Обеспечение надежности дорожных одежд

Общие положения. Под надежностью дорожной одежды понимают вероятность того, что в течение заданного периода времени (срока службы) при заданных условиях эксплуатации она будет находиться в работоспособном состоянии, то есть обладать требуемыми транспортно-эксплуатационными показателями прочности, ровности и сцепления с колесом автомобиля. Общим количественным показателем надежности дорожной одежды является вероятность (обеспеченность) ее работоспособного состояния (по прочности, ровности и сцеплению) в течение установленного срока службы. Обеспеченность каждого отдельного свойства дорожной одежды - прочности, ровности или сцепления - является частным показателем ее надежности.

Наибольшие затраты обычно связаны с обеспечением надежности по прочности дорожной одежды. Чтобы уменьшить отрицательное влияние неизбежной изменчивости прочностных свойств возводимого земляного полотна и дорожной одежды, необходимо при строительстве дороги обеспечить, а при эксплуатации - поддерживать обоснованный (оптимальный) запас прочности. Запас прочности, необходимый для компенсации неравнопрочности (неоднородной прочности) строящейся дорожной одежды, зависит кроме других причин от степени изменчивости прочности, характеризуемой коэффициентом вариации.

Рассмотрим этот вопрос, используя нормальное распределение модуля упругости дорожной одежды. На рис. 14.1 и 14.2 показано в дифференциальной форме распределение модулей упругости дорожной одежды при разных значениях коэффициентов вариации. Заштрихованная площадь под кривой распределения соответствует вероятности r появления модуля ниже определенного значения. Как видно из графика, приведенного на рис. 14.1, величина r = 1 - р, где р - уровень значимости, существенно изменяется в зависимости от средней величины модуля упругости Е и его коэффициента вариации C_vE.

Рис. 14.1. Зависимость надежности дорожной одежды по прочности от изменчивости ее модуля упругости при одном и том же среднем модуле упругости Е

Рис. 14.2. Зависимость надежности дорожной одежды по прочности от изменчивости ее модуля упругости при разных величинах среднего модуля упругости: (C_ve = 0,15), (C_ve = 0,225) (C_ve = 0,30)

Проводя организационно-технологические мероприятия, можно существенно снизить степень изменчивости прочности дорожной одежды, что позволяет обеспечить заданный уровень надежности при меньших затратах, то есть при меньшем расходе материалов на строительство дорожной одежды.

Общий коэффициент вариации модуля упругости дорожной одежды определяется по известным коэффициентам вариации ее слоев. Для этой цели можно использовать формулу Барбера для двухслойной системы (рис. 14.3):

где (14.1)

Е_общ - общий модуль упругости двухслойной системы;

Е₁ - модуль упругости верхнего слоя;

Е₂ - модуль упругости на поверхности нижнего слоя;

h - толщина верхнего слоя двухслойной системы;

D - диаметр круга, равновеликого отпечатку колеса расчетного автомобиля;

где (14.2)

, , - соответственно средние квадратические отклонения модуля упругости верхнего слоя Е₁ , модуля упругости на поверхности нижнего слоя Е₂, толщины верхнего слоя h;

(14.3)

(14.4)

(14.5)

(14.6)

Зависимости (14.3-14.9) позволяют определять общий коэффициент вариации многослойной одежды, производя расчет послойно.

Рис. 14 3. Расчетная схема двухслойной системы (дорожной одежды)

Примерные значения коэффициентов вариации модулей упругости С_E грунтов земляного полотна и некоторых материалов, а также толщины C_h слоев дорожных одежд даны в табл. 14.3. и 14.4.

Таблица 14.3

Коэффициенты вариации модулей упругости для грунтов

Грунты	Относительная влажность
0,60	0,65	0,70	0,75	0,80	0,85	0,9
Коэффициенты вариации модулей упругости СE
Супеси пылеватые, суглинки, глины	0,10-0,18	0,17-0,23	0,18-0,25	0,19-0,26	0,19-0,27	0,20-0,27	0,20-0,28
Супесь легкая	0,09-0,15	0,10-0,17	0,12-0,18	0,12-0,20	0,14-0,20	-	-

Таблица 14.4

Коэффициенты вариации модулей упругости и толщины слоев материалов

Материала	Коэффициенты вариации
модулей упругости СE	толщины слоя Сh
Асфальтобетон	0,11-0,19	0,10-0,25
Холодные смеси (смешение на месте)	0,13-0,21	0,15-0,30
Смеси, включая грунты, обработанные минеральным вяжущим	0,15-0,25	0,10-0,20
Слои из необработанных щебня или гравия	0,17-0,28	0,12-0,20
Песчаный	0,12-0,18	0,12-0,22

Зависимость коэффициента вариации общего модуля упругости двухслойной системы от коэффициентов вариации модулей упругости верхнего слоя С_Е , модуля упругости на поверхности нижнего слоя и толщины верхнего слоя C_h имеет вид:

(14.7)

В табл. 14.5 приведены величины коэффициента вариации при различных значениях . Как видно из табл. 14.5, наибольшее влияние на однородность модуля упругости двухслойной системы оказывает однородность нижнего слоя. Это подчеркивает целесообразность обеспечения высокой однородности (равнопрочности) в процессе строительства всех слоев дорожной одежды и особенно земляного полотна. Существенную роль при этом играет уплотнение грунта. Например, увеличение числа проходов катка с 8 до 16 снижает коэффициент вариации модуля упругости грунта на 20 %. С помощью табл. 14.5 можно установить изменение общей равнопрочности многослойной дорожной одежды, рассматривая ее послойно снизу вверх как двухслойную систему (см. рис. 14.3).

Таблица 14.5

Величины коэффициентов вариации

Значения Ch	Значения	Значения при
0,1	0,2	0,3	0,4
0,1	0,1	0,09	0,099	0,110	0,124
0,2	0,164	0,168	0,175	0,184
0,3	0,240	0,243	0,248	0,254
0,4	0,318	0,320	0,323	0,328
0,2	0,1	0,117	0,123	0,132	0,143
0,2	0,179	0,183	0,189	0,198
0,3	0,251	0,254	0,259	0,264
0,4	0,326	0,328	0,331	0,336
0,3	0,1	0,150	0,154	0,162	0,171
0,2	0,202	0,206	0,211	0,219
0,3	0,268	0,270	0,274	0,280
0,4	0,339	0,341	0,344	0,349
0,4	0,1	0,186	0,190	0,196	0,204
0,2	0,233	0,236	0,241	0,245
0,3	0,290	0,292	0,296	0,301
0,4	0,357	0,358	0,362	0,366

Изменение конструкций дорожной одежды с учетом производственных условий. В процессе строительства автомобильной дороги нередко возникает необходимость внесения коррективов в утвержденные проектные решения. При этом приходится непосредственно на строительном объекте с участием группы рабочего проектирования вносить уточнения и изменения в различные детали проекта. Изменения проектных решений в отношении земляного полотна и элементов дорожной одежды всегда приводят к корректировке конструкции дорожной одежды. Такая корректировка должна обеспечивать повышение эффективности и качества вновь принятой конструкции по сравнению с ранее разработанной. При этом важно стремиться к снижению не только строительных затрат, но и эксплуатационных расходов. Целесообразность внесения изменений и уточнений в ранее принятые решения по конструкции дорожной одежды может возникнуть в следующих случаях:

1. При получении строительной организацией новых более совершенных машин и оборудования, требующих изменения технологии строительства дорожной одежды или земляного полотна.

2. При выявлении месторождений каменных, гравийных и других материалов, отвечающих нормативным требованиям, разработка которых не была предусмотрена в проекте, но использование их обеспечивает снижение затрат на добычу и переработку материала.

3. В случае обнаружения месторождения грунта для возведения земляного полотна, использование которого по техническим или экономическим соображениям более целесообразна. Возможно также изменение месторасположения грунтового карьера по иным причинам, например при другом парке машин по сравнению с предусмотренным проектом, при отказе в отводе земель и др.

4. При появлении возможности обработки минеральных материалов вяжущими, включая местные и отходы производства, что не было предусмотрено в проекте.

В процессе корректировки конструкции дорожной одежды необходимо пересчитать дорожную одежду с учетом требований к ее прочности, надежности и морозоустойчивости, предусмотренных первоначальным проектным решением, пользуясь отраслевыми дорожными нормами ОДН 218.046-01 [65].

Обеспечение прочности и надежности дорожных одежд в период строительства. В период строительства дорожной одежды наибольшее влияние на ее прочность и надежность оказывают обобщенные показатели: среднее фактическое значение общего модуля упругости на строящемся участке, характеризующего прочность, и коэффициент вариации общего модуля упругости дорожной одежды, характеризующий однородность прочности:

где (14.8)

- коэффициент вариации общего модуля упругости дорожной одежды;

- среднее квадратическое отклонение общего модуля упругости на данном участке;

- среднее значение общего модуля упругости дорожной одежды на участке.

При снижении однородность дорожной одежды по прочности возрастает и соответственно при данном значении возрастает уровень ее надежности. Установлены рекомендуемые пределы коэффициентов вариации общего модуля упругости для разных типов одежды. Для дорожных одежд капитального и облегченного типов они составляют соответственно 0,18 и 0,20.

Вычисление возможно путем послойного расчета дорожной одежды снизу вверх. Пределы применения коэффициентов вариации модулей упругости С_Е и толщины слоев С_h для ряда материалов слоев дорожной одежды приведены в табл. 14.4, а для грунтов коэффициенты вариации модулей упругости приведены в табл. 14.3.

Для обеспечения прочности и надежности дорожной одежды необходимо производить послойный операционный контроль качества строительства. Контроль (оценку) общей прочности дорожной одежды и послойный контроль прочности на поверхности слоев дорожной одежды можно осуществлять по значению измеренного упругого прогиба под нагрузкой и вычисляемого по прогибу в модуле упругости Е. При этом используют зависимости:

на поверхности одежды и твердых ее слоев

(14.9)

на грунте земляного полотна и песчаном основании

где (14.10)

р - среднее удельное давление под площадкой, передающей нагрузку (для рассматриваемых испытаний обычно жесткий штамп, имеющий в плане форму круга диаметром D);

l - упругий прогиб, мм;

μ - коэффициент Пуассона, принимаемый в среднем для дорожной одежды в целом и ее верхних слоев - 0,30; а для грунта и песчаного слоя - 0,35;

π/4 - коэффициент, учитывающий влияние жесткого штампа.

В большинстве случаев строительство дорожной одежды осуществляют в летне-осенний период, а расчетное значение модуля упругости дорожной одежды (Е_тр) соответствует периоду наибольшего ослабления дорожной одежды (для большинства районов Российской Федерации - весна). Поэтому в период строительства модули упругости грунта земляного полотна и ряда слоев дорожной одежды могут существенно отличаться от их расчетных значений. В частности, модули упругости грунта земляного полотна обычно выше расчетных, а модули упругости слоев, содержащих органическое вяжущее, - ниже. В связи с этим измеренное значение общего модуля упругости одежды Е_общ отличается от Е_тр, поэтому при анализе результатов оценки прочности необходимо вводить путем послойного расчета поправку, учитывающую влияние климатических факторов (влажности грунта и температуры слоев, содержащих органическое вяжущее) [5], а также проводить испытания построенного участка одежды в расчетный период.

Кроме того, в период строительства целесообразно систематически осуществлять послойный контроль однородности дорожной одежды по модулям упругости и по толщине слоев. Увеличить однородность дорожной одежды можно за счет повышенного уплотнения грунта земляного полотна. При этом следует подчеркнуть, что однородность грунтов существенно возрастает при снижении их относительной влажности (см. табл. 14.3), что дополнительно способствует повышению степени их уплотнения.

При строительстве дорожных одежд с монолитным цементобетонным покрытием или основанием технология работ оказывает значительное влияние на однородность бетона по прочности на растяжение при изгибе. Коэффициент вариации прочности бетона зависит от степени наладки технологического процесса приготовления бетона, эффективности и своевременности контроля качества работ. Статистический контроль качества приготовления цементобетонной смеси позволяет получить экономию вяжущего материала - цемента - при обеспечении требуемого класса прочности бетона. Однородность прочности бетона зависит от совершенства технологии и оборудования ЦБЗ, культуры производства, качества исходных материалов для приготовления смеси и соблюдения технологической дисциплины. На передовых производственных предприятиях коэффициент вариации прочности бетона не превышает 0,04-0,08. При снижении коэффициента вариации прочности бетона с 0,135 до 0,08 можно сэкономить до 10 % цемента при обеспечении требуемого класса прочности бетона.