1.4. Обеспечение прочности и работоспособности дорожных конструкций

Под работоспособностью автомобильной дороги понимают свойство обеспечивать в течение заданного периода эксплуатации до ее реконструкции расчётный объем автотранспортных перевозок и допустимый уровень обслуживания движения. Работоспособность автомобильной дороги, представляющей собой комплекс дорожных инженерных сооружений, зависит от работоспособности каждого из них. Одним из основных дорожных сооружений является система «дорожная одежда - земляное полотно», которую принято называть дорожной конструкцией.

Длительное время под работоспособностью дорожной одежды подразумевали технико-экономический показатель, характеризующий полезную работу дороги за время ее службы. Он определялся массой грузов и транспортных средств (массой брутто), пропущенной через данное сечение автомобильной дороги, в результате чего она приходила в предельное состояние, при котором необходим ее ремонт. Работоспособность за период от сдачи дороги в эксплуатацию до капитального ремонта или между капитальными ремонтами называлась полной, за период от сдачи ее в эксплуатацию до среднего ремонта или между средними ремонтами - частичной. В настоящее время в связи с радикальными изменениями состава движения на автомобильных дорогах указанный технико-экономический показатель нуждается в уточнениях.

Под работоспособностью дорожной одежды понимают свойство обеспечивать в течение заданного периода эксплуатации до ее капитального ремонта расчетный объем автотранспортной работы и допустимый уровень обслуживания движения. Заданный период эксплуатации дорожной конструкции (дорожной одежды и рабочей зоны земляного полотна) обычно равен периоду времени от ввода автомобильной дороги до ее реконструкции или между двумя последовательными реконструкциями. В течение этого периода дорожная конструкция должна обладать показателями и характеристиками, обеспечивающими требуемый уровень потребительских свойств автомобильной дороги, в том числе:

геометрические элементы, соответствующие требуемой пропускной способности, скорости, безопасности и удобству движения;

прочность дорожной конструкции;

ровность дорожного покрытия;

сцепные свойства покрытия проезжей части.

Фактический срок службы дорожной одежды оценивают по изменению во времени основных показателей ее эксплуатационного состояния - прочности и ровности. Исследования привели к выводу, что изменение ровности дорожного покрытия во времени, в свою очередь, зависит от прочности дорожной одежды в целом и суммарного размера пропущенного движения. В связи с этим обеспечение прочности дорожной конструкции и ее основного элемента - дорожной одежды - является важнейшим условием обеспечения работоспособности автомобильной дороги и одной из главных ее задач.

Чтобы обеспечить требуемые потребительские свойства автомобильной дороги, в процессе ее строительства необходимо выполнить ряд условий:

обеспечить требуемую прочность и устойчивость земляного полотна;

обеспечить прочность дорожной одежды, в том числе в зонах контакта между ее конструктивными слоями;

обеспечить начальную (строительную) и эксплутационную ровность проезжей части.

Прочность и устойчивость грунта земляного полотна в рабочем слое оценивают по величине коэффициента прочности по сопротивлению сдвигу, то есть активным касательным напряжениям от действия расчетной транспортной нагрузки. Прочность монолитных слоев дорожной одежды оценивают по величине коэффициента прочности по сопротивлению растяжению при изгибе от действия расчетной транспортной нагрузки. Прочность дорожной конструкции в целом оценивают по величине коэффициента прочности по общему модулю упругости (сопротивлению вертикальному упругому перемещению под действием расчетной транспортной нагрузки).

Для обеспечения прочности и устойчивости земляного полотна при строительстве дорожной конструкции требуется обеспечивать в допустимых пределах однородность (то есть уменьшить по возможности величину коэффициентов вариации) строительно-технических свойств грунтов по слоям их разработки и отсыпки в земляном полотне; однородность влажности и толщины слоев грунта при их уплотнении; водоотвод в карьерах и на месте строительства; оптимальную влажность и максимальную плотность используемых грунтов; требуемую ровность отсыпаемых слоев грунта земляного полотна.

При строительстве конструктивных слоев из песка, щебеночных и гравийных материалов необходимо контролировать и обеспечивать в допустимых пределах однородность материалов по составу и строительно-техническим свойствам в местах их заготовки и укладки; однородность влажности и толщины слоев при их уплотнении; требуемые влажность, близкую к оптимальной, плотность и ровность конструктивных слоев из указанных материалов; исключение движения автомобилей по неуплотненным слоям из щебеночного и гравийного материалов.

При строительстве конструктивных слоев из материалов, обработанных органическими вяжущими, следует обеспечивать чистоту, ровность и прочность нижележащего слоя; однородность слоя по составу, физико-механическим свойствам и температуре при укладке; требуемую среднюю температуру смеси при уплотнении, плотность, толщину и ровность слоя.

При строительстве конструктивных слоев дорожной одежды из материалов, обработанных неорганическими вяжущими (цемент и др.) необходимо обеспечивать однородность состава и физико-механических (в том числе прочностных) свойств исходных для бетона материалов; однородность состава, подвижность (удобоукладываемость) и физико-механические свойства цементобетонной смеси; стабильность технологических режимов работы комплекта бетоноукладочных машин; требуемый средний уровень подвижности смеси; толщину укладываемого слоя и его ровность при уплотнении; стабильность влажности бетона в процессе его твердения; исключение движения автомобилей по бетону в начальный период его твердения.

При строительстве дорожных одежд необходимо создать условия для того, чтобы исключить или уменьшить в ходе строительства деструктивные процессы (процессы разрушения) и способствовать по возможности процессу структурообразования. Например, не допускать раскалывания щебенок и округление их углов (перекат) при уплотнении; не допускать возникновения температурно-усадочных трещин посредством эффективного ухода за бетоном; замедлять процессы старения битума. Целесообразно повышать в пределах имеющихся возможностей начальные эксплуатационные качества (повышать средние значения и снижать коэффициенты вариации показателей прочности, ровности, шероховатости) верхнего слоя покрытия, осуществлять оперативный контроль качества выполнения технологических операций с корректировкой по результатам контроля параметров технологических процессов с целью поддержания стабильного оптимального технологического режима работы машин.

Для повышения качества дорожного строительства целесообразно использовать отдельные положения теории надежности технических систем. Под надежностью автомобильной дороги понимают вероятность того, что дорога в течение заданного периода эксплуатации обеспечит требуемый объем транспортной работы с установленными эксплуатационными показателями движения. В наибольшей степени отдельные положения теории надежности развиты применительно к обеспечению прочности дорожных одежд.

В теории надежности технических систем различают безотказность (в том числе начальную), ремонтопригодность, долговечность (или наработку на отказ), сохраняемость.

Под безотказностью автомобильной дороги понимают вероятность того, что фактические значения показателей потребительских свойств дороги будут соответствовать их требуемым значениям. Под начальной безотказностью автомобильной дороги понимают вероятность того, что в момент окончания строительства и сдачи дороги в эксплуатацию фактические значения показателей потребительских свойств дороги соответствовали их требуемым значениям. Для определения вероятности отказа по тому или иному показателю необходимо установить закон и параметры закона распределения случайной величины, характеризующей изменчивость этого показателя. Под отказом понимают событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности автомобильной дороги.

Под ремонтопригодностью автомобильной дороги понимают ее свойство восстанавливать свою работоспособность в результате проведения соответствующих ремонтных работ. Под долговечностью автомобильной дороги понимают период времени, в течение которого она сохраняет работоспособное состояние, то есть обеспечивает транспортную работу с установленными эксплуатационными показателями движения в течение периода времени от сдачи дороги в эксплуатацию до ее реконструкции или между двумя последовательными реконструкциями.

Отказы автомобильных дорог возникают, как правило, вследствие влияния существенных дефектов дорожных сооружений. Отказы могут быть внезапными и постепенными, полными и частичными, очевидными и скрытыми. Отказы дорожной одежды обычно имеют постепенный характер. Отказ дорожной одежды по прочности физически характеризуется образованием неровностей поверхности дорожной одежды в продольном и поперечном направлении, связанных с прочностью конструкции (продольные неровности, колея, усталостные трещины), с последующим развитием других видов деформаций и разрушений (частые трещины, сетка трещин, выбоины, просадки, проломы и т.д.). Номенклатура дефектов и методика их количественной оценки определяются специальными нормами, используемыми при эксплуатации дорог.

В качестве количественного показателя отказа дорожной одежды как элемента инженерного сооружения линейного характера используют предельный коэффициент разрушения , представляющий собой отношение суммарной протяженности (или суммарной площади) участков дороги, требующих ремонта из-за недостаточной прочности дорожной одежды, к общей протяженности (или суммарной площади) участков дороги или к общей протяженности (или общей площади) дороги между корреспондирующими пунктами. Значенияна последний год службы в зависимости от капитальности дорожной одежды и категории дороги принимают в соответствии с отраслевыми дорожными нормами [4].

В табл. 1.5 приведены экспериментальные данные, характеризующие зависимость величины предельного коэффициента разрушения дорожной одежды от уровня ее надежности по прочности и от коэффициента ее прочности (по модулю упругости).

Таблица 1.5

Математически эта зависимость может быть выражена следующим образом:

где (1.1)

(1.2)

F_р - вероятная площадь дорожной одежды с разрушениями;

F - общая площадь дорожной одежды на данном участке;

Р- вероятность (обеспеченность), численно равная отношению площади одежды, не подверженной разрушениям, к общей площади одежды на данном участке; эту вероятность принято называть надежностью дорожной одежды по прочности, ее численное значение определяют по формуле:

Р = 0,5 + Ф(u), (1.3)

(1.4)

(1.5)

Ф(-u)= - Ф(u), где (1.6)

К_пр - текущее (случайное) значение коэффициента прочности дорожной одежды по модулю упругости

Е_ф - фактическое среднее значение модуля упругости дорожной одежды, МПа;

Е_min - минимально допустимое значение требуемого модуля упругости дорожной одежды, МПа;

- среднеквадратичное отклонение модуля упругости дорожной одежды, МПа; для эмпирических данных, приведенных в табл. 1.1, =0,249;

- математическое ожидание (среднее значение) коэффициента прочности дорожной одежды, имеющей разрушения; для данных, приведенных в табл. 1.5:

(1.7)

Ф(u) - интегральная функция, зависящая от изменения верхнего предела интегрирования u; Ф(u) является нечетной функцией, что выражено в формуле (1.6); функция Ф(u) табулирована (табл. 1.6) [47]:

Таблица 1.6

Для практических целей удобнее пользоваться формулой, аппроксимирующей данные табл. 1.6:

(1.8)

При заданном уровне надежности дорожной одежды можно определить требуемый коэффициент прочности по модулю упругости

(1.9)

Формулы (1.8) и (1.9) получены на основе результатов исследований проф. Ю.М. Яковлева.

Для того чтобы уменьшить отрицательное влияние неизбежной изменчивости прочностных свойств дорожной одежды, а также условий строительства, необходимо обосновать при проектировании и обеспечить при строительстве рациональный запас прочности. Как показали данные опыта строительства и эксплуатации автомобильных дорог и результаты исследований, большинство показателей, характеризующих прочностные свойства дорожной конструкции (модули упругости материалов конструктивных слоев и грунтов, прочность на растяжение при изгибе, сопротивление сдвигу, толщина, плотность, влажность, сцепление слоев и др.), подчиняются, как правило, нормальному закону распределения случайных величин (закону Гаусса). Частным случаем применения этого закона являются формулы (1.3-1.6). Данный закон характерен для случайной величины, зависящей от ряда факторов, каждый из которых вносит относительно небольшой вклад в ее общую изменчивость. Нормальный закон выражается дифференциальной функцией распределения плотности вероятности

(1.10)

и интегральной функцией

F(u) = 0,5 + Ф(u), где (1.11)

σ - среднеквадратическое отклонение;

а - математическое ожидание случайной величины х;

Ф(u) - табулированная функция (функция Лапласа).

На рис. 1.2 представлены дифференциальная и интегральная кривые распределения модуля упругости дорожной одежды, соответствующего нормальному закону. Изменчивость прочности характеризуется коэффициентом вариации, равным

где (1.12)

σ_Е и Е_ср - среднее квадратическое отклонение и среднее арифметическое значение модуля упругости дорожной одежды.

Рис. 1.2. Дифференциальная f(E) и интегральная F(E) кривые распределения Е

При помощи организационно-технологических мероприятий можно уменьшить изменчивость (вариацию) прочностных показателей дорожной одежды, что позволяет пропорционально снизить запас прочности, расход материалов и стоимость строительства дорожной одежды при обеспечении заданного уровня ее надежности.