CC BY
0
УДК 691, 625.85
doi: 10.48612/dnitii/2024_50_103-109
ВЛИЯНИЕ КОМПОЗИТНОГО АРМИРОВАНИЯ НА ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ АЭРОДРОМНЫХ И ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Э. Р. Абдуллаев * Г. Э. Окольникова* / **
* Российский университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы (РУДН), г. Москва ** Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
03
г
м О
-I
м
Э СО
Аннотация
Это исследование проводилось для поиска литературы и обзора информации о применении композитных (геосинтетических) материалов для строительства нежестких аэродромных и дорожных покрытий. Исследование показывает, что улучшение характеристик за счет геосинтетического армирования связано с различными факторами и переменными, такими как: жесткость и геометрия георешетки, расположение, глубина заложения материала, мощности слоя заполнителя, а также жесткость грунтового основания. Предполагается, что правильное использование геосинтетических материалов может привести к значительной экономии затрат на каждый проект. Полученная из этого исследования информация, если она окажется достаточной, затем будет использована для подготовки нормативной базы по разработке спецификаций материалов, критериев производительности и методов расчета покрытий.
Ключевые слова
геосинтетика, нежесткие аэродромные покрытия, композит, аэродром, материалы, жесткость
Дата поступления в редакцию
04.03.2024
Дата принятия к печати
06.03.2024
Введение
Геосинтетические материалы в последние годы стали широко применяться в строительстве транспортной инфраструктуры по всему миру, поскольку они предлагают довольно простые и экономичные решения для проектировщиков. В этой обзорной статье кратко излагаются цели и преимущества использования геосинтетических материалов при новом строительстве и ремонте аэродромных и дорожных покрытий с использованием многих публикаций. Само определение геосинтетических материалов — это материал из синтетических или природных полимеров, неорганических веществ, контактирующий с грунтом или другими средами. В зависимости от типа, эти материалы
< СО
о
л
ц,
О *
О
<и
I
<и 3
и
0 с
га
1
к
I
га и о
а ^
а
га
« 2
СО 5 ш м
И
5 о ^ *
Ч щ < I
■ к
а 5
■ Ц
(Л со
включают в себя: геотекстиль, георешетки, геомембраны, геосетки, геокомпозиты и некоторые другие, которые используются в купе с обычными материалами. На рисунке 1 показаны типы геосинтетических материалов.
Геотекстиль
Геосетка
Георешетка
Геокомпозит Рис. 1. Виды геосинтетических материалов
Геомембрана
Армирование покрытий геосетками, плоскими георешетками и геокомпозитами на их основе выполняется с целью усиления покрытий при их несоответствии по прочности действующим нагрузкам, устройства более совершенных типов покрытий с использованием существующих конструкций в качестве основания, увеличения срока службы. Эксплуатационные характеристики усиленной дорожной конструкции в значительной степени зависят от состояния окружающего материала и транспортной нагрузки, и поэтому каждая конструкция требует специального анализа и расчетов. Использование армированного геосинтетика и георешетки оказало важное влияние на конструкцию дорожного покрытия при реальной экономии средств Эффект усиления зависит от многочисленных и сложных факторов, таких как структура дорожного покрытия, характеристики используемого материала геосинтетики и ее расположение в структуре дорожного покрытия.
Обзор литературы
С. Балари в своей статье [1] рассматривает историю совершенствования и применения геосинтетических материалов в дорожном строительстве. Им были оценены несколько основных параметров конструкции нежесткого дорожного покрытия и обнаружено, что при одинаковой прочности земляного полотна и толщине основания соотношение затрат и эффективности растёт. Однако процентное увеличение экономической эффективности падает с увеличением толщины слоя горячего асфальтобетонного покрытия. Автор рекомендует увеличивать толщину асфальтового покрытия только в том случае, если СБИ (калифорнийское число несущей способности грунта) земляного полотна составляет менее 2% при толщине базового слоя менее 250 мм и толщине асфальта менее 100 мм. Увеличение толщины искусственного основания же привело к повышению экономической эффективности при методах
проектирования. Однако большее увеличение толщины основания привело к меньшему процентному увеличению экономической эффективности.
К. Калво-Джирадо в своем исследовании [2] описал анизотропные линейные модули упругости грунтов, армированных геосинтетическими материалами. Моделируя геосинтетический материал с помощью сплюснутых сфероидов со сфероидальным распределением внутри асфальтобетонной матрицы, полученные выражения в зависимости от геометрии слоя материала и основных принципов упругости дают границы применения. Разработанная схема может быть распространена также и на многофазные композиты.
М. Деп и С. Джоши в своем исследовании [3] поставили цель в определении характеристик нежесткого дорожного покрытия, таких как образование колеи и усталость при использовании армирующего материала и без него, подверженного нагрузке от колес транспортного средства.
М. Канг в своей статье [4] рассказывает о недавно разработанном встраиваемом приборе для дорожного покрытия, который измеряет скорость сдвиговой волны для оценки модулей построенного слоя несвязанных оснований и подосновных элементов (Датчик поля изгибающего элемента (БЕ). Автор представляет результаты, мониторинга характеристик жесткости рулежных дорожек покрытия аэродрома, оснащенных датчиками и протестированных в ходе полномасштабных ускоренных испытаний покрытия во время 9-го цикла строительства (СС9) Национального испытательного центра покрытия аэропорта (ЫЛРТБ) Федеральным управлением гражданской авиации США (БАЛ). Покрытия для эксперимента представляли их себя двухосные георешетки, установленной в нижней части 8-дюймового (203 мм) основания на северном испытательном участке, в то время как контрольное покрытие на южном испытательном участке было построено без георешетки. Два датчики были установлены в северной и южной испытательных секциях примерно на 1 дюйм (25 мм) выше основания. К испытательным участкам были применены несколько ступеней нагрузки на шасси самолета, включая статическую двойную передачу, динамический медленный крен (движущееся колесо) и динамический пробный крен. Данные полевых датчиков, собранные на нескольких этапах нагрузки, были использованы для исследования характеристики жесткости основания покрытия. Эти предварительные испытания, проведенные в рамках эксперимента, выявили влияние статических и динамических нагрузок от шасси самолета на жесткость слоя основания из заполнителя, стабилизированного георешеткой. Кроме того, ранее наблюдавшиеся эффекты противодействия тряске, вызванные отклонением груза транспортного средства, можно было количественно оценить с помощью изменения модуля базового курса и деформационного поведения на основе анализа данных датчиков.
Р. Кумар в исследовании [5] говорит об основных инженерно-геотехнические свойства некачественного естественного основания, которые могут быть улучшены с помощью геосинтетических материалов, таких как тканый/нетканый геотекстиль, для повышения его прочности. Толщина дорожного покрытия и стоимость строительства дорожного покрытия уменьшается при размещении геотекстиля на разной глубине грунта с минимальной плотностью при размещении геотекстиля ближе к верхней части конструкции. Нежесткое покрытие было рассчитано как на усталостную деформацию, так и на устойчивость к образованию колеи, при этом геотекстиль был помещен в трёх различных уровнях естественного основания. Позже были с помощью специального программного обеспечения были рассчитаны критические значения деформации и устойчивости к усталости.
А. Зофка в своей статье [6] представил исследование, оценивающее влияние армирования георешеткой на образцы асфальтобетонной смеси. Были проведены два типа лабораторных экспериментов, а именно испытания с постоянными нагрузками (на прочность и разрушение) и цикличе-
г
м О
-I
м
Э СО
<и
I
<и 3
и
0 с
га
1
к
I
га и о
а ^
а
га
« 2
СО 5 ш м
И
5 о ^ *
Ч щ < I
■ к
а 5
■ Ц
т со
< со
о
л
ц,
О *
О
скими (на усталость и модуль упругости). Результаты продемонстрировали значительный влияние георешеток в упрочнение, которое наблюдалось в отношении результатов разрушающих нагрузок и предельных прогибов при испытаниях на усталость. Также представлен краткий пример, связывающий прогибы дорожного покрытия с допустимой осью нагрузка (также известная как усталостный ресурс) для демонстрации практических последствий усиления георешетками. Проведенный анализ показывает уменьшение прогибов дорожного покрытия благодаря применению георешеток, что потенциально приводит к значительному увеличению усталостного ресурса дорожного покрытия.
К. Петит и соавторы в своем докладе на 13-й Международной Конференции Асфальтобетонных покрытий [7] разобрали роль легкого геотекстиля, проанализировали технико-экономические показатели материалов для его изготовления, а также постарались подготовить руководство для проектировщиков по его использованию, ввиду отсутствия общепринятых рекомендаций и нормативов.
У Робинсон в своей книге [8] анализирует последствия включения геосинтетических материалов в покрытия аэродромов. Обзор существующей методологии проектирования показал, что любое улучшение от включения геосинтетических материалов в более толстые покрытия было скрыто в изменчивости данных, используемых для формулировки существующей методологии проектирования. Первоначальная оценка затрат показала, что продление срока службы конструкции (если таковое имеется) может быть предпочтительным средством количественной оценки улучшения геосинтетических материалов и что уменьшение общей толщины, связанное с включением геосинтетических материалов, по-видимому, не обеспечивает первоначальной экономии средств для военных аэродромов. Геосинтетическое включение в ремонт повреждений аэродрома или в качестве метода уменьшения трещин может быть более полезным, чем армирование заполнителя в новом строительстве.
У Робинсон и И. Говард в своей статье [9] рассуждают о включении геосинтетических материалов в нежесткие основания дорожного покрытия, подверженные нагрузкам на шоссе и улучшении эксплуатационные характеристики за счет уменьшения колейности или вертикального давления на слабые слои земляного полотна. Случаи, когда геосинтетические материалы были менее успешно применены в дорожных покрытиях, это прочные грунты и/или толстые слои дорожного покрытия. Таким образом, понимание улучшений, которые можно ожидать от использования геосинтетических материалов в аэродромных покрытиях, что зачастую более мощные, чем дорожные покрытия шоссе, требует оценки существующих аэродромных покрытия и методологии проектирования. Для достижения этой цели был выполнен ряд задач: (1) анализ толщины дорожного покрытия в процессе эксплуатации и прочности земляного полотна для количественной оценки характеристик дорожного покрытия военных аэродромов, (2) обзор существующих методик проектирования Министерства обороны (МО), чтобы определить, может ли включение геосинтетических материалов быть адекватно охарактеризовано в существующих процедурах проектирования для новые аэродромы, (3) оценка для определения того, является ли (и в каких условиях) ожидаемое улучшение эксплуатационных характеристик финансово целесообразным, и (4) внедрение на военных аэродромах при последующих капремонтах. Результаты показали, что аэродромные покрытия, как правило, толще и прочнее дорожных покрытий шоссе, и что эксплуатируемые аэродромные покрытия превосходят характеристики дорожного покрытия, для которого были определены геосинтетические материалы, обеспечивающие значительное улучшение эксплуатационных характеристик.
С. Сарид в своей статье [10] оценивает функции геосинтетических промежуточных слоев в замедлении отражательного растрескивания и улучшении усталостных характеристик верхних слоев горячей асфальтобетонной смеси в нежестких покрытиях. Была проведена серия экспериментов
с полиэфирной сеткой, покрытой полимерным вяжущим, тканно-джутовым матом и двухслойной полипропиленовой пленкой. Результаты показывают, что включение прослоек замедляет распространение отраженного растрескивания, однако приводит к расслаиванию слоев покрытия. Эффект отслаивания заметен в промежуточных слоях двухслойной полипропиленовой пленки из-за их высокой начальной жесткости. В целом промежуточные слои с высоким межфазным сдвигом и свойствами сцепления при отрыве и растяжении оказались эффективными в борьбе с отраженным растрескиванием и увеличении усталостной прочности верхних слоев.
Х. Сан в своей статье [11] говорит о широком применении геосинтетических материалов в нежестких покрытиях на протяжении многих лет. Однако механико-эмпирический аналитический подход для геосинтетически стабилизированных нежестких покрытий, основанный на решении уравнения упругости, полученном из теории упругости, так и не был установлен. В этом исследовании решение для типичного трехслойного нежесткого покрытия, армированного геосинтетикой, было получено в соответствии с теорией упругости. При выводе боковое ограничение и эффект растяжения мембраны геосинтетических материалов, количественно выраженные в терминах остаточных деформаций слоя, рассматривались на границе раздела как условие непрерывности. Затем полученное решение было включено в механистически-эмпирический подход для расчета колейности дорожного покрытия и усталостного растрескивания. Результат показывает, что решение, полученное в этом исследовании, способно анализировать трехслойное нежесткое дорожное покрытие, проар-мированные геосинтетиками. Реакции упругости дорожного покрытия, рассчитанные с использованием данного решения, соответствуют ранее установленным в литературе решениям. Глубина колеи, оцененная с помощью предложенного решения, разумно соответствует глубине колеи, измеренной в исследовании. Путем расчета было получено, что для уменьшения колейности геосинтетика должна быть уложена под базовым слоем. Геосинтетический материал, укладываемый непосредственно под асфальтовый слой покрытия, дает больше преимуществ для снятия растягивающих напряжений в нижней части асфальтового слоя.
СО
лов в аэродромном и дорожном строительстве, а именно с целью: поглощение деформаций, армирование, удешевление и облегчения процедуры строительства. Результаты всесторонних испытаний, проведенных исследователями, показывают, что георешетки обладают большим потенциалом, чем геотекстиль, для армирования нежестких дорожных покрытий. Инновационные методы применения геосинтетических материалов в геотехнической практике, вероятно, будет расширяться по мере
Заключение ^
В этой статье были рассмотрены различные варианты применения геосинтетических материа- щ
и о с
< га т х О к
И
того, как производители будут разрабатывать новые и улучшенные материалы, а инженеры проце- I ш
.о о
дуры анализа для новых методов применения. Наконец, стоит отметить, что была задокументиро- ^ £
О |
вана возможность вторичной переработки слоев, содержащих геосинтетику. Поэтому армирующие ^ £
О го
геосинтетические материалы на основе георешеток в сочетании с легким нетканым геотекстилем это проверенное решение для увеличения срока службы дорожного или аэродромного нежесткого по- ^ о
крытия при обоснованных затратах, сохраняющее при этом конструкцию пригодной для вторичной ^ н
переработки. Единственным ограничением для применения технологии в аэродромном строитель- ¡¡^ §
стве в данный момент является отсутствие нормативной базы для обоснования проектных решений ^ 2
в Государственной экспертизе. ^ *
< I
■ К
а 5
■ Ц
т со
Библиографический список
1. Ballari S. APPLICATION OF GEOSYNTHETICS FOR STRENGTHENING OF FLEXIBLE PAVEMENT // International Journal of Research. 2019. (7). C. 2150 - 2159.
2. Calvo-Jurado C., Roldán-Oliden P. Numerical computation of effective anisotropic elastic properties of geosynthetics-reinforced pavements // Applied Mathematical Modelling. 2021. (96). C. 719 - 732.
3. Dhepe M. Rutting and Fatigue Analysis of Flexible Pavement with or without Geosynthetic // International Journal for Research in Applied Science and Engineering Technology. 2021. № 1 (9). C. 786 - 796.
4. KangM. [и др.]. Airport Pavement Stiffness Monitoring and Assessment of Mechanical Stabilization using Bender Element Field Sensor // Transportation Research Record. 2022. № 8 (2676). C. 542 - 553.
5. Kumar R. [и др.]. A Study Review on Geosynthetics use on Flexible Pavement Design // International Journal of Engineering Research & Technology. 2020. № 6 (9).
6. Maliszewski M. Geogrid Reinforcement of Asphalt Pavements // The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering. 2017.
7. Petit C. [и др.]. Smart Geosynthetics For Strain Measurements In Asphalt Pavements. 13th International Conference on Asphalt Pavements (ISAP) at Fortaleza, 19 - 21 June 2018.
8. Robinson W. J. Characterization of geosynthetic reinforced airfield pavements at varying scales. М.: ProQuest LLC, 2020. P 50.
9. Robinson W. J., Howard I. L. Implications of incorporating geosynthetics in airfield pavements // Transportation Geotechnics. 2021. (28). C. 100533.
10. Saride S., Kumar V. V. Influence of geosynthetic-interlayers on the performance of asphalt overlays on pre-cracked pavements // Geotextiles and Geomembranes. 2017. № 3 (45). C. 184 - 196.
11. Sun X. [и др.]. Geosynthetic-stabilized flexible pavements: Solution derivation and mechanistic-empirical analysis // Geotextiles and Geomembranes. 2020. № 4 (48). C. 468 - 478.
12. Gupta A., Deulkar S. V. A Review Article of Comparative Analysis of Geo-textile and Geojute Compressive Strength // International Journal of Scientific Research. 2022. № 2 (8).
13. FangH. [и др.]. Analytical solutions of the dynamic response of a dual-beam model for a geosyn-thetic reinforced pile-supported embankment under moving load // Computers and Geotechnics. 2022. (142). C. 104563.
14. Imjai T., Pilakoutas K., Guadagnini M. Performance of geosynthetic-reinforced flexible pavements in full-scale field trials // Geotextiles and Geomem-branes. 2019. № 2 (47). C. 217 - 229.
15. Mersin D. Geosynthetic Materials in Transportation Engineering. 4th International Conference on Advanced Engineering Technologies, 28 February 2023.
16. Norambuena-Contreras J. [и др.]. Mechanical damage evaluation of geosyn-thetics fibres used as anti-reflective cracking systems in asphalt pavements // Construction and Building Materials. 2016. (109). C. 47 - 54.
17. Sarici T. [и др.]. Evaluation of geogrid reinforced unpaved roads using large scale tests / 6th European Geosynthetics Congress (EuroGeo6), 25 - 28 September 2016.
18. Sarker P., Tutumluer E. Airfield Pavement Damage Evaluation Due to New-Generation Aircraft Wheel Loading and Wander Patterns // Transportation Re-search Record: Journal of the Transportation Research Board. 2018. (2672). C. 036119811879970.
19. Zadehmohamad M. [u gp.]. Evaluating long-term benefits of geosynthetics in flexible pavements built over weak subgrades by finite element and Mechanistic-Empirical analyses // Geotextiles and Geomembranes. 2022. № 3 (50). C. 455 - 469.
20. Zornberg J. G. Functions and Applications of Geosynthetics In Roadways // Procedia Engineering. 2017. (189). C. 298 - 306.
COMPOSITE REINFORCEMENT INFLUENCE ON PERFOMANCE CHARACTERISTICS OF FLEXIBLE AIRFIELD PAVEMENTS AND ROADWAYS
E. R. Abdullaev* G. E. Okolnikova */ **
* RUDN University, Moscow
** Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
ID Z
H Û -I H
D
CÛ
Abstract
This study was conducted to search for literature and review information of usage of composite (geosynthetic) materials for the construction of flexible airfield pavements and roadways. The study shows that the improvement in performance due to geosynthetic reinforcement is associated with various factors and variables, such as: stiffness and geogrid geometry, geogrid location, depth, aggregate thickness, and soil stiffness. It is expected that the correct use of geosynthetic materials can result in significant cost savings per project. The information obtained from this study, if it's sufficient, will be used to prepare regulatory documents for the development of material specifications, performance criteria, and coating calculation methods.
The Keywords
geosynthetics, flexible airfield pavements, composite, materials, stiffness
Date of receipt in edition
04.03.2024
Date of acceptance for printing
06.03.2024
Ссылка для цитирования:
Э. Р. Абдуллаев, Г. Э. Окольникова. Влияние композитного армирования на повышение эксплуатационных характеристик асфальтобетонных аэродромных и дорожных покрытий. — Системные технологии. — 2024. — № 1 (50). — С. 103 - 109.
(U S I
(U
3
и
0 с
га
1
к s
I
га и о а s Z а га
« 2 -S
m s ш m
H
5 о à * S s
< I
■ к
CL S
■ Ç
m ta
< CÛ
О *
.0
о *
о
