Нежесткие конструкции дорожных одежд с толстыми асфальтобетонными покрытиями на щебеночных основаниях в условиях тяжелого и интенсивного движения подвержены интенсивному колееобразованию. Устройство жестких цементобетонных оснований под асфальтобетонные покрытия способствует развитию копирующих трещин в первую очередь в зоне швов; для снижения трещинообразования в таких конструкциях [1] рекомендуется также устраивать толстые слои асфальтобетона (14-26 см), что не снимает проблемы колееобразования. В настоящей работе предложены конструктивно-технологические решения тонкослойного асфальтобетонного покрытия на фрагментированном несущем слое, обеспечивающего высокую колееустойчивость и трещиностойкость дорожной одежды и направление расчета таких конструкций.
Цель исследования
Разработка конструктивно-технологического решения дорожной одежды с высокой колее- и трещиноустойчивостью в условиях тяжелого и интенсивного движения.
Материал и методы исследования
В целях обеспечения высокой колееустойчивости и трещиностойкости покрытия разработана новая нетрадиционная конструкция дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием на жестком фрагментированном несущем слое. Для оптимизации конструктивно-технологических решений использована методика аналитического расчета конструкции с разнообразными нарушениями регулярности, такими как трещины, разрезы, ребра, обоймы и т.п. [4; 5]. В принятой расчетной модели для описания локальных нагрузок и нарушений регулярности использованы разрывные функции: единичная функция Хевисайда и дельта-функция Дирака.
Несущий слой дорожной конструкции рассматривается как фрагментированная пластина на винклеровом основании с рациональными по очертанию и одинаковыми по форме и размерам контурами, ограниченными рустами (вмятинами). По ним в начальный период эксплуатации под действием транспортной нагрузки образуются изломы срединной поверхности, представляющей собой упругие «шарниры» (рис. 1).
При расчете разработанной конструкции система взаимосвязанных элементов фрагментированных несущих слоев (бетонных сборных и монолитных) рассматривается в виде дискретно-континуальной структуры. При этом континуум, т.е. непрерывность, распространена в пределах многоугольного несущего фрагмента, а разрывы имеют место на линиях швов, рустов, разрезов, трещин. Такая теория дискретно-континуальных систем применительно к тонкослойным двумерным конструкциям получила развитие в строительстве как теория пластин с разрывными параметрами. Предлагаемый метод расчета привел к достаточно простым, удобным для практического применения расчетным алгоритмам и программам.
Установление рациональных форм, величин и одинаковых размеров элементов несущего слоя, ограниченных разрезами (при оптимальной жесткости зон разрезов), способствует увеличению однородности конструкции. Это позволяет существенно выровнять давление на нижний слой основания и повысить устойчивость самих несущих элементов в процессе эксплуатации. А вместе с уменьшением влияния температурно-влажностного деформирования в границах зон разрезов снижаются величины раскрытия изломов в несущем слое и концентрация напряжений в них. Это в итоге способствует обеспечению монолитности асфальтобетонного покрытия, усиленного ребрами в зонах изломов (вмятин) несущего слоя.
Рис. 1. План и поперечный разрез фрагментированного несущего слоя дорожной одежды.
Рекомендуемый несущий слой бетонного покрытия, жесткого основания под асфальтобетонное покрытие представляет собой фрагментированную пластину из взаимосвязанных рабочих элементов рациональных форм (в плане - шестигранных призм, овалов, цилиндров и т.д.), оптимальных размеров (от размеров элементов мощения до 1,1 L - упругой характеристики плиты «L») и связей элементов - от идеально-шарнирной до жесткости, близкой к жесткости элемента.
Разработаны два варианта конструктивно-технологических решений: 1) сборный, изготавливаемый на заводах ЖБИ в виде сочлененных монтажных единиц (рис. 2) со специальной подготовкой форм для изготовления (например, установкой на поддоне форм рустообразующих элементов высотой » 1/3 толщины плиты или установкой в формы синтетических вкладышей, разделяющих бетонную плиту на взаимосвязанные элементы и остающихся в изготовленной секции) [2]; 2) монолитный, расчленяемый на рабочие элементы после укладки несущего слоя с установкой на свежеуложенную поверхность жесткого бетона рустообразующей виброплатформы или завершающим проходом по нему решетчатого катка (после уплотнения гладковальцовыми катками), со специальными выступами по окружности вальца, и создающего надрезы необходимого рисунка глубиной » 1/3 толщины плиты, неразрушаемые при выходе выступов при выходе катка (важно правильное В/Ц отношение бетонной смеси) или путем вибропосадки в несущий слой синтетического объемного каркаса с последующей его закаткой в слой гладковальцовым катком [3].
Выбор того или иного варианта применения фрагментированного несущего слоя зависит от особенности назначения конструкции дорожной одежды, конкретных условий выполнения работ, возможностей строительной организации, ее производственной базы, организационно-технологических ограничений, достигнутого уровня качества работ в организации и т.п.
Рис. 2. Конструкция сборного основания.
Новая конструкция сборного основания (рис. 2) эффективна для сооружения дорожных одежд в период низких температур или при невозможности использования в качестве основания монолитных или щебеночных слоев. Особенно целесообразно ее применение при двухстадийном строительстве в течение времени стабилизации конструкции с последующим перекрытием сборных плит асфальтобетоном.
Сборное основание представляет собой несколько рядов вытянутых в плане плит 1, уложенных со смещением каждого ряда на 0,5 плиты. Плита со своей опорной поверхности снабжена рустами (бороздками) 2, которые ослабляют ее сечение и разделяют ее на группу секций, являющихся элементами шестигранника. В месте переломов ломаной линии руста в плите предусмотрены конические углубления 3. Армирована плита продольными стержнями 4 из стали класса A-II (рис. 3 а, б). Поперечная арматура состоит из гладких стержней диаметром 6 мм. Габаритные размеры плиты, прошедшей испытание - 1,75´6,0´0,16, масса 4200 кг. Глубина рустов составляет примерно одну треть от половины высоты сечения плиты.
Так как в эксплуатации работа несущего слоя покрытия обеспечивается системой малых жестких бетонных элементов, а металл требуется лишь для их связи и соединений при стыковке блоков, то и при больших размерах блок-секций расход металла для них в 2-3 раза меньше, чем для традиционной плитной конструкции таких же размеров. При монтаже покрытия обеспечивается повышение производительности труда на 15% за счет сокращения перекладок блоков, снижение трудозатрат на 10%, электроэнергии на 10%, топлива на 5%.
Плиты укладываются автомобильным краном на выравнивающий слой. Конструктивные особенности плиты позволяют снизить требования к качеству ее контакта с выравнивающим слоем, что способствует росту производительности труда на монтаже основания. При эксплуатации сборного основания в процессе строительства и в последующий период до перекрытия асфальтобетоном происходит трещинообразование по сечениям, обозначенным рустами. Каждая секция плотно прилегает к основанию и работает как отдельная маленькая плита, соединенная с соседними посредством стержней арматуры.
Как отмечено выше, внедрение новой конструкции позволило повысить производительность труда по изготовлению плит и монтажу сборного основания, снизить его металлоемкость.
Предлагаемый способ, основанный на возведении несущего бетонного слоя с рациональными разрезами, обладает рядом свойств, существенно влияющих на снижение трещинообразования и колейности. Среди них можно выделить следующие:
- плотное прилегание элементов сборного или монолитного несущего слоя к нижнему основанию при укладке, что приводит к уменьшению напряженного состояния основания до и после укладки асфальтобетонного покрытия, повышению равномерности деформирования дорожной одежды;
- повышение трещиностойкости асфальтобетонного покрытия вследствие температурно-влажностного деформирования элементов несущего слоя только в границах заданных разрезов и устойчивости рабочих элементов за счет рациональных размеров, форм элементов и оптимальных жесткостей связей между ними;
- снижение колейности, в том числе за счет возможности укладки тонкослойного асфальтобетонного покрытия на фрагментированном бетонном основании с высокой распределяющей способностью;
- уменьшение отрицательных динамических характеристик системы «основание - покрытие» вследствие гашения динамики (демпфирования) на контактах рабочих элементов и плотного их прилегания (улучшения контакта) с нижним слоем;
- улучшение связей между слоями дорожной одежды (нижним и верхним) посредством рационального рустования несущего слоя и ребер в покрытии, повышающих устойчивость и срок службы дорожной одежды.
Рис. 3а. Плита дорожная. Принципиальный чертеж и вариант армирования.
Рис. 3б. Плита дорожная. Участок строительства. Фото.
Результаты исследования и их обсуждение
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования. Построены опытные участки. Защищена одна докторская и три кандидатские диссертации.
Выводы, заключение
Опытное строительство было выполнено на четырех объектах в г. Санкт-Петеребурге, В. Новгороде, Усинске (Республика Коми), которое подтвердило гипотезу фрагментирования основания как метода повышения трещиностойкости и колееустойчивости асфальтобетонного покрытия. Предстоят крупномасштабные работы по внедрению в производство материалов исследования, заключается хоздоговор с организацией - производителем работ.
Рецензенты
- Котиков Ю.Г., д.тех.н., профессор кафедры организации перевозок, управления и безопасности на автомобильном транспорте, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.
- Индейкин А.В., д.тех.н., профессор кафедры «Теоретическая механика», ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения», г. Санкт-Петербург.
Библиографическая ссылка
Карпов Б.Н., Клековкина М.П. ЭФФЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6325 (дата обращения: 19.04.2024).