CC BY
25
А.В.СМИРНОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, г. Омск
УДК 625.85/08
НОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ
аз
0
ст>
Ч £
§
1
I
ЕЙ
I !
й I
ПОКАЗАНО, ЧТО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕТРАДИЦИОННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ, СТРЕМЛЕНИЕ ИСКЛЮЧИТЬ ТРАДИЦИОННЫЕ ПОРОКИ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ЭТИМ ПОВЫСИТЬ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДОРОГ ПОЗВОЛЯЕТ СОЗДАВАТЬ НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ КОТОРЫХ НЕОБХОДИМА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА И СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ. ВЛОЖЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ В ИЗГОТОВЛЕНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЯВЛЯЕТСЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ПЛАТОЙ ЗА ПОПЫТКУ РОССИИ ВОЙТПЖВЕК С ХОРОШИМИ ДОРОГАМИ.
Многолетний опыт эксплуатации автомобильных дорог в России и за рубежом показал, что долговечность их, исчисляемая 15-20 годами, едва ли устраивает потребителей. Если для малых стран Европы и других континентов увеличение долговечности производится в основном за счет улучшения верхних слоев покрытий, то для обширных пространств России усилия многих специалистов практически не дают результатов из-за разнообразной специфики погодно-кпиматических и грунтовых условий отдельных регионов. Иногда этому мешают традиционные подходы к проблеме улучшения верхних слоев покрытий в материаловедческом и рас-четно-аналитическом аспектах.
Вновь строящиеся и будущие дороги и аэродромы, в которых особенно нуждается Россия, также обречены на непродолжительный срок службы, так как методология проектирования дорожных конструкций крайне консервативна.
На пороге XXI века автор вынужден констатировать, что без решительного изменения идеологии проектирования дорожных конструкций невозможно создать новые нетрадиционные, обладающие повышенной долговечностью.
Это изменение идеологии должно идти по пути отказа от ранее существовавших традиций, заложенных в действующих нормативных документах, и предусматривать расчеты и конструирование дорожных конструкций и аэродромных одежд на допускаемые пластические деформации, использование обратимого прогиба поверхности только с контрольными целями, динамический расчет конструкций для автомагистралей и участков ВПП аэродромов на действие высокоскоростных нагрузок и др.
Следует отметить, что ведущие научные школы России (МАДИ (ТУ), СибАДИ, СоюздорНИИ) уже инициативно начали эту работу, но серьезного заказа со стороны ФДС РФ пока не поступало. Есть только предложение о скромном улучшении действующей инструкции ВСН 46-83.
В настоящей статье на примере работ СибАДИ автор показывает, как, отказавшись от традиционной расчетной идеологии, можно получить новые конструкции. Отказ от традиций в расчете и конструировании одежд не является самоцелью и выражает только стремление преодолеть основные пороки конструкций. Как известно, это накопление остаточных деформаций в слоях нежестких одежд, включая грунт земляного полотна, ослабление сечения жестких покрытий под деформационными швами, недостаточное сцепление между слоями, приводящее к независимой их работе под нагрузкой и поэтому к снижению общей несущей способности, неравномерности нагружения соседних полос движения проезжей части дорог и внутри полосы и др.
С целью уменьшения напряжений сжатия на грунт земляного полотна под дорожной одеждой в СибАДИ сделана попытка создания аналитического расчетного аппарата, состоящего из упрощенной теории распространения волн сжатия в слоистых средах, возникающих
от высокоскоростного нагружения (удара) колеса автотранспорта или воздушного судна по поверхности среды. Эти волны сжатия, распространяясь в слоях дорожной конструкции, вызывают эффект отражения и преломления, который можно направленно регулировать путем введения в конструкцию «отражающего экрана» с целью уменьшения напряжений сжатия на фунт земляного полотна.
Главным условием возникновения на границах слоев эффекта отражения и преломления является различие плотностей и скоростей распространения волн напряжений. Причем отражение возможно лишь при условии, что плотность р2 и скорость распространения напряжений в слое С2, из которого они распространяются (стг), меньше соответствующих характеристик слоя, воспринимающего напряжения:
С, ч С, Рг < А
О)
I + с.,р? гт Ев
Рис.1. Ьхема отражения напряжений от жесткого экрана в дорожной конструкции.
1-дорожная одежда; П-отражающий жесткий экран; Ш-грунт земляного полотна
Если рассматривать конструкцию, состоящую из дорожной одежды, отражающего экрана (более плотного слоя, чем остальные), грунта земляного полотна, и характеризовать эти слои модулями упругости Е2, Е,, Е0, плотностями р2, р(, р0 и скоростями распространения волн С2, С, и С0 (рис.1), то при выполнении условия 1 и ударном воздействии на поверхность конструкции, на границе дорожной одежды и отражающего экрана и ниже возникнут отраженные и преломленные напряжения, определяемые формулами:
от р
•V
Ч Рэн
•Рже +Р
сг;р = от,
А,
.V"
(3)
о-:р = а.
.1
р»
(4)
х Е2
~ -Ржи + РЖв V Рг
Е° Л + л
Ро V А™ у
Здесь
Ем - эквивалентный модуль упругости жесткого отражающего экрана и подстилающего грунта;
р - эквивалентная плотность отражающего экра-
Рг + Р\
на и грунта земляного полотна I Ржв ~
из различных материалов: цементобетонов, щебеночных слоев, цементогрунтовых и даже из переуплотненного грунта. Эффективность подобных экранов в смысле уменьшения напряжений на грунт земляного полотна различна. Так, цементобетонные толщиной 10-20 см снижают напряжения в 13-16 раз по отношению к обычной одежде, щебеночные и цементогрунтовые - в 2-3 раза, грунтовые - в 1,5-2 раза.
Почти одновременно на верхней грани отражающего экрана возникают отраженные напряжения сжатия (формула 2), которые со скоростью распространения волн перемещаются к верхней границе одежды, вновь отражаются и перемещаются вниз к экрану и так до полного затухания.
При этом цементобетонные экраны отражают до 50-60% напряжений, достигших их поверхности, щебеночные 10-17%, цементогрунтовые 5-10%, грунтовые до 2%.
Очевидно, что отраженные напряжения должны встретиться в самой прочной области дорожной конструкции (покрытии) с напряжением обратного знака, возникшими от второй половины эпюры контактной колесной нагрузки или от второй оси любого транспортного средства.
Такое управляемое и регулируемое динамическое напряженное состояние дорожной конструкции требует расположения экранов по различной глубине от верха в зависимости от типа транспортных средств:
глубина расположения экрана,см
Е0, Е2 - модули упругости грунта земляного полотна и основания дорожной конструкции, лежащего выше отражающего экрана;
р0, р2 - плотности тех же слоев; о2 - динамические напряжения сжатия от ударного воздействия колесной нагрузки, достигшие верхней границы отражающего экрана;
у, - коэффициент затухания напряжений в экране (см-1).
Разработка и расчеты дорожных конструкций с отражающими экранами показала, что они могут быть устроены под одеждами жесткого и нежесткого типа и
легковые автомобили 30-40
грузовые двухосные автомобили 50-60
многоосные грузовые автомобили,
автопоезда 100-120
воздушные суда 1,11 категорий
нагрузок.
Таким образом, введение отражающих экранов в одежды жесткого и нежесткого типов резко снижает напряжение на грунт, способствует длительному сохранению ровности покрытий и порождает нетрадиционную конструкцию, в которой распределение прочностных и деформационных свойств слоев с глубиной подчиняется не закону распространения статических напряжений сжатия, а законам динамики слоистых сред.
Пример такой дорожной конструкции для авто-
р I '77777777777—7
/ //// 1 60см \ 100см
Рис.2 Схема дорожной конструкции с отражающими экранами 3-полосной магистрали
1 - покрытие; 2 - основание; 3 - отражающий экран; 4 - грунт земляного полотна.
ЕШ///////////////////////////П7Г-
А ** * и V I У* ; 4 * * УУУ!*!444*114*'^
* * V4 ГУ *
0,40
1.20
0.60
1.20
1.00
Рис.3 Дорожная конструкция с усиливающими элементами в зоне наибольшей интенсивности действия колесной
нагрузки (свидетельство РАПТЗ № 9453).
I
53
I
я
1 9
1
йг ь
I
I
§
<8 |
I
I
I ё
I
э
5 §
I I
I
I
I §
8
О §
магистрали приведен на рис.2, хотя допустимо и иное расположение экранов под одеждой. При этом может возникнуть ситуация, когда экран окажется внутри конструкции или в грунте земляного полотна. Другим примером повышения транспортных качеств дорожной конструкции (уменьшение колееобразования) является целенаправленное использование законов распределения проходов колесной нагрузки по ширине полосы движения. Такие законы распределения по ширине многополосной проезжей части известны и применяются в практике проектирования. Однако, тот факт, что в пределах одной полосы 80% колесных нагрузок концентрируется в пределах полос наката, позволил специалистам СибАДИ предложить новую дорожную конструкцию (Свидетельство РАПГЗ N09453)*, названную «скры-токолейной». Суть ее состоит в том, что в пределах полос наката каждой полосы движения под основанием одежды устраиваются продольные усиливающие элементы в виде колейного покрытия (рис.3). Детальное исследование работы сборных цементобетонных покрытий позволило установить в основаниях зоны наибольшей концентрации контактных давлений. Их размеры и стремление обеспечить равную сдвигоустойчивость материалов основания в пределах швов и центра плит и соответственно повышение долговечности покрытий по признаку ровности и растрескивания позволили СибАДИ предложить новое основание под жесткое покрытие (рис.4)**.
Особенность его в том, что высота несущих элементов под швами увеличивается поперек проезжей части последовательно на 20% по отношению к осевому шву.
Таким образом, использование нетрадиционных аналитических расчетов, стремление исключить традиционные пороки дорожных конструкций и этим повысить долговечность дорог, позволяет создавать новые конструкции.
Рис.4 Основание под жесткое дорожное покрытие с подшивными несущими элементами (свидетельство РАПТЗ №9856)
1-жесткое покрытие, 2-несущие элементы
Разумеется, что для их практического применения необходима разработка технологий строительства и средств механизации. Полагаем, что эти разработки и, конечно же, большая стоимость новых конструкций, являются естественной платой за попытку России войти в XXI век с хорошими дорогами.
*)**) Авторы А.В.Смирнов, В.В.Сиротюк, А.С.Александров
СМИРНОВ Александр Владимирович - доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
И.Н. ХРИСТОЛЮБОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
УДК 504.064.43
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИМ МЕТОД РЕМОНТА ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
РАССМАТРИВАЕТСЯ ПРИМЕНЕНИЕ ТОНКИХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ РЕМОНТЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ. РЕКОМЕНДУЕМАЯ К ВНЕДРЕНИЮ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЗВОЛЯЕТ СНИЗИТЬ ТОЛЩИНУ АСФАЛЬТОБЕТОННОГО СЛОЯ И СОКРАТИТЬ СРОКИ РЕМОНТА.
Перестройка экономики нашей страны требует напряженной работы во всех областях народного хозяйства. В число приоритетных отраслей в борьбе за эффективность входит и транспорт: его работа должна удовлетворять потребностям реформируемой экономики, быть безопасной и мобильной при перевозке грузов.
Важнейшей задачей дорожников России является повышение эксплуатационных качеств автомобильных дорог, обеспечение непрерывности, безопасности и удобства движения транспорта. Для ее решения необходимо, прежде всего, разработать такие способы ремонта дорожных покрытий, которые сочетали бы в себе высокую технологичность, низкую стоимость, долговечность с постоянным обеспечением требуемых транс-портно-эксплуатационных и потребительских качеств покрытия в течение срока службы. Одним из направлений решения этой задачи является переход дорожного хозяйства к ресурсосберегающим технологиям, и в частности, к применению при ремонтных работах тонких асфальтобетонных покрытий.
Исследования в области ремонта дорожных покры-
тий тонкими асфальтобетонными слоями ведутся на протяжении многих лет. Уже в 70-х годах бурное развитие техники и нефтяной кризис в ряде стран Западной Европы обусловили широкое применение в качестве замыкающих слоев тонких асфальтобетонных покрытий.
В настоящее время в западных странах в практике дорожного строительства при ремонте широко применяются тонкие слои различных модификаций: пористые, тонкие щебеночно-мастичные, пастовоминеральные, из многощебенистых смесей и т.д.
В последнее время внимание дорожных организаций привлекают однослойные асфальтобетонные покрытия с возможностью снижения толщины слоя до минимальных величин. Большой практический интерес представляет устройство таких покрытий на жестких основаниях. Это вызвано тем, что значительное количество цементобетонных покрытий, при достаточной прочности, требует ремонта поверхности.
Несмотря на давность применения однослойных асфальтобетонных покрытий при ремонте жестких дорожных одежд вопросы оценки их работоспособности
