Конструирование нежестких дорожных одежд

Конструирование нежестких дорожных одежд

Е.В. Углова, О.В. Конорева, А. С. Конорев, А.Б. Гуляжинов Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: В статье представлен анализ отечественного и международного опыта конструирования современных нежестких дорожных одежд. Приведена оценка существующих конструкций на автомобильных дорогах с высокой интенсивностью движения; обозначена структура каталога нежестких дорожных одежд, разработанного на основе проведенных исследований.

Ключевые слова: конструирование, нежесткая дорожная одежда, конструктивные слои, суммарное число приложений расчетной нагрузки, класс транспортной нагрузки.

Проектирование дорожных конструкций представляет собой единый процесс конструирования и проверки на прочность и морозостойкость назначенных конструкций. В настоящее время дорожные конструкции назначаются на основе материаловедческих данных и опыта их работы при тех или иных уровнях транспортных нагрузок и зачастую превосходят требуемый запас прочности, рассчитанный в соответствии с действующей методикой (ОДН 218.046-01, ОДМ 218.2.028-2012). Возросшие за последнее десятилетие транспортные нагрузки приводят к необходимости пересмотра принципов конструирования дорожных одежд, так как конструирование по действующему нормативу в настоящее время не обеспечивает требуемой долговечности дорожных конструкций.

Если анализировать конструирование пакета асфальтобетонных слоев, то, в соответствии с ОДН, толщину покрытия назначают минимальной по нормам действующего СП, а толщину асфальтобетонного основания определяют расчетами на прочность.

Оценка отечественного и зарубежного опыта показывает, что одним из основных моментов является функциональное конструирование асфальтобетонных слоев, когда за каждым слоем закреплены определенные

функции, в соответствии с которыми подбирается состав материалов слоев и назначаются соответствующие методы испытаний.

Так норматив ZTBAsphalt-StB 07 (Германия)[11] содержит требования к верхнему, связующему (нижний слой покрытия) и несущему (нижний слой основания) асфальтобетонным слоям по зерновому составу, физико-механическим показателям, с рекомендациями по количеству и типу вяжущего. В верхнем слое (например, асфальтобетон АС 1Ш, либо щебеночно-мастичный асфальтобетон SMA 11(8) S) рекомендовано использовать полимерно-битумное вяжущее ПБВ 45 для 8¥ и I классов нагрузки (самые высокие классы) для обеспечения трещиностойкости под воздействием температурных напряжений и повышения устойчивости к колееобразованию. В связующем слое (асфальтобетон АС 22(16) BS) также рекомендуется использовать полимерно-битумное вяжущее ПБВ 45, либо вяжущее марки 30/45 (более вязкое, нежели в нижнем асфальтобетонном слое) для снижения колееобразования. Для нижнего (несущего) слоя (АС 32(22) TS) рекомендована основная марка вяжущего 50/70 для обеспечения устойчивости к усталостному трещинообразованию в результате многократного приложения транспортной нагрузки.

Те же тенденции характерны и для дорожной одежды, построенной в Калифорнии (США) на междуштатной автомагистрали - freewayI-710. В верхнем слое взят асфальтобетон на полимерно-битумном вяжущем для повышения сопротивления колееобразованию, в нижнем слое пакета асфальтобетонных слоев - асфальтобетон с меньшим количеством пор и большим содержанием битума, по сравнению с вышележащими слоями, обеспечивающим лучшую усталостную долговечность [8].

Важнейшим принципом конструирования является зависимость толщин конструктивных слоев от суммарного числа приложения транспортной нагрузки.

В нормах и правилах по стандартизации конструкций дорожных одежд ЯЗЮ 11 (Германия) [10] приведены конструкции с асфальтобетонными покрытиями на различных типах основания для суммарного числа приложения расчетных нагрузок (!Жр) от 0,1 до 32 млн. Так для конструкций на основании из каменного материала, обработанного неорганическим вяжущим толщина асфальтобетонных слоев варьируется от 14 см (!Жр=0,1 млн) до 26 см (!Жр>32 млн); при этом толщина слоя основания остается постоянной - 15 см. Для конструкций на основании из необработанного щебеночного или гравийного материала толщина асфальтобетонных слоев варьируется от 12 см (!Жр=0,1 млн) до 30 см (!Жр>32 млн); при этом толщина щебеночного основания также остается практически неизменной: 30см при !Жр=0,1 -0,3 млн, и 40 см при !Жр=0,3-32 млн.

В итальянском каталоге дорожных одежд [9] сохраняются те же тенденции. Для конструкций на необработанном щебеночном основании толщина асфальтобетонных слоев меняется от 33 см при !Жр=10млн до 43 см при !Жр=45млн. Конструкции на основаниях, обработанных цементом имеют толщину асфальтобетонных слоев от 21 см при !Жр=10млн до 30 см при !Жр=45млн. При этом толщина слоя основания остается постоянным: в первом случае - 15 см, во втором - 30 см.

Инженерами штата Северная Каролина по запросу Департамента Транспорта США предложены характерные для штата конструкции для 30 и 5 млн приложений ESAL, рассчитанные на срок службы 30 лет. Конструкции, представленные в таблице 1, вписываются в общую схему, представленную ранее: на щебеночном основании толщиной 25 см уложены в первом случае 40.5 см асфальтобетона, а во втором случае 25.5 см [8].

Таблица 1 - Конструкции дорожных одежд на гранулированном основании, типичные для штата Северная Каролина

Конструктивные слои

Верхний слой а/б покрытия

Связующий а/б слой Слой а/б основания

Щебеночный слой основания

Грунт Е=69 МПа

Толщина слоев, см, для числа приложений расчетных нагрузок

30 млн Е8ЛЬ, срок службы 30 лет

10

7,5 23

25

5 млн Е8ЛЬ, срок службы 30 лет

При конструировании дорожных одежд большое внимание следует уделять прочности грунта рабочего слоя земляного полотна [6], с требованием соблюдения некоторых минимальных значений его модуля упругости, при котором вся вышележащая конструкция будет экономически эффективной. Например, при модуле упругости грунта ниже 45 МПа экономически целесообразно повысить прочность грунта рабочего слоя, используя методы стабилизации и укрепления грунта, нежели увеличивать толщину дорогостоящих конструктивных слоев дорожной одежды. Если говорить о конкретных значениях минимального модуля упругости грунта, то в немецком каталоге (ЯБЮИ), а также в отечественном ВСН 46-83 это 45 МПа, в итальянском каталоге дорожных одежд - 30МПа.

Во многих документах по проектированию дорожных одежд встречаются требования к минимальному модулю упругости на

границедополнительный слой основания - слой основания илина границе асфальтобетонные слои - слой основания.

В документе ЯЗЮ 11 требуется обеспечение минимального модуля упругости на морозозащитном слое (дополнительном слое основания) Е=120 МПа. Для дорожных одежд на основании из необработанных щебеночно -гравийных материалов фиксирован модуль упругости на границе асфальтобетонные слои -щебеночный (гравийный) слой основания и равен Е=150 МПа.

В итальянском каталоге дорожных одежд предложены конструкции для различных модулей упругости на поверхности дополнительного слоя основания Е=30, 90 и 150 МПа. В зависимости от модуля упругости на поверхности дополнительного слоя основания изменяется толщина слоев основания: нижнего асфальтобетонного слоя и следующего за ним несущего слоя основания.

Департаментом транспорта США в рамках программы LTPP опубликовано исследование «Влияние циклов многократного замораживания и глубины промерзания на долговечность дорожных одежд и их стоимость» [8]. В отчете представлены конструкции дорожных одежд типичные для различных штатов. Для штата Нью-Йорк представлены конструкции на грунте с различным модулем упругости от 28 МПа до 62 МПа. Общая толщина асфальтобетонных слоев для конструкций не меняется (25 см), тогда как слой основания из щебеночного материала заметно варьируется: от 60 см до 15 см (данные указаны для суммарного числа приложения нагрузок 80кН на ось Шр>150-300 млн).

Таковы примерные принципы конструирования дорожных одежд. На основании анализа существующих дорожных конструкций и с учетом мирового опыта проектирования компанией ООО «Доринжсервис» разработан каталог нежестких дорожных конструкций (СТО Автодор 2.25) с учетом параметров современного транспортного потока на магистральных

дорогах. Каталог разработан для автомобильных дорог Государственной компании «Автодор» 1-11 категорий, дорог с высокой интенсивностью и скоростями движения и значительным грузопотоком. Конструкции разрабатывались с применением описанных выше принципов конструирования, характерных для различных стран [5,1,2,3].

Материалы конструктивных слоев дорожной одежды в каталоге выбираются с учетом класса транспортной нагрузки. Класс транспортной нагрузки назначается исходя из расчетного суммарного числа приложений расчетной нагрузки 115кН (А11,5) к поверхности покрытия наиболее нагруженной полосы движения и средней скорости движения транспортного потока на участке. Выделены три класса транспортной нагрузки: средний (С); высокий (В); сверхвысокий (СВ) [4].

Представленные в каталоге конструкции дорожной одежды рассчитаны с учетом обеспечения общего модуля упругости на поверхности дополнительного слоя основания не менее Е>85 МПа (рисунок 1). Одним из требований каталога является минимальный модуль упругости грунта 45 МПа.

Е>85 МПа

777гуV V V

5

7 7 7 7*7 7 7 7

грунт з.п.

ВЕРХНИМ СЛОИ ПОКРЫТИЯ НИЖНИЙ СЛОИ ПОКРЫТИЯ ВЕРХНИМ СЛОЙ ОСНОВАНИЯ

СРЕДНИЙ СЛОЙ ОСНОВАНИЯ

НИЖНИЙ СЛОЙ ОСНОВАНИЯ

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ СЛОЙ ОСНОВАНИЯ

Рисунок 1 - Схема конструкции дорожной одежды

При пользовании каталогом рекомендуется следующий порядок назначения конструкции дорожной одежды:

1. Определяется суммарное число приложений расчетной нагрузки (115 кН) за расчетный срок службы.

2. В соответствии с суммарным числом приложений расчетной нагрузки и средней скоростью движения транспортного потока на рассматриваемом участке автомобильной дороги назначается класс транспортной нагрузки: средний (С), высокий (В) и сверхвысокий (СВ).

3. Вид асфальтобетона и марка вяжущего для слоев асфальтобетона назначается с учетом класса транспортной нагрузки и дорожно-климатической зоны.

В каталоге предусмотрено назначение вида асфальтобетона и вяжущего с учетом принципа функционального конструирования. Основное назначение верхнего слоя покрытия дорожной одежды заключается в обеспечении сцепных качеств покрытия, устойчивости к истиранию, и температурному трещинообразованию.

Для устройства верхнего слоя следует применять щебеночно-мастичный асфальтобетон ЩМА, для среднего класса транспортных нагрузок допускается применение высокоплотного асфальтобетона и горячего мелкозернистого плотного асфальтобетона типа А.

Нижний слой асфальтобетонных покрытий выполняет функцию несущего слоя покрытия дорожной одежды и должен быть устойчивыми к накоплению пластических деформаций при повышенных летних температурах при многократном приложении транспортных нагрузок.

В нижнем слое покрытий для всех классов транспортных нагрузок используют плотные полимерно-дисперсно-армированные асфальтобетоны (ПДА-асфальтобетоны).

Верхний слой оснований (совместно со слоями покрытий) должен обеспечивать несущую способность дорожных одежд и быть устойчивым к

усталостному трещинообразованию и накоплению пластических деформаций при многократном приложении транспортных нагрузок.

Для его устройства используют:

-ПДА-асфальтобетоны плотные или пористые при сверхвысоком и высоком классах транспортной нагрузки;

- плотные или пористые асфальтобетоны при среднем уровне транспортной нагрузки.

4. Дорожные конструкции в каталоге сгруппированы по суммарному числу приложений расчетной нагрузки: 15 - 30 млн., 7-15 млн., 3-7млн., 2 - 3 млн. В соответствии с заданным суммарным числом приложения расчетной нагрузки (расчетным ресурсом), уровнем надежности выбираются несколько вариантов дорожной одежды на различных основаниях с указанными толщинами конструктивных слоев. Для устройства среднего или нижнего слоя основания используются:

- органоминеральные смеси (щебеночно-гравийно-песчаные смеси, обработанные органическим совместно с минеральным вяжущим), в том числе, с использованием асфальтогранулята;

- смеси щебеночно-песчаные, гравийно-песчаные, щебеночно-гравийно-песчаные, обработанные неорганическими вяжущими;

- смеси щебеночно-песчаные из шлаков;

- готовые щебеночно-песчаные смеси.

5. Толщина дополнительного слоя основания определяется расчетом дорожной конструкции на морозоустойчивость, проверкой обеспечения сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных слоев основания, а также необходимостью обеспечения требуемых дренажных характеристик конструкции в соответствии с (ОДН 218.046-01).

6. Для заданных исходных данных назначаются варианты конструкции дорожной одежды. Выбор окончательного варианта конструкции дорожной

одежды осуществляется на основании технико-экономического сравнения (ОДМ 218.2.028-2012).

Для сравнительного анализа толщин конструктивных слоев типовых конструкций, предложенных в каталоге, с конструкциями из каталогов Италии, Францзии, Германии и примерами существующих конструкций в США были назначены конструкции для одинаковой интенсивности движения и срока службы 18 лет. Конструкции назначались для интенсивности движения 35000 авт/сут (примерная интенсивность движения на автомагистрали 1а категории) с распределением по типам транспортных средств, представленным в таблице 2.

Таблица №2

Распределение нагрузки по типам транспортных средств

Тип транспортного средства авт/сут.

1.Легковые автомобили 27 500

2.Грузовые автомобили:

2.1 Легкие (грузоподъёмность 1-2т) 717

2.2 Средние (грузоподъёмность 2-5т) 717

2.3. Тяжелые (грузоподъёмность 5-8т):

344

ГР-ш- 379

2.4. Автопоезда с полуприцепом: 85

374

2 740

Продолжение таблицы №2

195

si. I

521

ш

2.5. Автопоезда с прицепом:

184

482

3. Автобусы

(микроавтобусы) 354

¡НЕЙ! 288

Итого: 35 000

Сравнение толщин слоев проводилось для двух типов конструкций: на гранулированном необработанном основании и на основании из гранулированного материала, обработанного цементом (таблица 3).

Выполненный анализ показывает, что толщина асфальтобетонных слоев меняется незначительно для заданной интенсивности движения и находится в пределах от 26 до 32 см для конструкций на необработанном основании и от 20 до 22 на основании из гранулированного материала, обработанного цементом.

Таблица 3

Сравнительный анализ толщин конструктивных слоев типовых дорожных

одежд*

№ Конструктивные слои Италия, каталог типовых конструкц ий, 1993[9] Германия RStO11, 2011[10] Франция, каталогти повыхкон струкций, 1998 [7] США, типовые конструкции (по данным деп. транспорта), 2006, для штатов [81 Россия, СТО Автодор 2.252015

Нью Йор к Сев. Кар оли на Мич иган

1 Асфальтобетонны еслои, см 32 26 27,5 27,5 33 17,5 28

Гранулированноео снование, см - 20 12 16 10 45 20

2 Асфальтобетонны еслои, см 20 22 21 22

Гранул. материал, обработанный цементом 20 15 21 18

*Конструкции представлены с общим модулем упругости на нижней границе основания Е=120 МПа

Литература

1. Конорев А.С., Конорева О.В., Холадаев А.А., Фарниева М.В., Симакова А.А. Сравнительный анализ дорожных конструкций по критерию усталостного разрушения. //Инженерный вестник Дона, 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3814

2. Конорева О.В., Муравьев Ю.А. Анализ современных методов повышения устойчивости асфальтобетонных покрытий к колееобразованию.

//Инженерный вестник Дона, 2G16, №4 URL:

ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2G16/38G2

3. Углова Е.В., Тиратурян A.H., Aкулов В.В., Валенцев ДА, Шаталов В. Ю. Учет вероятностной составляющей при назначении проектных модулей упругости слоев асфальтобетона//Инженерный вестник Дона, 2G16, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2G16/3647

4. Углова Е.В., ^норев A.C, ^норева О.В. Учет воздействия транспортного потока при расчете дорожной конструкции на стадии проектирования и определения остаточного ресурса дорожных одежд на стадии эксплуатации//Интернет-журнал науковедение. 2G12. № 4 (13)-с.220

5. Углова Е.В., ^норева О.В., ^норев A.С. Разработка каталога нежестких дорожных одежд для автомобильных дорог I-II категорий. Дороги и мосты, Вып. 34-2G16. С. 87-101.

6. ^лижников A.M. Результаты экспериментальных исследований транспортно-эксплуатационных характеристик и водно-теплового режима грунтов на участках федеральных автомобильных дорог московской области. Дороги и мосты, Вып. 2-2GG6. С. 149-159

7. Catalogue des structures types de chausses neuves / Ministere de l Equipement des Transports et du Logement. Edition 1998. 321 p.

8. Guide for Mechanistic - Empirical Design Of New And Rehabilitated Pavement Structures ARA / Inc. ERES Division 5G5 West University Avenue Champaign, Illinois 6182G. - 1999 - 3731 p.

9. Modello di catalogo delle pavimenta zioni stradali. Napoli, dicembre 1993. -46 p.

1G. RStO 11 Richtlinien fur die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflachen. Ausgabe 2G11. 31 p.

11. ZTV Asphalt-StB 07 Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur den Bau von Verkehrsflachen befestigungenaus Asphalt. Ausgabe 2007. - 82 p.

References

1. Konorev A.S., Konoreva O.V., Holadaev A.A., Farnieva M.V., Simakova A.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3814.

2. Konoreva O.V., Murav'ev Ju.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3802.

3. Uglova E.V., Tiraturjan A.N., Akulov V.V., Valencev D.A, ShatalovV.Ju. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2016/3647.

4. Uglova E.V., Konorev A.S., Konoreva O.V. Internet-zhurnal naukovedenie. 2012. № 4 (13).p.220

5. Uglova E.V., Konoreva O.V., Konorev A.S. Dorogi i mosty, Vyp. 34.2016. pp. 87-101.

6. Kulizhnikov A.M. Dorogi i mosty, Vyp. 2.2006. pp. 149-159

7. Catalogue des structures types de chausses neuves Ministere de l Equipement des Transports et du Logement. Edition 1998. 321 p.

8. Guide for Mechanistic. Empirical Design of New And Rehabilitated Pavement Structures ARA Inc. ERES Division 505 West University Avenue Champaign, Illinois 61820.1999. 3731 p.

9. Modello di catalogo delle pavimentazioni stradali. Napoli, dicembre 1993. 46 p.

10. RStO 11 Richtlinien fur die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflachen. Ausgabe 2011. 31 p.

11. ZTV Asphalt.StB 07 Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur den Bau von Verkehrsflachenbefestigungenaus Asphalt. Ausgabe 2007. 82 p.