Экспериментальная оценка глубины слоя стока воды на асфальтобетонном покрытии в период дождя Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 625.745

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ГЛУБИНЫ СЛОЯ СТОКА ВОДЫ НА АСФАЛЬТОБЕТОННОМ ПОКРЫТИИ В ПЕРИОД ДОЖДЯ

А.С. Александров, Т.В Семенова

Аннотация. Приведена методика и результаты экспериментальной оценки глубины слоя стока воды, формирующегося на асфальтобетонном покрытии в период дождя. Используя экспериментальные данные о траектории течения воды, разработана методика расчета расстояний между дождеприемными устройствами.

Ключевые слова: глубина слоя стока, ховатости, дождеприемное устройство.

Введение

Безопасность движения является одним из важнейших потребительских свойств автомобильной дороги и характеризуется количеством и тяжестью дорожно-транспортных происшествий (ДТП). А.А. Малышевым установлено [4], что в среднем по России 25 % дорожно-транспортных происшествий происходит по причине неудовлетворительных дорожных условий, а из работ В.В. Новизенцева [6] и М.В. Немчинова [5] следует, что от 30 до 47 % ДТП обусловленных дорожными условиями является следствием недостаточного сопротивления скольжению шин по покрытию дороги. Значит, безопасность движения во многом зависит от сцепных качеств покрытия,

интенсивность дождя, параметры шеро-

характеризующихся величиной коэффициента сцепления. Согласно статистике ГИБДД 70 % от общего числа ДТП, произошедших по причине скользкости, приходится на период года с максимальным количеством жидких осадков. Отсюда следует актуальность работ, направленных на обеспечение требуемых сцепных качеств мокрых покрытий, в том числе и в период дождя.

Анализ и решения задачи

За рубежом предпринимались попытки поиска корреляционных зависимостей между количеством ДТП и коэффициентом сцепления. Некоторые зависимости приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Формулы для расчета относительного количества ДТП на мокрых покрытиях.

Авторы Формула

1 2

Wehner B., Schulze K.-H., Dames J., Lange H. [9] A = -45,718 • Ln(m (80))- 3,1231

A = -142,59 • ф! (80) + 96,099

А - относительное количество ДТП на мокром покрытии от общего количества, %; фм(8о) -коэффициент сцепления, измеренный при скорости движения 80 км/ч и полной блокировке колеса.

Hiersche E.-U. [7], Stutze T. [10] ф (SCRIM)(80) = 1,076 • ф! (80) + 0,006

Hiersche E.-U. [7], Stutze T. [10] ф! (80) = (фi (SCRIM)(80) - 0,00б)/1,076

A = -46,572 • Ln(<Pi (SCRIM)(80))+ 0,1459

9M(sCRiM)(8o)- коэффициент сцепления, измеренный при скорости движения 80 км/ч оборудованием SCRIM.

Kamplade J., Schmitz H. [8] A ^ -0,7975 A = 16,943 ^ (80)

A =18,318 ^ф i (Scrim)(80)

Известно, что величина коэффициента сцепления шины с мокрым покрытием существенно зависит от глубины слоя воды, стекающей по покрытию [6]. Поэтому одной из задач обеспечения требуемых сцепных качеств покрытий является правильный выбор типа ливневой канализации и расчет расстояний между дождеприемными устройствами из условия предотвращения формирования на покрытии слоя стока глубиной больше предельных значений [2, 3]. При этом существенное значение приобретает расчет глубины слоя воды.

Глубину слоя стока можно определить по формуле [5]:

К

•(п)

а ■ L ■ п 30 ■ к-1 ■ л/7

(1)

30 ■к 1 ■('яр + -Я)

1 Я0’2 ■ а ■ Ь ■. 1 + 1-^1 ■

23,9

где а - интенсивность дождя, мм/мин; L - длина участка стекания воды, мм ; п - коэффициент гидравлической шероховатости; i|

1п и I -

соответственно продольный, поперечный уклон проезжей части и уклон стока, °/00; Ь -кратчайшее расстояние от точки определения глубины до оси проезжей части, мм; Rср -средняя высота выступов шероховатости, м; к

- коэффициент, принимаемый равным 31,6228

при измерении уклонов в о/оо.

Для оценки области применения формулы (1) авторы выполнили экспериментальные работы, в ходе которых произведены измерения глубины водного потока в различных точках траектории участка стекания. Расчеты фактической глубины слоя стока выполнялись по (1) при измеренных входных параметрах, к которым относятся интенсивность дождя, уклоны проезжей части, средняя высота выступов шероховатости и расстояния от точек определения глубины до продольного водораздела.

Для проведения экспериментальных исследований выбран участок улицы Орджоникидзе в г. Омске. В сухую погоду произведены измерения параметров шероховатости и геометрических характеристик улицы на участке, снабженной работоспособной системой поверхностного водоотвода с точечными дождеприемными устройствами (колодцами). Асфальтобетонное покрытие не имеет продольных и поперечных неровностей, способных аккумулировать стекающие осадки и тем самым влиять на глубину слоя стока.

Для измерения глубины стекающей воды принят участок улицы между дождеприемными колодцами №1 и №2. На этом участке выделены три сечения, в пределах которых нанесены точки синей краской. На рисунке 1 дан план разбивки участка.

0.588

0,588

1

п

Рис. 1. План разбивки участка улицы Орджоникидзе для измерений глубины слоя стока

Точки, принадлежащие сечению № I, являются рабочими. Через каждую точку этого сечения проходит линия предполагаемого стока. В сечении II аккумулируется вода и стекает вниз по уклону. Слой стока этого сечения при его определенной ширине может оказывать влияние на результаты измерений в точках сечения I. Для пояснения этого обстоятельства рассмотрим последнюю точку № 13, в которой сечения I и II пересекаются. В результате пересечения траекторий стока глубина воды в точке 13 обуславливается глубиной воды, стекающей по обоим сечениям. С увеличением ширины слоя стока в сечении II влияние будет оказываться на глубину стока и в других точках сечения I. Таким образом, сечение II позволяет выявить точки сечения I, в которых увеличение глубины слоя стока имеет характер, отличающейся от предполагае-

мого по формуле (1). Сечение III необходимо для оценки возможности стока воды в поперечном направлении.

Для каждой точки сечения № I определена длина стока (расстояние течения воды от продольного водораздела до точки). Расчет длины слоя стока выполнялся по формуле:

L„

= Ьт ■

1 +

С і V

пр

V 1п у

(2)

Кратчайшие расстояния Ьт от продольного водораздела до каждой точки измерялись при помощи металлической рулетки. Схема определения длины слоя стока показана на рисунке 2, а результаты даны в таблице 2 .

На рисунке 3 представлен фрагмент измерения глубины слоя стока.

Рис. 2. Схема определения длин стоков Lт от продольного водораздела до точек измерений

Таблица 2 - Результаты определения длин стока

№ точки 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ьт, м 0 0,68 1,37 2,05 2,73 3,42 4,1 4,78 5,47 6,15 6,83 7,52 8,5

Lm, м 0 0,82 1,64 2,46 3,29 4,11 4,93 5,75 6,57 7,39 8,22 9,03 10,22

В ходе экспериментальных работ установлено, что направление и длина слоя стока зависит от геометрических характеристик проезжей части. Траектория стока (рисунок 3) совпадает с отрезками Lm (рисунок 2). Результаты расчета по формуле (2) соответствуют измеренной длине стоков, проходящих через точки сечения I. Так же установлено, что в сечении III сток отсутствует, а в сечении II формируется дополнительный сток воды. Это

объясняется тем, что стекающая вода аккумулируется в прибордюрной части и далее течет в продольном направлении. Ширина этого стока зависит от интенсивности дождя, геометрических характеристик проезжей части и расстояния между дождеприемниками.

Рис.3. Измерение глубины стока в точке № 13 сечения I

На рисунке 4 приведены результаты расчета и экспериментальные значения глубины слоев стока, проходящих через точки сечения I.

Данные рисунка показывают, что формула (1) дает вполне удовлетворительные результаты при расчете глубины слоя стока и может быть применена при решении различных задач.

Одной из таких задач является определение расстояний между точечными дождеприемниками [2, 3] из условия не допущения снижения коэффициента сцепления ниже требуемых значений.

Такое условие будет обеспечено в том случае, если глубина слоя стока, определяемая по (1) не превысит некоторого критического значения, зависящего от скорости движения, параметров шероховатости покрытия, глубины вдавливания зерна каменного материала в шину.

Критическая глубина слоя стока может быть определена по формуле [1]:

Рис. 4. Экспериментальная и расчетная глубина слоя стока в точках сечения I 1 - 3 - измеренные значения глубины слоя стока при а 0,17, 0,32 и 0,54 мм/мин; 4 - 6 - вычисленные значения глубины слоя стока при а 0,17, 0,32 и 0,54 мм/мин.

Кт(кр) = Яср + ЬВд -

1,2473 • А

тр

А

:1п-

- 0,4861

Фсц(тр )к

С А V

тр

А

V мах у

- 0,598

0,399.

С Атр V

тр

А

V мах у

1,3591 •А.

,(3)

тр

А,

+1,2226

где Яср - средняя высота выступов шероховатости покрытия, мм; hвд - величина вдавливания зерен каменного материала в шину, мм; Яг(Пр) - предельные значения средней высоты выступов для гладких покрытий, 0,5

мм;Ар и Амах - требуемая и основная максимальная допускаемая ГИБДД (90 км/ч) скорость движения по дорогам общего пользования, км/ч.

Величина вдавливания зерен каменного материала в шину может рассчитываться по различным формулам [1, 3, 5]. При этом она зависит от ряда факторов: нагрузки на колесо, давления воздуха в шине, свойств резины беговой дорожки шины, размеров зерен каменного материала и т.п. Поэтому для разных шин значение ^д не одинаково. Ориентируясь на шину российского имитатора (ПКРС-2У), авторы рассчитали вдавливание зерен в шину (таблица 3).

Таблица 3 - Рекомендуемые значения вдавливания зерна каменного материала в шину

X

2

2

Усредненный размер зерна, мм Вдавливание зерна в шину, мм при норме расхода каменного материала (м3/100м2)

0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

5 0,33 0,30 0,29 0,27 0,26 0,24 0,23 0,22

10 1,03 0,96 0,91 0,85 0,81 0,77 0,74 0,71

15 2,03 1,90 1,78 1,68 1,59 1,52 1,45 1,39

20 3,29 3,06 2,87 2,71 2,57 2,45 2,34 2,24

25 4,77 4,44 4,17 3,93 3,73 3,55 3,39 3,25

Положив равенство (предельное условие) между (1) и (3) и решив полученное уравнение относительно длины слоя стока, получим формулу для определения ее критической величины:

30 •л/і

0,588 Аст(кр)

30 •М

Кср + К,д, - *

(4)

2 • Я

X = -

• Яг(пр)

1,2473 • А А.

X 1п-

тр - 0,4861 •

%ц(тр )

С А V тр

V А ,

V мах у

2

- 0,598

С А V2 1,3591 А

0,399 •

тр

А

V мах у

А.

тр +1,2226 (5)

Рис. 5. Схема для определения расстояний между дождеприемными устройствами

Из анализа расчетной схемы следует, что для обеспечения сцепных качеств необходимо выполнение условия:

На рисунке 5 приведена схема для расчета расстояний между дождеприемными устройствами.

L + а < Ьк

стояние ме ми устройствами определяется по формуле:

кр (6) При этом расстояние между дождеприемны-

X

кр

а • n • к

. 0,588;

1 +

(7)

пр

V гп у

На рисунке 6 приведены результаты расчета расстояний между дождеприемными устройствами для 5-го ливневого района.

Такие же расчеты произведены для всех 10 ливневых районов РФ. Из анализа данных, рисунок 6, следует, что имеются условия, при которых расстояния между точечными дождеприемниками достаточно мало, что указывает на целесообразность устройства линейного сплошного водоотвода.

Требуемая скорость движения, км/ч 1-9 - соответственно при Яср=1; 2; 3; 4;

5; 6; 7; 8 и 9 мм

Рис. 6. Требуемые расстояния между точечными дождеприемными устройствами наружной и подземной дождевой канализации в пятом ливневом районе

Вывод

Таким образом, формула (7) уточняет ранее предлагаемый авторами метод [2, 3] и может использоваться для расчета расстояний между точечными дождеприемными устройствами, дополняя нормативные гидравлические методы проектирования дождевой канализации.

Библиографический список

1. Александров А.С. Критерии проектирования шероховатых асфальтобетонных покрытий из условия обеспечения безопасности движения [Текст] /А.С. Александров, Н.П. Александрова, Т.В. Семенова // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2009. - №2. - С. 66 - 73.

2. Александров А.С. Обеспечение сцепных качеств асфальтобетонных покрытий городских дорог и улиц при проектировании сети дождевой канализа-

ции [Текст] / А.С. Александров, Т.В. Семенова // Вестник МАДИ (ГТУ). - 2009. - №2 (17). - С. 29 - 32.

3. Александров А.С. О проектировании шероховатости дорожных покрытий и дождевой канализации по условиям безопасности движения [Текст] /А.С. Александров, Н.П. Александрова, Т.В. Семенова // Автомобильная промышленность. - 2008. - №8. -С. 36-38.

4. Малышев А.А. Эксплуатация автомобильных дорог и безопасность дорожного движения [Текст] / А.А. Малышев // Совершенствование организации и технологии ремонта и содержания автомобильных дорог. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2001. - С. 46 -57.

5. Немчинов М.В. Сцепные качества дорожных покрытий и безопасность движения автомобиля [Текст] /М.В Немчинов - М: Изд-во Транспорт, 1985.-231 с.

6. Новизенцев В.В. Скорость, дорожные условия и безопасность движения [Текст] /В.В. Новизенцев, Д.В. Оськин //Наука и техника в дорожной отрасли. - 2007, № 3. - С. 7-10.

7. Hiersche E.U. Vergleichsmessungen zwischen dem Stuttgarter Reibungsmesser und der Sideway-force Coefficient Routine Investigation Machine im Hinblick auf Ihre Einsatzmoglichkeiten im Rahmen des Managements der Stra.enerhaltung, Forschungsauftrag Nr.: 04.129 G 85 C Forschungsgesellschaft fur Stra.en- und Verkehrswesen FGSV, Bonn 1989, S. A7.33-41.

8. Kamplade J., Schmitz H. Erfassen und Bewerten der Fahrbahngriffigkeit mit den Messverfahren SRM und SCRIM Forschungsberichte, S.33-41, A10-A14, Bundesanstalt fur Stra.enwesen, Bereich Stra.enverkehrstechnik, Bergisch Gladbach 1984.

9. Wehner B., Schulze K.-H., Dames J., Lange H. Un-tersuchungen uber die Verkehrssicherheit bei Nasse Forschung Stra.enbau und Stra.enverkehrstechnik BMV, Heft 189, Bonn 1975, P. 3-31.

10. Stutze T. Volkswirtschaftlich gerechtfertigte Interven-tionswerte fur die Erhaltung von Bundesautobahnen /Dissertation von der Fakultat VI - Bauingenieurwesen und Angewandte Geowissenschaften der Technischen Universitat Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften - Berlin 2004. - 187 p.

EXPERIMENTAL EVALUATION OF DEEP-LAYER FLOW OF WATER ON ASPHALT PAVEMENT DURING THE RAINY SEASON

A.S. Aleksandrov, T.V. Semenova

The methodology and results of experimental evaluation of the depth of the layer of water flow, which is formed on the asphalt concrete during rain. Using the experimental data on the trajectory of water flow, the methodology of calculation of the distances between the devices for water drainage.

2

Александров Анатолий Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» Сибирской государственной автомобильно - дорожной академии (СибАДИ), Основное направление научных исследований - проектирование, строительство и эксплуатация автомобильных дорог; проектирование дорожных конструкций. Общее количество опубликованных работ - 50

E-mail: aleksandrov00@mail.ru

Семенова Татьяна Викторовна - доцент кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» Сибирской государственной автомобильно - дорожной академии (СибАДИ), Основное направление научных исследований - проектирование, строительство и эксплуатация автомобильных дорог. Общее количество опубликованных работ: 9.

E-mail: semenova_tv@sibadi. org

УДК 625.855.2

ВЫЯВЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ ВРЕМЕНИ ПРОМЕРЗАНИЯ ТЕПЛОВОГО ДИОДА ОТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЕГО СОСТОЯНИЯ

Е. А. Бедрин, М. А. Завьялов, А. М. Завьялов

Аннотация. Установлены качественные характеристики зависимостей времени промерзания от теплофизических и температурных параметров его состояния таких, как: теплопроводность, объёмная теплоёмкость, интенсивность переходных процессов, температура замерзания материала теплового диода и среднезимняя температура воздуха.

Ключевые слова: тепловой диод, мерзлые грунты, теплофизические и температурные параметры, интенсивность переходных процессов.

Настоящая статья продолжает цикл работ тированию процессов влияния тепловых дио-[1, 2, 3, 4], посвященных математическому мо- дов дорожных насыпей на температурное поле делированию и вычислительному эксперимен- мерзлого грунтового основания (рисунок 1).

Рис. 1. Земляное сооружение: 1 - грунтовая насыпь; 2 - слой водонасышенного водоудерживающего материала (грунта, диода); 3 - поверхность многолетнемерзлого грунтового основания; А - положение высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлоты до возведения земляного полотна; Б - положение высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлоты после начала эксплуатации сооружения

Установим зависимости, характеризующие * таких теплофизических и температурных влияние на продолжительность промерзания р

параметров, как: