CC BY
13ОЦЕНКА ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНЫХ ДОРОГ В
ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ
Лолаев А.Б.
Северо-Осетинский государственный университет, Завкафедрой, д.т.н, проф.
Масланов Н.А.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), старший преподаватель Панченко Т.В.
Северо-Осетинский государственный университет, магистрант
Кочиев И.А.
Северо-Осетинский государственный университет, магистрант
ASSESSMENT OF GEOECOLOGICAL FACTORS IN THE OPERATION OF MOUNTAIN ROADS IN
WINTER CONDITIONS
Lolaev A.
North Ossetian State University, Head of department, Ph.D., Prof.
Maslanov N.
North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University) Senior Lecturer Panchenko T.
North Ossetian State University, Master's degree student
Kochiev I.
North Ossetian State University, Master's degree student
АННОТАЦИЯ
Объектом исследований является проблема содержания горных автомобильных дорог в зимний период. Были систематизированы природные и техногенные факторы, влияющие на снегозаносимость автомобильных дорог. На основе анализа построена оценочно-прогнозная модель снежно-ледяных образований на горных автомобильных дорогах. Применение модели позволит разработать предупредительные мероприятия по снегозащите инженерных сооружений, а также принять оперативные решения по расстановке снегоуборочной техники и оптимальному ее использованию, что сократит расходы на зимнее содержание автомобильных дорог.
ABSTRACT
Research is the problem of maintaining mountain roads in winter. Natural and man-made factors affecting the snow loss of roads have been systemized. On the basis of the analysis, an estimate-forecast model of snow-ice formations on mountain roads was built. The model will allow the development of precautionary measures for the snow protection of engineering facilities, as well as to make operational decisions on the placement of snowplows and its optimal use, which will reduce the cost of winter maintenance of roads.
Ключевые слова: снегозаносимость, природные факторы, техногенные факторы, оценочно-прогнозная модель.
Keywords: snow, natural factors, man-made factors, appraisal and forecast model.
Введение
Основной задачей содержания автомобильных дорог является поддержание круглогодичного, бесперебойного и безопасного движения транспортных средств. В процессе эксплуатации дорога находится под влиянием природной среды и активной деятельности человека. Наиболее сложным для участников движения и службы, осуществляющей содержание дороги, является зимний период, когда под воздействием неблагоприятных погодно-кли-матических условий изменяются расстояние видимости, сцепные качества покрытий, а также состояние инженерного оборудования и обустройства дорог. Наибольшее влияние на работу дороги и транспорта в зимний период оказывают неблагоприятные метеорологические явления, которые способствуют [1]:
• снижению сцепных качеств покрытия под влиянием осадков, гололеда, тумана, повышенной влажности воздуха;
• увеличению сопротивления движению из-за отложений снега, грязи, гололеда, неровностей на дороге, в результате чего снижается мощность двигателя автомобиля;
• изменению очертания и внешнего вида проезжей части и обочин, параметров поперечного профиля из-за снежных отложений и образования полос наката, что приводит к изменению восприятия дороги водителем;
• уменьшению видимости в период туманов, осадков, метелей изменяющих восприятие условий движения водителем;
• ухудшение эксплуатационно-технических качеств автомобиля, прежде всего систем, обеспечивающих удобство и безопасность движения, к которым относятся тормоза, рулевое управление, обзорность, видимость сигнальную систему.
Для разработки предупредительных мероприятий по обеспечению незаносимости снегом инженерных сооружений, а также для принятия оперативных решений по расстановке снегоуборочной техники и оптимальному ее использованию необходимо знание закономерностей формирования снежно-ледяных образований. Достижение указанных целей в практике зимнего содержания дорог является эффективным с использованием оценочно-прогнозных моделей, формируемых для различных регионов и типов дорог.
Существуют различные модели прогнозирования снежно--ледяных образований. В работе [2] разработана оценочно-прогнозная модель формирования снежных заносов на основе инженерно-гео динамических карт. В работе [1] представлена математическая модель состояния дорожного покрытия в зимний период, опирающаяся на систему дорожных и транспортных параметров и параметров внешней среды. Указанные модели показали эффективность их применения в районах Европейской части России и в условиях Крайнего Севера.
Закономерности формирования снежно-ледяных образований применительно к горным автомобильным дорогам менее изучены по сравнению с дорогами в равнинной местности.
_65
Цель статьи: выявление природных и техногенных факторов, влияющих на эффективность транспортного обеспечения на горных дорогах в зимних условиях.
Разработка оценочно-прогнозной модели снежно-ледяных образований на горных дорогах, которая позволит оптимизировать содержание горных автомобильных дорог в зимнее время и определить наиболее опасные участки дороги по степени отложения и продолжительности существования различных видов снежно-ледяных образований возможна на основе многопараметрического факторного анализа.
Факторный анализ.
Все факторы разделены на природные и техногенные, которые в свою очередь подразделяются на постоянные и временные. К природным относятся рельеф местности, растительность, наличие водных объектов, температура, относительная влажность воздуха, ветер, облачность, осадки. К техногенным факторам - расположение дороги к направлению преобладающих ветров, продольный и поперечный профили трассы, температура покрытия, интенсивность и состав движения, пропускная способность трассы, а также наличие инженерных сооружений и обустройства дороги. Перечень рассматриваемых факторов представлен на (рис. 1).
Рельеф Температура воздуха Направление трассы к преобладающим ветрам Температура покрытия
* +
Растительность Ветер Поперечный профиль трассы Интенсивность движения
4 +
Затенённость Осадки Продольный профиль трассы Состав транспортного потока
1 1 +
Наличие водных объектов Влажность воздуха План трассы
♦
Облачность Конструкция дорожной одежды
+
Транспортные инженерные сооружения
Рисунок 1. Факторы, влияющие на возникновения и продолжительность существования снежно-
ледяных образований в горных условиях.
Ниже приводится краткий анализ влияния указанных факторов на снегозаносимость горных дорог.
Вначале проанализируем постоянно действующие факторы.
Склоны по ориентации к преобладающим ме-телевым ветрам разделяют на группы: наветренные и подветренные. Интенсивность отложения снега на подветренном склоне выше, чем на наветренном.
Далее выделены зоны с различным типом растительности: лесокустарниковая и луговая, - так как лесополосы и кустарниковые насаждения достаточной ширины способствуют задержанию и отложению снега.
Затем выделяются теневые участки дороги. В зависимости от высоты и экспозиции горных склонов, прилегающие к ним участки, находятся в тени либо полный световой день, либо часть дня. Это оказывает влияние на продолжительность существования снежного покрова и интенсивность образования скользкости на дороге.
По территориальной близости автомобильных дорог к водным объектам районы делятся на участки с их наличием и без. Наличие рек, которые
в горах не замерзают круглый год, приводит к частому образованию туманов и влияет на образование скользкости.
Основное влияние на снегозаносимость дороги оказывает ветровой поток. Если преобладающее направление ветров в зимний период совпадает с направлением трассы, то снежные заносы на дороге образуются реже. Наиболее заносимыми будут участки дорог, составляющие прямой или близкий к нему угол с преобладающим направлением ветров.
Снегозаносимость дороги зависит от ее поперечного профиля. Известно, что насыпи, высота которых больше, чем высота снежного покрова являются слабозаносимыми. Небольшие насыпи высота, которых ниже высоты снежного покрова, нулевые места и полувыемки-полунасыпи - средне-заносимые. Выемки, подветренный откос, которых не может вместить снег, приносимый метелями и выпадающий при снегопадах - являются сильноза-носимыми [3]. В горной же местности земляное полотно, как правило, располагается на полке, врезанной в косогор (террасе). Отложения снега на таких террасах происходят неравномерно: наибольшей
Sciences of Europe # 64, (2021)_
мощности эти отложения достигают у подножия террас, наименьшей - у их краев.
На продольном профиле дороги были выделяются ровные участки, подъемы и спуски. План трассы по тому же принципу делится на прямые участки, кривые с вершинами углов, направленных к склону (вогнутые), и кривые с вершинами углов, направленных в ущелье (выпуклые). При заносе автомобиля на участке с выпуклой кривой, не смотря на ограждение, увеличивается вероятность падения автомобиля в ущелье. На вогнутых участках кривой в плане, на горных дорогах, как правило, наблюдается расширение ветрового потока, приводящее к снижению скорости, образованию зон циркуляции и аккумуляции снега, а на выпуклых кривых сужение ветрового потока, приводящее к увеличению скорости и дефляции снега. Аналогичную закономерность можно выявить и на продольном профиле трассы. В условиях образования скользкости степень опасности на подъемах и спусках, кривых в плане, а также их сочетании значительно увеличивается.
На образование зимней скользкости и ее адгезию с покрытием влияют конструктивные особенности и теплофизические характеристики дорожно-строительных материалов, от которых зависит теплопроводность и как следствие амплитуда колебания температур покрытия.
Транспортные сооружения, такие, как мосты и путепроводы подвержены частому образованию скользкости. Поскольку указанные искусственные сооружения не соприкасаются с грунтом, то теплообмен в них определяется температурой воздуха под мостом или путепроводом. Зимой температура воздуха обычно ниже, чем температура грунта, поэтому поверхность моста обычно холоднее, чем поверхность близлежащего участка автомобильной дороги. Это различие особенно явно выражено в начале зимнего сезона, когда под поверхностью дороги имеется резервуар тепла (за счет нагрева летом) с достаточно высокой теплоемкостью.
Далее проанализируем временные факторы.
Временные природные факторы действуют как раздельно, так и совместно в различных сочетаниях.
Например, в горных районах республики РСО-Алания устойчивая отрицательная температура воздуха в зимний период наблюдается с декабря по март, в это время там снижается вероятность обледенения дорожных покрытий, однако снег становится более сухим и подвижным, он легко переносится ветром и повышается вероятность снежных заносов. Частые переходы температуры воздуха через 0 °С в некоторых районах прослеживаются уже с начала сентября и заканчиваются в конце июня, в это время высока вероятность образования скользкости на покрытии [4].
Ветровой режим в основном определяет характер переноса снега при метелях. При ветре со скоростью от 2 до 3 м/с возможны верховая метель, если при снегопаде нет перемещения по поверхности снежного покрова ранее выпавшего снега, и поземка при отсутствии снегопада и переносе ветром частиц ранее выпавшего снега непосредственно по
поверхности снежного покрова (высота подъема снежинок - до 0,5 м). При скорости ветра более 5 м/с возможны низовая метель (перемещение ветром частиц ранее выпавшего снега, поднятых с поверхности снежного покрова на высоту 1 - 2 м) и общая метель (сочетание верховой и низовой метелей).
Среди осадков в зимний период можно отметить снегопады, метели, туманы, жидкие осадки, приводящие к образованию гололедных явлений. Режим выпадения осадков определяет такие процессы, как снежные заносы, снежные и гололедные отложения на дорожных покрытиях, а также дальность видимости.
Влажность воздуха является одной из наиболее важных характеристик погоды и климата. Она определяет количество атмосферных осадков, видимость, задерживает солнечную радиацию, тем самым изменяя температурный режим почв и воздуха. Данные о влажности воздуха имеют очень большое значение для прогноза погоды.
Наиболее существенный эффект в изменение температуры дорожного покрытия в ночное время вносит облачность. При сплошной облачности дорога выхолаживается меньше, чем при ясном небе. Быстрое прояснение неба может привести к резкому падению температуры покрытия.
На температуру дорожного покрытия оказывают влияние метеорологические условия, материалы конструкции дорожной одежды и интенсивность движения транспортных средств. В действительности температура дорожного покрытия определяется не только метеорологическими факторами. Очень важным фактором является движение транспорта, которое приводит к росту турбулентности, приходящей длинноволновой радиации (от проходящего транспорта к поверхности дороги), увеличению влажности воздуха в нижнем слое атмосферы. Эти эффекты способствуют повышению температуры дорожного покрытия при интенсивном движении транспорта. Среди других факторов, влияющих на температуру поверхности дороги, можно назвать снегозащитные насаждения, расположенные вдоль дороги.
Интенсивность движения и состав транспортных потоков зависит от режима работы предприятий, времени года и суток. Движение транспорта создает дополнительные препятствия переносу снега по поверхности проезжей части, вызывая образование мелких снежных гребешков и особенно колей в выпавшем слое снега. Во время снегопада при движении автомобилей происходит подтапливание слоя снега и возникновение скользкости, либо уплотнение снега и образование снежно-ледяного наката, что зависит от толщины снега на покрытии, температуры и влажности воздуха. Очистка снега с проезжей части и обочин устраняет эти препятствия, но и сама снегоочистка при неправильном ее проведении может стать фактором, создающим дополнительные препятствия для переноса снега (создание снежных валов по краям очищаемой полосы).
Анализ влияния действующих факторов в различных сочетаниях позволил построить оценочно-
прогнозную модель снежно-ледяных образований на горных дорогах [5]. Применение модели позволит разработать предупредительные мероприятия по снегозащите инженерных сооружений, а также принять оперативные решения по расстановке снегоуборочной техники и оптимальному ее использованию, что сократит расходы на зимнее содержание автомобильных дорог.
Выводы
Таким образом можно сформулировать следующий вывод.
Выявлены природные и техногенные факторы, влияющие на эффективность транспортного обеспечения: природные факторы - климатические условия, рельеф местности, характер растительного покрова, свойства снега; техногенные - расположение дороги по отношению к направлению господствующих ветров; особенности конструкции дорожного полотна (в выемках, на нулевых отметках, в насыпях) и приуроченность дороги к различным
геоморфологическим элементам, что служит основой для построения оценочно-прогнозной модели снежно-ледяных образований на горных дорогах.
Литература
1. Подольский Вл.П., Самодурова Т.В., Федорова Ю.В. Экологические аспекты зимнего содержания дорог. - Воронеж: ВГАСА, 2000. - 152 с.
2. Бутюгин В.В. Инженерная геодинамика снега. Норильский регион: монография - СПБ. ГУАП, 2008. - 200с.
3. ВСН 24-88. Технические правила ремонта и содержания автомобильных дорог/ Минавтодор РСФСР. - М.: Транспорт, 1989. -198 с.
4. Природные ресурсы республики Северная Осетия-Алания: т.7. Климат. -Владикавказ: Проект-Пресс. - 2002 - 224 с.
5. Лолаев А.Б., Масланов Н.А. Оценочно-прогнозная модель формирования снежно-ледяных образований на горных автомобильных дорогах // Устойчивое развитие горных территорий. 2011, № 3 с.59-64
DEFORMATION OF A CYLINDRICAL SHELL BY EXTERNAL PRESSURE
Fidrovska N.
Kharkiv national automobile and road university, Professor
Slepuzhnikov E.
National University of Civil Defence of Ukraine, Lecturer
Perevoznik I.
Ukrainian Engineering and Pedagogical Academy, postgraduate student
Khursenko S.
Ukrainian Engineering and Pedagogical Academy, postgraduate student
Kharkiv, Ukraine
ABSTRACT
The article considers the problem of determining the stress-strain state of a thin-walled cylindrical shell under the action of external pressure. Such structures are used in many machines, for example, aircraft casings, submarine casings, drums of hoisting machines.
Equations were derived for circumferential, longitudinal and axial displacements depending on the geometric dimensions and elastic properties of the rope and drum. At the same time, the hypotheses about the non-tightness of the shell in the circumferential direction and the absence of displacement were not accepted. This brings the design scheme much closer to the actual operating conditions of the cylindrical shell.
Keywords: cylindrical shell, external pressure, stress-strain state, rope drum.
Cylindrical shells are the most common forms of closed structures. Therefore, the determination of their stress state under the influence of external pressure is a very urgent task. Different load schemes of structures require different calculation methods. A large number of different shell designs, different conditions of their loading and operation cause a certain difficulty in the analysis of the stress-strain state. The rope drum is considered as a cylindrical shell with variable external pressure, which arises under the action of the rope, which is wound on the drum.
When designing thin-walled structures, the results of theoretical research in the field of structural mechanics and the theory of elasticity are used [1, 2]. But the calculation methods must correspond to the design features for which they will be applied [3-5]. For cylindrical shells, the ratio of the wall thickness to its radius is
of great importance, which is not always taken into account when choosing a calculation method [6, 7].
The transverse bending of a cylindrical shell is a rather complex problem, on the solution of which many researchers have worked [8-10].
In work [11], a theory for the calculation of spatial systems was developed, which makes it possible to determine the stress state of various structures. The shell is considered as a multiply statically undefined system. But if we consider it as a system with a stressed state that arises in a thin-walled bank with an under-formed period, then it is possible to determine the normal stresses and shear forces in the elements of cross-sections. In addition, elementary rings can be considered, which are distinguished by planes perpendicular to the axis of the system, while internal forces in longitudinal sections are determined.
