+7 (812) 400 00 47

190121, Санкт-Петербург, наб. кан. Грибоедова, д. 130

Версия для печати

Строительно-дорожные работы: концепция вечных дорожных одежд ПН№13 (39) 2012

Автор: Б .С. Радовский, д. техн. наук США. По материалам "Дорожная техника '11"

Концепция вечных дорожных одежд была выдвинута в 2000 г. Альянсом асфальтобе тонных покрытий в США. Вечными были на званы дорожные одежды, запроектирован ные и построенные так, чтобы они служили не менее 50 лет без капитального ремонта или реконструкции. Повреждения допуска ются только в самом верхнем слое, который периодически обновляется. К моменту появ ления этой концепции уже был опыт много летней службы некоторых дорожных одежд, устроенных на всю толщину из асфальтобе тона либо имевших заглубленный прочный слой, причем требовались лишь минималь ные ремонтные мероприятия для устранения дефектов поверхности и обеспечения ее ше роховатости.

Вечные покрытия имеют такие основные преимущества:

●    низкая стоимость жизненного цикла за счет отсутствия ремонтов нижнего слоя по крытия и основания;
●    незначительные потери времени и за траты пользователя дорогой вследствие уменьшения продолжительности ремонтных работ;
●    минимальное воздействие на окружаю щую среду за счет уменьшения затрат мате риалов в период службы одежды и затрат на утилизацию либо повторное использование заменяемых материалов слоев.

В такой постановке вопрос проектирования и строительства дорожных одежд, названных вечными, представляет несомненный инте рес и для России, если, конечно, затраты на ее строительство и периодическую замену верхнего слоя не являются чрезмерными.


Актуальность концепции вечных до рожных одежд.

Альянс асфальтобетонных покрытий, выдвинувший концепцию вечных дорожных одежд (perpetual pavements), пред ставляет собой объединение Асфальтового института, Национальной ассоциации ас фальтобетонных покрытий (NAPA) и асфаль тобетонных ассоциаций различных штатов. Асфальтовый институт — частная организа ция, занимающаяся много лет проблемами отрасли и имеющая региональных инжене- ров-исследователей, работающих в различ ных штатах. NAPA была создана бизнесме нами, занимающимися дорожным строитель ством, и она с 1986 г. имеет Национальный центр асфальтобетонных технологий (NCAT) при университете в г. Auburn. NCAT проводит исследования по заданию NAPA, занимается технической политикой и повышением квали фикации специалистов. Члены асфальтобе тонных ассоциаций отдельных штатов — го сударственные служащие.

Появление этой концепции было обуслов лено складывающейся в США ситуацией. Ха рактерным примером является Калифорния, где она и появилась. В этом штате в 2000 г. проживало 34 млн. человек (в 2010 г. — 37 млн.), из которых 22 млн. — с водительскими правами. В штате зарегистрировано 28 млн. автотранспортных средств, в том числе 17,5 млн. легковых, 10 млн. грузовых и 47 тыс. автобуссов. Протяжение дорог в Калифор нии — 270 тыс. км, из которых 134 тыс. км, относят к городским, а 136 тыс. км. — к заго родным. Городскими дорогами ведают транс портные отделы городов, загородными зани маются графства, которым они принадлежат.

Особое значение имеют принадлежащие штату межштатные фривеи — дороги ско ростного движения без пересечений в одном уровне с протяжением по осевой 24 тыс. км и с суммарным протяжением всех полос про езжей части 80 тыс. км. Эти дороги строит и ремонтирует Калтранс (Caltrans) — депар тамент транспорта штата. Примерно на 1/3 протяжения они имеют цементобетонное по крытие, построенное 30-50 лет назад, а на 2/3 протяжения — асфальтобетонное покры тие на щебеночном основании, либо на ас фальтобетонном основании, либо на цемен- тобетонном основании, причем под верхним слоем (или слоями) асфальтового бетона остальные слои конструкции отслужили уже от 20 до 90 лет. Соответственно, текущий ре монт, предупредительный ремонт, средний и капитальный ремонт, а также реконструкция с повторным использованием или утилизаци ей старых материалов составляют 90% объ ема работ Калтранса.

Проведение этих многочисленных ре монтных работ приводит к транспортным задержкам, которые вызывают большое не довольство жителей. Дело в том, что в шта те сложился автомобильный жизненный уклад. Практически все взрослые имеют водительские права и автомобили. Обще ственный транспорт хорошо развит только в Сан-Франциско, где расширение застройки невозможно из-за окружающих морских за ливов и плотность населения столь велика, что движение автомобилей пришлось жест ко ограничить. В остальных же городах, если автобусы и имеются, то только на главных улицах. Поездка на работу на расстояние 40 км — 60 км считается нормальным делом, но для этого нужен автомобиль. Даже, живя в расположенном в центре Лос-Анджелеса спальном районе, например в известном Беверли-Хиллз, до ближайшего гастронома или аптеки нужно вести машину 10-15 мин, а ни автобусов, ни троллейбусов там нет.

Между тем, существующая система фри веев работает на пределе, и ее дорожная одежда должна рассчитываться на число по вторных приложений нагрузок, исчисляемое десяткам и даже сотнями миллионов рас четных осей. Так, фривей I-405 работает при среднегодовой суточной интенсивности дви жения 325 тыс. авт./сутки, а фривей 1-10 — при 36,3 тыс. авт./сутки. На основной части протяжения в Калифорнии эти фривеи имеют по 8 полос проезжей части.

Теоретическая пропускная способность одной полосы проезжей части в США счита ется в американских нормах равной 2,2 тыс. авт./час, а в российских — 2,9 тыс. авт./час.

Теоретическая пропускная способность по лосы автомагистрали определяется расчетом для горизонтального участка дороги и одно родного транспортного потока легковых авто мобилей, исходя из тормозного пути с учетом времени реакции водителя и времени сраба тывания гидравлического тормозного привода. Теоретическая пропускная способность счита ется недостижимой. Она рассчитана для иде альных условий. В смешанном потоке грузо вых и легковых автомобилей, на пересеченной местности и т.д. — реальная пропускная спо собность меньше теоретической. Например, один грузовой автомобиль по динамическому габариту эквивалентен 2,0-3,5 легковым. Тем не менее, получается, что на фривее 1-10 на одну полосу приходится 363000/(8x24)= 1890 физических авт./час, если равномерно рас пределить проезды в течение суток. Если же учесть, что практически подавляющее боль шинство поездок совершается с 5 утра до 8 вечера, то взятые в качестве примера фривеи ежедневно работают на пределе их теорети ческой пропускной способности, т.е. следуют друг за другом на расстоянии гораздо менее тормозного пути.

При такой степени загрузки дорог жела тельно проводить ремонты крайне редко и очень быстро. Для этого необходимо запро ектировать и построить дорожную одежду так, чтобы ее нижние основные слои могли служить практически неограниченно долго. Здесь сразу возникают несколько вопросов:

1.    Какие слои считаются основными?
2.    Что такое «практически неограниченно долго»?
3.    Откуда взялся термин «вечная дорож ная одежда»?

Пример дорожной одежды на фривее с интенсивным грузовым движением.

В южной Калифорнии фривей 1-710 протяжением 32 км связывает объединенные порты Лонг Бич и Лос-Анджелес с железнодорожными складами в г. Лос-Анджелесе. Порт Лонг Бич принимает свыше 70 млн. т. грузов в год и является самым крупным в США (и пятым в мире), а порт Лос-Анджелес — свыше 15 млн. т. грузов и является четвертым в США. Сто имость ежегодно получаемых этими порта ми грузов составляет около 300 млрд. долл. Грузы, доставленные в железнодорожные склады восточного Лос-Анджелеса, поступа ют оттуда по железной дороге во все концы страны.
Кроме того, фривей 1-710 связыва ет на своем протяжении еще 5 межштатных фривеев.
Фривей на большей части протяжения имеет по 4 полосы в каждом направлении. В 2010 г. на самом напряженном участке среднегодовая интенсивность движения со ставляла 250 тыс. авт./сутки, в том числе грузовых — 50 тыс. авт./сутки. Хотя грузовые автомобили составляют 20% транспортного потока, они исчерпывают от 35 до 50% про пускной способности фривея. По правилам дорожного движения, грузовые автотран спортные средства должны находиться в правых полосах движения, т.д. на одну по лосу приходится грузовых 12,5 тыс.авт/сутки. Дорожно-климатические условия в этом ре гионе довольно благоприятные. Зимой тем пература воздуха не опускается ниже -5°С, а летом температура воздуха в тени не пре вышает 45°С. Среднегодовая температура — примерно 19°С.

Применительно к этой дороге с очень тя желым движением группа ученых Калифор нийского университета, возглавляемая Кар лом Монисмитом и Джоном Харвеем, раз работала конструкцию дорожной одежды, которая, в принципе, соответствует концеп ции «вечных» дорожных одежд.

Концепция Калтранса на проект конструкции включало такие основные требования:

●    строительство должно осуществляться только в субботние и воскресные дни, а в рабочие дни для движения не должно быть никаких препятствий;
●    конструкция должна удовлетворять вы соким требованиям к ровности, безопасности движения и уровню транспортного шума;
●    в течение как минимум 30 лет службы дорожной одежды ее ремонты должны затра гивать только самый верхний слой и прово диться с минимальными помехами для дви жения.

Подрядчик должен был выполнить все работы за несколько промежутков времени закрытого движения, выделявшихся в конце недели с 10 ч вечера пятницы до 5 ч утра понедельника, т.д. в течение 55 часов. Таких 55-часовых смен должно было быть макси мум 10.
Группа из Калифорнийского университе та в г. Беркли приступила к исследованию в 1999 г. Для эксперимента был выбран уча сток 1-710, соединяющий Тихоокеанское бе реговое шоссе No. 1 (SR-1) и фривей I-405.

Общая длина участка — 4,4 км, он имеет по 3 полосы проезжей части с внутренней и внешней обочинами в каждом направлении. В год начала исследований среднегодовая интенсивность движения на участке состав ляла в рабочие дни 155 тыс. авт./сутки при 13% грузовых автомобилей и автопоездов (т.е. 20 тыс. грузовых автомобилей в сутки, по 5 тыс. на каждую из четырех полос грузо вого движения).

В США большое значение придается по терям пользователя дорогой при проезде зоны ремонта или при ее объезде. При рас четах стоимости жизненного цикла дорожной одежды транспортные задержки переводятся в долларовый эквивалент. Например, в Ка лифорнии долларовый эквивалент времени для легкового автомобиля принимают 11,51 долл. в час, а для грузового — 27,83 долл. в час. Когда сравнивают варианты конструк ций дорожных одежд, в расчетах, наряду со стоимостью строительства и ремонтов, фигу рируют потери пользователя дорогой, и они оказывают тем большее влияние на проект ное решение, чем выше интенсивность дви жения.

Старая дорожная одежда, построенная в 1952 г. имела цементобетонное покрытие толщиной 20 см без стержней в швах сжатия, слой укрепленного цементом щебня толщи ной 10 см, высококачественное щебеночное основание толщиной 10 см и дополнитель ное основание из щебеночного материала низкого качества толщиной 20 см. Старое по крытие имело многочисленные разрушения.
Участок был разделен на 2 части.
На первой из них протяжением 1,6 км тре бовалось сохранить прежнюю отметку по верхности покрытия, поскольку нужно было обеспечить подмостовой габарит под не сколькими путепроводами над дорогой 1-710. Поэтому старое бетонное покрытие, слой укрепленного цементом щебня, щебеночное основание и дополнительное основание, а также тонкий слой земляного полотна — в общей сложности 62,5 см материала убрали и заменили новой конструкцией дорожной одежды, состоявшей только из асфальтобе тонных слоев.

На второй части участка протяжением 2,8 км сохранять прежнюю отметку поверхности покрытия не требовалось. На ней существу ющее цементобетонное покрытие было фраг- ментировано на отдельности, чтобы снизить опасность образования отраженных трещин, и прикатано, чтобы «осадить» бетонные фрагменты. Поверх бетонных фрагментов уложили выравнивающий слой асфальтобе тона толщиной 4,5 см и прослойку геотек стиля. Затем также, как и на первом участке, поверх прослойки была устроена новая до рожная одежда из асфальтобетонных слоев, но меньшей толщины.

Технология строительства была заранее отработана на двух коротких пробных участ ках других дорог. В 55-часовые периоды с вечера пятницы до утра понедельника Кал- транс организовал двустороннее движение по полосам противоположного направления, на котором работы в данную смену не прово дились. Чтобы стимулировать быстрое окон чание работ, Калтранс установил премию за уменьшение предельного числа 55-часовых смен по 100 тыс. долл. за каждую смену и та кой же штраф — за каждую дополнительную смену. В итоге вся работа была проведена за 8 смен вместо заданных 10-ти в период с марта по июнь 2003 г и строители полу- чили премиальные. Таким образом, одежда шестиполосной дороги на протяжении 4,4 км была построена за 440 ч. При первона чальной стоимости контракта 16,7 млн. долл. окончательная стоимость работ составила около 20 млн. долл.
Технология, организация строительства и описание его хода сохранены в базе данных программы CA4PRS, которая была разрабо тана в Беркли, чтобы оценить минимальную продолжительность строительства при за данной конструкции одежды, условиях стро ительства, последовательности технологи ческих операций и различных ограничениях. Эта программа с базой данных может быть использована в дальнейшем для подобных объектов.

Новая дорожная одежда на фривее 1-710 рассчитывалась на прочность для стандарт ной американской нагрузки на одиночную ось 80 кН при суммарном числе проездов 200 млн. осей за 30 лет на одну полосу дви жения. Это равносильно в среднем 18 тыс. приведенных расчетных осей в сутки на по лосу, при том, что, начальная среднегодовая интенсивность движения на участке состав ляла по 5 тыс. грузовых автомобилей в сутки на полосу.
Расчетная интенсивность 18 тыс. приве денных расчетных осей с нагрузкой 80 кН на полосу в сутки примерно равносильна интенсивности 7 тыс. расчетных осей с на грузкой 100 кН на полосу. Это примерно в 3 раза больше расчетной интенсивности, при ходящейся в России на наиболее загружен ную полосу дорог I категории.

Прежде всего, дорожная одежда как стро ительная конструкция должна распределять давление, приложенное к покрытию от коле са автомобиля (обычно 0,5 - 0,7 МПа),снижая его до давления, приемлемого для грунта. Она для этого предназначена — иначе не возможно обеспечить проезд в любое время года. Это давление на грунт имеет примерно 0,005-0,010 МПа и зависит от вида, влажно сти и степени уплотнения грунта, а также от числа проездов осей. Оно должно быть та ким, чтобы вертикальная относительная де формация сжатия на поверхности земляного полотна от одного проезда оси была пример но £г» 2 10"4 — 5-10 4. Тогда колея на поверх ности покрытия, накопившаяся (в особенно сти весной и осенью) вследствие остаточных деформаций земляного полотна от действия миллионов повторных нагрузок, будет незна чительной. Итак, «пакет» слоев дорожной одежды должен распределить вертикаль ное давление так, чтобы оно уменьшилось примерно в 100 раз. Способность дорожной одежды распределять давление тем лучше, чем больше толщины слоев и модули упруго сти их материалов и чем прочнее они «скле ены» между собой.

Однако колея может образоваться не только вследствие деформаций земляного полотна весной и осенью, но и от накопле ния вертикальных деформаций асфальтобе тонных слоев в жаркое время года. В этом смысле важно, чтобы летом при каждом на- гружении только небольшая часть деформа ции асфальтобетона была остаточной и как можно большая ее часть была бы обрати мой, т.е. восстанавливалась после проезда. Летом температура асфальтобетонных слоев быстро убывает с глубиной, и поэтому осо бенно высокими должны быть требования кэ- ластичности асфальтобетона (а фактически — вяжущего) в пределах верхних 10-15 см дорожной одежды.

Наконец, чтобы дорожная одежда долго сохраняла свою способность распределять давление на грунт и противостояла его ув лажнению с поверхности, асфальтобетон ные слои должны оставаться сплошными, т. е не иметь трещин. Для этого должен быть обеспечен достаточный запас прочности ас фальтобетона на усталость от растяжения при многократном изгибе. Поскольку самые большие горизонтальные напряжения и де формации от растяжения при изгибе воз никают по подошве нижнего слоя «пакета», именно к этому слою предъявляются наи большие требования в отношении выносли вости материала.

Требование сохранения сплошности рас пространяется на все слои, содержащие вя жущее и вносящие большой вклад в распре деления давления. Эти слои конструкции и являются основными. Кроме них, в дорожной одежде могут быть и другие слои: морозоза- щитные, технологические (для обеспечения проезда строительной техники), капилляро- прерывающие, теплоизолирующие и др. С точки зрения способности распределять дав ление, они не являются основными конструк тивными слоями.


Дорожная одежда первого участка фривея 1-710 имела такие слои:

●    Первый слой покрытия из высокопори стого асфальтобетона на резинобитумном вяжущем толщиной 2,5 см. Этот слой должен обеспечить высокие сцепные свойства и низ кий уровень транспортного шума. Его следу ет периодически заменять, обычно через 7-8 лет, но на данном объекте ожидалось через 5 лет. Соответственно, при суммарном числе проездов 200 млн. осей за 30 лет на одну по лосу движения для верхнего слоя на 5-лет- ний период было принято с учетом роста интенсивности расчетное суммарное число осей 30 млн.
●    Второй слой — асфальтобетонный слой толщиной 7,5 см, содержащий 4,7% очень эластичного вяжущего, должен обеспечить высокое сопротивление накоплению остаточ ных деформаций. Для смеси выбран битум Р8А-6А*, модифицированный полимером.
Воздушная пористость асфальтобетона после уплотнения должна быть 6%.
●    Третий асфальтобетонный слой толщи- ной 15 см, содержащий 4,7% весьма вязкого битума, играет важную роль в распределении давления и потому должен иметь высокий модуль упругости. Для смеси выбран битум марки AR-8000, имеющий при 60°С вязкость 8000±2000 Пуаз (800± 200 Па с) после ста рения в тонкой пленке при растяжимости не менее 75 см. Воздушная пористость асфаль тобетона после уплотнения должна быть 6%.
• Четвертый асфальтобетонный слой тол щиной 7,5 см на битуме марки AR-8000 ну жен, чтобы воспринимать растягивающие напряжения и противостоять усталости от действия повторных нагрузок. Поэтому этот слой содержит больше битума (5,2%), чем остальные, и имеет наименьшую пористость — 3%. Обычно в США стремятся устраивать слой асфальтобетона с пористостью более 4%, чтобы отдалить опасность лавинообраз ного накопления остаточных деформаций. Однако данный слой расположен глубоко и не подвержен опасности накопления боль ших остаточных деформаций. Важнее обе спечить высокую прочность и выносливость этого слоя.

Каждый слой имеет свое назначение. Из аналогичных соображений исходили при конструировании дорожной одежды для второго участка.Общая толщина асфаль тобетонных слоев «ответственных» за рас пределение давления, в этой конструкции на 10 см меньше благодаря использованию старого бетонного покрытия. Его разбили на фрагменты, прикатали, уложили выравни вающий слой и препятствующую отражению трещин прослойку геотекстиля, пропитанно го битумом, а затем уложили 3 слоя асфаль тобетона.
Смеси для второго, третьего и четверто го слоев первой конструкции подбирали так, чтобы в соответствии с расчетом дорожной одежды они обеспечивали проезд 200 млн. расчетных осевых нагрузок 80 кН за 30-лет- ний срок службы. Глубина колеи не должна превышать 12,5 мм. Эти три смеси приготов лены на дробленном каменном материале с максимальной номинальной крупностью щебня 19 мм.

Особое внимание уделяли выбору вяжу щих и испытанию смесей. Для второго слоя использовали модифицированный полиме ром битум РВА-ба*. По стандарту AASHT0 МР1, в соответствии с системой Суперпейв его марка PG64-40, т.е. он применим в райо нах с расчетной летней температурой покры тия +64°С и зимней -40°С. Добавление звез дочки к марке означает, что использованный битум обладал улучшенными свойствами, поскольку содержал дополнительно добавку эластомера. Его вязкость при 60°С превыша ла 10 тыс. Пуаз (1 тыс. Па с), а растяжимость при 25°С не менее 60 см. После технологи ческого и эксплуатационного старения его модуль упругости при -30°С составляет лишь 236 МПа.

Для третьего и четвертого слоев исполь зовали битум AR-8000. Это типичный битум из калифорнийской нефти. Показатели этого битума таковы: пенетрация при 25°С после старения — не менее 20, растяжимость при 25°С после технологического старения — не менее 75 см. В соответствии с системой Су перпейв его марка PG64-16.
В течение последующих 6-ти лет постро енные дорожные одежды ежегодно обследо вали: измеряли прогибы установкой с падаю щим грузом в нескольких точках поверхности и обратным расчетом оценивали модули сло ев; измеряли продольный профиль поверх ности покрытия; измеряли коэффициент сце пления шины с покрытием и уровень транс портного шума; отбирали керны и вырубки слоев для лабораторных испытаний. Спустя 6 лет максимальная глубина колеи была 5,5 мм при максимальной 12,5 мм, заданной для 30-летнего срока службы. Такую колею легко исправить при предусмотренной пе риодической замене верхнего слоя, однако пока его заменять не потребовалось.