ПЕРСПЕКТИВЫ  ПРИМЕНЕНИЯ, КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА  ЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ

Сидоров Артем Андреевич

студент 5-го курса, кафедра изыскания и проектирование автомобильных дорог КГАСУ, Казань

E-mail: mawer.07@mail.ru

Терегулова Эльза Рустэмовна

Научный руководитель канд. физ.-мат. наук, старший преподаватель КГАСУ, Казань

E-mail:  teregul@yandex.ru

В условиях стремительного увеличения грузонапряженности автомобильного транспорта, стремительного развития воздушного транспорта (появление тяжелых и сверхтяжелых воздушных судов), увеличиваются нагрузки на покрытия автомобильных дорог и аэродромов. Современные дорожные аэродромные покрытия должны обладать высокими эксплуатационными характеристиками и в то же время быть довольно экономичными. В свете вышесказанного совершенствование методов конструирования и расчёта  жестких дорожных одежд (наряду с другими аспектами -  учет достижений материаловедения, использование прогрессивных технологий строительства и реконструкции и др.) является одним их актуальных вопросов современного строительства.

 Увеличение грузонапряженности движения автомобильного транспорта (нагрузка на ось, интенсивность движения, шипованная резина) сводит на нет все усилия и затраты на строительство и ремонт дорог на автомагистралях с покрытием из асфальтобетона. «За рубежом давно уже поняли, что на грузонапряженных автомагистралях с учетом длительных сроков эксплуатации даже непрерывно армированные цементобетонные покрытия строить выгоднее, чем асфальтобетонные, несмотря на то, что асфальтобетонные покрытия имеют преимущество перед цементобетонными покрытиями якобы в части ремонтопригодности. Хорошим  подтверждением преимуществ цементобетонных покрытий можно считать тот факт, что есть все покрытия на аэродромах высокой категории строят из цементобетона [4]. На автомагистралях нашей страны преобладают нежесткие дорожные одежды с асфальтобетонными покрытиями (97%). Кроме того, по данным ГП РосдорНИИ [5,6] сроки службы дорожных одежд даже на федеральных дорогах значительно ниже нормативных (5-7 лет). Удельный вес дорожных одежд с жесткими покрытиями в развитых странах (Германия, США, Бельгия) составляет 35-40%. Средний фактический срок службы этих покрытий составляет 26 лет.

На сегодняшний день, с появлением современных технологий, обеспечивающих высокие эксплуатационно-технические характеристики и высокие темпы производства работ,  цементобетонные покрытия становятся наиболее распространенными во всем мире. Основные преимущества дорожных одежд с цементобетонными покрытиями и основаниями заключаются в том, что при примерно одинаковой строительной стоимости они обеспечивают значительно более долгий срок службы по сравнению с нежесткими дорожными одеждами (в среднем в 2-3 раза и более) и, следовательно, требуют значительно меньших затрат на ремонт, а также обеспечивают более высокий уровень транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог и аэродромов и условий движения по ним в течение срока службы жестких дорожных одежд

Большинство аэродромов России  имеют покрытия жесткого типа. Кроме того, жесткие покрытия получили широкое распространение и на автомобильных дорогах I - III категорий. Их преимуществами являются: высокая прочность и долговечность; устойчивость при воздействии эксплуатационных и климатических факторов; быспыльность и водонепроницаемость; малое сопротивление качению колес (0,0012 - 0,0015) и большое трение скольжение, как для сухого, так и для влажного состояния поверхности покрытия

В России,  до 80-х годов прошлого века при  строительства цементобетонных покрытий дорог и аэродромов  обязательно использовалась металлическая арматура в монолитных и сборных цементобетонных покрытиях с целью уменьшения и даже полного устранения температурных и усталостных трещин.  После 80-х годов прошлого века и до наших дней  в России полностью отказались от армирования из-за экономии металла. Также не применяется и преднапряжение цементобетонов (как эффективный способ полного исключения трещин). Между тем в Германии успешно используют преднапряжение бетонов, в Канаде и сегодня при строительстве автомагистралей укладывают стальную арматуру в цементобетонное покрытие.

К началу нового тысячелетия сложилась ситуация, при которой покрытия на многих аэродромах России отслужив 20-40 лет, исчерпали свой прочностной ресурс и стали интенсивно разрушаться. Разрушались не только покрытия, построенные из предварительно напряженных плит типа ПАГ, срок эксплуатации которых ограничивался 25 годами, но  и монолитные железобетонные. Основными причинами, приведшими к разрушению аэродромных покрытий, явились: возросшие (нерасчетные) нагрузки из-за постоянного увеличения взлетных масс воздушных судов; интенсивность полетов;  нарушение водно-теплового режима грунтов и нарушений в работе дренажных и водоотводных систем; а в ряде случаев низкое качество строительных работ.

Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации цементобетонных покрытий и длительные наблюдения СоюздорНИИ за цементобетонными покрытиями [4] позволяет объективно оценить недостатки покрытий данного типа, основными  из которых являются: разрушение деформационных  швов; разрушение и отслаивание поверхностного слоя бетона («шелушение»), образование большого количества трещин. Эти факторы  сдерживают широкое применение бетонных покрытий. Шелушение в значительной мере определяется также наличием температурных швов, вокруг которых наиболее быстро и интенсивно разрушается поверхностный слой. В зоне поперечных швов, как правило, возрастает динамическое воздействие колеса автомобиля: кромки плит и прилегающая к ним поверхность покрытия воспринимают дополнительные нагрузки. В силу этих и других факторов поперечные швы вызывают снижение прочности поверхностного слоя бетона.

         Конечно, на долговечность цементобетонных покрытий значительное влияние оказывает недостаточно высокий уровень технологической культуры строительного производства. Также такие аспекты, как выбор применяемых материалов и их качество; адекватность конструктивных решений; соблюдение проектных решений, технологии укладки и ухода за твердеющим цементобетонном; нарушения режима эксплуатации.

В плане повышения долговечности, несущей способности цементобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов а также в плане расширения использования жестких дорожных одежд  сегодня существует ряд перспективных направлений. Здесь приведены некоторые из них:

1. Применение непрерывно армированных цементобетонных покрытий. В неармированных покрытиях длина плит независимо от первоначального шага поперечных швов через несколько лет эксплуатации фактически составляет, как правило, 4-6м, поскольку образуются сквозные поперечные трещины. Армирование покрытий позволяет значительно увеличить длину бетонных плит, а следовательно, сократить число поперечных швов и уменьшить дефектность покрытия. Длина плит при этом тесно связана с содержанием арматуры и при расходе последней в количестве 3-5 кг/м2 может быть увеличена, соответственно, до 10-24м. Дальнейшее повышение содержания арматуры (до 8-12 кг/м2) позволяет увеличивать длину плиты до 200-400м и более и переходить к устройству бесшовных, так называемых непрерывно армированных конструкций, применение которых кардинально решает вопрос повышения эксплуатационных качеств и долговечности цементобетонных покрытий [7].  Непрерывно армированные цементобетонные покрытия (НАЦП) имеют больший срок службы, более высокие показатели безопасности движения и пониженный уровень шума на дорогах. Эти покрытия не имеют поперечных швов и имеют сравнительно небольшое содержание арматуры.  СоюздорНИИ  ведутся научно-исследовательские и экспериментальные работы в области технологии строительства таких покрытий в нашей стране [4].

 2. Использование высокопрочных бетонов. Анализ опыта проектирования и строительства показывает, что в настоящее время используют цементобетоны прочностью 5,0 МПа и 5,5 МПа. Однако СНиП 32.03-96 рекомендует для строительства аэродромных покрытий применять более прочные цементобетоны с пределом прочности 6,0; 6,5; 7,0; и 7,5 МПа. Исследования, проведенные  [1] показывают, что при увеличении класса бетона толщина однослойного цементобетонного покрытия снижается на 30…40% по сравнению с толщиной покрытий из цементобетона класса В_tb  4,0. Поэтому строительство однослойных покрытий из высокопрочного бетона выгодно как с технологической. так и с экономической точки зрения.  Однако при проектировании однослойных покрытий следует учитывать, что с уменьшением толщины покрытия, увеличивается прогиб плиты и возрастают осадки грунтового основания. Поэтому в расчете необходимо учитывать второе предельное состояние по допустимому давлению на грунт.

3. Использование крупнопористого бетона для строительства покрытий и оснований повышает безопасность движения на дороге, благодаря быстрому отводу воды с поверхности покрытия (в дождь),  повышенной шероховатости. Кроме того, эти покрытия отличаются пониженным уровнем шума от движущегося транспорта.

4. Использование новых геосинтетических материалов при строительстве и ремонте цементобетонных покрытий очень функционально и перспективно. Эти  материалы позволяют производить качественный ремонт цеметнобетонных оснований и покрытий.. Например, использовать геокомпозит, PGM-G фирмы Tenkate представляющий собой высокопрочный геокомпозит, армированный стекловолокном, в качестве трешинопрерывающей прослойки при устройстве асфальтобетонного покрытия на цементобетонном основании с трещинами. В этом случае  подложка из нетканого полипропилена поглощает горизонтальные напряжения, не допуская образования отраженных трещин в новом слое асфальтобетона, а волокна из стекловолокна выполняют армируют асфальтобетон, значительно улучшая его эксплуатационные свойства.

Как показывает практика эксплуатации  аэродромных покрытий, срок их службы меньше нормативного, они начинают разрушаться через 2-3 года после ввода в эксплуатацию [2]. Причинами снижения долговечности покрытий являются: неверный учет природно-климатических факторов, грунтово-геологических и мерзлотных условий строительства; ошибки при разработке аэродромной конструкции и ее расчете; нарушение технологии строительства аэродромных покрытий; неправильная эксплуатация покрытий и т.д. Все эти и другие причины в конечном итоге приводят к увеличению объема работ по ремонту и содержанию покрытий и, как следствие, увеличению стоимости соответствующих мероприятий. Поэтому любые достижения в области конструирования, расчета на прочность, ремонта и содержания покрытий, обеспечивающие снижение стоимости или увеличение срока их службы, представляют несомненный интерес.

В России и за рубежом продолжают проводиться многочисленные исследования работы покрытий как жесткого, так и нежесткого типа, направленные на совершенствование методов их проектирования и расчета.

В 2008г. было опубликовано «Руководство по механико-эмпирическому проектированию дорожных одежд. Руководство по практическому применению» [13]. Подробный перевод этого документа представлен в [9]. Особенностью предложенного метода проектирования жестких дорожных одежд является использование проектировщиком итеративного подхода, т.е. повторно исследовать выбранный вариант проекта. Если пробный вариант не удовлетворяет критериям по эксплуатационным характеристикам при данном уровне надежности, он должен быть модифицирован и вновь проанализирован, пока не будет соответствовать этим критериям.  Анализ надежности производится на основании вычислений приращений разрушений в конце расчетного периода (модели разрушений покрытий: колеи, вертикальные перемещения швов, международный показатель ровности- IRI; трещинообразования от нагрузки; трещинообразование, не связанное с нагрузкой).

Методы конструирования и расчета дорожных принятые в Канаде, США и европейских странах во многом совпадают с методами, используемыми в нашей стране и основаны на всемирно признанном методе, предложенном проф. Н.Н. Ивановым и развитым в исследованиях учеников его научной школы: В.Ф Бабковым, Г.И. Глушковым, А.С. Смирновым, А.П.Синициным, М.Н. Герсевановым, Н.И. Горбуновым-Посадовым, Б.Г. Кореневым, О.Я. Шехтер, Б.А. Жемочкиным, В.Е. Тригони, В.И. Травушем, А.П. Степушиным, В.Д. Садовым и др.

К искусственным покрытиям аэродромов предъявляют повышенные требования по прочности, износостойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, долговечности, ровности, шероховатости, обеспеченный водоотвод, сопротивляемость климатическим факторам, стойкость к воздействию газовоздушных струй двигателей, технологичность строительства. Все эти требования должны учитываться при проектировании и расчете покрытий аэродромов. Покрытия аэродромов, включая слои искусственных оснований, надлежит рассчиты­вать по методу предельных состояний на многократное воздействие вертикальных нагрузок от воздушных судов как многослойные конструк­ции, лежащие на упругом основании.

Определение внутренних усилий в плитах сводится к расчету прямоугольных плит, лежащих на грунтовых основаниях, при действии колесной нагрузки, приложенной к любому участку плиты. Плиты рассчитывают на воздействие статичной колесной нагрузки Расчетными предельными состояниями жес­тких покрытий являются: бетонных и армобетонных - предельное состояние по прочности; железобетонных с ненапрягаемой армату­рой - предельные состояния по прочности, рас­крытию трещин и давлению на грунтовое осно­вание; железобетонных с напрягаемой арматурой - предельное состояние по образованию трещин и давлению на грунтовое основание [2,6].

Расчет аэродромных покрытий производят по схеме работы тонких пластин на упругом основании. Определение внутренних усилий сводится к нахождению функции эпюр реактивного отпора (реакции) основания от заданной нагрузки. При решении данной задачи исходят из уравнения изгиба тонких пластин на упругом основании:

,                         (1)

где w-прогиб срединной поверхности плиты;

D- цилиндрическая жесткость плиты.

Точность решения уравнения (1) в значительной степени зависит от выбора модели естественного грунтового основания. При расчетах аэродромных покрытий обычно используется или модель коэффициента постели, или гипотеза упругого полупространства. Первая модель построена на допущении о том, что основание является упругим и линейно-деформируемым, касательными напряжениями по подошве плиты пренебрегают, отпор основания пропорционален прогибу плиты в данной точке:

                                                         (2)

где с – коэффициент постели, зависящий от физических свойств основания

 Во второй модели сплошного упругого полупространства вертикальные перемещения его поверхности определяются по теории упругости, а именно по формуле Буссинеска. Во второй модели учтены деформации поверхности основания не только в месте приложения нагрузки, но и вне её. Исходя из исследований, проведенных в [2] можно считать достаточно обоснованным применение, как первой, так и второй модели в практике проектирования покрытий аэродромов и автомобильных дорог.

Расчет цементобетонных покрытий производится на статическую центрально приложенную нагрузку. Воздействие нагрузки в угловых и краевых зонах плиты учитывается с помощью поправочных коэффициентов. При расчете аэродромных покрытий по существующей методике [8,11] краевое загружение учитывается увеличением центрального изгибающего момента на соответствующий переходной коэффициент К. Для бетонных и армобетонных покрытий при наличии стыковых соединительных швов покрытий К =1,2; при сквозных швах К = 1,5. Принятые значения переходных коэффициентов не учитывают схему шасси самолетных нагрузок (количество полос, давление в шинах). Для устранения отмеченных недостатков было получено новое решение на основе метода конечных элементов и метода компенсирующих нагрузок [1]. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что величины изгибающих моментов для краевого загружения на 5 - 12 % ниже по сравнению с расчетными значениями, определенными по СНиП II-47-85 «Аэродромы». Применение изложенной методики позволяет снизить потребную толщину покрытий аэродромов и обеспечить экономический эффект.

Динамическое воздействие нагрузки от движущегося транспорта учитывают введением коэффициентов динамичности. Как показывают исследования многих авторов, вопрос о величине коэффициента динамичности несколько противоречивый и дискуссионный. На основе обобщенного экспериментального и теоретического материала установлено [3], что «движущиеся автомобили оказывают на дорожную одежду кратковременное воздействие, величина которого, в зависимости от скорости движения, больше статического в 1,55-1,8 раза даже при неровностях, остающихся на вновь устроенных покрытиях». Развитию динамических расчетов жестких дорожных одежд при воздействии подвижных автомобильных нагрузок, не используемых в [3], посвящены работы А.К. Бируля, А.Г. Булавко, Г.И. Глушкова, А.Н. Защепина, М.С. Коганзона, А.В. Смирнова, Б.Б. Самойленко, В.Е. Ярового и др. авторов. Второй способ расчета жестких дорожных одежд выполняется с использованием динамических значений модуля упругости дорожно-строительных материалов, что приближает работу дорожных одежд к реальным условиям при кратковременном воздействии движущегося транспорта.

Повторность приложения нагрузок, температурные напряжения, нарастание прочности бетона во времени учитывают введением в расчет коэффициента условий работ.  

Таким образом, при проектировании проектировщик зависит от уровня обоснованности расчетных методик, заложенных в расчеты моделей, рекомендаций и допущений, принятых в них. Кроме того, существует целый ряд причин, снижающих долговечность покрытий. Наиболее характерными из них являются: недоучет природно-климатических, грунтово-геологических, условий, соответственно из-за этого следуют ошибки  конструирования и расчета; нарушение технологии строительства покрытий и несоблюдение правил их эксплуатационного содержания также ведут к снижению долговечности. Исходя из этого можно отметить, что вопросы расчета и проектирования  жестких покрытий автомобильных дорог и аэродромов решены не в полной мере и требуют дальнейшего совершенствования.

Список литературы

1. Ванли Халед Мустафа. Расчет и конструирование жестких покрытий для тяжелых самолетов// Автореф. дис. канд. техн. наук. — Москва, 1999. – 20с.

2. Глушков Г.И, В.Ф. Бабков, Тригони В.Е. и др.; под ред. Глушкова Г.И. Жесткие покрытия аэродромов и автомобильных дорог: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1994.-349с.

3. Глушков Г.И. Повышение научно-технического уровня проектирования аэродромов. //Труды «Проектирование и расчет прочности конструкций и сооружений аэропортов. Сборник научных трудов», М., 1999.

4. Костенюк И.А., Добарский В.А. Где российские автомобильные дороги с цементобетонным покрытием? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// gomaco.ru›press/?news=7 (дата обращения: 19.09.12) proektstroy.ru 

5. Коганзон М.С. Автомобилизация требует жестких дорожных одежд. Современные возможности применения цементобетона при строительстве дорожных одежд в России. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// proektstroy.ru›Статьи›view/7689 (дата обращения: 19.09.12)

6.  Кульчитский В.А., Макагонов В.А., Васильев Н.Б.,  Чеков А.Н., Романков Н.И. Аэродромные покрытия. Современный взгляд / М.: Физико-математическая литература, 2002. – 528с.

7. Майдель В.Г., Городецкий Л.В. Связи между плитами сборных покрытий автомобильных дорог. – Сб. науч. тр. / НИИМосстрой. Исследования в области дорожного строительства г.Москвы. – М., 1967, 40-59

8. Методические рекомендации по проектированию жестких дорожных одежд (взамен ВСН 197-91). – М.: Росавтодор, 2004.

9. Новости в дорожном деле: Научно-технический информационный сборник / ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР». – М., 2010. – Вып.2. – 68с.

10. Руководство по проектированию аэродромных покрытий/ Министерство гражданской авиации - М., 1999

11. СНиП 2.05.08-85. Аэродромы / Госстрой СССР, 1985. – 195с.

12. Ушаков В.В. Ремонт цементобетонных покрытий автомобильных дорог. Обзорная информация / Автомобильные дороги «ИНФОРМАВТОДОР». –М, 2002. – Вып.2. -20с.

13. Mechanistic-Empirical Design Guide (MEPDG): Interim Edition / AASHTO. – Washington, 2008.