Разработка модели энергосберегающей технологии автомобильных дорог

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ  

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ 

АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ 

 
 
 
 
 

Монография 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2020 

УДК 625.731 
ББК  39.311-06 

Р 17 

 

Авторы: С. В. Ежова, С. А. Ежов, В. И. Лифантьев, М. Г. Салихов,  

И. Н. Кручинин 

 
Рецензенты: 
зав. кафедрой «Промышленный транспорт, строительство и геодезия» 
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет 
им. Г.Ф. Морозова, д-р техн. наук, профессор С. И. Сушков; 
профессор кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» ФГБОУ ВО 
«Московский государственный автомобильно-дорожный институт – 
технический университет (МАДИ), д-р. техн. наук М. Г. Горячев; 
доцент кафедры «Автомобильные дороги и мосты» ФГБОУ ВО «Пермский 
национальный исследовательский политехнический университет», 
д-р техн. наук А. М. Бургонутдинов 

  
 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 
Разработка модели энергосберегающей технологии автомобильных 
дорог: монография / С. В. Ежова [и др.]. – Йошкар-Ола: 
Поволжский государственный технологический университет, 2020. 
– 164 с. 
ISBN 978-5-8158-2175-0 
 

Представлена модель энергосберегающей технологии автомобиль-

ных дорог, разработанной для укладки оснований под автомобильные до-
роги – наиболее энергоемкого и ответственного наземного сооружения.  

Для научных сотрудников, специалистов дорожной отрасли, а также 

аспирантов, магистрантов и студентов – будущих строителей автомо-
бильных дорог. 

УДК 625.731 

ББК 39.311-06 

 
ISBN 978-5-8158-2175-0 
© С. В. Ежова, С. А. Ежов, В. И. Лифантьев, 
М. Г. Салихов, И. Н. Кручинин, 2020 
© Поволжский государственный  
технологический университет, 2020 

Р 17

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Предлагаемая вниманию читателей монография посвящена акту-

альным проблемам строительства и состояния автомобильных дорог, 
повышения их качества и долговечности. 

Автомобильные дороги в России, как известно, строятся с исполь-

зованием множества конструкционных материалов различного проис-
хождения. Наиболее надежными считаются дороги, построенные с ис-
пользованием прочных каменных материалов, далее – с применением 
местных, как правило, менее прочных горных пород. В качестве мате-
риала для сооружения земляного полотна часто используются местные 
грунты, образованные в результате длительного разрушения скальных и 
горных пород.  

Предлагаемая авторами технология позволяет получить прочную, 

устойчивую во времени структуру основания автомобильных дорог, что 
дает возможность сократить энергозатраты при проведении работ по их 
ремонту и содержанию. 

Настоящая монография предназначена прежде всего для строителей 

наземных сооружений – научных сотрудников и инженеров, работаю-
щих в разных областях отрасли, а также для преподавателей специаль-
ностей и направлений подготовки, связанных со строительством авто-
мобильных дорог и других наземных сооружений, студентов – будущих 
строителей 
автомобильных 
дорог, 
конструкторов 
дорожно-

строительных машин. Сложно поместить здесь весь огромный объем 
информации, обусловленный бурным развитием строительства и экс-
плуатации автомобильных дорог, поэтому авторам пришлось ограни-
читься в основном рассмотрением вопросов укладки основания и физи-
ко-механических процессов, протекающих в объеме грунта, заложенно-
го в основании автодороги. 

В начале работы дан краткий экскурс в историю развития техноло-

гии строительства автомобильных дорог. 

Далее монография знакомит читателя с классической (традицион-

ной) технологией укладки основания автомобильных дорог. Рассматри-
ваются причины разрушения пород, твердых тел и твердых частиц. Для 
этого дается описание структуры твердых тел, атомно-молекулярного 
строения веществ, которые составляют дискретную и непрерывную 
структуру. Ознакомив читателя с проблемами природного характера, 
авторы предлагают пути их возможного решения, описывают методики 
экспериментальных исследований прочности оснований, уложенных по 
модели классической и по модели идеальной технологии. Качественные 
характеристики даются в сравнимых результатах. 

На предложенный способ обработки грунта авторами получен па-

тент РФ на изобретение. 

Над монографией в тесном сотрудничестве работал коллектив ав-

торов. Это кандидаты технических наук, доценты кафедры строитель-
ных технологий и автомобильных дорог Поволжского государственного 
технологического университета С. В. Ежова. С. А. Ежов, доктор техни-
ческих наук, профессор, много лет заведовавший этой кафедрой 
М. Г. Салихов, а также действительный член Международной академии 
авторов научных открытий и изобретений кандидат технических наук, 
доцент В. И. Лифантьев и доктор технических наук, профессор кафедры 
транспорта и дорожного строительства Уральского государственного 
лесотехнического университета И. Н. Кручинин.  

Авторы выражают огромную признательность уважаемым рецен-

зентам – С. И. Сушкову, М. Г. Горячеву и А. М. Бургонутдинову, чьи 
ценные советы и рекомендации были учтены при работе над рукописью. 

Также с благодарностью будут приняты все конструктивные заме-

чания читателей, что позволит улучшить монографию при её возмож-
ном переиздании и будет полезно для дальнейшей работы с моделью 
энергосберегающей технологии автомобильных дорог.  

Предложения по данной работе можно направлять по адресу: 

424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, д. 3, Поволжский государственный 
технологический университет, кафедра строительных технологий и ав-
томобильных дорог. 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

При строительстве автомобильных дорог и инженерных сооруже-

ний широко применяются грунты. Однако их использование в есте-
ственном состоянии ограничено. По своему составу, структуре и свой-
ствам грунты представляют собой разнообразные конгломератные 
системы, и при их использовании в инженерных сооружениях приме-
няются различные методы, направленные на получение необходимых 
физико-механических характеристик.  

Вблизи районов строительных объектов, как правило, выполняются 

изыскательские, геолого-разведочные работы и работы по добыче грун-
тов. В дальнейшем их транспортируют, укладывают в инженерные со-
оружения и уплотняют, затрачивая при этом значительное количество 
энергии. В связи с этим поиск путей снижения энергоемкости земляных 
работ представляет собой важную народно-хозяйственную задачу. 

Для ее решения в работе выполнены значительные теоретические и 

экспериментальные исследования, направленные на снижение расхода 
энергии за счет максимального использования в земляных сооружениях 
местных грунтовых материалов, в том числе применения некондицион-
ных грунтов по вновь предложенной авторами технологии. При этом 
происходит снижение энергозатрат на сооружение земляного полотна, в 
том числе за счет снижения расстояния их транспортировки. 

Модель энергосберегающей технологии автомобильных дорог разрабатывается 
в основном для укладки оснований под автомобильные 
дороги – наиболее энергоемкого и ответственного наземного сооружения. 
Энергоемкость укладок оснований зависит от многих факторов, 
например, погодных условий (осадки, температура окружающей среды), 
срока определения оценочных характеристик материалов (влажность, 
плотность и др.). При наличии осадков и повышенной влажности воздуха 
предусматривается защита укладываемого основания от окружающей 
среды до появления осадков и укладка основания совмещается с покрытием. 
Оценочные характеристики грунтов, влияющие на энергосбережение 
автомобильных дорог, берутся на период укладки.  

При соблюдении этих и ряда других немаловажных условий снижается 
энергоемкость автомобильных дорог как на их строительство, так и 
на их эксплуатацию. Необходимыми для основания считаются дренаж, 
завесы и другие инженерные сооружения. При разработке модели классическая 
технология сравнивается с идеальной.  

Классическая технология укладки основания берет свое начало с 

давних времен, когда еще не было автомобильного транспорта. Челове-

чество не представляло, что такое автомобиль. Дороги строились для 
гужевого транспорта. Тогда дороги не подвергались таким нагрузкам, 
каким они подвергаются в современных условиях эксплуатации.  

Основание укладывалось из местных материалов (грунтов). Укла-

дываемый грунт разравнивался и прикатывался легкими вальцами 
вручную или с применением гужевого транспорта. От слова «прикаты-
вание» появилось название «каток» (катать). Перед технологией не ста-
вилась задача укрепления грунта (повышения прочности) за счет прика-
тывания. Полученная от прикатывания прочность вполне удовлетворяла 
спрос гужевого транспорта.  

С появлением автомобильного транспорта повысилась нагрузка на 

дорогу, она стала автомобильной. Классическая технология укладки 
основания под автомобильный транспорт начала оснащаться новой мас-
сивной техникой: легкими, средними, тяжелыми, самоходными и при-
цепными катками с гладкими, кулачковыми, решетчатыми, пневматиче-
скими и другими видами конструкций вальцов (как с применением виб-
рации, так и без неё). Классическая укладка основания не предусматри-
вает внедрения в технологию обработку укладываемых грунтов.  

Классическая технология укладки основания опирается на законы 

природы и старается приспособиться к ним технически и технологиче-
ски. В результате она стала металло- и энергоёмкой. В настоящее время 
дорожное строительство имеет на вооружении около 200 единиц катков, 
разновидностей машин и конструкций, но они, к сожалению, не дают 
необходимую плотность и ровную поверхность основания. 

В отличие от классической модели укладки основания в идеальной 

модели укладываемый грунт представляется как сложная механическая 
система, состоящая из множества связанных и одиночных механических 
элементов (твердых тел, твердых частиц, частиц жидкости, газа и др.).  

Модель энергосберегающей технологии делит механическую си-

стему по эффективности на эффективную и неэффективную части. К 
эффективным составляющим при этом относятся твердые тела и части-
цы твердых тел, средняя прочность которых удовлетворяет требования 
к основаниям; к неэффективным составляющим – жидкость (вода), газ 
(воздух) и другие вещества приместного характера (органические, рас-
тительные и другие частицы). Идеальная модель энергосберегающей 
технологии автомобильных дорог предусматривает процессы очистки 
грунтов от неэффективных составляющих, на уплотнение которых тра-
тится много энергии. Данная гипотеза строится не на пустом месте. 

Параллельно развитию классической технологии укладки основа-

ния развивалась научная база, которая «прикладывалась» к классиче-

ской технологии. На этой базе рос машинный парк (как качественно, 
так и количественно). Много теоретических и экспериментальных ис-
следований проведено учеными в области механики грунтов, механи-
ки сплошной среды, капиллярно-пористых, трещиноватых материалов 
и т.д., в области вакуумной сушки материалов, объемного уплотнения 
материалов и др. Результаты исследований позволяют утверждать о 
необходимости и возможности создания и применения на практике 
укладки оснований автомобильных дорог по идеальной технологии. 

Модель работает на идеальном грунте (упрощенная механическая 

система). Идеальные системы применяются при теоретических и экспе-
риментальных исследованиях сложных механических систем, например, 
идеальная жидкость, идеальный газ и др. 

Методика перехода от классической механической системы (при-

родный грунт) к идеальной механической системе (природный грунт, 
очищенный от неэффективных элементов) использовалась при теоре-
тических и экспериментальных исследованиях, дала положительные 
результаты как при испытании на прочность и плотность грунта по ме-
тодике использования плоского штампа и матрицы в форме куба, так и 
по методике катящегося нагруженного штампа по поверхности модели 
основания. Последняя методика больше подходит к условиям работы 
основания в системе основание–автомобильный транспорт. При испы-
тании грунта в матрице в форме куба нагружается штампом нагрузкой, 
нормальной к поверхности грунта. Колесо же автомобильного транс-
порта нагружает основание нормальной и касательной нагрузками. Под 
колесом объем основания работает на растяжение, при накатывании 
колеса на грунт – на сжатие. Знакопеременная нагрузка снижает проч-
ность основания. 

Испытывались природные грунты – неочищенные и очищенные от 

примесей с использованием матриц кубической формы с жестким креп-
лением стенок и дна, а также матриц кубической формы с упругими 
опорами раздвижных стенок и днища. Испытания показали: при одной и 
той же нагрузке необработанный грунт, давя на стенки, вызывает боль-
шую деформацию в объеме верхнего слоя. Куб с упругими опорами 
раздвижных стенок и днища менял свою форму. Кубическая форма пе-
реходила в форму усеченной пирамиды с основанием под штампом. 
При снятии нагрузки стенки под давлением опор перемещались к оси 
куба, но форма пирамиды сохранялась, уменьшалась площадь попереч-
ного сечения в объеме пирамиды и увеличивалась высота. Объем 
уменьшался незначительно после остаточной деформации. 

Иная картина наблюдалась при исследовании таким же методом в 

условиях разряженного пространства. Грунт сохранял форму куба до 
окончания нагружения и в течение времени снятия нагрузки. Объем 
грунта уменьшался за счет остаточной деформации, система имела 
меньшую упругость. 

Эксперименты 
подтвердили 
логику 
выводов 
ряда 
ученых-

теоретиков о том, что жидкость (вода) и газ (воздух) несжимаемы в за-
мкнутом объеме [1-5]. Данное свойство жидкости и газа нашли широкое 
применение в гидро- и пневмоприводах. Эти свойства сохраняются в 
грунтах при уплотнении. Грунты капиллярно-пористые и трещиноватые 
вещества имеют дискретную структуру, а для дорожного строительства 
представляют большой интерес исследования возможности преобразо-
вания дискретной структуры грунтов в непрерывную структуру. Так 
поставленная задача приобретает характер проблемной ситуации. Реше-
ние поставленной задачи – предвосхищение будущего (вероятностное 
прогнозирование), исходя из вероятностной структуры прошлого опыта 
и информации о наличии ситуации, задачу можно считать решаемой.  

Монография предназначена прежде всего для специалистов-

дорожников. В то же время она может быть интересна широкому кругу 
читателей: пешеходам, которые ходят по тротуарам, пересекают улицы 
и дороги, эксплуатационникам автомобильного транспорта и автомо-
бильных дорог, строителям дорог и др. 

Для овладения проблемной ситуацией необходимо найти и исполь-

зовать новые средства и способы укладки основания. В данном иссле-
довании предпринята попытка разработки модели энергосберегающей 
технологии автомобильных дорог, используя для этого известные сред-
ства и способы очистки веществ от жидкости, газа и других примесей. 
В ходе теоретических и экспериментальных исследований применялись 
модели и промышленные образцы машин в лабораторных условиях и в 
условиях дорожного строительства. Используя куб с раздвижными 
стенками, определяли активную зону уплотнения и другие характери-
стики грунта. 

В модели идеальной технологии укладки основания все природные 

вещества воспринимаются как сырьё для получения полезного материа-
ла, поэтому большое внимание уделяется разработке технологии обога-
щения грунта, так же как обогащаются такие природные вещества, как 
нефть, газ и другие.  

В настоящее время дан «зеленый свет» внедрению инновационных 

и в первую очередь энергосберегающих технологий. И это веление вре-
мени. Приходится констатировать, что по энергоэффективности россий-

ские технологии занимают пока одно из последних мест в общемировых 
рейтингах. И, конечно, такая сфера, как дорожное строительство, нуж-
дается в них зачастую намного больше, чем другие отрасли промыш-
ленности [6].  

Российскими учеными ведутся разработки технологии применения 

поверхностно-активных веществ, препятствующих старению дорожных 
бетонов, а также дорожных покрытий на основе солнечной энергии, 
энергосберегающих технологий проектирования автомобильных дорог, 
способствующих экономии топлива, менее напряженному режиму дви-
жения, снижению эмоциональной напряженности водителя, уменьше-
нию объема земляных работ, облегчению ландшафтного проектирова-
ния за счет лучшего обертывания проектной естественной поверхности 
земли [7-10]. Проводятся разработки смеси строительных материалов, 
применяемых для устройства дорожных одежд, которые не только об-
ладают максимальной плотностью при наименьшей деформативности 
под нагрузкой, но также учитывают реологические свойства сыпучих 
оснований, которые определяются разнообразными взаимодействиями с 
вмещающими грунтами в процессе эксплуатации [11]. 

В строительстве аналогичным примером может служить переход от 

саманного домостроения, когда мазанки строили из глины и соломы, к 
кирпичному. Первоначально глину обрабатывают, затем прессуют из 
неё кирпичи и блоки, сушат и после сушки обжигают. Качество изделий 
зависит от подготовки глины к обжигу и режима обжига. Не полностью 
очищенная от примесей глина, неплотное прессование (избыток воды) 
не дают возможность получить качественную продукцию, много кирпи-
ча выходит бракованного (коробление, трещины т.д.). 

Вернемся к автомобильным дорогам. Локальный объем основания 

содержит постоянную массу твердых веществ и переменную массу 
жидкости и газа. Массовое содержание жидкости и газа зависит от 
осадков и температуры в окружающей среде и в основании. Частицы 
жидкости и газа придают упругость системе, в связи с этим на уплотне-
ние основания затрачивается дополнительная энергия. В основании во-
да и воздух образуют капиллярные и поверхностные явления, которые 
также затрудняют укладку. В ряде опубликованных работ [12, 13] при-
водятся примеры возможности очистки грунта от примесных веществ 
путем вакуумирования. Известна вакуумная сушка материалов, но она 
имеет недостаток в извлечении влаги. Влага извлекается из слоя мате-
риала и рассчитана на сублимацию. Для материала, которым пользуемся 
в укладке основания, для извлечения влаги такая сушка неэффективна. 
Наиболее эффективное извлечение влаги из твердых веществ показал 

метод сброса каскадного потока из твердых веществ в разряженное про-
странство ограниченного объема. Каскадный поток распространяет объ-
ем материала в разряженном пространстве тонким слоем, что позволяет 
рационально использовать энергию на вакуумную обработку. 

Жидкость и газ при укладке основания образуют волновое движе-

ние в связи с их упругостью, и, как показали исследования и наблюде-
ния в практических условиях, грунт вытесняется из основания и валец 
оседает, создается видимость уплотнения в полном объеме. Местами 
образуются стоячие волны, которые создают неровности на поверхно-
сти основания. Пробы, взятые на влажность основания, показали, что 
стоячие волны имеют влажность на 10-15 % выше влажности грунта 
ровной поверхности. 

Физика считает, что взаимодействие тел приводит к изменению их 

состояния и движения. В механике Ньютона взаимодействие качествен-
но характеризуется силой. Более общей характеристикой является по-
тенциальная энергия. 

Несмотря на разнообразие воздействия тел друг на друга, в природе 

по современным данным, имеются лишь четыре типа фундаментальных 
взаимодействий. Это (в порядке возрастания интенсивности взаимодей-
ствия): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимо-
действия. Интенсивности взаимодействий определяются константами 
связи. Укладка основания по модели классической технологии дает гра-
витационное и слабое взаимодействие. Константами этих связей явля-
ются атомно-молекулярные кинетические энергии пленок жидкости и 
газа. Энергия связи воды и воздуха равняется работе, которую нужно 
затратить, чтобы разделить твердые тела и частицы воды и воздуха и 
удалить их друг от друга на такое расстояние, на котором их взаимодей-
ствием можно пренебречь. Абсолютная величина энергии может харак-
теризовать прочность кладки основания. 

Идеальная технология укладки основания дает возможность полу-

чить электромагнитное и сильное взаимодействие – взаимодействие 
между твердыми телами и твердыми частицами. 

Разрабатываемая модель энергосберегающей технологии автомо-

бильных дорог представляет собой комплекс, включающий:  

1) технологию укладки основания, в неё входят технология устройства 
дренажа, технология устройства отвода воды от основания, технология 
защиты основания от атмосферных осадков на период укладки, 
технология устройства покрытия основания водозащитным слоем на 
период эксплуатации дорог;