АНАЛИЗ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ

КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ

ТРАДИЦИОННОГО ИСПОЛНЕНИЯ

 

Веселов А.В., Камышина Н.А., Берёзкина Ю.В. (ГОУ ВПО «МГТУ», г. Магнитогорск, РФ)

 

The article dwells upon the critical analysis of correspondence of constructive elements of traditional automobile roads with their functional purpose compared to an ideal abstract model of an automobile road.

 

Одной из важнейших задач народного хозяйства нашей страны в настоящее время является совершенствование единой транспортной системы за счет реконструкции старых и строительства новых автомобильных дорог. Дальнейшее совершенствование автомобильных дорог в связи с постоянно возрастающими к ним требованиями невозможно без их всестороннего критического анализа, в том числе:

- соответствия конструктивного решения элементов дорог их функциональному назначению;

- влияния свойств используемых материалов на конструктивное решение элементов дорог;

- влияния природных факторов на свойства материалов, применяемых для дорожного строительства.

Любое инженерное сооружение должно проектироваться таким образом, чтобы в максимальной степени соответствовать своему функциональному назначению и в полной мере удовлетворять всем требованиям условий эксплуатации. Свойства материалов, из которых возводится данное сооружение, также должны обеспечивать возможность наилучшего выполнения каждым конструктивным элементом сооружения своего функционального назначения. Рассмотрим, насколько справедлива данная аксиома в отношении конструктивного решения автомобильной дороги традиционного исполнения, проведя его сравнение с функционально-идеальной абстрактной моделью автомобильной дороги.

Абстрактную идеальную модель автомобильной дороги можно представить как некую горизонтальную плоскость, способную без изменения своего положения в пространстве, без деформаций и разрушений неограниченно долгое время обеспечивать максимально быстрый и комфортный проезд по ней автомобилей. Исходя из этих условий, конструктивное решение дороги должно обеспечить неизменность ее положения в пространстве, а материал дорожных конструкций обладать способностью в течение всего нормативного периода эксплуатации дороги противостоять без деформаций и разрушений совокупному воздействию природных факторов и нагрузок от автомобилей.

Идеальной абстрактной модели соответствует конструктивное выполнение автомобильной дороги в виде ровной жесткой плиты, опирающейся на стойки, воспринимающие и передающие всю нагрузку через фундаменты на грунтовое основание (рис.1). Для обеспечения неизменности пространственного положения плиты в условия переменного уровня поверхности земли стойки  должны иметь возможность адекватного изменения своей длины. Материал дорожной плиты и стоек должен иметь соответствующие нагрузкам и климатическим условиям эксплуатации этих конструкций показатели прочности и долговечности.

Рисунок 1 – Поперечный профиль идеальной функционально целесообразной конструкции автомобильной дороги: 1 – дорожная плита; 2 – стойки; 3 – поверхность земли

 

Конструктивное решение автомобильной дороги традиционного исполнения (рис.2) отличается от идеальной абстрактной ее модели и содержит, как правило, обязательный набор основных элементов: земляное полотно, дорожную одежду, водоотводные сооружения и др., каждый из которых имеет собственное функциональное назначение. При этом, некоторые конструктивные элементы дорог одновременно выполняют несколько разнородных функций. В функции земляного полотна, например, входит придание поверхности дороги заданных продольных уклонов, восприятие и передача на грунтовое основание нагрузок от дорожной одежды и автомобильного транспорта, удаление рабочего слоя земляного полотна от нижерасположенных источников увлажнения, а также возвышение проезжей части дороги над снеговым покровом с целью недопущения ее заносов в зимнее время.

Рисунок 2 – Поперечный профиль автомобильной дороги традиционного конструктивного исполнения:1 – насыпь земляного полота; 2 – дорожная одежда; 3 – водоотводная боковая канава

 

Проводя анализ конструктивного соответствия земляного полотна автомобильной дороги своему функциональному назначению, легко заметить крайне малую его пригодность для выполнения требуемых функций. Так, для выполнения функции выдерживания постоянной отметки верха земляного полотна в условиях переменного рельефа земной поверхности, теоретически необходимо изменение только одного параметра конструктивного элемента, а именно, его высоты. Но традиционное конструктивное решение данного элемента автомобильной дороги таково, что увеличение высоты насыпи (при неизменных размерах ее верхнего основания) одновременно приводит к функционально ненужному увеличению размеров нижнего основания и, в конечном итоге, к многократному по сравнению с теоретически необходимым, увеличению ее объема.

Земляное полотно традиционного конструктивного исполнения также не вполне совершенно и для решения функциональной задачи передачи на грунтовое основание напряжений от внешней нагрузки, создаваемой дорожной одеждой и автотранспортом. Максимальные значения напряжений от внешней нагрузки, возникающие в верхней части земляного полотна, затухают на небольшой глубине от поверхности. С позиций функциональной целесообразности увеличение высоты земляного полотна свыше необходимой неоправданно. Но в реальных условиях высоту земляного полотна определяют, как правило, другие его функции – обеспечение заданных продольных уклонов автомобильной дороги, удаление рабочего слоя земляного полотна от уровня грунтовых вод и т.д. В этом случае на грунтовое основание передаются возрастающие с увеличением высоты насыпи суммарные напряжения, складывающиеся от внешней нагрузки и собственного веса насыпи, которые при достижении определенных значений могут вызвать ее просадку.

Многолетняя практика эксплуатации автомобильных дорог свидетельствует, что водонасыщение материала земляного полотна чаще всего происходит через его нижнее основание, имеющее непосредственный контакт с влагосодержащим природным грунтом. В наибольшей степени это характерно для осеннего и весеннего периодов года, когда подъем уровня грунтовых вод достигает наивысших отметок. При этом количество воды, проникающей в материал земляного полотна и снижающей его прочностные характеристики, прямо пропорционально площади нижнего основания насыпи земляного полотна. Следовательно, с точки зрения функциональной целесообразности, для снижения степени насыщения земляного полотна необходимо максимально уменьшать площадь его контакта с влагосодержащим природным грунтом, то есть уменьшать площадь нижнего основания. Однако традиционное конструктивное выполнение земляного полотна в виде насыпи трапециидального сечения полностью исключает такой способ решения проблемы, что вновь позволяет говорить о несоответствии конструктивного решения земляного полотна его функциональному назначению.

Проводя сравнение идеальной абстрактной модели автомобильной дороги и автомобильной дороги традиционного исполнения, отмечаем прямо противоположный подход к решению вопроса конструктивного выполнения дорожных элементов. У идеальной модели дороги конструктивное решение ее элементов и свойства материалов для их изготовления определяются только их функциональной целесообразностью. У автомобильной дороги традиционного исполнения конструктивное решение ее элементов подгоняется под свойства материалов, используемых для их изготовления. В тоже время сами материалы выбираются не в зависимости от соответствия их свойств функциональному назначению элемента, а из соображений их дешевизны, наличия в достаточном количестве в районе строительства и др. Так, для изготовления земляного полотна – важнейшего многофункционального элемента автомобильной дороги, используется природный грунт, разрабатываемый чаще всего в пределах полосы отвода трассы дороги. С точки зрения функциональной пригодности выбор природных грунтов в качестве материала для дорожного строительства является крайне неудачным. В естественном состоянии большинство природных грунтов имеет весьма низкие строительные характеристики (малую прочность, высокую деформативность и способность изменять свои свойства под влиянием многочисленных природных факторов). С целью повышения строительных свойств грунтов и снижения степени влияния на них природных факторов были теоретически разработаны и используются на практике различные технологические приемы. Они включают в себя многочисленные способы доведения содержания воды в грунтах до оптимального, увеличения прочностных характеристик грунтов, предохранения их от воздействия природных факторов и др. Это приводит к необходимости выполнения в технологическом процессе строительства земляного полотна дополнительных рабочих операций с привлечением механизмов и материалов, что значительно усложняет технологический процесс, удорожает стоимость строительства и увеличивает объемы работ и сроки их выполнения. Вместе с тем, все известные технологические приемы, используемые дорожными строителями, лишь в некоторой степени способствуют повышению отдельных свойств грунтов, не решая кардинально существующую проблему. 

Несоответствие свойств природных грунтов требованиям, предъявляемым к материалам для строительства автомобильных дорог, также приводит к необходимости выполнения в конструкции дорог функционально необязательных элементов. Так, функциональное назначение верхнего основания (рабочего слоя) земляного полотна автомобильной дороги традиционного исполнения – восприятие и передача нагрузок от автомобильного транспорта. Но вследствие недостаточности для восприятия прилагаемых нагрузок прочностных и деформативных характеристик грунтов, служащих материалом земляного полотна, возникает необходимость устройства дополнительного элемента автомобильной дороги – дорожной одежды, выполняемой из более прочных материалов. Стоимость дорожной одежды зачастую превышает стоимость самого земляного полотна. Общемировая тенденция к росту грузоподъемности автомобилей неизбежно приведет к дальнейшему увеличению толщины дорожных одежд и возрастанию требований к их прочностным и деформативным характеристикам, а следовательно, росту их стоимости.

Негативная способность природных грунтов к ухудшению своих строительных свойств при водонасыщении также является причиной обязательного выполнения в конструкции автомобильной дороги традиционного исполнения функционально ненужных дополнительных элементов. К ним относятся все водоотводные инженерные сооружения, гидроизоляционные, капилляропрерывающие слои и другие элементы дорог, основное назначение которых – предотвращение насыщения водой грунта земляного полотна. Их выполнение также увеличивает трудоемкость и стоимость дорожного строительства, сводя на нет экономическую целесообразность использования природных грунтов как материала для возведения дорог.

Выводы:

1. Конструктивное решение автомобильных дорог традиционного исполнения продиктовано свойствами природных грунтов, используемых в качестве дорожно-строительных материалов.

2. Свойства природных грунтов, используемых для дорожного строительства, не обеспечивают без проведения дополнительных мероприятий бездефектного функционирования выполненных из них конструкций в условиях постоянного увеличения нагрузок от автотранспорта и круглогодичного влияния различных природных факторов.

3. Функциональное назначение большинства конструктивных элементов автомобильной дороги традиционного исполнения состоит в компенсации недостатков свойств природных грунтов, используемых в качестве дорожно-строительных материалов.

4. Конструктивное решение элементов автомобильных дорог традиционного исполнения функционально неоправданно и поэтому нерационально.