Деформации и разрушения дорожных одежд и покрытий

Деформации и разрушения могут быть только покрытий и всей до­рожной одежды в целом. К первым относит износ, шелушение, выкрашивание, выбоины, сдвиги, волны, гребенки и трещины покрытия (рис. 5.5), ко вторым – пучины (см. гл. 4), просадки, проломы, колеру и разрушения кромок дорож­ных одежд

.

Рис. 5.5. Деформации и разрушения дорожных покрытий:

а - шелушение; б - выкрашивание; в - выбоины; г - сдвиг; д - волны; е - гребенка

Шелушение - отделение чешуек и частиц материала и разрушение по­верхности покрытия под действием колес автомобилей, воды и отрица­тельной температуры воздуха с об­разованием микронеровностей глу­биной до 5 мм.

Выкрашивание - отделение зерен минерального материала из покры­тия и образование мелких раковин глубиной от нескольких миллимет­ров до 20 мм. Постепенно разви­ваясь, выкрашивание распространя­ется на значительную площадь и является признаком начала поверх­ностного разрушения покрытия.

Выбоины - местные разрушения покрытия глубиной от 20 до 100 мм и более с резко очерченными края­ми. Они возникают прежде всего из-за недостаточной связи между минеральными и органическими ма­териалами, недоуплотнения покры­тия, загрязнения, использования не­доброкачественных материалов (пережог асфальтобетонной смеси, попадание необработанного щебня или песка в смесь и т.д.).

Особенно активно процесс обра­зования выбоин развивается в весен­ний период, чему способствует чере­дование положительных и отрица­тельных температур воздуха и по­крытия, наличие воды в порах по­крытия. Проникая в раковины и микротрещины покрытия, вода ока­зывает расклинивающее действие, которое значительно увеличивается при ее замерзании. Связи между час­тицами материала ослабляются, и под влиянием колес автомобиля об­разуется выбоина, которая может быстро увеличиться.

Наезжая на выбоину, колесо полу­чает толчок, что приводит к повтор­ному динамическому удару на неко­тором расстоянии за выбоиной (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Динамика развития выбоин на пок­рытии:

I, 2 – трещины или раковины при выкрашивании; 3 – расклинивающее действие воды и льда и образо­вание трещины в зоне повторного удара; 4 - вторич­ный удар колеса; 5, 6 – развитие смежных выбоин и их объединение

При многократном повто­рении этой нагрузки образуется сле­дующая раковина или трещина, ко­торые затем сливаются в одну боль­шую выбоину [11].

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

Волны и гребенки – неровности в виде поперечных гребней и впадин с пологими краями. Закономерно че­редуясь вдоль покрытия, они фор­мируются, как и сдвиги, в местах торможения автомобилей практи­чески на всех типах покрытий, кроме цементобетонных. Основная причи­на волнообразования - излишняя пластичность материала, избыток вяжущего или низкая теплоустойчи­вость смеси, недостатки уплотнения, а также систематическое воздейст­вие на покрытие автомобилей оди­наковой массы при одинаковой ско­рости. На покрытиях переходного типа, преимущественно гравийных, поперечные волны образуют гребен­ку - правильные четко выраженные поперечные выступы, чередующиеся с углублениями.

Трещины на покрытиях бывают различных размеров и формы (рис. 5.7). На асфальтобетонных и других покрытиях, построенных с применением органического вяжу­щего, трещины могут быть одиноч­ные поперечные, продольные, косые и в виде сетки.

рис. 5.7. 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 по полосам наката; 7 - сетка трещин на пучинистых участках; 8 - обломы кромок

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

Продольные трещины, располо­женные через 20-40 см друг от дру­га на полосах наката, в сочетании с поперечными трещинами через 1-4 м на всю ширину проезжей части бывают на покрытиях, содержащих органическое вяжущее, построенных на непрочных основаниях из грунтов или каменных материалов, укреп­ленных минеральным вяжущим (це­мент, известь, золы уноса).

Продольные трещины на ас­фальтобетонных покрытиях часто появляются на стыке двух полос ук­ладки покрытия при плохом сопря­жении. Продольные трещины на по­лосах наката образуются под интен­сивным движением автомобилей из-за недостаточной прочности от­дельных слоев одежды и грунтового основания (недоуплотнение, переув­лажнение), превышения нагрузок и интенсивности движения по сравне­нию с расчетными. Трещины про­дольно-косые возникают вследствие недостаточной прочности дорожной одежды, недоуплотнения грунтов полотна и их последующей осадки, особенно на высоких насыпях, а также над трубами.

Сетка трещин с мелкими ячейка­ми на полосах наката размером сторон 10-20 см бывает на покрытии, как правило, при недостаточной прочности основания на участках оттаивания переувлажненного грун­та в весенний период и период пучинообразования. Главная причина большинства трещин – усталость до­рожных одежд, их недостаточная прочность.

Трещины на цементобетонных покрытиях бывают поперечные сквозные, продольные и косые сквозные, поверхностные и волос­ные усадочные. 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. Продольные сквозные трещины возника­ют при неоднородно уплотненном земляном полотне, когда края, уп­лотненные меньше, начинают да­вать осадку. Косые сквозные трещи­ны появляются над пустотами, осад­ками земляного полотна и при не­достаточно прочном покрытии. На­личие сквозных трещин в цементобе­тонных покрытиях обычно служит признаком недостаточной прочнос­ти и начала разрушения. Поверх­ностные, неглубокие трещины воз­никают из-за неравномерного рас­пределения температуры по толщи­не плиты, вызывающего ее коробле­ние.

Разрушение стыков - обламывание кромок и выбивание заполняющей мастики. Основными причинами яв­ляются удары колес автомобилей, недоброкачественная цементобетонная смесь, неудовлетворительная на­резка и отделка швов.

Просадки - впадины глубиной 50-100 мм и более с пологой поверх­ностью, но без выпучивания и обра­зования трещин на прилегающих участках. Они возникают в местах пониженной прочности слоев одеж­ды и грунта при увлажнении. Про­садки могут быть в первые годы эксплуатации дороги при неблаго­приятных грунтово-гидрогеологических условиях, вследствие недостаточного уплотнения грунтов земляного полотна и слоев одежды, а также при проявлении тяжелых 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 проломов высотой 50-100 мм. Мок­рые проломы образуются вследст­вие переувлажнения и пластического течения материала слоев основания и грунта, сухие – вследствие прорезания всех слоев одежды под дейст­вием вертикальной силы при недос­таточной толщине конструкции и слабом уплотнении слоев и грунтов земляного полотна.

Колеи – деформации и разрушения дорожной одежды в виде небольших углублений по полосам наката. При интенсивном тяжелом движении ко­леи могут превратиться в проломы; Колеи образуются при накоплении пластических деформаций в слоях дорожной одежды, а также усилен­ном износе верхнего слоя покрытия. В реальных условиях оба процесса колееобразования суммируются.

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 укрепленных полос со стороны обочин. Наличие деформаций и разрушений чаще все­го свидетельствует о недостаточной прочности дорожной конструкции, о превышении фактической интенсив­ности движения над расчетной.

Износ покрытий и его причины.На износ покрытий наибольшее влия­ние оказывает движущиеся автомо­били. Под нагрузкой шина деформи­руется, в зоне контакта с покрытием сжимается, а вне контакта расши­ряется (рис. 5.8).

рис. 5.8. Схема истирания покрытия шиной: А - зона сжатия; Б - зона растяжения

Путь точки на ши­не в плоскости контакта l₁ меньше, чем вне его l, точка перемещается с ускорением, большим по сравнению с движением до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость α в секторах практически одинаковая. Поэтому точка прохо­дит по покрытию путь определенной длины с проскальзыванием вместо одного качения. Под воздействием этих усиленных касательных напря­жений в плоскости следа истираются покрытие и шины. Наибольшие ка­сательные усилия и наибольший из­нос возникают при торможении автомобиля. Износ от грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше в сравнении с легковыми. Чем больше прочность, тем меньше и равномернее износ покрытия по ширине.

На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины.

Средний износ по всей площади покрытия (мм)

h_ср = Kh_н, (5.2)

где К - коэффициент неравномерности износа (в среднем К = 0,6 ÷ 0,7); h_н – из­нос в полосе наката, мм.

Износ усовершенствованных покрытий измеряют в миллиметрах, а покрытий переходного типа также и по объему потери материала.

Особенности износа шероховатых покрытий.Их износ проявляется в уменьшении высоты и шлифовании неровностей макрошероховатости.

Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колес авто­мобилей происходит в два этапа. На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость пок­рытия уменьшается за счет погруже­ния щебня в нижележащий слой покрытия. Размер этого погружения за­висит от интенсивности и состава движения, крупности щебня и твер­дости покрытия, которую оценива­ют глубиной погружения иглы твер­домера; асфальтобетонные покры­тия могут быть очень твердые – 0-2 мм, твердые – 2-5 мм, нормальные – 5-8 мм, мягкие – 8-12 мм, очень мягкие – 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсо­лютной твердостью.

По данным канд. техн. наук М. В. Немчинова общее уменьшение макрощероховатости может быть описано уравнением [12]

R_ср = ae ^–bм+ c, (5.3)

где м – число прошедших автомоби­лей; а, b, с – коэффициенты, зависящие соответственно от размера щебня, твер­дости покрытия и состава транспорт­ного потока.

Определение износа покрытий рас­четом.Среднее значение уменьше­ния толщины покрытий в год вследствие износа можно определить по формуле проф. М. Б. Корсунского [18]

h = a + bB(5.4)

h = a + bN/1000, (5.5)

где 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-грузонапряженность дви­жения, млн. т брутто в год; N -интен­сивность движения, авт./сут (N ≈ 0,001 В).

Износ покрытия за Т лет с учетом изменения состава и интенсивности потока в перспективе по геометри­ческой прогрессии

(5.6)

где N₁ -интенсивность движения в ис­ходном году, авт./сут; К = 1,05 ÷ 1,07 - коэффициент, учитывающий измене­ния состава потока; q₁ – показатель еже­годного роста интенсивности движения

В последние годы для повышения устойчивости движения автомоби­лей стали применять шины с шипа­ми и цепями. Асфальтобетонные покрытия при эксплуатации с цепя­ми и шипами изнашиваются в 2-3 раза быстрее. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобе­тона на автомобильных магистра­лях ФРГ, где используют шины с шипами, через одну - две зимы обра­зуются колеи по полосам наката глубиной до 10 мм. Поэтому в усло­виях СССР использование шин с шипами и цепями противоскольже­ния на дорогах общего пользования должно быть строго ограничено.

В качестве критерия предельного состояния покрытия по износу мож­но принять размер допустимого из­носа Я_и для покрытий: асфальтобетонных —10-20 мм; щебеночных (гравийных), обработанных органи­ческим вяжущим,-30-40 мм; щебе­ночных из прочного щебня - 40-50 мм; гравийных - 50-60 мм.

Измерение износа.Ежегодный из­нос цементо-, асфальтобетонных и других монолитных покрытий изме­ряют при помощи реперов, заклады­ваемых в толщу покрытия, и износомера [18]. При этом способе измере­ния износа в покрытие предвари­тельно закладывают реперы-ста­канчики из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчет. 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 можно использовать различного ро­да электрические приборы для изме­рения толщины слоев в слоистых полупространствах. Например, в ФРГ используют электромагнитный прибор стратотест, основанный на отражении электромагнитных волн. Подобный прибор разработан также в Ленинградском филиале Союздорнии.