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 наукисоблюдением основных принципов физического и математического моделированиядостаточным объёмом экспериментальных данных, полученных с использованием приборов и оборудования, прошедших поверку и аттестациюудовлетворительным совпадением экспериментальных и теоретических результатоврезультатами опытно-производственной проверки результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Личный вклад автора заключается в определении цели и задач исследованиявыполнении теоретических и экспериментальных исследованийучастии в опытно-производственном строительстве и обследований опытных участкованализе 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 наименованийобъём 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 материаловдлительная 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.
