Анализ составляющих изменения параметров шероховатости слоев износа покрытий автомобильных дорог



Анализ составляющих изменения параметров шероховатости слоев износа покрытий автомобильных дорог

Шинкоренко Евгений Юрьевич, студент

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

В статье рассмотрено влияние различных составляющих на изменение параметров шероховатости слоев износа и поверхностных обработок дорожных покрытий и предложено аналитического решение для расчета средней глубины впадин и средней высоты выступов.

Ключевые слова: слой износа, параметры шероховатости, дорожное покрытие

Безопасность движения является одним из важнейших потребительских свойств автомобильных дорог и зависит от ряда транспортно эксплуатационных показателей, таких как коэффициент сцепления шины с покрытием, продольной и поперечной ровности, прочности дорожной одежды. Диагностика автомобильных дорог показывает, что состояние федеральных дорог плачевно на 50 % их протяженности. Негативную тенденцию ухудшения состояния дорог и снижение их потребительских свойств связывают с возросшими нагрузками и применением устаревших методов проектирования дорожных конструкций [1]. Поэтому специалисты в области расчета дорожных одежд предпринимают попытки модификации традиционных способов расчета. Например, в работах [2–5] обращается внимание на то, что проектирование асфальтобетонных выполняется по первой теории прочности, разработанной Г. Галилеем в 17 веке. В публикациях [6–10] отмечены недостатки критерия Кулона–Мора, положенного в основу традиционного метода [1] расчета дорожных конструкций по сдвигу в грунте, и предприняты попытки замены этого условия пластичности другим более жестким критерием. Благодаря таким исследованиям появились модифицированные методы расчета касательных напряжений в грунте земляного полотна [10], а также его методы расчета по критерию безопасных давлений [11–14]. Авторы статей [15–21] и монографий [22, 23] пришли к выводу, что необходимо рассчитывать дорожные конструкции на прогнозирование пластических деформаций и динамические нагрузки. Пластические деформации можно использовать для расчета глубины неровности и сравнивать ее фактическое значение с предельными величинами, допускаемыми для дороги данной технической категории [24–26]. Авторы работ [27, 28] указывают, что традиционные решения о величине главных напряжений в грунтах и дискретных материалах [29, 30] имеют существенные недостатки, для устранения которых предложены модифицированные модели [31–33]. Таким образом, вопросы совершенствования методов расчета дорожных одежд достаточно глубоко прорабатываются, чего нельзя сказать о методах расчета шероховатых покрытий и прогнозировании изменения их параметров в процессе эксплуатации. Восполнение этого пробела является задачей публикации автора.

Экспериментальные исследования, выполненные на дорогах общего пользования [34–37] и автозимниках [38] c шероховатой поверхностью, выполненной посредствам устройства слоя износа, поверхностной обработке или примороженного фрикционного слоя, показывают, что коэффициент сцепления шины с покрытием во многом зависит от параметров шероховатости поверхности.

Из этого следует, что коэффициент сцепления шины с покрытием будет обеспечен, если параметры шероховатости не будут меньше некоторых предельных значений. Тогда примем, что работоспособное состояние шероховатой поверхности имеет место при выполнении условий:

; (1)

где R_срNT и Н_срNT — фактические значения средней высоты выступов и средней глубины впадин шероховатости покрытия по завершению реализации N-го количества приложений транспортной нагрузки и прошествии Т суток.

Выполненный в работе [38] анализ вероятных причин потери слоем износа работоспособности показал, что срок службы этого конструктивного элемента обусловлен комплексным влиянием целого ряда погодно-климатических факторов и воздействием транспортных нагрузок, к которым относят:

1. Снегозаносимость слоя износа и последующее формирование снежноледяного наката.
2. Уменьшение средней высоты выступов, обусловленное деформациями втапливания зерен каменного материала в битумную подложку и асфальтобетонное покрытие, а также приработкой и шлифованием зерен каменного материала.
3. Отрыв и выкрашивание зерен.

Учитывая сложность изложения такого большого количества задач в настоящей работе рассмотрим изменение параметров шероховатости в результате заносимости снегом. Толщину свежевыпавшего снега при заполнении впадин шероховатого покрытия в любой момент времени снегопада можно определить по формуле:

(2)

где _сн — начальная интенсивность снегопада, определяемая опытным путем, мм/ч; а_сн — изменение интенсивности снегопада в ед. времени, мм/ч²; Т — продолжительность снегопада, ч; п_з — количество зерен в пределах площадки, на которой необходимо произвести определение толщины выпавшего снега; R_з — средняя высоты выступов шероховатостей покрытия, мм; F_з — средняя площадь сечения зерна, мм².

Количество зерен, расположенных в пределах некоторой площади, можно найти по формуле:

(3)

где Н_р — норма расхода щебня без учета различного вида потерь для устройства поверхностной обработки на площади х, м³/(хм²); _н и _и — насыпная и истинная плотности щебня, т/м³; V_щ — объём одной щебёнки, м³.

Для оценки влияния толщины наката на изменение параметров шероховатости рассмотрим определение этих параметров методом «песчаное пятно» до снегопада и после завершения процесса формирования наката. Пусть в пределах некоторого объема цилиндра V_ц находятся объемы песка и каменного материала. Тогда объем песка в песчаном пятне определим по формуле:

(4)

где h_нм — высота не вмороженной части зерна, мм; V_знм — объем не вмороженной части одного зерна усредненных размеров.

С учетом формулы (3) выражение (4) запишем в виде:

(5)

Размеры зерен определяются в зависимости от размеров сит, из условия чтобы зерно проходило в ячейку сита усредненного по составу фракций размера. Из условия прохождения кубовидного зерна сквозь сито его размер определяется по формуле:

(6)

где d_ci — диаметр ячейки i-ого сита, мм.

Тогда начальная (до снегопада) глубина впадин и высота выступов шероховатого покрытия из шарообразных зерен определяются по формулам:

(7)

(8)

При занесении впадин шероховатости снегом и образовании наката параметры шероховатости определяются по формулам:

(9)

(10)

Формулы (8) и (9) позволяют прогнозировать изменение параметров шероховатости при снегопаде. Правила расчета параметров шероховатости обусловленные втапливанием зерен в подложку рассмотрим в последующих публикациях, а изменение параметров шероховатости в результате отрыва зерен от покрытия проанализировано в статье [39].

Литература:

1. ОДН 218.046–01. Проектирование нежестких дорожных одежд. – М.: ГСДХ Минтранса России, 2001. — 146 с.

2. Александрова Н. П., Александров А. С., Чусов В. В. Учет поврежденности структуры асфальтобетона в критериях прочности и условиях пластичности // В сборнике: Политранспортные системы материалы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия — ЕС. Новосибирск: СГУПС, 2015. — С. 219–225.

3. Александрова Н. П., Александров А. С., Чусов В. В. Модификация критериев прочности и условий пластичности при расчетах дорожных одежд // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2015. № 1 (41). — С. 47–54.

4. Чусов В. В. Применение теории накапливания повреждений в условиях пластичности асфальтобетона для расчета дорожных покрытий по сопротивлению сдвигу // Молодой ученый. — 2016. — № 6 (110). — С. 221–227.

5. Чусов В. В. Модифицированные критерии Писаренко-Лебедева и Кулона-Мора, учитывающие меры теории накапливания повреждений // Молодой ученый. — 2016. — № 9 (113). — С. 338–341.

6. Александров А. С., Долгих Г. В. Калинин А. Л. Модификация критериев прочности сплошной среды для расчета грунтов земляного полотна по сопротивлению сдвигу // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск: СибАДИ, 2013. — С. 228–235.

7. Александров А. С., Долгих Г. В., Калинин А. Л. Применение критерия Друкера-Прагера для модификации условий пластичности // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2013. № 2. — С. 26–29.

8. Чусов В. В. Перспективы применения эмпирических условий пластичности грунтов и определение их параметров при трехосных испытаниях грунтов Вестник ВолГАСУ. — 2015. № 42 (61). — С. 49–57.

9. Александров А. С., Калинин А. Л. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Часть 1. Учет деформаций в условии пластичности Кулона — Мора // Инженерно-строительный журнал. — 2015. № 7 (59). — С. 4–17.

10. Александров А. С., Долгих Г. В. Калинин А. Л. Один из путей совершенствования расчета дорожных одежд по условию сопротивления сдвигу в грунте земляного полотна // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. — Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2013. — С. 9–22.

11. Долгих Г. В. Расчет грунтов земляного полотна по критерию безопасных давлений // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2013. — № 6 (34). — С. 43–49.

12. Долгих Г. В. Расчет нежестких дорожных одежд по критерию безопасных давлений на глинистые грунты земляного полотна // Автореф. Дис. канд. техн. наук. — Омск: СибАДИ. — 2014. — 20 с.

13. Александров А. С., Долгих Г. В., Калинин А. Л. О допускаемых давлениях на грунты земляного полотна и слои дорожной одежды // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2012. № 2. — С. 10–13.

14. Александров А. С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Том Часть 2. Предложения. — Омск: СибАДИ, 2015. — 262 с.

15. Семенова Т. В., Гордеева С. А., Герцог В. Н. Определение пластических деформаций материалов, используемых в дорожных конструкциях // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. — 2012. — № 4 (37). — С. 247–254.

16. Семенова Т. В., Герцог В. Н. Пластическое деформирование материалов с дискретной структурой в условиях трехосного сжатия при воздействии циклических нагрузок // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2013. — № 1 (29). — С. 68–73.

17. Александров А. С., Киселева Н. Ю. Пластическое деформирование гнейс- и диабаз материалов при воздействии повторяющихся нагрузок // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2012. — № 6. — С. 49–59.

18. Александров А. С. Пластическое деформирование гранодиоритового щебня и песчано-гравийной смеси при воздействии трехосной циклической нагрузки // Инженерно-строительный журнал. — 2013. — № 4 (39) — С. 22–34.

19. Александров А. С. Обобщающая модель пластического деформирования дискретных материалов дорожных конструкций при воздействии циклических нагрузок // Строительные материалы. 2016. № 5. С. 27–30.

20. Кузин Н. В. Расчет пластических смещений асфальтобетонных порожных покрытий // Молодой ученый. — 2016. — № 10 (114). — С. 253–255.

21. Кузин Н. В. Исследование пластичности дорожных асфальтобетонов // Молодой ученый. — 2016. — № 10 (114). — С. 255–257.

22. Александров А. С. Применение теории наследственной ползучести к расчету деформаций при воздействии повторных нагрузок: монография. — Омск: СибАДИ, 2014. — 152 с.

23. Александров А. С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Том Часть 1. Состояние вопроса. — Омск: СибАДИ, 2015. — 292 с.

24. Герцог В. Н., Долгих Г. В., Кузин В. Н. Расчет дорожных одежд по критериям ровности. Часть 1. Обоснование норм ровности асфальтобетонных покрытий // Инженерно-строительный журнал. — 2015. — № 5 (57) — С. 45–57.

25. Александров А. С., Гордеева С. А., Шпилько Д. Н. О допускаемых и предельных значениях неровностей асфальтобетонных покрытий дорожных одежд жесткого типа //Автомобильная промышленность. — 2011. — № 2. — С. 31–35.

26. Александров А. С., Александрова Н. П., Семенова Т. В. О проектировании шероховатости дорожных покрытий и дождевой канализации по условиям безопасности движения // Автомобильная промышленность. — 2008. — № 8 — С. 36–38.

27. Александрова Н. П. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в грунте земляного полотна // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Омск, 2013. — С. 236–246.

28. Александрова Н. П., Семенова Т. В., Долгих Г. В. Совершенствование моделей расчета главных напряжений и девиатора в грунте земляного полотна // Вестник СИБАДИ. — 2014. — № 2 (36). С. 49–54.

29. Foster, С.R., Ahlvin R. G. Stresses and deflections induced by a uniform circular load. // Proc. Highway Research Board. — 1954. — Vol. 33. — P. 236–246.

30. Craig R. F. Soil Mechanics. — Seventh edition. Department of Civil Engineering, University of Dundee, UK. — Published by Taylor & Francis e-Library, London and New York, 2004. — 447 p.

31. Александров А. С., Долгих Г. В., Юрьев Д. В. Расчет главных напряжений в слоях дорожной одежды из дискретных материалов // Транспортное строительство. — 2011. — № 7. — С. 17–22.

32. Александров А. С. Один из путей расчета минимальных главных напряжений в грунтах земляного полотна / А. С. Александров // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск, СибАДИ, 2013. — С. 217–228.

33. Александров А. С., Александрова Н. П., Долгих Г. В. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в дорожных конструкциях из дискретных материалов // Строительные материалы. — 2012. — № 10. — С. 14–17.

34. Астров В. А. Коэффициент сцепления и степень шероховатости дорожного покрытия. //Автомобильные дороги, 1970. № 10, — С. 22–24.

35. Васильев А. П. Проектирование дорог с учетом влияния климата на условия движения. — М.: Транспорт, 1986, — 245 с.

36. Немчинов М. В. Проектирование и строительство дорожных покрытий с шероховатой поверхностью. –М.: Издательство МАДИ, 1892.-144с.

37. Немчинов М. В. Сцепные качества дорожных покрытий и безопасность движения автомобиля. — М: Транспорт, 1985.–231.с.

38. Александрова Н. П. Влияние свойств покрытий автозимников на срок службы примороженного фрикционного слоя / Автореф. … канд. техн. наук. — Омск: СибАДИ, 2005. — 18 с.

39. Александрова Н. П. К вопросу расчета шероховатых покрытий на устойчивость зерен каменного материала // Материалы Международной научно-практической конференции Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура Омск, 21–23 мая 2003 г. — С. 67–69.