CC BY
14
ЭКОЛОГИЯ
УДК 625.85
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ И ЭКОНОМИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ АВТОТРАНСПОРТА
© 2008 г. А.А. Афанасьев, М.Е. Багмет
The article is about modelling and development of mathematical models of road coverings, their irregularities and interrelations of technical and economic characteristics of motor transport with deformations, demolishing road covering . Optimal conditions of the most effective decision of quality stabilization of road coverings are determined in the article.
При эксплуатации автодорог образуются упругие колебания и вертикальные пластические деформации дорожных одежд, зависящие от транспортных нагрузок, температуры, обводненности, качественных характеристик (вещественного состава, вязкости, растяжимости, упругости и др.) асфальтобетонных покрытий и грунта земляного полотна [1].
В эксплуатационных условиях асфальтобетонное покрытие работает при постоянно изменяющейся температуре, в зависимости от которой при реальных скоростях нагружения оно может вести себя как упругое, упруговязкое и вязкопластичное тело. Зная законы развития деформаций при приложении нагрузки и закон последствия в упруговязком и вязкопластичном материале, можно получить формулу развития деформаций во времени при проходе двухосного автомобиля [2, 3].
Упруговязкое состояние
If [[
у (t)= \— (1 - е ~0t)dt + Г уае dt + j — (1 - e ~0t)dt+ 0 M j tiM
(1)
+ \у ^ ш1 ,
г 2
вязкопластичное состояние
г Т * + т и
Г(1) = / (1-1 +1 (1 - e-0t))dt+ / у о e-0tdt+ о ЛИ г
г2 т <»
+ \ (— +1 (1 - e-0t))dt+ / у1 е-0Ш, (2)
11 ЛИ 12
где у^), уа, yt - суммарная деформация при проходе двухосного автомобиля, общая деформация, развившаяся к моменту прохода колеса первой и второй осей соответственно; п - вязкость асфальтобетона; 0 - время запаздывающей упругости; ^ - модуль сдвига; ^ t2 -время проезда колеса первой оси, прохода межосевого расстояния, проезда колеса второй оси; т - напряжение в месте контакта зерно щебня - асфальтобетон.
Основой исследования развития деформационных процессов являются интегральные функции изменения уклонов нормальных О и выравнивающих векторов - градиентов топографических и любых других
поверхностей (в том числе асфальтобетонных покрытий): в=ь¥, с=Ьр/,
А й - коэффициенты, характеризующие вид изменчивости уклонов Ь и векторов-градиентов е при изменении нормального вектора О на постоянную величину ДС=сош1 (по линейному направлению в первой формуле и при изменении параметров р - во второй).
Нормальные векторы и векторы-градиенты характеризуют параметры форм рельефа земной (и любых других) поверхностей, т.е. соответственно их амплитуды и периоды неровностей различного порядка. Значения I и р являются выравнивающими векторами для этих неровностей, а О и Ор - среднеквадратиче-ские уклонения отметок рельефа от соответствующих величин I и р.
При Дв=сош1 и Д1 =сош1 (или Ар =сош1), Л=1; при постепенном снижении величины А1, Х>1 , т.е. функция соответственно равномерноизменяющаяся, с затухающими и возрастающими величинами ДО.
Положение каждого выравнивающего вектора-градиента в пространстве характеризуют средние значения абсцисс X, отметок 2 и уклона Ь1 участка
территории, длина которой й: М(й)= 2 +Ь1( X - X 1).
Моделями рельефа деформаций дорожных покрытий являются функции с1(1)*с(5)^ф(и/с), характеризующие изменение нормальных (о*с8) и выравнивающих векторов I, Б (соответственно по линиям и площадям), форм рельефа, его уклонов, отметок и их средних значений, изменчивость (в зависимости от величин I, Б) амплитуд и параметров упругих колебаний поверхностей одежд (зависящие от их качественных характеристик и транспортных нагрузок), соотношение параметров деформаций и и параметров о. Дифференцируют эти деформации на ик, ир, обусловленные упругими колебаниями и разрушительным и процессами .
Моделями качественных показателей асфальтобетонных покрытий являются функции с(АС,Н), и(АС,Н), о(щ,И), и(щ,Н), 0(^1), U(u,t), характеризующие измене-
ние параметрических показателей асфальтобетонных покрытий (содержание различных химических элементов, компоненты вяжущего вещества), разности АС между ними и их средними величинами, непараметрических уД-(прочность, вязкость и т.д.), их изменчивость под влиянием транспортных нагрузок Н, температуры t и т.д. Эти модели служат обоснованием для выполнения системного и многофакторного анализов, что позволяет дифференцировать и на Пу и Пр, установить их зависимости с качественными показателями и величинами Н, t в момент определения этих показателей и отметок дорожных одежд.
Параметры упругих колебаний и качественные показатели дорожных одежд почти не изменяются в течение незначительного промежутка времени Т (месяц, квартал). Поэтому величины оу,Пу практически постоянны в течение этого времени. Но разрушительный процесс и величина Пр с ростом Т увеличиваются. На этом условии установлены уравнения П(Т) и Пр(Т), характеризующие общую величину деформаций П,
разрушительными процессами Up, и позволяющие определить U, Up, Uy не только за большое значение Т, но и незначительное, и в момент их определения. Установлено, что за незначительное время (месяц) Up<< а у и ^<Uy.
Вышеприведенные качественные характеристики подразделяются на параметрические (содержание различных химических элементов ЕС, компонентов и т.д.) и непараметрические (свойства различных видов вещества). Величины взаимосвязаны условиями: Щ=100 % = const.
При сложном размещении функция имеет вид AC0=pBAC0B, где p - коэффициент корреляции значений Coi и Сн; ACoi, Ан - разности между /'-ми значениями компонентов Coi, Сн и соответствующими их средними величинамиС0.
Непараметрические характеристики не взаимосвязаны вышеприведенными условиями, и их связи с параметрическими целесообразно устанавливать по корреляционным функциям (табл. 1).
Таблица 1
Изменение состояния покрыт ия дороги в зависимости от ее неровности
Оценка состояния покрытия Ровность покрытия Скорость движения транспорта, км/ч Кол-во выбрасывания, г/км
По СНиПу Балл Показатель толчкоме-ра, см/км Величины неровностей, мм при расстояниях, м
3 5 10 20
Отличное 0 До 50 До 2 До 3 До 5 До 10 90 5,0
Хорошее 1 50-100 2-4 3-5 5-8 10-16 70 9,0
Удовлетво-
рительное 2 100-170 4-6 5-8 8-12 16-20 60 16,0
Неудовлет-
ворительное 3 170-270 6-8 8-12 12-16 20-24 40 35,0
Очень
плохое 4 Свыше 270 Свыше 8 Свыше 12 Свыше 16 Свыше 24 30 58,0
Примечание. Чем хуже состояние покрытия, тем больше выброс токсических компонентов и ниже скорость движения транспорта.
При функционировании автодорог окружающая среда в основном загрязняется газообразными выбросами автотранспорта, твёрдыми частицами, жидкими веществами и вибрационно-шумовыми процессами. В соответствии с вышеизложенными принципами моделирования находим взаимосвязи этих загрязнителей с качеством дорожного покрытия. Ф(Щ = N^ = йаи-^вту.
Величины ат, в находим соответственно из
равенств: Ww = ■
WT
-; а=1+Иф; ß=1+Ar+Ap.
Уф/ Ут
Величина износа покрытия за различные периоды времени: Иф = аиТи ; и = аyTЛy ; Ду = ут-аи .
N1 N2
Общая сумма экономических ущербов 2 2 Y
1 2
от всех видов экологических потерь, возникающих в
N1 N 2
различные периоды времени Т: 2 2 У = (ИЯИН^\ Ш2
1 2
Т
23 , 2 Д1 ) (табл. 2, рисунок).
1
Созданные экономические функции производственно-экологических процессов характеризуют изменение их показателей также относительно хорошего технического состояния, качества всех объектов недвижимости и экстремальных значений основных экономических критериев.
Эти эколого-экономические модели позволяют установить дифференцированные соотношения между всеми экономическими показателями различных критериев и определить оптимальную эффективность производственных процессов с рациональным использованием придорожных земель.
В соответствии с этими условиями установлено, что техническое состояние и качество дорожно-транспортных систем и всех объектов недвижимости придорожных территорий должно соответствовать оценке не ниже «удовлетворительно».
Таблица 2
Оценка эколого-экономических взаимосвязей с качеством дорожно-транспортных элементов (по участку автодороги второй категории протяженностью 100 км)
Оценка технического состояния (износа) дорожного покрытия
Технико-экономический показатель Хорошо Удовлетворительно Неудовлетворительно Очень плохое Плохое вне категории
Величина технико-экономических показателей
Техническое состояние и качество (износ) дорожного покрытия, мм (балл) 2-4 (1)1 4-6 (2) 6-8 (3) 8-10 (4) Свыше 10 (5)
Количество загрязнителей, г/км: - твердых и газообразных выбросов, 4 15 40 60 80
- твердых частиц износа покрытия, 4 16 30 40 60
- твердых частиц износа шин 2 3 5 10 20
Скорость транспорта, км/ч 70 60 45 30 20
Относительный перерасход топлива, о/о 0,0 10 50 100 200
Прибыль от транспортных перевозок, тыс. руб. 2300 1900 1450 900 600
Ущерб от загрязнителей, тыс.руб. 50 60 120 170 250
Затраты на восстановление покрытия дороги, тыс. руб. 40 50 75 120 200
Относительный доход транспортных организаций, % 100 85 60 40 20
Примечание. Относительные величины перерасхода топлива и дохода транспортных организаций приняты по отношению к хорошему состоянию дорожного покрытия. Значения основных экономических показателей укрупнены и соответствуют фактическим величинам для грузового автотранспорта.
.rww 25 -
h.
| I III
О -J-■-■-■-■-■-- ----■ ■ ■ -л-1
О 6 12 18 24 30 36 42 4Я 54
Т, AtBC
/-. баллы V, км/час
б
Взаимосвязь деформации (износа) покрытия (Б) с различными загрязнителями: а - твёрдыми пылевидными частицами, возникающими при разрушении покрытия (иф) и с твёрдыми частицами износа шин - hш (Б); б - с твёрдыми и газообразными выбросами двигателей автомашин (W (Б)) и шумовыми загрязнителями Laэ (Б)
2.
Литература
Трунов И.Т. Системы развития экономики и управления качеством процессов ТПК и градостроительства. М., 2005. С. 260.
Багмет М.Е. Эколого-экономические аспекты систем
рационального использования земель при реконструкции автодорог: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ростов н/Д, 2006.
Афанасьев А.А., Лысков Г.А. // Строительство-2005: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 2005. С. 144 -147.
Ростовский государственный строительный университет
29 июня 2007 г
