Обеспечение надежности дорожных одежд

Содержание

Введение

1. Технологическая классификация дорожных одежд, покрытий и оснований
2. Обеспечение надежности дорожных одежд
3. Расчетная схема двухслойной системы (дорожной одежды)

Заключение

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Дорожная одежда должна иметь необходимый запас прочности, чтобы в течении нормативного срока службы выдерживать воздействие многократно повторяющихся нагрузок от авто и климатических факторов.

Покрытия, воспринимающие воздействие колес авто и природных факторов, должны иметь высокую прочность, быть износо и термостойкими, ровными и шероховатыми и обеспечивать безопасное движение авто с заданной скоростью при минимальном сопротивлении движения.

Покрытие не должно пылить, должно обеспечивать надежное сцепление с колесами авто.

Основание дорожной одежды – воспринимает нагрузку от покрытия, распределяет и передает ее на земляное полотно.

Нежесткой одежды основанием обычно является несущим слоем, обеспечивающим ее прочность и жесткость.

Дополнительный слой основания предназначен для дальнейшего распределения нагрузки на земляное полотно, для отвода избыточной воды, поступающей из верха земляного полотна и для предохранения дорожной одежды от деформации морозного включения. Для чего применяют пористые, морозостойкие материалы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1. Технологическая классификация дорожных одежд, покрытий и оснований

Дорожная одежда должна иметь необходимый запас прочности, чтобы в течение нормативного срока службы выдерживать воздействие многократно повторяющихся нагрузок от автомобилей и климатических факторов (изменение температуры, влажности и т. п.). Покрытие, непосредственно воспринимающее воздействие колес автомобилей и природных факторов, должно иметь высокую прочность, быть износо- и термостойким, ровным и шероховатым и обеспечивать безопасное движение автомобилей с заданной скоростью при минимальном сопротивлении движению. Покрытие не должно пылить, оно должно обеспечивать надежное сцепление с колесами автомобилей. Основание дорожной одежды воспринимает нагрузку от покрытия, распределяет и передает ее на земляное полотно. В нежесткой одежде основание обычно является основным несущим слоем, обеспечивающим ее общую прочность и жесткость. Классификация дорожных одежд и покрытий приведена в табл. 1.1, классификация оснований приведена в табл. 1.2.

Дополнительный слой основания предназначен для дальнейшего распределения нагрузки на земляное полотно, для отвода избыточной воды, поступающей из верхнего слоя земляного полотна, и для предохранения дорожной одежды от деформации морозного пучения. Для него применяют пористые морозостойкие материалы (песок, щебень, шлак и т.д.).

 Таблица 1.1

Классификация дорожных одежд и покрытий

Дорожные одежды	Тип покрытия, материал и способы его укладки
Капитальные	Усовершенствованные покрытия из смесей:
	горячих асфальтобетонных
	цементобетонных
Облегченные	Облегчённые типы покрытий из смесей:
	а) горячих асфальтобетонных
	б) холодных асфальтобетонных
	в) органоминеральных с жидкими органическими вяжущими; с жидкими органическими вяжущими совместно с минеральными; с вязкими, в том числе эмульгированными органическими вяжущими; с эмульгированными органическими вяжущими совместно с минеральными; из каменных материалов и грунтов, обработанных битумом по способу смешения на дороге или методами пропитки; из каменных материалов, обработанных органическими вяжущими методом пропитки; черного щебня, приготовленного в установке и уложенного по способу заклинки; пористой и высокопористой асфальтобетонной смеси с поверхностной обработкой; прочного щебня с двойной поверхностной обработкой
	г) цементобетонных
Переходные	Покрытия переходного типа:
	из щебня прочных пород, устроенные по способу заклинки без применения вяжущих материалов; из грунтов и малопрочных каменных материалов, укрепленных вяжущими; булыжного и колотого камня (мостовые)
Низшие	из щебеночно-гравийно-песчаных смесей; малопрочных каменных материалов и шлаков; грунтов, укрепленных или улучшенных различными местными материалами; древесных материалов и др.

 

Таблица 1.2

Типы оснований дорожных одежд

Основания	Назначение
Цементобетонные, толщиной не менее 15 см	Основной слой основания для капитальных дорожных одежд
Из минеральных материалов (гравийных, щебеночных и др.), обработанных вяжущими в установках и на дороге, слоем не менее 5 см	Верхний слой основания для капитальных дорожных одежд
Из минеральных материалов, не обработанных вяжущими, слоем не менее 15 см	Нижние слои основания для капитальных дорожных одежд; верхние слои основания для облегченных дорожных одежд
Из грунтов, укрепленных органическими вяжущими, слоем не менее 5 см	Верхний и нижние слои оснований на дорогах III и IV категорий
Из грунтов, укрепленных минеральными вяжущими, слоем не менее 12-15 см
Из грунтов, укрепленных добавками различных веществ	Основания на дорогах IV категории

 

1.2. Обеспечение надежности дорожных одежд

Общие положения. Под надежностью дорожной одежды понимают вероятность того, что в течение заданного периода времени (срока службы) при заданных условиях эксплуатации она будет находиться в работоспособном состоянии, то есть обладать требуемыми транспортно-эксплуатационными показателями прочности, ровности и сцепления с колесом автомобиля. Общим количественным показателем надежности дорожной одежды является вероятность (обеспеченность) ее работоспособного состояния (по прочности, ровности и сцеплению) в течение установленного срока службы. Обеспеченность каждого отдельного свойства дорожной одежды - прочности, ровности или сцепления - является частным показателем ее надежности.

Наибольшие затраты обычно связаны с обеспечением надежности по прочности дорожной одежды. Чтобы уменьшить отрицательное влияние неизбежной изменчивости прочностных свойств возводимого земляного полотна и дорожной одежды, необходимо при строительстве дороги обеспечить, а при эксплуатации - поддерживать обоснованный (оптимальный) запас прочности. Запас прочности, необходимый для компенсации неравнопрочности (неоднородной прочности) строящейся дорожной одежды, зависит кроме других причин от степени изменчивости прочности, характеризуемой коэффициентом вариации.

Рассмотрим этот вопрос, используя нормальное распределение модуля упругости дорожной одежды. На рис. 1.1 и 1.2 показано в дифференциальной форме распределение модулей упругости дорожной одежды при разных значениях коэффициентов вариации. Заштрихованная площадь под кривой распределения соответствует вероятности r появления модуля ниже определенного значения. Как видно из графика, приведенного на рис. 1.1, величина r = 1 - р, где р - уровень значимости, существенно изменяется в зависимости от средней величины модуля упругости Е и его коэффициента вариации CvE .

Рис. 1.1. Зависимость надежности дорожной одежды по прочности от изменчивости ее модуля упругости при одном и том же среднем модуле упругости Е

Рис. 1.2. Зависимость надежности дорожной одежды по прочности от изменчивости ее модуля упругости при разных величинах среднего модуля упругости:   ( Cve = 0,15),   (Cve = 0,225)   ( Cve = 0,30)

Проводя организационно-технологические мероприятия, можно существенно снизить степень изменчивости прочности дорожной одежды, что позволяет обеспечить заданный уровень надежности при меньших затратах, то есть при меньшем расходе материалов на строительство дорожной одежды.

Общий коэффициент вариации модуля упругости дорожной одежды определяется по известным коэффициентам вариации ее слоев. Для этой цели можно использовать формулу Барбера для двухслойной системы (рис. 1.3):

  где                         (1.1)

Е общ - общий модуль упругости двухслойной системы;

Е 1 - модуль упругости верхнего слоя;

Е 2 - модуль упругости на поверхности нижнего слоя;

h - толщина верхнего слоя двухслойной системы;

D - диаметр круга, равновеликого отпечатку колеса расчетного автомобиля;

  где          (1.2)

 ,   ,    - соответственно средние квадратические отклонения модуля упругости верхнего слоя Е1 , модуля упругости на поверхности нижнего слоя Е2, толщины верхнего слоя h ;

                        (1.3)

                         (1.4)

                                         (1.5)

                                                             (1.6)

Зависимости (1.3-1.9) позволяют определять общий коэффициент вариации многослойной одежды, производя расчет послойно.

Рис. 1. 3. Расчетная схема двухслойной системы (дорожной одежды)

Примерные значения коэффициентов вариации модулей упругости С E грунтов земляного полотна и некоторых материалов, а также толщины Ch слоев дорожных одежд даны в табл. 1.3. и 1.4.

Таблица 1.3

Коэффициенты вариации модулей упругости для грунтов

Грунты	Относительная влажность
	0,60	0,65	0,70	0,75	0,80	0,85	0,9
	Коэффициенты вариации модулей упругости С E
Супеси пылеватые, суглинки, глины	0,10-0,18	0,17-0,23	0,18-0,25	0,19-0,26	0,19-0,27	0,20-0,27	0,20-0,28
Супесь легкая	0,09-0,15	0,10-0,17	0,12-0,18	0,12-0,20	0,14-0,20	-	-

 

Таблица 1.4

Коэффициенты вариации модулей упругости и толщины слоев материалов

Материала	Коэффициенты вариации
	модулей упругости С E	толщины слоя С h
Асфальтобетон	0,11-0,19	0,10-0,25
Холодные смеси (смешение на месте)	0,13-0,21	0,15-0,30
Смеси, включая грунты, обработанные минеральным вяжущим	0,15-0,25	0,10-0,20
Слои из необработанных щебня или гравия	0,17-0,28	0,12-0,20
Песчаный	0,12-0,18	0,12-0,22

 

Зависимость коэффициента вариации общего модуля упругости двухслойной системы    от коэффициентов вариации модулей упругости верхнего слоя СЕ , модуля упругости на поверхности нижнего слоя    и толщины верхнего слоя C h имеет вид:

 (1.7)

В табл. 1.5 приведены величины коэффициента вариации   при различных значениях   . Как видно из табл. 1.5, наибольшее влияние на однородность модуля упругости двухслойной системы оказывает однородность нижнего слоя. Это подчеркивает целесообразность обеспечения высокой однородности (равнопрочности) в процессе строительства всех слоев дорожной одежды и особенно земляного полотна. Существенную роль при этом играет уплотнение грунта. Например, увеличение числа проходов катка с 8 до 16 снижает коэффициент вариации модуля упругости грунта на 20 %. С помощью табл. 1.5 можно установить изменение общей равнопрочности многослойной дорожной одежды, рассматривая ее послойно снизу вверх как двухслойную систему (см. рис. 1.3).

Таблица 1.5

Величины коэффициентов вариации 

Значения C h	Значения	Значения   при
		0,1	0,2	0,3	0,4
0,1	0,1	0,09	0,099	0,110	0,124
	0,2	0,164	0,168	0,175	0,184
	0,3	0,240	0,243	0,248	0,254
	0,4	0,318	0,320	0,323	0,328
0,2	0,1	0,117	0,123	0,132	0,143
	0,2	0,179	0,183	0,189	0,198
	0,3	0,251	0,254	0,259	0,264
	0,4	0,326	0,328	0,331	0,336
0,3	0,1	0,150	0,154	0,162	0,171
	0,2	0,202	0,206	0,211	0,219
	0,3	0,268	0,270	0,274	0,280
	0,4	0,339	0,341	0,344	0,349
0,4	0,1	0,186	0,190	0,196	0,204
	0,2	0,233	0,236	0,241	0,245
	0,3	0,290	0,292	0,296	0,301
	0,4	0,357	0,358	0,362	0,366

 

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 .