Оцінка зниження несучої здатності дорожніх конструкцій під впливом скрізних поперечних тріщин

 

Аналіз тенденцій розвитку дорожнього господарства України дозволяє зробити висновок про те, що при обмежених фінансових ресурсах на перше місце виступають роботи по збереженню мережі існуючих доріг і забезпеченню потрібного транспортно – експлуатаційного стану. Аналіз літературних джерел свідчить про те, що на дорогах переважають деформації та руйнування, пов’язані з недостатньою деформативною здатністю асфальтобетонних покриттів при від’ємних температурах. В залежності від регіонів, а отже і від природно – кліматичних умов, тріщини в асфальтобетонних покриттях являються одним із основних факторів, які призводять до руйнування дорожніх покриттів. Значні температурні перепади являються однією із основних причин інтенсивного розвитку в дорожніх покриттях крізних поперечних тріщин, різко знижуючих жорсткість дорожніх одягів. З утворенням поперечних тріщин найбільш інтенсивне руйнування асфальтобетонних покриттів виникає в зоні переходу коліс автомобіля з одного краю тріщини на інший.

Іншим аспектом цієї проблеми являється негативний вплив крізних поперечних тріщин на водно-тепловий режим земляного полотна. Деструктивний характер води яка надходить через такі тріщини, проявляється перш за все у перезволожені ґрунту основи, втраті його несучої здатності і як наслідок, в руйнуванні асфальтобетонного покриття в прилеглих зонах [3].

Для прогнозування показників транспортно-експлуатаційних якостей дорожніх конструкцій необхідно знати закономірності їх зміни в залежності від концентрації на поверхні покриття крізних поперечних тріщин.

Головним навантаженням, діючим на дорожню конструкцію, являється тиск виникаючий під впливом транспортних засобів. Функція нежорстких дорожніх одягів полягає в розподілі навантажень, які передаються на підстилаючий грунт, на велику площу. При цьому загальна деформація усього дорожнього одягу являється результатом протікання наступних процесів. По-перше, ґрунтова основа дорожньої конструкції під навантаженням стискається, внаслідок чого виникає прогин дорожнього одягу по деякій криволінійній поверхні. При надмірно великій величині прогину може виникнути руйнування дорожнього одягу. З збільшенням товщини і жорсткості дорожнього одягу проходе розподіл тиску зовнішнього навантаження на велику площу, зменшується прогин і стискуюче напруження в підстилаючому ґрунті. По-друге, під навантаженням виникає стиск матеріалу верхніх шарів дорожнього одягу, а в нижній частині конструктивних шарів – розтяг. При перевищенні розтягуючими навантаженнями межі міцності матеріалу в покритті або основі виникають тріщини. По-третє, основа із незв’язних і малозв’язних матеріалів, а також підстилаючий грунт може випробовувати зони пластичного течіння, розвиток яких приводить до швидкого накопичення пластичних деформацій одягу в цілому і його руйнуванню.

Як правило, причиною руйнування асфальтобетонних покриттів являється їх недостатня тріщиностійкість. Оскільки зони по обидві сторони від тріщини сприймають напруження від навантаження і температури незалежно одна від одної без передачі поперечної сили, підвищується небезпека подальшого руйнування покриття і втрати ним рівності.

Причин виникнення тріщин в асфальтобетонних покриттях багато, наведемо деякі з них: крихкість в’яжучого при від’ємних температурах навколишнього середовища і по мірі його старіння; різниця між коефіцієнтами температурного розширення асфальтобетону та матеріалів нижчих шарів, оброблених неорганічними в’яжучими; несприятливі грунтово-гідрологічні умови, викликаючи недопустимі по величині деформації морозного пучення на поверхні покриття; неоднорідність властивостей підстилаю чого ґрунту, що призводить до нерівномірних його просідань і інш.

Умовно усі тріщини, виникаючи в асфальтобетонному покриті, можуть бути розділені на три групи:

- втомленосні тріщини;

- відображені тріщини;

- деформативні тріщини.

Втомленосні тріщини в асфальтобетонному покритті розвиваються за рахунок впливу багаторазового прикладання навантаження, внаслідок старіння асфальтового в’яжучого і підвищення його крихкості.

Механізм утворення відображених тріщин пов’язаний з значними як горизонтальними, так і вертикальними переміщеннями нижче лежачих шарів.

Виникнення деформаційних тріщин пов’язане як з горизонтальними здвигаючими зусиллями, так і з вертикальними деформаціями морозного пучення. Такі тріщини також можуть виникати у місцях локальних деформацій основ.

Викладене вище свідчить про те, що температурні перепади призводять не тільки до виникнення великої кількості поперечних тріщин, а також до їх активного розвитку, коли збільшується ширина розкриття і руйнуються прилеглі зони. Попадання опадів в основу і земляне полотно через виникаючи пошкодження призводять до втрати несучої здатності дорожнього одягу, серйозним руйнуванням і до різкого збільшення витрат на ремонт і утримання доріг. Проникаюча через тріщини вода, замерзаючи, викликає відшарування покриття від основи в зоні тріщини і сприяє, таким чином, передчасному руйнуванню покриття і дорожнього одягу в цілому. В період боротьби із зимовою слизькістю хімічними способами утворюються водні розчини солей, які проникають через тріщини в конструктивні шари дорожнього одягу і земляне полотно, що призводить до локального додаткового зволоження даної зони соляними розчинами. Все це обумовлює виникнення неоднорідності нижніх шарів дорожнього одягу і ґрунту земляного полотна за однорідністю та щільністю, наслідком чого є зниження міцності верхньої частини земляного полотна і усієї дорожньої конструкції в зоні тріщини.

При обстеженні автомобільних доріг державного значення в Дніпропетровській і Луганській областях було виявлено, що найбільша вологість і найменша щільність ґрунту верхньої частини земляного полотна спостерігається в місцях явних крізних тріщин. Що обумовлює, в місцях тріщин, значне зниження міцності дорожньої конструкції (лист 13). В залежності від повздовжнього профілю дороги міцність в зоні тріщини змінюється від 20% до 35%, а в місцях перелому повздовжнього профілю, спостерігається зниження міцності дорожньої конструкції до 40-45%.

Зниження міцності дорожніх конструкцій залежить від властивостей ґрунту земляного полотна і матеріалу конструктивних шарів дорожнього одягу, якості ремонту тріщин, умов утримання дороги, способів боротьби із зимовою слизькістю, повздовжнього профілю, дорожньої ситуації, регіональних умов та ін. Комплексне урахування цих факторів дозволить, обґрунтовано призначити експлуатаційні заходи і прогнозувати рівень споживчих властивостей автомобільних доріг.

Для більш детального розгляду зниження несучої здатності дорожньої конструкції під впливом зволоження робочого шару через крізні поперечні тріщини був проведений розрахунок в програмі РАДОН Х40 за методикою ВБН В.2.3-218-186-2004. Метою даного розрахунку було дослідження падіння несучої здатності дорожньої конструкції при зміні характеристик ґрунту робочого шару. Для аналізу було використано дорожні конструкції на ділянках дороги Київ – Харків - Довжанський в Харківській та Донецькій областях отримані по результатам обстеження, які проводились в 2005 році ходовою дорожньою лабораторією кафедри „Будівництва та експлуатації автомобільних доріг” Харківського національного автомобільно-дорожнього університету.

Було визначено, що для розташування Харківської області характерним

ґрунтом для робочого шару є легкий суглинок з розрахунковою вологістю, для І категорії дороги, 70%. Для Донецької області відповідно важкий суглинок і розрахункова вологість 68%. Задавшись кроком 3% підвищення вологості отримали наступні характеристики ґрунтів, приведені в таблиці 5.1.

 

Таблиця 5.1 Розрахункові характеристики ґрунтів робочого шару

W, %	Характеристики ґрунту	Суглинок легкий	Суглинок важкий	Отримані модулі пружності
70	Модуль пружності Егр, кут внутрішнього тертя φгр, коефіцієнт зчеплення Сгр	Егр=41МПа, φгр=18^0, Сгр=0,019МПа	–	282 МПа
73		Егр=35МПа, φгр=16^0, Сгр=0,016МПа	–	269 МПа
76		Егр=33МПа, φгр=14^0, Сгр=0,014МПа	–	264 МПа
68		–	Егр=47МПа, φгр=20^0, Сгр=0,022МПа	173 МПа
71		–	Егр=41МПа, φгр=18^0, Сгр=0,019МПа	164 МПа
74		–	Егр=37МПа, φгр=16^0, Сгр=0,017МПа	158 МПа

 

Досліджувані конструкції дорожніх одягів:

а) ділянка дороги Київ – Харків - Довжанський в Харківській області (415-422 км)

 

 

 

б) ділянка дороги Київ – Харків - Довжанський в Донецькій області (667-673 км)

 

По результатам розрахунку видно, що модуль пружності дорожнього одягу знижується із підвищенням вологості грунту робочого шару. Таке зниження можна дослідити на будь якому типі дорожньої конструкції.

Як зазначалося вище в місця перелому повздовжнього профілю така дія зволоження спостерігається найчастіше. Крім того, що волога потрапляє через тріщини в нижні шари конструкції, в таких місцях спостерігається активний розвиток вибоїн. Тому саме в місцях перелому повздовжнього профілю, на ділянках з незначними ухилами слід найретельніше контролювати ремонтні чи будівельні роботи, обґрунтовано призначати ремонтні заходи та заходи по забезпеченню водовідведення.

 

 

Рисунок 5.1 - Графік зміни модуля пружності дорожнього одягу залежно від вологості ґрунту робочого шару (суглинок легкий)

 

Рисунок 5.2 - Графік зміни модуля пружності дорожнього одягу залежно від вологості ґрунту робочого шару (суглинок важкий)

 

Висновки: при оцінці впливу крізних поперечних тріщин на міцність дорожніх конструкцій було виявлено вплив тріщин на зволоження дорожніх конструкцій та втрату їх міцності через зволоження ґрунтів робочого шару. На прикладі реальних конструкцій в програмі РАДОН Х40 було прораховано зниження міцності дорожньої конструкції під впливом зміни вологості ґрунту робочого шару. Були отримані графічні залежності рисунки 5.2 і 5.1, на яких видно падіння міцності конструкції. На перший погляд воно може здатися незначним, але в процесі експлуатації робочий шар ґрунту може досягати і більших вологостей і тоді це падіння може виявитися значним.

Також були проаналізовані дані міцності конструкцій дорожніх одягів, з наявністю поперечних тріщин, на різних повздовжніх профілях доріг і отримані дані падіння міцності під впливом крізних поперечних тріщин:

1. ділянка дороги з повздовжнім ухилом 8 ‰ – 37% втрати міцності;

2. ділянка дороги з повздовжнім ухилом 10 ‰ – 21% втрати міцності;

3. ділянка дороги з повздовжнім ухилом 60 ‰ – 19% втрати міцності;

4. ділянка дороги з повздовжнім ухилом 26 ‰ – 20% втрати міцності;

5. ділянка дороги з переломом повздовжнього профілю з 5 ‰ на 12‰ – 40% втрати міцності;

6. ділянка дороги з переломом повздовжнього профілю з 12 ‰ на 7‰ – 27% втрати міцності.

За цими даними можна стверджувати, що повздовжній профіль і наявність на ньому крізних тріщин значно впливають на зволоження конструкції і в свою чергу на міцність дорожнього одягу в місцях тріщин. Чим пологіший ухил тим менший стік води з поверхні дорожнього одягу, тим довше вода затримується на поверхні і тим самим краще проникає у нижні шари дорожнього одягу.