Влияние ровности покрытий на работоспособность автомобильных дорог Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Формирование эффективной структуры должно проводиться поэтапно, по схеме: изменение - достижение - поддержание.

На этапе «изменение» начинается корректировка долей технологических активов в сторону стратегически запланированных значений.

На этапе «достижение» структура технологических активов принимает запланированные значения.

На этапе «поддержание» закрепляются ранее полученные результаты структуры технологических активов.

Этап 7. Анализ и оценка эффективности бизнес-потенциала предприятия. На этом этапе оценивается эффективность созданной структуры технологических активов, при необходимости делается ее коррекция.

Использование данной методики на практике позволит объединить положительные стороны разработанных и применяемых экономистами методов формирования структуры технологических активов и усилить обоснование перераспределения стоимости в те или иные виды средств, как на конкретном предприятии, так и в отраслях экономики в целом.

Компания, которая приняла решение об использовании в качестве основы управления оптимизацией бизнес-процессов стоимостную модель, должна пройти несколько этапов, прежде чем данная модель начнет работать. Следует отметить, что предложенный автором поэтапный процесс внедрения на предприятии концепции УВМ является наиболее общим и может быть уточнен в каждом конкретном случае.

ВЛИЯНИЕ РОВНОСТИ ПОКРЫТИЙ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Питухин А. В., д.т.н., профессор кафедры технологии металлов и ремонта Петрозаводского государственного университета Петров А. Н., аспирант кафедры технологии металлов и ремонта Петрозаводского государственного университета

Рассматривается вопрос влияния начальной ровности покрытий на работоспособность дорожных одежд и межремонтные периоды. Приведена зависимость требуемой прочности дорожной конструкции от различных значений коэффициента динамичности.

Ключевые слова: ровность; прочность; коэффициент динамичности.

THE INFLUENCE OF ROAD SURFACE SMOOTHNESS ON ROAD UP STATE

Pitukhin A., Doctor of Technical Engineering, full professor of chair of metal technology and repair,

Petrov A., post-graduate student of Petrozavodsk State University

It observes a question of how the initial smoothness of road surface influences road construction up state and interrepair time. The relation between required smoothness of road construction and different values of dynamic factor is given.

Keywords: smoothness; strength; dynamic factor.

Высокая интенсивность движения и большие нагрузки предъявляют повышенные требования к качеству дорог. Автопоезда и другие транспортные средства имеют достаточно высокие динамические характеристики, для реализации которых необходимо обеспечивать высокое транспортно-эксплуатационное состояние дорог. Перед дорожными службами встает задача своевременного и оперативного производства работ по строительству, ремонту и содержанию. Однако в периоды наибольшего ослабления дорожной конструкции (весенняя и осенняя распутицы) на покрытии возникает большое количество дефектов. Движение транспортных средств вызывает развитие данных дефектов, что в конечном счете, приводит к отказу дороги. Отказом считают такое состояние дороги, при котором необходимо проведение ремонта. Однако вопрос о количестве и размерах дефектов, при которых можно говорить об отказе дороги, является решенным не до конца. Кроме того, общая теория надежности автомобильных дорог пока не разработана. Значительно лучше теория надежности разработана к отдельным элементам, таким как дорожная одежда, земляное полотно и т.д.

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 (Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. Госстандарт, М., 1990) отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния. Под работоспособностью следует понимать способность дороги выполнять заданные функции и сохранять требуемые транспортно-эксплуатационные показатели дороги в пределах нормативных.

Согласно [1] различают отказы общие и частные. Под частным следует понимать нарушение работоспособного состояния, когда движение по дороге ограничено по интенсивности, скорости или составу транспортного потока. Под общим отказом понимается состояние, при котором движение прекращается полностью. В соответствии с ГОСТ 27.002-89 такие отказы определяются как параметрические и функциональные.

Надежность дороги в целом можно оценить через надежность отдельных участков. При этом дорогу необходимо рассматривать как нерезервированную систему, так как отказ одного участка приведет к отказу дороги в целом. На каждом участке необходимо рассматривать совокупность таких элементов, как земляное полотно,

дорожная одежда, покрытие, мосты и трубы, от надежности которых будет зависеть работоспособность дороги в целом. Каждый из перечисленных элементов будет иметь различную значимость в выполнении основной функции дороги. Следовательно, вероятность безотказной работы участка дороги может быть определена по формуле (1):

РД =ПР. (1)

1=1

где Рд - вероятность безотказной работы дороги;

Р. - вероятность безотказной работы элемента дороги; п - число элементов дороги.

Критерием работоспособного состояния можно считать скорость движения автомобилей по дороге. Согласно нормам проектирования как дорог общего пользования (СНиП 2.05.02-85), так и дорог промышленных предприятий (ВСН 01-82) элементы и обустройство должны обеспечивать безопасное движение автомобилей с расчетными скоростями, интенсивностью и нагрузкой. Однако, в результате действия природно-климатических факторов и транспортных средств, скорость движения снижается. Таким образом, отказом можно считать такое состояние, при котором фактическая скорость движения менее расчетной.

Фактическая скорость движения зависит от геометрических параметров дороги, климатических факторов, а также состояния дорожной одежды и земляного полотна. В случае, когда на стадии проектирования приняты все расчетные параметры и предусмотрены меры по уменьшению воздействия неблагоприятных погодных условий, обеспечение расчетной скорости зависит от таких параметров, как ровность, сцепные качества покрытия и прочность дорожной одежды.

Параметры ровности и прочности дорожной одежды являются взаимосвязанными. В случае, когда изначально не обеспечен высокий уровень ровности покрытия, на дорогу действуют нагрузки, значительно превышающие проектные. Это связано с тем, что при проезде автомобиля через выступ неровности возникает динамический удар на покрытие на некотором расстоянии за ним, в ре-

Таблица 1. Влияние коэффициента динамичности на прочность дорожной одежды с капитальным типом покрытий

Расчетная динамичес кая нагрузка от колеса на покрытие Q/ipac? кН Коэффи циент динамич ности, Кд Номинальная динамическа я нагрузка Qm Коэффициен т приведения нагрузок Sn Изменение суммарного расчетного числа приложени й расчетной нагрузки ^ за срок службы, % Изменение величины требуемого модуля упругости Emin сверх расчетного , МПа

1 100 0,32 -68 -49

1,05 105 0,39 -61 -40

1,1 110 0,48 -52 -31

1,15 115 0,58 -42 -23

130 1,2 120 0,70 -30 -15

1,25 125 0,84 -16 -7

1,3 130 1,00 0 0

1,35 135 1,18 18 7

1,4 140 1,39 39 14

1,45 145 1,62 62 21

1,5 150 1,88 88 27

зультате чего нагрузка на покрытие значительно увеличивается [2]. В принятой в России методике расчета дорожной одежды данный эффект учитывается путем введения коэффициента динамичности Кд=1,3[3]. Таким образом, номинальную динамическую нагрузку QДН принято определять по формуле (2):

0ДН = КД ' ОСТ (2)

где QСТ - номинальная статическая нагрузка на колесо данной

оси.

Значение коэффициента динамичности Кд=1,3 реализуется на достаточно ровных дорогах. Однако в процессе эксплуатации происходит постепенное ухудшение состояния покрытия и образование дефектов[4], при значительном количестве и размерах которых номинальная динамическая нагрузка может значительно превышать определенную по формуле (2). Напротив, на дорогах с высокой ровностью нагрузки несколько снижаются по сравнению с расчетными. Таким образом, коэффициент приведения фактических нагрузок к расчетной, может быть определен по формуле:

Q V

^ДН

VQДРАС у

(3)

где Р - показатель степени, принимаемый равным 4,4 для капитальных дорожных одежд и 2,0 для переходных;

QдPAc - расчетная динамическая нагрузка от колеса на покрытие. Определим влияние коэффициента динамичности Кд на работоспособность дорожной одежды. Для удобства расчетов зададимся условием, что по дороге движутся автомобили одной марки с номинальной статической нагрузкой 100 кН на ось. Будем изменять коэффициент динамичности Кд в пределах от 1 до 1,5, причем чем меньше будет значение АД тем меньше будет Q а следовательно и коэффициент приведения. Требуемый модуль упругости одежды согласно [3] примем 200 МПа. Данные расчетов приведем в таблице 1.

Снижение коэффициента приведения ведет к уменьшению общего числа приложений расчетной нагрузки в сутки и в целом за срок службы дороги [3]:

X Np = /,,ол I (Nm • К с • Т рдг • 0.7) • k п • 5

'П (4)

m=1

где Трдг - расчетное число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции;

/пол - коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним;

п - общее число различных марок транспортных средств в составе транспортного потока;

Таблица 2. Влияние коэффициента динамичности на прочность дорожной одежды с переходным типом покрытий

Расчетная динамичес кая нагрузка от колеса на покрытие Qapac, кН Коэффи циент динамич ности, Кд Номинальная динамическа я нагрузка Q;ih Коэффициен т приведения нагрузок Sn Изменение суммарного расчетного числа приложени й расчетной нагрузки ^ за срок службы, % Изменение величины требуемого модуля упругости Emin сверх расчетного , МПа

1 100 0,59 -41 -22

1,05 105 0,65 -35 -18

1Д 110 0,72 -28 -14

1,15 115 0,78 -22 -11

130 1,2 120 0,85 -15 -7

1,25 125 0,92 -8 -3

1,3 130 1,00 0 0

1,35 135 1,08 8 3

1,4 140 1,16 16 6

1,45 145 1,24 24 9

1,5 150 1,33 33 12

Рисунок 1. Зависимость изменения доли пропущенных автомобилей N (кривая 1) и требуемого модуля упругости Е . (кривая 2) от коэффициента динамичности Кд для капитальных покрытий дорожных одежд.

N - число проездов в сутки в обоих направлениях транспортных средств m-й марки;

К - коэффициент суммирования;

k - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого.

Требуемый модуль упругости в зависимости от интенсивности и состава движения может быть определен по формуле:

Emn = 98.65[lg(X NP )-с] (5)

где JNp - суммарное расчетное число приложений нагрузки за срок службы дорожной одежды;

с - эмпирический параметр, принимаемый равным 3,55 для расчетной статической нагрузки на ось 100 кН.

В результате увеличения коэффициента динамичности Кд, накопление деформаций происходит значительно быстрее и до наступления планового ремонтного периода наступает отказ дороги. Повышение начальной ровности и её поддержание в процессе эксплуатации позволяет увеличить межремонтный период покрытия и дорожной одежды. Согласно данным таблицы 1, уменьшение коэффициента динамичности снижает номинальную действующую нагрузку, что позволяет увеличить число пропущенных транспортных средств до проведения ремонта, либо уменьшить суммарную толщину конструкции дорожной одежды. Однако достигнуть низкого значения КД возможно лишь при высоком качестве строительства и высоком уровне содержания.

По расчетам, полученным в таблице 1 построен рисунок 1.

Как видно на графике, увеличение коэффициента динамичности приводит к уменьшению доли пропущенных от общего расчетного числа автомобилей, а также вызывает необходимость увеличения прочности дорожной конструкции на величину, представленную в таблице 1. Кроме того, результаты подтверждаются эмпирическими данными, опубликованными американской транспортной ассоциацией[5]. При высокой начальной ровности снижаются затраты на содержание дороги (табл. 3) и уменьшается растрескивание покрытия в длительном периоде (табл. 4).

На покрытиях с волнообразованием наблюдается вдвое больше прогибов и деформаций при превышении нагрузки, чем у слоев покрытий без волнообразования. Американской ассоциацией сотрудников дорожных организаций (AASHO) в результате проведения натурных испытаний было установлено влияние перегрузок на долговечность дорожной одежды. Это влияние пропорционально превышению фактических нагрузок над допустимыми примерно в степени 4,5, т.е. с увеличением нагрузки на одну треть долговечность нежесткой дорожной одежды уменьшается приблизительно в 4 раза [6]. Эти данные подтверждаются расчетами, представленными в таблице 1. Так, при номинальной динамической нагрузке 150 кН, т.е. на 14% более расчетной, общее воздействие автомобилей, пропущенных по дороге за расчетный период увеличивается на 88% от начального.

Кроме того, полученные в таблице 1 результаты также подтвер-

ждаются выводами, представленными в книге [7]. Уменьшение коэффициента динамичности зависит от начальной ровности дорожного покрытия, которая может быть обеспечена лишь при высоком качестве строительства и применении современной техники, что в конечном счете повышает однородность дороги в целом. При высокой однородности добиваются повышенных значений прочностных показателей дороги, например её модуля упругости. В работах [11,12] приводятся данные, свидетельствующие о том, что при повышенном по сравнению с рекомендуемым СНиП 3.06.03-85 коэффициенте уплотнения к , прочностные характеристики грунта земляного полотна и модуль упругости повышаются до 40%. Причем повышение прочности рабочего слоя приводит к увеличению срока службы и межремонтного периода, либо снижению толщины необходимых дорогостоящих материалов покрытия.

В качестве примера можно привести следующий расчет. Типовая конструкция, применяемая на одном из лесозаготовительных предприятий республики Карелия, имеет следующие характеристики и геометрические параметры: слой щебеночно-песчаной смеси (ЩПС С2) толщиной 20 см (Е = 265 МПа) и слой песка 40 см (Е = 100 МПа). Общий требуемый модуль упругости на поверхности дороги равен Е = 100 МПа, заданная надежность согласно [3] принята К =0,9. Из книги [7] взяты данные изменения расчетного модуля упругости грунта в зависимости от числа проходов катка. Для измененных характеристик грунта была пересчитана дорожная одежда по методике ОДН 218.046-01 [3], причем соблюдали 2 условия: эквивалентный (общий) модуль упругости дорожной одежды оставался постоянным; измененные варианты получены путем создания равнопрочной конструкции при условии варьирования толщины слоя покрытия из ЩПС.

Расчет затрат на уплотнение грунтов выполнен в соответствии с расценками ТЕР-2001-01. Таким образом, при увеличении расходов на строительство возможно повышение качества и снижение требуемой толщины дорожной одежды, что является экономически целесообразным и обоснованным. Увеличение работы по уплотнению приводит к повышению однородности до 2 раз, что увеличивает срок службы дорожной одежды в 2 раза. При этом в случае оценки качества дороги по показателю дефектности Д, его значение уменьшается существенно. Показатель дефектности в общем случае определяется как[7]:

Д = т

Д =—, (6) п

где т - количество выходов измеряемого параметра за пределы допуска;

п - общее количество измерений параметра.

По данным Айерсона [8], изменение однородности дорожной одежды по упругой деформации, при ее оценке по коэффициенту

вариации упругого прогиба, с Су = 0,5 до Су = 0,1 уве-

Таблица 3. Зависимость расходов на содержание дороги от её начальной ровности

Начальная ровность, мм/км Средние расходы и8$/км полосы Экономия средств и8$/км полосы

553 590 0

474 416 174

395 273 316

316 162 428

237 81 508

158 32 558

Таблица 4. Зависимость растрескивания покрытия от начальной ровности

Начальная ровность, мм/км Растрескивание в длительном периоде, мм/км Улучшение,%

553 410 0

474 268 35

395 150 63

316 63 85

237 16 96

158 0 100

личивает их срок службы с 3,6 до 9 лет.

В работе [9] приводятся данные по вероятности безотказной работы дорожной одежды РдО и относительным суммарным приведенным расходам SПР в зависимости от коэффициента вариации

модуля упругости дорожной одежды

C

C

у

0,3

0,1

P

до

Р

ДО

0,84

0,99

у •

О = 1,3 О = 0,7

Как показано в работе [7], однородность дорожной одежды и покрытия в процессе эксплуатации практически не изменяются. Обосновывается также, что для прогнозирования работоспособности дорожной одежды и назначения межремонтных сроков возможно использовать коэффициент вариации по параметрам упругого прогиба, плотности, влажности, ровности и т.д..

Существуют различные методики расчета изменения ровности

дороги в процессе эксплуатации. Некоторые из них дают упрощенные формулы, прогнозирующие состояние ровности покрытия в зависимости от грузонапряженности на автомобильной дороге [10]:

= а • Qт + Ь, (7)

где a - эмпирический параметр, учитывающий региональные условия работы дороги, для средних условий принимается a = 23,5;

Ь - параметр, характеризующий начальную ровность покрытия;

QT - грузонапряженность в млн.брутто тонн.

Параметр Ь, как показано в [7] изменяется значительно. Для того, чтобы проследить влияние данного параметра построим рисунке 2, где отобразим графически зависимость (7) при Ь=90(прямая 1), Ь=150(прямая 2), Ь=200(прямая 3).

По данным графика можно сделать вывод, что при высокой начальной ровности увеличивается межремонтный период и общее количество автомобилей, пропущенных по дороге. Кроме того, как показывают исследования [12], при неудовлетворительной ровности, связанной с образованием дефектов в процессе строительства и эксплуатации, доля накопленных усталостных повреждений зна-

Число проходов катка 10 20 30 40

Модуль упругости грунта, МПа 28,0 29,4 32,2 35,0

Толщина ЩПС, см 21,4 20,7 19,6 18,5

Стоимость укатки, р/100 м2 676,8 978,6 1280,4 1582,5

Стоимость ЩПС, р/100 м2 10700 10350 9800 9250

Общая стоимость, р/100 м2 11376,8 11328,6 11080,4 10832,5

Рисунок 2. Зависимость межремонтного периода от начальной ровности (1,2,3) и качества содержания (4).

E

чительно выше, что вызывает резкое снижение ровности (кривая 4). Проблемой остается также и то, что параметр а для условий республики Карелия не найден, в связи с чем полученные данные достаточно условны.

Более устойчивую корреляцию дают методы, оценивающие изменение ровности по развивающимся в покрытии остаточным деформациям и трещинам.

В статье [11] предложено оценивать динамику изменения ровности по формуле (8):

ST = SH + ASt

(8)

где Sн - начальная ровность покрытия на момент сдачи дороги в эксплуатацию;

- приращение показания толчкомера, равное

А5, = 35,7 • ((1 + 0,7372 • У )2,7541 -1),

Y=

л, v N0 4

N ,

п

(9)

Где z - параметр, зависящий от упругого прогиба дорожной одежды;

Nф - фактическое суммарное число приложений расчетной нагрузки;

Nп - максимальное суммарное число приложений расчетной нагрузки.

Таким образом, для прогнозирования состояния покрытия дороги в процессе эксплуатации необходимо знать её однородность. В связи с этим, после момента сдачи дороги в эксплуатацию необходимо определить коэффициенты вариации таких характеристик, как прочность, ровность, толщину конструктивных слоев, на основании чего можно сделать теоретически обоснованное решение. В противном случае, в связи с тем, что представленные выше характеристики изменяются в значительной степени как по длине, так и по ширине дороги, достоверность полученных данных будет достаточно низкая.

Литература:

1. Васильев А.П., Сиденко В.М. Эксплуатация автомобильных дорог и организация дорожного движения: Учебник для вузов; под. редакцией А.П. Васильева. - М.: Транспорт, 1990. - 304 с.

2. Справочная энциклопедия дорожника (СЭД): Ремонт и содержание автомобильных дорог, том ll /под ред. А.П.Васильева. -М.: Информавтодор, 2004. - 507 с.

3. ОДН 218.046 - 01 Проектирование нежестких дорожных одежд. - Москва: Росавтодор, 2001.

4. Автомобильные дороги Беларуси: Энциклопедия/Под. общ. ред. А.В. Минина. - Минск: Баларуская Энцыклапедыя, 2002. - 670 с.

5. Технический документ Т-123: Ровность асфальтобетонного покрытия. Дж. Дон Брок

6. Чернышева Л.А. Организация пропуска крупногабаритных и тяжеловесных транспортных средств по автомобильным дорогам.

- М., 2001. - 81с - (Автомоб. дороги: Обзорн. информ. / Информав-тодор; Вып. 4).

7. Семенов В.А. Качество и однородность автомобильных дорог. - М.: Транспорт, 1989. - 125 с.

8. Quality control in road construction. Report of the working commitie E5. Delt, 1969, p. 92.

9. Яковлев Ю.М., Абдурахманов Ю.Г. Однородность нежестких дорожных одежд по модулям упругости и её контроль в процессе строительства // Повышение качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР. Владимир: НТО, 1980. С.16-24.

10. Слободчиков Ю.В. Обоснование оценочных показателей выбора ремонтной стратегии автомобильных дорог нежесткого типа в изменяющихся условиях эксплуатации.- М.: Информавтодор, 1994.

- 189 с.

11. Коганзон М.С., Аблакулов А. Обеспечение ровности дорожных одежд // Сборник научных трудов МАДИ. - М., 1986. С.23-28.

12. Углова Е.В. Теоретические и методологические основы оценки остаточного усталостного ресурса асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - Волгоград., 2009.

- 38 с.