Несущая способность дорожных оснований и комплекс мер, направленный на ее повышение

Если взять все проблемы дорожной отрасли и разложить их по полочкам, а вернее — распределить их между отдельными слоями дорожной конструкции, то самым проблемным участком окажется дорожное основание. Мы не всегда грамотно строим этот слой наших дорог, а зачастую выполняем его просто безобразно. Специалистами ФГУП СОЮЗДОРНИИ, в частности Альбертом Оттовичем САМЕМ, на протяжении многих лет проводились исследования в этой области, в результате чего был выработан комплекс мер, направленный на повышение несущей способности дорожных оснований, который мы и предлагаем для обсуждения.

Щебеночное основание — наиболее распространенный тип дорожного основания, которому в настоящее время (ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд. Госслужба дорожного хозяйства». Минтранс РФ. Москва. 2001 г.) придан статус несущего слоя дорожной одежды. Однако практикуемое нормирование требований к исходным материалам, технологии строительства и контроль качества осуществляются без должного учета и понимания механики работы дорожной одежды в процессе эксплуатации дороги. Поэтому есть некоторые возможности и определенные пути повышения качества щебеночных оснований, исходя из современных критериев прочности и показателей физико-механических свойств конструктивных слоев.

Комплекс мер направленный на повышение несущей способности дорожных оснований:
- использование легкоуплотняемого гранитного щебня по СНиП 3.06.03-85;
- переход на двухфракционный щебень фр. 20–70 мм по ГОСТ 8267-93 и щебеночно-песчаные смеси ГОСТ 25607-94;
- реализация уплотняемости щебня путем интенсификации уплотнения;
- использование щебня клиновидно-тетраэдральных форм;
- устройство защитного слоя на слабом песчаном основании;
- контроль качества.

 1. Использование легкоуплотняемого гранитного щебня по СНиП 3.06.03-85.
На протяжении многих лет при нормировании требований к щебню для дорожных оснований руководствовались ошибочными представлениями о влиянии прочности породы: чем прочнее камень, тем выше качество основания. На самом деле прочность камня влияет на модуль упругости значительно меньше, чем плотность укладки щебня, которая у менее прочного легкоуплотняемого гранитного щебня (М800) оказывается выше. К сожалению, эти ошибочные представления укоренились в сознании дорожников, а в учебно-справочной литературе нет соответствующих разъяснений.

По новой концепции, щебеночные материалы были разделены на две разновидности: легкоуплотняемые М800 и трудноуплотняемые М1000 и выше (СНиП 3.06.03–85). При этом легкоуплотняемые материалы из менее прочного камня позволяют достичь меньшей остаточной пористости и более высоких расчетно-нормативных показателей модуля упругости (ВСН 46-83, МОДН 2-2001) и, следовательно, являются наиболее предпочтительными. Жесткость уплотненного слоя щебня зависит от жесткости контактов его отдельных зерен, поэтому общая упругая деформация от воздействия внешних нагрузок складывается из элементарных упругих сближений пары соприкасающихся зерен. У легкоуплотняемого гранитного щебня площадки контактов зерен, образующиеся при уплотнении, больше, и, следовательно, упругие сближения пары зерен меньше, чем у трудноуплотняемого щебня. Этим объясняются более высокие модули упругости оснований из легкоуплотняемого гранитного щебня.

Легкоуплотняемый щебень целесообразно использовать, если речь идет о щебнях изверженных пород, а не об известковых материалах, которые во влажной среде использовать нельзя!

2. Переход на двухфракционный щебень фр. 20–70 мм по ГОСТ 8267-93 и щебеночно-песчаные смеси ГОСТ 25607-94. Недостаток устройства щебеночных слоев из однофракционного щебня по способу заклинки «неравномерная плотность по глубине» все в большей степени входит в несоответствие с прогрессом развития конструктивных и технологических решений в связи с ростом автомобильных нагрузок и необходимостью утолщения конструктивных слоев, а также расширенным внедрением высокоэффективной виброуплотняющей техники.
Для устройства щебеночных оснований методом заклинки в соответствии со СНиП 3.06.03-85 «Автомобильные дороги» традиционно и зачастую необоснованно для строительства щебеночных шоссе и оснований назначают однофракционный щебень с размером зерен 40–70 мм марки 1000 и выше. При этом рыхлость щебня затрудняет его уплотнение, особенно на первом этапе устройства основания, а отсутствие мелких фракций (зерен) в нижней части слоя обуславливает ее недоуплотненность в связи с повышенной остаточной пористостью устраиваемого основания. Нормативные показатели плотности и жесткости щебеночных слоев могут быть обеспечены лишь при достижении оптимального зернового состава в результате измельчения зерен в процессе укатки. Достичь этого из одной фракции крупного трудноуплотняемого щебня затруднительно.

Эти недостатки в определенной мере устраняются при замене однофракционного трудноуплотняемого щебня (40–70 мм) двухфракционным легкоуплотняемым гранитным (20–70 мм) и практически исключаются при устройстве оснований из щебеночно-песчаных смесей.

3. Реализация уплотняемости щебня путем интенсификации уплотнения.
Для натурных исследований защемления были использованы гранитные каменные материалы ЗАО «Выборгское карьероуправление». Марка щебня по дробимости — 800, содержание зерен лещадной и игловатой форм — от 8 до 20%, содержание клинца — от 16 до 20%. Основание устраивали из щебеночно-песчаной смеси с размерами зерен от 0 до 80 мм (смесь С-9 по ГОСТ 25607-94). Остаточную пористость слоя и возникающий в нем распор измеряли в укатываемом слое. Результаты определения показателей после 4, 8, 16 и 32 проходов катка DYNOPAC массой 9 т, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Полученные данные свидетельствуют о достижении требуемого бокового распора и дополнительно обосновывают ранее разработанные нормативы остаточной пористости. Частный, не менее важный вывод для Северо-Западного региона нашей страны — это высокая эффективность использования для дорожных оснований щебня изверженных пород марки 800.

4. Использование щебня клиновидно-тетраэдральных форм.
Дальнейшее развитие технических требований к форме зерен дорожного щебня должно увязываться с оценкой его расклинивающей способности. Практикуемая оценка формы зерна по признаку приблизительного равенства его размеров по всем направлениям, его «кубовидность», далека от совершенства: этому признаку соответствуют все приведенные в табл. 2 геометрические формы, а зерна кубовидной формы расклинивающей способностью не обладают. Особое значение приобретает оценка расклинивающей способности зерен при целенаправленном развитии дробильной техники для получения дорожного щебня клиновидно-тетраэдральной формы.

Таблица 2

Несущее щебеночное основание должно обеспечивать прочность дорожной одежды и для этого обладать способностью перераспределять вертикальную автомобильную нагрузку на слои, размещенные ниже по большой площади. Слой может работать на изгиб только при создании в нем в процессе уплотнения защемления; для этого в щебне должно быть достаточно клинца. Для изготовления щебня с повышенным содержанием клинца предпочтительнее порода с крупнозернистой структурой, так как при дроблении отдельных зерен образуются угловатые щебенки.
Особое значение приобретает оценка расклинивающей способности зерен при целенаправленном развитии дробильной техники для получения дорожного щебня клиновидно-тетраэдральной формы и его использовании в дорожном строительстве.

5. Устройство защитных слоев (п. 2.6 МОДН 2-2001).
Важнейшее условие для надлежащего уплотнения щебеночного слоя — это наличие песка низлежащего слоя. Песок низлежащего слоя должен иметь степень неоднородности по ГОСТ 25100 более 3. Функции песка проявляются во взаимосвязи со следующими факторами:
- повышенная жесткость песка обеспечивает в укатываемом слое напряженное состояние, требуемое для уплотнения и заклинки;
- повышенная сдвигоустойчивость предотвращает образование колеи;
- взаимопроникновение щебня и песка на границе раздела слоев повышает плотность материалов и улучшает условия их уплотнения. Этому способствует использование тяжелой виброуплотняющей техники.

Если в дополнительном слое основания применяют однородный песок со степенью неоднородности менее 3, то поверх него предусматривают укладку защитного (технологического) слоя из щебеночных (гравийных) песчаных смесей, отсевов дробления изверженных пород гравелистых или крупных песков оптимального состава.

6. Контроль качества.
Качество уложенного основания должно контролироваться по показателям жесткости и плотности.
Модуль упругости основания, устанавливаемый при испытании колесом автомобиля, должен быть не менее проектного.
Остаточная пористость, проверяемая методом лунки, и должна быть не менее расчетно-нормативных значений.
Эффективность комплекса достигается:
- повышением прочности и долговечности дорожной одежды, что значительно превышает дополнительные затраты на укатку;
- удлинением срока службы дорожной одежды и увеличением ее потребительской стоимости;
- если при комплексном использовании вышеприведенных рекомендаций достигается значительное превышение расчетно-нормативного модуля упругости, то допустимо уменьшение толщины вышеукладываемых асфальтобетонных слоев в соответствии с расчетом прочности по ОДН 218.046-01;
 Как частный случай для подрядчиков — использованием крупного щебня и смесей с уменьшенным технологическим воздействием, что ведет к экономии средств при закупке этих материалов.

Выводы:
Комплекс мер, направленный на повышение несущей способности дорожного основания, полностью находится в нормативном поле действующих ГОСТов, СНИПов, ОДН.
Нормативные показатели плотности и жесткости щебеночных слоев могут быть обеспечены лишь при достижении оптимального зернового состава в результате измельчения зерен в процессе укатки, достичь этого из одной фракции крупного щебня затруднительно.
Эти недостатки в определенной мере устраняются при замене трудноуплотняемого (М1000–1200) однофракционного щебня (40–70 мм) легкоуплотняемым гранитным двухфракционным (20–70 мм) и практически исключаются при устройстве оснований из щебеночно-песчаных смесей.

Основание, выполненное по предлагаемой технологии и из щебеночно-песчаных смесей, в соответствии с ГОСТ 25607-94, имеет ряд преимуществ перед щебеночным основанием, выполненным из фракционного природного щебня. К наиболее значимому можно отнести снижение остаточной пористости щебеночного слоя, сдвигоустойчивость, однородность, удобоукладываемость, а также заклинку крупных фракций более мелкими по всей толщине слоя.

Достижение на опытных участках модуля упругости щебеночного основания 450 МПа является лишь подтверждением расчетно-нормативного значения модуля упругости в соответствии сОДН 218.046-01.