32.17.1. Концепции проектирования дорожных одежд нежесткого типа

Деление дорожных одежд на жесткие и нежесткие характерно для стран СНГ, так и стран ЕС и США. При этом практически никаких различий по структуре не наблюдается. Основные отличия заключаются в методах расчета нежестких дорожных одежд.

Расчетный срок службы дорожного покрытия – это период, в течение которого дорожное покрытие начинает ухудшаться с момента завершения строительства и продолжает разрушаться с течением времени. Через несколько лет его поверхность начинает растрескиваться, и трещины постепенно становятся шире и многочисленнее. Дорога начнет деформироваться с появлением колейности и выбоин, коробления, расползания покрытия и т.д. и будет продолжать разрушаться, если ее не обновлять. Поверхность дороги постепенно станет более неровной, пока автомобили не начнут двигаться по ней с большим трудом.

В одних странах сроком эксплуатации дороги считают период, в течение которого дорога доходит до состояния разрушения, когда как в других определяют конец службы дорожной одежды тем моментом, когда водители отказываются по ней ездить. Например, в Великобритании дорога считается разрушенной при появлении на ней выбоин 20мм и более или больших трещин и расщелин, или когда она нуждается в укреплении верхнего покрытия или частичной реконструкции. В США срок службы определяется в руководстве по проектированию AASHTO (Американское общество дорожных администраторов) в виде индекса эксплуатационной надежности, который является самым низким допустимым уровнем, по достижении которого необходимы обновление покрытия или реконструкция. Первоначально индекс срока службы определяется тем, насколько хорошо покрытие служит пользователю с точки зрения удобства и качество проезда, которое выражалось в виде субъективной оценки по 5-балльной шкале. Состояние дороги измеряется в виде индекса существующего (на момент измерения) индекса эксплуатационной надежности (PSI – Present Serviceability Index). В ходе дорожного теста AASHTO, проведенного в 50-е годы, когда эксплуатационные качества дороги были оценены в виде предполагаемого PSI, этот коэффициент относится к физическому состоянию и неровности дорожного покрытия. Окончательный индекс эксплуатационной надежности выбирается проектировщиком в соответствии с рейтинговым значением дороги.

В обсуждение этой проблемы включились транспортные экономисты, высказав мнение, что руководство проектированием и эксплуатацией должно в результате дать дорогу, которая будет иметь минимальную общую стоимость срока службы. Теперь это считается ведущим принципом, хотя и не всегда реализуется на практике. Принцип заключается в том, что общая стоимость дороги, т.е. затраты на строительство, содержание и эксплуатацию должна быть сведена к минимуму. Конечно, это касается далеко не только проектирования дорожных покрытий, но дает инженерам-проектировщикам экономический ориентир.

При распространенном одобрении и поддержке систем управления проектирования и эксплуатации дорожных покрытий (и мостов) проектирование дорожных покрытий могло бы стать составной частью системы управления, с тем, чтобы проектные стандарты и расчетный срок службы могли бы учитываться при обслуживании, и была принята самая экономичная стратегия. Такая политика еще не получила широкого применения, но важно к ней стремиться как к конечной цели.

Существуют два взаимодополняющих подхода к разработке методов проектирования дорожных одежд. Один заключается в применении структурного анализа, в ходе которого за основу берутся идеальные свойства грунта и материалов слоев дорожного покрытия, чтобы разработать теорию проектирования, наиболее близкую к практике. Другой подход основан на наблюдениях и эксперименте, в результате которых рождается метод, основанных на эксплуатационных свойствах реальных дорожных покрытий под воздействием транспорта. Первый подход дает понимание поведения идеальных дорожных покрытий и определяет места приложения критических нагрузок. Изучение последствий влияния переходного прогиба и уровней нагрузки при использовании сочетаний различных материалов в слоях с разной относительной толщиной и жесткостью стало возможным в последние годы благодаря компьютерам и программному обеспечению. Такое изучение позволило распознать важнейшие критерии проектирования.

Первое понимание функций дорожного покрытия пришло тогда, когда уравнения Бусинеска (1885) были интегрированы в уравнения, позволявшие игнорировать нагрузки в полубесконечном гомогенном (однородном) изотропическом эластичном массиве породы (модуль Е), к плоской поверхности которого приложено равномерное давление р (Па), действующее на круглую площадь радиусом r (м). Вертикальные и горизонтальные нагрузки уменьшаются от максимума на поверхности до относительно небольших величин на глубине, равной двум диаметрам под центром подвергнувшейся нагрузке площади. Максимальное сдвигающее напряжение достигает максимального значения на глубине 0,71r. Пластичные материалы с низкой прочностью в этой зоне имеют тенденцию к разрушению в виде сдвига, когда поверхностные нагрузки достигают критических величин. При замене материала близко к поверхности слоем более прочного материала можно получить структуру с лучшим сопротивлением прилагаемым нагрузкам.

Прогиб поверхности покрытия в центре подвергнутой нагрузке площади равен

, (32.9)

где  – коэффициент Пуассона.

В 1943 году Бурмистр выдвинул теорию, рассмотрев распределение нагрузки и смещения в случае, когда для распределения напряжения от приложенной нагрузки был использован слой (как, например, дорожное покрытие) с величиной Е, отличной от полубесконечного материала под ним. Прогиб двухслойной равномерно нагруженной системы находится как

, (32.10)

где F₂ – безразмерный коэффициент, зависящий от соотношения модулей упругости слоев дорожной одежды и отношения толщины слоя к радиусу приложенной нагрузки; E₂ – общий модуль упругости системы основание – земляное полотно, МПа.

Реальное покрытие, конечно, это не одиночный эластичный изотропический однородный слой. Таблицы теоретических решений для нагрузок, растяжений и деформаций в трехслойных системах, допускающих полное сцепление без каких-либо зазоров или смещений на поверхностях раздела слоев, были даны Джеральдом и Уордлом в 1976 году. Эти решения позволяют принимать во внимание большинство первичных переменных при проектировании нежесткого покрытия. Рассмотренные нагрузки представляют собой поверхностные силы, которые могут быть приложены к поверхности дороги колесом автомобиля, включающие вертикальную нагрузку, внутренний и однонаправленный сдвиг, приложенные к круглой площади. Они представляют собой вертикальный сдвиг шины, сцепление и тормозящие/ускоряющие силы.

Применение этих таблиц для трехслойного покрытия, подвергнутого колесной нагрузке 40 кН с радиусом контакта 100 мм, показало, что нагрузка растяжения на дне поверхностного слоя равна 2,3 МПа, а напряжение на дне основания равно 70 кПа, тогда как прогиб поверхности под нагрузкой равен 0,7 мм. Наверху грунтового основания (уровень земляного полотна (породы)) вертикальное усилие в грунтовом основании равно 28 кПа, а прогиб уровня породы непосредственно под нагруженной площадью равен 0,4 мм. Заметьте, что дорожное покрытие уменьшило давление колеса с 1270 кПа на поверхности покрытия до 28 кПа на грунтовом покрытии, на уровне породы.

Исходя из вышесказанного, за рубежом выработаны следующие основные критерии проектирования дорожных одежд нежесткого типа:

– грунтовое покрытие должно выдерживать нагрузки транспорта без чрезмерной деформации; для этого определяется вертикальное напряжение при сжатии или деформация на уровне породы;

– битумные поверхностные слои не должны давать трещин под воздействием многократных транспортных нагрузок; для этого проверяется горизонтальная нагрузка на растяжение или деформация на дне поверхностных слоев;

– битумные материалы (или материалы, связанные цементом), используемые в дорожных оснований, рассчитанных на длительный срок службы, не должны растрескиваться под воздействием многократных транспортных нагрузок; для поверхностных слоев проверяется горизонтальная нагрузка на растяжение или деформация на дне дорожного основания;

– в покрытии, содержащем значительный слой битумных материалов, должна быть ограничена внутренняя деформация эти материалов; их деформация является показателем их текучести;

– способность распределения нагрузки гранулированных подстилающих грунтов и дополнительных слоев должны обеспечивать удовлетворительную платформу для строительства.

Хотя метод анализа нагрузок очень полезен для достижения понимания характеристик взаимодействия слоев покрытия, важно иметь в виду, что реальные материалы, из которых делают дорожные покрытия, ведут себя не так как совершенные эластичные материалы. Анализ нагрузок лишь помогает оценить величину нагрузок в идеальной эластичной структуре, но не рассматривает пластичных деформаций и не определяет нагрузок и напряжений, при которых начинается пластичная деформация.

Ниже дается краткое описание некоторых главных ограничений допущений, принимаемых при расчетах дорожных одежд.

1. Хотя битумные материалы при переходных нагрузках ведут себя так же как и эластичные материалы (в действительности вязкоупругие), они обладают упругим модулем в большей степени подверженным воздействию температур и зависящим от длительности и частоты нагрузки.

2. Битум подвержен твердению с возрастом из-за окисления, которое происходит на поверхности очень быстро. Эта хрупкость в сочетании с химическими нагрузками часто ведет к появлению на поверхности трещин, которые затем расширяются вглубь. Эта такая же распространенная форма разрушения, как и усталостное разрушение, которое вызывает появление трещин внизу асфальтобетонного покрытия.

3. Если в каком либо из слоев образовались трещины, дальше этот процесс не идет. В отличие от напряжения сжатия, которое может передаваться, растягивающие напряжения не передаются. Поэтому слои, в которых есть трещины, значительно меняют распределение нагрузок. Точно так же вязкие деформации влияют на распределение нагрузок, нагрузка в этом случае передается на другие элементы, которые в свою очередь оказываются перегруженными.

4. Несвязанные гранулированные основания не могут выдерживать растягивающих напряжений, хотя анализ на эластичность может показать, что нижняя граница слоя основания находится под растягивающим напряжением.