Аналіз впливу різноманітних чинників на тріщиноутворення нежорстких дорожніх одягів

В результаті прикладення навантажень від коліс автомобілів дорожній одяг прогинається, потім поступово відновлюється. При високих інтенсивностях і швидкостях руху навантаження від коліс вантажних автомобілів можуть повторюватися через кожні 1,5-6 сек. Прогин від колеса важкого вантажного автомобіля розповсюджується в усі сторони, створюючи чашу радіусом до 3-4 м, яка переміщується в напрямку руху автомобіля. Чаші прогинів частково перекривають одна одну, охоплюючи всю ширину смуги руху. При цьому в шарах дорожнього одягу виникають напруження стиску, розтягу, згину та зсуву. Надмірні напруження від транспортних навантажень приводять до виникнення деформацій, а накопичення залишкових деформацій приводить до руйнування дорожнього покриття.

Міцність дорожнього одягу є найбільш важливим показником транспортно-експлуатаційного стану автомобільної дороги, якому необхідно регулярно оцінювати протягом усього терміну її служби.

Міцністні якості дорожнього одягу визначаються, насамперед, опірністю ґрунту, що підстилає, стиску. Дорожній одяг повинний розподіляти діючу на неї навантаження від колеса автомобіля по можливості на велику площу.

При дії тиску від колеса основа дорожнього одягу стискується в межах активної зони, як у поперечному, так і в подовжньому напрямку, у результаті чого відбувається прогин дорожнього одягу по деякій криволінійній поверхні з утворенням так називаної «чаші прогину».

Тиск, переданий на ґрунтову основу, залежить від площі, на яку розподіляється навантаження. Зі збільшенням товщини дорожнього одягу ця площа збільшується, а тиск відповідно зменшується. У весняний чи осінній періоди, коли внаслідок перезволоження знижується міцність ґрунту, існуюча товщина дорожнього одягу не забезпечує безпечний тиск, і при проїзді дуже важких автомобілів можуть виникати руйнування дорожнього одягу.

Вертикальні та дотичні сили, що виникають при русі автомобілів, викликають пружні і залишкові деформації в покриттях, у результаті яких покриття зношуються та руйнуються. Нагромадження залишкових деформацій на поверхні покриття робить останнє нерівним і непридатної для руху з високими швидкостями. При напругах і деформаціях, що перевищують припустимі межі, може відбутися повне руйнування одягу.

Рисунок 4.1

а) Види деформацій і руйнувань дорожнього одягу в поперечному профілі; б) Види деформацій і руйнувань дорожнього одягу в повздовжньому профілі. 1- чаша прогину; 2 - зона стиску одягу; 3 - зона розтягання; 4 - поверхня зрізу одягу; 5 - площа передачі тиску на ґрунт; 6 - ущільнення ґрунту в основі дорожнього одягу; 7 - напрямок стиску ґрунту; 8 - напрямок випирання ґрунту;9 - тріщини в дорожньому одязі (а - повздовжні; б - поперечні): 10 - деформації дорожнього одягу.

Варто розрізняти:

а) деформації всього одягу в цілому як інженерної конструкції під дією статичних і динамічних вертикальних сил. Ці деформації виражаються в осаді і вигині одягу:

б) деформації верхніх шарів (руйнування матеріалу шару) і, зокрема, поверхневого шару внаслідок стиску, зминання, стирання і зрушення під дією вертикальних і дотичних сил.

По характері опору діючим зусиллям і по роду виникаючих деформацій дорожні одяги поділяють умовно на:

тверді одяги, що роблять опори вигину і розраховані на міцність по опорі вигину як плита на пружній основі. До таких одягів відносяться цементобетонні, а також покриття на цементобетонній основі;

нежорсткі одяги, що володіють малим опором вигину і міцність яких у більш істотному ступені залежить від опору ґрунту земляної полотнини. До них відноситься більшість розповсюджених у даний час конструкцій дорожніх одягів.

Дорожній одяг можна розглядати як інженерну конструкцію, що складається з декількох шарів, кожний з який виконує визначену функцію в роботі всього одягу.

Будівельні норми і правила (БНіП) виділяють у дорожньому одязі наступні конструктивні шари:

1) покриття -- верхній шар одягу, що характеризує транспортно-експлуатаційні якості проїзної частини. Цей шар може складатися з основного покриття і періодично поновлюваного шаруючи зносу;

2) основа - несуча частина дорожнього одягу, що забезпечує стійкість конструкції одягу і передає разом з покриттям навантаження на підстильний чи шар безпосередньо на ґрунт земляної полотнини. Цей шар може складатися з декількох шарів;

3) додатковий шар основи -- нижній конструктивний шар одягу, що бере участь у передачі навантаження на полотнину і виконуючий одночасно свої основні функції морозозахистного, дренуючого та вирівнюючого шару.

Конструкції застосовуваних у даний час дорожніх одягів дуже різноманітний і зазначене вище розподіл на шари витримує не у всіх випадках. Нежорсткі одяги в цілому варто розглядати як багатошарову, у тім чи іншому ступені пружну-пластичну конструкцію, окремі шари якої розрізняються по своїх властивостях. Тверді одяги при розрахунках розглядають як пружні плити, що лежать на пружній основі; напруги і деформації цих покрить можуть бути знайдені з достатнім ступенем точності по методах будівельної механіки.

Дослідження привели до висновку, що граничний стан одягу по міцності виникає унаслідок виникнення осад такої величини, при якій порушується монолітність одягу. Початок плину ґрунту і руйнування одягу залежить не тільки від величини діючої навантаження, але і від кількості її додатків і їхньої тривалості. Хоча при короткочасній дії навантаження деформації одягу менше, ніж при тривалому, але часте повторення навантажень викликає поступове нагромадження пластичних деформацій і руйнування верхнього більш твердого шару. Нагромадження внутрішніх деформацій зосереджується головним чином у найбільш слабких шарах підстави й у ґрунті, що підстилає. Величина вертикальних напруг, що передаються на ґрунт через багатошаровий одяг, залежить від твердості її шарів, характеризуємій модулем деформації.

На величину напруг у покриттях помітний вплив робить швидкість руху автомобіля, оскільки для поширення напруженого стану в пружних-грузлих системах необхідно якийсь час.

Під дією звичайних на дорогах навантажень нежорсткі одяги виявляють більш-менш явно виражені пластичні властивості. При вертикальному тиску від колеса відбувається осад одягу, що закінчується не відразу, як у пружних тіл, а поступово загасає згодом, як у грузлих і пластичних тіл. Тільки при незначних навантаженнях (1,0--2,0 кГ/см²) і міцних одягах деформації бувають цілком пружні. Після зняття навантаження одяг поступово повертається в колишнє положення. При навантаженнях, що перевищують визначену величину і недостатньо міцних для даного руху одягах, осаду цілком не зникає. Таким чином, як загальне правило, на одягах нежорсткого типу одночасно виникають пружні і пластичні (необоротні) деформації.

Під рухом коліс порушується зв'язність нежорстких покрить і на їхнє поверхні виникають вибою, і з'являється хвилястість. Ці деформації торкаються лише покриття і роблять його поверхню нерівної [4].

Деформації поверхневого шару викликаються динамічними силами як вертикальними, так і горизонтальними. Розвитку цих деформацій сприяють атмосферні фактори, що послабляють міцність і зв'язність покрить - вивітрювання, розмивання водою, видування дрібних фракцій вітром, хімічні впливи. Схеми динамічного впливу автомобіля на дорожнє покриття приведені на листі 2.

5. Оцінка зниження несучої здатності дорожніх конструкцій під впливом скрізних поперечних тріщин

Аналіз тенденцій розвитку дорожнього господарства України дозволяє зробити висновок про те, що при обмежених фінансових ресурсах на перше місце виступають роботи по збереженню мережі існуючих доріг і забезпеченню потрібного транспортно - експлуатаційного стану. Аналіз літературних джерел свідчить про те, що на дорогах переважають деформації та руйнування, пов'язані з недостатньою деформативною здатністю асфальтобетонних покриттів при від'ємних температурах. В залежності від регіонів, а отже і від природно - кліматичних умов, тріщини в асфальтобетонних покриттях являються одним із основних факторів, які призводять до руйнування дорожніх покриттів. Значні температурні перепади являються однією із основних причин інтенсивного розвитку в дорожніх покриттях крізних поперечних тріщин, різко знижуючих жорсткість дорожніх одягів. З утворенням поперечних тріщин найбільш інтенсивне руйнування асфальтобетонних покриттів виникає в зоні переходу коліс автомобіля з одного краю тріщини на інший.

Іншим аспектом цієї проблеми являється негативний вплив крізних поперечних тріщин на водно-тепловий режим земляного полотна. Деструктивний характер води яка надходить через такі тріщини, проявляється перш за все у перезволожені ґрунту основи, втраті його несучої здатності і як наслідок, в руйнуванні асфальтобетонного покриття в прилеглих зонах [3].

Для прогнозування показників транспортно-експлуатаційних якостей дорожніх конструкцій необхідно знати закономірності їх зміни в залежності від концентрації на поверхні покриття крізних поперечних тріщин.

Головним навантаженням, діючим на дорожню конструкцію, являється тиск виникаючий під впливом транспортних засобів. Функція нежорстких дорожніх одягів полягає в розподілі навантажень, які передаються на підстилаючий грунт, на велику площу. При цьому загальна деформація усього дорожнього одягу являється результатом протікання наступних процесів. По-перше, ґрунтова основа дорожньої конструкції під навантаженням стискається, внаслідок чого виникає прогин дорожнього одягу по деякій криволінійній поверхні. При надмірно великій величині прогину може виникнути руйнування дорожнього одягу. З збільшенням товщини і жорсткості дорожнього одягу проходе розподіл тиску зовнішнього навантаження на велику площу, зменшується прогин і стискуюче напруження в підстилаючому ґрунті. По-друге, під навантаженням виникає стиск матеріалу верхніх шарів дорожнього одягу, а в нижній частині конструктивних шарів - розтяг. При перевищенні розтягуючими навантаженнями межі міцності матеріалу в покритті або основі виникають тріщини. По-третє, основа із незв'язних і малозв'язних матеріалів, а також підстилаючий грунт може випробовувати зони пластичного течіння, розвиток яких приводить до швидкого накопичення пластичних деформацій одягу в цілому і його руйнуванню.

Як правило, причиною руйнування асфальтобетонних покриттів являється їх недостатня тріщиностійкість. Оскільки зони по обидві сторони від тріщини сприймають напруження від навантаження і температури незалежно одна від одної без передачі поперечної сили, підвищується небезпека подальшого руйнування покриття і втрати ним рівності.

Причин виникнення тріщин в асфальтобетонних покриттях багато, наведемо деякі з них: крихкість в'яжучого при від'ємних температурах навколишнього середовища і по мірі його старіння; різниця між коефіцієнтами температурного розширення асфальтобетону та матеріалів нижчих шарів, оброблених неорганічними в'яжучими; несприятливі грунтово-гідрологічні умови, викликаючи недопустимі по величині деформації морозного пучення на поверхні покриття; неоднорідність властивостей підстилаю чого ґрунту, що призводить до нерівномірних його просідань і інш.

Умовно усі тріщини, виникаючи в асфальтобетонному покриті, можуть бути розділені на три групи:

- втомленосні тріщини;

- відображені тріщини;

- деформативні тріщини.

Втомленосні тріщини в асфальтобетонному покритті розвиваються за рахунок впливу багаторазового прикладання навантаження, внаслідок старіння асфальтового в'яжучого і підвищення його крихкості.

Механізм утворення відображених тріщин пов'язаний з значними як горизонтальними, так і вертикальними переміщеннями нижче лежачих шарів.

Виникнення деформаційних тріщин пов'язане як з горизонтальними здвигаючими зусиллями, так і з вертикальними деформаціями морозного пучення. Такі тріщини також можуть виникати у місцях локальних деформацій основ.

Викладене вище свідчить про те, що температурні перепади призводять не тільки до виникнення великої кількості поперечних тріщин, а також до їх активного розвитку, коли збільшується ширина розкриття і руйнуються прилеглі зони. Попадання опадів в основу і земляне полотно через виникаючи пошкодження призводять до втрати несучої здатності дорожнього одягу, серйозним руйнуванням і до різкого збільшення витрат на ремонт і утримання доріг. Проникаюча через тріщини вода, замерзаючи, викликає відшарування покриття від основи в зоні тріщини і сприяє, таким чином, передчасному руйнуванню покриття і дорожнього одягу в цілому. В період боротьби із зимовою слизькістю хімічними способами утворюються водні розчини солей, які проникають через тріщини в конструктивні шари дорожнього одягу і земляне полотно, що призводить до локального додаткового зволоження даної зони соляними розчинами. Все це обумовлює виникнення неоднорідності нижніх шарів дорожнього одягу і ґрунту земляного полотна за однорідністю та щільністю, наслідком чого є зниження міцності верхньої частини земляного полотна і усієї дорожньої конструкції в зоні тріщини.

При обстеженні автомобільних доріг державного значення в Дніпропетровській і Луганській областях було виявлено, що найбільша вологість і найменша щільність ґрунту верхньої частини земляного полотна спостерігається в місцях явних крізних тріщин. Що обумовлює, в місцях тріщин, значне зниження міцності дорожньої конструкції (лист 13). В залежності від повздовжнього профілю дороги міцність в зоні тріщини змінюється від 20% до 35%, а в місцях перелому повздовжнього профілю, спостерігається зниження міцності дорожньої конструкції до 40-45%.

Зниження міцності дорожніх конструкцій залежить від властивостей ґрунту земляного полотна і матеріалу конструктивних шарів дорожнього одягу, якості ремонту тріщин, умов утримання дороги, способів боротьби із зимовою слизькістю, повздовжнього профілю, дорожньої ситуації, регіональних умов та ін. Комплексне урахування цих факторів дозволить, обґрунтовано призначити експлуатаційні заходи і прогнозувати рівень споживчих властивостей автомобільних доріг.

Для більш детального розгляду зниження несучої здатності дорожньої конструкції під впливом зволоження робочого шару через крізні поперечні тріщини був проведений розрахунок в програмі РАДОН Х40 за методикою ВБН В.2.3-218-186-2004. Метою даного розрахунку було дослідження падіння несучої здатності дорожньої конструкції при зміні характеристик ґрунту робочого шару. Для аналізу було використано дорожні конструкції на ділянках дороги Київ - Харків - Довжанський в Харківській та Донецькій областях отримані по результатам обстеження, які проводились в 2005 році ходовою дорожньою лабораторією кафедри „Будівництва та експлуатації автомобільних доріг” Харківського національного автомобільно-дорожнього університету.

Було визначено, що для розташування Харківської області характерним

ґрунтом для робочого шару є легкий суглинок з розрахунковою вологістю, для І категорії дороги, 70%. Для Донецької області відповідно важкий суглинок і розрахункова вологість 68%. Задавшись кроком 3% підвищення вологості отримали наступні характеристики ґрунтів, приведені в таблиці 5.1.

Таблиця 5.1 Розрахункові характеристики ґрунтів робочого шару

W, %	Характеристики ґрунту	Суглинок легкий	Суглинок важкий	Отримані модулі пружності
70	Модуль пружності Егр, кут внутрішнього тертя цгр, коефіцієнт зчеплення Сгр	Егр=41МПа, цгр=180, Сгр=0,019МПа	-	282 МПа
73		Егр=35МПа, цгр=160, Сгр=0,016МПа	-	269 МПа
76		Егр=33МПа, цгр=140, Сгр=0,014МПа	-	264 МПа
68		-	Егр=47МПа, цгр=200, Сгр=0,022МПа	173 МПа
71		-	Егр=41МПа, цгр=180, Сгр=0,019МПа	164 МПа
74		-	Егр=37МПа, цгр=160, Сгр=0,017МПа	158 МПа

Досліджувані конструкції дорожніх одягів:

а) ділянка дороги Київ - Харків - Довжанський в Харківській області (415-422 км)



б) ділянка дороги Київ - Харків - Довжанський в Донецькій області (667-673 км)

По результатам розрахунку видно, що модуль пружності дорожнього одягу знижується із підвищенням вологості грунту робочого шару. Таке зниження можна дослідити на будь якому типі дорожньої конструкції.

Як зазначалося вище в місця перелому повздовжнього профілю така дія зволоження спостерігається найчастіше. Крім того, що волога потрапляє через тріщини в нижні шари конструкції, в таких місцях спостерігається активний розвиток вибоїн. Тому саме в місцях перелому повздовжнього профілю, на ділянках з незначними ухилами слід найретельніше контролювати ремонтні чи будівельні роботи, обґрунтовано призначати ремонтні заходи та заходи по забезпеченню водовідведення.



Рисунок 5.1 - Графік зміни модуля пружності дорожнього одягу залежно від вологості ґрунту робочого шару (суглинок легкий)

Рисунок 5.2 - Графік зміни модуля пружності дорожнього одягу залежно від вологості ґрунту робочого шару (суглинок важкий)

Висновки: при оцінці впливу крізних поперечних тріщин на міцність дорожніх конструкцій було виявлено вплив тріщин на зволоження дорожніх конструкцій та втрату їх міцності через зволоження ґрунтів робочого шару. На прикладі реальних конструкцій в програмі РАДОН Х40 було прораховано зниження міцності дорожньої конструкції під впливом зміни вологості ґрунту робочого шару. Були отримані графічні залежності рисунки 5.2 і 5.1, на яких видно падіння міцності конструкції. На перший погляд воно може здатися незначним, але в процесі експлуатації робочий шар ґрунту може досягати і більших вологостей і тоді це падіння може виявитися значним.

Також були проаналізовані дані міцності конструкцій дорожніх одягів, з наявністю поперечних тріщин, на різних повздовжніх профілях доріг і отримані дані падіння міцності під впливом крізних поперечних тріщин:

1. ділянка дороги з повздовжнім ухилом 8 ‰ - 37% втрати міцності;

2. ділянка дороги з повздовжнім ухилом 10 ‰ - 21% втрати міцності;

3. ділянка дороги з повздовжнім ухилом 60 ‰ - 19% втрати міцності;

4. ділянка дороги з повздовжнім ухилом 26 ‰ - 20% втрати міцності;

5. ділянка дороги з переломом повздовжнього профілю з 5 ‰ на 12‰ - 40% втрати міцності;

6. ділянка дороги з переломом повздовжнього профілю з 12 ‰ на 7‰ - 27% втрати міцності.

За цими даними можна стверджувати, що повздовжній профіль і наявність на ньому крізних тріщин значно впливають на зволоження конструкції і в свою чергу на міцність дорожнього одягу в місцях тріщин. Чим пологіший ухил тим менший стік води з поверхні дорожнього одягу, тим довше вода затримується на поверхні і тим самим краще проникає у нижні шари дорожнього одягу.

6. Прогнозування тріщиноутворення нежорстких дорожніх одягів

В практиці проектування, будівництва і експлуатації автомобільних доріг досить часто виникає задача по визначенню терміну служби і залишкового ресурсу дорожніх покриттів.

Проектний термін служби покриттів капітального типу прийнято оцінювати в 15 - 30 років в залежності від інтенсивності і складу руху, кліматичної зони і грунтово-геологічних умов. Вітчизняний і зарубіжний досвід показує, що в нормальних умовах експлуатації і при високій якості будівництва необхідність в капітальному ремонті асфальтобетонних покриттів виникає через 10 - 15 років. На ці терміни орієнтуються спеціалісти по розрахунку і конструюванню дорожніх одягів, при визначенні загальної кількості впливу колісних навантажень, перевіряючи матеріали покриття на втомленість. На основі цих термінів встановлюються вимоги державних стандартів до будівельних матеріалів, використовуємих в конструкціях дорожніх одягів. Ці терміни служать орієнтирами при виборі критеріїв по оцінці і контролю якості будівництва земляного полотна і шарів дорожніх одягів.

Ресурси на ремонт і утримання дорожніх покриттів планують, також керуючись у більшості випадків вказаними термінами. Однак, як показує практика, існує велика кількість прикладів того, що задовго до спливу цих термінів на поверхні проїзної частини з'являються тріщини, вибоїни, уступи і інші пошкодження.

Це може виникнути за багатьма причинами, які розподіляють на чотири групи: відхилення в інтенсивності та складі руху в процесі експлуатації від значень, прийнятих при проектуванні; фактичні відхилення параметрів побудованих конструкцій від передбачених проектом, включаючи неоднорідність ґрунтів земляного полотна і матеріалів для дорожніх одягів; відхилення реальних параметрів атмосферних процесів в період роботи конструкції від середніх багаторічних значень, прийнятих при розрахунку і конструюванні; відхилення фактичних виконуємих заходів по утриманню в процесі експлуатації дороги від передбачених вказівками та правилами.

Розглядаючи першу групу причин, слід звернути увагу на те, що технічних прогрес в галузі автомобільного транспорту частіше всього пов'язують з підвищенням осьових навантажень, так як в цьому випадку вдається найбільш суттєво і з найменшими витратами підвищувати вантажепід'ємність транспортних засобів і їх економічність. Але навіть при обмежених осьових навантаженнях, збільшуючи кількість осей, створюються багато осьові автомобілі і авто потяги вантажепід'ємністю більше 50 т. Суттєві зміни вантажних і пасажирських потоків виникають або можуть виникати багаторазово на протязі 25 - 30 років, що призводить до великих відхилень у фактичній інтенсивності і складі руху в порівнянні з тими величинами, що були прийняті при розрахунку покриттів.

Досить важливу роль мають зміни інтенсивності і складу руху по рокам, місяцям на протязі року, дням тижня і по годинам доби. Для доріг різного призначення ці зміни можуть бути суттєво різними.

Друга група причин включає можливі відхилення в конструкції земляного полотна і дорожнього одягу в порівнянні з параметрами, прийнятими в проекті. Це відноситься, перш за все, до відхилення у товщині окремих конструктивних шарів і суттєвої неоднорідності застосовуємих ґрунтів і будівельних матеріалів. При цьому важливо підкреслити, що велика частина цих відхилень являється природнім і визначається природними особливостями вихідних матеріалів, конструкціями і можливостями дорожньо - будівельних машин і обладнання для виробництва матеріалів і технологій будівництва.

В результаті існують регламентовані допуски відхилень фактичних параметрів конструкцій і фізико - механічних властивостей закладених в них матеріалів. Не можна також виключати нерегламентованих і недопустимих відхилень, які являються наслідком порушень технології, застосуванням неякісних матеріалів і обмеженістю фінансування, отримуємої в процесі контролю якості будівництва.

В результаті параметри реалізованого об'єкту відрізняються від передбаченого проектом і відповідно слід очікувати відхилення від норми в процесі його експлуатації.

Третя група причин включає комплекс атмосферних впливів, викликаючих зміну температури і вологості ґрунтів земляного полотна і матеріалів в шарах конструкції дорожнього одягу. Від того, яким чином змінюється температура і вологість, залежать температура і усадочні напруги в шарах з використанням цементу, а також жорсткість шарів з використанням бітуму.

Слід також відмітити суттєву залежність міцності матеріалів від їх вологості. Об'єктивна оцінка працездатності матеріалу повинна бути заснована на аналізі відносної тривалості його роботи в конструкції в сухому, помірно зволоженому і водонасиченому стані.

Четверта група причин включає відхилення від регламентних заходів по утриманню автомобільної дороги в процесі експлуатації. Нормальні умови експлуатації передбачають виконання достатньо великої кількості заходів, влючаючих очищення проїзної частини від пилу і снігу, рівномірне розподілення протиожеледних матеріалів по поверхні проїзної частини, своєчасне відновлення шорсткості, заливку швів і тріщин мастикою або бітумом, заробку окремих нерівностей і вибоїн і інші. Затримка у виконанні цих заходів суттєво ускладнює умови роботи конструкцій, підвищує рівень напруженості і збільшує інтенсивність руйнувань. Наявність нерівностей збільшує навантаження на конструкцію за рахунок вертикальних коливань транспортних засобів.

З приведеного видно, що існує комплекс об'єктивних причин, які не дозволяють реально розраховувати на досягнення проектних термінів служби на більшості існуючих автомобільних доріг. Важливо підкреслити, що міра відповідальності за передчасне руйнування на кожній стадії інвестиційного циклу: проектування, будівництво, експлуатація являється невизначеною, що не може бути визнано задовільним, так як не дозволяє цілеспрямовано усувати причини, викликаючи руйнування.

Отримавши в останні роки широке розповсюдження роботи по діагностиці автомобільних доріг покликані фіксувати поточний стан об'єктів і лише край обмеженому обсязі отримувати інформацію про процеси в конструкції.

Для усунення невизначеності необхідні нові підходи, які дозволятимуть розрізняти де причини в сполученні несприятливих природних факторів, а де в порушенні технології будівництва, в нехтуванні вимог державних стандартів на матеріали, в не дотриманні нормативних умов експлуатації або порушенні правил руху транспортних засобів з осьовими навантаженнями, перевищуючими гранично допустимі для доріг загального користування.

Все це стає особливо важливим в умовах ринкової економіки, коли любі додаткові витрати по усуненню передчасних пошкоджень повинні фінансуватися за рахунок фактичних винуватців, а не списуватись за рахунок загальнодержавних витрат.

Таким чином, виникає потреба в новій методології оцінки впливу самих різноманітних відхилень технічних рішень, технологій і якості будівництва, нормальних умов експлуатації і усереднених атмосферних впливів на інтенсивність процесу руйнування покриття. Саме дорожнього покриття, так як пошкодження земляного полотна, основи або дренуючих шарів являються в більшості випадків лише прискорювачами процесу руйнування покриття і чинять безпосередній вплив на погіршення умов руху автомобілів.

Додатковим аргументом на користь такої постановки задачі являється постійно виникаюча необхідність розглядати пропозиції по удосконаленню конструкції дорожніх одягів і земляного полотна, позастосуваннюнових нетрадиційних матеріалів або впровадженню нових технологій.

Як правило, всі ці заходи вимагають додаткових витрат і їх тривалий ефект полягає в сповільненні процесу накопичення пошкоджень і відповідно в збільшенні терміну служби. Для обґрунтування ефективності інвестицій або техніко-економічного порівняння і вибору варіантів потрібна кількісна оцінка позитивних якостей, тобто необхідні кількісні показники ступеня сповільнення процесу накопичення пошкоджень і на цій об'єктивній основі визначення економічного ефекту.

Розглянемо які явища і зміни мають або можуть мати місце в системі “дорожній одяг - земляне полотно” на протязі терміну служби в процесі експлуатації.

Земляне полотно в залежності від конструкції суттєво змінює свої важливі характеристики: модуль пружності, кут внутрішнього тертя і зчеплення внаслідок зміни вологості, щільності і стану (мерзлий, відталий) ґрунту. Однак розвиток методів розрахунку привів до необхідності враховувати накопичення деформацій і постала задача оцінювати і інші стани.

Розвиток теорії тепловологопереносу в шарованих капілярно-пористих системах дозволяє отримувати кількісне описання процесів зміни вологості ґрунту, глибини промерзання і відтавання земляного полотна в залежності від зміни атмосферного впливу. Враховуючи, що величина залишкових деформацій залежить також від навантаження і часу його дії потрібне накладення процесу зміни параметрів транспортного потоку на процес зміни фізико-механічних властивостей конструкції системи.

Дренуючий шар в процесі експлуатації втрачає початкові властивості завдяки комплексу причин, основними з яких є:

1. Зниження фільтруючої здатності матеріалу в результаті кольмутації пор глинистими частинками, змиваними з поверхні дороги і проникаючими в дренуючи шари; взаємне проникнення матеріалу дренуючого шару і ґрунту земляного полотна; зменшення розміру частинок матеріалу дреную чого шару в результаті перетирання під впливом динамічних навантажень від транспортних засобів.

2. Збільшення притоку вологи в дренуючий шар через тріщини, зруйновані і розгерметизовані деформаційні шви, не зміцнені обочини, в результаті незадовільного поверхневого водовідводу і надходження води із земляного полотна.

3. Зниження фільтраційної здатності матеріалів і ґрунтів для зміцнення укосів земляного полотна і забруднення дренажних труб і вихідних влаштувань дренажної системи, перешкоджаючий видаленню вологи з дреную чого шару.

Щебеневі шари в основі дорожніх одягів, не дивлячись на високі вимоги стандартів до щебеню, з часом суттєво змінюються завдяки стиранню, внаслідок високих контактних напруг між зернами, внаслідок багаторазового заморожування та відтавання в водонасиченому стані і внаслідок взаємопроникнення дрібних частинок нижче розташованого дренуючого шару. В результаті збільшення удільного вмісту пісчаних і глинистих частинок спостерігається зниження модуля пружності щебеневого шару і відповідно всієї конструкції. Очевидно, що ці явища будуть сказуватись в великій мірі в періоди підвищеної вологості конструкції. Для кількісної оцінки цих процесів необхідно враховувати співвідношення рівня контактних напруг з їх повторюваністю.

Шари з застосуванням органічних в'яжучих частіше за все у вигляді верхніх шарів покриття і шарів зносу суттєвим чином змінюють свої властивості при зміні температури. Оцінюючи виникнення утомлених або температурних тріщин, необхідно приймати до уваги процес зміни температури полів і на цій основі тривалість температурних станів різного рівня.

Важливу роль при прогнозуванні процесу розтріскування на певному етапі грає старіння бітуму, як наслідок процесів окислення і полімеризації, збільшуючи долю асфальтенів і смол і зменшуючи долю масел на основі бітуму. Це стало особливо важливим в останні роки, коли для сповільнення цього процесу стали широко застосовуватися спеціальні модифікатори. Слід підкреслити, що таке атмосферне явище як сонячне опромінення суттєво інтенсифікує цей процес і важливо оцінювати тривалість часу, на протязі якого верхній шар піддається цьому явищу в тих чи інших регіонах.

Виключно важко прогнозувати виникнення тріщин в результаті дії розтягуючих зусиль в дорожньому покритті для будь-якого сорту асфальтобетону, внаслідок того, що на утворення цих тріщин впливає велика кількість змінних складу суміші та умов будівництва дороги.

Для підвищення тріщиностійкості та стійкості в суміш необхідно добавляти волокнисті матеріали або полімери.

Розтріскування є результатом дезінтеграції структури асфальтобетону як крихкого матеріалу - тобто явище, яке протікає при низьких навколишніх температурах.

В місцях наявності тріщин на перезволожених ділянках під динамічною дією важкого транспорту можуть виникати просадки. Тому дуже важливим являється, особливо в весінній період, покращення водно-теплового режиму земляного полотна. В деяких випадках доцільно прибігати до обмеження швидкості та інтенсивності руху, закриття руху для важких автомобілів.

Багаторазові навантаження від коліс проїжджаючих транспортних засобів викликають в шарі асфальтобетону певний напружений стан. Радіальні напруження в верхніх „волокнах” шару зносу (стирання) викликають стиск. Якщо ми приймемо, що колеса, які навантажують покриття силами Р, знаходяться близько один до одного, то напружений стан у верхньому шарі покриття, в його верхніх і нижніх волокнах, можна представити так, як схематично показано на схемі в графічній частині роботи (лист 2).

В двох сусідніх перерізах, взаємно віддалених на малу відстань l, будуть почергово виникати розтягуюче та стискаюче напруження (при припущені, що розлядаємий шар не скріплений нижче лежачими та покоїться на пружному на півпросторі). Частота зміни напруження в сусідніх перерізах буде залежати від швидкості руху транспортних засобів і може суттєво впливати на механічну роботу асфальтобетонного шару, особливо на його втомленосну міцність та довговічність. Можна також прийняти, що швидкопротікаючі зміни напруження (по величині та знаку) здатні суттєво впливати на хід зміни структури асфальтобетону під час експлуатації дорожнього покриття.

Спостерігались циклічні зміни неоднорідності щільності, виміряної при низьких температурах (зимою) і при високих температурах (літом). Після приросту неоднорідності, викликаного дезінтеграцією структури при низьких температурах, настав період зниження рівня неоднорідності (консолідація структури) при високих, літніх температурах. Можна замітити, що в залежності від умов (температура, навантаження) процес консолідації в різній степені приводить до змикання тріщин, і структура має „дефекти”, хоча на нижчому рівні.

Відносне подовження асфальтобетону при розтязі, особливо при від'ємних температурах, називаєме в подальшому деформативністю, визначає тріщиностійкість покриття.

Механізм тріщиностійкості полягає в тому, що напруження, яке росте в безкінечній стрічці асфальтобетонного покриття при різкому падінні температури, зменшується внаслідок релаксації цього матеріалу. Якщо релаксація напруження протікає швидше, ніж їх ріст, то виникнення тріщин стає неможливим, і навпаки, при більш швидкому рості напруження тріщиноутворення неминуче. Чим менше в'язкість бітуму та асфальтобетонної в'яжучої речовини, тим релаксація протікає швидше.

В каркасному асфальтобетоні концентрація (а внаслідок, і в'язкість) асфальтобетонної в'яжучої речовини менша, ніж в асфальтобетоні з коагуляційними контактами, тому і деформативність першого більша ніж другого. Нормативні значення тріщиностійкості можуть бути отримані тільки на основі вивчення реологічних властивостей асфальтобетону, однак якісна сторона цього питання зрозуміла та полягає втому, що швидкість росту температурних напружень в покритті при падінні температури повинна бути менша швидкості релаксації цих напружень в асфальтобетоні.

В теперішній час недостатнє вивчення деформативності асфальтобетону не дозволяє використовувати в практичній діяльності закони реології для характеристики тріщиностійкості покриття.

При визначенні тріщиностійкості дорожнього одягу від зниження температури звичайно припускають, що товщина його по довжині ділянки однакова і при відсутності поперечних швів або тріщин температурні напруження дорівнюють

у = ДtcE, (6.1)

де Дt - величина зниження температури (в середині шару);

с - коефіцієнт температурного розширення або стиску;

Е - модуль пружності.

Це призводить до того, що на більш тонких ділянках (дана схема приведена в графічній частині роботи на листі 3) результуюча розтягуюча сила від зниження температури, дорівнює Р₁ = уh₁, буде меншою, ніж на більш товстих ділянках (рівна Р₂ = уh₂). Це викличе перерозподілення напруження до положення, коли Р₁ = Р₂. В підсумку, на більш тонкій ділянці напруження зростуть до у₁, а на більш товстій зменшиться до у₂. Величина таких змін залежить від співвідношення довжин більш тонких і більш товстих ділянок.

Щоб визначити підсумкові температурні напруження за ділянками - l₁ і l₂ - скористуємося рівнянням сумарних невідбувшихся температурних деформацій і невідбувшихся сумарних деформацій від розтягуючих напружень у₁ і у₂, вважаючи, що по ділянкам можуть бути і різні модулі пружності Е₁ і Е_2.

 (6.2)

Врахуємо також, що з рівності сил Р₁ = Р₂

(6.3)

Після підстановки отримаємо

(6.4)

Відношення у₁ і у₂ з формули (6.1) дасть коефіцієнт перевантаження (К), який потрібно враховувати при визначенні тріщиностійкості.

З умови міцності (тріщиностійкості) допускаємий коефіцієнт перевантаження К для бетонної основи 1,05-1,1, для асфальтобетонного покриття - 1,1-1,3. З цього слідує, що при довжині тонкої ділянки 20 м h₁/h₂ повинно бути не менше, ніж 0,89 для бетону і 0,72 для асфальтобетону. При довжині тонкої ділянки 5 м граничне відхилення повинно бути відповідно не менше 0,92 і 0,75.

Тріщиностійкість на морозі дорожнього одягу в цілому характеризується по Р. К. Хаасу допустимою кількістю тріщин в дорожньому покритті за певний строк його експлуатації (даний графік приведений в графічній частині роботи на листі 3). За розрахункові при цьому приймаються повні тріщини плюс половина напівпоперечних на ділянці двошляхової дороги довжиною 150 м. При цьому не враховуються тріщини, які мають протяжність менше половини ширини дороги.

Асфальтобетон в конструкції дорожнього одягу абсолютно завжди знаходиться в напруженому стані, що зв'язано з тим, що виникаючі в ньому напруження (температурні, від транспорту, який рухається по покриттю, виникаючі в ньому при просадках основи, при статичному ущільнені в будівельний період, при формуванні структури і т. д.) ніколи повністю не релаксують.

Але при постійній наявності в системі (в асфальтобетоні покриття) залишкового напруження, покриття під дією даного напруження буде постійно руйнуватися. Буде повзти до тих пір, поки відносні деформації повзучості асфальтобетону не досягнуть граничного значення (е_гр). Після чого покриття неминуче трісне. Причому, так як згідно принципу суперпозиції Больцмана, відбувається накладання деформацій, виникнення тріщин в покритті відбудеться не обов'язково в момент, коли його температура буде мінімальна. Воно відбудеться тоді і при тій температурі, коли сумарна (накопичена в покритті) деформація повзучості асфальтобетону прирівнюється до гранично тривалої для даного матеріалу в даний момент часу і при даній температурі його величині :

(6.5)

тут - границя тривалої міцності (границя текучості) асфальтобетону при розтязі;

- модуль повзучості асфальтобетону при розтязі при одно секундному опорі;

(3,6·10³)ⁿ - емпіричний коефіцієнт, який має смисл часу.

Але на деформацію повзучості асфальтобетону в конструкції, яка визначається по залишковому його напруженню, будуть накладатися: температурні деформації асфальтобетону в покритті, деформації згину покриття при проїзді по ньому колеса автомобіля, деформації, зв'язані з пластичними деформаціями основи, з пучінням, з просадками ґрунту основи покриття. Все це прискорює появу тріщин у покритті, причому частина з них може бути наслідком появи в ньому миттєвих деформацій (наприклад, викликані проїздом по покриттю важко завантаженого автомобіля), додавання яких з тривалими деформаціями повзучості асфальтобетону в конструкції призводить по появи в ньому тріщин навіть тоді, коли покриття, з точки зору його деформацій, викликаних дією в ньому залишкових напружень, ще повністю тріщиностійке.

Відмічене дозволяє стверджувати:

1) не може бути тривало експлуатуємих дорожніх асфальтобетонних покриттів без тріщин. Інша справа, що їх кількість у покритті повинна бути обмежена і не повинна призводити до зниження експлуатаційної надійності роботи покриття;

2) для характеристики загальної тріщиностійкості асфальтобетонних покриттів, без обмежень їх тріщиностійкості лише на морозі, та для розробки вимог до конструкції дорожнього одягу і до матеріалів для її виконання при умові їх тріщиностійкості дозволяє використовувати співвідношення (6.5), при співставленні отриманих результатів з даними, яке дає можливість враховувати накопичення в дорожньому асфальтобетонному покритті залишкових деформацій, причому не тільки морозобійного характеру.

Обмежити кількість тріщин в асфальтобетонному покритті до допустимих кількісних показників можна:

- при підборі складу асфальтобетону по вимагаємим розрахунково-експлуатаційним показникам його властивостей та вимагаємій довговічності;

- при забезпеченні роботи асфальтобетону у покритті в усьому робочому інтервалі його температур в пружно-пластичній стадії формування;

- за рахунок зниження інтенсивності старіння асфальтобетону в конструкції.

Не може бути повністю тріщиностійких нежорстких дорожніх одягів. Тому їх тріщиностійкість повинна характеризуватися допустимою кількістю тріщин в покритті в кінці розрахункового терміну його експлуатації.

Таким чином:

1. Тріщиностійкість асфальтобетонних покриттів визначається, по-перше, тріщиностійкістю власне асфальтобетону і, по-друге, тріщиностійкістю дорожнього одягу в цілому. Тріщиностійкість асфальтобетону в покритті забезпечується, якщо його жорсткість при розтязі при мінімальній розрахунковій температурі покриття в кінці розрахункового терміну його експлуатації (16-20 років) при часі навантаження 20000 с буде не вище Мпа, а бітуму в його складі при часі навантаження 10000 с буде не більше Мпа, де K_t - коефіцієнт старіння асфальтобетону в покритті в кінці розрахункового терміну його експлуатації (1,4 і 0,6).

2. Не може бути повністю тріщиностійких нежорстких дорожніх одягів. Тому їх тріщиностійкість повинна характеризуватися допустимою кількістю тріщин у їх покритті в кінці розрахункового терміну його експлуатації.

3. Обмеження кількості тріщин в експлуатуємому покритті допустимим їх значенням забезпечується при підборі складів асфальтобетонів для їх виконання по потрібним значенням розрахунково-експлатаційних показників його властивостей і потрібної його довговічності в покритті.

7. Сучасні способи ремонту тріщин на дорожніх покриттях

Так само, як все людство, що завжди прагнуло створити вічний двигун, шляховики в усьому світі мріяли про дорожнє покриття з нескінченним терміном служби. Однак і перше, і друге поки залишається незбутня мрія багатьох факторів, які впливають на дорожній одяг, рано або пізно приводять до появи дефектів на дорожнім покритті. Найпоширенішим видом дефектів є тріщини. Вчасно не відремонтовані тріщини поступово перетворюються у вогнище руйнування дорожнього одягу. Тріщини класифікуються по ширині на вузькі - до 5 мм, середні - 5-10 мм і широкі - 10-30 мм.

Хоч тріщини і є лише незначною формою руйнування, своєчасний їх ремонт може запобігти більш серйозним руйнуванням дорожнього покриття, поява, наприклад, вибоїн або навіть його повного руйнування. Неминуче утворення температурних тріщин в асфальтобетонному покритті призводить до послаблення всієї конструкції дорожнього одягу. За рахунок порушення суцільності покриття погіршується його розподільча здатність, що викликає в зоні тріщини перенапруження шарів, які знаходяться нижче їх руйнування під дією транспорту. Таким чином, температурні тріщини є небезпечним осередком руйнування асфальтобетонного покриття і всього дорожнього одягу. Тому відновлення суцільності асфальтобетонного покриття автомобільних доріг після утворення температурних тріщин має важливе значення і являється одним з основних резервів підвищення довговічності автомобільних доріг в цілому.

Отже, назріла необхідність розробки і реалізації при ремонті та реконструкції доріг комплексу заходів, які б дозволили підвищити тріщиностійкість асфальтобетонних покриттів, продовжити терміни їх служби і знизити затрати на їх утримання. В залежності в основному від ширини й причин утворення тріщин вибира-ється технологія їхнього ремонту й склад застосовуваного встаткування. Основним завданням при ремонті тріщин є запобігання проникнення через них води в нижні шари дорожнього одягу.

7.1 Розробка тріщин під кутом

Застосування даної технології за порівнянням з традиційною сприяє підвищенню модуля пружності дорожнього одягу в цілому і опору розтягу при згині. Раціональна величина кута скосу розробки крізної тріщини становить 45-75⁰. Ремонт крізних тріщин за розробленою технологією дозволяє підвищити модуль пружності в 2-2,2 рази, а розтяг при згині в 5-6 разів.

При прикладенні навантаження над розробленою тріщиною руйнуюче зусилля повинно змінюватись в залежності від товщини підсиленого шару та кута розробки тріщини. Так як руйнування буде йти по найбільш ослабленому січенні, то його величина буде змінюватись від відношення , тобто при куті скосу розробки тріщини б=60⁰, S_мс=1,16h₂q, а при куті скосу розробки тріщини б=30⁰, S_мс=2h₂q, де

S_мс - площа січення в долях h₂ висоти підсиляємого шару,

q - міцність міжшарового зчеплення.

Чим товще шар підсилення h₁, тим можливо менше вимагається кут скосу розробки тріщини, так як збільшується його розподільча можливість і навпаки, чим менше товщина шару підсилення, тим більше потрібен кут скосу розробки тріщини. Розробка тріщини під кутом в пісиляємому шарі дозволяє здійснювати взаємну роботу як підсиляємого шару, хоча і з деяким послабленням його, так і підсилямого шару з шаром підсилення [28].



Рисунок 7.1 - Залежність кута скосу розробки тріщини від товщини шару підсилення

h₁, h₁', h₁'', h₁''' - укладуємий шар підсилення різної товщини;

h₂ - підсиляємий шар;

б_1, б₂, б₃ - кути скосу розробки тріщини;

Р - інтенсивність вертикального навантаження.

7.2 Застосування геосинтетиків

Метою застосування посилення зі склосіток є перерозподіл горизонтальних напруг у шарі асфальтобетону й зниження активних напруг завдяки поглинанню напруги скловолокнистим матеріалом. Завдяки функції перерозподілу зусиль сильно знижуються місцеві навантаження в асфальтобетоні, він довше залишається працездатним, що веде до зменшення тріщин. Тим самим помітно збільшується строк експлуатації всього дорожнього одягу. Виконує слідуючи функції:

1. Як зчіплюючий матеріал, посиленого скловолокном між шаром асфальтового покриття й несучим шаром асфальту.

2. Як скловолокнисті ґрати або нетканий матеріал, що зчіплює (з поліефіру), посиленого скловолокном між несучим асфальтним шаром або сполучним шаром асфальту й наявною конструкцією.

Посилення скловолокном перешкоджає при такій вставці, насамперед новотвору тріщин у несучому шарі асфальту поверх наявних тріщин в існуючій конструкції, тобто, насамперед, утворення тріщин на стиках бетонних плит, якщо стара бетонна дорога покривається асфальтобетоном.

Рисунок 7.2 - Функції посилення дорожнього одягу

Утворення тріщин через коливання температур у нижніх шарах відбувається внаслідок коливань температури в дорожній конструкції під асфальтобетоном відбувається зміна ширини тріщини. Через це в області тріщини виникають напруги, що розтягують, в асфальтобетоні. Чим більше ці напруги, тим скоріше збільшується деформації асфальту й тим швидше відбувається утворення тріщин. Коли процес утворення тріщин уже почався, утворення розриву рухається знизу нагору й через відносно короткий час на поверхні асфальту з'являється розрив. Починаючи із цього часу асфальтобетон, не є більше водонепроникним, і поверхневі води можуть проникати через тріщину в нижні шари асфальтобетону й основи.

Завдяки скловолокнистому посиленню відбувається розподіл або поглинання напруг, (стягуючі напруги поглинаються волокнами й знімають, таким чином, навантаження в новому асфальтобетоні в області тріщини). Завдяки менш значним місцевим напруженням при розтяганні в асфальтобетоні утворення тріщин за часом сильно сповільнюється. Працездатність асфальту зберігається довше й збільшується термін служби всього дорожнього покриття.

Напруги в асфальтобетоні, що виникли внаслідок теплового ефекту, а також напруги від транспортного навантаження приводять до того, що асфальт досягає такої крапки, коли він губить свою міцність, тобто стан бітуму, виходить за межі своєї можливої еластичності, і на поверхні асфальтобетону виникають тріщини. При наявності матеріалу, що зчіплює, між шаром асфальтобетонного покриття й несучим шаром у момент утворення розриву запобігається проникнення тріщини в нижні шари завдяки армованій бітумній мембрані (просочений бітумом зчеплюючий нетканий полімерний матеріал). Тим самим гарантується водонепроникність дорожньої конструкції, і вода не може проникнути в нижні шари, тобто дорожня конструкція під шаром асфальтобетону зберігає свою працездатність.

У численних виданнях західноєвропейських країн пропагується застосування різних ґрат в асфальтобетоні, переважно з полімеру. Застосування проходить, як правило, з успіхом. Все-таки виявилося, що особливо в регіонах із суворими кліматичними умовами й дуже високими коливаннями температур (Канада, Аляска, Швеція й т.д.) скловолокно зарекомендувало себе набагато краще, ніж полімерні матеріали. Досить позитивний результат застосування посилень зі скловолокна досягається, поряд з меншими матеріальними витратами, завдяки наступним факторам:

- скловолокна при контакті з гарячим бітумом й асфальтобетоном не гублять своєї міцності;

- при контакті з гарячим бітумом й асфальтом скловолокна не вступають у хімічні реакції;

- скловолокно, на відміну від матеріалів з полімерів, маючи низьке подовження при розриві - 3 % і повзучість 0 %. має високий опір при утворенні тріщин (при подовженні від 0,5 % в асфальтобетоні починається утворення тріщин);

- скловолокно чинить гарний опір динамічним навантаженням транспорту;

- при регенерації асфальтобетонного покриття зі скловолокнистим посиленням може бути легко знятий верхній шар шляхом фрезерування (сітка не намотується на фрезу, на відміну від полімерних матеріалів), а знятий асфальтобетон, може бути знову використаний.

Рисунок 7.3 - Армувальні ефекти скловолокна і поліестера

У цілому виявилося, що скловолокно, як матеріал, застосовуваний при укладанні асфальтобетону, у порівнянні з матеріалами з полімеру не виявляє яких-небудь недоліків щодо своєї роботи на відміну від ґрат з полімеру.

Ремонтні роботи проводятьь у наступному порядку:

- підготовка дорожнього полотна, куди буде встановлюватися посилення зі скловолокна, тобто очищення поверхні від пилу, бруду й рослин і заповнення тріщин і стиків шириною > 4 мм. При дорожніх нерівностях (напр. старих роздроблених залишках бетону) варто укласти шар, що вирівнює, асфальтобетону;

- розпилення бітумної емульсії або гарячого бітуму залежно від необхідності й від виду емульсії максимум, але не більше 2 кг / кв. м (при великій площі нанесення бітумної емульсії або гарячого бітуму варто проводити обов'язково за допомогою машин);

- укладання композитного матеріалу, посиленого скловолокном або геосітки зі скловолокна (при великій площі укладання повинна проходити за допомогою укладальних машин);