Проектирование дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием

9. Материалы семинара-совещания: «Совершенствование технологий проектирования строительства федеральной автодороги Чита-Хабаровск» 3-7.12.2001. ОАО «Иркутскгипродор-нии». - Иркутск, 2002. - с. 40-45, 67-68.

10. Шур, Ю. Л. Термокарст (к теплофизическим основам учения о закономерностях развития процесса) / Ю. Л. Шур. - М.: Недра, 1977. - 80 с.

11. Катасонов Е.М. О понятиях «термокарст», «термокарстовые формы рельефа»// Строение и абсолютная геохронология аласных отложений Центральной Якутии. Новосибирск: Наука, 1979. С. 4-7.

12. Бедрин, Е. А. Заявка на изобретение «Земляное сооружение на многолетнемерзлых грунтах и способ его возведения с укреплением основания в районах распространения вечной мерзлоты, от 09.06.2010, рег. № 2010123570/(033557) / Е. А. Бедрин, В. Н. Лонский, А. М. Завьялов, В. П. Попов.

13. Завьялов, А. М. Аппарат математического моделирования процессов промерзания-протаивания грунтов / А. М. Завьялов, Е. А. Бедрин, М. А. Завьялов // Омский научный вестник. - № 3 (93). - 2010. - С. 17-21.

14. Завьялов, А. М. Моделирование температурного поля массива многолетнемерзлых грунтов / А. М. Завьялов, Е. А. Бедрин, М. А. Завьялов, В. Н.

Лонский // Вестник СибАДИ. - № 3(17). - Омск: Изд-во СибАДИ, 2010. - С.49-52.

DEFINITION OF DIRECTIONS ON

MAINTENANCE OF STABILITY OF THE EARTHEN CLOTH OF ROADS IN THE PERMAFROST ZONE

E.A.Bedrin

Problems of a construction of roads in a permafrost zone are considered. Directions on maintenance of stability of an earthen cloth are offered.

Бедрин Евгений Андреевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Экономика и управление дорожным хозяйством» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - разработка ресурсосберегающих технологий в дорожном строительстве. Имеет более 35 опубликованных работ.

E-mail: Bedrin-ea@yandex.ru

УДК 625.7

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С АРМИРОВАННЫМ АСФАЛЬТОБЕТОННЫМ ПОКРЫТИЕМ

Г.М. Левашов, В.В. Сиротюк

Аннотация. Приведены результаты исследований по армированию асфальтобетонных покрытий, на базе которых разработан нормативно-методический документ ОДМ 218.5.001-2009 Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных слоёв усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог.

Ключевые слова: проектирование, конструирование, дорожная одежда, асфальтобетон, покрытие, армирование, геосетка, георешетка

Введение. В 2010 году началась реализация Федеральной целевой программы (ФЦП) «Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)», которая должна заложить основу для реализации Транспортной стратегии. Целями подпрограммы «Автомобильные дороги» являются: развитие современной

транспортной инфраструктуры, обеспечивающей ускорение перевозки грузов и снижение транспортных издержек в экономике; повышение доступности услуг транспортного комплекса для населения и конкурентоспособности транспортной системы России; реализация транзитного потенциала [1].

Успешная реализация ФЦП невозможна без внедрения инновации в дорожную отрасль. Инновационная модель предполагает использование в проектах современной высокопроизводительной техники, более качественных технологий и материалов, применение которых соответствует уровню транспортных нагрузок и обеспечивает долговечность автодорог (межремонтный срок технической эксплуатации) в рамках выделяемых на строительство и ремонт финансовых ресурсов.

Одной из наиболее востребованных и эффективных инноваций в дорожной отрасли является применение геосинтетических мате-

риалов. Сотрудники кафедры «Проектирование дорог» СибАДИ 10 лет выполняют исследования по использованию геосинтетических материалов в различных элементах дорожных конструкций [2, 3]. Данная статья посвящена основным результатам исследований по армированию асфальтобетонных покрытий гео-синтетическими материалами (далее - ГМ).

Асфальтобетон, широкое применение которого в мире началось с прошлого века, по-прежнему остается наиболее распространенным материалом для устройства покрытий автомобильных дорог. Однако физические возможности асфальтобетонных покрытий длительно сохранять высокую прочность, ровность и сплошность при высоких нагрузках постепенно исчерпываются.

Армирующий материал призван:

- воспринимать и перераспределять растягивающие напряжения и предотвращать избыточную горизонтальную деформацию удлинения вблизи подошвы слоя при его изгибе, возникающие при многочисленных кратковременных воздействиях колёсной нагрузки от автотранспорта;

- воспринимать и перераспределять растягивающие напряжения и предотвращать избыточную деформацию, которые возникают в некоторых сечениях от длительных температурных воздействий.

Основной раздел. С позиций критериев расчёта по ОДН 218.046-01, ОДН 218.1.0522002 и «Методическим рекомендациям по проектированию жёстких дорожных одежд» введение в асфальтобетонное покрытие армирующей геосетки позволяет увеличить его сопротивление усталостному разрушению от растяжения при изгибе, повысить сопротивление растягивающим температурным напряжениям. Обследования показали, что при правильном конструировании, исполнении и использовании качественных ГМ существенно (до 50 %) уменьшается колееобразование на покрытиях в ДКЗ, в 2-3 раза увеличивается шаг температурных трещин, 1,5-2 раза увеличивается срок службы асфальтобетонных покрытий даже в суровых климатических условиях.

Однако далеко не все ГМ в полной мере могут выполнять армирующие функции. Основываясь на собственных исследованиях, отечественных и зарубежных публикациях, мы сформулировали десять принципиальных требований, соблюдение которых повышает эффективность армирования асфальтобетонных покрытий (эти требования не распростра-

няются на высокодеформативные трещинопрерывающие прослойки).

1) Модуль упругости арматуры (ГМ) должен быть намного (в 6-8 и более раз) выше, чем у армируемого материала (асфальтобетона). Иначе асфальтобетон может получить избыточные деформации раньше, чем ГМ воспримет и перераспределит растягивающие напряжения.

2) Прочность ГМ на растяжение должна быть значительно выше прочности армируемого материала с учётом усталостных явлений от многократных кратковременных силовых воздействий.

3) Необходимо прочное сцепление ГМ с асфальтобетоном для обеспечения перераспределения возникающих напряжений.

4) ГМ должен располагаться в слое армируемого материала с наибольшими растягивающими напряжениями.

5) ГМ не должна обладать чрезмерной ползучестью для восприятия длительных температурных напряжений. Иначе арматура может либо не выдержать напряжений, возникающих в покрытии при низких отрицательных температурах, либо релаксировать эти напряжения, утратив своё предназначение.

6) Прочность и деформативность армирующего ГМ должны быть стабильны во времени, как при низких отрицательных, так и при повышенных температурах.

7) Коэффициенты температурного расширения армируемого и армирующего материалов должны иметь близкие значения для выполнения первого условия.

8) ГМ не должен растворяться и окисляться в воде,теряя прочность.

9) ГМ не должен создавать экологических осложнений при строительстве и эксплуатации покрытий.

10) Стоимость армирующего материала не должна вызывать удорожание строительства, превышающее эффект от его применения.

По заданию Росавтодора мы разработали ОДМ 218.5.001-2009 «Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных слоёв усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог» [4].

В этом документе определены и гармонизированы с зарубежными нормами регламентируемые показатели свойств геосинтетиче-ских материалов (табл.1).

Таблица 1 - Регламентируемые показатели свойств геосинтетических материалов, применяемых для армирования (усиления) асфальтобетонных покрытий

Показатель свойств Значение показателя

1 Механические свойства

а) Прочность при растяжении в продольном (поперечном) направлении RLR ^т), кН/м, не менее 50

б) Усилие в образце в направлении длины (ширины) материала RLR(£) и RTR(£), отнесённое к ширине образца, кН/м, возникающее при относительной деформации £ = 2 %, не менее 25

в) Длительная прочность, % от кратковременной прочности RLR ^т), не менее 70

г) Относительная прочность узловых соединений геосетки RJR, % от прочности рёбер,не менее 5

2 Стойкость к агрессивным воздействиям

а) Уменьшение прочности RLR ^т), после нагрева до 160 оС (теплостойкость), %, не более 15

б) Потеря прочности (повреждаемость) материала в процессе укладки асфальтобетона, % от исходной прочности RLR ^те), не более 40

в) Уменьшение исходной прочности RLR ^те), в агрессивных средах, %, не более 25

г) Уменьшение исходной прочности RLR ^те) после 25 циклов замораживания - оттаивания, %, не более 10

3. Геометрические параметры

а) Размер ячеек геосетки, мм, не менее - для мелкозернистого асфальтобетона - для крупнозернистого асфальтобетона 32 СП СП х х 32 СП СП

б) Ширина рулона, м от 1,5 до 4

в) Длина материала в рулоне, м от 20 до 100

Для армирования покрытий дорог I категории и дорог, расположенных в I ДКЗ, целесообразно использовать геосетки с повышенной прочностью RLR (RTR) (70-100 кН/м). При выполнении работ в I и II ДКЗ более эффективно сплошное армирование (рис.1). При ремонте

и капитальном ремонте покрытий из цементобетона или железобетонных плит в I ДКЗ может применяться и комбинированная схема армирования с дополнительной укладкой армирующих полос над поперечными и продольными швами между плитами.

—3 Ц!1 ;Зйг 2 -1... 1

ч. А „ В м Б_

Рис. 1. Схемы укладки геосетки: А - сплошная; Б - участковая;

В - комбинированная; 1 - «старое» покрытие со швами (трещинами); 2 - полосы геосетки; 3 - полотно геосетки

Предложен ряд эффективных конструкций ми [5] и варианты армирования многополос-дорожных одежд с армирующими прослойка- ных дорог (табл. 2).

Таблица 2 - Вариант многополосной дорожной конструкции с рациональным расположением армирующих слоёв из геосетки по ширине и глубине

Схема дорожной конструкции

Элементы дорожной конструкции Разде- лит. полоса Проезжая часть + краевые полосы Обочина Откос

Слои дорожной конструкции Покры- тие Грунт 3-я полоса движения + краевая полоса 2-я полоса движения 1-я полоса движения + краевая поло обочины Укреплён- Растительная часть ный грунт са обочины

Асфальтобетон мелкозернистый плотный

Г еосетка

Асфальтобетон пористый, крупнозернисты й

- Г еосетка

Чёрный щебень, асфальтобетон с повыше! ной деформативностью н- Грунт

Основание

- Плоская георешетка или композит

Дополнительный слой основания

Грунт земляного полотна

Рациональное распределение армирующих материалов по ширине проезжей части связано, во-первых, с учётом неравномерности распределения нагрузок по полосам движения и, во-вторых, с неодинаковой прочностью земляного полотна по ширине дороги.

На многополосных магистралях условия работы дорожной одежды на разных полосах не одинаковы, так как основная часть большегрузных автомобилей движется по крайней правой полосе, следовательно, несущая способность крайних полос должна быть больше, нежели остальных.

Большая часть дорог имеет водопроницаемое укрепление обочин, следовательно, значительная часть воды, стекающей с асфальтобетонного покрытия, впитывается в грунт земляного полотна, снижая его несущую способность.

При подтоплении земляного полотна влага может значительно увлажнять крайнюю часть насыпи, что приводит к уменьшению модуля упругости грунтового основания.

Следовательно, крайние полосы дорожной

одежды работают в более сложных условиях, что следует учитывать при конструировании дорожных одежд, и это нашло отражение в табл.2. Усиление крайних полос может достигаться многослойным армированием или укладкой геосетки, обладающей большей прочностью, чем на остальных полосах.

Выбор местоположения армирующей прослойки по толщине покрытия зависит от её преимущественного предназначения - воспринимать температурные воздействия (ТМП) или воздействия транспортных средств (НГР) [6].

Первый вид воздействия и соответствующие ему растягивающие температурные напряжения в наибольшей степени проявляются ближе к поверхности покрытия. Второй - ближе к подошве асфальтобетонного покрытия. На основании изложенного, ориентировочное местоположение армирующей прослойки по глубине можно определять, пользуясь рекомендациями табл. 3 и рис. 2. При уточнении местоположения армирующей прослойки следует учесть, что при выборе решения типа ТМП назначают М < h2, а при выборе решения НГР - h1 > h2.

ния возникающих напряжений. Поэтому при выборе решения НГР нижний слой покрытия (выравнивающий слой) может устраиваться из мелкозернистого асфальтобетона или регенерированного материала существующего покрытия.

Не эффективно устройство армированных асфальтобетонных покрытий при коэффициенте прочности дорожной одежды в результате оценки состояния по ОДН 218.1.052-2002 и ОДМ 218.0.006-2002 ниже 0,85 для дорог I категории, ниже 0,80 для дорог II категории и ниже 0,75 для дорог III и IV категории. При недостаточной прочности дорожных одежд следует выполнить расчёты и предварительные мероприятия, направленные на усиление дорожной одежды (по ОДН 218.1.052-2002), а при необходимости -и по регулированию водно-теплового режима земляного полотна (СНиП 2.05.02-85*, Типовые решения по восстановлению несущей способности земляного полотна и обеспечению прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на пучинистых участках автомобильных дорог).

Пока наличие армирующей прослойки при расчёте асфальтобетонных покрытий рекомендовано учитывать за счёт введения в базовые расчётные формулы двух специальных коэффициентов, величина которых зависит от прочности и деформативности геосетки (табл.4):

- коэффициент ка учитывает повышение сопротивления растягивающим температурным напряжениям и сопротивления растяжению при изгибе;

- коэффициент kNp учитывает уменьшение влияния усталостных процессов на прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия.

Промежуточные значения коэффициентов армирования по прочности ГМ в табл.3 определяются методом интерполяции.

Таблица 4 - Значения коэффициентов армирования

Прочность геосетки (плоской георешётки) RLR ^Г«), кН/м Относительная деформация при разрыве ^LRmax (^TRmax), % ка к^

Менее 50 не более 4 1,00 1,00

более 4 1,00 1,00

50 не более 4 1,05-1,10 0,80 -0,90

более 4 1,00-1,05 0,90-1,00

100 не более 4 1,10-1,20 0,50-0,75

более 4 1,05-1,10 0,75 -0,90

150 и более не более 4 1,20-1,50 0,25-0,50

более 4 1,10-1,20 0,60 -0,75

Меньшие значения коэффициента ка и соответственно - большие значения ка и мень-большие значения к^ применяют для I ДКЗ, шие значения к^ применяют для ДКЗ.

Таблица 3 - Выбор местоположения армирующей прослойки по глубине

Дорожноклиматическая зона и подзона h П^0 Тип конструктивного решения

I, и1 < 1 > 1 ПР ^х

М2 ,9 ,9 о" о" <> ПР ^х

III ,8 ,8 о~ сТ <> ПР ^Х

А)решение Б)решение

типа ТМП типа НГМ

Рис. 2. Типы принципиальных конструктивных решений: 1 - верхний слой покрытия толщиной h1^, 2 -армирующая прослойка; 3 - нижний слой покрытия толщиной h2 из новой или регенерированной смеси; 4 - существующее покрытие или несущее основание

Учитывая, что на покрытие одновременно воздействуют нагрузки от транспортных средств и температурные напряжения, наилучшие результаты достигаются при одновременном применении решений типа ТМП и НГР.

Укладка армирующей прослойки непосредственно на существующее асфальтобетонное и, тем более, цементобетонное покрытие менее эффективна, нежели на свежеуложенный или регенерированный слой асфальтобетона. Это объясняется необходимостью обеспечения прочного сцепления арматуры с армируемым материалом для обеспечения перераспределе-

Величина коэффициента ка может быть увеличена до 20 %, а kNp - уменьшена до 15 % (за исключением использования геосетки или плоской георешётки с прочностью менее 50 кН/м) при величине повреждаемости (см. табл. 1) не более 20 %.

Проектирование нежёстких дорожных одежд на вновь сооружаемых дорогах и на новых участках реконструируемых дорог осуществляется по ОДН 218.046-01, а жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием на цементобетонном основании - по Методическим рекомендациям по проектированию жёстких дорожных одежд.

Позитивные особенности армирования учитываются при выполнении расчёта конструкции на сопротивление монолитных слоёв усталостному разрушению от растяжения при изгибе. При этом прочность материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе RN определяют по формуле:

где Rо- нормативное значение предельного сопротивления растяжению (прочность) при изгибе при расчётной низкой весенней температуре при однократном приложении нагрузки, принимаемое по табличным данным (см. таблицу П.3.1, ОДН 218.046-01); к1- коэффициент, учитывающий снижение прочности вследствие усталостных явлений при многократном приложении нагрузки; к2 - коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени от воздействия погодно-климатических факторов (см. таблицу 3.6, ОДН 218.046-01); ка - коэффициент, учитывающий увеличения прочности вследствие армирования слоя геосеткой (см. табл. 4); vr - коэффициент вариации прочности на растяжение (см. прил.4, ОДН 218.046-01); t - коэффициент нормативного отклонения (см. прил. 4, ОДН 218.046-01).

Коэффициент ки отражающий влияние на прочность усталостных процессов, вычисляют по выражению

к, =

а

где - расчётное суммарное число приложений расчётной нагрузки за срок службы монолитного покрытия, определяемое по формуле (3.6) ОДН 218.046-01 или (3.7) ОДН 218.046-01 с учётом числа расчётных суток за срок службы (см. прил.6, оДн 218.046-01); т -показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного слоя (см. таблицу П.3.1, ОДН 218.046-01); а -коэффициент, учитывающий различие в ре-

альном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузкой, а также вероятность совпадения по времени расчётной (низкой) температуры покрытия и расчётного состояния грунта рабочего слоя по влажности, определяемый по табл.П.3.1, ОДН 218.046-01; к^ -коэффициент, учитывающий уменьшение влияния усталостных процессов на прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия геосеткой (см. табл.4).

При расчёте жёстких дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием на цементобетонном основании в формулу (3.33) Методических рекомендаций по проектированию жёстких дорожных одежд введён коэффициент ка, за счёт которого учитывается эффект от применения армирующей прослойки.

При этом предлагается определять толщину верхнего асфальтобетонного слоя из условия работы на прочность при действии расчётной нагрузки, отражающей растяжение асфальтобетона в поперечном направлении в призме шириной поверху 2R, понизу (2R+2ha) и высотой ha по формуле

Мд Ь - (R + Ю2п£д ] ha(2R + К) '

Rd • Куд • кд =

где Rd - сопротивление асфальтобетона на растяжение при изгибе

Возможна реализация одной из двух целей применения армирующих прослоек из геосеток (геокомпозитов) в асфальтобетонных покрытиях:

- увеличение межремонтных сроков службы армированного покрытия и снижение затрат на его содержание за счёт замедления темпов трещинообразования и колееобразования;

- снижение затрат на строительство покрытия за счёт некоторого уменьшения его толщины (без увеличения межремонтных сроков службы).

Технико-экономические расчёты и опыт эксплуатации армированных покрытий показывают, что достижение первой цели является более предпочтительным, хотя в некоторых случаях возможно обоснование второй цели.

Для определения расчётного дополнительного срока службы дорожной одежды с армированным покрытием можно использовать формулу

Т = Т + Т = T +1

1 общ 1 сл ~ 1 доп 1 сл' '

1+

X Np•

0,7 • Np • Tрдг • kn

,

где Тсл - расчётный срок службы (см. табл. N.6.2, ОДН 218.046-01); Тдоп - величина увеличения срока службы дорожной одежды вследствие применения геосетки; Трдг - число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции (см. прил. 6, ОДН 218.046-01); Nр - приведённое к расчётной нагрузке среднесуточное (на конец срока службы) число проездов всех колес, расположенных по одному борту расчетного автомобиля, в пределах одной полосы проезжей части (приведённая интенсивность воздействия нагрузки); q- показатель изменения интенсивности движения автомобиля данного типа по годам; кп - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (см. табл.3, ОДН 218.04601); к^ - коэффициент, учитывающий уменьшение влияния усталостных процессов на прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия (см.табл. 4).

Заключение. Предложенная методика расчёта далека от совершенства, тем не менее, она позволяет оценить позитивное влияние армирующей геосинтетической прослойки. В настоящее время в СибАДИ продолжаются исследования по совершенствованию предложенного метода расчёта. Конкретизируются значения армирующих коэффициентов в зависимости от дорожно-климатической зоны, вида и свойств ГМ и асфальтобетона, степени технологической повреждаемости ГМ, местоположения геосетки по глубине асфальтобетонного покрытия. Выполняются масштабные исследования по циклическому нагружению асфальтобетона при положительных и отрицательных температурах.

Таким образом, очередной десятилетний этап нашей теоретической, экспериментальной и опытно-производственной работы завершился подготовкой всероссийского нормативнометодического документа. Надеемся, что рекомендации по проектированию и строительству асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами, представленные в ОДМ 218.5.001-2009, будут способство-

вать более широкому внедрению передовых технологий в России

Библиографический список

1. Чабунин А.М. Стратегия обновления. Создание новой системы автомагистралей и скоростных дорог изменит конфигурацию дорожной сети в России. http://federalbook. ru/news/analitics/20.05.2010-2.html.

2. Сиротюк В.В., Левашов Г.М., Якименко О.В., Захаренко А.А. Развитие новых технологий использования геосинтетики в дорожном строительстве. - Автомобильные дороги XXI век. -М. -2008. -№5. -С.75.

3. Сиротюк В.В. Дорожная геосинтетика: неиспользуемые возможности. Журнал современных строительных технологий «Красная линия». -С-П. -2010. Спецвыпуск. -С.56-58.

4. ОДМ 218.5.001-2009 Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных слоёв усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог. Федеральное дорожное агентство «Росавтодор». -М.: «Инфор-мавтодор», 2010. -86с.

5. Сиротюк В.В., Крашенинин Е.Ю. Конструкции дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием. Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. -М. -2008. -№4. -С.30-37

6. Рекомендации по расчёту и технологии устройства оптимальных конструкций дорожных одежд с армирующими прослойками при строительстве, реконструкции и ремонте дорог с асфальтобетонными покрытиями. - Одобрены НТО Минавтотранса России (письмо от 12.04. 93, № НТО-8-6/78). -М.: ФГУП Ин-формавтодор, 1993. -37 с.

DESIGNING OF PAVEMENT WITH REINFORCED ASPHALT CARPET

G.M. Levashov, V.V. Sirotuk

Results of researches on reinforcing asphalt carpet are brought, on which the standard-methodical document is based (ODM 218.5.001-2009 “Methodical recommendations about application of geogrids and flat geolattices for reinforcing asphalt concrete layers of advanced kinds of pavements at major repairs and repair of highways”).

Сиротюк Виктор Владимирович - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Проектирование дорог» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - применение геосинтетических материалов в дорожных конструкциях, применение золошлаковых смесей в дорожном строительстве. Общее количество публикаций -196,

E-mail: sirotuk_vv@sibadi. org.

Левашов Гоигорий Михайлович - аспирант кафедры «Проектирование дорог» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - применение геосинтетических материалов в дорожных конструкциях. Общее количество публикаций - 9, E-mail: Levashov-omsk@mail.ru.

a