ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НЕЖЕСТКОГО ТИПА (С УЧЕТОМ ТЕОРИИ РИСКА)

Лекция 2

В настоящее время разработан отраслевой дорожный методический документ ОДМ 218.5.001-2009 «Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных слоёв усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог» [2], носящий рекомендательный характер. Среди основной терминологии в данном документе дано определение геосетке, как плоского рулонного материала сетчатой структуры, образованной эластичными рёбрами из высокопрочных пучков нитей, скреплёнными в узлах прошивочной нитью, переплетением, склеиванием, сплавлением или иным способом, с образованием ячеек, размеры которых больше образующих сетку рёбер, обработанный специальными составами для улучшения свойств и повышения их стабильности. При использовании геосетки на вновь сооружаемых дорогах и на новых участках реконструируемых дорог ОДМ 218.5.001-2009 рекомендует расчет дорожных одежд нежесткого типа осуществлять традиционно по ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» [1]. Однако в отдельные пункты и расчётные формулы ОДН 218.046-01 внесены дополнения, касающиеся особенностей расчёта на прочность дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, армированным геоматериалом.

В статье [7] произведен детальный анализ расчета прочности материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе RN., предлагаемый ОДМ 218.5.001-2009. Кроме этого в той же статье [7] предлагается помимо проверки дорожной одежды по основным трем критериям производить расчет риска возникновения трещин в монолитном слое при изгибе. Данное направление является актуальным, так как обеспечивает выполнение законов № 184-ФЗ «О техническом регулировании» и № 257-ФЗ "Об автомобильных дорогах и о дорожной деятельности в Российской Федерации…", требующих эксплуатационные характеристики оценивать с учетом технических регламентов на основе оценки степени риска и оценки степени причинения ущерба.

По предложенной методике [7],был выполнен анализ оценки нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе для дорожных одежд капитального типа с усовершенствованным покрытием. Анализу подлежало требуемое количество конструкций дорожных одежд, определяемое методами математической статистики. В качестве примеров в табл. 1 приведены схемы рассмотренных двух конструкций дорожных одежд с применением геосетки и без нее, а в табл.2 даны расчетные характеристики материалов слоев.

Таблица 1

Схемы конструкций дорожных одежд

Схема конструкции	Наименование материалов, толщина слоёв h, см
	1 конструкция (с геосеткой)
	1. Асфальтобетон горячий плотный тип Б на битуме марки БНД 60/90, h = 5 см. 2. Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, h = 7 см. 3. Геосетка 100/100-25 4. Асфальтобетон горячий высокопористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, h = 8 см. 5. Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40, h = 20 см. 6. Песок средней крупности, h = 37 см.
	1 конструкция (без геосетки)
	1. Асфальтобетон горячий плотный тип Б на битуме марки БНД 60/90, h = 5 см. 2. Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, h = 7 см. 3. Асфальтобетон горячий высокопористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, h = 8 см. 4. Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40, h = 20 см. 5. Песок средней крупности, h = 37 см.
	2 конструкция (с геосеткой)
	1. Асфальтобетон горячий плотный тип Б на битуме марки БНД 60/90, h = 6 см. 2. Геосетка 100/100-25. 3. Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, h = 14 см. 4. Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40, h = 20 см. 5. Песок средней крупности, h = 37 см.
	2 конструкция (без геосетки)
	1. Асфальтобетон горячий плотный тип Б на битуме марки БНД 60/90, h = 6 см. 2. Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90, h = 14 см. 3. Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40, h = 20 см. 4. Песок средней крупности, h = 37 см.

Конструкции были рассчитаны по трем критериям в соответствии с рекомендациями ОДН 218.046-01 и ОДМ 218.5.001-2009: по допускаемому упругому прогибу; по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев; по условию сопротивления монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе.

Установлено, что выбранные конструкции удовлетворяют всем критериям прочности.

Следует отметить, что конструкция дорожной одежды №2 имеет такую же общую толщину слоев (77см), как и дорожная одежда в конструкции №1. Это достигнуто за счет увеличения толщин слоев асфальтобетона в конструкции №2. При этом слой из высокопористого асфальтобетона в конструкции дорожной одежды №2 отсутствует в отличие от конструкции №1. При расчете дорожных одежд по критерию упругого прогиба был установлен общий модуль упругости на поверхности покрытия равный 416 МПа для обеих конструкций. Уровень надежности конструкций дорожных одежд №1 и №2, представленных в табл. 1 и 2 составляет КН = 0,95. Следовательно, допустимая вероятность нарушения монолитных слоев при изгибе (образование трещин) к концу срока службы дорожной одежды должна составить =1-0,95=0,05 (т.е. из каждых 100 м2 покрытия будет подвержено образованию трещин 5 м2 покрытия).

Таблица 2

Расчетные характеристики материалов дорожных одежд

Материал	слоя, см	, МПа, при расчёте по	Общий модуль упругости на поверхности слоя,	Расчёт на растяжение при изгибе
		допустимому упругому прогибу		, МПа	, МПа
1 конструкция (с геосеткой)
Асфальтобетон горячий плотный тип Б на битуме марки БНД 60/90	5	3200	416	4500	9,80	5,9	5,5
Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90	7	2000	340	2800	8,00	7,1	4,3
Геосетка 100/100-25	-	-	-	-	-	-	-
Асфальтобетон горячий высокопористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90	8	2000	260	2100	5,65	7,6	4,0
Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40	20	600	174	600	-	-	-
Песок средней крупности	37	120	85,2	120	-	-	-
Суглинок легкий =0,644	-	52,6	52,6	52,6	-	-	-
1 конструкция (без геосетки)
Асфальтобетон горячий плотный тип Б на битуме марки БНД 60/90	5	3200	416	4500	9,80	5,9	5,5
Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90	7	2000	340	2800	8,00	7,1	4,3
Асфальтобетон горячий высокопористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90	8	2000	260	2100	5,65	7,6	4,0
Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40	20	600	174	600	-	-	-
Песок средней крупности	37	120	85,2	120	-	-	-
Суглинок легкий =0,644	-	52,6	52,6	52,6	-	-	-
2 конструкция (с геосеткой)
Асфальтобетон горячий плотный тип Б на битуме марки БНД 60/90	6	3200	416	4500	9,80	5,9	5,5
Геосетка 100/100-25	-	-	-	-	-	-	-
Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90	14	2000	330	2800	8,00	7,1	4,3
Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40	20	600	174	600	-	-	-
Песок средней крупности	37	120	85,2	120	-	-	-
Суглинок легкий =0,644	-	52,6	52,6	52,6	-	-	-
2 конструкция (без геосетки)
Асфальтобетон горячий плотный тип Б на битуме марки БНД 60/90	6	3200	416	4500	9,80	5,9	5,5
Асфальтобетон горячий пористый крупнозернистый на битуме марки БНД 60/90	14	2000	330	2800	8,00	7,1	4,3
Оптимальная ЩГПС, обработанная цементом, марки 40	20	600	174	600	-	-	-
Песок средней крупности	37	120	85,2	120	-	-	-
Суглинок легкий =0,644	-	52,6	52,6	52,6	-	-	-

В данной статье приводятся обозначения следующих параметров расчета, определения которых отражены в статье [7]:

EH - общий модуль упругости на поверхности основания, МПа;

-средний модуль упругости слоев асфальтобетона, МПа;

- суммарная толщина слоев асфальтобетона, см;

- наибольшее растягивающее напряжение в рассматриваемом слое МПа;

- среднее квадратическое отклонение наибольшего растягивающего напряжения в рассматриваемом слое, МПа;

- предельное растягивающее напряжение материала слоя с учетом усталостных явлений, МПа;

- среднее квадратическое отклонение допустимого растягивающего напряжения материала, МПа;

- критическое растягивающее напряжение в монолитном слое, при котором вероятность появления трещин равна 50%, МПа;

- среднее квадратическое отклонение критического растягивающегося напряжения, МПа;

- вероятность возникновения трещин в монолитном слое при изгибе на момент пуска автомобильной дороги в эксплуатацию.

Конструкции дорожных одежд из табл. 1 были рассчитаны при различных значениях коэффициентов вариации входящих параметров (см. табл. 3 и рис. 1), а именно коэффициента вариации общего модуля упругости на поверхности основания (), коэффициента вариации среднего модуля упругости слоев асфальтобетона (), коэффициента вариации суммарной толщины асфальтобетонных слоев (). При этом, учитывая исследования проф. Семенова В.А. [6], необходимо иметь ввиду, что ===0,1 соответствует отличному качеству строительства, === 0,2 - хорошему, === 0,3 - удовлетворительному.

Таблица 3

Результаты расчета

		h
1 конструкция
2945	174	20	0,765	0,1	0,1	0,1
				0,2	0,2	0,2
				0,3	0,3	0,3
2 конструкция
3310	174	20	0,791	0,1	0,1	0,1
				0,2	0,2	0,2
				0,3	0,3	0,3
Примечание. В числителе приведены данные для дорожной одежды с применением геосетки, в знаменателе – для дорожной одежды без использования геосетки.

Кроме этого на примере конструкции дорожной одежды №1 был произведен анализ степени влияния каждого в отдельности коэффициента вариации , , на вероятность нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе. Результаты сведены в табл. 4 и представлены на рис. 2.

Таблица 4

Результаты расчета

		h
1 конструкция
2945	174	20	0,765	0,05	0,05	0,3
				0,05	0,3	0,05
				0,3	0,05	0,05
Примечание. В числителе приведены данные для дорожной одежды с применением геосетки, в знаменателе – для дорожной одежды без использования геосетки.

В результате определения вероятности нарушения монолитного слоя при изгибе в рассмотренных выше конструкциях дорожных одежд нежесткого типа, по предложенной методике [7], можно установить относительное уменьшение риска при использовании геосинтетических материалов (геосетки) в дорожных конструкциях нежесткого типа (табл.5).

Таблица 5

Сравнительная оценка относительного риска

		Относительное уменьшение риска, %
1 конструкция
		93%
		62%
		30%
2 конструкция
		88%
		52%
		33%
Примечание. В числителе приведены данные для дорожной одежды с применением геосетки, в знаменателе – для дорожной одежды без использования геосетки.

Анализ полученных данных в табл. 3, 4 и рис. 1, 2 позволяет сделать следующие выводы:

- значительное увеличение вероятностей нарушения сплошности монолитных слоев (r) при изгибе в конструкции дорожной одежды №1 обуславливается содержанием в ней высокопористого асфальтобетона на битуме БНД-60/90. Как известно, высокопористый асфальтобетон характеризуется значительной остаточной пористостью от 10% до 18%, что в свою очередь оказывает влияние на снижение водостойкости и меньшую плотность высокопористого асфальтобетона в отличие от пористого асфальтобетона. Кроме этого нормативное сопротивление для высокопористого асфальтобетона соответствует 5,65 МПа, что ниже величины 8,00 МПа, характерной для пористого асфальтобетона. А это отражается на величине предельного сопротивления. Таким образом, замена слоев из менее качественного асфальтобетона на более прочный асфальтобетон (при условии сохранения общей толщины всех слоев асфальтобетона и общей толщины дорожной одежды) приводит к снижению вероятности нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе в первые годы эксплуатации автомобильной дороги;

- с увеличением коэффициента вариации общего модуля упругости на поверхности основания (), коэффициента вариации среднего модуля упругости слоев асфальтобетона (), коэффициента вариации суммарной толщины асфальтобетонных слоев () наблюдается значительный рост вероятности нарушения монолитных слоев при изгибе. В случае использования геосетки в конструкции дорожной одежды №1 (при использовании высокопористого асфальтобетона) риск нарушения монолитных слоев при изгибе превышает величину допустимого риска, равного = 0,05, при == = 0,21, а в конструкции дорожной одежды №2 (без применения высокопористого асфальтобетона) риск нарушения монолитных слоев при изгибе превышает величину допустимого риска, равного = 0,05, при == = 0,25 (см. рис.1). Без применения геосетки в конструкции дорожной одежды №1 (при использовании высокопористого асфальтобетона) риск нарушения монолитных слоев при изгибе превышает величину допустимого риска, равного = 0,05, уже при == = 0,14, а в конструкции дорожной одежды №2 (без применения высокопористого асфальтобетона) риск нарушения монолитных слоев при изгибе превышает величину допустимого риска, равного = 0,05, при == = 0,22 (см. рис.1).

- увеличение вероятности нарушения монолитных слоев при изгибе в большей степени вызвано ростом коэффициента вариации суммарной толщины асфальтобетонных слоев () нежели коэффициента вариации общего модуля упругости на поверхности основания () и коэффициента вариации среднего модуля упругости слоев асфальтобетона () (см. рис. 2). В этом случае использование в конструкции дорожной одежды геосетки сопровождается снижением риска нарушения монолитных слоев при изгибе до допустимых значений;

- использование в конструкции дорожной одежды высокопористого асфальтобетона приводит к увеличению риска нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе примерно на 60% на момент пуска автомобильной дороги в эксплуатацию;

- применение в конструкциях дорожных одежд нежесткого типа геоматериалов (геосетки) приводит к снижению вероятности нарушения сплошности монолитного слоя при изгибе на 30%93% .

Выполненный анализ рассмотренных конструкций дорожных одежд хорошо иллюстрируют результаты выполненных исследований. Установлено, что от качества выполненных работ (т.е. от значений коэффициентов вариации геометрических и прочностных показателей) в значительной степени зависит вероятность нарушения монолитных слоев при изгибе. Кроме этого математически подтверждено, что использование в дорожной одежде геосетки для армирования асфальтобетонных слоев приводит к снижению величины вероятности нарушения монолитных слоев при изгибе при одной и той же величине коэффициентов вариации , , .

Таким образом, использование данной модели позволяет устанавливать и предлагать критерии в соответствии с принципами технического регулирования.

ЛИТЕРАТУРА

Проектирование нежестких дорожных одежд (ОДН 218.046-01)/ Гос. служба дор. хоз. Министерства транспорта РФ. – М.: Транспорт, 2001.- 145с.
Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных слоёв усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог (ОДМ 218.5.001-2009)/ Федеральное дорожное агентство (Росавтодор).-М.:2010.-85с.
Столяров В.В. Проектирование автомобильных дорог с учетом теории риска. Части 1,2.- Саратов: СГТУ, 1994. – 184 с., – 232 с.
Кокодеева, Н. Е. Влияние влажности подстилающего слоя грунта на вероятности нарушения сплошности монолитного слоя при изгибе / Н. Е. Кокодеева // Актуальные проблемы эксплуатации транспорта : межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 2000. - С. 139-144. - ISBN 5-7433-0533-1.
Кокодеева, Н. Е. Оценка качества существующих дорожных одежд нежесткого типа с учетом вариации влажности (с позиции теории риска) / Н. Е. Кокодеева // Дорожная держава, №19 -2009. – С. 72-75.
Семенов В.А. Качество и однородность автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1989.–125с.
Кокодеева, Н. Е. Учет принципов технического регулирования при проектировании дорожных одежд нежесткого типа с применением геоматериалов (на основе теории риска) / Н.Е. Кокодеева // Строительные материалы...

Рис.1 Влияние коэффициентов вариации , ,

на вероятность нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе

- дорожная одежда с применением геосетки;

- дорожная одежда без применения геосетки.

Конструкция №1

rдоп = 0,05

Конструкция №2

онструкция №1

0,3

0,2

0,1

Коэффициент вариации

Риск нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе

-7 - 6 - 5 - 4 - 3 - 2 - 1 0 ln r

9,1·10-4 2,5·10-3 6,7·10-3 1,8·10-2 4,9·10-2 0,135 0,368 1

Рис.2 Влияние коэффициентов вариации растягивающих напряжений

на вероятность нарушения сплошности монолитных слоев при изгибе

точка 1 соответствует == 0,05 и = 0,30;

точка 2 - == 0,05 и = 0,30;

точка 3 - = = 0,05 и = 0,30.