Строительство и архитектура/ 3. Современные технологии строительства,

реконструкции и реставрации

Қасымов А.Е, Дудкин М.В, Сакимов М.А,

Касымова Ж.М, Речицкий С.В.

Восточно - Казахстанский Государственный технический университет

им. Д. Серикбаева, г.Усть-Каменогорск

ЗАВИСИМОСТЬ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ДОРОЖНОГО ОСНОВАНИЯ ОТ СТЕПЕНИ ЕГО УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНЫМИ КАТКАМИ

Дороги – визитная карточка страны, одна из основ ее экономической жизни. Эффективная работа транспорта – необходимое условие успешного развития всех без исключения отраслей народно хозяйственного комплекса. И наоборот, плохие дороги могут стать непреодолимым препятствием для экономического роста, сводя на нет положительный эффект даже самых крупных инвестиций. Но пренебрежение к содержанию дорог оборачивается не только увеличением эксплуатационных расходов и снижением срока службы транспортных средств, а и ростом числа аварий, ущерб от которых одними деньгами измерить невозможно /1/.

Из-за плохих дорог средняя скорость автомобильных перевозок в нашей стране вдвое ниже, чем в промышленно развитых странах. Наш автотранспорт на одну подвижную единицу перевозит самый маленький груз в мире /2/.

На плохой дороге автомобиль расходует до полутора раз больше горючего. Стоимость обслуживания автомобилей, которые ездят по ухабам, возрастает в 2,5-3,4 раза, срок службы машины сокращается на 30%, а ее производительность падает более, чем в два раза. Некачественное покрытие дороги повышает стоимость перевозок на 30-50%.

Давайте разберемся, почему вообще портится полотно дороги. Одной из основных причин плохого состояния наших дорог является морозное пучение земляного полотна /3/, как следствие таких факторов, как его недостаточное для наших климатических условий уплотнение...

Вторая причина в грунтах. Казахстан, как и его северный сосед - Россия – страна уникальная не только в смысле климата, но и в том, что она "сделана" из неудачного материала. Более половины всех грунтов в Казахстане – это так называемые связные грунты, то есть грунты с примесью глины или целиком состоящие из таковой. А глины и суглинки имеют такую особенность – они хорошо набирают и плохо отдают влагу. Подпочвенные воды подсасываются по рыхлостям и пустотам грунта слоев прямо под дорожное полотно и с первыми морозцами замерзают. Давление воды, замерзающей в замкнутой системе, достигает 2000 кг/см² при t^° = -22^°С.

С началом морозов 85% наших дорог начинает “пучить”. Подчиняясь обычному физическому закону, влага самопроизвольно притягивается со всей толщи дорожной насыпи к подмерзшей верхней кромке. Этому способствует именно глинистый грунт. За зиму внутри земляного полотна образуется множество ледяных прослоек. А так как вода при замерзании увеличивается в объеме на 9%, она раздвигает частицы грунта.

И происходит то, что специалисты называют "морозным пучением" - асфальт трескается, на дорожном покрытии и появляются вспученные участки. А весной верхний слой грунта непосредственно под асфальтом размораживается, так как подтянутая под дорожную одежду влага оттаивает, обводняется, дорожное полотно теряет несущую способность. Стоит проехаться по такой дороге многотонному транспорту, и все — просадка обеспечена. Колеса проезжающих грузовиков просто проламывают асфальт над пустотами, разрушая так называемые выпоры асфальтового полотна.

При пучении и последующем оттаивании грунтов в весенне-летний период резко изменяются их физико-механические свойства, повышается их водопроницаемость и сжимаемость, что приводит к неравномерным просадкам земляного полотна дорог, сопровождается разжижением и выплеском грунта, образованием бугров выпирания, смещением откосов и кюветов и, естественно быстрым разрушением дорожного покрытия под влиянием механического воздействия проходящего транспорта.

Снижение воздействия сил морозного пучения на напряженно-деформированное состояние сезонно промерзающих морозоопасных грунтов транспортных сооружений (автомобильных и железных дорог) является важнейшей задачей, позволяющей снизить эксплуатационные затраты, обеспечить долгосрочную эксплуатацию, безаварийность и безопасность.

Под морозным (криогенным) пучением понимается процесс формирования напряжено-деформированного состояния, приводящий к увеличению линейных и объемных размеров породы. Пучение обусловлено протеканием целого ряда физико-химических и физико-механических процессов, таких как фазовые переходы воды в лед, миграция влаги, сегрегация льда, коагуляция и диспергация минеральных частиц и агрегатов, усадка и т.д. /4/.

Способ строительства наших дорог противоречит особенностям нашей страны, сочетание глинистого грунта и морозной зимы, кроме России и Казахстана, не встречается ни в одной стране мира.

По технологии дорожное полотно должно состоять как минимум из трёх слоёв – морозозащитного дренирующего слоя (песка) толщиной до полуметра, сквозь который просачивается вода, поверх него щебня, и только потом асфальта.

Но дороги у нас часто строятся с нарушением технологии, так как нормальные песчаные грунты, наиболее подходящие для строительства дороги, иногда приходится возить за сотни километров, поэтому, в целях экономии средств, насыпь делается из того, что есть под рукой, то есть из связных грунтов, а они предрасположены к пучению и хуже поддаются уплотнению.

Существует несколько способов решения проблемы пучения дорог:
• Замена пучинистого грунта на слой щебня определенной толщины под асфальтобетон;
• Проведение работ по отведению воды при возможном затоплении и подтоплении в результате таяния снегов либо после аварий коммуникаций;
• Защита дренирующего слоя от засорения геотекстильным фильтрующим полотном (геотекстиль дорнит).

Одним из видов земляных работ является «уплотнение грунта», которому строители уделяют особое внимание, так как нормативная плотность или коэффициент уплотнения материала определяет стабильность его работы во времени под воздействием климатических условий и нагрузок.

При проведении подобных работ естественно используется соответствующая техника, а именно дорожные катки.

Чтобы морозного пучения не происходило, нужно лучше уплотнять грунт, не оставлять в нем пор для прохода влаги, более тщательно уплотнять полотно катками, весящими не менее, чем 30-50 тонн, или способными создавать вибрацию с большой вынуждающей силой.

Ведь почему влага поднимается из толщи на поверхность? Да потому, что в недостаточно уплотненном глинистом грунте для нее существует проход в виде пор, пустот и рыхлостей. А укрепим, уплотним землю, влага не будет собираться под дорожной одежкой.

Можно, конечно, еще трамбовать полотно тяжелыми трамбующими машинами, но такие машины не могут работать в населенных пунктах или рядом с какими-либо объектами, так как создают очень большие динамические встряски грунта, сотрясающие все вокруг.

Так как тяжелых катков для нужд дорожного строительства практически не закупается, а своих дорожных катков в Казахстане не производится, глину продолжают трамбовать легкими катками, предназначенными для песчаных грунтов. В результате по весне на асфальте появляются трещины и выбоины, которые начинают заглаживать ремонтники, ничего не делая для уплотнения нижнего слоя.

Две трети денег, выделяемых местными бюджетами на дорожное строительство, уходит на ремонт уже существующих дорог, а не на строительство новых. Наш автотранспорт на одну подвижную единицу перевозит самый маленький груз в мире! И происходит это оттого, что большегрузные европейские фуры по большинству наших дорог в принципе проехать не могут, так как 76% дорог допускают перемещение грузовиков с нагрузкой на ось не более 6 тонн. А у европейских большегрузов и автобусов нагрузка на ось достигает 8-10 тонн. Так что если они и проезжают по нашим дорогам, то губят их окончательно.

Всемирный банк подсчитал /2/, что движение автотранспорта по участку дороги в 1350 км с заметными дефектами покрытия несёт годовую потерю, равную 250 млн. долларов США.

Отсюда и перерасход горючего. В среднем автомобиль расходует на наших дорогах в 1,5 раза больше горючего, чем в промышленно развитых странах, а средняя скорость автомобильных перевозок у нас по сравнению с этими странами вдвое ниже.

Дороги у нас по-прежнему строят так: по намеченной линии срезают всю почву, добираясь до грунта. Затем самосвалы привозят и на очищенную от почвы трассу высыпают привозной грунт (его слой после уплотнения должен быть не менее 1,5 метра в высоту). На уплотненный грунт укладывают дорожную одежду: это небольшой слой чистого песка, а сверху слой щебня. На эти сыпучие материалы в конце укладывают асфальтовое покрытие.

Дорога представляет собой многослойный пирог, и количество и толщина слоёв зависят от многих факторов – от грузоподъемности машин, от климатических условий. И если полсотни лет назад, когда по дорогам ездили в основном полуторки (максимум пятитонные грузовики), да и тех было немного, вполне хватало двухслойного покрытия толщиной 10-15 сантиметров на щебёночном основании в 25 сантиметров, то сейчас, когда по дорогам сплошным потоком идут многотонные фуры, конструкции дорог стали более мощными, в основании все чаще применяется укатываемый бетон толщиной 20-35 см, а суммарная толщина укладываемого асфальта равна 18-25 см.

На территории стран СНГ с 1939 года не менялся стандарт на плотность грунтовой насыпи, на которую кладут асфальт. За 70 лет выросли скорости и грузоподъемность машин, а дороги строят по довоенному - не для многотонных трейлеров, летящих со скоростью 120 км/час, а для полуторок.

Для строительства новых дорог по прежнему назначают норму уплотнения земляного полотна даже меньше стандарта плотности, принятого почти 70 лет назад (!), а ведь сегодня совсем другие нагрузки и скорости.

И еще одна справка: прочность наших дорог в 3,5 раза меньше американского стандарта.

Американцы сразу после войны подняли свой стандарт плотности дорожной подушки на 5%, а мы нет.

На первый взгляд это очень странно - если разница между американским стандартом и нашим всего 5%, то почему же качество наших и американских дорог отличается не на 5%, а в разы?

Посмотрим на график зависимости прочности дорожного полотна от плотности грунта (рисунок 1) /5/.

Экспонентная кривая на нем ясно показывает, что небольшое повышение плотности грунта всего лишь на 0,05, а это всего на 5-7%, дает увеличение прочности дороги в 2,5 раза. Если грунт утрамбован так, что вода не может по его порам подсосаться к асфальту, дорога переживет не одну зиму, она будет стоять десятилетиями без ремонта!

Повышение прочности и долговечности дорожной одежды избавляет от необходимости ремонтов, стоимость которых в процессе эксплуатации дороги значительно превысит дополнительные затраты на укатку.
Удлинение срока службы дорожной одежды ведет к увеличению ее потребительской стоимости.

Увеличение стандарта плотности насыпи выше нашего ГОСТа (установленного ещё в советское время) на 5% ведёт к тому, что промежуток между ремонтом американских дорог вдвое больше, чем в Казахстане, а качество дорожного полотна намного выше.

Рисунок 1- Зависимость прочности дорожного полотна от плотности грунта

В США необходимой плотности насыпи можно достигнуть обычным катком, поскольку там, в зависимости от штата, либо зима тёплая, либо песка много. Наши же суглинки и глины обычным статическим катком до такой плотности утрамбовать нельзя, поэтому наш ГОСТ подогнали под реальные возможности катка. Требовалось создание и разработка такого дорожного катка, который позволил бы уплотнить глинистые грунты настолько, что они не уступали бы по прочности песчаным. При таком уплотнении поры между частицами грунта уменьшаются, соответственно, падает и всасывающая сила грунта, и угроза морозного пучения и разрушения дороги.

При создании нового катка следовало учесть, что процесс уплотнения дорожно-строительных материалов наиболее эффективен, когда максимальные контактные давления под рабочими органами катков изменяются в строгом соответствии с изменением предела прочности уплотняемого материала на всем протяжении укатки, когда давления под рабочим органом уплотнителя приближаются по своей величине к пределу прочности материала, но не превышают его и каток может оперативно менять это давление не прерывая процесс укатки. На каждом этапе процесса уплотнения интенсивность воздействия рабочих органов на слой материала должна соответствовать изменяющимся свойствам смеси. При излишне высоких контактных давлениях будет происходить пластическое течение материала из-под вальцов катка, что влечет за собой еще и волнообразование, существенно ухудшающее ровность поверхности. При недостаточных давлениях не будет достигнута требуемая плотность слоя, что отрицательно скажется на прочности, несущей способности и долговечности дорожного покрытия. Поэтому остро встал вопрос о создании дорожного катка с регулируемым статическим давлением на уплотняемую поверхность в процессе укатки. Чтобы уменьшить сдвиг материала на первых, наиболее опасных, проходах катка, сохранив при этом его уплотняющую способность, в ВКГТУ, по аналогии с исследованиями в МАДИ /6/, разработана конструкция катка с вальцом переменной кривизны на базе серийно выпускаемого в РФ катка ДУ-47Б (рисунок 2) /7/. В данном катке повышение эффективности уплотнения дорожных оснований и покрытий осуществляется за счет бесступенчатого изменения контактного давления вальца на уплотняемый материал путем принудительного изменения радиуса кривизны вальца в зоне контакта с уплотняемой поверхностью. Такой каток может заменить несколько катков с обычными вальцами.

Изменение кривизны обечайки вальца в зоне контакта с уплотняемым материалом дает возможность плавного регулирования величины контактного давления в зоне контакта с материалом от прохода к проходу для приведения его к величине предела прочности уплотняемого материала, что приведет к сокращению типоразмеров катков. Разработано такое оборудование, которое позволит адаптироваться к уплотняемому материалу в ходе процесса уплотнения, и будет менять свои рабочие параметры с целью достижения максимального эффекта уплотнения.

На рисунках 2,б и 2,в показана схема контакта уплотняемой поверхности и вальца с изменяемой геометрией кривизны обечайки с указанием минимального и максимального радиусов кривизны в зоне пятна контакта с уплотняемой поверхностью /8/.

По схеме видно, что с увеличением пятна контакта вальца и уплотняемой поверхности уменьшается реакция опорной поверхности на валец и угол φ контакта уплотняемого материала и обечайки вальца катка. Два этих фактора указывают на то, что валец будет меньше проваливаться в уплотняемый материал по глубине и, соответственно, меньше сдвигать материал в горизонтальной плоскости. Из-за более малого угла φ₁ контакта с уплотняемой поверхностью валец подминает под себя материал в зоне контакта с ним, и уплотняет его, а не сдвигает перед собой как в случае с большим углом контакта φ₀. При уменьшении пластичности материала, например, при остывании асфальтобетона, и увеличении его жесткости обечайку вальца можно изменить таким образом, чтобы уменьшилось пятно контакта, а давление на уплотняемый материал увеличилось. Изменение пятна контакта вальца с уплотняемым материалом позволяет увеличить плотность грунта более чем на 7%. А такое увеличение плотности позволит уменьшить поры в уплотненном материале, а значит и уменьшить влагонакопление в уплотненном грунте, и, согласно рисунку 1, увеличить более чем в два раза прочность уплотненного материала.

Следует учесть, что наличие глинистого грунта приносит и положительные качества дорожному основанию. С увеличением содержания глинистых частиц прочность грунта возрастает до 1,5–2 раз по сравнению с песчаными грунтами /9/.

Реальная влажность связных грунтов является очень важным показателем, влияющим не только на прочность, но и на их уплотняемость.

Наилучшим образом такие грунты уплотняются при так называемом оптимальном содержании влаги.

а) б) в)

Рисунок 2. Устройство вальца дорожного катка с гибкой обечайкой: 1– обечайка из упругого материала; 2– опорные ролики; 3– гидроцилиндры; 4– рама катка; 5– кронштейны; 6– цилиндрические упоры; 7– пазы; 8– торцевые диски; 9– центральная ось вальца; 10– подшипниковый узел

С превышением реальной влажностью этого оптимума снижается прочность грунта (до 2 раз) и существенным образом понижается предел и степень возможного его уплотнения. Наоборот, с уменьшением влажности ниже оптимального уровня предел прочности резко возрастает (при 85% от оптимальной – в 1,5 раза, а при 75% – до 2 раз). Вот почему так трудно уплотнять маловлажные связные грунты.

Прочность дорожного покрытия в значительной мере зависит от качества укладки, а именно глубины уплотнения материала. Уплотнение- это увеличение количества связей в материале, их упрочение.

По мере уплотнения грунта растет и его прочность. В частности, по достижении в насыпи коэффициента уплотнения 0,95 прочность связного грунта повышается в 1,5–1,6 раза, а при 1,0 – в 2,2–2,3 раза по сравнению с прочностью в начальный момент уплотнения (коэффициент уплотнения 0,80–0,85).

У глинистых грунтов, обладающих выраженными реологическими свойствами вследствие их вязкости, динамическая прочность на сжатие может возрасти в 1,5–2 раза, а динамический модуль деформации таких грунтов повышается до 3–5 раз и более.

Это свидетельствует о необходимости прикладывать к связным грунтам более высокие уплотняющие давления, что и достигается разработанной конструкцией катка.

Уместно отметить, что с повышением плотности до 1,0 (100 %) динамическая прочность на сжатие некоторых высокосвязных глин оптимальной влажности возрастет до 35–38 кгс/см². При снижении же влажности до 80% от оптимальной, их прочность может достигать еще больших значений – 35–45 кгс/см² (плотность 95%) и даже 60–70 кгс/см² (100%). Контактных давлений, создаваемых простыми гладковальцовыми катками, даже для обычных суглинков оптимальной влажности будет явно недостаточно, чтобы получить требуемый нормативами результат уплотнения. Уплотнять подобные высокопрочные грунты можно только тяжелыми катками, способными изменять контактные давления в процессе укатки, что позволяет сделать разработанная конструкция вальца дорожного катка.

ЛИТЕРАТУРА

1. Д. Райнхольд. Современные технологии содержания асфальтобетонных дорог/ Каталог-справочник «Дорожная Техника – 2006». – М., 2006.– 4 с.

2. А. Никонов. Ухабы на дорогах /«Новая газета» № 61 от 21 августа 2003 г. //журнал «Огонек» — специально для «Новой газеты». 2003. – 6 с.

3. Н. Веденеева. Дороги, которые мы убиваем/«Московский Комсомолец» 18.06.2007. www.mk.ru/blogs/MK/2007/06/18/society/98635/– 4 с.

4. И.А. Афанасьев, А.М Бургонутдинов и.др. «Криогенные процессы в основании дорог» ПГТУ/ Материалы научно-технической конференции ПГТУ, г. Пермь 2005.

5. Дорожная мафия непобедима или почему в России плохие дороги?/Транспортный дозор. Май 2007. transbez.com /info /avto /road & full. html – 4 с.

6. Павлов В.В., Коняев А.Б. Каток с ведущим вальцем переменной кривизны / «Строительные и дорожные машины». –М., 1995. № 4.

7. Дудкин В.М., Кузнецов П.С., Сакимов М.А., Головнин А.А., Киялбаев А.К. Валец дорожного катка. Предварительный патент РК 18131. А.с. Республики Казахстан №51084. МПК Е01С 19/26. Опубл. бюл. № 12, 15.12.2006.

8. Дудкин М.В., Сакимов М.А., Қасымов А.Е. Уплотнение грунтового основания дорожного полотна гибким вальцом дорожного катка /Региональный Вестник Востока № 4 (36). 2007. ВКГУ. Усть-Каменогорск. 2007. С. 79-90.

9. Костельов М. П. Возможности и эффективность уплотнения виброкатками грунтов различного типа и состояния / Каталог-справочник «Дорожная Техника – 2004». –Санкт-Петербург, 2004. – 13 с.