Дорожное строительство (также известное как дорожное строительство и уличное строительство ) — это профессиональная инженерная дисциплина, ответвляющаяся от поддисциплины гражданского строительства транспортного строительства , которая включает в себя планирование, проектирование, строительство, эксплуатацию и обслуживание дорог , автомагистралей , улиц , мостов и туннелей для обеспечения безопасной и эффективной перевозки людей и грузов. [1] [2] [3] Дорожное строительство стало заметным во второй половине 20-го века после Второй мировой войны . Стандарты дорожного строительства постоянно совершенствуются. Дорожные инженеры должны учитывать будущие транспортные потоки, проектирование пересечений/развязок автомагистралей, геометрическое выравнивание и проектирование, материалы и проектирование дорожного покрытия, структурное проектирование толщины дорожного покрытия и обслуживание дорожного покрытия. [1]
Начало строительства дорог можно датировать временем римлян. [2] С развитием технологий от экипажей, запряженных двумя лошадьми, до транспортных средств с мощностью, эквивалентной 100 лошадиным силам, дорожное строительство должно было последовать этому примеру. Строительство современных автомагистралей началось только в конце 19-го — начале 20-го века. [2]
Первые исследования, посвященные дорожному строительству, были начаты в Соединенном Королевстве с созданием Лаборатории транспортных исследований (TRL) в 1930 году. [2] В США дорожное строительство стало важной дисциплиной с принятием Закона о федеральных автомагистралях 1944 года , который был направлен на соединение 90% городов с населением 50 000 человек и более. [2] Из-за постоянной нагрузки от транспортных средств, которые становились больше со временем, требовалось улучшение дорожного покрытия. Поскольку технологии устарели, в 1958 году строительство первой автомагистрали в Великобритании ( объездная дорога Престона ) сыграло важную роль в разработке новой технологии дорожного покрытия. [2]
Планирование автомагистралей включает оценку текущих и будущих объемов движения на дорожной сети . Планирование автомагистралей также является базовой потребностью для развития автомагистралей. Инженеры-дорожники стремятся предсказать и проанализировать все возможные гражданские воздействия автомагистральных систем. Некоторые соображения включают неблагоприятные воздействия на окружающую среду, такие как шумовое загрязнение, загрязнение воздуха, загрязнение воды и другие экологические воздействия. [3]
Развитые страны постоянно сталкиваются с высокими расходами на содержание стареющих транспортных магистралей. Рост автомобильной промышленности и сопутствующий экономический рост породили спрос на более безопасные, более эффективные, менее загруженные магистрали. Рост торговли, образовательных учреждений, жилья и обороны в значительной степени потреблял средства из государственных бюджетов в прошлом, что сделало финансирование общественных магистралей сложной задачей. [4]
Многоцелевые характеристики автомагистралей, экономическая среда и достижения в технологии ценообразования на автомагистралях постоянно меняются. Поэтому подходы к финансированию, управлению и обслуживанию автомагистралей также постоянно меняются. [5]
Экономический рост сообщества зависит от развития автомагистралей для повышения мобильности. Однако неправильно спланированные, спроектированные, построенные и обслуживаемые автомагистрали могут нарушить социальные и экономические характеристики сообщества любого размера. Обычные неблагоприятные последствия развития автомагистралей включают в себя повреждение среды обитания и биоразнообразия, загрязнение воздуха и воды, возникновение шума и вибрации, повреждение естественного ландшафта и разрушение социальной и культурной структуры сообщества. Инфраструктура автомагистралей должна строиться и обслуживаться в соответствии с высокими стандартами и качествами. [6]
Существует три основных шага для интеграции экологических соображений в планирование, составление графиков, строительство и обслуживание автомагистралей. Этот процесс известен как Оценка воздействия на окружающую среду , или ОВОС, поскольку он систематически рассматривает следующие элементы: [6]
Системы автомагистралей приносят самую высокую цену в виде человеческих травм и смертей, поскольку почти 50 миллионов человек получают травмы в дорожно-транспортных происшествиях каждый год, не считая 1,2 миллиона смертей. [7] Травмы в результате дорожно-транспортных происшествий являются основной причиной непреднамеренной смерти в течение первых пяти десятилетий человеческой жизни. [8]
Управление безопасностью — это систематический процесс, направленный на снижение частоты и тяжести дорожно-транспортных происшествий. Взаимодействие человека и машины с системами дорожного движения нестабильно и представляет собой проблему для управления безопасностью на шоссе. Ключом к повышению безопасности систем шоссе является проектирование, строительство и обслуживание их таким образом, чтобы они были гораздо более терпимыми к среднему диапазону этого взаимодействия человека и машины с шоссе. Технологические достижения в области дорожного строительства улучшили методы проектирования, строительства и обслуживания, используемые на протяжении многих лет. Эти достижения позволили внедрить новые инновации в области безопасности на шоссе. [8]
Обеспечивая выявление, рассмотрение и реализацию всех ситуаций и возможностей соответствующим образом, их можно оценивать на каждом этапе планирования, проектирования, строительства, обслуживания и эксплуатации автомагистралей для повышения безопасности наших автомагистральных систем. [3]
Наиболее подходящее местоположение, выравнивание и форма шоссе выбираются на этапе проектирования. Проектирование шоссе включает рассмотрение трех основных факторов (человек, транспортное средство и дорога) и то, как эти факторы взаимодействуют для обеспечения безопасного шоссе. Человеческие факторы включают время реакции на торможение и рулевое управление, остроту зрения для дорожных знаков и сигналов и поведение следования за автомобилем. Соображения относительно транспортных средств включают размер и динамику транспортного средства, которые необходимы для определения ширины полосы и максимальных уклонов, а также для выбора транспортных средств для проектирования. Инженеры-дорожники проектируют геометрию дороги, чтобы обеспечить устойчивость транспортных средств при прохождении поворотов и уклонов и обеспечить достаточные расстояния видимости для выполнения маневров обгона на поворотах на двухполосных дорогах с двусторонним движением. [3]
Инженеры-дорожники и транспортные инженеры должны соответствовать многим стандартам безопасности, обслуживания и производительности при проектировании автомагистралей для определенной топографии участка. Геометрическое проектирование автомагистралей в первую очередь относится к видимым элементам автомагистралей. Инженеры-дорожники, которые проектируют геометрию автомагистралей, должны также учитывать экологические и социальные эффекты проекта на окружающую инфраструктуру. [9]
Существуют определенные соображения, которые должны быть надлежащим образом учтены в процессе проектирования, чтобы успешно подогнать шоссе под топографию участка и сохранить его безопасность. Некоторые из этих проектных соображений: [9]
Эксплуатационные характеристики автомагистрали можно оценить по реакции водителей на проектные решения и их взаимодействию. [9]
Материалы, используемые для строительства дорог, со временем совершенствовались, начиная с ранних дней Римской империи. Достижения в методах, с помощью которых эти материалы характеризуются и применяются для проектирования конструкций дорожного покрытия, сопровождались этим прогрессом в материалах. [10]
Существует три основных типа поверхностей дорожного покрытия — качественный бетон (PQC), портландцементный бетон (PCC) и горячая асфальтобетонная смесь (HMA). Под этим слоем износа находятся слои материала, которые обеспечивают структурную поддержку для дорожной системы. Эти нижележащие поверхности могут включать либо агрегированное основание и подстилающие слои, либо обработанное основание и подстилающие слои, а также, кроме того, лежащее под ним естественное или обработанное основание. Эти обработанные слои могут быть обработаны цементом, асфальтом или известью для дополнительной поддержки. [10] Новый материал
Гибкое, или асфальтовое , или асфальтовое покрытие обычно состоит из трех или четырех слоев. Для четырехслойного гибкого покрытия есть верхний слой, базовый слой и подстилающий слой, построенные на уплотненном естественном грунтовом основании. При строительстве трехслойного гибкого покрытия подстилающий слой не используется, а базовый слой укладывается непосредственно на естественное основание. [11]
Поверхностный слой гибкого покрытия изготавливается из асфальтобетонной смеси горячего смешивания (HMA). Нестабилизированные заполнители обычно используются для основания; однако основание также может быть стабилизировано асфальтом, вспененным битумом, портландцементом <Roadstone Recycling> или другим стабилизирующим агентом. Подоснова обычно изготавливается из местного заполнителя, в то время как верхняя часть подстилающего слоя часто стабилизируется цементом или известью. [11]
При гибком покрытии наибольшее напряжение возникает на поверхности, и оно уменьшается по мере увеличения глубины покрытия. Поэтому для поверхности необходимо использовать материал самого высокого качества, в то время как материалы более низкого качества можно использовать по мере увеличения глубины покрытия. Термин «гибкий» используется из-за способности асфальта слегка изгибаться и деформироваться, а затем возвращаться в исходное положение при приложении и снятии каждой транспортной нагрузки. Эти небольшие деформации могут стать постоянными, что может привести к образованию колеи на дорожке от колеса в течение длительного времени. [11]
Срок службы гибкого покрытия обычно составляет от 20 до 30 лет. [12] Требуемая толщина каждого слоя гибкого покрытия сильно варьируется в зависимости от используемых материалов, величины, количества повторений транспортных нагрузок, условий окружающей среды и желаемого срока службы покрытия. Такие факторы, как эти, учитываются в процессе проектирования, чтобы покрытие прослужило в течение проектного срока без чрезмерных разрушений. [11]
Жесткие покрытия обычно используются при строительстве аэропортов и крупных автомагистралей, таких как те, что входят в систему межгосударственных автомагистралей . Кроме того, они обычно служат в качестве промышленных плит для пола большой грузоподъемности, портовых и портовых дворовых покрытий, а также парковочных или терминальных покрытий для большегрузных автомобилей. Как и гибкие покрытия, жесткие покрытия автомагистралей спроектированы как всепогодные, долговечные конструкции для обслуживания современного высокоскоростного движения. Предлагая высококачественные поверхности для безопасного движения транспортных средств, они функционируют как структурные слои для распределения нагрузок от колес транспортных средств таким образом, что индуцированные напряжения, передаваемые на грунт подстилающего слоя, имеют приемлемые величины. [12]
Портландцементный бетон (PCC) является наиболее распространенным материалом, используемым при строительстве жестких дорожных плит. Причина его популярности заключается в его доступности и экономичности. Жесткие дорожные покрытия должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать часто повторяющиеся транспортные нагрузки. Типичный расчетный срок службы жесткого дорожного покрытия составляет от 30 до 40 лет, что примерно вдвое дольше, чем у гибкого дорожного покрытия. [12]
Одним из основных соображений при проектировании жестких покрытий является снижение усталостного разрушения из-за повторяющихся напряжений от движения. Усталостное разрушение распространено среди крупных дорог, поскольку типичное шоссе будет испытывать миллионы проходов колес в течение всего срока службы. В дополнение к критериям проектирования, таким как транспортные нагрузки, также необходимо учитывать растягивающие напряжения из-за тепловой энергии. По мере развития проектирования покрытий многие инженеры-дорожники отметили, что термически вызванные напряжения в жестких покрытиях могут быть такими же интенсивными, как и напряжения, вызванные колесными нагрузками. Из-за относительно низкой прочности бетона на растяжение термические напряжения чрезвычайно важны для проектирования жестких покрытий. [12]
Жесткие покрытия обычно строятся в три слоя - подготовленное основание, основание или подоснова и бетонная плита. Бетонная плита строится в соответствии с разработанным выбором плановых размеров для панелей плиты, напрямую влияющих на интенсивность термических напряжений, возникающих в покрытии. В дополнение к панелям плиты, температурная арматура должна быть спроектирована для контроля поведения трещин в плите. Расстояние между швами определяется размерами панели плиты. [12]
Три основных типа бетонных покрытий, которые обычно используются, это сочлененное простое бетонное покрытие (JPCP), сочлененное железобетонное покрытие (JRCP) и непрерывно армированное бетонное покрытие (CRCP). JPCP построены с усадочными швами, которые направляют естественное растрескивание покрытия. Эти покрытия не используют арматурную сталь. JRCP построены как с усадочными швами, так и с арматурной сталью для контроля растрескивания покрытия. Высокие температуры и влажные напряжения внутри покрытия создают трещины, которые арматурная сталь крепко удерживает вместе. В поперечных соединениях обычно размещаются дюбели, чтобы помочь передать нагрузку транспортного средства через трещину. CRCP полагаются исключительно на непрерывную арматурную сталь, чтобы удерживать вместе естественные поперечные трещины покрытия. Предварительно напряженные бетонные покрытия также использовались при строительстве автомагистралей; однако они не так распространены, как три других. Предварительно напряженные покрытия позволяют использовать более тонкие плиты, частично или полностью нейтрализуя термически вызванные напряжения или нагрузки. [12]
В течение срока службы гибкого покрытия накопленные транспортные нагрузки могут привести к чрезмерному образованию колеи или трещин, ненадлежащему качеству езды или недостаточному сопротивлению скольжению. Этих проблем можно избежать, если надлежащим образом обслуживать покрытие, но решение обычно требует чрезмерных затрат на обслуживание, или покрытие может иметь недостаточную структурную емкость для прогнозируемых транспортных нагрузок. [13]
На протяжении всего срока службы шоссе его уровень обслуживания тщательно контролируется и поддерживается. Одним из распространенных методов, используемых для поддержания уровня обслуживания шоссе, является размещение слоя на поверхности покрытия. [13]
Существует три основных типа покрытия, используемых на гибких покрытиях: асфальтобетонное покрытие, покрытие из портландцементного бетона и сверхтонкое покрытие из портландцементного бетона. Бетонный слой в обычном покрытии PCC размещается без сцепления поверх гибкой поверхности. Типичная толщина сверхтонкого покрытия PCC составляет 4 дюйма (10 см) или меньше. [13]
Существует две основные категории процедур проектирования гибкого покрытия: [13]
Ближе к концу срока службы жесткого покрытия необходимо принять решение о полной реконструкции изношенного покрытия или о строительстве верхнего слоя. Учитывая, что верхний слой может быть построен на жестком покрытии, срок службы которого еще не истек, часто экономически более выгодно наносить верхние слои чаще. Требуемая толщина верхнего слоя для структурно прочного жесткого покрытия намного меньше, чем для покрытия, срок службы которого подошел к концу. Жесткие и гибкие верхние слои используются для восстановления жестких покрытий, таких как JPCP, JRCP и CRCP. [14]
Существует три подкатегории жестких покрытий, которые организованы в зависимости от состояния сцепления на покрытии и существующем интерфейсе плиты. [14]
Проектирование надлежащего дренажа систем автомагистралей имеет решающее значение для их успеха. Автомагистраль должна быть спланирована и построена так, чтобы оставаться «высокой и сухой». [15] Независимо от того, насколько хорошо спроектированы и построены другие аспекты дороги, адекватный дренаж является обязательным условием для того, чтобы дорога выдержала весь свой срок службы. Избыток воды в конструкции автомагистрали может неизбежно привести к преждевременному выходу из строя, даже если выход из строя не является катастрофическим. [16]
Каждая система дренажа шоссе специфична для конкретного участка и может быть очень сложной. В зависимости от географии региона многие методы надлежащего дренажа могут быть неприменимы. Инженер-дорожник должен определить, в каких ситуациях следует применять конкретный процесс проектирования, обычно это комбинация нескольких соответствующих методов и материалов для отвода воды от конструкции. [16] Подповерхностный дренаж дорожного покрытия и нижние дренажи помогают обеспечить длительный срок службы и отличную и надежную работу дорожного покрытия. [17] Избыточная влажность под бетонным покрытием может привести к подкачке, растрескиванию и разрушению стыков.
Контроль эрозии является важнейшим компонентом в проектировании систем дренажа автомагистралей. Поверхностный дренаж должен быть предусмотрен для стока осадков от конструкции. Автомагистрали должны быть спроектированы с уклоном или короной, чтобы сток воды направлялся на обочину дороги, в канаву и от участка. Проектирование системы дренажа требует прогнозирования стока и инфильтрации, анализа открытого канала и проектирования водопропускной трубы для направления поверхностной воды в соответствующее место. [16]
Строительству автомагистралей обычно предшествуют подробные изыскания и подготовка основания. [3] Методы и технологии строительства автомагистралей со временем развивались и становились все более сложными. Этот прогресс в технологии повысил уровень навыков, необходимых для управления проектами строительства автомагистралей. Эти навыки различаются от проекта к проекту в зависимости от таких факторов, как сложность и характер проекта, контрасты между новым строительством и реконструкцией и различия между проектами в городских и сельских районах. [18]
Существует ряд элементов строительства автомагистралей, которые можно разбить на технические и коммерческие элементы системы. [18] Некоторые примеры каждого из них приведены ниже:
Обычно строительство начинается на самой низкой отметке участка, независимо от типа проекта, и продвигается вверх. При рассмотрении геотехнических характеристик проекта предоставляется информация о: [18]
Подстилающий слой представляет собой слой , разработанный из тщательно подобранных материалов, который расположен между подстилающим слоем и базовым слоем дорожного покрытия. Толщина подстилающего слоя обычно находится в диапазоне от 4 до 16 дюймов, и он разработан так, чтобы выдерживать требуемую структурную мощность секции дорожного покрытия. [18]
Обычные материалы, используемые для подстилающего слоя шоссе, включают гравий, щебень или грунт подстилающего слоя, стабилизированный цементом, летучей золой или известью. Проницаемые подстилающие слои становятся все более распространенными из-за их способности отводить просачивающуюся воду с поверхности. Они также предотвращают попадание подземной воды на поверхность тротуара. [18]
Когда местные затраты на материалы чрезмерно высоки или требования к материалам для увеличения несущей способности основания отсутствуют, инженеры-дорожники могут увеличить несущую способность подстилающего грунта, смешав его с портландцементом, вспененным асфальтом или используя полимерную стабилизацию грунта , например, сшитый стирол-акриловый полимер, который увеличивает калифорнийский коэффициент несущей способности материалов на месте в 4–6 раз. [19]
Подстилающий слой — это область дорожного покрытия, которая расположена непосредственно под слоем покрытия. Если есть подстилающий слой, то подстилающий слой строится непосредственно вокруг этого слоя. В противном случае он строится непосредственно поверх подстилающего слоя. Типичная толщина подстилающего слоя составляет от 4 до 6 дюймов и регулируется свойствами подстилающего слоя. [18]
Тяжелые нагрузки постоянно воздействуют на поверхности дорожного покрытия, и базовый слой поглощает большую часть этих напряжений. Как правило, базовый слой строится с использованием необработанного дробленого заполнителя, такого как щебень, шлак или гравий. Материал базового слоя будет иметь устойчивость под строительным трафиком и хорошие дренажные характеристики. [18]
Материалы базового слоя часто обрабатываются цементом, битумом, хлоридом кальция, хлоридом натрия, летучей золой или известью. Эти обработки обеспечивают улучшенную поддержку для больших нагрузок, восприимчивость к морозу и служат барьером для влаги между базовым и поверхностным слоями. [18]
Существует два наиболее часто используемых типа дорожного покрытия, используемых в строительстве автомагистралей: горячая асфальтобетонная смесь и портландцементный бетон. Эти слои дорожного покрытия обеспечивают гладкую и безопасную поверхность для езды, одновременно передавая тяжелые нагрузки от движения через различные слои основания в нижележащие грунты подстилающего слоя. [18]
Поверхностные слои из асфальтобетона с горячей смесью называются гибкими покрытиями. Система Superpave была разработана в конце 1980-х годов и внесла изменения в подход к проектированию, проектирование смеси, спецификации и испытания качества материалов. [18]
Строительство эффективного, долговечного асфальтового покрытия требует опытной строительной бригады, приверженной качеству своей работы и контролю оборудования. [18]
Вопросы строительства:
Грунтовка — это асфальт с низкой вязкостью , который наносится на базовый слой перед укладкой слоя покрытия HMA. Этот слой связывает рыхлый материал, создавая связующий слой между базовым слоем и асфальтовой поверхностью. [18]
Связующее покрытие представляет собой асфальтовую эмульсию с низкой вязкостью, которая используется для создания связи между существующим покрытием и новым асфальтовым покрытием. Связующие покрытия обычно наносятся на смежные покрытия (бордюры) для улучшения связи HMA и бетона. [18]
Поверхностные слои из портландцементного бетона называются жесткими покрытиями или бетонными покрытиями. Существует три общие классификации бетонных покрытий — гладкие сочлененные, армированные сочлененные и непрерывно армированные. [18]
Нагрузки от движения передаются между секциями, когда более крупные заполнители в смеси PCC сцепляются вместе, или через устройства передачи нагрузки в поперечных швах поверхности. Дюбельные стержни используются в качестве устройств передачи нагрузки для эффективной передачи нагрузки через поперечные швы, сохраняя при этом горизонтальное и вертикальное выравнивание шва. Стяжки представляют собой деформированные стальные стержни, которые размещаются вдоль продольных швов для удержания смежных секций дорожного покрытия на месте. [18]
Общая цель обслуживания автомагистралей — устранить дефекты и сохранить структуру и эксплуатационную пригодность покрытия. Дефекты должны быть определены, поняты и зафиксированы для создания соответствующего плана обслуживания. Планирование обслуживания решает задачу оптимизации и может быть прогнозным. При прогнозном планировании обслуживания эмпирические методы, основанные на данных, дают более точные результаты, чем механические модели. [20] Дефекты различаются между гибкими и жесткими покрытиями. [21]
Содержание автомагистралей преследует четыре основные цели:
Благодаря регулярному техническому обслуживанию системы автомагистралей и все их компоненты могут поддерживаться в их первоначальном состоянии, в котором они были построены. [21]
Управление проектами включает в себя организацию и структурирование деятельности по проекту от начала до завершения. Деятельность может включать строительство инфраструктуры, такой как автомагистрали и мосты, или основные и мелкие работы по техническому обслуживанию, связанные со строительством такой инфраструктуры. Весь проект и связанные с ним действия должны осуществляться профессионально и завершаться в рамках сроков и бюджета. Кроме того, минимизация социальных и экологических последствий имеет важное значение для успешного управления проектами. [22]
