Опыт строительства цементобетонных оснований дорожных одежд в Кузбассе

УДК 625.731.71
О.П. Афиногенов, канд. техн. наук, доц., директор ООО «Кузбасский центр дорожных исследований», ООО «Кузбасский центр дорожных исследований», Россия

Введение

На большей части территории России температура воздуха зимой опускается ниже 0° С и грунт промерзает в течение 2—9 месяцев. Сочетание очень низких температур, высокий уровень грунтовых вод и когезивных грунтов создают идеальные условия для пучения на дорогах России (рис. 1). 

Рис. 1. Участок дороги с пучинообразованием. Размер деформации пучения зависит от влажности грунта, глубины промерзания, продолжительности холодного периода, скорости промерзания грунта, прочности дорожной одежды (https://mixyfotos.ru/фoто-сломанной-дороги/)

Нормативный отечественный метод проверки дорожной конструкции на морозоустойчивость (ОДН 218.046-01 с дополнениями ПНСТ 265-2018)[1] предполагает, что морозозащитный слой устраивается только из непучинистых материалов. В большинстве регионов Российской Федерации, например, на Кузбассе, такие материалы являются дефицитными. В то же время допускается устройство морозозащитных слоев из слабопучинистых грунтов[2] (СП 34.13330.2021[3] в редакции СНиП 2.05.02-85*[4]). В качестве последних на практике иногда применяют песчаные грунты. Отсутствие учета возможности пучения морозозащитного слоя может привести к недопустимой погрешности при определении деформации морозного пучения дорожного покрытия [1—10].

Как правило, дискуссия о целесообразности применения цементобетона для устройства слоев дорожных одежд сводится к сопоставлению конструкций с асфальтобетонными и монолитными цементобетонными покрытиями. В общем, это понятно: именно монолитный цементобетон позволяет добиваться наилучших результатов, но, на наш взгляд, в этом кроется принципиальная ошибка. Следует вспомнить, что по особенностям работы дорожные одежды принято делить на жесткие и нежесткие (СП 34.13330.2021, ГОСТ 33100-2014[1]).

Традиционно считают, что жесткая дорожная одежда (дорожная одежда жесткого типа) — дорожная одежда, имеющая один или несколько слоев, которые могут работать на растяжение, а их прочность и жесткость практически не зависят от температуры, влажности и продолжительности действия нагрузки. Именно в этом состоит одно из главных преимуществ использования цементобетона в дорожных конструкциях.

Как известно, к жестким дорожным одеждам нормы относят дорожные одежды с цементобетонным монолитным покрытием, со сборным покрытием из железобетонных плит, с асфальтобетонным покрытием на основании из цементобетона. В ряде случаев последние могут быть весьма эффективными. Ниже, на примере опыта Кузбасса, рассмотрены некоторые аспекты проблемы, которым следует уделить больше внимания.

Впервые цементобетонное основание на внегородских дорогах общего пользования в Кемеровской области было применено на первой в Сибири дороге I категории «Ленинск-Кузнецкий – Белово» в начале 1970-х годов. Проект участка дороги протяженностью 40 км был выполнен Сибирским отделением института «Промтрансниипроект» (г. Новокузнецк). В ходе строительства в дорожную одежду уложили около 150 тыс. м³ цементобетонной смеси из местных строительных материалов. Выбор дорожной одежды жесткого типа основывался на особенностях условий эксплуатации дороги: большой объем перевозок тяжелых грузов (уголь, металлы), близкое расположение уровня грунтовых вод, наличие переувлажненных пучинистых грунтов.

Анализ зарубежного опыта (JGS—2009[1], BS—1990[2], BS—2008[3], ASTM—2013[4]) показывает, что критерии для оценки морозного пучения в зарубежных стандартах принципиально отличаются от отечественных. Так, согласно ASTM Standard D5918—13 (2013), испытания на морозное пучение проводятся два раза по 8 ч, после чего выполняется классификация грунта по степени пучинистости. Лабораторное оборудование, рекомендуемое зарубежными стандартами для испытаний грунта на морозное пучение, имеет свои существенные отличия.

Основной принцип зарубежных методик — отказ от использования пучинистых грунтов в земляном полотне, тогда как отечественная нормативная база допускает использование таких грунтов на основе методики расчета на морозоустойчивость [11]. Однако механизм возникновения морозного пучения требует дальнейших исследований [12]. В северных районах Китая зафиксированы случаи морозного пучения в ситуациях, не связанных с использованием пучинистых грунтов в земляном полотне [13].

Британской компанией Terram Ltd разработан новый материал Frost Blanket, который предназначен специально для предотвращения морозного пучения. Он собирает и отводит всю мигрирующую жидкость, попавшую в тело насыпи, а также собирает воду, снизу попадающую в насыпь из-за процесса капиллярного подсоса из переувлажненных грунтов. При этом вода, попадающая сверху в структуру материала, не проникает вниз, а отводится в стороны. Frost Blanket разрабатывался как материал препятствующий пучению, устойчивый к обычно встречающимся в грунтах агрессивным средам, в том числе соли. Этот материал активно используется при строительстве новых дорог в странах EC [14]. В прибалтийских странах Frost Blanket используется для обновления прежних дорожных покрытий (например, в Литве) [2].

Если говорить о недостатках нормативных методик России, то они допускают использование приближенных (табличных) значений при определении степени морозного пучения грунтов. В результате в ряде случаев при проектировании автомобильных дорог возникают недопустимые погрешности. В целях устранения данного недостатка необходимо разработать и наладить выпуск стандартного лабораторного оборудования для испытания грунта на морозное пучение и оснастить им производственные лаборатории. Кроме того, предлагается метод расчета деформации пучения дорожного покрытия с учетом изменения интенсивности пучения грунта земляного полотна. Отсюда актуальность данного исследования, предлагающего определенное решение сформулированной проблемы.

Методы и материалы

При пучинообразовании происходит увеличение объема воды при переходе ее в лед и перераспределение влаги. Получается классическая схема капиллярного подъема грунтовых вод в тело насыпи, в результате дороги разрушаются за одну зиму. В летний период высокие температуры вытягивают воду на поверхность, разрушая стальные и бетонные конструкции.

В проектном задании предусматривалось покрытие из двухслойного асфальтобетона на цементобетонном основании из пластичного бетона марки М200. Несмотря на то, что дорожная одежда была запроектирована в соответствии с действующим типовым проектом, на участке км 0 — км 9 уже в 1974 году в асфальтобетоне появились многочисленные трещины. Поперечные трещины шириной от 3 до 10 мм (на всю толщину асфальтобетонного покрытия) наблюдались повсеместно — как в выемках, так и в насыпях. Результаты обследований показали, что основная причина появления трещин — существенное различие значений коэффициентов линейного расширения цементобетона и асфальтобетона. Однако имелись и трещины, вызванные неравномерным пучением грунта земляного полотна. С учетом этого было начато широкое применения в основаниях дорожных одежд «тощего» (укатываемого) бетона.

Поскольку имеющийся в то время опыт не позволял принять однозначное решение по изменению конструкции, в 1974 г. с разрешения Минавтодора РСФСР было построено несколько опытных участков с различными конструкциями жесткой дорожной одежды. Наиболее эффективным оказался вариант с применением основания из жесткой (укатываемой) бетонной смеси марки М100 («тощего» бетона). В ходе эксплуатации этот участок не имел продольных трещин, а общее количество трещин было меньше примерно в 3 раза по сравнению с проектной конструкцией.

В дальнейшем на всех строящихся дорогах I и II категорий в регионе использовалась только укатываемая бетонная смесь проектного класса прочности на сжатие В7,5 — В15. Опыт также подтвердил целесообразность устройства на цементобетонном основании покрытия из слоев асфальтобетона общей толщиной не менее 17,5 см.

Следует обратить внимание на другой положительный аспект применения цементобетонного основания — оно существенно снизило отрицательное влияние неизбежной неоднородности свойств земляного полотна. К сожалению, в нормах проектирования дорожных одежд обеспечению однородности уделяется крайне мало внимания, на практике же именно неоднородность свойств конструкции является причиной большинства дефектов. Цементобетонные слои дорожной одежды кардинально решают проблему. Многолетние наблюдения показали, что на дорожных покрытиях с качественно выполненными основаниями из цементобетона в процессе эксплуатации практически отсутствуют дефекты, вызванные пучением грунта, сдвиговыми деформациями слоев основания. В условиях Кузбасса, где преобладают пылеватые суглинки, их исправление требует значительных затрат.

С другой стороны, требуется и более тщательный учет характеристик грунтов земляного полотна. Так, в процессе испытаний грунтов при строительстве автомобильной дороги «Ленинск-Кузнецкий — Белово» выявили, что их фактическое пучение значительно превышает расчетные значения по действующим нормам. Также целесообразно уточнение дорожно-климатического районирования территории строительства.

Если же говорить об опыте в области оценки прочности дорожных конструкций, то он показал, что прежние даже самые современные методы, приборы и лабораторное оборудование не способны дать достоверную информацию, которая легла бы в основу дальнейших расчетов несущей способности эксплуатируемых объектов.

Соответствующие исследования для Кемеровской области были выполнены В.Н. Ефименко [15]. В дальнейшем это направление было продолжено исследованиями ученых ТГАСУ (г. Томск): С.В. Ефименко, М.В. Бадиной [16], А.В. Сухоруковым [17], В.С. Чурилиным [18] и др.

Автором были подготовлены региональные нормы плотности глинистых грунтов земляного полотна[1], расчетных значений грунтов[2], которые позволяют более полно учитывать региональные особенности и обеспечить требуемое качество дорог.

При внедрении технологии устройства цементобетонных оснований из укатываемых бетонных смесей сразу же стала очевидной необходимость научно-технического сопровождения. На первом этапе большую помощь оказали сотрудники Гипродорнии: О.Н. Нагаевская, Л.Б. Каменецкий и др., а также ученые ТГАСУ: В.Г. Чурков и др.

Результаты и обсуждение

В настоящее время автомобильная дорога «Ленинск-Кузнецкий – Белово» является частью автомагистрали «Кемерово – Новокузнецк» протяженностью 190 км. Наблюдения за этим и другими объектами выявили высокую трещиностойкость покрытий, отсутствие сдвиговых деформаций, вызванных состоянием слоев основания, практически полное отсутствие пучинообразования. Как отмечалось выше, последнее обстоятельство в условиях Кузбасса имеет крайне важное значение: практически на всей территории области земляное полотно, в том числе и его рабочий слой, сооружается из пылеватых суглинков, IV—V групп по пучинистости.

Борьба с пучинообразованием в условиях региона требует значительных затрат и отсутствие пучин — существенное достоинство одежд с цементобетонным основанием. Конечно, можно использовать и более дешевые способы борьбы с этим явлением, но следует учитывать, что жесткое основание исключает также и необходимость ограничения движения в весенний период, когда несущая способность грунтов резко падает.

Уже говорилось о несоответствии значений нормативного и фактического пучения грунта [15]. Здесь же хотелось еще раз отметить, что по нормам (ВСН 46-72)[1], действовавшим во время строительства, допустимое неравномерное пучение для асфальтобетонных покрытий принималось равным 4 см. Фактически же оно составляло 7 см и более. Например, на 8 км дороги по результатам нивелирования мерзлотного репера было зафиксировано пучение до 25 см. В дальнейшем в ООО «Кузбасский центр дорожных исследований» были проведены специальные исследования и обоснованы региональные нормы [19].

На рис. 2 приведена зависимость пучинистости грунта от степени уплотнения.

Рис. 2. Зависимость пучинистости грунта от степени уплотнения: а) дорожно-климатический район III.Р.3; б) — II.Г.2; в) — III.Х.4; г) — II.Х.1; 1 — исходная влажность W = 1,1W_opt; 2 — W = W_opt; 3 — W = 0,9W_opt

Испытания проб цементобетона в основаниях дорожных одежд, прослуживших 20 и более лет, подтвердили, что, при надлежащем качестве строительства, его прочность может вырасти в 2—3 раза. Это закономерно — бетон в основании эксплуатируется в достаточно благоприятных условиях. Таким образом, прочность дорожной конструкции повышается параллельно с ростом нагрузок от транспортных средств, что является неоспоримым достоинством жесткой дорожной одежды.

Напомним, что цементобетонные покрытия и основания имеют очень важное преимущество, о котором редко упоминают: они снижают отрицательное влияние неоднородности основания. По мнению руководителей дорожного хозяйства области и основных подрядчиков региона, основания из жестких бетонных смесей — лучший вариант для дорог I—II категорий, который в определенном смысле соединяет преимущества цементобетона и асфальтобетона, хотя в большинстве случаев дешевле было бы просто использовать бетонное покрытие.

Примером этому может служить строительство в настоящее время Северо-Западного обхода г. Кемерово (дорога I категории протяженностью 47,85 км). Конструкция дорожной одежды включает слой из жесткой бетонной смеси проектного класса прочности на сжатие В15, толщиной 22 см и три слоя асфальтобетона общей толщиной 26 см (асфальтобетон типа А32Нт — 13 см, асфальтобетон А22Нт — 7 см и щебеночно-мастичный асфальтобетон ЩМА22 — 6 см). Конечно, создается впечатление излишней прочности дорожной одежды. И это справедливое замечание. Здесь, кроме прочего, видна проблема отсутствия надежной методики расчета дорожных одежд с цементобетонными основаниями.

На территории региона основания из цементобетона применялись практически на всех дорогах опорной сети (Юго-восточный обход г. Кемерово, Обход п. Итатский, автодороги I категории «Ул. Терешковой — город-спутник «Лесная Поляна», «Ленинск-Кузнецкий — Белово» и др.).

В целом, 50-летний опыт строительства жестких дорожных одежд с цементобетонными основаниями из укатываемых бетонных смесей в условиях Кузбасса подтверждает их эффективность.

Выводы

1. В зарубежном опыте отсутствуют расчетные методы для использования грунтов разной степени пучинистости, поскольку отказ от них в зоне промерзания конструкции — основной принцип проектирования дорожных конструкций в западных странах.

2. Опыт строительства дорог показывает, что прежние даже самые современные методы, приборы и лабораторное оборудование не могут дать достоверную информацию, которая легла бы в основу дальнейших расчетов несущей способности эксплуатируемых дорог.
   
3. С помощью строительства жестких дорожных одежд с цементобетонными основаниями из укатываемых бетонных смесей достигается приемлемое повышение сроков службы дорог (в частности, в Кузбассе) в сравнении со сроками, полученными в результате нормативного расчета по ОДН 218.046-01 с дополнениями ПНСТ 265—2018.
   
4. Существующая инженерная практика показывает, что в условиях нехватки кондиционных строительных материалов использование указанного метода позволяет получать значительную экономию средств и тем самым обеспечить экологическую безопасность и экономически устойчивое развитие транспортной системы страны. Таким образом, эксплуатация природных ресурсов и направление инвестиций в рамках реализации данной методики согласованы друг с другом без масштабного ущерба для окружающей среды.
   

1. Vel'sovskij A., Karpov B., Smirnova E. Development of a new method for checking frost heave in roads // Proceedings of the ICE — Civil Engineering. 2015. Vol. 168. № 5. P. 49—54. DOI: 10.1680/cien.14.00036

2. Zilioniene D., Cygas D., Juzenas A. Design of low-volume roads in Lithuania. In A. Dawson (ed.), Pavements Unbound: Proceedings of the 6th International Symposium on pavements unbound (UNBAR 6), 6—8 July 2004, Nottingham, England. London, UK: CRC Press, 2004. Pp. 219—228.

3. Savin S.N., Smirnova E.E. Evaluation of mechanical safety of building structures using elastic vibrations varying in wave length // World Applied Sciences Journal. 2013. Vol. 23. No. 11. P. 1448—1454.

4. Shorin V.A., Kagan G.L., Vel’sovskii A.Yu. A new diagnostic instrument and method for stabilization of heaving soil in the beds of structures // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2008. Vol. 45. No. 4. P. 144—147.

5. Шорин В.А., Каган Г.Л., Вельсовский А.Ю. Развитие и совершенствование метода проверки дорожной конструкции на морозоустойчивость // Вестник Вологодского государственного университета. 2018. Т. 2. № 2. С. 82—85. EDN: YXJUCD

6. Каган Г.Л., Шорин В.А., Вельсовский А.Ю. Разработки в области строительства сооружений на сезоннопромерзающих грунтах. Вологда: ВоГУ, 2016. 184 с. EDN: WDSOYX

7. Крицкий М.Я., Подольский В.П., Алфёров В.И. Нетрадиционные технологии лечения болезней земляного полотна // Научный вестник ВГАСУ. Серия: Дорожно-транспортное строительство. 2004. Вып. № 2. С. 90—97.

8. Черепанов Б.М., Коротких С.Г. Влияние сил морозного пучения на эксплуатацию автомобильных дорог // Ползуновский вестник. 2007. Вып. 1—2. С. 95—98.

9. Иванов К.С., Галлямов Д.Р., Дашинимаев З.Б. Исследование промерзания грунта с применением теплоизоляции из гранулированной пеностеклокерамики // Вестник Забайкальского государственного университета. 2019. Т. 25. № 7. С. 34—44.

10. Чернышева И.А., Мащенко А.В. Сравнение методов защиты от морозного пучения грунта // Construction and Geotechnics. 2016. Т. 7. № 4. С. 64—72.

11. Gens A., Nishimura S., Jardine R., Olivella S. THM-coupled finite element analysis of frozen soil: formulation and application // Géotechnique. 2009. Vol. 59. No. 3. P. 159—171. DOI: 10.1680/geot.2009.59.3.159

12. Michalowski R.L. A Constitutive model of saturated soils for frost heave simulations // Cold Regions Science and Technology. 1993. Vol. 22. P. 47—63.

13. Sheng D., Zhang S., Niu F. Cheng G. A Potential new frost heave mechanism in high-speed railway embankments // Géotechnique. 2013. Vol. 64. No. 2. P. 144—154.

14. Thiel C., Stengel T., Gehlen C. Life cycle assessment (LCA) of road pavement materials. // F. Torgal, L. Cabeza, J. Labrincha et al. (eds.), Eco-efficient construction and building materials: Life cycle assessment (LCA), eco-labelling and case studies (Series in civil and structural engineering). Oxford, UK: Woodhead Publishing, 2014. P. 368—403.

15. Ефименко В.Н. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог при глубоком промерзании грунтов (на примере Юго-Востока Западной Сибири): Автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1978. 16 с.

16. Ефименко С.В., Бадина М.В. Дорожное районирование территории Западной Сибири. Томск: ТГАСУ, 2014. 244 с.

17. Сухоруков А.В. Территориальное нормирование значений характеристик прочности и деформируемости глинистых грунтов // Вестник ТГАСУ. 2015. № 5. С. 193—2053.

18. Ефименко С.В., Ефименко В.Н., Бадина М.В., Сухоруков А.В., Чурилин В.С., Афиногенов А.О. Стандартизация расчётных значений характеристик глинистых грунтов Кузбасса для обеспечения качества проектирования автомобильных дорог // Вестник ТГАСУ. 2015. № 5. С. 173—183.

19. Афиногенов О.П., Ефименко С.В., Афиногенов А.О. Совершенствование методов проектирования автомобильных дорог на основе дифференциации районирования. Кемерово: Офсет, 2015. 364 с.