Деформации и разрушения могут быть только покрытий и всей дорожной одежды в целом. К первым относит износ, шелушение, выкрашивание, выбоины, сдвиги, волны, гребенки и трещины покрытия (рис. 5.5), ко вторым – пучины (см. гл. 4), просадки, проломы, колеру и разрушения кромок дорожных одежд
.
Рис. 5.5. Деформации и разрушения дорожных покрытий:
а - шелушение; б - выкрашивание; в - выбоины; г - сдвиг; д - волны; е - гребенка
Шелушение - отделение чешуек и частиц материала и разрушение поверхности покрытия под действием колес автомобилей, воды и отрицательной температуры воздуха с образованием микронеровностей глубиной до 5 мм.
Выкрашивание - отделение зерен минерального материала из покрытия и образование мелких раковин глубиной от нескольких миллиметров до 20 мм. Постепенно развиваясь, выкрашивание распространяется на значительную площадь и является признаком начала поверхностного разрушения покрытия.
Выбоины - местные разрушения покрытия глубиной от 20 до 100 мм и более с резко очерченными краями. Они возникают прежде всего из-за недостаточной связи между минеральными и органическими материалами, недоуплотнения покрытия, загрязнения, использования недоброкачественных материалов (пережог асфальтобетонной смеси, попадание необработанного щебня или песка в смесь и т.д.).
Особенно активно процесс образования выбоин развивается в весенний период, чему способствует чередование положительных и отрицательных температур воздуха и покрытия, наличие воды в порах покрытия. Проникая в раковины и микротрещины покрытия, вода оказывает расклинивающее действие, которое значительно увеличивается при ее замерзании. Связи между частицами материала ослабляются, и под влиянием колес автомобиля образуется выбоина, которая может быстро увеличиться.
Наезжая на выбоину, колесо получает толчок, что приводит к повторному динамическому удару на некотором расстоянии за выбоиной (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Динамика развития выбоин на покрытии:
I, 2 – трещины или раковины при выкрашивании; 3 – расклинивающее действие воды и льда и образование трещины в зоне повторного удара; 4 - вторичный удар колеса; 5, 6 – развитие смежных выбоин и их объединение
При многократном повторении этой нагрузки образуется следующая раковина или трещина, которые затем сливаются в одну большую выбоину [11].
Сдвиги – неровности, вызванные смещением материала покрытия при устойчивом основании; чаще всего образуются в местах торможения автомобилей (остановки, перекрестки). Под действием касательных сил происходит сдвиг верхнего слоя либо его сдвиг по поверхности нижнего слоя с образованием поперечных трещин на полосах наката. Этому способствует повышенная пластичность верхнего слоя (избыток вяжущего или недостаточная теплоустойчивость при высокой температуре). Смещаемый колесом поверхностный слой образует складки и наплывы.
Волны и гребенки – неровности в виде поперечных гребней и впадин с пологими краями. Закономерно чередуясь вдоль покрытия, они формируются, как и сдвиги, в местах торможения автомобилей практически на всех типах покрытий, кроме цементобетонных. Основная причина волнообразования - излишняя пластичность материала, избыток вяжущего или низкая теплоустойчивость смеси, недостатки уплотнения, а также систематическое воздействие на покрытие автомобилей одинаковой массы при одинаковой скорости. На покрытиях переходного типа, преимущественно гравийных, поперечные волны образуют гребенку - правильные четко выраженные поперечные выступы, чередующиеся с углублениями.
Трещины на покрытиях бывают различных размеров и формы (рис. 5.7). На асфальтобетонных и других покрытиях, построенных с применением органического вяжущего, трещины могут быть одиночные поперечные, продольные, косые и в виде сетки.
рис. 5.7. Трещины и разрушения покрытия:
1 - продольные по оси дороги; 2 - поперечные; 3 - косые; 4 - частые поперечные на всю ширину; 5 - продольные по полосам наката; 6 - сетка трещин по полосам наката; 7 - сетка трещин на пучинистых участках; 8 - обломы кромок
Трещины поперечные сквозные на всю ширину покрытия (температурные) возникают осенью и в начале зимы вследствие резких перепадов температуры воздуха и недостаточной сопротивляемости температурным напряжениям. Они располагаются по проезжей части на определенном расстоянии друг от друга (5-10м).
Продольные трещины, расположенные через 20-40 см друг от друга на полосах наката, в сочетании с поперечными трещинами через 1-4 м на всю ширину проезжей части бывают на покрытиях, содержащих органическое вяжущее, построенных на непрочных основаниях из грунтов или каменных материалов, укрепленных минеральным вяжущим (цемент, известь, золы уноса).
Продольные трещины на асфальтобетонных покрытиях часто появляются на стыке двух полос укладки покрытия при плохом сопряжении. Продольные трещины на полосах наката образуются под интенсивным движением автомобилей из-за недостаточной прочности отдельных слоев одежды и грунтового основания (недоуплотнение, переувлажнение), превышения нагрузок и интенсивности движения по сравнению с расчетными. Трещины продольно-косые возникают вследствие недостаточной прочности дорожной одежды, недоуплотнения грунтов полотна и их последующей осадки, особенно на высоких насыпях, а также над трубами.
Сетка трещин с мелкими ячейками на полосах наката размером сторон 10-20 см бывает на покрытии, как правило, при недостаточной прочности основания на участках оттаивания переувлажненного грунта в весенний период и период пучинообразования. Главная причина большинства трещин – усталость дорожных одежд, их недостаточная прочность.
Трещины на цементобетонных покрытиях бывают поперечные сквозные, продольные и косые сквозные, поверхностные и волосные усадочные. Поперечные сквозные трещины образуются при больших расстояниях между швами и в тех случаях, когда произошло сцепление бетонных плит с основанием, и они не могут перемещаться при температурных изменениях. Продольные сквозные трещины возникают при неоднородно уплотненном земляном полотне, когда края, уплотненные меньше, начинают давать осадку. Косые сквозные трещины появляются над пустотами, осадками земляного полотна и при недостаточно прочном покрытии. Наличие сквозных трещин в цементобетонных покрытиях обычно служит признаком недостаточной прочности и начала разрушения. Поверхностные, неглубокие трещины возникают из-за неравномерного распределения температуры по толщине плиты, вызывающего ее коробление.
Разрушение стыков - обламывание кромок и выбивание заполняющей мастики. Основными причинами являются удары колес автомобилей, недоброкачественная цементобетонная смесь, неудовлетворительная нарезка и отделка швов.
Просадки - впадины глубиной 50-100 мм и более с пологой поверхностью, но без выпучивания и образования трещин на прилегающих участках. Они возникают в местах пониженной прочности слоев одежды и грунта при увлажнении. Просадки могут быть в первые годы эксплуатации дороги при неблагоприятных грунтово-гидрогеологических условиях, вследствие недостаточного уплотнения грунтов земляного полотна и слоев одежды, а также при проявлении тяжелых автомобилей, на которые дорожная одежда не была рассчитана.
Проломы – разрушения одежды в виде более или менее длинных прорезей глубиной до 100 мм по полосам наката и выпучиваний сбоку проломов высотой 50-100 мм. Мокрые проломы образуются вследствие переувлажнения и пластического течения материала слоев основания и грунта, сухие – вследствие прорезания всех слоев одежды под действием вертикальной силы при недостаточной толщине конструкции и слабом уплотнении слоев и грунтов земляного полотна.
Колеи – деформации и разрушения дорожной одежды в виде небольших углублений по полосам наката. При интенсивном тяжелом движении колеи могут превратиться в проломы; Колеи образуются при накоплении пластических деформаций в слоях дорожной одежды, а также усиленном износе верхнего слоя покрытия. В реальных условиях оба процесса колееобразования суммируются.
Разрушение кромок - отдельные трещины и сетки трещин вдоль кромок, откол, искажение поперечного профиля прикромочных полос. Разрушение кромок происходит вследствие пониженной прочности прикромочных полос проезжей части (заниженная толщина слоев одежды у кромок, повышенная влажность грунта основания под кромкой) и отсутствия укрепленных полос со стороны обочин. Наличие деформаций и разрушений чаще всего свидетельствует о недостаточной прочности дорожной конструкции, о превышении фактической интенсивности движения над расчетной.
Износ покрытий и его причины. На износ покрытий наибольшее влияние оказывает движущиеся автомобили. Под нагрузкой шина деформируется, в зоне контакта с покрытием сжимается, а вне контакта расширяется (рис. 5.8).
рис. 5.8. Схема истирания покрытия шиной: А - зона сжатия; Б - зона растяжения
Путь точки на шине в плоскости контакта l 1 меньше, чем вне его l, точка перемещается с ускорением, большим по сравнению с движением до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость α в секторах практически одинаковая. Поэтому точка проходит по покрытию путь определенной длины с проскальзыванием вместо одного качения. Под воздействием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа истираются покрытие и шины. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ от грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше в сравнении с легковыми. Чем больше прочность, тем меньше и равномернее износ покрытия по ширине.
На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины.
Средний износ по всей площади покрытия (мм)
h ср = Kh н, (5.2)
где К - коэффициент неравномерности износа (в среднем К = 0,6 ÷ 0,7); h н – износ в полосе наката, мм.
Износ усовершенствованных покрытий измеряют в миллиметрах, а покрытий переходного типа также и по объему потери материала.
Особенности износа шероховатых покрытий. Их износ проявляется в уменьшении высоты и шлифовании неровностей макрошероховатости.
Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колес автомобилей происходит в два этапа. На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счет погружения щебня в нижележащий слой покрытия. Размер этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, крупности щебня и твердости покрытия, которую оценивают глубиной погружения иглы твердомера; асфальтобетонные покрытия могут быть очень твердые – 0-2 мм, твердые – 2-5 мм, нормальные – 5-8 мм, мягкие – 8-12 мм, очень мягкие – 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твердостью.
По данным канд. техн. наук М. В. Немчинова общее уменьшение макрощероховатости может быть описано уравнением [12]
R ср = ae –b м+ c, (5.3)
где м – число прошедших автомобилей; а, b, с – коэффициенты, зависящие соответственно от размера щебня, твердости покрытия и состава транспортного потока.
Определение износа покрытий расчетом. Среднее значение уменьшения толщины покрытий в год вследствие износа можно определить по формуле проф. М. Б. Корсунского [18]
h = a + bB (5.4)
h = a + bN/1000, (5.5)
где а - параметр, зависящий в основном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий; b – показатель, зависящий от качества (в основном прочности) материала покрытия, степени его увлажнения, состава и скорости движения; В- грузонапряженность движения, млн. т брутто в год; N -интенсивность движения, авт./сут (N ≈ 0,001 В).
Износ покрытия за Т лет с учетом изменения состава и интенсивности потока в перспективе по геометрической прогрессии
(5.6)
где N1 -интенсивность движения в исходном году, авт./сут; К = 1,05 ÷ 1,07 - коэффициент, учитывающий изменения состава потока; q1 – показатель ежегодного роста интенсивности движения
В последние годы для повышения устойчивости движения автомобилей стали применять шины с шипами и цепями. Асфальтобетонные покрытия при эксплуатации с цепями и шипами изнашиваются в 2-3 раза быстрее. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобетона на автомобильных магистралях ФРГ, где используют шины с шипами, через одну - две зимы образуются колеи по полосам наката глубиной до 10 мм. Поэтому в условиях СССР использование шин с шипами и цепями противоскольжения на дорогах общего пользования должно быть строго ограничено.
В качестве критерия предельного состояния покрытия по износу можно принять размер допустимого износа Яи для покрытий: асфальтобетонных —10-20 мм; щебеночных (гравийных), обработанных органическим вяжущим,-30-40 мм; щебеночных из прочного щебня - 40-50 мм; гравийных - 50-60 мм.
Измерение износа. Ежегодный износ цементо-, асфальтобетонных и других монолитных покрытий измеряют при помощи реперов, закладываемых в толщу покрытия, и износомера [18]. При этом способе измерения износа в покрытие предварительно закладывают реперы-стаканчики из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчет. Износ определяют также с помощью пластин (марок) трапецеидальной формы из известняка или мягкого металла, заделываемых в покрытие и истирающихся совместно с ним.
Для определения износа покрытий можно использовать различного рода электрические приборы для измерения толщины слоев в слоистых полупространствах. Например, в ФРГ используют электромагнитный прибор стратотест, основанный на отражении электромагнитных волн. Подобный прибор разработан также в Ленинградском филиале Союздорнии.