Разработка методов обеспечения устойчивости автомобильных дорог при строительстве на слабых основаниях. Нгуен Ф.Н., Рябова О.В

На правах рукописи

Нгуен Фыонг Нгок

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА СЛАБЫХ

ОСНОВАНИЯХ

Специальность 05.23.11– Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ – 2016

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы.

Социалистическая Республика Вьетнам является быстро развивающимся государством в Юго-Восточной Азии. Экономика страны, разрушенная почти до основания во время длительных войн, сегодня достигла впечатляющих темпов развития. За период с начала 1990-х по 2015 гг. Вьетнам в четыре раза увеличил объѐм ВВП при ежегодных темпах роста в 5-6 %. В свою очередь соци- ально-экономическое развитие страны, сопровождающееся высокими темпами роста количества промышленных объектов невозможно без высокоразвитой до- рожно-транспортной сети.

Однако решение этой задачи в СРВ затрудняется рядом объективных причин, т.к. реальные сроки службы асфальтобетонных покрытий во многих случаях составляют не более 4-5 лет из-за деформаций покрытия в виде трещин, появляющихся уже в первый годы эксплуатации дорожного покрытия, выбоин, просадок, проломов, колейности на поверхности покрытия Появление таких характерных дефектов дает право говорить о недостаточной несущей способности грунтов земляного полотна, т.к. работоспособность дорожных одежд и всего сооружения напрямую зависит от устойчивости, прочности и долговечности земляного полотна под действием статической и динамической нагрузок.

Встране продолжается рост грузоподъемности и интенсивности движения транспортных средств. В 2015 по сравнению с 1990 г. суммарное количество транспортных средств увеличилось на 880,9%. Общая численность автомотопарка в настоящее время составляет более 32,4 млн. транспортных средств, большинство из которых имеют высокую степень износа, что оказывает негативное воздействие на окружающую среду;

Во Вьетнаме постоянно наблюдается повышенная влажность в период муссонных дождей, а также высокие температуры окружающего воздуха в сочетании с интенсивной солнечной радиацией (УФ- и ИК-излучение).

Основным материалом для покрытий автомобильных дорог является асфальтобетон, который обладает гидроизоляционными свойствами, имеет необходимую прочность и технологичность устройства из него слоев дорожной одежды. Однако кроме этих достоинства, асфальтобетонное покрытие не может самостоятельно нести нагрузку, поэтому оно должно передать ее на нижележащие слои конструкции. При воздействии солнечной инсоляции и ультрафиолетового излучения, а также при наличии влаги битумные компоненты асфальтобетона претерпевают химические изменения, в результате чего они теряют свои эластичные и вяжущие свойства. Поэтому вначале появляются отдельные выбоины и микротрещины, которые под воздействием климатических и эксплуатационных факторов разрастаются до необходимости серьезного ремонта дорожного покрытия.

Вкомплексе эти факторы существенно снижают потребительские и эксплуатационные характеристики дорожно-транспортной сети Республики

3

Вьетнам. Формирование динамично развивающейся, устойчиво функционирующей и сбалансированной национальной дорожно-транспортной инфраструктуры является основной проблемой, над которой работают дорожные организации Вьетнама.

Это ставит задачу управления состоянием дорог с учѐтом закономерностей формирования и изменения их эксплуатационных свойств в ряд первоочередных и остро актуальных.

Степень разработанности темы исследования.

Автомобильные дороги представляет собой комплекс инженерных сооружений для круглогодичного, непрерывного, комфортного и безопасного движения транспорта с расчетной нагрузкой и скоростями в любой погоде.

Анализ результатов исследований ученых и специалистов дорожников свидетельствует о том, что для обеспечения расчетных эксплуатационных параметров автомобильной дороге в процессе ее строительства необходимо обеспечить нормативную прочность и устойчивость земляного полотна, дорожной конструкций, проектные геометрические параметры и ровность покрытия.

Выполнение этих требуемых условий, невозможно без учета климатических, гидрологических и гидрогеологических факторов окружающей среды. Динамика водно-теплового режима земляного полотна приводит к сложным физико-химическим процессам в слабых грунтах, которые негативно влияют на прочность и устойчивость автомобильных дорог и сокращают срок их службы. Чередование температурно-влажностных воздействий и солнечной радиации на асфальтобетонное покрытие вызывают ускоренное старение входящего в его состав битума, что приводит к потере прочности и сдвигоустойчивости дорожного полотна.

Поэтому при разработке методов устойчивости при строительстве автомобильных дорог на слабых основаниях необходимо произвести оценку влияния параметров окружающей среды на прочность и долговечность конструктивных слоев дорожной одежды.

Целью диссертационной работы является разработка методики обеспе-

чения устойчивости и прочности эксплуатационного состояния дорожной конструкции на слабых основаниях в природно-климатических условиях Республики Вьетнам на протяжении их жизненного цикла.

Задачи исследований:

-изучить влияние водно-теплового баланса грунтового слоя и атмосферы на состояние земляного полотна с учетом вьетнамских климатических условий при моделировании автомобильных дорог;

-установить зависимость эксплуатационных параметров асфальтобетонного покрытия от воздействия на него инфракрасного и ультрафиолетового излучений;

-разработать математическую модель для оценки и прогнозирования зависимости физико-механических свойств слабых грунтов от их увлажнения;

4

-разработать инновационные предложения по стабилизации эксплуатационных свойств дорожных конструкций на слабых основаниях;

-разработать комплексные технологические мероприятия для обеспечения климатической устойчивости автомобильных дорог во Вьетнаме.

Объект исследования: земляное полотно, асфальтобетонное покрытие

Научная новизна исследований:

-разработана математическая модель для оценки и прогнозирования влияния водно-теплового режима на эксплуатационное состояние земляного полотна с учетом влияния антропогенных и природно-климатических вьетнамских факторов. В математическую модель с использованием классического уравнения водного баланса введена система ограничений, которая свидетельствует о том, что поступление влаги из различных источников всегда превышает или равно ее оттоку. В объеме уплотненного земляного полотна под влиянием транспортной нагрузки формируется равновесное состояние грунтов, в которых влажность, плотность и температура подчиняются закону синусоиды от максимальных значений в сухой период и практически до полной потери несущей способности в муссонный период;

-установлена закономерность процесса фотоокислительной деструкции, протекающей в органическом вяжущем при воздействии ультрафиолетового излучения в атмосферных условиях методом ИК-спектроскопии. Под действием ультрафиолетового излучения и кислорода воздуха происходит окисление битумов с образованием нейтральных и кислых продуктов, т.е. продуктов окислительной полимеризации. В результате этого физико-химические свойства битума ухудшаются, т.к. он становится более хрупким. В этом состоянии под действием нагрузок транспортных средств битум легко разрушается;

-исследована фотоокислительная стабильность битума, содержащего в качестве минерального наполнителя известняк и сталеплавильный шлак, используемые в производстве асфальтобетонных смесей для сравнения скорости старения чистого битума БНД 60/90 в условиях ультрафиолетового излучения. В битумных композитах, содержащих известняковый минеральный порошок, и сталеплавильный шлак, минеральный наполнитель поглощает ультрафиолетовое излучение, снижая интенсивность цепных реакций окисления и защищая битум от старения;

-разработана комплексная система с применением гибких трубчатых оболочек, заполненных некондиционными грунтами, которые размещаются в нижней части земляного полотна и перекрывается геотекстильной прослойкой для регулирования состояния водно-теплового режима и повышения устойчивости

инесущей способности земляного полотна при строительстве автомобильных дорог на слабых грунтах;

-разработаны рекомендации по повышению физико-механических показателей асфальтобетонного покрытия при постоянном воздействии природноклиматических факторов в условиях Вьетнама включающая: армирование геосетками конструкции дорожной одежды и укладку плотного асфальтобетона в

5

нижней части покрытий, их санацию путем устройства защитного слоя «Дорсан» использования технологии силкоутинга или изоляционного материала

SteelGuard.

Достоверность результатов научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена применением современных приборов и оборудования при изучении процессов, соблюдением правил физического и математического моделирования, адекватностью теоретических предположений и результатов экспериментальных исследований, а также удовлетворительной сходимостью с результатами исследований других авторов.

Теоретическая значимость заключается:

-в установлении закономерностей формирования и динамики изменения эксплуатационных свойств автомобильных дорог в природно-климатических условиях Вьетнама;

-в обосновании необходимости укладки плотного асфальтобетона в нижнем слое покрытия и возможности обеспечения несущей способности земполотна на слабых основаниях путем укладки гибких трубчатых элементов, заполоненных некондиционным грунтом;

-в разработке рекомендаций по сохранению эксплуатационных параметров асфальтобетонного покрытия при солнечном облучении в условиях переувлажнения грунтов.

Практическая значимость работы заключается в:

-результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что при одновременном действии ультрафиолетового излучения и кислорода воздуха в битуме протекают окислительные процессы. Окисление усиливается воздействием свободных радикалов, образовавшихся при действии УФ излучения, которые также принимают участие в других химических превращениях лѐгких фракций битума в более тяжѐлые. Эти процессы в конечном итоге приводят к старению битума в результате фотоокислительной деструкции при ультрафиолетовом облучении;

-проведѐнные экспериментальные исследования устойчивости асфальтового вяжущего с известняковым минеральным порошком и сталеплавильным шлаком подтверждают возможность сохранения эксплуатационных свойств покрытия при УФ воздействии;

-использовании результатов исследований в учебном процессе на дорож- но-транспортном факультете Воронежского ГАСУ. Экспериментальные исследования были проведены с помощью научно-технической базы центра коллективного пользования Воронежского государственного университета.

Положения, выносимые на защиту:

-результаты лабораторных исследований по воздействию на свойства битума ультрафиолетового облучения;

-результаты лабораторных исследований воздействия ультрафиолетового облучения на асфальтовое вяжущее вещество;

6

-уточненная математическая модель, позволяющая прогнозировать состояние параметров автодорог в течение жизненного цикла сооружения;

-рекомендации технологических мероприятий для обеспечения устойчивости земляного полотна автомобильных дорог с применением гибких трубчатых оболочек, заполненных некондиционными грунтами;

-рекомендации по обеспечению устойчивости асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог с использованием защитного слоя «Дорсан» или за- щитно-изоляционного материала SteelGuard.

Методология и методы исследования.

В работе выполнялся комплекс теоретических и экспериментальных исследований. В теоретической части применялась математическая модель с использованием классического уравнения водного баланса, в экспериментальной части осуществлялось исследование процессов фотоокислительной деструкции, протекающей в битуме БНД 60/90 при воздействии ультрафиолетового излучения в атмосферных условиях.

Апробация результатов исследований:

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научной конференции «Град ВГАСУ»

(г. Воронеж, 2014).

Публикации:

По материалам исследований опубликовано 8 научных работ объемом 53 страницы. Личный вклад автора составляет 9 страницы. Четыре статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ: «Научный вестник Воронежского государственного строительного университета», «Наука и техника в дорожной отрасли».

Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, содержащего 140 наименование. Материалы диссертации изложены на 151 страницах. Диссертация содержит 27 таблиц и 53 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, представлены научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе приведено влияния природно-климатических факторов Вьетнама на эксплуатационное состояние дорожных сооружений и рассмотрены воздействия на окружающую среду в процессе жизненного цикла сооружений дорожно-транспортной инфраструктуры, сформулированы цель и задачи исследований.

Земляное полотно является основным элементом автомобильной дороги. На земляное полотно воздействуют: нагрузки от дорожной одежды и транс-

7

портных средств; погодно-климатические факторы, которые влияют на процессы увлажнения – высыхания, что изменяет свойства грунтов. Одной из основных причин разрушения земляного полотна дорожных сооружений является поверхностные и подземные воды. Для надежной работы дорожной одежды необходимо применять способы регулирования водно-теплового режима земляного полотна.

Вопросами способов повышения устойчивости и прочности грунта земляного полотна, регулирования его водно-теплового режима автомобильных дорог занимались Н.Н. Иванов, В.М. Сиденко. В.К. Некрасов, Н.А. Пузаков, И.А. Золотарь, А.Я. Тулаев, М.Б. Корсунский, К.С. Теренецкий, В.Ф. Бабков, А.П. Васильев, М.В. Немчинов, Н.В. Орнатский, И.Е. Евгеньев, В.П. Подольский, В. Ч. Ле и др.

Анализируя факторы окружающей среды Вьетнама, оказывающие отрицательное влияние на дорожную конструкцию автомобильных дорог в специфических природно-климатических условиях можно предположить, что основными причинами разрушения земляного полотна автомобильных дорог являются разуплотнение грунтов и повышенная влажность в период муссонных осадков. Кроме того, в результате длительного воздействия погодно-климатических факторов (УФ-облучения, повышенных температур и влаги) асфальтобетонное покрытие автомобильных дорог снижает эластичность и повышает хрупкость, т.е. происходит старение дорожных битумов.

Рассмотрены типичные виды деформаций дорожных конструкций в условиях повышенной влажности Вьетнама.

Поэтому разработка комплексных технологических мероприятий для обеспечения климатической устойчивости автомобильных дорог является актуальной.

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию технологии содержания дорожной конструкции в условиях Вьетнама.

Большинство автомобильных дорог во Вьетнаме располагаются на слабых и переувлажненных грунтах. Практика их эксплуатации показывает, что земляное полотно быстро разрушается из-за необеспечения несущей способности.

В зависимости от условий увлажнения, вида грунтов использованных в конструкции земляного полотна в период эксплуатации могут возникать напряжения, которые развиваются в различные деформации, обусловленные физико-механическими свойствами и структурой грунтов. В процессе эксплуатации земляное полотно и дорожная конструкция непрерывно подвергаются воздействию механических и атмосферных факторов, под влиянием которых в ней возникают и развиваются соответствующие напряжения от гравитационных и динамических воздействий, и касательных напряжений, в итоге приводящие к деформациям земполотна.

Результаты обследования и диагностики дорожно-транспортной инфраструктуры Вьетнама свидетельствуют о том, что одной из причин преждевре-

8

менных повреждений дорожной конструкции является недостаточная плотность грунтов земляного полотна.

Недостаточно уплотненные грунты отличаются неоднородностью, пониженной прочностью и повышенной пористостью, поэтому в земляном полотне происходит интенсивный тепломассообмен: воздуха, пара и влаги. При различной температуре окружающей среды и влажности происходит перемещение влаги в земляном полотне, конструкции дорожной одежды, что приводит к набуханию грунта или снижению модуля упругости.

При наличии ливневых стоков, а также при колебаниях температуры и атмосферного давления происходит динамическое изменение уровня грунтовых вод и высоты капиллярного поднятия влаги, перемещение водяных паров и пленочной влаги к местам с более низкой температурой и меньшей влажностью.

Современные исследования российских и вьетнамских учѐных посвященные исследованиям прочности и устойчивости земполотна в сложных грунтовогеологических условиях основаны на решении уравнений водно-теплового баланса верхнего грунтового слоя и приземной атмосферы, рис. 1.

Существующие методы прогноза влажности грунтовых оснований в основном базируются на анализе уравнения водного баланса:

где V – сумма осадков за рассматриваемый отрезок времени;

VC, VИ, VВ – соответственно сток, испарение и впитывание влаги для единичной поверхности.

Расчѐтная схема миграции влаги в верхнем грунтовом слое толщиной hР ≤ 1,5 м с атмосферой и подземными водами, иллюстрирует распределение влажности грунта в пространстве капиллярного поднятия. Эпюрой WПВ – WУВ описывается взаимодействие конденсационных и капиллярных сил и их воздействие на влажность грунта в зоне аэрации. Она определяется от WПВ – полной влагоѐмкости до WУВ – минимальной влагоѐмкости на уровне капиллярной границы hКГ и до WА влажности грунта у дневной поверхности. При определении исходных параметров для составления уравнения баланса необходимо ввести ограничения, учитывающие вид грунта в основании насыпи и расстоянии от

9

дневной поверхности до горизонта грунтовых вод. В дискретных грунтах (щебѐночных, песчано-гравийных, крупнозернистых песках) капиллярное поднятие влаги не происходит, а при глубине залегания грунтовых вод более 1,5 м капиллярная влага не достигает нижней границы конструкции дорожной одежды. При определении расчетного периода времени необходимо учитывать начало и окончание сухого и влажного сезонов в трех климатических зонах Вьетнама, т.к. устройство и содержание земляного полотна невозможно в период муссонных дождей.

Поглощенная солнечная радиация, определяемая альбедо поверхности, для расчищенной и естественной грунтовых поверхностей, полученная эмпирическим путем имеет вид:

- для суглинистых грунтов и глин

В объеме уплотненного земляного полотна под влиянием транспортной нагрузки формируется равновесное состояние грунтов, в которых влажность, плотность и температура подчиняются закону синусоиды от максимальных значений в сухой период практически до полной потери несущей способности в муссонный период.

Совместное решение балансовых уравнений в результате преобразований приобретает вид:

где mi - дополнительное снижение влажности грунтового слоя за счѐт увеличения поверхностного стока после заблаговременного проведения подготовительных инженерных мероприятий; WT - относительная влажность грунта в долях от влажности предела текучести; L - коэффициент, зависящий от типа грунта, равен: для супесей пылеватых и суглинков легких пылеватых 0,63, суглинков тяжѐлых пылеватых 0,68, 0,74; r - параметр, характеризующий воднофизические свойства грунта (составляет для супесей, суглинков легких 1,5, суглинков тяжѐлых, глин - 2,5); Wср,i - средняя влажность грунта; W1,i - влажность грунта от начала i - расчѐтного периода.

Третья глава посвящена обоснованием закономерностей формирования и динамики изменения эксплуатационных свойств автодорог в условиях Вьетнама.

Для наблюдений за изменениями химического состава битума в процессе термоокислительного старения, в нашем эксперименте был использован метод ИК-спектроскопии, основанный на поглощении, отражении и рассеивании энергии инфракрасного излучения при прохождении через вещество. Спектро-

10