Приоритетные направления исследований в области проектирования нежестких дорожных одежд
Е. Н. СИМЧУК, к. э. н., генеральный директор АНО «НИИ ТСК»; М. Ю. ГОРСКИЙ, руководитель отдела проектного и технического развития АНО «НИИ ТСК»
ОСНОВНОЙ ЦЕЛЬЮ ОДНИХ ИЗ САМЫХ МАСШТАБНЫХ ЗА ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ДОРОЖНОМ ХОЗЯЙСТВЕ, КОТОРЫЕ ПРОВОДИТ АНО «НИИ ТСК», ЯВЛЯЕТСЯ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ. С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРЕДОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДИК РАСЧЕТОВ СПЕЦИАЛИСТЫ ВЫЯСНЯЮТ, КАКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИСХОДЯТ В ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ НАГРУЗОК И В РАЗНЫЕ ПЕРИОДЫ ГОДА.
Выполнение исследований дорожных конструкций требует серьезного планирования, а также значительных временных и материальных затрат с учетом необходимости начала подготовительных работ еще до устройства автомобильной дороги, постоянного нахождения на объекте в период строительства и систематического многолетнего мониторинга в процессе эксплуатации. В связи с этим масштабные исследовательские работы по заказу Росавтодора были начаты еще в 2022 году.
СТАНЦИИ МОНИТОРИНГА
В течение 2024 года на всех трех запланированных станциях мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) и водно-теплового режима — во II, III и IV дорожно-климатических зонах (ДКЗ) — работы по устройству были завершены, и станции полностью введены в эксплуатацию. Необходимо отметить, что станция в III ДКЗ работает с 2022 года, благодаря чему собрано самое большое количество информации. В мае 2024 года было завершено устройство верхнего слоя покрытия и запущена в эксплуатацию станция мониторинга в IV ДКЗ. В октябре заработала станция мониторинга во II ДКЗ.
Для всех станций мониторинга были заложены один принцип сбора данных и номенклатура измерительного оборудования (рис. 1). В рабочий слой земляного полотна закладываются датчики влажности и температуры. Далее на поверхности рабочего слоя и песчано-подстилающего слоя (ППС) монтируются датчики вертикальных напряжений, которые регистрируют напряжения от движущегося и стоящего автомобильного транспорта или измерительных установок.
Для мониторинга деформаций растяжения монолитных слоев на их нижней границе устраивались соответствующие датчики деформаций. После устройства всех слоев дорожной одежды монтировались температурные датчики (термокосы) во все конструктивные слои из асфальтобетона и материалов, содержащих вяжущее, для определения в реальном времени распределения температуры по глубине. Также с их помощью выполняется мониторинг температуры окружающего воздуха.
Измерения напряженно-деформированного состояния конструкции выполняются с помощью штамповых установок статического и динамического нагружения. Верификация штамповых испытаний проводилась совместно с проездом грузового автомобиля с известной нагрузкой и скоростью движения, а также параметрами нагружения — давлением и температурой воздуха в колесах. Полученные данные при динамическом нагружении оказались довольно близкими, что может свидетельствовать о том, что установка динамического нагружения имитирует нагрузку от проезда грузового транспорта при определенной скорости движения. При статическом нагружении было выявлено некоторое расхождение, которое может быть обусловлено применением при штамповых испытаниях жесткой металлической нагрузочной плиты. В перспективе возможно повторное проведение сопоставительных испытаний с применением резиновой подкладки с целью уменьшения влияния жесткости штампа и искажения результатов по сравнению с реальными шинами грузового автомобиля. Работы в данном направлении будут продолжены, но в целом уже получены определенные предкорреляционные коэффициенты, которые позволяют сопоставлять нагрузки от грузового транспорта со штамповыми установками.
Далее представлена краткая информация по существующим станциям мониторинга.
Наиболее длительно действующая станция устроена на дороге М-5 «Урал» в Рязанской области. Заказчик — ФКУ «Поволжуправтодор», подрядная организация — ООО «Стройкапиталгрупп». Станция установлена в рамках проведения капитального ремонта дороги II категории с увеличением количества полос с двух до четырех. Общая толщина конструкции составляет 89 см, включая три слоя асфальтобетона толщиной 22 см, щебень шлаковый неактивный толщиной 32 см и песок мелкий толщиной 35 см. Конструкция устроена на рабочем слое из тяжелого суглинка (рис. 2).
На станции мониторинга в Ростовской области на трассе А-135 общая толщина конструкции составляет 101 см. Категория дороги — IБ, 4 полосы движения. Заказчиком является ФКУ Упрдор «Москва — Волгоград», подрядчик — АО «РостовАвтоДорстрой». В конструкции присутствует монолитный слой основания из холодной органно-минеральной смеси толщиной 22 см. Как оказалось, он оказывает достаточно значительное влияние на несущую способность и напряженно-деформированное состояние дорожной одежды.
Последняя станция, которая была достроена в октябре 2024 года, находится на трассе М-9 в Тверской области во II ДКЗ. Заказчик — ФКУ Упрдор «Россия», подрядчик — ООО «Технострой».
На всех станциях организованы сезонный мониторинг НДС и непрерывный мониторинг водно-теплового режима. Испытания НДС выполняются в весенний, летний и осенний периоды года.
На настоящий момент проведенная работа позволяет сделать несколько выводов, которые и приведены ниже.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ
1. Статическое нагружение оказывает гораздо большее воздействие на НДС, чем динамическое. То есть, когда автомобиль проезжает быстро, в конструкции возникают гораздо меньшие напряжения и деформации, чем когда он стоит или движется медленно (с учетом обеспечения ровности покрытия). Это может быть обусловлено, в первую очередь, вязкоупругими свойствами асфальтобетона. Необходимо отметить, что на сегодняшний момент принцип учета скорости движения реализован при выборе битумных вяжущих материалов в соответствии с ГОСТ Р 71009. Вяжущее назначается с учетом грузонапряженности, глубины залегания слоя, в котором оно используется, и условий движения на дороге. Целесообразно и при проектировании дорожных одежд учитывать характер движения. Например, на подъездах к крупным городам, где нет высоких скоростей и часто бывают пробки, могут быть устроены самые капитальные дорожные одежды. Соответственно, на участках, где автотранспорт движется с высокой скоростью без остановок (при условии обеспечения ровности покрытия), капитальность дорожной одежды возможно уменьшить. В настоящее время при проектировании выполняются расчеты на статическое и динамическое нагружение, однако результаты показывают обратную ситуацию, и расчет на динамическую нагрузку всегда требует большей капитальности, чем на статическую. Менее капитальная конструкция оправдана на обочинах и в местах разовых стоянок транспорта, но не обоснована на участках с изменением характера и снижением скорости движения, а также в местах многократных остановок грузового транспортного потока.
2. Выявлено, что при повышении температуры существенно снижается общий модуль упругости конструкции дорожной одежды за счет изменения свойств асфальтобетона. В частности, на дороге М-5 при повышении температуры асфальтобетона с 9,6 °С до 35 °С модуль снизился в 2,8 раза при статическом, в 2 раза при динамическом нагружении (рис. 3). А на дороге А-135, проходящей в более жарких климатических условиях, при повышении температуры с 12 °С до 51,5 °С модуль снизился в 4,1 раза при статическом и в 2,4 раза при динамическом нагружении.
3. На данном этапе выявлено, что влажность оказывает определенное влияние на общую прочность конструкции, но существенно меньшее, нежели температура асфальтобетона. Полученные результаты по наиболее длительно работающей станции показывают, что в первый год мониторинга влажность на глубине 15 см от верха рабочего слоя менялась незначительно в пределах 1% и была в диапазоне 9-10%, что близко к расчетной относительной влажности в расчетный период. При этом в 2023 году наибольшая влажность выявлена летом. Таким образом, за счет температуры и влажности в данный период дорога имела самую ослабленную конструкцию. В 2024 году лето оказалось более сухим, и влажность в июле в период измерений составила 8,4%, при этом весной данный показатель был 9,2%. В целом в течение 2,5 лет мониторинга влажность грунта рабочего слоя на глубине 15 см колебалась в диапазоне всего 1,5%. При этом увеличение влажности в весенний период 2024 года компенсировалось высокими модулями асфальтобетона.
Таким образом, неблагоприятные условия для работы всей конструкции с учетом снижения несущей способности и напряжений, приходящихся на нижние слои дорожной одежды, выявлены не в весенне-осенний период, считающийся в настоящее время расчетным, а летом. Следовательно, расчеты конструкций вероятно должны быть дополнены учетом летнего периода, когда самые высокие напряжения от транспорта доходят до нижних слоев дорожной одежды. Изменения влажности в определенные периоды и ее влияние на несущую способность конструкций требуют дальнейшего изучения с учетом различных условий увлажнения рабочего слоя.
Отдельно необходимо отметить, что при применении монолитных слоев в слоях основания существенно снижается напряжение на нижележащие слои, даже больше, чем это показывают результаты теоретических расчетов. Это очень важный момент, и поэтому в новом стандарте ГОСТ Р 71404-2024 на проектирование нежестких дорожных одежд при расчете асфальтобетона на усталость отдается предпочтение именно монолитным слоям основания по сравнению с неукрепленными зернистыми слоями из щебня или ЩПС. Благодаря укрепленным слоям меньшее воздействие оказывается на нижележащие слои из песка и грунт земляного полотна, которые имеют наименьшую несущую способность в дорожной конструкции.
Следующим важным направлением мониторинга является анализ распределения температуры в асфальтобетоне. В методике проектирования для каждого критерия расчета исторически принята своя расчетная температура: 0 °С для расчета асфальтобетона на изгиб, 10 °С при расчете по упругому прогибу и от 20 °С до 50 °С в зависимости от ДКЗ при расчете на сдвиг в грунте и песке. Результаты мониторинга на дороге М-5 показывают, что дорожная одежда работает несколько в ином температурном диапазоне (рис. 4). В то же время общеизвестно, что модуль упругости асфальтобетона существенно зависит от температуры, и на каждое повышение температуры на 10 °С, снижение модуля может достигать до 2 раз. Анализ данных показывает, что в период с апреля по октябрь температура слоев асфальтобетона превышает 10 °С, а с мая по август значительно превышает расчетные по критерию сдвига 30 °С для данной ДКЗ. При этом разница в температурах между верхним и нижним слоями в отдельные периоды на дороге М-5 достигает 15 °С. Таким образом, при проектировании наблюдается недоучет температуры и снижения несущей способности конструкции, в результате чего мы изначально принимаем неправильное значение модулей и получаем на выходе недостаточную капитальность дорожных одежд. Это может быть учтено путем изменения расчетных температур либо приведением слоя асфальтобетона не к единому модулю упругости, а к дифференцированному по слоям.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
Далее будут освещены перспективные направления по совершенствованию методики проектирования.
Одним из основных направлений является переход на более современные методики расчета напряженно-деформированного состояния. В настоящее время специалистами АНО «НИИ ТСК» и ООО «НТЦ «Геотехнологии» разработана и находится в тестовом режиме на сайте https://www.niitsk.ru/ программа по определению параметров НДС при расчете многослойной дорожной конструкции без приведения ее к упрощенным двуслойным или однослойным конструкциям. Благодаря этому обеспечена возможность рассчитать, какие напряжения и деформации должны возникать в запроектированной конструкции. Программный комплекс построен по теории упругости для сплошных сред на основе разработок отечественных ученых еще 70-80 гг. прошлого века, но с учетом актуализации и современных возможностей. Выполнены сопоставительные расчеты с зарубежными программными комплексами, применяемыми, в том числе, в американском механико-эмпирическом методе. При этом полученные результаты показывают практически полную сходимость программ, а расхождения составляют не более одного процента. Результаты мониторинга автомобильных дорог позволяют верифицировать расчетную программу с полученными фактическими данными.
На данный момент выявлено, например, что вертикальные напряжения в конструкции существенно превышают расчетные. Результатом верификации могут быть эмпирические коэффициенты, вводимые в расчетную программу. При этом необходимо получить как можно больше информации с различных станций мониторинга, чтобы корректно назначить указанные коэффициенты. В то же время измеренные деформации растяжения монолитных слоев в большинстве случаев сопоставимы с теоретическими, то есть можно сказать, что модель работает близко к тому, что получается в реальных условиях.
Отдельно стоит отметить, что общие модули упругости конструкции фактически получаются значительно выше, чем расчетные по программе. Это может быть обусловлено несовершенством методики расчета и неучетом реального затухания деформаций и напряжений по глубине. Выходом может быть введение ограничения глубины сжимаемой толщи грунта, например, в диапазоне 2–2,5 м. Более точные значения возможно будет получить по результатам сопоставительных расчетов и обследования конструкций. Конечным результатом исследований является получение программного продукта и математической модели для расчета дорожных одежд как многослойной конструкции, фактически отвечающей тем параметрам, которые получаются в реальных конструкциях.
Следующим направлением является мониторинг дорог с невысокой капитальностью, относящихся к III-IV категориям, и дорог со сложными грунтово-гидрологическими условиями. Все дороги, на которых устроены станции мониторинга, относятся к I-II категориям и обладают довольно капитальными дорожными одеждами. Помимо этого они относятся к первой схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна. Необходимо исследовать, как будет влиять влажность в условиях второй и третьей схемы и при меньшей капитальности, где совершенно по-другому могут распределяться напряжение и деформации. В данных условиях, напротив, увлажнение грунта может быть определяющим фактором, поэтому устройство соответствующих станций мониторинга является актуальной задачей.
Третьим перспективным направлением исследований видится актуализация существующего расчета по критерию упругого прогиба. Применяемый алгоритм расчета корректно учитывает суммарную приведенную интенсивность ориентировочно до 10 млн приложений нагрузки. Эмпирическая формула зависимости интенсивности и минимального модуля была выведена более 20 лет назад и с тех пор не подвергалась актуализации. Сейчас дорог высоких категорий с интенсивностью менее 10 млн нагружений практически не осталось, для I-II категорий они составляют в основном 30-70 млн. При этом расчеты показывают, что, если данный критерий является определяющим, то, изменив суммарное число приложений нагрузки с 10 млн до 50 млн, без учета коэффициента запаса капитальность конструкции может повыситься всего на 3 см асфальтобетона. Это явно не отражает влияния пятикратного увеличения интенсивности. Таким образом, формула не учитывает современные нагрузки и требует актуализации. Поэтому целесообразно провести исследования в данном направлении, с применением современного диагностического оборудования и систем учета интенсивности.
Еще одним перспективным направлением является разработка методики проектирования в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов — в I ДКЗ, которая, по разным оценкам, составляет около 60% территории РФ. Конечно, по сравнению с центром и югом страны, в таких регионах существенно меньшая протяженность дорожной сети, но они имеют высокий потенциал развития. При этом действующий СП 313.1325800.2017 «Дороги автомобильные в районах вечной мерзлоты. Правила проектирования и строительства» в части проектирования дорожных одежд ссылается на отмененный ОДН 218-046, он морально устарел и требует пересмотра. Разработка отдельной методики может быть также обусловлена другими принципами работы земляного полотна и распределения напряжений и деформаций при жестком основании из многолетнемерзлого грунта. Для изучения данного вопроса может потребоваться устройство станций мониторинга в I ДКЗ, а также выполнение отдельного дополнительного районирования территорий с последующим учетом полученных данных в методике расчета.