СПОСОБ И КОНСТРУКЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ С ТВЕРДЫМ КОЛЕЕЗАЩИЩЕННЫМ ПОКРЫТИЕМ
METHOD AND DESIGN OF MOTOR ROAD CONSTRUCTION AND REPAIR WITH HARD RUT-PROTECTED COATING

Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано для адресной защиты дорог с твердым покрытием от образования колей.
На автомобильных дорогах с твердым покрытием, особенно на интенсивно эксплуатируемых, происходит образование колей глубиной до десятка сантиметров, которые оказывают серьезное негативное воздействие на безопасность движения транспорта, скорость его передвижения, а также наносит значительный ущерб экономике страны [7]. В большинстве случаев образование колей на федеральных автомобильных дорогах происходит по правой крайней полосе, где движение грузового транспорта наиболее значительное. Это объясняется тем, что большинство автомобильных дорог было запроектировано и построено в 50-60-е годы и рассчитано на осевую нагрузку в 6 т.с., когда в настоящее время осевая нагрузка достигает 11,5-13 тонн, а нормативная расчетная составляет 11,5 тонн на ось [7]. Однако встречаются случаи, когда наблюдается глубокая колея при условии того, что дорога запроектирована на нагрузку 11,5 т.с. на ось, а в покрытии уложены слои из асфальтобетона, позволяющего обеспечить устойчивость к пластической деформации. Обследования таких дорог, проводимые Московским автомобильно-дорожным институтом на МКАД и основных магистралях Москвы, показали, что наиболее интенсивно процесс колееобразования происходит в крайней левой полосе движения, что не может быть объяснено тем, что процесс колееобразования вызван движением тяжелого грузового транспорта [7]. Известно, что по вине асфальтобетона возникает только 19% глубины колеи, а в остальных 81% виновата недостаточная несущая способность нижележащих слоев щебеночного основания [1].
Известен способ укрепления основания автомобильных дорог (патент РФ №2323292, МПК Е01С 3/00, 2006) путем последовательной укладки на него фракционного щебня различных фракций с различной максимальной толщиной основания и сухой смеси с последующим виброуплотнением основания для образования каменного каркаса, пустоты которого заполняют сухой смесью песка с последующей очисткой его поверхности до выступления крупного фракционного щебня над поверхностью основания на 15-20 мм. В данном способе с целью повышения жесткости основания дороги применяют заполнение межщебеночного пространства песчаной сухой смесью повышенной плотности.
Существенным признаком аналога, совпадающим с существенным признаком заявляемого способа, является укрепление основания дороги.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются незначительное снижение величины продавливания дорожного полотна и глубины колееобразования, существенное повышение стоимости и увеличение сроков возведения дороги.
2
Известен способ устройства оснований для автомобильных дорог и аэродромов (Патент РФ №2317364, МПК Е01С 3/00; Е01С 7/18, 2005), включающий приготовление шлакощебеночной смеси с различным содержанием доменного шлака и сталеплавильных шлаков смешением на дороге, раскладку ее в один или два слоя на грунте или дренирующем слое, увлажнение, пропитку битумной эмульсией и уплотнение основания, причем перед уплотнением основания в шлакощебеночную смесь вводят битумно-минеральную эмульсию, содержащую жидкую фазу - карбонаты калия или натрия в количестве 1-10 л/м, перемешивают с последующей механоактивацией полученной смеси последовательно средним и тяжелым катками, а уплотнение основания производят трамбующим катком. В данном способе с целью повышения жесткости основания дороги применяют пропитку шлакощебеночной смеси битумной или битумно-минеральной эмульсией.
Существенным признаком аналога, совпадающим с существенным признаком заявляемого способа, является укрепление основания дороги.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются незначительное снижение величины продавливания дорожного полотна и глубины колееобразования, существенное повышение стоимости и увеличение сроков возведения дороги.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ и конструкция возведения автомобильной дороги с твердым покрытием (Патент РФ №2357037, МПК Е01С 5/00, 2009), включающий возведение земляного полотна, дорожной одежды из плит, при этом на земляное полотно или на земляное полотно с уложенным слоем щебня, посыпанным слоем грунта, например песком, укладывают двухканатную геосеть, в ячейки которой вставляют плиты, имеющие по торцам пазы, причем узлы геосети располагают в нижней части срезанных углов плит, а канаты сети окаймляют плиту со всех сторон и входят полностью по диаметру в пазы плит, причем плиты выполнены бетонными или керамическими, а в щели между плитами заливают мастику, а поверх плит укладывают слой асфальтобетона.
Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются возведение земляного полотна (основание дороги в заявляемом способе), дорожной одежды из плит, укладка поверх плит слоя асфальтобетона (в заявляемом способе твердого покрытия).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются высокая стоимость дороги и длительные сроки ее возведения, связанные с осуществлением работ по всей ширине дороги, без учета напряженно-деформационной обстановки, формируемой в основании дороги под влиянием движущихся по ней транспортных средств.
Известно устройство дорожной одежды (патент РФ №44328, МПК Е01С 3/04, 2004), содержащее слой сборного покрытия из железобетонных плит, прослойку из геотекстиля, промежуточный слой песка и слой, выполненный из георешетки ячеистой конструкции, ячейки которой заполнены зернистым материалом.
Существенным признаком аналога, совпадающим с существенным признаком заявляемого устройства, являются плиты.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются высокая стоимость дороги и длительные сроки ее возведения, связанные с осуществлением работ по всей ширине дороги.
Известно устройство (патент РФ №2000377, МПК Е01С 5/00, 1993), содержащее плиту дорожного покрытия, выполненную с твердой опорной рифленой поверхностью, для расположения на сыпучем подстилающем слое, причем опорная поверхность имеет пилообразный профиль в направлении дороги.
Существенными признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются плиты.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются высокая стоимость дороги и длительные сроки ее возведения, связанные с осуществлением работ по всей ширине дороги.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является конструкция автомобильной дороги с твердым покрытием (Патент РФ №2357037, 2009), состоящая из земляного полотна, дорожной одежды из плит, где на земляном полотне или на слое щебня, посыпанном грунтом, расположена двухканатная геосеть и плиты, при этом двухканатная геосеть имеет ячейки, в которых размещены плиты, в пазах плит расположены прилегающие канаты одной из ячеек геосети, полностью по диаметру входящие в пазы плит, а узлы ячеек геосети расположены на стыке углов плит, у которых срезана нижняя часть, плиты выполнены бетонными или керамическими, поверх плит уложен слой асфальтобетона, причем верхняя поверхность плиты имеет рифления, перпендикулярные направлению движения транспорта, для улучшения сцепления колес, а нижняя имеет пресекающиеся ребра для увеличения опорной поверхности, предотвращения сдвига плиты и перекоса при движении колес автомобиля, а для устранения скопления влаги на рифленой поверхности плита имеет отверстия, а узлы ячейки геосети получены либо переплетением, либо композитным креплением.
Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются земляное полотно (основание дороги в заявляемом способе), дорожная одежда из плит, слой асфальтобетона (в заявляемом способе твердое покрытие).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются высокая стоимость дороги, длительные сроки ее возведения, связанные с осуществлением работ по всей ширине дороги.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в адресном повышении несущей способности дорог с твердым покрытием в местах наибольшего воздействия на них движущегося транспорта с целью предупреждения образования колей.
Для достижения технического результата в способе строительства и ремонта автомобильной дороги с твердым колеезащищенным покрытием на частично отсыпанное до расчетной отметки основание дороги адресно укладывают плиты колеезащитные и дополнительные, изготовленные из инертного материала с арматурой или без, которые затем засыпают материалом основания дороги до проектной отметки верха основания дороги, на который укладывают твердое покрытие. А при ремонте автомобильной дороги с твердым покрытием полосу твердого покрытия дороги с образовавшимися колеями и прилегающими участками вырезают вместе с частью основания дороги до глубины адресной установки плит колеезащитных и дополнительных, после установки которых на дно выреза его засыпают материалом основания дороги, на который укладывают твердое покрытие, причем колеезащитные плиты изготовлены из инертного материала с арматурой или без.
Для достижения технического результата в конструкции автомобильной дороги с твердым колеезащищенным покрытием, колеезащитные плиты имеют ширину 0,25-0,7 метра и укладываются в тело основания дороги адресно на глубине 0,3-0,8 метра от поверхности проезжей части, по боковым краям колеезащитные плиты имеют выступы длиной до 0,4 метра, шириной 0,2-0,4 метра, расстояние между которыми от 0,1 до 0,5 метра, причем колеезащитные сплошные либо с отверстиями плиты изготовлены из инертного материала с арматурой или без, а вместо выступов колеезащитных плит можно использовать дополнительные плиты, имеющие размеры выступов, уложенные впритык к плитам колеезащитным и вразбежку между собой на расстоянии от 0,1 до 0,5 метра.
Технический результат достигается тем, что в способе строительства и ремонта автомобильной дороги с твердым колеезащищенным покрытием, включающем возведение основания дороги, дорожной одежды из плит и твердого покрытия, на частично отсыпанное до расчетной отметки основание дороги адресно укладывают плиты колеезащитные и дополнительные, изготовленные из инертного материала с арматурой или без, которые затем засыпают материалом основания дороги до проектной отметки верха основания дороги, на который укладывают твердое покрытие, а при ремонте автомобильной дороги с твердым покрытием полосу твердого покрытия дороги с образовавшимися колеями и прилегающими участками вырезают вместе с частью основания дороги до глубины адресной установки плит колеезащитных и дополнительных, после установки которых на дно выреза его засыпают материалом основания дороги, на который укладывают твердое покрытие, причем колеезащитные плиты, изготовлены из инертного материала с арматурой или без, в случае отсутствия необходимости ремонта межколейной части дороги вырезка полосы твердого покрытия дороги с образовавшимися колеями осуществляется с опережением по одной из колей, причем опережающую полосу твердого покрытия дороги с образовавшейся колеей и прилегающими участками вырезают вместе с частью основания дороги до глубины адресной установки плит колеезащитных и дополнительных, после установки которых на дно выреза его засыпают материалом основания дороги, на который укладывают твердое покрытие, с укатыванием после каждой операции, затем отстающую полосу твердого покрытия дороги с образовавшейся колеей и прилегающими участками вырезают вместе с частью основания дороги до глубины адресной установки плит колеезащитных и дополнительных, после установки которых на дно выреза его засыпают материалом основания дороги, на который укладывают твердое покрытие, с укатыванием после каждой операции.
Технический результат достигается тем, что в конструкции автомобильной дороги с твердым колеезащитным покрытием, содержащей основание дороги, дорожную одежду из плит, твердое покрытие, колеезащитные плиты имеют ширину 0,25-0,7 метра и укладываются в тело основания дороги адресно на глубине 0,3-0,8 метра от поверхности проезжей части, по боковым краям колеезащитные плиты имеют выступы длиной до 0,4 метра, шириной 0,2-0,4 метра, расстояние между которыми от 0,1 до 0,5 метра, причем колеезащитные сплошные либо с отверстиями плиты изготовлены из инертного материала с арматурой или без, а вместо выступов колеезащитных плит можно использовать дополнительные плиты, имеющие размеры выступов, уложенные впритык к плитам колеезащитным и вразбежку между собой на расстоянии от 0,1 до 0,5 метра.
На фиг.1 изображена конструкция однополосной дороги в разрезе, где: 1 - твердое покрытие; 2 - основание дороги; 3 - плиты колеезащитные; 4 - выступы плит колеезащитных или дополнительные плиты.
На фиг.2 показан принцип работы плиты колеезащитной, где: Р - сила, действующая на дорогу, определяющаяся давлением транспорта; 5 - колесо; 2 - основание дороги; 6 - высоконапряженный очаг.
На фиг.3 изображены: а) пример вариантов плит колеезащитных 3 с выступами и б) один из вариантов колеезащитной плиты (3) с дополнительными плитами (4).
В конструкции устройства, на фиг.2, сила Р, обусловленная давлением, передающимся на дорогу через колесо 5, формирует в основании дороги высоконапряженный очаг 6. Плита колеезащитная 3 перехватывает часть силы Р и предупреждает образование высоконапряженного очага, что способствует адресному сохранению несущей способности материала твердого покрытия 1 и материала основания дороги 2 и препятствует образованию колей.
Предлагаемый способ адресного приведения строящейся дороги в колеезащищенное состояние включает частичную отсыпку основания дороги до уровня установки плит колеезащитных, затем по расчетным полосам наиболее интенсивного воздействия на дорогу движущегося транспорта (где обычно происходит образование колей) в ряд, с зацеплением между собой или без зацепления, укладываются плиты колеезащитные, изготовленные из инертного материала, сплошные или с отверстиями, которые способствуют «рассеиванию» формирующегося напряжения, но снижают прочность плит. Плиты колеезащитные имеют выступы по краям, или вместо выступов рядом впритык к плитам колеезащитным, но вразбежку между собой укладываются дополнительные плиты. Установленные плиты засыпаются материалом основания до отметки верха основания, предусмотренного проектом строительства дороги. Затем на дорогу в соответствии с проектом строительства укладывается твердое покрытие. Материал основания перед укладкой плит и после их засыпки до проектной отметки основания и твердое покрытие укатываются.
При воздействии внешней силы на физическое тело в нем формируется высоконапряженный очаг, который образуется чаще на удалении от плоскости приложения силы, которое определяется произведением эмпирического коэффициента h, равного 0,7-1,1, и поперечного размера площадки, к которой приложена внешняя сила [2-4, 5, 6, 8]. Размер коэффициента зависит от типа и физического состояния материала, к которому приложена внешняя сила.
Проводимые авторами данного изобретения исследования показывают, что в основании дороги под влиянием веса движущегося транспорта формируются подвижные высоконапряженные очаги, скорость перемещения которых зависит от скорости движения транспорта. Под влиянием высоконапряженных очагов прочностные свойства материала основания дороги снижаются вплоть до текучего состояния и основание продавливается с образованием колей.
Глубина расположения, размеры и форма очагов, а также уровень напряжения в них зависят от размеров и формы пятна шины, находящегося в контакте с дорогой, и величины нагрузки на колесо. Увеличение поперечных размеров контактного пятна приводит к увеличению глубины расположения высоконапряженного очага и повышению величины напряжения в нем. Квадратная и круглая форма контактного пятна способствуют компактности размеров очага и высокой концентрации напряжения, вытянутая (прямоугольная, эллипсовидная) - к «растягиванию» очага и рассредоточению в нем напряжения. Размеры контактного пятна принимаются равными ширине колеса транспортного средства.
Расчетная глубина формирования центральной части высоконапряженного очага рассчитывается по формуле:
Н=А×h, где:
Н - глубина расположения центральной части высоконапряженного очага;
А - ширина расчетного колеса транспортного средства;
h - поправочный коэффициент, учитывающий отношение размеров контактного пятна и глубины нахождения высоконапряженного очага.
Исследования показывают, что верхняя граница высоконапряженного очага располагается на глубине около 2/3 Н.
Поставленная задача решается тем, что при строительстве и ремонте дорог применяются изготовленные из инертного материала плиты колеезащитные, которые принимают на себя часть силы, формируемой весом движущегося транспорта, и препятствуют образованию в дорожном основании очагов с критическими напряжениями, ответственных за снижение несущей способности (раздавливание) материала, слагающего основание, чем уменьшают возможность образования колей.
Плиты устанавливаются в основание дорог:
- на строящихся дорогах по расчетным полосам наиболее интенсивного воздействия на нее движущегося транспорта, где обычно происходит образование колей;
- при ремонте - в местах сформированных колей.
Выбор глубины заложения плит колеезащитных и их размеры определяются типами шин транспорта, оказывающего наибольшие нагрузки на определенную дорогу.
Для определения глубины заложения плит используется формула:
Нп=2/3(A×h), где:
Нп - глубина заложения плиты колеезащитной.
Рекомендуемая ширина плит колеезащитных В определяется установленной экспериментально формулой:
В=А×0,7.
Глубина заложения от поверхности дороги плит колеезащитных в зависимости от реальных условий на дорогах находится в пределах 0,2-0,8 метров, ширина плит - 0,25-0,7 метра.
Для препятствия продавливанию дороги на участках, прилегающих к полосам наиболее интенсивного воздействия движущегося транспорта, плиты колеезащитные по боковым краям имеют выступы длиной до 0,4 метра и расстояние между которыми от 0,1 до 0,5 метра. Выступы могут не составлять единое целое с плитами колеезащитными, а представлять дополнительные плиты, уложенные впритык к плитам колеезащитным и вразбежку между собой.
Толщина плит колеезащитных зависит от материала, из которого они изготовлены, и устанавливается в зависимости от максимальной величины нагрузки на дорогу, при которой плиты должны сохранять свою целостность. Плиты могут изготавливаться с арматурой или без нее.
Данное изобретение находит свое применение при строительстве и ремонте практически всех дорог с асфальтобетонным и черным гравийным покрытием.
Использование изобретения позволяет адресно и существенно повысить устойчивость дорог к колееобразованию, значительно продлить межремонтный срок их эксплуатации без существенного увеличения продолжительности и стоимости строительных работ, а при ремонтных работах снизить их продолжительность и стоимость по сравнению с традиционными.
Источники информации
1. http://library.stroit.ru/z-full/v-sources/o-14/i-197.html. Опыт фирмы «ВАД» по устройству плотных, прочных и жестких щебеночных дорожных оснований. Костельов М.П. к.т.н., главный технолог ЗАО «ВАД» (г.Санкт-Петербург); Пахаренко Д.В.
2. http://library.stroit.ru/articles/sheben/index.html. Возможности и пути повышения качества щебеночных оснований. Салль А.О. к.т.н., ведущий научный сотрудник Санкт-Петербургского филиала «СоюздорНИИ»
3. http://www.nestor.minsk.by/sn/1998/17/sn81725.htm. Покрытие автомобильных дорог из жестких укатываемых смесей. Евгений Маргайлик.
4. Бондарев М.П. Закономерность разложения внешней силы и образования напряженных зон в массиве или отдельном блоке твердого тела. Тез. докл. в сб. «Тектонофизические аспекты разломообразования в литосфере», Иркутск, ИЗК СО АН СССР, 1990, с.88.
5. Вутукури B.C. и др. Справочник по механическим свойствам горных пород. Том 1. Техника и результаты испытаний. М.: Всесоюзный центр переводов научно-технической литературы и документации, 1976, 412 с.
6. Исследования механических свойств горных пород Донецкого бассейна, М. Харьков, Дон. УГИ, Углеиздат, 1981, 124 с.
7. http:mikekp.livejournal.com. Поздняков М.К. О колееобразовании на автомобильных дорогах.
8. Королев В.А., Фатхуллаев Ш.Д. Общие вопросы моделирования в структурообразующих процессах рудогенеза. Новосибирск, СО АН СССР, 1976, с.9-21.