Проектирование автомобильных дорог Часть 1

Разные способы введения вяжущего в процессе строительства определяют различия в структуре получающихся покрытий.

Смешение на дороге осуществляют путем перемешивания авто­ грейдерами рассыпанного по дороге слоя щебня или гравия, после поливки из гудронаторов жидким битумом, дегтем или эмульсией из расчета от 3 до 7% массы каменного материала в зависимости от содержания мелких частиц.

Пропитка — введение эмульсий или разогретых вязких битумов и дегтей в покрытие путем розлива по поверхности не полностью укатанного слоя щебня одинаковой крупности. Расход вяжущего при­ мерно 1 л битума на 1 м2 площади на 1 см глубины покрытия. Пос­ ле проникания битума в глубь россыпи поверхность покрытия засы­ пают мелким щебнем и уплотняют тяжелыми дорожными катками, вдавливающими его в поры между крупными щебенками. Устойчи­ вость покрытий по типу пропитки обеспечивается главным образом заклинкой щебня, создаваемой в процессе укатки. Недостатком это­ го типа покрытий является относительно большой расход вяжущих материалов. Вяжущее, просачивающееся по пустотам россыпи ка­ менных материалов, не проникает в точки контакта между щебен­ ками, где его действие было бы особенно эффективно, а образуют сгустки в этих пустотах.

Поверхностная обработка — тонкий защитный слой, создаваемый на поверхности Дорожной одежды путем розлива 2—2,5 л/м2 битума с последующей засыпкой очень мелким щебнем и прикаткой. В за­ висимости от количества розливов битума й засыпок щебнем раз­ личают одиночную и двойную поверхностные обработки. Поверх­ ностная обработка повышает сопротивление покрытия износу и де­ лает его водонепроницаемым, в результате чего во влажные перио­ ды года покрытие остается сухим и имеет повышенный модуль деформации. Обычно в запас прочности слой поверхностной обра­ ботки в расчетах толщины дорожных одежд не учитывают, так как при использовании щебня твердых пород увеличивается коэффи­ циент сцепления и значительно повышается безопасность движе­ ния. Поверхностные обработки покрытий часто выполняют как ме­ роприятие для повышения безопасности движения.

Щебеночные покрытия обладают малым сопротивлением изно­ су при проезде автомобилей, так как касательные усилия, возника­ ющие в зоне контакта пневматических шин с покрытием, наруша­ ют эффект укатки. Поэтому как самостоятельный тип щебеночные покрытия применяют лишь при малой интенсивности движения.

Щебеночные покрытия и основания устраивают в несколько сло­ ев из щебенок примерно одинаковых размеров. Прочность щебе­ ночных покрытий обеспечивается заклинкой, создаваемой при укат­ ке. При устройстве покрытия в поры поверхности основного слоя щебня крупностью 50—75 мм, прикатанного самоходными дорож­ ными катками с поливкой водой для уменьшения трения между ще- -бенками, заклинивают укаткой более мелкий щебень (клинец)—

301

размером 15—25 мм. На последнем этапе постройки более мелкие поры, оставшиеся после укатки клинца, заклинивают каменной ме­ лочью размером 5—15 мм. Щебеночные основания под усовершенст­ вованные покрытия не расклинивают. Решающим фактором в устойчивости щебеночных покрытий и оснований служит внутрен­ нее трение между щебенками, а также связывающее действие ка­ менной пыли, которая появляется при истирании щебенок во вре­ мя укатки.

В покрытиях из естественного гравия или из искусственно по­ добранных по крупности гравийных смесей прочность обеспечива­ ется подбором скелета по принципу оптимальной смеси, в которой поры между крупными частицами заполнены более мелкими час­ тицами, и смесь обладает минимальной пористостью. Связность обеспечивается мелкими частицами пыли и глины, входящими в со­ став гравийного материала. В сырое время года прочность покры­ тий снижается.

Основания из гравия просты в строительстве и достаточно проч­ ны и устойчивы, если в их составе не содержатся избытки мелко­ зернистых примесей, придающих смеси пластичность в периоды ув­ лажнения. По типу гравийных строят покрытия из местных мало­ прочных материалов и побочных продуктов промышленности (слабых известняков, доменных и топочных шлаков, болотной же­ лезной руды, отсортированных горелых сланцевых пород из отва­ лов каменноугольных шахт и др.).

Мостовые — покрытия и основания, устроенные из отдельных,, установленных вплотную друг к другу естественных или искусствен­ ных камней.

Усовершенствованные мостовые, устраиваемые из брусчатки или клинкера, отличаются ровной поверхностью. Мостовые из гру­ бого колотого или валунного камня (булыжные мостовые) иногда используют на дорогах II и III категорий как покрытия времен­ ного типа или как основания под более совершенные типы покры­ тий, а на дорогах более низких категорий — как самостоятельны» тип покрытий. Близки к булыжным мостовым основания из пакеляжа — камней, укладываемых большим основанием (постелью) вниз. Заполнение и расклинивание щебнем промежутков между камнями создает относительно Монолитное основание.

Крупнейшим недостатком булыжных мостовых и пакеляжных оснований является необходимость их укладки (мощения) вручную, дорогостоящей и не соответствующей современным требованиям механизированного скоростного строительства. Поэтому строитель­ ство мостовых на дорогах практически прекращено.

Дорожные покрытия и основания из укрепленных грунтов име­ ют большие перспективы развития из-за отсутствия во многих рай­ онах страны естественных каменных материалов. Грунты, обра­ ботанные цементом, приобретают прочность и устойчивость против воздействия влажности, что позволяет использовать их как мате­ риал для конструктивных слоев дорожных одежд. Основания иэ

302

цементогрунта давно уже находят широкое применение. Построен­ ные в опытном порядке покрытия из цементогрунта с поверхност­ ной обработкой достаточно успешно работают на дорогах с малой интенсивностью движения.

Одежды из местных грунтов, улучшенных добавками песка» гравия и других зернистых материалов, применяют на дорогах ни­ зовой сети. Введение в глинистые грунты скелетных добавок увели-

303

чивает сопротивление внешним нагрузкам при увлажнении. Прида­ ние связности пескам достигается введением суглинка или глины.

Естественные грунтовые дороги по существу не имеют дорож­ ной одежды. Материалом проезжей части служат поверхностные слои земляного полотна, уплотненные проездом. При связных грун­ тах эти дороги могут обеспечить лишь движение небольшой интен­ сивности в сухое время года. Интенсивное движение по грунтовым дорогам в летнее время затрудняется образованием пыли. В дожд­ ливые периоды грунтовые дороги становятся скользкими. Сцепле­ ние шин с поверхностью дороги резко снижается, и колеса автомо­ билей буксуют. При большом увлажнении дороги образуются глу­ бокие колеи.

Усовершенствованныекапитальные покрытия

Р) С)

В зависимости от обеспечиваемой степени удобства движения дорожные одежды делятся на усовершенствованные (капитальные и облегченные), переходные и низшие. Решающим фактором при отнесении дорожных покрытий к тому или иному классу является быстрота накопления в них деформаций и обеспечиваемая скорость движения автомобилей. Классификация дорожных одежд и покры­ тий, область их применения и предельные интенсивности движе­ ния грузовых автомобилей на две полосы движения в сутки при­ ведены в табл. 15.1.

Примеры некоторых распространенных конструкций дорожных одежд разных типов показаны на рис. 15.5.

Усовершенствованные покрытия капитальных и облегченных ти­ пов укладывают на прочное основание.

Покрытия переходных и низших типов укладывают непосред­ ственно на грунт, за исключением щебеночных покрытий, под кото­ рые следует устраивать основание из грунтов, укрепленных вяжу­ щими материалами, из шлаков и других местных материалов. В I, II и III дорожно-климатических зонах при неблагоприятных усло­ виях увлажнения местности на земляном полотне из связных, под­ верженных пучению грунтов, всегда устраивают дренирующие пес­ чаные основания.

15.3. Общие принципы конструирования дорожных одежд

Дорожная одежда является самой дорогостоящей частью авто­ мобильной дороги. Затраты на ее устройство иногда достигают

Рис. 15.5. Примеры конструкций дорожных одежд:

а —цементобетонное покрытие на каменном основании; б — асфальтобетонное покрытие на гравийном основании; в — двухслойное асфальтобетонное покрытие на бетонном основании (применяется на городских улицах); г — асфальтобетонное покрытие на основании на щеб­ ня. обработанного в установке органическими вяжущими, и грунт», укрепленного битумом

из щебня, обработанного органическим вяжущим, на основании из цементогрунта; з — по­ крытие из щебня, обработанного органическим вяжущим, на щебеночном основании; и — покрытие из гравийной смеси, обработанной органическим вяжущим, на гравийном основа­

защитный, дренирующий) слой основания из песка, гравия, шлака или морозоустойчивых

60% общей стоимости строительства. Подвергаясь непосредствен­ ному воздействию транспортных нагрузок и природных факторов, дорожные одежды работают в более тяжелых условиях, чем другие сооружения на дороге. Поэтому к назначению конструкции дорож­ ных одежд следует подходить особенно внимательно, сочетая стрем­ ление к обеспечению прочности с всемерным снижением стоимости строительства и уменьшением количества применяемых материалов. В связи с тем что грунтово-гидрологические условия меняются по протяженности дороги и не удается полностью устранить влияние их изменения при нанесении проектной линии и проектировании земляного полотна, варианты дорожных одежд должны разраба­ тываться применительно к участкам с аналогичными условиями грунтов, увлажнения, интенсивности движения и обеспеченности строительными материалами. При этом наиболее рациональный ме­ тод конструирования дорожных одежд — обеспечение равнопроч­ ного по всей протяженности дороги земляного полотна, что дает возможность применять на всей протяженности дороги постоянную конструкцию каменной части одежды.

Проектирование дорожных одежд состоит из двух последова­ тельно выполняемых этапов: конструирования и расчета, которые взаимосвязаны и не должны противопоставляться друг другу. Под­ мена одного из них другим не может гарантировать получения ус­ тойчивой, экономичной и удобной в эксплуатации дорожной одежды.

В зависимости от работы при воздействии нагрузок все дорож­ ные одежды условно делят на две группы: жесткие и нежесткие.

Нежесткими называют одежды, обладающие малым сопротив­ лением изгибу. К ним относятся практически все типы одежд, кро­ ме цементобетонных, а также асфальтобетонных покрытий и мос­ товых на цементобетонных основаниях. Сопротивление большин­ ства конструктивных слоев нежестких одежд растягивающим на­ пряжениям очень мало, а у некоторых вообще отсутствует. Моду­ ли упругости материалов этих слоев зависят от температуры и влажности. Роль этих слоев сводится к распределению давления колес на большую площадь подстилающего грунта и к снижению передающихся на подстилающие грунты удельных нагрузок.

Жесткие одежды имеют один или несколько слоев, обладающих сравнительно большим сопротивлением изгибу и модулями упру­ гости, практически не меняющимися при изменениях температуры и влажности. Жесткие одежды работают по принципу плит на уп­ ругом основании, распределяя давление от внешней нагрузки на площадь грунта, значительно большую, чем нежесткие.

Конструирование дорожной одежды заключается в назначении типа покрытия, в выборе для нее наиболее подходящих материалов исходя из местных ресурсов и соображений организации работ, в целесообразном назначении размеров отдельных слоев и разме­ щении их по глубине. Так как невозможно сразу наметить опти­

306

мальную для данных условий конструкцию, обычно разрабатыва­ ют несколько вариантов дорожной одежды, из которых на основе технико-экономического анализа выбирают наилучший.

Конструирование дорожной одежды — наиболее творческая часть проектирования. Оно должно основываться на четких пред­ ставлениях о напряженном состоянии и механизме деформации кон­ структивных слоев и дорожных одежд в целом, на учете работы раз­ личных типов одежды в разных климатических условиях и особенно­ стей воздействия на них движения по дороге и природных факторов.

Наметив конструкцию одежды исходя из наличия материалов и учитывая возможности строящих организаций, вначале назнача­ ют толщину тех ее слоев, размеры которых определяются не столь­ ко прочностью одежды, сколько другими факторами (обеспечение отвода воды, предотвращение пучинообразования, сопротивление износу и т. д.), или же принимаются в связи с их высокой стои­ мостью минимально необходимой толщины с тем, чтобы общая прочность одежды обеспечивалась за счет слоев из более дешевых местных материалов.

В конструкции одежды на дорогах низших категорий необхо­ димо предусматривать возможность постепенного (стадийного) ее усиления укладкой сверху слоев более прочных материалов по ме­ ре возрастания интенсивности или изменения состава движения.

Верхние слои земляного полотна рассматривают как составной конструктивный элемент одежды, к прочности и однородности со­ противления нагрузкам которого предъявляются достаточно высо­ кие требования. При этом должны предусматриваться мероприя­ тия по обеспечению стабильности водного режима этих слоев и пре­ дохранения их от переувлажнения.

Расчет дорожной одежды заключается в обосновании необходи­ мой толщины и устойчивости как всей дорожной одежды в целом, так и отдельных ее слоев. Он сводится к обеспечению равнопрочности всех сравниваемых вариантов одежды и соответствия их за­ данным условиям движения.

Одним из основных требований при назначении вариантов до­ рожных одежд является учет в каждом конкретном случае интен­ сивности движения и местных грунтовых, гидрологических и кли­ матических условий, влияющих на службу дорожных одежд. Так, например, щебеночные и гравийные покрытия, не обработанные ор­ ганическими вяжущими материалами, лучше работают во влаж­ ном, умеренном климате и относительно быстро разрушаются в ус­ ловиях сухого климата на юге. Во влажном климате севера, где широко распространены процессы пучинообразования, необходимо вводить в конструкцию дорожной одежды специальные противопучинные (морозозащитные) слои, которые совершенно излишни

вюжных районах страны. Определение толщины противопучинного слоя является обязательным элементом расчета дорожных одежд

врайонах страны с большими глубинами промерзания. Климати­

ческие условия влияют на выбор типов дорожной одежды также

в связи с ограничением продолжительности строительного сезона для производства работ с использованием органических вяжущих материалов. В засушливых районах применение цементобетонных покрытий осложняется трудностями снабжения строительства во­ дой и организации ухода за бетоном.

Одно из основных требований при выборе конструкции дорож­ ной одежды — максимальное использование местных материалов.

Эта задача имеет большое значение, так как многие обширные рай­ оны СССР (Нечерноземье, Левобережье Украины, Поволжье, За­ падная Сибирь, Северный Казахстан) бедны прочными каменными материалами. Дорожное строительство в этих районах связано с использованием привозного камня, доставляемого за сотни кило­ метров по железным дорогам. Уменьшение дальности возки мате­ риалов путем рационального использования местных ресурсов — отсортированных каменных материалов из притрассовых карьеров и побочных продуктов промышленности (шлаков, пустых пород шахт и др .)— дает возможность снизить стоимость строительства дорог.

При отсутствии местных каменных материалов следует устраи­ вать основание из грунтов, укрепленных вяжущими. В последние годы в строительстве находят широкое применение золы уноса ТЭЦ, металлургические шлаки, обладающие цементирующими свой­ ствами, каменные породы из отвалов рудников и каменноугольных шахт и многие другие побочные продукты промышленности. В свя­ зи со значительной неоднородностью этих материалов в отвалах не­ обходима тщательная их сортировка перед укладкой в дорожную одежду. Многие местные слабые каменные материалы требуют предварительной обработки малыми дозами цемента или органи­ ческих вяжущих для повышения морозоустойчивости. Вообще чем слабее и неоднороднее местные материалы, тем большего внимания требуют конструирование л .постройка дорожных одежд.

При конструировании дорожных одежд необходимо учитывать

технологические особенности их строительства, отдавая предпочте­ ние вариантам конструкций, осуществление которых требует наи­ меньших материальных ресурсов и затрат энергии и не связано с необходимостью применения ручного труда. Преимуществом об­ ладают конструкции, наиболее простые при постройке, допускаю­ щие индустриализацию заготовительных работ на базах и полную механизацию строительных работ.

Большое значение имеет возможность пропуска автомобилей в процессе строительства по уплотненным слоям дорожной одежды. Количество конструктивных слоев дорожной одежды не следует увеличивать без явной необходимости, так как это, как правило, бывает связано с осложнением технологического процесса, приво­ дящим к возрастанию стоимости строительства.

При конструировании дорожных одежд, которые предполага­ ется впоследствии по мере возрастания интенсивности движения

308

подвергать усилению, необходимую прочность обеспечивают за счет слоев, которые в дальнейшем будут играть роль основания покры­ тия. Вначале на этих слоях устраивают тонкослойные покрытия или просто слои износа, возобновляемые по мере надобности.

Дорожная одежда должна быть предохранена от поступления и накопления в ней влаги. Водопроницаемость отдельных конструк­ тивных слоёв должна возрастать книзу, а из нижнего пористого слоя, если земляное полотно отсыпано из водонепроницаемых грун­ тов, необходимо обеспечить отвод воды. Поступление влаги из зем­ ляного полотна должно быть предотвращено возвышением низа дорожной одежды над возможными источниками увлажнения или укладкой прослоек из водонепроницаемого синтетического матери­ ала— геотекстиля. Для уменьшения притока поверхностных вод в основание дорожной одежды предусматривают устройство крае­ вых полос, прикромочных дрен и укрепление обочин.

Материалы в конструкции дорожной одежды располагают по убывающей прочности в соответствии с затуханием по глубине на­ пряжений от временной нагрузки. Следует учитывать жесткость и коэффициент температурного расширения смежных слоев одежды, так как при большом их различии в одежде возникают трещины.

Наиболее целесообразно, чтобы отношение модулей упругости смежных слоев из слабосвязных материалов не превышало 5ч-6. Ни в одном из слоев не должно возникать пластических смещений, при действии расчетных нагрузок. Поскольку сдвигающие напря­ жения в одежде убывают с глубиной (см. рис. 15.1), по мере уда­ ления от поверхности можно укладывать материалы, обладающие все меньшей прочностью и связностью.

Верхние слои, основания, в которых возникают значительные напряжения сжатия и сдвига от тяжелых автомобилей, устраивают из материалов, обладающих достаточной прочностью при всех ко­ лебаниях температуры и влажности (подобранные по крупности щебеночные или щебеночно-гравийные смеси, обработанные вяз­ ким битумом или дегтем; щебень или гравий, укрепленный це­ ментом). В нижних слоях оснований следует в максимальной сте­ пени использовать местные каменные материалы, которые в случа­ ях необходимости сортируют, дробят и укрепляют малыми дозами вяжущих, а также укрепленные грунты.

Привозимые издалека каменные материалы укладывают слоя­ ми минимальной толщины, обеспечивающей возможность форми­ рования из них монолитного конструктивного слоя, надежного в ус­ ловиях эксплуатации. Отдельные слои дорожной одежды не должны быть тоньше минимальных значений, при которых еще обес­ печивается их конструктивная прочность и однородность. Так, например, для асфальтобетона минимальная толщина покрытия составляет от 3 см для песчаных и холодных смесей до 6—7 см для крупнозернистых. Для щебеночных и гравийных материалов, об­ работанных вяжущими, она равна 8 см, для тех же материалов,

309

ностях движения могут быть применены разные типы дорожных одежд. Из нескольких возможных вариантов дорожных одежд при разработке проекта выбирают наиболее целесообразный. При этом учитывают требования автомобильного движения, природные усло­ вия, наличие местных строительных материалов, удобство органи­ зации строительных работ, последующие эксплуатационные затра­ ты и др. Варианты сравнивают для равнопрочных конструкций, раз­ меры которых предварительно должны быть обоснованы расчетом.

В соответствии с принятой в настоящее время методикой срав­ нения вариантов (см. ч. 2, гл. 24) наиболее выгодным типом дорож­ ной одежды является тот, который обеспечивает в течение задан­ ного срока окупаемости строительных затрат наименьшую, отне­ сенную к 1 т.-км перевозок, сумму транспортных расходов и расхо­ дов на строительство и эксплуатацию дороги — автомобильную и дорожную составляющие себестоимости перевозок.

Автомобильная составляющая себестоимости перевозок склады­ вается из расходов на топливо, смазочные материалы и шины, из заработной платы водителей, из расходов на ремонт и обслужи­ вание автомобилей, а также из стоимости амортизации автомоби­ ля. Значительная часть этих расходов зависит от типа и состояния покрытия (см. табл. 15.2).

Дорожная составляющая себестоимости транспортных расходов

310