Глава 6. Деформации и разрушения дорожных одежд

§ 18. Виды деформаций и разрушений. Дорожная одежда, включая покрытие, основание и дополнительный его слой, должна обладать такой прочностью, чтобы она выдерживала без разрушения движение автомобилей расчетного состава и интенсивности.

При деформациях и разрушениях земляного полотна неизбежно деформируется и разрушается дорожная одежда. Для предохранения ее необходимо обеспечить прочность и устойчивость земляного полотна с учетом местных почвенно-грунтовых и гидрогеологических условий. Применение дорожных материалов, не отвечающих предъявляемых к ним требованиям, и выполнение работ с нарушением технических правил обязательно приводят к преждевременным деформациям и разрушению дорожных одежд.

Основными факторами, влияющими на появление деформаций и разрушений дорожных одежд, являются следующие: пропуск по дорожной одежде не предусмотренных нагрузок и высокой интенсивности движения; недоучет при проектировании роста интенсивности движения и нагрузок; неправильное конструирование и расчет дорожных конструкций; недоучет природных факторов и неудовлетворительное проектирование водоотвода.

Помимо применения неоднородных и неудовлетворительного качества материалов и нарушения технических правил производства работ особенно отрицательно влияет недостаточное уплотнение грунтов земляного полотна и слоев дорожной одежды.

В процессе эксплуатации дороги на ней могут возникать преждевременные деформации и разрушения из-за несвоевременного ремонта, нарушения водоотвода и пропуска по дороге автомобилей с повышенными нагрузками.

Дорожная одежда должна работать в пределах упруговязких и упругих деформаций, исчезающих после прохода по ней автомобиля. Допускаются пластические деформации, равномерные по площади одежды, возникшие в результате доуплотнения земляного полотна и слоев дорожной одежды.

Неоднородные остаточные деформации дорожных одежд, даже при небольших размерах, немедленно устраняют, так как они способствуют дальнейшему разрушению, вызывают неудобства и снижают качество дороги в целом. Характеристики основных деформаций и нарушений приведены ниже.

П о т е р я п р о ч н о с т и д о р о ж н о й о д е ж д ы происходит постепенно под непрерывным воздействием колес автомобилей и природных факторов. При этом качественно изменяются материалы, у которых постепенно снижаются первоначальные прочностные свойства. На степень и время изменения их свойств влияют также ошибки, допущенные при проектировании, и недостатки работ по строительству и эксплуатации дороги.

При движении автомобилей по дороге одежда под каждым колесом автомобиля прогибается и затем восстанавливается (рис. 20), причем прогиб перемещается за колесом по ходу движения автомобиля (движущийся прогиб). Наибольшая величина прогиба 2 – в центре следа колеса и уменьшается по мере удаления от центра. Прогиб распространяется от колеса тяжелого грузового автомобиля во все стороны, образуяупругую чашу прогиба 4. Упругая деформация чаши прогиба с некоторым подъемом покрытия распространяется еще дальше. Чаша прогиба от всех колес автомобиля, частично перекрывая прогиб отдельных колес, охватывает ширину всей полосы движения, т.е. прогиб фактически распространяется на те участки, по которым колеса автомобилей даже не проходят. Таким образом, под влиянием прогиба дорожная одежда работает по всей ширине проезжей части.

Первоначальные прогибы после постройки дорожной одежды вследствие дополнительного уплотнения ее под влиянием движения можно отнести к числу вызывающих пластических деформаций, а после повторного уплотнения одежды – к упругим, так как после каждого прогиба дорожная одежда возвращается в прежнее положение.

Прогибы, относящиеся к упругим деформациям, тоже не проходят бесследно. При каждом прогибе составные элементы дорожной одежды перемещаются относительно друг друга. Вследствие этого отдельные зерна минеральных материалов, взаимно воздействуя друг на друга, истираются, скалываются, превращаясь в мелкие частицы.

Частицы материалов мельче 3 мм, особенно мельче 0,071 мм, образующиеся при этих процессах (например, при щебне из малопрочных известняков), обладают способностью поднимать капиллярную воду и длительно удерживать ее. Превращаясь во влажную пластическую массу между отдельными твердыми зернами, они действуют как смазка, облегчая перемещение зерен, увеличивая размер прогиба одежды под колесом автомобиля и вызывая более ускоренное дальнейшее измельчение материалов. Вода, заполняющая поры в материале, при замерзании зимой и оттаивании весной ускоряет процесс измельчения материалов.

В дорожных одеждах минеральный материал, обработанный битумными или дегтевыми материалами, под влиянием прогибов тоже измельчается, но в меньшем размере. При этом повышается суммарная поверхность зерен, материал отощается, вяжущего становится недостаточно, а к тому же со временем он теряет вязкость из-за улетучивания легких составляющих.

Вследствие этих причин материал покрытия становится более жестким и хрупким. В покрытии образуются сначала волосные, затем более широкие трещины, в которые проникает вода, доходящая до нижних слоев дорожной одежды; насыщая и ослабляя материал, зимой вода замерзает и дорожная одежда постепенно разрушается.

При одном прогибе одежды эти изменения могут быть бесконечно малыми, но за длительное время ее службы число прогибов исчисляется миллионами, к тому же они увеличиваются в размерах.

П у ч и н н ы е д е ф о р м а ц и и и р а з р у ш е н и я дорожных одежд происходят в весенний период при оттаивании грунтов земляного полотна на дорогах с неблагоприятным водно-тепловым режимом, неудовлетворительно спроектированным и построенным земляным полотном, а также при недостаточной прочной дорожной одежде и движении в весенний период тяжелых грузовых автомобилей. Причины, вызывающие деформации, изложены в § 10.

П р о с а д к и нежестких дорожных одежд в виде впадин с пологими склонами могут быть различной величины, даже без впучивания прилегающих участков. Возникают просадки в результате местных просадок недоуплотненного грунта или дорожной одежды (рис. 21).

Небольшие просадки могут возникать в результате местного уплотнения материала дорожной одежды. Просадки на подъездах к мостам вызывают сильные толчки автомобилей на уступах, возникающих перед жестким краем пролетного строения. На подходах к мостам требуется очень тщательно уплотнять грунт пазухах и предусматривать переходные конструкции от пролетного строения моста к земляному полотну. Большие просадки возникают также на местах бывших котлованов, вырытых для прокладки и ремонта подземных сооружений.

С к в о з н ы е т р е щ и н ы характерны для упрогожестких дорожных одежд, если под ними образуются пустоты из-за просадки земляного полотна. Увеличение числа и длины трещин указывает на процесс разрушения дорожной одежды. Сетка трещин, пронизывающих дорожную одежду по толщине и разделяющих поверхность плиты на отдельные участки, приводит к полному ее разрушению. Такая сетка на любой дорожной одежде может образоваться при пучинных деформациях.

Проломы – это разрушения дорожной одежды в виде длинных прорезей по полосам наката, т. е. в местах наиболее частого прохода колес автомобилей. Проломы возникают преимущественно на одеждах с покрытиями переходного типа при недостаточной прочности их или при проходе слишком тяжелых автомобилей, а также на слабых или влажных грунтах земляного полотна.

Деформации и разрушения дорожных одежд и покрытий в значительной степени зависят от прочностных свойств материалов, из которых они построены. Поэтому, независимо от оценки общего состояния дорожных одежд и покрытий необходимо, определять прочность материалов.

Кафедра строительства и эксплуатации дорог МАДИ занимается разработкой неразрушающих методов контроля качества дорожных покрытий. Так, В.Г. Хоботов предложил импедансный метод для оценки цементобетона в покрытии, а Я.М. Пириев – для оценки асфальтобетона.Физическая сущность импедансного метода состоит в свойстве материала какой-либо конструкции реагировать на внешние механические воздействия в виде реактивных сил как упругих, так и диссипативных. При этом величина реактивных сил зависит от механического или акустического импеданса (полного механического или акустического сопротивления) конструкции. Чем выше импеданс, тем большее сопротивление оказывает конструкция внешним механическим воздействиям, а следовательно, большей прочностью она обладает. Измеряя импеданс и параллельно определяя механическую прочность, можно установить коррекцию между импедансом и прочностью материала.

§ 19. Методика определения прочности дорожных одежд. В процессе эксплуатации дороги постепенно снижается прочность ее одежды. Вначале снижение прочности происходит без изменения поверхности покрытия. В дальнейшем же это может отразиться и на состоянии дорожного покрытия. Иногда снижение прочности его до предельно допустимых размеров обнаруживают поздно – при появлении признаков полного разрушения одежды. Поэтому в процессе эксплуатации необходимо не ограничиваться визуальными наблюдениями, а оценивать прочность с применением специальных приборов.

Фактический модуль упругости любой дорожной одежды можно определить теоретически. Однако, учитывая зависимость его от многих факторов, правильнее определять модуль путем непосредственного испытания дорожной одежды.

До сих пор прочность дорожной одежды оценивают чаще всего по предложенному кафедрой строительства и эксплуатации дорог МАДИ способу определения прогиба дорожной одежды под колесом расчетного автомобиля.

Модуль упругости Еопределяют по формуле

где р– удельное давление на покрытие от колеса автомобиля, МПа;D– диаметр площади круга, равновеликого площади следа колеса, см;μ – коэффициент Пуассона (0,3);l – величина прогиба, см.

С учетом указанных в § 6 расчетных величин D, рDследует принимать для дорогI–IIIкатегорий в размере 33·0,65=21,5, для дорогIV–Vкатегорий 28·0,55=15,4 МПа·см.

В качестве расчетного автомобиля для дорог I–IIIкатегории можно применять груженый автомобиль МАЗ-200, для дорогIV–Vкатегорий – ЗИЛ-130.

Прочность дорожной одежды с измерением ее прогиба определяют в расчетный период, когда прочность дорожной одежды наименьшая. За расчетный принимают период, когда образуется донник и одежда расположена на переувлажненном грунте.

Прочность измеряют на всем протяжении дорог до оттаивания донника. Такие определения проводят один раз в пять лет, на участках же сомнительных по прочности и намечаемых к усилению дорожной одежды модуль упругости определяют ежегодно до выполнения намеченных работ.

Исследования показали, что прогибы дорожной одежды, характеризующие ее прочность Е, изменяются постепенно из года в год. На одном и том же месте они увеличиваются, что характеризует и снижение прочности дорожной одежды.

На всех участках, подлежащих ремонту в данном году, вскрывают дорожную одежду и определяют модуль упругости грунта по взятым образцам.

Прибором для измерения прогиба служит прогибомер. Предложенный МАДИ и широко применяемый прогибомер имеет длину 2,4 м. При измерении прочности дорожных одежд с большими размерами чаши прогиба его располагают в пределах зоны больших прогибов, из-за чего результаты измерения получают несколько заниженные. ГипродорНИИ РСФСР удлинил прогибомер до 3,25 м для применения его в более разнообразных условиях.

Длиннобазовый рычажный прогибомер (рис. 22) имеет составной рычаг, который на шарикоподшипниках свободно вращается на оси, закрепленной в корпусе опорной части. Конец грузового плеча имеет щуп, который с помощью шарового шарнира соединен с подпятником. Массу автомобиля предварительно проверяют на стационарных весах или с помощью подкладываемых под колесо переносных гидравлических весов. Груженый автомобиль с расчетным давлением на колесо останавливают у измеряемого места (в основном против километрового столба). Прогибомер ставят так, чтобы щуп на подпятнике был в центре между спаренными колесами (7) автомобиля. После этого устанавливают клиновидную опорную подкладку на покрытие так, чтобы ее наклонная поверхность вошла в контакт с концом измерительного стержня индикатора. Затем берут отсчет по индикатору и записывают величину в журнал. После этого автомобиль продвигают вперед, дожидаясь, чтобы отсчет iпо индикатору изменялся не более чем на 0,005 мм за 10 с. Результат снова записывают в журнал.

Удвоенная разница отсчетов по индикатору до съезда автомобиля с точки (i) и после него (i₀) будет соответствовать прогибу покрытияl в этой точке:

l =2(i – i₀).

Для получения более точных данных вычисляют среднее арифметическое из трех замеров, через 5-6 м друг от друга. После измерения прогиба в одной точке автомобиль переезжает на следующую точку для нового измерения.

Исследования показали, что прогибы изменяются со времени оттаивания до замерзания земляного полотна в зависимости от влажности грунтов. Вследствие краткости расчетного периода желательно удлинять сроки определения прогибов. В тот период, когда грунты находятся в незамерзшем состоянии, можно определять прогибы и вносить поправки на разность влажности грунта в расчетный период и в момент испытания.

Прогибомеры могут быть уложены в кабину передвижной лаборатории и использованы в случае необходимости. Для получения точных данных о прогибах необходим автомобиль расчетной массы, который не всегда имеется в распоряжении комплексной лаборатории. Поэтому в противоположность приведенному статическому методу определения прогиба и прочности дорожной одежды начали применять способ динамического нагружения. При этом способе не требуется автомобиль расчетной массы, так как установка сама создает во время испытания необходимую нагрузку. Кроме того, при этом способе уменьшается время на каждое испытание.

Приборами динамического нагружения оснащены специальные передвижные лаборатории с оборудованием, разработанным на кафедре строительства и эксплуатации дорог МАДИ. Сюда входят установки динамического нагружения с передачей усилия через колесо (УДН-НК), а также вибрационные измерители прочности в движении (ИПД-В).

Общее устройство установки УДН-НК показано на рис. 23. В установку на автомобиле-лаборатории или автомобиле «Дорожная служба» входит измерительная тележка со спаренным колесом с пневматическими шинами, которая свободно катится по покрытию. Давление воздуха в колесе равно 0,55 МПа (5,5 ат). Кратковременное (динамическое) усилие создает груз массой 200 кг, поднимаемый лебедкой. Достигнув высоты 1 м, груз автоматически падает. Величина кратковременного усилия достигает 50 кН (5000 кгс).

Испытания с помощью установки УДН-НК можно проводить, фиксируя ее в каждой точке, либо в автоматическом режиме, не останавливая ее. В первом случае производительность составляет до 200 испытаний в смену, во втором – до 400.

Установка ИПД-В снабжена вибродатчиками, измеряющими прогибы в движении и позволяющими устанавливать очертание чаши прогиба. Результаты записывают на магнитную пленку или перфоленту. Производительность ИПД-В может достигать 100 тыс. измерений в смену.

Динамический модуль упругости, МПа, определяют по формуле

Е_дин=р_д/λ_о,

где р_д– давление, воспринимаемое покрытием от динамического нагружения, МПа;λ_о– относительная деформация, полученная при испытании дорожной одежды.

Между динамическим модулем и статическим имеется некоторое соотношение а_д=Е_дин\Е_о. По данным МАДИ,а_дприближенно составляет для усовершенствованных капитальных покрытий 1,6, облегченных 1,55, для покрытий переходного типа 1,4.

В Харьковском автодорожном институте для определения прочности дорожной одежды в процессе движения автомобиля разработана установка непрерывного контроля УДН-1. Этой установкой, базирующейся на автомобиле типа КРАЗ, измеряют радиус кривизны поверхности покрытия под нагрузкой, а затем с помощью специальных тарировочных испытаний определяют пересчетом общий модуль упругости дорожной одежды.

Установки повышенной производительности для оценки прочности дорожных одежд достаточно широко применяют и за рубежом. В частности, распространена установка типа Лакруа, монтируемая на грузовом автомобиле с расчетной нагрузкой на колесо. При движении автомобиля со скоростью 2-3,5 км/ч определяют прогиб под каждым колесом расчетной оси с помощью подвешенных специальных прогибомеров (рис. 24).

Во время движения автомобиля прогибомеры автоматически опускаются на покрытие. Автомобиль подъезжает задними колесами к измерительному наконечнику соответствующего прогибомера. По мере приближения к нему колес происходит запись прогибов до их наибольшей величины. Затем устройство 2, связанное системой передач и тяг с передними и задними колесами автомобиля, переносит при движении автомобиля прогибомеры вперед, и цикл испытания повторяется.

Обработку результатов выполняют методами математической статистики.