На главную
(351)
237-97-77

Методы и приборы контроля качества строительства дорожных покрытий в сша

Перестройка перед выходом с фривея на другой фривей

Перестройка перед выходом с фривея на другой фривей

В широком смысле, контроль качества строительства начинается в США задолго до собственно строительства. Во-первых, существующая система лицензирования инженеров автоматически допускает к инженерному руководству проектированием и строительством только людей, имеющих необходимую подготовку и осведомленных о мере ответственности за свою работу.

Во-вторых, система аккредитации лабораторий, сертификации их персонала и калибровки оборудования обеспечивает наличие специалистов, осуществляющих контроль качества, и нужных для этого приборов.

Наконец, для контроля одного и того же показателя, как правило, используют несколько методов и приборов, обеспечивая конкуренцию между разработчиками, а тем самым – постоянное совершенствование этих приборов и методов.


Сертификация лабораторий

Принято различать два понятия: контроль качества (QC – quality control) и гарантия (поддержка) качества (QA – quality assurance). Как известно, под контролем качества понимают постоянную или периодическую инспекцию на каждой стадии производства от исходных материалов (горной породы, нефти и т.д.) до конечного продукта, например, асфальтобетонного покрытия. Под гарантией (или поддержкой) качества (QA) в США понимают планируемые систематические действия, направленные на обеспечение стандартного уровня лабораторного контроля качества. Эти действия в основном сводятся к аккредитации лабораторий и сертификации технических работников, осуществляющих контроль качества. Порядок их проведения определяет Федеральная Дорожная Администрация.

Федеральная Дорожная Администрация США с 1995 г. установила новый порядок аккредитации лабораторий и сертификации сотрудников. Штаты разделены на несколько групп. Входящие в данную группу штаты совместно занимаются аккредитацией и сертификацией и обучением. Например, в западный регион входят штаты Аляска, Аризона, Айдахо, Вашингтон, Гавайи, Калифорния, Колорадо, Монтана, Невада, Орегон и Юта. Вместе с тем, любой штат может сформулировать собственные требования к квалификации персонала лаборатории. Техническое руководство аккредитацией лабораторий штатов по поручению Федеральной Дорожной Администрации осуществляет подкомитет AASHTO по материалам через центральную лабораторию Национального института стандартов и технологий (NIST).

Сначала аккредитуются центральные лаборатории штатов. Заявка с просьбой об аккредитации поступает из центральной лаборатории штата в Федеральную Дорожную Администрацию. В ней указывается, по каким видам строительных материалов и по каким методам их испытаний центральная лаборатории данного штата хотела бы быть аккредитованной. Из лаборатории Федеральной Дорожной Администрации или, по ее поручению, из центральной региональной лаборатории в центральную лабораторию штата поступают «анонимные» образцы материалов (битума, битумной эмульсии, щебня и т.д.). Основные стандартные показатели их свойств должны быть определены и спустя короткий промежуток времени отправлены в центральную лабораторию, где статистически обрабатываются результаты, полученные в различных лабораториях. Основываясь на среднем значении, дисперсии и требуемой надежности, центральная лаборатория выставляет лаборатории данного штата оценку по пятибалльной шкале. Оценка выставляется в зависимости от отклонения полученного результата от среднего значения. Среднее квадратическое отклонение зависит от вида испытания и прибора. Если результат, полученный в лаборатории, отличается от среднего в пределах одного среднеквадратического отклонения, выставляется оценка 5, в пределах полутора – оценка 4, в пределах двух – оценка 3. При оценке не менее трех баллов данная лаборатория получает право на проведение испытаний в течение одного года.

Кроме того, каждые 18 месяцев в лабораторию приезжает инспектор из центральной лаборатории, который проверяет приборы (начиная с термометра), методику испытаний и ведение записей в лабораторных журналах и на компьютерах. Если, например, показатели свойств битумной эмульсии, полученные в лаборатории дорожно-транспортного департамента штата, отклонились от средних для всех штатов больше допустимых пределов отклонения, эта лаборатория лишается права работать с битумными эмульсиями и департамент будет вынужден за счет своего бюджета нанять для этой цели частную лабораторию минимум на один год.

Аналогично этому центральная лаборатория штата проводит аккредитацию региональных лабораторий этого штата и частных лабораторий, претендующих на право проведения испытаний и контроля качества. Аккредитация является платной. Инспектор оценивает размеры помещения лаборатории, его освещенность, безопасность, обеспеченность водой, электроэнергией, помещениями для приготовления и хранения образцов и т.д. Проверяется наличие и состояние оборудования и документация о его калибровке. Инспектор составляет акт об имеющихся недостатках и дает 30 суток на их исправление. Повторная инспекция является окончательной. Затем в лабораторию посылают образцы материалов для испытаний.

Получив результаты, оценивают способность лаборатории проводить те или иные испытания. Результаты испытаний, полученные в разных лабораториях, оценивают статистическими методами. Например, в 2004 г. в штате Висконсин проводилась аккредитация 78 лабораторий. При испытании одного и того же битума коэффициент вариации (отношение среднеквадратического отклонения к среднему значению показателя) составлял: для вязкости при 135°C – 4%, для потери массы после прогрева при 163°C – 14%, для модуля упругости битума при минус 18°C – 5%, для предельного относительного удлинения при разрыве при минус 18°C – 7% и т.д. Чтобы быть аккредитованной на проведение испытаний битума в этом штате, лаборатория должна была получить результаты, отличающиеся от средних не больше, чем на удвоенные значения этих коэффициентов вариации.

Улица в г. Санта-Моника: асфальтобетонное покрытие мирно сосуществует с цементобетонным

Улица в г. Санта-Моника: асфальтобетонное покрытие мирно сосуществует с цементобетонным

К персоналу лаборатории предъявляется ряд требований. Выделены 5 областей, по которым проводится сертификация техников-лаборантов: каменные материалы, асфальтобетон, цементобетон, насыпь и основание дорожной одежды, контроль степени уплотнения в полевых условиях. Каждый из техников-лаборантов должен сдать письменный и практический экзамен. Разрешается 4 попытки сдать письменный экзамен в течение полугода. Затем проводится практический экзамен. В частности, техник, специализирующийся на асфальтобетоне, должен уметь отобрать образцы горячей смеси, определить содержание в ней битума; определить истинную плотность асфальтобетона (сумма масс каменного материала и битума, деленная на сумму их объемов – без учета объема межзерновых пор; в США эту величину называют максимальной теоретической плотностью асфальтобетона); определить объемную долю воздушных пор после стандартного уплотнения, определить зерновой состав минерального материала после экстрагирования битума; внести необходимые коррективы в приготовление смеси и в процесс ее укладки и уплотнения. Сдав экзамен, он получает сертификат, действительный 3 года, но ежегодно должен проходить однодневный тренировочный курс, знакомясь с новой информацией в этой области. Руководитель группы или лаборатории контроля качества дорожно-строительных материалов должен иметь не менее трех лет опыта работы в этой области.

Например, департамент транспорта штата Калифорния (Caltrans) имеет 12 региональных лабораторий, в которых в 2004 г. работали 32 штатных сертифицированных контролера качества в области дорожного строительства. Они не имеют права проводить других испытаний во избежание конфликта интересов. Всего в штате аккредитовано 243 лаборатории, из которых 64 принадлежат департаменту транспорта, 14 – городам и графствам и 165 являются частными. Техникам-лаборантам этих лабораторий на 2004 год было выдано 2112 сертификатов, причем один техник (или инженер) может иметь несколько сертификатов, скажем, один по асфальтобетону, другой – по каменным материалам, а третий – по грунтам.

Очертание бортового камня на пешеходной дорожке. Слева на бетонном тротуаре видна профрезерованная ребристая полоса, позволяющая слепому палкой нащупать начало спуска к пешеходной дорожке.

Очертание бортового камня на пешеходной дорожке. Слева на бетонном тротуаре видна профрезерованная ребристая полоса, позволяющая слепому палкой нащупать начало спуска к пешеходной дорожке

Большинство частных лабораторий принадлежат строительным подрядчикам, например асфальтобетонным заводам. Вплоть до 1970-х годов качество контролировал, главным образом заказчик, следя за тем, чтобы средний показатель (например, плотности) был близок к заданному. В 1980-х по инициативе штатов Нью-Джерси и Пенсильвании в стандартах многих штатов среднее значение и мера изменчивости показателя были скомбинированы, чтобы оценить уровень качества с помощью коэффициента вариации и уровня надежности.

Оплату выполненных работ поставили в зависимость от коэффициента вариации, чтобы уменьшить разброс толщины, плотности, содержания битума и других показателей, сильно влияющих на долговечность дорожного покрытия. Соответственно, подрядчики стали интенсивно заниматься контролем качества, а заказчики параллельно контролировали известные им критические параметры. Например, в штате Массачусетс асфальтовая группа центральной лаборатории штата во главе с к.т.н. Н.Б. Перловой с каждых 20 000 т смеси отбирала пробу, экстрагировала битум и определяла его вязкость и пенетрацию, чтобы контролировать степень термоокислительного старения вяжущего во время приготовления смеси и ее хранения в бункере. Скажем, при вязкости исходного битума АС-20, равной 200 Па•сек при 60°C, и его пенетрации 60·10-1 мм вязкость битума, экстрагированного из смеси, не должна превышать 800 Па•сек, а его пенетрация должна быть больше 50·10-1 мм. В противном случае даже хорошо уплотненное покрытие будет недолговечным вследствие старения битума. Отметим, что добавление значительного количества старого асфальтобетона в смесь существенно осложняет контроль этого важного показателя.


Недавно уложенное асфальтобетонное покрытие на городской улице. Поперечный профиль поверхности покрытия представляет собой не отрезок прямой, как в России, а выполнен в виде квадратной параболы для увеличения скорости стока дождевой воды в боковую канаву ,выполненную вместе с бортовым камнем в монолитном цементобетоне.

Недавно уложенное асфальтобетонное покрытие на городской улице. Поперечный профиль поверхности покрытия представляет собой не отрезок прямой, как в России, а выполнен в виде квадратной параболы для увеличения скорости стока дождевой воды в боковую канаву, выполненную вместе с бортовым камнем в монолитном цементобетоне

Методы и приборы для контроля степени уплотнения грунта

В США насыпи начали уплотнять послойно с 1925 г., чтобы повысить прочность, уменьшить водопроницаемость и последующую осадку грунта. Однако требования к степени уплотнения грунта к этому времени не были сформулированы. Поэтому когда вблизи Лос-Анджелеса наводнение размыло земляную дамбу, предъявить претензии к низкому качеству работ было некому – отсутствовали критерии качества уплотнения. Под влиянием этих обстоятельств полевой инженер бюро водоснабжения г. Лос-Анджелеса Ральф Проктор (R. R. Proctor) в 1933 г. предложил метод оценки степени уплотнения и опубликовал несколько статей на эту тему в журнале «Engineering News Record». Основные положения этого метода сохранились в современных нормативных методах оценки степени уплотнения грунтов, принятых в разных странах, в том числе в России.

Степень возможного уплотнения грунта, прежде всего, зависит от распределения его частиц по размерам и от формы частиц: если в нем имеются как крупные, так и мелкие зерна, помещающиеся внутри пор между крупными, возможная плотность увеличивается. Чем больше механическая работа, затраченная на уплотнение, тем выше достигаемая плотность грунта. Наконец, при одной и той же затраченной работе на уплотнение данного грунта получаемая плотность зависит от влажности грунта во время уплотнения. Совместное влияние перечисленных факторов осложняет оценку степени уплотнения. По предложению Проктора, для каждого грунта сначала в лабораторных условиях при одинаковой для всех грунтов работе уплотнения выявляют ту плотность, до которой следует стремиться его уплотнить в полевых условиях, а затем измеряют показатель плотности, достигнутый в поле, и сравнивают его с полученным в лаборатории.

Проктор предложил использовать для оценки не плотность (влажного) грунта ρ = M/V (массу единицы объема грунта), а так называемую плотность скелета грунта – массу твердых частиц, находящихся в единице объема грунта (по-английски – dry density – отсюда индекс d). Это принципиально важно. В самом деле, цель уплотнения – сблизить между собой грунтовые зерна так, чтобы они образовали систему, хорошо воспринимающую внешнюю нагрузку. Чем больше масса зерен в данном объеме грунта, тем теснее расположены зерна и тем лучше этот грунт укатан.

Масса грунта М состоит из массы частиц Ms и массы воды Mw, а масса воздушных пор Ma пренебрежимо мала: M = Ms + Mw. Разделив обе части этого равенства на объем грунта V, получаем ρ = ρd ·(1+w), где w = Mw / Ms – влажность, равная отношению массы воды к массе частиц. Значит, отобрав образец грунта определенного объема и взвесив его, можно найти плотность грунта ρ = M / V. Затем после высушивания до постоянного веса находят его влажность и вычисляют плотность скелета грунта по формуле:

(1)

Этой формулой непременно пользуются при всех методиках контроля степени уплотнения.

Однако масса частиц, находящихся в единице объема грунта, зависит и от плотности материала частиц, которая может изменяться в пределах ρs = 2,0–3,3 г/см3 в зависимости от минералогического состава грунтов, но обычно составляет ρs =2,5–2,8 г/см3. Очевидно, что объем грунта состоит из объема твердых частиц Vs, воды Vw и воздушных пор Va: Vs+Vw+Va = V. Так как объемная доля частиц в грунте равна Vs/ V= ρs / ρd , а объемная доля воды равна Vw / V= ρd / ρw, то получается следующая зависимость плотности скелета грунта от средней плотности материала его частиц , влажности w, а также объемной доли воздушных пор ca = Va / V:

 (2) где ρw – плотность воды (около 1 г/см3 )

При одной и той же степени уплотнения для грунта с более «тяжелыми» частицами плотность скелета ρd будет больше. В связи с этим было бы удобнее принять в качестве меры плотности сложения частиц грунта не плотность скелета, а объемную долю частиц в грунте, равную ρd / ρs , но по традиции продолжают использовать плотность скелета грунта ρd .

Физически процесс уплотнения состоит в вытеснении воздуха из грунта. Вода при уплотнении укаткой, трамбованием или вибрацией не успевает отжаться из зоны контакта между частицами, поскольку для ее фильтрации сквозь тонкие поры требуется определенное время. Работа уплотнения уходит на преодоление трения между частицами и их перемещение. Пока влажность грунта мала, добавление в него воды облегчает перемещение частиц относительно друг друга и способствует их более тесной укладке при той же затраченной работе. В результате с увеличением содержания воды в образце грунта до определенного предела плотность скелета увеличивается. При этом в грунте существует связанная система воздушных пор, сообщающихся с атмосферой, объем которых постепенно убывает при вытеснении воздуха в атмосферу. Но при чрезмерной влажности смазывающий эффект уже не увеличивается, а вода препятствует сближению частиц. В итоге зависимость плотности скелета от влажности грунта имеет максимум (рис. 1). Дальнейшее увеличение влажности приводит не к сближению частиц, а к их раздвижке водой.

Зависимость плотности скелета грунта от влажности, получаемая при стандартном уплотнении

Рис. 1 Зависимость плотности скелета грунта от влажности, получаемая при стандартном уплотнении.

Находящиеся в ней пузырьки воздуха замкнуты, т. е. не связаны между собой и не сообщаются с атмосферой. Поэтому при одинаковой затраченной на уплотнение механической работе наибольший эффект уплотнения получается при некоторой оптимальной влажности wopt, которой соответствует максимальная плотность скелета грунта ρd max. Эти понятия были введены Р. Проктором.

Процедура лабораторного испытания по Проктору состоит в том, что грунт уплотняют ударами падающего груза в металлическом стакане при разных влажностях и находят оптимальную влажность стандартного уплотнения и соответствующую ей максимальную плотность скелета грунта при стандартном уплотнении. Приведенные на рис. 1 данные соответствуют стандартному уплотнению по Проктору: диаметр металлического стакана 10 см, образец уплотняется в 3 слоя толщиной по 4 см каждый, груз массой 2,5 кг сбрасывают 25 раз с высоты 30,5 см, испытания проведены при пяти различных влажностях грунта. При этом диаметр плоского основания трамбовки равен 5 см, т. е. он вдвое меньше диаметра стакана с образцом грунта.

Это принципиально важно, поскольку после каждого удара груз смещают по кругу, и последующий удар наносят по новому месту. При этом обеспечивается возможность возникновения в грунте сдвиговых деформаций, моделирующих условия уплотнения в поле. Удары равномерно распределены по поверхности образца. Отметим, что Н.Н. Иванов и М.Я. Телегин, разработавшие на основе метода Проктора стандарт для СССР (переизданный в ГОСТ 22733-77), внесли, к сожалению, изменение – диаметр трамбовки приняли равным внутреннему диаметру стакана. Это повлекло за собой изменение схемы нагружения – образец находится в условиях однородного напряженного состояния без возможности сдвиговой деформации с боковым выпором грунта.

Описанный метод уплотнения по Проктору нормирован и в настоящее время и в AASHTO T 99-94. Примеру на рис. 1 соответствует средняя плотность частиц грунта ρs = 2690 кг/м3, оптимальная влажность wopt = 0,132 (13,2 %), максимальная плотность скелета при стандартном уплотнении ρd max = 1890 кг/м3. При влажностях меньших оптимальной, на левой восходящей ветви кривой (так называемая сухая ветвь) в грунте существует сообщающаяся с атмосферой система связанных воздушных пор. Напротив, в грунте, уплотненном при влажности выше оптимальной (так называемая влажная ветвь кривой), существует гидравлически непрерывная поровая вода, внутри которой имеются воздушные пузырьки. При оптимальной влажности происходит переход от системы сообщающихся между собой и с атмосферой воздушных пор к системе сообщающихся пор, заполненных водой. В данном примере этот переход происходит при объемной доле воздушных пор ca = 0,0475 (4,75 %), что нетрудно проверить по формуле (2). В правой верхней части рис. 1 показан отрезок пунктирной кривой, построенный по формуле (2) при ca = 0 для идеального случая отсутствия воздушных пор в уплотненном грунте. Получается, что в данном случае после стандартного уплотнения при оптимальной влажности твердые частицы занимали (1890/2690)100 = 70,30 % объема грунта, вода 0132 • 1890/1000 = 24,95 % и воздух 4,75 %.

Максимальная плотность скелета , найденная при стандартном уплотнении, и является той величиной, в зависимости от которой необходимая степень плотности грунта нормируется, задается в проекте и контролируется при строительстве. В зависимости от вида сооружения, глубины расположения слоя грунта и условий его работы необходимую плотность скелета задают равной 95–100 % от максимальной стандартной. Для экономии энергии и с целью предотвращения возможного снижения плотности скелета грунта в процессе эксплуатации дороги под влиянием природных факторов стремятся его уплотнять при влажности близкой к оптимальной wopt.

Во время Второй мировой войны корпус военных инженеров США, применяя метод Проктора при строительстве дорог и аэродромов, внес изменения в массу груза и высоту его падения, стремясь повысить требуемую плотность. Масса груза была увеличена до 4,54 кг, высота падения до соприкосновения с поверхностью слоя – до 45,7 см, число слоев – до 5. С увеличением работы плотность скелета увеличивается, а оптимальная влажность уменьшается. На рис. 2 показано влияние изменения количества ударов от 25 до 50 на кривую уплотнения. Точки максимума плотности скелета лежат на пунктирной кривой, примерно параллельной теоретической кривой, соответствующей нулевой воздушной пористости. В дальнейшем вносились другие изменения, отраженные в действующем стандарте T 180-93. В частности, диаметр уплотняемого образца, масса груза, число и толщина слоев, а также число ударов были поставлены в зависимость от максимальной крупности зерен. Заказчики имеют право выбора между стандартами Т 99-94 и Е 180-93.

 Зависимость плотности скелета грунта от влажности при различной работе уплотнения.

Рис. 2. Зависимость плотности скелета грунта от влажности при различной работе уплотнения.

При контроле в полевых условиях определяют плотность грунта ρ и его влажность w , рассчитывают по формуле (1) плотность скелета грунта ρd и, сравнив ее с максимальной стандартной, судят о качестве производства работ. Было предложено много приборов для полевого определения плотности и влажности грунта. Рассмотрим вкратце наиболее распространенные из них. По-прежнему используют метод отбора цилиндрического образца известного объема вдавливанием в земляное полотно пробоотборника с режущей кромкой, если грунт достаточно связный, чтобы извлечь образец. Другим широко распространенным методом является испытание «по методу замещения песком», при котором в уплотненном слое грунта выбуривают образец диаметром примерно 10 см и глубиной 15 см. Образец грунта извлекают из шурфа и взвешивают. Затем, заполняя шурф песком, определяют его точный объем. Зная плотность засыпанного песка и измеряя его засыпаемое количество, рассчитывают объем шурфа. Исходя из массы извлеченного материала и объема шурфа, определяют плотность грунта.

Эти полевые методы определения плотности влажного грунта весьма трудоемки и требуют больших затрат времени. Не лучше обстоит дело с и полевым определением влажности. Так как влажность выражается в процентах по массе сухого грунта, пробу грунта на влажность приходится высушивать, причем при температуре не выше 105°C, чтобы не выжигались органические вещества, входящие в состав некоторых частиц. В лабораторных условиях для этого издавна используется специальная электрическая печь, и в зависимости от свойств грунта может потребоваться высушивание до постоянного веса в течение нескольких часов. В полевых лабораториях используют электропечи с форсированным режимом высушивания, микроволновые печки либо выжигание высушиванием в горящем спирте с последующим внесением поправок. Такими путями удается сократить время высушивания до 30–45 мин. Операционный контроль не поспевает за строительством и приходится ограничиваться небольшим количеством образцов.

Как вспомогательное средство, применяют портативный пружинный пенетрометр Проктора с набором игл различного диаметра для грунтов разной крупности. Измеряемое пружинным динамометром сопротивление пенетрации зависит как от плотности, так и от влажности, но если плотность найдена другим методом, то можно оценить влажность, для чего требуется предварительная калибровка при разных плотностях. В результате получили применение полевые комплекты, в которых сочетаются разные методы, типа распространенного в России прибора Ковалева, разработанного 50 лет назад Н.Н. Ковалевым на кафедре дорожно-строительных материалов Киевского автодорожного института.

Для определения влажности грунта независимо от его плотности был разработан прибор, в котором использована реакция хлористого кальция с водой, продуктом которой является ацетилен. Измерив давление ацетилена, можно определить влажность в течение 5 минут, но при испытании глинистого грунта он должен быть тщательно измельчен во избежание ошибки. Методика нормирована в стандарте AASHTO T 217. Образец грунта массой не более 20 грамм помещают в камеру с манометром. Портативные приборы с таким принципом работы, например, S-242 (The Speedy® Moisture Testing Kit) широко используют в настоящее время.

Была предпринята успешная попытка сократить необходимое время для определения плотности и влажности грунта за счет проведения большой предварительной подготовительной работы и комбинирования разных методов. Много лет такие работы проводили в транспортном департаменте штата Огайо, затем его примеру последовали Индиана, Вайоминг и некоторые другие штаты. В Огайо еще в довоенные годы были подвергнуты стандартному уплотнению 1500 различных грунтов, а к 1949 году – 10000 грунтов. Обработав эти данные, построили семейство из 26 типичных кривых «плотность грунта – влажность грунта» (рис. 3), охватывающих очень широкий диапазон свойств грунтов: плотность грунтов была от 1550 кг/м3 до 2420 кг/м3, оптимальная влажность изменялась от 6,6 % до 32,5 %, а соответствующая ей максимальная плотность скелета – от 1299 до 2271 кг/м3. После этого было предложено определять оптимальную влажность и максимальную плотность скелета, испытав всего 1 образец вместо обычных 5–6, т. е. благодаря проведенным исследованиям трудоемкость сократилась минимум в 5 раз.

 Типичные кривые плотность-влажность, разработанные с целью определения оптимальной влажности и максимальной плотности скелета по результатам испытания одного образца грунта.

Рис. 3. Типичные кривые плотность-влажность, разработанные с целью определения оптимальной влажности и максимальной плотности скелета по результатам испытания одного образца грунта.

Например, испытав в лаборатории образец грунта с влажностью 19 %, после стандартного уплотнения получили плотность грунта 1904 кг/м3. Отложив эти данные на рис. 3, получаем точку, попадающую посредине между кривыми P и R в верхней части рисунка. Через эту точку проходила бы кривая, соответствующая данному грунту. Проводим через эту точку отрезок кривой параллельно кривым P и R. Из таблицы, приведенной на этом же рисунке, находим, что максимуму проведенной кривой отвечают примерно средние значения максимальной плотности скелета и оптимальной влажности между таковыми для этих кривых: максимальная плотность скелета – 1620 кг/м3 и оптимальная влажность – 20,9 %. Этот метод нормирован в стандарте AASHTO T 272-86, переизданном в 1995 г,, и назван «Семейство кривых – одноточечный метод Проктора». На практике его используют в комбинации с полевым испытанием грунта портативным пенетрометром. Кривые зависимости сопротивления пенетрации от влажности для различных грунтов показаны в нижней части рис. 3. Благодаря сочетанию этих методов удается добиться приемлемой скорости уплотнения земляного полотна.

Об объеме работ при контроле качества уплотнения можно судить по примеру требований департамента общественных работ г. Колумбус (штат Огайо): для высоких насыпей – одно испытание на 380 кубометров грунта; земляное полотно – одно испытание на 830 кв. м; щебеночное или гравийное основание на 200 кв. м; обратная засыпка подпорной стенки или траншеи – через каждые 15 м.

Участок фривея Сан-Диего - Сакраменто: как и большинство других дорог этого класса в Калифорнии,он имеет цементобетонное покрытие. Разрешенная скорость - до 65 миль в час(104 км/ч). По опыту водителей, нет опасности быть оштрафованным при скорости до 85 миль в час (136 км/ч), но не рекомендуется ехать медленнее 45 миль в час (72 км/ч ).

Участок фривея Сан-Диего – Сакраменто: как и большинство других дорог этого класса в Калифорнии, он имеет цементобетонное покрытие. Разрешенная скорость – до 65 миль в час(104 км/ч). По опыту водителей, нет опасности быть оштрафованным при скорости до 85 миль в час (136 км/ч), но не рекомендуется ехать медленнее 45 миль в час (72 км/ч ).

Широкое распространение при полевом контроле качества получили методы радиоизотопных измерений плотности и влажности грунта. Они основаны на использовании закономерностей взаимодействия гамма- и нейтронного излучений с электронами и ядрами атомов вещества. Принцип действия таких приборов известен в России (ГОСТ 23061-90). Источник излучает гамма-лучи и быстрые нейтроны. Гамма-излучение частично отражается в зависимости от плотности материала, через который проходит, а поток быстрых нейтронов замедляется на атомах водорода, т.е. тем больше нейтронов замедляется, чем выше влажность грунта. Плотности рассеянного либо ослабленного потока гамма-квантов и плотность потока замедленных нейтронов, прошедших между источником и детектором, измеряются счетчиком Гейгера-Мюллера. Кроме того, при упругом рассеянии коротковолнового излучения (каким является гамма-излучение) длина волны увеличивается (эффект А. Комптона), что фиксирует детектор.

В зависимости от способа измерений используют глубинную или поверхностную схему измерения. При глубинной схеме небольшую капсулу с источником излучения (цезий-137 или америций-241) опускают в скважину, которую просто продавливают металлическим стержнем, а прибор со счетчиком находится на поверхности. Эта схема применяется для измерения плотности и влажности в слое грунта толщиной от 5 до 30 см. Если достаточно ограничиться глубиной 10 см, капсула с источником и счетчик находятся на поверхности. В этом случае прибор можно перевозить по поверхности грунта и измерения ведут практически непрерывно.

Наиболее распространенные приборы – Troxler серии 3400-3440. Компания Troxler Electronics Laboratories начала производить приборы для радиоизотопных измерений в 1958 г. Первые приборы были громоздкими, требовали подключения к источнику переменного тока, имели проблемы с радиационной защитой, и поэтому оператор должен был записывать показания на некотором расстоянии от прибора. С тех пор Troxler значительно усовершенствовала свои приборы и в настоящее время является лидером в этой области в США. Приборы требуют периодической калибровки (по рекомендации фирмы-изготовителя – ежегодной), но в разных штатах нормированы гораздо более короткие сроки. О точности можно судить по таким данным. При глубинном методе определения плотности для слоя грунта толщиной 15 сантиметров, имеющего плотность около 2000 кг/м3, погрешность составляет ±6,8 кг/м3, если отсчет берется через 15 с, ±3,4 кг/м3, если через 1 минуту, и ±1,7 кг/м3 – через 4 мин. При поверхностном методе погрешность в 3 раза больше, поскольку при обратном рассеивании угол рассеивания гамма-квантов больше. Аналогично, при определении влажности в слое грунта толщиной 15 см, содержащего воды 250 кг/м3, абсолютная погрешность составляет ±10,3 кг/м3, если отсчет берется через 15 сек, ±5,1 кг/м3 – если через 1 минуту, и ±2,4 кг/м3 – через 4 мин. Итак, чем быстрее ведутся измерения, тем выше погрешность, но надо признать, что она невелика. Практики рекомендуют двухминутные отсчеты.

Модели Troxler 3430 и 3440 пригодны как для измерения плотности-влажности грунта, так и для контроля плотности щебня, асфальтобетона и цементобетона. Они снабжены автоматическим датчиком глубины и программным обеспечением. С помощью имеющейся на них клавиатуры можно ввести номера 1000 точек, сохранить результаты измерений и примечания к ним, чтобы затем сбросить их на компьютер в виде текста либо в виде электронных таблиц для быстрой обработки типа Excel, Lotus и др. Питание осуществляется заряжаемыми батареями, рассчитанными на 180 часов работы. Масса прибора в сборе – 14 кг, стоимость – 5–6 тысяч долларов.

Прибор для определения влажности грунта путем измерения его диэлектрической проницаемости.

Рис. 4. Прибор для определения влажности грунта путем измерения его диэлектрической проницаемости.

На совершенно ином принципе основаны датчики влажности, измеряющие диэлектрическую проницаемость грунта. В основу радиоволновых методов определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов положено измерение амплитуды и фазы прошедшей через диэлектрик или отраженной от него волны. Первые датчики такого типа для измерения влажности грунтов в США появились в середине 1980-х после серии статей, опубликованных G.C. Topp, F.N. Dalton и другими авторами. Схема работы прибора показана на рис. 4. Электромагнитный импульс проходит между двумя вилкообразными металлическими электродами, погруженными в грунт на расстоянии примерно одного метра друг от друга. Отраженный сигнал – форма волны колебания анализируется для определения диэлектрической проницаемости среды, в которую погружены электроды. Эту группу методов измерения называют в США Time Domain Reflectometry (TDR).

Испускаемый электромагнитный импульс отражается и анализируется для определения комплексной диэлектрической проницаемости среды, в которой он распространяется. Диэлектрическая проницаемость характеризует, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Если принять диэлектрическую проницаемость (абсолютную величину комплексной диэлектрической проницаемости) воздуха за единицу, то относительная диэлектрическая проницаемость материала частиц сухого грунта будет находиться в пределах 3–5 практически независимо от его минералогического и гранулометрического состава, а диэлектрическая проницаемость воды – 80. Поэтому измеряемая диэлектрическая проницаемость влажного грунта – очень чувствительная величина, отражающая его влажность. Приведенные значения характерны для электромагнитных колебаний с частотой порядка 100 МГц-1 ГГц. G.C. Topp экспериментально исследовал ряд грунтов и установил эмпирическую зависимость, связывающую диэлектрическую проницаемость грунта и его влажность (рис. 5) с погрешностью 0,013 от объема воды в грунте для всех испытанных им грунтов. Например, при измеренной относительной диэлектрической проницаемости |ε*|=6 вода занимает 10 % объема грунта, а при |ε*|= 25 – 40 % объема грунта.

Типичная калибровочная кривая зависимости между объемной долей воды в грунте и его диэлектрической проницаемостью.

Рис. 5. Типичная калибровочная кривая зависимости между объемной долей воды в грунте и его диэлектрической проницаемостью.

В середине 1990-х приборы, основанные на этом принципе, стали появляться на рынке по цене лишь немного выше радиоизотопных. Их преимущество состоит в радиационной безопасности и, как следствие, возможности легче получить лицензию на работу с ними. Кроме того, не требуются специалисты, следящие за безопасностью работы, состоянием капсул с источником излучения и т. д. К настоящему времени эти приборы стали намного более точными и удобными благодаря разработке алгоритмов и программного обеспечения для анализа формы электромагнитных волн – все ручные операции после взятия отсчетов исключены.

Недостатком приборов, основанных на методе TDR, является чувствительность их показаний к температуре. В последних исследованиях, опубликованных по этому вопросу, это объясняют наличием в грунте связанной воды. С повышением температуры часть связанной воды переходит в свободное состояние, т.е. ее взаимодействие с поверхностью частиц грунта ослабляется. Поскольку количество свободной воды оказывает большое влияние на измеряемую диэлектрическую проницаемость грунта, даже небольшое изменение ее содержания приводит к погрешности. По той же причине грунт, содержащий много мелких частиц, имеющих большую удельную поверхность и поэтому «связывающих» воду, оказывается более чувствительным к изменению температуры при определении его диэлектрической проницаемости. Напротив, диэлектрическая проницаемость сухого грунта практически совсем не зависит от его зернового состава. Поэтому если раньше компании, выпускающие приборы, основанные на TDR, подчеркивали универсальность калибровочной кривой, приведенной на рис. 5, и утверждали, что прибор вообще не требует калибровки, то теперь на практике приходят к выводу, что лучше калибровать прибор для разных температур и грунтов, чтобы повысить его точность измерения влажности.


О приборах для контроля качества дорожных покрытий

Спектр работ, посвященных контролю качества строительства дорожных покрытий, очень широкий и плотный. Здесь возможно рассмотреть лишь некоторые аспекты этой важной проблемы.

Методы и принципы оценки степени уплотнения асфальтобетона во многом сходны с только что рассмотренными для грунтов. Вместе с тем, вопрос об оперативном измерении плотности для асфальтобетонных покрытий гораздо более актуален, поскольку смесь быстро остывает и скорость измерений выходит на первый план.

В США используют несколько показателей степени уплотнения асфальтобетонной смеси. Первый основан на пробной укатке опытного участка на месте производства работ. Укатав опытную полосу («test strip») при различном числе проходов по ширине, выбирают участок с нужной степенью уплотнения, принимают плотность материала покрытия на этом участке за 100 %, а затем во время работы стремятся обеспечить плотность укатываемой смеси, например, не менее 98 % от этого значения. Второй широко используемый показатель основан на приготовлении образцов в полевой лаборатории и в использовании плотности лабораторного образца или определенного процента этой плотности в качестве целевой плотности укатываемой смеси. Такой же показатель используется в России (коэффициент уплотнения). При использовании второго показателя имеет значение, какой метод применялся для проектирования состава смеси, скажем, по методу Маршалла смесь уплотняют ударной нагрузкой (как грунт по Проктору), по методу Хвима смесь штыкуют стальным стержнем, а затем прессуют с помощью стального сектора; по системе Суперпейв образец смеси формуют на приборе вращательного уплотнения. Стандарт ASTM D 2041 рекомендует третий показатель степени уплотнения: отношение плотности асфальтобетона, полученной в поле, к истинной плотности асфальтобетона, называемой в США «теоретической плотностью» или плотностью по Д. Райсу (J. Rice), которая представляет собой отношение массы неуплотненной смеси к ее объему (объему вытесненной смесью жидкости). Таким образом, «теоретическая плотность» – это суммарная масса каменного материала и битума, деленная на их суммарный объем, т. е. плотность двухфазной системы, не имеющей воздушных пор. Следовательно, отношение плотности асфальтобетона, полученной в поле, к истинной плотности асфальтобетона, непосредственно характеризует воздушную пористость смеси. Скажем, если это отношение равно 95 %, то в уплотненной смеси содержится 5 % пор по объему. Третий показатель считается самым объективным и наглядным. Все три показателя степени уплотнения требуют определения достигнутой плотности в полевых условиях.

Радиоизотопный прибор Troxler 4640-B для контроля плотности асфальтобетонных и цементобетонных слоев толщиной 2,5-10 см. Рис. 6. Радиоизотопный прибор Troxler 4640-B для контроля плотности асфальтобетонных и цементобетонных слоев толщиной 2,5–10 см.

В США многие специалисты в области технологии асфальтобетона считают, что смесь плотного зернового состава следует проектировать и уплотнять так, чтобы обеспечить в течение как минимум половины срока службы воздушную пористость асфальтобетона больше 2, но меньше 8 процентов.

При пористости свыше 8 % коэффициент фильтрации резко увеличивается, и верхний слой становится водопроницаемым. При пористости меньше 2 % наблюдаются большие сдвиговые деформации в жаркое время года, приводящие к образованию колеи.

Поэтому сейчас «модно» проектировать состав так, чтобы начальная пористость (с учетом доуплотнения под движением) составляла 4 %. Однако ряд опытных специалистов утверждают, что неправильно задавать пористость без учета зернового состава. Они, например, отмечают, что крупнозернистые смеси работают без сдвиговых деформаций и при пористости 1–2 %. Впрочем, каждый штат имеет свои нормы пористости, отражающие природные условия и опыт службы.

Для измерения плотности асфальтобетона в слое толщиной 2,5–10 см в полевых условиях широко используется радиоизотопный прибор Troxler 4640 (рис. 6). При этом исключается влияние слоев, находящихся под асфальтобетонным слоем, что очень важно, поскольку работа ведется по схеме поверхностных измерений: капсула с источником и счетчик находятся на поверхности. Чтобы добиться независимости результата измерения плотности тонкого верхнего слоя от плотности подстилающих слоев, разработчики прибора использовали 2 системы счетчиков Гейгера-Мюллера, одна из которых измеряет отражение гамма-излучения в пределах верхней части находящейся под датчиком среды, а другая – суммарное отражение в пределах верхней и нижней частей. Оказывается, что по их разности можно определить среднюю плотность материала в верхнем тонком слое.

Измерение занимает 1–2 минуты. Плотность асфальтобетона (масса единицы объема уплотненной смеси) выдается в кг/м3 на экране прибора и никаких номограмм для расчетов не требуется. Получаемая плотность отличается от найденной методом высверливания кернов (этот трудоемкий метод по-прежнему считается эталонным – не более чем на 1,5 %. Память прибора хранит до 11 калибровочных кривых для разных материалов и до 750 отсчетов полевых измерений с примечаниями. Они могут быть выданы на компьютер либо распечатаны. Масса прибора 13,5 кг.

 Прибор компании Transtech Inc для полевого определения плотности асфальтобетона на основе измерения диэлектрическойпроницаемости. Рис. 7. Прибор компании Transtech Inc для полевого определения плотности асфальтобетона на основе измерения диэлектрическойпроницаемости.

Недостатком приборов Troxler 4640, как и описанных выше радиоизотопных приборов, используемых при оценке степени уплотнения грунта, является необходимость контроля радиационной безопасности. Требуется специальная лицензия на право работы с радиоактивными веществами. Проводится частая инспекция безопасности. Операторы должны носить дозиметры и периодически посещать курсы техники безопасности, а для доставки приборов на территорию некоторых федеральных или военных объектов нужно получать разрешение. Кроме того, замечено, что отличия в текстуре поверхности покрытия могут повлиять на результаты измерения плотности в пределах ±3–4 % измеряемой плотности. Эта погрешность может быть значительно уменьшена путем калибровки.

В связи с этим после 1999 г. внимание дорожников привлек прибор компании Transtech Inc (рис. 7). Работа этого прибора основана на уже рассмотренном методе измерения диэлектрической проницаемости материала слоя. Приборы серии PQI 300 (Pavement Quality Indicator) были исследованы в 2000–2003 гг. в нескольких штатах параллельно с радиоизотопным прибором Troxler и отбором кернов. В нижней части прибора PQI 300 имеется опорный диск. На рис. 8 показана схема, иллюстрирующая принцип работы прибора. В центральной части внутри опорного диска находится передатчик, а в кольцевой части вдоль внешней окружности диска – приемник. Между ними находится кольцо из изолятора. В результате создается поле, имеющее форму тора («бублика»), силовые линии которого пересекают покрытие, плотность которого подлежит определению. Передатчик посылает импульс переменного тока определенной формы, а приемник записывает полученное изменение силы тока во времени, после чего изменение формы импульса после прохождения через среду анализируется и определяется диэлектрическая проницаемость материала. Прибор может работать в разных режимах в зависимости от примерного значения требуемой толщины, в пределах которой нужно определить плотность смеси.

Принцип работы прибора, измеряющего диэлектрическую проницаемость материала в тонком слое

Рис. 8. Принцип работы прибора, измеряющего диэлектрическую проницаемость материала в тонком слое

Относительная диэлектрическая проницаемость частиц каменного материала смеси и битума находится в пределах 5–6, а диэлектрическая проницаемость воздуха примерно равна 1 (относительно таковой для вакуума). Диэлектрическая проницаемость смеси линейно зависит от диэлектрической проницаемости ее составляющих и их объемной доли в смеси, поэтому с уменьшением пористости в процессе укатки она возрастает. Проблема состояла во влиянии влажности смеси на ее диэлектрическую проницаемость, поскольку вода попадает в смесь в процессе укатки, а диэлектрическая проницаемость воды составляет около 80 и поэтому даже небольшое количество воды сильно увеличивает диэлектрическую проницаемость смеси. Прибор определяет влажность по сдвигу фаз между сигналами передатчика и приемника. На панели прибора индицируются показания плотности материала слоя, его температура и внесенная поправка на влажность. Масса прибора – 8 кг, диапазон измерений охватывает толщину 2,5–10 см, длительность отсчета плотности – 3 секунды, стоимость – 7000 долларов.

При сравнительной оценке результатов измерений плотности асфальтобетона разными методами и приборами получены неоднозначные оценки. Так, в штате Коннектикут в 2001 г. пришли к заключению о недостаточной точности показаний прибора PQI-300, особенно при определении плотности вблизи продольного рабочего шва для суждения о качестве уплотнения в целях оплаты работ в зависимости от качества. Напротив, в 2003 г. в штате Кентукки был сделан вывод о применимости прибора PQI-300 для контроля качества.

Интересно видеть, как точность измерений связана с оплатой. Например, в штате Кентукки за укладку асфальтобетона платят 100 % договорной стоимости, если пористость асфальтобетона находится в пределах 6,2–8,0 %, и 95 % договорной стоимости при пористости 8,1–9,0 %. При измерении разными методами были получены такие значения пористости: Troxler 4640 – 8,3 %, Transtech PQI-300 – 7,1 %, отбор кернов из покрытия – 7,2 %. Значит, если верить радиоизотопному прибору Troxler, надо оплатить 95 % договорной стоимости, а если верить прибору Transtech PQI-300, то 100 %. В данном случае в соответствии с показаниями диэлектрического прибора определен тот же уровень оплаты, что и эталонным методом высверливания кернов из покрытия. Этот пример демонстрирует, как остро стоит вопрос контроля качества строительства покрытий в США и как он влияет на требуемую точность приборов.

В конкуренцию включилась компания Troxler, которая недавно тоже разработала диэлектрический прибор наряду с выпуском радиоизотопных. Она предложила прибор PaveTracker 2701 (рис. 10). Масса прибора – 1 кг, диапазон измерений по толщине – 2–4 см, рекомендован для мелкозернистых смесей, длительность отсчета плотности – 1 сек, по утверждению разработчиков, показания плотности смеси не зависят от влажности и температуры, погрешность – менее 3 кг/м3, размеры – 20х15х9 см, стоимость – 28000 долларов. Последняя модель PaveTracker 2701-В имеет большой объем памяти, более мощные батареи, совместима с компьютером и весит 5 кг. Исследования по оценке работы этих приборов начаты в университете штата Висконсин в 2004 г.

При контроле качества строительства и обследовании состояния существующих дорожных одежд большое значение имеет определение толщины слоев неразрушающими методами. В 1988 году была предложена передвижная установка для бесконтактного измерения толщины дорожного покрытия при обследовании состояния дорог, основанная на принципах радиолокации. По сути дела, принцип не отличается от упомянутого TDR - изменение отраженного сигнала во времени: с помощью высокочастотного излучателя (антенны) посылают кратковременный одиночный или заполненный радиочастотой импульс, который распространяется в средах различной плотности – воздухе, асфальтобетоне или цементобетоне, щебне и грунте. Отраженный сигнал регистрируется этой же либо отдельной приемной антенной. По поведению отраженного сигнала во времени, по изменению его амплитуды и частоты судят о толщине слоев различной плотности. Первые приборы этого типа назвали проникающий в грунт радар – Ground Penetrating Radar (GPR).

Метод радиолокационного зондирования (РЛЗ) давно известен в России, он интенсивно развивается в последнее время за счет аппаратурной и программной проработки. Примерно в те же годы исследования применимости этого метода к обследованию состояния земляного полотна были начаты в Ленфилиале СоюздорНИИ, но они не были доведены до широкого применения.

Установка GPR для определения толщин слоев и обследования состояния дорожных одежд. Рис. 9. Установка GPR для определения толщин слоев и обследования состояния дорожных одежд

В США применение установок GPR (рис.9.) к августу 2003 г. было одобрено дорожными департаментами 10 штатов. Например, в штате Флорида с помощью GPR-установки, смонтированной на автомобиле, обследуют до 320 км автомобильных дорог в день, а в штате Аризона эту установку применяют для систематического обследования состояния покрытия на 135 мостах. Важно, что эта установка успешно фиксирует полости под цементобетонным покрытием и участки с переувлажненным основанием или земляным полотном. Стоимость установки вместе с микроавтобусом, компьютером, программным обеспечением и обучением составляет до 200 тыс. долларов.

В состоянии проверки находятся новые установки для определения толщины слоев и их механических характеристик при обследовании и контроле качества дорожных одежд. Они основаны на известных в сейсморазведке методах спектрального анализа поверхностных сдвиговых поперечных волн Лява и волн Релея. Устройство и принципы работы этих установок несложны, а их прогресс связан с успехами в области создания математических алгоритмов и программных средств для обработки сигналов. Этот прогресс аналогичен тому, как при пользовании Интернетом за последние 10 лет благодаря тем же алгоритмам и программам скорость передачи информации по телефонным проводам возросла в тысячи раз, хотя сечение телефонного провода осталось прежним.


Лицензирование инженеров

Профессия, называемая в США civil engineer (в буквальном переводе «гражданский инженер»), охватывает широкий круг специальностей: проектирование, строительство и эксплуатация зданий, гидротехнических и транспортных (дороги, мосты, порты, аэродромы) сооружений, инженерных сетей, трубопроводов и газопроводов, а также планировка городской застройки, организация и управление движением транспортных средств. Однако после окончания университета и получения диплома по специальности civil engineer молодой специалист еще не имеет права самостоятельно проектировать и строить перечисленные сооружения, ему не дано право подписывать чертежи. Он может работать только под руководством профессионального инженера, имеющего лицензию Совета профессиональных инженеров и изыскателей (Board for Professional Engineers and Land Surveyors) данного штата. Естественно, зарплата профессионального инженера существенно выше. Чтобы получить лицензию профессионального инженера, нужно сдать экзамены. Экзамены принимает Совет профессиональных инженеров данного штата обычно два раза в год – весной и осенью Сначала сдается письменный экзамен по основам инженерного дела (Fundamentals of Engineering): математика, механика материалов, теоретическая механика, механика жидкости, основы материаловедения, статика, химия, компьютеры, электротехника, инженерная экономика, термодинамика, этика. Экзамен сдают в течение 8 часов с одним перерывом. За первые 4 часа необходимо ответить на 120 вопросов, выбрав верный ответ из четырех либо, решить задачу и указать, какой из предложенных четырех ответов верен (получается по две минуты на одну задачу или вопрос). На математику приходится 20 % вопросов и задач, на статику и электротехнику – по 10 %, на химию – 9 %. Эта часть экзамена одинакова для всех инженерных специальностей. Во вторые 4 часа предлагаются 60 вопросов и задач. Их набор уже зависит от специальности. В частности, для инженера строителя (civil engineer) предлагают примерно по 10% вопросов по компьютерам, гидравлике, механике грунтов, изысканиям, сопротивлению материалов, строительной механике и транспортным системам. Пути и способы решения задач во внимание не принимаются – ответом считается число, а его правильность проверяет компьютер. Не разрешается пользоваться никакими книгами и справочниками. Четко указан тип карманного калькулятора, который можно принести с собой. Чтобы сдать экзамен, нужно дать не менее 70 % (в некоторых штатах 75 %) правильных ответов. Выпускник университета, имеющий многолетний стаж работы по данной специальности и рекомендации профессиональных инженеров, может быть освобожден от экзамена по основам инженерного дела и допущен сразу к экзаменам по специальности.

Экзамен по специальности занимает 2 дня. Экзамены платные. Каждый экзаменуемый сидит за отдельным столом, имеет принесенный с собой микрокалькулятор разрешенного образца, карандаш и бумагу, выданные ему перед началом экзамена. Разрешено использовать книги.

В первый день сдается основной экзамен, а во второй – дополнительный. Основной экзамен сдают в течение 8 часов с одним перерывом. На первые 4 часа предлагается 40 задач, охватывающих 5 областей строительного дела: геотехника, окружающая среда, водные ресурсы, проектирование зданий и сооружений, транспортное строительство. Этот экзамен призван проверить инженерную эрудицию. Например, может быть предложена такая задача: «определите, каким должен быть минимальный диаметр стального шарообразного якоря для плавучей пристани весом 3 тонны». Задача простая, но для ее решения нужно знать закон Архимеда, помнить плотность стали и воды, а также формулу объема шара. И хотя на профессиональном экзамене разрешается пользоваться справочными материалами, номограммами и принесенными с собой книгами, а также калькуляторами, в том числе программируемыми, времени на поиск нужной информации практически нет.

На вторые 4 часа дают 40 задач по избранной специальности. Для инженера-строителя транспортных сооружений 65 % вопросов посвящены транспортному строительству: транспортные средства и организация движения, геометрическое проектирование и планировка территории, проектирование и строительство земляного полотна и дорожных одежд, безопасность дорожного движения. Еще 15 % вопросов относятся к грунтоведению и механике грунтов и дорожных одежд. Наконец, 20 % вопросов предусмотрены по гидравлике открытых русел, гидрологии и гидрометрии. Ответ дается в виде числа. На каждую задачу приходится в среднем 6 минут. Чтобы решать задачи с такой скоростью, нужно хорошо знать стандарты и иметь опыт работы по специальности.

Дополнительный экзамен проводят применительно к условиям данного штата. В Калифорнии он состоит из двух частей: принципы проектирования с учетом сейсмических воздействий (50 вопросов на 2,5 часа) и инженерные изыскания (50 вопросов на 2,5 часа). На этом экзамене также разрешается пользоваться книгами, но, имея всего 3 минуты на один вопрос, нужно хорошо знать стандарты, чтобы пользоваться ими на экзамене.

Чтобы сдать экзамены и получить лицензию профессионального инженера, достаточно набрать 70 баллов – то есть дать 70 % верных ответов. Специалисты, набравшие высокий балл, например 90 %, попадают в список транспортного департамента штата и в течение 1–2 лет могут быть приглашены на собеседование с предложением инженерной работы в этом департаменте. Чтобы работать в другом штате профессиональным инженером, нужно получить лицензию от этого штата.

Если профессиональный инженер допустил ошибку и в связи с этим на него поступила жалоба, Совет профессиональных инженеров и изыскателей может его оштрафовать или закрыть его лицензию.


Система дорожных стандартов

Нормативно-технические документы, регламентирующие строительные и эксплуатационные свойства материалов и конструкций, являются основой системы контроля качества. Принципы стандартизации этих свойств в США как в федеративном государстве в большой мере определяются системой законодательных и финансовых отношений между правительством страны и правительствами штатов.

По поручению конгресса большинством правительственных дорожных программ руководит Федеральная Дорожная Администрация США (FWHA), представляющая собой правительственное агентство. Его роль в обеспечении высокого уровня качества дорог определяется системой финансовых отношений между федеральным правительством, штатами и графствами (округами) данного штата. Федеральная администрация имеет ряд источников финансирования, важнейшим из которых является правительственный фонд строительства дорог. Он на 88 % складывается из налога на бензин – каждый водитель, заправляя автомобиль горючим, фактически платит в этот фонд 18 центов за один галлон бензина или дизельного топлива (4,75 цента за литр). При этом размер налога на горючее не изменяется с изменением цен на нефтепродукты. При ценах 2004 г он составляет примерно 7 % стоимости горючего. В этот же фонд поступает налог на покупку грузовых автомобилей и шин для них. В бюджеты штата и графств деньги поступают за счет налогов на продажу, на недвижимость и т.д.

На дороги федерального значения штат получает деньги от правительства пропорционально доле общего протяжения таких дорог на территории этого штата; деньги на городские улицы и дороги – пропорционально численности городского населения. При этом штат должен на деле показать свою заинтересованность: правительство США финансирует строительство автомобильных дорог в штатах в соотношении 1:4, то есть на 1 вложенный доллар из бюджета штата выделяется 4 доллара из федерального бюджета. Аналогично, правительства штатов выделяют средства на дороги графства в соотношении 1:3. Деньги, выделенные штату правительством страны, рекомендуется примерно на 75 % израсходовать на ремонт и реконструкцию существующих дорог и 25 % – на строительство новых.

Законодательно закрепленная система отношений между федеральным правительством и правительствами штатов отразилась на организации системы стандартов на дорожное строительство и, соответственно, методов обеспечения его качества. Следует подчеркнуть, что в США нет общегосударственных, имеющих силу закона, дорожных стандартов типа российских Строительных Норм и Правил. Хотя федеральные нормативы имеются, они носят рекомендательный характер и обычно издаются Американской ассоциацией дорожных и транспортных представителей штатов (AASHTO). Каждый штат имеет своих представителей в этой ассоциации, которая организует подготовку данного стандарта.

Скажем, проектирование плана и профиля автомобильных дорог следует изданному AASHTO нормативному документу «Политика геометрического проектирования дорог и улиц» (1994). В этой книге 1006 страниц, на которых изложены и обоснованы общие инженерные принципы проектирования, однако она носит рекомендательный, а не законодательный характер. Числовые значения параметров не заданы жестко, а зависят от уровня сервиса, который требуется обеспечить (есть 5 уровней сервиса), от категории дороги и, к тому же, могут быть разными в разных штатах и городах. Скажем, максимальный продольный уклон зависит от типа местности и при проектной скорости 110 км/ч рекомендуется 5 %, а при проектной скорости 50 км/ч максимальный уклон будет 8 %. Но при коротком участке его можно увеличить. Например, недавно департамент общественных работ Лос-Анджелеса при проверке проектной документации потребовал доказать, что пожарная машина преодолеет запроектированный уклон 16 % на дороге с асфальтобетонным покрытием, и согласовал проект только после того, как затребованные доказательства были представлены. В отличие от российских ПДД, в США отсутствует установленная для всей страны максимальная скорость дорожного движения. Например, в Калифорнии установлена максимальная скорость на загородных дорогах 65 миль в час (104 км в час), а на недавно построенных участках, с параметрами, отвечающими дорогам междуштатного значения, – 70 миль в час (112 км в час). В округе Колумбия (в котором находится столица США г. Вашингтон) максимальная разрешенная скорость 50 миль в час, а в Аризоне, Колорадо, Небраске, Оклахоме, Висконсине и Вайоминге – 75 миль в час.

Каждый штат издает свой сборник дорожных стандартов. Эти сборники имеют примерно одинаковую структуру: общие положения, земляные работы, основания и дополнительные основания, покрытия, строительные конструкции, дренажные устройства, полоса отвода, разметка и строительные материалы. В сборнике стандартов описывается все самое нужное, от порядка заключения контракта и порядка оплаты до требуемых показателей свойств вяжущих, каменных материалов и грунтов.

При проектировании дорог руководствуются нормативами, принятыми в данном штате. Но если дорога или улица, проходящая в районе частной застройки, должна быть после окончания строительства передана для ремонта и содержания графству, преимущество имеют нормы проектирования и строительства, утвержденные в этом графстве. Их соблюдение будет тщательно проверяться как на стадии проектирования, так и во время строительства не только подрядчиком и заказчиком, но и контролерами Департамента общественных работ данного графства.

В США не существует единых для всей страны стандартов, подобных ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон», изданному в виде брошюры объемом менее 30 страниц. Имеются стандарты AASHTO и ASTM (Ассоциации испытаний и материалов), в которых описываются различные методы проектирования составов асфальтобетонной смеси (по Хвиму, Маршаллу или системе Суперпейв), а также различные методы испытания смесей и их компонентов.

AASHTO выпускает два тома дорожных стандартов, каждый толщиной свыше 800 страниц большого формата. В первом детально описываются различные методы отбора образцов и их испытания, а во втором даются нормы, которым должны удовлетворять смеси и их компоненты при различных методах проектирования состава смесей. Стандарты на смеси, их компоненты и методы испытаний связаны перекрестными ссылками. В стандартах ASTM дорожному строительству посвящен том 04.03 «Дорога и дорожно-строительные материалы. Система автомобиль-дорога» объемом 800 страниц. Поэтому автору статьи пока не удалось выполнить просьбу российских и украинских коллег прислать «американский ГОСТ на асфальтобетон». О достоинствах такой системы стандартов можно спорить. Лично автору более привычно иметь под рукой краткий стандарт-брошюру, распространяющийся на всю страну, однако гибкость американской системы стандартизации имеет много достоинств. Еще более разнообразны применяемые методы проектирования и оценки состояния дорожных одежд.

Стандарты AASHTO и ASTM на методы испытаний дорожно-строительных материалов обновляются почти ежегодно. Целесообразность обновления решает комиссия AASHTO, в которую входят представители всех штатов. Комиссия собирается два раза в год. Каждый штат имеет лабораторию испытания дорожно-строительных материалов, и в этой лаборатории есть инженер по исследованию материалов, зачастую имеющий ученую степень. Он предлагает изменения и рецензирует предложения представителей других штатов.

Часто выбор метода проектирования состава асфальтобетонной смеси зависит от заказчика. Например, в Калифорнии, как правило, используют метод Ф. Хвима (Fransic Hveem), разработанный в этом штате. Ряд штатов, а также заказчики аэродромных покрытий предпочитают метод Б. Маршалла (Bruce Marshall), а в большинстве штатов сейчас переходят на проектирование состава асфальтобетонной смеси по новой системе Суперпейв. Это справедливо и для методов проектирования состава цементобетонной смеси. Поэтому хорошая лаборатория, занимающаяся контролем качества, должна иметь оборудование и приборы для проведения испытаний по различным методам.