CC BY
38
строительство автомобильных дорог и спецсооружений
ПРИМЕНЕНИЕ КАРКАСНЫХ ЩЕБЕНОЧНО-ПЕСЧАНЫХ ОСНОВАНИЙ В АВТОДОРОГАХ
Б. М. Люпаев, Ю. А. Полетаев, А. Ю. Луконин,
О. А. Ворсина, Л. А. Галочкина
Рассмотрены вопросы опытного применения в автодорогах каркасного щебеночно-песчаного материала в различных природных условиях.
Ежегодно в секторе дорожного строительства затрачиваются огромные средства на создание новых, ремонт и восстановление существующих дорог. Возросли тенденция использования новых технологий, качество устройства конструктивных слоев дорожной одежды автомобильных дорог, а также использование материалов, улучшающих долговечность, прочность дорожных покрытий и оснований, к которым относят георешетки и геосинтетики. Все это ведет к значительному удорожанию стоимости строительства дорог, быстро устаревающих вследствие увеличения интенсивности. Важнейшим фактором снижения стоимости строительства автомобильных дорог и повышения прочности является применение местных дорожно-строительных материалов и забытых технологий строительства, а именно усовершенствованной щебеночно-песчаной смеси.
Щебеночно-песчаные смеси (ЩПС) при правильной технологии укладки по прочностным качествам не уступают тощему бетону. Бетон обладает широким спектром технических характеристик, что позволяет использовать его как в строительстве оснований, так и в качестве дорожных покрытий. Наряду с комплексом положительных качеств, бетон
является дорогостоящим и технологически трудоемким в изготовлении материалом. Поэтому в определенных областях строительства его невыгодно использовать. ЩПС обладают плотностью бетона, но отсутствие связующего материала снижает их сдвиговые характеристики. В новом материале сдвиговую нагрузку воспринимает каркас из щебня, поэтому он получил название щебеночно-песчаный каркасный материал (ЩПК) (рис. 1).
ЩПК состоит из каркаса, образованного уплотненным щебнем, пустоты в котором
Рисунок 1
ЩПК, изготовленный из щебня, фр. 20—10, М1200, в увлажненном состоянии
заполнены песком (с оптимальным содержанием глины) в соотношении 3 : 1. Песчаная
смесь засыпается в пустоты между гранулами каркаса из щебня в естественном или увлажненном состоянии. При такой технологии изготовления образуется материал со слабосвязанной, монолитной структурой [2].
Выполнены сравнительные исследования свойств ЩПК и щебня при сжимающих нагрузках (как это требуется при определении марки щебня). Использовался известняковый щебень Иссенского карьера, Пензенской области следующих фракций: 10—20, 20—40 и 40—70 мм. Исследования проводились с помощью цилиндра с радиусом 12,5 см и высотой 15 см. Материал обжимался нагрузкой, равной 20 тс.
Испытания показали, что деформатив-ность при сжатии ЩПК на основе рассматриваемых фракций щебня в цилиндре составила 0,5 см, при этом щебень не имел видимых повреждений. Испытания щебня в том же цилиндре и при аналогичной нагрузке показали среднюю осадку: 4,0 см (при фракции 10—20 мм), 4,5 см (20—40 мм) и 5,5 см (40—70 мм). В первом случае щебень уплотнялся полностью, заполняя межщебеночное пространство продуктами измельчения. Во втором случае это пространство появилось. В третьем случае имелись огромные пустые полости. В целом щебень марки 300 имел многочисленные повреждения.
Результаты испытаний выявляют увеличение незаполненных пустот в основании из щебня крупных фракций, что при недостаточном уплотнении приводит к дальнейшему разрушению и возникновению колейности в основаниях дорог при эксплуатации. В основании из ЩПК такой тенденции не наблюдалось, так как все свободное пространство заполнено песком.
Была разработана и запатентована установка (рис. 2, 3) [1], позволяющая испытывать любой материал в условиях, максимально приближенных к реальным.
Сдвиговая установка представляет собой соединенные последовательно три цилиндра 1, 2, 3 с внутренним диаметром 11,5 см и общей длиной 35 см. Средний цилиндр, смещаясь под давлением пресса, создает сдвиг в двух параллельных плоскостях.
В цилиндре 3 друг за другом расположены: обжимающий штамп 6 и цилиндр 10, передающий обжимающую нагрузку; индикатор часо-
3
,4
5
2
13
Рисунок 2
Устройство для определения сопротивления сдвигу при создании обжимной нагрузки
Рисунок 3
Устройство для определения сопротивления сдвигу при наличии прижимной нагрузки Ш )
' приж'
вого типа 11 и приспособление для создания прижимной нагрузки в виде фиксирующей пластины 8 с прижимной винтовой ручкой; приспособление для создания срезающего усилия в виде стойки 12, жестко закрепленной на цилиндре 2. Цилиндры 1 и 3 связаны между собой с помощью фиксирующих стержней 5. Опорные стойки 12 расположены также на цилиндрах 1 и 3.
Испытания проводились с применением щебня М300 разных фракций и кварцевого песка при оптимальном соотношении по объему 3 : 1. При определении сопротивления материала на сдвиг использовали следующую технологию нагружения. В цилиндрах
1
материал обжимался нагрузкой до 200, 400 и 600 кгс (данная нагрузка создается катками массой 5, 10 и 15 т соответственно) и затем разгружался. После этого материал прижимался механически винтовым прижимом с усилием до 50, 100 и 200 кгс (аналогичная нагрузка возникает в момент нагружения участка эксплуатационным транспортом). Приложение сдвигающей нагрузки производилось прессом до смещения среднего цилиндра относительно крайних на 5 мм. Результаты исследований приведены на рис. 4 и 5 [3].
Испытания показали, что при аналогичных условиях у ЩПК сопротивление сдвигу значительно выше, чем у щебня. При использовании щебня крупных фракций у ЩПК наблюдается тенденция роста сдвиговой устойчивости к нагрузкам, в щебеночном основании она незначительна (рис. 6).
В связи с тем что ЩПК не использовался в массовом строительстве, сравним его с материалом, близким по структуре, — ще-
Испытание на сдвиг ЩПК со щебнем фракции20-40 мм, М300.
; 9000 -----------------------------
а 8000-------------------------------
у 7000------------------------------
а 6000-------------------------------
! 5000' 400С 3000 - 20 00 1000
50 100 200
Прижимающая нагрузка, кг
Испы
ф
0 9000 — 8000'« 7000
п 6 000-
к 5 000? 4000
| 3000
1 2000 ° 1000
иг ЩПК со щебнем
50 1 00 200
Прижимающая нагрузка, к
Рисунок 4
Зависимость изменения прочности на сдвиг ЩПК со щебнем фр. 20—40 и 40—70 мм при разном обжатии от прижимающей нагрузки.
1 — ЩПК обжат до 200 кгс;
2 — то же до 400 кгс; 3 — то же до 600 кгс
Испытание на сдвиг щебня фракции20-40 мм, М300.
Испытание на сдвиг щебня фракции 40-70 мм, М300.
> 9000
а 8000
у 7000 ' 60005000 ' 4000 3000- 2000 1000
50 1 00 200
Прижимающая нагрузка, кгс
Прижимающая нагрузка, кгс
Рисунок 5
Зависимость изменения прочности на сдвиг щебня фр. 20—40 и 40—70 мм при разном обжатии от прижимающей нагрузки.
1 — щебень обжат до 200 кгс;
2 — то же до 400 кгс; 3 — то же до 600 кгс
беночно-песчаной смесью. Она применяется в строительстве оснований автомобильных дорог и аэродромов (ГОСТ 25697-94) для устройства покрытий, укрепления обочин автомобильных дорог и оснований по способу заклинки [4].
Смесь должна соответствовать требованиям ГОСТа для строительства оснований. В эксперименте рассматривалась смесь под номером «С6», применяемая для строительства оснований с непрерывной гранулометрией. Наибольший размер зерен — 40. Зерновой состав смесей приведен в табл.
Данная смесь соответствует щебню и ЩПК фракции 20—40 мм. Все эксперименты произведены при максимальных условиях эксплуатации.
По результатам видно, что ЩПК намного превосходит остальные материалы по прочностным характеристикам.
Если представить участок основания непосредственно в момент нагружения транспортом, то наблюдалось бы следующее: в основании из щебня нагрузка от транспорта распределится, между щебнем сосредоточено в местах соприкосновения, что будет способствовать его разрушению до полного заполнения пустот продуктами измельчения (рис. 7, 8).
В основании из ЩПК за счет плотной структуры давление от транспорта распределяется равномерно между несущим материалом (щебнем) и заполнителем (песком) и передается равномерно по всему участку нагружения.
Испытание на сдвиг ЩПС, ЩПК и щебня фракции 20-40 мм, М300.
5000
4000
3000
3
3
—Г^2- —г1^-
50 100 200
Прижимающая нагрузка, кгс.
Рисунок 6
Зависимость изменения прочности на сдвиг ЩПК, щебня и ЩПС от прижимной нагрузки при обжиме 600 кгс.
1 — щебеночно-песчаная смесь «С6»;
2 — щебень фр. 20—40 мм, М 300;
3 — ЩПК со щебнем фр. 20—40 мм, М 300
<= 2000
а 1000
Таблица
Зерновой состав смеси «С6», в % по массе
Полный остаток на ситах размером, мм
120 80 40 20 10 5 2,5 0,63 0,16 0,05
— 0—5 0—20 40—60 60—80 70—85 75—85 85—95 93—97 95—100
Технология строительства ЩПК материала состоит из нескольких этапов, которые в свою очередь могут сокращаться в зависимости от крупности используемого щебня:
1. Рассыпка и возведение щебеночного основания на уплотненном песчаном основании.
Рисунок 7
Разрушение основания и распределение давления в щебеночном основании
2. Профилировка щебеночного основания.
3. Уплотнение щебеночного основания за два прохода по одному следу самоходными катками с гладкими вальцами на виброходу массой 8—13 т.
Рисунок 8
Основание из щебеночно-песчаного каркасного материала в процессе эксплуатации.
N — вертикальная нагрузка
тран • 1
от транспорта, Р — сосредоточенная нагрузка в щебне, р — распределенная нагрузка в песке, п — количество щебня, да — количество песка.
Nтран = (рХда) + (РХП)
4. Рассыпка песка и его профилировка в соответствии с 30—35 % от объема щебня или при соотношении песка и щебня, равном 1 : 3 (рис. 9).
5. Уплотнение песчаного основания за два прохода по одному следу самоходными пневмокатками на виброходу массой 6—8 т.
В зависимости от проектной толщины щебеночного основания и от крупности щебня возведение основания из ЩПК производят согласно пунктам 1—4:
а) при фракции щебня 10—20 мм максимальная толщина основания 15 см.
б) при фракции щебня 20—40 мм максимальная толщина основания 30 см.
в) при фракции щебня 40—70 мм толщина основания более 30 см.
6. Для улучшения сцепления ЩПК с асфальтобетонным покрытием поверхность подметается механическими щетками. Щебень должен выступать на 15—20 мм.
Следует отметить, что строительство данного основания, по подсчетам, сократит время строительства примерно в два раза, стоимость строительства основания — на 15—20 %, увеличит эксплуатационный срок дороги, уменьшив при этом затраты на содержание и ремонт.
Рисунок 9 Удаление излишков песка со щебня фр. 20— 70, М1200
Технико-экономическая эффективность изготовления данного материала на основе щебеночно-песчаной смеси обусловливается по-
лучением нового материала с повышенными физико-механическими показателями. Экономический эффект определяется от экономии 20 % щебня и горюче-смазочных материалов, так как это вещество уплотняется за счет песка.
Экономический эффект вычисляется по формуле:
СЩПК = ((СЩ + 0,3СП - 0,2СЩ) х НЩПК *
х В) х L - С + С - С ,
упл техн рем
где СЩПК — стоимость м.п. основания из ЩПК в руб/м. п.;
СЩ, СП — стоимость 1 м3 щебня и песка в руб/м3;
НЩПК — толщина основания дороги из ЩПК, м;
В — ширина дорожного основания из ЩПК, м;
L — общая протяженность дороги, м;
С — стоимость затрат на уплотнение
упл
щебеночного основания, руб/м. п.;
С — дополнительные технологические
техн
затраты на изготовление ЩПК при послойной укладки песка, руб./м. п.;
Срем — приведенная экономия на ремонте при дальнейшей эксплуатации дороги из ЩПК, руб/м. п. за расчетный период службы.
Исходя из исследований данного материала возможен расчет материала с максимальными прочностными характеристиками с помощью метода математического планирования эксперимента и сравнения ЩПК материала со щебнем по экономическим параметрам.
Была составлена матрица планирования, в которой функция зависит от степени влияния следующих факторов: фракционного состава ЩПК (х1); наличие обжимной нагрузки (х2); наличия прижимной нагрузки (х3). При проведении исследований материалов (ЩПК, щебня) нами использован щебень, фракционный состав которого варьировался на следующих уровнях: (-1) — 10—20 мм (№ 1), (0) — 20—40 мм (№ 2), (+1) — 40—70 мм (№ 3). Обжимная и прижимная нагрузка, действующая на ЩПК и щебень, видоизменялась на уровнях 200 кгс, 400 кгс, 600 кгс, 50 кгс, 100 кгс, 200 кгс соответственно. Оптимизируемым параметром являлась средняя сдвигающая нагрузка этих материалов.
После проведения статической обработки результатов эксперимента по общепринятой методике получены уравнения регрессии. Зависимость средней сдвигающей нагрузки у материалов описываются уравнением:
р(хк) = Р^!,-.,^
Оценочный метод разрабатывался для оценки оптимальности параметров материалов с различными ограничениями. При расчете оптимальных параметров строительных материалов отдельные целевые функции для к-го параметра представляются в виде:
+ -Р(хк)= Р (хк)+ Р (хк); к = 1, ..., п.
Эк =
тк * Е(хк)
тк * Е(хк)
к = 1, ..., п
Оптимальное значение функции при различных параметрах значений фракции щебня в ЩПК, где параметр щебня Х1 принимает усредненные значения 1,5 см, 3 см и 6 см. При решении, где Эк = 1, средняя сдвигающая нагрузка стремится к минимуму. Нам необходим максимум.
По количественному критерию оценки оптимальности Э1 у ЩПК коэффициент (Эх11 = 0,064, Эх13 = 0,062) намного рациональнее по сравнению со щебеночным основанием (Э 1 = 207,9, Э ,3 = 51,9). Влияние пе-
х1 х1
ременных Х2 и Х3 на несущую способность материала незначительно.
С помощью системы компьютерной математики MathCAD 2001 рассмотрим сечения функции от Хг Данная программа строит кривую в виде параболы с минимальным значением, равным нулю, что выявляет прямую зависимость увеличения сдвиговой устойчивости от крупности используемого щебня.
Строительство оснований по данной технологии велось небольшими участками в Атяшевском, Рузаевском, Большеберезников-ском, Зубово-Полянском районах Республики Мордовия, на улицах Саранска в течение пяти и более лет. Аналогичные технологии используются в Республике Карелия и районах Сибири.
+ +
1. Патент РФ 2289654 С1 МПК. Кл. Е02Б 1/00. Устройство для определения сопротивления щебеночного основания срезу / Ю. А. Полетаев, Б. М. Люпаев// БИПМ, 2006.
2. Полетаев Ю. А. Как используется КББ в дорожном строительстве и что это такое? / Ю. А. Полетаев, А. Ю. Луконин, А. В. Ямашкин, Б. М. Люпаев // Наука и инновации в Республике Мордовия. — Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2005. — С. 550—554.
3. Полетаев Ю. А. Экспериментальное применение КББ в дорожном строительстве / Ю. А. Полетаев, Б. М. Люпаев, А. А. Ликомаскин, П. И. Пивкин // Актуальные вопросы строительства. — Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2005. — С. 634—637.
4. Полетаев Ю. А. Сравнительное исследование свойств КББ, щебня и щебеночно-песчаной смеси при воздействии сдвиговых нагрузок / Б. М. Люпаев, А. А. Ликомаскин // Материалы XI научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева. — Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2006. — С. 41—42.
Поступила 16.09.08.
