Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Для решения проблемы увеличения межремонтных сроков дорожных одежд в условиях современного интенсивного и тяжелого движения подпрограммой «Автомобильные дороги» федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010–2020 годы)» предусмотрена корректировка технической политики в направлении более широкого использования цементобетонных и комбинированных покрытий и оснований [9]. Ошибочные решения отказа от строительства цементобетонных покрытий в 70-е годы подорвали традиционную производственную базу (заводы и укладчики цементобетона) и подготовку специалистов данного направления.

Требования благоустройства городских территорий способствовали возрождению в 90-х годах прошлого столетия на городских дорогах и тротуарах использования мелкоблочных конструктивных решений сначала в опытном порядке (например, городская пешеходная зона на ул. Малая Конюшенная), далее на тяжелозагруженных территориях складских и портовых объектов. При этом, естественно, возникла необходимость в проектировании усовершенствованных покрытий, которые должны надежно воспринимать значительные статические и динамические нагрузки от подвижных транспортных средств, хотя нормативная база на использование таких видов бетонных покрытий также и в настоящее время практически отсутствует.

Тем не менее, в последние годы развитие мелкоблочной производственной базы в городах РФ активно осуществляется на интуитивной основе, зачастую методом проб и ошибок.

В практике жестких цементобетонных покрытий их линейку представляют монолитные покрытия, сборные покрытия, сборно-монолитные покрытия и покрытия из мелких бетонных блоков [4]. В ряду бетонных покрытий блочные покрытия самые старые, но теоретически и конструктивно самые неотработанные.

Покрытия из мелких бетонных блоков достаточно технологичны. Камни мощения можно повторно использовать для ремонта и восстановления покрытия без применения специальных машин и оборудования, без широкого фронта работ. Такое покрытие можно разбирать, облегчая доступ к коммуникациям, причем при необходимости движение по отремонтированному участку можно открывать в кратчайшие сроки. Несущая способность блочного покрытия не зависит от погодных условий, покрытие не боится пучения грунтов. У такого покрытия работы по мощению могут выполняться круглогодично, даже в осенний период, когда проблематично обеспечить качество работ по бетонированию и асфальтированию. Мощение можно выполнять как вручную, так и с применением механизированных профилировщиков основания и укладчиков с производительностью до 1200 кв. м в смену. Покрытие экологично, так как бетон не выделяет в атмосферу вредных веществ, что важно на городских территориях, а также позволяет решать различные архитектурно-художественные задачи с применением камней мощения различных цветов. Покрытие обладает высокими и стабильными сцепными качествами, низкой энергоемкостью. В отличие от панельных сборных это покрытие удобно на кривых малых радиусах. Покрытие уже зарекомендовало себя при устройстве портов и логистических терминалов. На основе работы [3] приведено сравнение технико-экономических показателей разных дорожных покрытий для портов и логистических терминалов (см. табл. 1).

В настоящее время существует несколько десятков видов и форм бетонных камней мощения, производимых различными фирмами, отличающихся по физико-механическим характеристикам и размерам. Ландшафтные архитекторы и проектировщики в проекте назначают тот или иной вид камня, в основном руководствуясь архитектурными и эстетическими задачами. Однако расположение камней мощения в дорожном покрытии, их форма и размеры должны не только гармонировать с окружающей застройкой, но и обеспечивать такие эксплуатационные показатели дорожной одежды, как устойчивость и ровность покрытия.

Дорожная одежда с покрытием из искусственных камней мощения представляет многослойную конструкцию, состоящую из покрытия, несущего и (при необходимости) дополнительного слоя основания, подстилающего грунта земляного полотна. Дорожная одежда воспринимает внешнюю нагрузку и передает ее на подстилающий грунт. Ее считают устойчивой, если под воздействием движения и погодно-климатических факторов сохраняется прочность и ровность покрытия. Ровность блочного покрытия – это микро- и макропрофили его поверхности, характеризующиеся наличием и величиной различных отклонений от идеальной линии, зависящих от наличия выбоин, впадин, выступов, сдвигов, волн, ступенек. В свете обеспечения ровности и долговечности выбор и применение с разработкой новых видов бетонных камней мощения являются актуальными вопросами для производителей, проектировщиков, строителей.

Работами [2, 5, 7, 8] установлено, что максимальным сопротивлением внешним воздействиям обладают камни, по форме наиболее близкие к кругу: восьмиугольные, шестиугольные и квадратные. Максимальной устойчивостью к сдвигу обладают покрытия, состоящие из камней с горизонтальной (в плане) связью, в которых обеспечивается перевязка швов в прямом и перпендикулярном движению направлении. Конструкции покрытий из фигурных элементов мощения передают силы от торможения не только в направлении движения, но и по ширине дорожного покрытия, чем значительно снижают нагрузку на основание и обеспечивают равномерное ее распределение.

В опытном порядке использовались камни толщиной более 100 мм с вертикальными шпунтовыми связями. Стыковые соединения таких камней образуются при помощи устройства на одной из сопрягаемых вертикальных граней гребня трапецеидальной, треугольной или полусферической форм, а на примыкающей к ней вертикальной грани другой плиты соответствующего паза. Стыки на боковых гранях препятствуют вертикальному смещению камней относительно друг друга и обеспечивают частичное или полное восприятие внешних горизонтальных или вертикальных усилий. Однако с применением элементов с наклонными гранями или фигурными выступами высокой точности осложняется вопрос устройства и разборки покрытия, поскольку при монтаже и демонтаже покрытия требуется определенная последовательность операций, и заклиненный элемент не всегда легко и без повреждения может быть извлечен из покрытия.

Рис. 1. Схема раскладки камней в покрытии с перевязкой швов

Таблица 1

Технико-экономические показатели дорожных покрытий для портов и логистических терминалов

Важное значение имеет схема расположения швов в покрытии. В случае интенсивного автомобильного движения для равномерного износа дорожного покрытия желательно такое расположение швов, чтобы все места стыков камней мощения подвергались примерно одинаковому воздействию транспорта. Для равномерной передачи нагрузки в покрытии лучше всего использовать шестиугольные камни мощения, где швы расположены под различными углами к оси дороги и более равномерно изнашиваются, или, в случае применения прямоугольных камней, вести их укладку под углом к оси дороги («елочкой») (рис. 1).

Стабильная во времени ровность блочных покрытий является одним из основных критериев их эксплуатационной надежности.

Возникновение неровностей может быть обусловлено плохой подготовкой основания и(или) отклонением толщины плит от проектных размеров (см. рис. 2). Нереально получить требуемую ровность покрытия при допусках на толщину блоков и ровность основания ± 5 мм.

С нормативными допусками (± 5 мм) при совмещении подошвы блоков и поверхности основания неровности поверхности покрытия могут достигать 20 мм (табл. 2). Для снижения неровности до нормативных пределов используют выравнивающий упруго-пластичный слой как компенсатор при посадке блоков.

Так как в настоящее время не разработана единая методика расчета дорожных одежд с блочным покрытием, инженерный расчет конструкции с блочным покрытием выполняют по методике расчета нежесткой дорожной одежды. Также отсутствует алгоритм расчета блочных покрытий при использовании разных слоев дорожной одежды с разными характеристиками нагруженности: автомобильные дороги, аэропорты, промышленные территории, контейнерные терминалы, порты, тротуары (рис. 3). При этом в современных условиях эксплуатации непрерывно возрастают нагрузки на дорожное покрытие и их интенсивность, и, соответственно, повышается уровень ответственности заказчика и проектировщика за принятые решения по величине несущей способности конструкции.

Таблица 2

Размерные цепи при устройстве сборного покрытия с обычными допусками по ровности основания (± 5 мм) под 5-метровой рейкой и по толщине плит (± 5 мм)

Рис. 2. Схема возникновения неровностей в сборных покрытиях: σп1 – отклонение в толщине одной из плит сборного покрытия; σо1 – отклонение в ровности основания под первой плитой; σп2 – отклонение в толщине другой, примыкающей к первой плите; σо2 – отклонение в ровности основания под второй плитой; Δ – допустимые отклонения по ровности покрытия или уступов между плитами; hп – высота плиты; hо – высота подстилающего слоя основания

Рис. 3. Конструкции блочных покрытий высоко- и низконагруженных территорий: 1 – камни мощения; 2 – прослойка песка; 3 и 7 – геотекстиль; 4 – щебень; 5 – песок; 6 – геосетка (георешетка) для увеличения площади передачи нагрузки на грунтовое основание, ставится по расчету; 8 – слой основания; 9 – дополнительный слой основания; 10 – бортовой камень; 11 – подушка под бортовым камнем

Основными предельными состояниями обеспечения долговечности блочной дорожной конструкции являются:

– устойчивость дорожной одежды с блочным покрытием;

– интенсивность в изменении (ухудшении) ровности, связанной с характером кинематического воздействия реального микропрофиля блочных покрытий.

Условия устойчивости положения блоков:

– первое условие устойчивости будет обеспечено, если по подошве всех блоков чаши прогиба напряжения будут сжимающими (положительными);

– второе условие состоит в том, что наибольшее по абсолютному значению напряжение (σ_υ) не должно превосходить предельного (σ_пред) для данного вида грунта при сжатии:

|σ_υ| = σ_пред;

– по третьему условию вертикальное смещение наиболее нагруженного блока

W_υ = |σ_υ|K = Wпред,

где К – коэффициент постели грунта; Wпред – нормативный предельный упругий прогиб.

В соответствии с требованиями обеспечения устойчивости при интенсивном и тяжелом движении сборные дорожные покрытия устраивают на укрепленном (в том числе бетонном) основании.

Расчет основания в таких случаях целесообразно производить исходя из величины критических сжимающих напряжений, возникающих в основании жесткого дорожного покрытия. Критическое напряжение для случая круглого гибкого штампа, при котором еще отсутствуют зоны разрушения (зоны сдвигов), определяется по формуле Н.П. Пузыревского:

где γ – объемный вес грунта; h_ш – величина заглубления штампа (γh – пригрузка); c – сцепление; φ – угол внутреннего трения.

При разработке метода расчета следует учесть, что в дорожном покрытии из искусственных камней мощения, как отмечает Н.С. Павлова [6], нагрузка не воспринимается швами, а за счет них она перераспределяется между камнями мощения и основанием, причем дорожное покрытие из камней мощения распределяет нагрузку на нижележащее грунтовое основание по отличающемуся от монолитных покрытий закону.

В диссертации [1], на основе экспериментальных данных, без учета факторов степени заклинки швов установлено, какая часть нагрузки воспринимается слоем блоков, а какая передается на подстилающее грунтовое основание.

Предполагается, что если осадка одиночного блока и блока, загружаемого в составе покрытия, равны, то разница между величинами нагрузок, действующих в этих двух случаях, дает значение реакции слоя блоков. В результате были получены графики зависимости величины реакции слоя блоков от нагрузки, действующей на покрытие, которые методом наименьших квадратов были аппроксимированы линейной зависимостью при:

h_бп = 60 мм → R_бп = 0,50 P;

h_бп = 80 мм  → R_бп = 0,62 P;

h_бп = 100 мм  → R_бп = 0,74 P.

Согласно данным исследований Ассоциации цемента и бетона Великобритании, блочное покрытие распределяет прикладываемую нагрузку P на нижележащее грунтовое основание под углом в по площади F1. Интенсивность нагрузки, действующей на грунтовое основание, учитывая реакцию слоя блоков Rбп, равна

p = (P – R_бп) / F1

Диаметр передачи нагрузки на основание

D_p = D + 2(h_ик + h_в),

где Dp – диаметр передачи нагрузки, м; D – диаметр следа колеса, м; hик – высота камня мощения, м; hв – толщина выравнивающего (монтажного) слоя, м.

При расчете дорожной одежды с покрытием из камней мощения, она приводится к нежесткой дорожной одежде, на поверхности которой действует нагрузка интенсивностью p, распределенная по кругу площадью F1.

Данный метод приведения нагрузки устанавливает связь между внешней нагрузкой и толщиной (высотой) покрытия из камней мощения.

Выводы

Недостатки используемых решений теории упругости и упрощающие предпосылки в части передачи напряжений через искусственные камни мощения не позволяют достоверно оценивать НДС конструкции покрытия под нагрузкой и, как следствие, назначать эффективные инженерные решения по повышению устойчивости. В связи с этим актуальными вопросами остаются исследования:

– характера перераспределения статической нагрузки в основании по радиусу чаши прогиба в зависимости от величины транспортной нагрузки, а также оценка распределяющей способности в зависимости от размеров и формы блоков;

– распределяющей способности нагруженных бетонных блоков в зависимости от модуля упругости основания;

– осадки и радиуса чаши прогиба от характеристик материала расклинцовки швов.

Необходимо иметь в виду, что обеспечение устойчивости покрытия определяют не только величина внешней нагрузки, свойства материалов, условия работы покрытия, основания и земляного полотна при воздействии природно-климатических факторов, но и размеры и форма несущих элементов, форма и направление разрезов-швов, материалы и технология расклинцовки швов, геометрия элементов покрытия, характер связей блоков и слоев дорожной конструкции.

Дополнительные условия устойчивости, специфичные для блочных покрытий, основаны на характере взаимодействия колеса движущегося автомобиля одновременно с группой блоков (отпечаток колеса захватывает несколько блоков). При движении по блочному покрытию характер устойчивости фактически не изменяется и имеет установившийся характер. Для других сборных покрытий проход колеса идет по неоднородной схеме «плита – шов – плита».

В такой постановке для разработки теоретических решений расчета и конструирования дорожных покрытий необходимо дополнительно ввести три новых условия обеспечения устойчивости и соответственно ровности:

– оценка особой роли соединения блоков в покрытии (для активного вовлечения в совместную работу большего числа смежных блоков) с помощью расклинцовки (расшивки) швов материалом по составу одинаковым с составом минеральной части блока (бетона);

– укладка одинаковых по форме и размерам блоков в разбежку с перевязкой швов, обеспечивающих не линейное (со сквозными швами), а площадное НДС;

– заключение любых по ширине полос покрытия в обойму с помощью бортовых камней (анкеров) для обеспечения устойчивого положения кромки.