CC BY
10Жесткая дорожная одежда обладает прочностью, на порядок превышающей значения нежесткой конструкции. Одним из критериев расчета нежестких дорожных одежд является расчет по допускаемому упругому прогибу. Ряд ученых считает, что такой способ для жестких дорожных одежд неприменим, поскольку, на их взгляд, не существует связи с основным показателем прочности таких покрытий — удельным напряжением. Формулы определения прогибов цементобе-тонных покрытий как в центральной части плиты, так и в краевых ее участках позволяют рассчитывать конструкцию с позиции энергетического метода расчета дорожных одежд, предложенного А.В. Смирновым, где энергия деформации определяется как усилие на перемещение от нагрузки. Предложенный метод позволяет вести расчет как для нежестких, так и для жестких покрытий.
Таким образом, продолжается развитие и совершенствование теории расчета цементобетонных плит. Появляются новые подходы к расчету, такие как метод ко -
нечных элементов; расширяется применение современных вычислительных комплексов. Все это позволит разработать алгоритмы, учитывающие весь спектр воздействий и многообразие факторов, влияющих на конструкцию. Результатом данной работы должно стать обеспечение высокой прочности и долговечности конструкции.
Ключевые слова: цементобетон, асфальтобетон, прочность, напряжения, долговечность.
Список литературы
1. Методические рекомендации по проектированию жестких дорожных одежд. М.: Информавтодор, 2004.
2. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А. Расчет конструкций на упругом основании. Изд 2-е, перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1973. 151 с.
3. Коренев Б.Г., Черниговская Е.И. Расчет плит на упругом основании. Пособие для проектировщиков. М.: Стройиздат, 1962, 355 с.
УДК 625.731.1.042
Н.Е. КОКОДЕЕВА, канд. техн. наук (kokodeewa@mail.ru), Саратовский государственный технический университет
Использование геосинтетического материала при проектировании дорожных одежд нежесткого типа (с учетом теории риска)
В настоящее время разработан отраслевой дорожный методический документ ОДМ 218.5.001—2009 «Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешеток для армирования асфальтобетонных слоев усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог» [1], носящий рекомендательный характер. Среди основной терминологии в данном документе дано определение геосетки как плоского рулонного материала сетчатой структуры, образованной эластичными ребрами из высокопрочных пучков нитей, скрепленных в узлах прошивочной нитью переплетением, склеиванием, сплавлением или иным способом с образованием ячеек, размеры которых больше образующих сетку ребер, обработанного специальными составами для улучшения свойств и повышения стабильности. При использовании геосетки на вновь сооружаемых дорогах и на новых участках реконструируемых дорог ОДМ 218.5.001—2009 рекомендует расчет дорожных одежд нежесткого типа осуществлять традиционно по ОДН 218.046—01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» [2]. Однако в отдельные пункты и расчетные формулы [2] внесены дополнения, касающиеся особенностей расчета на прочность дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, армированным геоматериалом.
В [3—6] проведен детальный анализ расчета прочности материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе RN, предлагаемый в [1]. В статье [3] рекомендуется помимо проверки дорожной одежды по основным трем критериям производить расчет риска возникновения трещин в монолитном слое при изгибе. Данное направление является актуальным, так как обеспечивает выполнение законов № 184-ФЗ «О техническом регулировании» и № 257-ФЗ «Об автомобильных дорогах и о дорожной деятельности в РФ...», требующих эксплуатационные характеристики рассчитывать с учетом технических регламентов на основе оценки степени риска и степени причинения ущерба.
По предложенной методике [3] был выполнен анализ оценки нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе для дорожных одежд капитального типа с усовершенствованным покрытием. Анализу подлежало требуемое количество конструкций дорожных одежд, определяемое методами математической статистики. В качестве примеров в табл. 1 приведены схемы рассмотренных двух конструкций дорожных одежд с применением геосетки и без нее, в табл. 2 даны расчетные характеристики материалов слоев.
Конструкции были рассчитаны по трем критериям в соответствии с [1, 2]: по допускаемому упругому проги-
Таблица 1
Схема конструкции
Наименование материалов, толщина слоев Ь|, см
1-я конструкция (с геосеткой)
1. Асфальтобетон горячий плотный, тип Б, на битуме марки БНД 60/90, = 5 см.
2. Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, = 7 см.
3. Геосетка 100/100-25.
4. Асфальтобетон горячий высокопористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, = 8 см.
5. Оптимальная щебеночно-гравийно-песчаная смесь (ЩГПС), обработанная цементом, марки 40,
= 20 см.
6. Песок средней крупности, = 37 см.
1-я конструкция (без геосетки)
1. Асфальтобетон горячий плотный, тип Б, на битуме марки БНД 60/90, = 5 см.
2. Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, = 7 см.
3. Асфальтобетон горячий высокопористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, = 8 см.
4. Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40, = 20 см.
5. Песок средней крупности, = 37 см.
2-я конструкция (с геосеткой)
1. Асфальтобетон горячий плотный, тип Б, на битуме марки БНД 60/90, = 6 см.
2. Геосетка 100/100-25.
3. Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, = 14 см.
4. Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40, = 20 см.
5. Песок средней крупности, = 37 см.
2-я конструкция (без геосетки)
1. Асфальтобетон горячий плотный, тип Б, на битуме марки БНД 60/90, = 6 см.
2. Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, = 14 см.
3. Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40, = 20 см.
4. Песок средней крупности, = 37 см.
6
5
бу; по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев; по условию сопротивления монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе.
Установлено, что выбранные конструкции удовлетворяют всем критериям прочности.
Следует отметить, что конструкция дорожной одежды № 2 имеет такую же общую толщину слоев (77 см), как и дорожная одежда в конструкции № 1. Это достигнуто за счет увеличения толщин слоев асфальтобетона в конструкции № 2. При этом в отличие от конструкции № 1 слой из высокопористого асфальтобетона в конструкции дорожной одежды № 2 отсутствует. При расчете дорожных одежд по критерию упругого прогиба был установлен общий модуль упругости на поверхности покрытия, равный 416 МПа для обеих конструкций. Уровень надежности конструкций дорожных одежд № 1 и 2, представленных в табл. 1 и 2, составляет КН=0,95. Следовательно, допустимая вероятность нарушения монолитных слоев при изгибе (образование трещин) к концу срока службы дорожной одежды должна составить: гдоп=1—0,95=0,05, т. е. из каждых 100 м2 покрытия будет подвержено образованию трещин 5 м2 покрытия.
В данной статье приводятся обозначения параметров расчета, определения которых отражены в статье [3]: Ен — общий модуль упругости на поверхности основания, МПа; ЕВ —средний модуль упругости слоев
асфальтобетона, МПа; h — суммарная толщина слоев асфальтобетона, см; ог — наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое, МПа; тг — среднее квадратическое отклонение наибольшего растягивающего напряжения в рассматриваемом слое, МПа;
— предельное растягивающее напряжение материала слоя с учетом усталостных явлений, МПа; тм — среднее квадратическое отклонение допустимого растягивающего напряжения материала, МПа; стКР — критическое растягивающее напряжение в монолитном слое, при котором вероятность появления трещин равна 50%, МПа; тКР — среднее квадратическое отклонение критического растягивающего напряжения, МПа; г — вероятность возникновения трещин в монолитном слое при изгибе на момент пуска автомобильной дороги в эксплуатацию.
Конструкции дорожных одежд (табл. 1) были рассчитаны при различных значениях коэффициентов вариации входящих параметров (табл. 3), а именно коэффициента вариации общего модуля упругости на поверхности основания (с^я), коэффициента вариации среднего модуля упругости слоев асфальтобетона (с^в), коэффициента вариации суммарной толщины асфальтобетонных слоев (Су). При этом, учитывая исследования проф. В.А. Семенова [7], необходимо иметь в виду, что СуВ=СуН=Су= 0,1 соответствует отличному качеству строительства; 'СуВ=СуН=Су= 0,2 — хорошему; СуВ=Су=Су = 0,3 — удовлетворительному.
Таблица 2
Материал h слоя, см Е, МПа, при расчете по допустимому упругому прогибу Общий модуль упругости поверхности слоя Расчет на растяжение при изгибе
Е, МПа R0, МПа а т
1-я конструкция (с геосеткой)
Асфальтобетон горячий плотный, тип Б, на битуме марки БНД 60/90 5 3200 416 4500 9,8 5,9 5,5
Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90 7 2000 340 2800 8 7,1 4,3
Геосетка 100/100-25 - - - - - - -
Асфальтобетон горячий высокопористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90 8 2000 260 2100 5,65 7,6 4
Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40 20 600 174 600 - - -
Песок средней крупности 37 120 85,2 120 - - -
Суглинок легкий = 0,644 №т - 52,6 52,6 52,6 - - -
1-я конструкция (без геосетки)
Асфальтобетон горячий плотный, тип Б, на битуме марки БНД 60/90 5 3200 416 4500 9,8 5,9 5,5
Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90 7 2000 340 2800 8 7,1 4,3
Асфальтобетон горячий высокопористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90 8 2000 260 2100 5,65 7,6 4
Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40 20 600 174 600 - - -
Песок средней крупности 37 120 85,2 120 - - -
Суглинок легкий №р = 0,644 №т - 52,6 52,6 52,6 - - -
2-я конструкция (с геосеткой)
Асфальтобетон горячий плотный, тип Б, на битуме марки БНД 60/90 6 3200 416 4500 9,8 5,9 5,5
Геосетка 100/100-25 - - - - - - -
Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90 14 2000 330 2800 8 7,1 4,3
Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40 20 600 174 600 - - -
Песок средней крупности 37 120 85,2 120 - - -
Суглинок легкий №р = 0,644 №т - 52,6 52,6 52,6 - - -
2-я конструкция (без геосетки)
Асфальтобетон горячий плотный, тип Б, на битуме марки БНД 60/90 6 3200 416 4500 9,8 5,9 5,5
Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90 14 2000 330 2800 8 7,1 4,3
Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40 20 600 174 600 - - -
Песок средней крупности 37 120 85,2 120 - - -
Суглинок легкий №р = 0,644 №т - 52,6 52,6 52,6 - - -
Таблица 3
Ев Ен h сЕв сЕн С" саг CV тг ты тКР г
1-я конструкция
2945 174 20 0,765 0,1 0,1 0,1 0,191 0,191 0,146 0,146 1,17 0,82 0,117 0,082 0,89 0,32 0,361 0,252 0,0019 0,0281
0,2 0,2 0,2 0,341 0,341 0,261 0,261 1,997 1,4 0,681 0,477 0,0455 0,121
0,3 0,3 0,3 0,491 0,491 0,376 0,376 2,06 1,45 1,01 0,59 0,1151 0,164
2-я конструкция
3310 174 20 0,791 0,1 0,1 0,1 0,209 0,209 0,165 0,165 1,97 1,38 0,197 0,138 3,21 2,25 0,67 0,47 0,0002 0,0017
0,2 0,2 0,2 0,359 0,359 0,284 0,284 3,34 2,37 1,2 0,85 0,0192 0,0398
0,3 0,3 0,3 0,509 0,509 0,403 0,403 3,49 2,44 1,78 1,24 0,0694 0,1038
Примечание. В числителе приведены данные для дорожной одежды с применением геосетки, в знаменателе - для дорожной одежды без использования геосетки.
Кроме того, на примере конструкции дорожной одежды № 1 был произведен анализ степени влияния каждого в отдельности коэффициента вариации Су", Су", Су на вероятность нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе. Результаты сведены в табл. 4.
На основании определения вероятности нарушения монолитного слоя при изгибе в рассмотренных выше конструкциях дорожных одежд нежесткого типа по предложенной методике [3] можно установить относительное уменьшение риска при использовании геосинтетических материалов (геосетки) в дорожных конструкциях нежесткого типа (табл. 5).
Анализ полученных данных (табл. 3, 4) позволяет сделать следующие выводы:
— значительное увеличение вероятностей нарушения сплошности монолитных слоев (г) при изгибе в конструкции дорожной одежды № 1 обусловливается содержанием в ней высокопористого асфальтобетона на битуме БНД-60/90. Как известно, такой асфальтобетон характеризуется значительной остаточной пористостью 10—18%, что в свою очередь оказывает влияние на снижение водостойкости и меньшую плотность высокопористого асфальтобетона в отличие от пористого асфальтобетона. Кроме того, нормативное со-
противление для высокопористого асфальтобетона соответствует 5,65 МПа, что ниже величины 8 МПа, характерной для пористого асфальтобетона. Это отражается на величине предельного сопротивления Таким образом, замена слоев из менее качественного асфальтобетона на более прочный (при условии сохранения общей толщины всех слоев асфальтобетона и общей толщины дорожной одежды) приводит к снижению вероятности нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе в первые годы эксплуатации автомобильной дороги;
— с увеличением коэффициента вариации общего модуля упругости на поверхности основания (ср1), коэффициента вариации среднего модуля упругости слоев асфальтобетона (С^в), коэффициента вариации суммарной толщины асфальтобетонных слоев наблюдается значительный рост вероятности нарушения монолитных слоев при изгибе. В случае использования геосетки в конструкции дорожной одежды № 1 (при использовании высокопористого асфальтобетона) риск нарушения монолитных слоев при изгибе превышает величину допустимого риска, равного гдоп=0,05 когда Ср3=Суи=Су=0,21, а в конструкции дорожной одежды № 2 (без применения высокопористого асфальтобетона) риск нарушения монолитных
Таблица 4
Ев Ен °г с^ С? CV С°г CV тг ты СТКР тКР г
1-я конструкция
2945 174 20 0,765 0,05 0,05 0,3 0,304 0,304 0,233 0,233 1,17 0,82 0,117 0,082 1,98 1,39 0,60 0,42 0,029 0,097
0,05 0,3 0,05 0,216 0,216 0,165 0,165 1,91 1,34 0,41 0,29 0,0048 0,0427
0,3 0,05 0,05 00 0, 0, 0,153 0,153 1,9 1,33 0,38 0,266 0,0028 0,0329
Примечание. В числителе приведены данные для дорожной одежды с применением геосетки, в знаменателе - для дорожной одежды без использования геосетки.
Таблица 5
Гг Гб/г V Относительное уменьшение риска, %
1-я конструкция
0,0019 0,0281 0,0281-0,0019 ..... 0,0281 "100,6 93%
0,0455 0,121 0,121 -0,0455 „____ 0,121 •100% 62%
0,1151 0,164 0,164-0,1151 _____ 0,164 •100% 30%
2-я конструкция
0,0002 0,0017 0,0017-0,0002 0,0017 1ии/й 88%
0,0192 0,0398 0,0398-0,0192 „____ 0,0398 •100% 52%
0,0694 0,1038 0,1038-0,0694 ..... 0,1038 '100,6 33%
Примечание. В числителе приведены данные для дорожной одежды с применением геосетки, в знаменателе - для дорожной одежды без использования геосетки; гГ - риск нарушения монолитных слоев при изгибе в дорожной одежде с геосеткой; Гб/г - то же без геосетки.
слоев при изгибе превышает величину допустимого риска, равного гдоп=0,05 когда Су"=СуЯ=Су=0,25. Без применения геосетки в конструкции дорожной одежды № 1 (при использовании высокопористого асфальтобетона) риск нарушения монолитных слоев при изгибе превышает величину допустимого риска уже при СуВ=СуИ=Су=$,\А, а в конструкции дорожной одежды № 2 (без применения высокопористого асфальтобетона) риск нарушения монолитных слоев при изгибе превышает величину допустимого риска при Су»=СуН=С^=0,22;
— увеличение вероятности нарушения монолитных слоев при изгибе в большей степени вызвано ростом коэффициента вариации суммарной толщины асфальтобетонных слоев (С1*), нежели коэффициента вариации общего модуля упругости на поверхности основания (с^и) и коэффициента вариации среднего модуля упругости слоев асфальтобетона (С^в). В этом случае использование в конструкции дорожной одежды геосетки сопровождается снижением риска нарушения монолитных слоев при изгибе до допустимых значений;
— использование в конструкции дорожной одежды высокопористого асфальтобетона приводит к увеличению риска нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе примерно на 60% на момент пуска автомобильной дороги в эксплуатацию;
— применение в конструкциях дорожных одежд нежесткого типа геоматериалов приводит к снижению вероятности нарушения сплошности монолитного слоя при изгибе на 30—93%.
Анализ рассмотренных конструкций дорожных одежд хорошо иллюстрируют результаты выполненных исследований. Установлено, что от качества выполненных работ, т. е. от значений коэффициентов вариации геометрических и прочностных показателей, в значительной степени зависит вероятность нарушения монолитных слоев при изгибе. Кроме того, математически подтверждено, что использование в дорожной одежде геосетки для армирования асфальтобетонных слоев приводит к снижению величины вероятности нарушения монолитных слоев при изгибе
при одной и той же величине коэффициентов вариации С?, Ср1, Су.
Таким образом, использование данной модели позволяет устанавливать и предлагать критерии в соответствии с принципами технического регулирования.
Ключевые слова: теория риска, дорожная одежда нежесткого типа, геосетка, вероятность нарушения монолитного слоя при изгибе, толщина слоя, материалы.
Список литературы
1. Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешеток для армирования асфальтобетонных слоев усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог (ОДМ 218.5.001-2009). М.: РОСАВТОДОР, 2010. 85 с.
2. Проектирование нежестких дорожных одежд (ОДН 218.046-01). Гос. служба дор. хоз. Министерства транспорта РФ. М.: Транспорт, 2001. 145 с.
3. Кокодеева Н.Е. Принципы технического регулирования при проектировании дорожных одежд нежесткого типа с применением геоматериалов (на основе теории риска) // Строит. материалы. 2011. № 1. С. 25-27.
4. Столяров В.В. Проектирование автомобильных дорог с учетом теории риска. Части 1,2. Саратов: СГТУ, 1994. 184 с., 232 с.
5. Кокодеева Н.Е. Оценка качества существующих дорожных одежд нежесткого типа с учетом вариации влажности (с позиции теории риска) // Дорожная держава. 2009. № 19. С. 72-75.
6. Кокодеева Н.Е. Влияние влажности подстилающего слоя грунта на вероятности нарушения сплошности монолитного слоя при изгибе // Актуальные проблемы эксплуатации транспорта: межвуз. науч. сб. СГТУ. Саратов, 2000. С. 139-144.
7. Семенов В.А. Качество и однородность автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1989. 125 с.
