CC BY
54Оптимизация конструкции дорожной одежды тротуаров и велосипедных дорожек путем укрепления конструктивных слоев
Полынцев Евгений Сергеевич,
аспирант, Санкт-Петербургский государственный турно-строительный университет, www.esp@mail.ru
архитек-
В статье представлен обзор нормативно-технической документации и типовых проектов по расчету дорожных одежд тротуаров и велосипедных дорожек, применяемых на территории Российской Федерации и позволяющих произвести расчет конструкций, удовлетворяющих современным требованиям безопасности на всем сроке службы транспортного сооружения. Проведен анализ нагрузок и прочностных показателей применяемых в расчетах конструкций дорожных одежд, представленных в типовом альбоме А-385-88 «Дорожные конструкции для Ленинграда» и сравнение данных показателей с действующей нормативно-технической документацией. На основании проведенного обзора, сделан вывод о несоответствии типового проекта действующим требованиям. В работе представлен расчет трех вариантов конструкций дорожных одежд, выполненный по методике ПНСТ 542-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды», с конструктивными слоями без дополнительного укрепления, с укреплением механическим способом (геосинтетическим материалом) и химическим способом (пенополиуретановым герметиком). Описаны результаты расчетов и проведено сравнение полученных конструкций. На основании проведенной работы, сделаны выводы.
Ключевые слова: автомобильная дорога, основание, укрепление грунтов, дорожная одежда, тротуар, велосипедная дорожка, пенополиуретановый герметик
Актуальность
Увеличение числа легкового автомобильного транспорта, приводит к перегрузке существующей улично-до-рожной сети больших и средних городов. Одним из условий снижения автомобильного пикового трафика является развитие общественного транспорта, а также вело-пешеходной инфраструктуры.
Формирование комфортной и безопасной среды для передвижения пешеходов и велосипедистов является актуальной задачей городских властей и проектных организаций. Для обеспечения комфорта и безопасности передвижения, должны быть обеспечены прочностные показатели, ровность и нормативный срок службы конструкции дорожной одежды. С повышением числа электрического транспорта (самокатов, гироскутеров, электровелосипедов и другой видов), скорость которых значительно выше скорости движения пешеходов, рассматриваемые показатели стали еще более актуальны.
Обзор основной нормативной документации по расчету дорожных одежд
Проектированию конструкций дорожных одежд тротуаров и велосипедных дорожек до 2018 года не уделялось должного внимания. До вступления в силу ПНСТ265-2018 [4] в нормативной базе Российской Федерации отсутствовали четкие критерии по расчету конструкций дорожных одежд тротуаров и велодорожек. Основным нормативным документом с 2000 по 2018 год служил ОДН 218.046-01 [5] в котором отсутствовало понятие тротуаров, велосипедных дорожек, городских улиц и проездов. Требовалось интуитивное сопоставление категорий городских улиц, дорог, тротуаров и велосипедных дорожек, категориям автомобильных дорог общего пользования. Также ввиду отсутствия утвержденных региональных документов, устанавливающих межремонтный срок службы дорожной одежды на улично-дорожной сети Санкт-Петербурга, межремонтный срок службы дорожной одежды в заданиях на проектирование объектов, при необходимости, индивидуально устанавливались требования о целесообразности применения действующих нормативно-правовых актов, в том числе и добровольного применения, регламентирующих межремонтные сроки в зависимости от категории автомобильной дороги.
Из-за отсутствия понятия «Тротуар» и «Велосипедная дорожка» в ОДН 218.046-01 [5], расчет конструкций дорожных одежд тротуаров и велосипедных дорожек в большинстве случаев не проводился. Конструкции принимались по типовому альбому А-385-88 «Дорожные конструкции для Ленинграда» [6] рассчитанному по методике ВСН 46-83 «Инструкция по проектированию дорожных одежд нежёсткого типа» [7]. Конструкции тротуа-
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м м
сч сч
0 сч
сч
01
о ш Ш X
3
<
m о х
X
ров, приведенные в альбоме [6] не проверялись на условие морозоустойчивости, что может приводить к критическим величинам морозного пучения покрытия и его преждевременному разрушению. Действующие нормы допускают величину морозного пучения, при сроке службы дорожных одежд более 10 лет, не более 3.2 см для капитальных и не более 4.8 см для облегченных дорожных одежд табл. 2 [8]. Автомобильная нагрузка с давлением на ось учитываемая в альбоме [6] - 70 кН, не соответствует требованиям современных норм (п. 6.1 [9]) - 8 т (79 кН).
Ввиду вышесказанного можно сделать вывод, что конструкции альбома [6] не отвечают современным нормам проектирования и не удовлетворяют требованиям статьи 5 ФЗ РФ №384 от 30.12.2009 г. «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [1] -«Безопасность зданий и сооружений, а также связанных со зданиями и сооружениями процессов проектирования (включая изыскания), строительства, монтажа, наладки, эксплуатации и утилизации (сноса) обеспечивается посредством установления соответствующих требованиям безопасности проектных значений параметров зданий и сооружений и качественных характеристик в течение всего жизненного цикла здания или сооружения, реализации указанных значений и характеристик в процессе строительства, реконструкции, капитального ремонта (далее также - строительство) и поддержания состояния таких параметров и характеристик на требуемом уровне в процессе эксплуатации, консервации и сноса».
В настоящее время, конструкции дорожных одежд тротуаров и велосипедных дорожек должны приниматься на основе технико-экономического сравнения вариантов, рассчитанных по методике ПНСТ542-2021 [9], введенным в 2021 г. взамен ПНСТ265 [4]. В методике [9] также, как и в [4], вводятся понятия городских улиц и дорог, тротуаров и велосипедных дорожек и таблица соответствия городских улиц и дорог категориям автомобильных дорог общего пользования (табл. 6 [9]). В соответствии с табл. 6 [9], тротуары и велосипедные дорожки приравниваются к IV категории дороги общего пользования, с уровнем надежности - 0.85 (табл. 5 [9]) (облегченный тип дорожной одежды), нормативной нагрузкой на ось А-10 - 100 кН (табл. 1 [9]) и минимальным требуемым модулем упругости нежесткой дорожной одежды - 180 МПа (табл. 7 [9]).
Обзор конструкций дорожных одежд тротуаров и велосипедных дорожек, рассчитанных по методике ПНСТ542-2021 [9] без укрепления, а также с укреплением механическим (геосинтетическим материалом) и химическим способом (пенополиуретановым герме-тиком).
В качестве исходных данных для расчета конструкций принимаются ранее описанные параметры:
- категория тротуаров и велосипедных дорожек - IV;
- тип дорожной одежды - облегченный;
- уровень надежности - 0.85;
- класс нормативной нагрузкой на ось А-10 - 100 кН;
- срок службы конструкции - 24 года. (табл. 2 [13];
- минимальным требуемым модулем упругости нежесткой дорожной одежды - 180 МПа, что соответствует суммарному расчетному числу приложений расчетной нагрузки - 236936.
- грунт естественного основания - суглинок тяжелый пылеватый.
В соответствии с п. 9.1.6 [9] дорожные одежды тротуаров рассчитываются на однократное нагружение длительностью не менее 10 минут по условию сдвиго-устойчивости в грунте и в конструктивных слоях из малосвязных материалов.
В качестве сравниваемых вариантов принимается три конструкции дорожных одежд с одинаковым типом монолитных и дисперсных материалов.
Расчет конструкций производился в программном комплексе Топоматик Robur - Дорожная одежда 5.3. Основные расчетные характеристики представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Наименование показателей Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
Расчет на статическую нагрузку (грунт) Кпр. 2.806 2.707 2.792
Кпр.треб. 0.94 0.94 0.94
Расчет на статическую нагрузку (доп слой) Кпр. 0.954 0.992 0.971
Кпр.треб. 0.94 0.94 0.94
Морозоустойчивость Требуемая толщина, см 91.9 91.9 91.9
Фактическая толщина, см 92 92 92
Средняя величина морозного пучения, см 5.2 5.2 5.2
Модуль упругости на поверхности рабочего слоя земляного полотна МПа 33.77 33.77 64.80
Основные характеристики и отличия конструкций:
1.) Вариант 1. (См. рис. 1) Имеет 2 слоя асфальтобетона: покрытие - А8 и верхний слой основания - А11 по ГОСТ Р 58406.2-2020; нижний слой основания - ЩПС С4 по ГОСТ 25607-2009; дополнительный слой основания из песка не ниже мелкого. На контакте дополнительного слоя дорожной одежды проезжей части с грунтом рабочего слоя, предусмотрена прослойка из нетканного геосинтетического материала.
2.) Вариант 2. (См. рис. 2) Имеет 2 слоя асфальтобетона: покрытие - А8 и верхний слой основания - А11 по ГОСТ Р 58406.2-2020; нижний слой основания - ЩПС С4 по ГОСТ 25607-2009; армирующая прослойка из геосинтетического материала (двуосноориентируемая георешетка), дополнительный слой основания из песка не ниже мелкого. На контакте дополнительного слоя дорожной одежды проезжей части с грунтом рабочего слоя, предусмотрена прослойка из нетканного геосинтетического материала
3.) Вариант 3. (См. рис. 3) Имеет 2 слоя асфальтобетона: покрытие - А8 и верхний слой основания - А11 по ГОСТ Р 58406.2-2020; нижний слой основания - ЩПС С4 по ГОСТ 25607-2009; дополнительный слой основания из песка не ниже мелкого; рабочей слой из грунта, укрепленного пенополиуретановым герметиком.
Рис 1. Вариант конструкции дорожной одежды тротуара и велосипедной дорожки без укрепления слоев основания и рабочего слоя
Вариант 2
0.04 0.04
0.27
тнттнии
ДДДДДДДД
ДДДДДДДД
6 & & Л ДДДДДДДД Ь Д Д Д Д Д Д Д ДДДДДДДД
0.57
Асфальтобетон А8Вл по ГОСТ Р 58406,2-2020. на щебне по ГОСТ 8267-93 и БНД 70/100 по ГОСТ 33133-2014- 0.04 м
Асфальтобетон А11Н/1 по ГОСТ Р 58406.2-2020, на щебне по ГОСТ 8267-93 и БНД 70/100 по ГОСТ 33133-2014- 0,04 м
ЩПС с максимальным размером зерен 80 мм {смесь непреры&ной гранулометрии С4 по ГОСТ 25607-2009) - 0.27 м_
Армирующая прослойка из геосинтетического материала (д&уосноориентиро&анная георешетка)
Песок не ниже мелкого по ГОСТ 8736-2014, II класса по содержанию пылевидно-глинистых частиц с Кф>Зм/сцт - 0.57 м
Нетканый синтетический материал
Рабочий слой из грунтов естественного основания
0.04 0.04
0.35
0.29
0.20
шти
д. У 1 ^
Я
Асфальтобетон А8Вл по ГОСТ Р 58406.2-2020, на щебне по ГОСТ 8267-93 и БНД 70/100 по ГОСТ 33133-2011_- 0.04 м
Асфальтобетон А11Нл по ГОСТ Р 58406.2-2020, на щебне по ГОСТ 8267-93 и БНД 70/100 по ГОСТ 33133-2014 - 0.04 м
Рабочий слой из грунтов естественного основания
Рис 3. Вариант конструкции дорожной одежды тротуара и велосипедной дорожки с укреплением грунта рабочего слоя пенополиуретановыми герметиками.
Об актуальности и сфере применения метода укрепления грунта пенополиуретановыми герметиками говорится в статье Полынцева Е.С и Квитко А.В. [11] Метод заключается в применении положительно зарекомендовавшей себя в гражданском строительстве монтажной пене. Технология укрепления описана авторами в статье [12] и заключается в вводе вяжущего в грунт инъекционным способом, с помощью специальной рамы с шипами, смонтированной на строительную технику (См. рис. 4). Шип погружается в грунт на глубину 10-15 см., после чего происходит впрыскивание Герметика.
г7^
Рис 2. Вариант конструкции дорожной одежды тротуара и велосипедной дорожки с механическим укреплением слоев основания по средствам укладки армирующей прослойки на контакте ЩПС - песок
Вариант 3
ЩПС с максимальным размером зерен 80 мм {смесь непрерывной гранулометрии С4 по ГОСТ 25607-2009) - 0.35 м
Песок не ниже мелкого по ГОСТ 8736-2014, II класса по содержанию пылевидно-глинистых частиц с Кф>3м/сут - 0.29 м Грунт рабочего слоя укрепленный пенополиуретаноЬыми герметиками
- 0.20 м
Рис. 4 Трактор, оборудованный рамой с шипами для ввода Герметика
1.) Емкость для хранения и транспортировки Герметика; 2.) Рама с шипами 3.) Шип
В результате проведенного анализа нормативной базы, применяемой для расчета конструкций дорожных одежд тротуаров и велосипедных дорожек, можно сделать вывод, что с 2018 года для расчета необходимо принимать методику, приведенную в ПНСТ 542-2021[10] (ранее ПНСТ 265-2018[4]), включающую понятия городских улиц, проездов, тротуаров и велосипедных дорожек.
Проведенные расчеты показали, что конструкции дорожных одежд с дополнительными конструктивными слоями усиления, имеют более экономичный расход дисперсных материалов, чем у конструкций без усиления. Так в дорожной одежде варианта №2, имеющей конструктивный слой из армирующей прослойки из геосинтетического материала (двуосноори-ентируемой георешетки) толщина слоя щебеночно-песчаной смеси на 7 см меньше варианта №1 и на 8 см меньше варианта №3. В дорожной одежде варианта №3 в качестве конструктивного слоя применяется укрепленный местный грунт, что значительно уменьшает выемку грунта и толщину дополнительного песчаного слоя, толщина которого составляет 29 см, что на 21 и 29 см. меньше чем у вариантов №1 и №2 соответственно.
Конструкции дорожных одежд тротуаров и велосипедных дорожек, рассчитанные по методики ПНСТ542-2021 [10] обеспечивают расчетный срок службы- 24 года, и удовлетворяет требованиям статьи 5 [1]. Расчетный срок службы аналогичный сроку службы основной проезжей части, позитивно влияет на планирование капитального ремонта транспортного сооружения.
Применение варианта №3 конструкции дорожной одежды наиболее актуально в условиях, когда модуль упругости на поверхности рабочего слоя менее требуемого модуля, установленного пунктом 6.13.1 [10].
О ГО А П.
ГО гп
о
2
О го 2
сч сч о сч
сч
о ш Ш X
3
<
m о х
X
Литература
1. Федеральный закон Российской федерации от 30 декабря 2009 г. №384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».
2. ГОСТ Р 58861-2021 Дороги автомобильные общего пользования. Капитальный ремонт и ремонт. Планирование межремонтных сроков: издание (2020 г.)/ Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии - Введ. 26.05.2020 - М.: Стандартинформ, 2020 - 16 с.
3. Постановление правительства Российской Федерации от 30 мая 2017 г. №658 «О нормативах финансовых затрат и Правилах расчета размера бюджетных ассигнований федерального бюджета на капитальный ремонт, ремонт и содержание автомобильных дорог федерального значения».
4. ПНСТ 265-2018 Дороги автомобильные общего пользования. Проектирование нежестких дорожных одежд: издание (2018 г.)/ Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии - Введ. 11.04.2018 - М.: Стандартинформ, 2018 - 77 с.
5. 0ДН218.046-01 Проектирование нежестких дорожных одежд: издание (2001 г.)/Министерство транспорта Российской Федерации - Введ. 20.12.00 - М.: Инфор-мавтодор, 2001 - 148 с.
6. Выпуск I Альбом А-385-88 «Дорожные одежды» (1989 г.)/Главное управление архитектуры и градостроительства исполкома Ленсовета - Введ. 01.08.1990 г. -Ленинград, 1990 - 82 с.
7. ВСН 46-83 «Инструкция по проектированию дорожных одежд нежёсткого типа» (1983 г.)/ Министерства транспортного строительства СССР - Введ. 01.01.1984 г. - М. - 1985
8. ГОСТ Р 59120-2021 Дороги автомобильные общего пользования. Дорожная одежда: издание (2021 г.)/ Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии - Введ. 01.05.2021 - М.: Стандартинформ, 2021 - 24 с.
9. СП82.13330.2016 «СНиП Ш-10-75 Благоустройство территорий»: издание (2016 г.)/Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской федерации - Введ. 16.06.2017 - М.: Стандартинформ, 2017 - 37 с.
10. ПНСТ 542-2021 Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды: издание (2021 г.)/ Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии - Введ. 18.04.2021 - М.: Стандартинформ, 2021 - 152 с.
11. Полынцев, Е.С. Укрепление грунтовых массивов оснований автомобильных дорог пенополиуретановыми герметиками [Текст]/Е.С. Полынцев // Материалы 71-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2018. - С. 21 -27.
12. Polyntsev E.S. Using foam polyurethane sealers for strengthening of soils of a road bed of transport construc-tions/ E.S. Polyntsev and A.V. Kvitko// International conference on Digital Solutions for Automobile Industry, Road Management and Traffic Control (DS-ART 2019) in the series IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2020.
13. ГОСТ Р 58861-2020 Дороги автомобильные общего пользования. Капитальный ремонт и ремонт (2020 г.)/ Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии - Введ. 26.05.2020 - М.: Стандартинформ, 2020 - 19 с.
Optimization of the pavement structure of sidewalks and cycle paths by
strengthening the structural layers Polyntsev E.S.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53
The article presents an overview of the regulatory and technical documentation and standard projects for the calculation of pavement pavements and bicycle paths used on the territory of the Russian Federation and allowing the calculation of structures that meet modern safety requirements for the entire service life of a transport structure. The analysis of loads and strength indicators used in the calculations of road clothes structures presented in the standard album A-385-88 "Road structures for Leningrad" and comparison of these indicators with the current regulatory and technical documentation. Based on the review, it was concluded that the standard project does not meet the current requirements. The paper presents the calculation of three variants of road clothing designs, performed according to the PNST 542-2021 methodology "Public automobile roads. Non-rigid road clothes", with structural layers without additional reinforcement, with mechanical reinforcement (geosynthetic material) and chemical reinforcement (polyurethane foam sealant). The results of calculations are described and the obtained constructions are compared. Based on the work carried out, conclusions are drawn. Keywords: road, base, strengthening of soils, road clothes, sidewalk, bike
path, polyurethane foam sealant. References
1. Federal Law of the Russian Federation dated December 30, 2009 No. 384-
FZ "Technical Regulations on the Safety of Buildings and Structures".
2. GOST R 58861-2021 Public automobile roads. Capital repairs and repairs.
Overhaul planning: edition (2020) / Federal Agency for Technical Regulation and Metrology - Introduction. 05/26/2020 - M .: Standartinform, 2020 - 16 p.
3. Decree of the Government of the Russian Federation dated May 30, 2017
No. 658 "On the standards of financial costs and the Rules for calculating the amount of federal budget allocations for the overhaul, repair and maintenance of federal highways."
4. PNST 265-2018 Public automobile roads. Design of non-rigid pavements:
edition (2018) / Federal Agency for Technical Regulation and Metrology - Introduction. 04/11/2018 - M .: Standartinform, 2018 - 77 p.
5. 0DN218.046-01 Design of non-rigid pavement: edition (2001) / Ministry of
Transport of the Russian Federation - Introduction. 12/20/00 - M .: In-formavtodor, 2001 - 148 p.
6. Issue I Album A-385-88 "Road clothes" (1989) / Main Department of Archi-
tecture and Urban Planning of the Lensoviet Executive Committee - Introduction. 08/01/1990 - Leningrad, 1990 - 82 p.
7. VSN 46-83 "Instructions for the design of non-rigid type pavements" (1983)
/ Ministry of Transport Construction of the UsSr - Introduction. 01/01/1984 - M. - 1985
8. GOST R 59120-2021 Public automobile roads. Road pavement: edition
(2021) / Federal Agency for Technical Regulation and Metrology - Introduction. 05/01/2021 - M .: Standartinform, 2021 - 24 p.
9. SP82.13330.2016 "SNiP Sh-10-75 Improvement of territories": edition
(2016) / Ministry of Construction and Housing and Communal Services of the Russian Federation - Introduction. 06/16/2017 - M.: Standartinform, 2017 - 37 p.
10. PNST 542-2021 Public automobile roads. Non-rigid pavements: edition (2021) / Federal Agency for Technical Regulation and Metrology - Introduction. 04/18/2021 - M.: Standartinform, 2021 - 152 p.
11. Polyntsev E.S. Strengthening of soil massifs of highway bases with polyurethane foam sealants [Text] / E.S. Polyntsev // Proceedings of the 71st All-Russian scientific and practical conference of students, graduate students and young scientists "Actual problems of modern construction" -St. Petersburg: St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, 2018. - P. 21 -27.
12. Polyntsev E.S. Using foam polyurethane sealers for strengthening of soils of a road bed of transport constructions/ E.S. Polyntsev and A.V. Kvitko// International conference on Digital Solutions for Automobile Industry, Road Management and Traffic Control (DS-ART 2019) in the series IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2020.
13. GOST R 58861-2020 Public automobile roads. Overhaul and repair (2020) / Federal Agency for Technical Regulation and Metrology - Introduction. 05/26/2020 - M .: Standartinform, 2020 - 19 p.
