Современные подходы к конструированию и расчету дорожных одежд

Выбор геосинтетиков: условия, назначение и задачи

Эффективность применения различных геосинтетических прослоек в конструкциях дорожных одежд определяется возможностью выполнения ими функций армирования и разделения материалов слоев, что позволяет сократить объемы применения традиционных дорожно-строительных материалов иповысить сроки службы дорожной конструкции. В зависимости от назначения геоматериалов получаемый эффект может выражаться в снижении единовременных (строительных) затрат и/или затрат, связанных с ремонтом и капитальным ремонтом в течение расчетного периода (срока службы).

В качестве геосинтетических прослоек в дорожных одеждах используются тканые и нетканые геотекстили, плоские двуосные георешетки, геосетки, объемные георешетки (геосоты), геокомпозитные материалы. Выбор геосинтетического материала выполняют на основе технико-экономического сопоставления вариантов конструкций дорожных одежд с геосинтетическими материалами и без них. При этом следует учитывать возникающий технический эффект в сравнении с традиционными решениями. Применение геосинтетических материалов повышает надежность дорожных конструкций, а также качество строительства, что не всегда может быть оценено количественно.

Результат от применения геосинтетиков особенно ощутим при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог высоких технических категорий, в сложных погодно-климатических условиях Севера (земляные работы при отрицательных температурах) и неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях (слабые основания, грунты повышенной влажности, грунты особых разновидностей). При техническом обосновании этот эффект с точки зрения работоспособности, транспортно-эксплуатационных качеств дорожной конструкции может оказаться более существенным, чем получение единовременной экономии средств по другим из сопоставляемых вариантов. Геосинтетические материалы, как известно, в конструкциях дорожных одежд применяются в качестве:

• армирующей и разделительной прослойки для усиления несущего основания из неукрепленных зернистых материалов (щебень, гравий, щебеночно-гравийно-песчаные смеси, шлак и др.) или покрытия переходного типа;
• разделительной прослойки на границе основания из крупнофракционного материала и грунта;
• защитно-дренирующих прослоек на контакте песчаного дренирующего слоя с грунтом насыпи
• защитных прослоек под сборными бетонными плитами;
• армирующей (трещинопрерывающей) прослойки для усиления асфальтобетонных покрытий.

Учет влияния геосинтетиков в конструкции дорожной одежды по ОДН 218.046-2001 производится по трем методикам (программа CREDO РАДОН 3.4):

• ОДМ 218.5.002-2008 «Методические рекомендации по применению полимерных геосеток (георешеток) для усиления слоев дорожной одежды из зернистых материалов;
• ОДМ 218.5.003-2010 «Рекомендации по применению геосинтетических материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог»;
• ОДМ 218.5.001-2009 «Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешеток для армирования асфальтобетонных слоев усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог».

Расчет по методике ОДМ 218.5.002-2008

Усиление дорожной одежды и разделение слоев несущих оснований дорожных одежд из необработанных зернистых материалов и нижележащих грунтовых слоев выполняют геосинтетическими материалами: плоские георешетки и геосетки, тканые геосинтетические материалы, геокомпозиты. В результате повышается надежность и долговечность дорожной одежды, уменьшаются толщины слоев дорожной одежды из традиционных материалов, в первую очередь, несущих оснований из зернистых материалов.

Наиболее рациональное применение армирующих геосинтетичских материалов будет в следующих условиях:

• при устройстве основания из крупнофракционного (крупнопористого) материала непосредственно на грунте земляного полотна (отсутствие дополнительного слоя основания) или при устройстве дополнительного слоя основания из однородного песка, взамен требуемого в этом случае защитного слоя из минеральных материалов толщиной 10–20 см;
• эксплуатации дороги с большими нагрузками и интенсивным движением;
• при строительстве в неблагоприятных условиях (грунты земляного полотна повышенной влажности, использование слоя основания для движения построечного транспорта и значительный период от устройства основания до его перекрытия вышележащими слоями дорожной одежды, стадийное строительство или реконструкция, ремонт дороги, имеющей интенсивное движение);
• на многополосных дорогах высоких технических категорий, где пропуск основной части грузового движения предусматривается по крайним полосам, с устройством прослоек под ними;
• в случаях, когда значения коэффициента прочности при расчете по ОДН 218.046-01 по критерию сдвига в песчаном дополнительном слое основания имеют минимальные значения для нежестких дорожных одежд по сравнению с другими критериями.

Расчет армированных дорожных одежд выполняют по ОДН 218.046-01 с введением коэффициентов усиления, зависящих от деформативных свойств геоматериалов, толщин слоев, механических свойств материалов дорожных одежд и грунтов слоя земляного полотна. При этом наибольшее влияние армирующий геоматериал оказывает на величину активных напряжений сдвига в грунтовом слое, расположенном непосредственно под армированным слоем.

Расчетные параметры геосинтетических материалов зависят от прочности при растяжении (R, кН/м), условного показателя деформативности (ε, %) и условного модуля деформации при удлинении 2% (E′2 %, кН/м).

В качестве примера приведены результаты расчета в программе CREDO РАДОН RU дорожной одежды автомобильной дороги IV категории в Новосибирской области (Етр=200 МПа, ΣNp= 380 000).

Результаты расчета типовой конструкции (рис. 1) показывают, что при заданной толщине конструктивных слоев прочность по критерию сдвигоустойчивости не обеспечена (Кпр=0,62, –51%). Армированная конструкция (рис. 2) при такой же толщине проходит по сдвигу (Кпр=1,91, +50%). При этом запас прочности по общему модулю упругости в сравнении со стандартной конструкцией увеличился с Кпр=1,11 (Еобщ=222МПа) до Кпр=1,26 (Еобщ=253 МПа), что дополнительно повысит эксплуатационную надежность дорожной одежды. Помимо этого срок службы конструкции с георешеткой увеличится на 3 года.

Расчет по методике ОДМ 218.5.003-2010

Наиболее рационально применять геосинтетические прослойки (тканые и нетканые геотекстильные материалы, геокомпозиты) для разделения связных грунтов поверхности земляного полотна и песчаного дополнительного слоя основания дорожной одежды при следующих условиях и ситуациях:

• для устройства дренирующего слоя из мелких песков с коэффициентом фильтрации 1–2 м/сутки, толщина которого определена из условия своевременного отвода воды;
• в земляном полотне, сложенном из пылеватых грунтов при 2, 3 типах местности по условиям увлажнения во II–III дорожно-климатических зонах при высокой интенсивности движения (дороги I–III категорий);
• при выполнении строительных работ в условиях повышенной влажности грунтов земляного полотна, когда невозможно исключить проезд занятых на строительстве транспортных средств по устраиваемому песчаному дренирующему слою;
• для уширения дорожной одежды, когда большая часть прослойки располагается в пределах существующего земляного полотна в условиях повышенного увлажнения грунтов рабочего слоя;
• при уширении земляного полотна, когда технологически сложно или технически невозможно увеличить толщину песчаного слоя с достаточным заглублением его подошвы ниже поверхности существующего земляного полотна.

При определении предельного значения напряжения активного сдвига (по ОДН 218.046-01) используется коэффициент kд, учитывающий особенности работы конструкции на границе слоев. При отсутствии усиления kд принимается равным единице, а в случае применения геотекстильной прослойки — kд =1,5...4,5 в зависимости от крупности песка.

В качестве примера использования методики ОДМ 218.5.003-2010 приведены результаты расчета дорожной одежды автомобильной дороги II категории в Северо-Западном регионе (II ДКЗ, подзона 2) с требуемым модулем упругости Етр=289 МПа и ΣNp= 1 500 000.

Как видно из расчета (рис. 3), при заданной толщине конструктивных слоев прочность по критерию сдвигоустойчивости не обеспечена (Кпр=0,68, –48%). Конструкция с защитно-армирующей прослойкой (рис. 4) при аналогичных толщинах слоев проходит по требованию сдвигоустойчивости (Кпр=1,01, +1%). В качестве защитно армирующей прослойки в нижних слоях дорожных одежд применен многофункциональный тканый геотекстиль из прочных полипропиленовых нитей Геоспан ТН 40 (производство ООО «Гекса — нетканые материалы») (рис. 5).

Расчет по методике ОДМ 218.5.001-2009

Весьма актуальным является применение геосинтетических материалов для армирования асфальтобетонных покрытий, как при строительстве, так и при ремонте дорог. Однако, несмотря на обширную информацию об использовании для этой цели геосеток различных производителей, ясности в вопросе эффективности их применения до сих пор нет. Попытаемся разобраться в проблеме.

Геосетки применяются для повышения трещиностойкости покрытия из асфальтобетона в случае появления трещин механического происхождения, которые свойственны основаниям из щебеночных материалов и отраженных температурных трещин для оснований из укрепленных материалов. В настоящее время в качестве армирующей (трещинопрерывающей) прослойки обычно используются геосетки из полиэфира, поливинилалкоголя и стекловолокна.

Исходя из критериев расчета по ОДН 218.046-01, введение в асфальтобетонное покрытие армирующей геосетки позволяет увеличить его прочность по критерию допускаемого упругого прогиба и сопротивление усталостному разрушению от растяжения при изгибе, повысить сопротивляемость растягивающим температурным напряжениям.

Наличие армирующей прослойки в асфальтобетонном покрытии учитывается по методике ОДМ 218.5.001-2009 за счет введения в базовые расчетные формулы двух коэффициентов, величина которых зависит отпрочности и деформативности геосетки, а также возможных повреждений геосетки в процессе укладки асфальтобетона:

• коэффициент k_a учитывает повышение сопротивления растягивающим температурным напряжениям и растяжению при изгибе;
• коэффициент k_Np учитывает уменьшение влияния усталостных процессов на прочность, вследствие армирования асфальтобетонного покрытия.

Учет влияния трещинопрерывающей геосетки в программе CREDO РАДОН RU на примере конструкции дорожной одежды I категории с коэффициентом надежности 0,98 показан на рис. 6, 7. Результаты расчета указывают на повышение сопротивления асфальтобетонных слоев толщиной 6+7+8 см за счет растягивающего напряженияя при использовании геосетки с К_пр=1,21 (+ 9%) в традиционной конструкции до К_пр=1,73 (+36%). Увеличение прочности асфальтобетонных слоев на растяжение при изгибе определяет соответствующее увеличение межремонтных сроков покрытия согласно ОДМ 218.5.001-2009.

В рассмотренных реальных при- мерах показана расчетная оценка эффективности геосинтетических прослоек различного назначения в конструктивных слоях дорожных одежд. Дополнительные возможности расчетов с геосинтетически- ми материалами создаются за счет оптимизации по толщине и стоимости конструкции, а также оптимизации с минимизацией запасов прочности, что можно выполнить в CREDO РАДОН RU или другой программе для расчета дорожной одежды. Использование геосинтетических материалов в конструкциях дорожных одежд открывает широкие возможности для практичного и экономичного решения поставленных задач и возникающих проблем. Это материалы будущего.