4. Проектирование дорожных одежд

4.1. Классификация дорожных одежд и их элементы

Дорожная одежда является важнейшим и дорогостоящим элементом автомобильной дороги; затраты на ее устройство достигают 50-60% сметной стоимости дороги. Дорожная одежда представляет собой конструкцию проезжей части, которая включает в себя несколько слоев из различных материалов. Основные требования к дорожной одежде, обеспечивающие безопасное движение автомобилей с расчетными скоростями: необходимая прочность, ровность, шероховатость поверхности, беспыльность.

Конструкция дорожной одежды должна состоять из минимального числа слоев. Ее проектируют в комплексе с земляным полотном как единую конструкцию.

Напряжения, возникающие в дорожной одежде при проезде автомобилей, затухают с глубиной (рис. 25). Это позволяет проектировать дорожную одежду многослойной, используя в отдельных ее слоях материалы различной прочности в соответствии с действующими усилиями и интенсивностью влияния природных факторов.

Рис. 25. Распределение напряжений в дорожной одежде от колесной нагрузки: а – эпюра вертикальных напряжений ; б – эпюра горизонтальных напряжений ; 1 – покрытие; 2 – основание; 3 – дополнительный слой основания; 4 – грунт земляного полотна; 5 – напряжения в дорожной одежде; 6 – напряжения в однородном грунте

В конструкции дорожной одежды принято различать следующие элементы:

покрытие – верхняя часть дорожной одежды, воспринимающая усилия от колес транспортных средств и подвергающаяся непосредственному воздействию атмосферных факторов. По поверхности покрытия могут быть устроены слои поверхностных обработок различного назначения (слои для повышения шероховатости, защитные слои и т.п.);

основание­ – часть конструкции дорожной одежды, расположенная под покрытием и обеспечивающая совместно с покрытием перераспределение напряжений в конструкции и снижение их величины в грунте рабочего слоя земляного полотна (подстилающем грунте), а также морозоустойчивость и осушение конструкции;

дополнительные слои основания – слои между несущим основанием и подстилающим грунтом, предусматриваемые при наличии неблагоприятных погодно-климатических и грунтово-гидрологических условий. Эти слои совместно с покрытием и основанием должны обеспечивать необходимые морозоустойчивость и дренирование конструкции, а также создавать условия для снижения толщи вышележащих слоев из дорогостоящих материалов. Дополнительные слои устраивают из песка и других местных материалов в естественном состоянии или укрепленных органическими, минеральными или комплексными вяжущими, из местных грунтов, обработанных вяжущими, а также из различного рода специальных индустриально выпускаемых материалов (геотекстиль, пенопласт, полимерная пленка и т.п.) [13];

грунт земляного полотна (подстилающий грунт «рабочий слой» земляного полотна) – тщательно уплотненные и спланированные верхние слои земляного полотна, на которые укладывают слои дорожной одежды. На подстилающий грунт передается все давление от транспортных нагрузок, поэтому он является весьма ответственным элементом конструкции дорожной одежды.

Рис. 26. Конструктивные слои дорожных одежд:

1 – поверхностная обработка; 2 – мелкозернистый асфальтобетон; 3 – крупнозернистый асфальтобетон; 4 – щебень, обработанный

вяжущими материалами; 5 – щебень; 6 – песок

Дорожные одежды по способности воспринимать растягивающие напряжения и накапливать пластические деформации, возникающие от действия нагрузок, подразделяют на жесткие и нежесткие.

К жестким относят дорожные одежды, устраиваемые из бетона или железобетона. Расчет таких конструкций ведут методами теории упругости.

К нежестким дорожным одеждам относят все остальные конструкции, устраиваемые из щебня, гравия, грунта и других материалов, в том числе с обработкой вяжущими. Рассчитывают нежесткие одежды по соответствующей методике, изложенной в отраслевых дорожных нормах по проектированию дорожных одежд нежесткого типа (ОДН 218.045 – 01) [13].

Классификация дорожных одежд и покрытий приведена в табл. 9

Таблица 9

Типы дорожных одежд	Основные виды покрытий	Категории
1	2	3
Усовер-шенство-ванные капиталь-ные	Цементобетонные монолитные Железобетонные или армобетонные сборные Асфальтобетонные из горячих асфальтобетонных смесей	I-IV I-IV I-IV
Усовер-шенство-ванные облегчен-ные	Асфальтобетонные из горячих асфальтобетонных смесей Асфальтобетонные из холодных асфальтобетонных смесей, из органоминеральных смесей с жидкими органическими вяжущими совместно с минеральными; с вязкими, в том числе эмульгированными органическими вяжущими; с эмульгированными вяжущими совместно с минеральными; из каменных материалов и грунтов, обработанных битумом по способу смешения на дороге или методом пропитки; из каменных материалов, обработанных органическими вяжущими методом пропитки; черного щебня, приготовленного в установке и уложенного по способу заклинки; из пористой и высокопористой асфальтобетонной смеси с поверхностной обработкой из прочного щебня, двойной поверхностной обработкой	III, IV и на первой стадии двухстадийного строительства дорог II категории III и IV

Продолжение таблицы 9
1	2	3
Переход-ные	Из щебня прочных пород, устроенные по способу заклинки без применения вяжущих материалов; из грунтов и малопрочных каменных материалов, укрепленных вяжущими; булыжного и колотого камня (мостовые)	IV, V и на первой стадии двухстадийного строительства дорог III категории
Низшие	Из щебеночно-гравийно-песчаных смесей; малопрочных каменных материалов и шлаков; грунтов, укрепленных или улучшенных различными местными материалами; древесных материалов и др.	V и на первой стадии двухстадийного строительства дорог IV категории

Рабочий слой земляного полотна (подстилающий грунт) – верхняя часть полотна в пределах от низа дорожной одежды до 2/3 глубины промерзания, но не менее 1,5 м от поверхности покрытия.

Транспортно-эксплуатационные качества дорожных одежд, в первую очередь, определяются типом устраиваемого покрытия. Дорожные покрытия могут быть разделены на следующие основные конструктивные типы.

Цементобетонные покрытия обладают большой монолитностью и высоким сопротивлением нагрузкам. Их строят из плит размерами в плане 3 4 на 6 7 м при толщине от 18 до 24 см (табл. 10).

Плиты отделяются друг от друга швами, необходимыми для температурных перемещений (рис. 27). Различают швы расширения, сокращающиеся при удлинении плит, и швы сжатия, расширяющиеся при укорочении плит. Свойства цементобетонных покрытий не меняются при колебаниях температуры, износ таких покрытий незначителен и они более долговечны, чем другие виды дорожных покрытий.

Рис. 27. Схема расположения швов бетонного покрытия: 1 – шов расширения; 2 – шов сжатия; 3 – продольный шов; 4 – штыри

Таблица 10

Наименьшая толщина цементобетонного покрытия в зависимости от интенсивности движения и дорожного основания

Основания	Толщина покрытия, см, для дорог с расчетной интенсивностью движения, приведенной в ед/сут, по категориям дорог
	I		II		III
	20000 и более	14000-20000	10000-14000	6000-10000	4000-6000	1000-4000
Каменные материалы и грунты, обработан-ные орга-ническими вяжущими Щебеноч-ные и гравийные Песчаные, песчано-гравийные	24 - -	22 - -	22 22 -	20 20 22	18 18 20	18 18 18

Недостатком цементобетонных покрытий являются наличие швов, что значительно ухудшает ровность покрытия, повышенная жесткость, трудность ремонта и восстановление поверхностного слоя, а также подверженность гололеду (цементобетонное покрытие при отрицательной температуре воздуха быстро покрывается слоем льда и долго от него освобождается при переходе к положительной температуре воздуха).

Асфальтобетонные покрытия – наиболее совершенный тип дорожных покрытий. Асфальтобетон представляет собой строительный материал, который получается при уплотнении в горячем состоянии смеси, состоящей из щебня (гравия) и песка, связанных между собой смесью тонкого минерального порошка с битумом, вводимым в зависимости от состава асфальтобетонной смеси в количестве от 3,5 до 9% от массы. Различают асфальтобетоны крупнозернистые (фракции щебня до 40 мм), мелкозернистые (до 20 мм) и песчаные (из частиц до 5 мм). Особенностью асфальтобетонов является зависимость их свойств от температуры. Асфальтобетонные покрытия образуют ровную, упругую, удобную для движения автомобилей поверхность.

Покрытия из щебня и гравия, обработанные органическими вяжущими материалами, устраиваемые с применением прочного щебня, гравия или минеральных смесей, обработанных органическими вяжущими, обладают достаточной прочностью в переменных условиях увлажнения и при различных температурах. Структура, прочностные свойства и долговечность таких покрытий зависят от свойств применяемых материалов и способов постройки.

Покрытия переходного типа из щебня и гравия без обработки вяжущими обладают малым сопротивлением износу, так как тангенциальные (касательные) силы, возникающие при движении автомобилей, оказывают разрушительное воздействие на верхний слой вследствие слабого сцепления между каменными частицами, из которых состоит этот слой.

К этой же группе относят покрытия из грунта и местных малопрочных каменных материалов, обработанных различными вяжущими. Благодаря обработке органическими или минеральными вяжущими эти покрытия обладают более высокой сопротивляемостью тангенциальным и вертикальным усилиям, воздействующим на дорогу при движении автомобилей. Использование местных грунтов и малопрочных материалов позволяет резко снизить стоимость строительства.

Мостовые – конструктивные слои дорожной одежды, устраиваемые из отдельных, уложенных вплотную друг к другу, естественных или искусственных камней определенной формы. Основным недостатком мостовых является применение ручного труда при их устройстве.

Покрытия низшего типа­ – из грунтов, укрепленных или улучшенных различными местными материалами, применяют при небольшой интенсивности движения. Добавка песка, гравия и других зернистых материалов в глинистые, тяжело-суглинистые и пылеватые грунты увеличивает сопротивляемость таких покрытий нагрузкам во влажном состоянии. Для повышения связности сыпучих грунтов (песчаных) применяют глинистые или суглинистые добавки.

Примеры конструкций дорожных одежд с различными покрытиями и основаниями показаны на рис. 28.

В качестве дорожных оснований под покрытия различной степени капитальности используют конструктивные слои из бетона, щебня, гравия, грунта и других местных материалов как с обработкой вяжущими материалами, так и без обработки, а также из штучных каменных материалов (брусчатка, булыжный камень, грубоколотая шашка).

Рис. 28. Примеры конструкций дорожных одежд с различными покрытиями: а – цементобетонное покрытие; б – асфальтобетонное покрытие на щебеночном основании; в – асфальтобетонное покрытие на бетонном основании; г – покрытие из щебня, обработанного органическими вяжущими на щебеночном основании; 1 – цементобетон; 2 – битумопесчаная прослойка; 3 – слой щебня, обработанный вяжущими; 4 – морозозащитный песчаный слой; 5 – мелкозернистый асфальтобетон; 6 – крупнозернистый асфальтобетон; 7 – щебеночный слой; 8 – щебень, обработанный органическими вяжущими методом пропитки