автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Оценка влияния конструктивных решений на трещиностойкость асфальтобетонных слоев усиления цементобетонных покрытий автомобильных дорог

На правах рукописи

АГЕЕВ Виталий Сергеевич

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СЛОЕВ УСИЛЕНИЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

(05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

003052256

Работа выполнена на кафедре "Строительство и эксплуатация дорог" Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Виктор Васильевич Ушаков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Владимир Давидович Казарновский кандидат технических наук, доцент Владимир Аркадьевич Попов

Ведущая организация:

ГП "РосдорНИИ"

Защита диссертации состоится « (в » Щ)Ш 2007 г. в_ч. на

заседании диссертационного совета ВАК РФ Д 212.126.02 при Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу:

125319, г. Москва, А-319, Ленинградский проспект, д. 64, ауд. 42.

Телефон для справок: (495)155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ).

Отзывы на автореферат в количестве двух экземпляров, заверенные печатью, просьба высылать в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим присылать по e-mail: uchcovet@madi.ru.

Автореферат разослан «_»_2007 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Большинство автомобильных дорог в России с цементобетонным покрытием были построены 30 и более лет назад. Через 10-15 лет эксплуатации на покрытиях начали появляться различные виды деформаций: шелушение, продольные и поперечные трещины, просадки, пучение и т.д.

Основным видом ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог является перекрытие их асфальтобетонными слоями. Применение асфальтобетона для ремонта цементобетонных покрытий связано с целым рядом положительных факторов: полная механизация процессов изготовления и укладки смеси; открытие движения по устроенным покрытиям сразу же после уплотнения; возможность обеспечения необходимого сцепления колеса с поверхностью покрытия.

Вместе с тем, слоям усиления из асфальтобетона присущи и серьезные недостатки. Одним из главных - образование отраженных трещин, копирующих имеющиеся в основании швы и трещины. С течением времени трещины на асфальтобетонных покрытиях прогрессируют и служат причиной их разрушения.

Повышение эффективности восстановления эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий связано с проведением научных исследований по обоснованию и разработке конструктивных решений, направленных на повышение трещиностойкости асфальтобетонных покрытий при усилении жестких дорожных одежд. Для принятия своевременного и правильного технического решения по ремонту цементобетонных покрытий автомобильных дорог на разных этапах эксплуатации требуется уточнить и усовершенствовать методику по оценке их эксплуатационного состояния с последующим назначением ремонтных работ.

Поэтому оценка влияния конструктивных решений на трещиностойкость асфальтобетонных слоев усиления жестких покрытий и усовершенствование методики оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог являются актуальными.

Цель диссертационной работы - научное обоснование конструктивных решений, направленных на повышение трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления жестких покрытий и усовершенствование методики визуальной оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

■ выполнить анализ основных причин появления отраженных трещин в слоях усиления дорожных одежд;

• уточнить и усовершенствовать методику для оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог;

■ исследовать и обосновать влияние конструктивных решений на повышение трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления цементобетонных покрытий автомобильных дорог;

■ оценить экономическую эффективность результатов исследований. Научная новизна заключается в том, что: выполнена оценка влияния

различных конструктивных мероприятий, направленных на снижение растягивающих напряжений в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонных покрытий; численно обоснованы конструктивные решения по замедлению отраженного трещинообразования в асфальтобетонных покрытиях; уточнена и усовершенствована методика оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог по визуальному осмотру деформаций и разрушений, позволяющая назначить соответствующий вид ремонтных работ жестких покрытий.

Достоверность исследований, научных положений и выводов гарантирована необходимым объемом статистики, применением современных методов расчета и инженерного оборудования, обеспечивающих достаточный уровень надежности результатов математического моделирования и измерений физических величин. На защиту выносятся:

1. Результаты теоретического анализа влияния конструктивных решений на снижение растягивающих напряжений в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонных покрытий.

2. Методика визуальной оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог с последующим назначением ремонтных мероприятий.

3. Результаты опытно-производственной проверки влияния конструктивных решений на замедление отраженного трещинообразования в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонных покрытий автомобильных дорог.

4. Экономическая эффективность ремонта цементобетонных покрытий асфальтобетонными слоями усиления с конструктивными решениями по замедлению отраженного трещинообразования.

Практическая ценность заключается в обосновании основных конструктивных решений по замедлению отраженного трещинообразования в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонных покрытий, усовершенствовании методики визуальной оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог, позволяющей назначать соответствующий вид ремонтных работ жестких покрытий автомобильных дорог.

Реализация работы осуществлена на предприятии ФГУДЭП-249. Выполнены экспериментальные работы по оценке эксплуатационного состояния цементобетонного покрытия автомобильной дороги «Колыма» Якутск-Магадан и усилению цементобетонного покрытия асфальтобетонными слоями с применением конструктивных решений, направленных на замедление отраженного трещинообразования.

Основные результаты проведенных исследований включены в "Методические рекомендации по восстановлению несущей способности цементобетонных покрытий автомобильных дорог".

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены и получили одобрение на 63, 64 и 65-й научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ(ГТУ), 2005,2006 и 2007 г.г. (г. Москва).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в семи печатных работах, подана заявка на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографии из 112 наименований, в том числе 9 на иностранных языках, 4 приложений. В работе содержится 188 страница машинописного текста, в том числе 19 таблиц, 43 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель работы, изложена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе выполнен анализ существующих методов оценки эксплуатационного состояния дорожных покрытий, причин появления отраженных трещин в асфальтобетонных слоях усиления, рассмотрены методы борьбы с отраженным трещинообразованием.

Высокая трудоемкость технологии ремонта цементобетонных покрытий, стоимость материалов и используемого для ремонта оборудования привели к тому, что дорожные организации, ориентированные

в основном на ремонт асфальтобетонных покрытий, свели ремонт цементобетонных покрытий к перекрытию их асфальтобетонными слоями.

Основным недостатком перекрытия цементобетонных покрытий асфальтобетонными слоями является образование отраженных трещин, копирующих имеющиеся в основании швы и трещины.

Исследованием причин появления отраженных трещин в асфальтобетонных слоях усиления занимались многие ученые как в России, так и за рубежом: А.М. Богуславский, Л.Б. Гезенцвей, Л.М. Гоглидзе, Н.В. Горелышев, Л.С. Губач, Л.Б. Каменецкий, В.Д. Казарновский, М.С. Коганзон, C.B. Коновалов, В.Н. Кононов, В.А. Кретов, А.Е. Мерзликин, Q.H. Нагаевская, Ю.Е. Никольский, Б.С. Радовский, A.B. Руденский, В.Е. Тригони, В.В. Ушаков, Ж. Лоран, А. Моленар, М. Нодс и другие.

Механизм образования отраженных трещин в асфальтобетонных покрытиях, устроенных на жестких основаниях, связан с влиянием различных факторов, важнейшими из которых являются:

температурные деформации цементобетонного основания в виде укорочения блоков при понижении температуры; воздействие транспортных нагрузок, вызывающих повышение растягивающих напряжений в слое усиления при прохождении автомобиля через сечения, в которых располагаются швы и трещины. Для замедления процесса образования отраженных трещин предлагаются различные подходы повышения трещиностойкости слоев усиления:

- увеличение отношения толщины асфальтобетонного покрытия к толщине цементобетонного основания;

- увеличение прочности асфальтобетонного покрытия;

- увеличение длины свободного контакта асфальтобетонного покрытия с цементобетонным основанием в зоне швов или трещин;

- увеличение сцепления цементобетонного основания с нижележащими слоями;

- уменьшение линейных перемещений плит цементобетонного основания.

Эффективность рассмотренных способов снижения отраженного трещинообразования в асфальтобетонных слоях усиления учеными оценивается по-разному. Сравнение их между собой в одинаковых условиях эксплуатации и при одинаковой конструкции дорожной одежды не проводилось.

Принятие своевременного и правильного технического решения об усилении цементобетонных покрытий возможно на основе оценки их эксплуатационного состояния.

Для оценки эксплуатационного состояния дорожных покрытий разработаны различные методы с визуальным осмотром их поверхности.

Существующие методы визуальной оценки эксплуатационного состояния покрытий автомобильных дорог разработаны в основном для нежестких покрытий. Методы для оценки эксплуатационного состояния жестких аэродромных покрытий не могут быть использованы напрямую для цементобетонных покрытий автомобильных дорог. Заложенные в них критерии оценки, например, безопасность взлетно-посадочных операций воздушных судов и др., не приемлемы для покрытий автомобильных дорог.

Во второй главе представлена методика визуальной оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог, позволяющая назначать соответствующие виды ремонтных работ жестких покрытий.

Состояние дорожного покрытия принято оценивать обобщенным показателем поврежденности покрытия (в) по визуальным данным, имеющим как качественную, так и количественную связь с дефектами цементобетонного покрытия:

р т

5=5-ц дга,, (1)

/=1У=1

где т - количество степеней разрушения;

Р - общее количество видов дефектов, выявленных на обследуемой площадке;

/- порядковый номер дефекта;

У - степень разрушения (0,2 - низкая; 0,3 - средняя; 0,5 - высокая);

(2,— коэффициент весомости повреждений.

Во время движения автомобиля по дорожному покрытию, автомобильное колесо испытывает импульсные воздействия, вызывающие вертикальные, продольные и поперечные колебания автомобиля, которые передаются водителю. Это приводит к снижению удобства и безопасности движения, а также может создать опасность потери управляемости автомобиля. Поэтому для качественной оценки эксплуатационного состояния покрытий принято использовать показатель весомости дефектов по степени разрушения покрытия, позволяющего учитывать особенности взаимодействия автомобиля с поверхностью дорожного покрытия во всем спектре частот, оказывающих влияние на условия движения.

Изучению воздействия дефектов дорожного покрытия на автомобиль посвящены работы А.П. Васильева, В.Ф. Бабкова, Н.Я. Говорущенкого, А.Н. Елгонова, A.B. Корочкина, H.H. Миронова, А.Н. Нечаева, Р.В. Ротенберга, П.Т. Стефанова, С.Ю. Ткачева и других ученых.

Используя амплитудно-частотный спектр динамического воздействия дефектов дорожного покрытия на автомобиль, каждый тип дефекта цементобетонного покрытия был распределен по степени поврежденности, показывающий уровень опасности дефекта: низкий, средний и высокий, а также определена степень влияния дефектов на расчетную скорость движения автомобиля (коэффициент весомости £>,-), см. табл. 1.

С изменением объема разрушения покрытия изменяются и вертикальные ускорения подвески автомобиля, что приводит к снижению плавности хода и скорости движения. Поэтому для количественной оценки объема разрушений дорожных покрытий жесткого типа принято использовать показатель плотности распределения дефекта по поверхности покрытия, учитывающий значение площади разрушения в зависимости от допускаемой степени повреждения покрытий:

Д(5=2Л.1000/о (2)

побщ

где щ - число плит, имеющих i-й дефект j-ю степень разрушения; побщ" общее количество плит на обследуемой площадке.

Предлагаемая методика оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог с последующим назначением ремонтных работ включает в себя следующие этапы:

1. Разбивка покрытия на отдельные участки и площадки.

2. Визуальное обследование каждой площадки.

3. Определение значения плотности распределения дефекта.

4. Определение обобщенного показателя повреждений покрытий.

5. Оценка стадии эксплуатационного состояния участка покрытия (табл.

2).

В случае получения показателя повреждения покрытия S в пределах 3,0 - 4,0 состояние покрытия соответствует стадии нормальной эксплуатации. На данной стадии требуется профилактика и предупреждение причин возможных деформаций и разрушений цементобетонного покрытия: укрепление бетона специальными составами, устранение усадочных трещин, герметизация отдельных швов и трещин, а также устранение обнаруженных на ранней стадии развития повреждений.

Таблица 1

Значения коэффициента весомости повреждения жесткой дорожной одежды при различном ее состоянии

Тип повреждения СП Степень разрушения (¡) Коэф.

Низкая (Н) Средняя (С) Высокая' (В) повр.(СЗ)

1. Уступы, мм 3-13 13-25 более 25 0 200

2. Вздыбливание, выпучивание, мм до 13 13-25 25-50 0.178

3. Сколы в швах верхняя кромка шва откололась, образовав скол не шире 25 мм и не глубже }3мм верхний край шва откололся, образовав скол шире 25 мм или глубже 13 мм кромки шва разрушены, длина скола более 0,6 м, он разделен более, чем на 3 части трещинами с высокой степенью повреждения 0156

4. Разрушение плиты трещины имеют небольшие сколы < 3 см трещины имеют умеренные сколы от 3 до в см, плита плита разделена трещинами с высокой степенью повреждения на 3 части и трещины имеют сколы >6 см 0.133

разделена на 2 части

5 Обломы угла < 5 см, герметик в шве находится в удовлетворитель ном состоянии от 5 до 9 см, герметик в шве в неудовлетворительном состоянии >9 см, площадь облома сильно растрескалась 0 111

6. Сколы в углах скол разделен одной трещиной с низкой степенью повреяодения скол разделен на одну или две части трещинами средней степени, часть кусков бетона отделена скол разделен на две или более части трещинами с высокой степенью повреждения с отделившимися кусками бетона 0.089

7 Заплатка заплатка имеет разрушения и/или умеренные сколы по краям ремонтный материал отделяется с большим усилием, наличие сколов по краям разрушение заплатки, требуется замена заплатки 0 067

8. Шелушение, поверхностное растрескивание наличие четкого узора грещины на плите, шелушения нет шелушению подвержены до 5% площади плиты плита сильно шелушится на площади более 5% 0044

9. Раковины от 25-50 мм в диаметре и 510 мм в глубину, не более 3 раковин на м2 от 50-75 мм в диаметре и 10-25 мм в глубину, не более 3 раковин на м2 от 75-100 мм в диаметре и 25-50 мм в глубину, не более 3 раковин нам2 0.022

Таблица 2

Стадии эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий

Значение в Состояние участка покрытия Стадии эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий

4,0 - 5,0 отличное стадия нормальной эксплуатации

3,0-4,0 хорошее

2,0-3,0 удовлетворительное стадия допустимых повреждений

1,0-2,0 неудовлетворительное стадия критических повреждений

Б <1,0 разрушенное стадия недопустимых повреждений

При значении показателя 8 в пределах 2,0 - 3,0 покрытие находится в удовлетворительном состоянии. В этом случае цементобетонное покрытие требует выполнения ремонтных работ, направленных на устранение возникающих деформаций и повреждений, не допуская их развития и накопления: разделку, очистку, восстановление геометрии деформационных швов и их герметизацию; консервацию трещин; устранение сколов кромок плит и выбоин; замену разрушенных участков плит на всю толщину; выравнивание поверхности покрытия; ликвидацию разрушений поверхности бетона. Если такой ремонт будет отложен, то появление повреждений на покрытии будет прогрессировать, что приведет к увеличению объемов ремонтных работ.

В случае получения показателя повреждения покрытия 8 в пределах 1,0 - 2,0 его состояние считается неудовлетворительным. На данной стадии целесообразно выполнить перекрытие цементобетонного покрытия слоем усиления, так как становится экономически невыгодным приводить состояние покрытия к нормативным требованиям методами ремонта. При восстановлении эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий слоями усиления следует предусматривать мероприятия, ограничивающие и контролирующие образование отраженных трещин.

При показателе в ниже 1,0 состояние покрытия характеризуется как разрушенное и имеющее недопустимые повреждения. На данной стадии эксплуатации целесообразно использовать существующее покрытие в качестве основания с предварительной фрагментацией его на всю толщину, например, виброрезонансным методом, с последующим уплотнением разрушенных слоев и устройством слоя усиления из асфальтобетона или цементобетона.

В третьей главе представлены результаты исследований по оценке влияния конструктивных решений на повышение трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления цементобетонных покрытий автомобильных дорог.

Выполнена оценка степени воздействия транспортных нагрузок и температурных факторов на образование отраженных трещин в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонных покрытий.

Установлено, что температурные деформации цементобетонного покрытия оказывают значительное влияние на образование отраженных трещин.

Для оценки влияния различных решений на замедление трещинообразования в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонных покрытий автомобильных дорог выполнен анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) дорожной одежды методом конечных элементов.

При анализе НДС рассмотрен ряд мероприятий, направленных на замедление процесса образования отраженных трещин:

- увеличение толщины асфальтобетонного слоя усиления;

- уменьшение толщины цементобетонного покрытия в зоне швов и трещин;

- армирование асфальтобетонного покрытия геосинтетическими материалами;

- увеличение сцепления цементобетонного основания с нижележащими слоями;

- устройство прослоек из битумного вяжущего для создания свободного контакта асфальтобетонного покрытия с цементобетонным основанием в зоне швов и трещин;

- устройство выравнивающего слоя из асфальтобетона с низким модулем упругости;

- деление цементобетонного покрытия на блоки.

Определены максимальные и минимальные значения напряжений и перемещений в асфальтобетонном слое усиления и вычислены коэффициенты отклонения напряжений и перемещений от "базовой" конструкции дорожной одежды.

Расчетная конечно-элементная модель конструкции "базовой" дорожной одежды состояла из асфальтобетонного слоя усиления, уложенного на цементобетонное покрытие с гравийно-песчаным основанием. Модель дорожной конструкции и места воздействия расчетных нагрузок приведены на рис. 1. Длина плит, толщина и модули упругости слоев были приняты на основе реальной практики проектирования и эксплуатации дорожных одежд.

а)

Ч»0.6МГ13

ГГШ

Ж ф

1 л х 'х X I -I л X ^ 11. X Ш ШИШ V б)

<ШШШШШШШШV

Рис. 1. Расчетная схема "базовой" конструкции дорожной одежды:

а) при нагружении расчетной нагрузкой;

б) при температурном воздействии;

1 - асфальтобетонный слой усиления толщиной 10 см;

2 - цементобетонное покрытие толщиной 20 см;

3 - гравийно-песчаное основание толщиной 30 см.

Анализ НДС дорожных одежд с использованием различных мероприятий по замедлению отраженного трещинообразования позволил определить основные конструктивные решения, в наибольшей степени оказавших влияние на снижение растягивающих напряжений в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонных покрытий:

- уменьшение линейных перемещений плит цементобетонного покрытия путем регулирования расстояния между швами;

- снижение модуля упругости асфальтобетона выравнивающего слоя;

- увеличение прочности асфальтобетонного покрытия на восприятие растягивающих напряжений за счет армирования геосинтетическим материалом.

Для основных конструктивных решений получены расчетные зависимости, позволяющие численно оценить величину растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии при перепаде средней температуры цементобетонного покрытия.

Растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии при уменьшении линейных перемещений плит цементобетонного покрытия путем регулирования расстояния между швами определяли по формуле:

Нь & И.

(2л + Щ'

где а - коэффициент линейного температурного расширения бетона; Д * - перепад средней температуры цементобетонной плиты, °С;

и

Нь-толщина цементобетонного покрытия, м;

На- толщина асфальтобетонного покрытия, м;

модуль упругости цементобетонного покрытия, МПа;

£ - длина плиты цементобетонного покрытия, м; к- коэффициент, зависящий от конструктивных параметров дорожной одежды;

1 1

<*а

К щ\

(4)

Еа~ модуль упругости асфальтобетонного покрытия, МПа; С?а и - модули сдвига асфальтобетона и цементобетона, МПа;

Еь

С - Е° ~ 2(1+ ра)

и Сь=-

(5)

2(1 + МьУ

ца и цъ - коэффициент Пуассона асфальтобетона и цементобетона; п-отношение жесткостей основания и покрытия;

пАЕь-Нь)

{Еа'НаУ

Растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии с учетом выравнивающего слоя определяли по формуле:

(6)

а

Нъ

Н„ 4 Я„

2 и-Еъ.Иь

(7)

^a " "в.

где та - касательные напряжения между цементобетонным покрытием и гравийно-песчаным основанием, МПа;

и - смешение края цементобетонной плиты, м:

2{1 + м)-т-Нвыр и =----> (8)

авыр

где: г - касательные напряжения между асфальтобетонным покрытием и цементобетонным основанием, МПа;

Ншр - толщина выравнивающего слоя, м;

"выр

■ модуль упругости асфальтобетона выравнивающего слоя, МПа.

Растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии с учетом армирования асфальтобетонного покрытия геосетками определяли по формуле:

сг „ -

а-М-Еь

НЬ

На А-На

Е Н

а а

Е Н

а а С С.

(9)

■а ^ "«и

где Гс - площадь волокон (ровингов) сетки, отнесенная к метру ширины, м; Ее - модуль упругости ровинга сетки, МПа.

Анализ полученных выражений с учетом реальных значений входящих в них величин показал, что:

- при сокращении длины плит цементобетонного покрытия с 6-ти до 3-х метров, при прочих равных условиях, растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии уменьшаются на 28% (см. рис. 2);

о(МТа)"

4 35 3 2.5 2 1.5 1

05 0

--

-О— 1-=2м -о-ь = зм -*-!_ = 6м -0-1_»9м

25

75

10

12 5 Д^С

Рис. 2. График зависимости растягивающих напряжений в асфальтобетонном слое усиления толщиной 0,1 м от изменения длины плит цементобетонного покрытия и перепада средней температуры цементобетонного покрытия Л/

- при изменении модуля упругости выравнивающего слоя толщиной 0,04м с 1000 МПа до 750 МПа происходит уменьшение растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии на 4%. Изменение модуля упругости с 750 МПа до 500 МПа выравнивающего слоя той же толщины, позволяет уменьшить растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии на 8%. При увеличении толщины выравнивающего слоя от 0,04м до 0,06м с модулем упругости 750 МПа происходит снижение растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии на 9% (см. рис. 3);

при армировании асфальтобетонного покрытия геосетками с показателем деформативности ЕСГС=50 МН/м, растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии уменьшаются на 15%.

При увеличении показателя деформативности ЕСРс геосеток до 100 МН/м, растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии уменьшаются на 25% (см. рис. 4). Из расчетов следует, что применение геосеток с показателем деформативности ЕсЯс менее 10 МН/м, при прочих равных условиях, неэффективно, так как снижение растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии составит меньше 3%.

о(МПа)

2.5 2 1 5

05

0

Рис. 3. График зависимости растягивающих напряжений в асфальтобетонном слое усиления толщиной 0,1 м от изменения модуля упругости и толщины выравнивающего слоя при перепаде средней температуры цементобетонного покрытия на 5°С

о(МПа> 45 4

35 3 25 2 1.5

1

05 0

Рис. 4. График зависимости растягивающих напряжений в асфальтобетонном слое усиления толщиной 0,1 м от изменения показателя деформативности ЕсРс. армирующей геосетки и перепада средней температуры цементобетонного покрытия А/

—

I

^>-Нвыр = 0 02 м —о-Нвыр » 0 04 м -й—Нвыр = 0 06 м -о—Нвыр = 0 08 м 1

А /

!

250 500 750 1000 1750

Е выр. (МПа)

! !

! 1

1

|

I

I

I

-О-ЕсРс=50 МН/м -«>-ЕсРс=100 МН/м -*-ЕеРс=150 МН/м -«-ЕсРс=200МН/м - I------------1........ -

1

2 5 5 7 5 10 12 5 М,°С

Наибольший эффект по снижению растягивающих напряжений может дать комплексное использование конструктивных решений, в наибольшей степени, влияющих на величину растягивающих напряжений в асфальтобетонном слое усиления.

В четвертой главе изложены результаты опытно-производственной проверки влияния конструктивных решений на замедление отраженного трещинообразования в асфальтобетонных слоях усиления и представлена оценка экономической эффективности результатов исследований.

В июле - августе 2004 г. на федеральной автомобильной дороге "КОЛЫМА" ЯКУТСК-МАГАДАН с цементобетонным покрытием были выполнены опытно-производственные работы, включающие:

- оценку эксплуатационного состояния цементобетонного покрытия с определением участков, требующих усиления;

- усиление цементобетонного покрытия асфальтобетонными слоями с обоснованными конструктивными решениями по замедлению процесса образования отраженных трещин;

- наблюдение за состоянием экспериментальных участков, для оценки влияния конструктивных решений по повышению трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления.

Используя методику визуальной оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог, были выбраны 6 однотипных участков, имеющих показатель повреждения покрытия 8 в пределах 1,0-2,0. На данной стадии эксплуатационного состояние цементобетонных покрытий требуется выполнение перекрытия цементобетонного покрытия слоем усиления с мероприятиями, ограничивающими и контролирующими образование отраженных трещин.

По результатам исследований влияния конструктивных решений на повышение трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления цементобетонных покрытий для региона с суровыми климатическими условиями были подобраны:

- геосетка «ГСК-100» и «Армдор К-100» для армирования асфальтобетонных покрытий с модулем упругости ровингов сетки из стекловолокна 69000 МПа и размером ячеек 25x25 мм;

- состав асфальтобетонной смеси для выравнивающего слоя с битумно-резиновым вяжущим и модулем упругости 600...800 МПа.

Применены следующие варианты усиления цементобетонного покрытия слоями асфальтобетона:

Вариант 1:

- выравнивающий слой толщиной 4 см из пористого асфальтобетона (горячая крупнозернистая смесь марки I с битумно-резиновым вяжущим);

- слой мелкозернистого асфальтобетона типа "Б" марки I толщиной 5 см.

Вариант 2:

- выравнивающий слой толщиной 4 см из пористого асфальтобетона (горячая крупнозернистая смесь марки I с битумно-резиновым вяжущим);

- геосетка «ГСК-100», уложенная вдоль швов и трещин;

- слой мелкозернистого асфальтобетона типа "Б" марки I толщиной 5 см.

Вариант 3:

- выравнивающий слой толщиной 4 см из пористого асфальтобетона (горячая крупнозернистая смесь марки I с битумно-резиновым вяжущим);

- геосетка «Армдор К-100»;

- слой мелкозернистого асфальтобетона типа "Б" марки I толщиной 5 см.

Вариант 4:

- фрагментированное цементобетонное покрытие (длина плит 2,5 м);

- выравнивающий слой толщиной 4 см из пористого асфальтобетона (горячая крупнозернистая смесь марки I с битумно-резиновым вяжущим);

- геосетка «Армдор К-100»;

- слой мелкозернистого асфальтобетона типа "Б" марки I толщиной 5 см.

Вариант 5:

- выравнивающий слой толщиной 4 см из пористого асфальтобетона (горячая крупнозернистая смесь марки 1 без битумно-резинового вяжущего);

- геосетка «Армдор К-100»;

- слой мелкозернистого асфальтобетона типа "Б" марки I толщиной 5 см.

Вариант 6:

- геосетка «Армдор К-100»;

- слой мелкозернистого асфальтобетона типа "Б" марки I толщиной 8-10 см.

Для сравнения был выбран участок с технологией капитального ремонта, традиционно используемой дорожно-эксплуатационными предприятиями. Слой усиления цементобетонного покрытия на данном участке состоял из двух слоев асфальтобетона. Нижний слой усиления -из крупнозернистого асфальтобетона марки 1 толщиной 5 см, верхний слой - из плотной смеси типа "Б" марки I толщиной 4 см.

Общий объем экспериментальных участков составил 3150 кв. м. В течение двух лет проводили наблюдение за состоянием экспериментальных участков включающее:

оценку трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления после зимних периодов (рис. 5);

измерение ровности асфальтобетонных покрытий (рис. 6); измерение прогибов дорожных одежд (рис. 7). Для анализа эффективности мероприятий по снижению отраженного трещинообразования использовался коэффициент эффективности К^:

К эф

2 '

(10)

где Ь -1 м;

й - толщина нового слоя асфальтобетона, м;

у - удельная длина отраженных трещин;

(Ц)

«общая длина всех отраженных трещин, м;

Г - площадь покрытия, м2.

Оценку ровности дорожных покрытий выполняли с использованием толчкомера ТЭД-2. Измерение прогибов дорожной одежды производили методом статического нагружения колесом автомобиля при помощи длиннобазового рычажного прогибомера ПК-204.

Кэф

20

15

10

- — л

/ V- -8

4

—О -2005г. —О—2006г.

К 1 2 3 4 5 6 № участка

Рис. 5. Коэффициент эффективности конструктивных решений по снижению отраженного трещинообразования на экспериментальных участках

№ участка

Рис. 6. Ровность дорожных покрытий на экспериментальных участках

№ участка

Рис. 7. Результат измерений прогибов дорожной одежды

На основе анализа полученных экспериментальных данных установлено, что:

■ после двух лет эксплуатации с суровыми и продолжительными зимами, когда температура воздуха неоднократно опускалась до минус 45°С, все экспериментальные участки показали лучшую трещиностойкость по сравнению с контрольным участком;

■ обследования опытных участков в начале и конце летнего периода не выявили образование новых трещин и не показали рост старых трещин в период наблюдения;

■ наиболее ощутимое влияние на ровность дорожных покрытий оказало развитие отраженных трещин;

■ результаты измерения прогибов дорожных одежд показывают, что наибольший прогиб покрытия имеется в местах образования трещин;

■ наиболее эффективным решением по замедлению отраженного трещинообразования является применение комплексных конструктивных решений, используемых на участке №3 и №4.

Выполненная оценка экономической эффективности результатов исследований показала, что первоначальные затраты на капитальный ремонт цементобетонных покрытий асфальтобетонными слоями усиления с применением комплексных конструктивных решений по замедлению отраженного трещинообразования в среднем на 10-12% выше затрат ремонтных работ с технологией капитального ремонта, используемой дорожно-эксппуатационными предприятиями. Экономический эффект применения комплексных конструктивных решений через 12 лет эксплуатации составляет от 300 до 575 тыс. рублей (в ценах 2006 г.) на каждые 1000 м2 покрытия.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ основных причин появления отраженных трещин в слоях усиления дорожных одежд показал, что механизм образования отраженных трещин в асфальтобетонных покрытиях связан с влиянием различных факторов, главными из которых являются:

- температурные деформации цементобетонного основания;

- воздействие транспортных нагрузок, которые вызывают повышение растягивающих напряжений в слое усиления при прохождении автомобиля через сечения, в которых располагаются швы и трещины.

Повышение устойчивости асфальтобетонных покрытий, устраиваемых на цементобетонном основании, к отражённому трещинообразованию является одним из важных направлений повышения долговечности дорожных одежд.

2. На основе анализа НДС определены основные конструктивные решения по повышению трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления, устраиваемых на цементобетонных покрытиях:

- сокращение линейных перемещений плит цементобетонного покрытия путем регулирования расстояния между швами;

- снижение модуля упругости асфальтобетона выравнивающего слоя;

- увеличение прочности асфальтобетонного покрытия на восприятие растягивающих напряжений за счет армирования геосинтетическим материалом.

На основе результатов теоретического анализа влияния конструктивных решений на снижение растягивающих напряжений в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонных покрытий установлено, что:

при сокращении длины цементобетонной плиты с 6-ти до 3-х метров происходит уменьшение растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии на 28%;

при снижении модуля упругости асфальтобетона выравнивающего слоя толщиной 0,04 м с 1000 МПа до 750 МПа происходит снижение растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии на 4%. Снижение модуля упругости с 750 МПа до 500 МПа выравнивающего слоя той же толщины позволяет уменьшить растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии на 8%;

армирование асфальтобетонного покрытия геосетками с показателем деформативносги 50 МН/м позволяет уменьшить величину растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии на 15%. При увеличении показателя деформативности геосеток до 100 МН/м растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии уменьшаются на 25%.

3. Уточнена и усовершенствована методика оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог по визуальному осмотру деформаций и разрушений, позволяющая назначать вид и состав ремонтных работ жестких покрытий. В качестве основного критерия получения объективных данных эксплуатационного состояния жесткого дорожного покрытия принят показатель ровности, учитывающий изменение расчетной скорости автомобиля при взаимодействии его с поверхностью дорожного покрытия.

4. Проведена опытно-производственная проверка влияния конструктивных решений по замедлению отраженного трещинообразования в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонного покрытия на автомобильной дороге "Колыма" Якутск-Магадан.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили эффективность основных конструктивных решений по повышению трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления.

В качестве перспективных решений по замедлению процесса отраженного трещинообразования могут применяться комплексные конструктивные мероприятия, позволяющие максимально продлить время проявления отраженных трещин и соответственно продлить межремонтные сроки службы асфальтобетонных покрытий.

5. Оценка экономической эффективности показала, что первоначальные затраты на капитальный ремонт цементобетонных покрытий с комплексным применением конструктивных решений по замедлению процесса отраженного трещинообразования в среднем на 10-12% выше затрат ремонтных работ с традиционной технологией капитального ремонта. Экономический эффект использования комплексных конструктивных решений через 12 лет эксплуатации составляет от 300 до 575 тыс. рублей (в ценах 2006 г.) на каждые 1000 м2 покрытия.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Ушаков В.В., Агеев B.C. Устройство асфальтобетонных покрытий с трещинопрерывающими слоями на жестких основаниях // Строительный эксперт, №3 (190)/2005. - С. 14 - 15.

2. Ушаков В.В., Агеев B.C. Оценка эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий на основании результатов визуального осмотра // Развитие методов и технологий строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Сборник научных трудов МАДИ (ГТУ). - М., 2005. -С. 41-48.

3.' Горячев М.Г., Агеев B.C. Конструктивные и эксплуатационные особенности промысловых дорог газовых месторождений севера Сибири // Развитие методов и технологий строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Сборник научных трудов МАДИ (ГТУ). - М., 2005. - С. 103 -121.

4. Ушаков В.В., Агеев B.C. Назначение ремонта цементобетонных покрытий на основе визуальной оценки их состояния. Наука и техника в дорожной отрасли, №2, - М., 2006. - С. 41-43.

5. Ушаков В.В., Агеев B.C. Восстановление несущей способности дорожных одежд с цементобетонными покрытиями // Строительство и эксплуатация дорог: научные исследования и их практическое применение. Сборник научных трудов МАДИ (ГТУ). - М., 2006. - С. 53-59.

6. Ушаков В.В., Агеев B.C. Оценка влияния конструктивных решений на трещиностойкость асфальтобетонных слоев усиления цементобетонных покрытий автомобильных дорог // Автомобильные дороги, №1, 2007. - С. 89-91.

7. Агеев B.C., Ушаков В.В. Усиление цементобетонных покрытий автомобильных дорог // Транспортное строительство, №2, 2007. - С. 2930.

Принято к исполнению 12/03/2007 Исполнено 12/03/2007

Заказ №156 Тираж: 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш„ 36 (495) 975-78-56 www.autoreferat.ru

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований.

1.1. Оценка состояния автомобильных дорог с цементобетонным покрытием отремонтированных асфальтобетонными слоями усиления.

1.2. Анализ основных причин появления отраженных трещин в слоях усиления дорожных одежд.

1.3. Методы борьбы с отраженным трещинообразованием.

1.4. Методы визуальной оценки транспортно-эксплуатационного состояния дорожных покрытий.

1.5. Выводы по главе. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Усовершенствование методики назначения ремонтных мероприятий цементобетонных покрытий на основе визуальной оценки их эксплуатационного состояния.

2.1. Выбор основных критериев для оценки состояния цементобетонных покрытий

2.2. Оценка влияния дефектов дорожного покрытия на скорость движения автомобиля.

2.3. Методика визуальной оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий

2.4. Назначение ремонта цементобетонных покрытий на основе визуальной оценки их эксплуатационного состояния.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование влияния конструктивных решений на повышение трещиностойкости асфальтобетонных слоев при усилении цементобетонных покрытий

3.1. Оценка влияния воздействия транспортных нагрузок и температурных факторов на образование отраженных трещин в асфальтобетонных слоях усиления.

3.2. Исследование напряженно-деформированного состояния системы "дорожная одежда" методом конечных элементов с различными мероприятиями по замедлению процесса образования отраженных трещин.

3.3. Оценка влияния конструктивных решений на образование отраженных трещин в асфальтобетонных слоях усиления

3.3.1. Влияние регулирования расстояния между швами и трещинами в цементобетонном покрытии на величину растягивающих напряжений в асфальтобетонном слое усиления.

3.3.2. Влияние выравнивающего слоя на величину растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии.

3.3.3. Влияние армирования геосетками на величину растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии

3.4. Численный анализ влияния конструктивных решений на трещиностойкость асфальтобетонных слоев усиления

3.5. Выводы по главе 3.

Глава 4. Опытно-производственная проверка и экономическая эффективность результатов исследований.

4.1. Задачи опытно-производственных работ.

4.2. Визуальная оценка эксплуатационного состояния цементобетонного покрытия автомобильной дороги.

4.3. Ремонт цементобетонных покрытий на экспериментальных участках.

4.4. Исследование состояния экспериментальных участков.

4.5. Экономическая эффективность результатов исследований

4.6. Выводы по главе 4.

Актуальность темы.

Большинство автомобильных дорог в России с цементобетонным покрытием были построены 30 и более лет назад. Через 10-15 лет эксплуатации на покрытиях начали появляться различные виды деформаций: шелушение, продольные и поперечные трещины, просадки, пучение. Преждевременное деформирование и разрушение дорожных одежд, низкие межремонтные сроки службы вызваны наличием целого ряда причин, к числу которых, в первую очередь, следует отнести: низкое качество технологии строительства; отсутствие качественных цементов, химических добавок; чрезмерное воздействие солевых растворов на ранней стадии твердения; рост осевых нагрузок автомобильного транспорта и увеличение интенсивности движения; недоучет разнообразия природно-климатических, грунтово-геологических условий России.

По данным Росавтодора около 71% цементобетонных покрытий не отвечают нормативным требованиям по ровности. Значительная часть покрытий исчерпала свою несущую способность и требует усиления. При ремонте цементобетонных покрытий требуется предварительно выполнять оценку их эксплуатационного состояния.

Высокая трудоемкость технологии ремонта жестких покрытий автомобильных дорог, стоимость материалов и производственного оборудования, а также отсутствие методики по оценки эксплуатационного состояния покрытий привело к перекрытию цементобетонных покрытий асфальтобетонными слоями.

Применение асфальтобетона для ремонта цементобетонных покрытий связано с целым рядом положительных факторов: технологичность устройства дорожного покрытия; полная механизация процессов изготовления и укладки смеси; открытие движения по устроенным покрытиям сразу же после уплотнения; возможность обеспечения необходимого сцепления колеса с поверхностью покрытия.

Вместе с тем слоям усиления из асфальтобетона присущи и серьезные недостатки. Одним из главных - образование в асфальтобетонных слоях усилений отраженных трещин, копирующих имеющиеся в основании швы или трещины. С течением времени трещины прогрессируют и служат причиной образования более существенных дефектов, снижающих транспортно-эксплуатационные характеристики покрытия.

В связи с этим требуется уточнение и усовершенствование методики оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог и исследование влияния конструктивных решений на повышение трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью решения важной проблемы, заключающейся в увеличении срока службы асфальтобетонных покрытий, устраиваемых на цементобетонном основании, и снижении затрат на содержание за счет повышения устойчивости асфальтобетонных слоев усиления к отраженному трещинообразованию.

Цель диссертационной работы - научное обоснование конструктивных решений, направленных на повышение трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления жестких покрытий и усовершенствование методики визуальной оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог.

Задачи исследований.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

- выполнить анализ основных причин появления отраженных трещин в слоях усиления дорожных одежд;

- уточнить и усовершенствовать методику для оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог;

- исследовать и обосновать влияние конструктивных решений на повышение трещиностойкости асфальтобетонных слоев усиления цементобетонных покрытий автомобильных дорог;

- оценить экономическую эффективность результатов исследований.

Научная новизна работы заключается в том, что: выполнена оценка влияния различных конструктивных мероприятий, направленных на снижение растягивающих напряжений в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонных покрытий; численно обоснованы конструктивные решения по замедлению отраженного трещинообразования в асфальтобетонных покрытиях; уточнена и усовершенствована методика оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог по визуальному осмотру деформаций и разрушений, позволяющая назначить соответствующий вид ремонтных работ жестких покрытий.

Достоверность исследований, научных положений и выводов гарантирована необходимым объемом статистики, применением современных методов расчета и инженерного оборудования, обеспечивающих достаточный уровень надежности результатов математического моделирования и измерений физических величин.

Практическая ценность заключается в обосновании основных конструктивных решений по замедлению отраженного трещинообразования в асфальтобетонных слоях усиления цементобетонных покрытий, усовершенствовании методики визуальной оценки эксплуатационного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог, позволяющей назначать соответствующий вид ремонтных работ жестких покрытий автомобильных дорог.

Реализация работы осуществлена на предприятии ФГУДЭП-249. Выполнены экспериментальные работы по оценке эксплуатационного состояния цементобетонного покрытия автомобильной дороги «Колыма» Якутск-Магадан и усилению цементобетонного покрытия асфальтобетонными слоями с применением конструктивных решений, направленных на замедление отраженного трещинообразования.

Основные результаты проведенных исследований включены в "Методические рекомендации по восстановлению несущей способности цементобетонных покрытий автомобильных дорог".

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены и получили одобрение на 63, 64 и 65-й научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ(ГТУ), 2005, 2006 и 2007 г.г. (г. Москва).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в семи печатных работах, подана заявка на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографии из 112 наименований, в том числе 9 на иностранных языках, 4 приложений. В работе содержится 188 страница машинописного текста, в том числе 19 таблиц, 43 рисунка.