автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Повышение надежности конструкций автомобильных дорог, армированных геосинтетическими слоями в условиях Дальнего Востока

На правах рукописи

// Л/

Украинский Илья Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ, АРМИРОВАННЫХ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИМИ СЛОЯМИ В УСЛОВИЯХ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

ХАБАРОВСК - 2014 005554610

005554610

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Ярмолинский Аполенар Иванович

Официальные оппоненты

Кудрявцев Сергей Анатольевич доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», профессор кафедры «Мосты, тоннели и подземные сооружения»

Федоренко Евгений Владимирович кандидат геолого-минералогических наук, ООО «Миаком СПб» главный инженер

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», г. Томск.

Защита состоится «18» декабря 2014 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.294.01 при ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» по адресу:

680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136, ауд. 315-л

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», pnu.edu.ru.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета —Лещинский Александр Валентинович

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Внедрение инновационных технологий в транспортное строительство представляет важную социально-экономическую задачу.

Геосинтетические материалы (ГМ) достаточно широко используются в различных областях строительного производства. Однако, в меняющихся климатических условиях, степень эффективности этих материалов недостаточно изучена. Это особенно актуально в природно-климатических условиях южной части Дальнего Востока, характеризующихся избыточным увлажнением грунтов и их глубоким сезонным промерзанием.

Для обеспечения надежной работы автомобильных дорог в рассматриваемых условиях необходимо обоснованное применение ГМ в дорожных конструкциях для армирования, стабилизации прочностных свойств и дренажа. Имеющийся опыт применения таких материалов свидетельствует о недостаточной эффективности использования их возможностей.

В настоящий момент номенклатура ГМ представлена достаточно широко. Отечественные и зарубежные производители предлагают большой ассортимент материалов. Очень важно рационально использовать их физико-механические свойства и для каждой группы материалов находить наиболее эффективное применение для повышения надежности дорожных конструкций.

Комплексное использование прочностных и фильтрационных свойств ГМ должно обеспечивать улучшение работы дорожной конструкции: регулировать водно-тепловой режим, повышать трещиностойкость асфальтобетонных покрытий и прочность дорожной одежды, продлевать межремонтные сроки и в целом повышать надежность автомобильных дорог.

Цель и задачи исследования. Целью настоящих исследований является разработка методики повышения надежности автомобильных дорог, армированных геосинтетическими слоями в условиях муссонного климата южной части Дальнего Востока.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Выполнить анализ особенностей природно-климатических условий района исследований и определить эффективные методы повышения надежности автомобильных дорог за счет использования геосинтетических материалов в дорожных конструкциях.

2. Провести оценку эксплуатационного состояния асфальтобетонных покрытий, выявить основные причины образования дефектов и деформаций и исследовать их влияние на надежность существующих дорожных конструкций.

3. Осуществить исследование физико-механических свойств ГМ отечественных и зарубежных производителей, композитов на их основе и определить границы их эффективного использования в рассматриваемых природно-климатических условиях.

4. Осуществить опытно-экспериментальную проверку работы дорожных конструкций с геосинтетическими слоями на автомобильных дорогах региона.

5. Разработать методику повышения надежности работы предлагаемых конструкций с геосинтетическими слоями на автомобильных дорогах региона.

Объектом исследования является сеть автомобильных дорог южной части Дальнего Востока, опытные участки с армирующими слоями из ГМ.

Методы исследований основываются на системном подходе к факторам, определяющим транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог региона, теории вероятности и математической статистики, теории погрешности измерений, аналитических методах надежности, вероятностных математических моделях и программных продуктах.

Научная новизна работы заключается в:

- разработке модели учета влияния природно-климатических условий на параметры, обеспечивающие формирование прочностных и деформативных показателей автомобильных дорог региона;

- установлении вероятностных закономерностей образования деформаций и разрушений на асфальтобетонных покрытиях автомобильных дорог региона и оценке их влияния на надежность работы автомобильных дорог;

- результатах исследования физико-механических показателей композитов, армированных геосинтетическими слоями;

- опытно-экспериментальной проверке работы опытных дорожных конструкций с геосинтетическими слоями;

- разработке методики оценки надежности работы конструкций автомобильных дорог, армированных геосинтетическими слоями в рассматриваемых природно-климатических условиях.

Практическая значимость и реализация работы. Выполненные исследования позволили обобщить имеющийся опыт применения геосинтетических материалов на автомобильных дорогах региона, рекомендовать для практического применения слои из ГМ, позволяющие уменьшить вредное воздействие природно-климатических условий на работу дорожных конструкций. Результаты исследования послужили основой для разработки стандартов; СТО 02-2010 «Применение геосинтетических материалов, включаемых в расчет конструкций дорожной одежды и земляного полотна на региональных или межмуниципальных автомобильных дорогах Хабаровского края», введенном в действие приказом КГУ «Хабаровскуправтодор» №214/2 от 14.12.2010 г., и СТО 06-2011 «Повышение тре-щиностойкости асфальтобетонных покрытий, работающих в условиях Хабаровского края», введенном в действие приказом КГУ «Хабаровскуправтодор» №1/2 от 14.01.2013 г.

На защиту выносятся :

- модель учета влияния особенностей природно-климатических условий южной части Дальнего Востока на параметры, определяющие формирование прочностных и де-формативных показателей автомобильных дорог;

- вероятностные закономерности образования деформаций и разрушений асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог региона и оценка их влияния на надежность работы автомобильных дорог;

- результаты опытно-экспериментальных исследований опытных дорожных конструкций, армированных геосинтетическими слоями;

- методика оценки надежности работы конструкций автомобильных дорог, армированных геосинтетическими слоями в условиях южной части Дальнего Востока.

Достоверность научных выводов подтверждается применением современных методов расчета, программно-аппаратных средств и современного лабораторного оборудования, уровнем сходимости результатов математического моделирования и измерений фактических величин, большим объемом экспериментальных данных. Результаты получены с применением программных продуктов для решения инженерных задач (Excel, GenlDE32, Road и др.)

Личный вклад автора заключается в:

- разработке алгоритма учета влияния природно-климатических условий на параметры, определяющие формирование прочностных и деформативных показателей автомобильных дорог региона;

- получении вероятностных закономерностей образования деформаций и разрушений асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог региона и оценке их влияния на надежность работы автомобильных дорог;

- экспериментальных исследованиях опытных дорожных конструкций, армированных геосинтетическими слоями, в условиях южной части Дальнего Востока;

- разработке методики оценки надежности работы конструкций автомобильных дорог, армированных геосинтетическими слоями, в рассматриваемых условиях.

Апробация работы:

1. Расширенное заседание технического совета по вопросам внедрения геосинтетических материалов в дорожной отрасли путем проектных разработок при главном инженере КГУ «Хабаровскуправтодор» 28.08.2008 г.

2. Региональный научно-практический семинар «Опыт применения геосинтетики в дорожном строительстве Дальнего Востока», г. Хабаровск 18.02.2010 года.

3. Научный семинар КГУ «Хабаровскуправтодор» по вопросам применения геосинтетических материалов на автомобильных дорогах Хабаровского края, 2009, 2010, 2011 гг.

4. Конкурс «Инженерные разработки 2012» в номинации «Современные материалы и технологии» Хабаровск 2012 год.

5. Научные чтения памяти профессора М.П. Даниловского «Дальний Восток: проблемы развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплекса». Хабаровск, 2012 год.

6. Научный межвузовский семинар с участием аспирантов кафедр «Автомобильные дороги» ТОГУ и «Строительное производство» ДВГУПС. Хабаровск 2011, 2012 гг.

7. Научно-практическая конференция «Особенности строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог в сложных природно-климатических условиях. Инновационные решения, материалы и технологии» в рамках Международной выставки-форума «Дороги России XXI века», г. Якутск, июль 2012 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 16 научных статьях, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 141 наименования.

Общий объем работы 166 страниц, содержащий 47 иллюстраций и 43 таблицы.

Основное содержание работы

В первой главе диссертации проведен анализ состояния вопроса повышения надежности автомобильных дорог за счет учета особенностей природно-климатических условий при назначении конструкций с геосинтетическими слоями.

Проанализированы работы А.П. Васильева, Н.И. Горшкова, Э. Д. Ершова, В.Н. Ефименко,И.А. Золотаря, С.М. Ждановой, С.К. Илиополова, В.Д. Казарновского, С.А. Кудрявцева, A.M. Кулижникова, Г.М. Левашева, A.B. Лыкова, В.П. Матуа, С.А. Матвеева, Ю.В. Немировского, В.П. Носова, В.В. Пассека, В.П. Подольского, H.A. Пузакова, В.И. Рувинского, В.М. Сиденко, В.В. Сироткжа, А.Я. Тулаева, В.В. Ушакова, A.A. Цернанта, Е.И. Шелопаева, В.Н. Шестакова, А.И. Ярмолинского, В.А. Ярмолинского и др. ученых.

Проведенный анализ показал, что надежность автомобильной дороги - это сложная комплексная характеристика, на которую влияют различные факторы, а также их правильный учет. Согласно ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике» под надежностью понимается свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

Применительно к особенностям рассматриваемых условий это обеспечение работоспособности при большом температурном интервале работы асфальтобетонных покрытий,

повышенном образовании трещин; избыточном увлажнении грунта земляного полотна, вызывающем снижение его прочностных свойств; глубоком сезонном промерзании земляного полотна и связанном с ним неравномерном пучении дорожной конструкции.

Имеющийся отечественный и зарубежный опыт снижения негативного воздействия отмеченных факторов свидетельствует об эффективном использовании геосинтетических материалов для регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог. В диссертации подробно проанализирован опыт использования ГМ в ФРГ, Польше, Швейцарии, Франции, США, Великобритании, Норвегии, Чехии, Российской Федерации и других странах.

В работах Н.И. Горшкова, С.А. Кудрявцева, Г.М. Левашева, С.А. Матвеева и др. было отмечено, что армирование асфальтобетонных покрытий вызывает перераспределение горизонтальных напряжений и препятствует образованию трещин. Это особенно важно для рассматриваемых суровых климатических условий.

Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные со спецификой работы дорожных конструкций в условиях глубокого сезонного промерзания и избыточного увлажнения, обусловленного муссонным характером климата региона, и их учетом для повышения надежности автомобильных дорог.

Территория рассматриваемого региона (рисунок 1) характеризуется крайне неблагоприятными факторами, значительно осложняющими работу автомобильных дорог. При этом наличие многолетне-мерзлых грунтов на территории предопределяет необходимость выделения их для самостоятельных исследований, не входящих в задачи диссертации.

опытные участки

граница I н IIДКЗ

границы Зейски) о и Бурспского водохранилищ

автомобильные дороги

Рисунок 1. Характеристика района исследования

Объектом исследования является сеть автомобильных дорог в пределах II дорожно-климатической зоны с хорошо развитым промышленным потенциалом.

Средняя температура воздуха на рассматриваемой территории составляет +21°С в июле и -19°С в январе, среднее количество осадков - 600 мм, причем около 70% из них выпадает в летне-осеннее время. Крайне неблагоприятен радиационный режим района исследований, так в период оттаивания дорожной одежды и земляного полотна суммарное значение дневной радиации составляет в апреле 40 кал/см2-мин соответственно.

При этом количество переходов через 0°С составляет от 70 до 90, что на 30% больше, чем для Европейской части РФ.

Неблагоприятное сочетание климатических факторов усугубляется повсеместным распространением пучинистых грунтов в покровных отложениях региона, среди которых преобладают аллювиальные, озерно-аллювиальные и элювиально-делювиальные отложения. Особенно необходимо подчеркнуть негативное влияние на водно-тепловой режим автомобильных дорог наличия Зейского и Бурейского водохранилищ, являющихся обьек-том притяжения атмосферных осадков в регионе, о чем свидетельствует катастрофическое наводнение на Амуре в 2013 году.

В результате воздействия сложных природно-климатических условий автомобильные дороги работают в не стабильном водно-тепловом режиме (рисунок 2).

относительная влажность, 1У/1Мт,%

40 50 60 70 80 90 100

Рисунок 2. Эпюра влажности грунта по оси проезжей части опытного участка на 186 км автомобильной дороги Хабаровск-Комсомольск Общий характер эпюр влажности свидетельствует о преимущественном поверхностном источнике увлажнения грунта земляного полотна.

Так, в период летней стабилизации влажности 07.07.2011 года влажность грунта находилась в пределах оптимальной по всей глубине грунтового массива земляного полотна.

В результате обильных муссонных осадков относительная влажность грунта в пределах рабочего слоя земляного полотна увеличилась до 80%. При этом, в слое земляного полотна ниже динамически активной зоны наблюдалась стабильная влажность грунта в течении всего годового цикла наблюдений.

Отмеченные факты свидетельствуют о том. что в рассматриваемых условиях эффективными мероприятиями, повышающими эксплуатационную надежность автомобильных дорог является повышение их водонепроницаемости за счет повышения коррозионной стойкости и трещиностойкости.что свидетельствует о перспективности использования ГМ для армирования асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог региона.

Результаты исследования на опытном участке показали, что в рассматриваемых природно-климатических условиях основным источником увлажнения дорожных конструкций является увлажнение от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части в осенний период. Грунтовые воды отсутствуют. Оттепелей в зимний период практически не бывает, а весенний период из за быстрого оттаивания крайне непродолжителен. Следовательно, в соответствии с пособием к СНиП 2.05.02 - 85, приток воды в грунт земляного полотна автомобильных дорог региона следует определять по формулам

Ч^тмСпр.ч) = Запр^вп(пр.ч)<игр (1)

Чатм(пр-ч) = 1°~3апр(^вп(об) ~~ ^исп(о6))^гр (2)

где ^атм(прч) ~~ приток воды в грунт от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность проезжей части в расчетный период влагонакопления, м3/м2; qlíтм(0б) - приток воды в грунт от амосферных осадков, выпадающих на поверхность обочин, и от стока воды с проезжей части на обочину в расчетный период влагонакопления, м3/м2; апр - коэффициент, учитывающий дополнительный приток воды, поступающей в грунт до и после расчетного периода, принимается апр = 1,3; Нзп(прч:) и Н'т^ - количество воды, впитывающееся в последний осенний месяц расчетного года в грунт земляного полотна соответственно в грунт под проезжей частью и на обочинах, мм; - количество воды, испаряющейся из грунта земляного полотна на обочинах в последний месяц расчетного года, мм; <огр - площадь, м2 (Шгр = 1 м2).

Было исследовано более 30 участков автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием при различной степени трещиноватости. Установлено, что влияние трешино-ватости на влагонакопление грунта земляного полотна апроксимируется экспоненциальной зависимостью (рисунок 3)

\У = -0,397е"''584п+1,058 (3)

где п - индекс трещиноватости. безразмерный; V/ - относительная влажность грунта в расчетный период.

0,65 0,7 0.75 0,85 0,9 0.95 1

Относительная влажность грунта

- допустимая зона трещиноаатости покрытий на условия обеспечения стабильного водно-теплового режима дорожной конструкции

Рисунок 3. Влияние состояния асфальтобетонного покрытия на величину влагона-

копления грунта земляного полотна Существенная зависимость прочностных и деформативных свойств грунтов в покровных слоях от их влажности (таблица 1) свидетельствует о необходимости снижения инфильтрации атмосферных осадков в дорожные одежды автомобильных дорог региона.

Таблица 1

Расчетные характеристики грунтов покровных отложений региона

Характеристики грунта Влажность грунта на границе раскатывания \Ур, % Расчетные значения характеристик при влажности в долях от \Ут

0,65 0,75 0,85 0,95

Е, МПа 15,5-18,4 45,0 31,0 27,0 24,3

<р, град 21 20 16 13

с, МПа 0,059 0,037 0,032 0,024

Е, МПа 18,5-22,4 41,4 28,5 23,5 20

Ф, град 19 17 15 12

с, МПа 0,058 0,036 0,031 0,021

Было исследовано влияние армирования асфальтобетонных покрытий ГМ на вла-

гонакопление грунта земляного полотна автомобильных дорог (таблица 2).

Как показывают результаты исследований (таблица 2), армирование существенно снижает трещиноватость покрытий, что обеспечивает стабильный водно-тепловой режим на армированных участках, устраняя инфильтрацию атмосферных осадков в грунт земляного полотна.

Важно обеспечить влажность грунта земляного полотна в пределах 75-80% от влажности на границе текучести. Обеспечить это в рассматриваемых условиях можно за счет повышения трещиностойкости асфальтобетонных покрытий.

Показателем эксплуатационного состояния асфальтобетонных покрытий является трещиноватость, характеризующаяся индексом трещиноватости

ИТ =

(4)

1000 \1000мг/

где т„, Т„р, Тк -длина продольных, поперечных и косых трещин соответственно.

Таблица 2

Влияние армирования асфальтобетонных покрытий на влагонакопление земляного

полотна

№ п/п Наименование и расположение участка Год постройки (ремонта) Индекс трещиноватости асфальтобетонных покрытий Относительная влажность грунта

армированных неармирован-ных

1 Участок реконструкции Восточного шоссе в г. Хабаровске 2010 0,18/0,71 0,25/0.78

2 Участок улицы Павла Морозова в г. Хабаровске 2005 0,24/0,78 0,43/0,86

3 Участок улицы Флегонтова в г. Хабаровске 2004 0,25/0,78 0,46/0.87

4 Участок капитального ремонта а/д Хабаровск - Комсомольск км 70 - км 73 2010 0,15/0,70 0,24/0.77

5 Участок капитального ремонта а/д Хабаровск - Владивосток км 2000 - км 2012 2007 0,22/0,77 0,37/0.83

6 Участок строительства а/д Лидога - Ваниио км 75 - км 79 2009 0,20/0,76 0,29/0.80

7 Участок строительства «Обход г. Биробиджан» 2003 0,25/0,78 0.49/0.89

8 Участок ремонта улицы Джамбула в г. Хабаровске 2011 0,15/0,70 0,21/0.76

9 Участок улицы Комсомольская в г. Хабаровске 2008 0,21/0,76 0,33/0.81

10 Участок ремонта а/д Хабаровск-Владивосток км 165-190 2005 0,23/0,77 0,43/0.86

тобетонных покрытий не учитывают влияние армирования покрытий автомобильных дорог на этот фактор. Для таких участков ОДЫ 218.046-01 рекомендует использовать коэффициент армирования для определения дополнительного срока службы дорожной одежды. Для установления корреляционной зависимости между трещиноватостью покрытий и сроком эксплуатации армированных участков была проведена аппроксимация трещинова-тости покрытий опытных участков (рисунок 4) в зависимости от срока их эксплуатации.

. участки без армирования

■участки с

армированным

покрытием

Срок эксплуатации

Рисунок 4. Анализ изменения трещиноватости дорожных покрытий 11

Установлено, что изменение трещиноватости армированных участков во времени имеет зависимость

ИТа=-0,209е"°'344п+0,251 (5)

а не армированных

ИТа =-0,664е °'093п+0,749 (6)

Фактическое состояние асфальтобетонных покрытий региональной сети автомобильных дорог было исследовано в соответствии с «Правилами диагностики и оценки состояния автомобильных дорог» ОДН 218.0.006-2002.

Были изучены видеопаспорта автомобильных дорог Хабаровск - Комсомольск на Амуре и Хабаровск - Владивосток. Видео паспортизация осуществлялась програмно-аппаратным комплексом с использованием навигационного оборудования TRIMBLE RIO GNSS по технологии TRIMBLE R-TRACK (совместное использование сигналов ГЛОНАС и GPS). В результате визуального изучения состояния покрытия были выделены участки длинной от 50 до 150 м с однотипными дефектами асфальтобетонных покрытий. Для каждого выделенного участка определялся соответствующий бал визуальной оценки состояния покрытия и определялся средневзвешенный балл Бср.

Полученные значения состояния покрытия на основных автомобильных дорогах региона составляют 2,8 - 3,3 балла, что указывает на необходимость учета особенностей природно-климатических условий для повышения надежности дорожных конструкций.

Учет деструктивного влияния природно-климатических условий следует осуществлять согласно предлагаемой модели (рисунок 5).

Рисунок 5. Модель снижения деструктивного влияния природно-климатических условий для повышения надежности работы автомобильных дорог региона В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований ГМ и композитов на их основе.

За последние годы в стране проделана большая работа по регламентации испытаний геосинтетических материалов и методов их использования в дорожном строительстве. ГОСТ Р 55030-2012, ГОСТ Р 55031-2012, ГОСТ Р 55032-2012. ГОСТ Р 55033-2012, ГОСТ Р 55034-2012 и ГОСТ Р 55035-2012 регламентируют методы определения физико-механических свойств геосинтетических материалов.

Опираясь на тестируемые методы испытания в диссертационной работе были определены физико-механические характеристики ГМ, представленных на рынке Дальнего Востока.

Следует отметить, что в отличие от материалов на основе волокна, при испытании полипропиленовых георешеток значительную долю относительного удлинения составляют неупругие деформации с ростом прочности значительно ниже, чем на участке упругих деформаций (рисунок 6).

5 10 15 20

относительное удлиниение, %

100

минеральное волокно

полимерное волокно

полимер литой

Рисунок 6 - Диаграмма деформаций геоматериалов при испытании на разрыв при

растяжении

Как видно из диаграммы, на упругом участке деформации модуль упругости георешеток из литых полимеров (полиэтилена и полипропилена) близок к модулю упругости материалов на полимерном волокне, что делает возможным использование этих материалов для армирования асфальтобетона. Но, как показали результаты испытаний, полиэтиленовые и полипропиленовые георешетки редко достигают марочного значения напряжений на упругом участке деформации. В целом для армирования асфальтобетонных покрытий дорожных одежд рекомендуется применение таких георешеток, марочная прочность которых значительно превышает прочность армируемого материала.

Для исследования асфальтобетона, армированного ГМ ипользовались специально изготовленные формы. Средние значения по результатам испытаний каждой серии образцов представлены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты испытаний

Без ПБВ С ПБВ

Наименование армирующего материала Прогиб, Кизг, Прогиб, Кцзг»

мм МПа мм МПа

Испытание при 1 = 0° С

Неармированные образцы 1,4 5,97 1,6 8,61

Георешетка из полиэфирного волокна 1,4 6,12 1,8 9,72

Сетка из стекловолокна 1 1,4 6,59 1,7 10.66

Геосетка из стекловолокна 2 1,4 6,28 1,7 10,57

Геосетка из базальтового волокна 1,4 6.24 1.7 10,42

Георешетка из полипропилена 1,3 5,85 1,6 9,05

Испытание при 1 = 20° С

Неармированные образцы 2,0 2,59 2.0 3,15

Георешетка из полиэфирного волокна 2,1 2,63 2,1 4,23

Сетка из стекловолокна 1 2,0 3,37 2.0 4,99

Геосетка из стекловолокна 2 2.0 3,06 2,0 5,01

Геосетка из базальтового волокна 1,9 3,10 1,9 5,04

Георешетка из полипропилена 1,8 2,35 1,8 3,82

Как видно из таблицы 3, сетки на основе минеральных волокон обеспечивают больший прирост прочности, чем полимерные материалы. Это объясняется меньшей от-

носительной деформацией и, как следствие, более ранним включением в работу. Прирост прочности образцов тем больше, чем выше механические свойства геоматериала. Снижение прочности образцов, армированных полипропиленовой решеткой обясняется нарушением сцепления между верхним и нижним слоями образца.

Во всех случаях разрушение образцов происходило в результате отрыва армирующей прослойки от армируемого материала. Прочность армирующего материала значительно превышает прочность сцепления с армируемым слоем. При 0°С эффект от армирования менее ярко выражен, так как асфальтобетон теряет способность к упругим деформациям, становясь более хрупким.

Для повышения адгезии ГМ к асфальтобетону были проведены испытания с применением асфальтобетона на модифицированном полимерно-битумном вяжущем (ПБВ). В качестве ПБВ использовалось вяжущее, состав которого указан в таблице 4.

Таблица 4

Состав ПБВ

Компонент Наименование материала Содержание, %

Битум БНД 90/130 87,4

Полимер Кратон Д 2,5

Пластификатор ПН-6 10

Адгезионная добавка Ортофосфорная кислота 0,1

Результаты испытания образцов из асфальтобетона на модифицированном вяжущем представлены в таблице 3.

Как видно из выше приведенных данных, применение ПБВ значительно увеличивает эффект от армирования как при низких, так и при высоких температурах. Если при испытании образцов, изготовленных с применением обычного битума прирост прочности за счет армирования составлял в среднем 10-14%, то при использовании ПБВ - 20-26%.

В четвертой главе осуществлена опытно-экспериментальная проверка эффективности слоев из гм на участке реконструкции автомобильной дороги Комсомольск-на-Амуре - Березовый - Амгунь - Могды - Чегдомын км 27 - км 32 и на участке строительства автомобильной дороги Хабаровск-Лидога-Ванино км 75 - км 79, а так же осуществлена оценка надежности предлагаемых конструкций на основе разработанной методики.

Вопросы рационального расположения армирующего материала в сечении армируемого слоя были исследованы на основе напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов системы «сооружение-геосреда» по программе метода конечных элементов (МКЭ) бепЮЕ 32 (авторы Н.И. Горшков и М.А. Краснов). В результате моделирования подтвержден эффект снижения уровня напряженного состояния в растянутой зоне (рисунок 7).

Рисунок 7 - Результаты исследования НДС опытной конструкции

В результате испытаний опытных конструкций получено среднее значение модуля упругости на армированных участках: 317,59 (участок №1) и 340,78 (участок №2) МПа, и на контрольных 269,17 и 303,91 МПа соответственно.

Анализ работы опытных конструкций с армирующими слоями из ГМ позволяет сделать вывод о том, что в зернистой среде из щебня, армированного георешеткой за счет эффекта заклинивания создается новая структура - гибкая мембрана, обладающая физико-механическими характеристиками, значительно превышающими показатели неармиро-ванного материала.

Надежность автомобильных дорог является важнейшим показателем их потребительских свойств. Исследованиями Г'.М. Левашева, С.А. Матвеева и других установлено

увеличение срока службы и межремонтного срока асфальтобетонных покрытий армированных ГМ. При этом остается открытым вопрос использования вероятностной оценки эффективности этого мероприятия и определения заданной надежности дорожных одежд с ГМ слоями.

Оценку степени эффективности применения ГМ в дорожных конструкциях следует осуществлять по комплексному показателю, который наиболее полно отражает транс-портно-эксплуатационные показатели автомобильных дорог. Интегральной характеристикой оценки этого показателя является скорость движения, выраженная через коэффициент обеспечения расчетной скорости.

Рядом авторов установлена связь между скоростью движения и прочностью дорожных конструкций

V = у ехр(—(7)

пр

где у и 6 - коэффициенты, зависящие от типа покрытия, состава движения, его интенсивности; I - текущее время, годы; Кпр - коэффициент запаса прочности.

Установлено, что для рассматриваемых условий эксплуатации автомобильных дорог, закон распределения коэффициента запаса прочности дорожной конструкцииКпр соответствует нормальному

ГЫ = (8)

где тК„р — математическое ожидание коэффициента запаса прочности, а гт/ — его дисперсия.

плотность распределения изменения скорости движения /,. в зависимости от V = ЩК„р) выражается формулой

(9)

После преобразования формул (8-9) получена следующая зависимость:

Г_«£_

(10)

Ьп^/г)2-!

Из формулы (7) следует, что зависимость обеспечения скорости движения от коэффициента прочности для рассматриваемых районов подчиняется закону логарифмически нормального распределения.

Учитывая отмеченное, можно определить степень надежности опытных конструкций с ГМ, используя график определения заданной надежности дорожной одежды (рисунок 8).

к„

1,0 0.9 0.8 0,7 0,6 0,5

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 "~г

Рисунок 8 - График определения заданной надежности дорожной одежды К„: 1 - при растяжении при изгибе; 2 - растяжении по сдвигу; 3 - растяжении по упругому прогибу.

То есть оценить степень повышения надежности конструкций автомобильных дорог, армированных геосинтетическими слоями можно на основании обеспечения прочности при заданных условиях надежности.

Результаты обработки статистики коэффициента запаса прочности Кпр опытного и контрольного участков, при уровне значимости а = 0,05 и заданной вероятности р(х) = 0,95 подтвердили нормальный характер распределения исследуемой величины.

Было осуществлено моделирование искомой характеристики для сравниваемых участков автомобильной дороги.

Общий способ моделирования случайной величины £ по заданному закону распределения заключается в решении уравнения

£оор(х)с1х = а, (11)

где а - равномерно распределенная величина в интервале [0,1].

Интегрирование выполняется до тех пор, пока не найдена площадь а.

Верхняя граница, при которой прекращается интегрирование, является искомой величиной, т.е. а - это случайная величина с плотностью распределения

(1,х Е [ОД]

При равномерном распределении а на участке [а, Ь], (Ь > а)

а = (Ь - а) ■ а' + а, (13)

где а' - псевдослучайное число (генерируемое на ЭВМ).

Наиболее часто при назначении минимального требуемого значения коэффициента запаса прочности К,,,, для дорожных одежд автомобильных дорог используется нормальное распределение изменения рассматриваемой случайной величины. Это подтверждают

/ 4 1

' 3

//

исследования, проведенные для основных федеральных автомагистралей Дальнего Восто-

Так, рассматривается сумма ai- Ее среднее значение равно л/2 и дисперсия п/12. Следовательно, случайная величина

Полученные фактические данные изменения коэффициента запаса прочности К„р на основных федеральных автомобильных дорогах Дальнего Востока позволили провести моделирование изменения рассматриваемой характеристики. При моделировании изменения случайной величины К„р, подчиняющейся нормальному закону распределения, использован алгоритм, основанный на центральной предельной теореме.

В соответствии с изложенным, для получения модели изменения коэффициента запаса прочности был использован программный комплекс «Road», реализующий наполнение базы данных для моделирования заданных значений К„р. Данная программная система позволяет реализовать следующие функции;

1) Введение информации о фактических данных изменения К„р из всего массива фактической выборки с заданием максимальных и минимальных значений, с заданием шага изменения моделируемой характеристики.

2) Ввод значений характеристик среднеквадратичного отклонения и коэффициента вариации v случайной величины К„р.

3) Задание расчетных реализаций изменения случайной величины (в рассматриваемом случае было задано 10000 реализаций изменения К„р).

4) Введение заданной надежности Р моделируемой характеристики, принятой в соответствии с изменением случайной величины Кпр нормальному закону распределения, равной 0,95.

Запись полученных в результате моделирования значений изменения К„р (таблица 5) производилась в базу данных, которая служила основанием для назначения требуемого значения коэффициента запаса прочности в соответствии с фактическими природно-климатическими и транспортно-эксплуатационными условиями эксплуатации.

В результате моделирования установлено, что полученный ряд математического ожидания коэффициента запаса прочности тК„р опытной конструкции имеет большие значения, чем для контрольной (рисунок 9).

Это позволяет говорить о заданной надежности дорожной конструкции со слоем из ГМ в рассматриваемых климатических геокриологических условиях.

(14)

Таблица 5

Результаты моделирования

Исходные значения коэффициента запаса прочности ЛТ„;,при сдачи дороги в эксплуатацию Значение математического ожидания тК„р коэффициента запаса прочности на период окончания срока службы дороги Исходные значения коэффициента запаса прочности А"„,,при сдачи дороги в эксплуатацию Значение математического ожидания тК„р коэффициента запаса прочности на период окончания срока службы дороги

Опытный участок №2 Контрольный участок №2

0,70 0,63 0,70 0,44

0,75 0,68 0,75 0,49

0,80 0,73 0,80 0,54

0,85 0,78 0,85 0,59

0,90 0,83 0,90 0,65

0,95 0,88 0,95 0,69

1,00 0,93 0,70 0,44

1,05 0,98 0,75 0,49

1,10 1,03 1,00 0,74

1,15 1,08 1,05 0,79

1,17 1,10 1,10 0,85

1,20 1,13 1,15 0,89

1,24 1,17 1,17 0,92

1,25 1,18 1,20 0,95

1,30 1,23 1,25 1,00

1,35 1,28 1,30 1,05

1,40 1,33 1,35 1,09

тКпр в результате моделирования

Рисунок 9 - Ряд математического ожидания коэффициента запаса прочности тК„ропытной и контрольной конструкций

Повышение надежности конструкции автомобильных дорог, армированных ГМ подтверждается также сравнительными показателями проницаемости асфальтобетонных покрытий на армированных и неармированных участках.

В пятой главе осуществлена оценка эффективности применения ГМ для повышения надежности автомобильных дорог региона и дан пример расчета слоев усиления дорожных одежд геосинтетическими материалами. Экономическая эффективность применения ГМ при строительстве автомобильной дороги Лидога-Ванино составила пятьсот двадцать шесть тысяч рублей на каждый километр дороги.

Общие выводы и результаты исследований

1. Выполненный анализ особенностей природно-климатических условий позволил установить:

- преимущественное инфильтрационное увлажнение дорожных одежд и земляного полотна за счет муссонных осадков, обусловливающих высокую влажность (0,85-0,95 от границы текучести) в грунте рабочего слоя;

- высокую трещиноватость (0,18-0,4 п.м./1000 м2) асфальтобетонных покрытий, обусловливающую существенное ухудшение водно-теплового режима автомобильных дорог и, как следствие, избыточное влагонакопление и пучение дорожной конструкции;

- низкие транспортно-эксплуатационные качества (2,8-3,3 балла) асфальтобетонных покрытий, обусловленные нестабильным водно-тепловым режимом автомобильных дорог.

2. Получена корреляционная зависимость влажности грунта земляного полотна при различной трещиноватости асфальтобетонного покрытия, позволяющие назначать управляющие мероприятия для обеспечения стабильного водно-теплового режима автомобильных дорог в рассматриваемых условиях.

3. Исследовано влияние армирования асфальтобетонных покрытий на влагонакопление грунта земляного полотна и установлены закономерности этого влияния в рассматриваемых природно-климатических условиях.

4. Проведены исследования физико-механических свойств ГМ отечественного и зарубежного производства, которые позволили установить прочностные и температурные интервалы их использования в дорожных конструкциях региона, а исследование опытных композитных образцов асфальтобетона, армированного ГМ показало, что подобное мероприятие позволяет увеличить прочность асфальтобетона на 10-14%, а при использовании модифицированного битума на 20-26%.

5. Проведенные лабораторные и натурные экспериментальные исследования, а также научное сопровождение строительства опытных участков, армированных геосинтетическими слоями позволили установить:

- в зернистой среде из щебня, армированного георешеткой, за счет эффекта заклинивания создается новая структура - гибкая мембрана, обладающая на 14-18% более вы-

сокими прочностными показателями по сравнению со слоями основания из неармирован-ного материала;

- трещиноватость асфальтобетонных покрытий за счет армирования геосетками снижается на 50-80% по сравнению с неармироваиными, а прочность возрастает на 1012%;

- асфальтобетонные покрытия, армированные геосинтетическими слоями, в рассматриваемых природно-климатических условиях обладают повышенной эксплуатационной надежностью: межремонтные сроки службы увеличиваются на 50-70%, водонакопле-ние в фунте земляного полотна снижается до 30%, что обеспечивает устойчивость автомобильных дорог против морозного пучения.

6. Моделирование напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций, армированных ГМ методом конечных элементом по программе GenlD 32 позволило получить эффективные зоны расположения ГМ в дорожной конструкции.

7. Для оценки надежности конструкций автомобильных дорог, армированных геосинтетическими слоями разработана методика, в которой на основании статистической обработки коэффициента запаса прочности опытных и контрольных участков определялся характер распределения исследуемой величины, было осуществлено ее моделирование и установлены качественные характеристики, позволяющие оценить повышение надежности автомобильных дорог региона.

8. Статистическая обработка результатов экспериментальных работ показала, что закон распределения коэффициента запаса прочности опытной дорожной конструкции соответствует нормальному. Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил установить кривые фактической плотности распределения коэффициента запаса прочности и установить значения математического ожидания для кривых плотности распределения коэффициента запаса прочности.

9. В результате моделирования, выполненном на программном продукте «Road» получено, что требуемое значение коэффициента запаса прочности опытной конструкции, составляющее Кпр = 1,24, обеспечивает надежность работы в течение всего срока службы дорожной конструкции при ожидаемом значении тК„р = 1,17 (согласно ОДМ 218.046-01 для дороги III и Р= 0,95). Моделирование изменения случайной величины коэффициента запаса прочности Кпр на контрольной конструкции, позволило установить, что требуемое значение рассматриваемой характеристики должно составлять К„р = 1,43, только в этом случае значение математического ожидания m К„р = 1,17, соответствует требованиям ОДМ 218.046-01 для дорог III технической категории при заданной надежности Р= 0,95.

10. Предлагаемые мероприятия позволяют снизить строительную стоимость проектов, сэкономить материальные ресурсы, повысить транспортный и внетранспортный эффект, что способствует развитию экономики Дальнего Востока.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации:

1. Украинский И.С. Сравнительная оценка физико-механических свойств геосинтетических материалов / А.И. Ярмолинский, И.С. Украинский // Транспортное строительство - 2009. - №7. С. 14-15.

2. Украинский И.С. Оценка опыта применения геосинтетических материалов в дорожном строительстве Дальнего Востока / А.И. Ярмолинский, И.С. Украинский // Транспортное строительство - 2012. - №6. С. 22-23.

3. Украинский И.С. Повышение трещиносгойкости асфальтобетонных покрытий на автомобильных дорогах юга Дальнего Востока: монография/ А.И. Ярмолинский, Н.И. Ярмолинская, В.В. Лопашук, И.С. Украинский - Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2014. - 146 с.

4. Украинский И.С. Определение механических показателей прочности геосеток и георешеток для армирования конструкций дорожных одежд / В.А. Ярмолинский, A.A. Парфенов, И.С. Украинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: межвузовский сборник научных трудов - Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2008,-№ 8. С.166-170.

5. Украинский И.С. Вопросы эффективности применения геосинтетических материалов в дорожном строительстве / В.В. Лопашук, И.С. Украинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов - Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2009.- № 9. С. 138-142.

6. Украинский И.С. Расчет армирования и усиления асфальтобетонных покрытий на основе численного моделирования дорожных конструкций в условиях плоской деформации / В.В. Лопашук, A.B. Семенов, И.С. Украинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов - Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2009.- № 9. С. 151-156.

7. Украинский И.С. Обзор отечественных исследований по применению геосинтетических материалов в дорожном строительстве / И.С. Украинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов - Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2009.- № 9. С. 322-326.

8. Украинский И.С. Влияние стеклосеток и геосеток из базальтового волокна на свойства асфальтобетона / Н.И. Ярмолинская, И.С. Украинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов -Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2009.- № 9. С. 378-383.

9. Украинский И.С. Разработка и совершенствование методов испытания геосинтетических материалов / А.И. Ярмолинский, И.С. Украинский // Дальний Восток. Автомо-

бильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов - Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2010.- № 10. С. 171-175.

10. Украинский И.С. Повышение эффективности осушения земляного полотна и дорожных одежд геосинтетическими материалами. / А.И. Ярмолинский, A.B. Лопашук, И.С. Украинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов - Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2012.- № 12. С. 15-18.

11. Украинский И.С. Повышение устойчивости земляного полотна на автомобильных дорогах за счет устройства прикромочных геотекстильных дренажей / А.И. Ярмолинский, В.В. Лопашук, A.B. Лопашук, И.С. Украинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов - Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2012.- № 12. С. 24-29.

12. Украинский И.С. Рекомендации по определению степени пучинистости грунтов в лабораторных условиях / А.И. Ярмолинский, А.П. Пичкунов, В.В. Лопашук, A.B. Лопашук, И.С. Украинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов - Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2012.- № 12. С. 34-41.

13. Украинский И.С. Способы повышения межремонтных сроков службы автомобильных дорог Дальнего Востока / А.И. Ярмолинский, И.С. Украинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов - Хабаровск: Издательство ТОГУ, 2012.- № 12. С. 50-54.

14. Украинский И.С. Повышение эффективности совместной работы геосинтетече-ского материала и армируемого слоя дорожной одежды / И.С. Украинский // Дальний Восток: Проблемы развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного ком- -плекса : материалы региональной научно-практической конференции. - Хабаровск : Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2012.- Вып. 12. (Научные чтения памяти профессора М.П.

Даниловского). С. 351-353.

15. Украинский И.С. Оценка температурного интервала работы геосинтетических материалов / И.С. Украинский // Дальний Восток: Проблемы развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплекса : материалы региональной научно-практической конференции. - Хабаровск : Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2012,- Вып. 12. (Научные чтения памяти профессора М.П. Даниловского). С. 354-355.

16. Украинский И.С. Применение армирующих геосинтетиче-ских материалов при строительстве автомобильных дорог Хабаровского края / В.А. Ярмолинский, И.С. Украинский // Дороги. Инновации в строительстве - 2013. - №25. - С. 98-99.

Украинский Илья Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ, АРМИРОВАННЫХ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИМИ СЛОЯМИ В УСЛОВИЯХ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 09.10.14 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Гарнитура «Times New Roman». Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,4 Тираж 100 экз. Заказ №288.

Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанский государственный университет 680035, Хабаровск, Тихоокеанская, 136