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 автомо
бильных 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 дороги – наиболее энергоемкого и ответственного наземного сооружения.  

Для научных сотрудников, специалистов дорожной отрасли, а также 

аспирантов, магистрантов и студентов – будущих строителей автомобильных 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 происхождения. Наиболее надежными считаются дороги, построенные с использованием прочных каменных материалов, далее – с применением 
местных, как правило, менее прочных горных пород. В качестве материала 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, работающих в разных областях отрасли, а также для преподавателей специальностей и направлений подготовки, связанных со строительством автомобильных 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 эксплуатации автомобильных дорог, поэтому авторам пришлось ограничиться в основном рассмотрением вопросов укладки основания и физико-механических процессов, протекающих в объеме грунта, заложенного 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. Рассматриваются 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 строительных технологий и автомобильных дорог Поволжского государственного 
технологического университета С. В. Ежова. С. А. Ежов, доктор технических 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 возможном 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 автомобильных дорог. 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

При строительстве автомобильных дорог и инженерных сооруже
ний широко применяются грунты. Однако их использование в естественном состоянии ограничено. По своему составу, структуре и свойствам грунты представляют собой разнообразные конгломератные 
системы, и при их использовании в инженерных сооружениях применяются различные методы, направленные на получение необходимых 
физико-механических характеристик.  

Вблизи районов строительных объектов, как правило, выполняются 

изыскательские, геолого-разведочные работы и работы по добыче грунтов. В дальнейшем их транспортируют, укладывают в инженерные сооружения 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 некондиционных 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 раз
рабатывается 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 снижа
ется 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 «прикатывание» появилось название «каток» (катать). Перед технологией не ставилась задача укрепления грунта (повышения прочности) за счет прикатывания. 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 массивной техникой: легкими, средними, тяжелыми, самоходными и прицепными катками с гладкими, кулачковыми, решетчатыми, пневматическими и другими видами конструкций вальцов (как с применением вибрации, так и без неё). Классическая укладка основания не предусматривает внедрения в технологию обработку укладываемых грунтов.  

Классическая технология укладки основания опирается на законы 

природы и старается приспособиться к ним технически и технологически. 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 частицы твердых тел, средняя прочность которых удовлетворяет требования 
к основаниям; к неэффективным составляющим – жидкость (вода), газ 
(воздух) и другие вещества приместного характера (органические, растительные и другие частицы). Идеальная модель энергосберегающей 
технологии автомобильных дорог предусматривает процессы очистки 
грунтов от неэффективных составляющих, на уплотнение которых тратится 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 исследований проведено учеными в области механики грунтов, механики 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 экспериментальных 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 теоретических и экспериментальных исследованиях, дала положительные 
результаты как при испытании на прочность и плотность грунта по методике 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 испытании грунта в матрице в форме куба нагружается штампом нагрузкой, 
нормальной к поверхности грунта. Колесо же автомобильного транспорта нагружает основание нормальной и касательной нагрузками. Под 
колесом объем основания работает на растяжение, при накатывании 
колеса на грунт – на сжатие. Знакопеременная нагрузка снижает прочность основания. 

Испытывались природные грунты – неочищенные и очищенные от 

примесей с использованием матриц кубической формы с жестким креплением 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 большую деформацию в объеме верхнего слоя. Куб с упругими опорами 
раздвижных стенок и днища менял свою форму. Кубическая форма переходила 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 поперечного 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 замкнутом 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 преобразования дискретной структуры грунтов в непрерывную структуру. Так 
поставленная задача приобретает характер проблемной ситуации. Решение 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 автомобильных дорог, строителям дорог и др. 

Для овладения проблемной ситуацией необходимо найти и исполь
зовать новые средства и способы укладки основания. В данном исследовании предпринята попытка разработки модели энергосберегающей 
технологии автомобильных дорог, используя для этого известные средства 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 характеристики грунта. 

В модели идеальной технологии укладки основания все природные 

вещества воспринимаются как сырьё для получения полезного материала, поэтому большое внимание уделяется разработке технологии обогащения 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 времени. Приходится констатировать, что по энергоэффективности россий

ские технологии занимают пока одно из последних мест в общемировых 
рейтингах. И, конечно, такая сфера, как дорожное строительство, нуждается в них зачастую намного больше, чем другие отрасли промышленности [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 движения, снижению эмоциональной напряженности водителя, уменьшению объема земляных работ, облегчению ландшафтного проектирования за счет лучшего обертывания проектной естественной поверхности 
земли [7-10]. Проводятся разработки смеси строительных материалов, 
применяемых для устройства дорожных одежд, которые не только обладают 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 кирпича 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 уплотнение основания затрачивается дополнительная энергия. В основании вода и воздух образуют капиллярные и поверхностные явления, которые 
также затрудняют укладку. В ряде опубликованных работ [12, 13] приводятся примеры возможности очистки грунта от примесных веществ 
путем вакуумирования. Известна вакуумная сушка материалов, но она 
имеет недостаток в извлечении влаги. Влага извлекается из слоя материала 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 пространство ограниченного объема. Каскадный поток распространяет объем 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 наблюдения в практических условиях, грунт вытесняется из основания и валец 
оседает, создается видимость уплотнения в полном объеме. Местами 
образуются стоячие волны, которые создают неровности на поверхности 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 качественно характеризуется силой. Более общей характеристикой является потенциальная 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 взаимодействия): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Интенсивности взаимодействий определяются константами 
связи. Укладка основания по модели классической технологии дает гравитационное и слабое взаимодействие. Константами этих связей являются 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 взаимодействием можно пренебречь. Абсолютная величина энергии может характеризовать 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 устрой
ства 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;