CC BY
6
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.todav 2021, №3, Том 13 / 2021, No 3, Vol 13 https://esi.today/issue-3 -2021.html URL статьи: https://esj.today/PDF/06SAVN321.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Лопашук В.В., Лопашук А.В., Ермолин В.Н., Казаринов А.Е., Кормилицына Л.В. Исследование механизма образования трещин на поверхности покрытия автомобильных дорог Камчатского края // Вестник Евразийской науки, 2021 №3, https://esj.today/PDF/06SAVN321.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Lopashuk V.V., Lopashuk A.V., Ermolin V.N., Kazarinov A.Ye., Kormilitsyna L.V. (2021). Road surface cracking mechanism research of Kamchatka Krai. The Eurasian Scientific Journal, [online] 3(13). Available at: https://esj.today/PDF/06SAVN321 .pdf (in Russian)
УДК 625.711.814.2; 625.855. 3 ГРНТИ 67.03.03; 67.01.81
Лопашук Виктор Владимирович
ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет», Хабаровск, Россия
Доцент кафедры «Автомобильные дороги» Кандидат технических наук, доцент E-mail: VLopashuk@27PRO.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2005-6055
Лопашук Андрей Викторович
ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет», Хабаровск, Россия
Доцент кафедры «Автомобильные дороги» Кандидат технических наук, доцент E-mail: ALopashuk@27PRO.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7823-3889
Ермолин Вячеслав Николаевич
ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет», Хабаровск, Россия Аспирант группы АД(а)з-81 по направлению 08.06.01 «Техника и технологии строительства»
E-mail: Ermolin@27PRO.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3715-5607
Казаринов Андрей Егорович
ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет», Хабаровск, Россия
Доцент кафедры «Автомобильные дороги» Кандидат технических наук, доцент E-mail: dwostok1@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9304-9150
Кормилицына Людмила Владимировна
ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет», Хабаровск, Россия Старший преподаватель кафедры «Автомобильные дороги»
E-mail: 000168@pnu.edu.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4351-2132
Исследование механизма образования трещин на поверхности покрытия автомобильных дорог Камчатского края
Аннотация. Камчатский край является не только уникальной территорией с своими особым климатом, современным горно-вулканическим обликом, рельефом, грунтовой и гидрогеологической спецификой. Все эти особенности накладывают свой отпечаток на поведении инженерных сооружений, эксплуатируемых в этих уникальных условиях. В настоящей статье рассматривается работоспособность дорожных конструкций и влияние на них особенностей водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог, возведённых из осадочных грунтов вулканического происхождения.
Особенности водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог Камчатского края, несмотря на соблюдение норм проектирования дорожных конструкций, могут приводить к образованию морозных деформаций поверхности покрытия, развитию морозобойных трещин.
Авторы описывают методологию исследований механизма образования трещин на поверхности покрытия автомобильных дорог. Рассмотрены четыре участка реконструкции автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково, реализуемые различные проектные решения по дорожным конструкциям. Выполнена количественная оценка дефектов поверхности покрытия автомобильной дороги на участках реконструкции.
Представленный материал описан в статье последовательно, начиная от формулировки первоначальной гипотезы, описывающей причины образования осевых трещин на поверхности покрытия, заканчивая утонением основных положений гипотезы с формулировкой направлений последующих исследований.
Ключевые слова: земляное полотно автомобильных дорог; водно-тепловой режим; пепловые грунты земляного полотна; продольные трещины; снежный покров; пучение; напряженно-деформированное состояние; метод конечных элементов
Автомобильная дорога Петропавловск-Камчатский - Мильково является основной транспортной артерий, связывающей центральную и южную часть полуострова с административным центом Камчатского края, морским и воздушным портом. Общая протяженность трассы 307 км. Строительство автомобильной дороги с переходным типом покрытия было завершено в 60-х годах прошлого столетия. Земляное полотно было возведено из местного грунта, как правило из боковых резервов. В последующие годы осуществлялось асфальтирование участков автомобильной дороги и начиная с 2006 года автомобильная дорога Петропавловск-Камчатский - Мильково была включена в программу реконструкции с устройством асфальтобетонного покрытия. В текущем 2021 году планируется окончание работ по реконструкции автомобильной дороги.
В процессе реконструкции дорожные организации столкнулись проблемой, связанной с образованием трещин в дорожной конструкции. Так в акте от 26.02.2010 года по обследованию земляного полотна, возведенного в 2009 году на реконструируемом участке автомобильной дороги комиссией, было установлено что по верху земляного полотна имеются трещины с раскрытием до 1 см и глубиной более 50 см, при этом при большей высоте насыпи, раскрытие трещин больше. Выполненные замеры показали, что продольные трещины проходят практически по оси земляного полотна или слева от оси на расстоянии до 2 м.
Комиссией были обследованы следующие участки реконструкции: км 117 - км 152 общей протяженностью 36166 п.м.; км 261 - км 288 общей протяженностью 28859 п.м. Было установлено, что суммарная протяженность продольных трещин на первом участке реконструкции составила 3500 п.м., на втором - 2800 п.м., что составило около 10 %
Введение
протяженности возведенного земляного полотна. Отмечено отсутствие трещин на участках спрямления автомобильной дороги, где земляное полотно заново возводилось. Так же было установлено наличие продольных трещин на участках, не находящихся в реконструкции: до 117 км с асфальтобетонным покрытием; с км 152 по км 261 с переходным типом покрытия; на участке после 288 км. По материалам проведенных обследований было предположено, что такому аномальному поведению земляного полотна способствовало избыточное увлажнение грунтов атмосферными осадками, когда летом, осенью и даже в декабре 2010 года наблюдалось необычайно большое количество дождей. Переувлажнение грунтов привело к повышенному пучению поверхности полотна при промерзании и как следствие, образованию трещин в земляном полотне и конструктивных слоях дорожной одежды.
Реконструкцию автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково на участке км 117 - км 152 выполняло ООО «Устой-М», а на км 261 - км 288 ФГУП «Камчатавтодор», проектную и рабочую документацию разрабатывало ЗАО «Дальтранспроект», технический надзор за строительством осуществлял Хабаровский филиал ОАО «ГипродорНИИ».
Возможными причинами чрезмерного пучения назывались: не соблюдение технологии производства работ по возведению земляного полотна; применение грунтов и материалов для устройства рабочего слоя, не предусмотренных проектом; ошибки проектной документации при назначении толщины рабочего слоя. Анализ исполнительной документации, проверенной специалистами технического надзора, подтвердил, что возведение земляного полотна выполнено в соответствии с проектом производства работ и применением материалов, заложенных в проекте.
Отсутствие трещин в земляном полотне на участках спрямления позволило сделать предположение, что возможной причиной пучения явилось наличие в теле проектного земляного полотна существующей насыпи, ранее возведенной из некачественных грунтов боковых резервов.
Проектной организации было поручено произвести контрольное бурение земляного полотна на участках образования трещин, выполнить исследования свойств грунтов и разработать рекомендации по устранению причин образования трещин. По исполнению указанного поручения, ЗАО «Дальтранспроект» в своем письме от 02.06.2010 года на имя заказчика КГУ «Камчатуправтодор» сообщает: трещины в земляном полотне произошли из-за сочетания особенно неблагоприятных природно-климатических условий 2009 года и физико-механических свойств грунта земляного полотна и его основания. После устройства асфальтобетонного покрытия и обеспечения продольного и поперечного водоотвода, причина образования дефекта (избыточная влажность) будет исключена. В дальнейшем, в процессе эксплуатации данных участков необходимо принимать меры по своевременному осушению земляного полотна: своевременная очистка от снега обочин и заделка трещин в покрытии (в весенний период), ликвидация застоя воды в кюветах или на полосе вдоль подошвы насыпи, скашивание травы на обочинах, откосах и кюветах.
В строительный сезон 2010 года подрядные строительные организации осуществили строительство дорожной одежды (рис. 1).
Методы
Рисунок 1. Конструкция дорожной одежды на участках км 117 - км 152 и км 261 - км 288 (составлено автором)
Несмотря на принятые меры, предложенные проектной организацией, в период январь-март 2011года на поверхности асфальтобетонного покрытия реконструируемых участков автомобильной дороги были обнаружены продольные трещины [1] (рис. 2).
Рисунок 2. Продольная трещина на поверхности покрытия на участке км 117+300 (фото автора)
Подрядным организациям, осуществляющим реконструкцию, было поручено осуществить заливку трещин битумом и произвести полную очистку обочин от снега для обеспечения просушки земляного полотна.
По своему развитию и характеру проявления продольные трещины, с высокой долей вероятности, можно отнести к температурным трещинам. Для установления причин образований указанных дефектов поверхности покрытия и для разработки предложений по их локализации и стабилизации были проведены исследования грунтов, слагающих земляное полотно. Для этого в местах образования трещин были выполнено бурение скважин по оси проезжей части и на обочинах (рис. 3, 4).
06SAVN321
Рисунок 3. Бурение по оси проезжей части на участке км 117+ 700 (фото автора)
Рисунок 4. Бурение по бровке земляного полотна на участке км 117+ 700 (фото автора)
Бурение выполнялось в 18-22 марта 2012 года, когда фронт промерзания достиг максимального значения. При бурении фиксировали глубину промерзания, состояния грунтов земляного полотна и отбирали пробы грунта для лабораторных исследований.
По результатам бурения установлено, что глубина промерзания земляного полотна в поперечном профиле разная и составила по оси дороги в пределах 2,6...2,8 м, на обочинах, ближе к бровке земляного полотна 1,1.1,9 м.
Верхняя часть насыпи отсыпана из гравийного грунта с песком и далее с глубины 1,6.2,2 м были вскрыты следующие грунты: суглинок легкий песчанистый текучий; супесь пылеватая текучая; суглинок тяжелый песчанистый текуче пластичный; супесь песчанистая текучая.
Влажность грунта промерзшего массива естественного основания под насыпью превышала значения влажности этого грунта на границе текучести. Полученные эпюры влажности свидетельствовали о максимальном водонасыщении подстилающего грунта
земляного полотна на отметке 2,5-2,8 м, то есть на границе промерзания дорожной конструкции [2].
Рисунок 5. Керн супеси пылеватой текучей в мерзлом состоянии (фото автора)
Исследованию причин образования продольных трещин в конструкции дорожной одежды занимались многие отечественные и зарубежные специалисты. Единого подхода для выявления причинно-следственной связи, ввиду многофакторного явления, в настоящее время нет [3]. С учетом выявленного состояния грунтов земляного полотна и неравномерного промерзания насыпи была сформулирована основная гипотеза причины образования продольных трещин на поверхности покрытия:
• глубина промерзания земляного полотна под проезжей частью значительно превышает промерзание на обочинах и на откосе земляного полотна;
• высота снежного покрова на откосе составляет 1,5...2,5 м, снег является «утеплителем» и способствует незначительному промерзанию откоса насыпи;
• грунт земляного полотна, вследствие обильных атмосферных осадков «уходит в зиму» в переувлажненном состоянии;
• в границу зоны промерзания насыпи попадают пучинистые грунты;
• все перечисленные факторы способствуют неравномерному морозному пучению с образованием бугра пучения и разрыву асфальтобетонного покрытия на вершине бугра (рис. 6).
Для устранения причин образования продольных трещин было предложено:
• отсыпать рабочий слой земляного полотна на глубину не менее 2/3 глубины промерзания из непучинистого грунта;
• осушать грунт откосной части земляного полотна за счет устройства поперечного дренажа мелкого заложения (на существующих и реконструируемых участках);
• устраивать плоскостной дренаж из геосинтетических материалов (на реконструируемых участках) [4];
• для выравнивания эпюры промерзания и устранения неравномерности морозного пучения использовать в дорожной конструкции пенополистирольные утеплители
[5].
С учетом предложенных рекомендаций было разработано два проекта реконструкции автомобильной дороги на участках: км 249 - км 260 и км 231 - км 249.
Рисунок 6. Образование трещины на поверхности покрытия (составлено автором)
Участок км 249 - км 260
Проект разработала ЗАО «Комплексная проектная компания». Протяженность участка реконструкции 10,56 км.
Автомобильная дорога расположена в II дорожно-климатической зоне. В геолого-литологическом строении трассы в пределах II и III надпойменных террас в интервале глубин до 5 м принимают участие техногенные и аллювиальные отложения четвертичного возраста.
Техногенные, насыпные грунты характеризуются неоднородным составом, сложением и влажностью. Они представлены песчаными, глинистыми и крупнообломочными грунтами (супесь, гравий, галька, песок).
Аллювиальные отложения представлены глинистыми, песчаными и крупнообломочными грунтами. Глинистые грунты - супеси и суглинки, залегающие под насыпными грунтами в виде чередования слоев с различной консистенцией. Мощность глинистых грунтов изменяется от 0,3 м до 1,5 м. Песчаные грунты - пески гравелистые и средней крупности вскрыты под глинистыми грунтами мощностью 1,0-2,0 м. Ниже залегают гравийно-галечниковые грунты мощностью до 2,5 м.
Основные проектные решения, реализованные при реконструкции участка автомобильной дороги: категория дороги III, тип дорожной одежды - капитальный, ширина земляного полотна - 12 м, ширина проезжей части 7 м.
Конструкция дорожной одежды на рассматриваемом участке представлена двумя типами. Основной, первый тип дорожной одежды (рис. 7) включает в себя:
• двухслойное покрытие: верхний слой - плотный асфальтобетон из горячей мелкозернистой щебеночной смеси на битуме БНД 90/130 типа В, Марки II, толщиной 4 см; нижний слой - пористый асфальтобетон из горячей крупнозернистой щебеночной смеси на битуме БНД 90/130, Марки II толщиной слоя 6 см;
• двухслойное основание: верхний слой - черный щебень, толщиной 8 см; нижний слой - песчано-гравийная смесь С6, толщиной слоя 20 см.
Рабочий слой толщиной 135 см выполнен из гравийного грунта резервов. На границе между дорожной одеждой и рабочим слоем устроен дренаж в виде системы фитилей (рис. 8).
06SAVN321
Фитили изготовлены из скрутки полосы дорнита (350 г/м2) шириной 20 см с количеством слоев в стенке не менее четырех.
Общая толщина дорожной конструкции первого типа составила 173 см. На границе между грунтом земляного полотна и рабочим слоем уложен защитный капилляропрерывающий слой из нетканого синтетического материала - дорнита плотностью 200 г/м2.
Толщина дорожной конструкции, включающей и рабочий слой земляного полотна, принята из условия не менее 2/3 глубины промерзания, что должно было бы обеспечить допустимое морозное пучение. Согласно проектной документации средняя глубина промерзания составила 260 см, рекомендуемая толщина конструкции 260*2/3=173 см.
Указанная конструкция применена на участках км 249+000 ... км 255+200 и км 256+200 ... км 259+560 общей протяженностью 9,56 км.
Рисунок 7. Конструкция дорожной одежды первого типа на участке км 249 - км 260 (составлено автором)
Рисунок 8. Конструкция дренажа на первом типе конструкции дорожной одежды (составлено автором)
На участке автомобильной дороги км 255+200 ... км 256+200 устроена конструкция дорожной одежды второго типа. Слои покрытия и верхний слой основания приняты по аналогии с первым типом. В нижнем слое основания вместо песчано-гравийной смеси С6 толщиной 20 см использован гравий индивидуальной фракции 5-70 мм толщиной слоя 32 см.
Рабочий слой толщиной 123 см выполнен из гравийного грунта резервов. На границе между дорожной одеждой и рабочим слоем уложен слой дорнита плотностью 350 г/м2, а дренаж с использованием фитилей, устроен на границе рабочего слоя и грунта земляного полотна. Общая толщина дорожной конструкции второго типа также составила 173 см.
Реконструкция автомобильной дороги на участке км 249 - км 260 выполнена в 2013-2015 годах ООО «Устой-М». Диагностика сдаточного участка автомобильной дороги выполнена ПИК «Азимут» в августе 2015 г. По материалам диагностики установлено, что в соответствии с пунктом 5.1.7 ОДН 218.0.006-2002 участок, законченный реконструкцией объекта «Реконструкция автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский Мильково на участке км 249 - км 260», общим протяжением 10,56 км соответствует требованиям к качеству и находится в допустимом состоянии.
Участок км 231 - км 249
Проект разработало АО «Иркутскгипродорнии». Протяженность участка реконструкции 18,013 км.
Начало участка ПК 0+00,00 соответствует км 231+000 автомобильной дороги, конец ПК 180+13 соответствует км 249+013.
В геологическом строении района проложения трассы принимают участие отложения четвертичной системы, представленные современными техногенными образованиями и аллювиальными отложениями. Современные техногенные отложения развиты повсеместно и представлены щебенистыми грунтами с песчано-дресвяным заполнителем и суглинками с включением гравия до 30-40 %.
Гидрогеологические условия рассматриваемой местности формируются под влиянием многих факторов: климатических, геолого-структурных, геоморфологических. Питание грунтовых вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, талых вод снежников, подтока вод из смежных водоносных подразделений. Грунтовые воды представлены верховодкой и располагаются на глубине 2,4.3,6 м.
Конструкция дорожной одежды на рассматриваемом участке (рис. 9) включает в себя:
• двухслойное покрытие: верхний слой - плотный асфальтобетон из горячей мелкозернистой щебеночной смеси на битуме БНД 90/130 типа Б, Марки II, толщиной 5 см; нижний слой - пористый асфальтобетон из горячей крупнозернистой щебеночной смеси на битуме БНД 90/130, Марки II толщиной слоя 6 см;
• двухслойное основание: верхний слой - пористый асфальтобетон из горячей крупнозернистой щебеночной смеси на битуме БНД 90/130, Марки II, толщиной 7 см; нижний слой - щебеночно-гравийная смесь С6, толщиной слоя 20 см.
Общая толщина дорожной одежды - 38 см.
Для исключения неравномерного морозного пучения в конструкцию рабочего слоя добавлен слой из пенополистирольных плит толщиной 5 см, уложенных на выравнивающий слой из песчано-галечникового грунта с размером частиц не крупнее 5 см. Пенополистирольные плиты закрыты защитным слоем 30 см из гравийно-галечникового грунта
с размером частиц не крупнее 5 см (рис. 10). Плиты уложены на всю ширину укрепленной поверхности покрытия и обочин, что составило 10 м.
Реконструкция автомобильной дороги на участке км 231 - км 249 выполнена в 2015-2017 годах ООО «Устой-М». Диагностика выполнена ООО «Азимут» в октябре 2017 г. По материалам диагностики установлено, что в соответствии с пунктом 5.1.7 ОДН 218.0.006-2002 участок, законченный реконструкцией объекта «Реконструкция автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский Мильково на участке км 231 - км 249», общим протяжением 18,013 км соответствует требованиям к качеству и находится в допустимом состоянии.
После окончания реконструкции участков автомобильной дороги на поверхности дорожного покрытия отсутствовали видимые дефекты и повреждения (рис. 11).
Рисунок 9. Конструкция дорожной одежды на участке км 231 - км 249 (составлено автором)
Рисунок 10. Размещение пенополистирольных плит в конструкции дорожной одежды (составлено автором)
18330450
Рисунок 11. Участок автомобильной дороги км 233+450 на период сдачи дороги в эксплуатацию (фото автора)
Обсуждение
В процессе эксплуатации на поверхности покрытия развились дефекты. По своему виду они были классифицированы на: продольные трещины; поперечные трещины на всю ширину проезжей части; поперечные трещины на половину ширины проезжей части слева и справа от оси дороги.
Рисунок 12. Выполнение фотосьемки с применением БЛА (фото автора)
Современные технологии оценки качества дорожного покрытия основаны распознавании дефектов по материалам цифровой видеосъёмки поверхности покрытия [6]. В настоящих исследованиях для получения объективной информации о дефектах покрытий на участках автомобильных дорог была выполнена фотосьемка дороги с применением беспилотных летательных аппаратов (БЛА) [7] рис. 12.
Камеральная обработка фотографий для построения ортофотоплана была выполнена с применением программного комплекса Agisoft PhotoScan Pro. Данный программный комплекс позволил сгенерировать ортофотопланы на основе перекрывающихся фотографий и информации о географических координатах с последующей обработкой для систематизации данных о покрытии.
Рисунок 13. Общий вид результата работ по построению ортофотоплана (составлено автором)
Камеральная обработка фотографий выполнена в 4 этапа. На первом этапе получен ортофотоплан с привязкой к GPS координатам (рис. 13).
В связи с тем, что дорожная разметка была частично утрачена, на втором этапе обработки графическими методами существующая разметка была контрастно выделена на фотографиях для получения более оконтуренного плана дороги.
Последующая обработка ортофотоплана заключалась в полуавтоматической прорисовке поперечных (рис. 14) и продольных (рис. 15) трещин на поверхности дорожного покрытия.
В результате проведенной работы, георадарных исследований конструкции дорожной одежды [8] было установлено, что на участках обследования автомобильных дорог выявлено 2 группы дефектов поверхности покрытия. Первая группа: поперечные трещины с шагом от 5 до 30 м и раскрытием до 1-2 см. Основная причина их образования - значительное колебание температуры покрытия и переменное сжатие и расширение асфальтобетона. Вторая группа -продольные трещины протяженностью от 10 до 100 и более м с раскрытием до 5-7 см. Предположительно причина их образования - проявление на поверхности покрытия морозобойных трещин земляного полотна [9].
Рисунок 14. Нанесение поперечных трещин по ортофотоплану (составлено автором)
Рисунок 15. Нанесение продольных трещин (составлено автором)
Таблица 1
Результаты оценки дефектов дорожного покрытия
Участок Год окончания строительства / мероприятия Протяженность, м Продольные трещины Поперечные трещины
протяженность, м % от длины участка число шаг, м
117-152 2010 / нет 36 166 28 300 78 2100 17
261-288 2010 / нет 28 859 22 450 78 1650 17
231-249 2017 / пенополистирол 16 200 9 195 57 582 28
249-260 2015 / дренажи 10 560 6 759 64 584 18
Итого 91 785 66 704 73 4916 19
Оцениваемые участки автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково были реконструированы в различные годы. Однако, учитывая тот факт, что продольные трещины на поверхности покрытия проявляются в первые года эксплуатации, можно установить (табл. 1):
• применения дренажных устройств в конструкции земляного полотна снизило образование продольных трещин на 14 %, при этом на появление поперечных трещин дренажи не оказали влияние;
• применение пенополистирольных плит снизило образование продольных трещин на 21 %, а шаг поперечных трещин увеличился на 11 м.
Принимая во внимание, что поперечные трещины в покрытии являются «температурными» и появляются в следствии старения асфальтобетона и увеличением его хрупкости, то можно предположить, что реализованные мероприятия по регулированию водно-теплового режима на механизм образования поперечных трещин не оказали влияния.
В то же время выравнивание неравномерной эпюры промерзания земляного полотна с применением пенополистирола и устройство дренажей в земляном полотне, возведение земляного полотна из непучинистых грунтов на 2/3 глубины промерзания, хотя и принесло определенный эффект, снизилась протяженность продольных трещин покрытия, но окончательно устранить их образование не удалось.
В этой связи представляется необходимым уточнить гипотезу по установлению причин образования продольных трещин на поверхности дорожного покрытия. Особое внимание предлагается уделить специфическим свойствам грунтов, из которых сложено земляное полотно.
Выводы
Для района строительства характерно повсеместное распространение сугубо региональных пепловых грунтов, имеющих значительные специфические особенности, отражающиеся на их физико-механических свойствах [10].
Особенности структуры пепловых грунтов обусловлены сложной и причудливой формой частиц, общей высокой пористостью, наличием внутренней пористости частиц (микро-пористости). Одновременно в приповерхностном слое (до глубины около 1,2 м) отмечается макро-пористость, как следствие разуплотнения грунта в этой зоне большим количеством кристаллов льда, формирующихся за зимний период в слое сезонного промерзания.
Наличие микро и макро-пористости, значительное количество осадков и преобладание осадков над испарением обуславливает наличие значительного количества участков в пределах трассы автомобильной дороги, находящихся в переувлажненном состоянии.
Эти особенности пепловых грунтов, в сочетании с высокой влажностью в весенне-летний период, делают их чувствительными к внешним механическим и климатическим воздействиям, особенно на переувлажненных участках, где возможно их тиксотропное разуплотнение.
Специфика пепловых грунтов определяет необходимость уточнения стандартных методик определения основных физических характеристик этих грунтов, в частности гранулометрического состава, характерных влажностей, степени пучинистости и др.
Структурно-текстурные особенности и необычный вещественный состав пепловых грунтов обуславливают специфические особенности водных свойств этих грунтов, например -необычно высокое капиллярное поднятие не характерное для грунтов данного типа.
Одновременно отмечены отличия механических характеристик пепловых грунтов от аналогичных типов грунтов другого происхождения, например - заниженные значения модулей упругости пепловых песков в сравнении со значениями, обычно принимаемыми в расчетах для данного вида грунта.
Необычность состава пепловых грунтов и климатических условий района проектирования определяют своеобразие формирования льдонакопления в процессе промерзания этих грунтов и развития геокриологических процессов, в частности морозного пучения.
В связи с особенностями природно-климатических и инженерно-геологических условий района проектирования, условия строительства автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково часто не позволяют переносить опыт проектирования и возведения земляного полотна и покрытия, изложенный в нормативных источниках, без учета указанных особенностей района проектирования и, в первую очередь специфики пепловых грунтов, используемых в практике дорожного строительства в качестве основания, среды или материала. Это в свою очередь определяет необходимость комплексного исследования пепловых грунтов, что также связано с крайне слабой инженерно-геологической и геотехнической их изученностью, а также отсутствием в нормативных документах рекомендаций по расчету, проектированию и технологии строительства транспортных и других инженерных сооружений на пепловых грунтах.
С учетом вышеизложенного предлагается следующая гипотеза появления продольных трещин на поверхности покрытия:
• предположим, что земляное полотно в пределах водонепроницаемой проезжей части будет сложено из непучинистых грунтов, без избыточного увлажнения и будут отсутствовать деформации морозного пучения земляного полотна под проезжей частью;
• пологая откосная засть земляного полотна, однозначно, в весенний период будет переувлажнена вследствие значительного количества атмосферных осадков и малой испаряемости;
• учитывая специфические особенности пепловых грунтов, из которых сложено земляное полотно, сам грунт или заполнитель крупнообломочного грунта можно отнести к пучинистым грунтам;
• при промерзании откосной части земляного полотна, сложенной из пепловых пучинистых грунтов, произойдет объемное расширение, боковое пучение откосной части насыпи. Объемное расширение будет проявляться как на левом, так и на правом откосах земляного полотна, растягивая промерзшую дорожную конструкцию в разные стороны. Под воздействием указанных разносторонних сил возможна потеря сплошности, образование разрыва дорожной конструкции по центру проезжей части.
Подтверждения предложенной гипотезы возникновения и развития продольных осевых трещин предполагает проведение расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) земляного полотна и дорожной одежды в постановке плоской задачи НДС. Для решения этой задачи рационально использование программное обеспечение, реализуемое математический аппарат метода конечных элементов (МКЭ). Для расчета НДС требуется иметь реальную эпюру промерзания дорожной одежды и земляного полотна в том числе под покрытием, обочинами, откосами насыпи и в кюветах.
Исследование режимов промерзания и оттаивания дорожной конструкции в плоской постановке следует провести путем натурных наблюдений с использованием термометрических датчиков, заложенных в земляное полотно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лопашук В.В., Лопашук А.В. Исследование деформаций дорожных конструкций на автомобильной дороге Петропавловск-Камчатский - Мильково. // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения. Межвузовский ежегодный сборник научных трудов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2019. - №19. С. 32-36.
2. Лопашук А.В. Особенности водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края / А.В. Лопашук. - Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. - Хабаровск. Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2011. - №11. С. 106-113.
3. Choua, Y. & Sheng, Y. (2014). Longitudinal crack formation mechanism of embankment in permafrost regions. Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 19. 5961-5981.
4. Рувинский В.И. Расчет толщины теплоизолирующего слоя в условиях сезонного промерзания / В.И. Рувинский: труды СоюздорНИИ. - М.: СоюздорНИИ, 2004. -С. 13-25.
5. Ярмолинский В.А., Лопашук В.В., Лопашук А.В., Светенок В.С. Методы обеспечения стабильного водно-теплового режима автомобильных дорог за счет устройства теплоизолирующих слоев на примере Камчатского края. В.А. Ярмолинский. - Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. - Хабаровск. Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2013. - №13. С. 82-86.
6. P. Subirats, J. Dumoulin, V. Legeay and D. Barba, "Automation of Pavement Surface Crack Detection using the Continuous Wavelet Transform", 2006 International Conference on Image Processing, 2006, pp. 3037-3040, doi: 10.1109/ICIP.2006.313007.
7. Карпович М.А., Герштейн Л.М., Паневин Н.В., Карпович А.М. Применение БПЛА при проведении топографо-геодезических изысканий // Транспортная стратегия - XXI век. - 2013. - №22. - С. 20-22.
8. Стоянович Г.М. Георадиолокационное обследование земляного полотна с различными конструкциями усиления / Г.М. Стоянович, В.В. Пупатенко, Ю.А. Сухобок // Дороги. Инновации в строительстве. - 2013. - №29. - С. 22-24.
9. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / под. ред. И.А. Золоторя, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко. - М. Транспорт, 1971. - 415 с.
10. Карпачевский Л.О., Алабина И.О., Захарихина Л.В., Макеев А.О., Маречек М.С., Радюкин А.Ю., Шоба С.А. Почвы Камчатки. - М.: ГЕОС, 2009. - 224 с.
Lopashuk Victor Vladimirovich
Pacific national university, Khabarovsk, Russia E-mail: VLopashuk@27PRO.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2005-6055
Lopashuk Andrei Victorovich
Pacific national university, Khabarovsk, Russia E-mail: ALopashuk@27PRO.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7823-3889
Ermolin Vyacheslav Nikolaevich
Pacific national university, Khabarovsk, Russia E-mail: Ermolin@27PRO.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3715-5607
Kazarinov Andrei Yegorovich
Pacific national university, Khabarovsk, Russia E-mail: dwostok1@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9304-9150
Kormilitsyna Lyudmila Vladimirovna
Pacific national university, Khabarovsk, Russia E-mail: 000168@pnu.edu.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4351-2132
Road surface cracking mechanism research of Kamchatka Krai
Abstract. Kamchatka Krai is not only a unique territory with its own special climate, modern mountain-volcanic appearance, topography, soil and hydrogeological specifics. All these features affect to work of exploiting engineering structures in these unique conditions. This article is about road structures working capacity and the influence to it water-thermal regime highways roadbed made from volcanic sedimentary soils.
Kamchatka Krai water-thermal regime roadbed features can be the reason of road surface deformations with frost-breaking cracking despite of design standards adherence.
The authors describe the researching methodology road surface cracking mechanism. There article considers four Petropavlovsk-Kamchatsky - Milkovo highway reconstruction sections with various design solutions and road structures. It describes the reconstructed road surface defects quantitative assessment.
The article sequentially describes presented material, starting from the road surface cracking reasons initial hypothesis formulation, ending with main subsequent provisions directions of research.
Keywords: road surface; water-thermal regime; road surface ash soils; longitudinal cracks; snow cover; heaving; stress-strain state; finite element method
REFERENCES
1. Lopashuk V.V., Lopashuk A.V. Investigation of deformations of road structures on the Petropavlovsk-Kamchatsky - Milkovo highway. // Far East. Highways and traffic safety. Interuniversity annual collection of scientific papers. Khabarovsk: Publishing House of the Pacific State University, 2019, no. 19, pp. 32-36.
2. Lopashuk A.V. Features of the water-thermal regime of automobile roads of the Kamchatka Territory / A.V. Lopashuk. - The Far East. Highways and traffic safety: an international collection of scientific papers. - Khabarovsk. Pacific State University Publishing House, 2011, no. 11, pp. 106-113.
3. Choua, Y. & Sheng, Y. (2014). Longitudinal crack formation mechanism of embankment in permafrost regions. Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 19. 5961-5981.
4. Ruvinsky V.I. Calculation of the thickness of the heat-insulating layer in the conditions of seasonal freezing / V.I. Ruvinsky: trudy Soyuzdornii - M.: Soyuzdornii, 2004. - p. 13-25.
5. Yarmolinsky V.A., Lopashuk V.V., Lopashuk A.V., Svetenok V.S. Methods of ensuring a stable water-thermal regime of highways due to the device of heat-insulating layers on the example of the Kamchatka Territory. - The Far East. Highways and traffic safety: an international collection of scientific papers. - Khabarovsk. Pacific State University Publishing House, 2013, no. 13, pp. 82-86.
6. P. Subirats, J. Dumoulin, V. Legeay and D. Barba, "Automation of Pavement Surface Crack Detection using the Continuous Wavelet Transform", 2006 International Conference on Image Processing, 2006, pp. 3037-3040, doi: 10.1109/ICIP.2006.313007.
7. Karpovich M.A., Gerstein L.M., Panevin N.V., Karpovich A.M. The use of UAVs in conducting topographic and geodetic surveys // Transport strategy - XXI century. -2013. - No. 22. - pp. 20-22.
8. Stojanovich G.M. Earthwork georadolocation survey with various reinforcement structures / G.M. Stojanovich, V.V. Pupatenko, Yu.A. Sukhobok // Roads. Innovations in construction. - 2013. - No. 29. - pp. 22-24.
9. Water-thermal regime of the earth bed and road clothes / ed. by I.A. Zolotar, N.A. Puzakov, V.M. Sidenko - M. Transport, 1971 - 415 p.
10. Karpachevsky L.O., Alabina I.O., Zakharikhina L.V., Makeev A.O., Marechek M.S., Radyukin A.Yu., Shoba S.A. Soils of Kamchatka. - Moscow: GEOS, 2009. - 224 p.
