CC BY
112
РАЗДЕЛ II
СТРОИТЕЛЬСТВО. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 625.7
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
В.В. Сиротюк
Аннотация. Приведены результаты исследований по армированию асфальтобетонных покрытий, на базе которых разработан нормативно-методический документ ОДМ 218.5.001-2009 Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных слоёв усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог.
Ключевые слова: асфальтобетонные покрытие, армирование, геосинтетиче-ские материалы.
Введение
Создание дорог и развитие инфраструктуры необходимо для успешного освоения природных ресурсов и инновационного развития российской экономики. Новая федеральная программа по развитию транспортной инфраструктуры, принятая правительством России на 2010-2015 годы, предполагает строительство 17000 км автодорог. Данная программа является одним из самых масштабных инвестиционных проектов.
Одной из важнейших задач дорожного строительства является эффективное использование выделяемых ресурсов, повышение срока службы и транспортно-эксплуатационных показателей строящихся дорог. Сотрудники кафедры «Проектирование дорог» СибАДИ 10 лет выполняют исследования по использованию геосинтетических материалов в различных элементах дорожных конструкций [1]. Данная статья посвящена основным результатам исследований по армированию асфальтобетонных покрытий геосетками и плоскими георешётками.
Асфальтобетон, широкое применение которого в мире началось с прошлого века, по-прежнему остается наиболее распространенным материалом для устройства покрытий автомобильных дорог. Однако физические возможности асфальтобетонных покрытий длительно сохранять высокую прочность, ровность и сплошность при высоких нагрузках постепенно исчерпываются.
Основная часть Армирующий материал призван:
- воспринимать и перераспределять горизонтальные нормальные растягивающие на-
пряжения и предотвращать избыточную горизонтальную деформацию удлинения вблизи подошвы слоя при его изгибе, возникающие при многочисленных кратковременных воздействиях колёсной нагрузки от автотранспорта;
- воспринимать и перераспределять горизонтальные нормальные растягивающие напряжения и предотвращать избыточную деформацию, возникающие в некоторых сечениях от длительно действующих температурных воздействий.
С позиций критериев расчёта по ОДН
218.046-01, ОДН 218.1.052-2002 и Методическим рекомендациям по проектированию жёстких дорожных одежд введение в асфальтобетонное покрытие армирующей геосетки позволяет увеличить его прочность по критерию допускаемого упругого прогиба, увеличить сопротивление усталостному разрушению от растяжения при изгибе, повысить сопротивление растягивающим температурным напряжениям. При правильном конструировании, исполнении и использовании качественных геосинтетических материалов существенно (до 50 %) уменьшается колееобразо-вание на покрытиях в ДКЗ. В 2-3 раза увеличивается шаг температурных трещин, 1,5-2 раза увеличивается срок службы асфальтобетонных покрытий даже в суровых климатических условиях.
Однако далеко не все геосинтетические материалы в полной мере могут выполнять армирующие функции. Основываясь на наших исследованиях, отечественных и зарубежных публикациях, мы сформулировали десять принципиальных требований, соблюдение которых повышает эффективность армирования асфальтобетонных покрытий.
1) Необходимо прочное сцепление арматуры с армируемым материалом для обеспечения перераспределения возникающих напряжений.
2) Прочность арматуры на растяжение должна быть значительно выше прочности армируемого материала с учётом усталостных явлений от многократных кратковременных силовых воздействий.
3) Модуль упругости арматуры должен быть намного выше, чем у армируемого материала. Иначе армируемый материал может получить избыточные деформации раньше, чем арматура воспримет и перераспределит растягивающие напряжения.
4) Прочность и деформативность армирующего материала должны быть стабильны во времени, как при низких отрицательных, так и при повышенных температурах.
5) Арматура не должна обладать чрезмерной ползучестью для восприятия длительных температурных напряжений. Иначе арматура может либо не выдержать напряжений, возникающих в покрытии при низких отрицательных температурах, либо релаксировать эти напряжения, утратив своё предназначение.
6) Арматура должна располагаться в слое
армируемого материала с наибольшими растягивающими напряжениями.
7) Коэффициенты температурного расширения армируемого и армирующего материалов должны иметь близкие значения для выполнения первого условия.
8) Армирующий материал не должен растворяться и окисляться в воде, теряя прочность.
9) Армирующий материал не должен создавать экологических осложнений при строительстве и эксплуатации покрытий.
10) Стоимость армирующего материала не должна вызывать удорожания строительства превышающего эффект от его применения.
По заданию Росавтодора мы впервые разработали ОДМ 218.5.001-2009 Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных слоёв усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог [2].
В этом документе определены и гармонизированы с зарубежными нормами регламентируемые показатели свойств геосинтетиче-ских материалов (табл.1).
Таблица 1 - Регламентируемые показатели свойств геосинтетических материалов, применяемых для армирования (усиления) асфальтобетонных покрытий
Показатель свойств Значение показателя Методика контроля
1 Механические свойства
а) Прочность при растяжении в продольном (поперечном) направлении RLR (RгR), кН/м, не менее 50 По EN ^0 10319
б) Усилие в образце в направлении длины (ширины) материала RLR(£) и R^R(£), отнесённое к ширине образца, кН/м, возникающее при относительной деформации £ = 2 %, не менее 25 По EN ^0 10319
в) Длительная прочность, % от кратковременной прочности RLR ^те), не менее 70 По методу приложения Б V
г) Относительная прочность узловых соединений геосетки RJR, % от прочности рёбер, не менее 5 По EN ^0 10321
2 Стойкость к агрессивным воздействиям
а) Уменьшение прочности RLR ^те), после нагрева до 160 оС (теплостойкость), %, не более 15 По методу приложения Б 111
б) Потеря прочности (повреждаемость) материала в процессе укладки асфальтобетона, % от исходной прочности RLR ^те), не более 40 По методу приложения Б ^
в) Уменьшение исходной прочности RLR ^те), в агрессивных средах, %, не более 25 ГОСТ 12020 или EN ^0 14030
г) Уменьшение исходной прочности RLR ^те) после 25 (50) циклов замораживания - оттаивания, %, не более 25 По методу приложе- г- IV ния Б
3. Геометрические параметры
а) Размер ячеек геосетки, мм, не менее - для мелкозернистого асфальтобетона - для крупнозернистого асфальтобетона 3 2 СП СП х х 3 2 СП СП По ГОСТ 3811
б) Ширина рулона, м от 1,5 до 4
в) Длина материала в рулоне, м от 20 до 100
Для армирования покрытий дорог I категории и дорог, расположенных в I ДКЗ, рекомендовано использовать геосетки с прочностью Rl.Fl ^ти) не менее 100 кН/м.
При выполнении работ в I и II ДКЗ рекомендовано применять сплошное армирование
(рис.1). При ремонте и капитальном ремонте покрытий из цементобетона или железобетонных плит в I ДКЗ может применяться и комбинированная схема армирования с дополнительной укладкой армирующих полос над поперечными и продольными швами между плитами.
Рис.1. Схемы укладки геосетки: А - сплошная; Б - участковая; В - комбинированная;
1 - «старое» покрытие со швами (трещинами); 2 - полосы геосетки; 3 - полотно геосетки
Предложен ряд эффективных конструкций дорожных одежд с армирующими прослойками и варианты армирования многополосных дорог [3].
Выбор местоположения армирующей прослойки по толщине покрытия зависит от её преимущественного предназначения - воспринимать температурные воздействия (ТМП), или воздействия транспортных средств
(НГР) [4]. Первый вид воздействия и соответствующие ему растягивающие температурные напряжения в наибольшей степени проявляются ближе к поверхности покрытия. Второй -ближе к подошве асфальтобетонного покрытия. На основании изложенного, ориентировочное местоположение армирующей прослойки по глубине можно определять, пользуясь рекомендациями таблицы 2 и рисунка 2.
Таблица 2 - Выбор местоположения армирующей прослойки по глубине
Дорожно-климатическая зона и подзона І1 П^0 Тип конструктивного решения
І.ІІ1 < 1 ТМП
> 1 НГР
< 0,9 ТМП
Ч 2 > 0,9 НГР
III < 0,8 ТМП
> 0,8 НГР
Рис. 2. Типы принципиальных конструктивных решений: 1 -верхний слой покрытия толщиной h1; 2 - армирующая прослойка; 3 - нижний слой покрытия толщиной h2 из новой или регенерированной смеси; 4 - существующее покрытие или несущее основание
При уточнении местоположения арми-
рующей прослойки следует учесть, что при выборе решения типа ТМП назначают h1 < h2, а при выборе решения НГР - h1 > h2.
Учитывая, что на покрытие одновременно воздействуют нагрузки от транспортных средств и температурные напряжения, наилучшие результаты достигаются при одновременном применении решений типа ТМП и НГР.
Укладка армирующей прослойки непосредственно на существующее асфальтобетонное и, тем более, цементобетонное покрытие менее эффективна, нежели на свежеуло-женный или регенерированный слой асфальтобетона. Это объясняется необходимостью обеспечения прочного сцепления арматуры с
армируемым материалом для обеспечения перераспределения возникающих напряжений. Поэтому при выборе решения НГР нижний слой покрытия (выравнивающий слой) может устраиваться из мелкозернистого асфальтобетона или регенерированного материала существующего покрытия.
Не рекомендуется устройство армированных асфальтобетонных покрытий при коэффициенте прочности дорожной одежды в результате оценки состояния по ОДН 218.1.0522002 и ОДМ 218.0.006-2002 ниже 0,85 для дорог I категории, ниже 0,80 для дорог II категории и ниже 0,75 для дорог III и IV категории. При недостаточной прочности дорожных одежд следует выполнить расчёты и предварительные мероприятия, направленные на усиление дорожной одежды (по ОДН 218.1.052-2002), а при необходимости - и по регулированию водно-теплового режима зем-
ляного полотна (СНиП 2.05.02-85*, Типовые решения по восстановлению несущей способности земляного полотна и обеспечению прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на пучинистых участках автомобильных дорог).
Пока наличие армирующей прослойки при расчёте асфальтобетонных покрытий рекомендовано учитывать за счёт введения в базовые расчётные формулы двух специальных коэффициентов, величина которых зависит от прочности и деформативности геосетки (табл.3):
- коэффициент ка учитывает повышение сопротивления растягивающим температурным напряжениям и сопротивления растяжению при изгибе;
- коэффициент кыр учитывает уменьшение влияния усталостных процессов на прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия.
Таблица 3 - Значения коэффициентов армирования
Прочность геосетки (плоской георешётки) RLR ^Г«), кН/м Относительная деформация при разрыве £LRmax (£тRmax), % ка кыр
Менее 50 не более 4 1,00 1,00
более 4 1,00 1,00
50 не более 4 1,05-1,10 0,80 -0,90
более 4 1,00-1,05 0,90-1,00
100 не более 4 1,10-1,20 0,50-0,75
более 4 1,05-1,10 0,75 -0,90
150 и более не более 4 1,20-1,50 0,25-0,50
более 4 1,10-1,20 0,60 -0,75
Промежуточные значения коэффициентов армирования по прочности ГМ в табл.3 определяются методом интерполяции.
Меньшие значения коэффициента ка и большие значения кыр применяют для I ДКЗ, соответственно - большие значения ка и меньшие значения кыр применяют для ДКЗ.
Величина коэффициента ка может быть увеличена до 20 %, а кыр - уменьшена до 15 % (за исключением использования геосетки или плоской георешётки с прочностью менее 50 кН/м) при величине повреждаемости (см. табл. 1) не более 20 %.
Проектирование нежёстких дорожных одежд на вновь сооружаемых дорогах и на новых участках реконструируемых дорог осуществляется по ОДН 218.046-01, а жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием на цементобетонном основании - по Методическим рекомендациям по проектированию жёстких дорожных одежд.
Позитивные особенности армирования учитываются при выполнении расчёта конструкции на сопротивление монолитных слоёв усталостному разрушению от растяжения при изгибе. При этом прочность материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе RN определяют по формуле
^ = Яо ■ kl ■ k2 ■ ka(1 - ■ О , (1)
где Яо- нормативное значение предельного сопротивления растяжению (прочность) при изгибе при расчётной низкой весенней температуре при однократном приложении нагрузки, принимаемое по табличным данным (см. таблицу П.3.1, ОДН 218.046-01); кг коэффициент, учитывающий снижение прочности вследствие усталостных явлений при многократном приложении нагрузки; к2 - коэффициент, учитывающий снижение прочности во времени от воздействия погодно-климатических факторов (см. таблицу 3.6, ОДН 218.046-01); ка - коэффициент, учитывающий увеличения прочно-
сти вследствие армирования слоя геосеткои (см. табл. 3); ук - коэффициент вариации прочности на растяжение (см. прил.4, ОДН
218.046-01); t - коэффициент нормативного отклонения (см. прил. 4, ОДН 218.046-01).
Коэффициент k1, отражающий влияние на прочность усталостных процессов, вычисляют по выражению:
к1 =
а
ТNp) ■ к^
(2)
где Шр - расчётное суммарное число приложений расчётной нагрузки за срок службы монолитного покрытия, определяемое по формуле (3.6) ОДН 218.046-01 или (3.7) ОДН
218.046-01 с учётом числа расчётных суток за срок службы (см. прил.6, ОДН 218.046-01); т -показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного слоя (см. таблицу П.3.1, ОДН 218.046-01); а-коэффициент, учитывающий различие в реальном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузкой, а также вероятность совпадения по времени расчётной (низкой) температуры покрытия и расчётного состояния грунта рабочего слоя по влажности, определяемый по табл.П.3.1, ОДН 218.046-01; кЫр -коэффициент, учитывающий уменьшение влияния усталостных процессов на прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия геосеткой (см. табл.3).
При расчёте жёстких дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием на цементобетонном основании в формулу (3.33) Методических рекомендаций по проектированию жёстких дорожных одежд введён коэффициент ка за счёт которого, учитывается эффект от применения армирующей прослойки. При этом предлагается определять толщину верхнего асфальтобетонного слоя из условия работы на прочность при действии расчётной нагрузки, отражающей растяжение асфальтобетона в поперечном направлении в призме шириной поверху 2Я, понизу (2R+2ha) и высотой ha по формуле
К ■ Куа ■ ка =
М ]д - (К + Ю2лСа ]
К(2Я + ha) '
(3)
ческих рекомендаций по проектированию жёстких дорожных одежд); ка - коэффициент, учитывающий увеличения прочности вследствие армирования слоя геосеткой (см. табл.3); ца - коэффициент Пуассона для асфальтобетона (можно принять равным 0,3); Са - сцепление между слоем асфальтобетона и цементобетона, не превышающее сцепление внутри слоя асфальтобетона (допускаемое напряжение по сдвигу: при отсутствии гарантированного сцепления Са =0.)
Возможна реализация одной из двух целей применения армирующих прослоек из геосеток (геокомпозитов) в асфальтобетонных покрытиях:
- увеличение межремонтных сроков службы армированного покрытия и снижение затрат на его содержание за счёт замедления темпов трещинообразования и колееобразо-вания;
- снижение затрат на строительство покрытия за счёт некоторого уменьшения его толщины (без увеличения межремонтных сроков службы).
Технико-экономические расчёты и опыт эксплуатации армированных покрытий показывают, что достижение первой цели является более предпочтительным, хотя в некоторых случаях возможно обоснование второй цели.
Для определения расчётного дополнительного срока службы дорожной одежды с армированным покрытием можно использовать формулу
1 +
Тобщ - Тсл + Тдоп = Тсл
ТNp ■ (1 -кЫр)■ (д-1) 07 ■ Nр ■ Трдг ■ кп
(4)
где я,! - сопротивление асфальтобетона на растяжение при изгибе (см. обязательное приложение 4 Методических рекомендаций по проектированию жёстких дорожных одежд; Куа
- коэффициент усталости (учитывающий многократное приложение нагрузки в течение суток) (см. обязательное приложение 4 Методи-
где Тсл- расчётный срок службы (см. табл. П.6.2, ОДН 218.046-01); Тдоп - величина увеличения срока службы дорожной одежды, вследствие применения геосетки; Трдг - расчётное число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции (см. прил. 6, ОДН
218.046-01); N - приведённое к расчётной
нагрузке среднесуточное (на конец срока службы) число проездов всех колес, расположенных по одному борту расчетного автомобиля, в пределах одной полосы проезжей части (приведённая интенсивность воздействия нагрузки); д- показатель изменения интенсивности движения автомобиля данного типа
по годам; кп - коэффициент, учитывающий
вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (см. табл.3, ОДН
218.046-01); кщ - коэффициент, учитывающий уменьшение влияния усталостных процессов на прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия (см.табл. 3).
Предложенная методика расчёта далека от совершенства, тем не менее, она позволяет оценить позитивное влияние армирующей геосинтетической прослойки. В настоящее время продолжаются исследования по совершенствованию предложенного метода расчёта.
Заключение
Таким образом, десятилетний этап нашей теоретической, экспериментальной и опытнопроизводственной работы завершился подготовкой всероссийского нормативно-
методического документа. Надеемся, что рекомендации по проектированию и строительству асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами,
представленные в ОДМ 218.5.001-2009, будут способствовать более широкому внедрению передовых технологий в России. Многие положения этого документа нуждаются в дополнении и развитии - этому посвящены наши дальнейшие исследования.
Библиографический список
1. Сиротюк В.В., Левашов Г.М., Якименко О.В., Захаренко А.А. Развитие новых технологий использования геосинтетики в дорожном строительстве. - Автомобильные дороги XXI век. - М. -2008. -№5. -С.75.
2. ОДМ 218.5.001-2009 Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных слоёв усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог. Федеральное дорожное агентство «Росавтодор». -М.: «Информавтодор», 2010. -86с.
3. Сиротюк В.В., Крашенинин Е.Ю. Особенности конструирования дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием в условиях Сибири и Крайнего Севера //Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной акаде-
мии. - Омск: Полиграфический центр КАН, 2008. -Вып.7. -С.7-13.
4. Рекомендации по расчёту и технологии устройства оптимальных конструкций дорожных одежд с армирующими прослойками при строительстве, реконструкции и ремонте дорог с асфальтобетонными покрытиями. - Одобрены НТО Минавтотранса России (письмо от 12.04. 93, № НТО-8-6/78). -М.: ФГУП Информавтодор, 1993. -37 с.
Application of geosynthetical materials for asphaltic concrete pavement reinforcing
V.V. Sirotyuk
On the basis of the results of asphaltic concrete pavements reinforcing studies presented a normative regulatory document field road guidance document ODM 218.5.001-2009 Methodological recommendations of geonets and geogrids application for reinforcing of asphaltic concrete layers of modernized pavements while capital reconstruction or construction of roads was developed.
Сиротюк Виктор Владимирович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Проек-
тирование дорог» Сибирской государствен-ной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - применение геосин-тетических материалов в дорожных конструкциях; использование золошлаковых материалов ТЭЦ в дорожном строительстве; глубинные и поверхностные методы плазменного термического укрепления грунтовых оснований. Имеет 193 опубликованные работы. e-mail: sirvv@yandex. ru.
