Причины образования колейности на автомобильных дорогах

Структурная колея

Структурная колея, или как ее еще называют, глубинная, появляется в результате накапливания в конструктивных слоях дорожной одежды (покрытие, основание, дополнительный слой основания), а так же в рабочем слое земляного полотна, остаточных деформаций.

Остаточная деформация – это разновидность деформаций, которой свойственно оставаться в объекте деформаций, после снятия внешней нагрузки. Под воздействием внешней нагрузки объект деформации больше не возвращается в первоначальное состояние и теряет свою заданную форму.

Остаточные деформации в конструкции дорожной одежды представляют собой уплотнение и продавливание отдельных мест конструктивных слоев, расположенных в зоне контакта колес транспортного средства (полосами наката) и конструкцией дорожной одежды.

В процессе накопления в конструкции дорожной одежды остаточных деформаций возникают процессы уплотнения и сдвигов конструктивных слоев, показатель которого зависит от значения одноименного напряжения. Учитывая данный факт, основной причиной образования глубинной колеи является деформация уплотнения и ее совместное влияние с деформацией от напряжения сдвига.

Структурная колея представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная колея. 1 – покрытие, 2 – основание, 3 – дополнительный слой основания, 4 – рабочий слой земляного полотна

Проводя анализ рисунка 1 можно установить, что глубинная колея может распространять свое действие на все конструктивные слои дорожной одежды и грунта рабочего слоя земляного полотна. То есть в данном типе колейности деформируемым, или нестабильным слоем, может выступать любой слой конструкции дорожной одежды.

Это обусловлено тем, что в составе асфальтобетонных смесей и щебеночных оснований основным каменистым заполнителем является щебень различных пород и фракций. Один из основных физико-механических показателей щебня является дробимость, то есть возможность сопротивляться процессу дробления под воздействием внешних нагрузок, теряя свою первоначальную форму и фракцию.

Наиболее часто именно щебеночные основания подвержены процессу дробления каменистого материала под воздействием внешних нагрузок. Данный процесс приводит к изменению структурного состава конструктивного слоя путем дробления каменистого материала и его последующее переуплотнение и заклинка в нижележащий слой, либо дробление частиц до полной потери формы и способности воспринимать поступающую нагрузку от транспортных средств.

С учетом того, что принцип образования глубинной колеи не зависит от каких-либо природно-климатических особенностей, а целиком и полностью зависит от количества прилагаемой нагрузки от транспортных средств, деформации уплотнения и вида применяемого каменистого материала, данный тип колейности может возникать на всей территории Российской Федерации вне зависимости от географического положения и дорожно-климатической зоны.

Колея сдвига

Данный вид колейности, как показывает практика, образуется наиболее быстро и, как правило, достаточно в короткий промежуток времени после укладки асфальтобетонных слоев покрытия.

В данном типе колейности деформируемым, или нестабильным слоем конструкции дорожной одежды, является исключительно верхний слой покрытия.

Образуется колея сдвига при превышении расчетного значения напряжения активного сопротивления сдвигоустойчивости материала, которое было получено при проектировании и конструировании дорожной одежды.

Колея сдвига представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Колея сдвига. 1 – покрытие, 2 – основание, 3 – дополнительный слой основания, 4 – рабочий слой земляного полотна, 5 – боковой выпор

Обычно колея сдвига достаточно глубокая и имеет глубину чуть меньше толщины всего пакета асфальтобетонных слоев покрытия. Данный тип колеи обязательно должен сопровождаться боковыми выпорами, которые и являются индикатором того, что асфальтобетонные слои не выдерживают напряжения от возникающих нагрузок на сдвигоустойчивость материала.

Однако, с учетом того, что в процессе проектирования и конструирования дорожной одежды, проводятся необходимые расчеты с целью получения данных о предельном показателе напряжения активного сопротивления сдвигоустойчивости конструктивных слоев, можно сделать вывод о том, что на этапе проектирования сдвигоустойчивость асфальтобетонных слоев была полностью обеспечена.

Следовательно, для понимания более глубоких причин образования колеи сдвига необходимо понять, а что влияет на сдвигоусточивость асфальтобетонных слоев.

На сдвигоусточивость асфальтобетонных слоев влияют три основных показателя, таких как:

1. Вид каменистого заполнителя.

От вида каменистого заполнителя асфальтобетонной смеси зависит то, насколько сильно он будет взаимодействовать с органическим вяжущим. Например, щебень из осадочных горных пород не полностью поглощается компонентами битумного вяжущего, тем самым не происходит полного обволакивания каменистого материала и, как следствие, нарушается целостность и прочность слоя. Щебень из магматических горных пород, в свою очередь, полностью обволакивается компонентами битумного вяжущего.

При разработке проектно-сметной документации вид каменистого заполнителя не выбирается проектировщиками, следовательно, при проведении расчета конструкции дорожной одежды – данный показатель не учитывается и может являться причиной образования колеи сдвига. Кроме того, получение проектной организацией положительного заключения Государственной экспертизы в строительстве подтверждает факт правильности назначения материалов и проведенных расчетов, но не дает строителям представления о том, какой именно щебень использовать для асфальтобетонных смесей или основания. Ведь под щебень М1200 можно подобрать как гранитный, габбро-диабаз, пироксенитовый или другую породу щебня, который в свою очередь имею совершенно различные физико-механические и химические показатели, но объединены исключительно маркой по прочности.

2. Процент содержания органического вяжущего в составе готовой смеси.

Например, процент содержания органического вяжущего в щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесях составляет от 5,50 % до 7,50 %. В случае нарушения технологии приготовления щебеночно-мастичного асфальтобетона и допущения нарушения процентного содержания в составе смеси органического вяжущего в большую сторону, сдвигоустойчивость асфальтобетонных слоев значительно снижается. Кроме того, снижается показатель водонасыщения и коэффициент внутреннего трения.

Более подробным изучением зависимости процентного содержания органического вяжущего и показателя сдвигоусточивости асфальтобетонных слоев занимались сотрудники кафедры «Автомобильные дороги» ФГБОУ «Брянский государственный инженерно-технологический университет» З.А.Мевлидинов, Т.И.Левкович и А.Е.Билько «Обеспечение сдвигоустойчивости асфальтобетонных смесей в покрытиях автомобильных дорог».

3. Высокая температура нагревания асфальтобетонных слоев в процессе эксплуатации.

Как видно на рисунках 1 и 2, асфальтобетонные слои первые из всей конструкции дорожной одежды воспринимают поступающие нагрузки от транспортных средств и наиболее сильно зависят от климатических особенностей территории.

Ключевым качеством асфальтобетонных слоев является систематическое изменение его эксплуатационных свойств под воздействием транспортных нагрузок и климатических показателей (в частности температуры окружающей среды). Наиболее сильно подвержено температурному воздействию органическое вяжущее в составе асфальтобетонных слоев.

Асфальтобетонные слои покрытия при различной температуре окружающей среды могут находиться в трех различных состояниях, а именно:

• в упругом;
• в упруго-вязком;
• в упруго-пластичном.

Температура окружающей среды и величина транспортной нагрузки на асфальтобетонные слои полностью коррелируются с упругими свойствами покрытия.

Чем выше температура окружающей среды и большие транспортные нагрузки, тем быстрее асфальтобетонные слои переходят в пластичное состояние, и наоборот.

По данным профессора Н.В.Горелышева, сцепление колеса транспортного средства с покрытием и угол внутреннего трения асфальтобетонного слоя будет непрерывно уменьшаться при повышении температуры окружающего воздуха, и как следствие, деформация асфальтобетонных слоев будет увеличиваться.

Рис. 3. Корреляция сцепления и угла внутреннего трения от температуры окружающей среды и от скорости деформации

Корреляцию упругости асфальтобетонных слоев от собственной температуры покрытия выявил профессор А.О.Салль, который доказал, что чем выше температура окружающей среды, тем менее упругими становятся асфальтобетонные слои, и, как следствие, не восстанавливаются под действием климатических факторов и транспортных нагрузок в исходное состояние.

Профессор А.О.Салль провел испытания асфальтобетонных слоев с различными органическими вяжущими в составе, а именно: 1 – БНД 60/90, 2 – 90/130, 3 – БНД 130/200. Как показал проведенный опыт, чем выше вязкость битума и такой показатель, как глубина проникновения углы, тем более пластичными становятся асфальтобетонные слои под воздействием высокой температуры окружающей среды.

Рис. 4. Корреляция зависимости упругости асфальтобетонных слоев и температуры окружающей среды

Проведенный анализ показывает, что как только температура окружающей среды достигает определенных значений, то органическое вяжущее становится вязким, а асфальтобетонные слои начинают терять свои упругие свойства и приобретать пластичную форму. Следовательно, необходимо принимать меры по недопущению повышения температуры покрытия и, как следствие, потери упругости и прочности органического вяжущего при высокой температуре окружающей среды

Добиться снижения температуры асфальтобетонного покрытия, с целью недопущения его перехода из упругого состояния в пластичное, при котором начинается процесс образования колеи сдвига, можно с помощью систематическим поливом холодной водой асфальтобетонных слоев. Полив необходимо осуществлять в наиболее жаркие периоды года, а именно в летний период, с применением средств механизации, таких как КДМ или специализированными машинами для полива.

Проведя анализ 3-х основных показателей, которые в значительной степени влияют на сдвигоустойчивость асфальтобетонных слоев покрытия и, как следствие, образование колеи сдвига, можно установить, что все три показателя прямо или косвенно зависят от человеческого фактора. Следовательно, колея сдвига может свидетельствовать либо о некачественном способе укладки асфальтобетонных слоев в процессе проведения строительно-монтажных работ, либо некачественном проведении работ по летнему содержанию автомобильных дорог и недобросовестной заботе о состоянии покрытия проезжей части.

Учитывая вышеизложенную информацию, а так же как показывают практические наблюдения за состоянием автомобильных дорог, колея сдвига наиболее характерна для южных регионов Российской Федерации, так как именно в них температура окружающей среды в весенне-летний период наиболее высокая и держится достаточно долгое время.

На представленной климатической карте (см. рисунок 6), к южным регионам Российской Федерации, наиболее подверженным образованию колеи сдвига, можно отнести территории, на которых средняя температура окружающей среды в течение года более 6°С.

Рис. 6. Климатическая карта Российской Федерации

Абразивная колея

Наименование «абразивная» образовано от французского слова abrasif – истирающий, или от латинского слова abradere – соскабливать.

Как видно из значения слово «абразивная», причиной образования данного вида колейности является истирание верхнего слоя покрытия проезжей части под воздействием определенных транспортных нагрузок.

Абразивная колея представлена на рисунке 7.

При абразивной колейности отсутствуют характерные для структурной колеи доуплотнение материала в глубине конструктивных слоев дорожной одежды под зоной контакта колеса транспортного средства и покрытия проезжей части.

Кроме того, в абразивной колейности отсутствуют характерные внешние выпоры, которые образуются в колее сдвига.

Абразивная колея образуется исключительно в зоне контакта колеса транспортного средства и покрытия проезжей части (полоса наката) и не распространяется на нижележащие конструктивные слои.

Рис. 7. Абразивная колея. 1 – покрытие, 2 – основание, 3 – дополнительный слой основания, 4 – рабочий слой земляного полотна

Проведённый анализ опыта эксплуатации автомобильных дорог в Самарской области позволил выявить две основные причины образования абразивной колеи, которые, тем не менее, очень связаны между собой.

Абразивная колея от транспортных нагрузок

Одной из причин образования абразивной колеи являются транспортные нагрузки от движения автомобилей по автомобильной дороге.

Шина транспортного средства, как представлено на рисунке 2.10, в зоне контакта с покрытием проезжей части – деформируется.

Рис. 8. Сжатие (А) и растяжение (Б) шины при движении транспортного средства

Как видно из представленного рисунка, в момент, когда участок шины переходит в зону контакта с покрытием – она сжимается под определенным углом, а в тот момент, когда данный участок выходит из зоны контакта – происходит растяжение шины под определенным углом. Следует отметить, что длина зоны контакта (l) меньше, чем длина любого другого участка шины (l1) вне зоны контакта.

Следовательно, в зоне контакта шины с покрытием (l) любая точка шины двигается с большим ускорением, чем любая точка на шине вне зоны контакта (l1). Поэтому, в зоне контакта шины с покрытием проезжей части происходит такое явление, как проскальзывание колеса относительно покрытия проезжей части, вместо своего нормального движения.

Учитывая возникающие вышеуказанные касательные напряжения, в границах зоны контакта начинается процесс совместного износа и истирания, как шины, так и покрытия проезжей части.

Как показывает практика, наиболее сильно процесс истирания покрытия проезжей части и шины происходит во время торможения транспортного средства, в том числе при блокировке колес в результате торможения.

Рис. 9. Процесс совместного истирания шины и покрытия

Как видно из представленного рисунка 9, в процессе торможения транспортного средства на покрытии проезжей части остаются микрочастицы шины, что свидетельствует об истирании шины и покрытия.

Кроме того, истирание шин и покрытия проезжей части во время торможения транспортного средства значительно увеличивается в зависимости от массы самого транспортного средства и достигает разницы в 2-3 раза относительно легкового автомобиля.

На рисунке 10 представлены зрительное изображение деформации шины транспортного средства в процессе торможения.

Рис. 10. Деформация шины в процессе торможения

Основным материалом, из которого изготавливаются шины, является резина, которая в свою очередь может быть либо синтетическая, либо из натурального каучука. Сама по себе резина обладает высокими сцепными качествами, что значительно способствует как повышению безопасности дорожного движения, так и совместному истиранию.

Проведенный анализ показывает, что абразивная колея возникает в результате контакта шины и покрытия проезжей части по полосам наката. Однако, как показывает практика, процесс образования колейности в значительной степени происходит в зимний период времени года и достигает пикового значения в самом начале весны (см. рисунок 3). Что же является истинной причиной образования абразивной колеи в вышеуказанный временной период? Конечно, речь идет о применении шипованной резины в зимний период времени года.

Абразивная колея от применения шипованной резины

Шипованная зимняя резина на территории Российской Федерации применяется повсеместно. Изменяется лишь интервал ее применения на различных территориях.

Следует отметить, что исследования процессов образования абразивной колеи в Российской Федерации были начаты относительно недавно, лишь в начале 2000 годов. Это можно связать с тем, что стремительный рост автомобилизации населения Российской Федерации начался примерно в этот же период после небольшого застоя, связанный с нестабильной ситуацией в стране в период 90-х годов. Именно в этот период и берет свое начало изучение проблематики возникновения колейности покрытия проезжей части.

В таблице и на рисунке 11 представлен процесс повышения уровня автомобилизации населения Российской Федерации и СССР начиная с 1970 года.

Таблица

Уровень автомобилизации населения СССР и Российской Федерации

Рис. 11. Изменения уровня автомобилизации населения СССР и Российской Федерации

Первые исследования влияния зимней шипованной резины на образование абразивной колеи начались в зарубежных странах. Это связано с тем, что уровень автомобилизации населения зарубежных стран исторически значительно выше, чем уровень автомобилизации как бывшего СССР, так и нынешней Российской Федерации.

На рисунке 12 представлена корреляция уровня автомобилизации Российской Федерации относительно других стран.

Рис. 12. Корреляция уровня автомобилизации Российской Федерации и других стран

Анализируя уровень автомобилизации населения других стран, становится очевидно, что именно благодаря большему количеству транспортных средств, находящихся в пользовании населения, они первые выявили причинно-следственную связь корреляции образования абразивной колеи и уровня автомобилизации населения.

В 1960-1980 годах прошлого века иностранные ученые и инженеры, такие как J.H Keyser, J. E. Burke, в своих трудах выявили зависимость образования абразивной колеи в результате применения в зимний период времени года шипованной резины.

J.H. Keyser в своей работе «Effect of Studded Tires on the Durability of Road Surfacing» доказал, что новое покрытие проезжей части, выполненное из асфальтобетонных слоев, в течение 2-3 лет истирается до нижнего слоя, в результате применения зимней шипованной резины. При этом глубина истирания и абразивной колеи составляет на разных участках от 63 мм до 191 мм. Автор так же отмечает, что в результате применения зимней шипованной резины, отдельные подрядные организации отказывались предоставлять и исполнять гарантийные обязательства на сохранность верхнего слоя покрытия на срок более 2 лет.

Проведя вышеуказанный анализ можно сделать вывод о том, что уровень автомобилизации населения и образования абразивной колеи – взаимосвязанные вещи. В зависимости от уровня интенсивности движения транспортных средств, как вне города, так и в городской черте, зависит истираемость покрытия проезжей части и образование абразивной колеи.

В процессе движения транспортного средства, оборудованного зимней шипованной резиной, в зоне контакта шины и покрытия проезжей части, каждый отдельно-взятый шип наносит удар по покрытию. Учитывая, что среднее значение количества шипов на зимней резине находится в диапазоне от 90 до 130 штук, при одном обороте колеса транспортного средства о покрытие проезжей части производится удар шипов, не менее указанных значений.

Систематическое движение транспортных средств с зимней шипованной резиной значительно ослабляет прочность верхнего слоя покрытия проезжей части, и способствует его истираемости за счет огромного количества ударов шипов о покрытие.

Как уже было выявлено ранее, в зоне контакта шины и покрытия проезжей части происходит проскальзывание колеса транспортного средства относительно покрытия проезжей части. Следовательно, наибольшее истирание покрытия проезжей части шипованной резиной происходит после выхода шипов из зоны контракта шины и покрытия проезжей части за счет эффекта проскальзывания и возникающего ускорения в финальной точке зоны контакта.

J. E. Burke в своей работе «Some Tests of Studded Tires in Illinois»установил, что абразивная колея, возникающая при истирании покрытия проезжей части шипованной резиной на всем протяжении участка автомобильной дороги – не постоянная и зависит от скорости движения транспортного средства и вида участка автомобильной дороги, допустим, перегон или перекресток.

Следует отметить, что в нормативном документе ОДМД «Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах» данный тип колейности не рассматривается и не упоминается. Возможно, в 2002 году ученые еще не обладали достаточной доказательной базой по данному типу колейности и не могли однозначно утверждать о ее существовании.