СБОРНИК

ДОРОГИ И МОСТЫ

Выпуск 16/2

МОСКВА 2006

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ

Успешная реализация стоящих перед дорожной отраслью задач, связанных с ускорением развития и повышением транспортно-эксплуатационных качеств сети автомобильных дорог общего пользования в значительной степени зависит от целенаправленной технической политики в сфере развития науки и технологий, основанной на получении и эффективном применении новых научных знаний в области проектирования, строительства и эксплуатации дорог.

В очередном отраслевом сборнике научных трудов «Дороги и мосты» нашли отражения последние исследования ученых и специалистов ведущих научных, проектных и производственных дорожных организаций, вузовской науки по широкому кругу практических вопросов, актуальных для дорожного хозяйства.

В сборник вошли статьи, касающиеся развития новых методов экономики и управления в дорожном хозяйстве, в которых предлагается решение вопросов прогнозирования потребности в финансовых ресурсах для реализации программ ремонта автомобильных дорог с учетом результатов их диагностики, проектирования и строительства платных дорог, развития функциональной классификации автомобильных дорог для целей их модернизации, а также оценки и прогнозирования социально-экономических последствий дорожной аварийности в Российской Федерации на основе многофакторного анализа.

Значительное место в сборнике уделено публикациям, содержание которых отражает новые научные подходы к решению проблем повышения качества строительства и проектирования автомобильных дорог, в том числе в особых условиях. В этот раздел сборника вошли новые теоретические разработки в области оценки качества строительства дорог, проектирования дорожных одежд и насыпей на слабых основаниях, представлены прогрессивные методы инженерно-геологических изысканий на дорогах, а также оценки прочности дорожных одежд и долговечности асфальтобетонных покрытий.

В сборнике отражены основные результаты исследований по совершенствованию методов ремонта и содержания дорог. Особое место уделено научным исследованиям, направленным на разработку новых технологий зимнего содержания дорог с учетом международной практики для их применения в северных регионах Российской Федерации. По-новому освещены решения задач уширения проезжей части при капитальном ремонте дорог, оценки прочности жестких дорожных одежд. Представлены результаты исследований, направленных на обеспечение сохранности автомобильных дорог - даны рекомендации по оптимальным срокам ограничения осевых нагрузок, а также уточненные методы расчета воздействия на дорожную одежду грузовых автомобилей.

Один из разделов сборника посвящен исследованиям в области строительства, ремонта и содержания мостовых сооружений. В этом разделе представлены теоретические обоснования и расчетные методы оценки живучести железобетонных пролетных строений мостов, повышения прочности плитных пролетных строений эстакад, а также новые способы определения затрат на ремонт мостовых сооружений.

Завершает сборник серия статей, посвященных решению одной из наиболее актуальных проблем - сокращению дорожной аварийности. В них представлены уточненные методы выявления участков дорог с опасными условиями движения, способы повышения безопасности движения на основе совершенствования параметров поперечного профиля автомобильных дорог, повышения сроков службы дорожной разметки.

В целом, представленные в отраслевом сборнике научных трудов материалы могут быть использованы специалистами-практиками для решения широкого спектра задач повышения качества и эффективности дорожных работ в соответствии с принятой РОСАВТОДОРОМ в 2006 г. Концепцией обеспечения качества в дорожном хозяйстве.

Начальник управления Организации госзаказа и научно-технических исследований РОСАВТОДОРА, канд. экон. наук В.П. Володькин

Раздел I
ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ В ДОРОЖНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

О ПРОГНОЗИРОВАНИИ ПОТРЕБНОСТИ В ФИНАНСИРОВАНИИ КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИАГНОСТИКИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Кандидаты технических наук
В.К. Апестин, A.M. Стрижевский
(ФГУП РОСДОРНИИ)

Транспортной стратегией России предусматривается дальнейшее совершенствование дорожного хозяйства и улучшение транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог. В связи с этим поднимаются вопросы потребности обеспечения финансирования дорожного хозяйства и, в частности, необходимости повышения объема затрат на капитальный ремонт федеральных автомобильных дорог.

Для оценки потребности в финансировании капитального ремонта ФГУП Росдорнии разработана методика, позволяющая прогнозировать затраты, опираясь на результаты диагностики дорог из АБДД «Дорога».

Известно, что критерием проведения капитального ремонта является снижение несущей способности дорожной конструкции до уровня, при котором ещё обеспечивается расчетная надежность дорожной одежды и соответствующее ей предельное состояние покрытия по ровности. Поэтому в основу предлагаемой методики положен прогноз изменения фактического состояния дорожных одежд по прочности с оценкой остаточного срока их службы, по результатам которого планируются затраты для ежегодного финансирования капитального ремонта.

Оценку прочности дорожной одежды осуществляют в соответствии с ОДН 218.1.052-2002 [1], предусматривая усиление конструкции в момент, когда ее остаточный срок службы не превышает 1-2 лет, не допуская «лавинного» снижения модуля упругости дорожной конструкции. Величину остаточного срока службы дорожной одежды Т_ост определяли в соответствии с Правилами диагностики и оценки состояния дорог ОДН 218.0.006-2002 [2] с уточнением используемых показателей по ОДН 218.1.052-2002:

                                                                                  (1)

где

q - показатель роста интенсивности движения во времени (q > l);

N₁ - фактическая интенсивность движения, приведенная к расчетной нагрузке;

g - параметр, принимаемый в зависимости от типа дорожной одежды;

w* - коэффициент, учитывающий агрессивность воздействия расчетных автомобилей в разных погодно-климатических условиях;

А; В - эмпирические коэффициенты, характеризующие способность дорожной одежды сопротивляться воздействию многократно повторяющихся нагрузок;

Е_ф - фактический модуль упругости дорожной конструкции на рассматриваемый момент времени, МПа;

X_i - параметр, зависящий от проектной надежности дорожной одежды;

К_ПР - коэффициент относительной прочности дорожной одежды;

К_РЕГ - региональный коэффициент;

K_Z - показатель, определяющий особенность работы дорожной одежды под воздействием движения;

К_СИ - коэффициент, учитывающий сопротивление конструктивных слоев дорожной одежды сдвигу и растяжению при изгибе.

Остаточный срок службы дорожных одежд федеральных автомобильных дорог разных категорий определяли по характерным участкам, различающихся фактической интенсивностью движения транспортного потока и модулем упругости дорожных конструкций. Дифференцирование дорог осуществляли из расчета, чтобы характерные участки различались по модулю упругости не более 12-15%.

Приведение состава движения к расчетным нагрузкам осуществляли в соответствии с ОДН 218.046-01 [3]. Состав движения принят одинаковым для всех дорог, % - в среднем: легковые - 20, грузовые автомобили типа ГАЗ -23, грузовые автомобили типа ЗИЛ -25, грузовые автомобили типа МАЗ - 17, автопоезда типа КамАЗ - 10, автобусы типа ЛАЗ -5.

Требуемые модули упругости дорожных конструкций Е_ф назначали (в соответствии с [1]) на перспективу, соответствующую региональным нормам межремонтных сроков службы дорожных одежд [4]. При этом для дорог I - III категорий рассматривали конструкции с дорожными одеждами капитального типа, а для дорог IV категорий - облегченные конструкции.

Затраты на капитальный ремонт (С_КР) определяли в соответствии с ОДН 218.0.006-2002 [2] по формуле стоимости усиления, уточненной коэффициентом удорожания К_уд, учитывающим дополнительные затраты при капитальном ремонте, связанным с перестройкой дорожной одежды, восстановлением водопропускных труб, перестройкой примыканий и устройством дополнительных полос на подъем.

С_КР = 4000·(2,718^{0,0075·Eтр} - 2,718^0,0075·Еф)·Z_д·В_ш·К_т·Х_д·К_уд, руб/км                             (2)

где

Z_д - эмпирический коэффициент, учитывающий затраты по другим видам работ, осуществляемым одновременно с работами по усилению дорожной одежды;

В_ш - ширина проезжей части, м;

К_т - территориальный коэффициент стоимости;

Х_д - коэффициент изменения стоимости усиления дорожной одежды по отношению к 1991 году:

                                                                                                                   (3)

где S_t - текущий курс рубля.

Коэффициент удорожания:

                                                                                                                   (4)

где

С_у - затраты на усиление дорожной одежды по ОДН 218.0.006-2002, руб/км;

С_к - полные затраты на капитальный ремонт, руб/км.

С использование данных Росавтодора о средней стоимости 1 км капитального ремонта в 2006 г. значение коэффициента удорожания колеблется в пределах 1,53 - 5,48 для федеральных дорог I-IV категорий. По данным Росдорнии значение этого коэффициента может достигать, соответственно, величин 2,32 - 4,8.

В качестве примера использования предлагаемой методики в табл. 1 представлены исходные данные из АБДД «Дорога», а в табл. 2 - результаты расчета остаточных сроков службы дорожных одежд, требуемых модулей упругости конструкций и требуемых затрат на капитальный ремонт федеральных автомобильных дорог I - IV категорий, расположенных в I - II дорожно-климатических зонах.

Расчеты свидетельствуют, что при принятом условии ремонта (критерий - остаточный срок службы дорожной одежды) необходимые затраты на капитальный ремонт федеральных автомобильных дорог, расположенных только в I - II дорожно-климатических зон (ДКЗ) составляют более 35 млрд.руб., что в настоящее время [5] значительно превышает фактические объемы финансирование капитального ремонта (15,826 млрд.руб.). Принимая это во внимание, указанная стратегия капитального ремонта участков дорог с остаточным сроком службы до 1-2 лет является преждевременной. В настоящее время целесообразно в первую очередь капитально ремонтировать дороги с полностью выработанным ресурсом по сроку службы дорожной одежды (Т_ост = 0). При этом потребуется капитально отремонтировать 127 км + 250 км + 180 км соответственно дорог I, II и IV категорий с общими затратами всего ~ 7 млрд.руб. В следующем текущем году капитальный ремонт потребуется на дорогах с остаточным сроком службы 1 год (187 + 557 + 527 км дорог, соответственно, I, II и III категорий) с затратами ~ 12,7 млрд.руб.

Конкретные адреса выполнения работ определяют по данным АБДД «Дорога». В случае если капитальный ремонт будет выполнен не полностью, необходимо предусматривать дополнительные затраты на ликвидацию недоремонта (рис.1).

По результатам ежегодно выполняемых работ уточняют исходные данные (см. табл. 1 и пересчитывают потребность в затратах на капитальный ремонт.

Аналогично может быть оценена потребность в затратах на капитальный ремонт дорог, расположенных в других дорожно-климатических зонах.

Предложенная методика позволяет организовать ежегодный мониторинг изменения состояния дорожных одежд по прочности и осуществлять прогноз потребности в финансировании капитального ремонта федеральных автомобильных дорог по критерию остаточного срока службы дорожных одежд.

Рис.1. Рост дополнительных затрат на капитальный ремонт с учётом задержек проведения ремонтных работ (данные Дирекции Дороги России)

Таблица 1

Исходные данные диагностики автомобильных дорог на 2005 год (I - II  ДКЗ)

Таблица 2

Результаты расчета остаточного срока службы, Т_ост (лет)

Величины требуемого модуля упругости дорожной конструкции Е_тр, МПа

 

Затраты по участкам при полном выработанном ресурсе (Т_oст= 0) Итого 7318,88 млн,руб.

ЛИТЕРАТУРА

1. ОДН 218.1.052-2002. Оценка прочности и расчет усиления нежестких дорожных одежд.(взамен ВСН 52-89) /Росавтодор Министерства транспорта РФ, -М. : Информавтодор, 2002.

2. ОДН 218.0.006-2002 "Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог" (Взамен ВСН 6-90) /Росавтодор. - М: Информавтодор, 2002.

3. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд /Росавтодор. Министерства транспорта РФ. - М.: Информавтодор, 2001.-145 с.

4. Региональные и отраслевые нормы межремонтных сроков службы нежестких дорожных одежд и покрытий (ВСН 41-88) / Минавтодор РСФСР. - М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1988.-8с.

5. А.В. Чернигов, И.К. Матвеев. Основные направления повышения уровня содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них. //Сообщение на семинаре «Летнее содержание автодорог и искусственных сооружений и их транспортно-эксплуатационное состояние». - г. Павловск, 26 июня-01 июля 2006 г.

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВА ПУНКТОВ СБОРА ПЛАТЫ ЗА ПРОЕЗД ПО ДОРОЖНЫМ СООРУЖЕНИЯМ

Д-р экон. наук Э.В. Дингес (МАДИ-ГТУ),
инж. А.В. Степанов (ОАО «Мосавтодор и партнеры»)

Реализация разработанных в последние годы инвестиционных проектов создания платных автомобильных дорог в России предъявляет повышенные требования к их технико-экономическому обоснованию, так как какой-либо опыт коммерческого строительства и эксплуатации дорожных сооружений в нашей стране до настоящего времени практически отсутствует. Особенно это относится к вопросам создания и обеспечения нормальных условий жизнедеятельности, необходимых в таких случаях систем сбора платы за проезд, которые в целях эффективного функционирования платных дорожных сооружений должны предусматривать:

• выбор оптимальных схем размещения, числа и объемно-планировочных решений пунктов сбора платы за проезд в зависимости от условий функционирования платных дорожных сооружений;

• рационализацию способов сбора платы за проезд и режима работы пунктов взимания платы за проезд;

• наименьшие затраты на организацию и эксплуатацию системы сбора платы за проезд при заданном режиме пропуска транспортных средств через пункты взимания платы за проезд;

• исключение несанкционированного проезда транспортных средств по платному дорожному сооружению;

• пропуск в свободном режиме (без задержек) транспортных средств, обладающих правом бесплатного проезда по дорожному объекту;

• адаптацию системы сбора платы за проезд к изменению условий и режимов движения транспортных средств, а также к проведению различного рода профилактических и ремонтно-восстановительных мероприятий на платных дорожных объектах.

Очевидно, что выполнение указанных требований невозможно без соответствующих многовариантных проработок конкурентоспособных схем, способов и организационных форм проектирования систем платы за проезд по дорожным сооружениям и разработки руководства или методических рекомендаций по их экономическому обоснованию. Вместе с тем, следует констатировать, что до недавнего времени такого рода документы никем не разрабатывались.

В связи с этим высокую актуальность и несомненный практический интерес представляет исследование экономических вопросов, связанных с формированием эффективных систем сборы платы за проезд по коммерческим дорожным сооружениям с учетом конкретных условий их строительства и эксплуатации.

Как известно из зарубежного опыта инвестирования в строительство платных автомобильных дорог, плата за проезд транспортных средств в общих доходах от их коммерческой эксплуатации составляет 85-95% [1,2] и поэтому от степени соответствия размеров запланированного и фактического ее сборов в первую очередь зависят результаты финансовой деятельности всех без исключения участников инвестиционного процесса. Практика строительства коммерческих транспортных объектов во всем мире наглядно свидетельствует о том, что именно снижение фактического уровня сбора платы за проезд транспортных средств по сравнению с прогнозируемым приводит к крупным финансовым потерям и даже банкротствам управляющих компаний в этой весьма капиталоемкой и рискованной сфере привлечения частного капитала.

Конечно, главной причиной недосбора платы за проезд является переоценка платежеспособного спроса на дорожные услуги, т.е. допущенные при разработке бизнес-планов строительства платных дорожных сооружений ошибки в сторону завышения ожидаемой интенсивности движения по ним.

Однако, наряду с такими ошибками, существенное влияние на величину фактических размеров движения и, следовательно, платы за проезд оказывают и возникающие при проектировании этих систем просчеты в определении рационального количества пунктов ее взимания, их размещения, способов и технологии сбора платы за проезд.

В связи с этим одной из наиболее важных задач проектирования указанных систем является задача оптимизации количества пунктов сбора платы за проезд, которая в самом общем виде может быть сформулирована следующим образом. Для заданных условий движения транспортных средств по платному дорожному сооружению требуется определить такое количество размещаемых на нем пунктов сбора платы за проезд (ПСП), при котором суммарные дисконтированные затраты на их создание и обслуживание (включая стоимость потерь времени в очереди на ожидание этого обслуживания) были бы минимальными.

В формализованном виде критерий решения этой задачи можно записать следующем образом:

                               (1)

где

Q - количество пунктов сбора платы за проезд;

q - порядковый номер пункта сбора платы за проезд (q = 1,2, ... ,Q);

K_q - капитальные вложения в строительство q-гo пункта сбора платы за проезд;

К_рд - затраты на строительство дополнительных пунктов сбора платы за проезд в связи с увеличением интенсивности движения по платному дорожному сооружению;

C_обqt - годовые затраты на обслуживание q-гo пункта сбора платы за проезд в t-м году;

t_рд - расчетный срок строительства дополнительных пунктов;

ρ_qt - потери от простоев транспортных средств у q-гo пункта взимания платы за проезд в t-м году;

Т_ср - срок сравнения вариантов (рекомендуется принимать равным 10 годам);

Е - норма дисконта при расчете коммерческой эффективности.

Из анализа составляющих критерия (1) следует, что основная сложность его практического применения состоит в расчете потерь от ожидания автомобилями обслуживания у пунктов сбора платы за проезд. Вместе с тем, нетрудно показать [3], что в условиях пуассоновского закона прибытия к ним автомобилей, данные потери могут быть достаточно легко установлены по базовым формулам теории массового обслуживания (табл.1).

Таблица 1

Предельные характеристики функционирования многоканальной системы сбора платы за проезд с ожиданием

На основе критерия (1) и расчетных формул табл.1 авторами статьи была разработана специальная программа расчетов оптимального количества пунктов взимания платы за проезд в системе электронных таблиц Microsoft Excel.

Для иллюстрации возможностей разработанной программы рассмотрим порядок проектирования с ее использованием одноканальной и многоканальной систем сбора платы за проезд.

В первую очередь отметим, что использование одноканальной системы сбора платы за проезд является эффективным только при относительно небольшой интенсивности движения по платному дорожному сооружению, которая, как показали выполненные расчеты, не может превышать 120 авт/ч даже при самой высокой средней скорости их обслуживания на пункте взимания платы за проезд, равной 5 авт./с. Как видно на рис.1, начиная примерно с этой интенсивности движения, имеет место резкое увеличение расходов, связанных с организацией платного проезда, при наличии только одного пункта сбора платы за проезд по сравнению с двумя, что обусловлено существенным ростом стоимости простоев автомобилей в очереди на обслуживание к этому пункту.

Рис.1. Сопоставление суммарных затрат на организацию платного проезда при одно канальной и двухканальной системах сбора платы за проезд
—— одноканальная система   – – двухканальная система

Очевидно, что со снижением интенсивности сбора платы за проезд рациональная область использования одноканальной системы становится еще меньше. Так, например, при скорости обслуживания 6 авт/мин ее целесообразно применять при интенсивности движения не превышающей 60 авт/ч, а при скорости обслуживания 4 авт/мин - при интенсивности движения не более 40 авт/ч.

Вместе с тем на практике возможны ситуации, когда даже при интенсивности движения превышающей 120 авт/ч создание двухканальной системы сбора платы за проезд технически невозможно или экономически нецелесообразно (например, в горных условиях). В таких случаях оптимизация проектных решений по организации платного пропуска транспортных средств сводится к определению наиболее рационального режима их обслуживания на единственном пункте ее сбора. Это означает, что, при заданной интенсивности поступления автомобилей на пункт сбора платы за проезд, необходимо так организовать их обслуживание (выбрать такой способ сбора платы за проезд), при котором простои автомобилей в ожидании этого обслуживания находились бы в пределах допустимых значений.

Подобная задача возникает и тогда, когда при определении способа сбора платы за проезд, наряду с уже учтенными факторами (затратами на создание и эксплуатацию пунктов сбора платы за проезд и стоимостью простоев автомобилей), приходится рассматривать и другие факторы: расстояние, скорость и себестоимость пробега транспортных средств по платному дорожному сооружению.

Как следует из теории массового обслуживания, предельным режимом функционирования одноканальной системы сбора платы за проезд является условие λ = μ, т.е. ситуация, при которой интенсивность поступления автомобилей на ПСП равна интенсивности их обслуживания. Однако такая ситуация на практике может возникнуть в единичных случаях, так как при наличии альтернативного маршрута только редкий пользователь платного дорожного сооружения согласиться стоять в большой очереди к этому пункту.

Тем не менее, очевидно, что допустимое время ожидания обслуживания любым потенциальным потребителем платных дорожных услуг может быть оценено исходя из выгодности для него этих услуг. При этом предельная ситуация (связанная с отказом от использования платного дорожного сооружения) будет иметь место тогда, когда экономия пользователя от проезда по нему будет равна нулю.

В математической форме указанное условие можно представить в следующем виде:

С_ПТ_ож = ηС_эТ_э,                                                                                                           (2)

где

С_П - средняя стоимость 1 ч простоя автомобиля, руб.;

Т_ож - среднее время ожидания автомобилем обслуживания, ч;

С_э - средняя стоимость 1 ч эксплуатации автомобиля, руб.;

Т_э - среднее время движения по платному дорожному сооружению, ч;

η - доля экономии от снижения себестоимости пробега по платному дорожному сооружению по сравнению с альтернативным (бесплатным).

Если исходить, что отношение С_э/С_П в формуле (2) для заданного транспортного потока является постоянным и принять его равным b, то отношение времени ожидания автомобиля в этом потоке ко времени движения можно представить следующим образом:

                                                                                                       (3)

Допустим, что доля экономии от снижения себестоимости пробега составляет 5% (η = 0,05), a b = 3, тогда максимальное время ожидания автомобилем обслуживания не должно превышать 15% времени проезда по платному дорожному сооружению (Т_ож = 0,15Т_э). С использованием формулы Литтла [3] можно установить, что при указанных значениях η и b максимально возможное количество автомобилей в очереди N_ож не должно превышать 0,15λТ_э.

Исходя из этих регламентирующих условий и варьируя показателями интенсивности движения и обслуживания автомобилей на пункте сбора платы за проезд, можно для любой конкретной ситуации определить диапазон возможных их соотношений, при которых потребителям дорожных услуг целесообразно использовать платное дорожное сооружение. Для этого сначала надо рассчитать среднее время движения автомобилей по платному дорожному сооружению, а затем с использованием формулы (3) определить максимально допустимое время их ожидания обслуживания и, следовательно, требуемые параметры проектируемой системы сбора платы за проезд.

С целью упрощения решения этой задачи, предполагающей в конченом итоге установление эффективной области использования одноканальной системы сбора платы за проезд, были построены графики зависимостей основных параметров данной системы массового обслуживания (вероятности ожидания обслуживания, среднего количества автомобилей в очереди и среднего времени пребывания их в очереди) от интенсивности их движения и обслуживания, которые приведены на рис. 2 - рис. 4.

Анализ указанных графиков позволяет сделать следующие выводы:

- имеет место нелинейная связь всех рассматриваемых показателей одноканальной системы сбора платы за проезд с интенсивностью обслуживания автомобилей, так как с ее увеличением степень влияния этого фактора на указанные показатели все более и более снижается;

- зависимости среднего количества автомобилей в очереди и среднего времени их ожидания в очереди от интенсивности прибытия автомобилей к ПСП при достаточно высокой интенсивности их обслуживания (начиная с 10 авт/мин) являются практически линейными.

Покажем порядок использование одного из приведенных графиков на конкретном примере. Предположим, что рассматривается возможность устройства одноканальной системы сбора платы за проезд на мостовом переходе длиной 1,5 км. Средняя расчетная скорость движения автомобилей по нему составляет 90 км/ч. Таким образом, время проезда по сооружению составляет 0,017 ч (1,5/90) или примерно 1 мин.

Если исходить из ранее принятого допустимого соотношения между временем ожидания обслуживания и временем движения по платному объекту, равному 0,15, то, очевидно, что максимально возможное время ожидания обслуживания не должно превышать 0,15 мин.

Обратившись к рис. 4, нетрудно видеть, что данное условие будет соблюдаться при скорости обслуживания автомобилей на ПСП от 6 до 12 авт/мин при любой рассматриваемой интенсивности их движения (0,4-2 авт/мин), а также при скорости обслуживания 4 авт/мин при интенсивности движения до 1,5 авт/мин. Указанные параметры в конечном итоге и определяют область рациональных решений по проектированию одноканальной системы сбора платы за проезд.

Теперь перейдем к рассмотрению порядка оптимизации принимаемых решений при проектировании многоканальной системы сбора платы за проезд. Для его иллюстрации решим следующую задачу.

Пусть прогнозируемая интенсивность движения автомобилей по платному дорожному сооружению составляет 10 авт/мин (600 авт/ч), а скорость их обслуживания на одном пункте взимания платы за проезд - 6 авт/мин. Известно также, что стоимость строительства одного ПСП (включая затраты на устройство соответствующей расширительной площадки, а также плату за землю) по ориентировочным расчетам может быть принята в размере 1050 тыс. руб., а стоимость его годового обслуживания - в размере 786 тыс. руб. Средняя стоимость простоя одного автомобиля в ожидании обслуживания для прогнозируемого состава транспортного потока составляет 140 руб./ч.

Требуется рассчитать оптимальное количество пунктов взимания платы за проезд, если известно, что принятая коммерческая норма дисконта составляет 12%.

Результаты выполненных расчетов по критерию (1) приведены на графиках рис. 5. Как видно из этого рисунка, при заданных условиях движения и обслуживания автомобилей наиболее целесообразным является создание пяти пунктов взимания платы за проезд, так как только при таком их количестве обеспечивается минимум суммарных дисконтируемых затрат на организацию платного проезда, который в данном случае равен 30,091 млн.руб. Любое другое решение, как в сторону снижения количества создаваемых пунктов сбора платы за проезд, так и в сторону их увеличения приводит к росту этих затрат.

Анализ представленных (см. рис. 5) графиков позволяет сделать вывод также и о том, что темп роста затрат на строительство и обслуживание системы сбора платы за проезд значительно меньше, чем темп снижения стоимости потерь автомобилей от ожидания в очереди в результате увеличения количества создаваемых ПСП. Это свидетельствует о том, что снижение потерь от простоев автомобилей у пунктов взимания платы за проезд является наиболее значимым и, как правило, решающим фактором при проектировании любых систем ее сбора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иностранный опыт в области платных дорог и привлечения частного капитала в дорожном секторе. Выступления на международной конференции «Финансирование автомобильных дорог» Всемирный банк. - М, 12-13 ноября 1998 г.

2. Положение в области организации платных автодорог и перспективы на будущее. Материалы семинара «Опыт Японии по финансированию строительства платных автомобильных дорог». -М: Корпорация «Трансстрой», 1998.

3. Лабскер Л.Г., Бабешко Л.О. Теория массового обслуживания в экономической сфере. Учебное пособие для вузов. - М.: Банки и биржи, ЮНИТИ, 1998.

О МЕТОДОЛОГИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ИХ МОДЕРНИЗАЦИИ

Кандидаты техн. наук М.М. Девятое,
И.М. Вилковя (ВолГАСУ)

Обзор состояния безопасности дорожного движения в Российской Федерации [1], выполненный Европейской конференцией министров транспорта (ЕКМТ), совместно со Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) и Всемирным банком реконструкции и развития, свидетельствует о том, что дорожная сеть России конструктивно не рассчитана ни на безопасное пользование легковыми автомобилями при все более возрастающих объемах движения, ни на обеспечение безопасности пешеходов. В целом, нормы и правила инженерного обеспечения безопасности движения, в отношении всей дорожной сети, низкие, лишены четкой детализации и плохо соблюдаются.

В связи с этим становится очевидным, что безопасность дорожного движения должна стать центральным элементом планирования, проектирования, эксплуатации и модернизации дорожной сети, включающим целый спектр стратегий и мероприятий.

Как показывает опыт европейских стран, планирование с учетом безопасности движения включает классификацию дорог и установление пределов скорости движения в соответствии с функцией дороги, а также разделение, где это возможно, моторизованного движения от немоторизованного. Эффективное проектирование - это самоочевидное, легко понятное пользователям расположение дорог, снижение скорости на определенных участках, обеспечение равномерности движения, использование защитных дорожных ограждений и внедрение аудита безопасности.

Одним из мероприятий, необходимых для повышения безопасности движения в России, по мнению ЕКМТ [1], является изменение классификации дорожной сети, которое предлагается включить в разрабатываемую в России программу инженерного обеспечения безопасности дорожного движения.

Рекомендуется пересмотреть существующую в России классификацию дорог по подчиненности, прежде всего на городских территориях, с тем, чтобы создать систему функциональной классификации, в достаточной мере учитывающую вопросы землепользования, участки возникновения ДТП, транспортные и пешеходные потоки и задачи обеспечения безопасности движения, включая регулирование скорости. Это позволит создать основу для системного управления безопасностью движения через стандарты на дорожные конструкции, ограничение скорости, планировку и эксплуатационные условия дорог, а также для повышения безопасности движения, в частности, за счет поощрения надлежащего выбора скорости движения в установленных пределах. Именно этому отвечает введенная, в соответствии с постановлением правительства РФ, новая классификация автомобильных дорог [2]. Для обеспечения ее реализации на инженерном уровне представляется целесообразным проанализировать зарубежный опыт и предложить комплексную систему определения классификационных признаков конкретных автомобильных дорог общего пользования.

Исследования, проведенные в Нидерландах [1], показали, что 2/3 городской сети можно перевести в категорию дорог в жилых районах с ограничением скорости до 30 км/ч, чтобы уменьшить риск ДТП с участием пешеходов.

По графику, согласованному с правительством и органами дорожного надзора, новая система классификации была внедрена за два года. Нидерландская функциональная иерархия дорог позволяет устанавливать соответствующие ограничения скорости, геометрические параметры, стандарты ровности и эксплуатационного состояния дорог с транзитными, распределительными и подъездными функциями. В городских районах делается различие между подъездными дорогами к жилым кварталам, (на которых, в масштабе всего района, можно устанавливать пониженный предел скорости) и другими подъездными дорогами.

Нидерландская иерархия дорог выглядит следующим образом:

Дороги с функцией Потока: дороги для транзитного движения от места отправления до места прибытия, предназначенные для безостановочного сквозного движения. Предельные скорости составляют 100-120 км/ч при полном разделении транспортных потоков.

Дороги с функцией Доступа: дороги для въезда/выезда в определенный район, которые состоят из распределительных дорог (с приоритетом транзитного движения) и местных распределительных дорог (с равными правами моторизованного и не моторизованного местного движения, но с разделением пешеходного и автомобильного движения, где только возможно). Эти дороги имеют функцию соединения движения легкового транспорта въезжающего или выезжающего с территорий больших городов, деревень и сельских районов, со смешанным движением на ограниченных участках. Предельные скорости составляют 50 км/ч в зонах застройки и 80 км/ч вне. Обязательными характеристиками являются: отдельные дорожки для пешеходов и велосипедистов, двухполосные дороги, разделение транспортных потоков на всем протяжении дороги, регулирование скорости и право преимущественного проезда на главных перекрестках.

Дороги для Доступа к жилью: дороги для подъезда к личному жилью, магазину или компании - с приоритетом пешеходов, велосипедистов. Преобладающее большинство дорог выполняет функции доступа для транспортных средств с постоянным чередованием движения. Предельные скорости в городах и сельских населенных пунктах составляют не более 30 км/ч. В сельской местности приемлемы скорости не более 40 км/ч на перекрестках и въездах и 60 км/ч - в остальных местах.

Там, где дорога выполняет несколько функций, обычно используется самая малая из предельных скоростей, допустимых для каждой из этих функций.

В США автомобильные дороги классифицируются в соответствии с их функциональным назначением - функциональная классификация (табл. 1), и по подчиненности - частные, муниципальные, штатов и федеральные дороги [3].

Таблица 1

Функциональная классификация автомобильных дорог США

Разница между терминами (freeway) и (expressway) в том, что первые характеризуются полным контролем въезда, означающим, что въезд и выезд на эти автомагистрали допустим только на въездах и выездах с транспортных развязок, а вторые имеют частичный контроль въезда, означающий что въезд и выезд на этих магистралях может осуществляться непосредственно с прилегающих территорий или через ограниченное число пересечений в разных уровнях [3].

В Германии в основу классификации дорог, которая представляет собой довольно сложную систему, положен принцип категорирования дорог в зависимости от их расположения (внутри или вне застроенной территории), функционального назначения дороги, что является решающим при ее проектировании (соединение населенных пунктов, узлов транспортной сети и т.п.); освоения различных территорий - дороги различного класса в застроенной зоне, участки подъездов в застроенной зоне и т.п.; подъездные дороги, выполняющие функции соединения, а в большей степени функции стоянок и остановок) [4].

В отдельных случаях классификация автомобильных дорог основывается на тех или иных видах работ по содержанию. Так в северных странах, где зимнее содержание дорог является очень важным видом деятельности, дороги классифицируются на основе своей функциональной иерархии и интенсивности движения в зависимости от стандарта работ по зимнему содержанию (табл. 2). Разным классификациям дорог соответствуют разные стандарты и уровни вмешательства.

Таблица 2

Функциональная классификация автомобильных дорог в зависимости от стандарта работ по зимнему содержанию

Примечание. А-Е разные стандарты зимнего содержания и уровни вмешательства.

В предлагаемой, новой классификации дорог России [1,5] в качестве одного из основных принципов предлагается обеспечение нормативного уровня потребительских свойств дороги, которые будут определяться уровнем обеспечиваемой скорости движения транспортного потока и уровнем удобства и безопасности движения для дорог различных категорий. В предлагаемой градации дорог для большинства категорий предполагаются постоянные значения расчетной скорости и ограничения по вероятной интенсивности движения.

Вместе с тем, проведенный выше анализ позволяет предложить в качестве главенствующего критерия функциональный подход к классификации эксплуатируемых дорог в целях их модернизации.

На наш взгляд, с учётом анализа традиционных понятий [6], ранее выполненного автором, а также идей, заложенных в современных работах, посвященных проблемам модернизации автомобильных дорог, но не дающих чёткого определения этому понятию, более обоснованным представляется следующее современное понятие. Модернизация автомобильных дорог - это приспособление сети, отдельных участков или элементов дорог, на основании результатов мониторинга, к современным условиям эксплуатации, связанным с изменением функционального назначения дорог, их участков, элементов, или прилегающей зоны, путём проведения комплекса соответствующих мероприятий, корректирующих потребительские качества дорог.

Рис.1. Блок-схема принципиального подхода к обоснованию системы потребительских качеств для оценки автомобильных дорог с учётом многообразия их функций

Из предложенного понятия и сути процесса модернизации следует, что он может проводиться последовательно на основе постоянно ведущегося мониторинга состояния автомобильных дорог, транспортных условий, безопасности движения, окружающей среды и с учётом общественного мнения. В сложных условиях эксплуатации автомобильных дорог, складывающихся под воздействием многообразных факторов и разнообразного влияния дороги на транспортные, экономические, социальные и общественные процессы, представляется целесообразным разностороннее системное рассмотрение этого вопроса.

При этом, воспользовавшись принципами системного анализа (принцип конечной цели, единства, связности, модульности и иерархии цели и задач), представим блок схему принципиального подхода к обоснованию системы потребительских качеств для оценки автомобильных дорог (рис. 1) [7], в соответствии с которой, роль автомобильных дорог кроется в многообразии их функций, являющихся основой национального развития страны. При конкретизации роли, в зависимости от разнообразия функций прилегающих к дороге территорий, можно выделить две области, которые с одной стороны имеют противоречивые функциональные свойства, а с другой - накладываются друг на друга: это транспортная роль и роль дорог, как мест общественного пользования. Противоречивость заключается в разной оценке их назначения непосредственными активными пользователями дорог и пассивными пользователями - теми, кто проживает в зоне их воздействия на окружающую среду, но вместе с тем, наряду с негативным воздействием, пользуется и благами близкого расположения транспортных артерий. В свою очередь противоречивая роль дорог порождает многообразие их непосредственных функций и потребительских качеств, необходимых для их оценки и требует детальной проработки.

Удобно для разделения сети дорог на классы, ввести концепцию функциональной иерархии, в рамках которой дороги отвечают определенным общим целям, нормам и уровням внешнего воздействия. На основе такой иерархии, можно строить соответствующую систему потребительских качеств, необходимых для обоснования модернизации автомобильных дорог или их отдельных участков. Такой подход позволяет также учесть соответствующий уровень финансирования дорог различных категорий, в соответствии с постановлением Правительства РФ № 209 от 11 апреля 2006г. [1].

Потребительские свойства дороги, по мнению авторов, должны определяться ее ведущими функциями и условиями проложения. В качестве ведущих (определяющих) потребительских функций предлагается выделить три основных: соединение, освоение и остановки.

Соединение - функциональное назначение дороги, означает обеспечение транспортных связей крупных регионов, больших и малых населенных пунктов, внутригородских районов.

Освоение (подъезды) - функциональное назначение дорог - собирать транспортные потоки тех дорог, которые выполняют (подъездные дороги) соединительные функции, т. е. роль, связанная с освоением грузообразующих территорий.

Остановки - функциональное назначение дорог - подъезды непосредственно к грузообразующим точкам. В таких местах, как правило, наблюдается значительное количество останавливающихся транспортных средств (торговый, общественный, личный, служебный транспорт, мусороуборочные машины и т.п.). Здесь выполняется большое число маневров, связанных с остановками, стоянками, троганием с места.

Допустим, если дорога имеет в качестве ведущей функции соединение населенных пунктов, то главенствующая роль при проектировании будет отводиться скорости и безопасности движения транспортного потока. Если же дорога имеет функцию освоения каких-либо территорий, то предпочтение отдается удобству и безопасности движения транспортных потоков и пешеходов, а также удобству работы и проживания на прилегающих территориях. Исходя из этого, предлагается изменить принципиальный подход к определению категории дороги, прежде всего в сторону удовлетворения потребительских свойств дороги, которые диктуются её ведущей функцией, а также характером прилегающей к дороге территории (застроенная, незастроенная, предполагаемая для (освоения) застройки) и значением дороги с точки зрения выполнения связующих функций в сети автомобильных дорог.

Безусловно, отдельные категории дорог не могут выполнять в чистом виде одну из функций - происходит наложение функций друг на друга в разном объеме. Поэтому категорийный индекс предлагается определять по преобладающей функции, т. е. той функции, которую дорога выполняет для 50 % транспортных средств, движущихся в общем потоке (рис. 2).

Учитывая изложенное, предлагается, с учетом принятого постановления [1], классифицировать автомобильные дороги общего пользования на шесть категорийных групп. При этом в качестве ведущего принципа отнесения дороги в ту или иную группу принять связующую роль дороги (табл. 3) в общей сети дорог.

Таблица 3

Предлагаемая классификация автомобильных дорог в России

Кроме того, внутри категорийных групп предлагается провести деление дорог по главенствующей (определяющей) функции дороги (соединение, освоение, остановки), а также в зависимости от характера расположения дороги (внутри или вне застроенной местности) и характера прилегающей территории - застроенная и незастроенная (рис. 2) [8].

Для более четкого определения принадлежности дорог по категорийному индексу предлагаются следующие пояснения.

Категорийный индекс А присваивается дорогам (участкам дорог), расположенным на незастроенных территориях и предназначенным в основном для обеспечения связи между населенными пунктами или их частями. Требования к потребительским свойствам дорог этой группы диктуются функцией соединения.

Категорийный индекс Б объединяет дороги, расположенные в пригороде и в застроенных районах, но сама придорожная полоса при этом остается незастроенной. На основную функцию соединения накладывается в незначительной степени функция освоения. Определяющей функцией остается соединение, но диктуемые этим обстоятельством требования к потребительским качествам несколько снижаются, так как территория в целом застроена, и также должно учитываться некоторое наложение функции освоения.

Рис.2. Спираль индексационных признаков автомобильных дорог

Категорийный индекс В присваивается дорогам (участкам дорог), имеющим застроенную придорожную полосу, выполняющим функции: соединения (преобладающая), освоения и остановки. Определяющими требованиями к проектированию и обустройству этих дорог является обеспечение потребительских свойств, диктуемых функцией соединения, ограниченных характером и размерами прилегающей застройки.

Вместе с тем для дорог этой группы не следует пренебрегать функциями освоения и остановки. В зависимости от их интенсивности (объеме) разрабатываются мероприятия по снижению скорости. Кроме того, на этих дорогах, имеющих, как правило, высокую интенсивность, необходимо снижать различными методами негативное воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду.

Категорийный индекс Г присваивается дорогам (участкам дорог), имеющим застроенную придорожную полосу и предназначенным, в основном, для освоения территорий (подъездов к объектам). В определенное время суток эти дороги могут выполнять функцию соединения. Одновременное наложение функций стоянки (остановки) и соединения могут приводить к конфликтным ситуациям, которые необходимо предотвращать. Однако преобладающей функцией, с точки зрения обеспечения потребительских качеств, является функция освоения.

Так как такие дороги интенсивно используются пешеходами, то обеспечение пешеходного движения должно быть разумно сбалансировано с потребительскими качествами дороги, необходимыми для транспортных потоков. Поэтому преобладающими здесь являются решения, связанные с ограничением скорости, а также разнообразные мероприятия в зонах перекрестков и пешеходных переходов.

Категорийный индекс Д присваивается дорогам (участкам дорог) имеющим застроенную прилегающую зону, используемую в основном для остановки (стоянки). Одновременно эти дороги выполняют функции освоения (подъезда); преобладающей функцией, диктующей требования к проектным решениям, является остановка (стоянка) различных транспортных средств в зависимости от прилегающей зоны.

В соответствии с предлагаемой методикой категория дороги определяется в следующей последовательности (рис. 3):

- на первом этапе, в зависимости от связующей роли дороги в общей сети дорог, определяется категорийная группа дороги (см. табл. 3);

- на втором этапе, в зависимости от положения дороги по отношению к застроенной территории, приступают к определению индекса дороги (согласно схеме);

- при расположении дороги внутри застроенной территории переходят к третьему этапу;

- в случае застроенности территории, прилегающей к дороге, переходят к четвертому этапу;

- на пятом этапе определяют номер категорийной группы и индекс, полученный на 2-4-м этапах, устанавливая таким образом категорию автомобильной дороги.

Рис. 3. Последовательность определения категории дороги

Такой подход позволит, взяв за основу классификацию дорог в соответствии с принятым постановлением [1], провести более детальную дифференциацию при делении дорог на индексированные категории. Это даст возможность решать следующие, с точки зрения автора, актуальные, инженерные задачи, такие как:

- максимальная формализация признаков отнесения (деления) дорог, участков сети дорог, к различным категориям (категорийным группам);

- расширение диапазона деления дорог на категории по явным внешним факторам и признакам с одновременной выработкой требований к параметрам таких признаков, а также возможность визуального определения категории дороги по внешним признакам, что безусловно необходимо для перехода к использованию в дорожном деле геоинформационных систем;

- возможность обоснования оптимального перечня, количества и размещения объектов обслуживания движением;

- возможность разработки широкого перечня оптимальных типовых решений и более рационального обоснования их использования;

- введение всей сети дорог, проездов, площадок, улиц в единую классификацию, путем расширения и систематизации внешних (явных) признаков;

- расширение возможностей использования САПР АД;

- рационализация расчетных скоростей движения;

- приближение методов классификации автомобильных дорог к методам, принятым в европейских странах;

- использование дифференцированного подхода:

> к полосе отвода:

- постоянная, временная;

- перспективная;

- экологически безопасная (по уровню экологического воздействия на прилегающую местность, зеленые насаждения, и т.д.);

> к значению расчетной скорости (снижение для отдельных индексов внутри категории);

> к перечню и параметрам элементов обустройства дорог.

ЛИТЕРАТУРА

1. Состояние безопасности движения. Партнерский обзор по стране: Российская Федерация // http://www.cemt.org/

2. О классификации автомобильных дорог в Российской Федерации. Постановление правительства РСФСР от 24 декабря 1991г. за № 61 (в редакции постановления Правительства РФ от 11 апреля 2006г., №209)

3. Papacostas C.S. Transportation Engineering and Planning / C.S. Papacostas. P.D. Prevedouros. Second Edition. 1993. -642 s.

4. Weise, Guenter. Strassenbau: Planting und Entwurf / Guenter Weise / Walter Durch. - Berlin: Verl. fuer Bauwesen, 1997. - 436 s.

5. Лобанов Е.М. Задачи совершенствования отраслевой нормативной базы дорожного хозяйства. //Проектирование автомобильных дорог. Сборник научных трудов МАДИ (ТУ) - М. : МАДИ (ТУ), 2000.-С.12-18.

6. Девятое М.М. О методологических основах проектирования модернизации автомобильных дорог // Проблемы строительства, ремонта, содержания автомобильных дорог Юга РФ и пути их решения. Научно-практическая конференция. / Волгоградский выставочный центр «Регион», сентябрь 2005. - С. 3-9.

7. Девятов М.М. О принципах выбора потребительских качеств для обоснования модернизации автомобильных дорог // Вестник ВолгГАСА. Сер.: Стр-во и архит. - г.Волгоград, 2004, вып. 4(13).-С.45-51.

8. Девятов М.М. О новом подходе к классификации автомобильных дорог // Вестник ВолгГАСА. Сер.: Стр-во и архит. - г.Волгоград, 2002, вып. 2(5). -С.209-215.

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, СПОСОБСТВУЮЩИХ ДОРОЖНОЙ АВАРИЙНОСТИ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Канд. техн. наук В.В. Чванов
(ФГУП РОСДОРНИИ)

Если рассматривать безопасность дорожного движения, как системную характеристику транспортного процесса, то на государственном и региональном уровнях она определяется взаимодействием большой группы факторов, которые можно объединить в следующие подсистемы: автомобильный транспорт, дорожная инфраструктура, участники дорожного движения. Структурная схема указанной системы приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема системы «Безопасность дорожного движения»

Как указывалось выше, состояние системы определяется взаимодействием отдельных элементов подсистем или их основных параметров. Анализ такого взаимодействия применительно к Российской Федерации рассмотрен далее.

К ключевым факторам, способствующим продолжающемуся росту аварийности на дорожной сети Российской Федерации следует отнести темпы увеличения численности парка транспортных средств, определяющие уровень автомобилизации населения, и интенсивность движения транспортных потоков. Действительно, общая численность автомобильного парка по общему числу транспортных средств (за последние 13 лет) выросла в 2 раза, а численность легковых автомобилей - в 2,3 раза (рис. 2).

Рис. 2. Изменение численности парка транспортных средств в Российской Федерации (за исключением мотоциклов):

За период 1992-2005 гг. среднегодовой прирост численности легковых автомобилей в России составил 7,6% (в странах Европы и Северной Америки с развитой автомобилизацией средний прирост - 2-4%).

В результате, начиная с 1995 г., проявилась нарастающая несогласованность высоких темпов роста численности парка транспортных средств и замедленного увеличения (менее 0,5%, в 2005 г. - 0,2%) протяженности дорожной сети в год (рис. 3).

Рис. 3. Динамика развития автомобильного транспорта, дорожной сети и аварийности в России:
1 - численность парка транспортных средств; 2 - протяженность автомобильных дорог; 3 - число ДТП; 4 - число погибших в ДТП

Если сравнивать указанные тенденции с наблюдаемыми в странах ЕС [1], где отмечается стабильно высокий уровень безопасности движения (рис. 4), то для этих стран при уже сложившейся дорожной сети характерен опережающий прирост протяженности дорог высших категорий - автомагистралей и скоростных дорог, по сравнению с ростом численности парка транспортных средств.

Рис.4. Динамика развития автомобильного транспорта, дорожной сети и аварийности в странах ЕС:
1 - объем грузоперевозок; 2 - развитие дорог высшего класса; 3 - парк транспортных средств; 4 - численность населения; 5 - число ДТП; 6 - число погибших в ДТП

При этом следует обратить внимание на то обстоятельство, что, если исходить из численности парка транспортных средств, можно прийти к выводу, что к факторам роста аварийности в Российской Федерации следует отнести не столько дефицит общей протяженности дорог, сколько низкий технический уровень существующей дорожной сети и, прежде всего, недостаточную долю в ее составе дорог высших категорий с высокой пропускной способностью (рис. 5).

Рис. 5. Взаимосвязь численности парка транспортных средств и протяженности дорог в государствах Европы и Северной Америки:
А - общая сеть дорог; Б - автомагистрали и скоростные дороги

Вместе с тем, протяженность дорожной сети России распределена по территории крайне неравномерно. Так результаты исследования той же взаимосвязи применительно к отдельным регионам страны свидетельствуют о том, что для целой группы регионов сохраняется диспропорция развития протяженности дорог общего пользования и численности парка транспортных средств (рис.  6), что сказывается на увеличении загрузки дорог движением и повышает аварийность.

Рис. 6. Взаимосвязь численности парка транспортных средств и общей протяженности дорог общего пользования в регионах России

Данные, приведенные на рис. 7, свидетельствуют, что в регионах, где рост численности транспортных средств значительно опережает увеличение общей протяженности дорожной сети (см. рис. 6), показатели риска дорожного движения и риска здоровью населения на 15-30% выше, чем в регионах, где такая диспропорция выражена в меньшей степени.

Рис. 7. Обобщенные значения показателей риска дорожного движения (А) и риска здоровью населения (Б) для регионов с отсутствием дефицита протяженности дорог (1) и регионов с наличием такого дефицита (2) в зависимости от численности парка транспортных средств (см. рис. 6) исходя из средних значений для Российской Федерации

Имеющиеся диспропорции в развитии подсистем «Автомобильный транспорт» и «Дорожная инфраструктура» можно проследить и на основе анализа влияния автомобилизации населения на безопасность движения.

Основным фактором роста уровня автомобилизации в Российской Федерации является увеличение доходов населения по мере социально-экономического развития государства, как в целом, так и в отдельных регионах (рис. 8).

Рис. 8. Соотношение уровня автомобилизации и доходов населения в Российской Федерации (А) и в отдельных ее регионах (Б)

В качестве характерного момента (до 100 тыс. руб. в год на душу населения) следует отметить некоторое снижение темпов роста автомобилизации населения с увеличением валового внутреннего и регионального продуктов, что может свидетельствовать о постепенном приближении к удовлетворению спроса на легковые автомобили, в том числе с учетом наблюдаемого сокращения численности населения.

В целом, по состоянию на 2005 г. средняя автомобилизация населения в России достигла 180 легковых автомобилей на тысячу жителей, а к 2012-2015 гг. при условии сохранения темпов ее роста может достичь среднеевропейского уровня (рис. 9).

Рис. 9. Обобщенные данные оценки уровня автомобилизации населения в странах Европы и Северной Америки

При этом следует подчеркнуть, что приведенный уровень автомобилизации в России является средним, включая ряд регионов и, особенно, такие мегаполисы как Москва, Санкт-Петербург, другие крупнейшие города страны с дорогами на прилегающих к ним территориях, уровень автомобилизации населения в 2 раза выше и уже в настоящее время близок к среднеевропейскому (рис. 10).

Рис. 10. Обобщенные данные уровня автомобилизации населения в отдельных регионах России:
1 - накопленная частость; 2 - частость

Бурный рост автомобилизации и подвижности населения сопровождается увеличением общего числа ДТП, которое приобрело выраженный характер, начиная со 140 автомобилей на тысячу жителей (рис. 11).

Рис. 11. Влияние автомобилизации населения на общее число ДТП в России

В случае, если говорить об очевидности связи автомобилизации населения и дорожной аварийности, то следует отметить следующее. Целый ряд зарубежных исследований в странах, переживших этап бурной автомобилизации, показывает, что рост мобильности и автомобилизации населения не означает неизбежность более высокого уровня аварийности и численности пострадавших в ДТП. Если принять во внимание социально-экономические аспекты, например, уровень доходов населения, то показатели смертности, в расчете на одно транспортное средство, первоначально возрастают по мере роста валового внутреннего продукта (ВВП), что характерно для стран с низким экономическим развитием, а затем имеют тенденцию к стабилизации и снижению. Так, результаты исследований Всемирного банка, основанные на данных 88 стран за период с 1963 по 1999 гг., показали, что уровень смертности в ДТП в расчете на одно транспортное средство резко снижался, когда доход на душу населения превышал 1180 долл. США [2]. Данное обстоятельство связано с нарастанием эффективности мер (и соответствующих расходов), способствующих решению проблем дорожной аварийности при достижении государствами определенного экономического потенциала.

Для Российской Федерации указанный рубеж удельного показателя ВВП оказался пройденным в 1993 г. и совпал с периодом существенного сокращения числа погибших на 1 тыс. транспортных средств. С 1993 по 1997 гг. показатель риска в дорожном движении сократился почти вдвое (рис. 12). Однако в дальнейшем этот уровень, с незначительными колебаниями, составил 1,1 - 1,2 погибших на 1 тыс. транспортных средств (почти в 6 раз выше, чем в странах ЕС), причём дальнейший рост ВВП на душу населения достиг к 2005 г. - 3800 долл. [3].

Рис. 12. Динамика изменения чист погибших на 1 тыс. транспортных средств в стране (без учета численности мотоциклов)

Очевидно, что рассматриваемый социально-экономический показатель в отношении смертности в ДТП перестает быть достаточно индикативным по мере дальнейшего увеличения доходов населения, без учёта согласованности процесса автомобилизации с развитием дорожной инфраструктуры, повышением технического уровня и эксплуатационных качеств дорог и соответствующих мероприятий, направленных на повышение безопасности дорожного движения.

Среди факторов, оказывающих наибольшее влияние на продолжающееся ухудшение абсолютных показателей аварийности в период бурной автомобилизации населения, следует выделить качественное увеличение темпов роста интенсивности движения в условиях сохраняющейся пропускной способности дорожной сети.

Если говорить об изменении темпов роста интенсивности движения, то за период до 1999 г. ежегодный прирост интенсивности на дорогах I-II категорий составлял 2-3%, а впоследствии существенно вырос и достиг 4% на дорогах II категории (в отдельные годы - до 5-6%) и 7% - на дорогах I категории (рис. 13).

Рис. 13. Динамика роста интенсивности движения транспортных потоков на дорогах I и II категории (за 100% принята интенсивность в 1997г.)

На дорогах III-IV категорий по данным ежегодной диагностики дорог федеральной сети темпы роста интенсивности движения ниже и составляют в среднем 3% в год. В результате федеральная дорожная сеть на 30 % своего протяжения имеет уровень загрузки движением, превышающем оптимальные значения, и на 50 % - дороги I категории. На 30-процентной протяженности дороги I категории имеют уровень загрузки Г, характеризующийся образованием транспортных заторов (рис. 14)

Рис. 14. Относительная протяженность участков федеральных дорог с уровнем удобства движения, превышающим оптимальные значения

Таким образом, результаты анализа подтвердили наличие значительной диспропорции между темпами роста автомобилизации населения и техническим уровнем дорожной сети, выразившейся в неготовности дорог воспринять транспортные потоки высокой интенсивности, что за 5-6 лет эксплуатации дорожной сети привело к количественному повышению уровня загрузки дорог движением и существенному росту общего числа дорожно-транспортных происшествий.

Установленное рассогласование систем «Автомобильный транспорт» и «Дорожная инфраструктура» в общей системе «Безопасность дорожного движения» (см. рис. 1) сформировало условия, при которых наиболее уязвимым ее элементом (фактор, играющий роль своеобразного стабилизатора) стала подсистема «Участники дорожного движения». Элементы этой подсистемы - водители и пешеходы, должны приспосабливаться в своем поведении к достаточно быстро ухудшающейся дорожно-транспортной обстановке. Оценка такого процесса может основываться на показателях риска дорожного движения и уровня автомобилизации населения (рис. 15).

Рис. 15. Взаимосвязь показателя риска дорожного движения и уровня автомобилизации населения в странах Европы и Северной Америки (А) и регионах Российской Федерации (Б)

Анализ зависимостей, представленных на рис. 15, свидетельствует, что при уровне автомобилизации (менее 50-75 транспортных средств на 1 тыс. жителей) наблюдаются наиболее высокие значения показателя риска дорожного движения. Основная причина такого положения в том, что участникам дорожного движения в условиях низкой автомобилизации населения и соответственной интенсивности движения, свойственен повышенный допускаемый риск в дорожном движении, поскольку абсолютные значения показателей аварийности здесь естественно ниже, а ДТП - относительно редкое событие. Это отражается на отношении водителей и пешеходов к безопасности движения, как к несущественной проблеме. Характерным для графика (см. рис. 15) является наличие переходной зоны изменения уровня автомобилизации (с 100-150 до 400 авт. / 1 тыс. чел.), когда показатель риска дорожного движения постепенно уменьшается и переходит в зону стабилизации. Уровень автомобилизации при этом составил более 400 авт. / 1 тыс. чел. и характеризуется низким допускаемым риском дорожного движения. В связи с этим, следует подчеркнуть, что по мнению транспортных психологов, сведения о долговременной динамике изменения показателей аварийности с учетом темпов роста автомобилизации населения являются основой для выводов относительно отношения общества к проблеме безопасности движения, оценки эффективности обучения и выбора модели поведения участников дорожного движения с точки зрения сближения субъективно воспринимаемой и объективной безопасности и, следовательно, являются критерием допускаемого риска в дорожном движении [4]. Если оценивать зависимости с этой точки зрения (см. рис. 15), то следует сделать вывод о более высоком допускаемом участниками движения риске дорожного движения в России по сравнению с его средним уровнем в большинстве европейских стран, имеющих сопоставимый уровень автомобилизации населения. Причиной этого является, как сказано выше, качественно более высокие темпы автомобилизации населения и роста интенсивности, требующие от участников движения достаточно быстрой смены устоявшихся стереотипов и моделей поведения на дороге, ведущих к вероятности ошибочного поведения.

Таким образом, системный анализ состояния и взаимосвязи ряда факторов подсистем «Автомобильный транспорт», «Дорожная инфраструктура» и «Участники дорожного движения», результаты которого приведены выше, позволяет сделать следующие выводы относительно причин неблагоприятной динамики дорожной аварийности в Российской Федерации и определения приоритетных направлений научных исследований, направленных на решение проблемы повышения безопасности движения.

Углубляющийся кризис в сфере безопасности дорожного движения носит системный характер и связан с нарастанием диспропорции темпов развития автомобильного транспорта и дорожной инфраструктуры по основным ее элементам - техническому уровню и эксплуатационному состоянию дорожной сети. Исследования показали, что качественные изменения уровня автомобилизации населения и интенсивности движения транспортных потоков не сопровождались соответствующим развитием дорожной сети, и, особенно, дорог классов высших категорий, что вызывало рост уровня загрузки дорог движением, превышающего границы оптимальных значений. В результате сформировавшиеся сложные и потенциально опасные условия движения на значительном протяжении дорожной сети следует рассматривать как фактор дезорганизующий безопасное поведение участников дорожного движения и способствующий формированию модели поведения с высоким допускаемым риском.

Для преодоления указанных неблагоприятных тенденций, которые, как указывает мировой опыт, не являются неизбежным следствием автомобилизации, необходима реализация комплекса мероприятий с учетом специфики причин формирования аварийности в Российской Федерации. В качестве научного обоснования таких мероприятий следует рассматривать исследования, задачей которых является совершенствование норм проектирования дорог, разработка новых требований к показателям развития и повышения технического уровня и эксплуатационного состояния дорожной сети с приоритетом обеспечения безопасности дорожного движения и высокой надежности работы водителей.

ЛИТЕРАТУРА

1. European Road Statistics 2002. The voice of the European Road. European Vnion Road Federation (ERF), Brussel, 2002. - 36 pp.

2. Всемирный доклад о предупреждении дорожно-транспортного травматизма/пер, с англ. - М.: Издательство «Весь Мир», 2004.-280 с.

3. Чванов В.В. Исследование влияния социально-экономических факторов и развития дорожной сети на безопасность движения. //Наука и техника в дорожной отрасли. - М: изд. «Дороги». -№3.-2005.- С. 34-38.

4. Клеберсберг Дитер. Транспортная психология: Перевод с немецкого./Под редакцией В.Б. Мазуркевича - М.: Транспорт, 1989.- 5367 с.

Раздел II
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АППАРАТА НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ И ТЕОРИИ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬСТВА АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ

Канд. техн. наук В.Ю. Гладков
(фгуп росдорнии)

Автомобильная дорога представляет собой сложное инженерное сооружение, на свойства которого оказывает влияние целый ряд факторов, связанных, главным образом, со строительством дороги. Строительство автомобильной дороги и, прежде всего, качество выполненных работ можно представить в виде системы, на свойства которой оказывают влияние такие факторы, как качество используемых материалов, соблюдение технологии производства работ, культура производства, технический уровень машин, механизмов и оборудования, квалификация рабочих, погодно-климатические условия и прочие.

Любую систему, проявляющую свойства развития, можно описывать соответствующими переменными, характеризующими «рост». Их следует рассматривать как координаты состояния системы. Следовательно, конкретную реализацию возможного процесса строительства логично описать как траекторию z(t) в подходящем пространстве состояний. В широком смысле под развитием следует понимать всякий процесс изменения состояния системы, которая еще не достигла стационарного состояния.

Весь строительный процесс можно представить в виде определенной структуры графа, в которой все элементарные подсистемы являются его вершинами. При этом, важно отметить, что необходимо достаточно точно описывать развитие элементарных подсистем, под которыми подразумеваются отдельные технологические операции. Элементарные характеристики процесса логично описывать посредством дифференциальных уравнений следующего вида*:

                                                                                                    (1)

где

Х₊ - влияние, стимулирующее процесс строительства,

X_- - влияние, тормозящее его.

*Работа выполнена при участии канд. техн. наук И.Ж. Хусаинова

В общем виде процесс строительства можно представить структурной схемой (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема процесса строительства

На процесс строительства влияют как качества подрядчика, так и, может быть в еще большей степени, возможности и качества заказчика, а также разработанных проектных решений. Если провести аналогию с военными операциями, то искусство управления процессом строительства, как и там, заключается, в основном, в эффективном решении неожиданно возникающих проблем, которые не предусматривались планом. В России, в условиях нынешней рыночной экономики, этот фактор, по - видимому, имеет особенно важное значение, и поэтому характеристики процесса развития следует по такому критерию. Возвращаясь к описанию характеристик элементарных процессов, имеем:

                                              (2)

Автономное поведение системы определяется жестким, заранее заданными величинами Х₊ и X_-, и в этом случае оно описывается следующими уравнениями:

                                                                             (3)

Необходимым и достаточным условием осуществления процесса строительства является неравенство:

 f ≥ 0.                                                                                                                           (4)

Под величиной Y следует понимать не только объем строительства, выраженный, например, в кубических метрах земляного полотна, но и количество техники (мощности технических средств), качество работ, объем затраченных финансовых средств и т.п. Для упрощения ограничимся рассмотрением только стимулирующих факторов. Положим, что процесс описывается разделением переменных в правой части, тогда:

                                                                                                          (5)

где f > 0, g ≥ 0 и обе функции непрерывны.

Считая, что

g(X₊) = g₊(t),                                                                                                              (6)

уравнение (5) принимает следующий вид:

                                                                                                         (7)

Относительно функции g можно предположить, что она монотонно возрастает, либо, возрастая, осциллирует, т.е. финансирование строительства может колебаться или изменяться скачками.

Решение уравнения (7) имеет вид:

                                                                                    (8)

Полагая, что функция F монотонно возрастает, можно сделать следующий вывод: из неравенства Х^l₊ > Х₊(t) следует неравенство у^l(t) > y(t).

Строительство автомобильной дороги можно представить в виде иерархического процесса. На i-м уровне можно выделить элементарную подсистему, развитие которой удовлетворяет уравнению (7). При этом, развитие выделенного процесса на i-м уровне зависит от координат состояния другой подсистемы на (i + 1) уровне.

Таким образом, течение i-го технологического процесса описывается уравнением:

                                                                                                (9)

где i = 0,1,2...

При определении основных факторов, влияющих на процесс строительства, следует выделять группы обобщенных и конкретных факторов. Первая группа отражает важность возводимого объекта, его народнохозяйственное значение, социальную, политическую и экономическую сторону. Факторы первой группы используются для первоначальной оценки строительного процесса, исходя из общих представлений по упомянутым выше аспектам. Вторая группа факторов характеризует технологические, производственные, эксплуатационные стороны осуществления строительного процесса. К этой группе факторов относятся:

х₁ - квалификация персонала;

х₂ - система требований к процессу строительства;

х₃ - уровень проектных решений;

х₄ - степень подготовленности производства (финансирование, отвод земель, согласования и т.п.);

х₅ - выполнение обязательств субподрядчиками и поставщиками;

х₆ - характеристики возводимого объекта;

х₁₁ - нехватка квалифицированного персонала;

х₂₁ - неопределенность требований;

х₂₂ - недоработка проектных решений;

х₂₃ - некорректное управление;

х₂₄ - изменения требований в процессе строительства;

х₃₁ - некорректный план проведения работ;

х₃₂ - нехватка выделенных ресурсов и финансовых средств;

х₄₁ - качество технологических операций;

х₄₂ - низкий уровень выполнения технологических операций;

х₄₃ - изношенность оборудования;

х₄₄ - изменения последовательности технологических операций;

х₅₁ - несвоевременные поставки;

х₅₂ - невыполнение договорных обязательств сторонними организациями.

Для дальнейшего учета факторов следует определить их приоритеты и степень влияния P_i на процесс строительства.

Вводя простое линейное соотношение порядка

Р₁ ≥ Р₂ ≥ ... ≥ Р_е,                                                                                                          (10)

рассчитываем P_i по формуле:

                                                                                                         (11)

Если установлено строгое соотношение порядка Р₁ > Р₂ > Р₃ > ... >Р_е, то для определения i-го фактора можно воспользоваться следующей формулой:

                                                                                                                (12)

Если для величины P_i установлено усиленное линейное отношение порядка:

                                                                                                                (13)

где g = 1, l , то для расчета значимости i-го фактора воспользуемся выражением:

                                                                                                                  (14)

Если установлено интервальное отношение порядка a_i ≤ Р_i ≤ b_i, где 0 ≤ a_i ≤ b_i ≤ 1, то воспользуемся формулой:

                                                                                     (15)

Количественный учет значимости каждого фактора во многом будет способствовать установлению траектории развития процесса строительства. Следовательно, целесообразно рассмотреть разновидности вероятностных показателей эффективности строительного процесса [1]. В зависимости от воздействия того или иного фактора:

• вероятность перехода P(S_jt,S_im) процесса из одного состояния в другое

                                                                       (16)

где  - условная вероятность перехода между состояниями S_jt и S_v,t+1, в смежные моменты времени;

• вероятность  процесса строительства по определенной траектории

Если  - множество упорядоченных по времени пар индексов состояния, составляющих k-ю траекторию, то:

                                                                                    (17)

Из-за множественности и сложности оценки факторов, влияющих на процесс строительства, и наложения различных типов неопределенности нет смысла использовать для оценки риска точный математический аппарат. В реальной ситуации лицо, принимающее решение, рассматривает факторы риска как лингвистические переменные: «очень высокий», «средний», «низкий» и т.д. [2].

Поэтому при оценке степени рисков следует использовать нечеткие термины факторов риска [3]. Проводить оценку целесообразно в два этапа. Стадийность оценки риска вызвана тем, что учитывается как фактор риска, так и его важность.

Рассмотрим степени риска факторов и степени важности их характеристик, которые определяются рангами (табл. 1).

Таблица 1

Лингвистические переменные степеней риска и важности

Лингвистические переменные 1, 2,...11 переводятся в соответствующие нечеткие числа N_i, где i = 1, ...11, с треугольными функциями принадлежности:

                                                                 (18)

где k = 2,3 .... 10

                                                                                  

Степени риска и важности выражены нечеткими числами N_r и N_i с функциями принадлежности  и , соответственно. Следовательно, можно получить выражение функции принадлежности этих нечетких чисел . От нечеткости избавимся с помощью, так называемого, центроидного метода:

                                                                                              (19)

В табл. 2 представлены значения рассчитанных по формуле (19) степеней риска для всех возможных сочетаний пар r и i для каждого фактора.

Таблица 2

Степень риска g(r,i) пары r и i для каждого фактора

Допустим, что п(к) - количество характеристик риска для к-го фактора х_к. Вес факторов x₁..x_т обозначим через W₂(1) ... W₂(т). При этом, выполним условие нормировки:

                                                                                        (20)

где к = 1, ... ,т.

Характеристики риска х_кj, где к = 1,...,т и j = 1,...,п(к) обозначим через W₁(k,j). Для них также выполним эти условия:

                                                                                 (21)

Алгоритм оценки риска будет включать в себя следующие операции:

• формирование N факторов риска процесса строительства и их характеристик с последующим построением иерархической модели риска строительства;

• определение количества лингвистических переменных S для оценки факторов риска. Построение для них треугольных функций принадлежности и получение центроидов VG(S);

• построение для каждого фактора риска х_к нечеткой матрицы М(х_к) и оценка риска к-го фактора.

                                                                                                                                    (22)

где S = 1,..,т; к = 1,...,n;

Каждый фактор риска имеет характеристики х_к1,х_к2,...,х_к,п(к) и соответствующие им оценки риска, равные g(r_k,1,i_k,1),g(r_k,2,i_k,2),...,g(r_k,п(к),i_k,п(к)) (см. табл. 2).

Значения V(r_kj,i_kj,n) и V(r_kj,i_kj,n+1) получаются в результате пересечения x = g(r_kj,i_kj) и М_vn(х), М_vn+1(х) (где п = 1,2,...,т-1), соответственно. Тогда V(r_kj,i_kj,n+1) = l - V(r_kj,i_kj,n) и V(r_kj,i_kj,S) = 0 для любого S', но S ≠ п,п +1. Таким образом получается нечеткая матрица:

                     (23)

• получение нечеткой оценки общего риска по совокупности выделенных факторов:

               (24)

где

• нахождение аналитической оценки риска:

                                                                                               (25)

а поскольку , то

                                                                                                 (26)

Таким образом, используемые в данной работе аппарат нечетких множеств и теория возможностей позволяют оценить общий риск процесса строительства автомобильной дороги и его результат - качество выполненных работ по совокупности выделенных факторов риска и их влиянию на процесс строительства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вентцель Е.С. Исследование операций. - М.: Советское радио, 1972. -550 с.

2. Ларичев О.Н., Мосикович Е.М. Качественные методы принятия решений. Вербальный анализ. - М: Наука, Физматлит, 1996. - 208 с.

3. Нечеткие множества и теория возможностей/ Под ред. P.P. Ягера. -М.: Радио и связь, 1986. - 408 с.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ НАСЫПЕЙ ПРОМЫСЛОВЫХ ДОРОГ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОВТОРЯЮЩИХСЯ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Кандидаты техн. наук. А.С. Александров, Н.П. Александрова,
инженеры Н.В. Кузин, Е.В. Андреева (СибАДИ)

При освоении нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири широкое распространение получили промысловые дороги со сборными покрытиями, на песчаных основаниях. В большинстве случаев основания насыпей промысловых дорог сложены слабыми грунтами. Недостаток таких дорожных конструкций заключается в том, что под воздействием транспортных нагрузок слабые грунты песчаных насыпей и их оснований накапливают пластические деформации [1-4]. Вследствие неупругой работы насыпей и их оснований происходит разрушение стыков плит, появление уступов в стыках плит и развитие полостей под углами и торцами плит [5-12]. Развитие уступов между соседними плитами приводит к тому, что воздействие транспортной нагрузки на покрытие приобретает динамический характер [13,14], а появление полостей под торцами и углами плит приводит к разрушению торцов и облому углов плит [10-12].

Анализ результатов многочисленных исследований показывает, что проектирование сборных покрытий и песчаных насыпей на основаниях из слабых грунтов необходимо проводить с учетом упруговязкопластических свойств грунтов в условиях воздействия многократно прикладываемых динамических нагрузок. Для учета динамического характера приложения нагрузки можно заменить слоистую конструкцию колебательной системой [15], в которой вместо физической массы конструкции введены массы насыпи и грунта деформируемой толщи основания насыпи. Массы элементов дорожной конструкции в такой модели приводятся к рабочей точке по методу Г.И. Глушкова.

Согласно [15] моделирование поведения слоистой конструкции под действием подвижной нагрузки возможно при ее замене двухмассовой колебательной системой, состоящей из массы т₁ и массы т₂ связанных друг с другом реологическими телами, имеющими жесткость c₁ и c₂ и подверженных действию импульса подвижной нагрузки, изменяющейся во времени по синусоидальному закону. Дифференциальные уравнения вертикальных колебаний (перемещений, прогибов) трехслойной дорожной конструкции как колебательной двухмассовой системы с одной степенью свободы записываются в виде [15]:

                                                                          (1)

                                                                               (2)

где

т₁ и т₂ - массы системы: плита покрытия - грунт земляного полотна - грунт активной зоны земляного полотна, приведенные к рабочей точке по методу Г.И. Глушкова;

t - интервал времени от начала взаимодействия колеса с покрытием до момента, в который необходимо определить перемещение конструктивных элементов;

Т - продолжительность взаимодействия колеса и покрытия.

Коэффициенты жесткости основания насыпи определяются по формуле:

                                                                                              (3)

Из анализа (3) следует, что коэффициенты жесткости имеют размерность Н/м³. Поэтому размерность вторых слагаемых в (1) и (2), а также вычитаемого в (2) соответствуют размерности давления, в то время как размерность остальных членов соответствуют размерности силы. Таким образом, в (1) и (2) имеет место факт суммирования физических величин разной размерности, что свидетельствует о необходимости более строгого подхода к решению этой задачи. Кроме того, выражение (3) не содержит функции времени, а деформативность основания насыпи характеризуется модулем упругости грунта. Это означает, что задача решалась в упругой постановке и базировалась на априори, согласно чему перемещения в основании насыпи носят мгновенный упругий характер. Упругая работа грунтов и материалов возможна только в том случае, если напряжения вертикального сжатия не превышают определенной, сравнительно малой величины. Многочисленные диссертационные исследования [1-4] показывают, что основания насыпей из слабых грунтов практически не работают в упругой стадии деформирования, а испытывают упруговязкие и упруговязкопластические перемещения. При появлении достаточно больших напряжений взаимосвязь осадки грунтового полупространства от величины напряжения может носить нелинейный характер [14, 16-21].

Поэтому, в настоящей работе авторами делалась попытка учета упруго-вязкой и упруговязкопластической стадий деформирования основания насыпи при расчете перемещений слабых грунтов.

Из анализа (1) и (2) следует, что коэффициенты жесткости основания можно определить, исходя из гипотезы пропорциональности перемещения грунта основания насыпи воспринимаемому усилию, по формуле:

                                                                                        (4)

где

Р_гр - давление, воспринимаемое грунтом основания насыпи, МПа;

D_гр - диаметр круга, по площади которого распределено давление, передаваемое на поверхность основания насыпи, м;

U_гр - перемещение поверхности основания насыпи, м.

В зависимости от величины давления, передаваемого плитой и насыпью на основание, грунт может испытывать упругие, упруговязкие и упруговязкопластические деформации и перемещения. Кроме того, напряжения вертикального сжатия, возникающие в грунтовом основании, уменьшаются с глубиной. Поэтому в активной зоне грунтового основания могут возникать области с различными формами протекания деформационных процессов. Например, верхняя часть активной зоны может работать в стадии упруговязкопластических деформаций. На какой-то определенной глубине напряжение вертикального сжатия снижается до величины, при которой пластическое деформирование невозможно. Эта глубина будет верхней границы области, в которой перемещения носят упруговязкий характер, то есть после снятия силового воздействия, они полностью исчезают через определенное время. Такая область находится в средней части активной зоны. В самой нижней части активной зоны находится область, перемещения в которой носят упругий характер, то есть после снятия нагрузки - мгновенно исчезают.

В механике грунтов реологические свойства фунтов различных разновидностей описываются при помощи физических моделей [18-21]. Сложные физические модели получают путем последовательного или параллельного соединения простых тел Гука, Ньютона и Сен-Венана. Сложным физическим телам приписываются структурные сопротивления, под которыми понимаются величины напряжения, при превышении которых изменяется характер деформирования модели. В работах [18,19] сопротивление грунта деформированию характеризуется двумя и пятью структурными сопротивлениями. На основе этих исследований была предложена модель [16,17], включающая 6 структурных сопротивлений. В последствии эта модель применялась к различным материалам, обладающим упруговязкопластическими свойствами, например к плотным щебенистым и песчаным асфальтобетонам [22], снегу и снегольду [23] и была признана адекватной.

В настоящей работе такая модель использовалась для моделирования реологических свойств грунтов в условиях воздействия многократных динамических нагрузок.

В этом случае элементы дорожной конструкции и вся конструкция в целом будут работать в упругой стадии, если динамическая нагрузка в теле насыпи и в ее основании не вызовет напряжений превышающих предел упругости грунтов р_у. Под пределом упругости понимается величина напряжения вертикального сжатия, ограничивающая сверху множество значений напряжений, при которых грунт проявляет свойства тела Гука и испытывает упругие мгновенные деформации.

Упругие деформации определяются по формуле:

                                                                                   (5)

где

ε_y - упругая деформация, возникающая в элементарном объеме грунта основания насыпи, доли единицы;

σ_z - напряжение вертикального сжатия на поверхности элементарного объема, деформацию которого необходимо определить, МПа;

Е_у - модуль упругой мгновенной деформации грунта в основании насыпи, МПа;

μ - коэффициент Пуассона грунта в основании насыпи, доли единицы;

к - коэффициент, характеризующий интенсивность увеличения деформаций в процессе приложения нагрузок;

N - количество прикладываемых нагрузок;

Для расчета упругих перемещений грунта основания насыпи необходимо проинтегрировать величины упругой деформации (5) по глубине активной зоны основания насыпи. Для этого необходимо задать функции изменения напряжений по глубине насыпи и в активной зоне основания насыпи. В условиях воздействия динамической нагрузки изменение напряжений вертикального сжатия описывается экспоненциальным законом [13,15], а в условиях воздействия статической или квазистатической нагрузки, можно использовать формулы Лове, Якунина или [14,16].

Для расчета напряжений вертикального сжатия грунта в основании насыпи используем формулу:

                                                                                 (6)

где

р_гр - давление, передаваемое насыпью на основание;

Z₂ - расстояние от поверхности основания насыпи до точки, в которой определяется напряжение и которая расположена под центром штампа, м;

D₂ - диаметр круга, по площади которого распределяется давление р₂ на поверхности основания насыпи, м;

β - коэффициент, характеризующий долю угла распределения напряжений в слабом основании от угла внутреннего трения φ грунта слабого основания насыпи.

Интегральное выражение из (5) и (6) имеет вид:

                             (7)

где Z_в и Z_H - ординаты верхней и нижней границ сжимаемой толщи основания насыпи, м.

В интегральном выражении (7) верхний предел интегрирования принимается равным нулю, а нижний - определяется как разность расстояний до верхней и нижней границ активной зоны.

После интегрирования, будем иметь.

                       (8)

Таким образом, в условиях упругого деформирования слабых грунтов в основании насыпи, коэффициент жесткости основания определяется как:

                            (9)

Из (9) следует, что размерность коэффициента жесткости основания насыпи составляет Н/м. Подстановка коэффициента жесткости в (1) и (2) приводит к силовой размерности всех слагаемых.

Грунты в основании насыпи будут испытывать упруговязкие деформации без образования пластических деформаций в том случае, если динамическая нагрузка вызовет возникновение напряжений, превышающих предел упругости, но не превышающих предел структурной прочности. Под пределом структурной прочности понимается величина напряжения, ограничивающая сверху множество значений напряжений вертикального сжатия, при которых грунт проявляет свойства тела Кельвина:

                  (10)

где

р_у - предел упругости грунта основания насыпи, МПа;

k_у(ср) - среднеинтегральное значение коэффициента, учитывающего снижение предела упругости грунта в результате усталости;

N₁ - количество нагрузок в транспортном потоке, вызывающих возникновение в грунте основания напряжений превышающих предел упругости;

Е_ув1 - модуль упруговязких деформаций грунта основания насыпи, МПа;

t₁ - эквивалентная продолжительность воздействия на грунт основания насыпи напряжений, превышающих предел упругости, с;

Т₃ - время запаздывания упруговязких деформаций в грунтовом основании, с.

Исследования [14,16] показывают, что любое структурное сопротивление грунта, в том числе и предел упругости, можно выразить в долях критического давления. То есть, структурные сопротивления определяются произведением критического давления на соответствующий коэффициент. Если критическое давление определить по формуле проф. Н.П. Пузыревского, а коэффициент пропорциональности предела упругости критическому давлению - по математической модели [14], полученной на основе экспериментальных данных, то

(11)

где

с_n и φ_n - сцепление и угол внутреннего трения грунта после приложения п-го количества нагрузок, МПа и град., соответственно;

k_упл - коэффициент уплотнения грунта, доли единицы;

W иW_m - естественная влажность и верхний предел текучести, доли единицы.

Функция коэффициента, учитывающего снижение предела упругости при усталости грунта, определяется значением критических давлений при воздействии 1, 10³, 10 , 10⁵, 10⁶ нагрузок. Затем определяется отношение критических давлений при воздействии определенного количества нагрузок к начальной прочности грунта, значение которой соответствует критическому давлению при воздействии 1 нагрузки.

Далее выполняется аппроксимация полученных значений коэффициентов усталости от количества повторяющихся нагрузок.

В таблице представлены эмпирические формулы определения коэффициентов усталости супесей, суглинков и глин.

Таблица

Эмпирические формулы расчета коэффициентов усталости

Для определения среднеинтегрального значения коэффициента усталости необходимо применение теоремы среднеинтегрального значения функции, в соответствии с которой интеграл постоянного среднего значения равен интегралу реальной функции. Применяя эту теорему и правило интегрирования суммы с выносом постоянных интегрирования за знак интеграла будем иметь:

                                (12)

где a, b, с и d - постоянные коэффициенты, значения которых принимаются (см. таблицу).

Интегрируя выражение (12) имеем:

                               (13)

Интегральное выражение, определяющее упруговязкие перемещения основания насыпи, имеет вид:

         (14)

где

Z_ну - ордината нижней границы зоны распространения упругих деформаций, м;

Z_ву и Z_нув - ординаты верхней и нижней границы зон распространения упругих и упруговязких деформаций, значения которых равны друг другу, м.

           (15)

Выражение (15) позволяет рассчитать значения коэффициентов жесткости грунтов в условиях упруговязкопластической стадии работы основания насыпи. Значение коэффициента жесткости зависит от показателей механических и реологических свойств грунта, диаметра площади распределения давление на поверхности основания насыпи, количества нагрузок, вызывающих напряжения меньших или равных пределу упругости, а так же - напряжений, превышающих этот предел, продолжительности воздействия напряжений, превышающих предел упругости. Таким образом, при упруговязком деформировании коэффициент жесткости зависит от большего числа факторов, чем при упругих деформациях.

Насыпь и ее основание работают в линейной упруговязкопластической стадии, если динамическая нагрузка вызывает возникновение в этих конструктивных элементах напряжений, превышающих предел структурной прочности, но не превышающих предел структурной вязкости. Под пределом структурной вязкости понимается величина, ограничивающая сверху множество значений вертикального сжатия, когда материал проявляет свойства физически линейного тела Шведова, в котором тело Гука заменено телом Сен-Венана. Общая деформация такого тела состоит из четырех составляющих и является суммой мгновенной упругой, мгновенной пластической, упруговязкой и вязкопластической деформации.

Упруговязкопластические деформации и перемещения при возникновении напряжений превышающих предел структурной прочности, определяются формулами [14-16].

Интегрирование указанных зависимостей с учетом функции (6) дает формулу расчета упруговязкопластических перемещений грунта основания насыпи. Подстановка этой формулы в выражение (4) позволяет получить формулу расчета коэффициентов жесткости основания насыпи в стадии линейных упруговязкопластических деформаций.

При возникновении напряжений вертикального сжатия, превышающих предел структурной вязкости, материалы и грунты работают в стадии нелинейных упруговязкопластических деформаций. В этом случае мгновенные упругие, упруговязкие и мгновенные пластические деформации взаимосвязаны не линейной зависимостью с излишком напряжения, превышающим предел структурной вязкости, а вязкопластическая деформация - нелинейной зависимостью от этого излишка. В случае, если напряжение превышает предел линейности деформаций, грунты испытывают нелинейные мгновенные пластические и нелинейные вязкопластические деформации, связанные с излишком напряжения, превышающим предел линейности. Такой характер деформирования наблюдается в том случае, если напряжение меньше предела текучести материала или грунта. Если напряжение превысит предел текучести, то материал течет, имея минимальную вязкость. Пластическое течение происходит в случаях, когда напряжение не превышает предел прочности грунта или материала. Если предел прочности превышается, образец грунта или материала разрушается. Формулы определения деформаций при возникновении сколь угодно больших напряжений приведены в работах [9,15,16]. Из-за необходимости краткого изложения материалов, в данной публикации, авторы ограничились пояснением схемы решения задачи вычисления коэффициента жесткости основания насыпи при появлении в грунте напряжений, изменяющихся в различных диапазонах. Во-первых, в зависимости от величины возникающего напряжения и его соотношения со структурным сопротивлением [9,15,16] необходимо выбрать формулу расчета деформаций бесконечно малого объема грунта. Далее, осуществить интегрирование этой формулы в соответствии с законом приращения деформаций при многократном воздействии нагрузки. Для упрощения интегрирования структурные сопротивления можно определять с учетом среднеинтегрального значения коэффициента усталости. Во-вторых, полученные по выбранным формулы расчеты деформации бесконечно малого объема грунта в условиях многократного воздействия нагрузок следует интегрировать по глубине зон распространения соответствующих видов деформаций при изменении напряжения вертикального сжатия по функции (4). В результате интегрирования будет получена формула перемещений грунта основания насыпи. И, наконец, полученное выражение следует подставить в (3) и рассчитать значения коэффициентов жесткости. При увеличении напряжения значение перемещения будет увеличиваться, а значение коэффициента жесткости - уменьшаться. При этом, с изменением напряжения от величины, сколь угодно мало превышающей нулевое значение, до величины, соответствующей пределу структурной вязкости, увеличение деформаций описывается кусочно-линейной зависимостью, а увеличение перемещений и уменьшение коэффициентов жесткости будут иметь нелинейную зависимость от величины напряжения. Это обусловлено тем, что с увеличением напряжения возрастает глубина зоны распространения данного вида деформаций. При изменении напряжения от величины, сколь угодно мало превышающей предел структурной вязкости, до величины, сколь угодно мало ниже предела прочности на сжатие, деформации, перемещения и коэффициенты жесткости связаны с напряжением нелинейной зависимостью.

Согласно исследованиям [15,16,22,24] грунты и различные материалы не должны работать в стадии нелинейных упруговязкопластических перемещений, так как в этом случае дорожная конструкция накапливает существенные неровности, вызывающие недопустимое ухудшение потребительских свойств и транспортно-эксплуатационных показателей автомобильной дороги, а также рост динамического коэффициента. В конечном итоге это приводит к лавинообразному накоплению разрушений.

Поэтому при проектировании промысловых дорог по предлагаемой методике основной задачей должен быть расчет межремонтных сроков при работе дорожной конструкции в упругой, упруговязкой или линейной упруговязкопластической стадиях деформации. В случае, когда невозможно обеспечить работу конструкции в этих стадиях, то есть когда напряжения в основании насыпи превышают предел структурной вязкости, необходимо предусматривать проведение конструктивные мероприятия по усилению основания.

Возможность применения различных конструкций по усилению основания, а также методы проектирования таких конструкций, авторы предполагают рассмотреть в своих последующих публикациях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Болштянский М.П. Расчет прочности дорожных одежд при использовании торфа в теле насыпи и ее основании в условиях среднего приобья. // Автореферат дисс. на соиск. ст. д-ра. техн. наук.-М: Изд-воМАДИ, 1991.-36 с.

2. Майер В.Р. Исследование осадки во времени торфяных оснований насыпей автомобильных дорог с учетом особенностей их сооружения в условиях нефтепромыслов западной Сибири.// Автореферат дисс. на соиск. ст. д-ра техн. наук. - М: Изд-во Союздорнии, 1979-19 с.

3. Марко Я.Ю. Исследование влияния вибродинамических воздействий на земляное полотно при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог на болотах. // Автореферат дисс. на соиск. ст. канд. техн. наук - Ленинград: РИО ЛТА, 1980, - 23 с.

4. Яромко В.Н. Основы ускоренных методов проектирования и строительства автомобильных дорог на болотных грунтах. //Автореф. дисс. на соиск. ст. д-ра техн. наук. - Минск: Изд-во Оргдорстрой, 1989.-49 с.

5. Агеев В.Д. Напряженно-деформированное состояние плит сборных покрытий дорог и аэродромов с учетом включения стыковых соединений в их работу // Автореферат дисс. на соиск. ст. канд. техн. наук. Омск: Изд-во СибАДИ, 1990, - 24 с.

6. Могилевич В.М. Укладка бетонных плит на песчаном основании. -М.: Автотрансиздат, 1957.-21 с.

7. Могилевич В.М. и др. Сборные покрытия автомобильных дорог. -М.: Изд-во Высшая школа, 1972. - 383 с.

8. Орловский B.C. Проектирование и строительство сборных дорожных покрытий. - М.: Изд-во Транспорт, 1978. - 152 с.

9. Пономаренко А.И. Повышение устойчивости сборных дорожных покрытий путем усиления основания несущими элементами //Автореф. дисс. на соиск. ст. канд. техн. наук. - Харьков, 1988. -23 с.

10. Тимофеев А.А. Сборные бетонные и железобетонные покрытия городских дорог и тротуаров. - М: Стройиздат, 1986, - 319 с.

11. Чернигов А.В. Учет напряженного состояния основания в расчете жесткой дорожной одежды. //Автореф. дисс. на соиск. ст. канд. техн. наук. - М: Изд-во Союздорнии, 1990. - 19 с.

12. Яковлев А.В. Сборно-разборные железобетонные покрытия.- Ленинград, 1955, - 83 с.

13. Смирнов А.В. Динамика дорожных одежд автомобильных дорог. -Омск: Запсибиздат, 1976, - 182 с.

14. Смирнов А.В., Иллиополов С.К., Александров А.С. Динамическая устойчивость и расчет дорожных конструкций. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2003, - 188 с.

15. Смирнов А.В., Шестаков В.Н., Сиротюк В.В. и др. Конструкции и технологии строительства автомобильных дорог в сложных природных условиях - Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. - 170 с.

16. Александров А.С. Учетупруговязкопластических свойств связных грунтов при проектировании дорожных одежд. // Автореферат дисс. на соиск. ст. канд. техн. наук. Омск: Изд-во СибАДИ, 2001, -24 с.

17. Александров А.С. Моделирование деформационных процессов, протекающих в связных грунтах. // Наука и техника в дорожной отрасли. - № 4.- 2002. - С. 16-19.

18. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. - М.: Изд-во Высшая школа, 1978. - 448 с.

19. Гольдштейн Н.М. Механические свойства грунтов. - М.: Стройиздат, 1973.-368 с.

20. Гольдштейн М.Н., Царьков А.А., Черкасов И.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. - М.: Изд-во Транспорт, 1981, - 320 с.

21. Иноземцев А.А. Сопротивление упруго-вязких материалов. - Ленинград.: Стройиздат, 1966, - 168 с.

22. Голубенко В.В. Влияние свойств асфальтобетонного покрытия на срок службы горизонтальной разметки. // Автореферат дисс. на соиск. ст. канд. техн. наук. - г.Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. - 18 с.

23. Александрова Н.П. Влияние свойств покрытий автозимников на срок службы фрикционного слоя. // Автореферат дисс. на соиск. ст. канд. техн. наук. - г.Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. - 18 с.

24. Матуа В.П. Исследование напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций с учетом их неупругих свойств и пространственного нагружения. // Автореферат дисс. на соиск. ст. д-ра техн. наук - г.Ростов-на-Дону: Изд-во РГСУ, 2002 - 40 с.

СРАВНЕНИЕ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

Канд.техн.наук Л.А. Горелышева,
инженеры А.А. Штромберг, И.В. Леонтьев
(ФГУП РОСДОРНИИ)

Проблеме повышения сроков службы асфальтобетонных покрытий за счет улучшения качественных показателей асфальтобетонов, в том числе и его усталостных характеристик ,в последнее время уделяется все больше внимания исследователей-дорожников в России и за рубежом. Актуальность этой проблемы не снижается, несмотря на значительные достижения в разработке новых улучшающих добавок, модификаторов, типов и видов асфальтобетонов на базе модифицированных вяжущих, таких как щебеночно-мастичные смеси (ЩМА), асфальтобетоны на основе битуморезиновых вяжущих, литые асфальтобетоны двух типов и пр.

Учитывая это и то, что наиболее распространенным видом повреждений асфальтобетонных покрытий до сих пор остаются трещины, в частности, усталостные, целесообразно провести сравнение усталостных характеристик (долговечности) в некоторых усредненных расчетных условиях лаборатории, поскольку стандартные испытания зачастую не дают объективной оценки новых научных решений, а наблюдения в условиях эксплуатации дороги связаны с громадным разнообразием факторов, что не позволяет получать сравнимые оценки различных типов асфальтобетонов.

В настоящей работе предпринята попытка сравнить в лабораторных условиях, на единой методической основе, по критерию усталостной долговечности асфальтобетоны трех различных типов: стандартные, тип Б марка 1, в качестве эталона; приготовленные на основе вяжущего (битума) с добавкой резинобитумного концентрата (РБК); литые 2-х типов и щебеночно-мастичные также с использованием вяжущего с резинобитумным концентратом.

Для исследования были взяты производственные составы смесей и вырубки из покрытий, устроенных с использованием вышеупомянутых асфальтобетонных смесей.

Методика усталостных испытаний изложена в работе [1].

Приведены результаты испытания стандартных свойств и оценки нестандартных характеристик, усталостных и динамических (табл.1).

Таблица 1

Физико-механические и усталостные характеристики асфальтобетонов различных типов

Следует отметить (см. табл.1), что все стандартные характеристики испытанных составов укладываются в требования норм. При этом добавка РБК в битумное вяжущее практически не изменяет стандартные показатели свойств смеси типа Б1. Однако при этом показатель долговечности при положительной температуре повышается более, чем в 2 раза. Интересно, что при отрицательной температуре тот же показатель изменился незначительно. Надо отметить, что температурная чувствительность состава с добавкой РБК существенно выше, чем у эталонного состава типа Б1.

Наибольшую температурную чувствительность из сравниваемых составов показал литой асфальтобетон типа I. Объяснение этому можно найти в нарушениях состава смеси, которая приготавливалась в производственных условиях.

При сравнении характеристик образцов тех же составов из покрытия, срок службы которого более 2-х лет (табл.2, рис.1), видно, что остаточный усталостный ресурс, определяемый как отношение долговечности непереформованного образца из покрытия к долговечности исходной смеси (см. табл.1) после 2-х лет службы в покрытии, остается близким к первоначальному для всех смесей, кроме Б1 с добавкой РБК, который по абсолютной величине все же превышает значение эталонного состава Б1 на стандартном битуме.

Отмечен низкий усталостный ресурс состава ЩМА, литой асфальтобетон типа I практически не выбрал за 2 года большей части своего исходного усталостного ресурса. Учитывая, что значения статического модуля упругости составов литого асфальтобетона и ЩМА невысоки, а прочность при динамическом изгибе высокая (что может характеризовать эти составы как достаточно жесткие), объяснение их специфического усталостного поведения нужно искать в особенностях их реологических свойств, связанных с составом асфальтового вяжущего, близкого к мастичному.

Поскольку в составе ЩМА и литого асфальтобетона содержится значительное количество щебня, приготовление таких составов в лабораторных условиях и получение оптимального уплотнения требует применения комбинированного метода. Влияние условий уплотнения на свойства образца показано далее на примере литого асфальтобетона типа I (табл.3).

Образцы уплотняли комбинированным способом по ГОСТ 12801-98, при этом варьируя нагрузку доуплотнения на прессе. Анализ данных (см. табл.3) свидетельствует, что оптимальное уплотнение лабораторных

образцов было получено при доуплотнении на прессе под нагрузкой 300 кг/см². В этом случае показатель долговечности при испытаниях на усталость образца, приготовленного в лаборатории, близок к образцу, отобранному из покрытия на дороге. Кстати, следует отметить, что недоуплотнение образца резко увеличивает температурную чувствительность, а переуплотнение снижает значения долговечности образцов литого асфальтобетона при +20°С.

Поскольку ряд образцов из покрытия имел при отборе защитный слой различного типа, рассмотрим его влияние на усталостную долговечность при испытаниях. Для сравнения были отобраны образцы из покрытия, выполненного из литого асфальтобетона типа I с втапливанием щебня фракции 5-15 мм, и покрытия из литого асфальтобетона типа II с обычной классической одиночной поверхностной обработкой щебнем фракции 5-15 мм. Результаты (табл.4) показывают, что втапливание в 1,5 раза повышает долговечность литого асфальтобетона типа I и более, чем в 2 раза снижает температурную чувствительность, в то время как обычная поверхностная обработка наоборот ухудшает оба эти показателя.

Таблица 2

Сравнение асфальтобетонов по физико-механическим свойствам и показателям усталостной долговечности

* Образец из покрытия имел дефекты в виде трещин.

Рис.1 Усталостная долговечность образцов асфальтобетона

Таблица 3

Влияние режима уплотнения на долговечность образцов литого асфальтобетона типа I

Таблица 4

Влияние защитного слоя на свойства литых асфальтобетонов

*Шероховатая поверхностная обработка.

**Поверхностная обработка, классическая

ВЫВОДЫ

1. Применение вяжущего на основе битума дорожного с добавкой резинобитумного концентрата повышает долговечность асфальтобетона.

2. Литой асфальтобетон, тип I, имеет высокие показатели физико-механических свойств и усталостных характеристик. Втапливание щебня для повышения шероховатости асфальтобетонного покрытия повышает долговечность покрытия в целом.

3. Классическая поверхностная обработка снижает показатель долговечности литого асфальтобетона, но повышает шероховатость поверхности покрытия, поэтому для литых смесей с остаточной пористостью менее 1 % целесообразнее использовать метод втапливания каменного материала.

4. Для приготовления лабораторных образцов из литых асфальтобетонов типа I и щебеночно-мастичных асфальтовых смесей целесообразно применять комбинированную технологию уплотнения, в соответствии с ГОСТ 12801-98 с доуплотнением на прессе под нагрузкой 300 кг/см² (30 МПа).

ЛИТЕРАТУРА

1. Горелышева Л.А. Нежесткие дорожные покрытия на металлических мостах. //Автомобильные дороги и мосты. /Обзорная информация.- М. - 2000. - С. 10-20.

2. Мелик-Багдасаров М.С. Литые асфальтобетонные покрытия и основания. //Техника для городского хозяйства. - №2.- 2004. -С. 16-17.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАКТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗУЛЬТАТОВ ВИЗУАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ

Канд. техн. наук, В.К. Апестин
(ФГУП РОСДОРНИИ)

В последние годы постоянно поднимается вопрос о необходимости упрощения методик испытаний, позволяющих дать оценку прочности нежестких дорожных одежд и, в частности, на основании результатов визуального обследования автомобильной дороги. Предложенные ранее способы, как правило, основываются на средневзвешенных показателях, учитывающих общий объем деформаций на характерном участке дороги, и показателях прочности конструкции без учета особенности распределения эквивалентных модулей упругости в статистической выборке. В то же время существуют закономерности, свидетельствующие о возможности более точного прогнозирования коэффициента прочности дорожной одежды и фактического эквивалентного модуля упругости конструкции в зависимости от степени поврежденности покрытия дефектами, существенно влияющими на ровность покрытия и скорость движения транспортного потока. Последнее представляется важным в связи с тем, что в действующих Правилах диагностики и оценки состояния дорог [1] предельное состояние дорожной одежды по прочности определяется соответствующими коэффициентами обеспеченности расчетной скорости движения.

Исследования, проведенные на автомобильных дорогах II дорожно-климатической зоны, показали, что не все дефекты оказывают существенное влияние на ровность покрытия. Развивающиеся в покрытии сквозные поперечные и косые трещины не сказываются на динамике изменения ровности покрытия - корреляции отсутствуют. В качестве примера (рис. 1) представлены результаты обработки данных о поперечных трещинах, собранные на автомобильной дороге Москва-Ярославль, на участке протяженностью 30 км. Методикой предусматривалась по километровая оценка объема повреждения покрытия разными дефектами в зависимости от показателя продольной ровности покрытия, определённого с помощью передвижной установки ПКРС-2. Итоговые зависимости устанавливались методом графического выравнивания экспериментальных точек [2].

Рис.1. Влияние поперечных трещин на показатель ровности асфальтобетонного покрытия

Рис.2. Влияние сетки трещин па показатель ровности покрытия

Определенное влияние прочностных дефектов на ровность покрытия отмечалось только с момента появления частых поперечных трещин и то лишь из-за несвоевременного их содержания (трещины открытые с рваными кромками). Наиболее интенсивное изменение ровности покрытия отмечалось в местах образования сетки трещин (рис.2), где показатели прочности дорожной конструкции минимальные и где интенсивно протекают процессы разрушения кромок трещин, взаимного смещения, просадки частей покрытия и волнообразования при переходе системы в запредельное состояние.

Рис.3. Увеличение вероятности повреждения покрытия сеткой трещин (r) по мере снижения эквивалентного модуля упругости дорожной конструкции (Е_р) в пределах расчетного срока службы Т_H:
Е_пр - средний (проектный) модуль упругости, МПа:
Е_mр, Е_m - соответственно, требуемый и минимально допустимый модули упругости дорожной конструкции;
[r] - допустимая вероятность повреждения покрытия сеткой трещин

Наблюдения и обработка статистических данных обследования показывают, что развитие сетки трещин на покрытии устойчиво сопровождается снижением модуля упругости конструкции Е_р (рис.3). В общем виде эти закономерности могут быть описаны аналитически [3]:

Е_р = η·(E_TP - E_m) + E_m,                                                                                                (1)

где

E_TP, E_m - соответственно, требуемый и минимально допустимый модули упругости дорожной конструкции МПа [4] ;

η - параметр, определяемый (таблица) в зависимости от фактической вероятности повреждения покрытия сеткой трещин (r_ф), выраженной в долях от допустимой степени деформирования [r] = 1 - К_н (К_н - расчетный коэффициент надежности дорожной одежды).

Таблица

" r_ф " - отношение длины деформированных мест покрытия (L_r) к общей длине характерного участка (L).

Используя полученную зависимость (1), можно оценить фактический модуль упругости дорожной конструкции (Е_ф) по степени деформирования поверхности покрытия r_ф установленной в результате визуального обследования. В этом случае полевые испытания дорожных одежд ограничиваются только линейными испытаниями (без контрольных точек) для выявления фактической закономерности распределения прогибов и, при необходимости, внесения соответствующей поправки К_i в определяемый эквивалентный модуль упругости.

                                                                                                               (2)

где К_i - коэффициент отклонения фактических относительных прогибов дорожной конструкции от «стандартной» кривой накопления:

                                                                                                                  (3)

где X_ji; X_jc - относительные прогибы дорожной конструкции, соответствующие допустимой степени деформирования покрытия, полученные соответственно по фактической и стандартной кривым накопления (рис.4).

Рис.4. Сопоставление стандартной (1) и фактической (2) кривых накопления для определения относительных прогибов дорожной конструкции X_j no допустимой вероятности повреждения покрытия [r] на характерном участке дороги

Параметры «стандартной» зависимости, полученной в результате обобщения данных многолетних испытаний дорожных одежд [4,5], в аналитическом виде при r £ 0,49:

                                                                                        (4)

где Е_ср, E_i - соответственно, средний и текущий эквивалентные модули упругости, в статистической выборке (l_cp, l_i - средний и текущий прогибы).

В свете изложенного, определение фактического модуля упругости дорожной конструкции должно выполняться в следующей последовательности:

• На каждом характерном участке дороги проводят визуальное обследование и определяют суммарную вероятность повреждения покрытия сеткой трещин r_ф.

• Одновременно проводят линейные испытания дорожных одежд методом кратковременного или статического нагружения и определяют фактическое распределение прогибов дорожных конструкций на характерном участке дороги. По полученным данным строят фактическую кривую накопления и переносят ее на график, (см. рис. 4).

• По формуле (4) рассчитывают стандартную кривую накопления, переносят её также на график (см. рис. 4), где сопоставляют с фактической кривой.

• Определяют относительные прогибы X_j и рассчитывают коэффициент отклонения K_i.

• Рассчитывают по формуле (4), используя проектные данные (Е_пр; К_н), требуемый модуль упругости дорожной конструкции E_TP на начало эксплуатации, предварительно заменив Е_р на Е_пр и E_i на E_TP. Определяют Е_т [4].

• Определяют параметр h для вероятности повреждений r_ф (см. таблицу) и рассчитывают по формуле (1) текущий эквивалентный модуль упругости Е_р.

• Определяют по формуле (2) фактический модуль упругости Е_ф на характерном участке.

Данная методика рекомендована для практического использования при четко различимых дефектах дорожного покрытия, особенно на участках с неудовлетворительной ровностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. ОДН 218.0.006-2002. Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог (Взамен ВСН 6-90). / Росавтодор. - М.: Информавтодор, 2002.

2. Апестин В.К., Дудаков А.И. Прогноз расчетных параметров (нагрузка, габарит) применительно к учету воздействия автомобилей большой грузоподъемности на дорожные одежды. /Труды Гипродорнии. - М., 1976, вып. 17. -С. 83-90.

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

4. ОДН 218.1.052-2002. Оценка прочности нежестких дорожных одежд. (Взамен ВСН 52-89) /Росавтодор Министерства транспорта РФ, - М. : Информавтодор, 2002.

5. Апестин В.К., Тулаева И.А. Оценка и учет влияния выравнивания покрытия при среднем ремонте на эксплуатационное состояние нежестких дорожных одежд. /Труды Гипродорнии. - М., 1986, вып. 53.-С. 14-21.

ПРОГРЕССИВНЫЕ МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНО–ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА БОЛОТАХ

Д-р техн. наук В.А.Миронов,
канд. техн. наук С.А.Тер-Терян ( ТГТУ)

Повышение производительности и качества изысканий при проектировании и строительстве дорог на болотах неразрывно связано с внедрением современной техники и технологии производства работ. В настоящее время ведущую роль в комплексе инженерно - геологических исследований начинают занимать геофизические методы, основанные на изучении физических полей геологической среды и позволяющие быстро и с минимальными затратами обследовать большие территории и объемы пород, снижать долю трудоемких, дорогостоящих и длительных по времени работ. Исследования по разработке геофизической аппаратуры и методики определения мощности и свойств органических грунтов, выполнявшиеся с конца 70^х годов в ТГТУ (кафедра Автомобильные дороги, основания и фундаменты), привели к созданию комплексной полевой лаборатории (КПЛ), в которой для изучения свойств торфяных грунтов совместно используют геофизическое оборудование и приборы конструкции Л.С. Амаряна

Комплексная полевая лаборатория оснащена геофизическим (георадар, сейсмическая аппаратура) и геотехническим (сдвигомер-крыльчатка СК-10, зондовый пенетрометр ГТ-5, пробоотборник ТБ-2) оборудованием, которое размещается в салоне специального транспортного средства. В процессе движения по болоту проводится непрерывное определение глубины торфяной залежи георадаром, принцип действия которого основан на том, что в залежь передаются радиоимпульсы и регистрируются сигналы, отраженные от границы «торф-минеральное дно». В заданных пунктах сейсмической аппаратурой измеряют скорость распространения поперечной волны V_SH по глубине залежи и определяют влажность w, полную влагоемкость w_sat, и пористость торфа n. В тех же пунктах проводят испытания залежи на вращательный срез, статическое зондирование с отбором проб для визуального определения степени разложения торфа и контрольных лабораторных анализов.

Чтобы определить соотношение между V_SH и структурно-механическими параметрами залежей торфа, различного типа и строения, в Тюменской и Тверской областях и на севере республики Коми, проводились полевые и лабораторные исследования с использованием сейсмического метода. Сейсмические измерения выполнялись с использованием специально разработанной портативной аппаратуры «Волна», методом просвечивания, с наблюдением поперечной волны SH по глубине залежи. В тех же пунктах, в пределах активного объема залежи Q » p·l·(0,25l)² » 1 м² (l - база измерений, l - длина волны), обусловливающего наблюдаемые скорости, проводились испытания торфяной залежи на вращательный срез, статическое зондирование с отбором монолитов (3-х кратная повторность), что позволяло методически обоснованно сопоставлять геофизические и структурно-механические параметры торфяных грунтов. Степень разложения исследовавшихся торфов изменялась от 0 до 55 %, зольность - от 0,1 до 22 %, влажность от 3 до 19 кг/кг, значения коэффициента пористости варьировали от 5 до 30, степень влажности находилась в пределах 0,82 - 0,98, т.е. газосодержание залежи было относительно постоянным.

В табл. 1 представлены выявленные взаимосвязи между скоростью распространения поперечной волны V_SH и основными инженерно - геологическими показателями свойств торфяных грунтов - коэффициентом пористости e, пористостью n, полной влагоемкостью w_sat, влажностью w, плотностью скелета r_d, степенью разложения D_dp, удельным сопротивлением статическому зондированию q и вращательному срезу t.

Таблица 1

Применение сейсмического метода определения важнейших структурно - механических свойств органических грунтов основано на использовании расчетно-экспериментальных зависимостей между скоростью распространения в торфяной залежи прямой поперечной SH-волны и ее структурно-механическими свойствами, на основании которых затем решается обратная задача - устанавливаются свойства торфа по величине скорости V_SH измеренной в залежи. Получение расчетно-экспериментальных соотношении основывалось на анализе и численных расчетах моделей, которые соответствуют существующим представлениям о структуре и свойствах торфяного грунта и последующей корректировки выявленных зависимостей по результатами экспериментальных исследований. Расчеты скоростей распространения SH-волн в торфе, выполненные по модели, позволяющей учесть основные параметры состава и строения торфа - степень разложения, плотность, влажность, пористость, газосодержание, характер структурных связей, показали, что в торфе полностью водонасыщенном (степень влажности Sr ® 1), скорость поперечной SH-волны практически не зависит от степени его разложения, газосодержания и, в основном, определяется величиной пористости торфа, возрастая с ее уменьшением [1].

На основании комплексных теоретико-экспериментальных исследований по оценке важнейших характеристик торфяных залежей коэффициента пористости, полной влагоемкости, влажности, выполненной в полевых условиях сейсмическим методом рассчитаны зависимости и предложена классификация органических грунтов, составленная с учетом геофизических параметров торфа (табл. 2)

е = (297,12/ V_SH) – 1,27 ± 2,50,             (6  £ е £ 26)

w_sat = (187,28/ V_SH) - 0,52 ± 1,58,      (4 £ w_sat £ 17)

w = (174,06/ V_SH ) - 0,50 ± 1,63,               (3 £ w £ 15).

Таблица 2

Установленные взаимосвязи между геофизическими и структурно-механическими показателями торфа предоставляют принципиально новую возможность определения последних по данным сейсмического метода. Это позволяет перейти к оперативной оценке свойств торфа в естественном залегании и в объемах, значительно превышающих структурную неоднородность залежей, что также повысит достоверность выполняемых определений. При этом отпадает необходимость отбора того числа образцов, которое предусмотрено существующими методиками (отбор образцов может проводиться для контроля на наиболее ответственных участках залежей).

Закон уплотнения органоминеральных грунтов [2] открывает широкие перспективы использования данных КПЛ, в частности, при проектировании и строительстве автомобильных дорог на болотах. Установив по результатам полевых исследований свойства и глубину (профиль дна) залежи геофизическими методами, можно оперативно рассчитывать объемы земляных работ и принимать рациональные технические решения. Применение КПЛ позволяет повысить производительность и информативность исследований за счет учета рельефа минерального дна, сокращения числа проб и лабораторных испытаний, оперативности получения искомых параметров геофизическими методами.

Выполненные исследования позволили рекомендовать применение геофизических методов при проведении инженерно-геологических изысканий в районах распространения органических грунтов [3,4].

ЛИТЕРАТУРА

1. Зубков В.М., Устюжанинов В.А., Тер-Терян С.А. Физические предпосылки применения сейсмического метода для определения физико-механических свойств торфяных грунтов. //Проблемы строительства Западно-Сибирского нефтегазового комплекса. Сб. научн. трудов / НИПИинжнефтегазстроя. - М.: НИЦ ВНИИПКтехоргнефтегазстроя. 1990. С 58-66.

2. Амарян Л.С Свойства слабых грунтов и методы их изучения. -М.: Недра, 1990. 220 с.

3. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов / Госстрой России. -М.: ПНИИИС Госстроя России, 2000.-74 с.

4. СП 11-105-97. Инженерно - геологические изыскания для строительства. Часть VI. Правила производства геофизических исследований / Госстрой России. - М.: ПНИИИС Госстроя России, 2004. - 49 с.

Раздел III
РЕМОНТ И СОДЕРЖАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

ОБОСНОВАНИЕ РЕСУРСОЕМКОСТИ ПРОЕКТОВ ЗИМНЕГО СОДЕРЖАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С УЧЕТОМ ФАКТОРОВ РИСКА

Канд. техн. наук Т.В. Боброва
инж. Ю.В. Коденцева (СибАДИ)

Отличительной особенностью проектов содержания дорог является достаточно высокая степень неопределенности объемов и сроков работ, особенно при выполнении зимнего содержания. Эта особенность связана с необходимостью анализа и страхования рисков при управлении дорожными проектами.

Вопросы эксплуатации дорог в условиях неопределенности и риска исследовались рядом авторов [1-3], однако проблема управления риском при содержании дорог в сложных погодных условиях остается актуальной с научной и практической точек зрения. Результативность системы зимнего содержания дорог заключается в предупреждении и скорейшей ликвидации последствий неблагоприятных погодных условий, к которым относятся снегопады, метели и гололедные явления. Согласно классификации работ по зимнему содержанию автомобильных дорог и нормативным требованиям [4] к основным мероприятиям по ликвидации воздействия неблагоприятных погодных условий относятся патрульная снегоочистка, россыпь противогололедных материалов, очистка элементов обустройства дорог и защита от снежных заносов.

Организационно-экономический механизм реализации проекта, сопряженного с риском, должен предусматривать определенные схемы стабилизации, обеспечивающие защиту интересов участников. Как правило, применение в проекте стабилизационных схем требует от участников дополнительных ресурсных затрат, размер которых зависит от условий реализации мероприятия. Такие затраты подлежат обязательному учету при определении эффективности проекта. Проект считается устойчивым и эффективным, если во всех рассмотренных ситуациях интересы участников соблюдаются, а возможные непредвиденные обстоятельства устраняются за счет созданных страховых запасов или резервов.

Правильность и точность расчета объемов работ и ресурсов, необходимых для их выполнения, достигается при наличии полной и достоверной информации, касающейся метеорологических особенностей региона. Степень устойчивости проекта зимнего содержания по отношению к возможным изменениям условий его реализации можно характеризовать такими предельными параметрами производства работ, при которых выручка от сдачи работ совпадает с издержками производства (точка безубыточности) или даже превышает их. Последний случай связан с понятием риска для хозяйствующего субъекта при выполнении контракта на содержание дорог. Если средства, необходимые для выполнения комплекса работ по зимнему содержанию не будут выделены в полном объеме, потребительские качества дорог могут выйти за предельно допустимые значения. Возможные потери в транспортной и внетранспортной сферах из-за снижения средней скорости движения на дорогах, увеличения времени доставки грузов, увеличения числа ДТП рассматриваются как плата за риск невыполнения работ по содержанию дорог в соответствии с нормативными требованиями.

Для совершенствования оперативного управления зимним содержанием федеральной дорожной сети развитие получает специализированное метеорологическое обеспечение, призванное на основе постоянного измерения показателей условий и состояния дорожного покрытия прогнозировать наступление неблагоприятных погодных явлений и способствовать предотвращению их воздействия на состояние дорожного покрытия путем перехода к профилактике образования зимней скользкости [1].

В то же время, для стратегического и текущего (годового) планирования мероприятий зимнего содержания дорожной сети целесообразно использовать «Метеорологические ежемесячники» территориальных управлений Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Для определения нормативной ресурсоемкости годовых проектов зимнего содержания дорог используются также усредненные за несколько лет показатели метеорологических факторов по станциям и снегомерным постам, расположенным на территориях регионов. В результате статистической обработки получают средние значения основных метеорологических данных, помесячно и в среднем за зимний период.

Метод проверки устойчивости проекта предусматривает разработку сценариев его реализации в наиболее вероятных или наиболее «опасных» для участников условиях. Производственные процессы содержания дорог включают множество разноплановых факторов и являются наиболее сложными для моделирования и выбора адекватных управляющих воздействий. При моделировании в качестве управляемых факторов могут быть приняты: оснащенность подрядной организации техникой, ее состояние, поставки материалов, стоимость ресурсов и т.д. Влияние ряда производственных факторов и соответствующие меры регулирования рассмотрены [5] с позиции оперативного управления зимним содержанием. Методы поддержки проектов могут быть самые различные: совершенствование системы управления, создание запасов материальных ресурсов, повышение квалификации персонала и т.д.

В данной статье представлена модель прогнозирования затрат на годовые проекты зимнего содержания с учетом неуправляемых, но контролируемых факторов, к которым прежде всего относятся метеорологические факторы.

Имитационное моделирование дает возможность исследовать процесс функционирования системы посредством варьирования ее параметров. Частным случаем имитационного моделирования является статистическое моделирование, предполагающее знание законов распределения параметров системы как случайных величин. При моделировании процессов зимнего содержания дорог такими основными параметрами являются метеорологические факторы.

Из-за многообразия условий зимней эксплуатации дорог, задача планирования ресурсов выполнения проектов зимнего содержания может решаться достаточно эффективно на уровне региона только при использовании современных информационных технологий, обеспечивающих комплексный подход к решению указанных вопросов. Моделирование ресурсоемкости мероприятий по ликвидации последствий неблагоприятных климатических явлений осуществлялось авторами с помощью программного продукта «АУРС-СибАДИ», на основе которого разработана информационная технология управления ресурсами эксплуатации дорожной сети региона [6,7].

Совокупные нормативные затраты на ликвидацию последствий неблагоприятных климатических явлений представлены в следующем виде:

                                                             (1)

где

С^км - затраты на зимнее содержание 1 км дороги с определенными характеристиками в течение зимнего периода, тыс.руб.;

 - соответствующие затраты на выполнение комплекса работ по ликвидации последствий i-го погодного фактора,  (снегопад, метель, гололед);

 - затраты на выполнение j-го вида работ при ликвидации последствий i-го погодного фактора;

x_i - вероятностное значение комплексного параметра i-го погодного фактора.

Все вышеуказанные затраты зависят от повторяемости и интенсивности погодных явлений, при этом вся информация имеет вероятностный характер и подчиняется статистическим законам распределения.

Исследования, проведенные авторами в ряде регионов Сибири: (Кемеровская и Омская области, Алтайский край) показали, что ряд характеристик неблагоприятных погодных явлений, включаемых в расчеты объемов работ по зимнему содержанию дорог, подчиняется нормальному закону распределения. Статистическая обработка метеорологической информации, собранной территориальными метеостанциями и снегомерными постами за период 1971-1997 гг., позволяет характеризовать значения показателей погодных условий в целом, по каждому региону. На территориях площадью от 95,7 до 168 тыс. км² коэффициенты вариаций среднемноголетних значений ряда показателей достигали 80%. В соответствии с разработанной авторами методикой районирования [7] были выделены участки территорий (зоны), на которых коэффициенты вариаций среднемноголетних значений основных показателей не превысили 20-30%. Выделение на больших территориях зон, более однородных по группам климатических явлений, связанных с зимней эксплуатацией автомобильных дорог, позволяет повысить достоверность планирования объемов работ и, соответственно, ресурсов их выполнения.

Планирование ресурсов содержания дорог с уровнем риска 0,5 (при нормальном законе соответствует средним значениям величин метеорологических факторов) может существенно осложнить ситуацию на дорогах данной территории даже при незначительных превышениях значений погодных факторов.

С целью прогнозирования страховых резервов разработана имитационная модель, позволяющая оценить затраты на зимнее содержание в течение планового периода в зависимости от вероятности появления неблагоприятных явлений за этот период. Укрупненный алгоритм имитационного моделирования представлен (рис. 1)

Рис. 1. Укрупненная блок-схема алгоритма расчета затрат на ликвидацию последствий неблагоприятных факторов с заданным уровнем обеспеченности р_i

Для моделирования необходимы следующие исходные данные:

1. Параметры случайных величин, характеризующих i-й погодный фактор (закон распределения, математическое ожидание, среднеквадратическое отклонение). Характеристики могут задаваться в табличной форме или в виде плотности распределения случайных величин;

2. Границы изменения погодного фактора на данной территории, полученные на основе статистической обработки среднемесячных данных;

3. Ресурсно-технологические модели производства работ по зимнему содержанию;

4. Характеристики дорог, определяющие нормативные требования к уровню содержания (вид покрытия, техническая и эксплуатационная категории и т.д.), количество и параметры элементов дорог;

5. Модели расчета объемов видов работ по зимнему содержанию;

6. Организационно-экономические условия производства работ подрядчиком на обслуживаемой сети дорог (расположение производственных баз, баз ПГМ, расстояния транспортирования, цены ресурсов и т.д.).

Методика предусматривает два этапа моделирования:

• Построение номограммы в совмещенных осях F(x_i),

• Прогнозирование затрат при различном уровне вероятности i-го погодного фактора.

Реализацию данного подхода рассмотрим на примере проведения мероприятий по ликвидации последствий снегопадов при i = 1. Затраты на снегоочистку  зависят от повторяемости снегопадов различной интенсивности в зимний период и средней продолжительности одного снегопада. Каждый из этих показателей имеет свои параметры закона распределения и определенные численные характеристики для данной территории. При оценке затрат необходимо раздельно рассматривать их влияние на , так как показатель цикличности связан с комплексом работ, выполняемых после завершения каждого снегопада, а показатель продолжительности связан с технологическими параметрами выполняемых работ (в частности, с числом проходов по одному следу). В качестве комплексного показателя определения объемов работ по патрульной снегоочистке принят показатель продолжительности снегопадов за зимний период S . Размерность величины S определена в цикло-часах (цикл.-ч). По мере увеличения значения текущей переменной (s) она дает интегрально нарастающую вероятность значений:

F(s) = p(S < s),                                                                                                            (2)

где p(S < s) - вероятность того, что случайная величина S меньше текущего ее значения s.

Затраты  также являются функцией s. Закон распределения случайной величины (S) определен как произведение двух случайных нормально распределенных величин - повторяемости снегопадов (z) и длительности одного снегопада (t). Значения интегральной функции распределения F(s) рассчитываются как произведение F(z) и F(t):

                                                               (3)

После ряда преобразований интегральная функция распределения F(s) получает следующий вид:

                (4)

где s_z, s_t, m_z, m_t - соответственно, среднеквадратические отклонения и математические ожидания нормально распределенных величин z и t; r - переменная интегрирования s/z.

Если на данной территории параметры снегопадов подчиняются другим законам распределения, то для вывода формулы F(s) необходимы соответствующие преобразования. В реальных условиях величина S меняется в пределах от S_min до S_max . Конкретные значения этих величин определяются по статистической выборке. Опираясь на представленные формулы, можно не только определить затраты на ликвидацию последствий снегопадов при заданной вероятности p(s), но и рассчитать необходимые затраты, если случайная величина S превысит текущее значение s, соответствующее выделенным средствам.

Если средства, соответствующие S, не будут выделены, потребительские качества дорог могут выйти за пределы допускаемых значений, что связано с рисками, как для подрядной организации, так и для пользователей дорог.

Представлен (рис. 2) пример моделирования затрат на снегоочистку дорог четырех эксплуатационных категорий, в зависимости от вероятности появления неблагоприятных климатических явлений в течение зимнего периода. В верхней части графика отражено изменение нормативных затрат на ликвидацию последствий снегопадов для дорог разных эксплуатационных категорий, в зависимости от значения S, в нижней части - интегральная функция распределения F(s).

Рис. 2 Оценка затрат на снегоочистку дорог при разных уровнях вероятности неблагоприятных погодных явлений

На примере расчета нормативных затрат на зимнее содержание 1 км дорог эксплуатационной категории Б, рассмотрим последовательность действий при прогнозировании затрат:

1. При уровне вероятности неблагоприятных погодных явлений 0,5 по графику интегральной функции распределения F(s) определяем значение параметра s = 290 цикл.-ч для патрульной снегоочистки;

2. При таком значении параметра s нормативные затраты на ликвидацию последствий снегопадов за зимний период на 1 км дорог эксплуатационной категории Б составят 36 тыс. руб. (в ценах 2000 г.);

3. Если вероятность возникновения неблагоприятных явлений возрастет до 0,7, что соответствует 355 цикл.-ч, нормативные затраты на зимнее содержание увеличатся до 42 тыс. руб. на 1 км дорог эксплуатационной категории Б.

Изменение нормативных затрат на содержание 1 км дороги потребует от подрядчика использования всех внутренних резервов, необходимых для обеспечения требуемого уровня содержания дороги и соответствующего уровня безопасности для участников дорожного движения. Что касается Заказчика, то с его стороны необходимо резервировать средства, на случай увеличения объемов работ, в сумме 6 тыс.руб., без учета индексации цен.

Выходные данные моделирования позволяют оценивать не только сумму страхового резерва, но и потребность в ресурсах всех видов (машины, материалы, энергоресурсы, трудовые ресурсы) для выполнения объемов работ, необходимых для поддержания элементов дорог в соответствии с нормативными требованиями.

Аналогичные номограммы построены для оценки затрат на выполнение работы по ликвидации последствий метелей и гололедных явлений с разной степенью обеспеченности появления этих метеорологических факторов. Предлагаемая методика позволяет рассчитывать совокупные затраты на зимнее содержание сети дорог территории при заданной обеспеченности неблагоприятных явлений, а также решать обратную задачу: оценивать вероятность риска невыполнения полного комплекса работ зимнего содержания при ограниченных ресурсах.

ВЫВОДЫ

1. Эффективное функционирование региональной дорожной инфраструктуры и реализация целей зимнего содержания дорожной сети обеспечиваются прогнозированием ресурсоемкости работ на основе применения методов моделирования с учетом вероятностных значений метеорологических факторов данной территории.

2. Модель имитационного моделирования затрат при заданном уровне вероятности неблагоприятных метеорологических явлений в зимний период позволяет прогнозировать затраты на ликвидацию последствий таких явлений, оценивать степень риска при невыполнении из-за недостатка средств нормативных работ по зимнему содержанию дорог и планировать необходимые страховые резервы с учетом возможного превышения количества неблагоприятных явлений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Самодурова Т.В. Оперативное управление зимним содержанием дорог: Научные основы: Монография. -Воронеж: Изд-во Воронеж, гос. ун-та, 2003.-168 с

2. Kunihiro KISHI, Keiichi SATOH Japan A Study on Hedging the Risk of Snow Removal Cost Fluctuation/ CD-ROM for the XIth PIARK. International Winter Road Congress 2002, Sapporo, Japan theme: New Challenges for Winter Road Service// 11-194- Snow and Ice Management, and Its Costs.

3. Гасанов Г.М. Оценка риска при планировании работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог //Транспорт: Наука, техника, управление. Научный информационный сборник /ВИНИТИ - М.2006 -№1-С. 46-47.

4. ОДМ 218.0.000-2003. Руководство по оценке уровня содержания автомобильных дорог. -М: Федеральная дорожная служба России. 2003. -75 с.

5. Сакута Н. Б. Совершенствование оперативного регулирования производства работ зимнего содержания автомобильных дорог: Автореф. дис. канд. техн. наук - Омск, 2002. - 24 с.

6. Боброва Т.В., Протопопов А.П. Сохраним построенное // Дороги России XXI век. - 2002. -№2 - С. 94-98.

7. Боброва Т.В., Христолюбов И.Н., Сакута Н.Б. Управление ресурсами зимнего содержания дорог// Материалы российско-финского семинара «Планирование затрат и система оценки уровня зимнего содержания автомобильных дорог».- Кемерово, 2001. -С. 46-57.

8. Районирование территорий по климатическим характеристикам для обоснования ресурсоемкости зимнего содержания сети дорог / Боброва Т. В., Коденцева Ю. В. // Вестник ИрГТУ. - Иркутск, 2006. -№2(26) том 1.-С. 70-79.

АНАЛИЗ ЗИМНЕГО СОДЕРЖАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В СЕВЕРНЫХ РЕГИОНАХ РОССИИ (НА ОСНОВЕ ДАННЫХ АНКЕТИРОВАНИЯ)

Инженеры О.В. Френкель, Ю.Н. Розов, А.С. Повх
(ФГУП РОСДОРНИИ)

В большинстве регионов России наибольшие трудности при проведении работ по содержанию дорог дорожники испытывают в зимний период. Снегопады, метели, гололедица, снежный накат, наледи, а в горных районах - снежные обвалы и лавины, все это воздействует на дорогу, создавая серьезные затруднения для движения автомобильного транспорта.

Обеспечение в зимний период безопасного, непрерывного и удобного движения транспорта с заданными скоростями и нагрузками требует проведения комплекса работ по зимнему содержанию, включая очистку дорог от снега и борьбу с зимней скользкостью.

Основополагающим документом, действующим в России, является ГОСТ Р 50597-93 «Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения» предусматривается содержание в зимний период дорог общего пользования всех категорий, с цементобетонными, асфальтобетонными и другими битумоминеральными покрытиями в «чистом виде», т. е. без снежно-ледяных образований» на проезжей части и обочинах. Так как очистка дорог от снега и льда требует определенных затрат времени, ГОСТом введены сроки ликвидации снежно-ледяных отложений на дорожных покрытиях и обочинах (табл. 1).

Таблица 1

Сроки ликвидации зимней скользкости

Примечание. Нормативный срок ликвидации зимней скользкости начинается с момент обнаружения до полной ликвидации скользкости, а срок окончания снегоочистки - с момента окончания снегопада или метели до момента завершения работ.

Иной подход к этому вопросу в зарубежных странах. Так, например, в Финляндии [1] зимнее содержание дорожных покрытий по чистоте очистки в зависимости от интенсивности дорожного движения и класса дороги подразделяют на три вида:

- полная очистка на всю ширину проезжей части (чистота очистки - 100%);

- частичная очистка по ширине проезжей части (30 - 70%);

- без очистки, сохранение снежного покрова по всей ширине проезжей части (чистота очистки от снежно-ледяных образований (СЛО) - 0%).

В зависимости от интенсивности движения чистота очистки подразделяется следующим образом:

- свыше 6000 авт/сут. - полная (100%);

- от 3000 - 1500 авт/сут. - частичная (50-70%);

- менее 1500 авт/сут. - без очистки (0%).

В Венгрии на дорогах, отнесенных к III, IV,V категориям, с интенсивностью движения менее 2000 авт/сут, зимнее содержание дорог выполняют по системе «белая зимняя дорога», т.е. с сохранением на покрытии снежного покрова, содержание которого осуществляют с помощью фрикционных материалов.

Аналогичный подход к зимнему содержанию автомобильных дорог и в других зарубежных странах (Канада, США, Швеция, Норвегия и т.п.), где продолжительный зимний период характеризуется большим количеством твердых осадков и отрицательными температурами. При этом следует отметить, что здесь основным критерием содержания дорог с уплотненным снежным покровом является интенсивность движения, не превышающая 1500 - 2000 авт/сут.

Принимая во внимание положительный опыт зарубежных стран, институтом РОСДОРНИИ (2003 г. и 2005 г.) проводились аналитические исследования для обоснования возможности зимнего содержания автомобильных дорог с уплотненным снежным покровом (УСП)* в северных регионах России. С этой целью, совместно с ДОБДД МВД проводилась подготовительная работа по сбору, обобщению и анализу зимнего содержания автомобильных дорог с УСП. На первом этапе была разработана и разослана в дорожные управления специальная анкета.

*Уплотненный снежный покров - вид защитного слоя покрытия, создаваемого из снега на проезжей части дорог в зимний период.

Всего было разослано 81 анкета, в том числе 16 - в федеральные управления и 65 - в региональные. Получено 25 ответов из дорожных управлений (31 % - с сибирского и северо-европейского регионов, в т.ч. из федеральных управлений - 9 (56 %), региональных - 16 (25 %)).

Разработанная анкета содержала 10 разделов, в которых предлагался широкий круг вопросов по организации и технологии работ, связанных с зимним содержанием дорог, в том числе и с уплотненным снежным покровом (далее УСП). Эти вопросы касались следующих основных направлений:

• Характеристика сети обслуживаемых автомобильных дорог общего пользования, в том числе по категориям и типам дорожных одежд.

• Затраты на зимнее содержание дорог, в том числе на борьбу с зимней скользкостью, очистку и защиту дорог от снега.

• Среднегодовые метеорологические данные (температура воздуха, толщина снежного покрова, количество твердых осадков и др.).

• Условия формирования УСП на дорогах (интенсивность движения, толщина УСП, дефекты и др.).

• Эксплуатация автомобильных дорог с УСП (уход, ликвидация, безопасность движения и др.).

• Контроль качества материалов, используемых для зимнего содержания дорог, а также выполняемых работ.

• Средства механизации, используемые в период зимней эксплуатации дорог.

Общая протяженность автомобильных дорог, охваченных анкетированием, составила 94 167 км, в том числе, федеральных - 10 991 км и региональных - 83 176 км.

Анализ полученных данных показал, что в зимний период, с уплотненным снежным покровом эксплуатируется около 10% федеральных и 60% местных (региональных) автомобильных дорог от общей их протяженности. При этом относительная протяженность по дорожным управлениям колеблется в очень широких пределах. Так, на дорогах федерального значения - от 3% до 54%, местного значения - от 15,9% до 98%. Кроме того, эти данные зависят не только от значения дороги, но также и от ее категории и вида дорожного покрытия.

Рис. 1. Протяженность автомобильных дорог в дорожных управлениях, участвовавших в обследовании (25 организации)
а - общая протяженность, б - дороги с УСП

Приведенные на рис. 1 данные свидетельствуют, что на дорогах I,II категорий в зимний период с сохранением уплотненного снежного покрова содержится всего 0,3% дорожных покрытий, на дорогах III категории - 6%, IV категории - 43,7%, V - 94,3% от общей протяженности дорог соответствующей категории. По видам покрытий содержание дорог с УСП распределяется следующим образом:

- цементобетонные покрытия - 9,2 %,

- асфальтобетонные покрытия - 21,2 %,

- покрытия из щебня и гравия, обработанного вяжущими материалами - 67,8%,

- гравийные и щебеночные покрытия - 79,8 % от общего протяжения соответствующих видов покрытий.

Качество содержания автомобильных дорог, особенно в зимнее время, значительно зависит от средств, выделяемых на эти цели. Общие затраты на содержание автомобильных дорог, включенных в обследование, составляют 737 838,447 тыс. руб. В том числе расходы на зимнее содержание - 410 155,688 тыс. руб. (56%), из них - на борьбу с зимней скользкостью - 155 031,791 тыс. руб. (21%); на очистку и защиту дорог от снега - 167 790,665 тыс. руб. (23%). Прочие расходы составляют 87 333,232 тыс. руб. (12%). На содержание автомобильных дорог в весенне-летне-осенний период ежегодно расходуют 327 682,759 тыс. руб. (44% от общих затрат на содержание обследуемых дорог во всех регионах).

Для снижения расходов на зимнее содержание дорог, многие дорожно-эксплуатационные организации, как указывалось выше, осуществляют зимнее содержание с уплотненным снежным покровом (УСП), фактические затраты которых на 1 км дороги в год приведены в табл. 2.

Таблица 2

Фактические расходы па шип ее содержание автомобильных дорог (руб./км)

Анализ представленных (табл.2) средних значений расходов, полученных на основании данных анкетирования, показывает, что зимнее содержание 1 км дороги с уплотненным снежным покровом (УСП) на 40% дешевле, чем содержание 1 км дороги в «чистом виде», т.е. без сохранения УСП на покрытии. При этом на дорогах федерального значения такой показатель составляет 30%, а на территориальных - 50%. Однако, следует отметить, что затраты на содержание дорог с УСП зависит не только от погодно-климатических условий, но и от других многочисленных факторов. К ним можно отнести организацию работ, интенсивность дорожного движения, способ формирования, ухода и ликвидации УСП, используемую дорожную технику, материалы, применяемые для улучшения шероховатости УСП и др.

Расходы на зимнее содержание дорог в зарубежных странах также колеблются в широких пределах, в зависимости от значения дороги и интенсивности движения. Так, в Канаде стоимость зимнего содержания 1 км дороги колеблется от 102 тыс. рублей до 237 тыс. руб. [2], в Финляндии - от 35 тыс. руб. до 287 тыс. руб. [1] и т.д.

В России, в условиях ограниченного финансирования, на содержание федеральных автомобильных дорог (47 тыс. км) для выполнения всех нормативных требований необходимо около 23 млрд. рублей, из которых 50 - 60 % приходится на зимнее содержание [3]. При таких поступлениях зимнее содержание 1 км федеральных автомобильных дорог в России может составить 270 тыс. руб., что позволит улучшить транспортно-эксплуатационное состояние дорог федеральной сети и повысить безопасность дорожного движения в зимних условиях.

Из приведенных выше данных видно, что основным критерием назначения способа зимнего содержания является категория дороги, интенсивность движения и вид дорожного покрытия. Действующим нормативным документом [4] на дорогах с переходными и низшими типами дорожных одежд, допускается зимнее содержание дорог с наличием на покрытии уплотненного снежного покрова, а с капитальными и облегченными - содержание покрытия в «чистом» виде, с ликвидацией образовавшихся снежно-ледяных отложений на покрытиях в кратчайшие сроки (см. табл. 1). Однако практика показывает, что дороги с асфальтобетонными, цементобетонными и подобными покрытиями можно также содержать в зимний период с уплотненным снежным покровом.

Анализ данных анкетирования о средней интенсивности движения на автомобильных дорогах, содержащихся зимой с УСП, показывает, что при интенсивности более 2000 авт/сут. эксплуатируется около 3 % общей протяженности всех обследуемых дорог, от 200 до 2000 авт./сут. -48,56% и менее 200 авт./сут. - 46,10 %. При этом количество грузового транспорта в общем потоке колеблется от 19,7 до 91,84 %. Таким образом, с ростом интенсивности движения количество дорог, содержащихся с уплотненным снежным покровом, уменьшается (рис. 2).

Рис. 2. Доля автомобильных дорог, содержащихся с УСП в зависимости от интенсивности движения

Под действием колес движущихся транспортных средств на проезжей части дороги формируется слой уплотненного снега, толщина которого в данном регионе зависит от количества твердых осадков, их сублимации, интенсивности и состава движения и принятой технологии зимнего содержания. Толщина сформировавшегося уплотненного снежного покрова на рассматриваемых автомобильных дорогах колеблется в широких пределах, от 3 до 10 см. Меньшая толщина наблюдается при низкой интенсивности движения 250 - 200 авт./сут., большая - при высокой интенсивности (3000 - 1000 авт./сут.) В некоторых регионах Восточной Сибири и Дальнего Востока толщина уплотненного слоя доходит до 15 см и более. В результате обработки полученных данных был построен график изменения средней толщины снежного покрова, образующегося на дорожном покрытии в зависимости от интенсивности движения транспорта (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость толщины уплотненного снежного покрова от интенсивности движения

Полученные экспериментальным путем значения хотя и не позволили установить четкую связь между толщиной слоя УСП и интенсивностью движения, но характер этой связи был выявлен. Во-первых, полученные значения толщины слоя (УСП) возрастают с увеличением интенсивности движения. Во-вторых, характер размещения экспертных точек на графике позволяет предположить об их прямолинейной зависимости, что дает возможность установить связь в виде уравнения прямой (у = ах + в).

Пользуясь этим графиком и зная интенсивность движения, можно определить ориентировочную среднюю толщину уплотненного снежного покрова при проведении работ по содержанию дорожных покрытий в зимних условиях в зависимости от интенсивности движения. Дальнейшие исследования позволят уточнить эту зависимость в части влияния состава движения, погодно-климатических условий, физико-механических свойств снежно-ледяных отложений и других факторов.

Скорость движения транспорта зависит от состояния слоя УСП (деформации) на дорожном покрытии. Относительное распределение деформаций, образующихся на уплотненном снежном покрове, по данным анкетирования, составляет:

- поперечная волна («гребенка») - 22,7 %,

- продольная колея с глубиной 3-5 см - 29,5 %,

- отдельные просадки или ямочность до 5 см, площадью:

- до 1 м² - 15,9%,

- более 1 м² - 9,1 %,

- повышенная скользкость - 15,9 %,

- прочие деформации - 6,9 %.

К наиболее распространенным деформациям УСП на дорогах относят поперечную волну и продольную колею. Они образуются, как правило, в период содержания (ухода), продолжительность которого составляет более 60% от общей продолжительности зимнего периода.

Деформация слоя УСП, зависит от качества и цикличности выполняемых работ по зимнему содержанию дорог. Основная технология формирования, ухода и ликвидации УСП практически во всех регионах одинаковая и выполняется преимущественно с помощью традиционной дорожной техники (КДМ, автогрейдер), без использования специального оборудования и машин.

Состояние автомобильных дорог, особенно повышенная скользкость дорожных покрытий, оказывает существенное влияние на безопасность дорожного движения. Количество ДТП на автомобильных дорогах, содержащихся по технологии УСП, составляет 12,2 %, от общего количества транспортных происшествий, зафиксированных в зимний период на дорогах обследуемых регионов. Установлено, что повышение безопасности на этих дорогах обеспечивается за счет двух основных показателей: увеличения шероховатости поверхности слоя УСП и ограничения скорости движения на этих участках.

Для повышения шероховатости слоя УСП проводят нарезку продольных, а в некоторых случаях зигзагообразных борозд с помощью грейдерных ножей с гребенчатой кромкой (6,8%) и/или распределяют различные абразивные материалы (песок, щебень, гравий и др.) на поверхности снежного покрова (93,2%).

Одним из эффективных мероприятий повышения дорожной безопасности является снижение скорости движения автомобильного транспорта на дорогах. Совместно с местными органами ГИБДД дорожники проводят на обследуемых дорогах различные мероприятия, повышающие безопасность движения. Относительные объемы таких мероприятий следующие:

• установка дорожных знаков с переменной информацией 8,6%,

• установка стационарных знаков на весь зимний период 14,3%,

• установка временных знаков на период неблагоприятных погодных условий 28,3%

• оповещение участников движения по местному радио и телевидению 5,7%

• не проводятся мероприятия по организации дорожного движения 42,8%

Из приведенных данных следует, что значительное количество дорожных управлений (более 40%) не осуществляет на дорогах, содержащихся с уплотненным снежным покровом, какие-либо мероприятия по организации дорожного движения в зимних условиях.

ВЫВОДЫ

1. Автомобильные дороги общего пользования, эксплуатируемые в условиях ограниченного финансирования, в зимний период, при интенсивности дорожного движения не более 2000 авт./сут., могут содержаться с уплотненным снежным покровом.

2. Установлено, что толщина уплотненного снежного покрова колеблется от 3 до 10 см в зависимости от интенсивности дорожного движения. При дальнейших исследованиях толщина снежного покрова будет уточняться с учетом влияния других факторов: состава и скорости движения, погодно-климатических условий, типа дорожной одежды и т.д.

3. Дальнейшими исследованиями содержания автомобильных дорог с уплотненным снежным покровом предполагается продолжение мониторинга содержания дорог с УСП, разработка норм и регламента выполнения работ по формированию, уходу (содержанию) и ликвидации УСП, совершенствование методов и способов повышения шероховатости слоев УСП и проведение других видов работ. Результаты таких исследований, при их внедрении, позволят не только улучшить транспортно-эксплуатационные показатели, но и повысить безопасность движения на дорогах с уплотненным снежным покровом.

Первые полученные результаты, изложенные в статье, позволили ФГУП РОСДОРНИИ обосновать предложение о необходимости проведения более глубоких исследований по данной проблеме, что в настоящее время реализуется в рамках научно-исследовательских работ Росавтодора Минтранса РФ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аско Пёухёнен, Ойва Хуусканен. Работы по зимнему содержанию дорог. /Семинар «Зимнее содержание». - г. Куопио, Финляндия, 14-18 марта 2005 г.

2. Desheles Daniel. TECHNOLOGICAL INNOVATIONS SUPPORTING WINTER MAINTENANCE IN QUEBEC. X th PIARC International WINTER ROAD CONGRESS Technical Report-16-19 March-Lulea-Shweden-1998. - v3. - PP.261-272.

3. Беляков С.А. Затраты по потребности. //Автомобильные дороги. - № 6. - 2006.

4. Указания по строительству, ремонту и содержанию гравийных покрытий. ВСН 7-89, Минавтодор РСФСР. - М.: Транспорт, 1990.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА УЧАСТКАХ УШИРЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Кандидаты техн. наук Ю.Р. Перков, А.П. Фомии,
инж. Е.В. Никанычева
(ФГУП РОСДОРНИИ)

Уширение автомобильных дорог является одним из основных видов работ по улучшению транспортно - эксплуатационных показателей дороги. Анализ данных АБДД «Дорога» показывает, что требуемый объем работ по уширению федеральных автомобильных дорог составляет не менее 8 тыс. км. В то же время опыт эксплуатации уже уширенных участков свидетельствует о наличии серьезных проблем в подходе к проектированию и технологии производства работ. При современном подходе к выполнению работ по уширению, как правило, не удается обеспечить равнопрочность дорожной конструкции, что приводит к быстрому появлению дефектов в зоне сопряжения.

К такому выводу приводит, в частности, анализ данных АБДД «Дорога» и выполненных выборочных обследований (ФГУП РОСДОРНИИ, 2005 г.). Характерные ситуации, наблюдаемые на ряде автомагистралей при исследованиях:

- на автомобильной дороге М-1 распространение продольных трещин составило 17% (1993 г.) и резко возрастало по мере выполнения основных работ по уширению до 32-49% (1995 - 1998 гг.). Срок от ввода участков до появления дефектов в зоне сопряжения составлял 1-2 года;

- на участке реконструкции автомобильной дороги М-2, км 169-228 (обход г. Тулы), объем распространения дефектов в зоне сопряжения уже через 2 года после реконструкции приблизился к 100%. Раскрытие продольных трещин не стабилизируется, а продолжается и достигло, в среднем, от 8-15 мм - с 2002 г. до 15-25 мм - к 2005 г. (рис. 1);

- на автомобильной дороге М-10 распространение дефектов в зоне сопряжения отмечалось повсеместно и, хотя с момента устройства уширения прошли десятки лет, явление не стабилизируется в полной мере, а лишь нивелируется на короткий период выполняемыми работами по ремонту и содержанию.

Рис. 1. Характерное состояние покрытия в зоне уширения на автодороге «Крым» М-2 Москва - Граница с Украиной:
а - 2002г.; б - 2005г.

Высокие объемы и темпы распространения дефектов в зоне сопряжения не позволяют увязывать их только с возможными недочетами, допущенными при проектировании отдельных участков и производстве работ. Скорее можно говорить о существенных недостатках самой нормативной базы. Так, действующие нормативные документы направлены, прежде всего, на регламентацию работ при проведении нового строительства или усиления существующей дорожной одежды. Их положения, относящиеся к уширению, носят во многом декларативный характер. Предлагаемые конкретные конструктивные решения касаются в большей степени сопряжения верхних слоев дорожных одежд [1,2], что позволяет достичь лишь некоторого усиления зоны сопряжения с точки зрения воздействия транспортных нагрузок. В то же время основной причиной возникновения дефектов в зоне сопряжения нежестких дорожных одежд и, как представляется, одной из основных - в зоне сопряжения жестких и нежестких дорожных одежд является разная морозоустойчивость дорожных конструкций.

В таблице представлены данные, характеризующие разницу расчетных величин пучения вблизи зоны сопряжения, полученные на основе выборочных обследований ряда участков уширения. Анализируя эти данные, можно отметить следующее:

1 величины пучения во многих случаях превышают допустимые значения, хотя в начальный период эксплуатации, возможно, соответствовали допустимым;

2 разница величин возможных деформаций пучения на границе «старой» и «новой» дорожной конструкции (Dl_n) измеряется сантиметрами, причем величины пучения в зоне уширения ниже допустимых, а прогиб от воздействия транспортной нагрузки измеряется сотыми или десятыми долями миллиметра;

3 высокие величины Dl_n отмечаются даже при наличии рабочего слоя существующего земляного полотна и на уширениях из грунтов одного вида, что обусловлено различием конструкций дорожной одежды, разным качеством материалов конструкций, различным состоянием грунтов по плотности-влажности;

4 высокие величины Dl_n отмечаются даже в случаях устройства рабочего слоя земляного полотна из грунтов одного вида, из-за различия конструкции дорожной одежды, разного качества материалов конструкций, разного состояния грунтов по плотности-влажности;

5 высокие величины Dl_n могут отмечаться даже при благоприятных, в целом, грунтовых и гидрологических условиях (непылеватые грунты рабочего слоя, наличие дренирующих грунтов в зоне уширения, 1-я схема увлажнения рабочего слоя).

Таблица

Примечания: 1) числитель - тип местности по увлажнению, знаменатель - схема увлажнения рабочего слоя земляного полотна (СНиП); 2) Н_до - толщина дорожной одежды: числитель - в зоне основной проезжей части, знаменатель - в зоне уширения; 3) Н_н - средняя высота насыпи; 4) расчетные величины пучения в зоне сопряжения (числитель - для основной проезжей части, знаменатель - для уширения).

Исходя из полученных данных и практики эксплуатации, можно следующим образом прокомментировать основные положения существующих нормативных документов и практических методов проектирования уширений:

- декларируется в качестве основной цели обеспечение равнопрочности дорожной конструкции. Практически выполняется раздельное проектирование уширения дорожной одежды и усиления покрытия в пределах основной проезжей части без какой-либо их увязки;

- декларируется необходимость учета состояния существующей дорожной одежды при проектировании уширения. Практические методы такого учета отсутствуют;

- предлагаются различные способы сопряжения дорожных одежд, улучшающие работу дорожных одежд в зоне сопряжения под воздействием транспортных и температурных нагрузок. Такие способы лишь в малой степени могут влиять на развитие в зоне сопряжения дефектов, основной причиной которых является наличие «неравнопрочности на морозостойкость»;

- декларируется необходимость при устройстве уширений использовать грунты того же вида, что и грунт существующего земляного полотна. Практически это затруднительно и не может гарантировать равнопрочность конструкции, поскольку грунты имеют другое состояние по плотности-влажности, не говоря о «разновременности» их состояния (в пределах уширения грунтам только предстоит в течение 5-10 лет достичь некоторого относительно стабильного состояния;

- декларируется возможность применения при устройстве уширения (в отсутствии грунтов того же вида) грунтов с более высоким коэффициентом фильтрации. Однако такой подход может привести к использованию грунтов другой группы по степени пучинистости. Худшие результаты могут быть получены как раз при уширений земляного полотна из связных грунтов дренирующими грунтами;

- типовой вариант в практике проектирования - создание ступени на границе существующей и устраиваемой дорожной конструкции (понижение поверхности земляного полотна на участке уширения) для активизации работы существующего дренирующего слоя. Однако одновременно может возрастать разница величин пучения грунта в зоне сопряжения за счет резкого увеличения толщины дорожной одежды на участке уширения;

- декларируется необходимость введения дополнительного расчетного критерия отношения «равнопрочность на морозостойкость» - «интенсивность морозного пучения», однако практически этот расчетный критерий не применяется, поскольку не имеет достаточного методологического обеспечения, а в результате не применяется и как способ обеспечения морозоустойчивости и устройства «переходной зоны» [3], по крайней мере, применительно к участкам уширения.

Отсюда следует актуальность разработки нормативной базы, прежде всего - методологии проектирования дорожных конструкций на участках уширения с учетом особенностей водно-теплового режима земляного полотна. Изменение существующего положения требует также и изменения подхода к проектированию дорожных одежд в целом. Действующие документы (ОДН 218.046-01, МОДН 2-2001) в недостаточной степени учитывают существенную практическую разницу в подходе к расчетам по критериям прочности и критериям, обеспечивающим морозоустойчивость и дренирование конструкции.

В процессе эксплуатации степень соответствия дорожной конструкции всем этим критериям снижается, однако, для полного восстановления этого соответствия, по критериям прочности достаточно устройства слоев усиления, а для соответствия остальным критериям - без полного переустройства дорожной конструкции возможно лишь достижение некоторого улучшения.

В ФГУП РОСДОРНИИ (2005-2006 гг.) проводились исследования, направленные на совершенствование методологии проектирования. В основном, исследования касались совершенствования теоретических основ методологии регулирования водно-теплового режима земляного полотна на участках уширения. Исследования позволили сделать некоторые практические выводы [4].

Рис.2. Переходные зоны на участках уширения:
1 - существующее земляное полотно; 2 - земляное полотно уширения; 3 - линия откоса существующего земляного полотна; 4 - линия сопряжения земляного полотна уширения и существующего земляного полотна;
S - ширина полки уступа; Нд.о.сущ. и Нд.о.ушир.- соответственно, толщина дорожной одежды существующей конструкции и на участке уширения; Znp. - глубина промерзания дорожной конструкции на участке уширения

Прежде всего, обоснована необходимость введения «переходных зон», по типу зон [3], формируемых, как правило, за счет изменения профиля поверхности земляного полотна в зоне уширения (рис.2). Параметры зон назначаются в зависимости от существующей дорожной конструкции и дорожной конструкции уширения. Создание таких зон целесообразно, поскольку технологически несложно и не требует каких-либо значительных затрат. Их применение рекомендуется, когда имеется различие в величинах пучения грунта на границах зоны контакта, даже если абсолютные величины пучения не превышают допустимые, т.е. в большинстве случаев.

Также обоснована необходимость введения новых расчетных критериев, которые можно условно определить как критерии, определяющие «равнопрочность на морозоустойчивость». Помимо величины пучения грунта в пределах существующей проезжей части и на участке уширения (см. рис.2) (зона 1 и зона 2) регламентируется также разница этих величин, соотношение интенсивности осадок и промерзания грунта. Однако предложенная методология расчета по названным критериям [5], требует определенного доведения до инженерного уровня из-за сложности выполнения многократных расчетов. В настоящее время можно было бы определять по стандартной методике [5] величину и разницу пучения грунта в зонах сопряжения (сечение I, II, см. рис.2), сопоставляя их с допустимыми величинами (0,2 - 0,7 в зависимости от вида грунта и его минимальной температуры). Превышение разницы пучения требует выполнения ряда мероприятий - от использования для уширения земляного полотна грунта другого вида, более близкого по величине пучинообразования к грунту существующего земляного полотна, до изменения дорожной конструкции уширения (подбор по степени теплопроводности) или устройство вдоль границы сопряжения «разрезной» конструкции с деформационными швами открытого типа.

ВЫВОДЫ

1. При проектировании участков уширения не учитывается, в должной мере, хотя и декларируется комплексный подход, обеспечивающий равнопрочность дорожной конструкции в зонах сопряжения существующей и уширяемой частей дорожной конструкции.

2. Актуальной является разработка документа, регламентирующего процессы выполнения работ по изысканиям и проектированию дорожных конструкций на участках уширения.

3. ФГУП РОСДОРНИИ проводит такую работу в части наиболее сложного ее этапа - совершенствование методологии расчета с учетом водно-теплового режима.

4. Некоторые практические предложения, содержащиеся в данной статье, могут быть использованы до разработки нормативной базы по проектированию дорожных конструкций на участках уширении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рекомендации по расчету и технологии устройства оптимальных конструкций дорожных одежд с армирующими прослойками при строительстве, реконструкции и ремонте дорог с асфальтобетонными покрытиями/ГП РОСДОРНИИ.-М.: Информавтодор, 1993.

2. Рекомендации для опытного применения конструкций сопряжения существующих с вновь устраиваемыми дорожными одеждами при уширении проезжей части/ ФГУП СоюздорНИИ. Отчет и НИР по этапу 4 контракта №ОПО-12/750.2005.

3. Рувинский В.И. Обеспечение морозоустойчивости дорожной одежды при ремонте и реконструкции дорог. //Наука и техника в дорожной отрасли. - №3. - 1997. - С.6-8.

4. Исследование и совершенствование теоретических основ методологии регулирования водно-теплового режима земляного полотна и дорожных одежд на участках уширения автомобильных дорог/ФГУП РОСДОРНИИ. Отчет и НИР по этапу 8 контракта № ОПО-12/759 от 02.12.2004.

5. МОДН 2-2001. Проектирование нежестких дорожных одежд. - М., 2002.

ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ

Кандидаты техн., наук В.М. Сикаченко, Е.А. Мартынов,
инж. С.А. Ахметов (СибАДИ)

Расчет жестких дорожных одежд, работающих в условиях динамического нагружения, практически выполняют [1], используя статические значения модулей упругости дорожно-строительных материалов и базируясь на теоретических решениях статической задачи технической теории плит. Для учета влияния нестационарных случайных колебаний на жесткие дорожные одежды движущейся автомобильной нагрузки, её увеличивают на коэффициент динамичности, обычно принимаемый равным 1,04-1,6, в зависимости от осевой массы автомобиля. Существующие методы расчета подобных конструкций связаны с работами В.Ф. Бабкова, Л.И. Горецкого, М.А. Железникова, Б.И. Когана, И.А. Медникова, B.C. Орловского, B.C. Никишина, В.Г. Пискунова, А.П. Степушина и др. авторов.

Вместе с тем, до настоящего времени еще весьма недостаточно изучены волновые процессы в жестких дорожных одеждах и верхних слоях земляного полотна при воздействии подвижных нагрузок, а оценка динамики работы покрытия по коэффициенту динамичности отражает влияние неровностей поверхности покрытия, но не учитывает колебаний, возникающих в дорожной одежде и земляном полотне.

Как показывают исследования многих авторов, вопрос о величине коэффициента динамичности несколько противоречивый и дискуссионный. На основе обобщенного экспериментального и теоретического материала было установлено [1], что "движущиеся автомобили оказывают на дорожную одежду кратковременное воздействие, величина которого, в зависимости от скорости движения, больше статического в 1,55-1,8 раза даже при неровностях, остающихся на вновь устроенных покрытиях".

Развитию динамических расчетов жестких дорожных одежд при воздействии подвижных автомобильных нагрузок, не используемых в [1], посвящены работы А.К. Бируля, А.Г. Булавко, Г.И. Глушкова, А.Н. Защепина, М.С. Коганзона, А.В. Смирнова, Б.Б. Самойленко, В.Е. Ярового и др. авторов. Второй способ расчета жестких дорожных одежд выполняется с использованием динамических значений модулей упругости дорожно-строительных материалов, что приближает работу дорожных одежд к реальным условиям при кратковременном воздействии движущегося транспорта.

При движении по неровным дорожным покрытиям, автомобиль колеблется и воздействует на покрытие двумя типами нагрузок: постоянными и импульсными. Воздействие подвижной автомобильной нагрузки на дорожное покрытие всегда носит динамический характер, т.к. происходит возрастание нагрузки от нуля до максимального значения за время, измеряемое сотыми долями секунды, и чем больше скорость движения автомобиля, тем меньше время приложения нагрузки. Причем с увеличением скорости движения автомобиля будут возрастать амплитуды скоростей колебаний и ускорения амплитуд колебаний поверхности дорожного покрытия, так как период колебаний обратно пропорционален скорости движения автомобиля. На динамичность автомобильной нагрузки, кроме скорости движения, существенное влияние оказывают: неровности покрытия; характеристики шин и рессорных подвесок автомобиля; инерционные силы, возникающие под действием нагрузки, быстро изменяющейся во времени; реологические свойства материалов дорожной одежды; многократность приложения нагрузок.

В условиях современного движения, характеризующегося большой массой транспортных средств, а также высокой интенсивностью и скоростью движения, динамическое воздействие автомобиля на плиты цементобетонного покрытия жестких дорожных одежд носит импульсный (ударный) характер, поэтому на цементобетонных покрытиях, обладающих малым демпфированием (малым коэффициентом неупругого сопротивления), наиболее четко проявляется один из недостатков таких покрытий, заключающийся в их неспособности быстро поглощать возникающие колебания в отличие от нежестких асфальтобетонных покрытий, что оказывает существенное влияние на вертикальную устойчивость цементобетонных покрытий.

Нагрузки от движущегося транспорта опасны не только динамическим воздействием на плиты цементобетонного покрытия, но и ускорениями амплитуд колебаний, которые они вызывают в приконтактном слое грунта земляного полотна. Возникающие ускорения амплитуд колебаний цементобетонных плит покрытия в пределах от 0,04 до 0,2 g приводят [3] к неизбежному доуплотнению и снижению сопротивляемости сдвигу песчаного грунта основания, причем величины критических ускорений амплитуд колебаний, не вызывающих снижения сопротивления грунтов сдвигу, незначительны и измеряются сотыми долями g, а доуплотнение песчаного грунта основания в зависимости от влажности и гранулометрического состава песка происходит [4] при ускорениях амплитуд колебаний от 0,2 до 2 g. Для снижения величин ускорений амплитуд колебаний плит цементобетонного покрытия, не вызывающих доуплотнение песчаного грунта и повышения вертикальной устойчивости плит [3] было рекомендовано увеличивать толщину плит покрытия или устраивать основания из цементогрунта, а проектирование жестких дорожных одежд выполнять по предельно допустимым ускорениям амплитуд колебаний.

Асфальтобетонные покрытия на монолитном или сборном цементобетонном основании, внедренные в практику дорожного строительства, обладают демпфирующей способностью, благодаря чему значительно снижается динамическое воздействие подвижных нагрузок на дорожные конструкции. При распространении волновых полей напряжений в неупругих средах (упруговязких или вязкопластичных) происходит частичная потеря механической энергии за счет её превращения в тепловую. Демпфирующая способность асфальтобетона приобретает особое значение при больших скоростях движения транспортных средств, когда динамические воздействия резко возрастают. Учет демпфирующей способности асфальтобетона при оценке напряженно-деформированного состояния таких дорожных конструкций позволит более обоснованно их конструировать.

Выполненные экспериментальные исследования [2] жестких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием на цементобетонном монолитном основании позволили установить преобладающее влияние над квазистатическим изгибом плит цементобетонного основания спектра высокочастотных поверхностных волн, возникающих от импульсной составляющей подвижной автомобильной нагрузки и достигающих 100% от амплитуд скоростей колебаний основных изгибных волн, образующихся от постоянной нагрузки на колесо автомобиля. Распространение высокочастотных поверхностных волн на покрытиях жестких дорожных одежд достигает 20-30 диаметров отпечатка следа колеса автомобиля. При изменении скорости движения автомобиля от 10 до 60 км/ч, амплитуды скоростей колебаний жестких дорожных одежд повышались почти в 2 раза, при этом затухание колебаний по толщине дорожных одежд происходило плавно, а глубина активно колеблющейся массы плиты и приконтактного слоя грунтового основания составляла в среднем 0,9 - 1,2 м или 3-5 диаметров отпечатка следа колеса автомобиля. При скорости движения автомобиля от 10 до 60 км/ч, скорость распространения продольных волн колебаний поверхности покрытия жестких дорожных одежд составляла 1840-1920 м/c что почти в 2 раза выше, чем в нежестких дорожных одеждах.

Экспериментальные исследований колебаний жестких дорожных одежд на основаниях различных типов (битумогрунт, щебень, песок, цементогрунт [6]) позволили установить, что: частота колебаний не зависит от типа основания и составляет 25-35 Гц; динамические характеристики дорожных одежд в значительной степени зависят от типа основания, так максимальная величина амплитуд колебаний дорожных одежд с укрепленными основаниями составляла 0,2-0,4 мм, а с дискретными основаниями - 0,4-1,3 мм; динамический прогиб жестких дорожных одежд (или её общий динамический модуль упругости) при воздействии подвижной нагрузки можно рассматривать, с некоторой условностью, как показатель жесткости дорожной одежды.

Движение автомобилей по поверхности покрытия вызывает деформацию дорожной одежды и сопровождается передачей кинетической энергии. Амплитуда скорости колебания du/dt является важнейшей составляющей в формуле кинетической энергии, поэтому, согласно [5,6], наиболее объективными характеристиками и критериями устойчивости жестких дорожных одежд при воздействии подвижной автомобильной нагрузки являются амплитуды скоростей колебаний du/dt и ускорения амплитуд колебаний d²u/dt² поверхности дорожных одежд, что соответствует фундаментальным исследованиям, проведенным AASHTO. Сопоставление кинетической энергии при однократном приложении расчетной нагрузки, с предельно допустимой кинетической энергией за период срока службы дорожной одежды, позволяет определить требуемую толщину конструктивных слоев. Экспериментально установлено [6], что в зависимости от типа основания, на поверхности жестких дорожных одежд, не подверженных разрушению, амплитуды скоростей колебаний и ускорения амплитуд колебаний должны составлять, соответственно, 1,5-2,0 мм/с и 13-30 мм/c².

При исследовании напряженно-деформированного состояния многослойных жестких дорожных одежд методами теории упругости, большинство расчетных моделей рассматривается как квазисплошные с параллельными слоями и не учитывается, что некоторые конструктивные слои выполнены не сплошными, а имеют периодические кусочнонеоднородные включения. Сложный характер работы такого вида жестких дорожных одежд при воздействии подвижных автомобильных нагрузок имеет свои особенности, поэтому исследование динамических процессов в конструктивных слоях таких одежд позволит выявить механизм развития деформаций и разрушений, что не может быть объяснено с позиций статики.

В разработанной на кафедре "Строительство и эксплуатация дорог" СибАДИ конструкции дорожной одежды [7] плита сборного основания выполнена в виде анкера, обеспечивающего сцепление асфальтобетонного покрытия и нижнего слоя цементогрунтового основания (рис. 1). Исследуемая дорожная одежда, представляет собой сложную многослойную конструкцию со средним слоем из решетчатых плит, содержащих конусообразные включения из материалов покрытия, и дополнительного слоя основания.

Рис. 1. Конструкция дорожной одежды:
1 - асфальтобетонное покрытие; 2 - цементобетонная решетчатая плита; 3 - основание из грунта, укрепленного вяжущим; 4 - грунтовое основание

Исходя из основной задачи опытно-производственной проверки разработанной конструкции дорожной одежды [7], все опытные образцы решетчатых и сплошных плит были изготовлены из тяжелого бетона класса В15. Техническая характеристика плит приведена в табл. 1.

Таблица 1

Техническая характеристика плит

С целью приближения условий испытания исследуемых конструкций жестких дорожных одежд к условиям их фактической работы, был использован метод динамического нагружения с помощью установки ДИНА-3М. Эта установка позволяет получать с достаточной точностью, через определенные промежутки времени, в одной и той же точке покрытия динамические прогибы всей конструкции, при одинаковой по величине и скорости приложения импульсной нагрузке, соответствующей расчетному автомобилю.

Экспериментальные исследования конструкций жестких дорожных одежд (рис. 2) при динамическом нагружении установкой ДИНА-3М плит сборного основания (центр плиты, края длинной и короткой сторон, угол плиты), проводились на опытном и базовом участках, построенных на подъездной автомобильной дороге, расположенных на территории ДСК-2 (г. Омск) и имеющих 18-летний срок эксплуатации.

Рис. 2. Конструкции жестких дорожных одежд:
1 - асфальтобетон; 2 - цементобетон; 3 - цементогрунт; 4 - грунт земляного полотна

До начала экспериментальных исследований на опытном и базовом участках подъездной автомобильной дороги, общей шириной 6,0 м и длиной 28,5 м, на асфальтобетонном покрытии была нанесена разметка 32 контрольных точек, месторасположения штампа установки динамического нагружения ДИНА-3М. Контрольные точки располагались в центре и углах плит, а также в центрах краев длинных и коротких сторон плит на расстоянии, равном половине диаметра штампа опытного и базового участков дороги.

В каждой контрольной точке опытного и базового участков было проведено не менее трех испытаний. Если показания динамических прогибов расходились между собой более чем на 5 %, то проводились дополнительные испытания.

В данной работе при определении объема натурных испытаний авторы исходили из предположения, что распределение исследуемых динамических прогибов следует нормальному закону распределения случайных величин, который является одним из трех предельных законов теории вероятностей. Математический аппарат этого закона сравнительно прост и достаточно подробно разработан.

Случайный характер результатов испытаний дорожных одежд, выражаемый разбросом исследуемых динамических прогибов, характеризуется взаимным сочетанием и влиянием случайных явлений, вызванных как естественной неоднородностью материалов конструктивных слоев дорожной одежды, воздействием метеорологических факторов и др., так и изменчивостью работы испытательного оборудования. Однако величина изменчивости работы оборудования незначительна, поэтому можно считать, что случайный характер результатов испытаний дорожных одежд обусловлен только неоднородностью материала.

Результаты измерений динамических прогибов с учетом их статистической обработки методом математической статистики [8] приведены на рис. 3.

Рис. 3. Сопоставление динамических прогибов конструкций жестких дорожных одежд:

Для приведения результатов испытаний дорожных конструкций к расчетному периоду, одновременно проводился отбор проб грунта земляного полотна для определения его влажности, и выполнялись замеры температуры воздуха и асфальтобетонного покрытия с помощью цифрового термометра модели ART 02220 фирмы Termometerfabriken Viking Ab Eskilstuna (Швеция). На момент испытаний дорожных конструкций средняя влажность грунта составляла 20,03 %, а средние температуры воздуха и асфальтобетонного покрытия составляли, соответственно, 3,4 °С и 2,7 °С

На основании качественной оценки результатов испытаний на опытном и базовом участках конструкций жестких дорожных одежд динамическим нагружением можно сделать следующие выводы:

1. Анализ значений динамических прогибов показывает, что в условиях эксперимента величина прогиба в центре решетчатых плит сборного основания опытной дорожной одежды на 11,79 % меньше, чем величина прогиба в центре сплошных плит базовой дорожной одежды.

2. Динамический прогиб в середине длинной стороны решетчатых плит сборного основания опытной дорожной одежды на 30,77 % меньше, чем в сплошных плитах.

3. Динамические прогибы в углах и середине короткой стороны решетчатых плит сборного основания опытной дорожной одежды, соответственно, на 4,72 % и 7,43 % больше величины прогиба сплошных плит, что не превышает допустимой погрешности измерений преобразователя линейных перемещений установки динамического нагружения ДИНА-ЗМ.

4. Наиболее объективными характеристиками и критериями устойчивости жестких дорожных одежд при воздействии подвижной автомобильной нагрузки являются амплитуды скоростей колебаний du/dt и ускорения амплитуд колебаний d²u/dt² поверхности дорожных одежд, определяемые с помощью стационарно установленных датчиков ускорения, что является задачами дальнейших исследований.

5. Распределение объемных продольных и поперечных волн в конструктивных слоях жестких дорожных одежд и грунте земляного полотна при воздействии подвижной автомобильной нагрузки, а также комбинаций плоских неоднородных продольных и сдвиговых волн особого типа, в настоящее время исследуется с использованием современного мобильного измерительно-вычислительного комплекса МIС-026 (изготовитель ООО НПП "Мера"), предназначенного для регистрации и обработки экспериментальных данных по отклику дорожных конструкций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методические рекомендации по проектированию жестких дорожных одежд (взамен ВСН 197-91). - М.: Росавтодор, 2004.

2. Смирнов А.В. Динамика дорожных одежд автомобильных дорог. -Омск: Западно-Сибирское книжное изд-во, омское отделение, 1975.- 183 с.

3. Чернигов В.А., Бронивицкий Е.И., Самойленко Б.Б. Влияние вибрации на вертикальную устойчивость бетонных покрытий. //Автомобильные дороги. - 1980. -№ 3. -С. 24-25.

4. Красников Н.Д. Динамические свойства грунтов и методы их определения. - Л.: Стройиздат, 1970. -237 с.

5. Смирнов А.В. Основы метода расчета и конструирования дорожных одежд на действие подвижных нагрузок // Материалы VI Всесоюзного совещания по основным направлениям научно-технического прогресса в дорожном строительстве. Вып. 8. Расчет и конструирование дорожных одежд. - М.: Союздорнии, 1976. -С.4-6.

6. Самойленко Б.Б. Исследование колебаний цементобетонных дорожных покрытий на основаниях различных типов. //Проектирование и строительство автомобильных дорог в сложных инженерно-геологических условиях Сибири/ Тр. Союздорнии, вып. 108. - М.: Союздорнии, 1978. - С.78-93.

7. Сикаченко В.М. Разработка конструкции и оценка напряженно-деформированного состояния жесткой дорожной одежды со сборным основанием из решетчатых плит: Автореф. дис. на соиск. степ. канд. техн. наук. - Омск, 1995. - 23 с.

8. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. - 573 с.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГРУНТОВ НА УЧАСТКАХ ФЕДЕРАЛЬНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Д-р техн. наук, профессор A.M. Кулижников,
Инженеры: Н.Н. Новиков, P.P. Денисов,
Г.Г. Шукюров, П.А. Лушников
(ФГУП РОСДОРНИИ)

Как правило, наибольшие разрушения дорожных конструкций наблюдаются в весенний период оттаивания грунтов. В этот период снижается несущая способность дорожных одежд, что приводит к ограничению допустимых осевых нагрузок и закрытию дорог для пропуска тяжеловесных автомобилей. Такие ограничения вводятся в приказном порядке, без учета конкретных условий, в которых работает автомобильная дорога. Сроки ограничений, определенные для центральных районов России, распространяются также на северные, восточные, западные и южные регионы Российской Федерации. В результате, как показывают наши наблюдения, в этих регионах время ограничения нагрузок не совпадает с периодом наибольшего ослабления дорожных конструкций.

Результаты предварительных расчетов показывают, что в весенний период, при интенсивности движения тяжелых автомобилей 1000 авт./сут, ущерб, нанесенный автомобильной дороге протяженностью 300 км, только за 1 день составляет 12 млн. руб. Больший на порядок ущерб наносится экономике страны, если дорога на один лишний день будет закрыта для автомобильных перевозок.

До настоящего времени не было обоснованной математической модели, позволяющей в зависимости от состояния дорожных конструкций, условий движения, осеннего влагонакопления, зимнего промерзания и темпов весеннего оттаивания, устанавливать оптимальные сроки закрытия автомобильных дорог и ограничения нагрузок на территории различных регионов Российской Федерации. Так, например, на территории Архангельской области, которая растянута по занимаемой площади с севера на юг почти на 650 км, сроки закрытия автомобильных дорог, как показала практика, должны быть дифференцированы и отличаться в северных районах от южных, как минимум, на 2-3 недели.

В настоящее время введены нормативные материалы по расчету дорожных одежд нежесткого типа (ОДН 218.046-01), где особое внимание уделено сопротивлению грунтов сдвиговым нагрузкам, значительно повышены значения коэффициента прочности. В связи с этим, существующие представления об ограничении нагрузки на ось нуждаются в существенной корректировке.

Цель работы - на основе дорожно-климатического районирования, разработанной методики прогнозирования процесса оттаивания в дорожных конструкциях дифференцировать сроки закрытия автомобильных дорог в период распутицы, а также прогнозировать по времени ограничение осевых нагрузок в зависимости от конструкции дорожной одежды и грунтов земляного полотна эксплуатируемых дорог.

В течение нескольких весенних периодов в процессе экспериментальных работ необходимо решить следующие задачи:

- накопить материалы для разработки методики прогнозирования оптимальных сроков ограничения нагрузок;

- определить зависимость изменения глубины оттаивания от температуры воздуха, количества и вида осадков, конструкции дорожной одежды и грунтов земляного полотна и т.д.;

- рассчитать величину упругих деформаций дорожной одежды в зависимости от глубины оттаивания и конструктивных слоев дорожной одежды;

- сравнить полученные результаты (скорость оттаивания, влажность грунтов земляного полотна, упругая деформация, интенсивность и состав движения) для автомобильных дорог, находящихся в различных географических зонах Московской области;

- выявить такие конструкции дорожных одежд и такие грунты земляного полотна, для которых даже в весенний, ослабленный период не требуется введения ограничения нагрузок на автомобильных дорогах.

Для выполнения исследований были выбраны участки федеральных автомобильных дорог I-II категорий: М-10 «Россия», М-8 «Холмогоры», М-5 «Урал» и М-3 «Украина», находящиеся на расстоянии 70-85 км в разных сторонах от Москвы и имеющие по данным диагностики близкие друг к другу конструкции дорожной одежды. Протяженность детально обследуемых и закрепленных участков на каждой дороге составила 100 м. Геометрические параметры участков автомобильных дорог сведены в табл. 1.

Таблица 1

Анализ данных, приведенных в табл. 1, свидетельствует, что уклон обочин, заложение откосов и в ряде случаев уклон проезжей части не соответствуют нормативным требованиям.

Методика обследований базировалась на применении следующего оборудования: георадар «ОКО-2М» с антенными блоками АБ-1700 и АБ-400, прибор «Микродин» для определения упругого прогиба, электронный тахеометр ТС403. Георадар «ОКО-2М» использовался для определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды (антенный блок АБ-1700), оценки состояния грунтов земляного полотна и отметки глубины оттаивания (антенный блок АБ-400).

Влажность грунтов земляного полотна определяли по радарограммам, полученным при сканировании антенным блоком АБ-400 [1,4]. Для этого на радарограммах выявляли месторасположение локальных объектов, находящихся на глубине активной зоны земляного полотна. По программе «Geoscan» определяли диэлектрическую проницаемость среды, находящейся выше локальных объектов, а затем по диэлектрической проницаемости вычисляли объемную влажность грунтов земляного полотна по эмпирической зависимости, полученной шведскими исследователями [2]:

W = (-0.053 + 0.0292·e - 5.5Е-4 · e² + 4.3Е-6 · e³)·100,

где e - диэлектрическая проницаемость.

Прибор «Микродин» использовали для определения упругого прогиба дорожной одежды под действием падающего груза [3]. Подобные приборы для измерений деформационных характеристик применяются за рубежом, например, финский LOADMAN, белорусский «Слега» и немецкий НМР LFG-SD. Все перечисленные приборы имеют незначительный вес и небольшие габариты. Результаты экспериментальных работ, выполненных РОСДОРНИИ при обследовании дорожных одежд установками динамического нагружения (ДИНА 3М и УДН НК), свидетельствуют о достаточно хорошей их корреляции с измерениями прибором «Микродин», о чем говорит сопоставление результатов сравнительных испытаний, проведенных в ноябре 2005 г. (рис. 1). По данным к.т.н. Н.А. Лушникова и инж. П.А. Лушникова динамические напряжения от воздействия, производимого прибором, распространяются на глубину до 70 см от поверхности покрытия дорожной одежды.

Электронный тахеометр ТС403 использовали для тахеометрической съемки 5 поперечников на каждом экспериментальном участке, для оценки геометрических параметров автомобильной дороги и обеспечения поверхностного водоотвода.

Результаты измерений часовой интенсивности движения до начала весеннего ограничения нагрузок (20-21 марта 2006 г.) и пересчет на суточную интенсивность движения сведены в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что наибольшая интенсивность движения зафиксирована на автомобильных дорогах М-10 «Россия» и М-5 «Урал» (соответственно, 16644 и 14784 авт./сут.), однако если на автомобильной дороге М-10 «Россия» преобладают легковые автомобили, число которых достигает 60 %, то на дороге М-5 «Урал» также превалируют легковые автомобили, число которых уже составляет 75 %. Меньшая и практически одинаковая интенсивность движения 9240...9600 авт./сут. установлена на участках автомобильных дорог М-8 «Холмогоры» и М-3 «Украина».

Рис. 1. Результаты определения упругих деформаций с помощью различных приборов

Таблица 2

Результаты измерений упругой деформации прибором динамического нагружения «Микродин» приведены в табл.3. Из анализа следует, что наибольшую прочность имеют дорожные конструкции на автомобильных дорогах М-5 и М-10, наименьшую - на автомобильных дорогах М-8 и М-3.

При этом на автомобильных дорогах М-10 и М-8 (северо-западное и северо-восточное направление от Москвы) в мае месяце, по сравнению с апрелем, упругая деформация уменьшилась, в то время как на автомобильных дорогах М-3 и М-5 (юго-западное и юго-восточное направление от Москвы) наоборот, в мае месяце, по сравнению с апрелем, упругая деформация увеличилась.

Георадарное сканирование в продольном (рис. 2) и поперечном направлениях (рис. 3) позволило получить информацию о влажности грунтов земляного полотна.

Таблица 3

* - Измерения выполнялись в дождливую погоду

Рис. 2. Продольный георадиолокацнонный профиль участка автомобильной дороги М8
Дата зондирования - 20.03.06. Центр участка - метка 1
(оператор - A.M. Кулижников, интерпретатор - P.P. Денисов)

Рис. 3. Поперечный георадиолокационный профиль участка автомобильной дороги М5;
1,3 - метки кромки проезжей части, 2 - ось дороги
(Дата зондирования -20.03.06. оператор A.M. Кулижников. интерпретатор - P.P. Денисов)

Результаты определения влажности грунтов земляного полотна по материалам георадарного сканирования сведены в табл. 4. Влажность грунта определяли по радарограммам, полученным по поперечным проходам. При этом среднее значение влажности установлено по 3-6 измерениям. За период с 20-21 марта по 6-7 апреля средний прирост влажности грунтов земляного полотна составил 4,4...5,8 %, а за период с 6-7 апреля по 4-5 мая - на 2,4...2,6 %. Средний прирост влажности грунта за весенний период составил 9,1 %. Максимальная влажность зафиксирована на участках автомобильных дорог М-5 и М-8, меньшие значения получены на участках автомобильных дорог М-3 и М-10. Следует заметить, что в отличие от других участков автомобильных дорог, на дороге М-8 присутствует грунтовая разделительная полоса, которая могла способствовать увеличению влажности грунтов земляного полотна под проезжей частью.

Таблица 4

Сопоставление упругой деформации с влажностью грунтов земляного полотна показало, что на участке автомобильной дороги М-8 высокой влажности грунтов земляного полотна соответствует наибольшая упругая деформация, в то время как на дороге М-5 максимальной влажности грунтов соответствует минимальная упругая деформация. Это можно объяснить только толщиной покрытия и основания дорожной одежды, а также фильтрационными свойствами грунта земляного полотна. Увеличение влажности грунтов в период измерений (4-5 мая) свидетельствует о том, что, период весенней распутицы еще не закончен и снимать ограничения движения большегрузных автомобилей по всей видимости еще рано.

Было предложено (Денисов P.P.) оценивать состояние дорожных конструкций по величине энтропии георадиолокационных сигналов. При анализе энтропии амплитуды радарограммы рассматриваются и как информационные показатели, характеризующие понятия энтропии.

Энтропия - это степень вариативности микросостояния объекта. Чем выше энтропия, тем больше различных микросостояний, определяющих рассматриваемый объект. При расчёте энтропии георадиолокационных сигналов анализу подвергается фазовое пространство радарограммы.

Для георадиолокационных сигналов была определена следующая зависимость (на основании анализа радарограмм, полученных с помощью антенного блока АБ-400) с уменьшением энтропии максимум спектра сигналов радарограммы смещается в низкочастотную область, что характеризует большее увлажнение грунтов земляного полотна.

Результаты анализа энтропии по радарограммам, записанным как в продольном, так и в поперечном направлениях, показали (рис. 4), что для участков дорог южной ориентации (М-3, М-5) наибольшее увлажнение дорожная конструкция имела в апреле, в то время как оттаивание в марте не затронуло грунты земляного полотна, а в мае месяце избыточная влага достигла основания земляного полотна. Для участков дорог северного направления в мае наблюдается избыточное увлажнение (М-8) или оно уже начинает несколько снижаться по сравнению с апрелем (М-10). Данные исследования по энтропии, безусловно, необходимо продолжить, чтобы расширить выводы. Однако уже сейчас они достаточно хорошо корреспондируются с результатами определения влажности грунтов земляного полотна.

Рис. 4. Относительные величины энтропии георадиолокационных сигналов в зависимости от даты сканирования и участков дорог

Окончательные выводы о сроках ограничения нагрузок делать преждевременно, так как необходимо продолжить мониторинговые исследования, а также уточнить толщину конструктивных слоев дорожной одежды и тип грунта земляного полотна на основе буровых работ и отбора кернов.

Тем не менее, по результатам проведенных работ можно сделать предварительные выводы:

1. Накоплен экспериментальный материал, который позволяет заключить, что даже на территории Московской области в зависимости от географического положения участков автомобильных дорог наблюдаются разная влажность грунтов земляного полотна и далеко неодинаковые упругие деформации поверхности покрытия. Все это подтверждает, что сроки ограничений нагрузок в весенний период на автомобильных дорогах России будут различными, а проводимые исследования являются актуальными.

2. Мониторинговые исследования на автомобильных дорогах следует продолжить в течение еще ряда лет, связав при этом результаты наблюдений с климатическими условиями (температура воздуха, количество осадков, влажность воздуха и т.д.), конструкциями дорожных одежд, характеристиками грунта земляного полотна (тип грунта, содержание пылеватых частиц, коэффициент фильтрации и т.д.).

ЛИТЕРАТУРА

1. Кулижников A.M., Белозеров А.А. Георадарные методы определения влажности грунтов земляного полотна // Дороги и мосты. Сборник / ГП РОСДОРНИИ - М.: Фирма ВЕРСТКА, 2005, вып. 13/1. -С. 185-193.

2. Емилсон Д, Фриборг Д. Один из методов определения влажности в грунте земляного полотна с помощью GPR // Георадары, дороги -2002: Материалы Международной научно-практической конференции. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. - С. 83-88.

3. Лушников Н.А., Лушников П.А. Применение портативных приборов ударного действия для измерения прогиба дорожных конструкций. //Проектирование автомобильных дорог. Сборник научных трудов /МАДИ (ГТУ). -М., 2003.

4. Кулижников A.M., Белозеров А.А. Георадарные технологии для мониторинговых наблюдений за участками автомобильных дорог. // Дороги России XXI века- № 2- 2004. - С. 74-76.

О КОРРЕЛЯЦИИ ГРУЗОПОДЪЁМНОСТИ И АГРЕССИВНОСТИ ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ НА ДОРОЖНУЮ ОДЕЖДУ*

Канд. техн. наук А.Е. Мерзликин
(ФГУП РОСДОРНИИ)

* Расчёты для статьи выполнены с участием студентки МАДИ (ГТУ) Щербаченко С.А.

При проектировании дорожных одежд в качестве расчётной принимают нагрузку, соответствующую предельной нагрузке на ось расчётного автомобиля [1]. В подавляющем большинстве проектов последнего времени в качестве расчётной принимают нагрузку на ось, равную 100 кН. Воздействие на дорожную одежду автотранспортных средств (далее - АТС), имеющих отличные от расчётного автомобиля схемы расположения осей и колёс, характеризуется большим или меньшим разрушающим эффектом. Разрушающий эффект АТС оценивают по так называемому суммарному коэффициенту приведения S_сум, в котором учтены динамические нагрузки от каждой оси автомобиля. Для наглядности и краткости назовём суммарный коэффициент приведения S_сум - показателем агрессивности АТС.

В 2001 году в инструкции по проектированию нежёстких дорожных одежд [1] введена норма, в соответствии с которой допускается принимать коэффициент приведения S_сум в зависимости от грузоподъёмности автомобиля. При этом грузовые транспортные средства разделены на группы в зависимости от грузоподъёмности: 1-2 т, 2-5 т, 5-8 т, более 8 т и тягачи с прицепами.

Современные конструкции грузовых автомобилей дают возможность уменьшать агрессивность воздействия на дорогу при увеличении грузоподъёмности. Например, оборудование грузового автомобиля гидропневматической подвеской может привести к уменьшению агрессивности воздействия на дорожную одежду до 20% при сохранении исходной грузоподъёмности. Поэтому для проектировщиков дорожных одежд представляют интерес периодические исследования корреляции грузоподъёмности и агрессивности воздействия автотранспортных средств на дорожную одежду.

В настоящей работе рассмотрены АТС современного производства России, Беларуси и Украины [2] всего 193 шт., марок (моделей): БАЗ, ЗИЛ, КАМАЗ, КЗКТ, КРАЗ, МАЗ, МЗКТ и УРАЛ. Для каждого грузового автомобиля рассчитан коэффициент приведения S_сум предполагая, что он эксплуатируется на дорожных одеждах капитального или облегчённого типов. Самые агрессивные для дорожных одежд грузовые автомобили, с коэффициентом приведения S_сум более 20, не включены. На рис. 1 представлена аппроксимирующая кривая в виде полинома 3 степени, имеющего величину достоверности аппроксимации R² = 0,7645. В табл. 1 представлены усреднённые результаты расчётов коэффициента приведения S_сум и его вариации для грузовых автомобилей по группам грузоподъёмности.

Рис. 1. Взаимосвязь грузоподъёмности и коэффициента приведения грузовых автомобилей к расчётной нагрузке 100 кН на ось

Таблица 1

Стандартное отклонение s коэффициента приведения S_сум, увеличивается от 60% для АТС средней грузоподъёмности до 613% для тягачей с прицепом. Такой разброс коэффициента приведения к расчётной нагрузке S_сум следует считать значительным и не учитывать этот факт при проектировании дорожных одежд было бы равносильно снижению надёжности расчётов. Для учёта вероятностного характера транспортных потоков предлагается АТС различных групп по грузоподъёмности приводить к расчётным нагрузкам с помощью коэффициентов приведения, зависящих от заданного уровня надёжности дорожной одежды, следующим образом:

S_{сум.расч} = S_сум(1 + v·t),                                                                                                (1)

где

S_{сум.расч} - расчётное значение коэффициента приведения к расчётной нагрузке;

S_сум - среднее значение коэффициента приведения к расчётной нагрузке;

t - коэффициент нормированного отклонения S_сум при заданном уровне надёжности дорожной одежды;

v - коэффициент вариации S_сум.

Учитывая информацию (см. табл. 1) и значения коэффициента нормированного отклонения при заданном уровне надёжности дорожных одежд капитального и облегчённого типов, представлены расчётные значения (табл. 2) коэффициента приведения к нагрузке 100 кН в зависимости от грузоподъёмности автотранспортных средств.

Таблица 2

Предложенный в настоящей статье подход к способу приведения реального транспортного потока к расчётной нагрузке не противоречит логике вероятностного расчёта дорожных одежд по инструкции ОДН 218.046-01 [1], но развивает его.

ЛИТЕРАТУРА

1. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд. - М., 2001.- 146 с.

2. Современные грузовые автотранспортные средства. Справочник / Пойченко В.В., Кондратов П.В., Потёмкин СВ., Мазуров В.А. - М: Агентство Доринформсервис, 1997.-541 с.

Раздел IV
СТРОИТЕЛЬСТВО, РЕМОНТ И СОДЕРЖАНИЕ МОСТОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ НАДОПОРНЫХ ЗОН ПЛИТНОГО ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ ЭСТАКАДЫ СО СТОЛБЧАТЫМИ ОПОРАМИ

Канд. техн. наук В.И. Попов (МАДИ-ГТУ, ЗАО «Генинжконсалт»)
Ле Хоанг Ха (МАДИ-ГТУ)

Введение. Ранее многими исследователями изучались зоны анкеровки напрягаемой арматуры на концах балок пролетных строений и зоны опирания столбов на фундаменты опор, поскольку в эксплуатируемых предварительно напряженных балках железобетонных пролетных строений и в столбах опор появлялись трещины и другие дефекты, вызываемые местными напряжениями. Такие дефекты снижают надежность конструкций и их долговечность. В этой связи следует отметить работы М.Е. Гибшмана и Ю.А. Чаруйского [1,3], которые позволили расширить знания в области проектирования надопорных зон. В последнее время неоднократно регистрировались трещины и другие дефекты, вызванные реакциями столбчатых опор плитных пролетных строений (рис. 1).

Рис. 1. Типичный дефект, вызванный реакцией столбчатых опор

В рамках настоящей статьи приведены результаты исследования напряженного состояния надопорных зон плитных пролетных строений и их анализ. Полученные данные позволяют выявить характерные особенности работы мостовых конструкций в зоне действия местных напряжений и разработать некоторые рекомендации по проектированию надопорных зон.

Практически, интегральную проверку обеспечения несущей способности зон с большим местным напряжением удобно разбить на несколько этапов:

1 - проверка сечения на действие нормальных напряжений;

2 - проверка сечения на действие касательных напряжений (или на действие вертикальной силы);

3 - расчет на местное сжатие.

По действующим нормам определение местного воздействия сил имеет некоторые недостатки, а именно:

- в общем напряженном состоянии опорных зон не учитывается влияние значительных касательных напряжений;

- отсутствуют варианты наиболее рационального армирования надопорной зоны, обеспечивающие её прочность и трещиностойкость;

- нет четкого представления о влиянии таких конструктивных факторов как ширина и радиус кривизны пролетного строения, диаметр стоек или столбов опор, высота поперечного строения. Кроме того, не прослеживается влияние количества и расположения напрягаемой арматуры пролетного строения на работу зоны опирания пролетного строения.

Исходя из сказанного, следует предложить такой способ проектирования опорных зон пролетного строения, который бы позволял:

- определять зоны развития больших местных напряжений;

- оценивать достаточность арматуры в надопорных зонах пролетных строений, исходя из расчета нормальных сечений;

- проводить подбор дополнительной арматуры в зонах местных напряжений с учетом конструктивных особенностей зоны опирания пролетных строений.

Исследование работы зон опирания плитного пролетного строения эстакады со столбчатыми опорами и анализ результатов.

Расчетная модель представляет собой конечно-элементную пространственную систему, заменяющую плитное пролетное строение постоянной высоты (h = 1,45 м), со схемой 30 + 3´35 + 30 м и шириной В = 15 м. Пролетное строение - это неразрезная система с радиусом кривизны R в плане равным 60 м. Диаметр столбчатых опор D = 1,25 м.

Рис. 2. Расчетная конечно-элементная модель надопорной зоны пролетного плитного строения

Учитываются постоянные, а также временные подвижные нагрузки, в соответствие с действующими техническими нормами Вьетнама.

В рамках проводившихся исследований использовался комплекс базовых программ TDV и MIDAS. Комплекс обрабатывает файловую исходную информацию-задание на проектирование, формирует расчетные схемы, по которым рассчитываются и проектируются элементы и узлы сооружения. Расчетная модель участка эстакады изображена на рис.2. Используя модель, определялись нормальные и касательные напряжения в пролетных строениях не только вдоль, но и поперек оси несущей конструкции.

Пролетное строение моделировалось как совокупность треугольных и четырехугольных конечных элементов (см. рис.2). Конечные элементы имели шесть степеней свободы в узле. Каждый из исследуемых участков пролетного строения разделен на 21´950 = 19950, а столбчатая опора - на 8´6 = 48 конечных элементов. Общее количество конечных элементов несущей конструкции составляло 19998 штук, для которых выдавались результаты в числовой форме.

Рис. 3. Распределение нормальных напряжений s_к по верхней (а) и по нижней (б) фибре поперечного сечения при ширине В = 15 м

На основе расчетов, выполненных по базовым программам, были получены огибающие эпюры нормальных напряжений в верхних и нижних фибрах пролетного строения (рис.3). При этом, приложение внешней нагрузкой соответствовало получению их максимальных значений в надопорой зоне. Согласно действующим нормам Вьетнама, нормальные напряжения в преднапряженных конструкциях s_к не должны превышать предельных значений на сжатие [s_c] и растяжение [s_р]. Формулы расчета нормальных напряжений s_к и значения предельных нормальных напряжений [s_c] и [s_р] в предварительно-напряженных железобетонных конструкциях приведены в технических нормах Вьетнама.

Из сравнения норм СНиП 2.05.03-84*, с нормами Вьетнама 22TCN 272-01, следует, что в этих нормах для расчета прочности при местном сжатии, а также при определении требуемого количества дополнительной косвенной арматуры, используют разные формулы.

Рис. 4. Расположение расчетных надопорных зон при расчетах на местное сжатие

По СНиП 2.05.03-84* расчет на местное сжатие выполняется в соответствии с п.3.89*. По 22TCN 272-01 при отсутствии косвенного армирования, условие прочности на местное сжатие имеет вид:

N £ j Р_n,                                                                                                                     (1)

Р_n = 0,85f_с'А₁т,                                                                                                          (2)

где

N - нормальная сила реакции;

А₁ - зона сжатия;

f_с' - прочность бетона на 28-й день;

т, j - коэффициенты модификации и сжатия сопротивления сжатию.

При наличии косвенного армирования прочность на местное сжатие обеспечивается, если выполняются условия:

Р_n = 0,85f_c' А₁+f_yA_s,                                                                                               (3)

где f_y - напряжение в арматуре;

A_s - площадь косвенного армирования.

На рис. 5 представлены графики зависимости прочности надопорных зон пролетного строения от количества косвенной арматуры. Анализ полученных результатов показывает, что:

- каждый шаг изменения диаметра стержней косвенного армирования увеличивает предельную сжимающую силу приблизительно нa 14% по 22TCN272-01 и на 12% по СНиП 2.05.03-84* ;

- если при расчете на местное сжатие не учитывать коэффициент сжатия j в формуле (1), то можно получить довольно близкие результаты по предельной сжимающей силе для двух указанных технических норм;

- в некоторых случаях косвенное армирование вообще не требуется (см. рассмотренный случай при В = 15 м).

Рис. 5. Графики зависимости нормальной силы от количества косвенного армирования

По действующим нормам Вьетнама, помимо проверки надопорных зон относительно нормальных напряжений и местного сжатия, требуется проводить проверку надопорных зон и по касательным напряжениям. На рис. 6 показано распределение касательных напряжений t_к в надопорной зоне по верху, по низу и в середине высоты поперечного сечения.

Рис. 6. Распределение касательных напряжений t_к в поперечном сечении

Огибающие эпюры на рис.6 показывают, что в надопорной зоне размером L = D + 2h (см. рис. 4) роль касательных напряжений весьма существенна. Это означает, что для проверки надопорных сечений на действие касательных напряжений (или на действие вертикальной силы) надо знать зону влияния местных напряжений диаметром L.

Для осуществления проверки сечений железобетонных конструкций по касательному напряжению, целесообразно принять модифицированную теорию полей сжатия (modified compression field theory), которая разработана Векчиоом, Коллинсом и Митшеллом [5,6,8]. В настоящее время модифицированную теорию полей сжатия и её формулы входят не только в технические нормы Вьетнама, но и в нормы других стран.

Модифицированная теория полей сжатия развивалась на базе теории полей сжатия для железобетонных конструкций. Согласно этим теориям бетон с трещиной принимается в качестве нового материала со своими характеристиками в напряженно-деформированном состоянии. В модифицированной теории во внимание принимают растягивающие напряжения в бетоне между трещинами и использует экспериментальную зависимость между деформациями и напряжениями.

На рис.7 изображено расположение продольной и поперечной арматуры надопорных зон пролетного строения. Для подбора арматуры этих зон была разработана специальная программа, построенная в среде MICROSOFT EXCEL и MACRO - VBA. Программа позволяет рассчитывать количество косвенной, вертикальной поперечной и верхней горизонтальной арматуры в надопорных зонах пролетного строения и проверять несущую способность конструкции по прочности. Подбор арматуры в большинстве случаев возможен и по построенным графикам, которые позволяют просто и быстро подобрать диаметр и шаг необходимой арматуры надопорных зон.

Рис. 7. Зоны местных напряжении (а) и расположение верхней горизонтальной и вертикальной поперечной арматуры (б) в месте опирании пролетного строения

При этом должны быть удовлетворены следующие условия:

N £ j V_n,                                                                                                                     (4)

V_n = V_c+V_s+V_p.                                                                                                            (5)

V_n = 0,25 f_с'b_vd_v + V_p,                                                                                                  (6)

                                                                                                  (7)

                                                                              (8)

где

N, V_n - расчетная и предельная продольная сжимающая сила;

b_v, d_v - эффективная толщина и высота пролетного строения (мм);

b - коэффициент, характеризирующий вероятность появления наклонной трещины под действием растягивающих напряжений;

q - угол наклона вектора сжимающих напряжений в надопорной зоне, град. (см. рис. 7-а);

а - угол между горизонтальной арматурой и вертикальной осью опор, град. (см. рис. 7-б);

А_v - площадь поперечной арматуры, с шагом армирования s (мм²).

Рис. 8. Графики зависимости предельной сжимающей силы и количества поперечной арматуры в надопорной зоне

Как видно из рис.8 шаг и диаметр поперечной арматуры надопорной зоны существенно влияет на её прочность. Чем больше величина предельной сжимающей силы, тем больше площадь поперечной арматуры A_v. В рамках проведенных расчетов, при ширине пролетного строения В = 15 м использовалась поперечная арматура D13@125 мм, D16@150 мм или D19@175 мм. Для других конструктивных случаев графики будут аналогичны приведенным на рис.8.

Одним из основных принципов модифицированной теории полей сжатия является признание того факта, что касательные напряжения воспринимаются верхней горизонтальной арматурой. Для определения требуемого сечения этой арматуры используется следующее выражение:

                                                                  (9)

где A_s - площадь верхней горизонтальной арматуры.

По формуле (9) могут быть построены графики для определения площади горизонтальной верхней арматуры надопорных зон любого пролетного строения.

Рис. 9. Графики подбора горизонтальной арматуры надопорной зоны

Из формулы (9) и графиков зависимостей (см. рис.8) видно, что обеспечение прочности надопорной зоны достигается одновременным подбором горизонтальной и вертикальной поперечной арматуры. Графики (рис.9) позволяют сделать такой подбор достаточно простым. Так например, при ширине пролетного строения В = 15 м, задав параметры поперечной арматуры, можно найти параметры горизонтальной верхней арматуры, при которой будет обеспечена прочность надопорной зоны.

ВЫВОДЫ

1. Представляется возможным отказаться от применения косвенного армирования надопорных зон.

2. В целях более корректного армирования надопорных зон целесообразно использовать модифицированную теорию полей сжатия, учитывающую при расчете локальных участков касательные напряжения.

3. Эффективное обеспечение прочности и трещиностойкости надопорных зон достигается комбинацией вертикальной поперечной и горизонтальной верхней арматуры.

4. Использование разработанной программы позволяет быстро определить необходимое количество арматуры в надопорных зонах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гибшман М.Е., Попов В.И. Проектирование транспортных сооружений. - М: Транспорт, 1988. - 447 с.

2. Улицкий Б.Е., Валуева О.И., Поляков Д.Н. Расчет местных напряжений в конструкциях мостов. - М: Транспорт, 1974. - 150 с.

3. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы/ Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2002.-214 с.

4. Tieu chuan thiet kе cau 22TCN272-01. - Viet Nam, 2001. - 400 tr.

5. Barker R. M., Puckett J. A. Design of highway bridges. American: John Wiley & Son, 1997, 1169 pages.

6. Conrad P. Heins, R. A. Lawrie. Design of modern concrete highway bridges. England: Krieger Pub Co, 1992, 635 p.

7. Lin T. Y., Ned H. Burns. Design of prestressed concrete structures, 3^rd Edition. New York: John Wiley and Sons, 1981, 656 p.

8. Vecchio, F. J. and M. P. Collin. The modified compression field theory for reinforced concrete elements subjected shear // ACI journal, vol. 83, No.2, Mar-Apr, pp. 219-231, 1986.

РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ ЖИВУЧЕСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

Д-р техн. наук В.С. Сафронов,
канд. техн. наук А.А. Петранин,
инженеры Е.Н. Петреня, М.В. Косенко (ВГАСУ)

В настоящей статье представлены разработанные авторами Методика и Программа расчетной оценки работоспособности железобетонных балочных пролетных строений с повреждениями в балках. На практике поврежденные балки, а именно снижение их несущей способности из-за проявления различных дефектов, встречается довольно часто. Разработка расчетного метода оценки влияния снижения несущей способности балок в процессе эксплуатации имеет большое практическое и теоретическое значение. В настоящее время подобные расчеты, отражающие не только реальное состояние конструкций, но и реальную работу материала в упругой и пластической стадии, практически не применяются. Авторы выражают надежду, что предлагаемая ими методика даст возможность, за счет более точного определения работы конструкции при её обследовании и проектировании, принять правильное решение о режиме эксплуатации поврежденного пролетного строения.

В статье описывается методика расчета количественной оценки работоспособности балочных пролетных строений с точки зрения потребительских качеств сооружения при наличии дефектов в несущих элементах с целью обеспечения возможности безопасного проезда тяжелых транспортных средств. Суть методики раскрыта на примере пролетного строения, в котором крайние балки имеют повреждения в средних сечениях, что может существенно снижать их несущую способность. При достижении предельных усилий в этих балках в момент проезда транспортного средства непосредственно над ними возможно их разрушение, так как плита проезжей части пролетного строения при потере несущей способности главных балок не может обеспечить безопасный проезд транспортных средств.

Рассмотрим два альтернативных варианта решения рассматриваемой проблемы:

- детерминированный, при котором прочностные параметры несущих конструкций и нагрузочные факторы являются строго заданными, что широко используется в современных нормативных документах [5];

- вероятностный, учитывающий флуктуации прочностных характеристик материалов и действующих на транспортное сооружение постоянных и временных нагрузок.

В основу разработанных алгоритмов и вычислительных программ положена предложенная ранее методика пространственного расчета железобетонных плитно-балочных конструкций с учетом дефектов и нелинейных свойств деформирования материалов [1,2] и вычислительные программы ЕТАР [3] и SERIAL-MGBD2 [4].

В программе ЕТАР реализован алгоритм расчета нормальных сечений железобетонных элементов с учетом физической нелинейности свойств материалов, при котором поперечное сечение балки пролетного строения представляется набором произвольного числа блоков в общем случае трапециидальной формы.

Уравнения равновесия поперечного сечения отдельной балки можно представить в следующем виде:

                                                                                                       (1)

где

 - нелинейный оператор-вектор из двух компонентов, которые представляют собой равнодействующие внутренних усилий поперечного сечения, приведенные к нижней и верхней его границам;

                                                                       (2)

- векторы деформаций и внешних усилий сечения, компонентами которых являются относительные деформации e_рп, e_pv нижнего и верхнего волокон сечения (фибровые деформации) и равнодействующие усилий М, N, приведенные к границам поперечного сечения (фибровые усилия) по формулам:

                                                        (3)

 - массив параметров сечения, учитывающих количество и размеры блоков и арматуры, характеристики материалов, коэффициенты ослабления и т.п.;

z, z_рп, z_pv - координаты точки приложения внешнего усилия N, нижней и верхней границ поперечного сечения.

Численное решение уравнения (1) осуществляется методом Ньютона, на каждом шаге которого последовательно вычисляются

                                                                                                (4)

                                                                                                               (5)

                                                                                                                     (6)

                                                                                                                (7)

где

- векторы невязок и поправок;

 - матрица Якоби;  - скорректированное решение. Элементы якобиана  определяются численным способом по формуле

                                                                            (8)

где

- i-й столбец якобиана;

De - заданное приращение деформаций;

 - вектор приращений, i-я компонента которого равна De, а остальные компоненты нулевые.

Программа MGBD2-SERIAL ориентирована на выполнение расчетов железобетонных балочных пролетных строений автодорожных мостов с дефектами. Реализованные в программе алгоритмы используют метод конечных элементов. Аппроксимация конструкции осуществляется специальными высокоточными пластинчатыми, плитными и стержневыми элементами.

При детерминированном подходе к оценке живучести моста предлагается следующий алгоритм.

1. С помощью программы ЕТАР [3], составляются таблицы зависимости коэффициента ослабления изгибной жесткости от изгибающего момента К_o(М) и определяются предельные изгибающие моменты М_пред для дефектных и бездефектных балок. В качестве примера на рис. 1 представлена полученная по программе ЕТАР зависимость К_o(М) для балки расчетным пролетом 14,4 м по типовому проекту 3.503.1-73 Союздорпроекта.

2. Таблицы зависимости К_o(М) используются при пространственном нелинейном расчете железобетонного пролетного строения на совместное действие постоянных и временных нагрузок по программе MGBD2-SERIAL [4]. Полученные в результате расчета значения изгибающих моментов М_нагр в середине пролета сравниваются с предельными М_пред для каждой балки.

По данному алгоритму производился расчет пролетного строения из шести балок по типовому проекту 3.503.1-73 с расчетным пролетом 14,4 м и габаритом Г9+2´0,75 м. Продольная рабочая арматура крайних балок была ослаблена в результате коррозии, что учитывалось уменьшением площади поперечного сечения на 20%. Утяжеленная в k-раз нормативная нагрузка НК-80 устанавливалась в середине пролета по левой полосе движения. Целью расчетов являлось определение максимального значения коэффициента k, при котором безопасность проезда обеспечена.

Задача решалась методом последовательного нагружения с приращением нагрузки на каждом этапе на величину 0,05 от НК-80. Полученные в результате расчета значения изгибающих моментов в балках в середине пролета на каждом этапе загружения и значения предельных моментов для ослабленных и неослабленных балок представлены в таблице и на рис. 2.

Рис. 2

Таблица

Результаты расчетов показывают, что безопасность проезда транспортного средства будет обеспечена при величине k < 1,20.

В вероятностной постановке задачи под живучестью понимается вероятность безопасного проезда временной нагрузки по критерию достижения изгибающими моментами не менее чем в двух главных балках их предельных значений при заданных распределениях прочностных характеристик бетона, арматуры, а также постоянных и временных нагрузок от собственного веса и проезжающих автомобилей.

Алгоритм вероятностного расчета живучести пролетного строения дорожного моста построен по методу статистических испытаний, по которому осуществляется многократный расчет ситуаций проезда транспортного средства по пролетному строению по различным колеям движения. В каждом расчетном варианте прочностные характеристики материалов и параметры постоянной и временной нагрузок принимаются случайными, путем их генерирования на ЭВМ, с помощью датчика псевдослучайных чисел по заданным параметрам их законов распределения. Динамические эффекты воздействия подвижной нагрузки при движении по мосту учитываются введением динамического коэффициента.

Алгоритм расчета строится следующим образом.

1. Используя нормативные сопротивления арматуры и бетона R_n и полагая, что случайные значения прочностных характеристик бетона и арматуры подчиняются нормальному закону, определяем математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение :

                                                                                        (9)

где v - коэффициент вариации, который, при отсутствии экспериментальных данных, принимается равным v_b = 0,135 для сжатого бетона и v_s = 0,08 для арматуры. С помощью ЭВМ генерируем ряды из п случайных значений прочностных параметров арматуры и бетона. Производя n-кратное количество расчетов с помощью программы ЕТАР с использованием сгенерированных значений прочностных параметров арматуры и бетона, составляем таблицы зависимостей изгибной жесткости от изгибающего момента К_o(М) и предельных изгибающих моментов М_пред для дефектных и бездефектных балок. Строим гистограммы предельных моментов для каждой балки и определяем значения математического ожидания  и среднеквадратического отклонения s_пред.

2. Случайные значения нагрузок также предполагаем распределенными по нормальному закону. За центр распределения принимаем значение нормативной нагрузки

                                                                                                                      (10)

а стандарт распределения определяем по формуле

                                                                                                        (11)

где v_f - коэффициент надежности по величине нагрузки. Ряды n-го количества случайных значений также генерируем с помощью ЭВМ. Данный расчет можно также выполнять с использованием экспериментальных данных.

3. Ряды таблиц зависимости К_o(М), а также случайные значения нагрузки применяем при n-кратном пространственном нелинейном расчете железобетонного пролетного строения на совместное действие постоянных и временных нагрузок, используя программный комплекс (ПК) MGBD2-SERIAL.

4. По данным статистических расчетов строим гистограммы распределения изгибающих моментов в балках пролетного строения. Определяем значения математического ожидания  и среднеквадратического отклонения s_нагр.

5. Используя стандартные процедуры выравнивания статистического ряда, выполняется вычисление вероятности отказа пролетного строения при проезде транспортного средства данного типа по данной колее. Для каждой балки вычисляем значение характеристики  и функции Лапласа , а затем вероятность отказа  и надежность Н = 1 - Q. Так как мы полагаем, что живучесть определяется вероятностью отказа пролетного строения при достижении изгибающими моментами не менее чем в двух главных балках их предельных значений, то момент исчерпания живучести пролетного строения может быть определен или как вероятность отказа во второй балке при уже наступившем отказе в первой балке, или как надежность системы из двух параллельных элементов H_c = 1 - Q₁·Q₂/Q₁, где Q₂/Q₁ - вероятность отказа балки Б2 при наступившем отказе балки Б1.

Учитывая большую трудоемкость расчетов в вероятностной постановке, был разработан специальный программный модуль, позволяющий для каждого этапа расчета формировать исходные данные для используемых ПК MGBD2-SERIALN и ЕТАР и обрабатывать результаты их работы. Расчет производится в полуавтоматическом режиме, с возможностью анализа результатов этих программ на каждом этапе расчета. По окончании цикла расчета программный модуль проводит обработку и анализ распределения предельных  и изгибающих моментов  для балок и вычисляет надежность системы.

Описанные алгоритмы вычислений использованы при оценке живучести проезда нормативной нагрузки НК-80 по мосту с пролетным строением из шести типовых железобетонных балок расчетным пролетом 14,4 м по типовому проекту 3.503.1-73 Союздорпроекта. В расчетах учитывалось, что крайние балки ослаблены уменьшением площади поперечного сечения арматуры на 10% и разрушением бетона полок балок. Рабочая ширина полки принималась равной 120 см.

В расчетах использовались следующие значения коэффициентов вариации: для прочности бетона v_b = 0,135; для прочности арматуры v_s = 0,08.

При описании изменчивости параметров постоянных нагрузок от собственного веса и нагрузки НК-80 также использовался нормальный закон распределения. Значения коэффициентов вариации принимались: v = 0,25 - для нагрузки от собственного веса конструкции; v = 0,10 - для нагрузки НК-80. Для удобства расчета случайные значения нагрузок представлялись в виде произведений постоянной части, равной нормативному значению нагрузки, и переменного коэффициента k, случайные значения которого генерировались на ЭВМ по описанной выше методике. При расчете пролетного строения с помощью ПК MGBD2-SERIALN значения коэффициентов k использовались вместо коэффициентов надежности по нагрузке. Коэффициент динамичности для нагрузки НК-80 принимался равным 1.

Используя полученные случайные значения прочностных характеристики бетона и арматуры, для обоих типов балок - ослабленной и бездефектной - проводилось определение предельного изгибающего момента М_пред и составление таблиц зависимости коэффициента ослабления изгибной жесткости балки от изгибающего момента. Полученные таблицы и случайные значения нагрузок использовались при пространственном нелинейном расчете пролетного строения с помощью ПК MGBD2-SERIAL.

На обобщенных гистограммах (рис.3) представлены полученные в результате расчетов распределения случайных значений предельных моментов (верхние гистограммы) и изгибающих моментов в середине пролета (нижние гистограммы) для наиболее нагруженных ослабленной балки Б1 (а) и бездефектной балки Б2 (б).

Рис.3

Вертикальными линиями на гистограммах (см.рис. 3) отмечены значения предельного момента, полученные с использованием расчетных сопротивлений бетона и арматуры согласно [5].

После анализа распределений получаем Q₁ = 0,000396, Q₂/Q₁ = 0,247056, и H_c = 1 - 0,000396·0,247056 = 0,999902. Это означает, что живучесть пролетного строения по критерию отказа двух балок выше вероятности отказа одной балки в 0,000396/(1-0,999902)=4,04 раза.

Приведённый подход может быть применен и к оценке живучести пролетного строения, когда повреждения в крайних балках приводят к существенному снижению их несущей способности или разрушению. Возможность эксплуатации конструкций с разрушенными элементами ранее не рассматривалась. С реализацией приведённой Методики предоставляется возможность определять и вероятность разрушения остающихся балок при различном уровне нагружения, т.е. устанавливать режим эксплуатации сооружения (хотя бы временный).

Выводы:

Предлагаемая методика расчетов на основе детерминированного и вероятностного подходов позволяет:

• оценить работоспособность пролетного строения с учетом перераспределения усилий между балками, имеющими различную степень повреждений, при проезде нормативных или сверхнормативных нагрузок, что особенно актуально для мостов, запроектированных по старым нормам;

• оценить влияние различных дефектов на живучесть пролетного строения;

• для заданного поля дефектов пролетного строения определить возможность проезда и наиболее безопасное расположение по ширине проезжей части полосы проезда тяжелых транспортных средств.

Вероятностная оценка живучести при использовании действительных параметров разброса прочности материалов и нагрузок стабилизируется при числе вариантов расчета более 120. Для использования в проектной практике предлагаемых алгоритмов необходимы статистические данные о случайных распределениях характеристик материалов, нагрузок и дефектов, которые появляются в пролетном строении при эксплуатации.

В заключении отметим, что предложенные алгоритмы легко модифицируются для других типов несущих элементов искусственных сооружений на автомобильных дорогах: металлических, сталежелезобетонных пролетных строений произвольных статических схем: неразрезных, рамно-консольных, висячих и вантовых и т.п.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сафронов B.C., Петранин А.А., Петреня Е.Н. Суперэлементный расчет в смешанной постановке железобетонных мостов, имеющих дефекты и повреждения.// Изв. вузов. Строительство. - 1996.- №6.-С.103-109.

2. Петранин А.А., Петреня Е.Н., Косенко М.В. Алгоритм пространственного расчета железобетонных плитно-балочных конструкций с учетом дефектов и нелинейных свойств деформирования материалов. В кн.: //Современные методы статического и динамического расчета сооружений и конструкций. - Воронеж: Изд-во ВГАСА, 2000. -С. 135-143.

3. Петранин А.А., Петреня Е.Н. Программа ЕТАР. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ./Серия Б №0158-98.10.RUS. Госком РФ по связи и информатике. Межотр. НИИ "Интеграл".-М.,1998.

4. Петранин А.А.; Петреня Е.Н. Программа SERIAL-GBD2. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ/Серия Б №0157-98.10.RUS. Госком РФ по связи и информатике. Межотр. НИИ "Интеграл".-М.,1998.

5. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы/ Минстрой России. - М.: ГП ЦПП, 1996.-214с.

МЕТОДЫ ТИПОЛОГИЧЕСКОЙ ГРУППИРОВКИ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ НОРМАТИВОВ ЗАТРАТ НА ИХ РЕМОНТ

Д-р экон. наук Э.В. Дингес (МАДИ-ГТУ),
инж. Е.В. Лукин (ГП «Гормост»)

Информационное обеспечение любого методического подхода к расчету нормативов денежных затрат на ремонт дорожных сооружений неразрывно связано с типизацией объектов ремонта, которая предусматривает сведение всего многообразия указанных сооружений к ограниченному количеству однородных групп по основным признакам, характеризующим условия их функционирования и ремонта.

Решение задачи типологической группировки дорожных сооружений целесообразно выполнять в два этапа, предусматривающих:

построение классификатора сооружений и их конструктивных частей и элементов с целью определения наиболее репрезентативных групп по отношению к генеральной совокупности;

агрегирование всей номенклатуры объектов ремонта в однородные группы на основе предложенных в процессе исследования качественных и количественных признаков.

Рассмотрим методы реализации этих этапов на примере типологической группировки мостовых сооружений в Москве, которая выполнялась ГП «Гормост» при нормировании затрат на текущий ремонт мостовых сооружений.

На первом этапе проводилось расчленение всех городских мостовых сооружений на элементы, качественно отличные по назначению, виду, объемно-планировочным и конструктивным решениям, методом монетической классификации, осуществляемой путем последовательного разделения общей совокупности рассматриваемых сооружений на отдельные группы в иерархической последовательности определяющих их признаков, т.е. сначала по значению первого признака, наиболее важного или обобщающего, затем второго признака, конкретизирующего предыдущий, и т.д., до последнего признака, иерархически зависящего от предшествующего. На нижних уровнях классификации в качестве группировочных признаков использовались однопорядковые признаки, независящие или причиннозависящие друг от друга, которые дополняют или конкретизируют вышележащий иерархически зависимый признак.

Очевидно, что наиболее общим признаком, независящим от других, является вид городского транспортного сооружения, поэтому он был положен в основу классификации, что и определило первоначальное деление всей совокупности исследуемых объектов на следующие классы: мостовые сооружения, транспортные тоннели, подземные пешеходные переходы и остекленные (надземные) пешеходные переходы.

Затем каждый из полученных классов делился на подклассы по второму признаку, иерархическая значимость которого устанавливалась в зависимости от вида транспортного сооружения. Так, например, наиболее многочисленный и разнородный класс мостовых сооружений делился по признаку их назначения на пешеходные, автомобильные и автомобильно-пешеходные сооружения.

Затем осуществлялось деление мостовых сооружений по признаку «материал пролетных строений» и далее по соподчиненным ему признакам: «статическая схема» и «тип поперечного сечения» пролетных строений и т.д.

По такому же принципу выполнялось дальнейшее разделение мостовых сооружений по остальным видовым признакам их основных конструктивных частей и элементов.

Проведенная монетическая классификация городских мостовых сооружений позволила сделать следующие основные выводы:

1. В анализируемой совокупности объектов практически отсутствуют сооружения, имеющие сходства по всем принятым к рассмотрению признакам. Это означает, что в рассматриваемых условиях однородные группы объектов ремонта на уровне мостовых сооружений в целом не могут быть сформированы, а следовательно, такие группы должны создаваться применительно к отдельным конструктивным частям или элементам сооружений.

2. Достаточно значимый удельный вес по выбранным качественным и количественным признакам (который по условиям распространенности сооружений или их конструктивных частей и элементов может быть признан достаточным для формирования однородных групп объектов ремонта) имеют следующие группы мостовых сооружений:

• по признаку материала пролетных строений - железобетонные, сталебетонные и стальные;

• по признаку статической схемы пролетных строении - балочно-разрезные, балочно-неразрезные и температурно-неразрезные;

• по признаку типа поперченного сечения балок - тавровые, двутавровые, коробчатые;

• по материалу устоев и промежуточных опор мостов - железобетонные монолитные, сборно-монолитные и сборные;

• по типу промежуточных опор - стоечные, массивные, столбчатые;

• по типу устоев - опоры-стенки, козловые, свайные, массивные;

• по типу основании промежуточных опор и устоев - свайные из забивных свай, на естественном основании; свайные на буровых столбах;

• по типу покрытия проезжей части моста - асфальтобетонные, цементобетонные;

• по типу гидроизоляции проезжей части - по всей ширине моста, в пределах габарита;

• по типу водоотвода - специальный, естественный;

• по типу тротуаров - повышенные тротуары, накладные плиты, монолитные тротуары;

• по типу перил - металлические, железобетонные;

• по типу деформационных швов - закрытого типа, с мастичным заполнением, с резиноплитными элементами, со скользящими листами или гребенками, с резиновыми компенсаторами;

• по типу ограждений - бордюрные, парапетные, барьерные;

• по типу сопряжений моста с насыпью - с переходной плитой, без переходной плиты;

• по типу регуляционных сооружений - конуса с укреплением, без укрепления;

• по длине сооружений - 50-100 м, свыше 100 м, до 50 м;

• по полной ширине сооружений - до 10 м; 21 - 40 м; свыше 40 м; 11-14 м; 15-21 м;

• по ширине тротуаров - 0,75-1,0 м, 1,1-1,5 м, 1,6 - 2,0 м, свыше 2 м;

• по возрасту сооружений - 6-10 лет; 11- 40 лет; до 5 лет; 41-50 лет; свыше 50 лет;

• по уровню ответственности сооружении - второй, первый, четвертый.

3. На основе анализа состава и структуры городских мостовых сооружений представляется целесообразным формировать однородные группы объектов текущего ремонта по их конструктивным элементам и частям: покрытия проезжей части; гидроизоляция мостового полотна; система водоотвода; тротуары: перила; деформационные швы; ограждения; сопряжения сооружения с насыпью; пролетные строения; промежуточные опоры; устои; регуляционные сооружения.

При решении задачи агрегирования городских объектов ремонта в однородные группы наиболее сложным и важным является выбор параметров (признаков), характеризующих объективные условия их функционирования и эксплуатации. При этом надо стремиться к минимизации количества этих параметров. Это объясняется тем, что метод типологической группировки при формировании однородных групп позволяет использовать не более пяти группировочных признаков, так как с ростом их числа увеличивается вероятность разрушения границ между группами [1]. В связи с этим необходим отбор наиболее важных и информативных признаков, дающих наиболее полную характеристику условиям текущего ремонта анализируемых разновидностей мостовых объектов.

Формализованных критериев и правил для обоснования выбора тех или иных признаков при использовании метода группировки до настоящего времени не создано. Вместе с тем агрегирование мостовых сооружений или их составных частей в однородные объекты ремонта не может быть произвольным. Для этого требуется в первую очередь классификация признаков агрегирования, чтобы максимально отразить особенности выделяемых групп основных конструктивных элементов и частей мостовых сооружений по условиям их функционирования, транспортно-эксплуатационного состояния, ремонта и технико-экономическим параметрам.

Изучение динамики износа различных конструктивных элементов мостовых сооружений, а также методов и технологии их эксплуатации, позволяет все признаки, характеризующие особенности и условия их текущего ремонта, свести в четыре группы: основные параметры конструкций, уровень технического состояния, организационно-производственные и эксплуатационно-транспортные (рис.1).

Рис. 1. Группировка основных признаков агрегирования объектов текущего ремонта мостовых сооружении

К группе признаков «основные параметры конструкций» относятся конструктивно-технологические параметры, определяющие, в зависимости от вида рассматриваемого элемента сооружения, материал или технологию его изготовления, вид армирования, способ монтажа и т.п., а также объемно-планировочные параметры, характеризующие основные габаритные размеры этого элемента: длину, ширину, высоту, объем и т.д.

В группу признаков, определяющих уровень технического состояния объектов ремонта, сведены все признаки, прямо или косвенно характеризующие физический и моральный их износ.

Наиболее репрезентативными из них являются показатели уровня физического и морального износа, а также производный индекс качества объектов [2].

Однако использование указанных признаков оценки состояния конструктивных элементов мостовых сооружений для формирования однородных групп объектов ремонта в настоящее время представляется затруднительным, поскольку в паспортах мостовых сооружений отсутствуют данные об их физическом и моральном износе.

Поэтому, для формирования однородных групп объектов ремонта по рассматриваемым признакам, целесообразным было признано использование показателя «возраста сооружений», который, естественно, является весьма относительным критерием состояния объектов ремонта, и поэтому может приниматься для их оценки только тогда, когда срок эксплуатации сооружения в целом является соизмеримым со сроком службы его отдельных частей или конструктивных элементов.

В группу «организационно-производственных» признаков агрегирования включены те из них, которые определяют основные условия текущего ремонта конструктивных элементов сооружений и, следовательно, величину дополнительных расходов к стоимости его проведения в зависимости от степени стесненности фронта ремонтных работ. При использовании этого признака агрегирования объектов текущего ремонта в однородные группы следует исходить из наиболее часто встречающихся на практике вариантов организации ремонтных работ, принимая во внимание то обстоятельство, что разрабатываемые нормативы денежных затрат должны отражать средние, а не конкретные и поэтому специфические для каждого отдельного сооружения условия его производства.

В последнюю четвертую группу «эксплуатационно-транспортных» признаков агрегирования включены признаки, характеризующие интенсивность воздействия на объекты ремонта автомобильных нагрузок и поэтому в той или иной степени определяющих периодичность работ по текущему ремонту элементов мостовых сооружений. Принципиальная схема формирования однородных групп ремонта по основным признакам, характеризующим конструктивные и объемно- планировочные решения мостовых сооружений, представлена на рис. 2 и рис. 3.

В начале рассмотрим рис. 2, на котором приведены схемы образования однородных групп ремонта по видам пролетных строений (см. рис. 2,а) и по видам устоев и промежуточных опор (см. рис. 2,б). Раздельное формирование групп ремонта по указанным конструктивным частям сооружений объясняется тем, что возможны различные комбинации рассматриваемых видов пролетных строений и опор мостов, т.е. их конструктивные признаки являются не соподчиненными между собой или независимыми друг от друга. То же самое можно сказать и о признаках, определяющих видовые особенности элементов мостового полотна, конструкция которых практически не зависит от вида пролетных строений и вида опор мостовых сооружений.

На рис. 2,а сплошными стрелками показана иерархическая последовательность формирования однородных групп ремонта по пролетным строениям ( по признакам «материал», «статическая схема» и «тип поперченного сечения»), которые можно кодировать, используя номера, показанные в каждом блоке рассматриваемой схемы.

Код каждой группы будет состоять из трех цифр, первая из которых характеризует вид материала пролетного строения, вторая - статическую схему, а третья - тип поперечного сечения. Например, код 1-2-1 идентифицирует группу, которая включает железобетонные пролетные строения, имеющие балочно-неразрезную статическую схему и тавровый тип балок в поперченном сечении.

Пунктирные стрелки, проведенные от каждого типа поперечного сечения к так называемым «независимым» признакам, показывают, как при необходимости можно продолжить по этим признакам дальнейшее разделение ранее образованных групп. Так, например, если мы хотим в рамках группы 1-2-1 выделить однородную группу по возрасту сооружений от 41 до 50 лет, то ее код будет 1-2-1-4. При желании выделить в рамках группы 1-2-1-4 однородную группу по длине сооружений до 50 м мы должны присвоить ей код 1-2-1-4-3 и т.д.

Рис. 2. Схема образования однородных групп объектов ремонта по видам пролетных строений и опор мостов

Рис. 3. Схема образования однородных групп объектов ремонта по видам элементов мостового полотна

Аналогично можно провести формирование однородных групп ремонта и по видам промежуточных опор и устоев (см. рис. 2,б), однако, учитывая, что для этих родственных частей мостовых сооружений два из рассматриваемых зависимых признаков (материал и тип основания) имеют цифровое обозначение, для кодирования остальных (типа опор и типа устоев) следует использовать буквенные обозначения. При этом, как видно из рис. 2,б, последовательность их формирования проиллюстрирована двумя типами стрелок: сплошными и пунктирными линиями.

На рис. 3 представлена схема образования однородных групп ремонта по видам элементов мостового полотна, где в качестве зависимых признаков приняты только их основные конструктивные характеристики. Принцип кодирования однородных групп в данной схеме принят такой же, как и в ранее рассмотренный. В этом случае первая цифра кода означает номер элемента мостового полотна. Так, например, код 6-3 идентифицирует группу мостовых сооружений с деформационными швами из резиноплитных элементов.

Каждая из образованных однородных групп ремонта по конструктивному признаку соответствующего элемента мостового полотна может в дальнейшем разбиваться на более мелкие группы по любому количеству независимых признаков: возрасту, длине и ширине сооружения, а также по признакам, характеризующим условия их функционирования и ремонта.

На основе предложенного алгоритма было проведено сопоставление параметров, а также условий функционирования и эксплуатационного обслуживания рассматриваемой совокупности конструктивных элементов по всем принятым признакам агрегирования, что позволило выделить 29 однородных групп объектов текущего ремонта, для которых в дальнейшем предполагается разработка соответствующих нормативов затрат на текущий ремонт.

ЛИТЕРАТУРА

1. Елисеева И.Н., Рукавишников В.О. Группировка, корреляция, распознавание образов. - М.: Статистика, 1977.

2. Дингес Э.В. Показатели и методы оценки транспортно-эксплуатационного состояния и уровня развития сети автодорожных мостов. - М., 1993.(// Обз.инф./ ИНФОРМАВТОДОР, вып.5).

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ АРМОГРУНТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ КАК ОСНОВАНИЙ УСТОЕВ ДИВАННОГО ТИПА

Канд. техн. наук А.Д. Соколов
(НИЦ «Мосты» ОАО «ЦНИИС»)

Конструкции из армированного грунта, широко применяемые за рубежом, находят все большее применение и в практике отечественного транспортного строительства. Они используются в качестве подпорных стенок, оснований устоев диванного типа мостов и путепроводов, противооползневых, гидротехнических сооружений различного назначения [1,2,3]. Вместе с тем, характер предельных состояний армогрунтовых конструкции в зависимости от поведения грунта не всегда достаточно ясен. В связи с этим были проведены экспериментальные исследования на моделях, с целью изучения характера предельных состояний, возникающих в армогрунтовых конструкциях различных типов, и создание рабочих гипотез для разработки простых инженерных методов их расчета. Испытания на специальной установке небольшого масштаба, не имея целью моделирование реальных сооружений и практическое использование полученных опытным путем данных, позволяют отказаться от ряда требований сохранения правдоподобия натуры и модели, весьма трудно осуществляемых при моделировании грунтовых сооружений или взаимодействия сооружения с грунтовыми средами. В то же время эксперименты на моделях небольшого масштаба вполне пригодны для проверки расчетных гипотез, методов расчета, изучения качественной картины работы конструкции, столь важных для создания правдоподобной расчетной модели. Небольшой масштаб установки позволил существенно снизить трудоемкость экспериментов, выполнявшихся в больших грунтовых лотках и в натурных испытаниях, и дал возможность изучить значительное количество моделей армогрунтовых конструкций. Возможность создания в лабораторных условиях, на небольшой модели идеализированных условий способствовала устранению влияния на изучаемые явления множества второстепенных факторов, трудно устранимых в крупномасштабных и натурных экспериментах*.

В проведении опытов принимал участие инженер А.П. Демидов

Рис.1 Общий вид экспериментальной установки:
1 - каркас лотка; 2 - боковые стенки из оргстекла; 3 - крышка лотка; 4 - стабилизатор давления воздуха; 5 - образцовый манометр

Экспериментальная установка (рис. 1) представляет собой лоток со стальным каркасом (1), состоящим из днища, задней стенки и стоек из уголков, к которому крепятся боковые стенки (2) из оргстекла толщиной 18 мм. Лоток имеет длину 800 мм, высоту 600 мм и ширину 500 мм. Передняя стенка лотка небольшой высоты предназначена для удержания слоя грунта, моделирующего основание армогрунтовой конструкции. Армирующие прослойки выполняются из тонкой синтетической сетки, модуль упругости которой значительно меньше природного материала. Крышка лотка (3) крепится к стенкам винтами и представляет собой загрузочное устройство, работающее с помощью сжатого воздуха, подаваемого специальным пневматическим устройством (рис. 2). Пневматическая система загружения состоит из компрессора (8), блока предварительного регулирования давления (9), снабженного краном (10) для сброса лишнего воздуха, и манометра (11) для контроля давления. Влагоотделитель (12) обеспечивает очистку подаваемого компрессором воздуха, содержащего значительное количество паров влаги и масла. Стабилизатор давления (13) обеспечивает высокую точность установки и поддержание на требуемом уровне давления, контролируемого образцовым манометром (14). Крышка лотка (3) (рис. 2,б) снабжена резиновой диафрагмой (2), приклеенной к крышке и уплотняемой с помощью винтов (6) и ребер боковых стенок лотка (5). Сжатый воздух заданного давления через штуцер (7) из пневматической системы поступает в камеру давления (4) между крышкой лотка и резиновой диафрагмой, обеспечивая загружение поверхности грунта равномерно распределенной нагрузкой заданной величины.

Рис. 2 Пневматическая система загружения:
а - пневматическая схема, б - загрузочное устройство;
1 - грунтовая засыпка; 2 - резиновая диафрагма; 3 - крышка лотка; 4 - камера давления; 5 - боковые стенки лотка; 6 - прижимные винты; 7 - штуцер для подачи сжатого воздуха; 8 - компрессор; 9 - блок предварительной регулировки давления; 10 - кран для сброса лишнего воздуха; 11 - манометр; 12 - влагоотделитель; 13 - стабилизатор давления; 14 - образцовый манометр

В опытах использовался сухой люберецкий песок, имеющий угол внутреннего трения φ = 34°, объемный вес при плотности, соответствующей условиям отсыпки с постоянной высоты без специального уплотнения, γ = 16,5 кН/м³.

Армогрунтовая конструкция укладывалась на слой песка, Н_осн = 12,5 см, соответствующий высоте передней стенки лотка.

Для отсыпки армогрунтовой конструкции использовалась монтажная (опалубочная) промежуточная стенка, устанавливаемая поперек лотка в створе формирования фронтальной грани армогрунтовой конструкции. Боковые прозрачные стенки лотка имели специальную разметку из горизонтальных рисок с вертикальным шагом 25 мм. При отсыпке армогрунтовой конструкции возможность наблюдения за ее деформацией обеспечивалась тем, что у боковых стенок лотка отсыпались прослойки песка, окрашенного в черный цвет. Прослойки совмещаются с горизонтальными рисками на боковых стенках лотка и отсыпаются с шагом 25 или 50 мм. На боковую стенку лотка также наносятся отметки концов армирующих прослоек, заведенных в грунт засыпки.

При проведении опытов осуществлялась фотофиксация деформаций армогрунтовой конструкции при загружении ее поверхности нагрузкой с помощью пневматического загрузочного устройства или штампа с грузами, имитирующего диванный блок устоя. В крупном масштабе фиксировались обе прозрачные стороны лотка. Первый снимок выполнялся в незагруженном состоянии, что позволяло зафиксировать положение фронта конструкции и окрашенных прослоек песка (рис. 3). Затем снимки каждой стороны лотка повторялись для каждой ступени приложения нагрузки. Образовавшиеся смещения (4) окрашенных прослоек песка позволяли очертить поверхность обрушения и определить величину вертикальных и горизонтальных смещений призмы обрушения.

Схема армирования грунта в I серии опытов показана на рис. 4. В этой серии опытов армогрунтовая конструкция отсыпалась на песчаное основание толщиной Н_осн = 12,5 см. Величина заделки армирующих прослоек за кулоновскую плоскость обрушения изменялась от 5 см до 25 см, с шагом 5 см. Интенсивность нагрузки, равномерно распределенной на поверхности засыпки, изменялась от 0,01 до 0,16 МПа, ступенями по 0,01 МПа.

Характерной особенностью работы моделей армогрунтовых конструкций этого типа является появление сдвигов уже на начальных ступенях приложения нагрузки. Линии сдвигов проходят через кромки заведенных в грунт армирующих прослоек. При увеличении нагрузки клин сползания, имеющий в поперечном сечении форму трапеции, вдавливался в основание, вызывая его выпор (рис.5,а). По результатам испытаний получены зависимости вертикальной осадки Δу верха армогрунтовой конструкции и горизонтального смещения Δх фронтальных граней от интенсивности q равномерно распределенной нагрузки на поверхности грунта для различных величин заделки армирующих прослоек за кулоновскую плоскость обрушения.

Рис. 3 Снимки боковой поверхности лотка до загружения (а) и после загружения (б):
1 - риски на боковой стенке лотка; 2 - окрашенные прослойки песка: 3 - отметки кромок армирующих прослоек; 4 - теоретическая плоскость обрушения по Кулону; 5 - фронтальная поверхность армогрунтовой конструкции до смещения: 6 - эта же поверхность после смещения

 

Рис. 4 Схема армирования грунта в 1 серии опытов:
1 - стенки экспериментального лотка; 2 - грунтовая засыпка из сухого люберецкого песка: 3 - армирующие прослойки из синтетической сетки: 4 - грунтовое основание из того же песка

В частности, установлено, что увеличение длины заделки армирующих прослоек за кулоновскую плоскость обрушения снижает деформативность армогрунтовых конструкций. Это отчетливо видно из графиков (рис.6), где показаны зависимости смещений Δу и Δх от величины интенсивности q и длины заделки L_зад увеличением длины заделки стабилизируются величины смещений Δу и Δх, уменьшается давление на основание клина сползания, уменьшается эффект выпора грунта основания, поверхность сползания больше приближается к круглоцилиндрической (рис. 5,б).

Рис. 5. Предельное состояние армогрунтовой конструкции с переменной длиной армирующих прослоек и выпором грунта основания:
а - при малой длине заделки (L_зад = 5¸10 см);
б - при значительной длине заделки (L_зад = 15¸25 см)

Рис. 6 Результаты опытов серии I:
а - графики зависимости вертикальной осадки Δу верха армогрунтовой конструкции от величины интенсивности q равномерно распределенной нагрузки и длины заделки L_зад армирующих прослоек;
б - графики зависимости горизонтального смещения Δх фронтальной грани армогрунтовой конструкции от величины интенсивности q равномерно распределенной нагрузки и длины заделки L_зад армирующих прослоек

Следует отметить также еще одну характерную особенность данной серии опытов. При последовательных нагружениях и разгрузках, которые проводились на последних ступенях нагрузки, деформации армогрунтового массива значительно увеличивались с каждой ступенью последовательной разгрузки и нагрузки. В ряде случаев образовывались дополнительные поверхности обрушения, проходящие уже за концами армирующих прослоек и близкие по форме к кругло-цилиндрическим. При этом имел место поворот условной фронтальной грани на некоторый угол De, что также характерно для случая смещения массива по кругло-цилиндрической поверхности. Следует отметить, что при отсыпке армогрунтовых конструкций в лоток, специальные мероприятия по уплотнению грунта не проводились, однако соблюдались идентичные условия отсыпки, что давало примерно одинаковые величины плотности, и, тем самым обеспечивалась возможность получить значительные деформации и иметь сопоставимые условия проведения опытов. По окончании цикла нагружения армогрунтовой конструкции проводились циклы последовательного нагружения и разгрузки, что вызывало доуплотнение засыпки, а величины смещений Δу и Δх резко возрастали, что позволяло отчетливо видеть картину предельного состояния. Следует отметить, что при длине заделки армирующих прослоек L = 25 см за кулоновскую плоскость обрушения грунта, величины смещений Δу и Δх значительно уменьшились; они не превышали, соответственно, 1,5 см и 1,0 см на последних ступенях приложения нагрузки.

Схема армирования грунта во II серии опытов показана на рис. 7,а. Армирующие прослойки принимались одинаковой длины во всех слоях. При этом сохранялись прежние параметры армогрунтовой конструкции: высота Н = 45 см, число слоев n = 6, высота слоя основания Н_осн = 12,5 см. Изменялась общая длина армирующих прослоек так, чтобы заделка их определялась защемлением верхнего слоя на величину L_зад за выход на поверхность кулоновской плоскости обрушения грунта. Характерной особенностью опытов этой серии является отсутствие выраженных поверхностей скольжения, определяемых изломами окрашенных прослоек песка, несмотря на то, что в этих опытах давались большие нагрузки.

Рис. 7 II серия опытов:
а - схема армирования грунта:
1 - стенки экспериментального лотка; 2 - грунтовая засыпка; 3 - армирующие прослойки; 4 - грунтовое основание;
б - предельное состояние армогрунтовой конструкции

На рис. 7,б показан характер деформации армогрунтовой конструкции этой серии, из которого видно, что имеет место наклон армированного массива с образованием вертикальной осадки Δу, горизонтального смещения фронтальной грани Δх и ее некоторого наклона под углом De. В данной серии опытов была применена наименьшая длина армирующих прослоек L = 29 см. Имела место деформация основания у фронтальной грани армоконструкции, вызванная наибольшими нормальными напряжениями у ее передней грани. В пределах армированного массива грунта слои получили небольшой изгиб с выпуклостью вверх. Определенные по результатам опыта вертикальные смещения Δу составили около 1 см. Они достаточно быстро, в отличие от предыдущей серии опытов, стабилизировались до постоянных величин уже на начальных ступенях загружения. Деформации нижних слоев армоконструкции и основания были незначительными.

Сопоставление результатов I и II серий опытов привело к выводу, что значительные деформации и потеря несущей способности армоконструкции происходит при недостаточной длине армирующих прослоек в нижней части армогрунтовой системы. В связи с этим были проведены опыты с армогрунтовыми конструкциями, в которых нижние слои имеют удлиненные армирующие прослойки, а верхние заведены на необходимую длину за кулоновскую плоскость обрушения.

Схема армирования в опытах III серии и результаты одного из опытов этой серии приведены на рис. 8. Длина двух армирующих прослоек в нижней части конструкции составляла 24 см, а остальные прослойки были заведены на 10 см за кулоновскую плоскость обрушения.

Как показывает опыт, уже при небольшой интенсивности равномерно распределенной нагрузки на поверхности засыпки (0,04-0,06 МПа), в верхней части армогрунтовой конструкции образовались плоскости обрушения, проходящие через концы армирующих прослоек. Величина образовавшихся смещений Δу и Δх значительно превышает данные опытов предыдущей серии II.

Целью IV серии опытов было опробование и проверка несущей способности и жесткости армогрунтовой конструкции из непрерывного полотна с наклонными участками, образующего петлевидные ячейки. Схема армирования грунта в этой серии опытов представлена (рис.9). Сохранено количество слоев (6), их высота (7,5 см), общая высота (45 см) и высота слоя основания (12,5 см). Поперечный размер армогрунтовой конструкции составлял 25 см. При этом наклонные участки армирующих прослоек имели наклон в сторону засыпки, 16°. В одном из опытов этой серии была приложена наибольшая нагрузка на поверхность засыпки, 0,2 МПа. Никаких признаков образования поверхностей скольжения или деформации основания обнаружено не было. Абсолютные величины смещений были существенно меньше, чем полученные во всех предыдущих опытах, в том числе и при циклическом нагружении. Вертикальные осадки, в основном, были за счет деформации только верхних слоев армогрунтовой конструкции. Однако был отмечен небольшой наклон вперед фронтальной грани конструкции.

Рис. 8. III серия опытов:
а - схема армирования грунта:
1 - стенки экспериментального лотка: 2 - грунтовая засыпка; 3 - армирующие прослойки; 4 - грунтовое основание;
б - предельное состояние армогрунтовой конструкции

Рис. 9. Схема армирования в IV серии опытов:
1 - стенки экспериментального лотка; 2 - грунтовая засыпка; 3 - армирующие прослойки; 4 - грунтовое основание

Учитывая образовавшийся в предыдущей серии опытов, этот небольшой крен фронтальной грани армогрунтовой конструкции, в V серии опытов аналогичная конструкция была выполнена, при сохранении прочих параметров, с наклоном в сторону засыпки, равным 1:0,25. Схема армирования и результаты опыта приведены (рис. 10). В данной конструкции удалось добиться наибольшей ее жесткости и несущей способности. Величины смещений Δу и Δх в зависимости от нагрузки q, а также смещения после циклического нагружения, представлены на графиках (см. рис. 10,б).

Наличие армирующих элементов, работающих на растяжение при их уклоне в сторону засыпки, замкнутый петлеобразный характер армирования, наклон всей конструкции в сторону засыпки дали эффект наибольшей жесткости по сравнению со всеми другими испытанными моделями армогрунтовых конструкций.

В VI серии опытов загружение поверхности армогрунтовой конструкции осуществлялось с помощью штампа и тарированных грузов (20 кН каждый). Штамп представлял собой доску сечением 120´42 мм, длиной 516 мм. При опирании штампа на грунт широкой стороной, площадь его подошвы составляла 619,2 см², а при опирании на ребро - 216,7 см². Схема армирования была принята для постоянной длины армирующих прослоек, равной 39 см (см. рис.7).

Рис. 10. Опыты серии V:
а - схема армирования:
1 - стенки экспериментального лотка; 2 - грунтовая засыпка; 3 - армирующие прослойки; 4 -грунтовое основание;
б - графики перемещений Δу и Δх:
1 - Δу = f(q); 2 - Δх = f(q); 3 - после 5-ти циклов загружения и разгрузки

Вначале штамп укладывался на поверхность засыпки широкой стороной сечения так, чтобы ось штампа совпадала с серединой армогрунтовой конструкции (рис. 11,а). Затем штамп укладывался на ребро, его ось находилась в центре основания призмы обрушения, а нагрузка прикладывалась через рычаг (рис. 11,б).

Рис. 11. Опыты серии VI.
Загружение армогрунтовой конструкции штампом:
а - расположение штампа плашмя; б - расположение штампа на ребро с загрузкой через рычаг

Согласно первой схеме, максимальный приложенный к штампу груз составлял 240 кН, что соответствовало напряжению под штампом s = 0,04 МПа. Каких-либо сдвигов или значительных деформаций при этом обнаружено не было. Местная осадка под штампом составила около 2 мм.

По второй схеме максимальное напряжение под штампом достигло s = 0,14 МПа. Осадка под штампом при этом составила около 1,5 см. Отмечен некоторый крен фронтальной грани армоконструкции при горизонтальном смещении верхнего слоя на величину Δх = 2 см. Деформаций основания армогрунтовой конструкции не выявлено.

ВЫВОДЫ

- Проведенные эксперименты позволили выявить характер работы армогрунтовых конструкций различного типа и определить их предельные состояния в зависимости от поведения грунта.

- Опыты серии 1 при заделке армоэлементов на постоянную длину за кулоновскую плоскость обрушения показали нежизнеспособность таких конструкций; армогрунтовая конструкция, представляющая собой в поперечном сечении трапецию, является «клином», концентрирующим напряжение в ее основании. Такие конструкции, хотя они рекомендуются в ряде литературных и даже нормативных документах [4,5], могут быть выполнены только при очень прочном (скальном, галечниковом и т.п.) основании, но и при этом остается опасность смятия низа самой армогрунтовой конструкции.

- Армирование с постоянной длиной прослоек представляется более рациональным, обеспечивающим равномерную передачу нагрузки на основание. Податливость основания армогрунтовой конструкции в значительной степени определяет ее жизнеспособность.

- Конструкции с изменяющейся по её высоте длиной армирующих прослоек, обуславливают неравнопрочность конструкции, ослабленные участки являются причиной предельного состояния всей конструкции.

- Использование петлевого армирования с наклонными в сторону засыпки элементами дает возможность значительно повысить несущую способность и жесткость конструкции. Наклон конструкции в сторону засыпки также положительно сказывается на ее несущей способности.

- Большое значение для повышения несущей способности и уменьшения осадок армогрунтовых конструкций имеет уплотнение грунта в процессе отсыпки слоев. При неуплотненном грунте, как это имело место в проведенных экспериментах, циклические загружения, вызывая эффективное уплотнение грунта, создают недопустимые по величине осадки и деформаций всей конструкции, что непременно приведет к наступлению того или иного типа предельного состояния.

- Опыты серии VI при постоянной длине армирующих элементов показали их достаточно высокую несущую способность и малую деформативность в качестве оснований устоев диванного типа.

- Опыты на моделях позволили разработать рабочие гипотезы и новые инженерные методы расчетов, нашедшие достаточно широкое применение в отечественном транспортном строительстве [6-9].

ЛИТЕРАТУРА

1. Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта. - М.: Стройиздат, 1989.

2. Львович Ю.М. Геосинтетические и геопластиковые материалы в дорожном строительстве. - М.: Информавтодор, 2002.

3. Каганов Г.М., Евдокимова И.М., Шевченко К.И. Гидротехнические сооружения из армированного грунта. - М.: Изд. полиграфический комплекс НИА-Природа, 2004.

4. Тетиор А.Н. Облегченные подпорные стены в транспортном строительстве. - М.: Транспорт, 1987.

5. Британский стандарт BS 8006 : Свод правил по армированию грунтов естественного заложения и насыпных грунтов. 1995.

6. Соколов А.Д., Казей И.И. Рекомендации по проектированию подпорных стен в транспортном строительстве. М.: ЦНИИС, 1993.

7. Соколов А.Д., Солодунин А.Н. и др. Устой моста. Патент РФ на изобретение № 2140483 от 05.05.99 г.

8. Соколов А.Д., Солодунин А.Н. и др. Сопряжение моста с насыпью. Патент РФ на изобретение № 2136809 от 10.03.99 г.

9. Соколов А.Д., Солодунин А.Н. и др. Устой моста. Патент РФ на изобретение № 2136808 от 25.12.98 г.

Раздел V
ОРГАНИЗАЦИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ

ОБ УТОЧНЕНИИ МЕТОДА «ИТОГОВОГО КОЭФФИЦИЕНТА АВАРИЙНОСТИ» ДЛЯ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СОВРЕМЕННЫМ УСЛОВИЯМ ДВИЖЕНИЯ

Канд. тех. наук В.В. Чванов
(ФГУП РОСДОРНИИ)

Для решения задач, связанных с оценкой проектов автомобильных дорог по критерию безопасности движения, выявления опасных участков на эксплуатируемых дорогах и выбора соответствующих мероприятий по повышению безопасности движения, наибольшее развитие в России получил предложенный проф. В.Ф. Бабковым метод «итогового коэффициента аварийности» (К_ит), вычисляемого как произведение частных коэффициентов (K_i) [1]. Частные коэффициенты, согласно этому методу, характеризуют изменения условий движения по показателям безопасности, вызываемые влиянием отдельных элементов плана, продольного и поперечного профилей трассы дороги, интенсивности движения, придорожной полосы и других факторов, по сравнению с «эталонными» условиями безопасности движения.

Таким образом, итоговый коэффициент аварийности определяется по мультипликативной модели:

К_ит = K₁·K₂·K₃·......·К_n,                                                                                                (1)

где K₁, K₂, K₃, ...., К_n - частные коэффициенты аварийности, учитывающие влияние факторов дорожных условий на относительное число ДТП по отношению к числу ДТП для условий, принятых за эталонные, в долях ед.

Результаты расчетов методом «итогового коэффициента аварийности» часто представляют в графическом виде, что позволяет получить наглядное изображение эпюры изменения К_ит, и облегчить анализ проекта дороги по каждому из показателей, влияющих на безопасность движения, выделяя на ней опасные места и участки, безопасные по условиям движения. При этом учитывается, что влияние опасных мест распространяется и на прилегающие к нему участки дороги. Подробно способ оценки безопасности движения с помощью «итогового коэффициента аварийности» и значения частных коэффициентов изложены в работе [1], а сам метод закреплен в нормативных документах [2].

С некоторыми изменениями указанный подход к оценке безопасности движения использовался и за рубежом. Так, в Швеции, Великобритании, США и некоторых других странах вместо частных коэффициентов назначались баллы, учитывающие изменения условий безопасности движения в зависимости от ширины проезжей части и обочин, расстояния видимости, длины и радиуса кривых в плане, наличия пересечений, препятствий на придорожной полосе и обочинах, а также от характера придорожной застройки [1]. По данным Международной Европейской Федерации (ERF) подобные методы выявления опасных участков дорог с успехом применяются и в настоящее время [3].

Следует подчеркнуть, что с момента своей разработки, начиная с 60-х годов прошлого века, метод «итогового коэффициента аварийности» постоянно развивался учениками научной школы проф. В.Ф. Бабкова, как в направлении более надежной идентификации опасных участков дорог и прогнозирования их появления, так и в целях более полного учета факторов дорожных условий, влияющих на безопасность движения. Так, проф. А.П. Васильевым и В.П. Расниковым был предложен метод оценки проектов автомобильных дорог и выявления опасных участков эксплуатируемых дорог на основе использования «сезонных» коэффициентов аварийности, исследования, проведенные А.П. Шевяковым позволили уточнить этот же метод в отношении оценки безопасности движения на автомагистралях, а исследования В.В. Варлашкина, Р. Картанбаева, С.С. Петросяна и автора - на дорогах в горной местности. В работах О.А. Дивочкина, В.И. Пуркина и Ю.М. Ситникова были предложены методы прогнозирования показателей безопасности движения в зависимости от величины «итогового коэффициента аварийности».

Указанные исследования, в целом, охватывали период 70-х - 80-х годов прошлого века и основывались на анализе состояния безопасности движения, характерном для транспортно-эксплуатационных показателей дорожной сети, интенсивности и состава движения, динамических качеств автомобилей того периода времени.

К настоящему времени, в связи с бурной автоматизацией населения, наблюдаемой за последние 10-15 лет, произошли качественные изменения интенсивности и состава транспортного потока, режимов движения автомобилей, обладающих высокими динамическими качествами. Указанные процессы, в качестве негативных последствий, сопровождались ростом дорожной аварийности по основным показателям. Возросла также роль дорожных условий в формировании аварийности. Указанные качественные изменения позволяют говорить о том, что существенно изменились и количественные показатели влияния факторов дорожных условий на безопасность движения. В связи с этим, следует отметить, что автор метода «итогового коэффициента аварийности», проф. В.Ф. Бабков ранее указывал, что было бы ошибочным считать разработку метода завершенной. Установленный перечень частных коэффициентов аварийности не является исчерпывающим, а их значения окончательными. Учет неизбежного изменения состава транспортных потоков обусловит необходимость уточнения и дополнения коэффициентов аварийности [1].

Таким образом, учитывая изменившиеся условия движения, влияющие на состояние аварийности, следует признать актуальность задачи дальнейшего совершенствования метода «итогового коэффициента аварийности», как сохраняющего свою продуктивность при решении широкого круга вопросов в сфере безопасности движения, с позиции приведения его в соответствие с современными условиями по номенклатуре и количественным значениям учитываемых факторов и на основе изучения их влияния на показатели фактической наблюдаемой аварийности.

В современных условиях такая задача может быть решена на основе применения компьютерных технологий с использованием имеющегося в дорожной отрасли автоматизированного банка дорожных данных АБДД «Дорога», в котором собран значительный объем информации о техническом уровне, эксплуатационном состоянии федеральной дорожной сети, интенсивности движения транспортных потоков и аварийности. К настоящему времени, разработанный ФГУП РОСДОРНИИ и ежегодно обновляемый по результатам инструментальной диагностики банк данных содержит информацию о состоянии дорог за 15-летний период для всей сети федеральных дорог, общим протяжением 46,4 тыс.км, что предоставляет широкие возможности для изучения статистической взаимосвязи влияния факторов дорожных условий на показатели аварийности для дорог различных классов и категорий с использованием специализированных прикладных компьютерных программ.

Комплексные исследования влияния на показатели аварийности параметров геометрических элементов плана и продольного профиля трассы [4,5], расстояния видимости [6], поперечного профиля [7], интенсивности движения [8], пересечений [9] и участков дорог в населенных пунктах [10] для дорог различного типа, выполненные автором на основе использования информации, имеющейся в АБДД «Дорога», позволяют определить следующие значения частных коэффициентов аварийности применительно к современным транспортно-эксплуатационным качествам дорожной сети и состоянию транспортных потоков:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопоставление значений вышеприведенных частных коэффициентов аварийности с установленными ранее в исследованиях проф. В.Ф. Бабкова с позиции диапазонов их изменения показано в табл.1.

Таблица 1

Анализ данных, приведенных в табл.1, позволяет сделать ряд выводов относительно общих тенденций изменения степени влияния различных факторов дорожных условий на показатели риска ДТП и, соответственно, значения частных коэффициентов аварийности. Так, в связи с существенным ростом уровня загрузки дорог движением увеличился диапазон изменения частных коэффициентов аварийности, учитывающих влияние интенсивности движения, а также ширины проезжей части и обочин на безопасность движения. Наиболее заметные изменения наблюдаются в значениях частных коэффициентов аварийности, в той или иной степени связанных с возросшей скоростью движения современных автомобилей, обладающих высокими динамическими качествами. Так, закономерно увеличились диапазоны изменения частных коэффициентов аварийности, учитывающих влияние на безопасность движения радиусов кривых в плане, расстояния видимости в плане и в продольном профиле, сцепных качеств дорожных покрытий. Одновременно, в связи с повышением мощности современных грузовых автомобилей и выравниванием скоростей движения в транспортном потоке на двух и трехполосных дорогах, наблюдается некоторое сокращение риска ДТП на участках подъемов, что нашло отражение и в значениях частного коэффициента аварийности, учитывающего влияние этого фактора. Увеличение интенсивности движения способствовало также росту расчетных значений частных коэффициентов аварийности, учитывающих влияния пересечений и примыканий дорог в одном уровне. Повысилась чувствительность значений частных коэффициентов аварийности к влиянию различных факторов близко расположенной к дорогам застройки, что особенно значимо проявляется на двухполосных и многополосных дорогах без разделительной полосы. В отношении отдельных частных коэффициентов аварийности (соотношение ширины проезжей части мостов и дорог на подходах, тип пересечений) получены значения несколько меньшие, чем были установлены ранее. В связи с этим, следует отметить, что, степень влияния этих факторов на безопасность движения, в целом, соответствует данным зарубежных исследований [11].

Другим выводом из результатов сопоставительного анализа следует считать возможность повышения объективности оценки безопасности движения с использованием рассматриваемого метода за счет дифференцированного определения значений частных коэффициентов для дорог различного типа (в данном случае предлагается рассматривать 4 типа дорог). Основанием для такого вывода служит то, что, при одних и тех же учитываемых факторах дорожных условий, значения частных коэффициентов аварийности имеют различия для дорог отдельных типов из-за особенностей режимов движения транспортных потоков и поведения водителей, влияющих на безопасности движения.

Естественным следствием изменения значений частных коэффициентов аварийности являются изменения и величины итогового коэффициента на характерных участках дорожной сети.

В качестве направлений дальнейших исследований планируется выполнение корреляционного анализа и установление статистической взаимосвязи значений итогового коэффициента аварийности и фактических показателей риска ДТП, определение допускаемых значений итогового коэффициента аварийности применительно к современным условиям движения, а также его значений, соответствующих различной степени опасности дорожных условий на дорогах различного типа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бабков В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения: Учебник для ВУЗов. - М.: Транспорт, 1993. - 271с.

2. Рекомендации по обеспечению безопасности движения на автомобильных дорогах. Изд. офиц. - отрасл. дор. метод, док. Росавтодор Минтранса России, - М., 2002. - 220с.

3. Good - practice git: defines to infrastructure road safery. European Vnion Road Federation (ERF), Brussel, October, 2002. - 62p.p.

4. Чванов В.В. Методы повышения безопасности движения на участках дорог с кривыми в плане малого радиуса. //Дороги и мосты . Сборник ст./ ГП РОСДОРНИИ. - М.,2005, вып. 14/2. -С. 174-188.

5. Чванов В.В. Исследование влияния параметров продольного профиля на уровень безопасности дорожного движениям/Дороги и мосты. Сборник ст./ ГП РОСДОРНИИ. - М.,2005, вып. 14/2.-С. 164-173.

6. Чванов В.В. Методы оценки и повышения уровня безопасности движения на участках дорог с ограниченной видимостью. Сборник ст./ ГП РОСДОРНИИ. - М., 2005.- С. 55-63.

7. Чванов В.В. Исследования влияния параметров поперечного профиля автомобильных дорог на безопасность движения. «Дороги и мосты». Сборник ст./ ФГУП РОСДОРНИИ. - М., 2006, вып. 15/1-С.160-176.

8. Чванов В.В., Живописцев И.Ф. Влияние загрузки дорог на уровень безопасности движения.//Наука и техника дорожной отрасли. -№1.-2004.- М.: изд. «Дороги»-С. 10-12.

9. Чванов В.В. Исследование риска дорожно-транспортных происшествий на пересечениях примыканиях дорог для обоснования мероприятий по повышению безопасности движениям/Дороги и мосты. Сборник ст./ФГУП РОСДОРНИИ.-М.,2006, вып. 15/1-С.

10. Чванов В.В., Живописцев И.Ф. Проблемы повышения уровня безопасности дорожного движения на участках федеральных дорог в пределах крупных городов./Организация и безопасность движения в крупных городах. Сборник докладов шестой Международной конференции / С-Пб. Гос. архит. строит, ун-т.-С-Пб., 2004, с. 132-135

11. Эльвик Руне, Боргер Мюсен Аннэ, Ваа Труле. Справочник по безопасности дорожного движения: Перевод с норвеж./ Под редакцией В.В. Сильянова.-М.: МАДИ (ГТУ), 2001.- 754с.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СРОК СЛУЖБЫ ДОРОЖНОЙ РАЗМЕТКИ

Канд. техн. наук В.Д. Белов
(ФГУП РОСДОРНИИ)

В настоящее время дорожная разметка является обязательным элементом обустройства автомобильных дорог с усовершенствованным покрытием. Она достаточно эффективно используется как на простых участках автомобильных дорог, так и на участках, имеющих особые режимы движения транспортных средств, выполняющих маневры, связанные с изменением траектории их движения. Особенно эффективна разметка при движении в темное время суток, когда водители в свете фар видят лишь участок проезжей части перед автомобилем. В этом случае разметка помогает водителю определить необходимое положение автомобиля на проезжей части и верную траекторию движения автомобиля.

При высокой эффективности обеспечения безопасности дорожного движения, следует отметить, что разметка автомобильных дорог является достаточно дорогостоящим мероприятием и ее преждевременный износ приводит не только к потере средств и материалов, затраченных на ее устройство, но и к снижению безопасности движения в случае отсутствия разметки. В связи с этим важно обеспечивать максимальный срок службы разметки, который должен быть не ниже срока ее функциональной долговечности, установленной ГОСТ Р 51256-99.

Как показала практика, срок службы дорожной разметки зависит от следующих факторов:

> качества дорожного покрытия и его подготовки для нанесения разметки;

> условий движения на участке нанесения разметки;

> качества разметочного материала;

> соблюдения технологии устройства разметки;

> содержания дорожного покрытия.

Только внимательный учет всех перечисленных факторов позволит обеспечить срок службы разметки, отвечающий нормативному сроку её функциональной долговечности.

Качество дорожного покрытия является существенным фактором, от которого зависит долговечность дорожной разметки. Если покрытие не соответствует установленным нормам, то разметка на нем будет быстро истираться или должным образом не различаться на дороге. При этом большое значение имеет тип покрытия.

Для нанесения дорожной разметки наиболее предпочтительно асфальтобетонное покрытие. На нем разметка хорошо различима, равномерно истирается в процессе эксплуатации и имеет хорошую адгезию. Снижение долговечности разметки наблюдается на асфальтобетонных покрытиях с низкокачественными битумами либо с повышенным содержанием битума в смеси. Это приводит к «выпотеванию» битума на поверхность и «закатыванию» разметки.

На цементобетонном покрытии, из-за наличия щелочной среды, разметка не имеет стабильных результатов по показателю долговечности. При одних и тех же условиях сроки эксплуатации разметки на цементобетонном покрытии могут существенно различаться. Чтобы исключить это, иногда проводят предварительную подгрунтовку поверхности, но это удорожает стоимость разметки и усложняет технологию ее нанесения, т.к. при повторном проходе разметочной машины трудно совместить линию основной разметки с подгрунтовкой.

На покрытии из брусчатки краска, используемая для разметки, не проникает внутрь материала, что значительно ухудшает адгезию. Повысить адгезию брусчатки можно только путем ее предварительной пескоструйной обработки. Срок эксплуатации дорожной разметки на брусчатке обычно не превышает 3 месяца.

На долговечность дорожной разметки влияет и степень износа покрытия. Старое, крошащееся дорожное полотно не в состоянии удержать на себе разметку долгое время (рис. 1), поэтому срок ее эксплуатации будет крайне низок.

Рис. 1 Пример изношенного покрытия

 

Условия движения на участке нанесения разметки существенным образом влияют на скорость износа разметки, которая в прямой степени зависит от интенсивности движения. Чем выше интенсивность движения, тем чаще происходит наезд колес автомобиля на линию разметки. Однако наибольшее влияние на износ дорожной разметки оказывает нагрузка на ось автомобиля. Так, по данным зарубежных исследований, износ зависит от нагрузки следующим образом:

И = N⁴,

где

И - износ разметки;

N - нагрузка на ось автомобиля.

Заметное влияние на износ разметки оказывает ширина полос движения. Так, на узких полосах движения вероятность наезда на линии продольной разметки выше, чем на широких.

Характер маневра автомобилей на дороге также оказывает заметное влияние на износ отдельных элементов разметки. На участках горизонтальных кривых малого радиуса без уширении проезжей части часто можно видеть, что разметка краевой линии с внутренней стороны кривой изношена гораздо больше, чем с внешней за счет смещения траектории движения автомобилей к внутренней стороне кривой (рис. 2). Повышенный износ разметки можно также наблюдать на участке торможения перед перекрестком, переходно-скоростных полосах, поперечных линиях разметки и на других участках.

Рис. 2. Пример износа краевой линии разметки с внутренней стороны кривой малого радиуса

В связи с этим, при проектировании схемы разметки важным является учет траектории движения автомобилей на характерных участках дорог.

Качество разметочного материала является одним из главных факторов, определяющим срок службы дорожной разметки. Невозможно на дорогах с высокой интенсивностью движения обеспечить функциональную долговечность разметки, если использовать материалы, не обладающие высокой износоустойчивостью.

Материалы, применяемые для разметки дорог, по своей долговечности условно могут быть разделены на 5 классов (табл. 1)*.

* По данным ФГУП «СОЮЗДОРНИИ»

Таблица 1

Классы разметочных материалов

При этом следует отметить, что износоустойчивые материалы, которые применяют на дорогах с высокой транспортной нагрузкой, по стоимости значительно дороже менее износоустойчивых материалов, которые могут быть использованы на дорогах с низкой интенсивностью движения. Однако, на дорогах с низкой интенсивностью движения можно использовать материалы с высокой износоустойчивостью, но их расход может быть снижен, что также даст экономию средств при обеспечении требуемой функциональной долговечности разметки. Норма расхода краски, обеспечивающая функциональную долговечность разметки на дорогах различных категорий, должна быть указана в технической документации (сертификат качества, инструкция по применению). Обычный расход материалов для разметки дорог II - III категорий, указаны в табл. 2.

Таблица 2

Средняя норма расхода разметочных материалов

На дорогах с высокой интенсивностью движения норма расхода может быть повышена, а при низкой интенсивности движения - немного снижена. При этом следует иметь ввиду, что увеличение нормы расхода целесообразно не для всех красок, т.к. при повышенной норме расхода время высыхания краски может возрасти выше нормативного значения, что затруднит технологию ее нанесения и вызовет большие задержки движения. Естественно, что на дорогах с низкой интенсивностью движения снижать расход краски 1 класса не имеет смысла.

Для дорог с различной интенсивностью движения расход краски может быть принят в соответствии с табл. 3.

Таблица 3

Ориентировочный расход краски для дорог с различной интенсивностью движения

Одним из методов обеспечения круглогодичного наличия разметки на проезжей части является сочетание различных типов материалов. Так, если весной разметка была нанесена краской и к осени она уже отработала положенный срок функциональной долговечности, то к зиме разметка может быть возобновлена с применением с прей пластика.

Выбор разметочного материала зависит от его назначения и конкретных условий эксплуатации. В частности, выбор зависит от интенсивности движения, ширины полос движения, вида разметки, организации движения на участке нанесения разметки, определяющей интенсивность износа разметки, типа и качества дорожного покрытия, технологии его содержания. Здесь могут быть использованы «Методические рекомендации по выбору и применению материалов для разметки автомобильных дорог», разработанные ФГУП СОЮЗДОРНИИ, в которых в той или иной степени учтено влияние перечисленных факторов. Вместе с тем, степень влияния отдельных факторов практически не изучена и требует проведения соответствующих исследований, которые запланировано провести ФГУП РОСДОРНИИ в рамках Федеральной целевой программы «Повышение безопасности дорожного движения в 2006 - 2012 годах», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 20 февраля 2006 г. № 100, при выполнении работ по теме «Исследование проблем влияния современных материалов, применяемых для нанесения дорожной разметки, на аварийность».

Соблюдение технологии выполнения разметочных работ оказывает серьезное влияние на долговечность дорожной разметки. Следует неукоснительно соблюдать рекомендации по технологии подготовки и нанесения на покрытие разметочного материала, а также рекомендуемые режимы использования машин и оборудования для нанесения разметки.

Перед нанесением разметки дорожное покрытие должно быть очищено от пыли и грязи и просушено.

Следует помнить, что на срок службы дорожной разметки оказывают влияние погодные условия. Срок службы разметки будет значительно снижен, если она нанесена сразу после дождя или мойки. Даже если верхняя часть покрытия просохла, его поры еще заполнены водой, которая ухудшает адгезию разметочного материала.

На срок службы разметки оказывают влияние также температура и влажность воздуха в момент ее нанесения. Полезно знать зависимость вязкости краски данного типа от температуры, чтобы правильно определить необходимость добавки в краску растворителя и установить пропорцию для получения распыла оптимального качества. Кроме того, работа при очень высоких температурах может привести к преждевременному высыханию краски, поэтому стеклошарики, рассыпаемые сразу после нанесения разметки, не проникнут внутрь слоя нанесенной краски и не закрепятся в нем. Подобное покрытие уже через неделю после нанесения теряет 50% световозвращающей способности в ночное время, а через месяц - количество шариков будет составлять менее 10% от нанесенного. При температуре более 30°С и влажности ниже 50% необходимо принимать специальные меры по снижению скорости высыхания краски.

Содержания дорожного покрытия существенно влияет на долговечность разметки, а в отдельные периоды может самым существенным образом содействовать быстрому истиранию разметки.

Загрязнение покрытия в летний период (пыль, грязь, выносимая на покрытие с грунтовых дорог) должно устраняться с помощью поливомоечной техники. Применение металлических механических щеток по сравнению с пластмассовыми щетками также способствует более быстрому износу разметки.

Согласно данным из зарубежных источников, обработка дорожного покрытия в зимний период песчано-соляными смесями снижает сроки эксплуатации дорожной разметки в 2 раза. Поэтому следует неукоснительно соблюдать рекомендуемые нормы распределения противогололедных материалов, а по возможности переходить на применение жидких хлоридов для борьбы с гололедом.

Таким образом, только учет всех перечисленных факторов позволит обеспечить достаточно высокий срок службы дорожной разметки, соответствующий требованию ГОСТ Р 51256-99 к ее функциональной долговечности.

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ

Канд. техн. наук В.В. Чванов
(ФГУП РОСДОРНИИ)

Отечественный и зарубежный опыт статистического анализа аварийности свидетельствует о существенном влиянии, которое оказывают основные элементы поперечного профиля дорог на безопасность движения. К таким элементам, прежде всего, относятся ширина проезжей части и полос движения, число полос движения, ширина обочин, ширина разделительной полосы. Фундаментальные исследования влияния указанных факторов на безопасность движения, выполненные проф. В.Ф. Бабковым, позволили установить закономерности формирования аварийности под влиянием параметров поперечного профиля дорог и разработать на их основе систему мероприятий по сокращению риска ДТП [1]. Целым рядом зарубежных исследований также установлена высокая значимость совершенствования параметров поперечного профиля дорог с учетом их влияния на безопасность движения [2].

Актуальность таких исследований применительно к дорогам общего пользования России и, особенно, федеральным дорогам, в настоящее время высока, если учесть наблюдаемый в последние годы качественный рост интенсивности движения, появление в составе транспортного потока большой доли легковых автомобилей с высокими динамическими характеристиками, а также современные транспортно-эксплуатационные показатели дорожной сети, которые существенным образом отличаются от показателей 20-30 летней давности. В современных условиях параметры поперечного профиля дорог оказывают определяющее влияние на уровень загрузки дорог, режимы и безопасность движения.

Исходя из указанных предпосылок, целью настоящих исследований явилось установление закономерностей влияния параметров поперечного профиля на показатели риска ДТП дорог различного типа. В качестве объекта исследования рассматривалась федеральная дорожная сеть общей протяженностью 46,4 тыс. км, имеющая полную информацию о показателях технического уровня и эксплуатационного состояния, включая сведения о параметрах поперечного профиля, интенсивности движения и аварийности. В качестве исследуемых факторов дорожных условий, оказывающих влияние на безопасность движения, рассматривались следующие параметры поперечного профиля дорог:

• число полос движения по типам автомобильных дорог;

• наличие и ширина разделительной полосы (для многополосных дорог);

• ширина проезжей части и полос движения (по типам автомобильных дорог);

• ширина обочин с учетом их укрепления (по типам автомобильных дорог).

Последовательно рассматривая результаты оценок совокупности указанных факторов на показатель риска ДТП, следует отметить следующее.

В результате исследований установлено, что число полос движения оказывает существенное влияние на риск ДТП в сопоставимых условиях движения (вне застроенной территории).

Рис. 1 Обобщенные данные оценки показателя риска ДТП на дорогах с различным числом полос движения по типам дорог:
А - трехполосные дороги с разметкой проезжей части;
В - то же, без разметки проезжей части;
С - многополосные дороги без разделительной полосы;
D - то же, с разделительной полосой

Предоставленные данные (рис. 1) в целом подтверждают наличие более высоких средних показателей риска ДТП на двухполосных и трехполосных дорогах, а также закономерное снижение показателя риска ДТП на многополосных дорогах с разделительной полосой. Исследованием было охвачено: 8661 км двухполосных дорог, а также 765 км и 925 км, многополосных дорог без разделительной и с разделительной полосой, соответственно.

Полученные данные использованы для оценки эффективности мероприятий по снижению риска ДТП с увеличением числа полос движения. Результаты такой оценки приведены в табл.1.

Таблица 1

Исходя из результатов анализа, приведенных в табл.1, можно также сделать вывод о высокой эффективности устройства разделительной полосы при увеличении числа полос движения, которое позволяет почти в 2 раза дополнительно снизить риск ДТП. Вместе с тем, эффективность данного мероприятия следует рассматривать с учетом ширины устраиваемой разделительной полосы, которая также оказывает существенное влияние на относительные показатели аварийности. Данные, приведенные на рис. 2, свидетельствуют, что существенное сокращение наблюдаемого риска ДТП достигается при ширине разделительной полосы более 2,5-3,0 м. При меньшей ширине разделительной необходимо предусматривать установку барьерных ограждений.

Результаты исследований, подтверждают также, что наименьшая ширина центральной разделительной полосы, по нормам проектирования равная 5-6 м в зависимости от класса дорог [3], в целом обеспечивает высокий уровень безопасности движения. Вместе с тем, при реконструкции и капитальном ремонте дорог и при соответствующем обосновании, она может быть уменьшена до 3,5-4,0 без существенного влияния на повышение риска ДТП (менее 5%).

К числу важнейших исследуемых факторов, оказывающих существенное влияние на безопасность движения, следует отнести ширину проезжей части дорог. Предшествующие отечественные исследования, обобщение которых было выполнено проф. В.Ф. Бабковым, указывали на очевидную зависимость между аварийностью и шириной проезжей части дорог, согласно которой по мере увеличения ширины проезжей части относительная аварийность снижалась [1].

Рис. 2. Зависимость риска ДТП от ширины разделительной полосы на многополосных дорогах

Если говорить о современных зарубежных исследованиях влияния этого фактора на безопасность движения в США, Австралии, Швеции, Дании, Норвегии и ряде других стран, то основным их выводом являлось установление того факта, что увеличение ширины проезжей части до величины, укачанной в нормах проектирования утих стран, приводит к сокращению общего числа ДТП с пострадавшими (5-8%) на участках вне застроенной территории [2]. На участках дорог в застроенной территории наблюдался рост числа ДТП при уширении проезжей части в пределах 1-3 м из-за более частых наездов на пешеходов. Одновременно, следует учитывать, что ширина проезжей части и ширина полосы движения (для многополосных дорог) оказывает существенное влияние па режим движения автомобилей. Например, ширина полосы движения, значительно превышающая нормы, способна стимулировать увеличение скорости движения за пределы безопасного уровня. Так, исследования, выполненные в США, показали, что влияние ширины полосы движения на показатели аварийности носит противоречивый характер и может способствовать как сокращению, так и росту аварийности в зависимости от конкретных условий [2]. Таким образом, результаты предшествующих исследований свидетельствуют о неоднозначности влияния увеличения ширины проезжей части (и полос движения) на аварийность при ширине, превышающей нормативные значения.

Детальное изучение рассматриваемого вопроса применительно к федеральным дорогам, основанное на анализе значительных по объему информационных массивов и их статистической обработке для различных типов дорог, позволили установить следующее.

Если говорить о дорогах с двухполосной и трехполосной проезжей частью, то для этих дорог увеличение ширины проезжей части до значений, близких к нормативным для дорог II и III категорий (ГОСТ Р 52399-2005), действительно сопровождается сокращением показателя риска ДТП, которое затем постепенно стабилизируется, а при ширине проезжей части двухполосных дорог более 8,0-8,5 м (12,5 - 13,0 м для трехполосных дорог) наблюдается постепенный рост рассматриваемого показателя аварийности (рис. 3).

Рис. 3. Влияние ширины проезжей части двухполосных (А) и трехполосных (Б) дорог на риск ДТП при укрепленных обочинах шириной 3 м на участках дорог:
1 - вне застроенной территории, 2 - в застроенной территории

На участках дорог, проходящих в застроенной территории, минимальному риску ДТП соответствует ширина проезжей части, которая для двухполосных дорог близка к 7,25 м, а для трехполосных составляет около 11,5 м. Уменьшение ширины проезжей части, отвечающей минимальному риску ДТП на участках дорог в застроенной территории, можно объяснить влиянием пешеходного движения, при котором время пересечения пешеходами проезжей части дорог во многом определяет вероятность ДТП с их участием.

Аналогичный характер имеют зависимости риска ДТП от ширины полосы движения на многополосных дорогах (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость риска ДТП от ширины полосы движения па многополосных дорогах да разделительной полосы (А) и многополосных дорогах с разделительной полосой (Б):
1 - участки дорог вне застроенной территории; 2 - то же, на застроенной территории

Таким образом, если использовать для целей данного анализа показатель риска ДТП, то можно сделать вывод о возможности оптимизации ширины проезжей части и полосы движения по критерию безопасности движения. Данный вывод следует рассматривать с учетом известных в транспортной психологии моделей поведения водителей в дорожном движении [4].

Так, снижение риска ДТП по мере увеличения ширины проезжей части или полосы движения (левая часть кривых зависимости на рис. 3 и рис. 4) объясняется объективным повышением безопасности движения за счет увеличения зазора безопасности между автомобилями. В свою очередь, оптимальным значением ширины проезжей части (или полосы движения) соответствует наиболее высокая надежность работы водителя, при которой субъективно воспринимаемый риск ДТП близок (или ниже) объективно обеспечиваемому дорожными условиями. Характер управления автомобилем и выбор водителями скорости движения в этом случае компенсируют увеличение ширины полосы движения таким образом, что риск ДТП остается величиной, близкой к постоянной в определенном диапазоне изменения ширины проезжей части (или полосы движения). Дальнейшее увеличение ширины проезжей части способствует постепенному изменению модели поведения водителей, при котором субъективно воспринимаемая безопасность выше объективно обеспечиваемой дорожными условиями, что стимулирует дополнительное увеличение скорости движения, выполнение обгонов (или объездов) в стесненных условиях, т.е. делает поведение водителей более беспечным и опасным. Не случайно, что превышение скорости движения свыше безопасных пределов как причина ДТП регистрируется в этом случае почти в 1,5 раза чаще, чем при ширине проезжей части (или полосы движения), близкой к оптимальной по условиям влияния на риск ДТП.

Если сравнивать значения оптимальной ширины полосы движения, установленные по критерию минимального риска ДТП, с рекомендуемыми нормами проектирования, то они оказываются весьма близки (табл. 2).

Таблица 2

Таким образом, при назначении мероприятий по повышению безопасности движения за счет улучшения проезжей части, следует рассматривать те из них, которые направлены на приведение ширины проезжей части и полос движения в соответствие нормативным требованиями, поскольку они, в свою очередь, отвечают критерию минимального риска ДТП (табл. 3 и табл. 4).

Таблица 3

Таблица 4

Другим важным параметром поперечного профиля дорог, оказывающим существенное влияние на безопасность движения, является ширина обочин. Исследования показывают, что при оценке влияния обочин на показатели аварийности, следует одновременно учитывать тип автомобильной дороги и наличие укрепленных обочин. Результаты оценки показателя риска ДТП на участках дорог с различной шириной обочин позволяют сделать вывод, что его величина существенно возрастает при ширине обочин менее 2,0-2,5 м на всех типах автомобильных дорог. При большей ширине обочин риск ДТП монотонно убывает по мере увеличения ширины обочин, а затем стабилизируется на уровне, зависящим от типа автомобильных дорог и наличия укрепленных обочин (рис. 5 и рис. 6).

Анализ предоставленных зависимостей свидетельствует, что наличие укрепленных обочин способно существенно снизить риск ДТП, особенно при малой ширине обочин на двухполосных дорогах. На трехполосных дорогах устройство укрепленных обочин имеет наиболее высокую эффективность с позиции влияния на безопасность движения независимо от их ширины. В целом, устройство укрепленных обочин с позиции влияния на риск ДТП можно оценить, воспользовавшись данными, приведенными в табл.5.

Таблица 5

Рис. 5. Зависимость риска ДТП от ширины и наличия укрепления обочин ни двухполосных (А) и трехполосных (Б) дорогах:
1 -укрепленные обочины, 2 - неукрепленные обочины

Рис. 6. Зависимость риска ДТП от ширины и наличия укрепления обочин на многополосных дорогах без разделительной полосы (А) и с разделительной полосой (Б):
1 -укрепленные обочины; 2 - неукрепленные обочины

Характер зависимостей, приведенных на рис. 5 и рис. 6, свидетельствует также о наличии минимальной ширины укрепленных обочин, при увеличении которой дальнейшее снижение риска ДТП не наблюдается. Такую ширину обочин в зависимости от типа дорог можно рассматривать в качестве минимально рекомендуемой по условиям обеспечения безопасности движения. Сравнения указанной ширины обочин с рекомендуемой нормами проектирования приведено в табл.6.

Таблица 6

Данные, приведенные в табл.6 свидетельствуют о близком совпадении минимальных значений ширины обочин, установленных по результатам исследований и требуемых нормами проектирования для двухполосных дорог и многополосных дорог с разделительной полосой (категория I В). Вместе с тем, исследования показывают, что для многополосных дорог без разделительной полосы для обеспечения высокого уровня безопасности движения требуется большая ширина обочин, чем предусмотрено нормами. Данное обстоятельство следует рассматривать в качестве фактора, компенсирующего повышенный риск ДТП на дорогах данного типа, особенно в условиях движения транспортных потоков, когда движение осуществляется, в том числе и на обочинах дорог.

Для оценки влияния уширения укрепленных обочин на сокращение риска ДТП можно воспользоваться данными, приведенными в табл. 7.

Таким образом, в результате исследований влияния параметров поперечного профиля автомобильных дорог на риск ДТП установлен ряд новых статистических зависимостей этого влияния. Они могут быть использованы для решения ряда практических задач, связанных с нормированием параметров элементов поперечного профиля по критерию сокращения риска ДТП, назначением и оценкой эффективности мероприятий по повышению безопасности дорожного движения.

Таблица 7

ЛИТЕРАТУРА

1. Бабков В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения: Учебник для ВУЗов.- М: Транспорт, 1993. - 271 с.

2. Эльвик Рунэ, Боргер Мюсен Аннэ, Ваа Труле. Справочник по безопасности дорожного движения: Перевод с норвеж./ Под редакцией проф. В.В. Сильянова. - М: МАДИ (ГТУ), 2001.- 754 с.

3. ГОСТ Р 52399-2005. Геометрические элементы автомобильных дорог. - М.: Стандартинформ, 2006. - 12 с.

4. Клебельсберг Дитер. Транспортная психология: Перевод с немецкого./ Под редакцией В.Б. Мазуркевича - М.: Транспорт, 1989.-367 с.