2549

3.За 50 лет модернизации идеологии прочности дорожных конструкций их общая требуемая толщина возросла с 30 до 60 см, то есть в два раза, но все еще остается меньше европейской на 20÷40 %.

4.Выносливость покрытий дорог в России рассчитывается в форме сроков службы на 15÷20 лет. Фактически она составляет половину этой величины и отличается от современных сроков, принятых в других странах, в 1,5÷2 раза в сторону занижения.

5.Уже после 10 лет эксплуатации (к 2010 г.) на дорогах обнаруживаются температурные и усталостные трещины и колея, что является следствием слабости свойств асфальтобетонных покрытий и недостатка общей прочности дорожных конструкций, а армирование асфальтобетонных покрытий геосинтетикой носит пока экспериментальный характер.

Представленные выше этапы развития идеологии прочности дорог России на протяжении полувека со всеми заблуждениями, ошибками все же демонстрировали постоянное стремление инженерно-технического и научного сообщества России к совершенствованию механизма обеспечения прочности дорог (см.

табл. 1.1).

Но в XXI веке достигнутый в прошлом уровень знаний о работе дорог и их состоянии уже не достаточен для России. Освоение идеологии прочности на современном этапе развития сети дорог России требует отказа от терминологических «штампов» и применения истинно физических явлений и терминов.

В настоящей книге применяются традиционные для физики явления и характеристики механики: физика удара по сплошной и слоистой среде, затухание напряжений и колебаний, упругое волнообразование, распространение упругих волн в слоистой среде, скорости распространения продольных и поперечных волн, динамические модули упругости, коэффициенты Пуассона, отражение и преломление импульсов напряжений в слоистой дорожной конструкции.

В третьем тысячелетии автотранспортная сеть дорог России встретилась с новыми физическими явлениями в дорожных конструкциях и новыми обстоятельствами их нагружения (табл. 1.2).

Во-первых, экспериментально установлен факт возникновения волновых полей динамических деформаций в дорожных конструкциях. Эти волновые поля движутся горизонтально вместе с источником их возбуждения (движущимися автомобилями) и

13

распространяются в слоистом полупространстве (дорожной конструкции) по трем направлениям со скоростями распространения продольных и поперечных

14

волн. Поля характеризуются максимальной амплитудой колебаний (динамическим прогибом), частотой смены знака амплитуды, интенсивностью затухания (декрементом) и характеризуют динамическое напряженно-деформированное состояние слоистой среды (дорожной конструкции).

Во-вторых, начиная с 90-х годов XX века, Россия стала испытывать автомобильный бум. Резко возросло количество транспортных средств. Легковой транспорт принес в мегаполисы и крупные города проблемы безопасности движения и транспортные коллапсы. Изменился состав транспортных потоков на автомагистралях. Теперь в составе транспортных потоков уже на 30÷50 % объема присутствуют грузовые многоосные автомобили, автопоезда с массой 40÷50 т и нагрузкой на ось в 100÷130 кН, двигающиеся со скоростью 100÷ 120 км/ч. По скорости движения и массе грузовой автотранспорт приблизился к железнодорожному. Если сравнить конструкцию железнодорожного пути, включающую стальной рельс, высокопрочные шпалы из преднапряженного цементобетона, щебеночный балласт в 50 см с типичной дорожной конструкцией с асфальтобетонным покрытием и общей толщиной 50÷60 см, то ясно видно, что дорожные конструкции оказались неспособными воспринять воздействие транспортных потоков тяжелого состава. Начались массовые разрушения дорог, последствия которых до сих пор преодолевают федеральные и территориальные дорожные ведомства, занимаясь преимущественно капитальным ремонтом и реконструкцией дорог.

В-третьих, наиболее передовые страны рассчитывают на количество нагружений 4-полосных автомагистралей за 30 лет автомобилями с нагрузкой на ось 100 кН в 30 млн для тяжелого движения. Для обычного движения автомагистрали рассчитывают на 10 млн нагружений, а полосы движения – 2,5 млн нагружений.

В-четвертых, современные дорожные конструкции проезжей части автомагистралей зарубежных стран – это толстые асфальтобетонные покрытия (толщиной до 32 см) на основаниях из дискретных и связанных материалов органическими и минеральными вяжущими.

В-пятых, срок службы дорожной конструкции до исчерпания хорошего или удовлетворительного состояния покрытия по ровности принят 15÷20 лет.

16

Итак, требования к современной прочности дорожных конструкций автомагистралей состоят в следующем:

в аналитическом расчете требуемой толщины слоев дорожной конструкции при многократном воздействии подвижной расчетной нагрузки путем определения ее общего динамического прогиба и сравнения его с допустимым;

в назначении осевой нагрузки на покрытие конструкции от «расчетного грузового автомобиля» в 100, 115 кН (ГОСТ) или 130 кН

идостоверном приведении различных транспортных средств в потоке к выбранной осевой нагрузке. Расчеты динамического прогиба конструкции осуществлять при скорости движения нагрузки в 80 и 100 км/ч;

в увеличении выносливости покрытий и оснований дорожных конструкций для автомагистралей I категории до 7,6 млн нагружений, дорог II и III категорий до 2,5 млн. Это возможно путем устройства асфальтобетонных покрытий и оснований повышенной толщины (24÷32 см), армирования асфальтобетонных и цементобетонных покрытий, а также применения асфальтобетонов повышенной усталостной прочности;

в применении в слоях износа асфальтобетонов повышенной прочности на сжатие R20 ≥ 6 МПа, так как норма ГОСТа в 2,2 МПа не обеспечивает требуемого соотношения в 0,1÷0,2 контактного давления от колеса в 0,6 МПа к прочности на сжатие, при которой износ и пластические деформации не проявляются. В желательном применении в качестве оснований под асфальтобетонными покрытиями монолитных оснований из каменных материалов и грунтов, укрепленных органическими и минеральными вяжущими;

во введении нового понятия – «заданный срок службы» вместо «срок службы» и установлении его нормы: для асфальтобетонных покрытий – 15 лет до исчерпания «хорошего» состояния по ровности. Меньшие «сроки службы» вызовут более ранний переход дорог в неудовлетворительное состояние и опережение их количества протяженности вновь строящихся дорог, то есть увеличение объемов недоремонта дорог;

в армировании асфальтобетонных покрытий и оснований с целью уменьшения количества температурных трещин геосинтетической сетчатой арматурой, адекватной по деформативной

17

способности и прочности комплексным температурным и силовым полями покрытий (см. табл. 1.2).

2. ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ТЯЖЕСТИ ДВИЖЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ НА ДОРОГАХ

Совершенно очевидно, что разрушения дорог от воздействия транспортного потока зависит от массы автотранспортных средств, величины колесной нагрузки на дорожную конструкцию и доли тяжелых и сверхтяжелых автомобилей в транспортном потоке. Также очевидно, что чем больше масса автомобиля и доля тяжелых автомобилей в потоке, тем больше объем ожидаемых разрушений. Легковые автомобили вызывают только нерадикальные поверхностные разрушения покрытий в виде истираемости (износа) или полируемости поверхности, в то время как тяжелые автотранспортные средства вызывают растрескивание от колееобразования, просадки и существенное ухудшение продольной и поперечной ровности.

Таким образом, характеристика тяжести движения производится по 4-м классам: легкое и среднее, тяжелое, очень тяжелое и супертяжелое движения на основе некоего произведения

n

M mi gi , представляющего собой общую массу (т). Здесь mi –

1

массы транспортных средств; gi – доли их в транспортном потоке; n

– число типов автомобилей в потоке.

Весовые параметры современных типов автомобилей приведены

втабл. 2.1. Из нее следует, что в составе современных транспортных потоков на дорогах могут присутствовать с различной вероятностью 8 типов автомобилей – от легковых до семиосных сверхтяжелых грузовых автомобилей, отличающихся по массам и нагрузкам на ось в 10÷20 раз. Параметры нагрузок (ГОСТ 52748-2007 [1]), приведенные

втабл. 2.1 и обязательные для расчетов дорожных конструкций дорог I – II категорий – АК-115 кН и III-IV категорий – АК-100 кН, находятся в середине весового ряда транспортных средств и используются для приведения его к одному типу расчетного автомобиля, например АК-100 кН, через значения коэффициента

18

приведения (см. табл. 2.1). Классификация тяжести автомобильного движения (табл. 2.2) необходима для прогноза уровня нагружения проезжей части автомагистралей различного назначения. Так, для скоростных дорог в городах, автомагистралей, в туристических зонах следует прогнозировать 1-й и 2-й классы по тяжести движения; для дорог федерального значения – 2-й класс; для автомагистралей транснациональных, межгосударственных, промышленных районов городов и территорий – 3-й и 4-й классы.

5автомобилиРасчетные . нагрузки по ГОСТ

52748-2007

классов:

19

Их приведение к осевой нагрузке АК-100 (100 кН на ось) и накопительное суммирование дает коммулятивную кривую 1 с надежностью 90 %. Отклонения от нее (кривые 2 и 3) в пределах ±10 % ÷ ±20 % увеличивают надежность до 95 и 99 %. Это дает основание осуществить классификацию автомобильного движения по дорогам по степени тяжести на 4 класса (табл. 2.2).

1-й класс тяжести движения – легкое и среднее движение, если транспортный поток состоит из автомобилей с массой от 2 до 10 т и он эквивалентен потоку из автомобилей с нагрузкой 100 кН/ось и массой 16 т (нагрузка АК-100 по ГОСТ 52748-2007) в количестве 2÷ 5 %;

2-й класс тяжести движения – тяжелое движение. В нем тяжесть движения характеризуется содержанием в потоке автомобилей нагрузки АК-100 от 20 до 50 %;

3-й класс тяжести движения – очень тяжелое движение, при котором в потоке содержится 55÷68 %автомобилей с нагрузкой АК-100; 4-й класс тяжести движения – супертяжелое движение, при котором в потоке содержится до 95÷100 % автомобилей с нагрузкой

АК-100.

21

, кН

, т

Рис. 2.1. Статическое распределение транспортных средств

впотоке по общей массе и нагрузкам на ось:

1– коммулятивная кривая транспортных средств, приведенная

кнагрузке АК-100 с надежностью 90 %; 2 – то же, с надежностью 95 %; 3 – то же, с надежностью 99 %; 4 – данные наблюдений [2, 3]

Таблица 2.2

Классификация тяжести автомобильного движения

Доля автомобилей в потоке, приведенных

Классификация

Типы автомобилей к нагрузке АК-100, %

тяжести

при надежности

автомобильного

0,90 0,95 0,99

движения

22