Обеспечение надежности дорожных одежд

Изменение конструкций дорожной одежды с учетом производственных условий. В процессе строительства автомобильной дороги нередко возникает необходимость внесения коррективов в утвержденные проектные решения. При этом приходится непосредственно на строительном объекте с участием группы рабочего проектирования вносить уточнения и изменения в различные детали проекта. Изменения проектных решений в отношении земляного полотна и элементов дорожной одежды всегда приводят к корректировке конструкции дорожной одежды. Такая корректировка должна обеспечивать повышение эффективности и качества вновь принятой конструкции по сравнению с ранее разработанной. При этом важно стремиться к снижению не только строительных затрат, но и эксплуатационных расходов. Целесообразность внесения изменений и уточнений в ранее принятые решения по конструкции дорожной одежды может возникнуть в следующих случаях:

1. При получении строительной  организацией новых более совершенных  машин и оборудования, требующих  изменения технологии строительства  дорожной одежды или земляного  полотна.

2. При выявлении месторождений  каменных, гравийных и других  материалов, отвечающих нормативным  требованиям, разработка которых  не была предусмотрена в проекте, но использование их обеспечивает  снижение затрат на добычу  и переработку материала.

3. В случае обнаружения  месторождения грунта для возведения  земляного полотна, использование  которого по техническим или  экономическим соображениям более  целесообразна. Возможно также изменение месторасположения грунтового карьера по иным причинам, например при другом парке машин по сравнению с предусмотренным проектом, при отказе в отводе земель и др.

4. При появлении возможности  обработки минеральных материалов  вяжущими, включая местные и отходы производства, что не было предусмотрено в проекте.

В процессе корректировки конструкции дорожной одежды необходимо пересчитать дорожную одежду с учетом требований к ее прочности, надежности и морозоустойчивости, предусмотренных первоначальным проектным решением, пользуясь отраслевыми дорожными нормами ОДН 218.046-01.

Обеспечение прочности и надежности дорожных одежд в период строительства. В период строительства дорожной одежды наибольшее влияние на ее прочность и надежность оказывают обобщенные показатели: среднее фактическое значение общего модуля упругости на строящемся участке, характеризующего прочность, и коэффициент вариации общего модуля упругости дорожной одежды, характеризующий однородность прочности:

  где                                                                 (1.8)

  - коэффициент вариации общего  модуля упругости дорожной одежды;

  - среднее квадратическое отклонение общего модуля упругости на данном участке;

  - среднее значение общего модуля  упругости дорожной одежды на  участке.

При снижении     однородность дорожной одежды по прочности возрастает и соответственно при данном значении    возрастает уровень ее надежности. Установлены рекомендуемые пределы коэффициентов вариации общего модуля упругости     для разных типов одежды. Для дорожных одежд капитального и облегченного типов они составляют соответственно 0,18 и 0,20.

Вычисление     возможно путем послойного расчета дорожной одежды снизу вверх. Пределы применения коэффициентов вариации модулей упругости СЕ и толщины слоев С h для ряда материалов слоев дорожной одежды приведены в табл. 1.4, а для грунтов коэффициенты вариации модулей упругости приведены в табл. 1.3.

Для обеспечения прочности и надежности дорожной одежды необходимо производить послойный операционный контроль качества строительства. Контроль (оценку) общей прочности дорожной одежды и послойный контроль прочности на поверхности слоев дорожной одежды можно осуществлять по значению измеренного упругого прогиба под нагрузкой и вычисляемого по прогибу в модуле упругости Е. При этом используют зависимости:

на поверхности одежды и твердых ее слоев

                                                                (1.9)

на грунте земляного полотна и песчаном основании

  где                                                         (1.10)

р - среднее удельное давление под площадкой, передающей нагрузку (для рассматриваемых испытаний обычно жесткий штамп, имеющий в плане форму круга диаметром D );

l - упругий прогиб, мм;

μ - коэффициент Пуассона, принимаемый в среднем для дорожной одежды в целом и ее верхних слоев - 0,30; а для грунта и песчаного слоя - 0,35;

π/4 - коэффициент, учитывающий влияние жесткого штампа.

В большинстве случаев строительство дорожной одежды осуществляют в летне-осенний период, а расчетное значение модуля упругости дорожной одежды (Етр) соответствует периоду наибольшего ослабления дорожной одежды (для большинства районов Российской Федерации - весна). Поэтому в период строительства модули упругости грунта земляного полотна и ряда слоев дорожной одежды могут существенно отличаться от их расчетных значений. В частности, модули упругости грунта земляного полотна обычно выше расчетных, а модули упругости слоев, содержащих органическое вяжущее, - ниже. В связи с этим измеренное значение общего модуля упругости одежды Еобщ отличается от Етр, поэтому при анализе результатов оценки прочности необходимо вводить путем послойного расчета поправку, учитывающую влияние климатических факторов (влажности грунта и температуры слоев, содержащих органическое вяжущее) [ 5], а также проводить испытания построенного участка одежды в расчетный период.

Кроме того, в период строительства целесообразно систематически осуществлять послойный контроль однородности дорожной одежды по модулям упругости и по толщине слоев. Увеличить однородность дорожной одежды можно за счет повышенного уплотнения грунта земляного полотна. При этом следует подчеркнуть, что однородность грунтов существенно возрастает при снижении их относительной влажности (см. табл. 1.3), что дополнительно способствует повышению степени их уплотнения.

При строительстве дорожных одежд с монолитным цементобетонным покрытием или основанием технология работ оказывает значительное влияние на однородность бетона по прочности на растяжение при изгибе. Коэффициент вариации прочности бетона зависит от степени наладки технологического процесса приготовления бетона, эффективности и своевременности контроля качества работ. Статистический контроль качества приготовления цементобетонной смеси позволяет получить экономию вяжущего материала - цемента - при обеспечении требуемого класса прочности бетона. Однородность прочности бетона зависит от совершенства технологии и оборудования ЦБЗ, культуры производства, качества исходных материалов для приготовления смеси и соблюдения технологической дисциплины. На передовых производственных предприятиях коэффициент вариации прочности бетона не превышает 0,04-0,08. При снижении коэффициента вариации прочности бетона с 0,135 до 0,08 можно сэкономить до 10 % цемента при обеспечении требуемого класса прочности бетона.

1.3. Основы технологии уплотнения слоев дорожных одежд

Для обеспечения прочности, то есть свойства сопротивляться воздействию колес автомобилей и атмосферных факторов, материал каждого слоя дорожной одежды необходимо разровнять и уплотнить до требуемого уровня плотности. Укладываемые в процессе строительства автомобильной дороги дорожно-строительные материалы и полуфабрикаты (щебень, асфальто- и цементобетонные смеси) требуют эффективного уплотнения при помощи уплотняющих машин различного действия. В большинстве случаев уплотнение материала происходит в результате приложения к его поверхности циклической нагрузки, которая в течение одного цикла изменяется от минимума до максимума и затем снова до минимума. Через определенный промежуток времени цикл воздействия уплотняющей нагрузки повторяется.

В соответствии с циклическим изменением величины уплотняющей нагрузки изменяется уровень напряженного состояния уплотняемого материала. В процессе уплотнения циклической нагрузкой свойства уплотняемого материала (плотность, прочность, вязкость, упругость и др.) изменяются в течение одного и того же цикла и при переходе от цикла к циклу. Эффективность и степень уплотнения материала определяют по величине деформации объема уплотняемого материала.

Пластические сдвиги под действием нагрузки сначала происходят в отдельных зонах уплотняемого материала, а затем постепенно с увеличением времени действия нагрузки распространяются на больший его объем. Вследствие неоднородности свойств дорожно-строительных материалов процесс их уплотнения происходит неравномерно.

Асфальто- и цементобетонные смеси являются упруго-вязко-пластичными материалами и процесс их уплотнения зависит от скорости изменения напряженного состояния уплотняемого материала.

При уплотнении гравийных и щебеночных материалов под воздействием внешней нагрузки преодолеваются силы трения между неоднородными по объему и форме частицами материала и происходит их усиливание.

Под скоростью изменения напряженного состояния при циклической нагрузке (рис. 14.4) понимают скорость изменения напряжения во времени, которую приближенно можно определить по формуле:

                                                                          (1.11)

Рис. 1.4. Характер изменения циклической нагрузки при уплотнении:

σ - напряжение; t - время; t н - время нагрузки; to - время «отдыха» материала

При приложении быстродействующей и часто повторяющейся нагрузки (например, при вибрации) к таким материалам, как бетонная смесь, возникает явление ее тиксотропного разжижения, которое повышает эффективность уплотнения смеси.

На процесс уплотнения дорожно-строительных материалов влияет большое количество разнообразных факторов: размер, форма, прочность и другие свойства минеральных частиц, то есть твердой фазы материала; количественное соотношение твердой, жидкой и газообразной фаз; физико-механические свойства многофазного материала в целом; максимальное напряжение, прикладываемое к поверхности уплотняемого материала, которое определяет напряженное состояние всего объема уплотняемого материала; время действия уплотняющей нагрузки и скорость изменения напряженного состояния уплотняемого материала в течение одного цикла нагружения; частота и число приложения уплотняющей циклической нагрузки.

Уплотнение является одной из основных технологических операций, от которой в значительной степени зависит работоспособность дорожной одежды, то есть ее сопротивляемость воздействию транспортных нагрузок и климатических факторов. Уплотнение осуществляют тремя методами: укаткой, трамбованием, виброуплотнением.

При укатке по поверхности уплотняемого слоя перекатывается металлический валец или пневматическое колесо, под действием силы тяжести которых в уплотняемом материала возникает остаточная деформация. По мере увеличения плотности материала эта деформация уменьшается, постепенно приближаясь к нулю. Дальнейшее повышение плотности материала может быть достигнуто за счет увеличения нагрузки на валец или пневматическое колесо. Уплотняющее действие зависит от массы катка, площади контакта рабочего органа с уплотняемым слоем, скорости движения катка и числа проходов катка по одному следу.

Трамбование осуществляют периодическим поднятием на определенную высоту массивного рабочего органа и его последующим свободным падением на поверхность уплотняемого материала. Для трамбования характерна большая глубина уплотняемой зоны. Трамбование применяют для уплотнения грунтов слоями большой толщины, а также при строительстве дорожной одежды. Так, например, трамбующий брус является одним из рабочих органов асфальтоукладчика, обеспечивающим предварительное уплотнение асфальтобетонной смеси с коэффициентом уплотнения до 0,91.

Виброуплотнение - уплотнение с помощью вибрации, когда колеблющаяся масса сообщает кинетическую энергию частицам или зернам материала; уплотнение происходит за счет взаимного перемещения частиц материала с ускорениями, зависящими от крупности этих частиц. Наиболее эффективен вибрационный метод при уплотнении малосвязных материалов. Эффект уплотнения вибрированием зависит от амплитуды колебаний, их частоты, ускорения и массы вибровозбудителя. Существуют также комбинированные способы уплотнения, когда вибрирование сочетается с укаткой, трамбованием в вибрационных дорожных катках и вибротрамбующих машинах.

Для уплотнения слоев дорожной одежды широко применяют самоходные катки с гладкими вальцами, пневмоколесные и с комбинированными рабочими органами. Комбинированные катки (рис. 1.5) можно использовать для уплотнения различных материалов - грунтов, асфальтобетонных смесей, крупнообломочных каменных материалов.

Для уплотнения асфальтобетонных смесей применяют три типа уплотняющих машин: катки статического действия с гладкими вальцами и на пневматических шинах, катки вибрационного действия (виброкатки).

Широкое распространение получили самоходные гладковальцовые катки статического действия, которые просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Они классифицируются по массе: на легкие 5-6 т; средние 8 т и тяжелые более 10 т. Качество работ по уплотнению асфальтобетонных смесей зависит от соблюдения рационального температурного режима (табл. 1.6) и рекомендуемых контактных давлений (табл. 1.7) на каждом этапе уплотнения: предварительном, промежуточном и заключительном .