Стыковые соединения швов жестких покрытий дорог и аэродромов

 
СТЫКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ШВОВ ЖЕСТКИХ ПОКРЫТИЙ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ

Кандидаты техн. наук П.А.Битнев,
В.К.Федулов (МАДИ-ГТУ)

     
1. ВВЕДЕНИЕ

Большинство действующих в России аэродромов, а их около 400, имеют покрытия жесткого типа. Такие же покрытия получили широкое распространение на автомобильных дорогах I-III категорий. Их преимуществами являются высокая прочность и долговечность; устойчивость при воздействии эксплуатационных и климатических факторов; беспыльность и водонепроницаемость; малое сопротивление качению колес (0,0012-0,0015) и большое трение скольжения как для сухого, так и для влажного состояния поверхности покрытия (0,7).

Однако, несмотря на множество теоретических и экспериментальных исследований, касающихся работы жестких покрытий, проблема создания надежных покрытий с высокими эксплуатационными качествами остается актуальной до настоящего времени.

Как показывает практика эксплуатации аэродромных покрытий, срок их службы меньше нормативного и они начинают разрушаться через 2-3 года после ввода в эксплуатацию [1]. Причинами снижения долговечности покрытий являются неверный учет природно-климатических факторов, грунтово-геологических и мерзлотных условий строительства, ошибки при разработке аэродромной конструкции, нарушение технологии строительства, неправильная эксплуатация и т.д. Все эти и другие причины в конечном итоге приводят к увеличению объема работ по ремонту и содержанию покрытий и, как следствие, увеличению стоимости соответствующих мероприятий. Поэтому любые достижения в области проектирования, ремонта и содержания покрытий, обеспечивающие снижение стоимости или увеличение срока их службы, представляют несомненный интерес.

В России и за рубежом продолжают проводиться многочисленные исследования, направленные на совершенствование конструкций покрытий как жесткого, так и нежесткого типов. Однако по-прежнему остается ряд задач, которые до сих пор полностью не решены. К их числу относятся расчет покрытий на температурные воздействия, расчет и конструирование стыковых соединений, расчет плит покрытия при неполном их контакте с основанием, определение рациональных расстояний между швами. По всем этим задачам в настоящее время имеются только приближенные решения, касающиеся некоторых частных вопросов.

Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации жестких покрытий показывает, что наличие в них швов снижает несущую способность отдельных зон покрытий и является очагами их разрушения. При этом для перераспределения колесной нагрузки между смежными плитами и обеспечения ровности покрытия в швах предусматривают стыковые соединения, проектирование которых осложняется отсутствием теоретически обоснованных методов расчета и, следовательно, ясного представления о действительных величинах напряжений в элементах стыковых соединений.

Необходимо отметить, что большинство исследований, выполненных ранее в этой области, носило, как правило, экспериментальный характер, так как проведение теоретических изысканий затруднялось в основном из-за отсутствия технического обеспечения для решения задач подобного уровня.

2. ШВЫ И КОНСТРУКЦИИ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Жесткие покрытия дорог и аэродромов состоят из нескольких конструктивных слоев: покрытия, искусственного и естественного грунтового основания. Каждый слой имеет свое назначение. При этом покрытие и искусственное основание могут иметь несколько слоев.

При воздействии температуры и изменении влажности цементобетона в монолитных жестких покрытиях возникают растягивающие и сжимающие изгибающие напряжения. Для снижения этих напряжений и предотвращения образования трещин цементобетонные, армобетонные и железобетонные покрытия делят на отдельные плиты прямоугольной формы продольными и поперечными швами.

В зарубежной практике известны случаи, когда поперечные швы выполнялись под углом к продольной оси покрытия. Считается, что, располагая швы таким образом, можно улучшить эксплуатационные качества покрытия, поскольку устраняется возможность одновременного удара двух колес одной оси при пересечении шва. Теоретических исследований, подтверждающих данный эффект, не найдено, однако в нормах Франции применение такого расположения шва в жестких покрытиях предусмотрено.

Известны случаи, когда поперечные швы располагались в шахматном порядке, в результате чего в покрытии часто появлялись трещины, являющиеся "продолжением шва" в смежной плите.

По назначению швы в покрытии подразделяются на швы расширения и сжатия. Первые предназначены для гарантии возможности горизонтальных перемещений цементобетонных плит при воздействии положительной температуры и изменении влажности цементобетона и предотвращения тем самым появления опасных сжимающих напряжений в плитах и обеспечения их продольной устойчивости.

Ширина шва расширения назначается с учетом длины плиты, изменений температуры в районе строительства и деформативных свойств заполняющего шов материала. Расстояние между швами расширения определяют расчетом в зависимости от температуры воздуха во время бетонирования покрытия, климатических условий района строительства и конструктивных особенностей покрытия.

Швы сжатия в цементобетонных покрытиях предназначены для снижения растягивающих напряжений, которые возникают в плитах при сокращении их размеров за счет воздействия отрицательной температуры. В основном применяются два типа конструкции швов сжатия: сквозной и ложный.

Сквозной стыковой шов образуется в результате установки в месте устройства шва сплошной прокладки на всю толщину покрытия. Ложный шов, благодаря возможности механизации его устройства при непрерывном бетонировании покрытий, нашел наибольшее распространение во всех странах. Этот тип шва получают путем прорезания плиты сверху на четверть толщины, что обеспечивает направленное образование трещин, возникающих при укорочении плит.

Швы любого типа образуют в цементобетоне разрывы, в которые попадает вода и продукты разрушения покрытия. Проникновение через шов воды может явиться причиной снижения прочности грунтового основания. Пыль и каменная мелочь, засорившие шов, препятствуют свободному расширению цементобетонных плит и это приводит к выкрашиванию краев шва. Чтобы предотвратить или свести к минимуму попадание воды и пыли в шов, обычно его верхнюю часть на глубину 2,5 см заполняют изоляционным материалом - мастикой.

К мастикам для изоляции швов предъявляют ряд требований, в частности, они должны обладать хорошим сцеплением с цементобетоном, расширяемостью без образования трещин, устойчивостью против просачивания вглубь и растекания вдоль шва при высокой температуре, прочностью. Однако состав мастики, который бы удовлетворял всем вышеперечисленным требованиям, пока еще не найден.

Наличие в покрытии швов сжатия и расширения снижает несущую способность покрытия, так как при нагружении краевые и угловые участки не соединенных друг с другом плит по сравнению с центральными оказываются более слабыми. Поэтому швы должны быть сконструированы таким образом, чтобы покрытие могло сохранять свои первоначальные эксплуатационные качества на протяжении всего срока службы. Для этого в конструкциях швов предусматривают специальные "приспособления для передачи нагрузки", которые должны отвечать двум основным требованиям: они должны допускать горизонтальное перемещение плит при температурных деформациях плит (сжатие - зимой, расширение - летом); не должны допускать взаимные вертикальные поперечные смещения смежных плит при воздействии колес воздушного судна и обеспечивать передачу части нагрузки с одной плиты на другую.

С момента начала применения цементобетона для строительства дорог и аэродромов было предложено большое число различных конструкций стыковых соединений [2, 3, 4, 5]. Однако наибольшее распространение получили конструкции швов с использованием шпунтов и металлических штырей.

Шпунтовый тип стыкового соединения (рис.1, табл.1) применяют преимущественно в продольных швах [4]. Передача нагрузки в них осуществляется за счет придания торцам смежных плит необходимого профиля, обеспечивающего совместную работу концов плит при соединении выступов цементобетона. При строительстве покрытий средствами малой механизации или укладке цементобетонной смеси через плиту шпунтовые соединения возможно применять и в поперечных швах.