5.1. Общие закономерности изменений состояния дорог в процессе эксплуатации и их основные причины

Под совместным воздействием многократно повторяющихся нагрузок от автомобилей и природных факторов в земляном полотне и в дорожной одежде возникают напряжения и деформации, которые, постепенно накапливаясь, могут привести к их разрушению. При деформациях и разрушениях земляного полотна неизбежно деформируется и разрушается дорожная одежда. Под деформациейпонимают изменение размеров или формы тела без уменьшения его массы и без потери сплошности.Разрушение- это изменение размеров и формы тела с изменением (уменьшением) массы тела или потерей сплошности. В практической деятельности все виды деформаций и разрушений часто относят к дефектам состояния дороги, которые включают в себя также отступления от проектных решений или нормативных требований по геометрическим параметрам, инженерному оборудованию и обустройству дорог, организации и безопасности движения, эксплуатационному состоянию дорог и др.

Причиной возникающих деформаций могут быть проектные ошибки и строительные недостатки, недостатки в содержании и ремонте, условия эксплуатации дорог, природно-климатические факторы. Чаше всего причиной возникновения деформаций является сочетание нескольких из перечисленных факторов, действующих одновременно. На правильно спроектированной, построенной и эксплуатируемой дороге в пределах межремонтных сроков службы дорожных одежд и покрытий не должно быть разрушений (кроме износа покрытий), но могут быть деформации в допустимых пределах.

Основные факторы, являющиеся причинами образования и накопления деформаций и появления разрушений конструктивных элементов автомобильных дорог в процессе эксплуатации, по отношению к условиям работы этих элементов можно разделить на внешние, не зависящие от дороги, и внутренние, непосредственно зависящие от дороги.

Главными из них являются внешние факторы, к которым относится воздействие автомобильной нагрузки и природно-климатических условий.

Из внешних факторов наибольшее влияние на механизм образования деформаций и разрушения оказывают:

нагрузки на ось автомобиля и большое давление в автомобильных шинах;

количество повторных приложений тяжелой нагрузки при высокой интенсивности движения и короткие интервалы между этими приложениями, особенно при проходе многоосных автомобилей;

продолжительность приложения каждой нагрузки и суммарная продолжительность, которая зависит от скорости движения автомобилей на сложных участках дороги (кривые малого радиуса, крутые подъёмы, пересечения, сужения проезжей части и др.), а также при высокой плотности транспортных потоков, задержках и заторах;

температура воздуха и солнечная радиация, под воздействием которых повышается или понижается температура покрытия и изменяются физико-механические свойства асфальтобетона, битума и битумоминеральных смесей;

тип грунта земляного полотна и условия его увлажнения грунтовыми и поверхностными водами, поскольку при повышении влажности грунтов выше оптимального уровня значительно снижается вязкость и увеличивается пластичность грунтов, что способствует накоплению остаточных деформаций в земляном полотне и во всей дорожной одежде.

В летний период особенно заметно влияние внешних факторов на накопление остаточных деформаций в слоях дорожной одежды из асфальтобетона и битумоминеральных смесей, которое объясняется термопластическими и вязкоупругими свойствами этих материалов. При повышенной температуре асфальтобетона энергия сил взаимодействия Ван-дер-Ваальса между частицами битума ослабевает, вязкость уменьшается, модуль упругости снижается, а величина остаточных деформаций увеличивается. Этот эффект возрастает при плохом составе смеси, когда введено чрезмерное количество вяжущего, использован битум с недостаточной вязкостью, занижено содержание заполнителя по отношению к дозировке вяжущего, а также при недостаточном уплотнении смеси.

К внутренним факторам относятся физико-механические характеристики дорожной конструкции и материалов её слоев, включая слои дорожной одежды и грунты активной зоны земляного полотна, а также показатели напряжённо-деформированного состояния этих слоев и материалов под действием нагрузки от колес автомобилей и изменения водно-теплового режима.

К наиболее важным внутренним факторам можно отнести:

недоуплотнение или неравномерное уплотнение в поперечном направлении слоев нежёстких дорожных одежд и земляного полотна;

неравномерный износ (истирание) покрытия под действием колёс автомобилей;

образование пластических деформаций в асфальтобетонных покрытиях и слоях из битумоминеральных смесей, особенно в периоды нагревания этих покрытий до высокой температуры, при которой значительно снижается вязкость битума, прочность на сдвиг и деформативные характеристики асфальтобетона и может произойти боковое выпирание материала слоя. В холодный период, наоборот, вязкость битума возрастает, увеличивается прочность и жесткость асфальтобетона, происходит образование температурных трещин;

появление структурных разрушений и накопление остаточных деформаций в покрытии и других слоях дорожной одежды, когда вертикальные или горизонтальные напряжения, возникающие от воздействия колёс тяжёлых автомобилей, превысят допустимые значения и начнётся нарушение сплошности или структуры материала одного или нескольких слоев;

накопление остаточных деформаций в грунте земляного полотна под действием нагрузки от тяжелых грузовых автомобилей, особенно в период наибольшего увлажнения грунта, когда их несущая способность снижается до минимальных значений.

Накопление деформаций в конструктивных элементах дороги в процессе эксплуатации происходит неравномерно. Можно условно выделить несколько характерных периодов изменения транспортно-эксплуатационного состояния дороги во времени (рис. 5.1.).

Рис. 5.1. Характерные периоды изменения состояния дороги: 1 - очень хорошее; 2 - хорошее; 3 - удовлетворительное; 4 - плохое, недопустимое; t₁,t₂,t₃,t₄- продолжительность различных периодов, лет

Первый периодпосле завершения строительства и ввода автомобильной дороги в эксплуатацию характерен очень высоким уровнем состояния дороги. В этот период происходит медленный, малозаметный износ покрытия. В результате действия движущихся автомобилей происходит доуплотнение слоев дорожной одежды и земляного полотна и формирование их устойчивой структуры. Отдельные деформации возникают главным образом вследствие дефектов строительства, ремонта или содержания. Для их устранения достаточно выполнять систематические работы по содержанию дороги. Задержка по срокам или неполное выполнение этих работ приводит к существенному сокращению продолжительности первого периода и наступления второго.

Второй периодхарактерен достаточно хорошим уровнем состояния дороги. Однако заметно увеличивается износ покрытия, снижаются его сцепные качества и ровность, появляются трещины и выбоины. Степень и скорость развития этих деформаций зависят прежде всего от интенсивности и состава транспортного потока. Особенно большое разрушающее воздействие оказывают тяжёлые грузовые автомобили, автопоезда, сочленённые и многоосные транспортные средства.

Для устранения накопившихся деформаций и других дефектов необходимо своевременно выполнять работы по ремонту дороги с воспроизводством её первоначальных транспортно-эксплуатационных характеристик, при котором должно производиться возмещение износа покрытия, восстановление и улучшение его ровности и сцепных качеств, устранение всех деформаций и повреждений дорожного покрытия, земляного полотна.

Промедление с выполнением восстановительных работ приводит к значительному ускорению темпов нарастания деформаций.

Третий периодхарактерен накоплением деформаций не только в покрытии, но и в других слоях дорожной одежды, а также в земляном полотне. Как правило, к этому периоду значительно возрастает интенсивность движения, в том числе и количество тяжёлых грузовых автомобилей. Начинает проявляться эффект старения и деградации структуры материалов слоев дорожной одежды; накапливаются усталостные явления. В результате увеличивается площадь деформаций дорожной одежды, появляются её разрушения.

Состояние дороги быстро переходит от удовлетворительного к плохому. Требуется немедленный капитальный ремонт с усилением дорожной одежды или реконструкция. Задержка с проведением этих работ приводит к быстрому разрушению дороги и многократному удорожанию работ по ее реабилитации в последующем.

Важно отметить, что продолжительность того или иного состояния дороги в значительной степени зависит от уровня эксплуатационного содержания и своевременности выполнения работ по предупреждению и устранению возникающих деформаций и разрушений.