного движения по автомобильным дорогам республики. В последние годы холодные смеси на модифицированных битумах с использованием порошка МАК для ремонта асфальтобетонных покрытий стали применяться во многих странах. Опыт применения холодных смесей «Мультигрейд» (или МАК-смесей) показывает, что такие смеси обладают высоким качеством заделки выбоин и ям. Место ремонта имеет высокую стойкость к транспортным нагрузкам, шероховатую структуру поверхности, стойкость к образованию трещин. Поэтому предлагается применять МАК-смеси с целью продления строительного сезона содержания республиканских и областных дорог в Республике Казахстан.

Холодные асфальтобетонные смеси на основе МАК-порошка используются в основном для ямочного ремонта покрытий автомобильных дорог, аэродромов, городских улиц и площадей, дорог промышленных предприятий. С использованием таких смесей также ведется текущий ремонт, ликвидация колееобразования, выбоин и трещин покрытия.

Смеси битумоминеральные холодные – это рационально подобранный состав минеральных материалов со специализированным модифицированным МАК-порошком битумом, разжиженным дизельным топливом с добавкой адгезионной присадки, перемешанных в смесительных установках принудительного действия при температуре 120 ºС. МАК-битум – битум в гелеобразном состоянии, полученный путем введения специальной добавки в виде МАК-порошка. Сам МАК-порошок представляет собой концентрат в виде мелкодисперсного продукта коричневого цвета с размером частиц 0,6 мм, влажностью не более 1,5 % и насыпной плотностью 0,62 г/см2.

259

Воснове таких смесей лежит использование модифицированного вяжущего со структурой геля, обладающего сильными тиксотропными свойствами, что позволяет их применять как при отрицательных, так и положительных температурах. Гелеобразное состояние битума достигается при введении специальной добавки МАК. Гелеобразный битум, благодаря наличию тиксотропных свойств, не стекает с зерен щебня, ведет себя как упругий битум при высоких температурах и как пластичный – при низких. Холодная смесь обычно состоит из 70 % крупной фракции (5–25 мм), 30 % мелкой фракции (5 мм) и до 3 % пылеватых частиц (75микрон). Содержание битума в этой смеси составляет до 5,5 % от веса смеси. Таким образом, получается прочный каменный скелет, который может выдерживать значительные нагрузки от движущегося транспорта и обеспечивает стойкость к образованию колейности.

Воснове рекомендуемой модификации дорожных битумов лежит

технология формирования структуры (желеобразной), которая позволяет расширить температурный интервал пластичности и замедлить старение органического вяжущего. Наиболее просто достигается модификация битума в результате давления и перемешивания предварительно окисленных продуктов

ввиде специально приготовленного МАК-порошка. Перед приготовлением модифицированного МАК-битума для холодных смесей исходный вязкий битум разогревают до температуры 150–160 ºС. Процесс приготовления МАК-битума включает дозирование холодного МАК-порошка и перемешивание его с битумом в течение 30 мин. МАК-порошок следует подавать постепенно через приемный люк при постоянном перемешивании. При этом соответствующий тепловой режим в процессе перемешивания (химической реакции) МАК-порошка с битумом, интенсивность воздействия (перемешивания), а также время реакции должны быть обеспечены.

Вкачестве органического вяжущего применяются битумы марок БНД 901130. Адгезионную присадку с добавлением дизельного топлива добавляют

всмесь через 30 мин. Расчетное количество битума, находящееся в битумохранилище, с помощью насоса закачивается в битумный котел. При этом температура, которая контролируется по термоустановленному датчику на трубопроводе подачи битума из битумохранилища, равна 80 ºС. Приготовление битума заключается в выпаривании из него влаги и нагреве его до температуры 130–150 ºС. После чего битум остужают до температуры 120–130 ºС. Во внутренние слои битума при работающей мешалке и включенном режиме циркуляции производят ввод дизельного топлива не менее 10 % от расчетного количества дизельного топлива, время перемешивания не менее 30 мин. После введения дизельного топлива температуру поднимают до 140–145 ºС, затем через верхний люк постепенно добавляют МАК-порошок. Процесс также идет при постоянной циркуляции и работающей мешалке. Доводят температуру до 160 ºС, но не ниже 157 ºС. За-

260