Справочная энциклопедия дорожника (том II) Ремонт и содержание автомобильных дорог. Под ред. А.П. Васильева - файл n1.doc

приобрести
Справочная энциклопедия дорожника (том II) Ремонт и содержание автомобильных дорог. Под ред. А.П. Васильева
скачать (13828 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc13828kb.20.09.2012 10:46скачать

n1.doc

1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   59

ГЛАВА 6. Виды деформаций и разрушений автомобильных дорог в процессе эксплуатации

6.1. Деформации и разрушения земляного полотна и водоотвода


Деформации земляного полотна связаны с грунтово-гидрологическими условиями, воздействием климатических факторов, сложившегося водно-теплового режима земляного полотна и дорожной конструкции в целом, условиями эксплуатации дороги, а в ряди случаев - и с технологией строительства и своевременностью проведения мероприятий по содержанию автомобильной дороги. В конечном счёте они определяют условия увлажнения грунтов земляного полотна. Наиболее часто используемые для сооружения земляного полотна связные грунты с увеличением влажности из твёрдого или полутвердого состояния переходят в пластичное, пластично-текучее и текучее. Эти переходы сопровождаются уменьшением прочностных и деформативных характеристик во много раз, что приводит к потере прочности и устойчивости земляного полотна и образованию различных видов деформаций (рис. 6.1).







Рис. 6.1. Основные виды деформаций насыпей:
а - деформации грунта в активной зоне (рабочем слое); б - просадка насыпи на слабом основании; в, г - расползание (растекание) насыпи; д - деформации откосов; е - сползание (смешение) насыпи по наклонённому основанию

Деформации в активной зоне (рабочем слое) и на обочинах (рис. 6.1, а) возникают при доуплотнении грунта, локальной потере им прочности при переувлажнении, особенно в случае возведения насыпи при строительстве из неоднородных грунтов или в результате пучинообразования (явление комплексного воздействия на пучиноопасный грунт влаги и отрицательной температуры). Деформации, связанные с дополнительным уплотнением грунта в зоне проезжей части, возникают под воздействием транспортных нагрузок, веса вышележащих слоев грунта и дорожной одежды в процессе эксплуатации дороги в виде отдельных просадок покрытия различной площади с плавными очертаниями краев или осадки по всему поперечнику на определенном протяжении дороги. Их образование, как правило, не сопровождается появлением отдельных трещин или сетки трещин в дорожной одежде, хотя могут быть и исключения при локальных осадках значительной величины.

Потеря грунтом прочности на отдельных участках дороги или локально в отдельных местах возникает при переувлажнении грунта активной зоны поверхностными (грунтовыми) водами. В результате под действием транспортных нагрузок на покрытии образуются просадки с сеткой трещин, проломы дорожной одежды с разрушением материала покрытия.

Пучинами называют деформации увеличения объёма грунта в активной зоне земляного полотна, проявляющиеся зимой во взбугривании и потере ровности покрытия, а в период оттаивания при проезде автомобилей - в проломах одежды, вызванных снижением прочности переувлажнённых грунтов. Классификация условий образования пучин приведена в табл. 6.1.

Таблица 6.1

№ п/п

Наименование пучин (по генетическому характеру увлажнения грунтов)

Связь с грунтовыми и поверхностными водами

Характеристика процессов увлажнения

1

Гидрогеологические

Связаны преимущественно с высоким стоянием грунтовых вод. Накопление влаги происходит за счёт капиллярного поднятия грунтовых вод преимущественно в осенний и частично в зимний периоды

Резкое поднятие горизонта грунтовых вод в начале осенне-зимнего периода и высокое стояние его весной. Резкое возрастание влажности верхнего слоя грунтов насыпи в начале зимы с последующим затуханием процесса к концу зимы

2

Температурные

Связаны с перемещением грунтовых вод к зоне промерзания под действием значительных температурных градиентов и длительными сроками их действия

Циклическое изменение влажности верхней части грунтов земляного полотна. Интенсивное накопление ледяных прослоек у границы промерзания

3

Поверхностные

Связаны с длительным стоянием поверхностных вод, обильным выпадением атмосферных осадков и их проникновением через трещины покрытия в грунт земляного полотна в осенне-зимний период, плохой организацией работ по снегоочистке дорог

Переувлажнение обочин и откосов в начале осенне-зимнего периода. Перемещение влаги от обочин и откосов в конце зимы к более холодной проезжей части в результате перемещения снега с проезжей части на обочины

4

Смешанные

То же, по пп. 1-3

То же. по пп. 1-3

Внешними признаками пучинистых мест в зимний период являются неравномерное поднятие участков покрытия, взбугривание отдельных мест покрытия или образование группы взбугривании, развитых по площади проезжей части с различной степенью интенсивности. Значительная часть из них, как правило, приводит к образованию в дорожной одежде сетки трещин, концентрирующейся у вершины бугров пучения и разрушению покрытия на отдельные куски различной площади и формы. Иногда пучины в большей степени развиваются на обочинах, и их поднятие может оказаться большим, чем в зоне проезжей части.

В весенний период после схода снега на пучинистых участках могут появляться влажные пятна, наблюдается иногда выход вместе с водой мелких частиц дренирующего слоя или грунта земляного полотна, а также волнообразные колебания дорожной конструкции при наезде транспортных средств. Эти участки имеют, как правило, значительно пониженную прочность и интенсивно разрушаются [77].

Деформации неукреплённых или укреплённых несвязными материалами обочин выражаются в образовании колей, ям, часто приводящих к разрушению кромок покрытия проезжей части дороги, переувлажнению грунтов рабочего слоя земляного полотна, разрушению прибровочной части обочин. На укреплённых связными материалами обочинах (асфальтобетон, битумогрунт и др.) возникают дефекты, характерные для деформаций покрытий дорожных одежд проезжей части.

Наиболее частой причиной деформаций земляного полотна на слабом основании (рис. 6.1, б) является потеря его устойчивости. Наиболее типичными случаями потери устойчивости является выпор - смещение отдельных блоков массива основания по определенной поверхности скольжения без разрушения структуры грунта внутри этих блоков (рис. 6.2, а). Выпору способствуют недостаточная прочность дернового слоя болота, устройство канав и других выработок у подошвы насыпи. Выдавливание грунта основания насыпи (рис. 6.2, б) связано с пластическим его течением, которое сопровождается разрушением структурной связности перемещаемого грунта. Пластическое выдавливание более свойственно болотным грунтам с малой водопроницаемостью и низким углом внутреннего трения. Выдавливанию способствует слоистое строение залежи, наличие мягких пластических прослоек, а также более высокая горизонтальная проницаемость. Пластические деформации характерны для болот II типа. В результате выдавливания поверхность насыпи резко деформируется, приобретая вогнутый корытный профиль, иногда с образованием продольных трещин и провалов средней части (Евгеньев И.Е. Строительство автомобильных дорог через болота. М.: Транспорт, 1968).



Рис. 6.2. Основные формы потери устойчивости насыпи на слабом основании

Оползневой сдвиг (рис. 6.2, в) - это поперечное или продольное смешение всего объема насыпи и части основания по поверхности скольжения, определенный геологическими разностями в строении основания. Причиной оползневого сдвига насыпи почти всегда является недостаточный учет уклона кровли - плотных пластов, подстилающих болотную залежь. Сдвигу способствует малая проницаемость нижних пластов, так как в таком случае и, соответственно, сопротивление сдвигу в контактной зоне оказывается близким к нулю.

Расползание насыпи (рис. 6.1, в; 6.1, г) происходит в результате использования при строительстве без специальных мероприятий переувлажнённых грунтов, несоблюдения требований по уплотнению грунтов, а также недоучёте их повышенного капиллярного увлажнения. Деформации откосов насыпей (рис. 6.1, д), а также выемок могут быть связаны с потерей их общей и местной устойчивости.

Нарушение общей устойчивости откосов характеризуется смещением значительных масс грунта, частичным или полным разрушением земляного сооружения (насыпи, откосной части выемки) в результате изменения напряжённого состояния в грунтовом массиве, т.е. достижения сдвигающими напряжениями предельных значений. Основные формы нарушения общей устойчивости откосов и условия их возникновения приведены в табл. 6.2 [96]. На рис. 6.3 в качестве примера приведены схемы возможных форм потери общей устойчивости в виде обрушения со срезом.

Таблица 6.2

Формы нарушения общей устойчивости откосов

Характер деформации

Условия возникновения

Обрушение со срезом и вращением

Перемещение значительной части откоса в результате среза по критической поверхности, обычно близкой по форме к круглоцилиндрической с некоторым поворотом вокруг горизонтальной оси. Часто захватывает обочину. Может быть с выдавливанием основания у подошвы насыпи

При глинистых грунтах с достаточно однородным строением при переувлажнении, неустойчивом основании, высоких нагрузках

Скол при просадке

Вертикальное перемещение (опускание) с боковым движением части откоса

Наличие в толще откоса (основании) низкопрочных грунтов, способных выдавливаться под воздействием вышележащих слоев: песков-плывунов, гидронестойких пород (каменная соль, гипс и т.д.), резко просадочных пород и т.п.

Скольжение

Сдвиг части откоса по наклонным плоскостям напластований, древних смещений и т.п.

Наличие ясно выраженной поверхности скольжения со значительным углом падения

Оползень-сдвиг

Почти горизонтальное перемещение части откосов

Наличие слоистого строения толщи с увлажненными мягкими пластичными глинистыми прослойками, залегающими горизонтально или с малым падением



Рис. 6.3. Формы потери общей устойчивости откосов в виде обрушения со срезом:
а - по круглоцилиндрической поверхности скольжения; б - по деформированной круглоцилиндрической поверхности скольжения; в - по границе слоев при подтоплении

Нарушение местной устойчивости откосов характеризуются смешением отдельных участков поверхности откосов [55]. Это - деформации локального характера, хотя иногда они могут охватывать и достаточно большие площади. Основные их формы приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Формы нарушения местной устойчивости откосов

Причины

Условия образования

Деформации локального скольжения и пластического течения. Выражаются в оползании и сплывах поверхности откосов различной площади, оплывинах на отдельных участках

Физико-химическое выветривание и избыточное увлажнение

Откосы, сложенные глинистыми грунтами, не устойчивыми к физико-химическому выветриванию

Эрозионные деформации. Выражаются в образовании промоин на поверхности грунта, канав и отдельных ям. Могут достигать больших размеров, захватывая обочины и проезжую часть дороги

Дождевые осадки и поверхностные воды

Неукрепленные откосы, сложенные малосвязными и водонеустойчивыми грунтами

Механическая суффозия и вынос грунта. Заключается в выносе грунта из-под обочин и проезжей части просачивающейся водой, проникающей в земляное полотно через покрытия и обочины, вынос грунта грунтовыми водами из откосов выемок

Грунтовые воды

Откосы, сложенные супесчаными и песчаными грунтами, в случае выхода водоносных горизонтов

При этом сплывами называют, по сути, локальные оползни. Они выражаются глубокими деформациями откосов, охватывающими значительные массивы на глубину до 2-3 м и более. Такие сплывы откосов характерны для высоких насыпей и глубоких выемок.

Оплывинами называют поверхностные сплывы с захватом грунта мощностью до 1 м с сохранением общей устойчивости откосов.

Эрозионные деформации выражаются в плоскостном смыве материала (грунта) откоса стекающими водами. Они возникают в местах сосредоточенного поступления поверхностных вод. Подтопляемые откосы имеют, как правило, укрепления. Их деформация (разрушение) определяется конструкцией укрепления и интенсивностью воздействия (помимо общих) агрессивных факторов, специфичных для подтопляемых откосов. К их числу прежде всего относятся: высота, частота и длительность подтопления, волновые нагрузки, скорость течения воды вдоль насыпи, ледоход, припай льда и др. Вместе с этим вне зависимости от вида укрепления могут иметь место размывы оснований (подошвы откосов) насыпей течением водного потока при критических значениях его скорости и объёма перемещаемой воды.

Деформации водоотводных сооружений приводят к снижению их стоковой способности (застой воды, переполнение канав, лотков водой при ливневых осадках и снеготаянии). Значительное влияние на эффективность отвода воды оказывает также зарастание канав растительностью, характерной для влажных мест (осока, камыш и т.д.), кустарником.

Деформации неукреплённых или укреплённых травосеянием водоотводных сооружений выражаются в нарушении их поперечного и продольного профиля (сплывы откосов, размыв канав, изломы продольного профиля, пучинообразное изменение профиля и т.д.).

Для укреплённых асфальтобетоном водоотводных сооружений характерны деформации в виде образования в слоях укрепления трещин, отдельных выбоин или системы трещин и выбоин, в том числе со смещением слоев укрепления, изменение профиля в результате образования пучин или просадочных явлений.

Для слоев укрепления в виде монолитного цементобетона характерны деформации в виде отдельных трещин или системы трещин, сплошного или на отдельных участках шелушения бетона, отдельные сколы и обломы, разрушения швов и материала их заполнения, изменения профиля в результате образования пучин. Для укрепления сборными цементобетонными элементами - дополнительно перекос плит при их просадке или пучении [84].

Возникающие в процессе эксплуатации неисправности дренажей могут быть разделены на три вида:

механические повреждения трубопроводов, смотровых колодцев, выпусков;

нарушение конструктивной целостности дренажа;

закупорка трубопровода.

Виды неисправностей дренажей и причины их образования приведены в табл. 6.4 (Лагойский А.И. Горизонтальные траншейные дренажи на железных дорогах. М.: Транспорт, 1974).

Таблица 6.4

Виды неисправности

Ошибки при проектировании и строительстве

Неудовлетворительное содержание дренажей

Природные причины

Механические повреждения

Недостаточная удаленность дренажа от места приложения внешних силовых воздействий

Небрежное производство земляных работ поблизости от дренажей

Агрессивность воды




Применение поврежденных элементов

Проведение взрывных работ поблизости от дренажей

Стихийные бедствия




Низкое качество материалов




Размораживание элементов дренажей

Нарушение конструктивной целостности дренажа

Деформации дна дренажной траншеи, недостаточная удалённость от места приложения внешних силовых воздействий, несоблюдение проектных решений, нарушения технологии строительных работ

Несвоевременное устранение повреждений дренажа и вызывающих их причин

Внезапные подвижки земляного полотна или грунтового массива в его основании

Закупорка трубопровода

Сложность практического осуществления конструкции

Несвоевременная очистка смотровых колодцев и выходов дренажа на поверхность

Химико-бактериологические отложения




Применение смотровых колодцев неудачной конструкции

Несвоевременный ремонт дренажей

Проникновение в трубопровод корней растений или попадание животных

К механическим повреждениям относятся разрушения дренажных труб, выпусков из дренажей, смотровых устройств и т.д. Механические повреждения возникают, как правило, на небольших по протяжению участках.

При нарушении конструктивной целостности дренажа происходит взаимное смещение его элементов без механических разрушений. К наиболее нежелательным последствиям приводит взаимное смещение дренажных труб, нарушающее непрерывность дренажного трубопровода.

При закупорке дренажного трубопровода целостность дренажа не нарушается. Этот вид неисправностей встречается наиболее часто и служит причиной прекращения работы дренажа. Закупорка дренажа в зависимости от вызывающих ее причин может наблюдаться на всем его протяжении или на небольших участках.

Неисправности дренажей могут быть связаны с рядом природных явлений, к числу которых относятся:

заполнение дренажного трубопровода химико-бактериологическими отложениями;

закупорка трубопровода мелкими животными, проникающими в него на зимнюю спячку при низком расположении выходов из дренажей;

агрессивность воды, протекающей по трубопроводу;

периодическое замораживание и оттаивание;

стихийные бедствия (размывы, подмывы, оползни и т.п.).

Заполнение дренажной траншеи крупным щебнем или камнем без применения геосинтетических материалов может вызвать заиливание дренажного трубопровода. К аналогичным результатам приводит и назначение неоправданно больших размеров водоприемных отверстий в дренажном трубопроводе из керамических труб, а также произвольное назначение размеров пор в трубофильтрах.

Дренажные трубы из керамики и бетона на цементном вяжущем подвержены размораживанию, если они расположены на выходе дренажного трубопровода на поверхность земли. Размораживанию не подвержены трубы из дерева и металла. Агрессивные воды разрушают дренажные трубы, изготовленные на цементном вяжущем. Относительно быстро бетон разрушается водами, имеющими рН < 5,5-6. Защита цементного вяжущего битумными материалами неэффективна. Бактерии, живущие в грунтах, быстро разлагают битумное покрытие.

6.2. Деформации и разрушения нежестких дорожных одежд


Различают деформации и разрушения как отдельно покрытий, так и всей дорожной одежды в целом. К первым относят износ, шелушение, выкрашивание, выбоины, сдвиги, волны, гребенки и трещины покрытия (рис. 6.4). Ко вторым - пучины, просадки, проломы, колеи и разрушения кромок дорожных одежд. Наиболее часто на проезжей части наблюдаются деформации и разрушения дорожных покрытий.



Рис. 6.4. Трещины и разрушения покрытия:
1 - продольные по оси дороги; 2 - поперечные; 3 - косые; 4 - частые поперечные на всю ширину; 5 - продольные по полосам наката; 6 - сетка трещин на пучинистых участках; 7 - сетка трещин на пучинистых участках; 8 - обломы кромок

Износ покрытия (истирание) - уменьшение толщины слоя покрытия в результате потери материала под действием колес автомобилей и природных факторов (см. п. 6.4).

Шелушение - отделение чешуек и частиц материала толщиной 2-5 мм или разрушение поверхности покрытия под действием колес автомобилей, воды и отрицательной температуры воздуха с образованием микронеровностей глубиной до 5 мм. Основной причиной образования является недостаточное сцепление плёнки вяжущего с поверхностью минерального материала (применение вяжущих повышенной вязкости, обработка увлажнённого минерального материала и др.). Особенно интенсивно процесс шелушения протекает в весенний период при частом нагревании верхних слоев покрытия днём и замерзании ночью. Шелушение тем интенсивнее, чем меньше прочность материала покрытия, и развивается быстрее под действием хлоридов, применяемых для борьбы с гололёдом. Хлориды усиливают шелушение покрытий, способствуя выделению скрытой теплоты плавления льда на покрытии, в результате чего оно оттаивает, а потом снова замерзает. Особенно заметно влияние хлоридов на цементобетонных покрытиях с большим содержанием поверхностных пор.

Выкрашивание покрытий - отделение зерен минерального материала покрытия и образование мелких раковин на его поверхности глубиной от нескольких миллиметров до 20 мм. Постепенно развиваясь, выкрашивание распространяется на значительную площадь и является признаком начала поверхностного разрушения покрытия. Остановить этот процесс можно укладкой нового защитного слоя.

Выбоины (ямочность) - местные разрушения покрытия глубиной 20-100 мм и более с резко очерченными краями. Причины выкрашивания покрытий и образования выбоин во многом совпадают. Они возникают прежде всего из-за недостаточной связи между минеральными материалами и органическим вяжущим, недоуплотнения покрытия, загрязнения, использования недоброкачественных материалов (пережог асфальтобетонной смеси, попадание необработанного щебня или песка в смесь и т.д.).

Касательная сила вызывает колебание щебёнок вокруг точки их упора. При многократном воздействии щебёнки постепенно расшатываются и вырываются из покрытия, преодолевая силы трения. Особенно активно процесс образования выбоин развивается в весенний период, чему способствуют чередование положительных и отрицательных температур воздуха и покрытия, наличие воды в порах материала покрытия. Проникая в раковины и микротрещины покрытия под давлением колёс автомобиля, вода оказывает расклинивающее воздействие, которое значительно увеличивается при замерзании её в лёд.

Связи между частицами материала ослабляются и под действием колес автомобиля образуется выбоина, которая может быстро увеличиваться в размерах. Причины образования выбоины рассмотрены в п. 5.4.

Сдвиги - неровности, вызванные смещением материала покрытия при устойчивом основании. Сдвиги образуются чаще всего в местах торможения автомобилей (места остановки, перекрёстки). Под действием касательных сил происходит сдвиг в материалах верхнего слоя либо его сдвиг по поверхности нижнего слоя с образованием поперечных трещин в покрытии на полосах наката. Этому способствует повышенная пластичность материала верхнего слоя (избыток вяжущего или недостаточная теплоустойчивость при высоких температурах). Смещаемый колесом поверхностный слой образует складки и наплывы.

Волны и гребенки - неровности в виде поперечных гребней и впадин с пологими краями, закономерно чередующиеся вдоль покрытия и вызванные смещением верхнего слоя. Формируются, как и сдвиги, в местах торможения автомобилей практически на всех типах покрытий, кроме цементобетонных. Основными причинами волнообразования являются излишняя пластичность материалов, избыток вяжущего или недостаточная теплоустойчивость смеси, дефекты уплотнения, а также систематическое воздействие на покрытие автомобилей одинаковой массы при одинаковой скорости движения.

На покрытиях переходного типа, преимущественно гравийных, поперечные волны образуют гребёнку - правильные четко выраженные поперечные выступы, чередующиеся с углублениями.

Трещины на покрытиях бывают различных размеров и формы (см. рис. 6.4). Трещины на асфальтобетонных и других видах покрытий из материалов с органическими вяжущими могут быть одиночные поперечные, продольные и косые или в виде сети трещин.

Трещины поперечные сквозные на всю ширину покрытия (температурные) возникают на покрытии осенью и в начале зимы вследствие резких перепадов температур воздуха и недостаточной сопротивляемости температурным напряжениям. Они закономерно располагаются на проезжей части на определенном расстоянии одна от другой (5-10 м).

Продольные трещины, отстоящие одна от другой на 20-40 см на полосах наката в сочетании с поперечными трещинами через 1-4 м на всю ширину проезжей части, наблюдаются на покрытиях, содержащих органическое вяжущее, устроенных на основаниях из грунтов или каменных материалов, укреплённых минеральными вяжущими (цемент, известь, золы уноса), при недостаточной прочности этих оснований.

Продольные трещины на асфальтобетонных покрытиях часто появляются в месте стыка двух полос укладки покрытия из-за плохого сопряжения этих полос. Продольные трещины по полосам наката возникают при интенсивном движении автомобилей из-за недостаточной прочности отдельных слоев одежды и грунтового основания (недоуплотнение, переувлажнение), превышения нагрузок и интенсивности движения по сравнению с расчетными. Трещины продольно-косого направления возникают, главным образом, вследствие недостаточной прочности дорожной одежды, недоуплотнения грунтов полотна и последующей осадки, особенно на участках с высокой насыпью, а также над трубами.

Сетка трещин с мелкими ячейками на полосах наката размером сторон 10-20 см возникает на дорожном покрытии, как правило, при недостаточной прочности основания на участках оттаивания переувлажненного грунта в весенний период и пучинообразования. При большом числе трещин поверхность покрытия становится похожа на кожу крокодила, из-за чего она получила в некоторых странах название «аллигатор». Основная часть трещин (до 60-70 %) на покрытии возникает в весенний период. Зародышами трещин являются микротрещины, образующиеся на границе «вяжущее-каменный материал». Главной причиной большинства трещин является усталость дорожных одежд, их недостаточная прочность.

Колея - это особый вид деформирования дорожной конструкции (земляного полотна, дорожной одежды с покрытием), в результате которого на поверхности проезжей части образуются углубления вдоль по полосам наката без гребней выпирания или с гребнями выпирания по одной или обеим сторонам этих углублений. Колея может охватывать как слой покрытия, так и все другие слои дорожной одежды и грунты активной зоны земляного полотна (см. п. 5.5). Колеи могут образоваться на всех видах покрытий и дорожных одежд, но интенсивность их образования и глубина колей различны.

По форме поперечного профиля проезжей части можно выделить колеи в виде: углублений по полосам наката: углублений по полосам наката с одним гребнем или горбом выпирания; углублений по полосам наката с двумя и тремя гребнями выпирания; углублений по полосам наката с общим проседанием поверхности проезжей части и др. (рис. 6.5). Общая глубина колеи может колебаться в широких пределах 2-150 мм и более. При прочном земляном полотне и основании на асфальтобетонном покрытии колея может образоваться за счет ускоренного износа материала верхнего слоя покрытия по полосам наката и за счёт накопления пластических деформаций в слоях асфальтобетона. В реальных условиях результат этих процессов колееобразования суммируется.



Рис. 6.5. Виды колей:
1,2 - углубление по полосам наката; 3,4 - углубление с одним и двумя гребнями выпирания; 5 - углубление с общим проседанием поверхности проезжей части

Деформации и разрушения всей конструкции дорожной одежды - это пучины, просадки, проломы, колеи, разрушение кромок и др.

Пучины - взбугривание проезжей части, вызванное влагонакоплением и последующим промерзанием в земляном полотне. В месте взбугривания образуется сетка трещин с характерной ромбической формой отдельностей (см. гл. 4).

Просадки - деформации одежды в виде впадин глубиной 50-100 мм и более с пологой поверхностью, но без выпучивания и образования трещин на прилегающих участках. Возникают в местах пониженной прочности слоев одежды и грунта при увлажнении. Просадки могут наблюдаться в первые годы эксплуатации дороги при неблагоприятных грунтовогидрологических условиях, вследствие недостаточного уплотнения земляного полотна и слоев одежды, а также при появлении в составе движения тяжёлых автомобилей, на которые дорожная одежда не была рассчитана.

Проломы - разрушения одежды в виде более или менее длинных прорезей глубиной до 100 мм по полосам наката и выпучиваний сбоку высотой 50-100 мм. Различают мокрые проломы, которые образуются вследствие переувлажнения и пластического течения материала слоев основания и грунта, и сухие - прорезание всех слоев одежды под действием вертикальной силы при недостаточной толщине конструкции и слабом уплотнении слоев и грунтов земляного полотна.

Разрушение кромок - отдельные трещины и сетки трещин вдоль кромок, откол, искажение поперечного профиля прикромочных полос. Разрушение кромок происходит вследствие пониженной прочности прикромочных полос проезжей части (заниженная толщина слоев одежды у кромок, повышенная влажность грунта основания под кромкой) и отсутствия укрепительных полос со стороны обочин.

Наличие деформаций и разрушений всей конструкции дорожной одежды чаще всего свидетельствует о недостаточной прочности дорожной одежды и земляного полотна, о превышении фактической интенсивности движения над расчётной.

6.3. Деформации и разрушения цементобетонных покрытий


Цементобетонные покрытия работают в условиях сложного напряжённого состояния под действием повторных динамических нагрузок от автомобилей и переменных температурно-влажностных полей. При нагревании или охлаждении плит покрытия они стремятся изменить свои линейные размеры, но из-за сопротивления свободному перемещению по основанию возникают температурные напряжения в покрытии.

При изменении температуры по толщине цементобетонного покрытия плиты коробятся выпуклостью вниз (ночью) или вверх (днём) в зависимости от направления теплового потока. При несостоявшихся деформациях коробления в плитах также возникают температурные напряжения, величина которых зависит от собственной массы плит покрытия и их геометрических размеров.

Условия работы цементобетонного покрытия в разных его зонах (в центре, на краю, на торце, на углу плиты, на полосе наката и т.д.) являются существенно неоднородными. Это создает условия для накопления остаточных деформаций оснований под периферийной частью плит покрытия по всему периметру и для частичного нарушения контакта их нижней поверхности с основанием, особенно в зонах края и поперечных швов. В результате образуются зависающие участки плиты, в которых резко возрастают отрицательные изгибающие моменты при расположении нагрузки над швом.

К характерным деформациям и разрушениям цементобетонных покрытий относятся шелушение и выкрашивание поверхностного слоя бетона, трещины, выбоины, отколы углов и краев плит, вертикальные смещения плит, коробление, разрушение стыковых соединений и заполнителей швов.

Шелушение - механическое отделение частичек верхнего слоя покрытия в виде чешуи толщиной 2-5 мм или тонких лещадок толщиной до 40 мм.

Выкрашивание - отделение мелких частиц составляющих материалов (песка, щебня, цементного камня).

Основной причиной шелушения и выкрашивания покрытий является нарушение связности и прочности сцепления цементного камня и заполнителя в бетоне. Это может быть следствием нарушения технологии укладки бетона (укладка и твердение бетона при температуре ниже +5°С, заглаживание поверхности свежеуложенной смеси с добавлением воды, цемента или песка, излишнее вибрирование смеси, неправильный уход за свежеуложенным цементобетоном), а также низкого качества материалов. Другой причиной шелушения и выкрашивания может быть многократное приложение тяжёлых нагрузок в одном и том же месте в сочетании с резкими перепадами температуры на поверхности при частом замораживании и оттаивании в зимний и осенний периоды года.

Шелушение и выкрашивание поверхности покрытия является наиболее распространённым видом дефектов. Они опасны тем, что задерживают воду на поверхности, что способствует дальнейшему разрушению покрытия в период заморозков и оттаивания, а также тем, что создают участки покрытия с различными сцепными качествами.

Выбоины - местные разрушения в виде углублений различных форм и размеров в плите глубиной до 8-10 см. Причиной их образования может стать недостаточная прочность поверхностного слоя на отдельных участках покрытия, а также дальнейшее развитие уже имеющихся поверхностных разрушений (выкрашивание) в результате воздействия часто повторяющихся динамических нагрузок от колёс автомобилей, которые могут возрастать до 50 % от статической.

Раковины - это разрушения поверхности покрытия, по своему виду похожие на выбоины, только меньших размеров. Они образуются как результат развития процесса выкрашивания при попадании в верхний слой неморозостойких крупных заполнителей или инородных материалов, которые быстро разрушаются и выбиваются из покрытия. Раковины могут образовываться из-за недоуплотнения цементобетонной смеси и плохой отделки покрытия.

Трещины цементобетонных покрытий могут быть поперечными, продольными и косыми; волосными, поверхностными и сквозными.

Волосные трещины хорошо заметны при влажном покрытии, образуются преимущественно вследствие усадки цементобетона при его твердении из-за плохо подобранного состава смеси и неправильного ухода за свежеуложенным цементобетоном, а также в результате скопления и замерзания влаги в мельчайших порах верхнего слоя покрытия. Поверхностные трещины бывают усадочного и температурного происхождения. Последние могут возникнуть при короблении плит.

Сквозные трещины появляются в результате перенапряжения при недостаточной несущей способности покрытия. Снижение несущей способности покрытия может произойти из-за переувлажнения грунтов земляного полотна, просадки грунта из-за плохого уплотнения, из-за перегрузки покрытия при пропуске тяжёлых нагрузок и т.д.

Поперечные сквозные трещины образуются при больших расстояниях между швами и в тех случаях, когда произошло сцепление бетонных плит с основанием и они не могут перемещаться при температурных изменениях. Это температурные трещины. Продольные сквозные трещины возникают при неоднородно уплотнённом земляном полотне, когда края, уплотнённые меньше, начинают давать осадку. Косые трещины проявляются над местными пустотами, осадками земляного полотна и при недостаточно прочных покрытиях. Наличие сквозных трещин в цементобетонных покрытиях обычно служит признаком недостаточной прочности и начала разрушения.

Опасность сквозных трещин состоит в том, что они снижают несущую способность цементобетонных покрытий и создают условиях для проникновения воды в грунтовое основание.

Отколы углов и краев плит происходят в результате воздействия нагрузок и температуры при недостаточной прочности угловых и краевых участков плит. Причиной отколов углов и краёв является: недоуплотнение цементобетонной смеси на этих участках, неправильная установка штырей (перекос или размещение в разных уровнях), ослабление прочности основания вследствие проникания воды через швы или через обочины (рис. 6.6). На армированных плитах отколы особенно опасны, так как при этом обнажаются верхние концы арматуры, которые могут разорвать шины колес автомобилей.



Рис. 6.6. Схема разрушения бетонного покрытия в шве:
1 - деформация основания; 2 - разлом; 3 - трещина; 4 - уступ; 5 - направление движения транспортных средств; 6 - арматура

Сколы кромок плит в зоне швов и стыков возникают из-за недостаточной прочности верхнего слоя краевых участков плит под действием нагрузок от колес автомобилей. Скалывание кромок плит может происходить летом при высоких температурах, когда плиты сильно удлиняются, а их кромки сближаются вплотную настолько, что происходит коробление, в кромках плит возникает перенапряжение и происходит скол кромок.

Локальное или местное скалывание кромок плит часто происходит при засорении швов щебнем, гравием и т.п.

В систематизированном виде характерные наиболее распространённые деформации и разрушения цементобетонных покрытий автомобильных дорог представлены в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Наиболее распространенные деформации и разрушения цементобетонных покрытий автомобильных дорог

Вид

Характеристика и характер распространения

Наиболее вероятные причины возникновения

А. Деформации и разрушения покрытия

Трещины

1. Поперечные сквозные:







а) технологические

Несвоевременная и некачественная нарезка деформационных швов




б) эксплуатационные

Изменение температуры покрытия при большем, чем допустимо, расстоянии между швами сжатия и расширения; эксплуатация транспортными средствами с нагрузками, превышающими несущую способность покрытия; приложение нагрузки при слабом контакте покрытия с основанием




2. Поперечные поверхностные

Воздействие транспортных средств при короблении плит от неравномерного распределения температуры по толщине покрытия




3. Поперечные на краевых участках плит вдоль швов

Некачественная нарезка деформационных швов; неправильная установка штыревых соединений




4. Продольные сквозные

Дефекты в устройстве продольных швов; неоднородные деформации земляного полотна




5. Косые на угловых участках плит

Недостаточный контакт плиты с основанием; повышенные напряжения в плите при проезде транспортных средств




6. Волосные усадочные

Неудовлетворительный подбор состава бетонной смеси; несоблюдение правил ухода за бетоном покрытия; недостаточный защитный слой бетона над арматурой

Вертикальные смешения плит

Образование неровностей (уступы, просадки)

Некачественное уплотнение подстилающего грунта или основания; пучение грунта зимой; вымывания материала основания из-под покрытия

Разрушение кромок плит

Местное смятие и обрушение поверхности кромок в зоне деформационных швов. Скалывание краевых участков плит

Отсутствие швов расширения; засорение деформационных швов; наличие уступов между соседними плитами

Разрушение заполнителя швов

Выкрашивание герметизирующего материала, удаление его из шва колесами автомобилей

Старение герметизирующего материала; плохая деформативность при отрицательных температурах; низкая термоустойчивость; значительные вертикальные и горизонтальные смещения кромок плит

Коробление плит

Потеря продольной устойчивости плит покрытия

Отсутствие свободы перемещения плит при температурных напряжениях; некачественное выполнение стыковых соединений; высокие годовые колебания температуры воздуха

Б. Деформации и разрушения поверхности плит при достаточной прочности дорожной одежды

Износ (истирание)

Уменьшение толщины покрытия при воздействии транспортных средств. Возникает на участках торможения автомобилей, на спусках, перед кривыми, на перекрёстках, на участках с интенсивным тяжёлым движением

Недостаточная износостойкость покрытия

Шелушение и выкрашивание

Отслоение чешуи цементного камня с последующим выкрашиванием заполнителя на глубину до 40 мм:

Сплошное

Очаговое

Вдоль швов

Нарушение технологии приготовления и укладки бетонных смесей; низкое качество ухода за твердеющим бетоном; использование противогололёдных химических реагентов, раннее замораживание бетона покрытия; сочетание интенсивного приложения колесных нагрузок (особенно с шипованными шинами) с частыми циклами попеременного замораживания и оттаивания бетона

Выбоины

Местные разрушения покрытия овальной и круглой формы диаметром 5-10 см в плане и глубиной до 10 см

Недостаточное сопротивление покрытия касательным усилиям от транспортных средств; непрочное сцепление цементного камня с заполнителем; наличие грязного и неморозостойкого заполнителя в бетоне; низкое качество уплотнения отдельных участков покрытия

Раковины

Местные разрушения покрытия. Имеют такую же форму, как и выбоины, но меньших размеров

Применение неморозостойких крупных заполнителей; некачественная отделка поверхности покрытия и недоуплотнение бетонной смеси

В. Разрушение дорожной одежды

Проломы

Полное разрушение дорожной одежды с резким искажением поперечного профиля

Низкая прочность дорожной одежды в сравнении с требуемой по условиям движения

Просадки и вспучивание

Резкие искажения профиля покрытия, сопровождающиеся продольными и косыми пересекающимися трещинами

Переувлажнение грунтов земляного полотна; наличие пучинистых грунтов; глубокое промерзание земляного полотна

6.4. Износ дорожных покрытий и его причины


Наибольшее влияние на износ покрытий оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис. 6.7). При этом на участке входа шины в зону контакта с покрытием в шине происходит сжатие, а на выходе из контакта - расширение. Путь, проходимый точкой на шине в плоскости контакта l1, меньше, чем вне его l. Поэтому в плоскости контакта точка движется с ускорением, большим по сравнению с тем, как она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость а в секторах практически одна и та же. Поэтому точка проходит по покрытию путь определённой длины с проскальзыванием вместо одного качения.



Рис. 6.7. Деформации шины колеса, способствующие износу покрытия:
А - зона сжатия, Б - зона растяжения

Под действием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа происходит истирание покрытия и шины автомобиля. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ при движении грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше, чем при движении легковых. Чем больше прочность материала покрытия, тем меньше и равномернее по ширине износ покрытия. На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Применение изверженных пород для щебня взамен осадочных уменьшает износ на 60 %. Увеличение содержания битума с 5 до 7 % снижает износ на 50-80 %.

Износ покрытия в пределах проезжей части и толщины покрытий происходит неравномерно и на покрытии образуются колеи истирания по полосам наката, глубина которых может колебаться от нескольких миллиметров до 40-50 мм. В таких колеях во время дождя создается значительный слой воды, что проводит к снижению сцепных качеств покрытия и аквапланированию.

Средняя величина износа по всей площади покрытия hср, мм, составляет:

hср = khн, мм, где                                                                                                                 (6.1)

k - коэффициент неравномерности износа, в среднем равен 0,6-0,7;

hн - величина износа в полосе наката, мм.

Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в мм, а для покрытий переходного типа также и по объему потери материала в м3/км.

Особенности износа шероховатых дорожных покрытий. Износ шероховатой поверхности дорожных покрытий проявляется в уменьшении высоты и в шлифовании неровностей макрошероховатостей. Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колёс автомобилей происходит в два этапа (см. рис. 7.3). На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счёт погружения зёрен щебня слоя износа в нижележащий слой покрытия. Величина этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, размера щебня и твёрдости покрытия. Твердость покрытия оценивают глубиной погружения иглы твердометра и для асфальтобетонных покрытий делят на: очень твёрдые - 0-2 мм; твёрдые - 2-5 мм; нормальные - 5-8 мм; мягкие - 8-12 мм; очень мягкие - 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твёрдостью.

Определение износа покрытий расчётом. Среднее значение уменьшения толщины дорожных покрытий в год вследствие износа может быть определено по формуле проф. М.Б. Корсунского (следует отметить, что указанные исследования выполнялись более 50 лет тому назад и количественные значения их результатов мало применимы к современным дорогам и автомобилям):

h = a + bB                                                                                                                            (6.2)

или

 где                                                                                                                 (6.3)

h - годовой износ покрытия, мм;

а - параметр, зависящий в основном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий;

b - показатель, зависящий от качества (в основном прочности) материала покрытия, степени его увлажнения, состава и скорости движения;

В - грузонапряжённость движения, млн. брутто-тонн в год; N  0,001В (N - интенсивность движения, авт./сут).

Износ покрытия за Т лет с учётом изменения состава и интенсивности движения в перспективе по геометрической прогрессии можно определить по формуле

 где                                                                                     (6.3)

hT - износ покрытия за Т лет, мм;

N1 - интенсивность движения в исходном году, авт./сут;

К = 1,05-1,07 - коэффициент, учитывающий изменение в составе движения;

q1 - показатель ежегодного роста интенсивности движения, q1 > 1,0.

Значения параметров а и b приведены в табл. 6.6.

Таблица 6.6

Покрытия

а, мм

b, мм/млн. брутто-тонн

[h], мм, с учётом неравномерности истирания

Асфальтобетонные

0,4-0,6

0,25-0,55

10

Щебеночные и гравийные, обработанные вязкими органическими вяжущими, восстанавливаемые:










двойной поверхностной обработкой

1,3-2,7

3,5-5,5

25

одиночной поверхностной обработкой

1,4-2,8

4,0-6,0

12

Щебеночные:










из прочного камня

4,5-5,5

15,0-20,0

40

из слабопрочных каменных материалов

5,5-6,5

19,0-25,0

50

Гравийные:










из прочного гравия

3,0-4,0

16,0-22,0

50

из слабопрочного гравия

4,0-6,0

20,0-30,0

70

Примечания. 1. Средние значения а и b принимают для дорог, расположенных в зоне умеренного увлажнения (III дорожно-климатическая зона) и построенных из каменных материалов, удовлетворяющих требованиям стандартов. 2. Для дорог с усовершенствованными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения (II дорожно-климатическая зона), принимают верхние пределы, а для дорог, расположенных в районах с сухим климатом (IV и V дорожно-климатические зоны), - нижние пределы значений а и b. 3. Для дорог с щебёночными и гравийными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения, принимают нижние пределы, а в районах с сухим климатом - верхние пределы а и b. 4. Если ширина проезжей части превышает 7,0 м, то значение b уменьшают на 15 %, а если она меньше 6,0 м, то b увеличивают на 15 %.

В последние годы для повышения устойчивости движения автомобилей стали применять шины с шипами или цепями. Опыт показывает, что это резко увеличивает износ покрытий на дорогах.

В момент соприкосновения с покрытием каждый шип наносит удар с большой скоростью. Шип имеет очень маленькую массу, но многократное повторение этих ударов по одному месту способствует ослаблению верхнего слоя покрытия. Большее истирающее воздействие оказывает шип, выходящий из зоны контакта, где шина вместе с шипом проскальзывает по поверхности покрытия, истирая его.

Продолжительность износа асфальтобетонных покрытий при эксплуатации шин с цепями и шипами сокращается в 2-3 раза. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобетона на автомагистралях ФРГ, по которым движутся автомобили, оснащённые шинами с шипами, через 1-2 года образуются колеи по полосам наката глубиной до 10 мм.

Поэтому в условиях эксплуатации дорог России использование шин с шипами и цепями противоскольжения на дорогах общего пользования должно быть строго ограничено.

В качестве критерия предельного состояния дорожного покрытия по износу может быть принята величина допустимого износа Ни: для асфальтобетонных покрытий 10-20 мм; для щебёночных и гравийных, обработанных органическими вяжущими - 30-40 мм; щебёночных из прочного щебня - 40-50 мм, гравийных - 50-60 мм.

Исходя из этого дорожно-эксплуатационные организации при приёмке дорог после строительства или ремонта с усилением должны требовать от строителей, чтобы покрытие имело толщину больше расчётной из условия прочности на величину допустимого износа, т.е.

hn = hnp + Ни , мм, где                                                                                                          (6.5)

hnp - расчетная толщина покрытия из условия прочности дорожной одежды, мм.

Измерение износа. Ежегодный износ в долях мм цементобетонных, асфальтобетонных и других монолитных покрытий измеряют при помощи реперов, закладываемых в толщу покрытия, и износомера. При этом способе измерения износа в покрытие предварительно закладывают реперы-стаканчики из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчёт.

Износ определяют также с помощью пластин (марок) трапецеидальной формы из известняка или мягкого металла, заделываемых в покрытие и истирающихся совместно с ним. Для определения износа покрытий могут быть использованы различного рода электрические или георадарные приборы, применяемые для измерения толщины слоев в слоистых полупространствах.

Располагая данными о фактическом износе покрытия и предельно допустимом износе, определяют коэффициент изношенности покрытия.
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   59


ГЛАВА 6. Виды деформаций и разрушений автомобильных дорог в процессе эксплуатации
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации