Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и закономерности для оценки и прогнозирования надежности дорожных одежд 8
1.1. Существующие методы оценки эксплуатационного состояния дорожных одежд . 8
1.2. Анализ статистических закономерностей, используемых для оценки и прогнозирования надежности нежестких дорожных одежд 15
1.3. Выводы по главе 1, цель и задачи исследования. 31
2. Теоретические исследования и разработка модели оценки и прогнозирования надежности дорожных одежд нежесткого типа 33
2.1. Оценка уровня надежности грунтовых оснований 33
2.2. Разработка методов оценки надежности верхних монолитных слоев по величине распугивающих напряжений при изгибе.. 39
2.2.1. Метод оценки уровня надежности монолитных слоев дорожных одежд с использованием результатов штамповых испытаний 40
2.2.2. Метод оценки уровня надежности дорожных покрытий с учетом кривизны чаши прогиба. .49
2.3. Оценка и прогнозирование ровности покрытий 58
2.4. Выводы по главе 2 74
3. Экспериментальные исследования и натурные наблюдения за технико-эксплуатационным состоянием дорожных одежд 75
3.1. Экспериментальные исследования прочности фунтового основания 75
3.2. Методы натурных наблюдений, проводимых при оценке растягивающих напряжений на эксплуатируемых дорогах с нежесткими одеждами .86
3.3. Проверка адекватности теоретических разработок по прогнозированию состояния дорожных одежд по показателю ровности 94
3.4. Оценка уровня надежности дорожных одежд по сцеплению колеса автомобиля с покрытием 100
Глава 4. Рекомендации по практическому применению полученных результатов 106
4.1. Рекомендации по определению общей надежности дорожной конструкции ...106
Литература..
Приложения
- Анализ статистических закономерностей, используемых для оценки и прогнозирования надежности нежестких дорожных одежд
- Метод оценки уровня надежности монолитных слоев дорожных одежд с использованием результатов штамповых испытаний
- Методы натурных наблюдений, проводимых при оценке растягивающих напряжений на эксплуатируемых дорогах с нежесткими одеждами
- Оценка уровня надежности дорожных одежд по сцеплению колеса автомобиля с покрытием
Введение к работе
Актуальность темы
Надежная работа автомобильных дорог и эффективность перевозок в большой степени зависят от эксплуатационного состояния дорожных одежд, для поддержания требуемого уровня которого необходимо своевременно проводить ремонт дорожных конструкций. Обоснованное назначение ремонтных мероприятий возможно только при условии достоверной оценки и прогнозирования надежности дорожных одежд.
Анализ литературных источников показал, что, несмотря на обширный научный материал, посвященный методам оценки и прогнозирования состояния дорожных одежд, не достаточно внимания уделяется вероятностным методам, подход к ним зачастую носит формальный характер, при этом не в полной мере раскрывается физический смысл исследуемых явлений.
Кроме этого, применение статистических методов предполагает наличие обширного материала данных обследований автомобильных дорог, что не всегда доступно. Поэтому представляют интерес методы, позволяющие дать оценку и спрогнозировать состояние таких сложных систем, как дорожная одежда, на основе краткосрочных наблюдений.
В связи с этим изучение и совершенствование методов оценки и прогнозирования надежности дорожных конструкций, основанных на статистических методах, является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы заключается в разработке вероятностной модели, позволяющей на основе данных краткосрочных наблюдений произвести оценку и прогнозирование надежности дорожных одежд нежесткого типа и дать практические рекомендации по назначению сроков проведения ремонтных мероприятий. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
- уточнить законы распределения показателей технико-эксплуатационного
состояния дорожных одежд нежесткого типа;
- на основе уточненных законов распределения разработать модель оценки и прогнозирования надежности дорожных одежд на основе краткосрочных наблюдений за их состоянием;
- выполнить проверку адекватности разработанной модели оценки и прогнозирования надежности дорожных одежд с использованием экспериментальных данных;
- разработать практические рекомендации по назначению межремонтных сроков дорожных одежд на основе оценки и прогнозирования их надежности;
- произвести оценку экономического эффекта от применения результатов исследования.
Научная новизна работы состоит в разработке модели оценки и прогнозирования надежности дорожных одежд нежесткого типа на основе краткосрочных наблюдений.
Автором предложены:
методика определения расчетной влажности грунта земляного полотна на основе данных наблюдений за влажностью почво-грунтов в открытом поле, осуществляемых агрометеостанциями, с использованием метода статистических испытаний;
методика оценки уровня надежности монолитных слоев дорожной одежды с использованием результатов штамповых испытаний и метода Монте-Карло;
алгоритм расчета растягивающих напряжений при изгибе, возникающих в верхних монолитных слоях дорожных конструкций, в зависимости от величины радиуса кривизны упругой линии на основе разового замера чаши прогиба и значений упругих прогибов дорожных одежд;
вероятностный метод оценки надежности дорожных конструкций на основе параметров малых выборок их технико-эксплуатационных показателей;
модель прогнозирования состояния дорожных одежд по показателю ровности, основанная на анализе характера изменения коэффициента вариации ровности в процессе эксплуатации автомобильных дорог.
Достоверность и обоснованность научных положений работы обеспечена использованием фундаментальных законов и зависимостей, применением современной вычислительной техники, согласованностью полученных теоретических и экспериментальных результатов исследований.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ней разработана модель оценки фактического состояния дорожных одежд (на основе малых выборок) и прогнозирования темпов их разрушения в процессе эксплуатации, а также рекомендации по назначению периодичности обследований автомобильных дорог и межремонтных сроков.
На защиту выносятся:
закономерности и зависимости, характеризующие показатели технико-эксплуатационного состояния дорожных одежд;
результаты экспериментальных исследований, выполненных с целью уточнения законов распределения изучаемых показателей и сравнения с результатами, полученными в теоретической части работы;
разработанная математическая модель, позволяющая:
а) по результатам первичного обследования дорожных покрытий и данным об интенсивности движения и прочности дорожных одежд прогнозировать изменения ровности дорожных покрытий;
б) дать комплексную оценку надежности дорожных одежд по их технико-эксплуатационным показателям с использованием метода Монте-Карло;
практические рекомендации по назначению периодичности обследований и ремонтов дорожных одежд с учетом оценки и прогнозирования их надежности.
Реализация результатов исследования. Отдельные положения и рекомендации диссертационной работы приняты к использованию в учебном процессе Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета и внедрены в ОГУП «Волгоградавтодор» и Департаменте городского хозяйства Администрации г. Волгограда.
Публикации и апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (2006г.), 65 научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (ГТУ) в 2007г., ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВолгГАСУ в 2006, 2007, 2008 гг., Международной научно-практической конференции «Инновационные организационно-технологические ресурсы для развития строительства доступного и комфортного жилья Волгоградской области» 01-03 декабря 2008г., Международной конференции «Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство» 6-10 сентября 2010г. ВолгГАСУ.
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них три в источниках, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 146 страниц текста, 18 таблиц, 27 иллюстраций, библиографию в 139 наименований.
Анализ статистических закономерностей, используемых для оценки и прогнозирования надежности нежестких дорожных одежд
Разработана методика [57] количественной оценки качества дорожных одежд в соответствии с основными его показателями (прочность, ровность и изношенность покрытия, интенсивность и безопасность движения). Имеются также методы комплексной оценки качества дорожных конструкций [13, 83]; метод экспертного опроса [65, 87]; метод оценки транспортно - эксплуатационного состояния автомобильных дорог [8].
Проф. В. А. Семеновым [81] предложено использовать показатель дефектности, который представляет собой выход измеряемого параметра за пределы допуска. Методика оценки качества автомобильных дорог, разработанная В. В. Столяровым [98], основана на теории риска.
Необходимо отметить, что все авторы к основным показателям транспортно - эксплуатационного состояния дорожных одежд относят прочность дорожных одежд, ровность покрытия и сцепление колеса автомобиля с покрытием. Проф. В. В. Сильянов объединил эти показатели в одну группу. По предложенной им классификации [90, 91] переменные во времени показатели, характеризующие транспортно-эксплуатационное состояние автомобильной дороги, составляют следующие группы: 1. показатели, характеризующие транспортную работу автомобильной дороги. К ним относят: интенсивность, состав и объем движения; пропускную и провозную способность автомобильной дороги; скорость движения и время сообщения; 2. технико-эксплуатационные качества дорожной одежды и земляного полотна, такие как прочность дорожной одежды и земляного полотна, ровность и шероховатость покрытия, сцепление шины с покрытием, износостойкость покрытия, работоспособность дорожной одежды. 3. показатели общего состояния автомобильной дороги и условий движения по ней, - это надежность, проезжаемость, срок службы дороги, относительная аварийность, коэффициенты аварийности и безопасности, расстояние видимости. 4. показатели, характеризующие эффективность транспортной работы дороги. К ним относят себестоимость перевозок и потери народного хозяйства от дорожно-транспортных происшествий. Указанный выше комплекс показателей позволяет дать всестороннюю оценку транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог. Детальная оценка качества автомобильных дорог за рубежом (США, Франция, Германия, Австрия и др.) производится с помощью комплектов приборов, позволяющих быстро и легко измерить неровности на покрытии, а также дать рекомендации по их устранению и очередности необходимых мероприятий [126, 127, 135, 136, 137, 139]. Но применение такой аппаратуры в нашей стране, к сожалению, крайне ограничено из-за ее недоступности и невозможности учета климатических особенностей. В соответствие с нормативными документами [73] расчет дорожных одежд производится по трем критериям: по упругому прогибу; по сдвигу в грунте и слоях из малосвязных материалов; по растяжению при изгибе в . монолитных слоях. Однако, нормативные документы [66, 72, 73] дают обоснование сроков службы одежд учитывая интенсивность и состав движения, климатические условия и др., но не принимают во внимание фактическое транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог. Большие объемы работ, корректировка результатов измерений упругих прогибов дорожных одежд и многочисленные эмпирические коэффициенты в расчетных формулах делают эти методы непривлекательными и весьма спорными. Поэтому зачастую ремонты дорожных конструкций производят на основе лишь визуальной оценки их работоспособности, что ведет к неэффективному расходу финансовых, материальных и трудовых ресурсов. В связи с этим, можно сделать вывод о том, что есть необходимость разработки и внедрения новых методов оценки и прогнозирования надежности дорожных конструкций, учитывающих случайные изменения их прочностного состояния. 1.2. Анализ статистических закономерностей, используемых для оценки и прогнозирования надежности нежестких дорожных одежд Повышение эффективности и качества эксплуатации автомобильных дорог, представляющее важнейшее условие развития отрасли, тесно связано с вопросом обеспечения надежности дорожных одежд. Надежность - это свойство дорожной одежды, обусловленное безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью всего сооружения или его частей и обеспечивающее сохранение эксплуатационных показателей дорожной одежды в заданных пределах [1]. Целью оценки и прогнозирования надежности дорожных одежд является получение полной и достоверной информации об их транспортно-эксплуатационном состоянии, условиях их работы и степени соответствия фактических потребительских свойств и параметров требованиям движения, а также обоснование эффективного использования средств, направляемых на ремонт автомобильных дорог. В нормативной [72] и др. литературе характеристики надежности и работоспособности дороги как инженерного сооружения, к которым относят прочность дорожных одежд и земляного полотна, ровность покрытий и сцепление колеса автомобиля с покрытием, называют технико- эксплуатационными качествами автомобильной дороги, выделяя их в качестве основных показателей транспортно-эксплуатационного состояния дорожных одежд. На состояние дорожных конструкций и, следовательно, значения данных показателей оказывают влияние множество факторов, которые можно разделить на три группы: воздействие автотранспорта, природно- климатические условия и условия содержания автодороги (рис. 1.2.1). Так как влияние каждого из факторов неоднозначно, определение надежности дорожной одежды представляет собой вероятностную задачу, решение которой требует установления законов распределения технико-эксплуатационных показателей дорожных одежд и их количественных характеристик (математического ожидания, дисперсии, коэффициента вариации и т.п.).
Метод оценки уровня надежности монолитных слоев дорожных одежд с использованием результатов штамповых испытаний
Высокие эксплутационные качества автомобильных дорог обуславливаются, главным образом, прочностью дорожной конструкции, то есть системы «грунтовое основание - конструктивные слои дорожной одежды». В процессе службы дороги в дорожной конструкции устанавливается определенный водно-тепловой режим, от которого существенно зависит устойчивость земляного полотна, прочность и стабильность свойств грунтов в активной зоне. Опасное воздействие водно-теплового режима проявляется в разуплотнении грунтового основания, снижении прочности, образовании пучин зимой и просадок при оттаивании, что приводит к появлению на покрытии различного рода деформаций, нарушающих ровность, а, следовательно, снижающих скорость движения.
Характер водно-теплового режима в зоне недостаточного увлажнения во многом определяется процессами зимнего влагонакопления, мощным источником которых является миграция влаги в виде насыщенного водяного пара и жидкой фазы пленочной незамерзшей воды [88]. Поровая влага мигрирует под действием давления в пленках. где: Рв - давление паровоздушной смеси в порах грунта, а - поверхностное натяжение воды с радиусом кривизны г на границе раздела жидкой фазы с паровоздушной смесью. На основе уравнения (2.1.1) можно объяснить законы миграции двухфазной влаги. Если при изотермических условиях две зоны грунта с влажностью Wi и W2, причем Wi W2 , то становиться очевидным, что толщина пленок воды hj Ьг, г, г2, Ol о2, PBi РВ2. Следовательно, из уравнения (2.1.1) Pi Р2 и влага мигрирует от мест с большей влажностью к местам с меньшей влажностью. Если же Wj W2, а температура t! Ф t2, то из уравнения (2.1.1) следует, что Pi Р2 и жидкая фаза мигрирует от теплых мест с более высокой температурой к местам с меньшей температурой. Из сказанного следует, что максимальное влагонакопление в верхней части активной зоны происходит в зимнее время, причем процесс зимнего влагонакопления носит вероятностный характер. Дорожная конструкция нежесткого типа, состоящая из конструктивных слоев дорожной одежды и грунтового основания, это взаимосвязанная система, прочность которой существенно зависит от жесткости (Е0) и прочности (с, ср) грунтового основания. В свою очередь указанные параметры обуславливаются многочисленными факторами, такими как характер увлажнения, глубина расположения грунтовых вод, возвышение бровки земляного полотна, скорость промерзания дорожной конструкции, коэффициенты температуро- и влагопроводности, среднемесячная температура воздуха, теплофизические характеристики грунта земляного полотна и слоев дорожной одежды и другие. Поэтому наиболее достоверным путем установления значений модулей упругости земляного полотна Е0, как характеристики его надежности, следует считать путь обобщения результатов натурных испытаний, выполненных в широких масштабах для различных регионов. Однако подобные данные крайне ограниченны и не могут служить основой для исчерпывающей статистической характеристики величины Е0. Кроме того, постановка испытаний требует длительного времени и связана со значительными затратами [69]. Следует, однако, заметить, что такие авторитетные ученые как А. К. Бируля [6], Н. А. Пузаков [74], В. М. Сиденко [88] и другие связывают назначение расчетных модулей упругости земляного полотна с такой обобщающей характеристикой водно - теплового режима грунтовых оснований как интервал изменения относительной влажности грунта в годовом цикле для среднемаксимального года. При водонепроницаемых покрытиях этот интервал для зоны недостаточного увлажнения (степная зона) составляет 0,4 0,75. Известно также, что для всех связных грунтов границы перехода из одного состояния в другое с достаточной точностью соответствует характерным относительным влажностям [6]: - мягкопластичный грунт с минимальным сопротивлением нагрузке 0,75-1,0; - твердопластичный грунт с достаточным сопротивлением нагрузке — 0,5 - 0,75; - твердый грунт в уплотненном состоянии 0,5. Исследования прочности грунта и его взаимодействия с нагрузкой показывают, что влажность грунта в основании дорожной одежды не должна быть выше верхней границы твердопластичного состояния ( 0,75\т) и что вообще не следует допускать относительную влажность выше 0,6. Исследования, проведенные Н. А. Пузаковым, М. Б. Корсунским [74, 119], позволили разработать принципы назначения модулей деформации грунтов, в основу которых принималась относительная влажность (ВСН 46-83). Указанная методика сохранилась и в ныне действующих ОДН 218.046-01 с некоторыми уточнениями и дополнениями. Однако значительная изменчивость модулей упругости грунтовых оснований не только в течение года, но и по годам, зависимость их от региональных погодно — климатических и грунтово- гидрологических условий не позволяет, по нашему мнению рекомендовать его осредненные значения для дорожно-климатической зоны в целом. Поэтому, безусловно оправданными являются попытки некоторых ученых дать региональные значения характеристик грунтовых оснований, определяющих жесткость и прочность дорожных одежд [28, 35, 37, 69, 88, 119]. Так, для степной зоны Украины в ХАДИ [1], разработана методика определения прочностных и деформационных характеристик грунтов, в основу которой положена относительная влажность грунта для среднемаксимальная расчетного года. На основании достаточно большого количества наблюдений за влажностью земляного полотна и штамповых испытаний грунта предложена следующая зависимость: Параметры а = -51,7 и Ь = 60,7 зависимости (2.1.7) получены для погодно - климатических условий северо-западной части РФ (II дородно-климатическая зона). Полученное корреляционное отношение, равное г = 0,99, указывает на тесную связь между исследуемыми параметрами грунтового основания. При обработке данных, полученных в Харьковском автомобильно- дорожном институте, были получены следующие значения параметров: а = - 67,0 и Ь = 62,0. Результаты проведенного нами для различных дорог Волгоградской области дисперсионного анализа факторов влияния на модуль упругости грунта земляного полотна Е0, показали, что из трех исследуемых факторов наибольшее влияние оказывает относительная влажность - от 50 до 68 %, высота насыпи — около 7 %, род грунта - 2-КЗ %, фактор сочетания 3 4 %, влияние прочих факторов - от 26 до 37 % (рис. 2.1.2). Результаты дисперсионного анализа факторов, оказывающих влияние на модуль упругости грунта земляного полотна (для автодороги Новоаннинск - Жирновск) Следовательно, согласно теореме А. М. Ляпунова о формировании нормального распределения, закон распределения модулей упругости грунтовых оснований должен быть отличным от кривой Гаусса, что подтверждается экспериментальными исследованиями (см. параграф 3.1). Из всего вышесказанного следует, что относительная влажность грунта является главным фактором при определении модуля упругости грунта земляного полотна Е0.
Методы натурных наблюдений, проводимых при оценке растягивающих напряжений на эксплуатируемых дорогах с нежесткими одеждами
Определить величину растягивающих напряжений при изгибе и оценить уровень надежности монолитных слоев дорожных одежд позволили натурные исследования, проведенные по следующим методикам: 1. испытания одежд через жесткий штамп при помощи передвижного дорожного пресса (штамповые испытания); 2. измерение осадки дорожной одежды под колесом автомобиля. Штамповые испытания производятся с помощью дорожного пресса (например, пресса СоюздорНИИ или ХАДИ, снабженного более простым оборудованием), предназначенного для измерения осадки нежестких дорожных одежд, их слоев и грунта при статическом действии нагрузки. Нагрузка прикладывается к штампу через гидравлический домкрат, упором для которого является загруженный автомобиль. Величина статической нагрузки может варьироваться от 0,3 до 15 т, а точность их записи должна составлять ±3%. Для послойного испытания дорожной одежды применяют набор металлических штампов диаметром 150, 250 и 340 мм, а для испытания грунтов земляного полотна - диаметром 500 и 750 мм. Дополнительное оборудование к автомобилю состоит из упорной балочки, домкрата, гидравлического динамометра, индикаторов и балки крепления индикаторов. С помощью домкрата, упирающегося в балку, соединенную с рамой автомобиля, воздействуют на круглый жесткий штамп, установленный на покрытии, на поверхности какого-либо другого слоя одежды или земляного полотна. Величину давления измеряют гидравлическим динамометром, установленным между домкратом и штампом. Осадку штампа измеряют двумя индикаторами (мессурами) с точностью до 0,01 мм, принимая среднее из получаемых отчетов.
Чтобы в результате испытания получить данные, необходимые для определения модулей упругости грунтов и материалов слоев дорожной одежды, нагружение производят с разгрузкой после соответствующего выдерживания нескольких ступеней нагрузки. Величину той или иной ступени нагрузки выбирают таким образом, чтобы для каждого испытания требовалось 3 — 4 нагружения. Каждую ступень нагрузки выдерживают до практически полного прекращения роста осадки штампа (не более 0,003 см за 5 мин). После этого записывают показания индикаторов и штамп разгружают. Следующую ступень нагрузки начинают осуществлять лишь после прекращения упругого восстановления деформации, и после записи остаточной осадки. На основании данных о полной и остаточной деформациях вычисляют эквивалентный модуль упругости на поверхности покрытия и каждого конструктивного слоя дорожной одежды по формуле: где: р - удельная нагрузка, под действием которой получена относительная величина обратимой деформации Лу; - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,30 для слоистой дорожной конструкции; 0,35 - для грунтов в напряженном состоянии; 0,25 для большинства материалов конструктивных слоев одежды.
Проводимые таким образом штамповые испытания дорожных конструкций, позволяют непосредственно учитывать влияние на состояние одежды конструктивных, технологических и эксплуатационных условий, а их результаты — оценить величину растягивающих напряжений при изгибе по предлагаемой методике (см. параграф 2.З.). Для определения растягивающих напряжений с учетом кривизны чаши прогиба проводят измерения осадки одежды под колесом автомобиля. прогиба поверхности под задним спаренным колесом расчетного груженого автомобиля. Величину осадки рекомендуется определять в наиболее неблагоприятный период года, который наблюдается, как правило, в весенний сезон оттаивания грунтов земляного полотна. Измерять прочность следует на характерных участках в отдельных местах с интервалом не более 200 — 250 м. В 1саждой точке на полосе наката производится не менее двух повторных наездов и измерений. Полоса наката на покрытии как правило, хорошо заметна, но если невозможно ее распознать, то прогибы следует замерять на расстоянии 1,25 — 0,5 м от кромки проезжей части. Площадка для испытания должна быть ровной, без повреждений. Если расхождения между двумя величинами осадок превышают допустимые значения, необходимо произвести еще одно измерение и определить среднее, исключив резко отклоняющееся по величине значение. Недопустимы следующие расхождения повторных измерении: 0,15 мм и более при осадках до 0,5 мм; 0,2 мм — при осадках до 1,0 мм и 0,3 мм - при осадках более 1,0 мм.
Для испытания дорожной одежды нагрузкой рекомендуется использовать автомобиль, наиболее близкий к нагрузке группы А. После загрузки автомобиля проверяется удельное давление, передаваемое колесом на покрытие. При помощи манометра устанавливают расчетное давление воздуха в шинах. Нагрузку на заднее сдвоенное колесо проверяют при помощи переносных гидравлических весов Удельное давление на покрытие рассчитывают по формуле:
На выбранное место наезжает заднее сдвоенное колесо автомобиля, вызывающее прогиб дорожной одежды. Между сдвоенными колесами вводится и устанавливается рычаг прогибомера. По истечении 4-5 мин, во время которых завершается осадка поверхности покрытия, берут отчет по индикатору прогибомера, затем автомобиль отъезжает на расстояние не менее 5-10 м. Одежда разгружается и упругая деформация восстанавливается. Через 4-5 мин после съезда автомобиля берут второй отчет по индикатору. Разница в двух отчетах будет соответствовать величине упругой (обратимой) деформации в точке измерения.
При помощи испытательного автомобиля и рычажного прогибомера могут быть измерены не только максимальные величины прогиба под центром следа спаренного колеса, но и прогибы в точках поверхности покрытия, находящихся на том или ином расстоянии от оси действующей нагрузки, т.е. могут быть определены параметры чаши прогиба покрытия, что дает возможность оценить величину растягивающих напряжений при изгибе в монолитных слоях нежесткой дорожной одежды.
К примеру, на основе проведенных таким образом измерений упругих прогибов дорожной одежды и разового замера чаши прогиба автодороги Средняя Ахтуба - Ленинск (км 38 - 46), а также соотношений (2.3.28) и (2.3.25), нами был получен вариационный ряд аг, который с высокой степенью вероятности следует закону распределения Вейбула (рис. 3.2.1) с параметрами: согласия Пирсона % = 1,65, что при числе степеней свободы г = 7 - 3 = 4 дает Р(1,65;4)= 0,8. Следовательно, распределение Вейбула приемлемо с высокой степенью вероятности. После интегрирования (2.3.1), получили выражение для кривой надежности:
Оценка уровня надежности дорожных одежд по сцеплению колеса автомобиля с покрытием
Теоретические исследования (см. главу 2) показали, что для характеристики распределения большинства показателей, характеризующих состояние дорожной одежды, не целесообразно использовать нормальный закон, что повсеместно встречается во многих отечественных и зарубежных работах. Обоснованием роли нормального распределения является центральная предельная теорема, сформулированная А. М. Ляпуновым в 1900 году. При рассмотрении показателя сцепления было бы ошибочным утверждением, что данная случайная величина формируется как результат воздействия очень большого числа взаимно независимых незначительных факторов, влияние каждого из которых ничтожно мало. Так, при увеличении скорости движения от 30 до 100 км/ч, значение коэффициента сцепления уменьшается в 1,5 раза. Кроме того, следует подчеркнуть, что при изучении износовых процессов, когда обычным является группирование значений вблизи некоторого физического предела, нормальный закон или какое-либо иное симметричное распределение не подходит. Из сказанного следует, что при выборе законов распределения случайной величины необходимо, прежде всего, учитывать ее физический смысл, ибо критерии согласия адекватности теоретической модели экспериментальным данным носят в основном лишь формальный характер. Поэтому для оценки надежности дорожных одежд по критерию сцепных качеств считаем целесообразным применение закона распределения Вейбула, во многих случаях хорошо описывающее износовые отказы.
С целью проверки данного теоретического заключения проведены следующие экспериментальные исследования. При обследовании дорог с асфальтобетонным покрытием были измерены коэффициенты сцепления по тормозному пути при полной блокировке колес, по величине отрицательного ускорения с помощью деселерометра модели 1155 М треста «ГАРО», а также использованы результаты измерений коэффициентов сцепления на этих же участках дороги, полученные отделом эксплуатации Волгоградского филиала треста Росдороргтехстрой с помощью передвижной лаборатории КП-511. Во всех случаях замеры производились на влажном покрытии и дали вполне сопоставимые результаты.
На основании полученных данных построена гистограмма распределения опытных частостей коэффициентов сцепления и подобрана выравнивающая ее теоретическая кривая распределения Вейбула, которая выражается зависимостью (3.4.2):
В пределах интервала уровень надежности, как это видно из рис. 3.4.1, колеблется от 0,8 для верхней границы интервала до 0,27 для нижней границы, что совершенно не допустимо. В этой связи целесообразно оценить состояние покрытия с точки зрения сцепных качеств, определив показатель дефектности [81] по формулам (3.4.7, 3.4.8):
Полученный показатель дефектности свидетельствует о неудовлетворительном состоянии покрытия по важнейшей характеристике — сцеплению колеса автомобиля с покрытием, а, следовательно, по безопасности дорожного движения. Неслучайно, что за три года, предшествующие натурным обследованиям, на данном участке дороги произошло 22 ДТП, непосредственно или косвенно связанных с дорожными условиями. Исследование показывает, что если все ДТП, случившиеся из-за неудовлетворительных дорожных условий принять за 100%, то на долю происшествий из-за недостаточных сцепных качеств покрытий приходится от 50 до 75%. Так что предлагаемый независимый частный критерий надежности по коэффициенту сцепления является неотъемлемой частью оценки надежности дорожной конструкции в целом. 1) Экспериментальные исследования позволили обосновать применение закона распределения Вейбула для технико-эксплуатационных показателей дорожных одежд. 2) Разработанный алгоритм оценки влажности грунтового основания позволяет определить влажность грунтов земляного полотна на основе наблюдений за влажностью лочво-грунтов в открытом поле, осуществляемых агрометеостанциями. 3) Представлены методы экспериментальных работ, проводимых при оценке растягивающих напряжений на эксплуатируемых нежестких дорожных одснедах. 4) Проверка адекватности разработанной в теоретической части работы модели прогнозирования состояния дорожных одежд по критерию ровности дорожного покрытия показала, что значение суммарной ошибки, получаемой при сравнении теоретических и практических данных, составляет 4,7 %, что удовлетворяет требованиям точности. 5) Представлен алгоритм оценки надежности дорожных одежд по критерию сцепления колеса автомобиля с покрытием. Определение надежности дорожной одежды, как показывают наши исследования и опыт других авторов, представляет собой вероятностную задачу. Решение этой задачи требует применения методики оценки комплексной надежности одежды по критериям прочности конструкции, ровности покрытия и сцепления колеса с покрытием на основе данных, характеризующих надежность ее составляющих элементов, определяющих интегрально вышеперечисленные показатели. В этой связи представляется целесообразным применение одного из способов получения информации о характеристике системы на основе экспериментальных данных - моделирования методом Монте-Карло [20]. При решении подобных задач рассматриваются сложные системы, характеристики которых меняются при изменении параметров компонентов. Зная эти изменения и понимая структуру системы, можно сделать вывод о характеристике системы. Этот метод называют также синтетическим или эмпирическим выбором. Он состоит в «построении» большого числа систем и численной оценке характеристик таких систем. В качестве примера применения данного метода, рассмотрим систему, представляющую автомобильную дорогу М21 Волгоград - Каменск - Шахтинский - гр. с Украиной, км 11-196, состоящую из пяти компонентов: модуль упругости земляного полотна (А), фактический модуль упругости дорожной конструкции (В) и величина растягивающих напряжений при изгибе (С); и трех звеньев (т.к. величина первого, второго и третьего компонентов зависят друг от друга, их объединяем в одно звено — Прочность конструкции). Чтобы система действовала успешно, все три звена должны работать безотказно. Для всех компонентов известны значения параметров малых выборок (табл. 4.1.1). По параметрам малых выборок невозможно установить характер распределения этих величин, однако, многочисленные исследования показывают, что, чаще всего, показатели состояния дорожной конструкции могут аппроксимироваться законом Вейбула. Принимая это во внимание, с помощью таблиц случайных чисел, равномерно распределенных в интервале (0, 1), моделируем по 100 значений случайных значений каждого компонента (табл. 4.1.2), используя соотношение:
