Напряженно-деформированное состояние дорожных конструкций, процесс их разрушения

Под нагрузкой от колес автомобиля дорожная одежда прогибается, затем постепенно восстанавливается (рис, 5.1, а). Прогиб от колеса тяже­лого грузового автомобиля рас­пространяется во все стороны, образуя чашу прогиба радиусом до 3 – 4 м, которая перемещается по ходу движения автомобиля. Чаши проги­ба частично перекрывают друг дру­га, охватывая всю ширину полосы движения. При этом в слоях одежды возникают напряжения сжатия, растяжения, изгиба и сдвига (рис. 5.1. б). Чрезмерные напряжения от транспортных нагрузок при­водят к возникновению деформа­ций.

Рис. 5.1. Схема образования чаши прогиба и разрушения нежестких дорожных одежд под колесом автомобиля:

1 – колесо; 2 – прогиб дорожной одежды; 3 – сжатие шины; 4 – дорожная одежда; 5 - земляное полотно; 6 – чаша прогиба; 7 - зоны растяжения и трещины в одежде; 8-выпирание грунта; 9-направление сжатия грунта

Напряженно-деформированное состояние дорожных одежд зависит от их конструктивных особенностей, структуры и свойств материалов, прочности грунта земляного полот­на, загружения дороги. Слои одеж­ды имеют структуру контактного, коагуляционного или кристаллиза­ционного типов.

При структуре контактного ти­па, характерном для слоев щебня, гравия и песка, минеральные части­цы взаимодействуют непосредствен­но. Такие слои не обладают связ­ностью и практически не проявляют вязких свойств.

При структуре коагуляционного типа минеральные частицы покры­ты пленками воды или органическо­го вяжущего. К таким материалам относят грунты, связные и укреп­ленные органическим вяжущим, битумоминеральные смеси и ас­фальтобетон. Материалы, обрабо­танные органическим вяжущим, от­личаются повышенной связностью и под действием нагрузки проявляют­ся как упругие, так и вязкие свойства.

Кристаллизационный тип струк­туры характерен для цементобето­нов, каменных материалов и грун­тов, укрепленных цементом и дру­гим минеральным вяжущим. Связь между частицами материала осу­ществляется через спайки, образованные кристаллами вяжущего. Для таких материалов характерна повы­шенная жесткость и прочность, уп­ругие свойства выражены достаточ­но четко. Для слоев одежды из мо­нолитных материалов наиболее опасны растягивающие напряжения, возникающие в слое при изгибе, а для слоев из слабосвязных материа­лов (зернистых) – напряжения сдвига (касательные).

Для слоев и покрытий с контакт­ным типом структуры наиболее ха­рактерны просадки за счет доуплотнения и дезинтеграции фракций, ис­тирания, а на покрытиях – волнис­тость, выбоины, износ. При каждом прогибе дорожной одежды отдель­ные зерна каменных материалов ис­тираются, раскалываются, размель­чаются. В частицах мельче 0,071 мм, образующихся при размельчении щебня, может наблюдаться капил­лярное поднятие и длительное удер­жание воды. Превращаясь во влаж­ную пластическую массу между твердыми зернами, мелкие частицы вместе с водой облегчают перемеще­ние зерен, увеличивая размеры про­гиба одежды под колесами автомо­билей и ускоряя дальнейшее измель­чение материалов. При этом повы­шается суммарная поверхность зе­рен и вяжущего становится недоста­точно. Кроме того, происходит ста­рение вяжущего, покрытие стано­вится более жестким. Сначала обра­зуются волосные, затем более широ­кие трещины, в которые проникает вода, замерзающая зимой, и покры­тие постепенно разрушается. Для слоев с коагуляционным типом структуры наиболее характерны ус­талостные и температурные трещи­ны, деформации в виде сдвигов и наплывов. Физико-механи­ческие свойства материалов, обра­ботанных битумом, определяются особенностями связей, возникаю­щих между отдельными зернами, и зависят от свойств битума, толщи­ны его пленки, а со временем – от изменения его химического состава.

При старении материала типа ас­фальтобетона под действием воды и кислорода воздуха выявляются три стадии (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Влияние старения битума на долго­вечность покрытия:

1 – изменение когезионной прочности битума; 2 - изменение прочности покрытия; К, С – точки рез­кого падения прочности

На первой стадии длительное время нарастает проч­ность, водоустойчивость, уменьша­ются деформативные свойства мате­риала. Это происходит за счет уменьшения количества масел, уве­личения смол, особенно асфальтенов, повышения вязкости и когезии битума в результате взаимодействия битума с минеральным материалом. На второй стадии старения снижается водо- и морозоустойчивость битумоминерального материала без заметного изменения его прочности. Третья стадия сопровождается рез­ким снижением прочности материа­ла, повышением его водонасыщения, набухания и уменьшением водо- и морозоустойчивости. Это приводит к коррозии покрытия, уси­ленному выкрашиванию минераль­ных частиц и образованию выбоин и разрушений.

При одном прогибе дорожной одежды, минеральный материал ко­торой обработан органическим вя­жущим, эти изменения могут быть бесконечно малыми. Однако за пе­риод службы одежды число проги­бов измеряется миллионами, поэто­му остаточные деформации возрас­тают. Механизм усталостного раз­рушения состоит в следующем. Хо­тя максимальные растягивающие напряжения при проходе одного ав­томобиля значительно меньше кри­тических, из-за неоднородности ма­териала локальные напряжения мо-гут существенно отклоняться от среднего значения. В местах, где они превышают предел упругости плё­нок битума, связи рвутся. Повторя­ющиеся приложения нагрузки при­водят к накоплению разорванных связей. В результате через опреде­ленное число циклов приложения на­грузки в нижней части покрытия по полосам наката появляются про­дольные тонкие трещины, объеди­няющиеся затем в большие, обра­зуется сетка трещин, которые растут одновременно в двух направлениях: вверх и по длине. При дальнейших нагружениях трещина проходит сквозь покрытие и становится види­мой на поверхности.

Разрушение асфальтобетона зави­сит от скорости нагружения и темпе­ратуры и может носить как хрупкий, так и вязкий характер. Критическим периодом работы покрытия являет­ся весенний, когда в результате сни­жения прочности грунта земляного полотна прогиб дорожной одежды максимальный, а температура по­крытия часто колеблется от 0 до + 10°С.

С повышением скорости автомо­билей время действия растягиваю­щего напряжения в покрытии сокра­щается, вместе с этим уменьшаются повреждения от транспортных средств. Однако это происходит только на розных покрытиях. При наличии неровностей возникают разрушения из-за динамического воздействия нагрузки. Горизонталь­ные (тангенциальные) сжимающие и растягивающие напряжения служат причиной пластических деформаций, а также разрушений в верхних слоях дорожной одежды (сдвигов, волн, наплывов и поперечных трещин по следам наката).

Такие деформации особенно час­ты на тонких покрытиях - толщиной менее 8 см. При большей толщине покрытий сдвиговые деформации бывают реже, так как напряжения, вызываемые в дорожной конструк­ции тангенциальными усилиями, приложенными на поверхности по­крытия, сравнительно быстро зату­хают по глубине (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Эпюра распределения касательных напряжений по глубине

Для слоев и покрытий кристал­лизационного типа более характер­ны восстанавливающиеся деформа­ции и разрушения (трещины, проло­мы, шелушение, истирание).

В цементобетонных покрытиях напряжения возникают под влияни­ем нагрузки и температуры воздуха. При нагревании и охлаждении по­крытие изменяет размеры, но из-за трения нижней поверхности покры­тия (или основания) о грунт по­являются температурные напряже­ния. К ним также относят напряжения, возникающие в результате равномерного распределения темпе­ратур по толщине покрытия и при­водящие к короблению. Темпера­турными условно можно считать также напряжения от неравномерного поднятия покрытия в процессе зимнего вспучивания земляного полотна. Температурные напряжения совместно с напряжениями от нагру­зок транспортных средств приводят к образованию и развитию трещин в бетоне.

Деформации и разрушения земля­ного полотна и водоотводных соору­жений.Для земляного полотна ти­пичны осадки, просадки, пучины и деформации обочин, расползание насыпей, сползание и размывы отко­сов, выдувание обочин и откосов из несвязных и слабосвязных грунтов (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Характерные деформации и разрушения земляного полотна:

а - осадка: б - просадка; в - сползание насыпи; г - то же откоса.

Осадки возникают вследствие не­достаточного уплотнения или пере­увлажнения грунтов, особенно часто в местах повышенного увлажнения, при применении недоброкачествен­ных грунтов для высоких насыпей.

Просадки насыпей образуются на участках со слабыми подстилающи­ми грунтами – на болотах, просадочных грунтах, карстах и т. д.

Сползание происходит на косогорных участках из-за недостаточного сопротивления сдвигу основания на­сыпей или на оползневых участках. Причинами этих деформаций явля­ются недоброкачественная подго­товка основания (отсутствие усту­пов, недостаточное уплотнение), наличие в основании слабопрочных грунтов, повышенное увлажнение и недоуплотнение нижних слоев на­сыпи.

Оползание откосов наблюдается при применении слабых грунтов, их переувлажнении и недоуплотнении, чаще всего из-за отсутствия укреплений и, интенсивного увлажнения атмосферными осадками или поверх­ностной водой. Кроме того, сполза­ние может быть из-за превышения норм крутизны откосов, присыпки земляного полотна при уширении без устройства уступов или с недос­таточным уплотнением.

Размывание и выдувание обочин и откосов происходит вследствие вод­ной и ветровой эрозии, когда земля­ное полотно возведено из несвязных или слабосвязных грунтов при не­достаточно эффективном укрепле­нии откосов и обочин.

Для обочин характерны деформа­ции в виде колей и выбоин, возника­ющих от наезда автомобилей на не­укрепленные обочины, особенно ув­лажненные и недостаточно уплот­ненные. К деформациям обочин от­носят образование обратного укло­на, особенно там, где установлены парапеты, ограждения и сигнальные столбики, мешающие планировке обочин в процессе содержания.

Деформации и разрушения водоот­водных сооружений различны по ха­рактеру и причинам возникновения.

Грунтовые канавы и лотки под­вергаются размыву в первую оче­редь в местах больших продольных уклонов, заиливаются и зарастают при малых уклонах.

Канавы и лотки, укрепленные пли­тами, каменными и другими мате­риалами, могут размываться водой в местах стыков плит, разрушений укрепляющих устройств к т.д.

Дренажные и подземные водосточ­ные трубы засоряются грунтом и случайно попавшими предметами (соломой, травой, корягами), из-за чего прекращается их работа.

Для водопропускных труб харак­терны раковины, выщелачивание раствора, вымывание грунта из тела насыпи, трещины, сдвиги звеньев, деформации оголовков, отделение оголовков от тела трубы, просадки, засорение.

Раковины и выщелачивание-разру­шение материала конструкции вследствие выветривания наружных слоев бетона под действием грунтовой и поверхностной воды, частично растворяющих и вымывающих вя­жущие.

Вымывание грунта из насыпи про­исходит при нарушении изоляции стыков между звеньями в образо­вавшиеся щели вода выносит грунт, образуя пустоты за трубой.

Трещины в бетоне и сдвиги звеньев возникают при неравномерном, иногда одностороннем давлении грунта на трубу. Условия работы трубы под нагрузкой ухудшаются при образовании пустот в насыпи из-за вымывания грунта.

Деформации оголовков в отделе­нии их от трубы могут быть вызва­ны неравномерной осадкой фунда­ментов оголовков и звеньев, их под­мывом, увеличением горизонталь­ного давления на оголовки при пере­увлажнении грунта насыпи и сполза­нии откосов.

Просадки – вертикальные неравно­мерные смещения звеньев вследст­вие неодинакового давления насыпи по длине трубы (большее давление на средние звенья). Этому обстоя­тельству способствует применение при возведении насыпи слабопроч­ных грунтов (торфяных, илистых) и вымывание грунта в основании звеньев.