«Новая концепция применения щебеночных материалов для повышения несущей способности дорожных оснований»

 Правильный выбор каменных материалов для дорожных оснований определяется во взаимосвязи с их свойствами и достижением максимальной плотности и жесткости уложенного слоя. Существующее на протяжении нескольких десятилетий условие, определяющее выбор материалов ‛Чем прочнее щебень, тем устойчивее основание“ было опровергнуто разработками СОЮЗДОРНИИ [1].

По новой концепции щебеночные материалы были разделены на две разновидности: легкоуплотняемые и трудноуплотняемые (СНиП 3.06.03–85). При этом легкоуплотняемые материалы из менее прочного камня позволяют достичь меньшей остаточной пористости и более высоких расчетно-нормативных показателей модуля упругости (ВСН 46-83, МОДН 2-2001) и, следовательно, являются наиболее предпочтительными. Эффект более высокой жесткости слоев из легкоуплотняемого щебеночного материала обусловлен также повышенной плотностью контактов зерен и их самозаклинкой [1,2].

Для достижения расчетно-нормативных значений модуля упругости, слой из легкоуплотняемого щебня следует уплотнять до достижения остаточной пористости 14%, а слой из трудноуплотняемого щебня до 20%. При этом, после предусмотренной СНиПом 3.06.03–85 укатки требуется дополнительное доуплотнение за счет прохода по основанию дорожного покрытия не менее 1000 автомобилей средний и большой грузоподъемности с регулированием движения по ширине [1]. В настоящее время при широком внедрении высокоэффективной виброуплотняющей техники доуплотнение слоя целесообразно заменить увеличением числа проходов вибрационного катка. В частности, при применении виброкатка массой не менее 9 тонн число проходов по каждому следу должно быть увеличено до 20-30.

Менее изучено влияние формы зерен щебня на достижение более высокой плотности и жесткости. Уделяя большое значение заклинке и взаимозаклинке зерен щебня, механику этих процессов в уплотняемом щебеночном слое практически не исследовали.

При уплотнении в щебеночном слое возникает зацепление зерен. Этот постоянно действующий боковой распор придает слою способность воспринимать растягивающие напряжения (‛кажущаяся“ монолитность), повышает жесткость слоя при работе на изгиб и сдвигоустойчивость в условиях воздействия автомобильных нагрузок. Щебеночные материалы без использования вяжущих могут быть применены для устройства несущей части основания, обеспечивающей прочность дорожной одежды, только при условии реализации этой способности. Первичные данные определения этого распора и взаимосвязи его с жесткостью приведены в работе ‛Возможности и пути повышения качества щебеночных оснований.“ [2] Ниже приведена физико-геометрическая модель процесса заклинки зерен.

По предварительным априорным данным значение распора, действующего в щебеночном покрытии, составляет от 0,2 до 0,5 МПа [3], а в щебеночном основании от 0,05 до 0,1 МПа [4]. С учетом того, что при длительном непосредственном воздействии автотранспорта на щебеночный слой распор существенно возрастает, эти данные не являются противоречивыми.

При внедрении в упруго-пластическую среду клиновидного зерна под действием вертикальной нагрузки F (см. рис. 1) по поверхности клина возникают две составляющие силы: касательная T= F/2*cos(α/2) и перпендикулярная к ней нормальная H=F/2*(cos 90°– α/2). Клин внедряется в среду, если касательная составляющая больше силы трения скольжения F/2*cos(α/2) > F/2*(cos 90°− α/2)*ƒc или ƒc*tg(α/2) < 1, где ƒc - коэффициент трения скольжения камня о камень, а α - угол клина.

Коэффициент трения скольжения ƒc в зависимости от вида породы, шероховатости поверхности и увлажненности может изменяться в широких пределах: ƒc =0,55-0,8. Таким образом, угол клина α, обеспечивающий возможность внедрения клина в уплотняемый слой, должен быть при наименьшем коэффициенте трения – менее 122°, а при наибольшем ƒc - менее 103°.

При предельном внедрении клиновидного зерна и снятии внешней нагрузки F между этим зерном и средой возникает распор P и его составляющие силы на контакте: касательная Tp=P*cos(90°−α/2) и нормальная Hp=P*cos(α/2) возникает в связи с тем, что коэффициент трения покоя больше касательной составляющей P*cos(α/2)*ƒn > P*cos(90°−α/2) или ƒn > tg(α/2) или ƒn>tg(α/2), где ƒn - коэффициент трения покоя камня о камень.

Коэффициент трения покоя ƒn в зависимости от вида породы и шероховатости поверхностей может изменяться в широких пределах: ƒn = 0,75-0,9. Таким образом, угол клина α, обеспечивающий сохранность распора после снятия внешней нагрузки, должен быть при на наименьшем возможном коэффициенте трения - менее 72°, а при наибольшем коэффициенте трения – менее 82°.

В табл. 1 приведены параметры выпуклых многогранников, к форме которых можно условно отнести зерна щебня и разделить их по расклинивающей способности. С учетом углов между ребрами, условиям создания и сохранения защемления удовлетворяют зерна кубовидной формы и тем более додекаэдральной и шарообразной форм.

Практически разделить щебень по расклинивающей способности удается с использованием зависимости объема зерна (V) от его размера (D), определяемого диаметром отверстия сита, через которое оно проходит.

V=k*D³, где k - коэффициент угловатости. В табл. 1 значения этого коэффициента рассчитаны для зерен правильной геометрической формы с одинаковыми ребрами. Чем меньше углы между ребрами и коэффициент угловатости, тем выше расклинивающая способность. Для клинца щебня клиновидно – тетраэдральной формы величина этого коэффициента должна быть менее 0,3. Таким образом, установление принадлежности щебенки к клинцу сводится к измерению ее минимального размера, ограничивающего прохождение через сито (D, см), ее массы (M, г), и плотности камня (γ, г/см). Коэффициент угловатости зерна рассчитывается по формуле k=M/(γ* D³).

Практически определять содержание клинца в щебне рекомендуется после стандартного определения содержания лещадных и игловатых зерен на составляющей материала, освобожденной от этих зерен. При этом для каждого зерна определяется размер зерна с помощью шаблонов с круглыми отверстиями (либо штангельциркулем), его масса и по формуле рассчитываются коэффициенты угловатости. Отношение массы зерен с коэффициентом менее 0,3 к общей массе определяет содержание клинца, которое по предварительным данным должно быть не менее 15%.

Нормативное ограничение содержания зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм, существенно затрудняющих уплотнение, и создающее защемления в щебеночном слое, связано, прежде всего, с технологическими возможностями дробильных установок. СНиП I-Д.2-70, ориентированные на передовой зарубежный опыт, ограничивали их содержание в щебне для дорожных оснований до 25%. Однако массовое использование в те годы щековых дробилок, дававших выход этих зерен до 34%, потребовало исправления этого норматива в СНиП 2.05.02-85 до 35%. В настоящее время при массовом применении конусных дробилок, дающих выход этих зерен от 8% до 22%, норматив 25% требует возобновления его действия.

При выборе месторождения изверженных пород для изготовления щебня с повышенным содержанием клинца предпочтительнее порода с крупнозернистой структурой, так как при дроблении отдельных зерен образуются угловатые щебенки. В этом аспекте в условиях Северо-запада России, наиболее эффективно Выборгское месторождение крупнозернистых и среднезернистых гранитов «Эркиля». Горная порода ‛рапакиви“, в переводе с финского языка ‛гнилой камень“, характеризуется крупнозернистой и среднезернистой структурой с несколько ослабленными межзерновыми связями.

Марка щебня крупных фракций по дробимости – ‛800“. Несмотря на пониженную прочность, выполненные из этих гранитов конструкции: набережные Санкт-Петербурга, колонны Исаакиевского собора, Александровская колонна на Дворцовой площади и другие – весьма и весьма долговечны.

Для натурных исследований защемления были использованы гранитные каменные материалы ЗАО «Выборгское карьероуправление». Марка щебня по дробимости – ‛800“, содержание зерен лещадной и игловатой форм от 8% до 20% ,содержание клинца от 16% до 20%. Основание устраивали из щебеночно - песчаной смеси с размерами зерен от 0мм до 80мм (смесь С-9 по ГОСТ 25607-94). Остаточную пористость слоя и возникающий в нем распор измеряли в укатываемом слое методами, изложенными в работах [1, 2]. Результаты определения показателей после 4, 8, 16 и 32 проходов катка «DYNAPAC» массой 9 тонн, представлены в табл. 2.

Табл. 2

Полученные данные свидетельствуют о достижении требуемого бокового распора и дополнительно обосновывают ранее разработанные нормативы остаточной пористости [1]. Частный, не менее важный вывод для Северо-западного региона нашей страны – это высокая эффективность использования для дорожных оснований щебня изверженных пород марки ‛800“.

Важнейшее условие для надлежащего уплотнения щебеночного слоя – это наличие песка низлежащего слоя. Песок низлежащего слоя должен иметь степень неоднородности по ГОСТ 25100 более 3. Функции песка проявляются во взаимосвязи со следующими факторами:

- повышенная жесткость песка обеспечивает в укатываемом слое напряженное состояние, требуемое для уплотнения и заклинки;

- повышенная сдвигоустойчивость предотвращает образование колеи;

- взаимопроникновение щебня и песка на границе раздела слоев повышает плотность материалов и улучшает условия их уплотнения. Этому способствует использование тяжелой виброуплотняющей техники.

Взаимопроникновение материалов особенно важно при устройстве щебеночного основания по способу заклинки, когда пустоты в щебне заполняются лишь в верхней части, а в нижней зоне, наиболее ответственной за работу на растяжение при изгибе, щебень может остаться рыхлым и не выполнять предназначенные ему функции несущего слоя. Взаимопроникновению материалов под воздействием уплотняющих нагрузок может сопутствовать процесс защемления, если этой способностью обладает песок.

Создание распора в песке средней крупности со степенью неоднородности 4 устанавливали при уплотнении песчаного слоя виброкатком массой 16 тонн. Распор в песке, установленный так же, как и в щебне, составлял после 6 проходов катка - 0,015МПа, а после 12 проходов – 0,02МПа.

При устройстве дополнительных слоев основания из однородных песков со степенью неоднородности менее 3 в соответствии с требованиями МОДН 2-2001 предусматривают укладку защитных технологических слоев из щебеночно – гравийно – песчаных смесей, отсевов дробления изверженных пород гравелистых или крупных песков оптимального состава. Эти слои, способствуя уплотнению однородных песков, выполняют так же и вышеприведенные функции песка, необходимые для уплотнения несущего щебеночного слоя основания.

Недостаток устройства щебеночных слоев из однофракционного щебня по способу заклинки ‛неравномерная плотность по глубине“ все в большей степени входит в несоответствие с прогрессом развития конструктивных и технологических решений в связи с ростом автомобильных нагрузок и необходимостью утолщения конструктивных слоев, а также расширенным внедрением высокоэффективной виброуплотняющей техники. В частности, в соответствии с нормативными отечественными правилами максимальная толщина щебеночного слоя, укладываемого в один слой за период с 1946 по 1983 годы, увеличилась в 2 раза с 15см до 30см. Этот недостаток уменьшается при замене однофракционного щебня двух- и многофракционными материалами с более высокой начальной плотностью ориентировочно на величину от 6% до 35%.

В условиях Северо-запада России наиболее приемлема замена щебня фракции 40-70мм на фракцию 20-70мм с сохранением традиционного способа заклинки и на щебеночно-песчаные смеси С4, С6, С9 по ГОСТ 25607-94. Опытно-производственное строительство оснований из гранитного щебня фракции 20-70мм было выполнено ЗАО «ПО «Возрождение» при научно-методическом сопровождении Санкт-Петербургского филиала СОЮЗДОРНИИ. Щебень марки по дробимости ‛800“ (легкоуплотняемый в соответствии с СНиП 3.06.03-85) с содержанием клинца от 16% до 20%, и зерен пластинчатой и игловатой форм от 8% до 20% изготавливается на дробильно-сортировочной установке чешской фирмы ‛DSP Prerov“ с включением в технологическую схему конусных дробилок. При устройстве основания на однородных песках дополнительного слоя основания укладывали защитные слои толщиной 8см из гранитных отсевов. Технология устройства щебеночного основания методом заклинки принята в соответствии со СНиП 3.06.03-85, при этом для расклинки применяли гранитные отсевы, соответствующие по составу смесям С12, С13 по ГОСТ 25607-94. Основание укатывали виброкатком массой 12 тонн, задавая не менее 20 проходов по каждому следу. Укатанное основание испытывали местным нагружением колесом грузового автомобиля. При выполнении вышеприведенных требований модули упругости слоя щебеночного основания были не менее 450 МПа, что соответствует расчетно-нормативным показателям МОДН 2-2001.

Технико-экономическая эффективность замены трудноуплотняемого гранитного щебня на щебеночно - песчаные смеси подтверждается при строительстве ‛Кольцевой автомобильной дороги“ вокруг Санкт-Петербурга и дороги «Кола». Научно-методическое сопровождение осуществляет ФГУП "СОЮЗДОРНИИ" и ЗАО "Петербург-Дорсервис".

Дальнейшее развитие технических требований к форме зерен дорожного щебня должно увязываться с оценкой его расклинивающей способности. Практикуемая оценка формы зерна по признаку приблизительного равенства его размеров по всем направлениям, его ‛кубовидность“, далека от совершенства: этому признаку соответствуют все приведенные в табл. 1 геометрические формы, а зерна кубовидной формы расклинивающей способностью не обладают. Особое значение приобретает оценка расклинивающей способности зерен при целенаправленном развитии дробильной техники для получения дорожного щебня клиновидно – тетраэдральной формы.

Статья опубликована в журнале «МИР ДОРОГ» №14, 15, 16 за 2005 г.