SEASONAL CHANGES IN STRENGTH PAVEMENT

Каменчуков А. В.¹, Ярмолинский В. А.², Лопашук В. В.³

¹ORCID: 0000-0001-7997-3195, Кандидат технических наук, Тихоокеанский государственный университет, ²Доктор технических наук, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), ³Кандидат технических наук, Тихоокеанский государственный университет

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-38-00067

СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы оценки изменения прочности дорожной одежды вследствие сезонных колебаний влажности грунтов земляного полотна и дисперсных слоев основания дорожной одежды. Представлены материалы полевых испытаний и анализ динамики уменьшения прочности при постепенном увеличении нагрузки. Сопоставлены данные практического и теоретического эксперимента для расчетной и фактической влажности слоев конструкции. Рассмотрены причины и тенденции изменения прочности слоев основания. Это позволит внести соответствующие изменения модель работы дорожных одежд и повысить их надежность.

Ключевые слова: дорожная одежда, прочность, влажность, транспортно-эксплуатационное качество.

Kamenchukov A. V.¹, Yarmolinskiy V. A.², Lopashuk V. V.³

¹ORCID: 0000-0001-7997-3195, PhD in Engineering, Pacific National University, ²PhD in Engineering, Moscow Automobile And Road Construction State Technical University, ³PhD in Engineering, Pacific National University

SEASONAL CHANGES IN STRENGTH PAVEMENT

Abstract

In article questions of evaluation of changes in pavement strength due to seasonal fluctuations in humidity subgrade soil and disperse layers of pavement base. Materials of field tests and analysis of the dynamics of reduced strength while gradually increasing the load. Comparing the data of practical and theoretical experiment for the calculation and the actual moisture content design layers. The causes of and trends in the strength of the base layers. This will make the appropriate changes model of road pavements and to improve their reliability.

Keywords: pavement, durability, moisture, transport and operational quality, service life.

Автомобильная дорога, как комплекс линейных инженерно-технических сооружений, должна на протяжении всего срока службы отвечать требованиям нормативной и технической документации, удовлетворять требованиям качества и безопасности движения. Опыт проектирования и строительства дорог на территории юга Дальнего Востока показал, что фактический межремонтный срок службы дорог значительно меньше общепринятых стандартов [1, 2].

Достоверно установлено, что важнейшим аспектом жизненного цикла дороги является стабильность работы системы «рабочий слой земляного полотна – дорожная одежды» [3, 4]. При этом основными природно-климатическим и техногенными факторам, влияющими на работоспособность системы являются: неравномерный температурный режим работы; периодическое увлажнение поверхностными и грунтовыми водами; глубокое сезонное промерзание; не равномерное оттаивание конструктивных слоев дорожной одежды; динамическое и статическое воздействие транспортной нагрузки; усталостные изменения материалов конструкции.

Ранее были выполнены работы по дифференцированию режимы работы системы «рабочий слой земляного полотна – дорожная одежда» [5] и систематизации принципы и методы ремонта автомобильных дорог, для получения максимального эксплуатационного и экономического эффекта, в зависимости от транспортно-эксплуатационного состояния покрытия автомобильной дороги [6 – 8]. На основе ранее выполненных исследований было установлено, что за один год работы дорожная конструкция проходит три группы характерных состояний, только одно из которых соответствует расчетному состоянию:

1. Расчетное состояние конструкции со стабильными характеристиками слоев дорожной одежды;
2. Упрочнение конструкции вследствие зимнего замерзания с образованием линз и прослоек льда, изменяющих структурную целостность конструкции;
3. Весеннее разупрочнение конструкции вследствие оттаивания мерзлых водонасыщенных слоев и нарушения их структурной целостности.

Кроме этого было установлено, что наиболее подходящим периодом ремонта, с позиции обеспечения максимальной эксплуатационной эффективности работ при оптимальной минимизации затрат на выполнение работ является тот момент, когда покрытие дороги находится в относительно хорошем состоянии (по методике ОДН 218.0.006-2002) [6 – 8].

Проектирование нежестких дорожных одежд ведется по методике ОДН 218.046-01 исходя из расчетного состояния конструкции, которое в теории обеспечивает стабильную работу конструкции автомобильной дороги в самый неблагоприятный период. Для дорог, работающих на территории юга Дальнего Востока, в условиях большого интервала колебания температур и глубокого сезонного промерзания, таким периодам, несомненно, является весенняя распутица. На практике же стабильность работы дорожной одежды в период весенней распутицы не обеспечивается, что приводит к развитию значительных дефектов и деформаций во всех конструктивных слоях дорожной одежды и земляном полотне. Это связано с тем, что несущая способность дисперсных грунтов (особенно связных) напрямую зависит от влажности материала.

Ряд теоретических расчетов показал, что расчетная влажность грунтов основания дорожной одежды, является среднестатистической величиной для каждой дорожно-климатической зоны, не дает минимального значения прочности конструкции дорожной одежды в целом. К тому же прочность дорожной одежды уменьшается не пропорционально уменьшению модуля деформируемости дисперсных грунтов основания при увеличении их влажности [5]. Характер теоретического изменения прочности дорожной одежды представлен в таблице 1.

Так как расчетная влажность грантов основания дорожной одежды, при проектировании автомобильных дорог на большинстве территории юга Дальнего Востока, изменяется в пределах от 65 до 75 % от влажности на границе текучести, то возникает необходимость оценить общую картину изменения прочности дорожных одежд в течение одного годового цикла работы (за исключением зимнего периода, когда влажность слоев основания не влияет на снижение прочности).

Полевые исследования прочности дорожной одежд проводились в расчетный и нерасчетные периоды работы конструкции с 08.04.2014 по 31.08.2016 на автомобильных дорогах III категории:

• Дорога 1 – г. Хабаровск – с. Ильинка – с. Ракитное – с. Гаровка – пос. им. Горького;
• Дорога 2 – Обход с. Ракитное.

При проведении линейных испытаний прочности дорожных одежд модуль упругости определялся методом статического нагружения круглым жестким штампом немецкой фирмы «Tasting» с пошаговым награждением в диапазоне 0,01 – 0,60 МПа.

Таблица 1 – Теоретические изменения прочности дорожной одежды

Конструкция дорожной одежды	Общий модуль упругости дорожной одежды, МПа, при влажности основания
	0,65	0,70	0,75	0,80	0,85
Дорога 1 Покрытие из плотного мелкозернистого асфальтобетона h – 5 см; Верхний слой основания из пористого крупнозернистого асфальтобетона           h – 7 см; Нижний слой основания из ЩГПС обработанной битумом h – 20 см; Дополнительный слой основания – щебеночная смесь С-4 h – 38 см; Земляное полотно – супесь легкая.	308	276	228	206	174
Дорога 2 Покрытие из плотного мелкозернистого асфальтобетона h – 5 см; Верхний слой основания из пористого крупнозернистого асфальтобетона           h – 8 см; Нижний слой основания из ПГС обработанной битумом h – 18 см; Дополнительный слой основания – щебеночная смесь С-6 h – 36 см; Земляное полотно – супесь пылеватая.	258	224	204	192	164

 

Рис. 1 – Статическое нагружение штампа фирмы «Tasting»

  Прогиб под штампом вычислялся по формуле:    (1)

где S – истинный прогиб, мм; S_м – показатель индикатора, мм; h_p – расстояние по горизонтали от центра вращения стрелы до конца измерительного пальца м; h_hi – расстояние по горизонтали от центра вращения стрелы до точки измерения индикатора, м.

Модуль упругости определяется на основе первичного и вторичного нагружения по усредненному положению линии Давление–Прогиб с помощью полинома второй степени (пример для одного испытания показан на рис. 2) по уравнению:

  (2)

где σ₀ – среднее давление под штампом, МН/м²; α₀ – коэффициент полинома второй степени, мм; α₁  – коэффициент полинома второй степени, мм/(МН/м²); α₂ – коэффициент полинома второй степени, мм/(МН²/м4).

Коэффициенты уравнения (2) находят с помощью метода наименьших квадратов. Кривая первого нагружения характеризует модуль деформации конструкции дорожной одежды, вторая – модуль упругости:

   (3)

где r – радиус штампа, мм; σ_0max – максимальное давление под штампом, МН/м².

Рис. 2 – График зависимости прогиба S от напряжения под штампом P для разных условий нагружения (для одного испытания)

 

Конструкция дорожной одежды для дорог 1 и 2 приведена в таблице 1.

Результаты сопоставления полевых испытаний и теоретических расчетов прочности дорожной одежды приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты полевых и экспериментальных исследований

Из анализа таблицы 2 видно, что теоретическое значение прочности до-рожной одежды, определенное для максимальной наблюдаемой влажности, в среднем на 20 % выше минимального значения модуля упругости. Следует отметить тот фак, что большая прочность дорожной одежды в начальный период весенней распутицы обусловлена наличием мерзлых слоев основания, т. е. тем, что глубина оттаивания дорожной одежды в первые 10-15 дней распутицы не превышает 15-20 см и основание дороги находится в мерзлом состоянии.

Существенное снижение прочности дорожной одежды наблюдается при оттаивании конструкции на глубину более 40 см, когда происходит постепен-ное оттаивание дисперсных грунтов с консолидацией влаги возле границы оттаивания. Этот процесс проходит постепенно, до максимума снижения прочности дорожной одежды, когда фронт оттаивания уходит за пределы дополнительного слоя основания в рабочий сдой земляного полотна (глубина оттаивания дорожной одежды 60-70 см) и влажность слоев основания постепенно снижается до расчетного значения.

Так как процесс дестабилизации основания дорожной одежды напрямую зависит от интенсивности притока влаги, необходимо большое значение отдавать своевременному ремонту и поддержанию целостности покрытия дороги, отчистки откосов земляного полотна от снега и стабильной работы дорожного водоотвода. Рекомендации по выбору оптимальных методов ремонта дорожных одежд приведены в следующих работах [6 – 8].

Дальнейшая работа авторов заключается в подборе закономерностей изменения прочности дорожной одежды, адаптированной к условиям юга Дальнего Востока.

Список литературы / References

1. Каменчуков А.В. Оценка надёжности работы нежестких дорожных одежд / А.В. Каменчуков // Четвертый Всероссийский дорожный конгресс «Перспективные технологии в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог »: сб. науч. тр. – М.: МАДИ, 2015. – С. 127-131.
2. Каменчуков А.В. Оценка качества отдельных работ по ремонту покрытий автомобильных дорог / А.В. Каменчуков // Дальний Восток: Проблемы развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплекса : материалы международный научно-практической конференции. – Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2015.- Вып. 15. (Научные чтения памяти профессора М.П. Даниловского). – С. 29-33.
3. Ярмолинский В.А. Особенности расчета водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог Дальнего Востока в условиях глубокого сезонного промерзания / В. А.. Ярмолинский // Транспортное строительство. – 2009. - №2. – С.18-20.
4. Ярмолинский А.И. Эффективность ремонта автомобильных дорог Хаба-ровского края / А.И. Ярмолинский, А.В. Каменчуков // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования: труды Всероссийской молодежной научно-практической конференции (10-13 апреля 2012 года) : в 3 т./ под ред. Б.Е. Дынькина, А.Ф. Серенко. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012 – Т.1. С. 176-181.
5. Каменчуков А.В. Причины нестабильной работы дорожных одежд / А.В. Каменчуков, В.А. Ярмолинский // Строительство – формирование среды жизнедеятельности [Электронный ресурс] : сборник трудов Восемнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых (27–29 апреля 2016 г., Москва) / М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. – Электрон. дан. и прогр. (46,6 Мб). – Москва : МГСУ, 2016.- С.229-232.
6. Каменчуков А. В. Методика оценки эффективности ремонта покрытий автомобильных дорог / А.В. Каменчуков, В.А. Ярмолинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения : международный сборник научных трудов / под ред. А. И. Ярмолинского – Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2013. – № 13. – С. 47 – 52.
7. Разработка методики выбора эффективных методов ремонтных работ в зависимости от их стоимости и фактического транспортно-эксплуатационного состояния дорожного покрытия / В.А. Ярмолинский, А.В. Каменчуков // Транспортное строительство. 2014. № 8 – С.23-26.
8. Каменчуков А.В. Выбор оптимальных методов ремонта покрытия авто-мобильных дорог Хабаровского края / В.А. Ярмолинский, А.В. Каменчуков // Третий Всероссийский дорожный конгресс «Модернизация и научные исследования в дорожной отрасли»: сб. науч. тр. / МОО «Дорож. Конгресс», МАДИ. – М.: ТехПолиграф-Центр, 2013. – С. 60-69.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kamenchukov A.V. Ocenka nadjozhnosti raboty nezhestkih dorozhnyh odezhd [Evaluation of reliability of the nonrigid pavements] / A.V. Kamenchukov // Chetvertyj Vserossijskij dorozhnyj kongress «Perspektivnye tehnologii v stroitel'stve i jekspluatacii avtomobil'nyh dorog »: sb. nauch. tr. – M.: MADI, 2015. – P. 127-131.  [in Russian]
2. Kamenchukov A.V. Ocenka kachestva otdel'nyh rabot po remontu pokrytij avtomobil'nyh dorog [Evaluation of the quality of finishing work on the repair of highways pavement] / A.V. Kamenchukov // Dal'nij Vostok: Problemy razvitija arhitekturno-stroitel'nogo i dorozhno-transportnogo kompleksa : materialy mezhdunarodnyj nauchno-prakticheskoj konferencii. – Habarovsk : Izd-vo Tihookean. gos. un-ta, 2015.- V. 15. (Nauchnye chtenija pamjati professora M.P. Danilovskogo). – P. 29-33. [in Russian]
3. Jarmolinskij V.A. Osobennosti rascheta vodno-teplovogo rezhima zemljanogo polotna avtomobil'nyh dorog Dal'nego Vostoka v uslovijah glubokogo sezonnogo promerzanija [Features of the calculation of water and thermal regime of the subgrade of roads of the Far East in the conditions of deep seasonal freezing] / V. A.. Jarmolinskij // Transportnoe stroitel'stvo. – 2009. - №2. – P. 18-20. [in Russian]
4. Jarmolinskij A.I. Jeffektivnost' remonta avtomobil'nyh dorog Haba-rovskogo kraja [The effectiveness of road repair Khabarovsk Krai] / A.I. Jarmolinskij, A.V. Kamenchukov // Nauchno-tehnicheskie problemy transporta, promyshlennosti i obrazovanija: trudy Vserossijskoj molodezhnoj nauchno-prakticheskoj konferencii (10-13 aprelja 2012 goda) : v 3 t./ pod red. B.E. Dyn'kina, A.F. Serenko. – Habarovsk : Izd-vo DVGUPS, 2012 – T.1. P. 176-181. [in Russian]
5. Kamenchukov A.V. Prichiny nestabil'noj raboty dorozhnyh odezhd [Causes of unstability of pavements] / A.V. Kamenchukov, V.A. Jarmolinskij // Stroitel'stvo – formirovanie sredy zhiznedejatel'nosti [Jelektronnyj resurs] : sbornik trudov Vosemnadcatoj Mezhdunarodnoj mezhvuzovskoj nauchno-prakticheskoj konferencii studentov, magistrantov, aspirantov i molodyh uchenyh (27–29 aprelja 2016 g., Moskva) / M-vo obrazovanija i nauki Ros. Federacii, Mosk. gos. stroit. un-t. – Jelektron. dan. i progr. (46,6 Mb). – Moskva : MGSU, 2016.- P. 229-232. [in Russian]
6. Kamenchukov A. V. Metodika ocenki jeffektivnosti remonta pokrytij avtomobil'nyh dorog [Method of evaluating the effectiveness of road repair pavements] / A.V. Kamenchukov, V.A. Jarmolinskij // Dal'nij Vostok. Avtomobil'nye dorogi i bezopasnost' dvizhenija : mezhdunarodnyj sbornik nauchnyh trudov / pod red. A. I. Jarmolinskogo – Habarovsk : Izd-vo Tihookean. gos. un-ta, 2013. – № 13. – P. 47 – 52. [in Russian]
7. Razrabotka metodiki vybora jeffektivnyh metodov remontnyh rabot v zavisimosti ot ih stoimosti i fakticheskogo transportno-jekspluatacionnogo sostojanija dorozhnogo pokrytija [Develop procedures for the selection of effective methods of repair depending on their value and the actual transport and operating condition of pavements] / V.A. Jarmolinskij, A.V. Kamenchukov // Transportnoe stroitel'stvo. 2014. № 8 – P. 23-26. [in Russian]
8. Kamenchukov A.V. Vybor optimal'nyh metodov remonta pokrytija avto-mobil'nyh dorog Habarovskogo kraja [The choice of optimal methods for repair coating roads of Khabarovsk Territory] / V.A. Jarmolinskij, A.V. Kamenchukov // Tretij Vserossijskij dorozhnyj kongress «Modernizacija i nauchnye issledovanija v dorozhnoj otrasli»: sb. nauch. tr. / MOO «Dorozh. Kongress», MADI. – M.: TehPoligraf-Centr, 2013. – P. 60-69. [in Russian]