CC BY
43441
УДК 624.042
Овчинников Илья Игоревич
ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Россия, Саратов Кандидат технических наук, доцент E-Mail: bridgeart@mail.ru
Овчинников Игорь Георгиевич
ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский
политехнический университет Россия, Пермь Доктор технических наук, профессор E-Mail: bridgesar@mail.ru
Валиев Шерали Назаралиевич
ФБГОУ ВПО Московский автомобильно - дорожный государственный технический университет
Россия, Москва Кандидат технических наук, доцент E-Mail: mosti.madi@mail.ru
Повреждения зон сопряжения дорожных одежд и деформационных швов на мостовых сооружениях: возможные причины и способы их устранения
Аннотация: Рассматриваются причины появления повреждений на современных мостах в зоне сопряжения деформационных швов и дорожной одежды, к которым относятся: отсутствие продуманной технологии установки швов; динамическое воздействие транспорта из-за разницы жесткостей самого шва и прилегающей дорожной одежды; образование трещин по полосам наката из-за торможения транспорта, интенсивно развивающихся в крупные очаги поражения; отсутствие специальных переходных участков, обеспечивающих плавное изменение жесткости при переходе от деформационных швов к дорожной одежде и наоборот; отсутствие ухода за деформационными швами в процессе эксплуатации; использование некачественной гидроизоляции в зоне примыкания к деформационным швам. Отмечается, что одной из важных причин появления повреждений в зоне сопряжения деформационных швов с дорожной одеждой является колееобразование.
Указывается, что решение устанавливать во вновь построенные мостовые сооружения дешевые, недостаточно надежные конструкции деформационных швов, было ошибкой.
В будущем на новых мостовых сооружениях следует сразу устанавливать надежные деформационные швы.
Предлагаются способы борьбы с появлением подобных повреждений: качественная установка деформационных швов (правильное определение величины перекрываемого температурного зазора, правильный подбор деформационного шва, правильная установка деформационного шва с учетом температуры времени установки и правильности определения установочных размеров, правильная организация эксплуатации деформационного шва); контроль качества выполненных работ (правильность заправки резинового компенсатора, оценка состояния металлических окаймлений); контроль качества изготовления составляющих деформационного шва.
Отмечается важность разработки и реализации проекта эксплуатации мостового сооружения.
Ключевые слова: Мост; дорожная одежда; деформационный шов; повреждения; динамическое воздействие; трещинообразование; колееобразование; проект эксплуатации.
Идентификационный номер статьи в журнале 48ТУЫ613
Ilya Ovchinnikov
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Russia, Saratov E-Mail: bridgeart@mail.ru
Igor Ovchinnikov
Perm national research polytechnic university
Russia, Perm E-Mail: bridgesar@mail.ru
Sheraly Valiev
Moscow state automobile and road technical university
Russia, Moscow E-Mail: mosti.madi@mail.ru
Damage zones pairing pavement and expansion joints on the bridge constructions: the possible causes and remedies
Abstract: The causes of the appearance of damages on modern bridge at the junction of expansion joints and pavement are considered: the lack of elaborate installation technology of expansion joints; dynamic impact of transport due to the difference of the stiffness of the expansion joint and the adjacent pavement; the formation of cracks along the lanes of wheels due to braking of transport, rapidly developing into large damage; no special transition sections to ensure a smooth change in the rigidity of the transition from the joints to the pavement; lack of care of the expansion joints during operation; the use of poor-quality waterproofing in the area adjoining to expansion joints.
Noted that the one of the main causes of damage of the junction with the pavement and expansion joints is the emergence of rut.
It is stated that have been a mistake the decision to install cheap and not enough reliable expansion joints in the newly built bridge structures
In future, it should at once install a reliable expansion joints at the new bridge constructions.
Suggests ways to fight against the appearance of these damages: quality installation of expansion joints (the correct determination of the overlapped expansion gap, the correct selection of the expansion joint, proper installation of expansion joints for temperature of installation time and correctness of definition installation dimensions of expansion joints, proper organization of the expansion joint operation); quality control performed works (correctly filling rubber compensator, assessment of the state metal edging); quality control of the manufacture of the components of the expansion joint.
Notes the importance of the development and operation of the project of bridge exploitation.
Keywords: Bridge; pavement; expansion joint; damage; dynamic impact; cracking; rutting; operation project.
Identification number of article 48TVN613
1. Повреждения в зоне сопряжения деформационных швов с дорожной одеждой на мостах
Анализ состояния многих мостовых сооружений свидетельствует о неудовлетворительном состоянии мостового полотна эксплуатируемых автодорожных мостов, особенно в больших городах. Причиной беспокойства является крайне быстрое разрушение покрытия мостового полотна в зоне деформационных швов и самих деформационных швов, что в среде мостовиков вполне обоснованно принято связывать с высокой интенсивностью движения транспортных средств в условиях больших городов и, прежде всего, в условиях городов-мегаполисов, таких как Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, а также городов с интенсивным движением транспорта, как, например, Сочи и других.
Причем нередко повреждения дорожных одежд и деформационных швов в зоне их сопряжения появляются по истечении довольно непродолжительных периодов после их установки.
Весной 2011 года комиссия под руководством д.т.н., профессора Овчинникова И.Г. проводила освидетельствование дорожной одежды в зоне примыкания к деформационным швам на одной из эстакад в городе Сочи [1-6]. Причем и установка деформационных швов, и укладка дорожной одежды были выполнены не позднее, чем за 1 -2 года до освидетельствования. Ниже приведены фотографии, иллюстрирующие имеющиеся повреждения.
Рис. 1. Повреждения дорожной одежды в зоне примыкания к деформационному шву. Видны
попытки залечивания повреждений
Рис. 2. Повреждения дорожной одежды на подходах к деформационному шву
Рис. 3. Повреждения дорожной одежды в зоне примыкания к деформационному шву. Видно, что содержание деформационных швов не проводится, они забиты грязью
Рис. 4. Пример повреждения в зоне примыкания к деформационному шву
Рис. 5. Характерные повреждения в зоне примыкания к деформационному шву
Рис. 6. Повреждения в зоне сопряжения дорожной одежды с деформационным швом
2. Причины появления повреждений в зоне сопряжения деформационного шва с дорожной одеждой
Анализ приведенных фотографий, а также результатов проведенного освидетельствования позволяет отметить следующее:
• при установке деформационных швов не использовалось никакой продуманной технологии их установки;
• из-за разницы в жесткостях элементов деформационных швов и примыкающей зоны дорожной одежды при проезде зоны примыкания к шву колеса транспорта оказывают динамическое воздействие на дорожную одежду, приводя к ее повреждению;
• обращает внимание то, что в зоне около деформационных швов в дорожной одежде по полосам наката из-за торможения проезжающего транспорта образуются трещины, развивающиеся в крупные очаги поражения дорожной одежды, что приводит к интенсификации развития повреждения;
• ни в одном месте не устроены специальные переходные участки, обеспечивающие более плавное изменение жесткости при переходе от дорожной одежды к деформационным швам и наоборот;
• никакого ухода за деформационными швами в процессе эксплуатации не ведется, в результате швы забиваются грязью и перестают работать при температурных воздействиях;
• обращает на себя внимание и следующий факт: так как при устройстве дорожной одежды и в зоне примыкания к деформационным швам использовалась гидроизоляция Полиуреа [ 1,4,5,6], качество которой и качество технологии укладки которой оставляет желать лучшего, то велика вероятность того, что через зоны повреждения дорожной одежды около деформационных швов попадает вода, которая, при динамическом нагружении пролетного строения вместе с дорожной одеждой проходящим транспортом, прокачивается внутрь слоев дорожной одежды и распространяется на большую площадь, приводя к развитию поврежденной зоны.
3. Способы устранения причин повреждений
Для устранения причин появления вышеуказанных повреждений в зоне сопряжения дорожной одежды с деформационными швами можно использовать ряд известных, но, к сожалению, постоянно пренебрегаемых технологических приемов.
Качество деформационного шва зависит от правильного определения величины перекрываемого температурного зазора, от правильного подбора деформационных швов, от правильности установки деформационных швов с учетом температуры времени укладки и правильности определения установочных размеров, от правильности организации эксплуатации деформационных швов.
3.1. Обеспечение качественной установки деформационных швов
Рассмотрим монтаж конструкций однопрофильных деформационных швов.
Укладывают дорожную одежду (мостового полотна) не достигая до деформационного шва (справа - слева): а) слоем гидроизоляции 1,5 м, б) защитным слоем гидроизоляции 2,5 м, в) верхним слоем асфальтобетона 3,0 м.
Выполняют нивелирование по оси к краям мостового полотна.
На строительную площадку деформационный шов поступает в сборе, в том числе и со скобами, фиксирующими температуру установки.
Если раскрытие шва, зафиксированное при изготовлении, соответствует температуре установки, то устанавливают деформационные швы в проектное положение, осуществляя предварительное прикрепление (прихватку) их к рабочей арматуре по краям и по оси плиты проезжей части.
Если же температура окружающего воздуха не соответствует температуре, при которой зазор шва зафиксирован скобой, а шов требуется устанавливать, то скобы срезают и пользуются установочной таблицей.
Выполняют проверку соответствия поперечного уклона рейкой; геодезический контроль соответствия продольного уклона проводят по отметкам верха уложенного мостового полотна.
Когда произведена выверка установки шва и проверка его на соответствие требованиям, соответствие раскрытия шва температуре окружающего воздуха, поперечного и продольного уклонов, приступают к сварочным работам согласно рабочим чертежам в середине шва, по краям и в У длины шва. Еще раз проверяют правильность установки.
Если после выполнения указанных сварочных работ шов не изменил своего положения - выполняют сварочные работы в оставшихся местах и работы по устройству мостового полотна в 3 -х метровой зоне около шва.
Указанные особенности в первую очередь относятся к металлическим и сталебетонным пролетным; особенно неразрезным с большими по длине средними и малыми по длине крайними пролетами.
3.2. Контроль качества выполненных работ
Комиссией, включающей представителей проектной организации, Заказчика и Подрядчика производится визуальный осмотр деформационного шва с проверкой:
• правильности заправки резинового компенсатора;
• оценки состояния металлических окаймлений и резинового компенсатора.
С помощью рейки с уклономером проверяют установку профилей шва. Уклон окаймления поперек сооружения должен строго соответствовать поперечному уклону верха покрытия проезжей части.
Продольный уклон верха покрытия проезжей части не должен нарушаться установленными окаймлениями. Для проверки следует использовать трехметровую рейку с уклономером, предназначенную для определения ровности и уклона покрытия, перемещая ее с интервалом 0,5 м вдоль шва.
Заглубление окаймления относительно верха покрытия проезжей части допускается не более 2 мм.
Установку конструкции шва оформляют актом на скрытые работы.
3.3. Контроль качества работ по изготовлению составляющих деформационных швов
(применительно к щебеночно-мастичным деформационным швам)
Перед выполнением работ производят входной контроль материалов и изделий по паспортам и сертификатам на соответствие их технической документации.
В процессе выполнения работ контролируют их соответствие технологиям, определяемым методическими рекомендациями, а также соответствие полученных материалов требованиям рекомендаций. Проверяют температуру щебня, вяжущего при их укладке.
После завершения работ проверяют ровность поверхности в зоне шва, сверяя ее с определенной ранее - до устройства шва. Отклонения от плоскости не должны превышать ±1 мм.
Установку конструкции деформационного шва оформляют актом промежуточной приемки.
Особое внимание следует уделять зоне сопряжения деформационных швов с дорожной одеждой и установке в этой зоне дренажных устройств, обеспечивающих отвод влаги, накапливающейся в слоях дорожной одежды, от деформационного шва.
3.4. Рекомендации по эксплуатации и ремонту деформационных швов
Работы по содержанию деформационных швов осуществляет служба эксплуатации в течение всего года с периодичностью, определенной проектом «Эксплуатации мостового сооружения» и регламентом.
В состав работ по содержанию конструкций деформационных швов входит их систематический осмотр с целью выявления возможного появления повреждений и поддержание в состоянии соответствия потребительским свойствам.
При появлении на поверхности щебеночно-мастичного деформационного шва каких-либо продавленностей, например от машин и рабочих механизмов, ремонт выполняется следующим образом. Площадь продавленности очищается от загрязнения, продувается сжатым воздухом и нагревается пламенем широкофакельной горелки; после чего продавленность заполняется тонким слоем полимербитума при температуре 190 °С, затем это место посыпается очерненным гранитным щебнем фракции 10 мм - проливается опять полимербитумом и сверху посыпается очерненным гранитным щебнем фракции 5 мм, с последующим уплотнением виброплощадочным вибратором до уровня общей поверхности шва.
Если на контакте деформационного шва и прилегающей дорожной одежды или в другом месте, по какой-либо причине, появились трещины не сквозного характера (через них влага не проникает на подферменную площадку устоя) то ремонт их выполняется следующим образом.
Вскрывают трещину методом пропиливания на ее глубину (глубина определяется промером с помощью щупа) и ширину 5 см. Удаление составляющего материала шва на этой ширине выполняется, не нарушая целостности граней дорожной одежды и тела шва. Прочищают вскрытый участок, просушивают, продувают сжатой струей воздуха. Разжиженным полимербитумом покрывают горизонтальную и вертикальную поверхности трещины и затем заливают полимербитумом при температуре 190 °С до уровня общей поверхности шва с напуском по 3-5 см по краям при толщине 3 мм.
При появлении на поверхности деформационного шва значительных продавленностей и сквозных трещин (пропускающих влагу) ремонт выполняется следующим образом. С обеих сторон шва на контактах с мостовым полотном выполняется пропиливание на высоту и по всей длине шва. Удаляется вся масса материала пропила. При удалении массы пропила не допускается нарушение граней примыкающей дорожной одежды мостового полотна. Тщательно очищается поверхность шва, затем эта поверхность, вместе с металлическим листом прогревается до сплошного оплавления полимербитума. На дно по всей поверхности наносится слой полимербитума толщиной 5-7 мм. После чего один рабочий прогревает вертикальные стенки (слева - справа) слоя мостового полотна пламенем широкофакельной горелки, а второй - последовательно за ним проливает поверхность дна и боковой поверхности шва разжиженным полимербитумом. (на дно шва проливается полимербитум толщиной 20 мм); параллельно за проливкой полимербитума, по нему рассыпается слой очерненного горячего щебня фракции 12-16 мм на высоту 16 мм. Слой щебня повторно проливается полимербитумом, заполняя все пространство, с возвышением над щебнем 20 мм; операции повторяются поочередно слоями не доходя 15 мм до имеющейся верхней кромки мостового полотна. Затем очерненный горячий щебень фракции 12-16 мм смешивают с полимербитумом и укладывают в один слой до верхней кромки мостового полотна -поверхность шва уплотняется площадочным вибратором.
В заключение наносится поверхностное покрытие из горячего полимербитума пятимиллиметровой толщины с напуском в стороны дорожной одежды 3-5 см по краям.
Поверхность посыпается щебнем одной фракции, как правило, 5 мм. Температура полимербитума при выполнении всех операций должна быть не менее 190 °С, о очерненного щебня 100-120 °С. Движение разрешается открывать по шву через 24 часа после полного окончания работ.
Все операции по устройству и ремонту деформационного шва выполняются при температуре окружающего воздуха 18-20 °С.
3.5. Эксплуатационные требования по резиновому компенсатору швов BEJ
Резиновый компенсатор представляет собой непрерывный резиновый профиль ячеистого сечения пяти различных типоразмеров, механически закрепляемый в стальных фасонных профилях окаймления при помощи одинаковых для всех типоразмеров фиксаторов в форме «ласточкина хвоста», расположенных вдоль боковых граней компенсатора. При монтаже компенсатор сжимается при помощи больших щипцов плоскогубцев для заправки в зазор таким образом, чтобы нижняя губа фиксатора вошла в паз соответствующего стального профиля по обеим сторонам от оси деформационного шва. Затем путем простукивания компенсатора молотком (предпочтительно с шаровидной поверхностью) добиваются захождения в паз верхней губы фиксатора компенсатора, постепенно двигаясь от уже заправленной части по мере ее заправления.
Компенсатор устроен таким образом, что грязь с проезжей части не скапливается на его поверхности и выносится колесами проходящего транспорта из резинового компенсатора деформационного шва.
Однако в отдельных случаях при повышенной загрязненности проезжей части песок, глина и каменная крошка могут образовывать на поверхности компенсатора конгломерат, самопроизвольное удаление которого затруднено.
Скапливающаяся на компенсаторе грязь может приводить к значительной перегрузке механического стыка компенсатора и металлического окаймления из-за давления от транспортных нагрузок и, как следствие, к выдавливанию компенсатора из пазов защемления.
Для предотвращения выдавливания установленного компенсатора необходимо не реже, чем раз в месяц производить осмотр деформационных швов на предмет выявления мест скопления песка и грязи между металлическими профилями окаймления поверх резинового компенсатора и не реже, чем 1 раз в 6 месяцев проводить обследование сооружения с целью выявления протечек из деформационных швов.
При обнаружении протечек необходимо выявить причину их возникновения. Так как полимербитумное окаймление швов BEJ практически водонепроницаемо и возможность образования в нем трещин маловероятна, необходимо в первую очередь проверить надежность закрепления резинового компенсатора. Правильно закрепленный компенсатор является водонепроницаемым при условии, что над ним не располагается непросыхающий в течение нескольких месяцев сток воды или застоявшаяся лужа из-за пониженного места проезжей части.
Для проверки закрепления резинового компенсатора в пазах фасонных профилей окаймления необходимо сначала произвести визуальный осмотр сверху, выявляя места больших щелей и вспучиваний (более 3-4 мм) между боковыми стенками компенсатора и металлическими профилями, а также то, чтобы верхняя губа фиксатора компенсатора не выскочила из паза металлического профиля. При выявлении вышеперечисленного необходимо на выявленных участках нарушений крепления компенсатора восстановить закрепление и повторно проверить шов на протекание подачей на шов воды.
Для восстановления нарушенного закрепления необходимо полностью извлечь компенсатор из металлических профилей на каждом выявленном участке имеющихся протечек при помощи затупленной стамески, подсовываемой между внешней стороной фиксатора и внутренней стороной паза металлического окаймления сбоку под фиксатор.
В местах больших пучений и щелей между компенсатором и металлическим окаймлением необходимо при помощи затупленной стамески оттянуть сбоку компенсатор для выявления тех мест, где нижняя губа фиксатора либо не вошла, либо выскочила из паза в процессе эксплуатации.
После извлечения участка компенсатора повторяют процедуру его заправки аналогично тому, как она осуществлялась при монтаже деформационного шва - компенсатор сжимается при помощи больших щипцов-плоскогубцев для заправки в зазор таким образом, чтобы нижняя губа фиксатора вошла в паз соответствующего стального профиля по обеим сторонам от оси деформационного шва. Затем путем простукивания компенсатора молотком (предпочтительно с шаровидной поверхностью) добиваются захождения в паз верхней губы фиксатора компенсатора, постепенно двигаясь от уже заправленной части по мере ее заправления.
В том случае, если после осуществления вышеизложенных процедур остаются протечки в шве, необходимо повторно извлечь компенсатор на соответствующих участках и проверить качество поперечных сварных швов стальных профилей окаймлений и доварить швы. Во время сварки нельзя допускать перегрева прилежащего полимербетона (это может привести к его разрушению). После того, как швы остынут, необходимо убрать болгаркой окалину и перезаправить компенсатор.
Если в результате протечки остаются то, по-видимому, имеются дефекты в конструктивном бетоне и гидроизоляции, для устранения таких протечек необходим капитальный ремонт.
Рекомендуется выполнять визуальный осмотр конструкций швов после снегопадов на предмет возможного повреждения снегоуборочной техникой, а также после и во время периодов пониженной температуры для своевременного выявления выхода кромок компенсатора из пазов вследствие возможного увеличения жесткости резины при низких (ниже -20 °С) температурах.
В зимнее время рекомендуется периодически (не реже 1 раза в месяц) осуществлять очистку поверхности компенсатора щетками с жесткой неметаллической щетиной.
3.6. Мероприятия по устранению имеющихся повреждений
(ремонту дорожной одежды в зонах повреждения)
Проблема ремонта поврежденных участков дорожных одежд и зон сопряжения их с деформационными швами на мостовых сооружениях весьма слабо исследована, поэтому необходимо организовать серию теоретических и экспериментальных исследований по наработке конструктивных и технологических решений по ремонту указанных участков. Обоснованием такого направления исследований могут являться соображения о том, что такие повреждения будут появляться и впредь на других мостовых сооружениях и потому надо иметь банк конструктивных и технологических решений по ремонту дорожных одежд различного типа и деформационных швов различного вида на мостах.
Широкое использование гидроизоляции «Полиуреа» при устройстве дорожных одежд, учитывая имеющие проблемы, следует ограничить до выработки разумных решений по
обеспечению ее сцепления, как с железобетонной плитой проезжей части, так и с укладываемыми на гидроизоляцию слоями дорожной одежды.
Для ремонта уже уложенной гидроизоляции в зонах повреждения дорожной одежды разумнее всего использовать гидроизоляцию такого же типа, что и «Полиуреа» (полимочевинную), но хорошо зарекомендовавшую себя на мостовых объектах.
Например, для ремонта «Полиуреа» можно использовать полимочевинную же гидроизоляцию КОЛФЛЕКС-301ЛС, что должно обеспечить их хорошую совместную работу (сцепление двух полимочевин). Для обеспечения сцепления с выше располагаемым слоем дорожной одежды можно использовать адгезионный слой КОЛКОУТ-ТЛ. Предварительно на небольшом участке провести опытные работы.
На укладку и уплотнение асфальтобетона непосредственно на проезжей части мостового полотна влияют:
• продуваемость пролетных строений, вызывающая быстрое остывание
асфальтобетона под воздействием ветра и резких перепадов температуры (особенно в горной местности);
• динамические воздействия транспорта и собственных колебаний плиты
пролетного строения могут привести к неравномерному уплотнению слоев дорожной одежды;
• сочетание предельных (и даже сверхпредельных как в нашем случае)
продольных и поперечных уклонов (характерное для горной местности) в новых конструкциях многопролетных эстакад затруднит укладку и уплотнение дорожных одежд на них; при уклоне свыше 4%о асфальтоукладчик должен двигаться «в гору», и ранее уложенная гидроизоляция может при этом стягиваться под колеса;
• необходимо обеспечивать надежное сцепление между всеми слоями; розлив битума или эмульсии по гидроизоляции под асфальтобетон (как уже показал имеющийся отрицательный опыт) приводит к тому, что подгрунтовка прилипает к колесам автомобилей, подвозящих асфальтобетон, что приводит к срыванию гидроизоляции.
Довольно эффективным решением проблемы ремонта дорожной одежды в поврежденных местах может быть использование литого асфальтобетона на основе полимербитумных вяжущих без уплотнения или с применением легких катков для втапливания очерненного щебня, обеспечивающего хорошее сцепление между слоями. Это решает вопросы уплотнения и быстрого остывания смеси. Литой асфальтобетон уже сам по себе является гидроизолирующим составом. Во многих современных конструкциях покрытий для мостовых сооружений присутствие этого слоя является необходимым. Но его сцепление с нижележащей полимочевинной гидроизоляцией «Полиуреа» остается острым вопросом и подлежит исследованию.
Представляет интерес и использование для ремонта предложения фирмы «КОЛТЕК Интернешнл». В предлагаемой конструкции на грунтовку, которая хорошо сцепляется с бетоном, под давлением наносится слой полимочевины. Если во время ремонта после удаления поврежденных слоев асфальтобетона местами осталась гидроизоляция «Полиурия», то в силу того, что наносимый слой гидроизоляции фирмы «КОЛТЭК» тоже полимочевинный, предполагается их хорошее химическое сцепление. Для сцепления же полимочевинной гидроизоляции с вышележащим слоем асфальтобетона применяется адгезионный слой «Колкоут Моногард» или «Колкоут ТЛ».
Поверху такой гидроизоляции укладывается вибролитой асфальтобетон КОЛТЕК. На небольших опытных участках следует подобрать подходящий вариант и отработать технологический регламент.
Для обеспечения хорошего сопряжения дорожной одежды с деформационными швами рекомендуется устройство штрабы с обеих сторон вдоль деформационного шва по полосам движения с последующим заполнением этой штрабы литым асфальтобетоном на всю толщину (создание переходной зоны). При соответствующем подборе состава литого асфальтобетона будет обеспечено плавное изменение жесткости при переходе от дорожной одежды через переходную зону из литого асфальтобетона к более жесткому деформационному шву. Возможно создание анкеровки литого асфальтобетона вблизи деформационных швов установкой уголковой или профильной арматуры.
Возможно создание переходной зоны путем заполнения устроенной штрабы вибролитым асфальтобетоном или полимербетонной смесью с последующим ее уплотнением и даже использованием фибробетона.
4. Колееобразование как причина появления повреждений
в зоне сопряжения деформационных швов с дорожной одеждой
Исследования, предпринятые с целью изучения быстрого появления и развития повреждений в покрытиях и деформационных швах в городских мостах, выявили некоторые закономерности в процессе разрушения данных элементов мостового полотна [8, 10].
Например, процесс разрушения начинается с образования трещины на стыке покрытия и деформационного шва. Затем происходит образование выбоин в покрытии в этой зоне, вследствие повышенного динамического воздействия на покрытие и элементы деформационного шва со стороны проходящих транспортных средств (рис. 1, 3, 5). Далее следует закономерное разрушение деформационного шва.
Причиной повышенного динамического воздействия может быть является разность высот между верхней поверхностью деформационного шва и поверхностью покрытия проезжей части («ступенька»). Эта разность высот может возникать вследствие неправильного определения толщины дорожной одежды до уплотнения в зоне сопряжения с деформационным швов или ошибок при монтаже деформационного шва. В этом случае решить проблему можно, обеспечив качество производимых работ по ремонту дорожной одежды и монтажу деформационных швов. Однако перепад отметок мостового полотна на стыке дорожной одежды и деформационного шва может возникать и вследствие образования колеи на покрытии мостового полотна. В этом случае мерами организационного характера обойтись не удается, поскольку решение вопроса упирается в проблему снижения колееобразования в покрытии мостового полотна.
Изучением колееобразования на стыке дорожной одежды и деформационных швов занимались в последнее время д.т.н. В.И. Шестериков (ФГУП Росдорнии), а также специалисты ФГУП Союздорнии. По данным д.т.н. В.И. Шестерикова, интенсивность движения по каждой из полос движения в г. Москве может достигать показателей в 3000...5000 авт./сутки и более, вплоть до десятков тысяч. Результатом таких интенсивностей движения является повышенное динамическое воздействие на деформационные швы и прилегающую дорожную одежду, имеющее циклический характер, повторяющееся десятки тысяч раз в пределах каждой полосы движения каждые сутки. Как следствие, колея в асфальтобетонном покрытии в результате быстрого истирания и продавливания покрытия колесами автомобилей достигает порой большой глубины. Как показано в таблице 1, эта глубина
составляет в среднем 5-10 мм, но в ряде случаев равна 1540 мм (данные В.И. Шестерикова на начало 2006 г.) [7].
Таблица 1
Расположение мостового сооружения, км № Полосы Глубина колеи , мм
Подход №1 ДШ №1 Пр, стр. ДШ №2 Подход №2
28,5 1 5 5 5 0 0
Булатниково 2 10 10 5 5 5
3 10 10 10 10 0
4 5 0* 10 15 5
31,5 1 5 15 5 15 5
(Курская ж/д) 2 5 20 5 10 10.
3 5 15 0 5 5
4 10 10 10 5 5
Б 0 0 0 0 0
75 1 5 10 5 5 0*
Канал им. Москвы 2 10 5 10 10 5
3 0 10 5 10 10
4 5 40 5 10 5
5 0 25* 0 0 5
78 1 5 10 5 10 5
путепровод через 2 10 25 10 15 20
Октябрьскую ж/д 3 10 10 10 10 10
4 10 5 S 5 10
5 5 0 0 0 5
95 1 0 0 0 5 5
Зверопроход 2 10 10 5 15 .10
3 5 10 0 15 5
4 15 40 10 25 5
5 5 5 0 15 5
На основе анализа достаточно обширной статистической информации, собранной на мостовых сооружениях г. Москвы, В.И. Шестериков пришел к выводу, что около трети всех осмотренных конструкций деформационных швов должно разрушиться под влиянием повышенных динамических воздействий в течение скорого времени из-за наличия колеи. При этом совершенно не играет роли, какие именно деформационные швы установлены на мостовых сооружениях, поскольку, как показывает практика, повышенных динамических воздействий со стороны транспорта не выдерживают даже самые прочные и надежные конструкции деформационных швов.
Вполне очевидно, что на данный момент подавляющее большинство попыток уменьшить вероятность образования выбоин в покрытии на стыке с деформационными швами, сосредоточено вокруг вопросов снижения колееобразования в покрытии, особенно в зоне примыкания к деформационному шву.
Следуя в основном этой логике, уже предложено множество технических решений узла примыкания покрытия мостового полотна к деформационному шву. В основном, их можно разделить на следующие группы:
• применение переходных зон;
• применение бетонных приливов;
• применение демпфирующих полимербетонных приливов (окаймления).
Применение переходных зон дает положительный эффект за счет использования на стыке деформационного шва и дорожной одежды мостового полотна более износо- и трещиностойкого материала, нежели обычный асфальтобетон. Высокая сопротивляемость переходной зоны образованию колеи позволяет снизить скорость ее проявления. Примером такой переходной зоны может служить зона, выполненная из литого асфальтобетона, как это было сделано на объектах мостового перехода через р. Волгу у с. Пристанное (около г. Саратова) [9].
Применение приливов из железобетона преследует цель снизить интенсивность образования выбоин на стыке дорожной одежды с деформационным швом путем замены асфальтобетона в этой зоне на более прочный материал, каким является железобетон.
Применение полимербетонных приливов является дальнейшим этапом развития предыдущего конструктивного решения. В этом случае обычный бетон заменяется на полимербетон, обладающий демпфирующими свойствами, т.е. способностью в определенной степени гасить удар колес транспортного средства. Такое решение используется в конструкции некоторых современных деформационных швов, например, в конструкции типа BEJ.
Однако применение приливов приводит к появлению трещин и выбоин на стыке с дорожной одежды уже с приливом (с дальнейшим разрушением последнего), что нельзя признать удовлетворительным решением проблемы.
Иногда в качестве дополнительной меры применяется прорезание покрытия по стыку с деформационным швом (или приливом деформационного шва) на всю глубину при ширине разреза 10-15 мм с заполнением полученной штрабы мастикой. Это позволяет уменьшить трещинообразование в этой зоне, имеющее место из-за независимых (от пролетного строения) температурных деформаций дорожной одежды из обычного асфальтобетона.
Оригинальным решением в ряде случаев может стать применение щебеночномастичных деформационных швов. Щебеночно-мастичные деформационные швы (типа ThormaJoint® и т.п.) близки по степени подверженности образованию колеи к асфальтобетону, способны деформироваться, повторяя все неровности прилегающей дорожной одежды и обладают хорошей адгезией к асфальтобетону. Таким образом, покрытие дорожной одежды и поверхность щебеночно-мастичного деформационного шва практически всегда остаются в одном уровне, трещин на стыке, как правило, не возникает, а износ дорожной одежды компенсируется аналогичным износом самого деформационного шва. Однако данный тип деформационных швов подвержен колееобразованию даже сильнее, чем обычный асфальтобетон (как минимум, вдвое), что приводит к проблеме снижения интенсивности образования колеи уже на самом деформационном шве, а не на прилегающем покрытии.
Однако какое бы решение из перечисленных выше выбрано не было, образование выбоин на границе с деформационным швом, пусть с меньшей скоростью, но все равно будет происходить, поскольку это явление возникает даже при обеспечении идеальной ровности поверхности проезда. Причина этого кроется в значительной разности жесткостей асфальтобетона и металлических конструкций деформационного шва. Из-за этого эффект удара возникает всегда при проезде транспортного средства по границе между покрытием и деформационным швом вследствие резкого перепада жесткостей поверхности проезда
Деформационный шов, если взглянуть с этой точки зрения, является инородным включением в покрытие мостового полотна, и именно в этом состоит сложность обеспечения совместной работы этих конструкций.
Таким образом, решить проблему повышенного динамического воздействия на зону стыка покрытия с деформационным швом, можно лишь обеспечив плавное изменение жесткости поверхности проезда по всей длине мостового сооружения, и исключив резкий перепад жесткостей в каких бы то ни было локальных зонах. Конструктивно решение проблемы может быть получено с применением переходных зон, согласующих показатель жесткости покрытия с показателем жесткости конструкции деформационного шва. Необходимо заметить, что предлагаемые согласующие переходные зоны не совпадают по назначению и принципу работы с обычными переходными зонами, упомянутыми выше.
Задачей согласующих переходных зон должно являться плавное повышение жесткости поверхности проезда от показателя, соответствующего дорожной одежде до показателя, соответствующего жесткости конструктивных элементов деформационного шва. Жесткость асфальтобетона (даже при самой низкой температуре, когда она наибольшая) меньше жесткости стальных элементов деформационного шва как минимум на порядок. Это также объясняет малую эффективность традиционно применяемых бетонных приливов, которые также имеют более высокую жесткость, чем прилегающий асфальтобетон из-за чего и наблюдается эффект удара при въезде на прилив, приводящий к его разрушению. В случае щебеночно-мастичного деформационного шва следует, напротив, понижать жесткость до значения жесткости щебеночномастичной смеси заполнения (которая обычно более чем на порядок меньше жесткости асфальтобетона).
Таким образом, согласующая переходная зона должна представлять собой конструкцию, имеющую переменную по длине жесткость, значение которой плавно повышается (или понижается) приблизительно в 10 раз. Такая переходная зона позволит исключить эффект удара при проезде если обеспечено соответствие отметок покрытия проезжей части и поверхности проезда деформационного шва (или если эти отметки плавно сопряжены с помощью той же согласующей переходной зоны).
Возвращаясь к традиционным переходным зонам, необходимо особо остановиться на появившихся в последнее время решениях таких зон, предлагаемых некоторыми фирмами, согласно которым до и после деформационного шва устраивается переходная зона из щебеночно-мастичного материала (подобного ThormaJoint) шириной 200-300 мм. При этом утверждается, что устройство таких переходных зон может снизить разрушение прилегающего покрытия. Однако нетрудно догадаться, что при этом ситуация даже ухудшается, поскольку перепад жесткостей на стыке с деформационным швом возрастает с 10 до 20 раз (как минимум), а динамическая нагрузка на деформационный шов значительно возрастает, что неминуемо выразится в снижении его срока службы.
Другой проблемой, о которой еще не упоминалось, является разрушение мостового полотна вследствие повреждения деформационного шва. Как правило, это происходит из-за недостаточной надежности последнего либо в условиях полного отсутствия мероприятий по эксплуатации деформационных швов (если конструкция деформационного шва этого требует). Причины этого также связаны со спецификой городского использования мостов и деформационных швов на них.
Вследствие недостаточного, по современным меркам, уровня развития транспортной системы большинства российских городов, у организаций, эксплуатирующих городские мостовые сооружения, зачастую нет возможности переключить транспортные потоки на альтернативные пути для того, чтобы выполнить полноценный ремонт мостового полотна на
сооружении. Приходится перекрывать движение в течение ночи, когда интенсивность движения мала, и производить ремонт в условиях недостатка времени. Разумеется, при этом физически невозможно установить в мостовое сооружение деформационные швы, требующие бетонных работ и объединения анкерных элементов с арматурой пролетных строений, ввиду большой продолжительности подготовительных и бетонных работ.
В таких условиях обычно предпочтение отдается деформационным швам, для установки которых не требуется выполнять штрабу в пролетных строениях и объединять деформационные швы с арматурой мостового сооружения. К таким конструкциям относятся деформационные швы закрытого типа и щебеночно-мастичные деформационные швы (для малых перемещений), а также деформационные швы с упругими компенсаторами, крепящиеся к пролетным строениям либо с помощью высокопрочных шпилек, либо с помощью полимербетонных приливов (для средних перемещений). К последнему типу относятся деформационные швы с армированными компенсаторами (WABOFLEX, Serviflex, РСМ («Руссербмост») и т.п.), крепящиеся шпильками и болтами и деформационные с ленточными или полыми компенсаторами (BEJ, Maurer Betoflex), закрепляемые при помощи полимербетонных приливов.
Однако технологичность и скорость ремонта деформационного шва не подразумевает надежность и долговечность его работы. В случае с удобными и технологичными деформационными швами с армированными компенсаторами и креплением шпильками и болтами это уже привело к тому, что все деформационные швы такого типа на МКАД пришлось заменить в течение всего 1-2 лет эксплуатации ввиду выхода их из строя из-за ненадежности конструкции. Деформационные швы типов BEJ и Maurer Betoflex служат намного дольше, однако некоторые из них все же выходят из строя в течение 2 лет после установки (несмотря на, то, что срок службы таких деформационных швов по заявлениям производителей должен быть как минимум в 10 раз больше). В этом случае причина скорого выхода из строя кроется уже не в недостатках самой конструкции, а в описанных выше явлениях образования колеи и выбоин в асфальтобетоне (хотя иногда причиной является низкое качество ведения работ по сборке и монтажу деформационных швов).
К настоящему времени стало ясно, что, несмотря на то, что в условиях города легче следить за состоянием конструкций мостовых сооружений и при необходимости производить своевременный ремонт, преимуществ городское расположение деформационных швов не дает. Поэтому в условиях города необходимо не полагаться на оперативный ремонт, а применять высоконадежные конструкции деформационных швов, обеспечивающие продолжительный срок службы. Для диапазона средних перемещений - это конструкции с ленточными компенсаторами, металлическими направляющими и обязательно с мощными анкерными элементами, объединяемыми на сварке с арматурой пролетных строений с последующим омоноличиванием.
К сожалению, следует признать, что решение устанавливать во вновь построенные мостовые сооружения дешевые, недостаточно надежные конструкции деформационных швов, было ошибкой. Именно сложность проведения капитального ремонта (или замены) деформационных швов на эксплуатируемом мостовом сооружении на сегодняшний день заставляет заменять эти деформационные швы на легко монтируемые, но не на более надежные конструкции. Следует принимать меры, чтобы в будущем эти ошибки не повторялись на новых мостовых сооружениях и стараться изначально устанавливать на них надежные деформационные швы.
Разумеется, выполнить установку конструкций деформационных швов с объединением анкеровки с арматурой пролетных строений в условиях интенсивной эксплуатации моста крайне тяжело. Поэтому установка таких деформационных швов должна быть предусмотрена
для всех новых сооружений, предназначенных для работы в условиях города и, по мере возможности, для уже построенных.
1. Наиболее характерным повреждением на современных мостовых сооружениях в городах является разрушение зоны сопряжения деформационных швов с прилегающей дорожной одеждой. Лучше всего не допускать появления такого повреждения, для чего при устройстве дорожной одежды и деформационных швов на пролетных строениях применять специальную технологию их устройства, предусматривающую создание специальных переходных зон между дорожной одеждой и деформационным швом.
2. Для устройства таких переходных зон можно использовать несколько решений, в том числе: применение литого асфальтобетона; применение вибролитого асфальтобетона; применение прочно-упругой гранитно-мастичной композиции (ПУГМК) для заполнения штрабы переходной зоны.
3. Для обеспечения проектной долговечности и деформационных швов и зон сопряжения деформационных швов с дорожной одеждой предусматривать процедуру эффективного содержания мостового полотна.
4. Наиболее эффективным решением проблемы надежной и долговечной эксплуатации и дорожной одежды, и деформационных швов, да и всего мостового сооружения является разработка и реализация проекта эксплуатации мостового сооружения.
Выводы
ЛИТЕРАТУРА
1. Овчинников И.И. Систематизация и сравнительный анализ различных типов гидроизоляции, применяемых на автодорожных мостовых сооружениях / И.И. Овчинников, И.Г. Овчинников, Ш.Н. Валиев, С.В. Жаденова // Интернет-журнал "Науковедение" № 5, 2013. С. 1-29.
2. Овчинников И.Г. Анализ конструкций дорожной одежды (мостового полотна),
применяемых в мостостроении / И.Г. Овчинников, Е.В. Зинченко, В.Н. Кужель // Дороги. Инновации в дорожной строительстве. СПб. 2011, №52. С. 52-55.
3. Овчинников И.Г. Диагностика поведения дорожной одежды на пролетном
строении мостового сооружения с использованием виброизмерительного комплекса / И.Г. Овчинников, Е.В. Зинченко, Е.В. Углова, Б.В. Бессчетнов // Сборник ДОРОГИ и МОСТЫ. Выпуск 26/2 М. 2011. С. 231-240.
4. Овчинников И.Г. Проблема устройства гидроизоляции и дорожной одежды на
проезжей части мостовых сооружений с большими продольными уклонами / И.Г. Овчинников, Е.В. Зинченко // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки: Науково-технічний збірник. Випуск 17. /Головний редактор
А.М.Тугай. - Украина. Киев.: КНУБА, 2011. - 120 с. С. 49-54.
5. Овчинников И.Г. Анализ особенностей устройства гидроизоляции некоторых
типов на мостовых сооружениях с железобетонной плитой проезжей части / И.Г. Овчинников, Е.В. Зинченко // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки: Науково-технічний збірник. Випуск 17. /Головний редактор
А.М.Тугай. - Украина. Киев.: КНУБА, 2011. - 120 с. С. 55-59.
6. Овчинников И.Г. Особенности устройства гидроизоляции и дорожной одежды на проезжей части мостовых пролетных строений с большими продольными уклонами / И.Г. Овчинников, Е.В. Зинченко // Дороги. Красная линия. №63, сентябрь 2012. С.64-67.
7. Шестериков В.И. Пути повышения долговечности конструкций деформационных швов в пролетных строениях с асфальтобетонным покрытием / В.И. Шестериков // Сб. материалов междунар. семинара «Конструкции покрытий проезжей части мостовых сооружений с интенсивностью движения более 78 тысяч авт/сут. с учет- том климатических условий г. Москвы», 24-25 января 2006г. - М: ГУП «Гормост», 2006. С. 42-44.
8. Ефанов А.В. Деформационные швы автодорожных мостов: особенности конструкции и работы / А.В. Ефанов, И.Г. Овчинников, В.И. Шестериков, В.Н. Макаров. - Саратов: СГТУ 2005. - 174 с.
9. Овчинников И.Г. Мостовое полотно автодорожных мостов с применением литого асфальтобетона и современных деформационных швов / И.Г. Овчинников, В.Н. Макаров, А.В. Ефанов и др. - Саратов: СГТУ, 2004. - 214 с.
10. Ефанов А.В. Разрушение покрытия мостового полотна и деформационных швов: причины, проблемы и пути решения / А.В. Ефанов, С.В. Овсянников, И.Г. Овчинников // Дороги и мосты. 2007, №2. С. 38-42.
Рецинзент: Столяров Виктор Васильевич, Заместитель председателя Поволжского отделения Российской академии транспорта, академик РАТ, д-р. техн. наук, профессор.
REFERENCES
1. Ovchinnikov I.I. Sistematizacija i sravnitel'nyj analiz razlichnyh tipov gidroizoljacii,
primenjaemyh na avtodorozhnyh mostovyh sooruzhenijah / I.I. Ovchinnikov, I.G. Ovchinnikov, Sh.N. Valiev, S.V. Zhadenova // Internet-zhurnal "Naukovedenie" № 5, 2013. S. 1-29.
2. Ovchinnikov I.G. Analiz konstrukcij dorozhnoj odezhdy (mostovogo polotna),
primenjaemyh v mostostroenii / I.G. Ovchinnikov, E.V. Zinchenko, V.N. Kuzhel' // Dorogi. Innovacii v dorozhnoj stroitel'stve. SPb. 2011, №52. S. 52-55.
3. Ovchinnikov I.G. Diagnostika povedenija dorozhnoj odezhdy na proletnom stroenii
mostovogo sooruzhenija s ispol'zovaniem vibroizmeritel'nogo kompleksa / I.G. Ovchinnikov, E.V. Zinchenko, E.V. Uglova, B.V. Besschetnov // Sbornik DOROGI i MOSTY. Vypusk 26/2 M. 2011. S. 231-240.
4. Ovchinnikov I.G. Problema ustrojstva gidroizoljacii i dorozhnoj odezhdy na proezzhej
chasti mostovyh sooruzhenij s bol'shimi prodol'nymi uklonami / I.G. Ovchinnikov, E.V. Zinchenko // Problemi vodopostachannja, vodovidvedennja ta gidravliki: Naukovo-tehnichnij zbirnik. Vipusk 17. /Golovnij redaktor A.M.Tugaj. - Ukraina. Kiev.: KNUBA, 2011. - 120 s. S. 49-54.
5. Ovchinnikov I.G. Analiz osobennostej ustrojstva gidroizoljacii nekotoryh tipov na mostovyh sooruzhenijah s zhelezobetonnoj plitoj proezzhej chasti / I.G. Ovchinnikov, E.V. Zinchenko // Problemi vodopostachannja, vodovidvedennja ta gidravliki: Naukovo-tehnichnij zbirnik. Vipusk 17. /Golovnij redaktor A.M.Tugaj. - Ukraina. Kiev.: KNUBA, 2011. - 120 s. S. 55-59.
6. Ovchinnikov I.G. Osobennosti ustrojstva gidroizoljacii i dorozhnoj odezhdy na proezzhej chasti mostovyh proletnyh stroenij s bol'shimi prodol'nymi uklonami / I.G. Ovchinnikov, E.V. Zinchenko // Dorogi. Krasnaja linija. №63, sentjabr' 2012. S.64-67.
7. Shesterikov V.I. Puti povyshenija dolgovechnosti konstrukcij deformacionnyh shvov v proletnyh stroenijah s asfal'tobetonnym pokrytiem / V.I. Shesterikov // Sb. materialov mezhdunar. seminara «Konstrukcii pokrytij proezzhej chasti mostovyh sooruzhenij s intensivnost'ju dvizhenija bolee 7-8 tysjach avt/sut. s uchet- tom klimaticheskih uslovij g. Moskvy», 24-25 janvarja 2006g. - M: GUP «Gormost», 2006. S. 42-44.
8. Efanov A.V. Deformacionnye shvy avtodorozhnyh mostov: osobennosti konstrukcii i raboty / A.V. Efanov, I.G. Ovchinnikov, V.I. Shesterikov, V.N. Makarov. - Saratov: SGTU 2005. - 174 s.
9. Ovchinnikov I.G. Mostovoe polotno avtodorozhnyh mostov s primeneniem litogo asfal'tobetona i sovremennyh deformacionnyh shvov / I.G. Ovchinnikov, V.N. Makarov, A.V. Efanov i dr. - Saratov: SGTU, 2004. - 214 s.
10. Efanov A.V. Razrushenie pokrytija mostovogo polotna i deformacionnyh shvov: prichiny, problemy i puti reshenija / A.V. Efanov, S.V. Ovsjannikov, I.G. Ovchinnikov // Dorogi i mosty. 2007, №2. S. 38-42.
