Юрий Попов

© Вокруг Света

Наука и техникаРоссия

8771

03.07.2010, 13:16

Хитрости дорожного строительства

Далеко не всегда сложности перемещения по России на автомобиле находят разумное объяснение.

Фото (Creative Commons license): Seattle Municipal Archives

Строительство хайвея № 10 в окрестностях Сиэтла, 1939 год.

Парадоксально, но факт: хорошая дорога обычно воспринимается как само собой разумеющееся, а изрытая ямами вызывает бурю негодования и массу разговоров о дорожном строительстве.

В развитых стран именно на автомобильный транспорт приходится больше всего внутренних грузоперевозок, и их стоимость напрямую влияет на стоимость большинства товаров. Важны не только цены на топливо или используемый транспорт, не меньшее значение имеют плотность и состояние дорожной сети. От этого зависит кратчайшее расстояние между пунктом А и пунктом Б (можно ли проехать напрямую). По хорошим дорогам ездят быстрее, и грузопоток выше, а разбитые — увеличивают число аварий, снижают срок службы транспорта, повышают расход топлива и расшатывают нервы водителя.

Эх, дороги…

Процесс строительства автомобильной дороги выглядит следующим образом. Для начала снимается верхний слой почвы, после чего грунт уплотняется при помощи вибрационного или статического катка. Затем начинается формирование подстилающего слоя — обычно из песка, который разравнивается грейдерами и уплотняется дорожным катком. Подстилающий слой служит для распределения нагрузки на земляное основание и выполняет дренажную функцию. Далее укладывается и уплотняется несущий слой, состоящий из дроблённого и сортированного камня. Наконец, самый верхний слой — собственно асфальто-бетонное покрытие.

Параллельно основному строительству производятся работы по устройству водоотводных сооружений, в том числе формированию кюветов, укладке дренажных труб и обустройству дренажных колодцев. Фронт работ может меняться в зависимости от климатических условий, структуры грунтового основания, рельефа местности и типа дороги.

Несмотря на, казалось бы, тривиальную и обкатанную схему строительства, это очень сложный процесс, чем-то напоминающий работу сапёра. Малейшая ошибка на любом из этапов быстро приводит к аварийному состоянию дороги. Особенно важно правильно уплотнить материалы. Недопустима погрешность даже в 3%. Недоуплотнение материалов основания снижает устойчивость и несущую способность дороги и способствует проникновению влаги, которая через пустоты просачивается сквозь подстилающий слой прямо под асфальт, а зимой, замерзая, распирает покрытие.

Не менее опасно и переуплотнение. У любого материала есть свой предел прочности, даже у песка и тем более у щебня, поэтому излишне интенсивная нагрузка начинает его дробить, что приводит к нарушению фракционного состава и в конечном итоге — к недоуплотнению. Ещё один фактор, который обязательно нужно учитывать, — начальное содержание влаги в материале. Грунт можно уплотнить до требуемого значения только при так называемой оптимальной влажности. Переувлажнение или недоувлажнение материала автоматически снижает максимальную степень уплотнения всё с теми же губительными для дороги последствиями.

Фото (Creative Commons license): Desmond Kavanagh

В современном Тибете, в провинции У-Цанг, строительством дорог занимаются небольшие группы людей с лопатами.

С асфальтовым покрытием ещё сложнее. Как правило, используется горячая асфальто-бетонная смесь, которая после укладки немедленно начинает остывать. При этом её пластичность существенно снижается. Нормально уплотнить можно только горячую смесь, а после остывания до определённой температуры каток её может разве что сломать. Перегиб в другую сторону не менее опасен — если каток слишком тяжёлый, то горячий асфальт он попросту раздавит, в результате чего поверхность дороги станет похожа на стиральную доску, да еще и трещинами покроется. Потом в эти трещины попадёт вода, которая зимой замёрзнет и развезёт все покрытие.

Что делать?

Несмотря на все возможные сложности, непрерывное развитие технологий в данной области позволяет избежать многих проблем. Для защиты от влаги используются специальные полимерные ткани, укладываемые между грунтовым основанием и подстилающим слоем. Дорожная «одежда» армируется так называемыми геосетками, благодаря чему обеспечивается большая устойчивость сооружения. Применяются новые виды асфальто-бетонных смесей — более однородные по составу и устойчивые к повреждениям.

Вот уже около пятидесяти лет во всём мире для уплотнения используются вибрационные катки. Статический каток способен уплотнять материал только за счёт собственного веса, при этом интенсивность его воздействия практически невозможно регулировать. Вибрационный же имеет целый ряд преимуществ. Во-первых, более интенсивна нагрузка на материал: фактически вибрационный каток обладает той же уплотняющей способностью, что и статический, только он в 6–8 раз тяжелее.

Во-вторых, параметры вибрации можно регулировать. Изначально это выражалось только в том, что водитель мог её включить или выключить. Современные катки позволяют менять режим вибрации от самых слабых колебаний до предельных. Благодаря этому можно плавно увеличивать нагрузку на материал, не допуская превышения предела его прочности. Кроме того, появляются катки, реализующие новые схемы вибрации — например, направленные регулируемые колебания. Обычно используется так называемая круговая вибрация. Отдалённо это похоже на вращение колеса, у которого ось немного смещена в сторону от центра. В случае с направленными колебаниями валец движется строго вверх-вниз или вперёд-назад, что улучшает качество строительных работ и увеличивает КПД машины.

Однако любой инструмент бесполезен без средств контроля. На материале ведь не написано, какова его плотность. А отклонение коэффициента уплотнения в 3% уже недопустимо. Таким образом, требуются средства измерения плотности. До сих пор самый точный метод — взять пробы для лабораторного анализа. Однако такой подход связан с совершенно очевидными неудобствами: во-первых, нужна лаборатория, во-вторых, время — от 4 часов до суток.

Фото (Creative Commons license): Randen Pederson

Эти горы песка, щебня и асфальта совсем скоро превратятся в ленты дорог.

В случае с асфальтовым покрытием ситуация осложняется ещё и тем, что проба-то берётся, а вот оставшуюся после этой процедуры прямоугольную ямку заделывают крайне редко, многие российские автомобилисты, я думаю, встречали такие на улицах города. Поэтому активно разрабатываются средства экспресс-анализа и неразрушающего контроля. Изначально широко практиковались изобретённые ещё советскими рабочими «народные» методы. Например, песок уплотняли до тех пор, пока каток не переставал оставлять на нем следы. Гравий проверяли следующим образом. На уплотнённый материал клали небольшой камень, после чего проезжали по нему катком. Если камень раскатывало в пыль, значит, гравий хорошо уплотнен. Если он просто вдавливался в поверхность, то плотность считалась недостаточной. Несмотря на свою примитивность, такие методы достаточно хорошо работали для своего времени. Но для асфальта простого способа экспресс-анализа придумать не удалось. Кроме того, оценка плотности подобными способами даёт большую погрешность, а современные методы позволяют осуществлять куда более точные измерения.

Из современных методов контроля упоминания заслуживает радиоизотопный метод контроля. Сам прибор состоит из источника гамма-излучения, детектора (на основе счётчика Гейгера) и микропроцессора, осуществляющего обработку данных. Принцип действия основан на том, что с увеличением плотности материала уменьшается его проницаемость для радиоактивного излучения, при этом зависимость практически прямая. Измерение занимает 1–2 мин., точность лишь немногим уступает методу отбора проб.

Конечно, есть и недостатки. Самый главный — некоторые риски для здоровья оператора. Впрочем, при соблюдении техники безопасности и исправном техническом состоянии прибора поводов для беспокойства нет. Ещё один недостаток — радиоизотопный плотномер корректно работает только с однородными материалами. То есть, если используется, например, асфальто-бетонная смесь, смешанная со щебнем, то прибор будет сильно завышать показания из-за разницы в плотности асфальта и содержащихся в нём камней.

По похожему принципу работает прибор, измеряющий диэлектрическую проницаемость материала (которая также находится в прямой зависимости от плотности). Прибор генерирует в смеси переменное электромагнитное поле и при помощи щупа измеряет пульсации силы наведённого в поверхностном слое тока. Микропроцессор на основе этих данных рассчитывает достигнутую плотность и выводит её значение на экран. Основной недостаток этого метода — зависимость от влажности. По сути, для того чтобы получить корректные данные при помощи диэлектрического плотномера, требуется сначала точно определить содержание воды в измеряемом слое и ввести в прибор соответствующие поправки.

Наконец, существует динамический плотномер, принцип действия которого основан на зависимости сопротивления материала ударным нагрузкам от его плотности. Если уронить стальной шарик на бетонный пол, он подскочит. Если же его уронить на землю, он или просто в неё зароется, или подскочит, но гораздо ниже. Таким образом, измеряя высоту подскока (точнее, потерю кинетической энергии при ударе), можно определить плотность испытываемого материала. Конечно, современный динамический плотномер — это гораздо более сложное устройство, чем просто стальной шарик, но принцип действия тот же. Прибор состоит из груза, двигающегося по направляющим, акселерометра и микропроцессора, который и высчитывает плотность материала.

Фото (Creative Commons license): Jack Lyons

Правильное уплотнение строительного материала — важнейшая задача дорожных строителей. Для того, чтобы контролировать уровень плотности используют, к примеру, радиоизотопный метод контроля.

Более сложный вариант того же устройства — плотномер, устанавливаемый непосредственно в вибрационный валец. При этом измерения осуществляются непосредственно в процессе уплотнения. Карта уплотнения в этом случае выводится непосредственно на монитор в кабине катка. На ней цветом отмечаются участки разной плотности. Таким образом водитель точно знает, где требуемый коэффициент уплотнения уже достигнут, а где нужно ещё покататься.

Наконец, существует универсальная методика расчёта параметров уплотняемого материала. В СССР и в России большое внимание уделялось фундаментальным исследованиям процесса уплотнения. Благодаря этому было разработано специальное программное обеспечение, способное с высокой точностью смоделировать взаимодействие вибрационного катка с материалом. Благодаря этому сегодня есть возможность ещё на стадии планирования работ рассчитать, каким именно катком следует производить уплотнение того или иного участка, определить режим работы и время работы до достижения требуемой плотности.

Кто виноват?

Что же получается? Есть технологии, техника, средства контроля, современные материалы. Словом, все условия для строительства ровных дорог без рытвин, трещин и ежегодного ремонта. А улучшения ситуации как не было, так и нет. При этом рукой подать до Европы с её автобанами и превосходными магистралями.

Причин сложившейся ситуации несколько. Во-первых, геологические особенности. Около 86% всей территории России покоится на так называемых связных грунтах — разнообразных глинах и суглинках. А этот материал имеет неприятную особенность легко впитывать влагу и с большой неохотой ее отдавать. Поэтому практически все дороги подвержены морозному пучению, нарушающему целостность покрытия. К тому же почвенная влага, от которой практически невозможно избавиться, впитывается в подстилающий слой и тоже оказывает свое разрушительное воздействие. Во всём мире таким геологическим материалом могут «похвастаться» только восточные и центральные районы Канады, Аляска, страны Скандинавии и, частично, Великобритания. Подобная структура грунта предъявляет повышенные требования к качеству (и стоимости) работ и используемых материалов, и, тем не менее, всего этого может быть недостаточно, чтобы противостоять разрушительному действию влаги.

Проблема не исчерпывается особенностями национального хараткера. Совсем недавно в Лондоне флорист Стив Уин (Steve Wheen) провёл забавную акцию протеста против состояния дорог. В каждую обнаруженную им выбоину он засыпал грунт и посадил цветы. Справедливости ради стоит отметить, что наивное возмущение лондонского флориста выглядит довольно смешно — на большинство найденных им «рытвин» в России ни один автомобилист даже внимания бы не обратил.

Фото (Creative Commons license): Anita Martinz

Существует миф, что стоимость строительства дорог в России в десятки, а то и сотни раз превышает стоимость строительства в США и Европе. Однако его легко опровергнуть, прибегнув к простейшим вычислениям.

Бытует мнение, что в России строительство одного километра дороги стоит в десятки или даже сотни раз больше, чем в Европе или США. Происхождение этого мифа понятно: несколько громких проектов поглотило неслыханное количество денег. Но этот факт к особенностям российского ландшафта прямого отношения не имеет.

Разберёмся, сколько в России надо тратить на строительство дороги в сравнении с другими странами. Сразу возникает вопрос — какой именно? Грунтовки? Городской улицы? Или многополосной магистрали? Для примера возьмем скоростную трассу Москва — Санкт-Петербург с количеством полос 4, 6, 8, и 10. Один километр её оценивается в среднем в 907 млн руб., или € 24,5 млн. Откидываем 20% на выкуп земель, и получается € 19,6 млн на километр.

Стоимость аналогичной магистрали в Германии составляет € 19,15 млн на километр, в Швеции — € 25,76 млн на километр, в Норвегии — € 23,57 млн на километр. В Швейцарии за счёт сложнейшего горного рельефа получается существенно выше — € 45 млн на километр. Так что объективные расходы вполне сопоставимы. При этом, если не брать крупные проекты, то стоимость строительства дорог в России в принципе очень низка. Например, в 2009 году всего было построено 3000 км автодорог, на что было израсходовано 342 млрд руб. Получается, средняя стоимость одного километра составила € 3 млн на километр.

Конечно, не в одном финансировании дело. К сожалению, наше дорожное строительство грешит низкой культурой производства, а также страдает от банальной нехватки современной техники и средств контроля. Но это не может продолжаться вечно. Колоссальная территория России требует разветвлённой и надёжной дорожной сети, и рано или поздно она будет построена.

Юрий Попов

© Вокруг Света

Наука и техникаРоссия

8771

03.07.2010, 13:16

URL: http://babr24.com/?ADE=86935

bytes: 15091 / 14175

Обсудить на форуме Бабра в Telegram

Поделиться в соцсетях:

Автор текста: Юрий Попов.

Другие статьи в рубрике "Наука и техника" (Россия)

Нидерландские учёные советуют обниматься с коровами

Устали, чувствуете нервозность, хотите спокойствия и отдыха? Теперь необязательно тратиться на успокоительные препараты. В Нидерландах предлагают новый способ — обниматься с коровами.

Миша Ковальски

Наука и техникаБратья меньшиеМир

2039

25.10.2020

Россия отказалась вступать в международный проект по освоению Луны

Международный масштабный лунный проект, который продлится более 10 лет, скорее всего, пройдёт без России. Дело в том, что с нашей страной до сих пор не заключили соглашение по совместной реализации лунной программы. И в основном происходит это по желанию именно России.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

2587

19.10.2020

На Марсе обнаружили древние дюны и подлёдные озёра

Новые открытия позволили по-новому взглянуть на геологию красной планеты. Так, учёные обнаружили на Марсе древние окаменевшие дюны. По оценкам им насчитывается не менее миллиарда лет. Само по себе наличие дюн на данной планете не является открытием.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

2872

14.10.2020

Нобелевская премия 2020: черные дыры, альтернатива ГМО и другое

Стали известны имена лауреатов Нобелевской премии 2020 года. Удивительно, но в этом году премию получили три очень важных открытия, значимость которых известна уже давно, однако удостоились награды они только сейчас. Так, Нобелевский комитет присудил премию по физике за черные дыры.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

2755

12.10.2020

Современные старики стали умнее и быстрее

Снижение когнитивных способностей, короткая память, невнимательность, медленная ходьба, да и в целом всех движений. Старость пугает всех, но от неё никому не скрыться. Финские учёные Университета Йювяскюля оповестили о радостной новости.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

3805

29.09.2020

Пение птиц изменилось из-за карантина

Жесткие ограничения, которые были введены из-за пандемии новой коронавирусной инфекции, продолжают влиять на дикую природу. Результаты нового исследования опубликовали учёные из американского Университета Теннесси в ведущем научном международном журнале Science.

Миша Ковальски

Наука и техникаБратья меньшиеМир

4432

26.09.2020

Шнобелевская премия 2020: Путин, гелиевый крокодил, нож из экскрементов и многое другое

Состоялась ежегодная церемония вручения Шнобелевской премии. В 2020 году она, как и многие другие мероприятия, проходила в режиме онлайн. Напомним, что эта премия является шуточной научной наградой. Её получают те учёные, чьи исследования больше кажутся забавными, чем практичными.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

4407

21.09.2020

Следственный комитет должен заниматься преступлениями в исторической науке

Сообщают, что председатель Следственного комитета РФ, генерал юстиции Александр Бастрыкин решил создать подразделение в составе Следственного комитета, которое бы занималось расследованиями в сфере реабилитации нацизма и фальсификации истории.

Дмитрий Верхотуров

Наука и техникаИсторияРасследованияРоссия

13685

15.09.2020

В Китае найден древнейший атлас тела

Учёные наконец-то разгадали таинственный манускрипт, которому насчитывается более 2000 лет. Шелковая рукопись была найдена в Китае при раскопках гробницы Мавандуй ещё в 1973 году. Всё это время письмена не могли расшифровать, потому что они были написаны на древнем диалекте.

Миша Ковальски

Наука и техникаИсторияМир

4737

05.09.2020

Любовь к романтике вызываетcя мутацией

В большинстве случаев мутация ассоциируется с чем-то страшным и опасным. На самом деле это не так. Мутация — это любое изменение генетического кода. Оно может не только превращать организмы в мутантов, но и быть вполне полезным.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

4203

31.08.2020

К концу века женщины станут умнее и перестанут рожать

Население нашей планеты наконец-то начнёт снижаться после 2064 года. Такие выводы сделала команда исследователей из Вашингтонского университета Сиэтла. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Lancet.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

4929

19.07.2020

Байкальскими нерпами займется Москва

Масштабное исследование единственного байкальского млекопитающего организуют московские учёные совместно с фондом «Озеро Байкал». Об этом стало известно 13 июля 2020 года.

Миша Ковальски

Наука и техникаБратья меньшиеЭкологияРоссия Байкал

5026

15.07.2020

Смарт: Бабр для умных

Куда точно не надо вкладывать деньги

Прогореть на инвестиционном рынке легко – достаточно вложить кровно нажитые и честно заработанные в бинарные опционы, FOREX или HYIP-проекты. Итак, давайте по порядку.

Александр Егоров

Интернет и ИТРоссия

1302

20.10.2020

Жалобная книга: влияет ли на что-то?

Книга отзывов и предложений (или жалобная книга) — важный инструмент защиты прав потребителей, который, увы, обесценивается нерадивыми поставщиками услуг или товаров и не менее нерадивыми надзорниками.

Алиса Беглова

Интернет и ИТРоссия

828

25.10.2020

Газовое топливо: экономия с подводными камнями

В последнее время в российском дискурсе то и дело встаёт тема целесообразности перехода на газовое топливо как альтернативу традиционным нефтепродуктам: бензину и дизельному топливу.

Алиса Беглова

Интернет и ИТРоссия

4659

09.10.2020

Защитить и поощрить: правительственная поддержка крупных инвесторов

Правительство запускает специальный институт соглашений о защите и поощрении капиталовложений (СЗПК), который гарантирует неизменность условий реализации инвестиционных проектов. Об этом заявил премьер-министр Михаил Мишустин в ходе заседания правительства.

Александр Егоров

Интернет и ИТРоссия

1386

19.10.2020

Трудовой ликбез. Что нужно знать об испытательном сроке

Испытательный срок — хорошее подспорье для сомневающихся работодателей. Это период времени, в течение которого работодатель проверяет нового сотрудника на предмет его профпригодности.

Алиса Беглова

Интернет и ИТРоссия

450

28.10.2020

Лица Сибири

Кармазина Раиса

Калищук Андрей

Маркидонова Екатерина

Шиндяев Владислав

Хомич Александр

Большешапов Александр

Таевский Дмитрий

Желнеев Алексей

Хамаза Николай

Днепровский Роман