1577

На правах рукописи

Семенова Татьяна Викторовна

Совершенствование метода проектирования системы поверхностного водоотвода автомобильных и городских дорог по условиям обеспечения безопасности движения

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог,

метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Омск - 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» на кафедре «Строительство и эксплуатация дорог».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Александров Анатолий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Сологаев Валерий Иванович

кандидат технических наук Кусков Владимир Николаевич

Защита состоится 01 декабря 2011 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.250.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск-80, пр. Мира, 5, ауд. 3124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильнодорожная академия (СибАДИ)».

Отзывы в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644080, г. Омск-80, пр. Мира, 5,

тел./факс: (3812) 65-03-23, e-mail: bobrova_tv@sibadi.org.

Автореферат разослан 27 октября 2011 г.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Безопасность движения транспортных средств является одним из важнейших потребительских свойств автомобильной дороги.

Всвязи с тем, что современные автомобили обеспечивают комфортное движение со скоростями, превышающими расчетные скорости, закладываемые при проектировании дорог, искусственное снижение скорости движения нужно считать крайней мерой безопасности движения на мокрых покрытиях.

Вопросы обеспечения своевременного и эффективного водоотвода и требуемых параметров шероховатости при сохранении скорости движения являются весьма актуальными.

Впоследнее время в весеннее – летнее – осенний период очень часто можно наблюдать застой воды на покрытиях практически всех дорог, даже снабженных подземной дождевой канализацией с системой точечных дождеприемных устройств. Проведенный обзор дорог показал, что такая картина характерна для многих регионов России.

Вопросы обеспечения своевременного и эффективного водоотвода с проезжей части и сцепных качеств, при сохранении скорости движения на мокрых покрытиях автомобильных и городских дорог, являются весьма актуальными для дорожной отрасли РФ.

Основная идея работы заключается в том, чтобы обеспечить необходимые сцепные качества колеса транспортного средства с дорогой за счет рационального выбора размеров зерна каменного материала покрытия и совершенствования системы водоотвода.

Объектом исследования является система «шина транспортного средства

–слой стекающей воды – шероховатое асфальтобетонное покрытие».

Предмет исследования - закономерности, связывающие коэффициент сцепления мокрого покрытия с толщиной слоя стекающей с покрытия воды и размерами зерна каменного материала покрытия.

Цель работы – обеспечение безопасности дорожного движения транспортных средств за счет обеспечения требуемого коэффициента сцепления шины с мокрым покрытием и совершенствования системы поверхностного водоотвода.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи исследования:

–на основе экспериментальных данных выполнить математическое моделирование зависимости коэффициента сцепления шины с покрытием от скорости движения автотранспортного средства, параметров шероховатости покрытия, глубины вдавливания зерна каменного материала шероховатого покрытия в шину и толщины слоя стока;

–используя экспериментальные данные, произвести математическое моделирование зависимости количества ДТП, произошедших на мокрых

3

асфальтобетонных покрытиях, от коэффициента сцепления, на основе которого дать рекомендации по уточнению требуемых коэффициентов сцепления;

–разработать метод расчета глубины вдавливания зерна каменного материала шероховатого покрытия в шину;

–разработать методику расчета требуемых параметров шероховатости покрытия и основных параметров системы водоотвода, обеспечивающих требуемые коэффициенты сцепления и расстояний между точечными дождеприемниками ливневой канализации из условия обеспечения требуемого коэффициента сцепления шины с мокрым покрытием;

–разработать рекомендации по выбору системы линейного или точечного водоотвода и назначения расстояний между точечными дождеприемными устройствами на примере Омской области.

Методологической базой исследований является анализ причинно-

следственных связей изменения коэффициента сцепления шины с мокрым покрытием в зависимости от скорости движения транспортных средств, параметров шероховатости покрытия, глубины вдавливания зерен каменного материала шероховатого покрытия в шину и толщины слоя стока, а также теоретические положения математической статистики и физики твердого тела.

Научная новизна работы заключается в следующем:

− разработаны новые научные положения о совместном влиянии скорости движения транспортных средств, погодно-климатических факторов и глубины вдавливания зерен каменного материала шероховатого покрытия в шину на расстояния между дождеприемными устройствами, выбор системы водоотвода

итребуемые параметры шероховатости покрытия;

− разработана математическая модель зависимости коэффициента сцепления шины транспортного средства от скорости движения, параметров шероховатости, величины вдавливания зерен каменного материала в шину, глубины слоя стекающей воды, в которой также учитываются нагрузка на колесо, давление воздуха в шине, расход и размер каменного материала на устройство шероховатого покрытия, интенсивность дождя, геометрические характеристики покрытия (ширина, продольные и поперечные уклоны проезжей части).

Практическая ценность работы состоит:

-в решении задачи, имеющей существенное значение для дорожной отрасли и заключающейся в повышении безопасности дорожного движения транспорта на автомобильных и городских дорогах за счет обеспечения требуемого коэффициента сцепления колеса с мокрым покрытием;

-в разработке рекомендаций и обосновании выбора системы водоотвода, обеспечивающих минимальный уровень воды на проезжей части.

Автор защищает совокупность научных положений, на базе которых разработаны расчетные методы и даны рекомендации по выбору системы водоотвода и расстояний между дождеприемными устройствами.

4

Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается соблюдением основных принципов математического и физического моделирования; корректностью принятых допущений, достаточным объемом лабораторных и полевых испытаний, выполненных на современном оборудовании, прошедшем Государственную метрологическую аттестацию; адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Личный вклад в решение проблемы заключается в формулировании общей идеи и цели диссертационной работы; выполнении основной части теоретических исследований, лабораторных и натурных экспериментов; анализе и обобщении результатов теоретических исследований и экспериментальных данных.

Реализация результатов исследований осуществлена выполнением работ по выбору системы водоотвода для улиц г. Омска и расчетом расстояний между точечными дождеприемными устройствами на дорогах г. Омска с точечной системой водоотвода. Материалы исследования используются в образовательном процессе на кафедре «Строительство и эксплуатация дорог» в

СибАДИ (2009 - 2011 гг.).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях, проводившихся в СибАДИ 2009 - 2010 г. (г. Омск), Первом Всероссийском дорожном конгрессе (г. Москва)

в 2009 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и 1 приложения. Диссертация изложена на 143 страницах, содержит 39 таблиц и 70 рисунков.

На защиту выносятся:

-математическая модель методики расчета расстояний между дождеприемными устройствами водоотвода из условия обеспечения требуемого коэффициента сцепления шины с покрытием в период выпадения мокрых осадков;

-результаты теоретических и экспериментальных исследований;

-рекомендации по выбору системы водоотвода и назначения расстояний между дождеприемными устройствами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает актуальность диссертационной работы, определяет цель исследования, научную новизну и практическую значимость результатов работы.

5

В первой главе рассмотрены факторы, влияющие на безопасность движения и коэффициент сцепления шины с мокрым покрытием. Проанализированы зависимости между количеством дорожно - транспортных происшествий (ДТП), произошедших при мокрой скользкости дорожного покрытия, и коэффициентом сцепления. Проведены обзор и сравнительный анализ существующих исследований влияния факторов на коэффицент сцепления шины с мокрым покрытием крупнейших ученых Андреева О.В., Астрова В.А., Бабкова В.Ф., Баякова В.Н., Бируля А.К., Васильева А.П., Жукова В.И., Замахаева М.С., Кузнецова Ю.В., Марьяхина Л.Г., Некрасова В.К., Немчинова М.В., Сиденко В.М., Силукова Ю.Д., Христолюбова И.Н., Юсифова Р.Ю. и их учеников. Приведены и рассмотрены существующие методы расчета проектирования и организации, а также виды систем водоотвода на автомобильных дорогах. На основе проведенного анализа была сформулирована основная идея работы, которая заключается в обеспечении требуемого коэффициента сцепления шины колеса автомобильного транспорта с мокрым покрытием автомобильной дороги в период выпадения мокрых осадков за счет совершенствования методов проектирования системы поверхностного водоотвода автомобильных дорог и обеспечения требуемой шероховатости покрытия с целью повышения безопасности дорожного движения, снижения количества и тяжести ДТП при сохранении высоких скоростей. Были сформулированы задачи исследований, определены возможные пути увеличения безопасного движения транспорта на автомобильных дорогах в период выпадения мокрых осадков:

-обеспечение требуемых сцепных качеств мокрого покрытия ; -обеспечение водоотвода с проезжей части.

Во второй главе представлены математическое описание и решение поставленных в работе первых двух задач. Моделирование основано на регрессионном анализе статистических данных с определением параметров уравнений методом наименьших квадратов. При этом проведены проверка адекватности эмпирических формул с использованием критерия Фишера и оценка значимости коэффициентов, принятых для математической модели.

В результате выполненного математического анализа получена эмпирическая формула для определения коэффициента сцепления от скорости движения, средней высоты выступов и глубины воды стекающей с покрытия:

где и мах – фактическая и основная максимально допускаемая ГИБДД (90 км/ч)

6

скорости движения по дорогам общего пользования, км/ч, Rср – средняя высота выступов шероховатости покрытия, мм; Rг(пр) – предельные значения средней высоты выступов для гладких покрытий, 0,5 мм; hст – активная глубина слоя стока, определяемая разностью полной глубины и величиной вдавливания зерна шероховатости в шину, мм.

Результаты вычисления коэффициентов сцепления по формуле (1) представлены на рисунке 1.

Анализ данных рисунка 1 показывает, при скоростях движения 60 км/ч и более увеличение активной средней высоты выступов шероховатости приводит к увеличению коэффициента сцепления шины с покрытием, что соответствует экспериментальным данным М.В. Немчинова.

Отсюда следует, что при определенной активной средней высоте выступов шероховатости коэффициенты сцепления могут быть обеспечены в результате увеличения параметров шероховатости или уменьшения толщины стекающей с покрытия воды.

Из формулы (1) можно вычислить требуемую среднюю высоту выступов или безопасную глубины слоя воды, стекающей с покрытия.

Исследованиями Бабкова В.Ф., Васильева А.П., Немчинова М.В., Sabey B.E., Schulz V.H. и др. установлено, что между количеством ДТП на мокрых покрытиях и величиной коэффициента сцепления существует тесная взаимосвязь.

Подобрана эмпирическая формула, устанавливающая связь между количеством ДТП, произошедшими по причине скользкости покрытий, обусловленных наличием водной пленки на проезжей части, и коэффициентом сцепления:

где ZДТП (м) – количество ДТП на мокром покрытии, шт; ZДТП – общее ожидаемое количество ДТП на данной дороге, шт; м(80) – коэффициент сцепления на мокром покрытии, измеряемый при скорости движения 80 км/ч и 100%-ной блокировке колеса.

7

Из формулы (2) несложно выразить величину коэффициента сцепления, измеряемого на мокром покрытии при 100 %- ной блокировке колес при скорости 80 км/ч.

В России коэффициент сцепления измеряют при скорости движения 60 км/ч. Согласно исследованиям проф. А.П. Васильева переход от коэффициента сцепления 1, измеренного при одной скорости 1 к коэффициенту сцепления 2 при другой скорости 2, можно осуществить по формуле

Вычисленные требуемые значения сопоставлялись с экспериментальными значениями коэффициентов сцепления. На рисунке 2 приведены значения коэффициентов сцепления (таблица 2) и экспериментальные значения А.П. Васильева. В результате анализа данных рисунка 2 можно прийти к выводу, что значения коэффициентов сцепления, которые можно обеспечить на эксплуатируемых дорогах, меньше, чем вычисленные по формуле (5) при

ZДТП(М)/ZДТП<0,25.

8

Это говорит о том, что современными общепринятыми методами и средствами содержания автомобильных дорог можно обеспечить коэффициенты сцепления лишь определенной величины. Следовательно, повысить безопасность движения увеличением требуемого значения коэффициента сцепления, при котором уровень ДТП (Zдтп(м)/Zдтп = 0), невозможно. С другой стороны, требуемые коэффициенты сцепления шины с увлаженным покрытием несколько ниже фактических коэффициентов на мокрых покрытиях.

Поэтому значение требуемого коэффициента сцепления может быть повышено до значений, соответствующих интервалу фактических коэффициентов, который соответствует уровню безопасности движения

Zдтп(м)/Zдтп от 0,25 до 0,3.

Однако, применяя мероприятия, позволяющие в период дождя обеспечивать коэффициенты сцепления, соответствующие сухому чистому покрытию, уровень ДТП по причине скользкости можно снизить до Zдтп(м)/Zдтп от 0,05 до 0,1. К числу таких мероприятий было отнесено обеспечение требуемых параметров шероховатости и толщины водной пленки.

Отсюда следует, что к решению задачи повышения безопасности движения в период дождя сводится обоснование максимально возможных требований к сцепным качествам покрытий с выполнением мероприятий по обеспечению требуемых параметров шероховатости и толщины водной пленки. В третьей главе представлены результаты теоретических исследований. В первую очередь получены требуемые значения коэффициента сцепления, которые можно обеспечить. Эти коэффициенты приведены в таблице 2 для

ZДТП(М)/ZДТП=0,3.

Таблица 2 – Предельные значения коэффициентов сцепления в начале и конце эксплуатации

9

Из анализа формулы (1) следует, что это уравнение можно решить относительно средней высоты выступов шероховатости покрытия или полной глубины стока. Причем, если в (1) положить требуемые значения коэффициента сцепления, скорости движения, то можно получить предельную среднюю высоту выступов шероховатости покрытия или критическое значение активной глубины слоя стока.

Тогда требуемая средняя высота выступов определяется по формуле

В зависимости от подставляемого значения требуемого коэффициента сцепления формула (6) позволяет определить требуемую среднюю высоту выступов как в начале, так и в конце эксплуатации шероховатого покрытия.

Полную глубину слоя стока можно определить по формуле проф. М.В. Немчинова и проф. А.П. Васильева:

где а – интенсивность дождя, мм/мин; L – длина участка стекания воды, мм или м; п – коэффициент гидравлической шероховатости; iпр, iп и i – соответственно продольный, поперечный уклон проезжей части и уклон стока, % или о/оо; b – кратчайшее расстояние от точки определения глубины до оси проезжей части, мм; к – коэффициент, принимаемый равным при измерении уклонов, в % - к=10, а при измерении уклона, в о/оо - к=31,6228.

На рисунке 3 приведены результаты расчета полной глубины слоя стока.

10