Армирование асфальтобетонных покрытий магистралей с помощью прослоек в Северной Америке и странах Европы
В США впервые начали применять нетканый полипропиленовый материал, пропитанный битумом, в качестве трещинопрерывающей прослойки под асфальтобетонным покрытием дорог. Американские дорожные исследователи считают целесообразным применять битуминизированный геотекстиль в виде прослойки конструкции дорожной одежды (даже когда трещины проявляются на покрытии), так как он предотвращает проникание влаги в земляное полотно через трещины. С этой целью геотекстиль большой толщины пропитывают модифицированным битумом.
Влияние полипропиленовой армирующей сетки Geogrid ARI на усталостную прочность асфальтобетонных слоев изучалось в Канаде. Эксперименты проводили на моделях дорожных одежд площадью 2,4х2 м при нормальной температуре воздуха, модуль упругости асфальтобетона составлял 2000 мПа. Армировали слой асфальтобетона толщиной 10—25 см. Во всех случаях арматуру располагали в асфальтобетонном слое на расстоянии 2,5 см от зоны контакта слоя с основанием дорожной одежды. Циклическая нагрузка с максимальной амплитудой 40 кН передавалась на дорожную одежду через круглый штамп диаметром 30 см. (Патент №4699542, США). При сопоставлении экспериментального участка с эталонным (без арматуры) установлено, что разрушение наступает, если максимальное остаточное перемещение штампа равно 30 мм, при этом отмечен устойчивый рост напряжений в подстилающем грунте, а горизонтальные деформации в нижней части асфальтобетонного слоя покрытия возросли на 30%, прогиб поверхности дорожного покрытия увеличился на 20%.
Экспериментально установлено, что упругая деформация растяжения, измеренная в нижней части армированного асфальтобетонного слоя покрытия, меньше на 30% с лишним по сравнению с деформацией неармированного слоя. Суммарное число повторений нагрузки до предельной деформации (30 мм) для армированных участков дорожного покрытия в 2 с лишним раза больше по сравнению с неармированными (250 000 против 150 000). Вертикальные напряжения в грунте под нагруженными участками с армированным слоем на 30—40% меньше, чем с неармированным слоем дорожного покрытия.
На основании результатов экспериментов сделан вывод о том, что слой асфальтобетонного покрытия толщиной 15—20 см может быть замещен без снижения долговечности на армированный асфальтобетонный слой, толщина которого на 5 см меньше. Неармированный слой толщиной 25 см эквивалентен по долговечности армированному слою толщиной 15 см.
Во Франции построены два опытных участка, на которых между жестким основанием дорожной одежды и нежестким покрытием укладывали геотекстильный материал, пропитанный разжиженным битумом или битумной эмульсией. Геотекстиль укладывали на основание после разлива вяжущего вручную. Расход битума для пропитки геотекстильного материала массой 210 г/м 2 составил 0,8—1 кг/м 2. При меньшей дозировке не достигается прочное склеивание ткани с дорожным основанием, при большей — битум выдавливается на поверхность покрытия.
В различных районах Франции построены опытные участки, на которых пропитанные органическим вяжущим геотекстильные материалы укладывали на трещиноватые асфальтобетонные покрытия дорог или на укрепленное основание. Рассматривались особенности различных геотекстилей массой 210—340 г/м. В результате сделаны такие выводы: укладка геотекстиля дает возможность ограничить и уменьшить трещинообразование на дорожном асфальтобетонном покрытии; необходимо использовать малосжимаемые геотекстильные материалы, не увеличивающие деформации покрытия под нагрузкой и не слишком жесткие; они должны обладать хорошей совместимостью с битумом и быть термостойкими в диапазоне температур укладки асфальтобетонных смесей.
В Чехии на опытных участках с применением геотекстиля, конструкция существующей дорожной одежды была следующая: цементобетонная плита толщиной 20 см, слой дробленого щебня толщиной 40 см, слой песчано-гравийной смеси толщиной 30 см, грунт земляного полотна дороги — песчаный суглинок. Для перекрытия участков использовали зернистый асфальтобетон, толщина которого на контрольных участках варьировалась от 10 до 20 см с шагом 2 см. На одних опытных участках для сравнения применяли нетканый полипропиленовый материал Тетратекс РР-300, а на других — пористую асфальтобетонную смесь на заполнителе с максимальным размером зерен 32 мм (закрытый макадам).
На участках с текстилем на бетонное покрытие дорожной одежды был уложен выравнивающий слой из мелкозернистого асфальтобетона толщиной 2 см. Выравнивающий слой обработали горячим битумом А-80 при расходе 0,9 кг/м 2. На это покрытие вручную уложили геотекстиль размером 2х2,5 м и 1х3,5 м с шириной перекрытия полос до 20 см. Передвижение по такому покрытию катков и автомобилей, перевозивших асфальтобетонную смесь, не вызывало особых трудностей. Смесь распределяли по текстилю при температуре 135—140°С. В лабораторных испытаниях установлено, что при температуре 150—160°С происходит плавление и разрыв текстиля.
В кернах, взятых из дорожного покрытия, текстиль не был поврежден под действием температуры, насыщение его битумом и сцепление с асфальтобетоном оказалось хорошим. На опытном участке дороги было построено пять секций из асфальтобетона (с геотекстильной прокладкой) толщиной слоя 10, 12, 15, 18 и 20 см.
Опытные секции с закрытым макадамом толщиной 10 см перекрывали слоями из асфальтобетона толщиной 7 и 10 см. После двадцатимесячной эксплуатации на этих секциях отраженных трещин не обнаружено. Результаты обследования опытных секций с текстилем и контрольных показывают, что значительно меньше трещин на покрытии дорог возникает при применении прослоек. Например, при толщине слоя покрытия 10 и 12 см длина трещин составила соответственно для армированного текстилем участка 12,5 и 0,7 м, для неармированного — 44,1 и 14,8 м. На некоторых трещинах в контрольных секциях произошла эрозия кромок.
Геотекстиль Typar многократно использовался во многих странах Европы и Северной Америки для повышения несущей способности слабого, пониженной несущей способности, грунтового основания при устройстве временных или постоянных дорог с твердым дорожным покрытием или без него. Дорожные одежды на постоянных дорогах предоставляют из себя слоистую конструкцию, состоящую из зернистого основания, несущих слоев основания и многослойного асфальтобетонного покрытия.
Проектирование дорожных одежд с трещинопрерывающими прослойками
Анализ мирового опыта строительства и эксплуатации дорожных одежд с прослойками, повышающими трещиностойкость асфальтобетонных покрытий магистралей, показывает, что прослойки можно разделить на две группы: “мягкие” и “жесткие”. Каждая группа имеет особенность в механизме влияния на трещиностойкость и на эксплуатационные характеристики дорожного покрытия.
Выбор теории прочности и критерия местного предельного состояния обычно носит характер некоторой условности. При этом теория определения напряженно-деформированного состояния должна соответствовать (по точности прогноза) экспериментально полученным характеристикам материалов.
Для прогноза трещинообразования в асфальтобетонном покрытии дорог в настоящее время применяется несколько теорий прочности. Одни теории требуют специальных методов определения прочностных характеристик материалов, другие обходятся традиционными характеристиками или их модификациями.
Основанная на критерии Р. Мизеса теория, разработанная в США, требует определения наибольшего эффективного сдвигающего напряжения, которое сравнивается с пределом текучести. При этом цель расчетов — не допустить появления пластической зоны. Определение предела текучести нельзя считать традиционным испытанием асфальтобетона. Напряжения и деформации определяют, применяя метод конечных элементов и используя элементы размером 1,4х3 мм. При этом предусматривается хорошее сцепление между прослойкой и бетоном.
В методе Шмидта в качестве критерия предельного состояния принят момент появления трещин на поверхности дорожного покрытия, для чего рассчитывается время продвижения трещины от нижней части покрытия до наружной поверхности. Предполагается, что трещина образуется путем сдвига по площадкам, на которых действует наибольший девиатор напряжений с учетом внутреннего трения. Сдвиговые характеристики асфальтобетона при различной температуре определяют в камерах трехосного сжатия.
При определении напряженно-деформированного состояния используется теория упругости, решение которой реализовано с помощью метода конечных элементов. Элементы призматические с бесконечной одной стороной. В соответствии с законом Майнера предполагается, что после каждого приложения нагрузки накапливаются повреждения.
Метод Центральной лаборатории мостов и дорог Франции прогнозирует появление трещины на поверхности дорожного покрытия, учитывая кинетику развития трещины после ее появления в нижней его части. Трещина начинает распространяться, когда над дефектом (затравкой) коэффициент интенсивности напряжений К 1 достигает предельного значения К 1* для данного материала и при этом учитывается, что К 1 зависит от длины трещины.
Процесс распространения трещины протекает по закону Пэриса, который связывает число циклов нагружения, длину трещины, коэффициент интенсивности К 1 и характеристику трещиностойкости материала. Коэффициенты интенсивности напряжений и другие прочностные характеристики определяются по специально разработанным методикам.
Определение напряженно-деформированного состояния осуществляется с помощью метода конечных элементов. Элементы призматические двухмерные с включением в общую модель дорожной одежды модели трещины и ее окружения. В этом методе учитывается влияние годового изменения температур.
В методике, разрабатываемой в СоюздорНИИ и Кади, учитываются не только воздействия транспортных средств и годовые колебания температуры, но и суточные колебания температуры.
При постановке задачи дорожную одежду представили как упругий многослойный пакет, лежащий на жестком основании. Учитывая, что уравнения теории упругости значительно упрощаются при решении плоской задачи, ограничились исследованием плоской деформации. Но даже при таком подходе граничные условия, отражающие наличие в одном из нескольких слоев ряда вертикальных прямоугольных разрезов, не позволяют решить задачу аналитически. Поэтому для ее решения также воспользовались методом конечных элементов. В качестве базового был принят изопараметрический квадратичный элемент, так как он является наиболее эффективным с точки зрения точности и времени вычислений.
При построении сетки конечных элементов для увеличения точности вычислений у вершин разрезов сделаны сгущения. Кроме четырехугольных элементов применяли треугольные.
В зависимости от используемого в качестве прослойки материала применяли одну из двух расчетных схем. Например, геотекстиль моделировали, представив его как упругий тонкий слой, который характеризуется толщиной, очень малым модулем упругости и конечным коэффициентом Пуассона. Сетку моделировали совокупностью элементарных деформируемых пластинок, шарнирно-соединенных между собой (подобие кольчуги).
Данный подход учитывает то, что реальная прослойка из сетки не воспринимает сжимающих усилий в горизонтальном направлении. Модель в виде совокупности элементарных деформируемых пластинок характеризуется модулем упругости, полученным при растяжении, коэффициентом Пуассона, равным нулю, и толщиной.
Учитывая надежность методики и большой опыт определения сопротивления растяжению при изгибе, на первом этапе исследований было принято решение при воздействии транспортных средств оценивать трещиностойкость асфальтобетонного покрытия дороги по растяжению, возникающему над трещиной. При этом предполагают, что сплошность покрытия не будет нарушена, если растягивание напряжения при многократном изгибе не превысит допустимых пределов для асфальтобетона, установленных с учетом усталостных явлений.
Термонапряженное состояние покрытия на трещиновато-блочном основании рассматривали, принимая во внимание релаксационную способность асфальтобетона. При этом, оценивая температурные напряжения, использовали соотношения Вольтерра-Больцмана из линейной теории вязкоупругости и принцип температурно-временной аналогии. В результате была установлена и в дальнейшем использована зависимость между характером колебания температур (суточных и годовых) и мерой опасности образования температурных трещин. При этом разработали простую методику экспериментального определения параметров функций длительной прочности материала покрытий при различных температурах. Для учета влияния прослоек на образование трещин при определении параметров длительной прочности испытывали композицию: асфальтобетон + прослойка + трещиновато-блочное основание (инициатор трещины).
Евгений МАРГАЙЛИК,инженер и патентовед ВОИР
Влияние полипропиленовой армирующей сетки Geogrid ARI на усталостную прочность асфальтобетонных слоев изучалось в Канаде. Эксперименты проводили на моделях дорожных одежд площадью 2,4х2 м при нормальной температуре воздуха, модуль упругости асфальтобетона составлял 2000 мПа. Армировали слой асфальтобетона толщиной 10—25 см. Во всех случаях арматуру располагали в асфальтобетонном слое на расстоянии 2,5 см от зоны контакта слоя с основанием дорожной одежды. Циклическая нагрузка с максимальной амплитудой 40 кН передавалась на дорожную одежду через круглый штамп диаметром 30 см. (Патент №4699542, США). При сопоставлении экспериментального участка с эталонным (без арматуры) установлено, что разрушение наступает, если максимальное остаточное перемещение штампа равно 30 мм, при этом отмечен устойчивый рост напряжений в подстилающем грунте, а горизонтальные деформации в нижней части асфальтобетонного слоя покрытия возросли на 30%, прогиб поверхности дорожного покрытия увеличился на 20%.
Экспериментально установлено, что упругая деформация растяжения, измеренная в нижней части армированного асфальтобетонного слоя покрытия, меньше на 30% с лишним по сравнению с деформацией неармированного слоя. Суммарное число повторений нагрузки до предельной деформации (30 мм) для армированных участков дорожного покрытия в 2 с лишним раза больше по сравнению с неармированными (250 000 против 150 000). Вертикальные напряжения в грунте под нагруженными участками с армированным слоем на 30—40% меньше, чем с неармированным слоем дорожного покрытия.
На основании результатов экспериментов сделан вывод о том, что слой асфальтобетонного покрытия толщиной 15—20 см может быть замещен без снижения долговечности на армированный асфальтобетонный слой, толщина которого на 5 см меньше. Неармированный слой толщиной 25 см эквивалентен по долговечности армированному слою толщиной 15 см.
Во Франции построены два опытных участка, на которых между жестким основанием дорожной одежды и нежестким покрытием укладывали геотекстильный материал, пропитанный разжиженным битумом или битумной эмульсией. Геотекстиль укладывали на основание после разлива вяжущего вручную. Расход битума для пропитки геотекстильного материала массой 210 г/м 2 составил 0,8—1 кг/м 2. При меньшей дозировке не достигается прочное склеивание ткани с дорожным основанием, при большей — битум выдавливается на поверхность покрытия.
В различных районах Франции построены опытные участки, на которых пропитанные органическим вяжущим геотекстильные материалы укладывали на трещиноватые асфальтобетонные покрытия дорог или на укрепленное основание. Рассматривались особенности различных геотекстилей массой 210—340 г/м. В результате сделаны такие выводы: укладка геотекстиля дает возможность ограничить и уменьшить трещинообразование на дорожном асфальтобетонном покрытии; необходимо использовать малосжимаемые геотекстильные материалы, не увеличивающие деформации покрытия под нагрузкой и не слишком жесткие; они должны обладать хорошей совместимостью с битумом и быть термостойкими в диапазоне температур укладки асфальтобетонных смесей.
В Чехии на опытных участках с применением геотекстиля, конструкция существующей дорожной одежды была следующая: цементобетонная плита толщиной 20 см, слой дробленого щебня толщиной 40 см, слой песчано-гравийной смеси толщиной 30 см, грунт земляного полотна дороги — песчаный суглинок. Для перекрытия участков использовали зернистый асфальтобетон, толщина которого на контрольных участках варьировалась от 10 до 20 см с шагом 2 см. На одних опытных участках для сравнения применяли нетканый полипропиленовый материал Тетратекс РР-300, а на других — пористую асфальтобетонную смесь на заполнителе с максимальным размером зерен 32 мм (закрытый макадам).
На участках с текстилем на бетонное покрытие дорожной одежды был уложен выравнивающий слой из мелкозернистого асфальтобетона толщиной 2 см. Выравнивающий слой обработали горячим битумом А-80 при расходе 0,9 кг/м 2. На это покрытие вручную уложили геотекстиль размером 2х2,5 м и 1х3,5 м с шириной перекрытия полос до 20 см. Передвижение по такому покрытию катков и автомобилей, перевозивших асфальтобетонную смесь, не вызывало особых трудностей. Смесь распределяли по текстилю при температуре 135—140°С. В лабораторных испытаниях установлено, что при температуре 150—160°С происходит плавление и разрыв текстиля.
В кернах, взятых из дорожного покрытия, текстиль не был поврежден под действием температуры, насыщение его битумом и сцепление с асфальтобетоном оказалось хорошим. На опытном участке дороги было построено пять секций из асфальтобетона (с геотекстильной прокладкой) толщиной слоя 10, 12, 15, 18 и 20 см.
Опытные секции с закрытым макадамом толщиной 10 см перекрывали слоями из асфальтобетона толщиной 7 и 10 см. После двадцатимесячной эксплуатации на этих секциях отраженных трещин не обнаружено. Результаты обследования опытных секций с текстилем и контрольных показывают, что значительно меньше трещин на покрытии дорог возникает при применении прослоек. Например, при толщине слоя покрытия 10 и 12 см длина трещин составила соответственно для армированного текстилем участка 12,5 и 0,7 м, для неармированного — 44,1 и 14,8 м. На некоторых трещинах в контрольных секциях произошла эрозия кромок.
Геотекстиль Typar многократно использовался во многих странах Европы и Северной Америки для повышения несущей способности слабого, пониженной несущей способности, грунтового основания при устройстве временных или постоянных дорог с твердым дорожным покрытием или без него. Дорожные одежды на постоянных дорогах предоставляют из себя слоистую конструкцию, состоящую из зернистого основания, несущих слоев основания и многослойного асфальтобетонного покрытия.
Проектирование дорожных одежд с трещинопрерывающими прослойками
Анализ мирового опыта строительства и эксплуатации дорожных одежд с прослойками, повышающими трещиностойкость асфальтобетонных покрытий магистралей, показывает, что прослойки можно разделить на две группы: “мягкие” и “жесткие”. Каждая группа имеет особенность в механизме влияния на трещиностойкость и на эксплуатационные характеристики дорожного покрытия.
Выбор теории прочности и критерия местного предельного состояния обычно носит характер некоторой условности. При этом теория определения напряженно-деформированного состояния должна соответствовать (по точности прогноза) экспериментально полученным характеристикам материалов.
Для прогноза трещинообразования в асфальтобетонном покрытии дорог в настоящее время применяется несколько теорий прочности. Одни теории требуют специальных методов определения прочностных характеристик материалов, другие обходятся традиционными характеристиками или их модификациями.
Основанная на критерии Р. Мизеса теория, разработанная в США, требует определения наибольшего эффективного сдвигающего напряжения, которое сравнивается с пределом текучести. При этом цель расчетов — не допустить появления пластической зоны. Определение предела текучести нельзя считать традиционным испытанием асфальтобетона. Напряжения и деформации определяют, применяя метод конечных элементов и используя элементы размером 1,4х3 мм. При этом предусматривается хорошее сцепление между прослойкой и бетоном.
В методе Шмидта в качестве критерия предельного состояния принят момент появления трещин на поверхности дорожного покрытия, для чего рассчитывается время продвижения трещины от нижней части покрытия до наружной поверхности. Предполагается, что трещина образуется путем сдвига по площадкам, на которых действует наибольший девиатор напряжений с учетом внутреннего трения. Сдвиговые характеристики асфальтобетона при различной температуре определяют в камерах трехосного сжатия.
При определении напряженно-деформированного состояния используется теория упругости, решение которой реализовано с помощью метода конечных элементов. Элементы призматические с бесконечной одной стороной. В соответствии с законом Майнера предполагается, что после каждого приложения нагрузки накапливаются повреждения.
Метод Центральной лаборатории мостов и дорог Франции прогнозирует появление трещины на поверхности дорожного покрытия, учитывая кинетику развития трещины после ее появления в нижней его части. Трещина начинает распространяться, когда над дефектом (затравкой) коэффициент интенсивности напряжений К 1 достигает предельного значения К 1* для данного материала и при этом учитывается, что К 1 зависит от длины трещины.
Процесс распространения трещины протекает по закону Пэриса, который связывает число циклов нагружения, длину трещины, коэффициент интенсивности К 1 и характеристику трещиностойкости материала. Коэффициенты интенсивности напряжений и другие прочностные характеристики определяются по специально разработанным методикам.
Определение напряженно-деформированного состояния осуществляется с помощью метода конечных элементов. Элементы призматические двухмерные с включением в общую модель дорожной одежды модели трещины и ее окружения. В этом методе учитывается влияние годового изменения температур.
В методике, разрабатываемой в СоюздорНИИ и Кади, учитываются не только воздействия транспортных средств и годовые колебания температуры, но и суточные колебания температуры.
При постановке задачи дорожную одежду представили как упругий многослойный пакет, лежащий на жестком основании. Учитывая, что уравнения теории упругости значительно упрощаются при решении плоской задачи, ограничились исследованием плоской деформации. Но даже при таком подходе граничные условия, отражающие наличие в одном из нескольких слоев ряда вертикальных прямоугольных разрезов, не позволяют решить задачу аналитически. Поэтому для ее решения также воспользовались методом конечных элементов. В качестве базового был принят изопараметрический квадратичный элемент, так как он является наиболее эффективным с точки зрения точности и времени вычислений.
При построении сетки конечных элементов для увеличения точности вычислений у вершин разрезов сделаны сгущения. Кроме четырехугольных элементов применяли треугольные.
В зависимости от используемого в качестве прослойки материала применяли одну из двух расчетных схем. Например, геотекстиль моделировали, представив его как упругий тонкий слой, который характеризуется толщиной, очень малым модулем упругости и конечным коэффициентом Пуассона. Сетку моделировали совокупностью элементарных деформируемых пластинок, шарнирно-соединенных между собой (подобие кольчуги).
Данный подход учитывает то, что реальная прослойка из сетки не воспринимает сжимающих усилий в горизонтальном направлении. Модель в виде совокупности элементарных деформируемых пластинок характеризуется модулем упругости, полученным при растяжении, коэффициентом Пуассона, равным нулю, и толщиной.
Учитывая надежность методики и большой опыт определения сопротивления растяжению при изгибе, на первом этапе исследований было принято решение при воздействии транспортных средств оценивать трещиностойкость асфальтобетонного покрытия дороги по растяжению, возникающему над трещиной. При этом предполагают, что сплошность покрытия не будет нарушена, если растягивание напряжения при многократном изгибе не превысит допустимых пределов для асфальтобетона, установленных с учетом усталостных явлений.
Термонапряженное состояние покрытия на трещиновато-блочном основании рассматривали, принимая во внимание релаксационную способность асфальтобетона. При этом, оценивая температурные напряжения, использовали соотношения Вольтерра-Больцмана из линейной теории вязкоупругости и принцип температурно-временной аналогии. В результате была установлена и в дальнейшем использована зависимость между характером колебания температур (суточных и годовых) и мерой опасности образования температурных трещин. При этом разработали простую методику экспериментального определения параметров функций длительной прочности материала покрытий при различных температурах. Для учета влияния прослоек на образование трещин при определении параметров длительной прочности испытывали композицию: асфальтобетон + прослойка + трещиновато-блочное основание (инициатор трещины).
Евгений МАРГАЙЛИК,инженер и патентовед ВОИР
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 45 за 1998 год в рубрике техника
