ДОРОЖНОЕ ПОКРЫТИЕ
ROAD SURFACE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к строительству автомобильных дорог, аэродромных полос, оснований железных дорог, грузовых площадок различного назначения и фундаментов крупнотоннажной грузоподъемности на слабых грунтах.
Уровень техники
Из уровня техники известно, что проблему укрепления несущей способности и длительного сохранения высоких эксплуатационных качеств дорожных одежд вновь строящихся дорог решают, например, путем добавления уплотнителей - асфальта, цемента, извести и др. "АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ. СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА. СНИП 2.05.02-85" (УТВ. ПОСТАНОБЛЕНИЕМ ГОССТРОЯ СССР ОТ 17.12.85 N233) (Ред. от 08.06.95). Однако практика свидетельствует о недостаточной жесткости таких покрытий и их оснований, что проявляется в сокращении межремонтных сроков эксплуатации дорог в результате наступления преждевременных повреждений.
Одной из существенных причин износа и разрушения дорожного покрытия является неравномерная нагрузка. Нагрузка под шинами колес вызывает разуплотнение материала всех (включая и уплотненных) слоев покрытия и основания с последующим волнообразованием, выдавливанием грунта в стороны, просадки и т.п. (Гремышев Н.В., Технология и организация строительства автомобильных дорог. М. Транспорт, 1992 г., с. 36, Поздняков М.К. О колее образовании на автомобильных дорогах, http:mikekp.livejournal.com).
Известны укрепления жесткого типа полотна дороги монолитными и сборными железобетонными покрытиями. Несмотря на преимущества по долговечности дорог из бетонных плит (30-40 лет), им присущи технологические и экономические недостатки.
Известные монолитные цементобетонные и железобетонные покрытия, работают как плиты на упругих основаниях. Одномоментные динамические воздействия нагрузок двух и более осей транспорта, вызывают разнонаправленные напряжения в плитах и, в результате, повреждения в виде трещин, сколов краев, разрушения углов и разрывов крепежной сварной арматуры, перекосы и др. При недостаточной несущей способности основания разрушительные процессы ускоряются. Все перечисленные типы покрытий имеют ограничения по сезону строительства, долго твердеют (около месяца - монолитные бетонные) и, главное, требуют высоких первоначальных и ремонтных затрат.
Дорожные покрытия из железобетонных плит RU №2522567, EO1C 5/00, 2014; RU №2521683, EO1C 5/00, 2014; RU №2522547, EO1C 5/06, 2012; RU №2474639, EO1C 5/06, 2013; RU №2515654, EO1C 5/06, 2014, предложенные для роста безопасности движения и снижения затрат, не решают задачу повышения несущей способности полотна дороги для пропуска крупнотоннажного транспорта на слабых грунтах. Известно решение по сочленению дорожных плит в единое сборное покрытие с помощью стягивающей арматуры внутри плит SU №1813823, Е01С 5/10, №2371536, Е01С 5/10, 2009; №2379406, Е01С 5/08, 2010, либо канатной геосетью, в ячейки, которой вставлены плиты RU №2403334, Е01С 5/08, 2010 с целью повышения грузоподъемности, надежности и долговечности дорожного покрытия.
К недостаткам этих технических решений можно отнести то, что плиты, соединенные в пакеты, работают на упругих основаниях и динамичные знакопеременные нагрузки крупнотоннажного транспорта приводят к повреждающим деформациям полотна дороги. Конструктивно-технологическая сложность исполнения и обеспечения сохранности антикоррозийной защиты тяг повышает стоимость и препятствует широкому применению этих решений в практике дорожного строительства.
Близким по технической сущности является изобретение, описанное в патенте RU №2407847 Е01С 11/04, 2010, по укреплению несущей способности земляного полотна и удешевлению строительства. Технического решения состоит в том, что применены дорожные плиты, размеры которых зависимы от размеров между колей (ширина) и осями (длина) транспорта средней грузоподъемности. За счет укороченных колейных плит решается задача снижения транспортной нагрузки на основание и экономия первоначальных затрат за счет применения плит меньшей толщины и обычного грунта для основания.
Недостатком технического решения является ограниченная несущая способность сборного покрытия, максимально выдерживающая колейную нагрузку лишь транспорта средней грузоподъемности, что ограничивает пропуск крупнотоннажных перевозок.
Ближайшим аналогом является «Способ устройства дорожного покрытия на подкладках», описанный в патенте RU 2648122 С1, Е01С 5/06, опубл. 22.03.2018 г., предотвращающий деформации стыков и швов в дорожном покрытии. Способ устройства железобетонного дорожного покрытия на подкладках включает подготовку насыпи из песка или из песчано-гравийной смеси (ПГС), устраиваемой по грунтовому основанию (коренному грунту) или утрамбованной насыпи. При этом в стыках и в местах предусматриваемых температурных швов, а также возможно и в промежутках между ними, предварительно по грунтовому основанию укладывают (устраивают) сборные или монолитные ж/б подкладки, играющие роль демпфера, с заполнением промежутка между ними песком или ПГС заподлицо с поверхностями этих подкладок с последующим устройством по ним сборного или монолитного железобетонного дорожного покрытия.
К недостаткам данного дорожного покрытия следует отнести невысокие сроки эксплуатации при интенсивном пропуске большегрузного транспорта на слабых грунтах.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в повышении несущей способности полотна дорог за счет снижения и равномерного распределения нагрузки на большую площадь основания для исключения разуплотнения материала, образования просадок и колейности, и для продления сроков эксплуатации при интенсивном пропуске большегрузного транспорта на слабых грунтах.
Эта задача может быть решена с помощью признаков, изложенных в независимом пункте формулы изобретения. Предметом зависимых пунктов формулы изобретения являются оптимизированные варианты выполнения дорожного покрытия.
Согласно изобретению, дорожное покрытие выполнено из прямоугольных железобетонных плит длиной (L) и шириной (Н), уложенных рядами вдоль дорожного полотна на дорожное основание из железобетонных элементов. Железобетонные элементы основания представляют собой плиты одинаковой формы и размеров, что и плиты дорожного покрытия, при этом:
- плиты основания уложены параллельными рядами вдоль дорожного полотна, а их суммарная ширина определяет ширину дорожного основания;
- плиты дорожного покрытия уложены поверх дорожного основания со смещением относительно плит дорожного основания на половину длины (L) и ширины (Н) указанных плит дорожного основания;
- по серединам боковых сторон плит дорожного основания и дорожного покрытия выполнены стыковочные элементы, предназначенные для обеспечения соединения как смежных плит дорожного основания и дорожного покрытия, так и плит дорожного основания и дорожного покрытия между собой.
Параметры железобетонных плит следует выбирать в зависимости от расстояниями между колесами осей и расстояниями между осями из условия обеспечения касания и перемещения по отдельно взятой плите одного колеса или колес только одной ходовой части крупнотоннажного транспортного средства в любой момент времени.
Дорожное покрытие целесообразно выполнять сборно-разборным. Соединение смежных плит дорожного основания и смежных плит дорожного покрытия, а также плит дорожного основания и дорожного покрытия между собой является не жестким, допускающим взаимный сдвиг и/или поворот соединяемых плит друг относительно друга. Стыковочные элементы плит соединяют между собой скобами и/или цепями.
Поворот дорожного полотна может быть выполнен посредством радиальных железобетонных плит дорожного основания и дорожного покрытия, снабженных стыковочными элементами, предназначенными для обеспечения нежесткого соединения как смежных радиальных плит дорожного основания и дорожного покрытия, так и радиальных плит дорожного основания и дорожного покрытия между собой, и/или с плитами дорожного основания и дорожного покрытия.
На дорожное покрытие может быть нанесен слой асфальта.
Техническим результатом применения дорожного покрытия согласно изобретению является снижение нагрузки и равномерное распределение ее на большую площадь основания для исключения локальных напряжений - причин образования просадок, колей при интенсивном пропуске большегрузного транспорта на слабых грунтах.
Настоящее изобретение включает принцип расчета дорожной железобетонной плиты, параметры которой всегда обеспечивают касание и перемещение по плите только одного колеса или колес только одной ходовой части крупнотоннажного транспорта.
Краткое описание чертежей
Изобретение подробно описано со ссылками на чертежи.
Фиг. 1 - схема укладки плит дорожного покрытия;
фиг. 2 - прямоугольная плита со стыковочными элементами;
фиг. 3 - монтажно-стыковочное соединение плит (соединение плиты верхнего слоя с плитой нижнего слоя через скобу и крепеж смежных плит одного слоя с помощью цепи);
фиг. 4 - схема монтажа радиальных стыковочных элементов нижнего слоя плит при повороте дорожного полотна;
фиг. 5 - схема монтажа радиальных стыковочных элементов верхнего слоя плит при повороте дорожного полотна;
фиг. 6 и 7 - схема Автопоезда-Сортиментовоза МАЗ-642205-020, МАЗ-998640 с указанием колесных нагрузок и соответствующее распределение нагрузки по опорным плитам дорожного покрытия;
фиг. 8 и 9 - схема прицепного автопоезда с указанием колесных нагрузок и соответствующее распределение нагрузки по опорным плитам дорожного покрытия.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг. 1, дорожное покрытие выполнено из прямоугольных железобетонных плит длиной (L) и шириной (Н), уложенных рядами вдоль дорожного полотна на дорожное основание из железобетонных элементов. Железобетонные элементы основания представляют собой плиты одинаковой формы и размеров, что и плиты дорожного покрытия.
Плиты 2 основания (плиты нижнего слоя) уложены параллельными рядами вдоль дорожного полотна, а их суммарная ширина определяет ширину дорожного основания. Плиты 1 дорожного покрытия (плиты верхнего слоя) уложены поверх дорожного основания со смещением относительно плит дорожного основания на половину длины (L) и ширины (Н) указанных плит 2 дорожного основания. По серединам боковых сторон плит 2 дорожного основания и плит 1 дорожного покрытия выполнены стыковочные элементы 3, предназначенные для обеспечения соединения как смежных плит 2 дорожного основания и плит 1 дорожного покрытия, так и плит 2 дорожного основания и плит 1 дорожного покрытия между собой.
Согласно изобретению, конструкция дорожного покрытия распределяет локальную транспортную нагрузку от каждого пятна шины одного колеса оси или пятен шин одной ходовой части транспорта через площадь плиты дорожного покрытия равномерно на площадь 4-х плит дорожного основания (фиг. 1). Это решение принципиально меняет характер работы плит дорожного основания, которая направлена на распределение и многократное снижение нагрузки от каждого колеса на большую площадь основания и гашение разуплотняющих ее грунт напряжений.
Еще одной особенностью предложенной конструкции является не жесткое соединение сборных железобетонных плит, что позволяет осуществлять распределение транспортной нагрузки раздельно от каждой плиты на большую площадь основания. И в тоже время, не жесткий крепеж через монтажно-стыковочные соединения (скобами, цепями) обеспечивает достаточную динамичную устойчивость плит, как по вертикальной оси, так и по горизонтальным осям и допускает температурные сжатия и расширения (фиг. 3). Вторая важная характеристика конструкции, это расчетное соответствие габаритных размеров плит колейным (ширины), осевым (длины) размерам и грузоподъемности пропускаемого транспорта. Это условие обеспечивает касание с плитой и перемещение по плите только одного колеса или колес только одной ходовой части крупнотоннажного транспорта.
В данном случае для расчета габаритных размеров плит использованы параметры современных крупнотоннажных траков, широко эксплуатируемых на дорогах всех стран. Известно, что ширина колеи МАЗ, MAN, RAF и др. более 2 метров, а расстояние между осями не менее 3,6 м.
2
2
К примеру, МАЗ-642205-020 имеет ширину колеи передних и задних колес - 2,032 м. Следовательно, для разделения осевой нагрузки на две плиты, ширина каждой из плит должна быть меньше ширины колеи транспорта, т.е. менее 2,032 м. Длина плиты не должна превышать расстояния между осями - 3,6 м. Предпочтительно выбраны параметры прямоугольной плиты: шириной - 1,75 м, длиной - 3,0 м и толщиной - 0,17 м., грузоподъемностью 30 т. Наиболее подходящей, для рассматриваемого случая, является серийная предварительно напряженная железобетонная плита 1П30-18-30 ГОСТ 21924.0-84 площадь - 5,25 м с ребристыми поверхностями, масса - 2,2 т. бетон - 88 м. Возможно применение дорожных плит из железобетона, с арматурой, напряженной в продольном направлении, а в поперечном направлении - ненапряженной арматурой [ГОСТ - 25912.1-91].
На фиг. 2 представлены размеры плиты. На фиг. 3 представлено монтажно-стыковочное соединение плит (соединение плиты дорожного покрытия с плитой основания через скобу и крепеж смежных плит одного слоя с помощью цепи). Смонтированные узлы изолируют строительной пеной.
2
2
2
2
При данном условии обеспечивается распределение локальной нагрузки от каждого пятна шины равномерно по площади отдельной плиты дорожного покрытия. Плита дорожного покрытия распределяет полученную нагрузку на площадь 4-х плит (5.25 м×4=21 м) основания, а осевую нагрузку на 8 плит (5.25 м×8=42 м). Многократно сниженная и распределенная по всей площади 8 плит основания нагрузка передается основанию, что не вызывает разуплотнение материала основания, образование просадок, колейности, а уплотняет (консолидирует) ее, продлевая срок эксплуатации дорожного полотна. Для примера представлены эксплуатационные характеристики предложенной конструкции под действием статических колесных нагрузок траков, имеющих различные межосевые размеры.
Пример 1 (фиг. 6, 7)
2
Фиг. 6. - Автопоезд-Сортиментовоз МАЗ-642205-020, МАЗ-998640 с колесными нагрузками. Фиг. 7. - Распределение нагрузки по опорным плитам дорожной одежды 1 - расположение колес; 2 - плиты нижнего слоя; 3 - плиты верхнего слоя, 4 - исходная осевая нагрузка, 5 - нагрузка плит на основание, I-VI - ряды плит нижнего слоя. Как видно из фиг. 7 нагрузка от каждого колеса (41,47 кН) первой оси, размещенная на отдельной плите верхнего слоя (41,47 кН:2=20,735 кН) перераспределена на площадь - 21 м 4-х плит I-II ряда нижнего слоя (20,735:21=0.98 кН).
2
Суммарная нагрузка 2-й и 3-й оси (67,4 кН+67,5 кН=134,9 кН), размещенная на 2-х отдельных плитах верхнего слоя (134,9 кН:2=67,45 кН), перераспределяется от каждой плиты верхнего слоя на площадь 4-х плит II-III ряда нижнего слоя 67,45 кН:21 м=3,21 кН.
Как видно на схеме, нижние плиты II ряда подвержены суммарной нагрузке от первой+(второй+третьей оси) 0,98 кН+3,21 кН=4,19 кН.
2
Нагрузка четвертой оси (69,6 кН), размещенная на 2-х отдельных плитах верхнего слоя (69,6:2=34,8 кН) распределяется от каждой плиты верхнего слоя на площадь 4-х плит IV, V ряда нижнего слоя (34,8:21 м=0,66 кН).
Суммарная нагрузка 5-й и 6-й оси (70,0 кН+41,6 кН=111,6 кН), размещенная на 2-х V, VI, ряда нижнего слоя 55,8 кН:21=2,66 кН. Из схемы так же видно, что нижние плиты V ряда подвержены дополнительной нагрузке и от колеса 4-й оси: 2,66 кН+0,66 кН=3,32 кН.
Согласно представленной эксплуатационной характеристике, предложенная конструкция обеспечивает повышенную несущую способность дорожного полотна для пропуска Автопоезда-Сортиментовоза МАЗ. Более чем в 20 раз снижение транспортной нагрузки позволяет круглогодично эксплуатировать дороги, исключив зимне-весенние перерывы. Особая ценность данной конструкции для лесозаготовителей еще и в том, что по окончании работ или изменении мест лесозаготовок, сборную конструкцию без потерь можно разобрать и переместить на новую трассу. Разборку и сборку плит (2,2 т) способны выполнить лесовозы с грузоподъемниками (2,8 т), что экономически привлекательно.
2
2
2
2
Пример 2 (фиг. 8, 9). Нагрузка передней оси - 8 т, расположенная колесами на двух плитах верхнего слоя конструкции, (8 т:2=4 т) перераспределена от каждой плиты верхнего слоя на площадь 4-х плит нижнего слоя (4000 кгс:21 м=190,48 кгс/м=1,87 кН). Нагрузка второй оси 10 т, так же размещенная колесами на двух плитах верхнего слоя, (10 т:2=5 т) перераспределена от каждой плиты верхнего слоя на площадь 4-х плит нижнего слоя (5000 кгс:21 м=238,09 кгс/м=2,33 кН).
2
2
2
Второй ряд нижних плит имеет суммированную нагрузку от первой и второй оси: 190,48 кгс/м+238,09 кгс/м=428,52 кгс/м=4,11 кН.
2
2
2
2
Нагрузка третьей, четвертой и пятой оси суммарно составляет 24 т, которая распределена тремя колесами одной ходовой части на две плиты 24 т:2=12 т. Нагрузка каждой плиты верхнего слоя распределена на площадь 6 плит (5,25 м×6=35,1 м) нижнего слоя: 12000 кгс:31,5 м=380,95 кгс/м=3,73 кН.
2
Анализ результатов установил универсальную способность данной конструкции обеспечить повышенную несущую способность дорожного полотна для пропуска крупнотоннажного транспорта вне зависимости от различий меж осевых размеров разных марок автопоездов. Конструктивное снижение транспортной нагрузки, к примеру, - 24 т. трех осей до 380,95 кгс/м, позволяет максимально сократить расчетную толщину уплотненного слоя основания из местного грунта.
Дорожное покрытие, согласно изобретению, способно укрепить несущую способность грузовых площадок различного назначения, в частности, взлетно-посадочные полосы аэродромов, фундаментов.
2
Пример №3. Применение сборной пирамидальной конструкции для строительства взлетно-посадочных полос аэродромов. Удар колес современных самолетов Аэробус-320, Боинг 737 и др. о плиты покрытия при посадке=300-330 т. Размеры колеи колес Аэробуса-320=5 м, и Boing'a-737=3,76 м, являются определяющими при выборе размеров плит конструкции для посадочных полос. Для сборной пирамидальной конструкции полос аэродромов подходящие параметры у плиты - ПДП 60.20-100. AIV-а.F 200. Это плита дорожная, прямоугольная, длиной 6000 мм, шириной 2000 мм, (S=12 м) под нагрузку 100 кН, с напряженной арматурой стали класса AIV и морозостойкостью бетона класса F 200.
2
2
2
Ударная нагрузка при посадке бортовыми колесами передается на две плиты верхнего слоя конструкции (330 т:2=165 т). Далее, через плиту верхнего слоя перераспределяется на площадь 4 плит (12 м×4=48 м) нижнего слоя и на и основание. (165 т.:48 м=3,44 т.=33,7 кН). В итоге, сборная пирамидальная конструкция снижает ударную нагрузку самолета 300-330 т. до 3,44 т.
se
3
Из примера следует, что предложенная конструкция повышает несущую способность площадок и одновременно снижает нагрузки на основание. Это подтверждает обоснованность применения низкой категории прочности «С» основания (Коэффициент постели основания 25<K≤60 МН/м) для посадочных полос аэродромов
Предложенная конструкция также способна повышать несущую способность опорных одежд, при устройстве оснований под плиты без свайных фундаментов зданий, эстакад и сооружений. Особенно это актуально для строительства в районах вечной мерзлоты и болот.
Повороты трассы имеют особенности монтажа радиальных стыковочных элементов заявляемой конструкции. Кривизна, число поворотов дорожного полотна определяются по месту во время проектно-изыскательных работ трассы.
Схемы монтажа элементов поворота дорожного покрытия представлены на фиг. 4 и 5.
Р-1, Р-2, Р-3 - радиальные стыковочные железобетонные элементы толщиной 170 мм. Размеры элементов зависят от угла поворота и рассчитываются проектировщиками заранее для изготовления. После укладки радиальные элемента не жестко крепятся с плитами нижнего слоя через монтажно-стыковые узлы. Радиус кривизны поворота для траков не менее 12,5 м.
Р-4, Р-5, Р-6, Р-7 - радиальные стыковочные железобетонные элементы толщиной - 170 мм. После укладки элементы не жестко крепятся с плитами верхнего слоя через монтажно-стыковые узлы.
Изобретение представляет собой экономичную сборную железобетонную конструкцию дорожного покрытия, обладающего повышенной несущей способностью за счет жесткой опоры для колес и многократного снижения нагрузки на единицу площади основания, которая не вызывает разуплотнение материала основания, образование просадок, колейности, а уплотняет (консолидирует) ее, при интенсивном пропуске крупнотоннажного транспорта и продлевает сроки эксплуатации дорог. Для защиты от факторов погоды и неровностей монтажа плит, конструкция может быть покрыта слоем асфальта 7-9 см. Плиты дорожного покрытия легко заменить, а также разбирать для доступа к земляным работам, прокладке коммуникаций или переносе трассы.