Развитие конструктивно-технологических решений для продления срока службы асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами: в климатических условиях Сибири и Крайнего Севера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Крашенинин, Евгений Юрьевич

• Крашенинин, Евгений Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крашенинин, Евгений Юрьевич

Введение.

1 Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Опыт применения геосинтетических материалов при строительстве асфальтобетонных покрытий.

1.2 Геосинтетические материалы, используемые для армирования асфальтобетонных покрытий.

1.3 Анализ методов проектирования дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием.

1.4 Выводы, цель и задачи исследования.

2 Физико-механические свойства геосинтетических материалов, применяемых для армирования асфальтобетонных покрытий.

2.1 Методики и оборудование, используемые для испытаний.

2.1.1 Определение прочности при растяжении • геосинтетических материалов.

2.1.2 Определение прочности узловых соединений.

2.1.3 Определение термостойкости.

2.1.4 Определение характеристик ползучести при растяжении геосинтетических материалов.

2.1.5 Оценка повреждаемости геосинтетических материалов.

2.1.6 Оценка прочности после воздействия циклов 58 замораживания-оттаивания.

2.2 Геосинтетические материалы, использованные для исследования

2.3 Обработка результатов испытаний методами математической статистики.

2.4 Результаты испытаний.

2.4.1 Результаты определения предела прочности геосинтетических материалов.

2.4.2 Результаты оценки прочности узловых соединений.

2.4.3 Результаты оценки термостойкости.

2.4.4 Результаты определения характеристик ползучести при растяжении.

2.4.5 Результаты оценки повреждаемости.

2.4.6 Результаты оценки прочности после воздействия циклов замораживания-оттаивания.

Выводы по второй главе.

3 Анализ напряженно-деформированного состояния армированного асфальтобетонного покрытия.

3.1 Общие положения.

3.2 Моделирование многослойных армированных дорожных одежд с использованием объёмных и стержневых конечных элементов

3.3 Численная реализация конечно-элементной модели при силовых и температурных воздействиях.

3.4 Анализ результатов численного решения.

3.4.1 Дорожная одежда жёсткого типа.

3.4.2 Дорожная одежда нежёсткого типа.

3.5 Оценка адекватности принятой модели.

3.6 Методика и результаты расчета асфальтобетонных слоёв дорожной одежды по раскрытию трещин.

3.7 Особенности методики расчёта на прочность дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, армированным геосетксй.

3.7.1 Общие положения.

3.7.2 Особенности расчёта нежёстких дорожных одежд.

3.7.3 Особенности расчёта жестких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, армированным геосеткой.

Выводы по третьей главе.

4 Экспериментальная оценка физико-механических свойств армированного асфальтобетона.

4.1 Анализ экспериментальных методов оценки трещиностойкости асфальтобетона.

4.2 Методики и оборудование, используемые для испытаний асфальтобетонных образцов.

4.2.1 Определение предела прочности на растяжение при изгибе.

4.2.2 Определение предела прочности при сжатии.

4.2.3 Определение предела прочности на сдвиг.

4.2.4 Циклические нагружения на растяжение при изгибе.

4.3 Свойства асфальтобетона, применяемого для испытаний.

4.4 Результаты испытаний асфальтобетонных образцов.

4.4.1 Результаты определения предела прочности на растяжение при изгибе.

4.4.2 Результаты определения предела прочности при сжатии асфальтобетонных образцов.

4.4.3 Результаты определения предела прочности на сдвиг асфальтобетонных образцов.

4.4.4 Результаты испытаний асфальтобетонных образцов на циклическое нагружение.

Выводы по четвёртой главе.

5 Строительство и обследование опытных участков с армированным асфальтобетонным покрытием в суровых климатических условиях.

5.1 Строительство опытного участка на автомобильной дороге

Коротчаево - Заполярное ГНКМ».

5.2 Строительство опытного участка на автомобильной дороге «Новый Уренгой - Надым».

5.3 Результаты обследований опытного участка на автомобильной дороге «Коротчаево - Заполярное ГНКМ».

5.4 Результаты обследования опытного участка автомобильной дороги «Новый Уренгой — Надым».

Выводы по пятой главе.

6 Оценка экономической эффективности применения геосеток для армирования асфальтобетонных покрытий.

6.1 Определение технико-экономических показателей вариантов устройства асфальтобетонного покрытия.

6.2 Обоснование экономической эффективности применения армированных покрытий.

6.2.1 Общие положения.

6.2.2 Результаты расчётов.

Выводы по шестой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие конструктивно-технологических решений для продления срока службы асфальтобетонных покрытий, армированных геосинтетическими материалами: в климатических условиях Сибири и Крайнего Севера»

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 науки; соблюдением основных принципов физического и математического моделирования; достаточным объёмом экспериментальных данных, полученных с использованием приборов и оборудования, прошедших поверку и аттестацию; удовлетворительным совпадением экспериментальных и теоретических результатов; результатами опытно-производственной проверки результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Личный вклад автора заключается в определении цели и задач исследования; выполнении теоретических и экспериментальных исследований; участии в опытно-производственном строительстве и обследований опытных участков; анализе 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 наименований; объём приложений 16 страниц.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Крашенинин, Евгений Юрьевич

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 материалов; длительная 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

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крашенинин, Евгений Юрьевич, 2009 год

1. A. K. Haghi. Experimental analysis of geotextiles & geofibers composites AASHO. Road test, Washington, 1966, 370 S.

2. AASHTO, Geotextile Specification for Highway Applications, AASHTO Designation: M 28800, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C (2000).

3. Al-Khateeb G.G., Butlar W.G. Evaluating tensile strength of asphaltic paving maxtures using a hollow-cylinder tensile tester: ISAP. -Copenhagen, 2002.

4. BS DD ENV ISO 10722-1. Geotextiles and geotextile-related products Procedure for simulating damage during installation - Installation in granular materials

5. BS EN 918:1996 Geotextiles and geotextile-related products. Dynamic perforation test (Cone drop test)

6. Chen-Ming Kuo, Tsung-Rung Hsu "Traffic Induced Reflective Cracking on Pavements with

7. Geogrid-Reinforced Asphalt

8. Concrete Overlay" TRB Paper #03-2370

9. Cho, Y.-H., McCullough, B. F., and Weissmann, J. (1996!. "Considerations on finite clement method application in pavement structural analysis." Transp. Res. Rec. No. 1539, National Research Council, Washington, D.C., 96-101.

10. Colombier G. Fissuration de'retrait des chausses a assises traitees aux lients hydraligues // Bull.lisison Labo.P.et Ch.-1988.-№157. -P. 59-87

11. DIN EN 14030. Geotextiles and geotextile-related products Screening test method for determining the resistance to acid and alkaline liquids (ISO/TR 12960:1998, modified) (includes Amendment Al:2003); German version EN 14030:2001 + Al:2003

12. DIN EN 15381. Geotextiles and geotextile-related products Requirements for use in pavements and asphalt overlays; German version prEN 15381:2005

13. DIN EN ISO 10319 Geotextiles Wide-width tensile test (ISO 10319:1993); German version EN ISO 10319:1996

14. DIN EN ISO 12236. Geosynthetics Static puncture test (CBR test) (ISO 12236:2006); German version EN ISO 12236:2006

15. DIN EN ISO 3146. Plastics Determination of melting behaviour (melting temperature or melting range) of semi-crystalline polymers by capillary tube and polarizing-microscope methods23