Исследование деформационных характеристик фиброцементогрунтовых конструкций лесовозных автомобильных дорог

Лесовозные автомобильные дороги эксплуатируются в сложных природных условиях лесной зоны и при интенсивных транспортных нагрузках. Поэтому конструкция дорожной одежды и строительные материалы должны обеспечивать требуемые транспортноэксплуатационные показатели проезжей части в течение всего срока службы лесовозной автомобильной дороги.

В районах, обладающих в достаточном объёме ресурсами инертных материалов, дорожные одежды лесовозных автомобильных дорог устраивают преимущественно из каменных материалов. Каменные материалы обладают высокими физико-механическими характеристиками и технологичны при устройстве конструктивных слоёв дорожной одежды. В районах с недостатком инертных материалов используются альтернативные технологии дорожного строительства, одной из которых является устройство конструктивных слоёв из укреплённых местных грунтов [1].

Укрепление грунтов производится путём смешения местного грунта с вяжущими материалами, как правило, с портландцементом, добавлением воды до оптимальной влажности смеси, последующего уплотнения и ухода за уложенным слоем [2], [3]. Получаемый в результате цементогрунт обладает высокими прочностными показателями и морозостойкостью. Однако в условиях слабых оснований, распространённых в лесной зоне, цементогрунты имеют недостаточную трещиностойкость, что является причиной образования дефектов и ускоренного разрушения покрытия проезжей части [4], [5].

Для повышения трещиностойкости и физико-механических показателей укреплённых грунтов эффективным является введение в их состав добавки фиброволокна. В качестве фиброволокна может использоваться базальтовая, стеклянная, полипропиленовая или углеродная фибра. Распределённые и прочно удерживаемые в цементогрунтовой матрице волокна фибры воспринимают за счёт своего осевого растяжения внешние нагрузки и повышают прочность и трещиностойкость получаемого композиционного материала — фиброцементогрунта [6]. В работах [7—10] приведены результаты лабораторных исследований фиброцементогрунтов на основе различных видов фиброволокна. Установлено, что фиброцементогрунты имеют более высокие показатели прочности, морозостойкости и низкое водонасыщение, чем аналогичные образцы цементогрунтов без добавки фиброволокна. Кроме того, исследованиями [11—14] отмечено, что дисперсное армирование волокнами фибры позволяет увеличить структурную прочность фиброцементогрунтов, что обеспечивает дорожной одежде автомобильных дорог высокие показатели модуля упругости.

В целях конструирования дорожных одежд из фиброцементогрунта, обеспечивающих заданный срок службы в условиях лесной зоны на слабых основаниях и под действием высоких нагрузок от лесотранспорта, требуется проведение расчётного моделирования деформационных характеристик. Анализ приведённых выше научных работ показал, что данным исследованиям уделено недостаточное внимание.

Целью настоящей работы является исследование деформационных характеристик фиброцементогрунтовых слоёв конструкций лесовозных автомобильных дорог на слабых основаниях и под действием нагрузок от лесотранспорта, а также сравнение данных показателей с аналогичными конструкциями дорожных одежд из цементогрунта без добавки фиброволокна и из каменных материалов.

2.    Материалы и методы

Исследование деформационных характеристик дорожной одежды выполнено с использованием программного комплекса геотехнических расчётов PLAXІS 2D по методу конечных элементов. Моделирование по методу конечных элементов позволяет одновременно выполнять расчёты деформаций и напряжений исследуемых конструкций в плоскости расчётной модели и выявить их вертикальные (осадку) и горизонтальные (боковое смещение) составляющие.

Моделирование проводилось в следующей последовательности:

• ■    Создание расчётных моделей конструкций дорожных одежд.

• ■    Расчёт деформаций конструкций дорожных одежд под действием транспортной нагрузки.

• ■    Анализ результатов расчёта моделей конструкций дорожных одежд.

Для расчётного моделирования деформаций использовались равнопрочные конструкции дорожных одежд из различных материалов: цементогрунт (тип 1); фиброцементогрунт (тип 2) и щебень (тип 3). Для приведения конструкций дорожных одежд к единым прочностным показателям произведён расчёт в программном комплексе «КРЕДО РАДОН 4.2» (Кредо-Диалог СП ООО, Беларусь) в соответствии с методикой ПНСТ 542-2021 «Дороги автомобильные общего пользования. Нежёсткие дорожные одежды. Правила проектирования» для условий Свердловской области. Параметры исходных данных представлены в таблице 1.

Полученные в ходе расчёта характеристики равнопрочных вариантов конструкций дорожных одежд лесовозной автомобильной дороги представлены в таблицах 2 и 3.

Подбор оптимального состава фиброцементогрунтовой и цементогрунтовой смесей, соответствующих марке М60 А, производился в лабораторных условиях на аттестованном испытательном оборудовании по методике ГОСТ 70452-2022 «Грунты стабилизированные и укреплённые неорганическими вяжущими. Общие технические условия» на основе природного грунта — суглинка лёгкого пылеватого, взятого из земляного полотна лесовозной автомобильной дороги на территории ГКУ СО «Алапаевское лесничество» в Свердловской области. Составы фиброцементогрунтовой и цементогрунтовой смесей подобраны в следующем соотношении компонентов: портландцемент ЦЕМ II/В-И 32,5Б по ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия» — 7,0 % от массы сухого грунта; вода по ГОСТ 51232-98 «Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества» для получения оптимальной влажности смеси — 16 % от массы сухого грунта. Для приготовления фиброцементогрунтовой смеси использовалась фибра на основе базальтовых волокон, полученных из отходов производства теплоизоляционных плит АО «Тизол» в г. Нижняя Тура Свердловской области, в количестве 1,5 % от массы сухого грунта.

Для получения структурных прочностных характеристик фиброцементогрунта и цементогрунта подобранных составов проведены лабораторные испытания по изучению показателей угла внутреннего трения и удельного сцепления в соответствии с ГОСТ 12248.12020 «Грунты. Определение характеристик прочности методом одноплоскостного среза» на установке одноплоскостного среза ГТ 0.2.1. По полученным показателям сопротивления срезу образцов на каждой из ступени нормального давления (0,1 МПа; 0,2 МПа; 0,3 Мпа) рассчитаны показатели угла внутреннего трения и удельного сцепления укреплённых грунтов (таблица 4).

Таблица 1. Исходные данные для конструирования и расчёта дорожных одежд

Table 1. Initial data for the design and calculation of road pavements

№ п/п	Наименование показателя	Значение показателя
1	Дорожно-климатическая зона	2
2	Схема увлажнения рабочего слоя	2
3	Количество расчётных дней в году	140
4	Глубина промерзания, см	200
5	Категория дороги	III-л
6	Количество полос движения	1
7	Тип конструкции дорожной одежды	Переходный
8	Срок службы покрытия, лет	5
9	Межремонтный срок покрытия, лет	3
10	Коэффициент надёжности	0,82
11	Ширина проезжей части, м	5,5
12	Грунт рабочего слоя	Суглинок лёгкий
13	Расчётная влажность грунта, доли ед.	0,710
14	Нормативная статистическая нагрузка на ось, кН	117,70
15	Давление в шинах, МПа	0,60
16	Диаметр штампа, см	40,29
17	Расчётное число приложений на полосу приведённой нагрузки на последний год службы, ед./сут.	398,92

Таблица 2. Характеристика конструкции дорожной одежды из цементогрунта (тип 1) и фиброцементогрунта (тип 2)

Table 2. Characteristics of the construction of road pavement made of cement soil (type 1) and fiber cement soil (type 2)

№ слоя	Характеристика материала слоя	Толщина слоя, см
1	Цементогрунт (фиброцементогрунт), марка М60 А, ГОСТ 70452-2022	63,0
Суммарная толщина конструкции дорожной одежды		63,0

Таблица 3. Характеристика конструкции дорожной одежды из щебня (тип 3)

Table 3. Characteristics of crushed stone road pavement design (type 3)

№ слоя	Характеристика материала слоя	Толщина слоя, см
1	Щебень трудноуплотняемый фракции 31,5—63 мм по ГОСТ 32703-2014 с заклинкой фракционным щебнем	26,0
2	Щебень трудноуплотняемый фракции 31,5—63 мм по ГОСТ 32703-2014 с заклинкой фракционным щебнем	30,0
3	Песок средней крупности с содержанием пылевато-глинистой фракции 5 %-й по ГОСТ 32824-2014	20,0
Суммарная толщина конструкции дорожной одежды		76,0

Таблица 4. Показатели структурных прочностных характеристик укреплённых грунтов

Table 4. Indicators of structural strength characteristics of reinforced soils

Показатель	Фиброцементогрунт	Цементогрунт
Модуль деформации (Е), МПа	55	47
Удельное сцепление (С), кПа	866,0	607,3
Угол внутреннего трения ( р ), град.	27	25

Полученные в ходе лабораторных исследований показатели модуля деформации, удельного сцепления и угла внутреннего трения фиброцементогрунта и цементогрунта использовались в расчётных моделях конструкций дорожных одежд. Аналогичные показатели щебня (Е = 100 МПа, <р = 45⁰) и песка (Е = 30 МПа, р = 30⁰) были приняты согласно СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*».

Для моделирования деформационных характеристик конструкций дорожных одежд принималась стандартная нагрузка от колеса гружёного лесовоза 55 кН/м2.

Расчётные схемы конструкций дорожных одежд лесовозной автомобильной дороги, использованные в моделях, представлены на рисунках 1 и 2.

Транспортная нагрузка

Н I I

Фиброцементогрунт (цементогрунт)

Рисунок 1. Расчётная схема конструкции дорожной одежды по типу 1 и 2

Figure 1. Calculation diagram of road pavement design for types 1 and 2

Транспортная нагрузка

Рисунок 2. Расчётная схема конструкции дорожной одежды по типу 3

Figure 2. Calculation diagram of road pavement design for type 3

Расчётное моделирование деформационных характеристик конструкций дорожных одежд производилось при различной консистенции связного грунта основания земляного полотна (суглинка лёгкого пылеватого): текучепластичной, мягкопластичной и твёрдой. За основу были приняты прочностные и деформационные характеристики грунта согласно СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*» (таблица 5).

Таблица 5. Прочностные и деформационные характеристики грунта земляного полотна — суглинка лёгкого пылеватого

Table 5. Strength and deformation characteristics of the subgrade soil — light silty loam

Показатель	Консистенции грунта земляного полотна
	текучепластичная	мягкопластичная	твёрдая
Модуль деформации (Е), МПа	5	20	40
Удельное сцепление (С), кПа	12	14	60
Угол внутреннего трения (ср), град.	8	18	30

Статистический анализ и визуализация полученных результатов деформационных характеристик конструкций дорожных одежд производился в программном комплексе Statistica 10 (TIBCO Software Inc., США).

3.    Результаты

На основании результатов проведённых исследований получены зависимости деформаций дорожных одежд от типа конструкции и консистенции грунта основания (таблица 6), а также эпюры главных напряжений под действием транспортной нагрузки в конструктивных слоях на основании из суглинка лёгкого пылеватого тягучепластичной консистенции (рисунки 3—5).

Таблица 6. Зависимость величины деформаций дорожных одежд от типа конструкции и консистенции грунта основания

Table 6. Dependence of the magnitude of deformations of road pavements on the type of structure and consistency of the foundation soil

Показатель	Грунт основания, Е/С/ϕ (кПа/кПа/ ˚)	Типы покрытия дорожной одежды
		Цементогрунт (тип 1)	Фиброцементогрунт (тип 2)	Щебень (тип 3)
Вертикальные деформации (осадка), мм	5/12/8	1,107	1,027	0,7982
Горизонтальные деформации (боковое смещение), мм		0,1854	0,1678	0,146
Вертикальные деформации (осадка), мм	20/14/18	0,6513	0,5818	0,4884
Горизонтальные деформации (боковое смещение), мм		0,1233	0,1085	0,09377
Вертикальные деформации (осадка), мм	40/60/30	0,5595	0,4923	0,4305
Горизонтальные деформации (боковое смещение), мм		0,1112	0,09703	0,08124

Рисунок 3. Эпюра главных напряжений в конструктивных слоях дорожной одежды по типу 1 от транспортной нагрузки на основании из суглинка лёгкого пылеватого тягучепластичной консистенции

Figure 3. Diagram of the main stresses in the structural layers of road pavement according to type 1 from the transport load on a base of light silty loam of a ductile-plastic consistency

Рисунок 4. Эпюра главных напряжений в конструктивных слоях дорожной одежды по типу 2 от транспортной нагрузки на основании из суглинка лёгкого пылеватого тягучепластичной консистенции

Figure 4. Diagram of the main stresses in the structural layers of road pavement according to type 2 from the transport load on a base of light silty loam of a ductile-plastic consistency

4,70 OXO 4,50     4,40     4,30     4.20     4,10 MO 0.10     0,20     0.30     0.40 OJO 0.60 И OJO

Рисунок 5. Эпюра главных напряжений в конструктивных слоях дорожной одежды по типу 3 от транспортной нагрузки на основании из суглинка лёгкого пылеватого тягучепластичной консистенции

Figure 5. Diagram of the main stresses in the structural layers of road pavement according to type 3 from the transport load on a base of light silty loam of a ductile-plastic consistency

На основании полученных зависимостей величины деформаций дорожных одежд от типа конструкции и консистенции грунта основания построены поверхности отклика вертикальных деформаций (осадки) (рисунок 6) и горизонтальных деформаций (боковое смещение) (рисунок 7).

Рисунок 6. Поверхность отклика вертикальных деформаций (осадки) от консистенции грунта основания и типа конструкции дорожной одежды

Figure 6. Surface of the response of vertical deformations (precipitation) from the consistency of the foundation soil and the type of construction of the pavement

Рисунок 7. Поверхность отклика горизонтальных деформаций (боковое смещение) от консистенции грунта основания и типа конструкции дорожной одежды

Figure 7. Surface of the response of horizontal deformations from the consistency of the foundation soil and the type of construction of the pavement

4.    Обсуждение и заключение

Анализ результатов проведённых исследований деформаций дорожных одежд для различных типов конструкций и консистенции грунта основания показывает, что фиброцементогрунт имеет более высокие прочностные характеристики по сравнению с цементогрунтом без добавки фиброволокна. Благодаря этому в дорожной одежде из фиброцементогрунта на слабом основании из суглинка лёгкого пылеватого тягучепластичной консистенции возникают напряжения на 5 % больше, чем у цементогрунта, в связи с чем повышается сопротивление конструкции сжимающим напряжениям, что способствует уменьшению деформаций дорожной одежды от нагрузки лесотранспорта. Так, показатели осадки дорожной одежды из фиброцементогрунта меньше по сравнению с цементогрунтом на 12,0 % на грунте твёрдой консистенции, меньше на 10,6 % на грунте магкопластичной консистенции и меньше на 7,2 % на грунте тягучепластичной консистенции. Показатели горизонтальных деформаций дорожной одежды из фиброцементогрунта также меньше по сравнению с цементогрунтом на 12,7 % на грунте твёрдой консистенции, меньше на 12,0 % на грунте магкопластичной консистенции и меньше на 9,5 % на грунте тягучепластичной консистенции.

На основании построенных эпюр главных напряжений максимальное напряжение в дорожной одежде из щебня выше, чем у фиброцементогрунта на 7 %, что свидетельствует о лучшем сопротивлении данной конструкции сжимающим напряжениям. Показатели осадки дорожной одежды из щебня меньше по сравнению с фиброцементогрунтом на 12,5 % на грунте твёрдой консистенции, меньше на 16,0 % на грунте магкопластичной консистенции и меньше на 22,3 % на грунте тягучепластичной консистенции. Показатели горизонатальных деформаций дорожной одежды из щебня также меньше по сравнению с фиброцементогрунтом на 16,3 % на грунте твёрдой консистенции, меньше на 13,6 % на грунте магкопластичной консистенции и меньше на 13,0 % на грунте тягучепластичной консистенции. На основании изложенного эффективность применения щебня в конструкции дорожной одежды в сравнении с фиброцементогрунтом повышается на слабых основаниях по критерию осадки, но уменьшается по критерию горизонтальных деформаций.

Таким образом, результаты исследований позволили установить, что конструкция дорожной одежды из щебня менее подвержена деформациям по сравнению с конструкцией из укреплённых грунтов. Данная зависимость объясняется тем, что при равных прочностных характеристиках дорожная одежда из щебня, включая нижний слой из песка, имеет бóльшую толщину, чем из укреплённого грунта. При этом в районах с недостатком каменных материалов применение данных конструкций дорожных одежд из инертных материалов экономически менее эффективно, чем использование укреплённых грунтов.

Применение фиброцементогрунта в конструкции дорожной одежды лесовозных автомобильных дорог в сравнении с цементогрунтом без добавки фиброволокна позволяет уменьшить вертикальные и горизонтальные деформации, причём эффективность возрастает с увеличением прочностных и деформационных характеристик грунта основания. Снижение деформаций в конструкции дорожной одежды при действии транспортных нагрузок позволяет обеспечить нормативные транспортно-эксплуатационные показатели в условиях слабых оснований и увеличить срок службы покрытия лесовозных автомобильных дорог.