Методы оценки эксплуатационного состояния автомобильных дорог

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Автоматизация технологических процессов в машиностроении»

Курсовой проект

по дисциплине:

«Пути сообщений, технологические сооружения»

на тему:

«Методы оценки эксплуатационного состояния автомобильных дорог»

Вариант 6

Выполнил Мусин Р.К. студент IV–МиАТ–16

(Ф.И.О.) (группа)

Проверил старший преподаватель Зимина Л.Н.

(Ф.И.О.)

_________________

(Оценка защиты) (Подпись преподавателя)

Самара 2008

техническое задание

Определить следующие эксплуатационные характеристики дороги: показатель обеспеченности расчетной скорости, уровень загрузки дороги движением, показатели аварийности, ровности, сцепных качеств покрытия, а также показатели прочности нежестких дорожных одежд на основе данных испытаний характеристики состояния покрытия в зависимости от вида и количества дефектов по данным визуального обследования. По результатам расчёта необходимо назначить состав работ по содержанию и ремонту асфальтобетонного покрытия дорожной одежды.

Таблица 1. Исходные данные для оценки показателей технико–эксплуатационного состояния дороги.

Примечания:

1. Значения коэффициента сцепления определялись ПКРС 2 с протектором без рисунка.

2. Для дорог с фактической интенсивностью движения менее 4000 авт/сут пропускную способность не проверяют.

Таблица 2. Исходные данные для визуальной оценки состояния дорожной одежды.

Таблица 3. Исходные данные для оценки прочности дорожных одежд.

Для испытательной установки УДН–НК диаметр отпечатка колеса определяется по формуле:

, Q=50 кН; P_Ш=0,6 МПа

Таблица 4. Прогибы дорожных одежд.

Таблица 5. Исходные данные для оценки ровности покрытий.

Таблица 6. Исходные данные: влияние параметров автомобильной дороги на скорость движения автомобиля.

Эксплуатационное состояние дороги – степень соответствия нормативным требованиям переменных параметров и характеристик дороги, изменяющихся в процессе эксплуатации под воздействием нагрузок транспортных средств, метеорологических условий и уровня содержания. Основные технико–эксплуатационные характеристики, по которым оценивается состояние дороги: обеспеченная скорость движения автомобилей пропускная способность и уровень загрузки дороги движением, безопасность движения, прочность дорожной одежды, ровность и сцепные качества покрытия. В зависимости от значений показателей этих параметров и характеристик назначаются работы по содержанию и ремонту дорог.

Содержание дорог в весенний, летний и осенний периоды включает работы по систематическому уходу за дорогой для поддержания ее в надлежащем состоянии в течение всего года. К содержанию относятся также следующие работы: устранение выбоин, раковин, трещин, отдельных волн, бугров, наплывов и т. п. в асфальтобетонных покрытиях; работы по профилактической защите цементобетонных покрытий от поверхностных разрушений (пропитка); работы по ликвидации выбоин, раковин, по ликвидации кромок и углов плит, а также по заливке трещин и швов в цементобетонных покрытиях. Кроме того, к содержанию относятся работы по устранению местных просадок и вспучиваний для всех типов покрытий.

Ремонт дорожных одежд заключается в работах по восстановлению слоя износа, улучшению ровности, повышению шероховатости и сцепных качеств покрытия, по усилению дорожных одежд и уширению проезжей части.

1. ОЦЕНКА ОБЕСПЕЧЕННОСТИ РАСЧЕТНОЙ СКОРОСТИ

Автомобильные дороги по эксплуатационному состоянию должны обеспечивать возможность безопасного движения автомобилей с максимальной скоростью, близкой к расчетной для данной категории дороги. Скорость движения автомобилей оценивается по эксплуатационному коэффициенту обеспеченности расчетной скорости К_рсэ определяемому по формуле:

(1)

где V_{ф mах} – фактическая максимальная скорость движения на каждом участке эксплуатируемой дороги; V_p – расчетная скорость для данной категории дороги в соответствии со СНиП 2.05.02–85. Автомобильные дороги.

Фактические скорости движения приведены в табл. 1.

Назначение ремонтных работ в зависимости от величины К_рсэ осуществляется в соответствии с табл. 7.

Таблица 7.

Следовательно, на данной автомобильной дороге требуется только содержание.

Влияние ширины укреплённой поверхности дороги на обеспеченность расчётной скорости оценивают исходя из понятия «ширины психологического коридора».

«Психологический коридор» – это ширина поверхности дороги, которая оказывает психологическое воздействие на водителя при выборе траектории и режима движения.

Общая ширина психологического коридора:

;

Сокращение ширины укреплённой поверхности приводит к уменьшению ширины психологического коридора. Вместе с этим снижается и скорость движения. Величина снижения скорости при уменьшении ширины укрепленной поверхности существенно зависит от интенсивности движения. С учетом факторов расчетные формулы для определения максимальной скорости и коэффициента обеспеченности расчётной скорости, которые имеют вид:

V_фmax=K₁ (В_1ф–В_п), км/ч;

К_рс=К₂(В_1ф–В_п),

где К₁ и К₂ – коэффициенты, учитывающие интенсивность и расчётную схему движения; В_п – минимальная ширина психологического коридора для различных расчётных схем, м. Расчётные формулы, значения К₁ К₂ и В_п, а также пределы применимости расчётных формул по интенсивности движения приведены в таблице 8.

Таблица 8.

Для определения обеспеченной скорости необходимо иметь данные о фактически используемой для движения ширине укреплённой поверхности дороги В_1ф, т.е. ширине чистой проезжей части и краевых укреплённых полос. При отсутствии данных непосредственных измерений она может быть вычислена по формуле:

В_1ф=В+2b–2b₃, м,

где В – ширина проезжей части, м; b – ширина краевой укреплённой полосы, м; b₃ – ширина полосы загрязнения у кромки проезжей части или краевой укреплённой полосы, м.

Ширина полос загрязнения в зимний и осенне–весенний периоды зависит от параметров дороги, типа укрепления обочин и уровня содержания дороги. Ширину полос загрязнения определяют путём непосредственных измерений на каждом характерном участке, непосредственные измерения принимаются в зависимости от типа укрепления обочин (табл. 9).

Влияние ширины и типа укрепления обочин на скорость движения до определенной степени соизмеримо с влиянием ширины укрепленной поверхности дороги. Однако расчетных формул оценки этого влияния не разработано. Установлено, что наибольшее влияние оказывает вид и состояние полосы обочины шириной от кромки проезжей части до 1,5 м. зависимость скорости от ширины обочин представлена графически (рис. 2).

Таблица 9.

Примечания: 1. В числителе для дорог I–П категорий, в знаменателе для дорог III–IV категорий.

2. Ширина полосы загрязнения зависит от оснащения дорожных организаций машинами для содержания дорог. При оснащении, равном 100% нормативной потребности, ширину полосы загрязнения принимают минимальной, при 60–70 % оснащённости принимают средние значения, а при оснащении менее 50 % – максимальные.

3. При устройстве на обочинах покрытия шириной более 1,5 м из асфальтобетона, цементобетона или из материалов, обработанных вяжущими, сокращения ширины укреплённой поверхности не происходит.

При расчетной схеме «Движение на трехполосной проезжей части при отсутствии разметки»:

V_фmax=K₁(В_1ф–8,5)=38(12,75–8,5)=162 км/ч

К_рс=К₂(В_1ф–8,5)=0,32(12,75–8,5)=1,36

при В_1ф до 11 м (12,75 м) К₁=38; К₂=0,32

Ширина психологического коридора составляет 4,5 м.

2. ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ДОРОГИ

Безопасность дороги оценивается по нескольким показателям: коэффициенту происшествий (или относительной аварийности), коэффициенту безопасности К_б и коэффициенту аварийности К_а (для участков дороги в равнинной и холмистой местности). Для дорог, проходящих в горной местности, безопасность оценивается по разнице коэффициентов аварийности на соседних участках с уклонами более 50‰, и радиусами менее 300 м.

Итоговым коэффициентом аварийности К_а называется произведение частных коэффициентов аварийности, учитывающих влияние постоянных параметров дороги (элементов плана, профиля), переменных (сезонных), а также временных (кратковременных) параметров: сцепных качеств и ровности покрытия фактически используемой ширины проезжей части и обочин и т. д., изменяющихся в течение года под воздействием транспортных средств, сезонных и временных колебаний метеорологических условий. Исходные данные для определения итогового коэффициента аварийности приведены в табл. 1. допустимые значения итоговых коэффициентов аварийности приведены в табл. 10.

Таблица 10.

На участках дороги в равнинной и холмистой местности с К_а>20 необходимо выполнение работ по повышению безопасности движения. При ремонте и реконструкции такие участки подлежат перестройке в первую очередь. При К_аф=25 требуется выполнение работ по повышению безопасности движения.

3. ОЦЕНКА УРОВНЯ ЗАГРУЗКИ ДОРОГИ ДВИЖЕНИЕМ

Фактический уровень загрузки дороги движением Z определяется как отношение фактической интенсивности N, авт/сут, приведенной к легковому автомобилю, к пропускной способности Р, авт/сут, т. е.:

Z=N/P (2)

Исходные данные для определения фактического уровня загрузки дороги приведены в табл. 1. Допустимые уровни загрузки дорог приведены в табл. 11.

Z=6700/10000=0,67

Таблица 11. Уровни загрузки дорог.

2. ОЦЕНКА РОВНОСТИ ПОКРЫТИЯ ДОРОГ

Состояние покрытий проезжей части дорог по ровности оценивается коэффициентом ровности К_р.

К_р=S_доп/S_факт (3)

где S_доп – предельно допустимое значение состояния покрытий по ровности, определяемое по табл. 12; S_факт – фактическое значение показателя ровности покрытия; в данной курсовой работе фактическое значение ровности покрытия определяется по табл. 5.

Таблица 12. Допустимые показатели ровности покрытий.

Примечание: Для дорог с интенсивностью движения более 7000 авт/сут нормативы даны в соответствии с [1]. В соответствии с [1] при коэффициенте ровности К_р > 1 назначаются работы по содержанию дороги, при К_р<1 – ремонтные работы.

Предельно допустимое значение состояния покрытий по ровности S_доп =6 , фактическое значение показателя ровности покрытия S_факт = 7

К_р=S_доп/S_факт=6/7=0,86

следовательно, требуются ремонтные работы.

1. 5. ОЦЕНКА СЦЕПНЫХ КАЧЕСТВ ПОКРЫТИЯ ДОРОГ

Сцепные качества покрытий оцениваются коэффициентом К_с, определяемым по формуле:

К_с=φ_ф/φ_доп (4),

где φ_ф – фактический коэффициент продольного сцепления; в курсовой работе определяется по табл. 1 в зависимости от варианта задания;

φ_доп – допустимое значение коэффициента сцепления по условию безопасности движения; в соответствии с [2] допустимый коэффициент сцепления φ_доп равен 0,3 при измерении его прибором ПКРС–2У с шиной без рисунка протектора и 0,4 при измерении прибором ПКРС–2У с шиной, имеющей рисунок протектора.

Фактический коэффициент продольного сцепления φ_ф=0,26; φ_доп=0,3

К_с=0,26/0,3=0,87

Для автомобильных дорог II категории допустимый коэффициент продольного сцепления составляет К_с=0,85–0,95. Следовательно, требуются работы только по содержанию.

6. ВИЗУАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ

Визуальная оценка состояния дорожной одежды позволяет получить предварительную информацию о прочности дорожной одежды и выявить участки для проведения детальной инструментальной оценки в соответствии с методикой [3] учитываются дефекты дорожных покрытий, связанные, с недостаточной прочностью (несущей способностью) нежестких дорожных одежд: трещины (отдельные, редкие и частые), сетка трещин, колейность, просадки, проломы.

Состояние дорожной одежды в зависимости от вида и количества дефектов оценивается в баллах в соответствии с табл. 13. В случае наличия на участке дороги нескольких видов дефектов балл назначается по дефекту, дающему наиболее низкое его значение. На дороге, или на участке дороги вычисляют средний балл по формуле:

(5)

где Б_j – балл на частном участке j; L_j – протяженность частого участка.

По величине среднего балла определяется целесообразность инструментальной оценки прочности на дороге или участке дороги:

для дорог I категории при Б_ср≤3,5;

для дорог II категории при Б_ср≤3,0;

для дорог III–IV категорий при Б_ср≤2,5. Исходные данные для визуальной оценки дорожной одежды приведены в табл. 2.

=2,1

Для дорог II категории при Б_ср≤3,0 назначается инструментальная оценка прочности на дороге или участке дороги.

Таблица 13.

7. ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Прочность (несущая способность) эксплуатируемых, дорожных одежд оценивается коэффициентом прочности К_пр. Нежесткие дорожные одежды оцениваются по трем критериям прочности:

• упругому прогибу под нагрузкой всей конструкции дорожной одежды, включая грунтовое основание:

(6)

где где Е_ф – фактический общий модуль упругости всей конструкции; Е_тр.т – требуемый расчетный модуль упругости всей конструкции;

• по прочности на сдвиг в грунте земляного полотна и в малосвязных слоях основания:

(7)

где Т_доп – допускаемое напряжение сдвига в грунте или в малосвязных слоях основания, обусловленное сцеплением; Т – активное напряжение сдвига в грунте или малосвязных слоях основания от автомобильной нагрузки и собственного веса дорожной одежды;

• по прочности на растяжение при изгибе в слоях из монолитных

материалов:

K_ПР=R_pu/σ_r (8)

где R_pu – предельно допустимое растягивающее напряжение материала слоя с учетом усталостных явлений, σ_r – растягивающее напряжение от автомобильной нагрузки в рассматриваемом слое.

Инструментальная оценка по второму и третьему критериям представляет собой сложную задачу, поэтому эксплуатационная оценка прочности нежестких дорожных одежд производится по первому критерию прочности (упругому прогибу) с введением поправочных коэффициентов, учитывающих условия прочности по двум другим критериям. Инструментальная оценка прочности нежестких дорожных одежд по упругому прогибу заключается в измерении упругого прогиба всей конструкции под нагрузкой и определении фактического общего модуля упругости на основе данных измерений.

Рис. 3. Расчетная схема испытаний нежесткой дорожной одежды.

Расчетная схема испытаний приведена на рис. 3. Прочностные испытания дорожных одежд производятся двумя методами:

1. измерением упругого прогиба при статическом нагружении дорожной одежды;

2. измерением упругого прогиба при динамическом нагружении дорожной одежды.

Испытания дорожных одежд при статическом нагружении производятся либо с использованием жесткого штампа, через который на дорожную одежду передается нагрузка (рис. 4), либо нагружением дорожной одежды колесом грузового автомобиля, с измерением деформаций под нагрузкой (при наезде колеса автомобиля на испытываемую точку) и без нагрузки (после съезда автомобиля с этой точки) (рис. 5). Статические испытания с использованием жесткого штампа дают возможность создать довольно большую нагрузку, а также передавать нагрузку на дорожную одежду ступенями, что позволяет определить разрушающую нагрузку для данной конструкции. Однако эти испытания трудоемки, поэтому чаще используется менее трудоемкий метод нагружения дорожной одежды колесом грузового автомобиля, близкого к автомобилю группы А;

Нормированная статическая нагрузка, передаваемая колесом автомобиля на дорожную одежду, – 50 кН.

Расчетный диаметр следа автомобиля D=0,33 м. Однако при этом методе прогиб нельзя измерить непосредственно под колесом, а также нельзя передавать нагрузку ступенями. Кроме того, этот способ не дает возможности испытывать конструкции дорожных одежд магистральных, карьерных, нефтепромысловых и других дорог, имеющих большую интенсивность движения и предназначенных для эксплуатации тяжелых нагрузок.

При испытаниях дорожных одежд методом динамического нагружения используются установки с падающим грузом (установки динамического нагружения); генераторы колебаний (различные вибраторы); также, применяется нагружение дорожной одежды колесом движущегося автомобиля.

В практике Российской Федерации, в основном, применяются установки динамического нагружения с жёстким штампом (типа ДИНА) и с гибким штампом (например, УДН–НК). Принципиальная схема установок динамического нагружения приведена на рис. 6. Установки динамического нагружения используются только на нежестких дорожных одеждах, т. к. не дают возможности измерять чашу прогиба, что необходимо на жестких дорожных одеждах.

Испытания дорожных одежд колесом движущегося автомобиля проводятся редко, т. к. измерения прогиба при этом способе очень сложны и автомобиль должен, двигаться со скоростью 2–5 км/час, что не соответствует распространенным скоростям

7.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАКТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ УПРУГОСТИ НЕЖЁСТКОЙ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ИСПЫТАНИЙ

Фактический общий модуль упругости нежесткой дорожной одежды определяется по формуле:

(9)

где Р – среднее удельное давление, передаваемое нагрузкой испытательной установки, МПа:

Р=0,00127Q/D² ,

Q – испытательная нагрузка, КН; D – диаметр штампа или круга, равновеликого отпечатку колеса, м; l – измеряемый при испытаниях прогиб дорожной одежды, м; μ – коэффициент Пуассона; μ принимается равным 0,3.

Результаты прочностных испытаний дорожных одежд, проведенных в различные периоды года, за исключением зимнего, должны быть приведены к расчетному периоду, т. е. к периоду, когда несущая способность грунтов земляного полотна наименьшая. Расчетный фактический общий модуль упругости дорожной одежды в каждой точке и определяется по формуле:

(10)

где Е_ф^общ – фактический общий модуль упругости дорожной одежды в i–й точке, определенный по формуле (9) на основе, данных испытаний в нерасчётный период года; K_pi – коэффициент приведения к расчетному модулю упругости, учитывающий сезонные изменения несущей способности грунтов; коэффициент К_рi определяется по табл 1–4 прил. 1 в зависимости от типа влажности грунта, толщины и температуры асфальтобетона.

2. 7.2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Определяется среднее значение модуля упругости дорожной одежды на обследуемом участке по результатам испытаний :

(11)

где – значение общего модуля упругости в i–й точке, вычисленное по формуле (9), МПа; n – число измерений (точек), в которых производились испытания.

Определяется среднеквадратическое отклонение σ:

(12)

Определяется коэффициент вариации ν:

(13)

Определяется расчетное значение фактического общего модуля упругости дорожной одежды на обследуемом участке по формуле:

Е^Р_фр=(1–tν) (14)

где t – коэффициент нормированного отклонения для заданного уровня надёжности, определяемый, в зависимости от числа измерений по табл.5 прил. 1. Уровень надежности К определяется по табл. 6