автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Развитие конструктивно-технологических решений для продления срока службы асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами

На правах рукописи

Крашенинин Евгений Юрьевич

РАЗВИТИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ, АРМИРОВАННЫХ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ (в климатических условиях Сибири и Крайнего Севера)

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов итранснортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Омск • 2009

003475880

Работа выполнена на кафедре «Проектирование дорог» ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Сиротюк Виктор Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Матвеев Сергей Александрович;

кандидат технических наук Бабак Олег Григорьевич

Ведущая организация - ГОУ ВПО «Московский автомобиль-

но-дорожный институт (технический университет)»

Защита диссертации состоится 30 сентября 2009 г. в 1400 ч. на заседании диссертационного совета ВАК РФ Д 212.250.01 ири Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).

Телефон для справок: (8-3812) 65-20-41. Факс: (8-3812) 65-03-23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибАДИ.

Отзывы на автореферат в количестве двух экземпляров, заверенные печатью, просьба высылать в адрес диссертационного совета: 644080, г. 0мск-80, проспект Мира, 5, СибАДИ, учёному секретарю диссертационного совета Д 212.250.01.

Копию отзыва можно прислать на e-mail: bobrova.lv@qmail.com

Автореферат разослан » августа 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Т.В. Боброва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

За последние годы грузоподъёмность и скорость движения транспортных средств значительно возросли. Увеличиваются нагрузки на дорожное покрытие, которое должно обеспечить безопасное движение транспорта и противостоять погодно-климатическим факторам. Возрастают требования к транспортно-эксплуатационным показателям покрытий.

Л г> м т гттчАлтлтт птшпато»т полп^г»''

для покрытий автомобильных дорог и широко используется во всём мире с прошлого века. Однако асфальтобетонные покрытия постепенно исчерпывают свои физические возможности длительно сохранять высокую прочность и сплошность при столь высоких нагрузках. Особенно это характерно для суровых климатических условий Сибири и Крайнего Севера.

Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований свидетельствует, что армирование асфальтобетонных покрытий геосинтетическими материалами позволяет повысить их сопротивление растягивающим напряжениям от силовых и температурных воздействий, уменьшить тре-щинообразование, колееобразованис и увеличить срок службы в 2-4 раза. Об этом свидетельствуют как научные исследования, так и практика эксплуатации некоторых участков с армированными покрытиями. Однако практика свидетельствует и о том, что далеко не всег да удаётся достичь существенных положительных результатов при армировании покрытий геосинтетическими материалами. Нет единого мнения в вопросах конструирования и расчёта армированных покрытий. Нет определённости в выборе эффективных гсосинтетических материалов, в требованиях к их прочности, долговечности и деформативности. Далеко не всё ясно в вопросах технологии строительства армированных покрытий и механизации работ.

Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в развитии научных положений и практических рекомендаций, на базе которых повышается эффективность строительства асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)». Исследования выполнялись по прямым договорам с производственными подразделениями. Тема диссертационного исследования включена в программу важнейших НИР Роравтодора на 2007-2008 гг.

Основная идея работы состоит в повышении эффективности строительства армированных асфальтобетонных покрытий в суровых климатических условиях за счёт обоснованного выбора армирующих материалов, совершенствования методов конструирования, расчёта и технологии строительства этих покрытий.

Объектом исследования являются дорожные одежды автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием.

Предмет исследования - закономерности изменения прочностных и деформативных параметров асфальтобетонных покрытий при введении армирующих прослоек из геосинтетических материалов.

Цель диссертационного исследования - научное обоснование конструктивно-технологических решений для продления срока службы асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

- проанализировать отечественный и международный опыт строительства асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами;

- на основе математического моделирования прогнозировать изменения напряжённо-деформированного состояния асфальтобетонных покрытий от силовых воздействий и температурных деформаций при введении различных армирующих прослоек;

- подобрать или разработать методики и оборудование для экспериментальных исследований, определить прочностные и деформативные свойства геосинтетических материалов и асфальтобетона, армированного этими материалами;

- проверить результаты экспериментально-теоретических исследований путём строительства и обследования опытных участков с армированным асфальтобетонным покрытием;

- дать экономическую оценку предлагаемых конструктивно-технологических решений.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:.

- получены новые знания в определении уровня и характера напряжений в асфальтобетонных покрытиях, армированных геосинтетическими материалами;

- экспериментально установлены закономерности изменения механических свойств асфальтобетона, армированного геосетками из стекловолокна и полимеров, и показатели этих свойств для расчёта покрытий дорожных одежд;

- предложена новая регламентация показателей свойств геосеток (плоских георешёток), позволяющая выбирать наиболее эффективные из них для строительства армированных асфальтобетонных покрытий.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что на базе проведённых исследований разработаны Рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных покрытий, включающие:

- требования к физико-механическим свойствам геосинтетических материалов, применяемых для армирования асфальтобетонных покрытий;

- рекомендации по конструированию и расчёту дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием;

- предложения по технологии строительства армированных асфальтобетонных покрытий;

- методику экономической оценки эффективности применения геосинтетических материалов для армирования асфальтобетонных покрытий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается методологической базой исследований, основанной на фундаментальных теоретических положениях отечественной и зарубежной науки; соблюдением основных принципов физического и математического моделирования; достаточным объемом экспериментальных данных, полученных с использованием приборов и оборудования, прошедших поверку и аттестацию; удовлетворительным совпадением экспериментальных и теоретических результатов; результатами опытно-производственной проверки итогов теоретических и экспериментальных исследований.

Личный вклад автора заключается в определении цели и задач исследования; выполнении теоретических и экспериментальных исследований; участии в опытно-производственном строительстве и обследований опытных участков; анализе и обобщении полученных результатов.

На защиту выносятся:

- совокупность экспериментальных и расчётных данных, характеризующих напряжённо-деформированное состояние и физико-механические свойства асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами;

- методики экспериментальных исследований прочностных и дефор-мативных свойств геосинтетических материалов и асфальтобетона, армированного этими материалами;

- регламентация показателей свойств геосеток (плоских георешёток) для строительства армированных асфальтобетонных покрытий;

- результаты натурных испытаний армированных асфальтобетонных покрытий;

- значения коэффициентов армирования, позволяющих уточнить стандартную методику расчёта дорожных одежд при введении армирующей прослойки в асфальтобетонное покрытие;

- конструктивно-технологические решения для продления срока службы асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами.

Реализация результатов исследования осуществлена путём строительства и обследования опытных участков с армированным асфальтобетонным покрытием. Разработаны и переданы заказчикам «Рекомендации

по проектированию, строительству и ремонту асфальтобетонных покрытий с использованием геосеток» (производимых этими заказчиками). Материалы исследования нашли отражение в Рекомендациях по усилению усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог, разработанных ио гос. заказу Росавтодора.

Материалы диссертационного исследования используются в учебном процессе: при подготовке учебных пособий, проведении лекций и практических занятий по дисциплине «Специальные вопросы проектирования дорог» со слушателями ФПК и студентами СибАДИ; разработке дипломных проектов.

Апробация работы. Материалы исследования доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на двенадцати конференциях различного уровня: «Второй Международный студенческий форум Образование, наука, производство» (Белгород, 2004 г.); «I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных» (Омск, 2006 г.); научно-технической конференции на базе ВладимирАвто-Дора (Владимир, 2007 г.); научно-технической конференции на базе Омск-ГазВодПроекта (Омск, 2007 г.); «И Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных» (Омск, 2007 г.); научно-технической конференции на базе КубаньАвтоДора (Краснодар,

2007 г.); научно-техническом семинаре на базе МАДИ (ГТУ) (Москва,

2008 г.); «III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных» (Омск, 2008 г), научно-техническом семинаре на базе Министерства Транспорта Республики Татарстан (Казань, 2008 г.); научно-техническом семинаре на базе Министерства Транспорта Королевства Иордании (Амман, 2008 г.); научно-техническом семинаре на базе Министерства Транспорта Египта (Каир, 2008 г.); научно-техническом семинаре на базе Управдора (Киев, 2008 г.).

Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в десяти статьях (одна в сборнике, рекомендованном ВАК), трёх отчётах по НИР.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Результаты исследования изложены на 196 страницах основного текста, включающего 124 рисунка, 73 таблицы, библиографию из 193 наименований; объём приложений -16 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе дан краткий обзор различных путей повышения срока службы и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий.

Рассмотрены физико-механические показатели геосинтетических материалов (ГМ) мировых производителей, которые применяют для армирования асфальтобетонных покрытий.

Изучен мировой опыт применения ГМ для армирования асфальтобетонных покрытий при строительстве, ремонте и реконструкции автомобильных дорог и аэродромов в России, США, Германии, Франции и др.

Выполнен анализ существующих методик расчёта дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием.

Проанализированы работы B.C. Агеева, В.Д. Казарновского, В.А. Кретова, Ю.М. Львовича, С.А. Матвеева, А.Е. Мерзликина, А.С. Михайловского, В.В. Мозгового, Ю.Р. Перкова, В.В. Ушакова, А.Г1. Фомина, В.Н. Яромко, S. F. Brown, G.S. Cleveland, J.W. Button, R.L. Lytton, J.M. Brunton, D.A.B. Hughes, B.V. Brodrick, H.I. Ling, Z. Liu, S.W. Perkins, M. Ismeik, M.L. Fogelsong, Y. Wang, E.V. Cuelho и других учёных.

Вторая глава посвящена разработке методик и изучению физико-механических свойств ГМ, применяемых для армирования асфальтобетонных покрытий.

В настоящее время в России только формируются общепринятые и гармонизированные методики определения показателей свойств ГМ, применяемых в дорожном строительстве. Поэтому за основу были приняты европейские, американские и отечественные нормативно-методические документы: ISO 10319:1993(Е); Geotcxtiles - Wide-width tensile test, ASTM D 4595; Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip Method, ISO 10321:1992(R); Geotextiles - Tensile test for joints/seams by wide-width method, DIN EN ISO 3146; Plastics - Determination of melting behaviour (melting temperature or melting range) of semi-crystalline polymers by capillary tube and polarizing-microscope methods, GRI Test Method GG1; Geogrid Rib Tensile Strength, GRI Test Method GG2; Geogrid Junction Strength, GRI Specification GG6; Grip Types for Use in the Wide Width Testing of Geotextiles and Geogrids, GRI Standard Practice GG4(a); Determination of the Long-Tern Design Strength of Stiff Geogrids; ГОСТ P 50275-92 (ISO 9862-90), ГОСТ 6943.10-79; ГОСТ 15902.3-79; ГОСТ 29104.4-91 и др.

В диссертационной работе предложен ряд методик испытаний ГМ, включающих определение предела прочности при растяжении и соответствующих предельных деформаций, прочности узловых соединений, термостойкости, морозостойкости, ползучести, повреждаемости при уплотнении (рис. 1).

Рис. 1. Оборудование, изготовленное для некоторых испытаний: А - определение предела прочности ГМ при растяжении; Б - установка для определения повреждаемости геосеток и уплотнения асфальтобетонной смеси {1 - форма; 2 - валец; 3 - каретка; 4 - механический привод)

Для испытаний использованы различные геосетки, плоские георешётки и геокомпозиты от отечественных и зарубежных производителей, изготовленные на основе стекловолокна и иолимеров.

В результате испытаний было установлено, что некоторые ГМ обладают неоднородностью механических свойств с величиной среднеквадрати-ческого отклонения до 15 %. В большинстве случаев физико-механические показатели испытанных ГМ подтверждают обоснованность и достоверность данных, заявленных производителями в технических условиях. Однако после воздействия на некоторые полимерные георешётки температуры 150°С снижение прочности достигает 15 %, а температуры 160"С - 25 %.

11рочность узловых соединений стеклосеток мала, поэтому эти соединения практически не передают нагрузку на взаимно-перпендикулярные рёбра (эффект «заанкеривания» незначителен). В этом случае важно обеспечивать хорошую связь рёбер геосетки с армируемым материалом. В противном случае не будет происходить перераспределение нагрузок от армируемого материала к армирующему материалу.

При расчётах на трещиностойкость покрытий от длительных температурных воздействий необходимо учитывать ползучесть ГМ — от 1 до 8 % (которой обладают все виды испытанных геосеток и плоских георешёток) и снижение их прочности в результате длительного действия нагрузок. По результатам испытаний было установлено, что долговременная прочность ГМ может составлять от 70 до 85 % от кратковременного предела прочности при растяжении. Потеря прочности ГМ от исходной после 50 циклов замораживания - оттаивания составляет от 15 до 28 %.

В результате сдвигов каменных материалов, происходящих в асфальтобетонной смеси при её уплотнении гладковальцовыми катками, может происходить существенное повреждение рёбер некоторых стеклоссток со снижением их прочности до 50 %.

На основании анализа зарубежных и российских исследований и нормативно-методических документов, исследований автора и результатов опытно-производственного строительства предложены требования к регламентируемым показателям свойств ГМ, применяемых для армирования асфальтобетонных покрытий (табл.).

Таблица - Регламентируемые показатели свойств геосиптетических материалов, применяемых для усиления (армирования) асфальтобетонных покрытий

Показатель свойств Регламентация по категориям автомобильных дорог Методика определения показателя свойств

1,11" III, ITÍ, IV

1. Механические свойства

1.1. Прочность при растяжении в продольном (поперечном) направлении Ящ (Яг/д, кП/м, не менее 100 50(100)2) По DIN EN ISO 10319 или по методу прил. Б. 1

1.2. Усилие в образце в направлении длины (ширины) материала Ищ(с) и Я1¡¡(е), отнесённое к ширине образца, кН/м, возникающее при относительной деформации с = 2 %, не менее 50 25 (50)2» По DIN EN ISO 10319 или по методу прил. Б.1

1.3. Длительная прочность, % от кратковременной прочности Дм (Яти), не менее 70 По методу приложения Б.5

1.4. Относительная прочность узловых соединений геосетки % от прочности рёбер, не менее 5 IIo DIN EN ISO 10321 или по методу прил. Б.2

2. Параметры, определяющие стойкость к различным агрессивным воздействиям

2.1. Уменьшение прочности Rlr (Rtr), после нагрева до 160°С (теплостойкость), %, не более 15 По методу прил. Б.З

2.2. Потеря прочности (повреждаемость) материала в процессе укладки асфальтобетона, % от исходной прочности Rui (Rtr), не более 25 По методу прил. Б.6

2.3. Уменьшение исходной прочности Ящ (Rrn), в агрессивных средах, %, не более 40 По ISO/TR 12960, DIN EN 14030

2.4. Уменьшение исходной прочности Ящ (Rtr) после 25 (50)2) циклов замораживания - оттаивания, %, не более 25 По методу прил. Б.4

.?. Геометрические параметры

3.1. Размер ячеек геосетки, мм, не менее - для мелкозернистого асфальтобетона - для крупнозернистого асфальтобетона 20x20 35x35 По ГОСТ 3811

3.2. Ширина рулона, м от 1,5 до 4

3.3 Длина материала в рулоне, м от 20 до 100

Примечания-. 1) дороги второй категории при четырёх полосах движения;

2) для дорог всех категорий в I дорожно-климатической зоне

В третье главе представлены результаты математического моделирования и анализа напряжённо-деформированного состояния (НДС) дорожных конструкций с одеждами жёсткого и нежёсткого типов с армирующей прослойкой и без неё. Выполнен расчёт величины температурного раскрытия трещин в покрытии. Предложена уточнённая методика расчёта на прочность дорожной одежды жёсткого и нежёсткого типов с геосинтетической прослойкой, расположенной между слоями асфальтобетона.

Анализ НДС дорожной одежды выполнен в соответствии с законами теории упругости методом конечных элементов (МКЭ).

В качестве примера на рис. 2 представлена одна из моделей дорожных конструкций.

q = 0,6 МПа

Рис. 2. Расчетная схема дорожной конструкции с одеждой жёсткого типа для определения напряжений от транспортной и температурной нагрузок: 1,3- асфальтобетон; 2 - армирующая прослойка; 4 - железобетонная плита; 5 - песок среднезерпистый;

6 - грунт зем. полотна

Для каждого из типов дорожных одежд было составлено по 10 вариантов конструкций. Варьировалось местоположение армирующей прослойки по глубине асфальтобетонного пакета, а также модуль упругости армирующего материала в диапазоне от 50 до 200 ГПа. Анализ НДС дорожных конструкций позволил оценить влияния армирующей прослойки с различным значением модуля упругости и местоположением по глубине асфальтобетонного пакета на НДС.

На рис. 3 представлен один из результатов численного решения задачи в виде фрагментов перемещений и изополей нормальных напряжений в сечении, совпадающем с осыо ОХ.

Анализ изополей напряжений по сечению XOZ показывает, что независимо от физико-механических показателей армирующих материалов концентрация напряжений над стыками железобетонных плит (трещиной) неизбежно приведёт к образованию температурных трещин в слое асфаль-

тобетонного покрытия, но образование этих трещин произойдёт позднее, чем в неармированном покрытии.

О 0,2)7 0,434 0,651

"х

0,287 0,574 0,862

Рис. 3. Изополя перемещений по оси X: а - конструкция с геосеткой, Ь без геосегки

Установлено, что эффект от армирования конструкций жёсткого и нежёсткого типов от воздействия температурных деформаций в суровых климатических условиях возрастает при увеличении значения модуля упругости ГМ свыше 100 ГПа и расположении армирующей прослойки ближе к средней части пакета асфальтобетонных слоев. С учётом подвижной нагрузки наиболее эффективно двухслойное армирование покрытия с расположением ГМ в нижней и верхней части пакета асфальтобетонных слоёв.

Для оценки влияния наличия армирующей прослойки из ГМ на величину раскрытия трещин в асфальтобетонном покрытии применена методика, используемая для расчёта бетонных и железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуры.

Один из результатов расчётов представлен на рис. 4. Использование прочной армирующей прослойки позволяет сократить величину раскрытия трещин в покрытии в 2^4 раза.

ю

50 100 150

Модуль упругости армирующего материала, ГПа

200

Рис. 4. Зависимость величины раскрытия трещины от модуля упругости ГМ

При расчёте дорожной одежды жёсткого и нежёсткого типов па прочность предложен общий подход: наличие армирующей прослойки в асфальтобетонном покрытии учитывается за счёт введения в базовые расчётные формулы двух специальных коэффициентов, величина которых зависит от прочности и деформативности геосетки:

- коэффициент к„ учитывает повышение сопротивления покрытия растягивающим температурным напряжениям и сопротивления растяжению при изгибе (принимает значение от 1,00 до 1,50);

- коэффициент кцр учитывает уменьшение влияния усталостных процессов на прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия (принимает значение от 0,25 до 1,00).

Срок службы дорожной одежды с армированным асфальтобетонным покрытием предлагается определять по формуле

тыщ = Т» + тооп = Та + log

п lNp-(l-k„p)-(q-l)

0,7 ■ NР ■ Трйг ■ кп

(О

где Та - расчетный срок службы (см. табл.II.6.2, ОДН 218.046-01); Тдо„ - величина увеличения срока службы дорожной одежды, вследствие применения геосетки; Т1Х),, -расчётное число расчётных дней в году, соответствующих определённому состоянию деформируемости конструкции (см. прил.6, ОД11 218.046-01); Л1), - приведённое к расчётной ншрузке среднесуточное (па конец срока службы) число проездов всех колес, расположенных по одному боргу расчётного автомобиля, в пределах одной полосы проезжей части (приведённая интенсивность воздействия нагрузки); ц - показатель изменения интенсивности движения автомобиля данного типа по годам; к„ - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (см. табл. 3, ОДН 218.046-01); кцр - коэффициент, учитывающий уменьшение влияния усталостных процессов па прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия.

Помимо увеличения общего срока службы дорожной одежды, армирование покрытия повышает сопротивление асфальтобетонных слоев растягивающим напряжениям от подвижной многократной нагрузки, усталостным процессам, обусловливающим развитие микротрещин в асфальтобетонных слоях, потерю их сплошности и снижение распределяющей способности.

Эти позитивные особенности учитываются при выполнении расчёта конструкции па сопротивление монолитных слоёв усталостному разрушению от растяжения при изгибе. При этом прочность материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе определяют по формуле

RN=Ro-krk2-ka(l-vR-0, (2)

где /?0 - нормативное знамение предельного сопротивления растяжению (прочность) при изгибе при расчётной низкой весенней температуре при однократном приложении па-грузки, принимаемое по табличным данным (см. табл. 11.3.1, ОДП 218.046-01); к/- коэффициент, учитывающий снижение прочности вследствие усталостных явлений при многократном приложении нагрузки; Ь- коэффициент, учитывающий снижение прочное™ по времени от воздействия погодно-климатичсских факторов (см. табл. 3.6, ОД11 218.04601); к„ - коэффициент, учитывающий увеличения прочности вследствие армирования слоя геосеткой; коэффициент вариации прочности на растяжение (см. прил. 4, ОДН 218.046-01); (-коэффициентнормативного отклонения (см. прил. 4. ОДН 218.046-0!).

Коэффициент к/, отражающий влияние на прочность усталостных процессов, вычисляют по выражению

где - расчётное суммарное число приложений расчётной нагрузки за срок службы монолитного покрытия, определяемое по формуле (3.6) ОДН 218.046-01 или (3.7) ОД11 218.046-01 с учётом 'тела расчётных суток за срок службы (см. прил. 6, ОДН 218.04601); т - показатель степени, зависящий от свойств материала рассчитываемого монолитного слоя (см. табл. 11.3.1, ОДН 218.046-01); «-коэффициент, учитывающий различие и реальном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузкой, а также вероятность совпадения по времени расчётной (низкой) температуры покрытия и расчетного состояния грунта рабочего слоя по влажности, определяемый по табл. П.3.1, ОДН 218.046-01; Ад>р - коэффициент, учитывающий уменьшение влияния усталостных процессов на прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия геосеткой.

При расчёте жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, армированным геосеткой, предлагается определять толщину верхнего асфальтобетонного слоя из условия работы на прочность при действии расчётной нагрузки, отражающей растяжение асфальтобетона в поперечном направлении в призме шириной поверху 21{, понизу (2Л+2На) и высотой На по формуле

где И<1 - сопротивление асфальтобетона на растяжение при изгибе (ем. обязательное прил. 4 Методических рекомендаций по проектированию жёстких дорожных одежд); Куа - коэффициент усталости (учитывающий многократное приложение нагрузки в течение суток) (см. обязательное прил. 4 Методических рекомендаций по проектированию жёстких дорожньк одежд); ка - коэффициент, учитывающий увеличения прочности вследствие армирования слоя геосеткой; /ь - коэффициент Пуассона для асфальтобетона; С„ - сцепление между слоем асфальтобетона и цементобетона, ие превышающее сцепление внутри слоя асфальтобетона (допускаемое напряжение по сдвигу). При отсутствии гарантированного сцепления принимается Са -0.

к

а

(3)

К(2Я + Иа)

Данная формула отличается от формулы, приведённой в Методических рекомендациях по проектированию жёстких дорожных одежд, наличием коэффициента ка, за счёт которого учитывается эффект от применения армирующей прослойки.

В четвертой главе выполнен анализ зарубежных и отечественных экспериментальных методик оценки прочности и трещиностойкости а с-фальтобетона, в том числе армированного геосинтетическим материалом.

Рассмотренные исследования, проведённые О.Г. Бабаком, A.C. Баран-ковским, JI.C. Губачом, A.B. Дегтевым, Б.С: Кретовым, Л.А. Марковым, A.A. Малышевым, В.А. Никольским, Ю.Е. Радовским, И.М. Щербаковым, G.S. Cleveland, J.W. Button, F.P. Germann, R.L. Lytton и др., не имеют единого подхода в решении данной задачи, кроме того не все из рассмотренных методик могут учесть эффект от наличия армирующего материала.

В диссертационной работе предложены методики испытаний армированных асфальтобетонных образцов размером не менее 100x100x400 мм, сформированных на специальной установке (см. рис. 1). При этом определялись показатели свойств образцов при различных температурах (от -10 "С до +50 °С), армированных разными геосетками и плоскими георешётками: предел прочности на растяжение при изгибе, при сжатии, на сдвиг между слоями, на циклическое нагружение.

Испытания на циклическое нагружение показали (рис. 5), что использование армирующей прослойки из прочного малодеформативного геосинтетического материала позволяет повысить количество циклов, требуемое для доведения асфальтобетонных образцов до разрушения, в 1,5 раза.

Наличие армирующей прослойки из ГМ в растянутой зоне образца-балки (1/3 от низа) позволяет повысить предел прочности на растяжение при изгибе до 20 %. Причём повышение прочности наблюдается только при использовании геосеток с прочностью не менее 50 кН/м и деформа-тивностью не более 4 %.

При испытаниях на сжатие асфальтобетонных образцов, независимо от марки армирующего материала и температуры испытаний, отличий результатов испытаний армированных асфальтобетонных образцов от неар-мированных не наблюдается.

Испытания на сдвиг показали, что при использовании геосетки сцепление между асфальтобетонными слоями почти не изменяется, а применение геокомпозита (сетка+геотестиль) может приводить к уменьшению сцепления между слоями до 40 %.

Результаты математического моделирования, лабораторных испытаний и опытного строительства позволили обосновать значения коэффициентов армирования, учитывающих при расчётах увеличение прочности асфальтобетонного покрытия и срока его службы за счёт использования армирующих прослоек из различных ГМ.

О 40 80 120 160 200 240

Номер цикла

О 40 80 120 160 200 240

Номер цикла

Рис. 5. Графики изменения величины прогиба до разрушения при циклическом нагружении асфальтобетонных образцов: А - без армирования; В - армирован геосеткой с прочностью 100 кН/м

В пятой главе изложены результаты строительства и обследования опытных участков с армированным асфальтобетонным покрытием. Участки с нашим научно-техническим сопровождением, построены на дорогах III категории в 1 ДКЗ. Кроме этого обследован ряд опытных участков в различных регионах страны.

Первый опытный участок построен на автомобильной дороге Корот-чаево-Заполярное ГНКМ в 2003 г. Конструкция дорожной одежды на этом участке включает двухслойное асфальтобетонное покрытие, уложенное на железобетонные плиты. ГМ укладывался между слоями покрытия. Использовали два вида материалов: стеклосетку и нетканый материал из бесконечных полипропиленовых нитей армированный стекловолокном. Армирование выполнялось по различным схемам (рис. 6): сплошное, участковое (над швами), комбинированное.

Рис. 6, Варианты армирования: а - сплошное армирование; б - армирование продольных и поперечных швов; в, г - армирование поперечных швов

Второй опытный участок протяжённостью 3063 м был построен на автомобильной дороге «Новый Уренгой-Надым» в 2006 г. Дорожная одежда включает асфальтобетонное покрытие на щебёночном основании, которое уложено на земляное полотно из мелкого песка.

При строительстве этого участка использовано четыре вида ГМ: стеклосетки и плоские георешётки на основе полимеров от российских и зарубежных производителей. Геосетки были уложены на нижний слой асфальтобетонного покрытия после года его эксплуатации тяжёлым автотранспортом. Вследствие чего, к моменту укладки геосетки нижний слой покрытия имел не только продольную, но и раскрытые поперечные трещины с шагом 5-6 м. по всей длине участка. После подгрунтовки и распределения армирующего материала на всю ширину укладывался верхний слой покрытия шириной 8 м, толщиной 6 см из плотного мелкозернистого асфальтобетона на битуме БНД 90/130, типа Б, марки II.

На двух секциях этого опытного участка было устроено армированное и неармированное покрытие с нарезкой поперечных швов с их герметизацией специальным шнуром и битумной мастикой.

Обследование опытных участков выполнялось ежегодно. При этом установлено, что результаты экспериментально-теоретических исследований адекватно отражают практические результаты, а полученные законо-

мерности в основном подтверждаются в процессе работы армированных асфальтобетонных покрытий в суровых климатических условиях.

Анализ результатов обследования показал.

Основным отличием в работе армированных асфальтобетонных покрытий является замедление процесса образования отражённых и температурных трещин, увеличение шага поперечных трещин в 2-3 раза, значительное уменьшение ширины раскрытия всех трещин. Эти факторы позитивно влияют на сохранение транспортно-эксплуатационных показателей асфальтобетонных покрытий.

На обследованных участках с армированным асфальтобетонным покрытием, расположенных в Ш-1У ДКЗ европейской части России, отмечено уменьшение интенсивности трещинообразования (в 1,5-2,5 раза) и ко-лееобразования (до 37 %). На автомобильных дорогах, расположенных в I ДКЗ, существенных отличий в процессе колееобразования па опытных и контрольных участках не обнаружено. В этом регионе колееобразование в основном происходит за счёт износа покрытия по полосам наката.

Низкое качество укладки и приклеивания гсосстки приводит к её сдвигам в процессе укладки асфальтобетона и преждевременному разрушению покрытия на этих участках.-

Укладка геоссток полосами только над швами или трещинами в основании в суровых климатических условиях не эффективна. В этих условиях целесообразно сплошное армирование покрытия.

Укладка армирующих геосеток непосредственно на цементобетонное основание или старое трещиновато-блочное асфальтобетонное покрытие без подготовки и ремонта последнего менее эффективна, нежели па свежий выравнивающий слой с последующим устройством верхнего асфальтобетонного слоя толщиной не менее 6 см.

Армированное асфальтобетонное покрытие не может компенсировать недостаточную несущую способность основания или земляного полотна.

Использование геокомпозита (сетка+тестиль) для армирования более технологично и не приводит к сдвигам асфальтобетонного покрытия в процессе эксплуатации на прямых участках дороги.

Нарезка поперечных швов в асфальтобетонном покрытии через 20 м с их герметизацией не дала позитивных результатов. Шаг температурных и отражённых трещин не изменился (даже вблизи от нарезанных швов).

В шестой главе представлена методика и выполнена оценка экономической эффективности применения ГМ для армирования асфальтобетонных покрытий. За основу определения эффективности инвестиционных проектов и принятия решений принято Руководство по оценке экономической эффективности использования в дорожном хозяйстве инноваций и достижений научно-технического прогресса. Обосновывать экономиче-

скую эффективность армирования покрытий предложено за счёт увеличения межремонтных сроков службы и снижения ежегодных эксплуатационных затрат.

Согласно расчётам ЧДД для варианта при укладке геосетки в асфальтобетонное дорожное покрытие из горячей мелкозернистой асфальтобетонной смеси толщиной 8 см составил 1062,16 тыс. руб., ИД равен 1,38, точка безубыточности - 4 года 2 месяца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведённых исследований получили развитие научные положения и конструктивно-технологические решения, позволяющие уменьшить трещинообразование и продлить срок службы асфальтобетонных покрытий в суровых климатических условиях Сибири и Крайнего Севера с помощью их армирования геосинтетическими материалами.

2. Моделирование напряжённо-деформированного состояния дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием при силовых воздействиях и температурных напряжениях с использованием метода конечных элементов позволило прогнозировать и теоретически подтвердить возможность увеличения прочностных характеристик дорожной одежды при использовании геосинтетического материала в асфальтобетонном покрытии.

Эффективность армирования асфальтобетонных покрытий повышается при использовании высокопрочных геосинтетических материалов с относительно малой деформативностью (Лр > 50 кН/м, Еоти < 4%).

Независимо от наличия или отсутствия армирующей прослойки в асфальтобетонном покрытии неизбежно появление трещин, однако даже в суровых климатических условиях за счёт конструирования дорожных одежд и применения эффективных геосинтетических материалов можно существенно отдалить срок их появления, увеличить шаг образования и уменьшить ширину раскрытия трещин в 2^4 раза. При этом срок службы армированных покрытий в суровых климатических условиях может быть увеличен до 40 %.

3. Эффективность применения геосинтетических материалов зависит от ряда факторов:

- местоположения армирующей прослойки по толщине и ширине покрытия;

- прочности и деформативности армирующего материала;

- величины сцепления между армирующим и армируемым материалом;

- степени повреждаемости геосинтетического материала от воздействия температуры горячей асфальтобетонной смеси и уплотняющих средств.

Предложенная новая регламентация показателей свойств геосинтетических материалов, учитывающая вышеуказанные факторы и другие показатели, позволяет выбрать наиболее эффективные из них для строительства армированных асфальтобетонных покрытий.

4. Методики И оборудование, разработанные автором для экспериментальных исследований и определения механических свойств гсосинте-тических материалов и асфальтобетона, армированного этими материалами, могут служить основой при дальнейшем совершенствовании нормативно-методической базы по рассматриваемому вопросу.

5. Комплексные испытания геосеток и плоских георешеток позволили экспериментально установить ряд фактов и закономерностей:

- кратковременная и длительная прочность на разрыв зависят от марки и свойств сырьевых материалов; длительная прочность обычно составляет от 70 до 85 % от кратковременной;

- все исследованные гсосегки и плоские георешётки обладают де-формативностью от 1 до 8 % при длительном воздействии постоянной нагрузки;

- прочность узловых соединений у стеклосеток мала и обычно не превышает 5 % от прочности рёбер, а прочность узловых соединений плоских георешёток из полимерных материалов зависит от технологии их изготовления и может составлять от 30 до 100 % от прочности ребер;

- не все георешётки из полимерных материалов обладают термостойкостью, требуемой при укладке горячего асфальтобетона;

- величина снижения прочности некоторых геосеток после циклического замораживания и оттаивания может достигать 30 %;

- в результате сдвигов каменных материалов, происходящих в асфальтобетонной смеси при её уплотнении гладковальцовыми катками, может происходить существенное повреждение рёбер некоторых геосеток, при этом величина снижения прочности достигает 50 %; плоские георешётки из полимерных материалов и reo композиты меньше подвержены этому негативному явлению.

6. Экспериментально установлено:

- наличие армирующей прослойки из прочной стеклосетки в растянутой зоне (ниже от центра) образца-балки позволяет повысить предел прочности на растяжение при изгибе асфальтобетона до 20 %; -

- использование для армирования плоских георешёток из полимерных материалов, обладающих повышенной деформативностью, не даёт существенного увеличения предела прочности на растяжение при изгибе образцов из асфальтобетона;

- закономерности изменения модуля упругости асфальтобетона с введением армирующего материала повторяют закономерности изменения предела прочности на растяжение при изгибе;

- при испытаниях на сжатие асфальтобетонных образцов, независимо от марки армирующего материала и температуры испытаний, отличий результатов испытаний армированных асфальтобетонных образцов от неар-мированных не наблюдается;

- использованные для испытаний армирующие прослойки без композита не ухудшают сцепление между асфальтобетонными слоями, а в случае использования геокомпозита возможно снижение величины сцепления между слоями;

- в зависимости от вида материала использование армирующей прослойки позволяет повысить необходимое количество циклов для доведения асфальтобетонных образцов до разрушения от 10 до 50 %.

7. Строительство и обследования опытных участков дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием в суровых климатических условиях подтвердило достоверность и обоснованность результатов экспериментально-теоретических исследований. При этом установлено:

- армирование асфальтобетонных покрытий геосинтетическим материалами эффективно только при условии обеспеченности требуемой несущей способности всей дорожной конструкции;

- участковое армирование покрытия (только над швами или трещинами) не даёт ощутимых положительных результатов в условиях IДКЗ;

- несоблюдение технологических требований и норм при строительстве армированных покрытий может свести на нет все позитивные результаты этого конструктивно-технологического мероприятия (особенно это относится к операции раскладки и надёжной фиксации на основании армирующей прослойки).

8. Разработан ряд конструкций дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием, рекомендованных для ремонта, реконструкции и строительства.

Экономическая оценка предлагаемых конструктивно-технологических решений показала, что экономический эффект от строительства армированных асфальтобетонных покрытий может быть достигнут за счёт увеличения срока службы и снижения эксплуатационных затрат. При этом величина экономического эффекта составляет от 200 до 800 тыс. руб. на 1 км и возрастает с повышением категории автомобильной дороги.

9. В результате исследований, в которых автор принимал непосредственное участие, разработан ряд рекомендаций для производителей геосинтетических материалов, переданы для утверждения в Росавтодор «Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для усиления усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог».

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

1. Крашенинин ЕЛО. Методы снижения образования отраженных трещин п асфальтобетонном покрытии // Межвузовский сборник трудов молодых учёных, аспирантов и студентов. - Омск: Изд-во СибЛДИ, 2004. - Выи. ]. - Ч. 1. - С. 102-107.

2. Крашенинин ЕЛО. Анализ методов повышения трещиностойкости асфальтобетонного покрытия // Образование, паука, производство: Сб. тез. докл. II Международного студенческого форума. — Белгород; Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 20СИ. - 4.5. - С.43.

3. Сиротюк В.В., Крашенинин ЕЛО. Строительство армированного асфальтобетонного покрытия на основании из плит // Материалы ежегодного семинара 28-30 ноября 2004 г. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2004. - С. 18-32. (Участие соискателя 40%).

4. Крашенинин ЕЛО. Анализ некоторых мероприятий по повышению трещиностойкости асфальтобетонных покрытий на основании из железобетонных плит //Межвузовский сборник трудов студентов, аспирантов и молодых ученых. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. - Вып. 2. - 4.1. - С. 274-284.

5. Сиротюк В.В., Батероу К., Бейер X., Крашенинин ЕЛО. Строительство армированного асфальтобетонного покрытия в экстремальных климатических условиях // Строительная техника и технологии.-2005.-№3 (37). — С. 114—118.

Г1о просьбе редакции статья перепечатана в журнале «Автоматизированные технологии изысканий и проектирования». - 2005. №3. - С. 49-52. (Участие соискателя 25 %).

6. Крашенинин ЕЛО. Лабораторные методы испытаний гсосеток, используемых для армирования асфальтобетона // Межвузовский сборник трудов молодых ученных, аспирантов и студентов. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. - Вып. 4. - Ч. 1. - С. 156-162.

7. Крашенинин ЕЛО., Сиротюк В.В. Лабораторный метод изготовления армированных асфальтобетонных образцов //Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2007. - Вып. 4. - С. 151-155. (Из списка ВАК, участие соискателя 60 %).

8. Крашенинин ЕЛО., Левашов Г.М. О влиянии армирующей прослойки на сцепление между асфальтобетонными слоями // Материалы III Всероссийской паучно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. Книга 1. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2008. -С. 68-70. (Участие соискателя 50 %).

9. Сиротюк В.В., Крашенинин ЕЛО. Особенности конструирования дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием в условиях Сибири и Крайнего Севера //Вестник Сибирской государственной автомобильпо-дорожпой академии. -Омск: Полиграфический центр КАН, 2008. - Вып. 7. - С. 7-13. (Участие соискателя 40 %).

10. Сиротюк В.В., Крашенинин ЕЛО. Конструкции дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. - М. - 2008. - № 4. - С. 71-76. (Участие соискателя 40 %).

Подписано к печати 27.07.2009 Формат 60x90 1/16. Бумага писчая Гарнитура Тайме Оперативный способ печати Усл. п.л. 1,37; уч.-изд. л. 1,10 Тираж 100 экз. Заказ №40

Отпечатано в подразделении ОП

издательства СибАДИ 644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10

Введение.

1 Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Опыт применения геосинтетических материалов при строительстве асфальтобетонных покрытий.

1.2 Геосинтетические материалы, используемые для армирования асфальтобетонных покрытий.

1.3 Анализ методов проектирования дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием.

1.4 Выводы, цель и задачи исследования.

2 Физико-механические свойства геосинтетических материалов, применяемых для армирования асфальтобетонных покрытий.

2.1 Методики и оборудование, используемые для испытаний.

2.1.1 Определение прочности при растяжении • геосинтетических материалов.

2.1.2 Определение прочности узловых соединений.

2.1.3 Определение термостойкости.

2.1.4 Определение характеристик ползучести при растяжении геосинтетических материалов.

2.1.5 Оценка повреждаемости геосинтетических материалов.

2.1.6 Оценка прочности после воздействия циклов 58 замораживания-оттаивания.

2.2 Геосинтетические материалы, использованные для исследования

2.3 Обработка результатов испытаний методами математической статистики.

2.4 Результаты испытаний.

2.4.1 Результаты определения предела прочности геосинтетических материалов.

2.4.2 Результаты оценки прочности узловых соединений.

2.4.3 Результаты оценки термостойкости.

2.4.4 Результаты определения характеристик ползучести при растяжении.

2.4.5 Результаты оценки повреждаемости.

2.4.6 Результаты оценки прочности после воздействия циклов замораживания-оттаивания.

Выводы по второй главе.

3 Анализ напряженно-деформированного состояния армированного асфальтобетонного покрытия.

3.1 Общие положения.

3.2 Моделирование многослойных армированных дорожных одежд с использованием объёмных и стержневых конечных элементов

3.3 Численная реализация конечно-элементной модели при силовых и температурных воздействиях.

3.4 Анализ результатов численного решения.

3.4.1 Дорожная одежда жёсткого типа.

3.4.2 Дорожная одежда нежёсткого типа.

3.5 Оценка адекватности принятой модели.

3.6 Методика и результаты расчета асфальтобетонных слоёв дорожной одежды по раскрытию трещин.

3.7 Особенности методики расчёта на прочность дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, армированным геосетксй.

3.7.1 Общие положения.

3.7.2 Особенности расчёта нежёстких дорожных одежд.

3.7.3 Особенности расчёта жестких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, армированным геосеткой.

Выводы по третьей главе.

4 Экспериментальная оценка физико-механических свойств армированного асфальтобетона.

4.1 Анализ экспериментальных методов оценки трещиностойкости асфальтобетона.

4.2 Методики и оборудование, используемые для испытаний асфальтобетонных образцов.

4.2.1 Определение предела прочности на растяжение при изгибе.

4.2.2 Определение предела прочности при сжатии.

4.2.3 Определение предела прочности на сдвиг.

4.2.4 Циклические нагружения на растяжение при изгибе.

4.3 Свойства асфальтобетона, применяемого для испытаний.

4.4 Результаты испытаний асфальтобетонных образцов.

4.4.1 Результаты определения предела прочности на растяжение при изгибе.

4.4.2 Результаты определения предела прочности при сжатии асфальтобетонных образцов.

4.4.3 Результаты определения предела прочности на сдвиг асфальтобетонных образцов.

4.4.4 Результаты испытаний асфальтобетонных образцов на циклическое нагружение.

Выводы по четвёртой главе.

5 Строительство и обследование опытных участков с армированным асфальтобетонным покрытием в суровых климатических условиях.

5.1 Строительство опытного участка на автомобильной дороге

Коротчаево - Заполярное ГНКМ».

5.2 Строительство опытного участка на автомобильной дороге «Новый Уренгой - Надым».

5.3 Результаты обследований опытного участка на автомобильной дороге «Коротчаево - Заполярное ГНКМ».

5.4 Результаты обследования опытного участка автомобильной дороги «Новый Уренгой — Надым».

Выводы по пятой главе.

6 Оценка экономической эффективности применения геосеток для армирования асфальтобетонных покрытий.

6.1 Определение технико-экономических показателей вариантов устройства асфальтобетонного покрытия.

6.2 Обоснование экономической эффективности применения армированных покрытий.

6.2.1 Общие положения.

6.2.2 Результаты расчётов.

Выводы по шестой главе.

За последние годы грузоподъёмность и скорость движения транспортных средств значительно возросли. Увеличиваются нагрузки на дорожное покрытие, которое должно обеспечить безопасное движение транспорта и противостоять по-годно-климатическим факторам. Возрастают требования к транспортно-эксплуатационным показателям покрытий.

Асфальтобетон является наиболее распространённым материалом для покрытий автомобильных дорог и широко используется во всём мире с прошлого века. Однако асфальтобетонные покрытия постепенно исчерпывают свои физические возможности длительно сохранять высокую прочность и сплошность при столь высоких нагрузках. Особенно это характерно для суровых климатических условий Сибири и Крайнего Севера.

Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований свидетельствует, что армирование асфальтобетонных покрытий геосинтетическими материалами позволяет повысить их сопротивление растягивающим напряжениям от силовых и температурных воздействий, уменьшить трещинообразование, колееоб-разование и увеличить срок службы в 2-4 раза. Об этом свидетельствуют как научные исследования, так и практика эксплуатации некоторых участков с армированными покрытиями. Однако практика свидетельствует и о том, что далеко не всегда удаётся достичь существенных положительных результатов при армировании покрытий геосинтетическими материалами. Нет единого мнения в вопросах конструирования и расчёта армированных покрытий. Нет определённости в выборе эффективных геосинтетических материалов, в требованиях к прочности, долговечности и деформативности этих материалов. Далеко не всё ясно в вопросах технологии строительства армированных покрытий и механизации работ.

Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в развитии научных положений и практических рекомендаций, на базе которых повышается эффективность строительства асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Исследования выполнялись по прямым договорам с производственными подразделениями. Тема диссертационного исследования включена в программу важнейших НИР Росавтодора на 2007-2008 гг.

Основная идея работы состоит в повышении эффективности строительства армированных асфальтобетонных покрытий в суровых климатических условиях за счёт обоснованного выбора армирующих материалов, совершенствования методов конструирования, расчёта и технологии строительства этих покрытий.

Объектом исследования являются дорожные одежды автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием.

Предмет исследования - закономерности изменения прочностных и дефор-мативных параметров асфальтобетонных покрытий при введении армирующих прослоек из геосинтетических материалов.

Цель диссертационного исследования - научное обоснование конструктивно-технологических решений для продления срока службы асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

- проанализировать отечественный и международный опыт строительства асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами;

- на основе математического моделирования прогнозировать изменения напряжённо-деформированного состояния асфальтобетонных покрытий от силовых воздействий и температурных деформаций при введении различных армирующих прослоек;

- подобрать или разработать методики и, оборудование для экспериментальных исследований, определить прочностные и деформативные свойства геосинтетических материалов и асфальтобетона, армированного этими материалами;

- проверить результаты экспериментально-теоретических исследований путём строительства и обследования опытных участков с армированным асфальтобетонным покрытием;

- дать экономическую оценку предлагаемых конструктивно-технологических решений.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- получены новые знания в определении уровня и характера напряжений в асфальтобетонных покрытиях, армированных геосинтетическими материалами;

- экспериментально установлены закономерности изменения механических свойств асфальтобетона, армированного геосетками из стекловолокна и полимеров, и показатели этих свойств для расчёта покрытий дорожных одежд;

- предложена новая регламентация показателей свойств геосеток (плоских георешёток), позволяющая выбирать наиболее эффективные из них для строительства армированных асфальтобетонных покрытий;

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что на базе проведённых исследований разработаны Рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных покрытий, включающие:

- требования к физико-механическим свойствам геосинтетических материалов, применяемых для армирования асфальтобетонных покрытий;

- рекомендации по конструированию и расчёту дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием;

- предложения по технологии строительства армированных асфальтобетонных покрытий;

- методику экономической оценки эффективности применения геосинтетических материалов для армирования асфальтобетонных покрытий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается методологической базой исследований, основанной на фундаментальных теоретических положениях отечественной и зарубежной науки; соблюдением основных принципов физического и математического моделирования; достаточным объёмом экспериментальных данных, полученных с использованием приборов и оборудования, прошедших поверку и аттестацию; удовлетворительным совпадением экспериментальных и теоретических результатов; результатами опытно-производственной проверки результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Личный вклад автора заключается в определении цели и задач исследования; выполнении теоретических и экспериментальных исследований; участии в опытно-производственном строительстве и обследований опытных участков; анализе и обобщении полученных результатов.

На защиту выносятся:

- совокупность экспериментальных и расчётных данных, характеризующих напряжённо-деформированное состояние и физико-механические свойства асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами;

- методики экспериментальных исследований прочностных и деформативных свойств геосинтетических материалов и асфальтобетона, армированного этими материалами;

- регламентация показателей свойств геосеток (плоских георешёток), для строительства армированных асфальтобетонных покрытий;

- результаты натурных испытаний армированных асфальтобетонных покрытий;

- значения коэффициентов армирования, позволяющих уточнить стандартную методику расчёта дорожных одежд при введении армирующей прослойки в асфальтобетонное покрытие;

- конструктивно-технологические решения для продления срока службы асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами.

Реализация результатов исследования осуществлена путём строительства и обследования опытных участков с армированным асфальтобетонным покрытием. Разработаны и переданы заказчикам «Рекомендации по проектированию, строительству и ремонту асфальтобетонных покрытий с использованием геосеток» (производимых этими заказчиками). Материалы исследования нашли отражение в Рекомендациях по усилению усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог, разработанных по гос. заказу

Росавтодора.

Материалы диссертационного исследования используются в учебном процессе: при подготовке учебных пособий, проведении лекций и практических занятий по дисциплине «Специальные вопросы проектирования дорог» со слушателями ФГЖ и студентами СибАДИ, при разработке дипломных проектов.

Апробация работы. Материалы исследования доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на двенадцати конференциях различного уровня: «Второй Международный студенческий форум «Образование, наука, производство» (Белгород, 2004 г); «I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных» (Омск, 2006 г); научно-технической конференции на базе ВладимирАвтоДора (Владимир, 2007 г.); научно-технической конференции на базе ОмскГазВодПроекта (Омск, 2007 г.); «II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных» (Омск, 2007 г); научно-технической конференции на базе КубаиьАвтоДора (Краснодар, 2007 г.); научно-техническом семинаре на базе МАДИ (ГТУ) (Москва, 2008 г.); «III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных» (Омск, 2008 г), научно-техническом семинаре на базе Министерства Транспорта Республике Татарстан (Казань, 2008 г.); научно-техническом семинаре на базе Министерства Транспорта Королевства Иордании (Амман, 2008 г.); научно-техническом семинаре на базе Министерства Транспорта Египта (Каир, 2008 г.); научно-техническом семинаре на базе Управдора (Киев, 2008 г.).

Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в 9 статьях (одна в сборнике, рекомендованном ВАК) в трёх отчётах по НИР.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Результаты исследования изложены на 197 страницах основного текста, включающего 124 рисунка, 73 таблицы, библиографию из 193 наименований; объём приложений 16 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведённых исследований получили развитие научные положения и конструктивно-технологические решения, позволяющие уменьшить трещинообразование и продлить срок службы асфальтобетонных покрытий в суровых климатических условиях Сибири и Крайнего Севера с помощью их армирования геосинтетическими материалами.

2. Моделирование напряжённо-деформированного состояния дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием при силовых воздействиях и температурных напряжениях с использованием метода конечных элементов позволило прогнозировать и теоретически подтвердить возможность увеличения прочностных характеристик дорожной одежды при использовании геосинтетического материала в асфальтобетонном покрытии.

Эффективность армирования асфальтобетонных покрытий повышается при использовании высокопрочных геосинтетических материалов с относительно малой деформативностью (Яр >50 кН/м, Еотн < 4%).

Независимо от наличия или отсутствия армирующей прослойки в асфальтобетонном покрытии неизбежно появление трещин, однако, даже в суровых климатических условиях, за счёт конструирования дорожных одежд и применения эффективных геосинтетических материалов можно существенно отдалить срок их появления, увеличить шаг образования и уменьшить ширину раскрытия трещин в 2-4 раза. При этом срок службы армированных покрытий в суровых климатических условиях может быть увеличен до 40 %.

3. Эффективность применения геосинтетических материалов зависит от ряда факторов:

- местоположения армирующей прослойки по толщине и ширине покрытия;

- прочности и деформативности армирующего материала;

- величины сцепления между армирующим и армируемым материалом;

- степени повреждаемости геосинтетического материала от воздействия температуры горячей асфальтобетонной смеси и уплотняющих средств.

Предложенная новая регламентация показателей свойств геосинтетических материалов, учитывающая вышеуказанные факторы и другие показатели, позволяет выбрать наиболее эффективные из них для строительства армированных асфальтобетонных покрытий.

4. Методики и оборудование, разработанные автором для экспериментальных исследований и определения механических свойств геосинтетических материалов и асфальтобетона, армированного этими материалами, могут служить основой при дальнейшем совершенствовании нормативно-методической базы по рассматриваемому вопросу.

5. Комплексные испытания геосеток и плоских георешёток позволили экспериментально установить ряд фактов и закономерностей:

- кратковременная и длительная прочность на разрыв зависят от марки и свойств сырьевых материалов; длительная прочность обычно составляет от 70 до 85% от кратковременной;

- все исследованные геосетки и плоские георешётки обладают деформатив-ностью от 1 до 8 % при длительном воздействии постоянной нагрузки;

- прочность узловых соединений у стеклосеток мала и обычно не превышает 5% от прочности рёбер, а прочность узловых соединений плоских георешёток из полимерных материалов зависит от технологии их изготовления и может составлять от 30 до 100 % от прочности рёбер;

- не все георешётки из полимерных материалов обладают термостойкостью, требуемой при укладке горячего асфальтобетона;

- величина снижения прочности некоторых геосеток после циклического замораживания и оттаивания может достигать 30 %;

- в результате сдвигов, каменных материалов, происходящих в асфальтобетонной смеси при её уплотнении гладковальцовыми катками, может происходить существенное повреждение рёбер некоторых геосеток, при этом величина снижения прочности достигает 50 %; плоские георешётки из полимерных материалов и геокомпозиты меньше подвержены этому негативному явлению.

6. Экспериментально установлено:

- наличие армирующей прослойки из прочной стеклосетки в растянутой зоне (ниже от центра) образца-балки позволяет повысить предел прочности на растяжение при изгибе асфальтобетона до 20 %;

- использование для армирования плоских георешёток из полимерных материалов, обладающих повышенной деформативность, не даёт существенного увеличения предела прочности на растяжение при изгибе образцов из асфальтобетона;

- закономерности изменения модуля упругости асфальтобетона с введением армирующего материала повторяют закономерности изменения предела прочности на растяжение при изгибе;

- при испытаниях на сжатие асфальтобетонных образцов, независимо от марки армирующего материала и температуры испытаний, отличий результатов испытаний армированных асфальтобетонных образцов от неармированных не наблюдается;

- использованные для испытаний армирующие прослойки без композита не ухудшают сцепление между асфальтобетонными слоями, а в случае использования геокомпозита возможно снижение величины сцепления между слоями;

- в зависимости от вида материала использование армирующей прослойки позволяет повысить необходимое количество циклов для доведения асфальтобетонных образцов до разрушения от 10 до 50 %.

7. Строительство и обследования опытных участков дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием в суровых климатических условиях подтвердило достоверность и обоснованность результатов экспериментально-теоретических исследований. При этом установлено:

- армирование асфальтобетонных покрытий геосинтетическим материалами эффективно только при условии обеспеченности требуемой несущей способности всей дорожной конструкции;

- участковое армирование покрытия (только над швами или трещинами) не даёт ощутимых положительных результатов в условиях I ДКЗ;

- несоблюдение технологических требований и норм при строительстве армированных покрытий может свести на нет все позитивные результаты этого конструктивно-технологического мероприятия (особенно это относится к операции раскладки и надёжной фиксации на основании армирующей прослойки).

8. Разработан ряд конструкций дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием, рекомендованных для ремонта, реконструкции и строительства.

Экономическая оценка предлагаемых конструктивно-технологических решений показала, что экономический эффект от строительства армированных асфальтобетонных покрытий может быть достигнут за счёт увеличения срока службы и снижения эксплуатационных затрат. При этом величина экономического эффекта составляет от 200 до 800 тыс. руб. на 1 км и возрастает с повышением категории автомобильной дороги.

9. В результате исследований, в которых принимал непосредственное участие автор, разработан ряд рекомендаций для производителей геосинтетических материалов, переданы для утверждения в Росавтодор «Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для усиления усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог». ч 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 И

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

1. A. K. Haghi. Experimental analysis of geotextiles & geofibers composites AASHO. Road test, Washington, 1966, 370 S.

2. AASHTO, Geotextile Specification for Highway Applications, AASHTO Designation: M 28800, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C (2000).

3. Al-Khateeb G.G., Butlar W.G. Evaluating tensile strength of asphaltic paving maxtures using a hollow-cylinder tensile tester: ISAP. -Copenhagen, 2002.

4. BS DD ENV ISO 10722-1. Geotextiles and geotextile-related products Procedure for simulating damage during installation - Installation in granular materials

5. BS EN 918:1996 Geotextiles and geotextile-related products. Dynamic perforation test (Cone drop test)

6. Chen-Ming Kuo, Tsung-Rung Hsu "Traffic Induced Reflective Cracking on Pavements with

7. Geogrid-Reinforced Asphalt

8. Concrete Overlay" TRB Paper #03-2370

9. Cho, Y.-H., McCullough, B. F., and Weissmann, J. (1996!. "Considerations on finite clement method application in pavement structural analysis." Transp. Res. Rec. No. 1539, National Research Council, Washington, D.C., 96-101.

10. Colombier G. Fissuration de'retrait des chausses a assises traitees aux lients hydraligues // Bull.lisison Labo.P.et Ch.-1988.-№157. -P. 59-87

11. DIN EN 14030. Geotextiles and geotextile-related products Screening test method for determining the resistance to acid and alkaline liquids (ISO/TR 12960:1998, modified) (includes Amendment Al:2003); German version EN 14030:2001 + Al:2003

12. DIN EN 15381. Geotextiles and geotextile-related products Requirements for use in pavements and asphalt overlays; German version prEN 15381:2005

13. DIN EN ISO 10319 Geotextiles Wide-width tensile test (ISO 10319:1993); German version EN ISO 10319:1996

14. DIN EN ISO 12236. Geosynthetics Static puncture test (CBR test) (ISO 12236:2006); German version EN ISO 12236:2006

15. DIN EN ISO 3146. Plastics Determination of melting behaviour (melting temperature or melting range) of semi-crystalline polymers by capillary tube and polarizing-microscope methods23