Напряженно-деформированное состояние дорожных конструкций, процесс их разрушения

Под нагрузкой от колес автомобиля дорожная одежда прогибается, затем постепенно восстанавливается (рис, 5.1, а). Прогиб от колеса тяжелого грузового автомобиля распространяется во все стороны, образуя чашу прогиба радиусом до 3 – 4 м, которая перемещается по ходу движения автомобиля. Чаши прогиба частично перекрывают друг друга, охватывая всю ширину полосы движения. При этом в слоях одежды возникают напряжения сжатия, растяжения, изгиба и сдвига (рис. 5.1. б). Чрезмерные напряжения от транспортных нагрузок приводят к возникновению деформаций.

Рис. 5.1. Схема образования чаши прогиба и разрушения нежестких дорожных одежд под колесом автомобиля:

1 – колесо; 2 – прогиб дорожной одежды; 3 – сжатие шины; 4 – дорожная одежда; 5 - земляное полотно; 6 – чаша прогиба; 7 - зоны растяжения и трещины в одежде; 8 -выпирание грунта; 9 -направление сжатия грунта

Напряженно-деформированное состояние дорожных одежд зависит от их конструктивных особенностей, структуры и свойств материалов, прочности грунта земляного полотна, загружения дороги. Слои одежды имеют структуру контактного, коагуляционного или кристаллизационного типов.

При структуре контактного типа, характерном для слоев щебня, гравия и песка, минеральные частицы взаимодействуют непосредственно. Такие слои не обладают связностью и практически не проявляют вязких свойств.

При структуре коагуляционного типа минеральные частицы покрыты пленками воды или органического вяжущего. К таким материалам относят грунты, связные и укрепленные органическим вяжущим, битумоминеральные смеси и асфальтобетон. Материалы, обработанные органическим вяжущим, отличаются повышенной связностью и под действием нагрузки проявляются как упругие, так и вязкие свойства.

Кристаллизационный тип структуры характерен для цементобетонов, каменных материалов и грунтов, укрепленных цементом и другим минеральным вяжущим. Связь между частицами материала осуществляется через спайки, образованные кристаллами вяжущего. Для таких материалов характерна повышенная жесткость и прочность, упругие свойства выражены достаточно четко. Для слоев одежды из монолитных материалов наиболее опасны растягивающие напряжения, возникающие в слое при изгибе, а для слоев из слабосвязных материалов (зернистых) – напряжения сдвига (касательные).

Для слоев и покрытий с контактным типом структуры наиболее характерны просадки за счет доуплотнения и дезинтеграции фракций, истирания, а на покрытиях – волнистость, выбоины, износ. При каждом прогибе дорожной одежды отдельные зерна каменных материалов истираются, раскалываются, размельчаются. В частицах мельче 0,071 мм, образующихся при размельчении щебня, может наблюдаться капиллярное поднятие и длительное удержание воды. Превращаясь во влажную пластическую массу между твердыми зернами, мелкие частицы вместе с водой облегчают перемещение зерен, увеличивая размеры прогиба одежды под колесами автомобилей и ускоряя дальнейшее измельчение материалов. При этом повышается суммарная поверхность зерен и вяжущего становится недостаточно. Кроме того, происходит старение вяжущего, покрытие становится более жестким. Сначала образуются волосные, затем более широкие трещины, в которые проникает вода, замерзающая зимой, и покрытие постепенно разрушается. Для слоев с коагуляционным типом структуры наиболее характерны усталостные и температурные трещины, деформации в виде сдвигов и наплывов. Физико-механические свойства материалов, обработанных битумом, определяются особенностями связей, возникающих между отдельными зернами, и зависят от свойств битума, толщины его пленки, а со временем – от изменения его химического состава.

При старении материала типа асфальтобетона под действием воды и кислорода воздуха выявляются три стадии (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Влияние старения битума на долговечность покрытия:

1 – изменение когезионной прочности битума; 2 - изменение прочности покрытия; К, С – точки резкого падения прочности

На первой стадии длительное время нарастает прочность, водоустойчивость, уменьшаются деформативные свойства материала. Это происходит за счет уменьшения количества масел, увеличения смол, особенно асфальтенов, повышения вязкости и когезии битума в результате взаимодействия битума с минеральным материалом. На второй стадии старения снижается водо- и морозоустойчивость битумоминерального материала без заметного изменения его прочности. Третья стадия сопровождается резким снижением прочности материала, повышением его водонасыщения, набухания и уменьшением водо- и морозоустойчивости. Это приводит к коррозии покрытия, усиленному выкрашиванию минеральных частиц и образованию выбоин и разрушений.

При одном прогибе дорожной одежды, минеральный материал которой обработан органическим вяжущим, эти изменения могут быть бесконечно малыми. Однако за период службы одежды число прогибов измеряется миллионами, поэтому остаточные деформации возрастают. Механизм усталостного разрушения состоит в следующем. Хотя максимальные растягивающие напряжения при проходе одного автомобиля значительно меньше критических, из-за неоднородности материала локальные напряжения мо-гут существенно отклоняться от среднего значения. В местах, где они превышают предел упругости плёнок битума, связи рвутся. Повторяющиеся приложения нагрузки приводят к накоплению разорванных связей. В результате через определенное число циклов приложения нагрузки в нижней части покрытия по полосам наката появляются продольные тонкие трещины, объединяющиеся затем в большие, образуется сетка трещин, которые растут одновременно в двух направлениях: вверх и по длине. При дальнейших нагружениях трещина проходит сквозь покрытие и становится видимой на поверхности.

Разрушение асфальтобетона зависит от скорости нагружения и температуры и может носить как хрупкий, так и вязкий характер. Критическим периодом работы покрытия является весенний, когда в результате снижения прочности грунта земляного полотна прогиб дорожной одежды максимальный, а температура покрытия часто колеблется от 0 до + 10°С.

С повышением скорости автомобилей время действия растягивающего напряжения в покрытии сокращается, вместе с этим уменьшаются повреждения от транспортных средств. Однако это происходит только на розных покрытиях. При наличии неровностей возникают разрушения из-за динамического воздействия нагрузки. Горизонтальные (тангенциальные) сжимающие и растягивающие напряжения служат причиной пластических деформаций, а также разрушений в верхних слоях дорожной одежды (сдвигов, волн, наплывов и поперечных трещин по следам наката).

Такие деформации особенно часты на тонких покрытиях - толщиной менее 8 см. При большей толщине покрытий сдвиговые деформации бывают реже, так как напряжения, вызываемые в дорожной конструкции тангенциальными усилиями, приложенными на поверхности покрытия, сравнительно быстро затухают по глубине (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Эпюра распределения касательных напряжений по глубине

Для слоев и покрытий кристаллизационного типа более характерны восстанавливающиеся деформации и разрушения (трещины, проломы, шелушение, истирание).

В цементобетонных покрытиях напряжения возникают под влиянием нагрузки и температуры воздуха. При нагревании и охлаждении покрытие изменяет размеры, но из-за трения нижней поверхности покрытия (или основания) о грунт появляются температурные напряжения. К ним также относят напряжения, возникающие в результате равномерного распределения температур по толщине покрытия и приводящие к короблению. Температурными условно можно считать также напряжения от неравномерного поднятия покрытия в процессе зимнего вспучивания земляного полотна. Температурные напряжения совместно с напряжениями от нагрузок транспортных средств приводят к образованию и развитию трещин в бетоне.

Деформации и разрушения земляного полотна и водоотводных сооружений. Для земляного полотна типичны осадки, просадки, пучины и деформации обочин, расползание насыпей, сползание и размывы откосов, выдувание обочин и откосов из несвязных и слабосвязных грунтов (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Характерные деформации и разрушения земляного полотна:

а - осадка: б - просадка; в - сползание насыпи; г - то же откоса.

Осадки возникают вследствие недостаточного уплотнения или переувлажнения грунтов, особенно часто в местах повышенного увлажнения, при применении недоброкачественных грунтов для высоких насыпей.

Просадки насыпей образуются на участках со слабыми подстилающими грунтами – на болотах, просадочных грунтах, карстах и т. д.

Сползание происходит на косогорных участках из-за недостаточного сопротивления сдвигу основания насыпей или на оползневых участках. Причинами этих деформаций являются недоброкачественная подготовка основания (отсутствие уступов, недостаточное уплотнение), наличие в основании слабопрочных грунтов, повышенное увлажнение и недоуплотнение нижних слоев насыпи.

Оползание откосов наблюдается при применении слабых грунтов, их переувлажнении и недоуплотнении, чаще всего из-за отсутствия укреплений и, интенсивного увлажнения атмосферными осадками или поверхностной водой. Кроме того, сползание может быть из-за превышения норм крутизны откосов, присыпки земляного полотна при уширении без устройства уступов или с недостаточным уплотнением.

Размывание и выдувание обочин и откосов происходит вследствие водной и ветровой эрозии, когда земляное полотно возведено из несвязных или слабосвязных грунтов при недостаточно эффективном укреплении откосов и обочин.

Для обочин характерны деформации в виде колей и выбоин, возникающих от наезда автомобилей на неукрепленные обочины, особенно увлажненные и недостаточно уплотненные. К деформациям обочин относят образование обратного уклона, особенно там, где установлены парапеты, ограждения и сигнальные столбики, мешающие планировке обочин в процессе содержания.

Деформации и разрушения водоотводных сооружений различны по характеру и причинам возникновения.

Грунтовые канавы и лотки подвергаются размыву в первую очередь в местах больших продольных уклонов, заиливаются и зарастают при малых уклонах.

Канавы и лотки, укрепленные плитами, каменными и другими материалами, могут размываться водой в местах стыков плит, разрушений укрепляющих устройств к т.д.

Дренажные и подземные водосточные трубы засоряются грунтом и случайно попавшими предметами (соломой, травой, корягами), из-за чего прекращается их работа.

Для водопропускных труб характерны раковины, выщелачивание раствора, вымывание грунта из тела насыпи, трещины, сдвиги звеньев, деформации оголовков, отделение оголовков от тела трубы, просадки, засорение.

Раковины и выщелачивание-разрушение материала конструкции вследствие выветривания наружных слоев бетона под действием грунтовой и поверхностной воды, частично растворяющих и вымывающих вяжущие.

Вымывание грунта из насыпи происходит при нарушении изоляции стыков между звеньями в образовавшиеся щели вода выносит грунт, образуя пустоты за трубой.

Трещины в бетоне и сдвиги звеньев возникают при неравномерном, иногда одностороннем давлении грунта на трубу. Условия работы трубы под нагрузкой ухудшаются при образовании пустот в насыпи из-за вымывания грунта.

Деформации оголовков в отделении их от трубы могут быть вызваны неравномерной осадкой фундаментов оголовков и звеньев, их подмывом, увеличением горизонтального давления на оголовки при переувлажнении грунта насыпи и сползании откосов.

Просадки – вертикальные неравномерные смещения звеньев вследствие неодинакового давления насыпи по длине трубы (большее давление на средние звенья). Этому обстоятельству способствует применение при возведении насыпи слабопрочных грунтов (торфяных, илистых) и вымывание грунта в основании звеньев.