Конструирование и расчет дорожных одежд
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
Конструирование и расчет дорожных одежд 20 В случае заполнения водой всех пор материалов слоев дорожной одежды и пустот между ними транспортные нагрузки оказывают на воду динамическое воздействие типа гидравлического удара. Пульси- рующее давление воды вызывает эрозию, выбрызгивание материала из-под покрытия, может привести к расслаиванию. Свободная вода, находясь в деформированных асфальтобетон- ных покрытиях, способствует образованию трещин, окислению биту- ма, увеличению жесткости покрытия, что может привести к растрес- киванию и общему разрушению слоя. Вода является средой, в которой частицы глинистого грунта земляного полотна выталкиваются в обра- зующиеся трещины в монолитных слоях дорожной одежды, препят- ствуя тем самым их смыканию и самозалечиванию. Наиболее опасна вода в порах и трещинах материала покрытия весной, когда в ночное время происходит еѐ замерзание. При этом давление, возникающее в скелетных материалах (главным образом в результате льдообразования), приводит к растрескиванию покрытия из-за чрезмерных напряжений. В весенний период происходит много- кратное замерзание и оттаивание, что ускоряет процесс разрушения материала покрытия. Поскольку нагрузки от транспортных средств при этом крайне опасны, ограничение движения разумно с точки зре- ния условий, возникающих внутри материалов конструктивных слоев дорожной одежды и земляного полотна. Нельзя не замечать и другую сторону проблемы: часто весеннее ограничение движения является способом компенсации ошибок служб ремонта и содержания дорог. В качестве примера обратим внимание на работу дренажа дорожной одежды (рис. 1.6). В процессе содержания дороги грязь, наносы сталкиваются на откос и препятствуют водоотводу из дренирующего слоя, в результате в материалах дорожной одежды скапливается свободная вода (послед- ствия этого рассмотрены выше). Необходимы периодическая очистка и планировка обочин, откосов и восстановление дренажа. Другим эффективным способом защиты дорожных покрытий в ве- сенний период является своевременный ремонт дефектов в виде трещин. Вследствие малой распределяющей способности нагрузки в ас- фальтобетонных покрытиях приходится увеличивать их ширину, пре- вышая требуемую по условию движения автомобилей (чтобы не раз- 20 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 21 рушалась кромка слоя). Цементобетонные покрытия не требуют такой предосторожности, т. е. ширина слоя цементобетона может быть в пределах допускаемой. Высокая распределяющая способность це- ментобетона исключает необходимость ограничения движения в пе- риоды ослабления несущей способности земляного полотна. Рис. 1.6. Схема дорожной конструкции в процессе эксплуатации: 1 – дренирующий слой; 2 – проектное очертание откоса; 3 – наносы, грязь Работоспособность нежестких дорожных одежд резко снижает- ся и в результате уменьшения модуля упругости асфальтобетона при повышении его температуры (рис. 1.7). При 50 °С (достаточно типич- ная температура покрытия в летний период) величина модуля упруго- сти асфальтобетона составляет 12 % от значения модуля при 10 °С. Для компенсации этого явления требуется увеличение толщины слоя, что, в свою очередь, приводит к соответствующему росту затрат. В жаркий период года на асфальтобетонных покрытиях появляются сдвиговые деформации (колея, волны). Вероятность их образования значительно повышается при низких скоростях движения и наличии сверхтяжелых нагрузок. Цементобетон практически не меняет своих прочностных свойств при изменении температуры. 1.4. Характерные повреждения и дефекты эксплуатируемых дорожных одежд Соблюдение норм проектирования дорожных одежд, как прави- ло, способствует заблаговременному выявлению наиболее уязвимых 1 2 3 21 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 22 мест образования дефектов в слоях дорожных одежд. К сожалению, единая классификация дефектов по количественным признакам пока недостаточно проработана. Приведенные ниже сведения – результаты анализа опыта эксплуатации покрытий аэродромов и автомобильных дорог общего пользования [21, 28]. Рис. 1.7. Изменение модуля упругости горячего плотного асфальтобе- тона (Е) в зависимости от температуры (t): 1 – на битуме марки БНД 60/90; 2 – БНД 90/130 Повреждения, встречающиеся на дорожных покрытиях, можно классифицировать по причинам, их вызывающим; характеру процес- сов разрушения; значимости последствий разрушения и трудоемкости восстановления транспортно-эксплуатационных свойств [22]. 10 20 30 40 t, °С E, МПа 1 2 22 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 23 Причины, вызывающие повреждения любых сооружений, мож- но свести к четырем видам: воздействие внешних природных и искус- ственных факторов; воздействие факторов, обусловленных техноло- гическими процессами при строительстве сооружения; проявление дефектов, допущенных при проектировании; недостатки и нарушения правил эксплуатации. По характеру процессов, приводящих к разрушению конструк- ций, оно может быть: – механическим, вызванным приложением сил (сверхрасчетной нагрузки и т. д.); – физико-механическим, вызванным воздействием поперемен- ного замораживания-оттаивания, химических противогололедных ма- териалов и т. д. По степени разрушения или значимости их последствий выде- ляют три категории повреждений: 1) аварийного характера, требующие немедленного устранения; 2) несущих конструкций, не являющиеся аварийными, устране- ние которых допустимо при капитальном ремонте; 3) мелкие местные, устраняемые при текущем ремонте. По аналогии со стандартизованной классификацией дефектов по- вреждения можно разделить на критические, значительные и незначи- тельные (мелкие). Однако следует делать различие между понятиями «дефект» и «повреждение». Дефект – это каждое отдельное несоответ- ствие конструкции установленным требованиям, а повреждение – ре- зультат проявления дефекта. Наличие дефекта не всегда приводит к по- тере или снижению работоспособности дорожной одежды. Наиболее полная классификация основных видов разрушений (повреждений) дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями отражена в работе А.П. Васильева [22], а с цементобетонными покры- тиями дана Н.В. Свиридовым [23]. Довольно типичный вид повреждения цементобетонных покры- тий – шелушение. Шелушением называют отслоение раствора с по- верхности покрытия на глубину до 5 мм. Оно может быть сплошным, очаговым и вдоль поперечных и продольных швов. Основная причи- на – низкая прочность бетона верхнего слоя плит. 23 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 24 Сплошное шелушение поверхности плиты и отдельных ее участков вызывают также: – применение излишне пластичной смеси, вследствие чего при уплотнении выделяется на поверхности избыток раствора, обогащен- ного цементом и водой; – использование загрязненных заполнителей, в результате чего в верхней части плиты скапливаются загрязняющие примеси; – способ ухода, не соответствующий температурным условиям твердения бетона; – бетонирование покрытия в дождливую погоду; – использование хлористых солей для борьбы с гололедом; – замораживание бетона до набора прочности менее 50 % от проектной; – несоответствие прочности и морозостойкости бетона верхнего слоя фактическим напряжениям от механической нагрузки и климати- ческих воздействий. Очаговое шелушение – шелушение отдельных мест – свидетель- ствует о применении некоторых замесов бетонной смеси низкого каче- ства или об отсутствии должного ухода на локальных участках дороги. Шелушение вдоль поперечных и продольных кромок цементо- бетонных плит, помимо указанных выше общих причин, может быть следствием скопления влаги у швов при наличии превышений в сты- ках смежных плит. Верхний слой насыщается водой, при ее замерза- нии участки вдоль кромок плит интенсивно разрушаются. Шелушение вдоль швов вызывается также повышенными динамическими нагруз- ками из-за уступов в стыках смежных плит. Разрушение поверхности покрытия (на глубину 5–20 мм) воз- никает по тем же причинам, что и шелушение. Переход шелушения в стадию разрушения происходит из-за запаздывания с ремонтом. Раз- рушение покрытия на глубину более 20 мм с выкрашиванием крупно- го заполнителя, оголением арматуры называют послойным. При дви- жении транспортных средств по неровному покрытию возникают до- полнительные нагрузки. В сочетании с уменьшенным сечением плиты это приводит к еѐ преждевременному разрушению. Отмечено, что участки покрытий с разрушенной поверхностью подвержены интен- сивному обледенению в зимний период. 24 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 25 Выбоины на цементобетонном покрытии имеют глубину до 50–70 мм и произвольные очертания в плане. Их площадь составляет 0,25–2,0 м 2 . Раковины отличаются от выбоин меньшей площадью раз- рушения (до 0,25 м 2 ). Выбоины и раковины, как правило, – результат применения отдельных замесов бетонной смеси низкого качества или попадания загрязненного и неморозостойкого заполнителя, плохого уплотнения отдельных участков покрытия. Трещины – самый распространенный вид разрушения. Они раз- нообразны по происхождению, характеру распространения, ширине раскрытия и глубине. Трещины образуются из-за появления в плитах напряжений, превышающих предел прочности бетона на растяжение. Такие напряжения могут возникнуть в результате интенсивной усадки бетона при твердении, проездов автомобилей с нагрузкой выше рас- четной, снижения прочности основания, значительной неоднородно- сти бетона по прочности и т. д. Усадочные трещины – мелкая густоразвитая сетка трещин на отдельных участках плит со стороной ячейки 20–40 мм, шириной рас- крытия до 0,1 мм и глубиной до 5 мм. Возможно их раскрытие до 1,5 мм (при глубине до 30 мм). Усадочные трещины появляются в начальный период твердения бетона (первая группа) или спустя не- сколько лет (вторая группа). В начальный период трещины образуют- ся из-за расслоения бетонной смеси, применения загрязненных запол- нителей, нарушения режима ухода за бетоном, укладки смеси в сухую жаркую погоду без специальных мер защиты. В процессе эксплуата- ции покрытия сетка трещин образуется вследствие капиллярной усад- ки, вызванной попеременным увлажнением и высушиванием верхнего слоя и карбонизации бетона [23]. Первая группа трещин может быть устранена технологическими приемами (применение нерасслаивающихся смесей, улучшение усло- вий твердения бетона и т. д.). Для предупреждения трещин второй группы необходимо использование бетона повышенной плотности и прочности на всю толщину плиты или для верхнего слоя плит. Уса- дочные трещины ведут к появлению шелушения и разрушению верх- него слоя бетона. Поперечные и продольные одиночные сквозные трещины со значительной шириной раскрытия (до 5 мм) по происхождению мож- 25 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 26 но разделить на технологические, силовые и трещины коробления. Технологические трещины появляются через 1–3 сут после бетониро- вания покрытия в результате температурных напряжений, превыша- ющих прочность бетона на растяжение к этому сроку. Предотвратить такие трещины можно своевременной нарезкой пазов швов в сочета- нии с мерами по уменьшению температурного перепада по толщине плиты за счет укрытия твердеющего бетона термоизоляционным сло- ем. Расстояние между технологическими трещинами – 5–25 м (в зави- симости от толщины плиты, свойств бетона, величины температурно- го перепада, процента армирования плиты). К технологическим относят трещины, образующиеся вдоль швов расширения из-за смещения деревянной прокладки или нарезки паза в стороне от нее, нарезки пазов на недостаточную глубину. Силовые сквозные трещины формируются при недостаточной прочности бетона, основания и подстилающих грунтов, а также при эксплуатации автомобилей, нагрузка от которых превосходит несу- щую способность дорожной одежды. Трещины могут появиться в ре- зультате многократного воздействия нагрузок, не превышающих до- пустимые. Трещины коробления образуются на расстоянии 1–2 м от швов. Они характерны для районов со значительным колебанием суточных температур воздуха. Коробление плиты (см. рис. 1.3) может привести к отрыву ее концов от основания. При приложении в этот момент внешней нагрузки появляются трещины. Аналогичные трещины могут возникать при разуплотнении или частичном вымывании основания под швом, а также при значительном накоплении остаточных дефор- маций в основании. В этом случае нарушается контакт плиты с осно- ванием и несущая способность покрытия резко снижается. Трещины от просадки основания (сквозные поперечные и про- дольные) делят плиту на отдельные части. Эти трещины раскрывают- ся на 5–6 мм, иногда наблюдается поднятие отдельных частей плит. Для устранения этого дефекта необходимо вскрывать покрытие и вос- станавливать несущую способность основания. При усилении покрытий в новом слое могут появиться дефекты нижнего слоя. Эти трещины называют отраженными. Трещины за- щемления являются продолжением поперечного шва на смежной пли- 26 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 27 те соседнего ряда, если не совпадают швы по ширине покрытия, или продолжением трещины с одного ряда плит на другой. Они возника- ют, если отсутствует свободное взаимное перемещение смежных плит в продольном направлении из-за неудовлетворительного состояния продольного шва (шов засорен, искривлен и т. д.). Сквозные трещины существенно снижают несущую способ- ность и долговечность покрытия, нарушают его ровность, способ- ствуют переувлажнению основания и подстилающих грунтов (см. п. 1.3). Засорение трещин приводит к сколу их кромок. Разрушение кромок плит происходит в результате засорения пазов швов и больших трещин твердыми посторонними частицами, кусочками бетона, щебня, песка. При повышении температуры пазы швов закрываются и находящиеся в них твердые частицы скалывают кромки бетона. Причиной разрушения кромок могут быть и механиче- ские нагрузки при недостаточной прочности плит вдоль швов, и нали- чие уступов между смежными плитами. Своевременные очистка [24] и заливка пазов, заделка трещин предотвращают разрушение кромок цементобетонных плит. Отколы краев плит происходят вдоль поперечных швов расши- рения и сжатия, продольных швов при наличии шпунтового соедине- ния. В зоне швов расширения отколы проявляются в первый сезон экс- плуатации покрытий и, как правило, являются результатом нарушения технологии устройства швов: доски в швах установлены с отклонением от горизонтальной и вертикальной плоскостей, пазы не совпадают с фактическим положением досок; швы нарезаны в стороне от доски; доски установлены с перерывами по ширине плит и т. д. Отколы краев плит вдоль швов расширения и сжатия возникают также вследствие установки штырей со смещением в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При температурных деформациях плит и приложении внешней нагрузки штыри, расположенные с перекосом, создают дополнительные скалывающие напряжения, которые приво- дят к образованию трещин вдоль штырей и отколам бетона. Отколы углов плит достигают 40–120 см по гипотенузе и фор- мируются в результате снижения несущей способности основания или отрыва углов плит от основания при значительном суточном перепаде температур. Предупреждение отколов достигается оптимизацией раз- 27 / 44 Конструирование и расчет дорожных одежд 28 меров плит (в соответствии с климатическими условиями), устрой- ством швов коробления, исключением размывания основания. Вертикальные смещения плит в стыках достигают 15–20 мм и более. Основными причинами являются: неравномерная осадка ос- нования при недостаточном уплотнении слоѐв грунта земляного по- лотна и дорожной одежды или неодинаковой их толщине на неболь- ших по протяжению участках; разуплотнение основания вследствие попадания воды через открытые швы; пучение грунтов земляного по- лотна; накопление необратимых деформаций в основании. Вертикальные смещения смежных плит снижают долговечность покрытия из-за дополнительных напряжений, возникающих в бетоне покрытия и в основании дорожной конструкции от динамических нагрузок, сокращают срок службы автомобильных шин. Местные неровности покрытия – поперечные волны, располага- ющиеся на расстоянии около 2 м друг от друга по длине плиты, замкну- тые «блюдца» глубиной до 15 мм и выпуклости высотой до 10–20 мм. Образование волн является следствием применения деформиро- ванных рельс-форм при строительстве покрытия, перемещения глад- кого колеса бетоноотделочной машины по плохо очищенному гото- вому покрытию; использования излишне жесткой бетонной смеси. Впадины и выпуклости появляются при неравномерном распределе- нии бетонной смеси перед бетоноотделочной машиной. В 1972–1974 гг. обширные исследования состояния цементобе- тонных дорожных покрытий на дорогах Сибири были предприняты Омским филиалом СоюздорНИИ [25]. Было выявлено, что прочность бетона в основном соответствует проектной. Длина плит монолитных покрытий изменяется от 4 до 9 м, наиболее часто применяют плиты длиной 6 м. На покрытиях с дискретным основанием возникает значи- тельно больше деформаций, чем на покрытиях с укрепленным осно- ванием. Количество деформаций возрастает с увеличением длины плит. Наиболее характерны поперечные и продольные трещины. По- перечные трещины и околы углов, как правило, расположены на рас- стоянии 20–40 см от швов. Этот тип разрушения наиболее типичен для покрытий, построенных на дискретных основаниях. Количество поперечных трещин в средней части плиты, незави- симо от типа основания, возрастает с увеличением ее длины. Величина 28 / 44 1. Работа дорожных одежд автомобильных дорог 29 максимального раскрытия трещин в весенне-летний период – 2–3 мм. Величина уступов между смежными плитами на покрытиях с песчаным основанием составляет 3–12 мм, а при цементогрунтовом основании не превышает 5 мм. Шелушение поверхности не является характерным видом де- формации покрытий из монолитного бетона. Ровность монолитных покрытий удовлетворительная. Практика эксплуатации дорог выявила ряд существенных недо- статков цементобетонных покрытий: быстрое разрушение защитного слоя бетона и обнажение арматуры (в результате выходят из строя шины автомобилей); выколы бетона практически не поддаются лече- нию из-за плохого сцепления между старым и новым слоями бетона. Следует отметить низкую ремонтопригодность жестких дорожных одежд в целом. Цементобетонные покрытия, построенные в условиях Сибири по типовым проектам без учета особенностей воздействий природно- климатических факторов (в первую очередь температурных воздей- ствий), привели к их чрезмерным деформациям и разрушениям. Так, срок службы монолитных армированных покрытий на карьерах Яку- тии не превышал 3 лет. Причинами разрушения были низкое качество цементобетона, неравномерные осадки грунтов основания, значитель- ные температурные деформации плит [26]. Сквозные трещины служат очагом разрушения всей дорожной одежды, этот дефект наиболее характерен для покрытий на террито- рии Сибири. Анализ опыта применения цементобетонных покрытий на авто- мобильных дорогах показывает, что их повреждения и дефекты во многом зависят от недостаточного учета особенностей эксплуатации. В свете этого необходимым условием обеспечения долговечности жестких дорожных одежд является тщательное проектирование, по- скольку допущенные на данной стадии ошибки практически невоз- можно исправить в дальнейшем. Для нежестких дорожных одежд наиболее характерны износ по- верхности, волны, выбоины, колеи, сквозные проломы, просадки. В табл. 1.1 приведена классификация дефектов нежестких дорожных одежд по ОДН 218.1.052–2002 [27]. Каталог дефектов, возникающих 29 / 44 |