Влияние параметров покрытия из искусственных камней мощения на прочность дорожной одежды

Современная автомобильная дорога должна быть безупречной в техническом отношении, удобной, не раздражающей нервную систему человека вредными шумами и запахами. Техническое и эксплуатационное состояние автомобильных дорог характеризует культуру и экономическое развитие страны.

Санкт-Петербург — большой, европейский город с развитой сетью улиц и дорог. На 2002 г по данным Комитета по благоустройству и дорожному хозяйству площадь покрытий дорог и тротуаров в СанктПетербурге составляет 53 млн. кв. м. С начала 90-х годов уделяется большое внимание их строительству и ремонту, применяются новые материалы и технологии. Большое применение получают сборные бетонные покрытия тротуаров из искусственных камней мощения (максимальный размер камней в плане — 0.28 м [50]), которые, обладая технологическими, гигиеническими и эстетическими качествами, являются в тоже время архитектурным элементом современного градостроительства.

Искусственный камень мощения — бетонный элемент, который может иметь различную форму, цвет и размеры в соответствии с действующими нормативными документами. Сочетая цвета и форму камней мощения, создают различные по дизайну рисунки дорожного покрытия. Высокие декоративные и художественные свойства, а также другие преимущества таких покрытий, обусловили их широкое применение в особо оживленных местах: пешеходных и торговых зонах, мест парковки автотранспорта и т. д.

Устройство покрытий тротуаров из мелкоразмерных бетонных плит, кроме улучшения эстетического вида застройки улицы и повышения гигиеничности тротуаров, позволяет получить значительный экономический эффект. Стоимость устройства дорожного покрытия из камней мощения несколько выше стоимости строительства монолитных бетонных покрытий той же толщины. Однако штучные покрытия более долговечны и многократно используются, поэтому они экономически выгодны. Сборные покрытия из искусственных камней мощения по сравнению с асфальтобетонными покрытиями имеют лучший архитектурно — эстетический вид и дизайн, а также являются экологически чистыми. В Москве 22 августа 1997 г Премьером правительства было подписано распоряжение «О применении новых решений и материалов при строительстве дорог и тротуаров города». В распоряжении предписывается Москомархитектуре подготовить «Схемы урбанизированных территорий АО, нуждающихся в соответствии с градостроительной значимостью в первоочередной замене асфальтового покрытия на экологически чистое долговечное декоративное мощение из сборных элементов» .

В Санкт-Петербурге серийный выпуск бетонной тротуарной плитки был освоен в 1994 году фирмой «БИК». Уже в следующем году появились первые объекты, благоустроенные фирмой с использованием тротуарного камня собственного производства. В 1997 г выполнено благоустройство нескольких торговых зон, дворов на улице Маяковского, начаты работы по созданию пешеходной зоны на Малой Конюшенной улице. За пешеходной зоной последовала площадь перед Храмом Спаса-на-Крови (1997 г), тротуары у здания Российской Национальной библиотеки на Московском проспекте (1998 г), дворы на Малой Садовой улице (1998 г). В 1996 г в Санкт-Петербурге появились еще два завода по производству искусственного камня мощения: ЗАО «Полар» и ЗАО «Экспериментальный завод». В 1996 — 1998 гг открыты пешеходные зоны в историческом центре на Малой Конюшенной улице, Малой Садовой, пешеходная зона Дворы Капеллы, а также выполнено мощение тротуаров Литейного и Владимирского проспектов. Позднее, осуществлена реконструкция Среднеохтинского проспекта (мощение 7075 м. кв), Заневской площади и Заневского проспекта (мощение 26 371 м. кв). В сентябре 2003 г система предприятий строительной индустрии МЕЛИКОНПОЛАР запустила новый завод-автомат по производству камня мощения испанской фирмы «Poyatos». Ввод в эксплуатацию завода позволило предприятию увеличить производство тротуарной плитки до 125 тыс. кв. м в месяц и повысить на 35−40% свою долю на рынке тротуарной плитки Петербурга и Северо — Запада.

По данным ЗАО «Строительная информация» на 17 июля 2001 г темпы годового прироста потребности в тротуарной плитке в СанктПетербурге на ближайшие 2 года составляют 15−20%. Емкость рынка оценивалась в 300−350 тыс. кв. метров в 2001 г и 420−480 тыс. кв. метров в 2002 г. В 2003 г емкость рынка производства тротуарной плитки, по оценкам специалистов, составила порядка одного миллиона квадратных метров в год.

Таким образом, объемы и темпы строительства с использованием искусственного камня мощения постоянно увеличиваются. В связи с этим, проектные и строительные организации чаще встречаются в своей работе с дорожным покрытием из камней мощения. Несмотря на богатый зарубежный и появившейся в последние годы отечественный опыт строительства таких покрытий, в области их расчета, проектирования и строительства имеются вопросы для дополнительного исследования.

При проектировании, форма, размеры искусственных камней мощения, а также их раскладка в дорожном покрытии, часто назначаются только исходя из поставленных архитектурных задач. Это происходит вследствие отсутствия достаточного количества данных о напряженно-деформированном состоянии таких покрытий, о влиянии формы, размеров камней и швов на работу покрытия. В практике строительства не решены вопросы с заполнением швов между камнями в местах отмостки зданий, не разработана система оценки эксплуатационных качеств дорожных покрытий из искусственных камней мощения, в том числе не определены методы оценки ее прочности.

Существующие методы расчета, проектирования и оценки эксплуатационных показателей сборных дорожных покрытий из крупноразмерных плит не могут быть использованы в полной мере для рассматриваемых покрытий. Размеры камня мощения во много раз меньше железобетонных плит, что отражается на напряженно-деформированном состоянии дорожной одежды.

Цель диссертационной работы — разработка методики расчета дорожной одежды с покрытием из ИКМ, исследование влияния размеров, форм ИКМ и материала заполнения швов на прочность дорожной одежды.

Задачи исследования:

1. разработка математической модели и методики расчета, которая бы учитывала связи между камнями мощения в покрытии, их форму и размеры;

2. экспериментальное и теоретическое исследование влияния форм, размеров искусственных камней мощения и швов в покрытии на прочность дорожной одежды;

3. разработка практических рекомендаций по расчету, проектированию, строительству и оценки прочности дорожных одежд с покрытием из искусственных камней мощения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, определяется обоснованностью параметров математической модели, реализацией решения на ПЭВМ с разработкой программы расчета и подтверждается экспериментальными исследованиями.

На защиту выносятся:

1. математическая модель и методика определения прогиба дорожной одежды с покрытием из искусственных камней мощения;

2. результаты экспериментальных исследований дорожного покрытия из ИКМ;

3. рекомендации по совершенствованию расчета, строительству и оценки прочности дорожных одежд с покрытием из искусственных камней мощения.

При написании диссертации использовались следующие источники информации: статьи из сборников научных трудов Московского государственного автомобильно-дорожного института (МАДИ), Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ), Союздорнии и журналов «Строительная механика и расчет сооружений», «Основания и фундаменты», «Автомобильные дороги», «Механика твердого тела», авторефераты диссертаций и монографии по строительно-дорожной тематике, а также нормативные и рекомендательные документы в области расчета, проектирования и строительства сборных дорожных покрытийинформация, полученная в результаты посещений проводимых в Санкт-Петербурге международных выставок «BATIMAT», «Интерстройэкспо», «Дороги. Мосты. Тоннели», научно-практических конференций и семинаров по вопросам дорожного строительства.

Основные результаты диссертационной работы изложены на XXVIII и XXIX межвузовских научных конференциях в Санкт-Петербургском государственном техническом университете в 1999;2000 гг, на межрегиональном научно-практическом семинаре «Современные сборные покрытия городских дорог, элементов благоустройства и промышленных территорий» (15−17 декабря 1999 г, СПб), на заседании секции автомобильных дорог в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (6 февраля 2002 г), на конференции «Ландшафтный дизайн: новые технологии и подходы» (26−28 марта 2002 г, СПб), на Постоянно действующим межвузовском научно-практическом семинаре «Современные направления технологии строительного производства» в Военном инженерно-техническом университете (25 апреля 2003 г). По материалам диссертации опубликовано 7 статей.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель диссертационной работы, определены задачи исследования, дано краткое содержание работы. В первой главе выполнен анализ теоретических и экспериментальных работ по исследованию сборных дорожных покрытий, дается описание конструкции дорожной одежды с покрытием из искусственных камней мощения, рассматривается методика ее расчета и указываются вопросы для исследования. Во второй главе, используя имеющийся опыт моделирования сборных дорожных покрытий, строится математическая модель дорожной одежды с покрытием из искусственных камней мощения. Определяются линейные и угловые перемещения элементов (камней мощения) под действием приложенной нагрузки. Исследуется влияние материала заполнения швов, сил трения-заклинки между камнями на работу покрытия. В третьей главе на дорожном покрытии из камней мощения различной формы и размеров выполнены опыты по определению упругого прогиба. Сделаны выводы о влиянии формы и размеров камней мощения на работу покрытия. В четвертой главе выполнен сравнительный анализ результатов, полученных в ходе теоретического анализа и эксперимента, даются практические рекомендации, разработана методика расчета. В заключении делаются обобщенные выводы по.

Заключение

.

В диссертации выполнен обзор литературы по расчету, проектированию и исследованию сборных дорожных покрытий из крупноразмерных, сочлененных и мелкоразмерных тротуарных плит. Анализ обзора показал, что для расчета дорожной одежды с покрытием из искусственных камней мощения не могут применяться в полной мере существующие методы расчета сборных дорожных покрытий. Обоснована актуальность выбранной темы диссертации.

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований возможно сделать следующие выводы.

1. Предложена математическая модель дорожного покрытия из искусственных камней мощения, которая имеет следующие преимущества перед известными моделями, описывающими сборные дорожные покрытия:

— учитывает материал заполнения швов и связи между камнями в покрытии посредством жесткостей;

— учитывает особенности нагружения дорожного покрытия из камней мощения.

2. Теоретически и экспериментально исследовано напряженно-деформированное состояние системы «дорожное покрытие из камней мощения на упругом основании», выявлена согласованность данных теории и опыта. По полученным значениям упругих прогибов, а также по способности сопротивления нагрузки, дорожная одежда с покрытием из искусственных камней мощения относится к нежестким дорожным одеждам.

3. Выявлено существенное влияние сил трения заклинки между камнями. Предложена общая формула для определения жесткости швов.

4. Выполнено исследование влияния формы и размеров камней мощения на работу дорожного покрытия.

5. Разработана методика расчета дорожной одежды с покрытием из искусственных камней мощения на основе предельно допускаемой деформации покрытия.

6. Даны практические рекомендации по строительству.

Результаты выполненной работы предлагается использовать для дополнения Руководства по конструкциям, технологии устройства и требованиям к дорожным покрытиям из искусственных камней в Санкт-Петербурге, в разделах: проектирование, устройство и эксплуатация дорожных одежд с покрытием из камней мощения.