Возможности и пути повышения качества щебеночных оснований

Рис. 1.
Схема установки
для штамповых испытаний.
(кликнуть для увеличения)

Рис. 2.
Баллонный плотномер
конструкции
Ленфилиала СоюздорНИИ
для контроля плотности
щебеночного основания

Рис. 3-1.
Упругие деформации зерен
легкоуплотняемого щебня

Рис. 3-2.
Упругие деформации зерен
трудноуплотняемого щебня

Рис. 5.
Устройство для измерения
прогибов дорожных покрытий
(кликнуть для увеличения)

По сравнению с основаниями из материалов и грунтов, укрепленных цементом, щебеночные основания обладают следующими преимуществами:

• отсутствие потребности в смесительных установках;
  
  
• технологичность щебня в связи с возможным длительным хранением его в притрассовых штабелях или непосредственно на дороге, допустимость транспортировки и укладки в неблагоприятную погоду, зимой и др.;
  
  
• допустимость после расклинцовки и уплотнения основания открытия по нему автомобильного движения и использования его как временного покрытия (стадийное строительство);
  
  
• удобства при выполнении ремонтных работ и реконструкции без перекрытия автомобильного движения;
  
  
• пространственная однородность слоя, исключающая появление на вышеуложенном асфальтобетонном покрытии «отраженных» трещин.

Поэтому несмотря на более высокую стоимость обычно щебеночным основаниям строители отдают предпочтение по сравнению с цементосвязными основаниями.

Однако, к сожалению, на практике редко полностью реализуется потенциальная возможность щебеночных материалов для повышения прочности дорожной одежды. Это во многом обусловлено несовершенством действующих норм и правил устройства щебеночных оснований (СНиП 3.06.03-85):

• отсутствие дифференцированных требований к интенсивности укатки, к виду и расходу расклинивающих материалов в зависимости от сопротивляемости уплотнению щебеночных материалов разной крупности, различной прочности и происхождения;
  
  
• ограниченность зерновых составов;
  
  
• неопределенность весьма важного для формирования слоя требования по доуплотнению основания путем регулирования движения построечного транспорта, так как указанное в нормах условие «при необходимости» не определено какими-либо критериями;
  
  
• условность и безосновательность визуальной проверки качества уплотнения по образующимся под катком следам и волнам и по раздавливанию положенной под валец щебенки – отсутствие количественных и технически обоснованных критериев приводит, как правило, к волевым и неправомерным оценкам и решениям;
  
  
• отсутствие некоторых важных, но «забытых» или новых норм и правил, от выполнения которых зависит несущая способность слоя.

Для решения практических задач повышения качества щебеночного основания следует руководствоваться его характеристиками, от которых зависит прочность дорожной одежды. При этом инженер-дорожник должен хорошо понимать ошибочность оценки несущей способности щебеночного основания как «балластного» слоя, выполняющего только функцию пригрузки нижележащих конструктивных слоев, что практикуется в железнодорожном строительстве.

Весьма несовершенно также представление щебеночного слоя в виде дискретной среды, не работающей на растяжение и перераспределяющей вертикальную нагрузку от автомобиля на нижележащие слои по площади основания конуса с определенным углом наклона его образующей.

В соответствии с современными представлениями механики дорожных одежд их прочность зависит от показателя жесткости слоя щебеночного основания (модуля упругости) и горизонтального бокового распора (постоянно действующего сжимающего напряжения, возникающего при уплотнении и поддерживаемого в процессе эксплуатации дороги под действием автомобильного движения).

От модуля упругости щебеночного основания зависят расчетные напряжения, возникающие в дорожной конструкции от автомобильной нагрузки. Чем больше этот модуль, тем меньше напряжение во всех других конструктивных слоях и тем больше прочность и долговечность дорожной одежды (ОДН 218.046-01). Боковой распор в щебеночном слое повышает его сдвигоустойчивость, придает ему способность воспринимать растягивающие напряжения при изгибе и, как следствие, повышает изгибную жесткость.

При наличии в слое этого распора зернистый материал под нагрузками деформируется как сплошная среда без нарушения контактов между зернами в зоне действия растягивающих напряжений, что, в частности, позволяет использовать классическую теорию упругости для оценки напряженного состояния дорожной конструкции.

Способы определения этих характеристик щебеночного слоя были разработаны в Санкт-Петербургском филиале СоюздорНИИ. Метод определения модуля упругости слоя щебеночного основания послойными штамповыми испытаниями (рис. 1) изложен в Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа ВСН 46-83, а методика измерения бокового распора заключается в следующем.

До уплотнения в рыхлый щебеночный слой закладывается в вертикальном положении заподлицо с поверхностью стальная деталь высотой 100 мм и диаметром от 30 до 50 мм. В верхней части детали сделано осевое отверстие с внутренней резьбой. После уплотнения в отверстие детали ввинчивается крюк, под который подводится конец короткого плеча рычага (1:10) и нажатием на конец длинного плеча деталь извлекается из основания. Нажатие осуществляется через механический динамометр типа ДОСМ-3-0,2, измеряющий тяговое усилие при извлечении детали из уплотненного слоя. Распорное напряжение рассчитывается по формуле:

(1)

P – тяговое усилие,
F – площадь боковой поверхности детали,
f – коэффициент трения-скольжения стальной поверхности по щебню, принимается равным 0,3.

Натурные исследования на дорогах Санкт-Петербурга показали, что в эксплуатации основания из трудно уплотняемого щебня изверженных пород устойчивы, если их модули упругости имеют значения не менее 250 МПа, а из легко уплотняемого щебня осадочных пород – не менее 350 МПа. Эти значения модуля упругости принимаются за расчетно-нормативное (ВСН 46-83, ОДН 218.046-0,1). Оценка напряженного состояния дорожных одежд под действием автомобильной нагрузки показала, что для полной компенсации действующих в щебеночном слое растягивающих напряжений необходим боковой распор 0,05–0,07 МПа. Ввиду того, что между распором (σ) и модулем упругости (Е) выявляется корреляционная зависимость (примерно (δ)=0,0002Е), качество щебеночного основания достаточно оценивать только по модулю упругости, определение которого проще и надежнее.

Модуль упругости щебеночного слоя зависит, главным образом, от его плотности, которую можно оценивать показателем остаточной пористости. Для измерения плотности эффективно применение баллонного плотномера (рис. 2.). Нормативы плотности следует устанавливать с учетом необходимости достижения расчетно-нормативного значения модуля упругости и с использованием экспериментальной зависимости, полученной в результате массовых послойных испытаний оснований и щебня марки по пластичности Пл. 1:

E=Kпр(0,7n2-51n+960) (2),

где n – остаточная пористость в %,
Кпр – коэффициент, зависящий от прочности породы камня:

• для марок по дробимости «300» – 0,7,
• для марок по дробимости «400» – 0,8,
• для марок по дробимости «600» – 0,9,
• для марок по дробимости «800» и «1000» – 1,0,
• для марок по дробимости «1200» и «1400» – 1,1.

В частности, для наиболее распространенных в Северо-Западном регионе видов щебня возможный норматив остаточной пористости должен составлять 14% для известнякового щебня марки «600» и 20% – для гранитного щебня марок «1200» и «1400». Аналогично нормы плотности можно установить и для других видов щебня.

При соблюдении действующих норм и правил устройства щебеночных оснований (СНиП 3.06.03-85) эти нормативы плотности в большинстве случаевя достигаются. К сожалению, как показала экспертиза дорожного строительства, выполненная петербургским филиалом СоюздорНИИ в Северо-Западном регионе, не все и не всегда эти значения и правила выполняются. Однако даже в таких условиях часто указанные показатели плотности достигаются.

Поэтому для управления качеством строительства щебеночного основания производитель работ обязан знать степень влияния каждого из требований к материалам и технологиям на достижение требуемой плотности. Такая информация может быть получена при рассмотренном внедрении в практику контроля плотности щебеночных оснований.

Характерно недоуплотнение щебеночного основания из-за отсутствия у производителей работ требуемых тяжелых катков. В случае применения более легких катков необходимо компенсировать интенсивность уплотнения за счет увеличения числа проходов катка, уточняемого на контрольных участках в зависимости от достижения расчетно-нормативной плотности. Для доуплотнения слоя весьма эффективным оказывается регулирование движения построечного транспорта по ширине основания с пропуском не менее 1000 тяжелых автомобилей.

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 в соответствии с формулой (2) прочность камня влияет на модуль упругости значительно меньше, чем плотность укладки щебня, которая у менее прочного легко уплотняемого щебня оказывается выше. К сожалению, эти ошибочные представления укоренились в сознании дорожников, а в учебно-справочной литературе нет соответствующих разъяснений.

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 щебня площадки контактов зерен, образующиеся при уплотнении, больше и, следовательно, упругие сближения пары зерен меньше, чем у трудноуплотняемого щебня (рис. 3). Этим объясняются более высокие модули упругости оснований из легкоуплотняемого щебня.

С целью повышения жесткости оснований при выборе каменных материалов предпочтение следует отдавать легкоуплотняемому щебню. В частности, в Северо-Западном регионе, где имеются запасы как изверженных, так и осадочных пород, для дорожных оснований эффективнее применение щебня из известняков марки «600», не исключая и породы марок «400» и «300» с ограниченной пластичностью мелких фракций (марка по пластичности Пл. 1).

Показатели плотности и жесткости основания существенно зависят от крупности зерен. Вышеприведенные модули упругости определены для наиболее распространенного щебня фракции 40–70 мм; для щебня фр. 20–40 мм они меньше в 1,3 раза, для сверхкрупного щебня фр. 70–120 мм – больше в 1,4 раза, а для каменной наброски фр. 120–200 мм (бутовый камень) – больше в 2 раза. В последнем случае по несущей способности основание приближается к так называемой пакеляжной мостовой.

Основания из более крупнозернистых продуктов дробления устраивают двумя способами: традиционным методом заклинки с увеличенным расходом расклинивающих материалов (30–50 куб. м на 100 кв. м поверхности) либо укладкой сверхкрупного щебня или бутового камня в нижний слой двухслойного основания с устройством верхнего слоя из менее крупного щебня по традиционной технологии.

Для уплотнения применяются тяжелые пневмо- и виброкатки. Технико-экономическая эффективность основания из сверхкрупного щебня и бутового камня проверена на практике для легкоуплотняемых и известняковых пород. Для трудноуплотняемых пород необходимо опытно-производственное строительство с проверкой технического эффекта. Экономический эффект повышается также за счет меньшей стоимости более крупнозернистых продуктов дробления.

На несущую способность щебеночного слоя влияет форма зерен: чем меньше лещадных и игловатых зерен, тем она выше. При этом более эффективна форма зерен не кубовидная, а тетраэдральная. Применение щебня с кубовидно-тетраэдральной формой зерен обеспечивает их более плотную упаковку, лучшую заклинку с созданием бокового распора и, как следствие, повышенную жесткость. В связи с этим эффективно использование для получения такого щебня конусных дробилок взамен щековых. Может быть весьма перспективным внедрение в практику конусных инерционных дробилок.

Щебеночное основание уплотняется за счет не только заполнения пор расклинивающими материалами и пространственной переориентацией зерен, но и за счет измельчения зерен основной россыпи. Образующиеся при этом мелкозернистые фракции также выполняют функцию расклинивающихся материалов (самозаклинка). Поэтому применение для устройства основания традиционным методом заклинки трудноуплотняемого щебня из изверженных пород с прочностью на сжатие более 180 МПа или щебня из гравия обычно связано с непреодолимыми трудностями, так как зерна этих материалов при укатке плохо дробятся.

Отсутствие надлежащего бокового распора (расклинки) способствует образованию волн, просадок, вырыванию из слоя отдельных щебенок («катун»). Это затрудняет проезд по основанию строительного транспорта, вызывая повышенный износ шин под воздействием острых углов и граней отдельных щебенок, и исключает нормальную укладку по такому основанию асфальтобетонных слоев.

Предусмотренная в таких случаях действующими правилами поверхностная обработка щебня органическими вяжущими, закрепляющими поверхностный слой, отчасти решает задачи проезда строительной техники и укладки асфальтобетонных слоев, однако при этом основная толща щебеночного слоя сохраняет крайне неудовлетворительное рыхлое состояние. Более эффективна в таких случаях замена щебня щебеночно-песчаной смесью, изготовляемой либо на щебеночном заводе без операции по отгрохотке мелких фракций, либо на дороге методом «пропитки-вдавливания», с повышением расхода расклинивающих материалов до 40–50 куб. м на 1000 кв. м поверхности.

При укладке щебеночного основания на подстилающий слой из одномерного песка с объемной массой в уплотненном состоянии менее 1,8 г/куб. см в целях обеспечения ровности подошвы и поверхности слоя щебеночного основания и требуемых условий его уплотнения необходимо предусматривать поверх одномерных песков защитные технологические слои. Толщина таких слоев из щебеночно-(гравийно)песчаных смесей, отсевов дробления изверженных пород или крупных песков оптимального состава может составлять 10–15 см. Щебеночно-песчаный слой можно устраивать путем вдавливания в подстилающий песок крупного щебня с его примерным расходом 100 куб. м на 1000 кв. м поверхности. Защитные слои можно устраивать методом укрепления верхней части подстилающего песка малыми дозами цемента (3–5%), медленно твердеющей активной золой уноса или битумной эмульсией.

В последние годы достаточно широко применяют для защиты смежных песчаных и щебеночных слоев от взаимопроникновения материалов укладку синтетических маложестких стелящихся материалов типа «Дорнит». Однако это делать не целесообразно по следующим причинам:

• заполнение пустот однофракционного щебня мелкозернистыми материалами снижает его пористость более чем в 2 раза и повышает модуль упругости не менее чем в 3 раза – при наличии прослойки это исключается в нижней зоне щебеночного слоя, наиболее ответственной за его работу на изгиб;
  
  
• маложесткая прослойка, демпфируя уплотняющие нагрузки, снижает эффект доуплотнения песчаного слоя с недобором коэффициента уплотнения 0,01–0,02;
  
  
• маложесткая прослойка с модулем упругости меньшим, чем у щебеночных и песчаных слоев, сама по себе снижает жесткость дорожной конструкции;
  
  
• как следствие вышеуказанных причин из-за укладки «Дорнита» общий модуль упругости конструкции снижается на 10–15%.

Защитные технологические прослойки эффективнее, так как оптимально решают задачу предотвращения экстремального взаимопроникания зернистых материалов (проникание отдельных щебенок в рыхлый песчаный слой на глубину до 15–20 см и выжимание одномерного мелкого песка на поверхность рыхлого щебеночного слоя, особенно в процессе виброукатки) и допускают частичное взаимопроникание мелкозернистых и крупнозернистых материалов, необходимое для повышения их плотности. При этом создается единый щебеночно-песчаный слой с модулем упругости, плавно уменьшающимся по глубине, что способствует повышению несущей способности дорожной одежды.

Качество уплотнения основания повышается при выполнении некоторых условий и правил, выработанных практикой дорожного строительства, но отсутствующих в действующих нормах и правилах. Это, прежде всего, предварительное устройство прикромочных упоров, первоочередная укатка краев с последующим смещением проходов катка к середине и перекрытием следов катка и регулирование интенсивности уплотняющих нагрузок в процессе укатки.

Прикромочные упоры создаются стенками предварительно устроенного корыта, полуприсыпными обочинами либо песчаными валиками. Интенсивность уплотняющих нагрузок можно регулировать, осуществляя первичную укатку более легкими катками статического действия, с выключенным вибратором для вибрационных катков и с пониженным давлением воздуха в шинах для пневмокатков. На завершающем этапе укатки используются более тяжелые катки статического действия, дополнительно пригруженные балластом, включается вибратор на виброкатках и повышается давление воздуха в шинах пневмокатков в соответствии с требованиями СНиП 3.06.03.-85.

Выполнение этих правил способствует созданию в уплотняемом слое бокового распора, необходимого для предотвращения волнообразных сдвигов, разуплотняющих щебеночный слой. Эффективность этих мер проверяется практически во взаимосвязи с достигаемыми показателями плотности и жесткости.

Информации об уплотнении щебеночных слоев несоизмеримо меньше, чем для грунтов и асфальтобетонных смесей, качество уплотнения которых оценивается коэффициентом уплотнения. Однако использовать такую характеристику для щебеночных слоев затруднительно из-за особенностей процесса их уплотнения. После достижения предельной (стандартной) плотности дальнейшее уплотнение связных грунтов и плотных асфальтобетонных смесей возможно лишь при отжиме из среды воды или битума, то есть практически прекращается (рис. 4).

У щебеночных слоев заметный рост плотности продолжается также и после достижения нормативных показателей, условно привязанных к действующим нормам по проектированию и строительству. Это обусловлено тем, что дальнейшее уплотнение осуществляется за счет дробления перенапряженных зерен с последующей их переупаковкой и заклинкой.

После укладки асфальтобетонных слоев доуплотнение щебня практически прекращается. Поэтому эффект повышения плотности, сверхнормативной под воздействием автомобильного движения, можно реализовать при стадийном строительстве. За 1,5–2 года эксплуатации щебеночного слоя в качестве покрытия его остаточная пористость под воздействием автомобильного движения уменьшается в 1,5–2 раза; это приводит к увеличению модуля упругости в 2–2,5 раза. И в такой же мере возрастает долговечность асфальтобетонного покрытия, уложенного по такому слою на второй стадии строительства.

Модуль упругости щебеночного слоя повышается при увеличении числа проходов катка сверх нормативного. Опытно-экспериментальные работы и технико-экономические расчеты показывают, что при этом экономический эффект от повышения прочности и долговечности дорожной одежды значительно превышает дополнительные затраты на укатку. Требуемое число проходов катка в каждом частном случае может определяться технико-экономическими расчетами с учетом удлинения срока службы дорожной одежды и увеличения ее потребительской стоимости.

Контроль качества по показателю остаточной пористости щебеночного слоя трудоемок и ограничен по эффективности, так как не позволяет судить о качестве нижележащих слоев и земляного полотна. Проще и эффективнее оценивать качество всей конструкции основания, включая нижележащие слои, по ее общему модулю упругости, устанавливаемому испытанием местным нагружением колесом автомобиля либо переносной динамической установкой. В первом случае более надежные результаты при измерении упругих прогибов обеспечивает специальное устройство по авторскому свидетельству № 311131 для измерения прогибов дорожных покрытий (рис. 5).

Установленный испытаниями общий модуль упругости конструкции дорожного основания должен быть не менее проектного значения. Если это условие не выполняется, то перед укладкой асфальтобетонных слоев требуется повысить жесткость конструкции доуплотнением, укладкой дополнительных слоев, улучшением водного режима и др. либо компенсировать недостаточную жесткость укладкой более толстых асфальтобетонных слоев. 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.