Обладнуючи не жорсткий дорожній одяг капітального типу з неукріпленими основами та перехідного типу (під’їзні дороги промислових підприємств, тимчасові, лісовозні та ін.) практикується традиційний метод будівництва, який передбачає влаштування зернистих шарів (гравійно-піщаних, щебеневих та щебенево-піщаних). п.). При експлуатації під дією динамічного навантаження зернистий шар змішується з матеріалом основи або ґрунтом земельного полотна, знижуючи несучу здатність конструкції дорожнього одягу і провокуючи виникнення колійності на поверхні покриття. Для вирішення цієї проблеми в усьому світі вже понад 35 років використовують геосинтетичні матеріали як підсилювальний елемент конструкції доріг. Теоретичні основи розрахунку доріг перехідного типу без монолітного покриття закладені у роботах класиків геосинтетики Barenberg та ін. (1975), Giroud JP – Noiray L. (1981) та Giroud – Ah-Line – Bonaparte (1985). Однак у багатьох країнах, особливо на територіях СНД, продовжуються дослідження щодо встановлення ефективності використання геосинтетичних матеріалів для армування основ.

Метод проектування, представлений Barenberg та ін. (1975), дозволяє знайти рішення рівняння для встановлення необхідної товщини шару основи із щебеню, якщо відомо питоме зчеплення ґрунту. Для отримання залежностей використовується відоме рівняння Буссинеска для вертикальних стискаючих напруг для однорідного напівпростору (рис. 1):

де  Q  – навантаження на колесо, кН;

р  – Питома розрахункова навантаження (контактний тиск), МПа;

z  – глибина заданої точки, м;

r  – радіус відбитка колеса, м:

Для заданого ряду значень зчеплення ґрунту (с) та відомого контактного тиску, що діє від колеса розрахункового автомобіля, максимально допустима напруга σ(c), яка виникає в ґрунті, дорівнює 3,3*c (без геотекстилю) або 6,0*c с  геотекстилем . Тому відношення міцності ґрунту до прикладеної напруги, наприклад, (3.3*c/тиск в контакті колеса з ґрунтом) використовується для того, щоб визначити товщину потрібного шару матеріалу основи (зернистого матеріалу: щебеню або гравію).

Тобто допустима (критична) напруга в ґрунті:

–  Без геотекстильного матеріалу:

– за наявності геотекстилю:

Розглядаючи спільно формули (1–4), товщина шару основи із зернистого матеріалу залежно від питомого зчеплення ґрунту дорівнює:

На рис. 2. наведено результати розрахунків необхідної товщини шару основи із зернистого матеріалу для навантаження на вісь 115, 100 та 60 кН.

З урахуванням формул (3-5) можна знайти економію товщини шару основи за різних навантажень на колесо при армуванні геосинтетиком (рис. 3):

Аналіз  результатів показує, що найбільш ефективним є армування слабких ґрунтів (при зчепленні менше 15 кПа, де економія товщини шару основи сягає 20-35 см). При зчепленні ґрунту більше 40 кПа зменшення товщини практично не відбувається і становить 5-9см. Недоліками розглянутого методу є неможливість урахування властивостей різних геосинтетиків, оскільки до формул не входять характеристики армуючих матеріалів, не облік характеристик шару основи та інтенсивності руху. Крім того, необхідно враховувати взаємний вплив суміжних коліс, що можна зробити, використовуючи принцип суперпозиції.

Теоретичні дослідження:

I. Критерій допустимого вертикального тиску. Для виведення необхідних залежностей можна скористатися формулами, запропонованими проф. Б. С. Радовським:

де  Е ₁  – Модуль пружності шару основи, МПа;

Е ₂  – модуль пружності ґрунту земляного полотна, МПа.

Для знаходження допустимого вертикального тиску на ґрунт можна скористатися формулою Хайкелома-Кломпа (Нідерланди), яка використовується в Німеччині для розрахунку дорожнього одягу з малою інтенсивністю руху:

де  N  – розрахункова кількість циклів навантаження за добу.

Підставивши значення допустимих напруг (8) у формули (7), можна знайти необхідну товщину шару основи в залежності від інтенсивності руху:

K _арм  – коефіцієнт армування, що визначається з урахуванням модуля пружності геосинтетичного матеріалу. Перевагою запропонованого методу є можливість обліку модуля пружності покриття (основи), ґрунту земляного полотна та кількості циклів застосування навантаження. Критерій допустимої вертикальної напруги набув широкого використання у закордонній практиці проектування конструкцій дорожнього одягу, проте не використовується у вітчизняних нормах. Тому розглянемо метод проектування армованих конструкцій основ дорожнього одягу згідно з нормами України.

ІІ. Критерій загального модуля пружності:

Відповідно до ВБН В.2.3-218-186-2004 конструкція дорожнього одягу відповідає вимогам надійності та міцності за критерієм пружного прогину, якщо:

де  К _пр  – коефіцієнт міцності дорожнього одягу, знайдений за графіком (див. рис. 3.1) або таблиці 3.1 ВБН В.2.3-218-186-2004 залежно від допустимого рівня надійності;

Е _{загальний}  – загальний модуль пружності конструкції;

Е _необх  – необхідний модуль пружності конструкції з урахуванням капітальності одягу, типу покриття та інтенсивності дії навантаження.

Необхідний модуль пружності визначається залежно від виду:

де  а  = 42,843,  b  = 315,68 за  Q  = 115 кН,

а  = 42,843,  b  = 350,21 при  Q  = 100 кН,

а  = 42,843,  b  = 409,4 за  Q  = 60 кН.

Для оцінки загального модуля пружності широко використовується формула Е. Барбера, яка за відповідного коригування дає практично такі ж результати, як і за номограмою або формулою, наведеною у ВБН В.2.3-218-186-2004 для двошарового напівпростору при коефіцієнтах поперечної деформації, рівних 1/2, і має вигляд:

з якої товщина визначається за формулою:

У граничному випадку з (11) знаходимо:

підставляючи у формулу (14), виходить остаточно:

Отримана формула пов’язує між собою модулі основи E ₁  і ґрунту E ₂  та інтенсивність руху  Σ N  за весь період експлуатації і дозволяє розрахувати товщину основи або покриття перехідного типу h за критерієм загального модуля пружності. На рис. 6-7 наведено результати розрахунків товщини шару основи в залежності від сумарної кількості додатків навантажень та модуля пружності ґрунту для критерію пружного прогину.

p align=”justify”> При проектуванні конструкцій остаточно приймається більше значення товщини, розраховане за різними критеріями граничного стану.

Висновок : На основі теоретичних досліджень отримані формули для встановлення товщини шару основи в залежності від модуля пружності основи та ґрунту земляного полотна та кількості циклів застосування навантажень для критерію пружного прогину та допустимого вертикального тиску. Характер зміни товщини подібний, але абсолютні значення є різними для різних критеріїв, тому проектна товщина повинна визначатися на основі вибору максимального значення товщини для заданих умов будівельної ділянки. Необхідно продовжити дослідження для критерію зсуву у ґрунті земляного полотна. Залежно від вхідних параметрів ці критерії можуть бути визначальними за різних характеристик грунту, тому важливим є експериментальне визначення модуля пружності грунту безпосередньо на проектованій ділянці автомобільної дороги або будівельному майданчику. Армування геосинтетичними матеріалами дозволяє зменшити товщину зернистих шарів за рахунок поліпшення механізму рівномірного розподілу напруг від коліс транспортних засобів і сприйняття напруг, що розтягують. Чим менша здатність грунту, тим більший економічний ефект може бути досягнутий. За допомогою наведених залежностей, створеної математичної моделі та номограм фахівці нашої компанії можуть, не витрачаючи багато часу, провести аналіз ефективності використання армування щебеневих чи гравійних шарів у конструкціях дорожнього одягу перехідного типу (тимчасові дороги, лісовозні дороги тощо) Чим менша здатність грунту, тим більший економічний ефект може бути досягнутий. За допомогою наведених залежностей, створеної математичної моделі та номограм фахівці нашої компанії можуть, не витрачаючи багато часу, провести аналіз ефективності використання армування щебеневих чи гравійних шарів у конструкціях дорожнього одягу перехідного типу (тимчасові дороги, лісовозні дороги тощо) Чим менша здатність грунту, тим більший економічний ефект може бути досягнутий. За допомогою наведених залежностей, створеної математичної моделі та номограм фахівці нашої компанії можуть, не витрачаючи багато часу, провести аналіз ефективності використання армування щебеневих чи гравійних шарів у конструкціях дорожнього одягу перехідного типу (тимчасові дороги, лісовозні дороги тощо)