Причины образования трещин, ямочности и колей

Трещины являются наиболее распространенным видом дефектов дорожных одежд. Основной причиной образования трещин является возникновение растягивающих и изгибающих напряжений в слоях дорожной одежды, возникающих под действием нагрузки от автомобилей и температурных колебаний и, особенно, при совместном действии этих факторов.

Трещины зарождаются там, где нормальные растягивающие напряжения в слое покрытия или дорожной одежды превышают предел прочности на растяжение материала соответствующего слоя. Трещины на покрытиях становятся заметными при ширине 0,2…1 мм и длине не менее 10 см. Более мелкие трещины или микротрещины визуально не различимы.

Основная часть трещин, возникающих по полосам наката от действия нагрузки, является результатом усталостного разрушения слоя дорожной одежды.

Механизм усталостного разрушения. Хотя растягивающие напряжения при проходе одного автомобиля значительно меньше критических, из-за неоднородности материала локальные напряжения могут существенно отклоняться от среднего значения.

В местах, где они превышают предел упругости пленок битума, связи рвутся. Повторные приложения нагрузок приводят к накоплению разорванных связей. В результате через определённое число циклов приложения нагрузок в нижней части покрытия по полосам наката возникают продольные волосяные трещины, объединяющиеся затем в большие, образуется сетка трещин.

Трещины растут одновременно в двух направлениях: вверх и по длине. При дальнейших нагружениях трещина проходит сквозь покрытие и становится видимой на его поверхности.

Другая часть зарождается на поверхности покрытия или другого слоя и развивается сверху вниз. Это температурные трещины и трещины, возникающие в зоне выпуклого изгиба покрытия под действием колес автомобилей.

Большую долю трещин на поверхности покрытия составляют отражённые трещины. Это трещины старого покрытия, на котором уложен новый слой асфальтобетона. Опыт показывает, что трещины старого покрытия в процессе эксплуатации начинают проявляться уже через 1-2 года, а по истечении 5-7 лет могут полностью повториться на новом покрытии.

Существует много причин образования трещин:

• недостаточная прочность дорожной одежды и земляного полотна, не соответствующая фактическим нагрузкам от автомобилей, вследствие чего возникают большие прогибы и растягивающие напряжения в слоях дорожной одежды;

• большие перепады температур от положительных к отрицательным, при которых возникают знакопеременные напряжения; особенно опасны низкие отрицательные температуры, которые сопровождаются возникновением очень высоких растягивающих напряжений в слоях дорожной одежды;

• недостаточная трещиностойкость асфальтобетонных покрытий, обусловленная несоответствием деформативных свойств битума реальным температурным условиям работы покрытий;

• различие теплофизических свойств материалов слоёв смежных покрытий, вследствие чего возникают дополнительные напряжения по плоскостям сопряжения слоев при температурных перепадах;

• неравномерное уплотнение земляного полотна и слоев дорожной одежды;

• образование пучин, сопровождающееся возникновением сетки трещин в дорожной одежде.

Появление и развитие трещин не имеет взрывного характера, но происходит достаточно быстро. Исключение составляют трещины в местах образования пучин, которые возникают зимой в момент поднятия бугра при промерзании дорожной одежды и земляного полотна, или весной в момент полного оттаивания грунта, когда проезжающие автомобили могут полностью разрушить ослабленную дорожную одежду. В этом случае сетка трещин может образоваться в течение одного зимне-весеннего периода.

В условиях континентального климата первыми, как правило, появляются зимой температурные поперечные трещины на расстоянии 40…50 м одна от другой. Они могут появляться уже в первый год службы дорожной одежды или покрытия. Продольные трещины, трещины по полосам наката и трещины произвольного направления возникают обычно через 4 года и чаще на новом покрытии. Отражённые трещины могут появиться через 1-2 года после устройства нового слоя.

Наиболее быстро развиваются трещины весной и осенью, а наиболее широко раскрываются зимой и весной. В летний период многие мелкие трещины закрываются за счёт размягчения битума и расширения материала в покрытии или закатываются колесами автомобилей.

Трещины в цементобетонных покрытиях образуются в разное время, в различных местах плит, имеют разное очертание и направление, а также неодинаковую глубину.

Число, протяжённость и ширина трещин пропорциональны сроку службы покрытия.

Трещины имеют различные размеры по ширине, длине и глубине. Однако общепринятая классификация трещин отсутствует. Наиболее часто разделяют трещины по ширине, при этом в разных странах критерии отнесения трещин к тому или иному классу различаются. Обобщая различные источники, можно предложить следующую классификацию трещин по ширине: узкие - до 5 мм; средние - 5…10 мм; широкие - 10…30 мм и очень широкие - более 30 мм.

В начальной стадии образования трещины практически не оказывают влияния на условия движения автомобилей до тех пор, пока трещины не переходят в выбоины.

Наличие трещин на покрытии и в дорожной одежде оказывает очень большое влияние на прочность и срок службы дорожной одежды по следующим причинам:

• трещины нарушают целостность и монолитность дорожной одежды, разделяя ее на отдельные, не связанные между собой блоки. В результате нагрузка от колеса автомобиля передается на значительно ослабленную конструкцию, распределяется на меньшую площадь, создавая в них повышенные напряжения и деформации;

• через трещины вода проникает в основание и земляное полотно и значительно ослабляет их прочность и несущую способность;

• при наезде колёс на кромки трещины отдельные части покрытий обламываются, стенки трещины перемещаются одна относительно другой в вертикальной плоскости. В результате кромки обламываются и разрушаются, стенки раскрашиваются и постепенно трещина превращается в выбоину. Процесс превращения трещин в выбоины неизбежен, если не предпринять своевременных мер по ремонту трещин. Важно и то, что попавшая в раскрытую трещину вода при замерзании увеличивает темп роста трещин по ширине и длине.

Таким образом каждая, своевременно не устраненная трещина, а тем более сетка трещин, рано или поздно превратится в выбоину.

С позиций восприятия водителем состояния поверхности покрытия и его влияния на условия движения автомобиля к выбоинам и ямочности можно отнести

местные посадки, проломы, места с сильным выкрашиванием материала покрытия, а также крупные трещины.

Причины образования ямочности и выбоин. Одной из главных причин является недостаточная прочность дорожной одежды, а наличие широких трещин, и тем более сетки трещин, служит явным признаком этого.

Опыт показывает, что с уменьшением прочности дорожной одежды площадь ямочности в процессе эксплуатации резко увеличивается (рис. 5.8). Как следует из этого графика, среднегодовая площадь ямочности на 8-й год эксплуатации дорожной одежды капитального типа с асфальтобетонным покрытием при коэффициенте запаса прочности 1,5 составляет около 0,1 % от общей площади, а при коэффициенте запаса прочности 1,0 составляет около 2 %, т.е. в 20 раз больше.

В большинстве случаев начальная стадия возникновения выбоин и ямочности совпадает с периодом неблагоприятных погодных условий, особенно, с весенним

периодом частого перехода от положительной к отрицательной температуре воздуха, избыточного увлажнения грунта земляного полотна и слоёв дорожной одежды.

Рис. 5.8. Среднегодовая ямочность в зависимости от коэффициента прочности одежды К₁ с асфальтобетонным покрытием (данные М.Б. Корсунского)

Вода, попадая в трещины, усиливает коррозионные физико-химические процессы в материалах дорожной одежды, а при замерзании оказывает растягивающее действие на стенки трещин и отдельные частицы материалов.

В сочетании с динамическим воздействием от транспортных нагрузок материал покрытия в зоне образования трещины начинает разрушаться и выбиваться, а трещина быстро перерастает в выбоину. Поэтому незаделанная трещина всегда является потенциальным источником появления выбоин.

Другим источником возникновения выбоин являются неровности дорожного покрытия, начиная от неровностей, допущенных при устройстве слоёв дорожной одежды, когда не соблюдаются требования к ровности и однородности в процессе

разравнивания и уплотнения материалов, и, включая неровности в виде трещин, сдвигов и наплывов, которые возникают в процессе эксплуатации асфальтобетонных покрытий из смесей с повышенной пластичностью.

Сразу после проезда колеса автомобиля через выступ неровности в виде трещины или выбоины возникает динамический удар на покрытие на некотором расстоянии за выбоиной (рис. 5.9). Многократное повторение такого удара приводит к расшатыванию структуры материала, появлению и развитию еще более крупных трещин или выбоины, которые затем сливаются в одну большую выбоину. Еще одним источником образования выбоин служат участки покрытия, где происходит шелушение и выкрашивание каменного материала.

В любом случае выбоины и ямы необходимо заделывать на ранней стадии их образования. Опыт показывает, что каждая незаделанная выбоина увеличивается в размерах и способствует появлению новых выбоин. В начале этот процесс идет медленно, а затем приобретает лавинообразный характер. Если стоимость работ по ямочному ремонту, выполненному ранней весной, принять за единицу, то с опозданием ремонта на 2-3 месяца эта стоимость может возрасти в 3-5 раз.

Условия образования колей.Колея - это деформирование поперечного профиля проезжей части с образованием углублений и гребней выпора вдоль полос наката вследствие неравномерного износа и накопления пластических деформаций в покрытии, а также остаточных деформаций в слоях дорожной одежды и земляного полотна, происходящее при многократном воздействии колёс автомобилей.

Прежде всего, колея может образовываться за счёт доуплотнения слоёв дорожной одежды по полосам наката, если они не были достаточно уплотнены при строительстве. Колея по этой причине образуется в первый год эксплуатации. Опыт показывает, что доуплотнение дорожной одежды завершается после прохода 300 тыс. стандартных осей грузового автомобиля.

Доля недостаточного уплотнения слоёв дорожной одежды составит 5…10 % от общего числа причин образования колей.

Рис. 5.9. Пример перехода трещин или раковин в выбоины:

1, 2 - трещины или раковины при выкрашивании; 3 – расклинивающее действие воды и льда и образование трещин в зоне повторного удара; 4 – вторичный удар колеса;

5, 6 – развитие смежных выбоин и их объединение

Износ (истирание) покрытия под действием колёс автомобиля происходит при торможении и при движении в режиме тяги за счёт неизбежного проскальзывания шины в зоне контакта колеса с покрытием. Износ происходит примерно одинаково в течение года, если зимой не применяются шины с шипами. Учитывая это обстоятельство, можно считать, что в странах с короткой зимой доля колей по причине износа покрытия составляет около 5 %.

Однако при высокой интенсивности движения и достаточной прочности дорожной одежды эта причина может быть главной.

Пластические деформации покрытия являются причиной 15…20 % случаев образования колеи на асфальтобетонных покрытиях, которые состоят в накоплении вертикальных остаточных деформаций вследствие повышения пластичности, т.е. снижения структурной вязкости асфальтобетона при высоких температурах, которое в свою очередь происходит из-за снижения вязкости битума или вязкого сопротивления битума сдвигу.

Одновременно с вертикальными накапливаются и горизонтальные остаточные деформации, когда под действием сдвигающих напряжений происходит выдавливание частиц асфальтобетона в стороны. Эти деформации при многократных повторных приложениях нагрузки непрерывно возрастают, в результате чего по бокам колеи появляются гребни или валы.

Накопление пластических деформаций в асфальтобетонном покрытии происходит летом при температуре воздуха выше 30 ^оС, при которой температура покрытия повышается до 40 ^оС и выше. Расчётной принимают температуру асфальтобетона 40…50 ^оС и выше в зависимости от вязкости битума.

Глубина пластической колеи зависит от исходной вязкости битума, состава асфальтобетона, числа приложений нагрузки и её величины, толщины слоя асфальтобетона.

Структурное разрушение и остаточные деформации покрытия и слоёв основания. Под действием многократно прилагаемых нагрузок в слоях дорожной одежды могут сложиться такие условия, когда вертикальные или горизонтальные напряжения превысят местные предельно допустимые значения напряжений и начнется разрушение сплошности или структуры материала слоя с потерей прочности и сдвигоустойчивости. Следствием этого является ускоренное накопление остаточных деформаций и формирование колеи, которая появляется после критического для данной конструкции дорожной одежды числа приложений тяжёлой нагрузки.

Структурные разрушения покрытия происходят примерно одинаково в течение всего года, а в слоях основания они накапливаются больше всего весной, когда прочность дорожной одежды наименьшая. Глубина колеи за счет структурного разрушения зависит от прочности дорожной одежды, трещиностойкости, сдвигоустойчивости, срока службы покрытия, загруженности и т. д.

Из общего количества случаев образования колеи структурные разрушения отмечаются в 25…35 % случаев. Всегда, когда материал какого-то слоя дорожной одежды плохо уплотнен или имеет низкую прочность и сдвигоустойчивость, остаточные деформации в этом слое накапливаются и проявляются на поверхности покрытия в виде колеи.

Неравномерные остаточные деформации в грунтах земляного полотна являются причиной образования колеи в 20…30 % случаев. Накопление остаточных деформаций в земляном полотне наиболее активно происходит в весенний период. На кривой зависимости глубины и формы колеи от сопротивления грунта вдавливанию и сдвигу можно выделить фазу сжатия и уплотнения, фазу местных сдвигов и фазу выдавливания или выпучивания грунта в стороны.

Наибольшее влияние на местное выдавливание и выпучивание грунта оказывает повышенная влажность грунта в местах с необеспеченным отводом поверхностных или грунтовых вод.

Чтобы найти правильное решение по устранению тех или иных деформаций в каждом конкретном случае, необходимо выполнить глубокий анализ причин их образования.

Нет, и не может быть одного решения, пригодного во всех случаях. Это должен быть широкий спектр конструктивных и технологических решений, позволяющих выбрать наиболее эффективное в каждом конкретном случае.