Оценка толщины асфальтобетонных слоев георадиолокационными методами

Журнал: «Строительство: новые технологии - новое оборудование», №5, 2017г.

Оценка соответствия, согласно Техническому регламенту Таможенного Союза ТР ТС 014/2011 «Безопасность автомобильных дорог» [1], выполняется при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог в формах строительного (производственного) контроля за выполнением дорожно-строительных работ, в том числе и за толщиной уложенных слоев асфальтобетона.

Асфальтобетон является одним из дорогостоящих и прочных материалов дорожной одежды. При этом незначительные изменения толщины асфальтобетонного слоя оказывают существенное влияние как на прочность всей дорожной одежды, так и на ее стоимость.

Контроль за устройством асфальтобетонных слоев, наряду с физико-механическими свойствами (плотность, влажность, коэффициент уплотнения и т.д.), определяется также количественными геометрическими оценками: толщиной слоя и его однородностью по толщине. Толщина уложенного слоя асфальтобетона должна соответствовать расчетной толщине по проектной документации, согласно которой она определена в соответствии с действующими нормативно-техническими документами (технические регламенты, своды правил, отраслевые дорожные методики) на основе выполненных проектировщиками расчетов. Однородность по толщине – это степень неизменчивости толщины слоя [2]. Изменение толщины конструктивных слоев дорожной одежды оценивается по коэффициенту вариации (Сv).

По результатам исследований проф. В.А. Семенова [2], проведенных в 70–80-х годах прошлого столетия, при обследовании более 4000 км автомобильных дорог 42 организациями в 10 областях Российской Федерации было установлено, что по толщине минимальное значение коэффициента вариации асфальтобетонных слоев составляет 0,17; среднее – 0,28; максимальное – 0,65; для цементобетонных слоев соответственно: 0,02; 0,03; 0,05. Уменьшение коэффициента вариации почти на порядок при устройстве цементобетонных слоев объясняется разным уровнем развития технических средств и контроля качества на тот период времени. Так, при укладке цементобетона применялся комплект машин «Автогрейд» производства США. В то время как при укладке асфальтобетона использовали, наряду с асфальтоукладчиками, и автогрейдеры.

При статистической обработке результатов распределения толщины слоев, ровности, упругих деформаций было установлено [2], что при достаточно высокой однородности измеряемого параметра (Сv меньше 0,2) его распределение подчиняется нормальному закону и несколько хуже – закону Вейбулла.

Повышение однородности асфальтобетона по толщине позволяет существенно увеличить надежность дорожных одежд и снизить затраты на последующие ремонтные работы.

Согласно действующей нормативной документации, а именно, п. 2.3, табл. А.1 Приложения А. СП 78.13330.2012 [3], значения толщины асфальтобетонного слоя покрытия и основания могут отклоняться от проектных значений ±10 % не более чем для 10 % результатов определений и не более чем ±5 % для остальных.

На сегодняшний день нормативная база СП 78.13330.2012 [3] распространяется только на методы контроля качества работ посредством отбора вырубок (кернов), из расчета не менее 3 вырубок на 3000 м2 покрытия, т.е. при ширине проезжей части 7 м необходимо на участке автомобильной дороги длиной 400 м выполнить 3 вырубки, а на участке длиной 1000 м – даже 7,5 вырубок. Это очень много, поскольку, как правило, при заделке вырубок не удается достичь первоначального качества, а на месте вырубки в процессе эксплуатации будут наблюдаться разрушения покрытия дорожной одежды. Поэтому целесообразно применение высокопроизводительных неразрушающих методов контроля толщины слоев.

К таким методам относятся георадиолокационные методы, которые, как никакие другие, позволяют определять в непрерывном режиме измерений толщину и оценивать однородность конструктивных слоев дорожной одежды по толщине. При этом количество заверочных кернов может быть существенно уменьшено.

Для повышения качества выполнения дорожно-строительных работ методом георадиолокации в масштабе страны потребовалось разработать отраслевой дорожный методический документ [4].

Соответствующие работы были проведены ФАУ «РОСДОР-НИИ» в рамках государственного контракта с Росавтодором.

До разработки вышеупомянутого документа в течение более 15 лет выполнялись многочисленные георадиолокационные исследования на участках автомобильных дорог [5–7], которые подтвердили эффективность применения метода георадиолокации для определения толщины слоев дорожной одежды.

Целью исследований, представленных в настоящей статье, являлась оценка соответствия асфальтобетонных слоев дорожной одежды по толщине.

При выполнении работ решались следующие задачи:

– определение для выборочного контроля минимально необходимой длины анализируемого участка автомобильной дороги и шаг определения толщины слоев асфальтобетона;

– оценка однородности асфальтобетонных слоев по толщине по коэффициенту вариации;

– определение требуемого количества точек для достоверной оценки однородности по толщине;

– сравнение полученной толщины слоев асфальтобетона с требованиями к толщине, приведенными в проектной и нормативной документации.

Георадиолокационные обследования дорожных одежд производились георадаром «ОКО-2», разработанным ООО «ЛОГиС» (г. Раменское), с контактными и бесконтактными (рупорными) антенными блоками (рис. 1).

Рис. 1. Мобильная георадиолокационная лаборатория ФАУ «РОСДОРНИИ» на базе автомобиля Hyundai Н-1 с рупорным антенным блоком АБ-1700Р

Для анализа были выбраны участки новых автомобильных дорог, диагностика которых выполнялась специалистами ФАУ «РОСДОРНИИ» в 2012–2015 гг. в г. Сочи, Республиках Башкортостан и Бурятия. Общая длина обследованных участков составила 96,4 км.

Таблица 1

Параметры обследуемых участков и характеристики георадарного оборудования

Наименование автомобильной дороги Тип антенного блока Шаг реализаций, см Характеристика обследуемого участка Характеристика рассчитываемого участка
Длина, м Шаг представления толщины, м Выборочная длина, м Шаг представления толщины, м
А-340 «Улан-Удэ-Кяхта», Республика Бурятия АБ-1700У 30 13 800 10 1000 20
М-55 «Байкал», Республика Бурятия АБ-1700У 30 8 000 10 1000 20
«Дублер Курортного проспекта», г.Сочи АБ-1700Р 30 5 700 10 1000 20
М-7 «Волга», Республика Башкортостан АБ-1700Р, АБ-1700У 10–30 20 700 50 2500 50

При выполнении георадарных работ толщины слоев определяются непрерывно с заданным шагом реализаций без отбора большого количества кернов. Под шагом реализаций понимается расстояние между георадиолокационными трассами. Например, шаг реализаций устанавливается в диапазоне от 0,05 до 0,50 м, а результаты определения толщины слоев выводятся в табличной форме в зависимости от требований заказчика с шагом представления, например, от 1 до 50 м.

Достаточное количество измерений в этом случае может быть определено при длине профиля от 50 до 5000 м. При этом количество учитываемых измерений при вычислении коэффициента вариации может быть увеличено в несколько раз.

Параметры обследуемых участков автомобильных дорог георадарными методами, характеристики участков для детального математического анализа, а также применяемое георадарное оборудование приведены в табл. 1.

В табл. 2 приведены результаты выборочной оценки однородности асфальтобетона по суммарной толщине слоев по 50 обсчитываемым точкам при протяженности участка от 1000 до 2500 м.

Границы разделения слоев высокоплотного, плотного, пористого и высокопористого асфальтобетона на радарограммах уже построенных и сданных в эксплуатацию дорог далеко не во всех случаях просматриваются по всей длине достаточно четко. В процессе же строительства каждый вновь устроенный слой может быть легко оценен по толщине георадиолокационными методами.

На выделение границ на радарограммах оказывают влияние следующие факторы: время укладки смежных слоев, пористость и минералогический состав материалов смежных слоев, частота применяемых антенных блоков, наличие или отсутствие подгрунтовки и т.д. В связи с чем выводы по обследованию методами георадиолокации в ходе работы, представленной в данной статье, на уже эксплуатируемых участках дорог сделаны для суммарной толщины асфальтобетонных слоев.

Таблица 2

Результаты выборочной оценки однородности асфальтобетона по толщине

Наименование автомобильной дороги Характеристика направления, отбор проб Толщина слоя, см Среднее квадратичное отклонение, см Коэффициент вариации, доли единицы
проектная минимальная средняя максимальная
А-340 «Улан-Удэ-яхта»,Республика Бурятия прямое 23,0 12,7 19,4 26,0 3,68 0,19
обратное 23,0 16,3 21,5 30,1 3,23 0,15
по отбору проб* 19,2
М-55 «Байкал», Республика Бурятия прямое 11,0 8,9 12,4 17,0 1,87 0,15
обратное 11,0 8,8 11,2 17,3 1,78 0,16
по отбору проб* 10,0
«Дублер Курортного проспекта», г. Сочи прямое 18,0 14,4 19,1 26,0 2,15 0,11
обратное 18,0 15,4 18,0 23,3 1,80 0,10
по всему участку: прямое 18,4
обратное 18,2
М-7 «Волга», Республика Башкортостан прямое 20,0 17,3 21,5 25,9 1,92 0,09
обратное 20,0 19,0 23,6 27,1 1,68 0,07
по отбору проб 24,2

Примечание. *пробы отбирались по результатам георадарных обследований на участках с заниженной толщиной асфальтобетона.

Среднеквадратичное отклонение и коэффициент вариации определялись в соответствии с законом нормального распределения по методике, приведенной в работе [2].

На отдельных участках были зафиксированы величины толщины слоев асфальтобетона, выходящие за допуски СП 78.13330.2012 [3], что свидетельствует о несоответствии толщины асфальтобетона требованиям проектной документации.

Коэффициенты вариации толщины асфальтобетонных слоев были вычислены в пределах 0,07–0,19 (табл. 2). Полученные значения коэффициентов вариации достаточно точно отражают однородность асфальтобетона по толщине. Меньшие значения коэффициента вариации характеризуют высокую однородность асфальтобетона по толщине, большие значения – более низкую однородность. Анализ исследований, приведенных в работе д-ра техн. наук В.А. Семенова [2], показал, что за последние 30–40 лет значения коэффициентов вариации для слоев асфальтобетона существенно уменьшились с 0,17–0,65 до 0,07–0,19. Это характеризует улучшение качества устройства асфальтобетонных слоев современными технологиями укладки асфальтобетона. Для устройства слоев применяется не только копирная струна, но и по длинномерные лыжи, используются лазерные 3D-системы автоматического управления и технология непрерывной укладки, наряду с постоянным повышением требований к контролю качества выполнения дорожно-строительных работ.

Результаты многочисленных расчетов при самых неблагоприятных сочетаниях толщин слоя в пределах допусков по СП 78.13330.2012 [3] показали, что соответствие однородности по толщине уложенных слоев асфальтобетона, требованиям упомянутого Свода правил достигается при изменении толщин по закону нормального распределения при коэффициенте вариации, равном 0,06. Это свидетельствует о необходимости повышения качества работ при укладке асфальтобетона (см. табл. 2) или снижении жестких требований, приведенных в вышеуказанном документе.

Выявленные в ходе георадарного обследования средние толщины слоев в редких случаях совпадают с проектными значениями (см. табл. 2), за исключением величины толщины асфальтобетона в обратном направлении на участке «Дублер Курортного проспекта», г. Сочи. В остальных случаях зафиксированы отклонения как в большую (до 3,6 см), так и в меньшую сторону (также до 3,6 см). При этом оценка однородности по толщине по коэффициенту вариации может не отражать соответствие толщины слоя проектному значению, т.е., например, слой асфальтобетона однороден по толщине, но значение толщины меньше или больше проектного.

Рис. 2. Пример низкой однородности асфальтобетона по толщине на участке автомобильной дороги А-340 «Улан-Удэ-Кяхта», Республика Бурятия (розовая линия – подошва нижнего слоя асфальтобетона), выявленной по результатам георадарных обследований антенным блоком АБ-1700У

Рис. 3. Пример высокой однородности асфальтобетона по толщине на участке автомобильной дороги «Дублер Курортного проспекта», г. Сочи (розовая линия – подошва верхнего слоя асфальтобетона), выявленной по результатам георадарных обследований антенным блоком АБ-1700Р

На рис. 2, 3 приведены примеры радарограмм с соответственно низкой и высокой однородностью асфальтобетона по толщине. По рис. 2 при низкой однородности асфальтобетона можно заключить, что оценка толщины слоев с помощью традиционного отбора кернов во многом зависит от их местоположения. В то время как при высокой однородности (рис. 3) выбор местоположения кернов не повлияет на оценку толщины слоев.

В целях определения оптимального количества точек для оценки однородности асфальтобетона по толщине коэффициент вариации на участке автомобильной дороги А-340 «Улан-Удэ-Кяхта» был рассчитан по количеству точек от 50 до 500 (табл. 3). В то время как при отборе кернов, по рекомендациям В.А. Семенова [2] для контроля толщины слоев дорожной одежды при Сv = 0,2, необходимое количество измерений должно быть значительно меньше: для автомобильных дорог I–II категорий – 36, для III–IV категорий – 26, для V категории – 18. При этом надо учесть, что ранее толщина слоев определялась только по измерениям на отобранных кернах.

Результаты расчетов показали (табл. 3), что действительно отсутствует необходимость в выполнении сплошного контроля по всему участку. В прямом направлении коэффициент вариации изменяется от 0,173 до 0,197; в обратном – от 0,139 до 0,161, что сопоставимо с изменением коэффициента вариации (соответственно на 2,4 и 2,2 %). Если количество учитываемых точек составляет 100, коэффициент вариации как в прямом, так и в обратном направлениях равен среднему значению.

Для подтверждения достаточности 100 точек были выполнены расчеты коэффициентов вариации толщины асфальтобетона по количеству точек от 50 до 200 для участков двух других автомобильных дорог (табл. 4).

Данные, приведенные в табл. 4, также показывают, что 100 точек достаточно для определения коэффициента вариации по толщине слоя, так как в трех случаях из четырех при 100 точках были получены значения, равные среднему.

Следовательно, оценку однородности по толщине достаточно вести по 100 точкам, расстояние между которыми 20 м. В этом случае длина общей протяженности обследуемого участка будет равна 2 км.

Таблица 3

Значения коэффициента вариации по толщине асфальтобетона при количестве учитываемых точек от 50 до 500

Направ ление движения Значения коэффициента вариации при количестве рассчитываемых точек Среднее значение
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50
прямое 0,182 0,187 0,187 0,194 0,182 0,193 0,173 0,184 0,186 0,197 0,186
обратное 0,161 0,160 0,160 0,143 0,147 0,144 0,145 0,142 0,150 0,139 0,149

Таблица 4

Значения коэффициента вариации по толщине асфальтобетона при количестве учитываемых точек от 50 до 200

Наименование дороги, направление движения Значения коэффициента вариации при количестве рассчитываемых точек Среднее значение коэффициента вариации
200 150 100 50
М-7 «Волга», Республика Башкортостан
прямое 0,092 0,090 0,088 0,084 0,088
обратное 0,083 0,084 0,090 0,071 0,082
«Дублер Курортного проспекта», г. Сочи
прямое 0,104 0,106 0,111 0,124 0,111
обратное 0,106 0,116 0,117 0,129 0,117

Результаты выполненных исследований были включены в разработанные по заданию Росавтодора методические рекомендации ОДМ 218.3.075-2016 [4], согласно которым георадиолокационный контроль толщины осуществляют в следующих случаях:

– при операционном контроле в ходе дорожно-строительных работ;

– в ходе строительного контроля и при приемке выполненных работ;

– по запросу контролирующих органов.

Георадиолокационные измерения контактными и бесконтактными (рупорными) антенными блоками рекомендуется выполнять как на всем построенном участке (сплошной контроль), так и на его части (выборочный контроль).

Сплошной контроль рекомендуется всегда производить в ходе операционного контроля строительной организацией. В ходе операционного и приемочного контроля, а также по запросу контролирующих органов рекомендуется выполнять как выборочный, так и сплошной контроль, в зависимости от требований заказчика и протяженности участка.

Длину участка для выборочного контроля рекомендуется назначать равной от 20 до 30 % от общей протяженности построенного участка, при его длине до 15 км. При большей длине – от 5 до 20 % от общей протяженности участка [4].

При продольном профилировании асфальтобетонных слоев в основном рекомендуется использовать бесконтактные (рупорные) антенные блоки, жестко закрепленные на автомобиле.

Контактные антенны рекомендуется применять при выполнении детальных обследований участков до 2 км (как закрепленные за автомобилем, так и посредством ручного буксирования), а также при необходимости осуществления поперечных проходов (при ручном буксировании георадара [4]).

Рекомендуемые частоты антенных блоков для определения толщины асфальтобетонных слоев покрытия и основания приведены в табл. 5 [5].

Таблица 5

Рекомендуемые частоты антенных блоковдля определения толщины асфальтобетонных слоев покрытия и основания

Тип материала покрытия и основания Общая толщина слоев, см Частота антенного блока, МГц
Асфальтобетон 3–30 1500–3000
30–70 1000–1500

Для обеспечения минимальной погрешности определения глубины заложения и толщины слоев (до 2 %) рекомендуется сделать не менее 2–5 контрольных вырубок на 1 км дороги. При погрешности до 5 % достаточно 1–2 вырубок на 1 км [5].

Диэлектрическую проницаемость асфальтобетонных слоев дорожной одежды рекомендуется определять до выполнения георадиолокационных измерений по одному керну на 1 км, путем решения обратной задачи при известной толщине слоя [6, 7].

Согласно ОДМ 218.3.075-2016 [4], проверку однородности по толщине рекомендуется проводить по рассчитанным значениям толщин слоев асфальтобетона или бетона не менее чем в 100 точках. Расстояние между точками принимают равным 20 м, с возможным изменением в зависимости от задания заказчика (застройщика) и длины обследуемого участка. Затем оценивают коэффициент вариации. Если коэффициент вариации толщины слоев асфальтобетона больше 0,06, то количество кернов, отбираемых при выполнении приемки традиционным методом бурения, может быть увеличено.

Если анализ отобранных кернов подтверждает выявленные по радарограммам нарушения по толщине слоев, то дорожно-строительные работы принимать не рекомендуется.

Если по результатам отбора кернов в местах, определенных в ходе георадиолокационных измерений, нарушения по толщине слоев не выявлены (что может объясняться недостаточным опытом специалистов, выполняющих данные измерения), то работы по устройству асфальтобетонных слоев дорожной одежды рекомендуется принимать.

Выводы

1. Оценка соответствия толщины слоев асфальтобетона, в том числе однородности по толщине, может быть выполнена в соответствии с ОДМ 218.3.075-2016 георадиолокационными методами.

2. Оценку однородности по толщине асфальтобетона на построенном участке автомобильной дороги рекомендуется проводить выборочно на участке общей протяженностью 2 км по 100 точкам. Рекомендуемое расстояние между точками составляет 20 м. Коэффициент вариации при изменении измеренной толщины слоя асфальтобетона по закону нормального распределения не должен превышать 0,06.

3. Оценка однородности по толщине по коэффициенту вариации отражает качество укладки асфальтобетона по толщине, однако не отражает соответствие толщины слоя проектному значению. Оценка по толщине выполняется в соответствии с требованиями СП 78.13330.2012 (Приложение А).

4. Требования СП 78.13330.2012 по контролю толщины слоев из расчета не менее 3 вырубок на 3000 м2 покрытия могут быть существенно снижены путем уменьшения количества вырубок и их замены георадиолокационными обследованиями, согласно рекомендациям ОДМ 218.3.075-2016.