Проектирование дорожных одежд

7 ПРОЕКТИРОВАНИЕ  ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

 

7.1 Дорожно-строительные материалы

 

При строительстве автомобильных  дорог применяют разнообразные строительные материалы, которые по происхождению и особенностям переработки могут быть разделены на две основные группы: природные и искусственные [6,7].

Природные строительные материалы подразделяются на грунты, гравий и гравийные смеси, песок, камень булыжный, различные местные материалы (дресва, жерства, ракушка, конкреции, тырса, мел и т. д.). К искусственным, относят щебень, каменные порошки, колотый камень, брусчатку, каменное литьё, изделия в виде плит для покрытия дорог и тротуаров, бортовых камней и деталей для дорожных ограждений и знаков. Кроме того, для приготовления бетонов и стабилизации грунтов используют органические и неорганические (минеральные) вяжущие материалы (битумы, дегти, эмульсии, различные цементы, известь и т. д.).

Грунты. Грунты - основной дорожно-строительный материал, продукт длительного процесса разрушения горных каменных пород под воздействием воды, теплоты, холода, ветра. Из них возводят земляное полотно, служащее основанием для дорожной одежды. От физико-механических свойств грунта, зависит прочность земляного полотна и дорожной одежды, а также сооружений на дороге. Свойства грунтов во многом определяются крупностью их частиц, которые могут быть глинистыми (менее 0,005мм), пылеватыми (0,005...0,050) и песчаными (0,06...2мм). Встречающиеся в природе грунты обычно представляют собой смесь песчаных, пылеватых и глинистых частиц. Свойства грунтов зависят также от содержания в них органических веществ, количества и химического состава растворённых солей, влажности и плотности. Влажность определяется отношением массы воды, содержащейся в грунте, к массе сухого грунта в том же объёме. Плотность характеризуется отношением массы грунта к его объёму и выражается в килограммах на кубический метр или в тоннах на кубический метр. Наибольшая несущая способность грунта достигается его уплотнением до максимальной плотности при оптимальной влажности.

В зависимости  от процентного содержания глинистых частиц грунты разделяют на следующие виды:

 

Грунты	Содержание  глинистых частиц, %
Глины	Более 25
Тяжёлые суглинки	25…18
Суглинки	18…12
Супеси	12…3
Пески	Менее 3

Чем больше содержание песчаных частиц и чем они крупнее, тем меньше изменяются свойства грунтов от воздействия влаги и мороза. Песчаные грунты в сухом состоянии пылят, обладают малым сцеплением и труднопроезжаемы. На влажных песчаных грунтах проходимость машин улучшается. Для улучшения свойств к этим грунтам требуется добавление глинистых и суглинистых грунтов.

Лучшие для дорожного строительства - супесчаные грунты. При удовлетворительном содержании в сухое время года они образуют ровную поверхность, дорожное полотно легко накатывается автомобилями. В дождливую погоду быстро просыхают, малолипки.

Пылеватые грунты при увлажнении переходят в плывунное состояние; малосвязаны; способны к пучинообразованию; хорошо удерживают влагу и поднимают воду по капиллярами на небольшую высоту. В сухом состоянии легко истираются и пылят. Могут быть улучшены песком и гравием, желательно с введением вяжущего.

Суглинистые грунты - связные, плохо пропускают воду и медленно просыхают. В сухое время года при правильном содержании дороги хорошо проезжаемы, а, после дождя их поверхность становится скользкой. При перенасыщении влагой почти непроезжаемы из-за образования глубоких колей. Добавление песчаных грунтов значительно улучшает проезжаемость. При надлежащем водоотводе из суглинистых грунтов можно возводить хорошее дорожное полотно.

Глинистые грунты при оптимальной влажности образуют хороший накат, но в пересохшем состоянии трескаются, пылят, а от переувлажнения набухают, полностью теряют несущую способность; очень липки и крайне медленно просыхают; при замерзании увеличиваются в объёме; для возведения земляного полотна непригодны, могут применяться только во внутренней части насыпей.

Перечисленные свойства песчаных и глинистых грунтов  используют для образования, грунтовых одежд из так называемых оптимальных смесей, которые создаются из взятых в определённых, оптимальных для данных условий соотношениях песчаных и глинистых грунтов.

Каменные материалы. Используемые в сельскохозяйственном дорожном строительстве каменные материалы получают из природных горных пород. Физико-механические свойства этих материалов должны отвечать определённым техническим требованиям. Чаще всего качество каменных материалов определяется такими основными физико-механическими показателями, как прочность, морозостойкость и водопоглощение.

Прочность - это способность материала сопротивляться, не разрушаясь, внешним и внутренним усилиям, возникающим от статических и динамических нагрузок. Она характеризуется пределом прочности при сжатии и выражается в паскалях.

Морозостойкость - способность насыщенного водой материала выдерживать определённое количество циклов замораживания и оттаивания без разрушения. Характеризуется маркой материала по морозостойкости, например F-25 (материал не теряет прочности при 25 циклах замораживания и оттаивания).

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать воду, что характеризует его пористость, выражается в процентах.

Горные породы, из которых получают каменный материал для дорожного строительства, разделяют на четыре группы: изверженные (граниты, диориты, сиениты, габбро, базальты); известняковые (известняки, доломиты, мраморы); песчаниковые - песчаники из зерен кварца и других минералов, скрепленных различными цементами (известковым, кремнистым, железистым, гипсовым, глинистым); сланцевые (характеризуются слоистым сложением).

Внутри каждой группы горных пород каменные материалы  в зависимости от предела прочности  подразделяются на пять классов. К первому  классу относят породы с пределом прочности на сжатие в водонасыщенном состоянии свыше 100... 120 МПа, а к пятому - ниже 30 МПа.

Песок - мелкообломочная несцементированная смесь каменных частиц размером 0,05...2 мм, а по некоторым классификациям - до 5 мм. Различают песок мелкозернистый крупностью 0,05...0,25 мм, среднезернистый - 0,25...0,50 мм, крупнозернистый - 0,50...1,0 мм и грубозернистый - 1...2(5) мм. Лучшими по качеству для дорожных работ признаны крупно - и грубозернистые (гравелистые) пески. В зависимости от происхождения пески могут быть речные, морские, озерные, дюнные и др. По минеральному составу песок может быть кварцевый, известняковый, гипсовый, магнетитовый, ракушечниковый, глауконитовый и др.

Песок широко применяют  в строительном деле для улучшения  дорожных свойств суглинистых грунтов, для приготовления строительных растворов, асфальтобетона и цементобетона, в качестве основания дорожных одежд и сооружений.

Гравий - каменный материал с частицами размером 5...70 мм, получаемый после его отсева из природных  гравийных смесей горного, овражного, речного, морского и озерного происхождения.

Щебень в отличие  от гравия получают путем дробления камня в камнедробилках. Как и гравий, щебень в зависимости от крупности разделяют на четыре фракции (5...10, 10...20, 20...40, 40...70 мм). Щебень имеет различное происхождение: из изверженных пород (гранитов, сиенитов, диоритов, габбро, базальтов, андезитов, порфиры и др.), метаморфических (мрамор, сланцы, гнейсы и др.) и осадочных пород (доломитов, известняков, песчаников).

Бутовый камень представляет собой куски природного камня неправильной формы размером, до 50 см. Из бутового камня устраивают фундаменты различных сооружений, подпорные стенки, фильтрующие насыпи и др.

К булыжному  камню относят природные камни размером 12...30 см. Камень больших размеров называется валуном.

Колотый камень получают дроблением валунов и скальных пород. Размеры колотого камня примерно такие же, как и булыжного. Булыжный и колотый камень используют для устройства дорожной одежды (булыжной мостовой), укрепления откосов и в качестве заполнителя бетона (бутобетона).

Брусчатка - камни, отесанные в форме прямоугольного параллелепипеда шириной 12...15 см, длиной 15...25 см и высотой 10...16 см.

Местные строительные материалы. Дресва - продукт выветривания горных пород, сохранившийся на месте разрушения; представляют собой рыхлую или слабосцементированную массу, состоящую из неокатанных остроугольных мелкообломочных зёрен.

Жерства - продукт физико-механического и химического выветривания горных пород, перенесённый на некоторое расстояние водой.

Конкреции - каменные образования различной прочности, обычно округлой формы из осадочных горных пород различного состава (конкреции гипса, углекислого кальция, кремния, болотной руды, фосфоритов и др.).

Ракушки - материал морского и речного происхождения, в котором раковины часто находятся в смеси с гравием и песком. В дорожном строительстве чаще всего применяют морскую ракушку - для укрепления грунтов и в качестве нижних слоев оснований дорожных одежд.

Мергель - осадочная порода, состоящая из кальцита, иногда доломита и глинистого материала.

Опоки — кремнистая горная порода, образовавшаяся в результате насыщения глин растворённым кремнеземом.

Песчаники - осадочная горная порода, состоящая из сцементированного песка. Песчаники могут быть кварцевые, глауконитовые, кремниевые, а в зависимости от крупности зёрен - мелко-, средне- и крупнозернистые.

Тырса - слабая известняковая порода, встречается главным образом на юге России.

Мел - мягкая белая известковая порода, которую можно укладывать в нижние слои основания дорожных одежд.

Шлаки - отходы металлургической промышленности. В зависимости от химического состава, скорости охлаждения и других факторов могут быть высокой и низкой прочности. В дорожном строительстве применяются также топливные шлаки, образовавшиеся в результате сжигания каменного угля.

Широко используют также  различные отходы горной промышленности: вскрышные породы; отходы обогатительных фабрик; горелые породы угольных шахт и др.

Вяжущие материалы. Для образования бетонов и укрепления грунтов применяют так называемые вяжущие материалы, которые могут быть органического и неорганического происхождения.

К органическим вяжущим относят природные и  искусственные нефтяные битумы (последние получают путём перегонки сырой нефти, окисления и переработки её тяжёлых фракций); дёгти - продукт перегонки твёрдого топлива и природных битумов; древесные смолы, мазут и тяжёлая нефть. Запрещается применять каменноугольные дёгти и смолы для устройства верхних слоев дорожных одежд и участков дорог, проходящих в пределах населённых пунктов, так как они способны при повышенной температуре выделять вредные для здоровья людей вещества.

К неорганическим (минеральным) вяжущим относят цементы, гипс и известь.

Цементы - (портланд, пуццолановый, шлакопортланд, расширяющийся, гидрофобный, быстротвердеющий, пластифицированный и др.) - тонкомолотые порошкообразные смеси минерального происхождения, которые при замешивании с водой (затворении) образуют пластичное тесто, постепенно затвердевающее и переходящее в камнеподобное состояние. В дорожном строительстве наибольшее распространение получил портландцемент - продукт тонкого помола клинкера (клинкер - материал, получаемый путём спекания сырьевой смеси - глины и углекислого кальция). В зависимости от механической прочности портландцемент выпускается марок 300, 400, 500 и 600. марки цемента характеризуются прочностью при сжатии образца в 28-дневном возрасте (измеряется в паскалях). Цемент используют для приготовления строительного раствора (смесь песка, цемента и воды), бетона (смесь песка, щебня или гравия, цемента и воды) и железобетона (бетон, армированный стальными прутьями). Из бетона и железобетона изготавливают элементы мостов и дорожных труб; покрытия дорожных одежд капитального типа также могут быть выполнены из бетона.

Известь - неорганическое вяжущее, получаемое путём обжига карбонатных пород - известняков, доломитов и т. д. Известь может иметь вид комков (комовая, негашеная); порошка (молотая); пушонки (получают путём гашения водой комовой или молотой извести).При избытке воды в извести образуется известковое тесто.

В дорожном строительстве  известь используют для повышения прочности и водостойкости грунтов и изделий из гипса, а также для приготовления раствора.

 

7.2 Конструктивные слои и дорожные  одежды различных типов.

 

Дорожной  одеждой называют один или несколько конструктивных слоев, укладываемых на заранее подготовленное земляное полотно в пределах проезжей части для создания прочной и ровной поверхности. Дорожную одежду устраивают из материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию движения транспорта и влиянию климатических факторов.

Воспринимая нагрузку от проходящих автомобилей, дорожная одежда передает ее нижележащим слоям грунта, рассредоточивая на большую площадь. В результате такого рассредоточения в земляном полотне возникают значительно меньшие напряжения и деформации; величина их при рационально спроектированной конструкции не влияет на прочность всей одежды даже в периоды переувлажнения грунта.