Конструкции автомобильных дорог: материалы, расчет, типовые решения

Конструкции автомобильных дорог бывают разными. Более того, на двух внешне похожих участках дорог, расположенных, к примеру, на севере и на юге города, в качестве покрытия может выступать один и тот же тип асфальта, а вот отдельные нижележащие слои вполне могут отличаться, например по толщине и применяемому материалу.

Выбор того или иного конструктива зависит от разных факторов — интенсивности движения, категории дороги, типа грунта в земляном полотне и многих других. Главное, чтобы каждый участок выполнял требования национальных стандартов, был безопасен для автомобилистов и обеспечивал достижение нормативного срока службы, который практически для всех асфальтированных дорог составляет 24 года.

Конструкция любой автомобильной дороги, то есть ее дорожная одежда, состоит из нескольких основных слоев:

• Покрытие — верхний, наиболее прочный, но чаще всего наименее тонкий слой, непосредственно воспринимающий основную нагрузку от колес транспорта и погодно-климатических явлений. Может состоять из одного или двух слоев.
• Основание — несущая часть дорожной одежды, предназначенная для передачи и распределения давления от транспорта на нижележащий дополнительный слой основания или рабочий слой земляного полотна. Может быть выражен одним, двумя или даже тремя слоями.
• Дополнительный слой основания — слой, который выполняет дренирующую, морозозащитную или другие функции. Может отсутствовать.
• Рабочий слой земляного полотна (подстилающий грунт) — самый нижний слой конструкции, принимающий на себя всю нагрузку от дорожной одежды. Из каких бы материалов и какой бы толщины не были устроены вышележащие слои, на слабых переувлажненных или недоуплотненных грунтах не может быть создана дорога высокого качества.

Стандарт ГОСТ Р 59120-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Дорожная одежда. Общие требования» относит к конструктивным слоям еще два слоя — верхние слой износа или защитный слой, и регулирующий слой (теплоизолирующий, армирующий и другой), расположенный под дополнительным слоем основания.

Если бы на вопрос, из каких материалов состоит конструкция «классической» автомобильной дороги, нужно было ответить коротко и просто, то ответ был бы такой: внизу — слой песка, на нем — щебень, а сверху — асфальт. Все. Но в реальности структуру будущей дорожной одежды подбирают с учетом многих факторов: климатических условий, в которых будет проходить трасса; наличия тех или иных строительных материалов в районе устройства дороги; необходимых транспортно-эксплуатационных характеристик; экономических составляющих и других. Понимание основ классификации дорог помогает лучше разобраться в особенностях конструирования дорожных одежд для разных условий эксплуатации.

Классификация автомобильных дорог и дорожных одежд

По сопротивлению нагрузкам дорожные одежды разделяют на жесткие и нежесткие. Главными материалами, отражающими характер жестких дорожных одежд, являются монолитный цементобетон или железобетонные плиты. При этом, слой бетона может быть использован как в качестве слоя покрытия, так и в качестве слоя основания, на который укладывают асфальт. В обоих случаях дорожные одежды будут считаться жесткими.

Нежесткие дорожные одежды — наиболее популярные в нашей стране — не содержат в своем составе монолитный цементобетон или железобетонные плиты. Напротив, основным материалом в данном случае практически всегда служит асфальтобетон, созданный по ГОСТам серий 58401 или 58406, то есть «Суперпейв» или «Евроасфальт» соответственно. Такие дорожные одежды, в отличие от жестких, во-первых, обладают сравнительно меньшим сопротивлением изгибу, а, во-вторых, их модуль упругости (деформации) зависит от температуры и влажности.

В зависимости от функциональности и расчетной интенсивности движения, автомобильные дороги, расположенные вне населенных пунктов, разделяют на 5 основных категорий, где V — самая низкая, а I — высшая.

Чем выше категория дороги, тем ответственнее объект транспортной инфраструктуры, шире проезжая часть, больше пропускная способность, — все это предполагает использование увеличенного количества слоев дорожной одежды и применения улучшенных материалов, например вместо асфальтобетона — щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА), характеризующегося более высокой прочностью и износостойкостью.

Что касается классификации улиц, расположенных в черте города, то их разделяют не на категории, а на группы: А, Б, В, Г, Д, Е. В данном случае наиболее нагруженными дорогами являются улицы группы А — магистральные дороги скоростного движения, магистральные улицы общегородского значения непрерывного движения; с наименьшей пропускной способностью — E — улицы в жилой застройке второстепенные, проезды.

Соответствие групп улиц категориям автомобильных дорог, расположенных вне населенных пунктов, можно найти в пока что предварительном национальном стандарте ПНСТ 542-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования», а также в ГОСТ Р 50597-2017 «Дороги автомобильные и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения. Методы контроля».

Основные виды покрытий дорожных одежд

В зависимости от капитальности, то есть по сути — несущей способности, дорожные одежды разделяют на 4 типа:

• капитальные
• облегченные
• переходные
• низшие

Чем выше капитальность конструкции автомобильной дороги, тем более прочные материалы и сложную структуру применяют для ее устройства. Так, если в качестве слоя покрытия дорожных одежд капитального типа в 99% случаев будет выступать асфальтобетон, то на дороге с одеждой переходного типа будет уложен материал менее прочный (с меньшим модулем упругости), например щебеночно-гравийно-песчаная смесь. То есть выбор того или иного типа дорожных одежд напрямую зависит от будущих нагрузок на покрытие, от категории дороги. Соответственно, на дорогах самой низкой категории — V — устраивают дорожные одежды низшего типа, покрытие которых может состоять даже из шлаков, — в соответствии с ГОСТ Р 58818-2020 «Дороги автомобильные с низкой интенсивностью движения. Проектирование, конструирование и расчет».

Дорожно-климатические зоны и подзоны

При конструировании дорожных одежд важное значение имеет дорожно-климатическая зона (ДКЗ), в которой находится или будет находиться будущий участок дороги. Разные ДКЗ характеризуются разными максимальными и минимальными температурами воздуха, количеством осадков, мощностью снегового покрова, глубиной промерзания грунта и так далее, — от этого зависит наличие или отсутствие того или иного слоя в конструкции автомобильной дороги, толщины материалов, применение дополнительных слоев.

Подытоживая все вышесказанное: конструкция будущей автомобильной дороги зависит от ее категории, количества полос движения, интенсивности и состава движения, ДКЗ, вида грунта рабочего слоя земляного полотна и его степени увлажнения, наличия и качества дорожно-строительных материалов. При этом, очевидно, расчетные показатели будущего объекта транспортной инфраструктуры должны отвечать требованиям национальных стандартов для конкретной категории дороги.

Расчет конструкций дорожных одежд

Расчет конструкций дорожных одежд — второй, после конструирования, этап проектирования дорог. Предварительно подобранный состав и толщины слоев математически проверяют на прочность при определенном количестве приложений нагрузок за весь нормативный срок службы. В качестве показателя осевой нагрузки принимают: для дорожных одежд капитального типа — 115 кН; облегченного и переходного типа — 110 кН; низшего — 60 кН.

Расчет нежестких дорожных одежд на прочность для капитального и облегченного типов выполняют по:

• допустимому упругому прогибу
• условию сдвигоустойчивости грунта рабочего слоя и конструктивных слоев из малосвязных материалов
• сопротивлению слоев асфальтобетона усталостному разрушению от растяжения при изгибе

Для переходного типа дорожных одежд осуществляют расчет только по первому и второму критерию. Для низшего типа — в соответствии с ГОСТ Р 58818-2020.

Конечно, все расчетные показатели конструкций дорожных одежд, в том числе на морозоустойчивость, осушение, общий модуль упругости (деформации) — должны соответствовать предварительному стандарту ПНСТ 542-2021. Так, в документе указано, что, к примеру, минимально требуемый модуль упругости для капитального типа дорожных одежд составляет: для категории дорог IA и IБ — 330 МПа, для IВ и II — 325 МПа, для III — 310 МПа, и так далее.

Расчет жестких дорожных одежд выполняют по:

• прочности — сопротивлению бетона на растяжение при изгибе
• условию сдвигоустойчивости грунта рабочего слоя и конструктивных слоев из малосвязных материалов

Как и в случае с нежесткими дорожными одеждами, конструкцию проверяют в том числе на морозоустойчивость, осушение, допустимый модуль упругости, — об этом говорит доработанная редакция к проекту предварительного национального стандарта «Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования», размещенная на сайте Технического комитета по стандартизации № 418 «Дорожное хозяйство».

Стоит отметить, что расчет конструкций дорог осуществляют на основании установленных коэффициентов, формул и данных номограмм, представленных в стандартах на проектирование. Это сложный процесс, требующий наличия разных показателей, одни из которых можно найти в таблицах, а другие необходимо рассчитывать.

Сегодня расчет дорожных одежд осуществляют преимущественно с помощью компьютера — в программах IndorPavement, AvtodorPave, Credo Radon, Топоматик Robur и других. Такой подход позволяет относительно быстро сформировать прочную конструкцию, зная параметры будущего участка дороги — категорию, дорожно-климатическую зону, схему увлажнения, нормативный срок службы, максимальную скорость движения транспорта и многие другие.

Обычно в проектной документации на строительство, реконструкцию или ремонт дороги указывают несколько вариантов будущей дорожной одежды. К примеру, с разными материалами в слоях основания, разной толщиной отдельных слоев конструкции, жестким или нежестким покрытием и другие, — из них выбирают наиболее выгодный с точки зрения экономики.

Типовые конструкции дорожных одежд

Типовые конструкции жестких дорожных одежд представлены в стандарте ГОСТ Р 59628-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Жесткие дорожные одежды. Типовые конструкции». Более того, в документе указаны не только наименования слоев, но и их отдельные характеристики, расстояния между поперечными швами, толщины покрытий при использовании бетонов разных классов и разном количестве расчетных нормативных осевых нагрузок.

К примеру, если количество эквивалентных воздействий нормативных осевых нагрузок за проектный срок службы 30 лет составил 40 млн, то в соответствии со стандартом может быть выбрана следующая типовая конструкция:

• Бетон тяжелый по ГОСТ 26633 — покрытие толщиной 29 см (класс бетона на растяжение при изгибе Btb 4,0)
• Технологическая прослойка из пленки полиэтиленовой или геосинтетического материала по ГОСТ Р 56586 или выравнивающего слоя из песка, обработанного органическим вяжущим
• Щебеночно-песчаная смесь или песок, обработанные цементом М60 по ГОСТ 23558 — слой основания толщиной 22 см
• Песок по ГОСТ 32824 с коэффициентом фильтрации не меньше 1 м/сут — дополнительный слой основания — толщина в зависимости от ДКЗ и типа грунта, но не менее 25 см
• Геосинтетический материал по ГОСТ Р 56419

Широкий перечень типовых конструкций нежестких дорожных одежд можно найти в отраслевом документе ОДМ 218.2.104-2019 «Альбом типовых конструкций нежестких дорожных одежд в различных дорожно-климатических зонах». Здесь представлены варианты конструкций для всех дорожно-климатических зон, разного количества полос движения, диапазонов показателей общих модулей упругости, типа грунта в рабочем слое земляного полотна.

К примеру, для 4-полосной дороги II категории, расположенной во II (2) ДКЗ (условно Екатеринбург), при рабочем слое земляного полотна из суглинков и глин песчанистых, с общим модулем упругости до 525 МПа, в соответствии с вышеуказанным ОДМ конструкция автомобильной дороги может состоять из:

• Щебеночно-мастичного асфальтобетона — верхнего слоя покрытия — 5 см
• Асфальтобетона — нижнего слоя покрытия — 7 см
• Армирующей прослойки
• Асфальтобетона — верхнего слоя основания — 8 см
• Щебеночно-гравийно-песчаной смеси — нижнего слоя основания — 22 см
• Геотекстиля
• Песка, песчано-гравийной, щебеночно-песчаной или щебеночно-гравийно-песчаной смеси с коэффициентом фильтрации не менее 1 м/сут — дополнительного слоя основания — 40 см

На сегодняшний день отечественная транспортная сеть представлена большим разнообразием конструкций автомобильных дорог. В одном регионе, богатым гранитом, слои основания дорог могут быть запроектированы с учетом использования преимущественно щебня, в другом — бедным на каменный материал — могут быть применены вторичные материалы, например золошлаки. Здесь все индивидуально и зависит от многих факторов, в том числе экономических.

Если ваше предприятие планирует покупку оборудования для выпуска смесей под реализацию дорожно-строительных проектов, обратите внимание на установки от компании SOLOMATIC.

Мы поставляем высокотехнологичные решения разной производительности:

• Асфальтосмесительные установки — для выпуска разных видов асфальта: теплых, литых, цветных, с использованием RAP-материала, классических — по стандартам серий 58401 и 58406
• Грунтосмесительные установки — для производства смесей, обработанных органическими, неорганическими и комплексными вяжущими; подходят для работы со вторичными материалами: асфальтогранулятом, золо- и металлошлаками
• Бетоносмесительные установки — для выпуска бетонных смесей разных классов, применяемых при устройстве жестких дорожных одежд

Большой опыт работы с отечественными предприятиями и тесное сотрудничество с лидером Поднебесной в области создания дорожно-строительного оборудования — компании NFLG, позволяет нам поставлять не только типовые решения, но и индивидуально-сконструированные комплексы.

Для начала совместной работы над вашей будущей установкой позвоните нам по телефону 8 (800) 555 73 40, отправьте запрос на sale@solomatic.ru или свяжитесь любым другим удобным способом из раздела с контактами.

Работа на оборудовании от компании SOLOMATIC — залог стабильного выпуска смесей в соответствии с заданным рецептом.