В статье рассматриваются недостатки конструктивного решения автомобильных дорог традиционного типа, обусловленные применением природных грунтов в качестве дорожно-строительного материала, и альтернативное конструктивное решение автомобильных дорог из сборных железобетонных конструкций заводского изготовления.
УДК 625.712.37
А.В. ВЕСЕЛОВ, канд. техн. наук, доцент, В.Д. КОРНИЕНКО, инженер-архитектор, Магнитогорский государственный технический университет, г. Магнитогорск
Ключевые слова: автомобильные дороги традиционного типа, земляное полотно, природные грунты, насыпи, выемки, автомобильные дороги эстакадного типа, сборные железобетонные дорожные конструкции
Keywords: roads of the traditional type, roadbed, natural soil, fill, excavation, overpass type roads, precast concrete road construction
В последние годы тема отечественных автомобильных дорог стала одной из самых обсуждаемых в России. Дороги размываются весенними паводками и дождями, каждую весну закрываются для движения грузового автотранспорта на длительный период до просыхания земляного полотна, асфальтобетонные покрытия дорог активно разрушаются и становятся непроезжими.
Специалисты, комментируя сложившуюся ситуацию с состоянием российских дорог, приводят различные объяснения, начиная с несовершенства устаревшей нормативной базы дорожного проектирования и строительства [1] и заканчивая запредельным уровнем коррупции, процветающей в дорожной отрасли. Но при этом никто не рассматривает недостатки конструктивного решения автомобильной дороги традиционного исполнения, несовершенство которого является, по мнению авторов статьи, одной из основных причин хронической болезни дорожной отрасли. Следовательно, необходимо подробное обоснование этого утверждения, которое и приводится в данной статье.
В соответствии с определением, приведенном в справочнике «Дорожная терминология» [2], автомобильная дорога – это инженерное сооружение, предназначенное для движения автомобилей, основными элементами которой являются: земляное полотно, дорожная одежда, проезжая часть, обочины, искусственные и линейные сооружения и все виды обстановки. Каждый из этих дорожных элементов выполняет свое конкретное функциональное назначение, но основную роль в обеспечении автомобильного движения играет земляное полотно – капитальное строительное сооружение в виде насыпей и выемок (рис. 1). Оно предназначено для выдерживания заданного продольного уклона дороги в условиях переменного рельефа местности и передачи на грунтовое основание нагрузок от дорожной одежды и автомобильного транспорта.
Рис. 1. Элементы земляного полотна (поперечный профиль): А – насыпь, Б – выемка; В – ширина насыпи (выемки), В1 – ширина основания насыпи (раскрытия выемки); 1 – тело насыпи, 2 – рабочий слой насыпи, 3 – откос, 4 – дорожная одежда, 5 – обочины, 6 – укрепление откоса, 7 – водоотводная канава (кювет), 8 – грунтовое основание
Насыпи земляного полотна также служат для удаления рабочего слоя от нижерасположенных источников увлажнения и возвышения проезжей части дороги над снеговым покровом с целью недопущения ее заносов в зимнее время. Тело насыпей земляного полотна, высота которых в отдельных случаях может достигать 12 м и более, отсыпается из природных грунтов, которые разрабатываются и доставляются к месту укладки из выемок, резервов или местных грунтовых карьеров.
Насколько оправданно применение грунтов при строительстве ответственных, капитальных, рассчитанных на многолетнюю эксплуатацию строительных объектов, какими являются автомобильные дороги? В настоящее время принято считать, что использование местных грунтов позволяет снизить стоимость дорожного строительства за счет дешевизны самого грунтового материала и уменьшения расходов на его транспортировку до места укладки. Но так ли это на самом деле? Попробуем разобраться в этом вопросе. Природные грунты очень разнообразны, но при этом в большинстве своем их структура представляет смесь отдельных, не связанных между собой в единый монолит грунтовых частиц и их агрегатов, промежутки между которыми заполнены воздухом и водяными парами. Такая структура позволяет грунтам под воздействием природно-климатических факторов в широких пределах изменять свои свойства (плотность, прочность, деформативность и др.), а также диктовать форму и геометрические параметры возводимым из них дорожным сооружениям (насыпям и выемкам земляного полотна). Из-за этой специфики свойств грунтовых материалов при строительстве любого постоянного земляного сооружения, будь то насыпь или выемка земляного полотна, для обеспечения его устойчивости приходится выполнять откосы, крутизна которых будет различной в зависимости от высоты или глубины сооружения. Выполнение откосов предопределяет трапецеидальную форму поперечного профиля земляного сооружения, когда ширина одного из оснований значительно превышает ширину другого. Увеличение высоты насыпи или глубины выемки земляного полотна при неизменной ширине одного из оснований, предназначенного для проезда автотранспорта, неизбежно приводит к абсолютно ненужному увеличению ширины противоположного основания трапецеидального профиля сооружения. Негативным следствием этого является значительное увеличение объемов отрываемых выемок и отсыпаемых насыпей земляного полотна. Так, объем грунта для 1 км насыпи земляного полотна автомобильной дороги II технической категории с заложением откосов 1:4, имеющей постоянную ширину верхнего основания 15 м, при изменении ее высоты с 1 м до 3 м возрастает с 19 тыс. м3 до 81 тыс. м3, т.е. более чем в 4 раза. Соответственно, многократно возрастает стоимость и трудоемкость возведения земляного полотна и строительства автомобильной дороги в целом.
Другим негативным следствием выполнения трапецеидальных поперечных профилей насыпей и выемок земляного полотна, которые обусловливаются свойствами грунтов, является необходимость отведения под строительство дороги больших площадей земельных угодий. В зависимости от высоты насыпей земляного полотна ширина постоянного землеотвода для автомобильной дороги II технической категории может изменяться с 23 м при высоте насыпей 1 м до 39 м при увеличении высоты насыпей до 3 м. Высокая рыночная стоимость земельных угодий, отводимых под дорожное строительство, особенно в европейской части нашей страны, значительно увеличивает общую стоимость строительства дорог. Следовательно, можно сделать вывод о том, что, вопреки распространенному мнению, применение природных местных грунтов для возведения насыпей земляного полотна не только не способствует уменьшению стоимости строительства автомобильных дорог, но, напротив, значительно ее увеличивает.
Использование природных грунтов в качестве строительного материала при возведении насыпей земляного полотна в обязательном порядке требует выполнения других конструктивных элементов автомобильной дороги, без которых невозможно обеспечить ее нормальное функционирование. Поясним это утверждение следующим примером. Допустим, были разработаны выемки и возведены с послойной укладкой и уплотнением грунта насыпи земляного полотна автомобильной дороги. За счет тщательной планировки автогрейдерами и многократных проходок дорожных катков была получена ровная, имеющая нормативные значения продольных и поперечных уклонов поверхность земляного полотна. Все было сделано в полном соответствии с технологическими требованиями и с отличным качеством выполненных работ. Возможно ли теперь открытие автомобильного движения на данном участке дороги с проездом автомобилей непосредственно по спланированной и уплотненной поверхности земляного полотна? Ответ отрицательный – и опять из-за свойств «дешевых» природных грунтов. Дело в том, что почти все природные грунты, кроме скальных, имеют недостаточные для восприятия нагрузок от автомобилей прочностные характеристики, которые к тому же еще сильнее снижаются при увлажнении грунтов. Для восприятия этих нагрузок грунтом земляного полотна возникает необходимость их перераспределения на большую площадь поверхности, для чего на поверхности земляного полотна устраивается дорожная одежда – многослойная конструкция, изготавливаемая с использованием высокопрочного щебня различных фракций, дорожного битума, асфальтобетонной или цементобетонной смесей и других дорогостоящих материалов. При этом во многих случаях стоимость дорожной одежды превышает стоимость самого земляного полотна. Аналогичным образом, способность природных грунтов снижать свою прочность при увлажнении и, находясь в переувлажненном состоянии, увеличиваться в объеме при замерзании приводит в зимнее время к появлению «пучин», т.е. бугров на поверхности дорожной одежды, что вызывает необходимость выполнения различных технологических мероприятий для предотвращения переувлажнения грунта земляного полотна. Это также удорожает строительство автомобильных дорог. Следовательно, можно сделать вывод о том, что выполнение отдельных элементов в традиционном конструктивном решении автомобильной дороги (дорожная одежда, водонепроницаемые и капилляропрерывающие прослойки в насыпях и др.) обусловлено только необходимостью компенсации недостатков свойств природных грунтов.
Рассмотрим еще одно негативное последствие использования природных грунтов при строительстве автомобильных дорог традиционного типа. На каждой такой дороге на поверхности земляного полотна кроме дорожной одежды выполняются обочины – боковые полосы с каждой стороны, расположенные между бровкой земляного полотна и кромкой дорожной одежды. Принято считать, что обочины предназначены для остановки автомобилей в случае их неисправности, складирования материалов при ремонте дороги и т.п. Обочины могут быть грунтовыми, т.е. без специальной обработки и укрепленные местными материалами (щебнем, гравием, шлаком) или засевом трав. Аварийные остановки автомобилей на обочинах и ремонты дорог происходят достаточно редко, а обочины занимают от 41,7% у дорог III технической категории до 50% у дорог II категории площади верхнего основания насыпей земляного полотна. Получается, что площади обочин, занимающих половину площади поверхности земляного полотна, фактически не используются для движения автотранспорта. Как такое может быть? На самом деле все объясняется очень просто. Конструктивное решение земляного полотна, выполненного из природных грунтов, не позволяет осуществлять движение автотранспорта по верху насыпей на близком расстоянии от бровок, поскольку в этом случае динамические нагрузки от двигающихся автомобилей могут спровоцировать обрушение откосных частей насыпи, особенно при их нахождении в водонасыщенном состоянии. Для предотвращения этих ситуаций и приходится устраивать обочины, отодвигая автомобильное движение подальше от бровок насыпи к ее середине. И при этом мало кто задумывается о крайне низкой эффективности использования земель, выделяемых под строительство автомобильных дорог (рис. 2).
Рис. 2. Эффективность использования отводимых под автомобильные дороги II категории земель: А – при высоте насыпей земляного полотна H=1,0 м, Б – при высоте насыпей земляного полотна H=3,0 м
Возможно ли строительство автомобильных дорог без использования природных грунтов в качестве дорожно-строительного материала и без тех недостатков, которые обусловлены их применением? В качестве ответа на этот вопрос одним из авторов статьи было разработано новое конструктивное решение и технология строительства автомобильных дорог из сборных железобетонных элементов заводского изготовления [3]. В процессе работы над созданием альтернативной существующим дорогам разновидности автомобильных дорог, получивших условное название «автомобильные дороги эстакадного типа», оптимизация их конструктивного решения осуществлялась по нескольким направлениям:
– возможность выполнения автомобильных дорог различных категорий по единой технологии с использованием одних и тех же конструктивных элементов;
– использование при строительстве дорог минимального количества типов железобетонных конструктивных элементов;
– возможность изготовления всех дорожных элементов на стандартном оборудовании заводов ЖБИ, транспортирования их к месту монтажа обычными транспортными средствами для перевозки железобетонных конструкций и монтажа с использованием кранового оборудования, применяемого в промышленном и гражданском строительстве.
Рис. 3. Принципиальная конструктивная схема автомобильной дороги эстакадного типа: А – на холмистой местности, Б – на косогоре, В – на равнинной местности; 1 – фундамент в вытрамбованных котлованах, 2 – подливка из мелкозернистого бетона, 3 – дорожная стойка, 4 – дорожная балка, 5 – дорожные ребристые плиты, 6 – поверхность земли
Конструктивная схема автомобильной дороги эстакадного типа (рис. 3) состоит из ограниченного стандартного набора типовых элементов:
– монолитных бетонных фундаментов, выполняемых в предварительно вытрамбованных в грунтовом основании котлованах;
– сборных железобетонных дорожных стоек, устанавливаемых в стаканы, выполненные в верхнем основании фундаментов;
– сборных железобетонных дорожных балок с двутавровой формой поперечного сечения, которые в зависимости от рельефа местности могут устанавливаться либо на стойки, либо на верхние основания фундаментов;
– сборных железобетонных ребристых дорожных плит, устанавливаемых на дорожные балки.
Подробное описание конструкций для строительства автомобильной дороги эстакадного типа с указанием размеров, функционального назначения и расхода материалов на изготовление приведено в статье [4].
Процесс строительства автомобильной дороги эстакадного типа предполагает выполнение следующих видов работ:
– подготовительные работы (разбивка геодезической основы, очистка трассы дороги, перенос коммуникаций, срезка растительного слоя, устройство временных дорог, планировка поверхности грунтового основания и др.);
– устройство монолитных фундаментов в вытрамбованных котлованах;
– доставка с завода ЖБИ к месту монтажа сборных железобетонных дорожных конструкций;
– последовательный монтаж дорожных конструкций (стоек, балок и плит) в проектное положение;
– заделка стыков между дорожными плитами эластичным герметизирующим шнуром с последующей заливкой резинобитумной мастикой;
– устройство асфальтобетонного выравнивающего покрытия на поверхности дорожных плит;
– отделочные работы (устройство дорожных ограждений, нанесение дорожной разметки, установка дорожных знаков и т.д.).
Строительство автомобильных дорог эстакадного типа может успешно осуществляться поточным методом, когда специализированные механизированные отряды дорожных строителей, переходя с одной строительной захватки на другую, в технологической последовательности выполняют отдельные виды работ в составе общего строительного потока. При разработке календарного плана строительства таких дорог следует учитывать, что отдельные виды работ (устройство монолитных фундаментов, заделку стыков между дорожными плитами, укладку асфальтобетонного покрытия и др.) необходимо производить только при положительных температурах воздуха в теплое время года. В то же время все остальные работы, связанные с монтажом дорожных конструкций, допускается выполнять в холодные периоды года при пониженных температурах воздуха. С учетом этого обстоятельства грамотно организованный производственный процесс позволит осуществить переход на круглогодичное строительство автомобильных дорог и навсегда покончить с сезонностью дорожного строительства, что практически невыполнимо при строительстве дорог традиционного конструктивного исполнения.
Разработанное конструктивное решение автомобильной дороги эстакадного типа, общий вид которой представлен на рис. 4, обеспечивает многократное уменьшение трудозатрат на ее строительство по сравнению с автомобильными дорогами традиционного конструктивного исполнения. Это объясняется тем, что у дорог традиционного исполнения вложение всех затрат труда, связанных с изготовлением их отдельных элементов, осуществляется непосредственно на строительной площадке. Так, при возведении насыпей земляного полотна на полосе дорожного отвода производится подготовка грунтового основания насыпей, отсыпка привезенного грунта, его послойное разравнивание и уплотнение, планировка верха насыпи и откосов, выполнение на них защитного слоя из чернозема (укрепление откосов) с посевом многолетних трав. В этих условиях на качество и сроки выполнения работ оказывает негативное влияние действие природно-климатических факторов (температуры воздуха, осадков в виде дождя и снега, ветра, тумана и др.). В то же время при строительстве дорог эстакадного типа изготовление железобетонных дорожных конструкций производится на заводах ЖБИ, а на полосе дорожного отвода осуществляется только их монтаж в проектное положение. За счет того, что трудоемкость монтажа готовых конструкций заводского изготовления в десятки раз меньше трудоемкости работ по выполнению земляного полотна и других элементов дорог традиционного исполнения, достигается огромное преимущество в темпах строительства автомобильных дорог эстакадного типа перед автомобильными дорогами традиционного исполнения. Кроме того, появляется возможность повышения индустриализации дорожного строительства, а также качества выполняемых работ по сравнению с теми, которые достигнуты дорожно-строительными организациями в настоящее время при строительстве дорог традиционного конструктивного исполнения. Повышению темпов дорожного строительства также могло бы способствовать привлечение к строительству дорог эстакадного типа любых строительно-монтажных организаций, имеющих технические возможности для выполнения работ по монтажу сборных железобетонных конструкций.
Экономическая эффективность автомобильных дорог эстакадного типа из сборных железобетонных элементов была доказана сравнительным расчетом стоимости строительства 4-полосной дороги такого типа и аналогичных автомобильных дорог традиционного конструктивного исполнения. Дорожная одежда последних дорог была выполнена с асфальтобетонным и цементобетонным покрытиями [5]. Было установлено, что строительство дороги эстакадного типа из сборных железобетонных элементов не является чрезмерно затратным по сравнению с автомобильными дорогами традиционного конструктивного исполнения. Уже при 4-метровой высоте насыпи земляного полотна строительство 4-полосной автодороги традиционного исполнения с асфальтобетонным покрытием экономически проигрывает строительству дороги эстакадного типа с теми же высотными отметками, а при дальнейшем росте высоты насыпи вообще становится неконкурентоспособным. Это относится и к автодорогам традиционного конструктивного исполнения с цементобетонными монолитными покрытиями, сметная стоимость строительства которых при любой высоте насыпи земляного полотна значительно больше аналогичного показателя автодорог эстакадного типа с четырьмя полосами движения. Что же касается эксплуатации автомобильных дорог эстакадного типа, то здесь экономичность очевидна, поскольку продолжительность межремонтных периодов таких дорог сопоставима с продолжительностью межремонтных периодов железобетонных мостов, которые составляют 50 лет.
И наконец, строительство автомобильных дорог эстакадного типа позволит значительно уменьшить или полностью свести на нет хищения финансовых и материальных средств, выделяемых дорожно-строительным организациям на выполнение работ. Все дело в том, что для строительства 1 км такой дороги потребуется строго определенное в соответствии с техническими нормами количество сборных железобетонных дорожных конструкций, бетонной и асфальтобетонной смесей и других материалов, расход которых легко проконтролировать как в процессе строительства дороги, так и после его окончания. Это позволит исключить приписки фактически не выполняемых работ и объемов выполняемых работ, что довольно трудно, а иногда и просто невозможно сделать в силу ряда причин при строительстве автомобильных дорог традиционного конструктивного исполнения.
Библиографический список
1. Елизавета Стуканова. О бедных дорогах замолвите слово // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, №6, 2014, с. 48-51.
2. Дорожная терминология: Справочник / Под редакцией Вейцмана М.И. – М.: Транспорт, 1985, с. 310.
3. Патент РФ на полезную модель №145330 «Дорожная конструкция».
4. Веселов А.В., Трубкин И.С. Строительство дорог эстакадного типа как возможность решения дорожной проблемы России. Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы междунар. науч.-техн. конф. / ПНИПУ. – Пермь: 2012, с. 256-264.
5. Веселов А.В. Обоснование экономической эффективности строительства автомобильных дорог эстакадного типа из сборных железобетонных элементов. Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы международ. науч-техн. конф. / ПНИПУ. – Пермь: 2012, с. 265-270.
