Справочная энциклопедия дорожника

II
том

Ремонт и содержание автомобильных дорог

Под редакцией заслуженного
деятеля науки и техники РСФСР,
д-ра техн. наук, проф. А.П. Васильева

МОСКВА 2004

Содержание

В настоящем II томе СЭД «Ремонт и содержание автомобильных дорог» изложены условия работы автомобильных дорог под воздействием автомобильного транспорта и природно-климатических факторов. Описаны методы диагностики и оценки состояния дорог, а также назначения и планирования ремонтных мероприятий, дана классификация и состав работ по ремонту и содержанию дорог. Приведено описание технологий, применяемых материалов, средств механизации работ и организации работ по ремонту и содержанию дорог и обеспечению безопасности дорожного движения.

Предлагаемый материал предназначен для инженерно-технических работников и специалистов дорожного хозяйства, научных работников, преподавателей и студентов автодорожных вузов, техникумов и колледжей.

Коллектив авторов: Л.П. Васильев - введение, §1.1 - 1.4; 2.2, 2.3; 3.1-3.3; 4.1-4.4; гл. 5; §6.2-6.4; 7.3; 8.1-8.6; гл. 9; §10.1-10.5; 11.1, 11.2, 11.4; 12.1 - 12.5; 13.1...13.4; 13.8; гл. 14; гл. 15; §16.1, 16.2, 16.4, 16.6; 17.1-17.3, 17.6; гл. 18; §21.2; В.К. Апестин - §3.4; 7.1, 7.2. 7.4; 11.3, 11.5, 11.6; 20.2, 20.3: В.И. Баловнев - гл. 19; В.Д. Белов- §13.6; Н.В. Борисюк - §15.4, 15.5; С.Н. Жилин - §10.1, 21.1; М.Г. Горячев-§9.5; 10.4; Р.Г. Данилов - гл. 19; Э.В. Дингес - гл. 22, 23, 24; М.С. Коганзон - гл. 2; §4.2, 4.5, 4.6; 17.6; 20.5; Г.А. Копылов §10.2, 13.1, 13.2, 13.5; 14.5, 14.6; 17.5; 21.2; М.В. Немчинов - §7.3; 10.4, 10.5; 12.2; 17.2; Ю.Р. Перков - §6.1; 13.6; 16.3-16.5; А.М. Стрижевский - §10.1; 20.1, 20.4; 21.3; В.В. Чванов - §1.5; 8.7; 12.6; В.В. Ушаков - §6.3; 13.7, 13.8; 17.4; Ю.М. Яковлев - §10.3, 18.2.

Разделы, подготовленные совместно, повторены у каждого соавтора.

Рецензенты:

Дирекция «Дороги России»;

Федеральное управление автомобильных дорог «Центральная Россия»;

Ростовский научно-исследовательский институт проблем дорожно-транспортного комплекса «Дортранснии».

Координатор проекта ФГУП "ИНФОРМАВТОДОР"

Руководитель проекта Д. Г. Мепуришвили

Ответственный исполнитель по координации работ И.Н. Фролова

Введение

Автомобильные дороги представляют собой комплекс инженерных сооружений, предназначенных для обеспечения круглогодичного, непрерывного, удобного и безопасного движения автомобилей с расчетной нагрузкой и установленными скоростями в любое время года и в любых условиях погоды. В состав этого комплекса входят земляное полотно, дорожная одежда, мосты, трубы и другие искусственные сооружения, обустройство дорог и защитные дорожные сооружения, здания и сооружения дорожных и автотранспортных служб.

Параметры и состояние всех элементов дороги и дорожных сооружений определяют технический уровень и эксплуатационное состояние дороги.

К основным транспортно-эксплуатационным показателям автомобильных дорог и дорожных сооружений относят обеспеченную скорость и пропускную способность, непрерывность, удобство и безопасность движения, способность пропускать автомобили и автопоезда с осевой нагрузкой и общей массой, соответствующими категории дороги.

На автомобильных дорогах общего пользования организуется дорожная служба, основной задачей которой является осуществление комплекса работ и мероприятий по ремонту и содержанию дорог и сооружений на них и организации движения, обеспечивающих требования к транспортно-эксплуатационным показателям дорог.

Для обозначения указанной деятельности применяют не вполне корректный термин «эксплуатация дорог», а также «дорожно-эксплуатационная служба». Фактически дорожная служба не эксплуатирует дорогу. Она ее содержит, ремонтирует, обустраивает и организует движение транспортных потоков, т.е. обеспечивает функционирование дороги как транспортного сооружения. Эксплуатируют дороги автотранспортные предприятия и владельцы транспортных средств. Используют (эксплуатируют) многие дорожные сооружения участники движения - водители, пассажиры и пешеходы. Поэтому в общем виде под эксплуатацией автомобильных дорог понимают целесообразное и эффективное использование дорог автомобильным транспортом для перевозки грузов и пассажиров. Применительно к дорожной отрасли более правильным будет термин «техническая эксплуатация дорог и организация движения», под которым следует понимать систему планово-предупредительных и ремонтно-восстановительных работ, а также организационно-технических мероприятий, обеспечивающих удобное и безопасное движение автомобилей и наиболее эффективное использование дорог для перевозки грузов и пассажиров.

В состав работ по содержанию и ремонту дорог входит изучение и анализ условий работы дороги и условий движения транспорта на ней; постоянный уход за дорогой, дорожными сооружениями и полосой отвода, поддержание их в чистоте и порядке; регулярные работы по содержанию дороги и периодические более крупные ремонты дорог и дорожных сооружений, озеленение, архитектурно-эстетическое оформление и обустройство дорог; разработка и реализация мероприятий по повышению технического уровня и эксплуатационного состояния дороги и приведению их в соответствие с возрастающими требованиями движения; организация, управление и регулирование движения, обеспечение его безопасности, совершенствование службы сервиса на дороге.

Опыт показывает, что экономическая отдача средств, вложенных в ремонт и содержание дорог, в два-три раза превышает экономический эффект от каждого рубля, вложенного в строительство новых дорог. Поэтому необходимо объективно оценивать важность и социально-экономическую значимость работ по содержанию и ремонту существующих дорог. Состояние дорожной сети России таково, что задача повышения транспортно-эксплуатационных характеристик существующих дорог, приведения их в соответствие с требованиями движения и дальнейшего совершенствования становится в большинстве регионов страны более важной, чем строительство новых дорог.

В современных условиях центр тяжести деятельности дорожных организаций постепенно и неуклонно переходит от строительства новых дорог к преимущественному сохранению, поддержанию и повышению технического уровня и эксплуатационного состояния существующих автомобильных дорог методами содержания, ремонта и реконструкции. Главной стала задача повышения капитальности дорожных одежд, обеспечения высокой скорости, удобства и безопасности движения, инженерного оборудования и обустройства дорог, архитектурно-эстетического оформления и другие задачи, составляющие комплекс эксплуатационного обеспечения функционирования дорог.

Это объективная закономерность, которая проявляется все более и более значительно. Ежегодный прирост сети дорог общего пользования с твердым покрытием за счет нового строительства и реконструкции составляет 0,5-0,8 %, а за пятилетний срок около 3 % от общей протяженности этих дорог. С учетом перевода в сеть общего пользования сельских дорог этот прирост составляет около 3 % в год для всех дорог. Следовательно, более 97 % всех автомобильных перевозок осуществляется и будет осуществляться по старым дорогам, от состояния которых в первую очередь зависит эффективность работы автомобильного транспорта. По их состоянию судят о деятельности дорожной отрасли миллионы людей, пользующихся дорогами. Новые дороги сразу после ввода также нуждаются в постоянном эксплуатационном уходе и содержании.

Автомобильные дороги являются важнейшим звеном транспортной системы страны, без которого не может функционировать ни одна отрасль народного хозяйства. Уровень развития и техническое состояние дорожной сети существенно и многообразно влияют на экономическое и социальное развитие как страны в целом, так и отдельных регионов.

Экономическая реформа, перемены в социально-политическом устройстве Российской Федерации существенно повышают требования к надежности и эффективности работы сети автомобильных дорог. Децентрализация экономики, системы управления, материально-технического обеспечения, снабжения населения потребительскими товарами привела к образованию большого числа предприятий и фирм, нуждающихся в бесперебойной доставке грузов без промежуточных перевалок и централизованного складирования по схеме «от двери до двери».

Расширение самостоятельности регионов, развитие международной торговли существенно увеличили количество прямых транспортных связей между регионами, а также с зарубежными странами, портами, рекреационными районами. Быстрое развитие происходит в сфере торговли, обслуживания и связанных с ними отраслей, которые в силу своей специфики тяготеют к автомобильному транспорту.

Изменяется и схема расселения жителей Российской Федерации, особенно вблизи крупных и крупнейших административных и промышленных центров. С началом экономической реформы в малых городах и сельских районах высвободились значительные трудовые ресурсы, которые, не находя применения в местах проживания, устремились в крупные и крупнейшие административные и промышленные центры. Однако в крупных городах возможности покупки или строительства собственного жилья ограничены большими ценами и отсутствием свободных территорий. В связи с этим в пригородных зонах ускоренно увеличивается численность населения, работающего и в целом тяготеющего к соседнему крупному городу. Все больше проявляется стремление людей приблизить свое жилье к природе, к экологически чистым рекреационным районам. Это привело к значительным размерам строительства загородных домов и дач, вследствие чего зона загородного жилого строительства вокруг крупных городов постоянно расширяется. При этом застроенные территории и поселки располагаются, в первую очередь, вдоль магистральных дорог, обеспечивающих быструю связь с местами работы, учреждениями образования, культуры, здравоохранения и т.д. Изменился и характер поездок в пригородных зонах. Если в прошлые годы эти поездки носили в основном сезонный характер, а пиковые нагрузки на дороги приходились на выходные дни в летний период, то сейчас имеют место ежедневные пиковые периоды в утренние и вечерние часы в течение всего года, которые еще более увеличиваются в выходные дни. В результате этих изменений автомобильные дороги в пригородных зонах крупных городов испытывают большие перегрузки и требуют повышенного внимания к содержанию, своевременному ремонту и реконструкции.

Существенное влияние на состояние дорог и условия движения автомобилей оказывают природно-климатические условия. Для территории России это имеет особое значение, поскольку на ее огромном пространстве имеются самые разные климатические зоны: от субтропической до антарктической.

Автомобильные дороги предназначены для удовлетворения потребностей общества и государства в автомобильных перевозках и должны обладать высокими потребительскими свойствами, к которым относятся: обеспеченная дорогой скорость, непрерывность, удобство и безопасность движения, пропускная способность и уровень загрузки движением, способность пропускать автомобили и автопоезда с заданными габаритами, осевыми нагрузками и грузоподъемностью (общей массой), а также эстетичность и экологическая безопасность.

От потребительских свойств дорог непосредственно зависят все основные технико-экономические показатели работы автомобильного транспорта, такие как производительность автомобилей, расход топлива, износ шин, затраты на обслуживание и ремонт, себестоимость перевозок и др. Поэтому количественные значения требований к потребительским свойствам дорог прямо связаны с основными параметрами и характеристиками автомобилей, допущенных к движению по дорогам общего пользования. К таковым параметрам и характеристикам относятся габаритные размеры, осевые нагрузки и общая масса автомобилей, их динамические характеристики, свойства тормозных систем, подвесок, шин, рулевого управления, электронных устройств управления и торможения и др. В свою очередь, потребительские свойства автомобильных дорог определяются сочетанием их параметров и характеристик, инженерного оборудования и обустройства с высоким уровнем эксплуатационного содержания.

В течение длительного времени темпы роста объемов автомобильных перевозок, выпуска грузовых и легковых автомобилей опережали темпы роста протяженности дорог с твердым покрытием, что привело к нарастанию интенсивности движения на дорогах. Весьма существенным является то, что значительная часть протяженности существующих дорог имеет тонкослойную дорожную одежду, способную пропускать в расчетный период автомобили с осевой нагрузкой не более 60 кН, в то время как автомобильная промышленность выпускает почти все грузовые автомобили и автобусы с параметрами выше расчетных для этой части дорог.

Рост интенсивности движения и особенно доли в ней большегрузных автомобилей, автопоездов и автобусов привело к существенному возрастанию изнашивающего и разрушающего воздействия автомобилей на дорогу, следствием чего является рост потребности в ремонтно-восстановительных дорожных работах, увеличение их объемов. Эта тенденция в ближайшей перспективе будет неизбежно нарастать, чтобы обеспечить работоспособность существующих автомобильных дорог.

Дорожные организации выполняют большой объем работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог, организации и обеспечению безопасности движения. Ежегодно в России ремонтируется около 30 тыс. км дорог, а расходы на эти цели возрастают на 20-30 %.

Указанные объемы работ позволяют сохранить существующую сеть дорог от разрушения, но явно недостаточны для приведения транспортно-эксплуатационного состояния дорог в соответствие с нормативными требованиями. Чтобы решить эту задачу, ежегодные объемы работ по ремонту и содержанию необходимо увеличить в 1,5-2 раза и более.

Созданная дорожная сеть - это национальное богатство страны, и она заслуживает к себе отношения именно как к национальному богатству, которое нужно беречь, преумножать и эффективно использовать. Этому посвящена вся деятельность дорожных организаций по ремонту и содержанию дорог.

Научные основы эксплуатации автомобильных дорог, их ремонта и содержания заложены в трудах профессоров Г.Д. Дубелира и А.К. Бируля. Развитию этих основ посвящены работы профессоров Н.Н. Иванова, В.Ф. Бабкова, А.П. Васильева, И.И. Леоновича, В.М. Сиденко. В.К. Некрасова, Н.А. Пузакова. А.Я. Калужского, М.Б. Корсунского, К.С. Теренецкого, А.Я. Тулаева, Ю.М. Яковлева, И.А. Золотаря. А.В. Смирнова, М.В. Немчинова, О.А. Красикова, Ю.В. Слободчикова, Т.В. Самодуровой, А.И. Ярмолинского, а также кандидатов технических наук Г.В. Бялобжеского, М.Я. Телегина, Н.И. Иголкина, Е.И. Попова, А.А. Кунгурцева и др. Научные основы организации и обеспечения безопасности дорожного движения созданы трудами профессоров В.Ф. Бабкова, М.С. Замахаева, В.Н. Иванова, А.Я. Калужского, Г.И. Ктинковштейна, Я.В. Хомяка, а также А.П. Васильева, Е.М. Лобанова, В.В. Сильянова и др.

Основная цель данного тома справочной энциклопедии дорожника - помочь работникам дорожных организаций правильно оценивать технический уровень и эксплуатационное состояние дорог, назначать и осуществлять наиболее эффективные мероприятия по ремонту, содержанию, инженерному оборудованию и обустройству, а также организации и обеспечению безопасности движения.

РАЗДЕЛ I
УСЛОВИЯ РАБОТЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И УПРАВЛЕНИЕ ИМИ

ГЛАВА 1. Влияние развития и состояния дорожной сети на работу автомобильного транспорта

1.1. Тенденции развития автомобильного транспорта и характеристик автомобилей, влияющих на требования к состоянию дорог

В единой транспортной системе страны значительное место принадлежит автомобильному транспорту, который по объему перевозимых грузов в несколько раз превышает работу всех остальных видов транспорта, вместе взятых. В то же время в общем грузообороте транспортной системы доля автомобильного транспорта значительно меньше и составляет около 50 % всей транспортной работы. Это объясняется тем, что средняя дальность перевозок автомобильным транспортом в несколько раз меньше, чем другими видами транспорта (железнодорожным, морским, воздушным и др.).

Для успешного функционирования автомобильно-дорожной системы, т.е. автомобильного транспорта и автомобильных дорог, необходимо, чтобы параметры и характеристики автомобильных дорог удовлетворяли требованиям движения автомобилей, а основные параметры и характеристики автомобилей соответствовали тем, на которые рассчитаны эксплуатируемые дороги.

Существуют определенные требования к автомобилям со стороны автомобильных дорог, которые необходимо соблюдать, чтобы не перестраивать сеть автомобильных дорог под каждое новое поколение автомобилей. Это прежде всего требования к динамическим свойствам и габаритам автомобилей, их осевой нагрузке, общей массе и ряду других характеристик. Выдержать эти соотношения трудно, поскольку автомобильные дороги эксплуатируются многие десятилетия, происходит смена нескольких поколений автомобилей, каждое из которых предъявляет более высокие требования к автомобильным дорогам, что ведет к их непрерывному совершенствованию.

Чтобы заранее прогнозировать возможные изменения состояния дорог и требования к ним со стороны пользователей, необходимо систематически анализировать тенденции количественного и качественного развития автомобильного транспорта. На этой основе должна разрабатываться техническая политика в эксплуатации автомобильных дорог, их ремонта и содержания.

Рис. 1.1. Среднегодовой выпуск автомобилей в разных странах

Выпуск автомобилей во всем мире составил в 1990 г. 52 млн. единиц; в 2000 г. около 55 млн., а в 2010 г. ожидается более 60 млн. единиц (рис. 1.1). Соответственно растет и степень насыщения потребностей населения автомобилями. В США и Западной Европе начиная с 1950 г. количество автомобилей на 1000 жителей за каждые 10 лет возрастает на 100 единиц, и к настоящему времени достигает в США 810 автомобилей на 1000 жителей, а в Западной Европе - 560 автомобилей на 1000 жителей. По расчетам специалистов, потолок насыщения в США составляет 850, а в Западной Европе - 750 автомобилей на 1000 жителей.

Выпуск автомобилей в СССР достиг своего максимума в 1980 г. и составил 2.2 млн. в год. Из них 1,3 млн. легковых. 790 тыс. грузовых и 85 тыс. автобусов. В 1990 г. было выпушено чуть более 2 млн. автомобилей, а затем наступило обвальное сокращение выпуска. В 1995 г. в России было выпущено около 1 млн. автомобилей, в 2000 г. около 1,2 млн., в 2005 г. ожидается около 1,9 млн.. из них 1,6 млн. легковых, 240 тыс. грузовых, 60 тыс. автобусов.

Парк автомобилей в России за 20 лет с 1976 г. по 1996 г. вырос в 2 раза и составил около 20,6 млн. единиц. В 1999 г. в России уже было около 20 млн. легковых автомобилей и 4,3 млн. грузовых, причем более 600 тыс. легковых автомобилей было получено из дальнего зарубежья (рис. 1.2). Таким образом, на 1000 жителей России приходится более 150 автомобилей.

Рис. 1.2. Изменение численности парка транспортных средств в Российской Федерации:
1 - общее количество транспортных средств; 2 - количество легковых автомобилей; 3 - количество грузовых автомобилей; 4 - количество автобусов

Предполагается, что в 2005 г. в России парк легковых автомобилей составит 24-26 млн. штук, грузовых - 4,0-4,2 млн. штук, автобусов - 250 тыс. штук, т.е. на каждые 1000 жителей будет приходится более 200 автомобилей. Ожидается, что в ближайшие 10 лет количество автомобилей в России возрастет в 1,6-1,8 раза. Таким образом, по темпам насыщения автомобилями Россия приближается к передовым странам мира.

Такова перспектива количественного уровня автомобилизации России, из которой следует исходить, планируя развитие дорожной сети, уровень загрузки дорог движением и техническую политику в области ремонта и содержания дорог, организации и безопасности движения. Не менее важно учитывать и тенденции качественного развития автомобилей, и прежде всего параметров и систем, оказывающих влияние на требование к параметрам и транспортно-эксплуатационному состоянию дорог.

Классификация автомобилей. По автомобильным дорогам общего пользования движутся грузовые и легковые автомобили, а также автобусы, которые делятся на классы, причем для каждого вида автомобиля приняты различные характеристики для отнесения к тому или иному классу (табл. 1.1).

Таблица 1.1

В СССР развитие автомобилестроения шло, начиная с 1942 г., с использованием перспективных типажей автомобилей, т.е. систематизированной группировки всех базовых разновидностей автомобилей, по которым должно развиваться отечественное автомобилестроение. Последний типаж был разработан в 1982-1990 гг. и с небольшими исправлениями продлен до 1995 г. (табл. 1.2-1.4).

С переходом к рыночной экономике основным критерием производства автомобилей стал спрос покупателей, а ориентиром в технической политике служит опыт Западной Европы и Правила Европейской экономической комиссии (ЕЭК) ООН.

Таблица 1.2

Требования к развитию типажа легковых автомобилей

Таблица 1.3

Требования к типажу грузовых автомобилей (Б - бензиновый; Д - дизельный; Г - газобаллонный)

Габаритные размеры и осевые нагрузки автомобилей в СССР долгие годы нормировались ГОСТ 9314-59 с изменениями 1974 г., в котором были предусмотрены для автомобилей четыре группы ограничений:

габаритных размеров: высота - 3,8 м, ширина - 2,5 м, длина - 12 м для одиночных автомобилей, 20 м - с одним и 24 м - с двумя прицепами;

полных масс: в частности, для трехосного тягача с трехосным прицепом 25 т + 25 т = 50 т (то же, но с полуприцепом - 52 т);

осевых нагрузок: в частности, при расстоянии между соседними осями 2,5 м и более для дорог группы А – 10 т, группы Б - 6 т;

среднего давления на дорогу: для дорог группы А - 6 кг/см², для группы Б - 5 кг/см².

Таблица 1.4

Требования к типажу автобусов (Б - бензиновый, Д - дизельный)

В настоящее время вместо этого ГОСТа действует «Инструкция по перевозке крупногабаритных и тяжеловесных грузов автомобильным транспортом по дорогам Российской Федерации», утвержденная Минтрансом 27.05.1996 (Более детально параметры автомобилей изложены в п. 3.4). По этой инструкции автомобили разделены на категории 1 и 2. Для категории 1 ограничения несколько смягчены:

высота - 4,0 м, ширина - 2,5 м, но для рефрижераторов и изотермических кузовов допускается 2,6 м, длина - 12 м для одиночных автомобилей, 20 м - для автопоездов (с одним прицепом или полуприцепом), 18 м - для сочлененных автобусов и троллейбусов;

полная масса для автопоездов с одним прицепом или полуприцепом по группе А - не более 38 т;

осевые нагрузки сохранили значения для дорог группы А - 10 т и для группы Б - 6 т, но при расстоянии между соседними осями свыше 2,0 м (обычно у современных полуприцепов они равны 2,05 м) при нагрузке на трехосную тележку - до 24 т, на двухосную - до 20 т;

исключены требования к среднему давлению на дорогу.

Отдельно приведены параметры автомобилей, при которых они отнесены к категории 2. В частности, при движении по мостам это транспортные средства с полной массой от 30 т до 80 т и более и с нагрузкой на ось от 7,6 т до 20 т и более. Указанные ограничения были разработаны с учетом ограничений, имеющихся в странах Европы. Они не затрагивают легковые автомобили, имеющие гораздо меньшие габариты, полные массы и нагрузки на оси.

Осевая нагрузка в странах Европы на 1990 г. находилась в основном на уровне 10 т (в Норвегии и Польше - 8 т, в Бельгии, Италии, Португалии - 12 т, в Греции, Франции - 13 т). Однако и за рубежом, и в России наблюдается тенденция к увеличению осевой нагрузки до 13 т.

Ширина колеи автомобилей обычно составляет 0,8-0,85 от габаритной ширины, и эта тенденция устойчиво сохраняется длительное время. Например, если габаритная ширина 2,5 м, то колея будет около 2,0 м. У легковых автомобилей часто встречается ширина 1,6 м и колея 1,45 м. Высота центра тяжести автомобилей обычно составляет около 0,5 от колеи и не должна быть больше по условиям бокового опрокидывания при движении на повороте. Однако при перевозке некоторых грузов это условие нарушается.

Для легковых автомобилей (в том числе типа ВАЗ, АЗЛК, ИЖ, ГАЗ) характерны следующие габаритные размеры: высота - 1,4-1,5 м, ширина 1,6-1,8 м, длина 4-5 м. Кроме того, выпускаются легковые автомобили особо малого класса с длиной менее 3,5 м (в России - это ВАЗ-1111 "Ока") и особо большого класса с длиной более 6 м (например, "Сити-Таун" (США); Мерседес-Бенц 600 (ФРГ); ЗИЛ-41047 (Россия)).

У легковых автомобилей с начала XX века приблизительно до 1970-х гг. наряду с существенным изменением формы кузова происходило уменьшение габаритной высоты. При этом уменьшались диаметр колес (с 900 до 600 мм и менее) и дорожный просвет (с 200-300 до 130-150 мм). Габаритная высота европейских легковых автомобилей со снаряженной массой 1400 кг за период с 1955 г. по 1980 г. уменьшилась с 1,6 до 1,4 м, а со снаряженной массой 600 кг - с 1,5 м до 1,4 м. Таким образом, легковые автомобили различной снаряженной массы стремятся к одинаковой габаритной высоте и, по-видимому, уже приблизились к эргономическому пределу. Поэтому габаритная высота 1,4 м, соответствующая высоте расположения глаз водителя около 1,1- 1,2 м, должна сохраниться для большинства легковых автомобилей и на ближайшие 10-20 лет.

Более высокие легковые автомобили встречаются редко. Например, Карбодиес (Англия) - лондонское такси (1,77 м); Ситроен Мехари (Франция (1,63 м); РеноЭспейс (Франция (1,66 м). Тем не менее уже более 20 лет существуют три группы легковых автомобилей с габаритной высотой 1,3 м и менее (высота расположения глаз водителя около 1,1 м). Одна группа таких автомобилей - это автомобили так называемого спортивного или полуспортивного типа, обычно с кузовом-купе двухместным и двигателем большой мощности. Например, AC 3000МЕ (Англия); Порше 924 (ФРГ); Тойота MR2 (Япония); Ламборджини Джалпа 3500 (Италия); Феррари 308 GTB (Италия); Де Томазо Пантера (Италия); Лотус Эсприт S3 (Англия) и др.

Другая группа - это некоторые легковые автомобили с мягкой съемной крышей (кабриолеты, фаэтоны). Например, Мерседес-Бенц 280 SL (ФРГ); Морган 4/4 1600 (Англия); Пантер Соло (Англия); Фарус (Бразилия) и др.

Третья группа - это некоторые легковые автомобили США. Например, Крайслер Лазер ХЕ; Форд ЕХР; Понтиак Фиеро; Шевроле Камаро; Шевроле Корветт и др.

Анализ развития автомобилей указывает на то, что в ближайшие 10-20 лет не должно произойти изменений по габаритным высоте и ширине грузовых и легковых автомобилей. Однако имеется тенденция в Европе и в России к увеличению разрешенной осевой нагрузки до 13 т с увеличением полной массы автопоезда до 50-60 т, что необходимо учитывать при разработке норм проектирования дорог. Другое направление в развитии автопоездов - применение трехзвенных автопоездов, например, тягач и два прицепа или тягач + полуприцеп + прицеп будет иметь весьма ограниченное применение в Европе, так как такие автопоезда создают значительные помехи движению и могут быть использованы только в отдельных случаях.

От полной массы и нагрузки на ось, а также от конструкции шин и давления в них зависит удельное давление в зоне контакта. Следует отметить, что при наезде на неровность нагрузка на колесо может увеличиться в 1,3-1,5 раза. Соответственно кратковременно увеличится и давление в зоне контакта.

Динамические характеристики автомобилей. Одним из основных показателей при сравнении скоростных (динамических) свойств автомобилей является удельная мощность N_yд, которая определяется как отношение максимальной мощности двигателя к полной массе автомобиля. Обычно удельная мощность для автопоездов составляет 5-10 кВт/т, для грузовых автомобилей (кроме группы особо малой грузоподъемности, где она может быть выше) - 10-20 кВт/т, для легковых автомобилей (кроме групп большого и особо большого литража, где она может быть выше) - 20-60 кВт/т. В отечественном автомобилестроении последних десятилетий заметна тенденция снижения удельной мощности двигателя при увеличении максимальной скорости движения (табл. 1.5).

Таблица 1.5

Динамические характеристики автомобилей выпуска 1970-1976 гг. (группа А) и 1986-1995 гг. (группа Б)

* Максимальная скорость легковых автомобилей приведена при загрузке водителем и одним пассажиром, а для грузовых автомобилей - для полной массы.

Анализ показывает, что максимальные конструктивные скорости движения отечественных легковых автомобилей за период с 1970 г. по настоящее время возросли в среднем на 17 км/ч и составляют 145-158 км/ч. Также увеличились и максимальные скорости отечественных грузовых автомобилей, которые составляют в настоящее время 90-115 км/ч.

Значительная часть автомобилей иностранного производства обладает более высокими динамическими качествами, включая удельную мощность двигателя и максимальную скорость движения.

Максимальные скорости движения на автомагистралях в России и в большинстве стран Европы ограничены значением 110 км/ч для легковых автомобилей и 90 км/ч для грузовых (в Германии на автомагистралях нет ограничений максимальной скорости).

По ГОСТ 21398-89 «Автомобили грузовые. Общие технические требования» грузовые автомобили должны иметь следующие максимальные скорости: при общей массе более 3,5 т - 95 км/ч, при общей массе менее 3,5 т - 110 км/ч, для автопоездов - 85 км/ч, для автопоездов, предназначенных для междугородных и международных перевозок, - 100 км/ч. Междугородные автобусы обычно имеют максимальную скорость 100-130 км/ч. У легковых автомобилей малого и среднего класса максимальные скорости составляют 140-180 км/ч, но у некоторых легковых автомобилей (БМВ 635 Csi, Феррари GTO и др.) они достигают 250-300 км/ч.

Важной характеристикой динамических качеств автомобилей служит график силового баланса в зависимости от скорости движения (рис. 1.3, 1.4). Эти графики наглядно показывают максимальную величину продольного уклона, которую может преодолеть автомобиль на данной скорости при сухом покрытии. Анализ графиков показывает, что современные отечественные легковые автомобили типа ВАЗ-21093 могут преодолевать подъем с уклоном 5 % на скорости более 110 км/час, а грузовые автомобили типа КамАЗ-5320 с полной нагрузкой могут преодолеть этот уклон только со скоростью около 30 км/ч, т.е. грузовые автомобили, автобусы и автопоезда весьма чувствительны к крутым подъемам. Поэтому в ГОСТ 21398-89 имеется требование, что автопоезд должен преодолевать подъем в 3 % длиной 3 км со скоростью не менее 30 км/ч.

Рис. 1.3. График силового баланса легкового автомобиля ВАЗ-21093

Рис. 1.4. График силового баланса грузового автомобиля КамАЗ-5320

Большое внимание уделяется конструкторами легковых автомобилей такому показателю, как приемистость или способность развивать скорость движения при трогании с места. Этот показатель оценивается временем разгона автомобиля при трогании с места до скорости 100 км/ч. У легковых автомобилей, выпускаемых в последние годы, время разгона составляет 15-20 с по сравнению с 20-30 с у легковых автомобилей, выпускаемых в 1970-1976 гг. Максимальное ускорение полноприводных легковых автомобилей составляет 6,5 м/с², заднеприводных - 5 м/с², переднеприводных - 3 м/с². Для грузовых автомобилей максимальное ускорение обычно не превышает 2 м/с².

Максимальное замедление у автомобилей может быть реализовано при любой скорости, поскольку у современных автомобилей тормозные механизмы установлены во всех колесах, а на многих автомобилях есть регулятор тормозных сил. По нормам (Правила № 13 ЕЭК ООН) замедление должно быть для новых легковых автомобилей не менее 7,0 м/с², для автопоездов разных категорий от 5,0 до 6,0 м/с².

Максимальные значения сил тяги, ускорений и замедлений могут быть реализованы при коэффициенте сцепления не ниже 0,7-0,9, т.е. на сухом чистом покрытии. При других состояниях покрытия эти состояния недостижимы. Эта ситуация для обычных автомобилей в ближайшие 10-20 лет не изменится. Существенные изменения могут произойти в более отдаленной перспективе, когда будут разработаны новые типы шин по аналогии с шинами гоночных автомобилей, которые обеспечивают коэффициент сцепления, равный 1,2-1,5, а у драгстеров - около 2. Это достигается за счет прилипания резины к поверхности покрытия. При этом срок службы шин резко снижается. В настоящее время стоимость таких шин чрезвычайно высока и для обычных автомобилей неприемлема.

Увеличение удельной мощности грузовых автомобилей и автопоездов сдерживается существующими ограничениями скоростей движения на дорогах и стремлением уменьшить расход топлива. Это положение в ближайшие годы не должно измениться. В то же время уменьшение расхода топлива обеспечивается совершенствованием двигателей и шин, а также использованием ряда мероприятий по уменьшению сопротивления воздуха (изменение формы кабины, применение обтекателей и т.п.). Уменьшение расхода топлива снижает отрицательное влияние автомобиля на окружающую среду.

Тормозные системы. Все современные автомобили, включая автопоезда, имеют рабочую тормозную систему с тормозными механизмами на каждом колесе, а также стояночную тормозную систему с приводом на задние колеса. Кроме того, у автобусов полной массой свыше 5 т и грузовых автомобилей свыше 12 т должна быть дополнительная так называемая вспомогательная тормозная система, которая должна обеспечивать движение под уклон в 7 % длиной 6 км со скоростью не более 30 км/ч.

Важно отметить явную тенденцию последних лет, которая состоит в том, что практически все современные автомобили, кроме некоторых легковых особо малого класса, имеют регуляторы тормозных сил, что позволяет использовать для создания максимальных тормозных сил всю массу автомобиля при различных значениях коэффициента сцепления. Поэтому требования стандарта по тормозному пути могут и перевыполняться. Так, например, для легковых автомобилей по Правилам № 13 ЕЭК ООН при начальной скорости V₀ = 80 км/ч и усилии на педали не более 500 Н тормозной путь должен быть не более 43,2 м, но ВАЗ указывает в технической характеристике своих моделей автомобилей S_T = 38 м (АЗЛК, ИЖ, ГАЗ приводят 43,2 м). Для новых грузовых автомобилей по Правилу № 13 при V₀ = 60 км/ч тормозной путь должен быть не более 36,7 м, для автопоездов с тягачами при тех же условиях не более 38,5 м (табл. 1.6). Для автомобилей, находящихся в эксплуатации, требования по тормозному пути приведены в ГОСТ 25478-91 и в Правилах дорожного движения и существенно ниже, чем для новых (табл. 1.7).

Таблица 1.6

Нормативы эффективности рабочей тормозной системы для новых АТС (полная масса)

Таблица 1.7

Нормативы тормозной эффективности рабочей тормозной системы для АТС, находящихся в эксплуатации

Тормозные свойства автомобилей долгие годы не изменялись. Улучшение тормозных свойств наступило с применением регуляторов тормозных сил (в СССР с 1970 г. с началом выпуска автомобилей ВАЗ). В настоящее время в России большинство автомобилей оборудовано регуляторами тормозных сил. Дальнейшее некоторое улучшение тормозных свойств, сокращение тормозного пути и повышение устойчивости при торможении связаны с применением антиблокировочных систем (АБС).

Антиблокировочные системы (АБС) - это новая тенденция в автомобилестроении. Они исключают блокирование колес при торможении, поддерживая их скольжение в узком диапазоне (15-25 %), где значение коэффициента сцепления максимальное. Применение АБС повышает активную безопасность на скользких поверхностях за счет уменьшения тормозного пути приблизительно на 5-15 %, а также за счёт повышения устойчивости и управляемости при торможении в следствие чего значительно уменьшается разворот автомобиля и «складывание» автопоезда.

Пока АБС на российских автомобилях не применяется, но применяются на тягачах Ивеко, Мерседес-Бенц, Рено и других зарубежных автомобилях, используемых в России. С ужесточением требований ЕЭК ООН к тормозным системам применение АБС будет расширяться.

С 1.01.1991 г. в Западной Европе запрещена эксплуатация без АБС автомобилей следующих категорий: грузовые с полной массой более 16 т (категория N₃), междугородные автобусы с полной массой более 12 т (категория М₃), прицепы и полуприцепы с полной массой более 10 т (категория O₄). Другие категории автомобилей оборудуют АБС по желанию покупателя или по инициативе фирмы, выпускающей автомобили. Следует ожидать, что в ближайшем будущем эти требования будут приняты в России. Все чаще АБС применяется совместно с противобуксовочной системой (ПБС), предотвращающей пробуксовку ведущих колес при интенсивных разгонах. Эти конструктивные изменения тормозных систем могут оказать существенное влияние на требования к параметрам видимости, переходно-скоростных полос и др.

Характеристики подвески и плавность хода. Плавность хода - это способность автомобиля уменьшать вибронагруженность, создаваемую воздействием неровностей дороги на водителя, пассажиров, груз и агрегаты автомобиля. Вибронагруженность автомобиля создается в основном при взаимодействии колес с дорогой. Основными устройствами, ограничивающими вибронагруженность, являются подвеска и шины, а для водителя и пассажиров также упругие сидения. У современных грузовых автомобилей, особенно у тягачей автопоездов, для снижения вибронагруженности на месте водителя, кроме основной подвески устанавливают подвеску кабины и подвеску сидения.

Уровень вибраций и уровень внутреннего шума в кабине или кузове являются основными показателями комфортабельности автомобиля. Они через утомляемость водителя влияют на активную безопасность автомобиля, ограничивают его скорость, а значит, и его производительность. Вибрации влияют на исправность агрегатов автомобиля и сохранность перевозимого груза. Уровень внешнего шума является показателем отрицательного воздействия автомобиля на окружающую среду.

Влияние вибраций на человека определяется их интенсивностью, которая обычно оценивается средним квадратичным значением виброускорения, в м/с², либо отношением, называемым уровнем вибраций, в децибелах, спектральным составом, направлением и длительностью воздействия, которая для езды в автомобиле принимается не более 8 ч. Человеческий организм наиболее чувствителен к вертикальным колебаниям в диапазоне частот 4-8 Гц и к горизонтальным в диапазоне 1-2 Гц, что учитывается в современных нормах по допустимому уровню вибраций, приведенных в международном стандарте ISO 2631-85.

Влияние шума на человека определяется интенсивностью, которая оценивается уровнем звука в децибелах и спектральным составом.

На внутренний шум международных норм нет, но в России есть ГОСТ 27435-87, по которому определены нормы, в частности, для легковых автомобилей - 80 дБА, для грузовых - 84 дБА, для автобусов- 82 дБА. На внешний шум установлены нормы Правилом № 51 ЕЭК ООН, по которому, в частности, должно быть для легковых автомобилей - не более 77 дБА, для тяжелых грузовых автомобилей с двигателями в 147 кВт и мощнее - не более 84 дБА.

Основным источником внешнего шума автомобилей при разгонах и средних скоростях движения является двигатель, при высоких скоростях движения - шины. Проблема борьбы с шумом особенно остро возникает при прохождении дороги через населенные пункты или около них.

Проблема улучшения плавности хода чрезвычайно сложна и многопланова. Ужесточение требований к вибрациям на месте водителя приводит к необходимости улучшения качества дорог и введению существенных изменений в конструкцию автомобилей, особенно грузовых и тягачей автопоездов. Эти изменения характерны для последних 10-15 лет. Они затрагивают не только подвеску, но и другие части автомобиля.

По виброактивности шины из синтетической резины хуже шин из натуральной резины, многолистовые рессоры хуже однолистовых рессор и т.д. Все чаще в подвеске вместо металлических упругих элементов используют пневмобаллоны с электронным управлением давления в них, амортизаторы с электронным управлением коэффициента сопротивления. Кроме основной подвески вводится подвеска кабины и, кроме того, подвеска сидения водителя. Эти мероприятия будут развиваться и в ближайшие 10-20 лет.

Шины. Конструкция автомобильных шин подвергается непрерывному совершенствованию, особенно в последние 10-20 лет. Шины должны иметь хорошее сцепление с дорогой, малое сопротивление качению, соответствие упругих свойств параметрам автомобиля и условиям движения, низкий уровень шума, высокую прочность и долговечность. Все это существенно зависит от качества поверхности дороги.

Кроме упругих и демпфирующих свойств (таких же, как и у подвески, но гораздо более слабых), шины обладают сглаживающей и поглощающей способностями при движении по неровностям длиной менее 1 м.

Давление в шинах легковых автомобилей обычно находится в пределах 1,5-2,0 кг/см², автобусов и грузовых автомобилей 4,5-8,0 кг/см². У автомобилей повышенной и высокой проходимости шины более эластичные, с регулируемым давлением, которое можно уменьшать до 0,5-1,0 кг/см².

Коэффициент сопротивления качению при малых скоростях движения по асфальтобетонному покрытию у современных легковых автомобилей обычно составляет 0,013, у грузовых - 0,01-0,008.

Коэффициент сцепления имеет максимальное значение приблизительно при 10-20 %-м скольжении (буксовании), а при 100 %-м скольжении (буксовании) снижается на 10-20 %.

Из конструктивных параметров шины наибольшее влияние на коэффициент сцепления оказывают размеры колеса и рисунок протектора. На дорогах с твердым покрытием увеличение диаметра колеса приводит к незначительному росту коэффициента сцепления. На сухих дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления несколько возрастает с уменьшением площади канавок на протекторе. На мокрых дорогах коэффициент сцепления тем больше, чем лучше рисунок протектора обеспечивает удаление влаги и грязи из зоны контакта шины с дорогой. Как уже отмечалось, в ближайшие 10-20 лет не следует ожидать заметных изменений в коэффициентах сцепления шин с дорогой.

Рулевое управление. Двух- и трехосные автомобили обычно имеют управляемые колеса передней оси. Четырехосные автомобили обычно имеют управляемые колеса двух передних осей.

Некоторые японские фирмы (Ниссан, Хонда, Мазда) выпускают часть своих легковых автомобилей с передними и задними управляемыми колесами, причем угол поворота задних колес устанавливается в зависимости от скорости движения электронным блоком.

Обычно для поворота управляемых колес из одного крайнего положения в другое требуется около 4 оборотов рулевого колеса. Для уменьшения усилия на рулевом колесе применяют усилители (обычно гидравлические).

В предыдущие 20-30 лет гидроусилители рулевого управления устанавливали на отечественных грузовых автомобилях грузоподъемностью 5 т и более (ЗИЛ-130, МАЗ, КамАЗ, КрАЗ), на больших и особо больших автобусах, а из легковых автомобилей только на ГАЗ-13, ЗИЛ-111 и на их более поздних модификациях. В настоящее время за рубежом гидроусилители руля все чаще ставят и на грузовые автомобили малой грузоподъемности, и на легковые автомобили среднего и даже малого классов. Эта тенденция будет развиваться и в ближайшие годы.

Устойчивость по боковому скольжению и по боковому опрокидыванию оценивается значениями критических скоростей при движении по кривым в плане и во время маневров с резким изменением траектории движения и во многом зависит от соотношения колеи и высоты центра масс автомобиля, а также от коэффициента поперечного сцепления.

Оптимальным считается соотношение:

В/2Н > j_п, где

В - ширина колеи автомобиля, мм;

Н - высота центра масс автомобиля, мм;

j_п - коэффициент поперечного сцепления.

При этом соотношении боковое скольжение будет наступать при меньшей скорости, чем опрокидывание. Не у всех грузовых автомобилей это условие выполняется. Это означает, что на сухом покрытии возможно боковое опрокидывание при скорости меньшей, чем для бокового скольжения.

Оснащение электронным оборудованием. Электронные устройства и системы (ЭС) в последние 10-20 лет находят все более широкое применение на автомобилях. Эта тенденция должна сохраниться и на последующие 10-20 лет, особенно для отечественных автомобилей, на которых ЭС применяются пока еще в значительно меньшей степени, чем на зарубежных автомобилях.

Широкие функциональные возможности ЭС проявляются в выполнении ими всевозможных функций управления (двигателем, трансмиссией, тормозами, подвеской и т.д.), а также отображения, передачи и хранения информации. ЭС выполняют и принципиально новые функции (комфортабельность салона, блокирование ошибочных действий водителя и т.д.).

Надежной работе ЭС препятствуют тяжелые для ЭС условия эксплуатации, более жесткие, чем у промышленной электроники. В частности, ЭС должны сохранять работоспособное состояние при влажности 98 %, температуре воздуха 35°С, атмосферном давлении, соответствующем высоте 4 км над уровнем моря. ЭС, расположенные на двигателе, должны работать при вибрации с ускорениями до 20 g и при ударах до 40 g, для других мест автомобиля требования гораздо ниже (до 5 g, а при ударах до 10 g). Поэтому расширение применения электронных систем приведет к повышению требований к ровности поверхности дорог и обеспечению плавности движения. Чем выше качество дорог, тем меньше их воздействие на ЭС.

Особенно большие работы по насыщению автомобиля электроникой ведутся японскими фирмами. Так, например, фирма Тойота в 1995 г. представила «концепт-кар», оснащенный 17 системами безопасности, которые можно разделить на четыре группы: 1) системы профилактическо-предупредительной безопасности (8 функций: комплексы «борьба с дремотой», противопожарное оповещение, информация о давлении в шинах, автоматическая регулировка фар, боковой обзор, а также информационный дисплей, система опознавательных «сигналов о намерениях», навигационный комплекс); 2) системы избежания аварий и столкновений (2 функции: система автоматического торможения и система SOS); 3) системы минимизации повреждений при столкновении (4 функции: надувные «мешки безопасности», самозатягивающиеся ремни безопасности, система автоматической остановки, надувной «мешок» на капоте); 4) системы минимизации повреждений после столкновения (3 функции: система пожаротушения, система оповещения о ЧП, система «штурманской записи»). Автомобили начинают снабжать говорящими системами, предупреждающими водителя о неправильных действиях, опасных ситуациях, дающими подсказки. На ключевых японских автомагистралях в 2010-2015 гг. предполагается ввести в действие подобные «разумные» системы. Автомобили, насыщенные электроникой, становятся думающим, интеллектуальным транспортом.

Конструктивная безопасность движения. Конструктивную безопасность автомобиля условно разделяют на активную, пассивную и экологическую. Активная безопасность обеспечивается комплексом свойств автомобиля, направленных на предотвращение ДТП, пассивная - направлена на уменьшение тяжести последствий возникшего ДТП на людей, экологическая - направлена на уменьшение вредного воздействия на людей и окружающую среду (внешний шум, выделение вредных веществ и т.п.).

Учитывая международный характер требований к безопасности конструкции автомобилей, ряд европейских стран принял в 1958 г. в Женеве в рамках КВТ ЕЭК ООН «Соглашение о принятии единообразных условий официального утверждения и о взаимном признании официального утверждения предметов оборудования и частей механических транспортных средств». В рамках этого Соглашения разрабатываются единые предписания (Правила ЕЭК ООН) и присваивается знак «Е» официального утверждения транспортного средства, отвечающего требованиям соответствующего Правила.

Правила ЕЭК ООН постоянно пересматриваются и дополняются в соответствии с повышением требований к техническому уровню автомобилей. Они являются обязательными для ратифицировавших их участников Соглашения, причем эти участники не могут возражать против эксплуатации у них автомобилей, получивших утверждение любой страны, присоединившейся к этому Соглашению. СССР присоединился к указанному Соглашению в 1987 г.

Всего Правил ЕЭК ООН уже около 100. Наиболее важные для учета при разработке норм проектирования дорог следует считать правила:

• № 13 - торможение транспортных средств,

• № 30 - шины для легковых автомобилей,

• № 51 - внешний шум транспортных средств,

• № 54 - шины для грузовых автомобилей и автобусов,

• № 89 - ограничение максимальной скорости автомобилей,

а также большое количество Правил по различной светотехнике (для легковых автомобилей их 16, для грузовых 18).

Выполненный анализ показывает существенные изменения многих параметров и характеристик автомобилей, оказывающих непосредственное влияние на требования к транспортно-эксплуатационному состоянию дорог, и новые тенденции в дальнейшем развитии конструкций автомобилей. Указанные изменения и тенденции должны быть учтены при разработке технической политики в области ремонта и содержания автомобильных дорог, организации и обеспечения безопасности дорожного движения.

Переход России к рыночной экономике сопровождается не только количественным ростом автомобильного парка, но и глубоким качественным изменением его состава. В транспортном потоке на автомобильных дорогах значительно увеличилась доля тяжелых грузовых автомобилей, магистральных автопоездов, комфортабельных туристических автобусов, а также доля легковых и малотоннажных грузовых автомобилей. Увеличились нагрузки на автомобильные дороги и дорожные сооружения от транспортных средств. Динамические характеристики многих отечественных автомобилей также весьма изменились за последние годы и вплотную подошли к характеристикам автомобилей, наблюдаемых в развитых зарубежных странах. Кроме того, в составе транспортных потоков на российских дорогах непрерывно растет доля машин зарубежного производства.

В связи с произошедшими количественными и качественными изменениями транспортных потоков значительно возросли требования к потребительским свойствам автомобильных дорог.

Действующие нормы и правила ремонта и содержания автомобильных дорог, разработанные много лет назад, отстают от динамики роста этих требований и нуждаются в переработке, совершенствовании и дальнейшей систематической корректировке.

1.2. Темпы развития и структура дорожной сети

Классификация автомобильных дорог. В состав дорожной сети входят дороги, которые различаются по своим техническим параметрам, интенсивности и составу движения транспортных потоков, своему функциональному назначению и административному подчинению и т.д.

На начальном этапе развития все дороги входили в единую дорожную сеть. Только в 1955 г. в главе «Автомобильные дороги» СНиП II-Д.5 было введено деление дорог на автомобильные дороги общей сети, дороги промышленных предприятий, а также на внутрихозяйственные сельские дороги и дороги специального назначения.

Постановлениями Правительства РСФСР от 24.12.1991 г. № 61 «О классификации автомобильных дорог в РСФСР» с последующим уточнением в постановлении Правительства от 27.12.1994 г. № 1428 автомобильные дороги, расположенные в Российской Федерации, классифицируются по принадлежности на автомобильные дороги общего пользования, ведомственные и частные.

К автомобильным дорогам общего пользования относятся внегородские автомобильные дороги, которые являются государственной собственностью Российской Федерации и подразделяются на дороги общего пользования, являющиеся федеральной собственностью, - федеральные дороги; дороги субъектов Российской Федерации, относящиеся соответственно к собственности субъектов Российской Федерации.

Дороги субъектов Российской Федерации стали называться территориальными дорогами. К ведомственным и частным автомобильным дорогам относятся дороги предприятий, объединений, учреждений и организаций, колхозов, совхозов, крестьянских (фермерских) хозяйств, предпринимателей и их объединений и других организаций, используемые ими для своих технологических, ведомственных или частных нужд.

В соответствии с «Показателями для определения федеральных дорог в РСФСР», утвержденными постановлением Правительства РСФСР от 24 декабря 1991 г. № 61, к федеральным дорогам относятся:

1. Магистральные дороги, соединяющие столицу Российской Федерации г. Москву со столицами независимых государств, столицами республик в составе РСФСР, административными центрами краев и областей;

2. Прочие дороги, соединяющие между собой столицы республик в составе РСФСР, административные центры краев, областей, а также этих городов с ближайшими административными центрами автономных образований.

При отсутствии федеральной сети дорог в районах расположения административных центров к федеральным дорогам относят подъезды от этих центров до аэропортов, морских и речных портов, железнодорожных станций.

Перечень федеральных дорог утверждается Правительством Российской Федерации. Все остальные дороги общего пользования относятся к территориальным автомобильным дорогам, перечень которых в каждом субъекте Российской Федерации утверждается органом исполнительной власти этого субъекта.

Таким образом, классификация автомобильных дорог по народно-хозяйственному и административному значению, содержащаяся в СНиП 2.05.02-85, заменена классификацией автомобильных дорог общего пользования по принадлежности к собственности - на федеральные и территориальные дороги, а техническая классификация остается прежней на переходный период.

Сеть автомобильных дорог России развивалась неравномерно в течение длительного периода времени (рис. 1.5). Многие годы подавляющую часть протяженности дорожной сети составляли грунтовые дороги, мало приспособленные к пропуску автомобильного движения.

Рис. 1.5. Динамика изменения протяженности и структуры сети автомобильных дорог общего пользования России за период 1940-2000 гг.:
1 - общая протяженность; 2 - грунтовые дороги; 3 - дороги с твердым покрытием

Рост количества автотранспортных средств потребовал увеличения доли дорог с твердым покрытием и, начиная с 60-х гг. прошлого столетия, доля этих дорог стала постепенно возрастать.

Так, например, в период 1986-1990 гг. ежегодные объемы строительства и реконструкции дорог общего пользования составляли от 8 до 12 тыс. км. В целом доля дорог с твердым покрытием в сети дорог общего пользования возросла с 38,6 % в 1970 г. до 64,6 % в 1980 г. В то же время протяженность дорог общего пользования сократилась с 543,1 тыс. км до 497,8 тыс. км или на 45,3 тыс. км из-за исключения грунтовых дорог из сети дорог общего пользования.

Определенную роль в улучшении качественных характеристик дорожной сети сыграло постановление ЦК КПСС и СМ СССР № 310 от 14.04.1980 г. «О мерах по улучшению строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог в стране», в котором была поставлена задача завершить к 1990 г. создание опорной сети магистральных автомобильных дорог с усовершенствованными покрытиями и строительство автомобильных дорог, связывающих районные центры, центральные усадьбы колхозов и совхозов прежде всего в Нечерноземной зоне РСФСР.

Впервые в подобном постановлении была выдвинута задача по соблюдению нормативных межремонтных сроков службы дорожных одежд и созданию сети предприятий автосервиса. Хотя задания этого постановления были выполнены далеко не полностью, доля дорог с твердым покрытием за счет строительства и реконструкции продолжала увеличиваться до 1990 г.

Объемы строительства и реконструкции дорог общего пользования в 1991 - 1995 гг. снизились до 4-6 тыс. км в год, а объемы работ по ремонту и содержанию - в 1,5-2 раза. Однако в это время принципиально изменилась политика по отношению к внутрихозяйственным и ведомственным дорогам. Начиная с 1990 г. многие из этих дорог, имеющих твердое покрытие, стали переводиться в сеть дорог общего пользования и протяженность дорог общего пользования с твердым покрытием увеличивалась в основном за счет передачи внутрихозяйственных дорог. Объем ежегодно передаваемых дорог составлял от 5 до 15 тыс. км и более. Таким образом, в 1990 г. прекратилось сокращение протяженности сети дорог общего пользования и начался прирост этого протяжения. Минимальная протяженность сети указанных дорог составляла в 1990 г. 455,4 тыс. км, что почти в 2 раза меньше, чем в 1940 г.

Дорожная политика на период 1995-2000 гг. была определена в «Программе совершенствования и развития автомобильных дорог Российской Федерации «Дороги России»», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 01.12.94 г. № 1310. Указом Президента Российской Федерации «О президентской программе «Дороги России»» от 06.12.1995 г. № 1220 указанной программе был придан статус президентской.

Приоритетными направлениями дорожной политики на федеральных автомобильных дорогах были установлены:

ремонт существующих дорог с ликвидацией недоремонта и усиление дорожных одежд с целью предотвращения их разрушения от возросших нагрузок и ремонта аварийных мостов;

реконструкция наиболее нагруженных автомагистралей с улучшением их транспортно-эксплуатационных показателей;

ликвидация очагов аварийности;

строительство участков новых автомагистралей на обходах населенных пунктов.

На сети местных автомобильных дорог приоритетные направления были установлены в следующем порядке:

ремонт существующих дорог с усилением их до нормативных нагрузок;

ремонт и реконструкция бывших ведомственных дорог, принимаемых в сеть дорог общего пользования, с доведением их параметров до действующих норм;

ремонт аварийных мостов;

строительство дорог с дешевыми покрытиями в сельской местности и реконструкция наиболее загруженных дорог.

За время реализации президентской программы «Дороги России» в период 1995-2000 гг. построено и реконструировано 33596 км автомобильных дорог общего пользования, в том числе 4318 км федеральных автомобильных дорог. Темпы роста протяженности дорожной сети за счет строительства новых дорог показаны в табл. 1.8.

Таблица 1.8

Показатели прироста протяженности дорожной сети путем строительства новых дорог

Фактическая протяженность дорог общего пользования России в 2000 г. составила 579,0 тыс. км, в том числе федеральных дорог 46,4 тыс. км, территориальных - 532,6 тыс. км (табл. 1.9). По общей протяженности дорог общего пользования Россия возвратилась к 1970 г.

Таблица 1.9

Протяженность сети дорог общего пользования с твердым покрытием за период с 1993 по 2000 гг. увеличилась на 106,3 тыс. км и составила 525,3 тыс. км. С учетом перевода сельскохозяйственных и ведомственных дорог в сеть дорог общего пользования ежегодный прирост протяженности этой сети составлял в среднем около 3 %. За этот же период парк автомобилей увеличился примерно на 9,5 млн. ед. Средний прирост численности автомобильного парка составлял более 8 % в год, т.е. почти в 3 раза больше годового прироста сети автомобильных дорог. Соответственно возрастала и удельная загрузка дорог движением, которая оценивается таким условным показателем, как количество автомобилей, приходящихся на 1 км дороги. Этот показатель за последние 7 лет увеличился с 32,8 до 49,3 авт/км. По этому показателю Россия обогнала Америку, которая имеет 210 млн. автомобилей и примерно 5 млн. км дорог с твердым покрытием, то есть на каждый км приходится 42 автомобиля.

Дорожная сеть России по темпам своего развития в 3 раза отстает от темпов развития автомобильного парка и в значительной степени перегружена автомобильным движением.

За период с 1993 по 2000 гг. существенно изменилась не только протяженность, но и структура дорог общего пользования и ее качественные показатели (табл. 1.10 и 1.11). К концу указанного периода произошел наибольший прирост дорог с усовершенствованным покрытием из асфальтобетона и материалов, обработанных вяжущими.

Таблица 1.10

Структура сети автомобильных дорог общего пользования Российской Федерации в 1993-2000 гг.

Таблица 1.11

Характеристики изменения качественных показателей сети дорог общего пользования России за период 1993-2000 гг.

В составе дорожной сети основную долю протяженности имеют дороги IV категории (58,2 %). Наибольший прирост (114 %) получили дороги V категории за счет передачи внутрихозяйственных и ведомственных дорог в сеть дорог общего пользования и дороги I категории (46 %) за счет строительства новых и реконструкции существующих дорог.

Также существенно изменились структура и качественные характеристики федеральных и территориальных автомобильных дорог (табл. 1.12 и 1.13).

Таблица 1.12

Структура сети федеральных автомобильных дорог Российской Федерации в 1993-2000 гг.

Таблица 1.13

Структура сети территориальных автомобильных дорог Российской Федерации в 1993-2000 гг.

1.3. Общие требования к техническому уровню и эксплуатационному состоянию автомобильных дорог

Конечная цель деятельности дорожно-эксплуатационной службы - поддержание и непрерывное повышение качества дорог, т.е. их технического уровня и эксплуатационного состояния или транспортно-эксплуатационного состояния (ТЭС АД), в соответствии с ростом интенсивности движения и нагрузки на дороги при минимальных затратах трудовых, материально-технических и энергетических ресурсов.

Технический уровень - степень соответствия постоянных (не меняющихся в процессе эксплуатации или меняющихся только при реконструкции и капитальном ремонте) геометрических параметров, характеристик дороги и ее сооружений нормативным требованиям. Это проектная ширина проезжей части и земляного полотна, длины прямых и кривых, протяженность и крутизна подъемов и спусков, высота насыпи и глубина выемки, габариты и грузоподъемность мостов и путепроводов, элементы обустройства и др.

Эксплуатационное состояние - степень соответствия переменных параметров и характеристик дороги, инженерного оборудования, организации и условий движения, изменяющихся в процессе эксплуатации в результате воздействия транспортных средств, метеорологических условий, и уровня содержания нормативным требованиям. Это прочность дорожной одежды, состояние поверхности дороги и фактически используемая ширина проезжей части и обочин, сцепные качества и ровность покрытия, состояние инженерного оборудования, разметки дорог, въездов и переездов и т.д.

К основным транспортно-эксплуатационным показателям автомобильных дорог (ТЭП АД) и дорожных сооружений относят обеспеченную скорость и пропускную способность, уровень загрузки дороги, непрерывность и безопасность движения, допустимую осевую нагрузку и грузоподъемность (или общую массу) автомобилей и автомобильных поездов.

Скорость, пропускная способность, безопасность и непрерывность движения автомобилей - важнейшие обобщающие показатели, которые отражают транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог в различные периоды года и погодно-климатические условия, а также эффективность мероприятий и работ по ремонту и содержанию дорог и организации движения. Транспортно-эксплуатационные показатели дорог зависят от их технического уровня и эксплуатационного состояния.

Основные параметры проектируемых и сдаваемых в эксплуатацию дорог должны удовлетворять требованиям СНиП 2.05.02-85 (табл. 1.14 и 1.15).

Таблица 1.14

Основные технические нормы и транспортно-эксплуатационные показатели

Таблица 1.15

Нормы проектирования дорог в плане и продольном профиле

Под расчетной скоростью понимают максимальную обеспеченную по условиям безопасности движения, взаимодействия с дорогой и динамическим характеристикам скорость легкового автомобиля на увлажненном покрытии в эталонных условиях погоды, которым соответствует летнее время при температуре воздуха 20 °С, относительной влажности воздуха 50 %, отсутствии ветра и при атмосферном давлении 1013 МПа. Полностью эталонные условия, принятые в системе ВАДС, приведены в табл. 1.16.

Таблица 1.16

В неблагоприятных погодно-климатических условиях допускается снижать максимальную обеспеченную скорость по сравнению со скоростью, принятой для проектирования элементов плана и продольного профиля, но не более 25 % в расчетные по условиям движения осенне-весенний и зимний периоды и, как исключение, не более 50 % в зимний период при гололеде, метелях и сильных снегопадах.

Технический уровень и эксплуатационное состояние дорог должны соответствовать требованиям, установленным к основным транспортно-эксплуатационным показателям проектируемых дорог и дорожных сооружений. Эти требования, относящиеся к строительству и реконструкции дорог, распространены на всю сеть дорог, часть которых построена по старым техническим нормативам и может не удовлетворять современным требованиям.

Автомобильные дороги предназначены для движения различных типов автомобилей с установленными стандартами и нормами весовых параметров и габаритов: легковых, грузовых, автобусов и автопоездов.

Как любое инженерное сооружение, дорога может обеспечивать пропуск только тех нагрузок и в том количестве, на которые она рассчитана при проектировании. Между тем прогресс в автомобилестроении приводит к непрерывному совершенствованию и изменению типов автомобилей, модели которых меняются через каждые несколько лет. Существует устойчивая тенденция к увеличению грузоподъемности и более широкому использованию многоосных автомобилей и автопоездов.

Нормами проектирования установлены расчетные перспективные сроки для обоснования параметров автомобильных дорог: 20 лет для определения расчетной интенсивности, категории дороги и расчетной скорости, в соответствии с которыми назначаются геометрические параметры дорог, и 10-18 лет для выбора типа дорожной одежды и определения ее прочности в зависимости от срока службы. Предполагается, что в течение этих сроков по дорогам будут двигаться автомобили, весовые параметры и габариты которых не будут превышать расчетные. Поэтому во всех странах существуют стандарты и нормы на габариты автомобилей и нагрузки от них, которые обязана соблюдать автомобильная промышленность и к которым приспосабливают нормы на элементы автомобильных дорог.

В России требования к габаритным размерам автомобилей, разрешенных для движения по дорогам общего пользования, ограничивают их высоту 4 м, ширину 2,5 м, а предельную длину 12-24 м в зависимости от типа автомобиля.

Автомобили различных типов и степени загрузки, следуя по дороге в одном направлении с различными скоростями, образуют транспортный поток. Очевидно, чем больше автомобилей движется в потоке, тем более высокие требования должны быть предъявлены к техническому уровню и эксплуатационному состоянию дороги. При обосновании требований к разным элементам дороги используют различные характеристики транспортного потока.

Для определения числа полос движения, ширины проезжей части и земляного полотна решающее значение имеет интенсивность движения, в данном случае условно приведенная к легковому автомобилю. Для этого вводят коэффициенты приведения, характеризующие, сколько легковых автомобилей могло бы проехать по участку дороги за время проезда одного грузового автомобиля, автобуса или автопоезда.

В соответствии со СНиП 2.05.02-85 приняты коэффициенты приведения, значения которых указаны в табл. 1.17.

Таблица 1.17

Параметры основных типов транспортных средств, используемых на сети автомобильных дорог общего пользования, приведены в табл. 1.18.

Таблица 1.18

Параметры некоторых часто встречающихся типов транспортных средств на сети дорог общего пользования

Примечания: 1. Звездочкой обозначена полная нагрузка на тележку автомобиля. 2. Коэффициент приведения для автобусов и специальных автомобилей принимают как для базовых автомобилей соответствующей грузоподъемности. 3. Для пересеченной и горной местности коэффициент приведения увеличивают в 1,2 раза.

Для расчета толщины дорожной одежды наиболее важен размер нагрузки, передаваемой от колес автомобилей на дорожную одежду. Один проезд тяжелого грузового автомобиля оказывает на дорогу более разрушительное воздействие, чем проход большого числа легких автомобилей. Это обстоятельство учитывают пересчетом фактической интенсивности движения в интенсивность эквивалентную, условно приведенную к одной из расчетных нагрузок группы А или группы Б.

В соответствии с СНиП 2.05.02-85 нагрузку на одиночную наиболее нагруженную ось двухосного автомобиля для расчета прочности дорожных одежд и проверки устойчивости земляного полотна принимают для дорог I-IV категорий 100 кН (10 тс) (автомобили группы А), для дорог V категории 60 кН (6 тс) (автомобили группы Б), а при двух спаренных осях - 180 кН (18 тс) и 100 кН (10 тс) соответственно.

В соответствии со сложившейся и перспективной интенсивностью движения и другими экономическими данными каждой дороге, а в некоторых случаях и отдельным ее участкам присваивают определенную категорию. Категорией, присвоенной дороге, руководствуются также при разработке проектов реконструкции и капитального ремонта ее отдельных участков, больших мостов и дороги в целом. Это обеспечивает комплексность и взаимную увязку ремонтных работ, исключает переделки ранее отремонтированных участков.

Согласно «Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа» ВСН 46-83, введенной в действие с 1.01.1984 г., в качестве расчетных принимались характеристики нагрузки, приведенные в табл. 1.19.

Таблица 1.19

Влияние нагрузки от легковых автомобилей при расчете прочности дорожных одежд не учитывается.

Расчетная интенсивность воздействия нагрузки определяется как среднесуточное приведение к расчетной нагрузке числа проездов всех колес (как ведущих, так и ведомых), расположенных по одному борту автомобилей, в пределах одной полосы проезжей части. Коэффициенты приведения различных типов автомобилей к расчетной нагрузке группы А и Б даны в табл. 1.20.

Таблица 1.20

В связи с тем, что большинство грузовых автомобилей, автопоездов и автобусов, работающих на автомобильных дорогах общего пользования, имеют осевую нагрузку, превышающую 60 кН, а многие и 100 кН, возникла необходимость проектирования дорожных одежд всех дорог на пропуск автомобилей с осевой нагрузкой группы А. Поэтому межгосударственными отраслевыми дорожными нормами МОДН 2-2001 «Проектирование нежестких дорожных одежд», принятыми Межправительственным советом дорожников, предусматриваются для реализации с 15.04.2001 г. повышенные значения расчетной нагрузки (табл. 1.21).

Таблица 1.21

Примечание. В числителе - для движущегося колеса, в знаменателе - для неподвижного.

Значение суммарного коэффициента приведения определяют по формуле:

 где                                                                                                                 (1.1)

п - число осей у данного транспортного средства;

S_n - коэффициент приведения номинальной динамической нагрузки от колеса каждой из п осей транспортного средства к расчетной нагрузке.

Коэффициент приведения нагрузок S_n определяют по формуле

 где                                                                                                               (1.2)

Q_дп - номинальная динамическая нагрузка от колеса на покрытие;

Q_расч - расчетная динамическая нагрузка от колеса на покрытие;

b - показатель степени, принимаемый равным:

4,4 - для капитальных дорожных одежд;

3,0 - для облегченных дорожных одежд;

2,0 - для переходных дорожных одежд.

Номинальная динамическая нагрузка Q_дп определяется по паспортным данным на транспортное средство с учетом распределения статических нагрузок на каждую ось:

Q_дп = K_дин×Q_п, где                                                                                                                  (1.3)

K_дин - динамический коэффициент, принимаемый равным 1,3;

Q_п - номинальная статическая нагрузка на колесо данной оси.

При определении расчетного значения номинальной статической нагрузки для многоосных автомобилей фактическую номинальную нагрузку на колесо, определяемую по паспортным данным, следует умножать на коэффициент, учитывающий число осей в тележке, расстояние между крайними осями автотранспортного средства и капитальность дорожной одежды.

Величину этого коэффициента определяют по формуле:

 где                                                                                                        (1.4)

Б_т - расстояние между крайними осями автотранспортного средства, м;

а, b, с - параметры, определяемые в зависимости от капитальности дорожной одежды и числа осей тележки, - принимают по табл. 1.22.

Таблица 1.22

Примечание. В числителе - для капитальных и облегченных типов дорожных одежд, в знаменателе - для переходных.

Приближенно значения суммарного коэффициента приведения S_mcyм можно принимать по табл. 1.23.

Таким образом, существует прямая связь с изменением весовых параметров автомобилей и повышением требований к прочности и работоспособности дорожных одежд. В принципе эта зависимость вполне закономерна. Проблема состоит в том, что существует большой временной разрыв между периодом возрастания осевых нагрузок и периодом отражения возросших требований в нормах на проектирование новых дорог и, тем более, между периодом приведения в соответствие с этими требованиями существующей сети дорог.

Таблица 1.23

В итоге в России к началу XXI века сложилась сеть автомобильных дорог общего пользования, значительная часть которой не в состоянии пропускать современные транспортные средства.

1.4. Состояние дорожной сети и его влияние на работу автомобильного транспорта

На содержание автомобильного транспорта и дорожной сети расходуются огромные материальные, финансовые и технические ресурсы. Следовательно, все более важной становится проблема повышения эффективности этих расходов как части управления процессом автомобилизации страны, т.е. развитием и совершенствованием автодорожной системы в целом и отдельных ее подсистем, в том числе и сети автомобильных дорог.

Только на содержание и ремонт существующих федеральных дорог расходы возросли с 2205,1 млрд. неденоминированных рублей в 1995 г. до 12446,5 млн. деноминированных рублей в 2000 г., или более чем в 5 раз (табл. 1.24 и рис. 1.6). Тем не менее развитие и состояние дорожной сети России не отвечает требованиям эффективной работы автомобильного транспорта и не обеспечивает интенсификацию его функционирования.

Таблица 1.24

Исполнение расходной части бюджета федерального дорожного фонда Российской Федерации за 1995-2000 гг.

* С учетом деноминации.

Рис. 1.6. Затраты на ремонт и содержание автомобильных дорог общего пользования в 1997-2000гг.:
1 - всего; 2 - территориальные дороги; 3 - федеральные дороги

Дорожная сеть страны также развивается экстенсивным путем. Это выражается в том, что технические характеристики новых дорог почти не отличаются от старых: расчетная скорость, обеспеченная грузоподъемностью автомобиля и допустимая осевая нагрузка остаются без изменения многие годы. Не увеличиваются сроки службы дорожных одежд и не снижаются затраты на ремонт и содержание, хотя строительная стоимость километра дороги постоянно возрастает. Не уменьшается доля дорожно-транспортных происшествий из-за неудовлетворительных дорожных условий.

Главный недостаток сложившейся дорожной сети - недостаточно прочная одежда на значительном протяжении дорог и низкая несущая способность многих старых мостов. Это объясняется тем, что дорожные одежды, рассчитанные на пропуск автомобилей с осевой нагрузкой 100 кН, многие годы строили только на дорогах I и II категорий, а в 70-х гг. и на дорогах III категории. На дорогах IV и V категорий и в настоящее время строят одежды с расчетом пропуска автомобилей с осевой нагрузкой до 60 кН. В целом по стране таких дорог около 70-80% протяженности дорог общего пользования.

Существенное влияние на износ дорожных одежд оказывает превышение фактических осевых нагрузок автомобилей над расчетными, которое происходит в настоящее время и намечается на перспективу.

До перевода дорожной сети в состояние, при котором можно пропускать такие нагрузки, необходимо ежегодно ограничивать движение тяжелых автомобилей в весенний расчетный период. Нарушение этих требований может привести к быстрому износу и разрушению автомобильных дорог. По данным AASHO, эквивалентный коэффициент износа дорожных одежд под воздействием автомобилей с различной осевой нагрузкой по сравнению с давлением на ось 60 кН:

Осевая нагрузка, кН                                   60     80    100    130

Эквивалентный коэффициент износа       1      1,6    2,9      6

Еще одна серьезная проблема - состояние мостов на дорогах, построенных несколько десятилетий назад. Их габариты и техническое состояние не удовлетворяют современным параметрам и нагрузкам автомобилей, а также требованиям безопасности движения. На дорогах низовой сети имеется много деревянных мостов, пригодных для пропуска одиночных автомобилей малой и средней грузоподъемности. Все они требуют скорейшей перестройки. Много железобетонных мостов, проработавших по 25-30 лет и более без капитального ремонта. Поэтому транспортные средства, пропускаемые по мостам, также ограничивают по общей массе.

Одним из главных показателей эффективности функционирования автомобильно-дорожной системы является производительность автомобилей, которая во многом зависит от развития и состояния сети автомобильных дорог.

Годовую производительность автомобиля можно определить по формуле:

 т×км/год, где                                                                         (1.5)

Т - количество рабочих часов в году;

q - грузоподъемность автомобиля, т;

К_гр, К_пр, К_в - коэффициенты использования грузоподъемности, пробега и времени;

V - средняя скорость движения, км/ч;

l - длина ездки, км;

t - время под погрузкой и выгрузкой, ч.

Анализ расчетов по этой формуле показывает, что почти все входящие в нее показатели зависят от дорожных условий.

Так, от состояния дорожной сети во многом зависит количество часов в году работы автомобиля на линии. При плохом состоянии сети автомобили часто простаивают из-за поломок, снежных заносов на дорогах, ограничения проезда тяжелых автомобилей в весенний период по дорогам с недостаточной прочностью дорожной одежды или не могут быть использованы из-за недостаточной прочности мостов. Фактическое число часов работы автомобиля в год может колебаться от 1000 до 4000 ч., а годовая производительность автомобиля за счет изменения числа часов работы меняется в несколько раз. Значительно большее влияние на производительность автомобиля оказывает грузоподъемность и средняя скорость его движения (рис. 1.7). За счет увеличения грузоподъемности, например, с 3 т до 10 т производительность может быть увеличена более чем в 3 раза. За счет увеличения средней скорости движения с 30 км/ч до 90 км/ч производительность может быть увеличена почти в 2,4 раза. Однако грузоподъемность автомобиля прямо зависит от допустимой осевой нагрузки, а следовательно, от прочности дорожной одежды и несущей способности мостов.

Рис. 1.7. Зависимость производительности автомобиля от его грузоподъемности и скорости

Скорость движения зависит от геометрических параметров дороги, ровности и сцепных качеств дорожного покрытия и его состояния, инженерного оборудования дороги и организации движения, т.е. от уровня содержания дороги.

Эффективность работы автомобильного транспорта характеризуется себестоимостью перевозок, которую можно вычислить по формуле:

 руб./т×км, где                                                                                                        (1.6)

С_пр - приведенные годовые затраты на строительство и эксплуатацию дорог, приобретение автомобилей и их эксплуатацию, руб.;

П - производительность автомобиля, ткм/год.

Таким образом, как производительность автомобиля, так и себестоимость перевозок непосредственно зависят от состояния дорог.

Для примера можно рассмотреть зависимость экономических затрат на содержание транспортных средств при работе автомобилей на дорогах с различной ровностью, полученную по материалам Европейского банка развития и реконструкции (ЕБРР), показанную на рис. 1.8, где ровность покрытия приведена в международных единицах IRI, измеряемых в м/км. Как видно из этих данных, при ухудшении ровности от 1 м/км до 8 м/км экономические затраты на транспортные средства возрастают для легковых автомобилей с 8 до 15 центов США/км, а для тяжелых грузовых автомобилей с 26 до 47 центов США/км.

Рис. 1.8. Зависимость затрат на содержание транспортного средства от ровности покрытия (данные США):
1 - легковые автомобили; 2 - пикапы; 3 - средние грузовые автомобили; 4 - междугородние автобусы; 5 - тяжелые грузовые автомобили

Без значительного повышения технического уровня и эксплуатационного состояния существующих дорог нельзя решить задачу повышения производительности автомобильного транспорта, повышения эффективности затрат на дорожное строительство и эффективности работы всего автомобильного транспорта.

Результаты диагностики и оценки состояния федеральных автомобильных дорог России, а также выборочные обследования дорог субъектов Федерации, выполненные с участием экспертов Мирового банка реконструкции и развития, показали, что по состоянию на конец 2000 г. только приблизительно 40 % протяженности всей сети дорог с твердым покрытием способны обеспечить круглогодичное беспрепятственное движение грузовых автомобилей с осевой нагрузкой 10 тс (100 кН). На остальных дорогах прочность дорожных одежд недостаточна и они нуждаются в крупномасштабных ремонтных работах, связанных с повышением их несущей способности. Выполненные расчеты показали, что для выполнения всех необходимых ремонтных работ потребуется свыше 40 млрд. руб. Учитывая современные темпы проведения ремонтных работ, можно сказать, что период их реализации может составить не менее 15 лет.

В связи с этим необходимой мерой для обеспечения сохранности автомобильных дорог, подтвержденной многолетним опытом развитых зарубежных стран, является сезонное ограничение движения автомобилей по осевым нагрузкам на дорогах с недостаточной несущей способностью дорожных одежд.

Проведенный анализ результатов обследований автомобильных дорог показал, что для сохранения действующей сети дорог необходимо обеспечить следующие объемы и уровни сезонного ограничения движения:

Для федеральных дорог:

на 8 тыс. км (» 20 % сети) - до 8 тс (80 кН);

на 10 тыс. км (» 25 % сети) - до 6 тс (60 кН).

Для дорог субъектов Российской Федерации:

на 48 тыс. км (» 11 % сети) - до 8 тс (80 кН);

на 147 тыс. км (» 35 % сети) - до 6 тс (60 кН);

на 63 тыс. км (» 15 % сети) - до 4 тс (40 кН).

На основе данных учета интенсивности и состава дорожного движения на дорогах общего пользования и руководствуясь приведенными выше уровнями необходимого ограничения движения, можно сделать вывод о том, что в весенне-осенний период на большей части дорожной сети России в течение 1-1,5 месяцев должны быть исключены из состава движения от 30 до 50 % грузовых автомобилей. То есть существенная часть автомобильного парка (около 1,5 млн. единиц) должна в этот период простаивать. Ущерб от простоя может составить около 5 млрд. руб. в год.

Если движение грузовых автомобилей не ограничивать, то масштабы разрушения дорог могут привести к ущербу в 19,5 млрд. руб. в год, что почти втрое превышает объем средств, в среднем ежегодно выделяемых на содержание и ремонт только федеральных автомобильных дорог. Таким образом, временное (сезонное) ограничение движения грузовых автомобилей является объективно необходимым мероприятием для обеспечения сохранности автомобильных дорог. Таков масштаб цели допущенного нарушения взаимосвязи между техническими параметрами транспортных средств и транспортно-эксплуатационными характеристиками автомобильных дорог.

Уровень развития и техническое состояние дорожной сети существенно и многообразно влияют на экономическое и социальное развитие как страны в целом, так и отдельных регионов. Дорожная отрасль вносит существенный вклад в интенсификацию работы автомобильного транспорта, а через него и многих отраслей народного хозяйства.

Чтобы перевести автомобильный транспорт на интенсивный путь развития, необходимо значительно увеличить темпы роста производительности автомобилей. Это главная задача для автомобильного транспорта и дорожного хозяйства. Существует три основных направления совершенствования существующей сети дорог: повышение прочности дорожных одежд и грузоподъемности мостов в целях перевода всех дорог на пропуск автомобилей с осевой нагрузкой 100 кН; улучшение геометрических параметров, ровности, сцепных качеств покрытий и других характеристик дорог с целью повышения средней скорости транспортных потоков; одновременный перевод дорог под нагрузку 100 кН и повышение средней скорости движения.

С позиций работы автомобильного транспорта лучшим вариантом является одновременное повышение осевой нагрузки и средней скорости движения автомобилей. Однако в условиях ограниченных финансовых возможностей могут быть рассмотрены и другие варианты решения этой задачи.

Перевод всей дорожной сети под более высокую осевую нагрузку является одним из наиболее перспективных путей повышения производительности автомобильного транспорта. Чтобы повысить производительность автомобиля таким путем, необходимо организовать выпуск автомобилей с повышенной грузоподъемностью, организовать массовые крупнопартионные перевозки грузов этими автомобилями и перестроить существующую сеть автомобильных дорог и мостов в расчете на пропуск тяжелых автомобилей.

К такому переводу не готова система организации автомобильных перевозок, так как доля крупнопартионных перевозок грузов, на которых выгодно применять большегрузные автомобили, сравнительно невелика. Не подготовлена к пропуску тяжелых автомобилей и сеть автомобильных дорог и мостов. Прежде чем выйти на массовый выпуск автомобилей повышенной грузоподъемности, необходимо реконструировать сотни тысяч километров существующих дорог, значительно усилив дорожную одежду на них, перестроить, усилить и уширить десятки тысяч деревянных и железобетонных мостов. Стоимость такой перестройки и усиления очень высока. Увеличение нагрузки на дорожную сеть приводит к ускоренному износу и разрушению дорог, снижению скорости и производительности автомобилей, к росту потребности в автомобилях для перевозки грузов.

В сложившихся условиях на ближайший период более реальным путем повышения производительности подвижного состава является увеличение не грузоподъемности, а средней скорости движения автомобилей. Этот путь может быть реализован с гораздо меньшими затратами, поскольку он не требует значительного изменения параметров автомобилей (например, мощности двигателя, динамических характеристик и т.д.). Современные грузовые автомобили способны по хорошим дорогам развивать скорость даже в груженом состоянии до 90-100 км/ч, в то время как на большей части существующих дорог она не превышает 40-50 км/ч, т.е. технические возможности автомобилей используются не более чем на половину. Использование этого резерва также возможно только при условии развития и совершенствования дорожной сети.

Но в этом случае на первом этапе не потребуется массового усиления дорог и перестройки мостов. Решая задачу повышения средней скорости движения, следует помнить, что оно может привести к увеличению количества ДТП на дорогах, если одновременно не выполнить всех мероприятий по повышению безопасности движения.

Чтобы существенно повысить среднюю скорость и безопасность движения, необходимо в процессе ремонтов улучшить геометрические параметры плана, продольного и поперечного профиля, расширить проезжую часть, устроить краевые укрепленные полосы и укрепить обочины, улучшить ровность и сцепные качества покрытий. Необходимо также повысить качество содержания дорог и организации дорожного движения, создать полный комплекс дорожного сервиса. Этот путь требует в 3-4 раза затрат меньше, чем перестройка дорог. Поэтому целесообразно на первом этапе там, где нет возможности сразу построить дорогу, выполнить комплекс мероприятий и работ по повышению средней скорости движения автомобилей. Одновременно необходимо ускорить темпы перевода всей дорожной сети под осевую нагрузку 10 т. Таковы основные направления стратегической линии технического прогресса в эксплуатации автомобильных дорог.

1.5. Состояние дорог и безопасность движения

Отрицательное следствие автомобилизации - дорожно-транспортные происшествия, одной из причин которых является недостаточно высокое состояние автомобильных дорог.

Ежегодно в мире на дорогах и улицах погибают около 500 тыс. человек, ранения различной степени тяжести получают до 15 млн. человек. Общий социально-экономический ущерб составляет до 3 % валового национального продукта.

Согласно сведениям комиссии по транспорту ЕЭК ООН, ежегодно публикуемым в специальных справочниках, в первые годы XXI века в 55 странах с наиболее высокой автомобилизацией (Европейские страны, США, Канада, Израиль) в общей сложности регистрируется около 1 млн. ДТП с пострадавшими (половина - в США), в которых число погибших составляет порядка 150 тыс. человек, число раненых - 6 млн. человек.

В период с 1986 по 2001 гг. в России ежегодно совершалось в среднем около 160 тыс. дорожно-транспортных происшествий, в которых погибало около 30 тыс. человек. Начиная с 1992 г. показатели аварийности ежегодно снижались, затем несколько стабилизировались, а с 2002 г. возросли в связи с существенным увеличением количества автотранспортных средств в стране (рис. 1.9), главным образом в крупных городах.

Рис. 1.9. Показатели аварийности в Российской Федерации за период 1986-2001 гг.:
1 - количество раненых в ДТП, тыс. человек; 2 - количество ДТП, тыс.; 3 - количество погибших, тыс. человек

Период снижения и стабилизации числа ДТП явился результатом ряда принятых мер по обеспечению безопасности дорожного движения. В 1995 г. был принят закон «О безопасности дорожного движения», а в 1996 г. Правительством Российской Федерации была утверждена Федеральная целевая программа «Повышение безопасности дорожного движения в России на 1996-1998 гг.» (в дальнейшем пролонгированная до 2001 г.). В качестве основной цели Программы было установлено 10-15 %-е снижение аварийности на дорогах России. В целях стабилизации и сокращения уровня аварийности на дорогах России намечена реализация дополнительных крупных мер, в том числе связанных с развитием и совершенствованием состояния дорожной сети в соответствии с принятой Правительством Российской Федерации федеральной целевой программой «Модернизация транспортной системы России» на 2002-2010 гг.

В целом в большинстве экономически развитых стран мира за последние 10 лет несмотря на увеличение парка транспортных средств наблюдается снижение аварийности. Эти данные свидетельствуют, что решение проблемы безопасности дорожного движения является предметом эффективно проводимой государственной политики в этой сфере, реализации программ, направленных на сокращение аварийности (табл. 1.25).

Таблица 1.25

Примечание. Для России взят период сравнения 1991-2002 гг.; прочерк в таблице означает отсутствие соответствующих данных.

Тяжесть последствий ДТП является одним из важнейших показателей, характеризующих состояние аварийности. В табл. 1.26 представлены сведения об абсолютном числе пострадавших в ДТП для стран с большой численностью погибших и раненых по состоянию на 1999 г. (для Российской Федерации - 2002 г.).

Таблица 1.26

* Цифры в скобках - % от общего числа погибших.

Российская Федерация занимает второе место после США как по числу погибших, так и раненых в ДТП. Следует подчеркнуть тот факт, что доля пострадавших на внегородских участках дорог в Российской Федерации ниже, чем в других странах, поскольку наибольшее число ДТП и, соответственно, пострадавших приходится на города. В целом в Российской Федерации, согласно сведениям официальной статистики, до 1997 г. наблюдалась тенденция снижения числа раненых и погибших в ДТП, однако, начиная с 1998 г., наметился рост числа пострадавших.

Российская Федерация занимает одно из самых первых мест по тяжести последствий дорожно-транспортных происшествий. Число погибших на 100 ДТП в России в 8-10 раз больше, чем в США, Канаде и других странах с высоким уровнем автомобилизации. Такое же соотношение характерно для числа погибших на 100 тыс. ед. транспортных средств. Это свидетельствует о наличии больших резервов в решении проблемы безопасности дорожного движения в России.

Исследования показывают, что безопасность движения представляет собой одно из важнейших потребительских свойств автомобильных дорог и характеризует надежность функционирования комплекса «водитель - автомобиль - дорога - среда» и его основных систем «дорожные условия - транспортные потоки» и «условия движения - режим движения автомобилей».

Каждое ДТП совершается, как правило, в результате неблагоприятного сочетания нескольких факторов, тесно связанных одного с другим. Оценить в каждом случае долю участия составляющих комплекса «водитель - автомобиль - дорога - среда» могут только специалисты, оснащенные современными приборами и оборудованием.

Особое место в обеспечении безопасности движения принадлежит дорожным условиям, т.е. транспортно-эксплуатационным характеристикам дорог, хотя к наиболее весомым факторам, влияющим на безопасность дорожного движения, обычно относят ошибки водителей (так называемый человеческий фактор). По официальной статистике, виновность водителя в совершении ДТП фиксируется почти в 90 % случаев, а на влияние дорожных условий официально отводят 10-20 % поломки транспортных средств, как причина возникновения ДТП регистрируются в 5 % случаев.

Вместе с тем результаты отечественных и зарубежных исследований свидетельствуют, что возникновение значительной части ДТП является следствием влияния отдельных неблагоприятных факторов дорожных условий или их сочетаний. Так, в исследованиях условий движения на дорогах в равнинной местности и на горных дорогах выявлено косвенное влияние неблагоприятных дорожных факторов, соответственно в 60-75 % и 47,3 % ДТП, причем было установлено, что влияние дорожных условий на процесс возникновения ДТП следует рассматривать в качестве фактора, стимулирующего ошибки водителей в выборе режима движения автомобиля, снижение надежности его работы ввиду неверного восприятия дорожных условий.

Официально регистрируемая ГИБДД доля ДТП, в которых неблагоприятные дорожные условия способствовали их возникновению, являлась стабильной в течение целого ряда лет, и, как правило, не превышающая 12 % от всех ДТП, начиная с 2000 г., получила тенденцию к росту благодаря, главным образом, формальным мерам по расширению учета несоответствия параметров дорог нормам на проектирование (с 5,8 % в 1998 г. до 17,0 % в 2002 г.). В результате общая доля ДТП, связанных с дорожными условиями, например на федеральных дорогах, превысила 20 %.

Из числа дорожных самыми частыми причинами ДТП являются скользкость, недостаточная ровность покрытия и другие факторы, зависящие от уровня содержания дорог (табл. 1.27).

Таблица 1.27

Более полное представление о роли дорожных условий дают специальные обследования дорог группами специалистов с использованием передвижных дорожных лабораторий. Такие обследования в широких масштабах выполнены сотрудниками МАДИ, Росдорнии и многих других институтов. Их анализ позволяет разделить причины каждого происшествия на группы по степени влияния: главная или основная причина, оказавшая наибольшее влияние на возникновение ДТП; активные причины или факторы (их обычно несколько), в значительной мере способствующие его возникновению; косвенные или второстепенные (их тоже, как правило, несколько), оказывающие незначительное влияние. Исследования показывают, что ошибки водителей в управлении автомобилем и нарушение правил дорожного движения действительно являются главной причиной большинства происшествий. Но эти ошибки и нарушения очень часто связаны с недостатками автомобильных дорог и неблагоприятными погодными условиями, которые в 50-80 % случаев являются одной из активных или косвенных причин, а в 15-20 % случаев главной причиной происшествий.

Роль технического уровня и состояния дорог в безопасности движения особенно четко проявляется в неблагоприятные периоды года. Существуют определенные закономерности распределения количества ДТП по сезонам года [2, 10].

Минимальное количество происшествий отмечается зимой. Весной начинается рост количества происшествий, который продолжается все лето и достигает максимума осенью, когда высокая интенсивность движения сочетается с неблагоприятными погодными условиями. Количество происшествий при неблагоприятном состоянии дорог, вызванном действием различных метеорологических факторов, колеблется в широких пределах и зависит как от климата, так и от технического уровня и уровня содержания дорог (табл. 1.28).

Таблица 1.28

В табл. 1.28 приведены данные по областям, находящимся примерно на одной долготе, расположенных по территории России с юга на север. Из приведенных данных видно, что чем севернее расположена территория, тем больше погодные условия влияют на дорожно-транспортные происшествия. Наиболее опасными являются условия движения во время дождя, снегопада, при ограниченной видимости (туман, пасмурно) и при действии сильного ветра. Учитывая продолжительность указанных явлений и долю ДТП во время этих явлений, можно установить их относительную опасность (табл. 1.29).

Таблица 1.29

Возрастающие объемы автомобильных перевозок, увеличение скоростей и интенсивности движения и связанный с ними рост числа дорожно-транспортных происшествий предъявляют новые, более высокие требования к техническому совершенству существующих автомобильных дорог, их инженерному оборудованию, транспортно-эксплуатационным характеристикам и организации движения в процессе эксплуатации.

ГЛАВА 2. Роль дорожной службы в управлении состоянием автомобильных дорог

2.1. Общие требования и принципы управления состоянием автомобильных дорог

Эффективность функционирования автомобильных дорог непосредственно зависит от их транспортно-эксплуатационного состояния. Управление транспортно-эксплуатационным состоянием автомобильных дорог в соответствии с современными требованиями движения автомобилей осуществляется в основном дорожно-эксплуатационной службой.

Под транспортно-эксплуатационным состоянием автомобильной дороги (ТЭС АД) подразумевают комплекс фактических значений параметров и характеристик технического уровня и эксплуатационного состояния в данный момент времени, обеспечивающих ее потребительские свойства или качество.

Общие требования к уровню транспортно-эксплуатационного состояния автомобильной дороги определяются на стадии ее проектирования, а на стадии эксплуатации дороги этот уровень обеспечивается, поддерживается и при необходимости регулируется (управляется) в результате выполнения дорожно-эксплуатационной службой комплекса профилактических, предупредительных и ремонтно-восстановительных работ.

Процесс управления транспортно-эксплуатационным состоянием автомобильных дорог является составной частью взаимодействия в более сложной (иерархической) по структуре автомобильно-дорожной системе, главными элементами которой являются подвижной состав (или парк автомобилей, т.е. автомобили всех видов) и путевое хозяйство (или автомобильные дороги со всеми устройствами и сооружениями), конечным продуктом их взаимодействия являются автомобильные перевозки, т.е. доставка пассажиров и грузов, а основным производственным процессом - движение автомобилей по дорогам.

Теоретическими предпосылками управления транспортно-эксплуатационным состоянием автомобильных дорог и организацией дорожного движения являются следующие положения:

1) в процессе функционирования автомобильно-дорожной системы могут происходить и происходят существенные изменения в состоянии отдельных ее элементов и в их взаимодействии, но несмотря на это конечные результаты функционирования системы (производительность транспортных средств, пропускная и провозная способность дорог, себестоимость перевозок, удобство и безопасность движения) в различных природно-климатических условиях могут колебаться, не выходя за допустимые, заранее заданные пределы;

2) взаимодействие элементов в автомобильно-дорожной системе является управляемым процессом; управляемым процессом является и общее функционирование автомобильно-дорожной системы;

3) эксплуатационные качества подсистемы "дорожные условия" (характеризуемой совокупностью геометрических параметров и транспортно-эксплуатационных показателей дороги, непосредственно определяющих режим движения потока транспортных средств) являются управляемыми и могут быть обеспечены в заданных допустимых пределах в различных природно-климатических условиях;

4) транспортно-эксплуатационные характеристики дорог определяются на этапе проектирования в соответствии с их функциональным назначением и могут и должны поддерживаться на заданном уровне в процессе эксплуатации с учетом изменяющихся технико-экономических условий функционирования автомобильных дорог.

Особенностями функционирования автомобильно-дорожной системы являются его случайный характер и децентрализация взаимодействия элементов системы; система включает многочисленные самостоятельно действующие элементы, подвергающиеся управляющим решениям и воздействиям, принятым изолированно друг от друга. Случайный характер функционирования системы обусловлен, в частности, значительным неблагоприятным воздействием вероятностных факторов климата на дорожные условия и вероятностной природой формирования и движения транспортных потоков.

Основными управляемыми элементами системы являются дорожные условия, транспортные потоки и их взаимодействие. Режим движения является главной выходной характеристикой функционирования системы, интегрально отражающей ее эффективность и качество. Режим движения характеризуется скоростью одиночных автомобилей и всего потока, интервалами между автомобилями в потоке (плотность потока), числом обгонов, перестроений и их траекториями, режимом разгонов и торможений.

В процессе функционирования автомобильно-дорожной системы имеются широкие возможности перевода ее из одного состояния в другое при использовании соответствующих управляющих воздействий на отдельные элементы (например, на транспортно-эксплуатационное состояние дорог, на распределение транспортных потоков по сети дорог, на интенсивность и состав транспортного потока) или одновременно на совокупность элементов системы. Во всех случаях одним из основных критериев выбора управляющего воздействия на систему и принятия управляющего решения является экономическая эффективность функционирования автомобильно-дорожной системы, которая оказывает решающее влияние на себестоимость автомобильных перевозок.

Принципиальной основой технико-экономического управления транспортно-эксплуатационным состоянием дорожной сети является обоснование и осуществление комплекса дорожных работ, обеспечивающих планомерное снижение себестоимости автомобильных перевозок.

2.2. Основные задачи и функции дорожно-эксплуатационной службы

Дорожно-эксплуатационная служба предназначена для обеспечения, поддержания и при необходимости повышения уровня транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог. Функции дорожно-эксплуатационной службы регламентируются техническими правилами ремонта и содержания автомобильных дорог, которые предусматривают осуществление ею следующих основных функциональных обязанностей:

государственный учет и паспортизация автомобильных дорог и дорожных сооружений, учет движения, диагностика и оценка состояния, создание и развитие автоматизированного банка данных о состоянии дорог и мостов;

обеспечение требуемого технического и эксплуатационного уровня дорог и дорожных сооружений, безопасности движения транспорта и пешеходов;

организация и выполнение работ по содержанию и ремонту, архитектурному оформлению и благоустройству дорог в соответствии с действующей классификацией работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог общего пользования;

содержание в постоянной исправности и обеспечение эффективного использования основных фондов, предназначенных для эксплуатации автомобильных дорог;

принятие необходимых мер по предотвращению перерывов и ограничений движения, сезонных деформаций и разрушений дорог и искусственных сооружений, по ликвидации последствий стихийных бедствий, своевременное информирование участников движения и заинтересованных организаций об условиях движения на дорогах;

обеспечение совместно с соответствующими органами охраны дорог и дорожных сооружений контроля за соблюдением Правил пользования и охраны автомобильных дорог и дорожных сооружений;

обеспечение мероприятий по созданию здоровых и безопасных условий труда в подразделениях дорожной службы.

Одной из основных обязанностей организации, занимающейся содержанием дорог, является обеспечение сохранности дорог, которое включает в себя комплекс мероприятий по предупреждению преждевременного разрушения и износа проезжей части, земляного полотна, искусственных сооружений и обустройства дорог, а также по сохранению их текущего транспортно-эксплуатационного состояния, экономии и пополнения финансовых ресурсов дорожных фондов на ремонтно-восстановительные работы.

Органы управления дорогами выдают разрешения на пропуск тяжеловесных автотранспортных средств (кроме международного автомобильного сообщения), а также организуют и обеспечивают безопасность в соответствии с положениями действующей Инструкции по перевозке крупногабаритных и тяжеловесных грузов автомобильным транспортом по дорогам Российской Федерации. В случае выявления фактов несанкционированного проезда или нарушения правил проезда тяжеловесного автотранспортного средства, отклонения его движения от разрешенного маршрута или превышения им разрешенных масс или осевых нагрузок работники передвижного или стационарного пункта весового контроля (СПВК) составляют акт о выявленных нарушениях и информируют о них подразделения ГИБДД МВД России, РТИ Минтранса России и по подчиненности орган управления дорогой.

Органы, осуществляющие управление автомобильными дорогами:

в целях обеспечения сохранности автомобильных дорог устанавливают начало и окончание периода временного ограничения движения на обслуживаемой сети федеральных автомобильных дорог в расчетный период года (весной);

оповещают через средства массовой информации заинтересованные предприятия, учреждения и частных лиц о порядке введения временного ограничения движения по обслуживаемой сети автомобильных дорог;

организуют контроль за проездом транспортных средств, а также установкой необходимых дорожных знаков.

Органы управления дорогами выполняют работы по государственному учету, паспортизации и инвентаризации дорог, представляют в Российский Федеральный дорожный орган информацию по типовым отчетным формам и несут ответственность за достоверность и полноту представленных отчетных данных. К проведению технического учета, паспортизации и инвентаризации могут привлекаться на договорной основе научно-исследовательские, проектно-изыскательские, учебные и другие специализированные организации, имеющие лицензии на проведение подобных работ.

Организации и подразделения дорожно-эксплуатационной службы должны располагать объективными данными о фактических значениях транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог, характеристик их технического уровня и эксплуатационного состояния, в том числе в различные периоды года. Эти данные необходимо систематизировать, обобщать и накапливать в виде линейных документов, основными из которых являются:

паспорт дороги с линейным графиком и сводными таблицами размеров и характеристик конструктивных элементов, технических и экономических показателей;

линейные графики комплексного показателя транспортно-эксплуатационного состояния автомобильной дороги, сезонные линейные графики коэффициентов аварийности и пропускной способности;

график зимнего содержания дорог с указанием сведений о снегозаносимых участках, данных об отложениях снега на контрольных снегомерных пунктах;

карточки мостов и труб, мостовые книги больших мостов и мостовая книга средних и малых мостов;

карточки линейных зданий;

журналы промеров толщины и измерений прочности дорожной одежды;

журналы и графики учета движения;

акты периодического сезонного осмотра дороги;

проектно-сметные документы на работы по ремонту дороги, а также акты приемки этих работ;

различные формы бухгалтерской и статистической отчетности, представляемой в установленном порядке.

Наиболее эффективным способом сбора, обработки и хранения информации о дороге и ее состоянии является создание и практическое использование автоматизированного банка данных на основе электронно-вычислительной техники.

Вместе с тем дорожно-эксплуатационная служба должна проводить ежедневный визуальный осмотр и наблюдение за состоянием дороги и дорожных сооружений, периодически проводить инструментальную проверку состояния дорог и дорожных сооружений, в том числе оценку прочности дорожной одежды и определение коэффициента прочности, проверку грузоподъемности мостов и их общего технического состояния, выполняемую мостоиспытательными станциями.

Организации дорожной службы должны постоянно взаимодействовать с местными административными органами и смежными организациями, в том числе с органами ГИБДД, местными метеорологическими станциями, сельскохозяйственными и лесными организациями, органами связи, автотранспортными и другими предприятиями и организациями.

2.3. Принципы организации дорожной службы и ее производственные подразделения

Дорожно-эксплуатационная служба организована по принципу принадлежности автомобильных дорог общего пользования: государственная служба дорожного хозяйства Минтранса России (Росавтодор) осуществляет управление федеральными автомобильными дорогами, региональные дорожные органы, созданные в каждом субъекте Российской Федерации, осуществляют управление территориальными автомобильными дорогами.

В системе Росавтодора ремонт и содержание автомобильных дорог осуществляется государственными унитарными дорожно-эксплуатационными предприятиями (ДЭП). ДЭП первого типа (ДЭП1) выполняет только работы по содержанию дороги с закреплением обслуживаемого участка. Примерный перечень этих работ включает в себя:

по полосе отвода, земляному полотну и водоотводу: систематическое поддержание полосы отвода в чистоте и порядке. Исправление размытых, разрушенных, пучинистых и оползневых участков земляного полотна, защитных и укрепительных устройств, подводящих и отводящих русл у мостов и труб, исправление системы водоотвода и систематическое поддержание в работоспособном состоянии, подсыпку, срезку и планировку неукрепленных обочин, устранение мелких деформаций и повреждений на укрепленных обочинах, планировку откосов насыпей и выемок (с добавлением при необходимости грунта) с засевом трав и добавлением растительного грунта и проведением необходимых агротехнических мероприятий по созданию устойчивого дернового покрова, скашивание травы и вырубку кустарника на обочинах, откосах, бермах и полосе отвода и уборку порубочных остатков, расчистку обвалов, оползней, селевых выносов, осыпей и камнепадов, ликвидацию съездов в неустановленных местах, профилировку тракторных путей;

по дорожным одеждам: устранение мелких деформации и повреждений (заделка выбоин, просадок, колей и др.), исправление кромок (бордюров) на всех типах покрытий, заливку трещин на асфальтобетонных покрытиях, восстановление и заполнение швов в цементобетонных покрытиях, замену, подъемку или выравнивание отдельных плит цементобетонных покрытий, защиту цементобетонных покрытий от поверхностных разрушений, восстановление и устройство вновь бордюров и укрепительных полос по краям капитальных и облегченных дорожных одежд, восстановление профиля щебеночных и гравийных покрытий, а также грунтовых улучшенных дорог с добавлением материалов, обеспыливание дорог, профилирование грунтовых дорог, восстановление профиля и улучшение проезжей части грунтовых дорог щебнем, гравием, шлаком и другими материалами, очистку дорожных покрытий от грязи, устранение скользкости, вызванной выпотеванием битума, уход за пучинистыми участками дорог, открытие и закрытие воздушных воронок, очистку дорог от снега, уборку снежных валов с обочин. Очистку от снега и льда автобусных остановок, площадок, павильонов, борьбу с зимней скользкостью, наледями. Уборку лавинных отложений, оборудование и содержание зимних автомобильных дорог, в том числе ледовых переправ;

по обустройству дорог, организации и обеспечению безопасности движения: замену поврежденных дорожных знаков, восстановление дорожной разметки, установку и содержание в чистоте и порядке беседок, скамеек, панно и др., окраску обстановки и элементов обустройства дорог, содержание их в чистоте и порядке, содержание в чистоте и порядке автобусных остановок, площадок отдыха и элементов их обустройства, исправление отдельных повреждений элементов архитектурно-художественного оформления дорог, надлежащий уход за этими элементами, уход за дорожным освещением, аварийно-вызывной и технологической связью, уход за посадками и саженцами, обрезку веток для обеспечения видимости, изготовление, установку, разборку и восстановление снегозадерживающих устройств, создание снежных валов и траншей для задержания снега (их периодическое обновление);

прочие работы: охрану автомобильных дорог, ограничение в установленном порядке движения транспорта на дорогах в случаях чрезвычайных ситуаций и весенне-осенней распутицы, оценку состояния автомобильной дороги и искусственных сооружений, формирование и ведение банка данных о состоянии дороги, контроль качества выполняемых дорожных работ на закрепленной сети по строительству, реконструкции, ремонту, содержанию другими подрядными организациями, составление дислокации дорожных знаков и согласование ее с местными органами ГИБДД.

ДЭП второго типа (ДЭП2) специализируется на выполнении объемных видов работ по содержанию и ремонту без закрепления участков дорог, но с определением территории действия. В состав работ ДЭП2 входят:

по дорожным одеждам: ремонт покрытия, устройство поверхностной обработки на всех типах дорожных одежд, восстановление существующих и создание новых баз противогололедных материалов и подъездных путей к ним, бурение и обустройство скважин для добычи природных рассолов, строительство и обустройство баз противогололедных материалов, ремиксирование, фрезерование, ремонт покрытия картами, приготовление асфальтобетонных смесей, битумных эмульсий кубовидного щебня, модифицированного битума и т.д.;

по обустройству дорог, организации и обеспечению безопасности движения: установка недостающих дорожных знаков (включая знаки индивидуального проектирования), недостающих ограждений и направляющих устройств, нанесение дорожной разметки, устройство снегозащитных насаждений, засев травой полосы отвода и разделительной полосы, устройство и восстановление шумозащитных сооружений, устройство, оборудование пунктов по учету движения, пунктов весового контроля, дорожных метеопунктов, снегомерных и водомерных постов и других устройств, необходимых для изучения работы дороги, ее отдельных элементов и сооружений.

Перечень и состав работ, выполняемых ДЭПами, может корректироваться с учетом местных условий работы этих предприятий.

Автомобильные дороги закрепляются за ДЭПами исходя из расчета:

I категории - 100 км;

II и III категории - 200 км.

В составе ДЭП1 образуются мастерские участки с зоной обслуживания дорог:

I категории - 20-30 км;

II категории - 30-40 км;

III категории - 40-50 км.

Мастерские участки должны включать необходимый состав дорожных рабочих (ремонтеров) с закреплением за ними обслуживаемого участка дороги, специализированные бригады.

Структура службы содержания и ремонта искусственных сооружений формируется как самостоятельное подразделение в составе дорожной организации. Необходимый уровень транспортно-эксплуатационного состояния искусственных сооружений обеспечивают мостовые и тоннельные службы, которые формируются в зависимости от плотности сооружений на дорожной сети, состава их парка и состояния, руководствуясь технико-экономическими соображениями.

Эти службы предусматривают два уровня:

специальная группа по искусственным сооружениям в штате аппарата органа управления дорожным хозяйством;

производственное подразделение по содержанию и ремонту мостовых сооружений и тоннелей, которое может быть в составе производственной дорожной службы или в виде специализированной организации независимо от формы собственности, имеющей лицензию на право выполнения работ по ремонту и содержанию искусственных сооружений (на конкурсной основе) но контракту. Рекомендуемый срок контракта 3-5 лет.

Численный состав специальной группы определяется на основании планируемого объема работ и может состоять из 2-4 человек и более. Мостовая или тоннельная группа осуществляет контроль и анализ технического состояния сооружений, сбор информации, ведение автоматизированного банка данных; организует и (при необходимости) проводит инвентаризацию этих сооружений, диагностику и их периодическое обследование; организует пропуск и осуществляет контроль за пропуском негабаритных и тяжеловесных грузов по искусственным сооружениям; организует проведение специальных, предпроектных обследований; обеспечивает хранение технической документации, разрабатывает производственную программу содержания и ремонта сооружений, осуществляет контроль за производственной деятельностью мостовых и других организаций на объектах заказчика, осуществляет постоянный контроль за качеством содержания и ремонта сооружений и сроками выполнения работ, а также участвует в рассмотрении и утверждении проектной документации на ремонт, реконструкцию и новое строительство искусственных сооружений и в других организационных мероприятиях.

Производственные подразделения привлекаются для выполнения комплекса работ по содержанию и ремонту искусственных сооружений. В состав их работ могут входить надзор за сооружениями, уход, профилактика и различные виды ремонта.

Производственные подразделения должно иметь в своем составе:

управленческий аппарат;

группу механизации (база техники с водителями, ремонтные мастерские);

бригады и звенья с численностью в зависимости от объемов работ.

Могут быть созданы также специализированные звенья (3-5 чел.) по содержанию крупных сооружений длиной свыше:

металлических мостов - 200 м;

железобетонных и сталежелезобетонных мостов - 300 м;

деревянных мостов - 150 м.

В различных субъектах Российской Федерации помимо системы ДЭПов применяются и другие формы организации дорожной службы, которые можно разделить на линейные, сетевые и смешанные.

Линейная форма организации дорожной службы обычно используется для обслуживания магистральных дорог общего пользования, имеющих большую протяженность. На этих дорогах организуют одно или несколько основных и необходимое количество низовых подразделений дорожной службы, обслуживающих участки дороги, протяженность которых назначается в зависимости от категории дороги и вида покрытий.

Сетевая форма организации дорожной службы построена по территориально-производственному принципу и используется преимущественно для обслуживания сети территориальных дорог определенного региона. Протяженность участков дорог, обслуживаемых подразделениями дорожной службы при территориальном принципе ее организации, назначается также в зависимости от категории дороги и вида покрытий.

В некоторых случаях, когда в данном регионе имеются дорожные объекты различного характера, одну часть которых целесообразно обслуживать по линейному принципу, а другую - по территориальному принципу, применяют смешанную форму организации дорожной службы: часть дорожных подразделений региона организуют по линейному принципу, а остальные - по территориальному. Смешанная форма организации дорожной службы наиболее эффективна при компактном расположении дорожных объектов различного характера в пределах ограниченного по площади региона.

В последнее время для выполнения работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог наряду с государственными организациями и предприятиями привлекаются и негосударственные акционерные или частные организации и предприятия, особенно в тех случаях, когда необходимо осуществить значительные объемы работ или работы, специфические по сложности их выполнения или требующие для их выполнения использование уникального технологического оборудования. При этом могут быть применены и другие нетипичные формы организации, как правило, временной дорожной службы.

Низовыми производственно-хозяйственными организационными единицами дорожной службы на дорогах общего пользования могут быть дорожные ремонтно-строительные участки, дорожно-эксплуатационные участки, ремонтно-строительные управления, производственные дорожные участки, дорожно-эксплуатационные строительные участки, дорожные участки и др. В ряде случаев капитальный ремонт автомобильных дорог могут выполнять подрядные дорожно-строительные организации, относящиеся к различным видам собственности (государственная, смешанная или долевая, коллективная или акционерная, частная).

За дорожными организациями закрепляются автомобильные дороги по линейному или территориальному принципу. Протяженность участков, обслуживаемых подразделениями дорожной службы, устанавливают исходя из категории дороги, климатических особенностей, типов покрытий, начертания сети автомобильных дорог и т.п. (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Протяженность участков, обслуживаемых подразделениями дорожной службы

Примечания: 1. Меньшие значения принимают для участков с интенсивностью движения, близкой к верхним пределам для соответствующих категорий дорог, в горной местности, в районах со снежными или песчаными заносами, а также в местах, подверженных размывам, оползням или просадкам, имеющих сложные инженерные сооружения (тоннели, галереи, подпорные и одевающие стены, берегоукрепительные, противооползневые и другие конструкции). 2. Протяженность участков дорог I категории дана для дорог с четырьмя полосами движения. При шести или восьми полосах протяженность дорог снижается соответственно до 0,7 или 0,5 от значений, приведенных в таблице. 3. На федеральных дорогах при необходимости пункты содержания могут быть организованы и на мостах длиной менее 300 м.

В состав дорожных организаций могут входить прорабства, мастерские участки, транспортные подразделения, ремонтные мастерские, лаборатории, асфальтобетонные заводы и другие производственные единицы, не являющиеся самостоятельными предприятиями.

Комплексные бригады (звенья) организуют, как правило, для выполнения несложных малообъемных работ по содержанию и ремонту всех конструктивных элементов дороги. Специализированные бригады (звенья) создают для содержания и ремонта отдельного конструктивного элемента или выполнения отдельных объемных видов работ. Для проведения крупных и сложных работ с выполнением комплекса работа по земляному полотну, дорожной одежде, искусственным сооружениям, обстановке пути разрабатывают проект организации работ.

Для регулярного патрулирования дорог с целью принятия оперативных мер по предупреждению возможных причин возникновения перерывов и ограничений движения, дорожно-транспортных происшествий в составе дорожной организации может быть создана дорожно-патрульная служба в виде звена или звеньев, оснащенных специальным автомобилем, необходимым инструментом и инвентарем, а также средствами организации движения.

Патрулирование дорог производится ежедневно, а также круглосуточно в особо опасные периоды, связанные с неблагоприятными для движения автомобилей метеорологическими условиями.

Здания и сооружения дорожной службы. Обязательным условием успешного выполнения задач и функций, возлагаемых на дорожную службу, является наличие полного комплекса производственных и социально-бытовых зданий и помещений - административные здания управлений дорог, комплексы зданий и сооружений основного и низового звена, включая производственные базы, здания и сооружения, жилые дома, бытовые помещения (школы, магазины, столовые, бани, клубы, места отдыха), склады, базы, погрузочно-разгрузочные площадки, гаражи, стоянки машин и механизмов, ремонтные мастерские и др.

Для выполнения своих функций в соответствии со СНиП 2.05.02-85 основные и низовые звенья дорожной службы должны иметь: для основного звена - административно-бытовой корпус, производственный корпус по ремонту и техническому обслуживанию дорожных машин и автомобилей, стоянки (холодные и теплые) на списочный состав парка машин, цех по ремонту технических средств организации дорожного движения, базы по приготовлению и хранению противогололедных химических материалов, склады; для низового звена - производственный корпус по техническому обслуживанию дорожных машин и автомобилей с административно-бытовыми помещениями, стоянки (холодные и теплые) на списочный состав парка машин, расходные склады противогололедных химических материалов, склады.

Комплексы зданий и сооружений основного и низового звеньев дорожной службы, как правило, следует располагать у населенных пунктов на единых для всего комплекса или близко расположенных площадках, непосредственно примыкающих к полосе отвода автомобильной дороги.

Здания службы ремонта и содержания должны быть размещены вблизи дороги (но за пределами дорожной полосы), иметь удобные подъезды, не затрудняющие проезда по основной дороге. Следует учитывать также возможное расширение дороги или строительство дополнительных полос, если это предусматривается перспективными планами. Вся территория должна быть благоустроена и озеленена.

Для культурно-бытового обслуживания, работников дорожной организации и членов их семей комплексы жилых и административных зданий целесообразно размещать у населенных пунктов. Расположение комплекса зданий дорожного участка должно назначаться в соответствии с конфигурацией сети дорог так, чтобы вблизи была станция железной дороги, где можно организовать склады для получения материалов. Целесообразно располагать на одном участке и в одних зданиях дорожные участки и дорожно-ремонтные пункты. Это дает возможность уменьшить по сравнению с раздельным строительством стоимость всего комплекса.

Обеспечение жилой площадью в строящихся жилых домах дорожной службы следует предусматривать для 60-100 % постоянного состава рабочих и служащих в зависимости от удаления и плотности населения в ближайшем населенном пункте в расчете 27 м² на штатного работника, а в регионах со средним размером семьи свыше 4 чел. - 36 м² на штатного работника. При жилых зданиях следует предусматривать необходимые надворные постройки и приусадебные участки.

ГЛАВА 3. Требования к транспортно-эксплуатационному состоянию автомобильных дорог

3.1. Общие положения. Основные показатели оценки транспортно-эксплуатационного состояния дорог

Автомобильные дороги общего пользования представляют собой комплекс инженерных дорожных сооружений, предназначенных для обеспечения круглогодичного, непрерывного, комфортного, удобного и безопасного движения автомобилей с расчетной нагрузкой и установленными скоростями.

Автомобильные дороги должны быть обустроены объектами сервиса и оборудованы средствами технического регулирования и обеспечения безопасности движения согласно требованиям действующих стандартов, норм и правил.

Дорожные сооружения, входящие в состав автомобильной дороги, - это ее основные конструктивные элементы: земляное полотно и дорожная одежда, искусственные сооружения (мосты, путепроводы, эстакады, трубы, тоннели и др.), защитные сооружения (снегозащитные лесонасаждения, постоянные снегозащитные заборы, шумозащитные и ветрозащитные устройства, устройства для защиты дорог от снежных лавин, обвалов, оползней и др.), элементы обустройства дорог (остановочные площадки и автопавильоны для пассажиров, площадки отдыха, специальные площадки для остановки и стоянки автомобилей и др.).

Элементы дороги, ее состояние и свойства имеют большое количество параметров, характеристик и показателей.

Параметр - это величина, характеризующая какое-либо основное свойство дороги, процесса. Например, ширина проезжей части, радиус кривой в плане и т.д. Характеристика - понятие, близкое к понятию параметра. Означает описание характерных, отличительных качеств предмета или явления. Например, шероховатость дорожного покрытия. Показатель - величина или оценка, по которой можно сравнивать и судить о количественных или качественных достоинствах предмета или явления. Критерий - количественный или порядковый показатель, выражающий предельную меру оцениваемого параметра или характеристики при выборе принимаемого решения. Другими словами, это мерило оценки или суждения.

Показателями технического уровня и эксплуатационного состояния могут быть абсолютные значения параметров и характеристик дорог или коэффициенты, т.е. относительные величины. В абсолютной форме эти показатели хорошо раскрывают физическую сущность оцениваемых параметров, но затрудняют сравнительную оценку. В относительной форме сразу можно сделать вывод о соответствии того или иного параметра установленным требованиям.

Различают технико-эксплуатационные качества или характеристики дороги, транспортно-эксплуатационное состояние и транспортно-эксплутационные показатели дороги, а также технико-экономические показатели работы автомобильного транспорта на данной дороге.

Технические и технико-эксплуатационные качества или характеристики автомобильной дороги (ТЭК АД и ТЭХ АД) - это характеристики надежности и работоспособности дороги как искусственного сооружения и его технического состояния в процессе эксплуатации. К ним относятся прочность дорожной одежды, ровность, шероховатость и сцепные качества покрытий, устойчивость земляного полотна, показатели наличия инженерного оборудования и обустройства (знаков, ограждений, автобусных остановок, автозаправочных станций, мотелей) и т.д.

В относительной форме технические параметры и характеристики оценивают системой относительных коэффициентов - показатели прочности, ровности, сцепных качеств и т.д.

Транспортно-эксплуатационное состояние автомобильной дороги (ТЭС АД) - это комплекс фактических параметров и характеристик технического уровня и эксплуатационного состояния на момент обследования и оценки, обеспечивающих ее потребительские свойства.

Транспортно-эксплуатационные показатели автомобильной дороги (ТЭП АД) - это показатели свойств дороги как транспортного сооружения и ее потребительских свойств, то есть тех свойств, которыми должна обладать дорога, чтобы удовлетворять запросы пользователей, потребителей дорожных услуг.

К транспортно-эксплуатационным показателям относят: обеспеченную дорогой скорость, удобство и безопасность движения, пропускную способность и уровень загрузки дороги движением, допустимую осевую нагрузку и общую массу автомобилей, эргономические, эстетические и экологические свойства дороги и др.

Главным транспортно-эксплуатационным показателем является обеспеченная дорогой скорость движения, которая может быть оценена коэффициентом обеспеченности расчетной скорости.

Эксплуатационный коэффициент обеспеченности расчетной скорости - отношение фактической максимальной скорости движения одиночного легкового автомобиля, обеспеченной дорогой по условиям безопасности движения или взаимодействия автомобиля с дорогой на каждом участке (V_ф.mах), к расчетной скорости для данной категории дороги и рельефа местности (V_pacч):

                                                                                                                      (3.1)

В благоприятных условиях погоды (отсутствие дождя, снегопада, метели, гололеда, сильного ветра, пыльной бури, тумана) дорога должна обеспечивать величину К_рс.э ³ 1. В неблагоприятных погодно-климатических условиях допускается снижение обеспечиваемой скорости, но не более чем на 25 % в осенне-весеннее и зимнее время (К_рс.э ³ 0,75) и, как исключение, не более чем на 50 % во время сильных дождей, туманов, пыльных бурь, штормовых ветров, а также гололеда, метели и сильных снегопадов (К_рс.э ³ 0,75).

Коэффициент обеспеченности расчетной скорости - отношение (V_ф.mах) к базовой расчетной скорости

                                                                                                                          (3.2)

За базовую расчетную скорость принята скорость

Тогда

В практических расчетах рекомендуется пользоваться коэффициентом обеспеченности расчетной скорости. Соотношение указанных коэффициентов определяют по формулам:

                                                                                                                  (3.3)

                                                                                                                (3.4)

Потребительские свойства дороги - совокупность ее транспортно-эксплуатационных показателей, непосредственно влияющих на эффективность и безопасность работы автомобильного транспорта, отражающих интересы пользователей дорог и влияние на окружающую среду. К потребительским свойствам относятся обеспеченные дорогой: скорость, непрерывность, безопасность и удобство движения, пропускная способность и уровень загрузки движением; способность пропускать автомобили и автопоезда с разрешенными для движения осевыми нагрузками, общей массой и габаритами, а также экологическая безопасность, эстетические и другие свойства. Транспортно-эксплуатационные показатели дороги зависят, в первую очередь, от ее технических и технико-эксплуатационных характеристик.

Транспортно-эксплуатационные показатели и потребительские свойства дорог не являются стабильными. Они изменяются в годовом и более длительном периоде. Характер сезонного внутригодового изменения зависит в основном от климатических условий. В более длительном периоде, в процессе службы дороги эксплуатационные показатели изменяются в зависимости от состояния дороги, прочности покрытия и слоев одежды, водно-теплового режима дороги. Все эксплуатационные показатели в процессе эксплуатации ухудшаются, если своевременно не принимать мер по содержанию и ремонту дороги.

Технико-экономические показатели дороги - это технико-экономические показатели совместной работы автомобильного транспорта и данной дороги. К ним относят: среднюю скорость транспортного потока, производительность автомобилей, расход топлива и износ шин, себестоимость перевозок, количество дорожно-транспортных происшествий на дороге и т.д.

Технико-экономические показатели зависят от транспортно-эксплуатационных показателей дороги и от технико-эксплуатационных показателей работы автомобилей. Таким образом, технико-экономические показатели дороги, по существу, характеризуют эффективность функционирования системы «дорожные условия - транспортные потоки». Исходя из этого применение средней скорости транспортного потока в качестве транспортно-эксплуатационного показателя дороги можно считать условным, поскольку интенсивность и состав транспортного потока могут оказывать на среднюю скорость большее влияние, чем собственно качества дороги. Показатель обеспеченной скорости очищен от этого влияния. В дорожных экономических расчетах технико-экономические показатели работы автомобильного транспорта на данной дороге принимают за технико-экономические показатели дороги.

Важное значение имеют показатели оснащенности дорог сооружениями автосервиса для обслуживания проезжающих и предоставления им необходимых удобств (наличие и степень совершенства мотелей, гостиниц, кемпингов, площадок отдыха, пунктов питания и медицинского обслуживания, СТО, АЗС и других зданий и сооружений для обслуживания движения).

В последнее время предложен ряд показателей для оценки эргономических качеств дороги (психофизиологическое восприятие дороги водителем, уровень шума и вибрации, отражающая способность покрытий, эстетичность), а также для оценки экологических качеств дороги (уровень загрязнения придорожного пространства выбросами отработанных газов, запыленность и засоление почвы и грунтовых вод и др.).

Любая автомобильная дорога нужна не сама по себе, она нужна пользователям дорог, потребителям дорожных услуг, к которым относятся как физические лица (водители, владельцы автомобилей, пассажиры), так и юридические лица (автотранспортные и производственные организации и предприятия, учреждения обслуживания, социально-культурной и других сфер). Все они в той или иной мере оплачивают дорожные услуги, и их интересы обслуживает дорожная сеть.

Состояние дорог может оцениваться по различным показателям, различными методами и приборами. Главное, чтобы эта оценка была направлена на учет интересов пользователей дорог, потребителей дорожных услуг, чтобы по результатам этой оценки были назначены и реализованы мероприятия по сохранению и повышению транспортно-эксплуатационного состояния дорог, позволяющие снизить транспортные расходы пользователей, сократить время на поездки и перевозку грузов, повысить безопасность и удобство движения.

3.2. Требования к обеспечению основных потребительских свойств автомобильных дорог

Требования к обеспечению основных потребительских свойств автомобильных дорог установлены в ГОСТ Р 50597-93 «Автомобильные дороги и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям безопасности дорожного движения» и в Технических правилах ремонта и содержания автомобильных дорог.

В соответствии с этими нормативными документами автомобильные дороги общего пользования должны обеспечивать непрерывное в течение года (в том числе и в расчетный весенний период) движение автомобилей и автопоездов с нормативными нагрузками и общей массой, установленными для транспортных средств, предназначенных для эксплуатации на дорогах общего пользования, со скоростями, верхние пределы которых регламентированы Правилами дорожного движения Российской Федерации. На дорогах и участках дорог, для которых величина расчетной скорости ниже разрешенной Правилами дорожного движения, обеспеченная скорость должна быть не менее приведенных в табл. 3.1 значений.

Таблица 3.1

Требования к обеспеченной скорости установлены с учетом рельефа местности, в котором проложена дорога, и для различных условий погоды. При этом к трудным участкам горной местности относятся участки перевалов через горные хребты и участки горных ущелий со сложными, сильноизрезанными или неустойчивыми склонами.

Показатель обеспеченной скорости - это коэффициент обеспеченности расчетной скорости (формулы 3.1. и 3.2.).

По степени влияния на состояние поверхности дорог и условия движения автомобилей условия погоды разделяются на благоприятные, неблагоприятные, особо неблагоприятные.

Условия погоды благоприятные - сухо, ясно, отсутствие ветра или ветер со скоростью до 10 м/с, отсутствие тумана, относительная влажность воздуха до 90 %, температура воздуха в пределах от -30°С до +30°С в тени.

Условия погоды неблагоприятные - отдельное и совместное действие следующих факторов: осадки в виде дождя или снегопада интенсивностью до 0,1 мм/мин, метель со скоростью более 3 м/с, ветер со скоростью более 10 м/с, туман с метеорологической дальностью менее 500 м, относительная влажность воздуха более 90 %, положительная и отрицательная температура воздуха от ±30°С до ±40°С в тени.

Условия погоды особо неблагоприятные - осадки в виде дождя и снегопада интенсивностью более 0,1 мм/мин, гололедица и гололед, метель со скоростью ветра более 9 м/с, ветер со скоростью более 20 м/с, туман видимостью менее 200 м, температура воздуха летом выше 40°С в тени и зимой ниже -40°С.

В зависимости от условий погоды на дороге могут формироваться нормальные, трудные, очень трудные и недопустимые или допустимые в особых случаях условия движения автомобилей, а состояние дорог может оцениваться как нормальное, удовлетворительное или аварийное (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Основные показатели оценки условий движения и уровня содержания дорог в неблагоприятные периоды года

С учетом этого должен осуществляться соответствующий уровень работ по содержанию дорог, позволяющий выдерживать требования к обеспеченной в процессе эксплуатации скорости движения, указанные в табл. 3.1.

Под непрерывностью движения автомобилей понимается отсутствие задержек движения, вызванных несоответствием параметров или состояния дороги и дорожных сооружений нормативным требованиям (не учитываются остановки и перерывы движения из-за технической неисправности автомобилей, состояния перевозимого груза, остановки на железнодорожных переездах и у светофоров).

Не допускаются необоснованные ограничения и задержки движения по дорожным условиям. При этом под ограничением движения понимают временное запрещение движения по дороге отдельных типов транспортных средств, а под задержкой движения - вынужденную кратковременную остановку движения, связанную с дорожными условиями продолжительностью до 1 часа.

Обоснованными являются ограничения движения:

в период весенней распутицы при недостаточной прочности дорожных одежд (на период до 45 сут. в зависимости от местных условий);

при недостаточной несущей способности мостов - на период до усиления сооружений.

Обоснованными являются задержки движения:

в период выполнения ремонтных работ в пределах проезжей части дороги;

в период устранения последствий дорожно-транспортных происшествий;

в зимний период во время метелей и интенсивных снегопадов.

Пользователи дорог должны быть оповещены о задержках и ограничениях движения. Все работы по ремонту и содержанию дорог должны выполняться с минимальными помехами для движения автомобилей.

Перерывы движения (задержки движения более 1 часа) допускаются в следующих случаях:

во время стихийных бедствий и других чрезвычайных обстоятельств (природные явления, аварии, дорожно-транспортные происшествия, военные действия и т.д.);

в весенний период на время паводков и зимой во время сильных снежных метелей и снегопадов;

в периоды и на сроки, установленные проектной документацией на реконструкцию или ремонт дороги, утвержденной в установленном порядке.

Органы государственной власти субъектов Российской Федерации в периоды особо неблагоприятных погодных условий могут устраивать перерывы движения на территориальных дорогах с интенсивностью движения до 100 авт./сут с заблаговременным оповещением об этом пользователей автомобильных дорог через средства массовой информации.

Пропускную способность и уровень загрузки дорог движением проверяют на дорогах и участках дорог с фактической интенсивностью более 4 тыс. авт./сут в физических единицах при состоянии дорог и условиях движения, характерных для летнего, осенне-весеннего и зимнего периодов года. На дорогах и участках дорог с меньшей интенсивностью указанные показатели не проверяют.

Уровень загрузки дороги движением - это отношение фактической интенсивности движения, приведенной к легковому автомобилю (N, авт./ч), к пропускной способности (Р, авт./ч)

                                                                                                                                 (3.5)

Уровень загрузки не должен превышать значений, приведенных в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Примечание. В неблагоприятные периоды года допускается увеличение уровня загрузки, но не более чем на 15 %.

Состояние искусственного сооружения по пропускной способности характеризуется отношением фактического расстояния между бордюром или ограждениями (габаритов для тоннелей) к нормативной величине, установленной для дороги данной категории. Величина отношения 0,95 и более характеризует соответствие сооружения нормам пропускной способности.

На автомобильных дорогах общего пользования не допускаются заторы по дорожным условиям. Максимальная интенсивность движения в часы пик не должна превышать 0,7 от пропускной способности на дорогах I и II категорий, а на остальных дорогах не должна превышать более чем в 1,5-2 раза верхнего предела интенсивности движения, установленного для данной категории дороги. При фактической величине показателя уровня загрузки более указанных в табл. 3.3 или при величине максимальной интенсивности в час пик более указанной, в том числе в неблагоприятные периоды года, должны быть разработаны мероприятия по повышению пропускной способности.

Степень соответствия состояния дорог требованиям безопасности движения оценивается по величинам коэффициента относительной аварийности (или коэффициента происшествий) и коэффициента безопасности для летнего, осенне-весеннего и зимнего периодов года. Коэффициент происшествий определяют по формуле:

где                                                          (3.6)

А - количество происшествий в год;

N - среднегодовая суточная интенсивность движения, принимаемая по данным учета движения, авт/сут;

L - длина участка дороги, км.

Коэффициент безопасности для каждого периода года определяют как отношение максимальной скорости движения на участке к максимальной скорости въезда автомобилей на этот участок или как отношение коэффициентов обеспеченности расчетной скорости на участке и на въезде:

                                                                                                  (3.7)

В процессе эксплуатации существующих дорог показатели безопасности движения должны соответствовать величинам для неопасных участков, в том числе и в неблагоприятные периоды года (табл. 3.4).

Таблица 3.4

В горной местности на дорогах, проложенных перевальным ходом, и на дорогах, где на большом протяжении имеются продольные уклоны более 50 %о и кривые в плане радиусом менее 300 м, степень опасности определяют по соотношению значений сезонного итогового коэффициента аварийности на смежных участках (табл. 3.5).

Таблица 3.5

При превышении указанных показателей производится детальная оценка безопасности движения с выявлением мест концентрации ДТП и с разработкой мероприятий по повышению безопасности движения средствами ремонта и содержания дорог.

Безопасность движения автомобилей по мостам, путепроводам, тоннелям и наплавным мостам считается обеспеченной, если их габариты и состояние покрытия соответствуют требованиям категории дороги, а ограждения соответствуют техническим требованиям и находятся в исправном состоянии. К тоннелям дополнительно предъявляются требования по обеспеченности необходимым уровнем освещения и вентиляции, устанавливаемые соответствующими нормативными документами.

Удобство движения характеризуется разницей скорости движения на смежных участках, которая не должна превышать 20 %, а также ровностью дорожного покрытия, показатель которой должен соответствовать требуемой величине.

Чтобы обеспечить высокие потребительские свойства, автомобильная дорога должна удовлетворять определенным требованиям:

ширина полосы движения, ширина проезжей части дорог и габариты ездового полотна мостов и путепроводов должны позволять размещение в их поперечном сечении движущихся автомобилей и зазоров безопасности между попутными (для дорог I категории) и встречными (для дорог II-IV категорий) автомобилями, а также зазоров безопасности между кромкой проезжей части и колесом автомобилей, движущихся с установленными скоростями;

должны быть выполнены уширения проезжей части на кривых малого радиуса в плане на величину смещения траектории движения задних колес автопоездов;

габариты приближения мостовых и других искусственных сооружений должны соответствовать категории дороги, на которой они расположены, с учетом полос движения и полос безопасности согласно требованиям нормативных документов. Высота расположения низа пролетных строений мостов, путепроводов и других сооружений, а также высота расположения трубопроводов и других коммуникаций над поверхностью проезжей части дорог, проходящих под указанными сооружениями и коммуникациями, должна быть не менее 4,5 м на дорогах IV и V категории и не менее 5,0 м на дорогах I-III категорий.

Для обеспечения безопасности и удобства движения автомобильные дороги общего пользования должны иметь геометрические параметры элементов плана, продольного и поперечного профилей, инженерное оборудование и обустройство, а также транспортно-эксплуатационное состояние и уровень загрузки, позволяющие автомобилям двигаться без резких торможений, изменений скорости и траектории движения и без недопустимых вибраций и колебаний.

Служба эксплуатации должна принимать все возможные меры по выполнению требований, предъявляемых к работам по ремонту и содержанию.

3.3. Требования к техническим параметрам и характеристикам дорог

Основными параметрами и характеристиками, определяющими транспортно-эксплуатационное состояние дороги, являются:

геометрические параметры, к которым относятся ширина проезжей части и краевых укрепленных полос, ширина обочин, продольные уклоны, радиусы кривых в плане и профиле, уклоны виражей и расстояние видимости;

прочность и состояние дорожной одежды проезжей части и обочин;

состояние, ровность и сцепные свойства покрытия проезжей части и обочин;

состояние земляного полотна и устойчивость его откосов;

состояние и работоспособность водоотвода;

наличие и состояние элементов инженерного оборудования и обустройства дороги.

Геометрические параметры (продольный и поперечный профили, высота насыпи, радиусы кривых, ширина проезжей части и обочин, габариты искусственных сооружений) должны соответствовать нормам категории, установленной для данной дороги (участка дороги). Отклонения фактических размеров не должны превышать требований соответствующих нормативных документов. Служба эксплуатации должна осуществлять все меры по устранению указанных отклонений.

Дорожные одежды на дорогах I-IV категорий должны иметь прочность, обеспечивающую в расчетный период беспрепятственный пропуск автомобилей с осевой нагрузкой 10 тс (100 кН), а на дорогах V категории с твердыми покрытиями до 6 тс (60 кН).

Основным показателем при оценке прочности является коэффициент фактической прочности :

 где                                                                                                               (3.8)

Е_ф - фактический модуль упругости, МПа;

Е_тр - требуемый модуль упругости, вычисляемый в зависимости от суммарного числа приложений расчетной (нормативной) нагрузки, определяемого за срок от окончания строительства или реконструкции дороги до момента испытаний для условий существующего движения или на перспективу до окончания срока службы дорожной одежды, МПа.

Коэффициент фактической прочности можно также вычислить по формуле:

 где                                                                                                                 (3.9)

l_д и l_ф - соответственно допустимый и фактический относительный прогиб дорожной одежды.

Для одежд с цементобетонными покрытиями и основаниями коэффициент прочности представляет собой отношение нагрузки, допустимой для данной конструкции Q_д (с учетом температурных напряжений и усталостных явлений), к нагрузке на колесо наиболее тяжелого транспортного средства Q:

                                                                                                                          (3.10)

В связи с тем что проектируемые нежесткие дорожные одежды до 2001 г. рассчитывались по Инструкции ВСН 46-83, а начиная с 01.01.2001 г. рассчитываются по ОДН 218.046-01 или МОДН 2-2001, вносятся уточнения в определение понятия коэффициента прочности.

Коэффициент прочности - это отношение фактического модуля упругости в данный момент времени к требуемому общему модулю упругости (если дорожная одежда рассчитана по Инструкции ВСН 46-83) или к минимальному модулю упругости (если дорожная одежда рассчитана по ОДН 218.046-01 или МОДН 2-2001).

Прочность дорожной одежды эксплуатируемой дороги оценивают по результатам ее визуального обследования (или видеокомпьютерной съемки) в баллах Б_ср, которые корреляционно связаны с коэффициентом прочности К_пр или непосредственно по коэффициенту прочности, определяемому по результатам измерений модуля упругости. Значение этих показателей должно быть не ниже приведенных в табл. 3.6.

Таблица 3.6

На участках, где значения указанных показателей ниже приведенных в табл. 3.6, требуется проведение работ по усилению дорожной одежды.

Для дорожных одежд с цементобетонными покрытиями допускается использовать в качестве показателя прочности величину растягивающего напряжения при изгибе покрытия. В этом случае условие прочности с учетом интенсивности и состава движения определяется в соответствии с действующей инструкцией по проектированию жестких дорожных одежд.

Покрытия проезжей части дороги, укрепительных краевых полос и обочин в процессе эксплуатации должны иметь правильную форму, предусмотренные проектом продольные и поперечные уклоны, поверхность, обеспечивающую беспрепятственный сток воды, а также быть ровными в продольном и поперечном направлениях.

Кромки покрытия проезжей части, краевых укрепленных полос и укрепленных обочин должны быть ровными в плане, иметь правильные и четкие очертания без разрушений и деформаций. Фактические показатели продольной ровности не должны превышать предельно допустимых значений, приведенных в табл. 3.7.

Таблица 3.7

Показатель ровности дорожных покрытий, или коэффициент ровности - это отношение предельно допустимой ровности S_д для данной категории дороги, типа дорожной одежды и интенсивности движения к фактической ровности S_ф:

                                                                                                                        (3.11)

На покрытии проезжей части не допускается образование колейности, при которой возникают опасные условия движения и создаются помехи для очистки от снежных отложений и удаления зимней скользкости. Требования к допустимой и предельно допустимой глубине колеи установлены для двух способов измерения глубины колеи при помощи двухметровой рейки:

по упрощенной методике, когда рейка укладывается на поверхность покрытия или гребней выпора;

по способу вертикальных отметок, когда отсчет ведется от рейки, выведенной в горизонтальное положение.

Значения допустимой и предельно допустимой глубины колеи приведены в табл. 3.8. На дорогах с переходными покрытиями при интенсивности движения до 200 авт./сут, приведенных к легковому, допускается колея глубиной до 40 мм.

Таблица 3.8

Участки дорог с глубиной колеи больше предельно допустимых значений требуют первоочередного проведения работ по устранению колеи.

Показатель колейности - это отношение допустимой глубины колеи h_д к фактической h_ф:

                                                                                                                          (3.12)

Участки дорог с глубиной колеи больше предельно допустимой относятся к опасным для движения автомобилей и требуют немедленного проведения работ по устранению колеи.

Шероховатость и состояние дорожного покрытия проезжей части должны обеспечивать требуемую величину сцепления колеса с покрытием, которая характеризуется коэффициентом сцепления. При этом коэффициент сцепления должен быть не менее 0,3 при измерении его шиной без рисунка протектора и 0,4 шиной, имеющей рисунок протектора.

Показатель сцепных качеств и шероховатости покрытий, или коэффициент относительного сцепления колес с покрытием (коэффициент скользкости), вычисляется как отношение величины фактического коэффициента сцепления j_ф к допустимой величине этого коэффициента j_д.

                                                                                                                        (3.13)

Чтобы обеспечить безопасность встречных автомобилей на двухполосных дорогах и движущихся автомобилей по смежным полосам многополосных дорог, а также при съездах на укрепленные полосы или прикромочные зоны обочин, изменение коэффициента сцепления в поперечном профиле дорожного полотна не должно превышать указанного в табл. 3.9.

Таблица 3.9

Предельные нормы изменения коэффициента сцепления

Примечание. Значения коэффициента сцепления даны для гладкой шины.

В некоторых странах оценивается износ покрытия. Показатель износа покрытия - это отношение допустимой величины износа h_ид к фактической величине износа h_иф:

                                                                                                                        (3.14)

На покрытии проезжей части не допускается наличие выбоин, проломов и просадок с размерами по длине, ширине и глубине более чем 15´60´5 см, а количество более мелких повреждений и дефектов в весенне-летне-осенний периоды не должно превышать значений, приведенных в табл. 3.10. Образовавшиеся деформации и разрушения должны быть ликвидированы в сроки, установленные ГОСТ Р 50597-93.

Таблица 3.10

Показатель дефектности покрытий определяет деформативные и прочностные свойства, которые можно характеризовать количественно наличием на единице площади разрушений и деформаций. Дефект - это каждое отдельное несоответствие дороги установленным требованиям. Метод вычисления показателя дефектности основан на относительной оценке количества и весомости дефектов, учитываемых коэффициентом дефектности:

, где                                                                                                              (3.15)

d_i - количество дефектов данного вида в выборке;

b_i - коэффициент весомости дефекта данного вида, %;

m - суммарное количество видов дефектов в выборке;

п - объем выборки.

По К_д можно вычислить комплексный показатель уровня качества объекта

 где                                                                                                                (3.16)

К_дб - значение базового (нормативного) уровня дефектности объекта.

Не допускается образование уступов в местах сопряжения проезжей части и укрепленных краевых полос или обочин, а также возвышения обочины и разделительной полосы над проезжей частью при отсутствии бордюра.

Неукрепленные обочины и разделительная полоса, не отделенные от проезжей части бордюрами, не должны иметь колей в местах сопряжения с проезжей частью и не должны располагаться ниже ее уровня более чем на 3 см при интенсивности движения выше 6000 авт./сут, приведенных к легковому, и более чем на 4 см при меньшей интенсивности.

Состояние поверхности покрытия укрепительных полос по наличию дефектов должно соответствовать требованиям, установленным для покрытия проезжей части, а состояние укрепленных и неукрепленных обочин - требованиям, приведенным в табл. 3.9.

Обочины дороги должны быть укреплены и иметь поперечные уклоны, способствующие быстрому отводу поверхностных вод. Прочность конструкции укрепления должна соответствовать составу транспортного потока и обеспечивать заезд и остановку автомобилей без разрушения слоев укрепления. Прочность считается достаточной, если отношение фактического значения модуля упругости к требуемому по условиям движения в процессе эксплуатации составляет не менее 0,85.

Откосы насыпей и выемок должны обладать устойчивостью к воздействию местных климатических факторов (местная устойчивость). Они должны обеспечивать быстрый отвод поверхностных вод, укреплены согласно положениям инструктивных документов. Откосы, особенно глубоких выемок и высоких насыпей, должны иметь обеспеченную общую устойчивость, которая представляет собой отношение безопасной нагрузки для грунта насыпи (выемки), находящегося в данном состоянии по «плотности-влажности», к проектной. Общая устойчивость считается обеспеченной, если К_без ³ 1.

Поверхность покрытия проезжей части и обочин, поверхность разделительных полос и откосов, посадочных площадок у автобусных остановок, площадок отдыха, пунктов весового контроля и учета движения, а на участках дорог, проходящих в пределах населенных пунктов, и поверхность тротуаров, пешеходных и велосипедных дорожек должны быть чистыми от пыли, грязи, посторонних предметов и материалов.

На поверхности неукрепленных обочин и разделительной полосы не допускается наличие древесно-кустарниковой растительности, а высота травы не должна превышать 15 см. В полосе отвода допускается наличие древесно-кустарниковой растительности при условии обеспечения требуемой видимости.

Система и устройства дренирования, сбора и отвода поверхностных и грунтовых вод (водоотводные канавы, кюветы, водосбросы, водобойные колодцы и др.) должны постоянно находиться в работоспособном состоянии и обеспечивать бесперебойный сброс и отвод воды от дороги.

Частичное нарушение профиля водоотводных канав допускается на протяжении до 10 % их общей протяженности на дорогах с интенсивностью движения от 200 до 1000 авт./сут, приведенных к легковому, и до 20 % на дорогах с меньшей интенсивностью.

Не допускается наличие неорганизованных въездов и съездов на дорогах всех категорий.

3.4. Допустимые габариты, осевая нагрузка и общая масса автомобилей

Технический уровень и эксплуатационное состояние автомобильных дорог в значительной степени определяется принятыми при проектировании расчетными нагрузками. Превышение допустимых осевых нагрузок автомобилей и автопоездов приводит к резкому ухудшению состояния автомобильных дорог в процессе эксплуатации, преждевременному ремонту дорожных одежд и покрытий. Превышение полной массы транспортных средств чревато катастрофическими последствиями для искусственных сооружений. Бесконтрольный проезд по автомобильным дорогам крупногабаритных транспортных средств приводит к ухудшению дорожных условий и снижению безопасности движения. Эти последствия всегда должны приниматься во внимание при организации дорожного движения, выборе определенной стратегии ремонта и содержания автомобильных дорог общего пользования в процессе эксплуатации.

Автомобильные дороги общего пользования предназначены для пропуска автотранспортных средств габаритами [89]:

по длине одиночных автомобилей до 12 м и автопоездов до 20 м;

по ширине до 2,5 м;

по высоте до 4 м для дорог I-IV категорий и до 3,8 м для V категории (Нормы, утвержденные приказом ФДС России № 56 от 15.03.99, устанавливают ограничение по высоте, равное 4 м, независимо от категории дорог).

Для расчета прочности дорожных одежд и проверки устойчивости земляного полотна принимают нагрузку на одиночную наиболее нагруженную ось двухосного автомобиля:

100 кН - для дорог I-IV категорий;

60 кН - для дорог V категории.

Для обеспечения безопасности дорожного движения, надежности и сохранности автомобильных дорог и дорожных сооружений установлены [65] следующие основные требования к допустимым нагрузкам многоосных транспортных средств и к общей массе автомобилей, допускаемых для движения на автомобильных дорогах общего пользования (табл. 3.11 и 3.12).

Таблица 3.11

Таблица 3.12

Приведенные нормы осевых нагрузок автотранспортных средств допускается превышать на величину не более 40 %.

Нормы предельно допустимой общей массы (т) транспортных средств дифференцированы по типам автомобилей и автопоездов:

Указанные нормативные общие массы транспортных средств допускается превышать до 20 %, не более, исходя из обеспечения требований надежности и сохранности искусственных сооружений.

В отношении габаритов дополнительно вводятся (по сравнению со СНиП 2.05.02-85) ограничения в отношении максимальной длины сочлененного транспортного средства - 16,5 м и сочлененного автобуса - 18 м. Любое транспортное средство при движении должно обеспечивать возможность поворота в пределах пространства, ограниченного внешним и внутренним радиусом соответственно 12,5 и 5,3 м. Измерение размеров транспортного средства осуществляют в соответствии со стандартом ISO 612-1978.

При осуществлении межгосударственных перевозок требования к транспортным средствам устанавливаются Соглашением государств-участников Содружества Независимых Государств [90]. Так, максимальные осевые массы не должны превышать приведенные ниже значения (т):

В отношении размеров транспортных средств Соглашение предусматривает аналогичные требования [65]. Исключение касается максимальной ширины, принимаемой равной 2,55 м для всех транспортных средств, и 2,6 м - для изотермических кузовов.

Указанные стандарты применяются для условий, когда автомобильные дороги по несущей способности отвечают предъявляемым требованиям. При недостаточной несущей способности автомобильных дорог допустимые осевые нагрузки транспортных средств устанавливают в зависимости от коэффициента прочности дорожных одежд в соответствии с рекомендациями раздела 20.2 настоящего справочника.

В настоящее время рассматривается вопрос об использовании при проектировании, строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог I-IV категорий более высокой нормативной нагрузки - 115 кН на ось транспортного средства (Проект ГОСТ Российской Федерации. Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты. Госстрой России, М.). Возможность проектирования дорожных одежд на такую нагрузку в настоящее время имеется. Согласно Инструкции по проектированию нежестких дорожных одежд МОДН 2-2001 [72] в качестве расчетных используются наиболее тяжелые автомобили, доля которых в составе перспективного движения составляет не менее 10 %. Если в задании на проектирование расчетная нагрузка не оговаривается, в качестве расчетных используются осевые нагрузки 100, 110 и 130 кН.

Переход на нормативную нагрузку 115 кН, как показали расчеты, способствует повышению капитальности вновь проектируемых дорожных одежд и увеличению межремонтного срока службы на 5-10 %.

В то же время не следует ожидать существенных изменений в конструкции дорожных одежд. Согласно расчетам дорожной одежды на действие разных нагрузок (60-120 кН) при одинаковом составе и интенсивности движения получаемые конструкции по прочности существенно не отличаются между собой и находятся в пределах точности расчетов 5-7 %.

На состоянии существующей сети дорог введение в действие новой расчетной нагрузки практически не должно отразиться при существующем парке автомобилей и автопоездов и принятых в настоящее время методах организации движения. В частности, при недостаточной прочности дорожных одежд движение тяжеловесных транспортных средств, к которым относятся и автомобили с осевой нагрузкой 115 кН, запрещается в неблагоприятные по условиям увлажнения земляного полотна периоды года, или допускается при условии компенсации ущерба.

РАЗДЕЛ II
ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ДОРОГ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ГЛАВА 4. Воздействие автомобилей и природных факторов на дорогу и условия движения

4.1. Взаимодействие автомобиля и дороги

При движении автомобиля по дороге возникают нормальные к поверхности проезжей части касательные продольные и поперечные силы взаимодействия между колесами и покрытием. К этим силам относятся (рис. 4.1): сила, перпендикулярная покрытию и равная ей, но противоположная по знаку, нормальная реакция дорожной одежды на колесо R₁; окружная сила Р_к, приложенная к площади контакта ведущих колес с покрытием, направленная в сторону, противоположную движению, - это сила воздействия ведущих колес на одежду в плоскости проезжей части.

Рис. 4.1. Силы, действующие на движущийся автомобиль и дорогу

Тангенциальная (касательная) реакция Т_к, практически равная окружной силе Р_к и направленная в сторону движения, возникает в результате взаимодействия ведущих колес и покрытия. Эту реактивную силу, вызывающую поступательное перемещение автомобиля, называют тяговой:

Т_к = Р_к = Р_f ± Р_i ± Р_F ± Р_j, где                                                                                            (4.1)

Р_f = G×f - сила сопротивления качению на относительно ровном участке;

G - вес автомобиля, даН;

f - коэффициент сопротивления качению, доли единицы;

Р_i = G×i - сила сопротивления движению на подъеме (спуске);

i - продольный уклон дороги, доли единицы;

 - сила сопротивления воздуха движению;

k - коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости), даНс²/м⁴;

F - площадь лобовой проекции автомобиля, м²;

V - скорость автомобиля, км/ч;

Р_j = G×j - сопротивление инерционных сил, даН;

j - относительное ускорение.

Сила сопротивления качению зависит от характеристик шины (эластичности, внутреннего трения в шине, давления воздуха и т.д.), вида и состояния покрытия, от скорости движения. Значения коэффициента сопротивления качению при скорости до 20 км/ч приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Значения коэффициента сопротивления качению (данные проф. А.П. Васильева)

С увеличением скорости сопротивление качению повышается и может быть определено по формуле:

F_v = f₂₀ + K_f(V - 20), где                                                                                                       (4.2)

f₂₀ - коэффициент сопротивления качению при скорости до 20 км/ч;

K_f - коэффициент повышения сопротивления качению со скоростью

(для легковых автомобилей K_f = 10,00025, для грузовых - 0,0002).

Во всех расчетных формулах принимают значение коэффициента сопротивления качению, строго соответствующее виду и состоянию покрытия, скорости движения. Сопротивление качению колеса на грунтовой дороге зависит от глубины образующейся колеи, вида и состояния грунта, диаметра колеса и вертикальной нагрузки на него.

Коэффициент обтекаемости, используемый при определении силы сопротивления воздуха, зависит от формы автомобиля и качества отделки его поверхности (табл. 4.2). Более подробные данные о лобовой площади и коэффициенте обтекаемости для автомобилей и автобусов различных марок, обращающихся по дорогам, приведены в литературе по автомобилям. При отсутствии данных о лобовой площади автомобиля ее можно определить по приближенной формуле

F @ m×В_г×Н_г, где                                                                                                                    (4.3)

т = 0,8 для автомобиля со стандартным кузовом и т = 0,9 для автобуса и грузового автомобиля с кузовом в виде фургона или с тентом;

В_г, Н_г - габаритная ширина и высота автомобиля, м.

Таблица 4.2

Параметры аэродинамического сопротивления движению автомобиля (данные чл.-корр. АН СССР Д.П. Великанова)

¹ Включая грузовые малой грузоподъемности на базе легкового.

² Дополнительный прицеп к автомобильным поездам увеличивает коэффициент обтекаемости на 20-25 %. Контейнеры, установленные поперек кузова, повышают этот коэффициент примерно на 25-30 %.

Тяговое усилие ограничивается силой сцепления шины с покрытием. Наибольшее возможное значение тягового усилия Т_мах, при котором автомобиль еще способен двигаться без скольжения (буксования) колес, не может превышать

Т_мах £ j×R, где                                                                                                                       (4.4)

j - коэффициент сцепления;

R - нормальная реакция дорожной одежды на ведущие колеса.

Различают два вида коэффициента сцепления: коэффициент продольного сцепления j₁, соответствующий началу пробуксовывания или проскальзывания колеса при его качении в плоскости движения; коэффициент поперечного сцепления j₂ при условии бокового заноса, когда колесо одновременно и вращается, и скользит в бок (боковое скольжение).

Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия, его состояния, типа и конструкции шин, рисунка протектора шин, степени изношенности покрытия, скорости движения, нагрузки на колесо, температуры и других факторов (табл. 4.3 и рис. 4.2-4.4). Наибольшее влияние оказывают вид и состояние покрытия, а также скорость движения. Поэтому для объективной оценки состояния дорог необходимо в каждом случае измерять коэффициент сцепления при нормированной скорости 60 км/ч. Табличными значениями коэффициента сцепления можно пользоваться только для ориентировочных расчетов и оценок. В табл. 4.4 приведены значения коэффициента сцепления при скорости движения 20 км/ч для шин с нормальным протектором. Коэффициент сцепления при других скоростях:

j_v = j₂₀ - b_j(V - 20), где                                                                                                      (4.5)

b_j - коэффициент изменения сцепных качеств от скорости (принимают в зависимости от типа и состояния покрытия по табл. 4.4).

Таблица 4.3

Влияние различных факторов на коэффициент сцепления

Рис. 4.2. Влияние микрошероховатости покрытия на коэффициент сцепления

Рис. 4.3. Зависимость коэффициента сцепления от высоты неровностей покрытия при скорости движения 80 км/ч:
1 - сухое покрытие; 2 - мокрое покрытие

Рис. 4.4. Зависимость коэффициента сцепления от скорости автомобиля для покрытий с различной шероховатостью (данные В.А. Астрова):
1 - песчаный асфальтобетон; 2 - многощебенистый асфальтобетон; 3 - поверхностная обработка

Таблица 4.4

Значения коэффициентов сцепления и изменения сцепных качеств (данные проф. А.П. Васильева)

Во всех расчетных формулах коэффициент сцепления необходимо принимать соответственно виду и состоянию покрытия, скорости движения. Исходя из этого максимально возможная скорость на горизонтальном участке и на подъеме по сцеплению колеса автомобиля с дорогой с учетом сопротивления качению определяется по формуле проф. А.П. Васильева:

 где                                                                                    (4.6)

т - коэффициент сцепного веса (для легковых автомобилей 0,5-0,55, для грузовых 0,65-0,75).

Следует иметь в виду, что в нормативных документах обычно приведены значения коэффициента сцепления при скорости 60 км/ч. В этом случае, чтобы перейти к другой скорости, можно также пользоваться формулой (4.5), подставив вместо j₂₀ значение j₆₀, а вместо скорости 20 км/ч - скорость 60 км/ч.

При боковом скольжении колес используют коэффициент поперечного сцепления

j₂ = (0,5 - 0,85)j₁.

Нормальные реакции дорожной одежды горизонтального участка на колеса неподвижного двухосного автомобиля

 где

a, b - отрезки, определяющие положение центра тяжести автомобиля в продольной плоскости; L - база автомобиля (см. рис. 4.1).

При движении автомобиля возникают дополнительные силы и моменты, различные в разных условиях (подъем, разгон, торможение и т.д.), которые меняют указанное распределение нагрузок и реакций дорожной одежды.

Предельные значения нормальных реакций для двухосного автомобиля при различном расположении и числе ведущих колес, используемые при определении предельной по условию буксования тяговой силы:

ведущие - задние колеса

                                                                                                        (4.7)

ведущие - передние колеса

                                                                                                         (4.8)

ведущие - передние и задние колеса

 где                                                              (4.9)

j - коэффициент сцепления.

Остальные обозначения приведены на рис. 4.1. Аналогичные формулы для трехосного автомобиля имеются в книгах теория автомобиля.

Нормальные и касательные силы, передающиеся на покрытие, обычно имеют динамический характер. Объясняется это главным образом условиями прохождения колеса через неровности покрытия, влиянием перегрузки колес от вращающего момента двигателя, переменных продольных и поперечных уклонов, действием центробежных сил на поворотах.

Безопасность движения на дорогах непосредственно связана с устойчивостью автомобиля. Под потерей устойчивости подразумевают скольжение или опрокидывание автомобиля. Различают продольную и поперечную устойчивость. Более вероятно нарушение поперечной устойчивости. Устойчивость автомобиля зависит от его параметров, продольного и поперечного профилей дороги, качества (шероховатости, ровности и т.д.) покрытия.

Для современных автомобилей с низко расположенным центром тяжести маловероятно опрокидывание в продольной плоскости. Возможно лишь буксование задних колес, вызывающее сползание автомобиля при преодолении крутого подъема большой протяженности. Подъем, который может преодолеть по условиям сцепления (без буксования):

а) автомобиль с задними ведущими колесами

tga £ аj/(L - jh_g);                                                                                                                (4.10)

при всех ведущих колесах tga £ j;

б) автомобиль-тягач с задними ведущими колесами

                                                                               (4.11)

при всех ведущих колесах tga £  jG/(G + G_g), где

G_np - полный вес прицепа с грузом, Н.

Устойчивость автомобиля по условиям сцепления на дороге с поперечным уклоном проезжей части (угол b) определяется неравенством tgb £ j (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схема сил, соотношение между которыми определяет поперечную устойчивость движущегося автомобиля

Возможность поперечного опрокидывания автомобиля ограничена появлением бокового скольжения колес, если j £ В/2h_g.

Чтобы обеспечить эффективность и безопасность движения транспортного потока, в составе которого имеются автомобильные поезда, состояние проезжей части должно удовлетворять более высоким требованиям, чем в случае движения только одиночных автомобилей.

При рассмотрении процесса взаимодействия автомобиля и дороги существенное значение имеет анализ влияния деформаций одежды на условия движения. На деформированную неровную поверхность покрытия автомобили оказывают дополнительное воздействие, вызванное ударами колес при проходе через неровности и повышенным давлением из-за колебания кузова и колес. Это в свою очередь приводит к дополнительным деформациям дорожной одежды в виде трещин, просадок, колей, выбоин, поперечных волн («гребенки»). При колебаниях кузова вследствие переменного давления колес покрытие истирается неравномерно. Неровности покрытия воздействуют на автомобиль, увеличивая колебания кузова и колес.

Автомобиль рассматривают как колебательную систему, состоящую из трех частей (масс); подрессоренной М и двух неподрессоренных т₁ и т₂ (рис. 4.6). К подрессоренной массе относят кузов с расположенной в нем нагрузкой b, раму с установленными механизмами. Неподрессоренными массами являются мосты (оси) в сборе, т.е. с тормозами, колесами, шинами.

Рис. 4.6. Колебательная система автомобиля

Практическое значение имеют линейные вертикальные колебания кузова (покачивание), его угловые колебания в продольной плоскости автомобиля (галопирование), угловые колебания в поперечной плоскости (пошатывание), колебание осей (мостов) в вертикальной плоскости.

Частота возмущающей силы при периодическом воздействии неровностей дороги на колеса автомобиля

 где                                                                                                                 (4.12)

S - длина неровности, м.

Связь между частотой возмущающей силы, размерами неровностей проезжей части и скоростью движения Р.В. Ротенберг рекомендует устанавливать по характеристике плавности хода автомобиля (рис. 4.7). Подобные характеристики составляют исходя из удовлетворения трем критериям допустимых колебаний автомобиля.

Недопустимы колебания автомобиля, при которых: нарушается удобство езды (спокойствие, комфортабельность) пассажиров и водителей вследствие быстрой и интенсивной утомляемости; не обеспечивается устойчивость грузов в кузове; наступает опасность для прочности рессор, шин и других частей автомобиля из-за возникновения в них повышенных напряжений. Поданным проф. А.К. Бируля, при удовлетворении первого критерия второй и третий удовлетворяются автоматически.

Рис. 4.7. Характеристика плавности хода автомобиля:
I - недопустимые колебания; II - допустимые; III - вполне допустимые: у_q - высота неровностей

Степень ощущения человеком колебаний определяют по формуле Целлера

e = 101g(L¹L₀), где                                                                                                              (4.13)

L - энергия колебаний автомобиля, отнесенная к единице массы и к периоду колебания, см²/с³;

L₀ - относительная энергия колебания автомобиля, которая соответствует началу ощущения колебаний человеком, равная 0,5 см²/с³ (порог раздражения).

Значение e, равное единице, называют палем. Колебания и связанные с ними ощущения характеризуют числами палей (табл. 4.5).

Таблица 4.5

Шкала степени ощущения человеком колебаний автомобиля

Неровности на покрытии вызывают дополнительное сопротивление движению, возникновение которого обусловлено затратой энергии на возбуждение колебаний кузова и колес. Эта энергия непрерывно рассеивается из-за межмолекулярного трения в рессорах, в узлах и деталях подвески, в шинах, на поверхности контакта колес с дорогой; дополнительное сопротивление обусловлено также рассеиванием энергии при ударах колес о неровности покрытия и осей (мостов) об ограничители хода.

Фактическое сопротивление движению на покрытиях с разной степенью ровности можно определить по формуле А. К. Бируля

P_f = 0,01 + 10^-6aS_ТХКV², где                                                                                                 (4.14)

a - коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей ходовых частей автомобилей (0,7 - для грузовых и 0,5 - для легковых);

V - скорость автомобиля, м/с;

S_ТХК - показатель толчкомера, см/км (см. гл. 3).

Степень ровности покрытия, обеспечивающая заданную расчетную скорость, зависит от допустимых амплитуд и ускорения колебаний автомобилей.

В реальных условиях размеры и расположение неровностей носят случайный характер. Каждое колесо на неровном покрытии испытывает множество нерегулярных импульсов, общий эффект которых вызывает сложные колебательные процессы автомобиля. При исследовании взаимодействия автомобиля и дороги Н.Я. Говорушенко применил теорию случайных (стохастических) функций. Сочетание этой теории с измерением ровности покрытий толчкомером ХАДИ позволило Н.Я. Говорушенко установить связь между суммой амплитуд (в см на 1 км дороги) относительных перемещений кузова и колес автомобиля (прогиб рессор) S_ТХК, средним квадратичным значением высот неровностей дороги s_q, средней длиной неровности S и скоростью V:

 где                                                                                      (4.15)

d - коэффициент, зависящий от параметров подвески автомобиля и нагрузки на автомобиль;

а₁ - коэффициент корреляции.

На основании показания толчкомера и условий измерения ровности зависимость (4.15) позволяет судить о характере микропрофиля покрытия и обеспечиваемой скорости движения.

4.2. Воздействие автомобильных нагрузок на дорожные одежды

В зависимости от дорожных условий (горизонтальные участки прямолинейные в плане, участки с продольным уклоном, участки на кривых в плане, участки на кривых в продольном профиле и др.), а также от режима движения (равномерное движение с постоянной скоростью, ускоренное или замедленное движение и др.) в процессе движения автомобиля по дороге на дорожную одежду действуют различные силы взаимодействия между колесами автомобиля и дорожной конструкцией.

К ним относятся силы, нормальные к поверхности проезжей части, и силы, касательные к поверхности проезжей части, которые, в свою очередь, подразделяют на силы, направленные вдоль траектории движения колес, или продольные, и силы, направленные перпендикулярно к траектории движения колес, или поперечные.

Нормальная сила давления колеса (от веса автомобиля), воздействующая на дорожную одежду, является основной расчетной нагрузкой для ее проектирования и расчета на прочность.

Механическая энергия от двигателя автомобиля через его трансмиссию передается на ведущие колеса в виде вращающего момента, который вызывает появление пары сил. Одна из них, окружная сила, приложенная в плоскости проезжей части к площадке контакта шины с покрытием, стремится сдвинуть его верхний слой в сторону, противоположную направлению движения автомобиля, а вторая - тяговое усилие - передается через ведущий мост и рессоры на раму автомобиля и вызывает его движение. Кроме того, в результате взаимодействия ведущих колес и покрытия в плоскости проезжей части в зоне контакта шины с покрытием возникает реактивная тангенциальная сила (касательная реакция), практически равная окружной силе (или тяговому усилию) и направленная в сторону движения автомобиля. Ее наибольшее возможное значение ограничено силой сцепления шины с покрытием, когда автомобиль может двигаться без скольжения (буксования) колес.

Напряжения, возникающие в дорожной одежде при проезде автомобиля от действия нормального и тангенциального усилий, затухают с глубиной (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Напряжения от колес автомобилей в многослойной дорожной одежде:
а - эпюра вертикальных напряжений s_z; б - эпюра горизонтальных напряжений s_x;
1 - покрытие: 2 - основание; 3 - дополнительный слой основания; 4 - подстилающий грунт; 5 - напряжения в дорожной одежде; 6 - напряжения в однородном грунте

Воздействие автомобиля на дорожную одежду характеризуется нагрузкой, приходящейся на ось, удельным давлением в зоне контакта колеса автомобиля с покрытием, временем приложения нагрузки, частотой ее повторения и динамичностью приложения. Величина осевой нагрузки зависит от грузоподъемности автомобиля, количества осей и схемы их расположения. Время приложения нагрузки зависит от скорости движения автомобиля, а число приложений и интервал между ними непосредственно зависят от интенсивности движения и ее распределения по часам суток.

Указанные показатели автомобильных нагрузок определяют их воздействие на дорожную одежду, ее напряженно деформированное состояние, износ, работоспособность и срок службы.

В качестве расчетного используют наиболее тяжелый автомобиль из систематически обращающихся по дороге, доля которого составляет не менее 10 % с учетом перспективы изменения состава движения к концу межремонтного срока. Расчетной схемой нагружения дорожной одежды колесом автомобиля является гибкий круговой штамп диаметром D, передающий равномерно распределенную нагрузку величиной Р. Величина расчетного удельного давления колеса на покрытие Р и расчетного диаметра D приведенного к кругу отпечатка расчетного колеса назначают с учетом параметров расчетных автомобилей. Величину Р принимают равной давлению воздуха в шинах. Диаметр расчетного отпечатка шины D определяют из зависимости:

где                                                                                                         (4.16)

Q_расч - расчетная величина нагрузки, передаваемой колесом на поверхность покрытия, кН;

Р - давление, МПа.

При проектировании дорожных одежд в качестве расчетных принимают нагрузки, соответствующие предельным нагрузкам на ось расчетного двухосного автомобиля. Если в задании на проектирование расчетная нагрузка не оговорена специально, за расчетную принимают нагрузку, соответствующую расчетному автомобилю группы А. Порядок приведения изложен в п. 1.3. Данные о нагрузках, передаваемых на дорожное покрытие автомобилями, выпускаемыми серийно, принимают по специальным справочникам.

Исследования проф. В.Ф. Бабкова показали, что при движении транспортных средств по неровной поверхности давление колеса на покрытие то возрастает по сравнению со статическим, то убывает. Отношение напряжения (деформации), вызванного динамическим действием нагрузки, к напряжению (деформации), вызванному статическим действием той же нагрузки, называют коэффициентом динамичности нагрузки, или динамическим коэффициентом. Его зависимость от скорости для различных покрытий показана на рис. 4.9 и 4.10.

Рис. 4.9. Зависимость динамического коэффициента от скорости автомобиля на покрытии с неровной поверхностью (данные В.Ф. Бабкова)

Рис. 4.10. Зависимость динамического коэффициента (l_д/l_ст) от скорости автомобиля по дорогам с разными типами покрытия (данные В.Ф. Бабкова):
1 - асфальтобетонное покрытие; 2 - обработанное битумом щебеночное покрытие с неровной поверхностью; 3 - щебеночное покрытие с выбоинами; 4 - булыжная мостовая

Опыты показывают, что на ровном покрытии, содержащем органическое вяжущее, с повышением скорости автомобиля коэффициент динамичности по деформации не возрастает, а убывает, так как существенно проявляются реологические свойства покрытия и подстилающего грунта, вследствие чего деформации в них не успевают полностью произойти из-за кратковременного давления катящегося колеса при значительных скоростях. В этом случае фактор времени (скорости приложения нагрузки) эквивалентен влиянию уменьшения давления на одежду и грунтовое основание. Следует отметить, что приведенные данные нуждаются в корректировке и уточнении в связи с существенными изменениями систем подрессоривания и динамических свойств автомобилей.

Наряду с вертикальными нагрузками на покрытие воздействуют горизонтальные (тангенциальные) усилия. Они вызываются трением шины о покрытие при передаче тягового усилия и торможении автомобиля, ударами колес при наездах на неровности покрытия и трением о покрытие шины при неподвижном автомобиле. Наибольшего значения горизонтальное усилие F_max достигает при резком торможении автомобиля и хорошем сцеплении шины с покрытием. В этом случае

F_max = р×j×т , где                                                                                                                  (4.17)

m - коэффициент, учитывающий режим движения автомобиля (изменяется от 1,1 до 1,4).

Напряжения в дорожной конструкции, обусловленные действием касательных усилий на покрытие, сравнительно быстро затухают по мере удаления от поверхности в глубину и наиболее опасны в пределах верхних слоев. Поэтому касательные усилия учитывают лишь при оценке прочности и сдвигоустойчивости самого покрытия.

Расчет дорожных одежд на перегонных участках ведут на кратковременное (динамическое) и многократное действие подвижной нагрузки. Продолжительность действия нагрузки для средних условий современных скоростей автомобиля и размеров отпечатка колеса принимают равной 0,1 с. В этом случае значения модуля упругости и прочностных характеристик материалов и грунта также соответствуют длительности действия нагрузки 0,1 с.

На пересечениях в одном уровне с автомобильными и железными дорогами и на автобусных остановках расчет дорожной одежды осуществляют как на кратковременное многократное, так и длительное (статическое) однократное нагружение. На стоянках дорожную одежду рассчитывают на длительное однократное нагружение.

В случае длительного действия нагрузки в расчет принимают значения модулей упругости материалов и грунтов и их прочностные характеристики, соответствующие продолжительности нагружения более 10 мин.

Суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки в точке на поверхности конструкции за срок службы определяют по формуле

                                                                                (4.18)

или по формуле:

 где                                                                                        (4.19)

f_noл - коэффициент, учитывающий число полос движения и распределение движения по ним, определяемый по табл. 4.6;

п - число марок автомобилей;

N_1m - суточная интенсивность движения автомобилей m-й марки в первый год службы (в обоих направлениях), авт./сут;

N_p - приведенная интенсивность на последний год срока службы, авт./сут;

S_mсум - суммарный коэффициент приведения воздействия на дорожную одежду транспортного средства m-й марки к расчетной нагрузке Q_расч [72];

k_п - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого (табл. 4.7);

Т_рдг - расчетное число расчетных дней в году, соответствующих определенному состоянию деформируемости конструкции (определяемое по табл. 4.8);

Таблица 4.6

Примечание. Порядковый номер полосы считается справа по ходу движения в одном направлении. Для расчета обочин принимают f_noл = 0,01.

Таблица 4.7

Таблица 4.8

Рекомендуемые значения Т_рдг в зависимости от местоположения дороги

Примечания: 1. Расчетным считается день, в течение которого сочетание состояния грунта земляного полотна по влажности и температуре асфальтобетонных слоев конструкции обеспечивают возможность накопления остаточной деформации в грунте земляного полотна или малосвязных слоях дорожной одежды. 2. Значения величины Т_рдг на границах районов следует принимать по наибольшему из значений.

К_с - коэффициент суммирования (табл. 4.9) определяют по формуле:

 где                                                                                                                    (4.20)

Т_сл - расчетный срок службы. При отсутствии региональных норм расчетный срок службы дорожной одежды допускается назначить в соответствии с рекомендациями табл. 4.10;

q - показатель изменения интенсивности движения данного типа автомобиля по годам.

Таблица 4.9

Таблица 4.10

Рекомендуемый расчетный срок службы конструкции

4.3. Влияние климата и погоды на состояние дорог и условия движения автомобилей

Климат и погода - составные части природных факторов, которые существенно влияют на транспортно-эксплуатационные характеристики дорог, на режим и безопасность движения, т.е. на условия движения по дороге и режим ее функционирования [10, 12].

Условия движения - та реальная обстановка на дороге, в которой осуществляется движение автомобиля, включающая в себя дорожные условия, транспортный поток и состояние окружающей среды, под которой подразумевают погодно-климатические условия. Погодно-климатические условия существенно влияют на состояние поверхности дороги, по которой движется автомобиль, которую видит и воспринимает водитель при выборе режима движения. При анализе этого влияния различают следующие понятия и определения.

Погода, погодные условия, условия погоды и метеорологические условия используются как синонимы и означают состояние атмосферы, которое характеризуется совокупностью значений метеорологических явлений, факторов или элементов в данном месте, в данный момент.

Климатические или метеорологические явления, элементы (факторы) - это отдельные характеристики состояния атмосферы, которые наблюдаются на метеостанциях (атмосферное давление, температура, влажность воздуха, ветер, осадки, туман, метель и т.д.).

Каждый метеорологический фактор характеризуется вероятностью появления (повторяемостью), продолжительностью действия и последействия, интенсивностью. Данные о вероятности появления, продолжительности действия и интенсивности приведены в климатических справочниках или могут быть получены на ближайшей к дороге метеостанции.

Продолжительность последействия. Время с момента прекращения данного метеорологического явления до прекращения действия его последствий на состояние дорог и условия движения (например, время просыхания поверхности дороги после прекращения дождя) может быть получено только путем наблюдений в различные периоды года.

Климат (климатические условия) - статистический режим условий погоды за длительный период времени (от одного года до многих десятилетий), т.е. это закономерная последовательность атмосферных процессов в данной местности, обусловливающая характерный для этой местности режим погоды. Микроклимат - климат небольшой территории, возникающий под влиянием различий рельефа, растительности, состояния почвы, наличия водоемов, застройки и т.д. Воздействие метеорологических факторов на условия движения передается через состояние поверхности дороги, взаимодействие автомобиля с дорогой и восприятие условий движения водителем. Состояние поверхности дорог оценивается качественными характеристиками: сухое, влажное, мокрое (чистое и загрязненное), заснеженное (покрытие с рыхлым снегом или уплотненным слоем снега - снежный накат), гололед и т.д.

Условия движения в период действия неблагоприятных метеорологических явлений значительно сложнее, чем при сухом, чистом покрытии и обочинах. Различия определяются рядом факторов, основными из которых являются:

снижение сцепных качеств покрытия, изменение взаимодействия автомобиля с дорогой, ухудшение ровности покрытия под влиянием осадков, гололеда, тумана, повышенной влажности воздуха и других факторов;

увеличение сопротивления движению из-за отложений снега, грязи, гололеда, неровностей на дороге, в результате чего снижается свободная мощность двигателя автомобиля;

изменение очертания и внешнего вида проезжей части и обочин, параметров поперечного профиля из-за снежных отложений и образования полос наката, что приводит к изменению восприятия дороги водителем;

уменьшение метеорологической видимости в период туманов, осадков, пурги, пыльных бурь, слепящего действия солнца, изменяющих восприятие условий движения водителем;

ухудшение эксплуатационно-технических качеств автомобиля, прежде всего систем, обеспечивающих удобство и безопасность движения, к которым относятся тормоза, рулевое управление, обзорность, видимость, сигнальная система.

Степень влияния метеорологических явлений на режим и безопасность зависит от интенсивности метеорологического явления и скорости движения автомобиля (табл. 4.11).

Таблица 4.11

Метеорологические факторы и условия движения на автомобильных дорогах

Примечание. О - опасные, ОО - особо опасные, МО - малоопасные.

Каждому периоду года соответствуют свои характерные условия погоды, оказывающие существенное влияние на формирование состояния поверхности дороги и условий движения. К зимнему относят период, характеризующийся устойчивой средней суточной температурой воздуха ниже 0 (рис. 4.11). В некоторых случаях под зимним подразумевают период с начала образования устойчивого снежного покрова до момента его схода. На большей части территории России зимний период самый длительный, продолжительность его колеблется от 20 до 260 дней в году.

Рис. 4.11. Продолжительность характерных периодов года:
I - зимний период; II - осенний и весенний переходные периоды; III-летний период

Переходные периоды - весенний и осенний с неустойчивой погодой, при которой наблюдаются осадки всех видов (твердые, жидкие и смешанные). Весенним считается период со средней суточной температурой воздуха от 0 до +15°С. В целом этот период, отличающийся резкими переходами от потепления к похолоданиям, длится от 30 до 60-80 сут.

Осенним принято считать период, характеризующийся понижением температуры от +15°С до 0. Общее количество осадков осенью меньше, чем летом, но продолжительность их выпадения значительно больше. Длительность осеннего периода на территории страны колеблется в широких пределах - от 70 до 120 сут.

Летний период ограничен датами перехода средней суточной температуры через +15°С. Летом увеличивается количество осадков, но сокращается продолжительность их выпадения.

Для большинства районов страны наиболее трудные условия движения наблюдаются в зимний и осенне-весенний периоды, а для районов с жарким и сухим климатом - в летний период. Наиболее трудные периоды года и должны быть приняты за расчетные при выборе методов и средств обеспечения удобства и безопасности движения. Основные характеристики погодно-климатических факторов по их влиянию на условия движения приведены в табл. 4.12.

Таблица 4.12

Характеристики погодно-климатических факторов, влияющих на условия движения

Примечания: 1. Длительность последствия на дорогах с высоким уровнем содержания. 2. То же, на дорогах с допустимым уровнем содержания.

Каждому периоду года соответствуют свои наиболее характерные состояния поверхности дороги, которые могут распространяться на полную ширину проезжей части и обочин, охватывать большие протяжения дорог или захватывать небольшую часть покрытия, образуя отдельные пятна в зависимости от метеорологических условий, параметров и характеристик дорог, интенсивности и состава движения, а также уровня содержания дороги.

В летний период наиболее часто наблюдается сухое чистое покрытие, сухие обочины и в целом благоприятные условия движения. В переходные периоды года наиболее часто наблюдается влажное и мокрое покрытие и грязные, разрушенные обочины.

При выпадении осадков в виде дождя на поверхности покрытия образуется слой воды, который начинает заметно влиять на сцепные свойства уже при толщине пленки более 0,2 мм, снижая адгезионную составляющую силы трения. Коэффициент сцепления резко снижается в начальный период дождя, когда образуется густая смазка на поверхности. После того как грязь с поверхности покрытия смыта дождем, коэффициент сцепления несколько увеличивается.

В зимний период года состояние поверхности дороги может колебаться в наибольших пределах. Поверхность дороги зимой может быть сухой и чистой от снега, покрыта слоем сухого рыхлого снега (заснеженной), снежным накатом, мокрым снегом или коркой в виде гололеда или искусственной скользкости, образующейся путем уплотнения и оплавления снега под влиянием движущихся автомобилей.

От климата местности во многом зависит продолжительность различных состояний поверхности дороги. На продолжительность того или иного состояния существенно влияет технический уровень и качество содержания дорог в неблагоприятные периоды года.

Данные о фактической продолжительности состояния поверхности необходимы для определения фактической скорости движения и расхода топлива, себестоимости перевозки и многих других технических и экономических расчетов. Впредь до накопления указанных данных продолжительность различных состояний поверхности дороги можно определять по формуле

 где                                                                                          (4.21)

- коэффициенты длительности состояний (сухого, мокрого, заснеженного, снежного наката, гололеда);  - продолжительность летнего, осенне-весеннего и зимнего периодов в данной зоне, сут.

Коэффициент l_i комплексно учитывает влияние климатических факторов, интенсивности движения, технического уровня и качества содержания дороги (табл. 4.13).

Таблица 4.13

Значение коэффициента длительности состояния покрытия (данные проф. А. П. Васильева)

Примечания: 1. Большие значения l для сухого покрытия (соответственно меньшие для мокрого) в летний и переходные периоды принимают при наличии краевых укрепленных полос или укрепленных обочин. 2. Для зимнего периода коэффициент назначают с учетом уровня оснащения службы эксплуатации машинами и оборудованием для зимнего содержания, принятого в проекте. Минимальное значение для мокрого покрытия, рыхлого снега, снежного наката и гололеда на покрытии принимают при 100 %-ной оснащенности по сравнению с нормативной, соответственно максимальные значения принимают при оснащенности, не превышающей 50 %.

Продолжительность периодов года определяют по многолетним данным изменения среднесуточной температуры воздуха, получаемым из климатических справочников.

Каждому периоду года соответствует характерное состояние поверхности. За расчетные могут быть приняты следующие состояния поверхности.

В зимний период: а) слой рыхлого снега на покрытии и обочинах лежит только во время снегопадов и метелей в перерывах между проходами снегоочистительных машин; б) проезжая часть чистая, без снега, уплотненный снег и лед имеется на прикромочных полосах, а рыхлый - на обочинах; в) проезжая часть покрыта слоем плотного снежного наката, на обочинах - слой рыхлого снега; г) на поверхности покрытия гололед; д) поверхность дороги влажная, имеется рыхлый мокрый снег или слой снега и льда, растворенного хлоридами.

Схемы а), б), г), д) служат расчетными для дорог I-III категорий, схемы б), в) для III и IV категорий. Расчетную толщину слоя рыхлого снега на покрытии принимают в зависимости от защищенности дороги от снежных заносов и оснащенности дорожной службы машинами для зимнего содержания, но не менее 10 мм.

В осенне-весенние переходные периоды: а) вся поверхность мокрая чистая; б) проезжая часть мокрая чистая, прикромочные полосы загрязнены; в) проезжая часть мокрая загрязненная.

Схему а) принимают за расчетную для дорог I и II категорий с обочинами, укрепленными на всю ширину каменными материалами с применением минеральных или органических вяжущих. Схема б) относится к дорогам или участкам с укрепленными краевыми полосами и неукрепленными обочинами или имеющим обочины, укрепленные щебеночными и гравийными материалами без вяжущих. Схема в) относится к дорогам без укрепленных краевых полос и обочин.

В летний период: сухие и чистые покрытия и обочины.

Каждому расчетному состоянию покрытия соответствует определенный коэффициент сопротивления качению и коэффициент сцепления, зависящие от скорости.

Изменение ширины проезжей части и обочин по сезонам года. Фактически используемая для движения автомобилей ширина проезжей части и ширина обочин на одном и том же участке дороги является величиной переменной и колеблется в широких пределах в различные сезоны года в зависимости от погодно-климатических условий, конструктивных особенностей земляного полотна, проезжей части, краевых полос, обочин, а также от уровня содержания дороги (рис. 4.12). Фактически используемую ширину чистой укрепленной поверхности определяет по формуле

В_1ф = В_пр + 2b – 2b₁, где                                                                                                       (4.22)

В_пр - проектная ширина проезжей части, м;

b - ширина краевой укрепленной полосы, м;

b₁ - ширина полосы загрязнения краевой укрепленной полосы или прикромочной полосы проезжей части, м.

Рис. 4.12. Характерные поперечные профили дорог в различные периоды года:
а - летом; б - осенью и весной при неукрепленных обочинах; в - зимой на участках, не имеющих помех для снегоочистки; г - зимой на участках, имеющих помехи для снегоочистки; д, е - при неполной очистке снега;
1 - уплотненный снег; 2 - рыхлый снег; 3 - колеи наката;
а - ширина загрязненных полос осенью и весной; а₁ - ширина обочин; а₂ - фактическая ширина обочин зимой; b₁ - ширина проезжей части; b₂ - ширина чистой проезжей части; b₃ - используемая ширина проезжей части; с - ширина полос наката из снега или льда; В₁ - ширина земляного полотна; В₂ - ширина дороги зимой

Летом в сухую погоду во всех климатических зонах в основном сохраняются проектные параметры поперечного профиля дорог и движение происходит по всей ширине проезжей части. Обочины в этот период находятся в сухом плотном состоянии.

В переходные периоды года и особенно осенью изменения фактической ширины проезжей части начинаются с выпадением дождей, понижением и увеличением относительной влажности воздуха, а весной при таянии снега. Это происходит за счет загрязнения проезжей части, которое зависит от типа грунта обочин, их ширины и типа укрепления, общей ширины проезжей части, наличия въездов и съездов без твердого покрытия. Занесенная транспортом на проезжую часть грязь под действием движения перемещается к кромкам и откладывается на прикромочной полосе проезжей части (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Характерные состояния обочин в переходные периоды года:
а - при наличии краевых укрепленных полос; б - укрепление на всю ширину; в - без укрепления;
1 - чистая поверхность; 2 - слой пыли или грязи; 3 - колеи и неровности на обочине

При отсутствии укрепленных обочин сокращение проезжей части из-за загрязнения составляет 0,6-1,2 м. На участках с укрепленными на всю ширину обочинами сокращения ширины проезжей части почти не происходит. Характерным для зимних условий является исчезновение четких очертаний границ земляного полотна и сглаживание его форм. В районах с длительным зимним периодом, частыми снегопадами и метелями при регулярной снегоочистке на прикромочных полосах обочин и проезжей части образуется ровный плотный слой снега шириной 0,2-0,6 м и толщиной 2-10 см, по которому может происходить движение автомобилей (рис. 4.14). Фактическая ширина проезжей части, используемая для движения на дорогах с хорошим зимним содержанием, как бы увеличивается. Поэтому на отдельных участках дорог зимой могут быть лучшие условия для движения, чем летом. Средняя ширина фактически используемой полосы движения составляет 8-8,5 м, т.е. больше, чем ширина проезжей части. Интересно отметить, что эту ширину водители выбирают в течение всей зимы и, по-видимому, она является наиболее предпочтительной для двухполосного движения. Ширина прикромочных полос уплотненного снега колеблется от 0,2 до 2,5 м с каждой стороны. При отсутствии регулярной снегоочистки фактическая (чистая) ширина проезжей части резко сокращается или исчезает полностью и движение осуществляется по слою рыхлого или уплотненного снега.

Рис. 4.14. Параметры и состояние обочин зимой:
а - при тщательной очистке снега; б - при образовании вала снега на участках ограждений, сигнальных столбиков; а_П - проектная ширина обочины; а_ф - фактическая ширина обочины

В районах, где зимы теплые, малоснежные, снег зимой часто тает и полосы наката на кромках проезжей части не образуются. Характерной особенностью состояния дорог в зимний период является значительное колебание ширины чистой проезжей части по длине дороги и во времени. Большие сужения происходят на снегозаносимых участках дорог, участках установки ограждений, парапетов и направляющих столбиков, которые способствуют образованию снежных отложений и мешают уборке снега. Особенно неблагоприятные условия создаются на кривых малого радиуса (до 300 м) в плане, на которых устанавливаются ограждения, затрудняющие и без того сложные условия снегоочистки, на развязках дорог в одном и разных уровнях.

4.4. Районирование территории по условиям движения на дорогах

Вероятность появления, интенсивность и длительность метеорологических факторов в различных регионах различна. Региональный характер изменения погодно-климатических условий на территории страны приводит к тому, что автомобильные дороги одинаковых технических характеристик в одних регионах обеспечивают круглогодичное удобное и безопасное движение с высокими скоростями, а в других на таких же дорогах в отдельные периоды года наблюдается движение с пониженными скоростями и повышенной аварийностью.

Для комплексной оценки климата различных регионов проф. А.П. Васильев предложил показатель влияния климата на условия движения автомобилей

 где                                                                                                             (4.23)

 - коэффициент обеспеченности расчетной скорости на эталонном участке дороги в эталонных метеорологических условиях;

К_сг - среднегодовой коэффициент обеспеченности расчетной скорости на эталонном участке дороги с учетом влияния на состояние поверхности дороги и режим движения всего комплекса погодно-климатических факторов, характеризующих климат данного района.

Физический смысл этого показателя заключается в том, что он показывает долю среднегодового снижения максимальной скорости движения на эталонном участке дороги под воздействием погодно-климатических факторов. Чем больше величина показателя влияния климата на условия движения П_к, тем значительнее его отрицательное воздействие на режим движения транспортных потоков. Таким образом, этот показатель позволяет количественно сравнивать климат различных регионов страны по степени влияния на условия движения.

Аналогично может быть оценено и изменение условий движения автомобилей в одном и том же регионе, но в различные периоды года. При этом необходимо учесть неравномерность изменения интенсивности движения по этим периодам:

 где                                                                                         (4.24)

 - среднесезонный коэффициент обеспеченности расчетной скорости на эталонном участке дороги;

Д_сез - длительность сезона, сут;

К_и - коэффициент учета неравномерности движения по сезонам года (см. п. 6.5).

Чем больше величина показателя влияния сезонных погодно-климатических факторов на условия движения, тем более трудным для движения является этот период, а сумма сезонных показателей дает величину показателя влияния климата данного региона, то есть

П_к = П_л + П_з + П_П, где                                                                                                         (4.25)

П_л, П_з, П_П - соответственно показатели влияния сезонных погодно-климатических факторов для летнего, зимнего и переходных периодов.

Показатель влияния климата и сезонных погодно-климатических условий позволяет осуществить районирование страны по условиям движения, т.е. выделить районы с различными расчетными периодами. Для большинства районов нашей страны наиболее трудные условия движения наблюдаются в зимний и осенне-весенний периоды, а для районов с жарким и сухим климатом - летний период. Наиболее трудные периоды года по условиям движения и должны быть приняты за расчетные при выборе методов и средств обеспечения удобства и безопасности движения. На основании выполненных исследований предложено районирование территории страны по влиянию климата на состояние поверхности дорог и условия движения (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Районирование территории СССР по условиям движения на автомобильных дорогах

Зона I с зимним расчетным периодом. К этой зоне отнесены районы, где зимний период составляет не менее 125 суток в году. Расчетным для этой зоны является движение по заснеженному, скользкому покрытию при наличии суженной проезжей части. В пределах I зоны выделены подзоны с некоторыми отличительными признаками.

Подзона IA характеризуется тем, что здесь зимний расчетный период является единственным, поскольку переходные периоды очень короткие (20-60 сут в году) и ими можно пренебречь. Скользкость покрытия определяется только гололедом и наличием накатанного или рыхлого слоя снега на покрытии.

Подзона IБ характерна тем, что ее зимний расчетный период дополняется значительным по длительности (60-100 сут) переходным периодом. Следовательно, в подзоне IБ необходимо конструктивные и организационные мероприятия дополнять мероприятиями, рассчитанными на обеспечение удобства и безопасности в переходные периоды года.

Подзона IB близка по характерным особенностям к зоне II, так как длительность переходного периода достигает 120 сут. Расчетными условиями являются скользкость и сужение проезжей части из-за наличия гололеда, снежных отложений, выпадения осадков и грязных обочин, то есть в этой подзоне необходимы мероприятия, характерные для зимнего и переходных периодов.

Зона II характерна тем, что расчетными являются переходные периоды, которые длятся 40-110 сут, а зимний период 40-125 сут. Зимы в этих районах малоснежные с частыми оттепелями, поэтому расчетным состоянием дорог можно считать повышенную скользкость покрытия из-за увлажнения и загрязнения покрытия на обочинах и переходных полосах.

Зона III характеризуется летним расчетным периодом, так как зимний и осенне-весенний периоды весьма короткие и вместе составляют 90-110 сут. Основными расчетными условиями являются движение в период высокой температуры воздуха, а поверочными - условия движения в период выпадения дождей. К зоне III могут быть отнесены южные районы Кавказа и районы Средней Азии.

Для горных районов расчетный период рекомендуется определять для каждого характерного участка дороги по высоте, так как в зависимости от высоты местности над уровнем моря погодно-климатические условия значительно изменяются.

Районирование по условиям движения коррелируется с дорожно-климатическим районированием. Однако границы зон отличаются одна от другой. Так, зона I по условиям движения включает в себя зону I, II и III дорожно-климатического районирования. Зона II районирования по условиям движения примерно соответствует зоне IV дорожно-климатического районирования, а зона III соответствует зоне V.

4.5. Воздействие природных факторов на дорогу

Транспортные средства воздействуют на дорогу обычно одновременно с факторами, зависящими от природно-климатических условий (водой, температурой, ветром, солнечной радиацией).

Из всего разнообразия природно-климатических факторов наибольшее влияние на состояние дорог и на условия движения автомобилей оказывают грунтово-геологические и гидрологические условия, рельеф и ландшафт местности, а также погодно-климатические условия или факторы.

Из грунтово-геологических и гидрологических факторов выделяют тип и характеристики грунтов земляного полотна и подстилающих слоев, глубину промерзания, глубину и характер залегания грунтовых вод, условия стока поверхностных вод.

К погодно-климатическим факторам относятся: атмосферное давление, солнечная радиация, температура и влажность воздуха, осадки (дождь, снегопад, ветер, метель, гололед, туман), а также сочетание этих факторов. Воздействие погодно-климатических факторов формирует водно-тепловой режим земляного полотна (ВТР), под которым понимают закономерные сезонные изменения в полотне и слоях одежд влажности и температуры.

В дорожной конструкции (дорожная одежда + земляное полотно) происходят сложные процессы: нагревание, охлаждение, промерзание, оттаивание, испарение, конденсация, сублимация, облимация. В результате в дорожной конструкции систематически происходят диффузионные процессы тепла и влаги, называемые тепломассопереносом или тепловлагообменом (ТВО), обусловливающие колебание влажности и температуры.

Изменение характеристик ВТР существенно влияет на прочность, долговечность полотна и дорог, приводит к снижению транспортно-эксплуатационных свойств дорог.

Степень действия среды на дорогу в конечном итоге определяется видом и мощностью источников увлажнения дорожной конструкции и интенсивностью температурных воздействий.

Дорожная одежда и земляное полотно (рис. 4.16) должны быть запроектированы таким образом, чтобы даже весной, т.е. в самый неблагоприятный для службы дорог период расчетного года, обеспечивалась требуемая по условиям движения прочность конструкции (К_пр ³ 1,0) и наряду с этим она обладала необходимой морозоустойчивостью (наибольшее зимнее поднятие - пучение поверхности покрытия - примерно равно 40 мм).

Рис. 4.16. Схема круглогодичного цикла водно-теплового режима и состояния конструкции дорожной одежды во II дорожно-климатической зоне:
1 - уровень подземных вод; 2 - ход промерзания конструкции; 3 - ход оттаивания конструкции; 4 - зимнее пучение; 5 - осадка покрытия при оттаивании конструкции; 6 - изменение влажности W_OTH грунта земляного полотна (в долях W_T); 7 - то же, степени плотности К_пл; 8 - то же, модуля упругости Е_у; 9 - то же, сцепления С; 10 - изменение коэффициента прочности дорожной одежды К_np; 11 - асфальтобетон; 12 - щебень; 13 - песок средней крупности; 14 - легкий пылеватый суглинок (цифры в кружках обозначают величины угла внутреннего трения грунта в градусах)

Основные источники увлажнения дорожной конструкции (рис. 4.17): атмосферные осадки, просачивающиеся через трещины в покрытии, обочины (особенно в местах сопряжения с проезжей частью); вода, застаивающаяся на поверхности полотна, в боковых резервах и кюветах вследствие затрудненного поверхностного стока и увлажняющая грунт земляного полотна в процессе молекулярного и капиллярного передвижения; подземная вода, поднимающаяся по капиллярам, особенно при промерзании конструкции и близком к поверхности дороги залегании подземных вод; парообразная вода, перемещающаяся от теплых слоев к более холодным. Зимой при промерзании конструкции вода может передвигаться снизу вверх и концентрироваться у фронта промерзания, повышая влажность грунта.

Рис. 4.17. Схема источников увлажнения дорожной конструкции:
1 - атмосферные осадки; 2 - вода в канавах; 3 - подземная вода; 4 - песчаное основание

Интенсивность температурных воздействий. Степень опасности водно-теплового режима по этому виду воздействий характеризуют продолжительностью морозного периода в днях Т_х, равного периоду между датами перехода температуры воздуха через 0 осенью и весной; минимальной t_min b или средней  температурой воздуха за холодный период; среднемаксимальной температурой воздуха t_max b в наиболее жаркие месяцы, а также комплексными температурными показателями морозным индексом SТ_хt_b в град-днях и размахом R_t = t_max - t_min. Чем выше значения морозного индекса (изменяются от 50 до 2000), размаха Т_х, тем опаснее морозное воздействие среды на дорогу [13].

Физическая теория тепловлагообмена в дорожных конструкциях. Воздействие факторов внешней среды на дорогу вызывает тепловлагообмен в полотне и слоях одежды. Этот процесс является сложным, взаимосвязанным. Изменение температуры вызывает миграцию (медленное движение) влаги. Влагонакопление и переход в иную форму влаги способствует теплообмену. Поэтому процесс тепло- и влагообмена необходимо рассматривать во взаимосвязи.

Установлено, что грунты и слои одежд воздухопроницаемы, поры в них между собой сообщаются. Следовательно, в земляном полотне и слоях одежды имеются условия для массообмена: воздухообмена и парообмена. Обмен возможен в случае, если влажность грунта меньше его полной влагоемкости, то есть W > W_ПB. При полной влагоемкости все поры грунта заполнены жидкой фазой и воздухо- и парообмен прекращается.

В водоненасыщенных грунтах влага содержится в двухфазном состоянии: W_П - водяной пар всегда в насыщенном состоянии (d » 100 %, где d - относительная влажность внутрипорового воздуха) и W_x - жидкая фраза. Соотношение фаз постоянно изменяется и зависит от общей влажности грунта.

В мерзлых грунтах дополнительно возникает твердая фаза - лед, количество которой пропорционально величине . При температуре грунта t_г ниже 0 не вся жидкая фаза переходит в лед вследствие частичного засоления и действия молекулярных сил, исходящих от грунтовых частиц. Температура льдообразования t_л в зависимости от минералогического состава грунта от -0,5°С для песков до -2,5°С для глин. Даже при очень низкой температуре грунта при t_г от -20 до -50°С часть жидкой фазы не промерзает. Поэтому в течение всего морозного периода происходит диффузия водяного пара, миграция жидкой фазы и льдообразование. Жидкая фаза испаряется и замерзает, водяной пар конденсируется на жидкой или твердой фазе.

Теплообмен в дорожных конструкциях происходит за счет трех составляющих. Основная часть тепла передается от частицы к частицам за счет теплопроводности (кондукции). Вторая по удельному весу составляющая теплообмена - это тепло фазовых превращений при промерзании-оттаивании, конденсации-испарении, облимации-сублимации. Третья, конвективная составляющая теплообмена незначительная - 2-3 % и ею можно пренебречь.

Влагообмен протекает за счет наличия потенциалов концентрации жидкой фазы и тепла. Водяной пар диффундирует от мест с большим парциальным давлением Р₁ в места с меньшим давлением Р₂. Поскольку водяной пар находится в насыщенном состоянии и P = f(t_г), то он диффундирует от теплых мест к холодным. Это процесс термодиффузии.

Жидкая фаза мигрирует за счет наличия двух потенциалов - концентрации и температуры. За счет первого потенциала жидкая фаза мигрирует от мест с большой влажностью к местам с меньшей влажностью  (концентрационная миграция). Этот потенциал является преобладающим в миграции жидкой фазы (95-98 %). За счет второго потенциала происходит термомиграция жидкой фазы в количестве 2-5 %.

Грунт обволакивает пленки жидкой фазы. Свободные поры заполняют насыщенный пар. Объяснение процесса миграции жидкой фазы в условиях двухфазовой миграции дает гидротермодинамическая гипотеза, в соответствии с которой давление Р в пленке воды, обусловливающее концентрационную миграцию влаги по обволакивающим пленкам, равно:

 где                                                                                                                    (4.26)

Р_п - парциальное давление водяного насыщенного пара в порах;

s - поверхностное натяжение водяной пленки, обволакивающей грунтовые частицы или агрегаты;

r - радиус кривизны пленки влаги в контакте с паровоздушной смесью.

Выражение (4.26) объясняет сущность тепломассообмена. Так, если соприкасаются две зоны грунта с одинаковой температурой, но разной влажностью: W₁ > W₂, то миграция будет происходить от мест с большей влажностью (W₁) в места с меньшей влажностью (W₂). Это можно объяснить следующим образом. С увеличением влажности W₁ толщина водной пленки увеличивается, при этом s₁ уменьшается, r₁ увеличивается, а давление пара Р_п1, сжимаемого водной пленкой, возрастает. При этом Р₁ увеличивается. Поскольку Р₁ > Р₂, влага мигрирует из зоны W₁ в зону W₂.

Если соприкасающиеся зоны грунта имеют разную температуру: t₁ > t₂, то в теплой зоне давление пара Р_п1 > Р_п2, поверхностное натяжение а, будет меньшим вследствие меньшей вязкости и согласно выражению (4.26) Р₁ > Р₂, т.е. жидкая фаза и водяной пар будут мигрировать из теплой зоны t₁ в холодную t₂.

В результате ухудшения водно-теплового режима могут проявляться следующие негативные явления: избыточное влагонакопление в отдельных зонах полотна вследствие инфильфации воды через трещины в покрытии, через обочины и откосы после дождей или поверхностного стока; увлажнение грунтового основания от горизонта близкого залегания грунтовых вод или от длительного застоя воды в боковых канавах, коллекторах, что наблюдается в районах болот, орошаемых районах; повышенное увлажнение грунта в верхней части земляного полотна к концу морозного (холодного) периода; образование пучин на участках интенсивного морозного влагонакопления; весеннее (или в период зимних оттепелей) разрушение дорожных одежд вследствие переувлажнения грунта и потери прочности; разрушение откосов, прежде всего высоких насыпей, от переувлажнения; разрушение высоких насыпей от скопившейся в теле воды.

При быстрых понижениях температур с переходом ниже 0 образуются температурные трещины в дорожной одежде. Интенсивный прогрев солнечными лучами в летний период приводит к повышению пластичности асфальтобетона, что способствует образованию сдвигов, волн и наплывав на покрытии.

4.6. Водно-тепловой режим земляного полотна в процессе эксплуатации дорог и его влияние на условия работы дорожных одежд

Закономерные изменения в течение года влажности и температуры в придорожном слое воздуха, в слоях дорожной одежды и грунте земляного полотна, обусловленные особенностями данной дорожно-климатической зоны и местных гидрогеологических условий, называют водно-тепловым режимом дорожной конструкции. Он существенно влияет на прочность и морозоустойчивость дорожной конструкции и в конечном итоге на степень ровности проезжей части.

Наиболее значительные сезонные изменения влажности и температуры происходят в земляном полотне.

Годовой цикл водно-теплового режима земляного полотна включает четыре характерных периода:

первоначальное накопление влаги осенью;

промерзание, перераспределение и накопление влаги в земляном полотне зимой;

оттаивание земляного полотна и переувлажнение грунта весной;

просыхание земляного полотна летом.

Осенью (сентябрь-ноябрь) под воздействием потока влаги от атмосферных осадков, проникающих в дорожную конструкцию, и вследствие подъема уровня грунтовых вод грунт увлажняется и перед началом промерзания во II дорожно-климатической зоне осенняя влажность его достигает 0,7W_T (W_T - влажность на пределе текучести грунта). Увеличение влажности сопровождается разуплотнением грунта. Зимой в процессе промерзания земляного полотна, вызывающего приток влаги от уровня грунтовых вод к фронту промерзания, происходит дальнейшее увлажнение и разуплотнение грунта. Прочностные характеристики дорожной конструкции достаточно велики, так как грунт и слои дорожной одежды находятся в мерзлом состоянии. Весной в начале оттаивания земляного полотна грунт наиболее увлажнен и разуплотнен (W @ (0,85-1,00)W_T; K_yпл = 0,85). Этот период принимают за расчетный в работе дорожной одежды.

Инсоляция и нагрев поверхности дороги весной создают поток тепла, проникающий в дорожную конструкцию, который приводит к постепенному просыханию самых верхних слоев земляного полотна. Однако до полного оттаивания влажность талого грунта резко возрастает, плотность его уменьшается, снижаются деформационные (модуль упругости) и прочностные характеристики (угол внутреннего трения и сцепление). Наименьшие значения деформационных и прочностных характеристик наблюдаются в апреле-мае, когда дорожная конструкция обладает наименьшей прочностью.

Летом (июль-август) земляное полотно интенсивно просыхает. Влажность грунта уменьшается примерно до 0,5W_T; летом грунт находится в наиболее уплотненном состоянии и обладает наибольшей прочностью.

В неблагоприятный для службы дорог расчетный период наибольшего ослабления дорожной конструкции ее прочность должна соответствовать требованиям автомобильного движения, кроме того, дорожная конструкция должна обладать необходимой морозоустойчивостью.

Фактическую влажность грунта земляного полотна эксплуатируемых дорог можно получить в результате непосредственных наблюдений за водно-тепловым режимом земляного полотна. Однако далеко не всегда эта влажность будет соответствовать расчетной. Ввиду временной (по сезонам и годам) изменчивости влажности грунта земляного полотна и необходимости оценивать прочность дорожной конструкции с заданным уровнем надежности расчетную влажность грунта устанавливают вероятностным методом. Под расчетной влажностью грунта W_p в этом случае подразумевают максимальное значение средней влажности грунта в пределах активной зоны земляного полотна, наблюдающееся в наиболее неблагоприятный период (время, в течение которого грунт активной зоны наиболее увлажнен) хотя бы в одном году за срок между капитальными ремонтами дорожной одежды.

Таблица 4.14

Примечание. Табличными значениями  можно пользоваться только при обеспечении возвышения земляного полотна в соответствии со СНиП. На участках, где возвышение не обеспечивается (например, в нулевых местах и в выемках с близким залеганием грунтовых вод), величина  назначается индивидуально по данным прогнозов, но она должна быть не менее чем на 0,03 выше табличных значений.

Активной зоной считают верхнюю часть земляного полотна от низа дорожной одежды до глубины 1,3-1,6 м от поверхности покрытия. В этой зоне распространяются значительные напряжения от временных нагрузок, а водно-тепловой режим и состояние грунта наиболее зависимы от погодно-климатических условий.

В соответствии с МОДН 2-2001 «Проектирование нежестких дорожных одежд» расчетную влажность дисперсного грунта W_p (в долях от влажности на границе текучести W_т) при суммарной толщине слоев дорожной одежды Z₁ ³ 0,75 м определяют по формуле:

 где                                                                        (4.27)

 - среднее многолетнее значение относительной (в долях от границы текучести) влажности грунта, наблюдавшееся в наиболее неблагоприятный (весенний) период года в рабочем слое земляного полотна, отвечающего нормам СНиП по возвышению над источниками увлажнения, на дорогах с усовершенствованными покрытиями и традиционными основаниями дорожных одежд (щебень, гравий и т.п.), и при суммарной толщине одежды до 0,75 м, определяемое по табл. 4.14 в зависимости от дорожно-климатической зоны и подзоны, схемы увлажнения земляного полотна и типа грунта. Границы дорожно-климатических зон и подзон приведены в табл. 4.15;

Таблица 4.15

Дорожно-климатические зоны и подзоны

 - поправка на особенности рельефа территории, устанавливаемая по табл. 4.16;

 - поправка на конструктивные особенности проезжей части и обочин, устанавливаемая по табл. 4.17;

Таблица 4.16

Таблица 4.17

Примечание. Поправки  при мероприятиях по п.п. 1 и 2 следует принимать только при 1-й схеме увлажнения рабочего слоя, а по п. 5 - при 2-й и 3-й схемах.

Таблица 4.18

Коэффициент нормированного отклонения

К_н - заданный (требуемый) уровень надежности (вероятность)

t - коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности по табл. 4.18;

D₃ - поправка на влияние суммарной толщины стабильных слоев дорожной одежды, устанавливаемая по графику рис. 4.18.

Рис. 4.18. Графики для определения поправки на влияние суммарной толщины стабильных слоев одежды:
1 - для исходной* относительной влажности 0,75W_m; 2 - то же, для 0,80W_m; 3 - то же, для 0,85W_m; 4 - то же, для 0,90W_m;
* Исходная влажность определяется первым слагаемым в выражении (4.27).

От расчетной влажности земляного полотна существенно зависят деформативные и прочностные характеристики подстилающего дорожную одежду грунта, а также прочность, ровность и долговечность всей конструкцию.

Рекомендуемые нормативные значения механических характеристик грунтов и песчаных конструктивных слоев дорожной одежды приведены в табл. 4.19-4.21.

Таблица 4.19

Нормативные значения сдвиговых характеристик глинистых грунтов в зависимости от расчетной влажности числа приложений расчетной нагрузки

Примечание. Значение сдвиговых характеристик при SN_p = 1 используются при расчете на статическое действие нагрузки. При SN_p > 10 расчетные значения j и С следует принимать по графе «10⁶».

Таблица 4.20

Нормативные значения модулей упругости грунтов

Примечание. Классификация песков дана по ГОСТ 25100-95. Однородные выделяются по указаниям СНиП «Автомобильные дороги».

Таблица 4.21

Расчетные значения угла внутреннего трения и сцепления песчаных грунтов и песков конструктивных слоев в зависимости от расчетного числа приложения расчетной нагрузки SN_p

Примечания: 1. Значения характеристик даны для условий полного заполнения пор водой. 2. В числителе - угол внутреннего трения в градусах, в знаменателе - сцепление в МПа. 3. При SN_p > А×10⁶ расчетные значения j и С следует принимать по графе «10⁶».

4.7. Пучины на автомобильных дорогах и причины их образования.

При сезонном промерзании и оттаивании на дорожной одежде при определенных условиях могут наблюдаться пучины, которые представляют собой деформации и разрушения в виде бугров и сетки трещин. Они возникают в результате пучения (пучинообразования), неоднородных по площади проезжей части взбугриваний дорожной одежды, образующихся при одновременном сочетании следующих трех факторов:

интенсивного морозного влагонакопления, при котором максимальная относительная влажность грунта в верхней части земляного полотна W_max ³ 0,75W_T;

промерзания грунта под дорожной одеждой на глубину h_np > 0,5 м;

наличием мелких пылеватых песков и супесей, пылеватых суглинков и других пучинистых грунтов.

Размер деформации пучения зависит главным образом от влажности грунта, глубины промерзания, продолжительности холодного периода, скорости промерзания грунта, прочности дорожной одежды. Неравномерное морозное пучение может достигать 80-100 мм, что существенно снижает скорость движения автомобилей.

Физическая сущность пучинообразования состоит в накоплении, перераспределении, замерзании и оттаивании воды в порах грунта вследствие сезонных изменений водно-теплового режима земляного полотна и дорожной одежды. В дисперсных грунтах, представляющих собой капиллярно-пористые тела, происходит непрерывный тепломассообмен. С понижением температуры свободно связанная вода замерзает при 0, пленочная и рыхлосвязанная - при -3°С, прочно связанная и в капиллярах вода замерзает при более низкой температуре (-10...-30°С). При промерзании грунта возникает температурный градиент. Незамерзшая часть жидкой фазы перемещается из теплых слоев грунта к холодным, то есть снизу вверх. Процесс миграции воды протекает в зоне изотерм 0...-5°С. При наличии температурного градиента происходит термодиффузия пара от теплых слоев грунта к холодным. Водяной пар, охлаждаясь, конденсируется, увеличивая толщину пленки воды на частицах грунта и на кристаллах льда, и замерзает. Дальнейшее влагонакопление и льдообразование происходит за счет термодиффузии водяного пара. В зоне льдообразования вначале возникают кристаллы, а затем линзы льда.

Льдообразование сопровождается увеличением объема на 9 % и значительным давлением в земляном полотне, что и вызывает поднятие в том числе неравномерное дорожной одежды. В этом и заключается процесс пучинообразования. Весной грунт оттаивает в первую очередь под дорожной одеждой. В этот момент лед переходит в жидкую фазу, которая под действием собственного веса мигрирует вниз и задерживается на мерзлом практически водонепроницаемом грунте. Над мерзлой поверхностью (донником) грунт переувлажняется. Дорожная одежда теряет прочность и под действием нагрузок от транспорта разрушается, ее материал перемешивается с разжиженным грунтом, возникают пучины.

В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна при неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях наряду с требуемой прочностью и устойчивостью должна быть обеспечена достаточная морозоустойчивость дорожных одежд.

С этой целью применяют различные специальные мероприятия:

использование непучинистых или слабопучинистых грунтов (табл. 4.22, 4.23) для сооружения верхней части земляного полотна, находящегося в зоне промерзания;

осушение рабочего слоя земляного полотна, в том числе дренажа для увеличения расстояния от низа дорожной одежды до уровня подземных вод; устройство гидроизолирующих или капилляропрерывающих прослоек для перехода от 2-й или 3-й схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна к 1-й схеме;

Таблица 4.22

Классификация грунтов по степени пучинистости при замерзании (СНиП 2.05.02-85, прил. 2 табл. 6)

Таблица 4.23

Группы грунтов по степени пучинистости (СНиП 2.05.02-85, прил. 2 табл. 7)

устройство морозозащитного слоя из непучинистых минеральных материалов, в том числе укрепленных малыми дозами минеральных или органических вяжущих;

устройство теплоизолирующих слоев, снижающих глубину или полностью исключающих промерзание грунта под дорожной одеждой;

устройство основания дорожной одежды из монолитных материалов (типа тощего бетона или других зернистых материалов, обработанных минеральным или органическим вяжущим).

Конструкцию считают морозоустойчивой, если соблюдено условие

l_пуч £ l_доп, где                                                                                                                         (4.28)

l_пуч - расчетное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна;

l_доп - допускаемое для данной конструкции пучение грунта (табл. 4.24).

Таблица 4.24

Примечание. В восточных районах II-III дорожно-климатических зон значения l_доп следует увеличивать на 20-40 % (большие значения для облегченных и переходных дорожных одежд).

Расчет на морозоустойчивость необходимо выполнять для характерных участков или групп характерных участков дороги, сходных по грунтово-гидрологическим условиям, имеющим одну и ту же конструкцию дорожной одежды и схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

При предварительной проверке на морозоустойчивость величину возможного морозного пучения следует определять по формуле:

l_пуч = l_пуч.ср×К_угв×К_пл×К_гр×К_нагр×К_вл, где                                                                                       (4.29)

l_пуч.ср - величина морозного пучения при осредненных условиях, определяемая по рис. 4.19 в зависимости от толщины дорожной одежды (включая дополнительные слои основания), группы грунта по степени пучинистости (табл. 4.23) и глубины промерзания (Z_np);

К_угв - коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод (рис. 4.20); при отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод следует принимать: для супеси тяжелой и пылеватой и суглинка К_угв = 0,53; для песка и супеси легкой и крупной К_угв = 0,43;

К_пл - коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя (табл. 4.25);

К_гр - коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки (табл. 4.26);

К_нагр - коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания (рис. 4.21);

К_вл - коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта (табл. 4.27).

Рис. 4.19. Графики для определения осредненной величины морозного пучения l_пуч.ср:
кривые II-V выбирают в соответствии с табл. 4.23, кривую IIа выбирают при 2-й и 3-й схеме увлажнения рабочего слоя, кривую IIб - при 1-й схеме увлажнения

Рис. 4.20. Зависимость коэффициента К_угв от расстояния от низа дорожной одежды до расчетного УГВ или УПВ:
1 - супесь тяжелая и тяжелая пылеватая, суглинок; 2 - песок, супесь легкая и легкая крупная

Таблица 4.25

Таблица 4.26

Рис. 4.21. Зависимость коэффициента К_нагр от глубины промерзания Z_np от поверхности покрытия:
1 - супесь тяжелая и пылеватая, суглинок; 2 - песок, супесь легкая, крупная

Таблица 4.27

Если данные натурных наблюдений отсутствуют, глубину промерзания дорожной конструкции допускается определять по формуле

Z_np = Z_np(ср)×1,38, где                                                                                                             (4.30)

Z_np(ср) - средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая при помощи карт изолиний (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Карта изолиний глубины промерзания Z_np(ср) грунтов на территории СНГ:
1 - граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 - то же, островного; 3 - границы стран СНГ

При глубине промерзания дорожной конструкции Z_np до 2 м l_пуч.ср устанавливают по графикам рис. 4.19. При Z_np от 2,0 до 3,0 м l_пуч.ср вычисляют по формуле:

l_пуч.ср = l_{пуч.ср2,0}×[а + b×( Z_np - c)], где                                                                                      (4.31)

l_{пуч.ср2,0} - величина морозного пучения при Z_np = 2,0 м;

а = 1,0; b = 0,16; с = 2,0 при 2,0 < Z_np < 2,5;

а = 1,08; b = 0,08; с = 2,5 при 2,5 < Z_np < 3,0.

Если при расчетном сроке службы до 10 лет полученная величина возможного пучения будет превышать требуемую (см. табл. 4.24), а при сроке службы более 10 лет будет превышать 80 % от требуемой, необходимо рассмотреть вариант устройства морозозащитного слоя. В этом случае предварительно определяют ориентировочно требуемую толщину морозоустойчивой конструкции дорожной одежды, используя графики рис. 4.19. Для этого, зная допустимую величину морозного пучения l_доп, рассчитывают среднюю величину морозного пучения l_пуч.ср формуле:

l_пуч.ср = l_доп / К_угв×К_пл×К_гр×К_нагр×К_вл.                                                                                          (4.32)

Затем по графику рис. 4.19 в соответствии с группой грунта по степени пучинистости определяют h_од. Уточненный расчет толщины морозозащитного слоя (h_M3) выполняют по термическому сопротивлению конструкций. Для этого необходимо иметь следующие исходные данные:

географическое местоположение рассматриваемого участка дороги;

конструкцию дорожной одежды (наименование и толщина слоев), необходимую по условиям прочности и дренирования;

схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна (1,  или 3) и расчетную глубину залегания подземных вод от поверхности покрытия;

наименование грунтов земляного полотна;

расчетный срок службы дорожной одежды.

Основные направления и меры борьбы с пучинами состоят в том, чтобы максимально ускорить оттаивание и просыхание в первую очередь боковых частей земляного полотна, предохранить покрытие от разрушения, а там, где этих мер недостаточно, перестроить пучинистые участки с использованием прослоек из рулонных геосинтетических материалов.

Одной из важных мер, предотвращающих пучины или ослабляющих их воздействие на дорогу, является прокопка осушительных воронок с помощью машины с рабочим органом роторного типа, смонтированной на колесном тракторе. Воронки роют с обеих сторон в шахматном порядке на расстоянии 3-4 м одна от другой. Они имеют ширину 0,2-0,3 м, а глубина равна толщине дорожной одежды, включая песчаный подстилающий слой. Дну их придается продольный уклон 40-50 %. Воронки способствуют быстрейшему оттаиванию земляного полотна и отводу образующейся воды.

Для предохранения покрытия от разрушения на пучинистом участке устраивают дополнительный слой («подушку») из котельного шлака, несмерзшегося сухого песка или гравийно-песчаной смеси толщиной 10-15 см. На «подушку» укладывают деревянные щиты или временное колейное покрытие. На отдельных участках, где дорожная одежда обладает малой прочностью, движение переносят на объезд или ограничивают скорость движения и грузоподъемность автомобилей. Борьбу с пучинами прекращают, когда грунт земляного полотна полностью оттает и просохнет.

ГЛАВА 5. Процесс развития и причины возникновения деформаций и разрушений автомобильных дорог

5.1. Общие закономерности изменений состояния дорог в процессе эксплуатации и их основные причины

Под совместным воздействием многократно повторяющихся нагрузок от автомобилей и природных факторов в земляном полотне и в дорожной одежде возникают напряжения и деформации, которые, постепенно накапливаясь, могут привести к их разрушению. При деформациях и разрушениях земляного полотна неизбежно деформируется и разрушается дорожная одежда. Под деформацией понимают изменение размеров или формы тела без уменьшения его массы и без потери сплошности. Разрушение - это изменение размеров и формы тела с изменением (уменьшением) массы тела или потерей сплошности. В практической деятельности все виды деформаций и разрушений часто относят к дефектам состояния дороги, которые включают в себя также отступления от проектных решений или нормативных требований по геометрическим параметрам, инженерному оборудованию и обустройству дорог, организации и безопасности движения, эксплуатационному состоянию дорог и др.

Причиной возникающих деформаций могут быть проектные ошибки и строительные недостатки, недостатки в содержании и ремонте, условия эксплуатации дорог, природно-климатические факторы. Чаше всего причиной возникновения деформаций является сочетание нескольких из перечисленных факторов, действующих одновременно. На правильно спроектированной, построенной и эксплуатируемой дороге в пределах межремонтных сроков службы дорожных одежд и покрытий не должно быть разрушений (кроме износа покрытий), но могут быть деформации в допустимых пределах.

Основные факторы, являющиеся причинами образования и накопления деформаций и появления разрушений конструктивных элементов автомобильных дорог в процессе эксплуатации, по отношению к условиям работы этих элементов можно разделить на внешние, не зависящие от дороги, и внутренние, непосредственно зависящие от дороги.

Главными из них являются внешние факторы, к которым относится воздействие автомобильной нагрузки и природно-климатических условий.

Из внешних факторов наибольшее влияние на механизм образования деформаций и разрушения оказывают:

нагрузки на ось автомобиля и большое давление в автомобильных шинах;

количество повторных приложений тяжелой нагрузки при высокой интенсивности движения и короткие интервалы между этими приложениями, особенно при проходе многоосных автомобилей;

продолжительность приложения каждой нагрузки и суммарная продолжительность, которая зависит от скорости движения автомобилей на сложных участках дороги (кривые малого радиуса, крутые подъёмы, пересечения, сужения проезжей части и др.), а также при высокой плотности транспортных потоков, задержках и заторах;

температура воздуха и солнечная радиация, под воздействием которых повышается или понижается температура покрытия и изменяются физико-механические свойства асфальтобетона, битума и битумоминеральных смесей;

тип грунта земляного полотна и условия его увлажнения грунтовыми и поверхностными водами, поскольку при повышении влажности грунтов выше оптимального уровня значительно снижается вязкость и увеличивается пластичность грунтов, что способствует накоплению остаточных деформаций в земляном полотне и во всей дорожной одежде.

В летний период особенно заметно влияние внешних факторов на накопление остаточных деформаций в слоях дорожной одежды из асфальтобетона и битумоминеральных смесей, которое объясняется термопластическими и вязкоупругими свойствами этих материалов. При повышенной температуре асфальтобетона энергия сил взаимодействия Ван-дер-Ваальса между частицами битума ослабевает, вязкость уменьшается, модуль упругости снижается, а величина остаточных деформаций увеличивается. Этот эффект возрастает при плохом составе смеси, когда введено чрезмерное количество вяжущего, использован битум с недостаточной вязкостью, занижено содержание заполнителя по отношению к дозировке вяжущего, а также при недостаточном уплотнении смеси.

К внутренним факторам относятся физико-механические характеристики дорожной конструкции и материалов её слоев, включая слои дорожной одежды и грунты активной зоны земляного полотна, а также показатели напряжённо-деформированного состояния этих слоев и материалов под действием нагрузки от колес автомобилей и изменения водно-теплового режима.

К наиболее важным внутренним факторам можно отнести:

недоуплотнение или неравномерное уплотнение в поперечном направлении слоев нежёстких дорожных одежд и земляного полотна;

неравномерный износ (истирание) покрытия под действием колёс автомобилей;

образование пластических деформаций в асфальтобетонных покрытиях и слоях из битумоминеральных смесей, особенно в периоды нагревания этих покрытий до высокой температуры, при которой значительно снижается вязкость битума, прочность на сдвиг и деформативные характеристики асфальтобетона и может произойти боковое выпирание материала слоя. В холодный период, наоборот, вязкость битума возрастает, увеличивается прочность и жесткость асфальтобетона, происходит образование температурных трещин;

появление структурных разрушений и накопление остаточных деформаций в покрытии и других слоях дорожной одежды, когда вертикальные или горизонтальные напряжения, возникающие от воздействия колёс тяжёлых автомобилей, превысят допустимые значения и начнётся нарушение сплошности или структуры материала одного или нескольких слоев;

накопление остаточных деформаций в грунте земляного полотна под действием нагрузки от тяжелых грузовых автомобилей, особенно в период наибольшего увлажнения грунта, когда их несущая способность снижается до минимальных значений.

Накопление деформаций в конструктивных элементах дороги в процессе эксплуатации происходит неравномерно. Можно условно выделить несколько характерных периодов изменения транспортно-эксплуатационного состояния дороги во времени (рис. 5.1.).

Рис. 5.1. Характерные периоды изменения состояния дороги:
1 - очень хорошее; 2 - хорошее; 3 - удовлетворительное; 4 - плохое, недопустимое; t₁, t₂, t₃, t₄ - продолжительность различных периодов, лет

Первый период после завершения строительства и ввода автомобильной дороги в эксплуатацию характерен очень высоким уровнем состояния дороги. В этот период происходит медленный, малозаметный износ покрытия. В результате действия движущихся автомобилей происходит доуплотнение слоев дорожной одежды и земляного полотна и формирование их устойчивой структуры. Отдельные деформации возникают главным образом вследствие дефектов строительства, ремонта или содержания. Для их устранения достаточно выполнять систематические работы по содержанию дороги. Задержка по срокам или неполное выполнение этих работ приводит к существенному сокращению продолжительности первого периода и наступления второго.

Второй период характерен достаточно хорошим уровнем состояния дороги. Однако заметно увеличивается износ покрытия, снижаются его сцепные качества и ровность, появляются трещины и выбоины. Степень и скорость развития этих деформаций зависят прежде всего от интенсивности и состава транспортного потока. Особенно большое разрушающее воздействие оказывают тяжёлые грузовые автомобили, автопоезда, сочленённые и многоосные транспортные средства.

Для устранения накопившихся деформаций и других дефектов необходимо своевременно выполнять работы по ремонту дороги с воспроизводством её первоначальных транспортно-эксплуатационных характеристик, при котором должно производиться возмещение износа покрытия, восстановление и улучшение его ровности и сцепных качеств, устранение всех деформаций и повреждений дорожного покрытия, земляного полотна.

Промедление с выполнением восстановительных работ приводит к значительному ускорению темпов нарастания деформаций.

Третий период характерен накоплением деформаций не только в покрытии, но и в других слоях дорожной одежды, а также в земляном полотне. Как правило, к этому периоду значительно возрастает интенсивность движения, в том числе и количество тяжёлых грузовых автомобилей. Начинает проявляться эффект старения и деградации структуры материалов слоев дорожной одежды; накапливаются усталостные явления. В результате увеличивается площадь деформаций дорожной одежды, появляются её разрушения.

Состояние дороги быстро переходит от удовлетворительного к плохому. Требуется немедленный капитальный ремонт с усилением дорожной одежды или реконструкция. Задержка с проведением этих работ приводит к быстрому разрушению дороги и многократному удорожанию работ по ее реабилитации в последующем.

Важно отметить, что продолжительность того или иного состояния дороги в значительной степени зависит от уровня эксплуатационного содержания и своевременности выполнения работ по предупреждению и устранению возникающих деформаций и разрушений.

5.2. Условия нагружения и основные причины возникновения деформаций земляного полотна

Статические и динамические вертикальные (нормальные) и касательные (тангенциальные) силы, передаваемые колёсами транспортных средств через дорожную одежду на земляное полотно, вызывают напряжения и деформации в его теле, вследствие чего земляное полотно изнашивается и разрушается.

Обычно при определении напряжений и деформаций в земляном полотне многослойные конструкции приводят к двухслойным моделям (рис. 5.2.).

Рис. 5.2. Двухслойная модель дорожной конструкции

Вертикальные напряжения в земляном полотне по оси действующей нагрузки, равномерно распределенной на поверхности покрытия по площади круга диаметра D для конструкций, работающих в стадии обратимых (упругих) деформаций, могут быть определены по формуле проф. М.Б. Корсунского:

                                                                                                           (5.1)

а в расстоянии r от оси действующей нагрузки:

                                                                                             (5.2)

                                                                                (5.3)

 где                                                                                                         (5.4)

P - давление на покрытие, МПа;

z - фактическое расстояние по вертикали от поверхности покрытия до рассматриваемой точки в земляном полотне, a z_э - расстояние до той же точки от поверхности дорожной одежды с эквивалентной толщиной h_э, см;

r - расстояние по горизонтали до этой точки от оси действующей нагрузки, см;

h - общая толщина одежды, см;

h_э - толщина эквивалентной дорожной одежды, см.

Сопоставления вертикальных напряжений, измеренных в грунтах, подстилающих различные конструкции одежд, с напряжениями, вычисленными по теоретическим формулам, приведены на рис. 5.3 и 5.4.

Рис. 5.3. Зависимость напряжения в подстилающем одежду грунте от относительной толщины эквивалентного слоя Z_э/D:
1,3 - теоретическая кривая и данные опытов для конструкций, работающих в стадии обратимых деформаций; 2,4 - теоретическая кривая и данные опытов для конструкций, работающих в упруго-вязкопластической стадии деформирования

Рис. 5.4. Сопоставление измеренных напряжений с полученными расчётами:
1,3 - теоретическая кривая и данные опытов для конструкций, работающих в стадии обратимых деформаций; 2,4 - теоретическая кривая и данные опытов для конструкций, работающих в упруго-вязкопластической стадии деформирования

На рис. 5.5 приведены закономерности распределения по оси действующей нагрузки наибольших касательных напряжений в нижнем слое (подстилающем одежду грунте) двухслойной модели при вертикальном давлении на ее поверхность по круглой площадке.

Рис. 5.5. Распределение касательных напряжений t по глубине нижнего слоя в двухслойной модели при передачи нагрузки на покрытие через круглую площадку

При достижении недопустимых напряжений в грунте земляного полотна возникают существенные деформации в виде осадок, расползания насыпей, сползания откосов и т.д. Величина допустимых напряжений в грунте зависит от его физико-механических свойств, которые, в свою очередь, зависят от типа грунта, степени его уплотнения и влажности. Кроме того, под действием природно-климатических факторов могут возникать деформации и разрушения земляного полотна, которые в начальной стадии не оказывают влияния на состояние дорожной одежды. Это различные формы размывов земляного полотна, выдувание обочин и др. Однако эти деформации и повреждения должны быть немедленно устранены, поскольку при дальнейшем их развитии разрушение дороги примет общий характер.

Характерные деформации и повреждения земляного полотна и их основные причины приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Наиболее распространенные деформации и разрушения земляного полотна

5.3. Основные причины возникновения деформаций дорожных одежд и покрытий

Под нагрузкой от каждого колеса автомобиля дорожная одежда прогибается, а затем постепенно восстанавливается (рис. 5.6, а). Прогиб от колеса тяжёлого грузового автомобиля распространяется во все стороны, образуя чашу прогиба радиусом до 3-4 м, которая перемешается по ходу движения автомобиля. Чаши прогиба от колёс автомобиля частично перекрывают одна другую и охватывают всю ширину полосы движения. При этом в слоях одежды возникают напряжения сжатия, растяжения, изгиба и сдвига (рис. 5.6, б). Чрезмерные напряжения от транспортных нагрузок приводят к возникновению тех или иных деформаций.

Рис. 5.6. Схема образования чаши прогиба и разрушения нежёстких дорожных одежд под колесом автомобиля:
1 - колесо; 2 - прогиб дорожной одежды; 3 - сжатие шины; 4 - дорожная одежда; 5 - земляное полотно; 6 - чаша прогиба; 7- зоны растяжения и трещины в одежде; 8 - выпирание грунта; 9 - направление сжатия грунта

В зависимости от конструкции, прочности и состояния дорожной одежды под действием повторных нагрузок в отдельных слоях и в конструкции дорожной одежды в целом могут проявляться либо только упруговязкие деформации, либо одновременно упруговязкие и вязкопластичные деформации, которые, постепенно накапливаясь, могут достичь недопустимых величин.

Наиболее опасными напряжениями для слоев одежды из монолитных материалов являются растягивающие, возникающие в слое при изгибе, а для слоев из слабосвязных материалов (зернистых) - напряжения сдвига (касательные). Максимальные растягивающие напряжения в усовершенствованном покрытии (асфальтобетонном и ему подобном) возникают на его нижней поверхности по оси действующей нагрузки [8, 94].

Основным видом нарушения сплошности грунтов и слабосвязных материалов дорожной одежды под действием транспортных нагрузок является сдвиг. Критическое состояние по прочности (напряжениям) в какой-либо точке грунтового массива или слое одежды наступает, когда касательное напряжение, действующее по площадкам скольжения, достигает предела сопротивления грунта или материала сдвигу.

Развитию деформаций способствует также влияние природно-климатических факторов, вызывающих увлажнение, перегрев или промерзание конструкции, что, в свою очередь, приводит к снижению прочности и ухудшению деформационных свойств грунта, одежды в целом и отдельных её слоев, а также к потере монолитности покрытия.

Работоспособность покрытия во многом зависит от продолжительности приложения, т.е. от скорости движения автомобилей. С повышением скорости движения действие растягивающих напряжений в покрытии уменьшается, а вместе с этим уменьшаются удельные повреждения, возникающие от движения транспортных средств. Однако это происходит только на ровных покрытиях. При наличии неровностей разрушения возникают из-за динамического воздействия нагрузки.

Горизонтальные (тангенциальные) сжимающие и растягивающие напряжения являются причиной пластических деформаций, а также и разрушений в верхних слоях дорожной одежды в виде сдвигов, волн, наплывов, поперечных трещин и колей по полосам наката. Такие деформации чаще наблюдаются на покрытиях толщиной менее 8 см. При большей толщине покрытий сдвиговые деформации наблюдаются реже. Это объясняется тем, что напряжения, вызываемые в дорожной конструкции тангенциальными усилиями, приложенными на поверхности покрытия, сравнительно быстро затухают по глубине (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Эпюра распределения касательных напряжений по глубине

Критическим периодом работы дорожной одежды является весенний, когда в результате снижения прочности грунта земляного полотна прогиб дорожных одежд максимальный, а температура покрытия часто колеблется в пределах от 0 до +10°С. При этом особое значение приобретает повторное воздействие на покрытие нагрузок от транспортных средств, в результате которого одежда многократно прогибается и подвергается растягивающим напряжениям, нередко приводящим к появлению трещин, в том числе усталостных, в основном на полосах наката.

Деформации дорожной одежды, возникающие под действием транспортных нагрузок и природно-климатических факторов, во многом зависят от вида и структуры материалов слоев, составляющих эту одежду.

Слои дорожных одежд могут иметь структуру контактного, коагуляционного или кристаллизационного типа.

При контактном типе структуры, характерном для слоев из щебня, гравия и песка, минеральные частицы взаимодействуют между собой непосредственно. Такие слои не обладают связностью и практически не проявляют вязких свойств. Для покрытий с контактным типом структуры наиболее характерными являются деформации в виде волн, выбоин, а также повышенный износ. Для нижних слоев из материалов контактного типа характерными являются просадки, которые происходят за счёт доуплотнения и дезынтеграции (размельчения) фракций.

При каждом прогибе дорожной одежды отдельные зёрна минеральных материалов, взаимно действуя друг на друга, истираются, обламываются, раскалываются, что приводит к их размельчению и образованию мелких частиц и зёрен. Раскалывание (дробление) щебёнки происходит потому, что в точках контакта щебёнки друг с другом возникают (концентрируются) большие напряжения сжатия, которые могут превышать предел прочности каменного материала на сжатие или раскалывание. Особенно интенсивно происходят эти процессы в слоях дорожных одежд из малопрочных каменных материалов.

В частицах размеров менее 0,071 мм, образующихся при размельчении крупных зёрен щебня, может наблюдаться капиллярное поднятие и длительное удержание воды. Превращаясь во влажную пластическую массу между отдельными твёрдыми зёрнами, мелкие частицы вместе с водой действуют как смазка, облегчая перемещение зерен, увеличивая размеры прогиба одежды под колёсами автомобилей и вызывая более ускоренное дальнейшее измельчение материалов.

В слоях дорожной одежды, устроенных из материалов коагуляционного типа, минеральные частицы покрыты пленками органического вяжущего. К таким материалам относятся укреплённые органическим вяжущим грунты, битумоминеральные смеси и асфальтобетон. Материалы, обработанные органическим вяжущим, отличаются повышенной связностью и под действием нагрузки проявляют как упругие, так и вязкие свойства.

Особенностью дорожных одежд, построенных с применением органических вяжущих материалов, является то, что их эксплуатационные характеристики в течение срока службы подвержены непрерывным изменениям, обусловленным нестационарностью температурного режима и воздействием транспортных нагрузок, а также непрерывным изменением свойств вяжущего в процессе эксплуатации, носящим обратимый и необратимый характер.

В зависимости от температуры, свойств вяжущих и характера воздействия транспортных средств покрытия с органическими вяжущими будут обладать свойствами упругих, упруго-вязких или упруговязкопластичных сред. Чем ниже температура и менее продолжительно действие нагрузки, тем выше упругие свойства покрытия. По мере повышения температуры и увеличения продолжительности действия нагрузки все больше начинают преобладать пластические свойства покрытия (рис. 5.8 - 5.10).

Рис. 5.8. Зависимость сцепления С и угла внутреннего трения f асфальтобетона (данные Н. В. Горелышева):
а - от температуры испытания; б - от скорости деформирования

Рис. 5.9. Зависимость модуля упругости асфальтобетона от его температуры (данные А.О. Салля):
а - продолжительность действия нагрузки 1 с; б - то же, 0,1 с;
1 - для асфальтобетона на битуме марки БНД 60/90; 2 - то же, БНД 90/130; 3 - то же, БНД 30/200

Рис. 5.10. Зависимость прочности асфальтобетона от его температуры при кратковременном нагружении (данные А.О. Салля):
а - при изгибе; б - при сжатии;
1 - для асфальтобетона на битуме марки БНД 60/90; 2 - то же, БНД 90/130; 3 - то же, БНД 130/200

При отрицательных температурах покрытия из материалов, содержащих органическое вяжущее, приобретают свойства хрупкого тела. Значительно повышаются и модули упругости и сопротивление сжатию, но одновременно снижается их способность деформироваться без нарушения сплошности при невозможности изменения размеров. По данным Н.Н. Иванова и Н.М. Распопова, колебания предельных значений относительных удлинений асфальтобетона при 0 находятся в пределах 0,006-0,002, а при (-20°С) - в пределах 0,0015-0,0006. Большие значения получены для мелкозернистых смесей с менее вязким битумом, а меньшие значения - крупнозернистых смесей и с более вязким битумом. Для пористых смесей, а также материалов, обработанных жидким битумом, предельные относительные удлинения будут выше. Поэтому при оценке прочности существующих дорожных одежд необходимо принимать за расчетные значения модулей упругости и сопротивления растяжению при изгибе асфальто- и дегтебетонов, приведённые в нормативных документах по расчёту прочности дорожных одежд. Их назначают в зависимости от характера действия транспортной нагрузки (кратковременное, длительное) с учётом расчётной для данной зоны температуры воздуха и покрытия [7, 8, 72].

Для слоев с коагуляционным типом структуры наиболее характерными являются разрушения в виде усталостных и температурных трещин и деформации в виде сдвигов и наплывов. Физико-механические свойства материалов, обработанных битумом, определяются особенностями связей, возникающих между отдельными минеральными зернами, и зависят от свойств битума, толщины его пленки, покрывающей минеральные зерна, а также от изменения со временем химического состава битума.

Наибольшую опасность представляет резкое понижение температур и покрытия зимой, а также медленное и глубокое промерзание дорожной конструкции, способствующее неравномерному пучению земляного полотна и поднятию проезжей части, особенно на участках с неблагоприятными грунтово-гидрологическими условиями. Указанные явления при недостаточном предельном относительном удлинении покрытия приводят к образованию в нем трещин независимо от характера и интенсивности движения. Существенное влияние на деформативные свойства слоев дорожной одежды из материалов с органическими вяжущими в процессе эксплуатации оказывает процесс старения вяжущего и увеличения его вязкости, которая может возрастать в слое покрытия на порядок.

Основным фактором, определяющим интенсивность старения битума в покрытии в процессе эксплуатации, является пористость дорожного покрытия. При пористости асфальтобетона менее 2 % старение битума можно не учитывать, так как изменение свойств в этом случае незначительно по сравнению с изменениями, происходящими на этапе приготовления смеси и её укладке (Руденская И.М., Руденский А.В. Органические вяжущие для дорожного строительства. М.: Транспорт, 1984. 229с). На процесс старения вяжущих влияют также адсорбция и абсорбция их компонентов минеральными материалами, вызывающие нарушение структуры вяжущего.

При старении материалов типа асфальтобетона под действием воды и кислорода воздуха выявляются три стадии (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Влияние старения битума на долговечность покрытий (данные Ю.В. Слободчикова):
а - изменение группового химического состава битума (кривая 1 - масла, кривая 2 - асфальтены); б - изменение когезионной прочности битума (кривая 3) и прочности покрытия с применением битума (кривая 4); К и С - точки резкого падения прочности покрытий

На первой стадии в течение длительного времени происходит нарастание прочности, водостойкости и уменьшение деформативных свойств материала. Это происходит за счёт уменьшения количества масел, увеличения смол и особенно асфальтенов, а также за счёт повышения вязкости и когезии битума в результате процессов взаимодействия битума с минеральными материалами. На второй стадии старения снижается водо- и морозоустойчивость битумоминерального материала без заметного изменения его прочности. Третья стадия сопровождается резким снижением прочности материала, повышением его водонасыщения, набухания и уменьшением водо- и морозоустойчивости. Это приводит к коррозии покрытия, усиленному выкрашиванию минеральных частиц и образованию выбоин и разрушений.

При одном прогибе дорожных одежд, минеральный материал которых обработан органическими вяжущими, эти изменения могут быть бесконечно малыми. Однако за время службы одежды число прогибов измеряется миллионами, поэтому величины остаточных деформаций возрастают.

Кристаллизационный тип структуры характерен для цементобетонов, каменных материалов и грунтов, укреплённых цементом и другими минеральными вяжущими. Связь между частицами материала осуществляется в результате спаек, образованных кристаллами вяжущего.

Для таких материалов характерна повышенная жесткость и прочность, упругие свойства выражены достаточно четко. Наиболее опасными напряжениями для слоев одежды из монолитных материалов являются растягивающие, возникающие в слое при изгибе, а для слоев из слабосвязных материалов (зернистых) - напряжения сдвига (касательные).

Для слоев и покрытий с кристаллизационным типом наиболее характерными являются восстанавливающиеся деформации, а также разрушения в виде трещин и сколов. На покрытиях возникают преимущественно разрушения - трещины, проломы, шелушение, истирание.

Напряжения в цементобетонных покрытиях возникают от воздействия нагрузок и изменения температуры. При изменении температуры воздуха, сопровождающегося нагреванием или охлаждением покрытия, оно стремится изменить свои размеры, но из-за сопротивления сил трения нижней поверхности покрытия о грунт (или другой материал основания) это становится затруднительным и в покрытии возникают температурные напряжения. К температурным относят также напряжения, возникающие в покрытии в результате неравномерного распределения в нём температур по толщине, обусловливающего стремление его к короблению и противодействия этому собственного веса плиты. Кроме того, температурными можно условно считать напряжения, возникающие при неравномерном поднятии покрытия в процессе зимнего вспучивания земляного полотна. Температурные напряжения совместно с напряжениями от воздействия нагрузок от транспортных средств приводят к образованию и развитию трещин в бетонном покрытии.

Кроме перечисленных выше причин деформаций и разрушений дорожных одежд и покрытий могут быть отступления от нормативных требований к технологии и организации работ при строительстве или ремонте, нарушения требований к материалам и составам смесей и т.д.

Обобщенная характеристика основных деформаций и разрушений дорожных одежд и покрытий приведена в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Наиболее распространенные деформации и разрушения дорожных одежд и их причины

5.4. Причины образования трещин и ямочности и их влияние на состояние дорожной одежды

Трещины являются наиболее распространенным видом дефектов дорожных одежд. Основной причиной образования трещин является возникновение растягивающих и изгибающих напряжений в слоях дорожной одежды, возникающих под действием нагрузки от автомобилей и температурных колебаний и особенно при совместном действии этих факторов. Трещины зарождаются там, где нормальные растягивающие напряжения в слое покрытия или дорожной одежды превышают предел прочности на растяжение материала соответствующего слоя. Трещины на покрытиях становятся заметными при ширине 0,2-1 мм и длине не менее 10 см. Более мелкие трещины или микротрещины визуально не различимы. Основная часть трещин, возникающих по полосам наката от действия нагрузки, является результатом усталостного разрушения слоя дорожной одежды.

Механизм усталостного разрушения состоит в следующем. Хотя растягивающие напряжения при проходе одного автомобиля значительно меньше критических, из-за неоднородности материала локальные напряжения могут существенно отклоняться от среднего значения. В местах, где они превышают предел упругости пленок битума, связи рвутся. Повторные приложения нагрузок приводят к накоплению разорванных связей. В результате через определённое число циклов приложения нагрузок в нижней части покрытия по полосам наката возникают продольные волосяные трещины, объединяющиеся затем в большие, образуется сетка трещин. Трещины растут одновременно в двух направлениях: вверх и по длине. При дальнейших нагружениях трещина проходит сквозь покрытие и становится видимой на его поверхности.

Другая часть зарождается на поверхности покрытия или другого слоя и развивается сверху вниз. Это температурные трещины и трещины, возникающие в зоне выпуклого изгиба покрытия под действием колес автомобилей. Большую долю трещин на поверхности покрытия составляют отражённые трещины. Это трещины старого покрытия, на котором уложен новый слой асфальтобетона. Опыт показывает, что трещины старого покрытия в процессе эксплуатации начинают проявляться уже через 1-2 года, а по истечении 5-7 лет могут полностью повториться на новом покрытии.

Существует много причин образования трещин:

недостаточная прочность дорожной одежды и земляного полотна, не соответствующая фактическим нагрузкам от автомобилей, вследствие чего возникают большие прогибы и растягивающие напряжения в слоях дорожной одежды;

большие перепады температур от положительных к отрицательным, при которых возникают знакопеременные напряжения; особенно опасны низкие отрицательные температуры, которые сопровождаются возникновением очень высоких растягивающих напряжений в слоях дорожной одежды;

недостаточная трещиностойкость асфальтобетонных покрытий, обусловленная несоответствием деформативных свойств битума реальным температурным условиям работы покрытий;

различие теплофизических свойств материалов слоев смежных покрытий, вследствие чего возникают дополнительные напряжения по плоскостям сопряжения слоев при температурных перепадах;

неравномерное уплотнение земляного полотна и слоев дорожной одежды;

образование пучин, сопровождающееся возникновением сетки трещин в дорожной одежде.

Появление и развитие трещин не имеет взрывного характера, но происходит достаточно быстро. Исключение составляют трещины в местах образования пучин, которые возникают зимой в момент поднятия бугра при промерзании дорожной одежды и земляного полотна, или весной в момент полного оттаивания грунта, когда проезжающие автомобили могут полностью разрушить ослабленную дорожную одежду. В этом случае сетка трещин может образоваться в течение одного зимне-весеннего периода.

В условиях континентального климата первыми, как правило, появляются зимой температурные поперечные трещины на расстоянии 40-50 м одна от другой. Они могут появляться уже в первый год службы дорожной одежды или покрытия. Продольные трещины, трещины по полосам наката и трещины произвольного направления возникают обычно через 4 года и более на новом покрытии. Отражённые трещины могут появиться через 1-2 года после устройства нового стоя.

Наиболее быстро развиваются трещины весной и осенью, а наиболее широко раскрываются зимой и весной. В летний период многие мелкие трещины закрываются за счёт размягчения битума и расширения материала в покрытии или закатываются колесами автомобилей.

Трещины в цементобетонных покрытиях образуются в разное время, в различных местах плит, имеют разное очертание и направление, а также неодинаковую глубину. Количество, протяжённость и ширина трещин пропорциональны сроку службы покрытия. Трещины имеют различные размеры по ширине, длине и глубине. Однако общепринятая классификация трещин отсутствует. Наиболее часто разделяют трещины по ширине, при этом в разных странах критерии отнесения трещин к тому или иному классу различаются. Обобщая различные источники, можно предложить следующую классификацию трещин по ширине: узкие - до 3-5 мм; средние - 5-10 мм; широкие - 10-30 мм и очень широкие - более 30 мм.

В начальной стадии образования трещины практически не оказывают влияния на условия движения автомобилей до тех пор, пока трещины не переходят в выбоины. Наличие трещин на покрытии и в дорожной одежде оказывает очень большое влияние на прочность и срок службы дорожной одежды по следующим причинам:

трещины нарушают целостность и монолитность дорожной одежды, разделяя ее на отдельные, не связанные между собой блоки. В результате нагрузка от колеса автомобиля передается на значительно ослабленную конструкцию, распределяется на меньшую площадь, создавая в них повышенные напряжения и деформации;

через трещины вода проникает в основание и земляное полотно и значительно ослабляет их прочность и несущую способность;

при наезде колёс на кромки трещины отдельные части покрытий обламываются, стенки трещины перемешаются относительно одна другой в вертикальной плоскости. В результате кромки обламываются и разрушаются, стенки раскрашиваются и постепенно трещина превращается в выбоину. Процесс превращения трещин в выбоины неизбежен, если не предпринять своевременных мер по ремонту трещин. Важно и то, что попавшая в раскрытую трещину вода при замерзании увеличивает темп роста трещин по ширине и длине.

Таким образом, каждая своевременно не устраненная трещина, а тем более сетка трещин рано или поздно превратится в выбоину.

С позиций восприятия водителем состояния поверхности покрытия и его влияния на условия движения автомобиля к выбоинам и ямочности можно отнести местные посадки, проломы, места с сильным выкрашиванием материала покрытия, а также крупные трещины.

Существует много причин образования ям и выбоин. Одной из главных причин является недостаточная прочность дорожной одежды, а наличие широких трещин и тем более сетки трещин служит явным признаком этого.

Опыт показывает, что с уменьшением прочности дорожной одежды площадь ямочности в процессе эксплуатации резко увеличивается (рис. 5.12). Как следует из этого графика, среднегодовая площадь ямочности на 8-й год эксплуатации дорожной одежды капитального типа с асфальтобетонным покрытием при коэффициенте запаса прочности 1,5 составляет около 0,1 % от общей площади, а при коэффициенте запаса прочности 1,0 составляет около 2 %, т.е. в 20 раз больше.

Рис. 5.12. Среднегодовая ямочность в зависимости от коэффициента прочности одежды с асфальтобетонным покрытием (данные М.Б. Корсунского)

В большинстве случаев начальная стадия возникновения выбоин и ямочности совпадает с периодом неблагоприятных погодных условий, особенно с весенним периодом частого перехода от положительной к отрицательной температуре воздуха, избыточного увлажнения грунта земляного полотна и слоев дорожной одежды.

Вода, попадая в трещины, усиливает коррозионные физико-химические процессы в материалах дорожной одежды, а при замерзании оказывает растягивающее действие на стенки трещин и отдельные частицы материалов. В сочетании с динамическим воздействием от транспортных нагрузок материал покрытия в зоне образования трещины начинает разрушаться и выбиваться, а трещина быстро перерастает в выбоину. Поэтому незаделанная трещина всегда является потенциальным источником появления выбоин.

Другим источником возникновения выбоин являются неровности дорожного покрытия, начиная от неровностей, допущенных при устройстве слоев дорожной одежды, когда не соблюдаются требования к ровности и однородности в процессе разравнивания и уплотнения материалов, и включая неровности в виде трещин, сдвигов и наплывов, которые возникают в процессе эксплуатации асфальтобетонных покрытий из смесей с повышенной пластичностью.

Сразу после проезда колеса автомобиля через выступ неровности в виде трещины или выбоины возникает динамический удар на покрытие на некотором расстоянии за выбоиной (рис. 5.13). Многократное повторение такого удара приводит к расшатыванию структуры материала, появлению и развитию еще более крупных трещин или выбоины, которые затем сливаются в одну большую выбоину. Еще одним источником образования выбоин служат участки покрытия, где происходит шелушение и выкрашивание каменного материала.

Рис. 5.13. Пример перехода трещин или раковин в выбоины:
1,2 - трещины или раковины при выкрашивании; 3 - расклинивающее действие воды и льда и образование трещин в зоне повторного удара; 4 - вторичный удар колеса; 5, 6 - развитие смежных выбоин и их объединение

В любом случае выбоины и ямы необходимо заделывать на ранней стадии их образования. Опыт показывает, что каждая незаделанная выбоина увеличивается в размерах и способствует появлению новых выбоин. В начале этот процесс идет медленно, а затем приобретает лавинообразный характер. Если стоимость работ по ямочному ремонту, выполненному ранней весной, принять за единицу, то с опозданием ремонта на 2-3 месяца эта стоимость может возрасти в 3-5 раз.

5.5. Условия образования колей и их влияние на движение автомобилей.

Колея - это деформирование поперечного профиля проезжей части с образованием углублений и гребней выпора вдоль полос наката вследствие неравномерного износа и накопления пластических деформаций в покрытии, а также остаточных деформаций в слоях дорожной одежды и земляного полотна, происходящее при многократном воздействии колёс автомобилей.

Наиболее часто колея образуется на нежёстких дорожных одеждах с покрытием из асфальтобетона и других битумоминеральных смесей, однако колея истирания может формироваться и на цементобетонных покрытиях. Как и большинство других деформаций, колея образуется при неблагоприятном сочетании двух групп факторов:

внешние факторы - воздействия нагрузки, климатические факторы, особенно температура воздуха и солнечная радиация, а также условия увлажнения грунта земляного полотна;

внутренние факторы - физико-механические характеристики дорожной конструкции: сдвигоустойчивость, структурное состояние, прочность и степень уплотнения дорожной одежды и земляного полотна, тип грунта и его свойства.

Самым важным из всех факторов образования колей является воздействие тяжелых многоосных автомобилей. Процесс образования колей начинается одновременно с открытием движения по дороге. Вначале он идет медленно, затрагивая только верхний слой покрытия, а затем распространяется на другие слои дорожной одежды и на земляное полотно. Однако в случае когда материал какого-то слоя дорожной одежды плохо уплотнён или имеет низкую прочность и сдвигоустойчивость, остаточные деформации накапливаются в этом слое и проявляются на поверхности покрытия.

Характер и причины образования колей, а также динамика их развития могут существенно различаться по сезонам года (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Динамика развития составляющих общей глубины колеи по сезонам года

Прежде всего колея может образовываться за счёт доуплотнения слоев дорожной одежды, если они не были достаточно уплотнены при строительстве. Колея по этой причине образуется в первый год эксплуатации. Опыт показывает, что доуплотнение дорожной одежды завершается после прохода 300 тыс. стандартных осей грузового автомобиля.

В программе HDM-4 принято, что начальное недоуплотнение является причиной образования колей в 20 % случаев. Однако эта величина получена при условии, что земляное полотно не участвует в процессе образования колей. Если принимать во внимание участие земляного полотна, то доля недостаточного уплотнения слоев дорожной одежды составит 5-10 % от общего числа причин образования колей.

Износ (истирание) покрытия под действием колёс автомобиля происходит при торможении и при движении в режиме тяги за счёт неизбежного проскальзывания шины в зоне контакта колеса с покрытием. Износ происходит примерно одинаково в течение года, если зимой не применяются шины с шипами. Учитывая это обстоятельство, можно считать, что в странах с короткой зимой доля колей по причине износа покрытия составляет около 5 %.

Пластические деформации покрытия являются причиной 15-20 % случаев образования колеи на асфальтобетонных покрытиях, которые состоят в накоплении вертикальных остаточных деформаций вследствие повышения пластичности, т.е. снижения структурной вязкости асфальтобетона при высоких температурах, которое, в свою очередь, происходит из-за снижения вязкости битума или вязкого сопротивления битума сдвигу (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Колея, образующаяся в результате вязкопластического размягчения вяжущего:
1 - первоначальное положение щебёнки; 2 - положение щебёнки после смещения; 3 - щебёнка; 4 - плёнка вяжущего

Одновременно с вертикальными накапливаются и горизонтальные остаточные деформации, когда под действием сдвигающих напряжений происходит выдавливание частиц асфальтобетона в стороны. Эти деформации при многократных повторных приложениях нагрузки непрерывно возрастают, в результате чего по бокам колеи появляются гребни или валы.

Накопление пластических деформаций в асфальтобетонном покрытии происходит летом при температуре воздуха выше 25-30°С, при которой температура покрытия повышается до 40-60°С и выше. Расчётной принимают температуру асфальтобетона 40-50°С и выше в зависимости от вязкости битума.

Глубина пластической колеи зависит от исходной вязкости битума, состава асфальтобетона, числа приложений нагрузки и её величины, толщины слоя асфальтобетона.

Структурное разрушение и остаточные деформации покрытия и слоев основания. Под действием многократно прилагаемых нагрузок в слоях дорожной одежды могут сложиться такие условия, когда вертикальные или горизонтальные напряжения превысят местные предельно допустимые значения напряжений и начнется разрушение сплошности или структуры материала слоя с потерей прочности и сдвигоустойчивости. Следствием этого является ускоренное накопление остаточных деформаций и формирование колеи, которая появляется после критического для данной конструкции дорожной одежды числа приложений тяжёлой нагрузки.

Структурные разрушения покрытия происходят примерно одинаково в течение всего года, а в слоях основания они накапливаются больше всего весной, когда прочность дорожной одежды наименьшая. Глубина колеи за счет структурного разрушения зависит от прочности дорожной одежды, трещиностойкости, сдвигоустойчивости, срока службы покрытия, загруженности и т.д.

Из общего количества случаев образования колеи структурные разрушения отмечаются в 25-35 % случаев. В программе HDM-4, где не учитывается роль земляного полотна, эта доля принята равной 50 %, т.е. это одна из наиболее важных причин образования колеи.

Остаточные деформации в грунтах земляного полотна являются причиной образования колеи в 20-30 % случаев. Проблеме накопления остаточных деформаций в земляном полотне, в том числе и неравномерных остаточных деформаций посвящено много работ [7, 34, 71, 79, 94]. Установлен общий вид кривой накопления остаточных деформаций в земляном полотне в течение года, из которой следует, что наиболее активно оно происходит в весенний период. На кривой зависимости глубины и формы колеи от сопротивления грунта вдавливанию и сдвигу можно выделить фазу сжатия и уплотнения, фазу местных сдвигов и фазу выдавливания или выпучивания грунта в стороны.

Имеются математические модели расчёта величины равномерных и неравномерных остаточных деформаций в земляном полотне. Однако они нуждаются в дальнейшем совершенствовании и, в частности, в учёте восстановления части накопившихся деформаций, которое может произойти летом и зимой.

Таков общий характер образования колеи как сочетание всех возможных факторов.

Основной характеристикой колеи является её глубина. Общая глубина колеи может быть определена исходя из схемы, приведённой на рис. 5.16:

h_к = h_yк + h_в, где                                                                                                                    (5.5)

h_yк - величина углубления на поверхности дорожной одежды за счёт накопления остаточной деформации в слоях дорожной одежды и в земляном полотне, мм;

- средняя высота гребней выпора с левой и правой стороны, образующихся за счёт пластических деформаций в слое асфальтобетона и земляном полотне, мм.

Рис. 5.16. Основные параметры колеи:
1 - линия поверхности покрытия после строительства; 2 - то же, после образования колеи; 3 - измерительная рейка

Величина углубления в общем случае составляет

h_yк = h_gy + h_и + h_аб + h_о + h_г, где                                                                                            (5.6)

h_gy - величина колеи за счёт доуплотнения дорожной одежды и грунта земляного полотна, мм;

h_и - глубина колеи за счёт износа (истирания), мм;

h_аб - величина колеи за счёт пластических деформаций в слоях асфальтобетона, мм;

h_о - глубина колеи за счёт структурных деформаций в слоях основания, мм;

h_г - глубина колеи за счёт накопления остаточных деформаций в земляном полотне, мм.

На начальном этапе исследований можно пренебречь учётом глубины колеи, образующейся за счёт износа (истирания), поскольку доля автомобилей, оснащённых шинами с шипами, в нашей стране невелика.

Также можно опустить учёт глубины колеи за счёт доуплотнения слоев дорожной одежды для эксплуатируемых дорог, так как это явление, как правило, прекращается после года эксплуатации дороги.

Тогда общая глубины колеи будет определяться по формуле

h_к = h_аб + h_о + h_г + h_в.                                                                                                           (5.7)

В последние годы проблема борьбы с колеями стала одной из важнейших на дорогах России. Это объясняется тем, что в составе транспортного потока происходит увеличение доли тяжёлых многоосных автомобилей, которые ускоряют процесс образования колей и доли легковых быстроходных автомобилей, для которых колеи представляют наибольшую опасность.

Глубокая колея затрудняет маневры автомобиля при обгоне, вызывает поперечное скольжение, боковые колебания и потерю устойчивости при выезде из колеи, что приводит к снижению скорости движения и повышению аварийности. Особенно опасны колеи для движения в период дождей и таяния снега, когда в колеях образуется слой воды, в результате чего происходит снижение сцепных качеств покрытия, создаются предпосылки возникновения аквапланирования с потерей управляемости автомобиля. В период оттепелей и заморозков в колее образуется лёд, во время метелей и снегопадов откладывается и уплотняется снег, который трудно удалить снегоочистительными машинами.

Чтобы найти правильное решение по устранению колей в каждом конкретном случае, необходимо выполнить глубокий анализ причин их образования. Нет и не может быть одного решения, пригодного во всех случаях. Это должен быть широкий спектр конструктивных и технологических решений, позволяющих выбрать наиболее эффективное в каждом конкретном случае.

В процессе содержания и ремонта дорог устраняют главным образом колеи, образовавшиеся за счёт истирания покрытия, накопления пластических деформаций в слоях покрытия. Колея, образовавшаяся за счет накопления остаточных деформаций в слоях основания и в земляном полотне, как правило, устраняется при капитальном ремонте или реконструкции дорог.

ГЛАВА 6. Виды деформаций и разрушений автомобильных дорог в процессе эксплуатации

6.1. Деформации и разрушения земляного полотна и водоотвода

Деформации земляного полотна связаны с грунтово-гидрологическими условиями, воздействием климатических факторов, сложившегося водно-теплового режима земляного полотна и дорожной конструкции в целом, условиями эксплуатации дороги, а в ряди случаев - и с технологией строительства и своевременностью проведения мероприятий по содержанию автомобильной дороги. В конечном счёте они определяют условия увлажнения грунтов земляного полотна. Наиболее часто используемые для сооружения земляного полотна связные грунты с увеличением влажности из твёрдого или полутвердого состояния переходят в пластичное, пластично-текучее и текучее. Эти переходы сопровождаются уменьшением прочностных и деформативных характеристик во много раз, что приводит к потере прочности и устойчивости земляного полотна и образованию различных видов деформаций (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Основные виды деформаций насыпей:
а - деформации грунта в активной зоне (рабочем слое); б - просадка насыпи на слабом основании; в, г - расползание (растекание) насыпи; д - деформации откосов; е - сползание (смешение) насыпи по наклонённому основанию

Деформации в активной зоне (рабочем слое) и на обочинах (рис. 6.1, а) возникают при доуплотнении грунта, локальной потере им прочности при переувлажнении, особенно в случае возведения насыпи при строительстве из неоднородных грунтов или в результате пучинообразования (явление комплексного воздействия на пучиноопасный грунт влаги и отрицательной температуры). Деформации, связанные с дополнительным уплотнением грунта в зоне проезжей части, возникают под воздействием транспортных нагрузок, веса вышележащих слоев грунта и дорожной одежды в процессе эксплуатации дороги в виде отдельных просадок покрытия различной площади с плавными очертаниями краев или осадки по всему поперечнику на определенном протяжении дороги. Их образование, как правило, не сопровождается появлением отдельных трещин или сетки трещин в дорожной одежде, хотя могут быть и исключения при локальных осадках значительной величины.

Потеря грунтом прочности на отдельных участках дороги или локально в отдельных местах возникает при переувлажнении грунта активной зоны поверхностными (грунтовыми) водами. В результате под действием транспортных нагрузок на покрытии образуются просадки с сеткой трещин, проломы дорожной одежды с разрушением материала покрытия.

Пучинами называют деформации увеличения объёма грунта в активной зоне земляного полотна, проявляющиеся зимой во взбугривании и потере ровности покрытия, а в период оттаивания при проезде автомобилей - в проломах одежды, вызванных снижением прочности переувлажнённых грунтов. Классификация условий образования пучин приведена в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Внешними признаками пучинистых мест в зимний период являются неравномерное поднятие участков покрытия, взбугривание отдельных мест покрытия или образование группы взбугривании, развитых по площади проезжей части с различной степенью интенсивности. Значительная часть из них, как правило, приводит к образованию в дорожной одежде сетки трещин, концентрирующейся у вершины бугров пучения и разрушению покрытия на отдельные куски различной площади и формы. Иногда пучины в большей степени развиваются на обочинах, и их поднятие может оказаться большим, чем в зоне проезжей части.

В весенний период после схода снега на пучинистых участках могут появляться влажные пятна, наблюдается иногда выход вместе с водой мелких частиц дренирующего слоя или грунта земляного полотна, а также волнообразные колебания дорожной конструкции при наезде транспортных средств. Эти участки имеют, как правило, значительно пониженную прочность и интенсивно разрушаются [77].

Деформации неукреплённых или укреплённых несвязными материалами обочин выражаются в образовании колей, ям, часто приводящих к разрушению кромок покрытия проезжей части дороги, переувлажнению грунтов рабочего слоя земляного полотна, разрушению прибровочной части обочин. На укреплённых связными материалами обочинах (асфальтобетон, битумогрунт и др.) возникают дефекты, характерные для деформаций покрытий дорожных одежд проезжей части.

Наиболее частой причиной деформаций земляного полотна на слабом основании (рис. 6.1, б) является потеря его устойчивости. Наиболее типичными случаями потери устойчивости является выпор - смещение отдельных блоков массива основания по определенной поверхности скольжения без разрушения структуры грунта внутри этих блоков (рис. 6.2, а). Выпору способствуют недостаточная прочность дернового слоя болота, устройство канав и других выработок у подошвы насыпи. Выдавливание грунта основания насыпи (рис. 6.2, б) связано с пластическим его течением, которое сопровождается разрушением структурной связности перемещаемого грунта. Пластическое выдавливание более свойственно болотным грунтам с малой водопроницаемостью и низким углом внутреннего трения. Выдавливанию способствует слоистое строение залежи, наличие мягких пластических прослоек, а также более высокая горизонтальная проницаемость. Пластические деформации характерны для болот II типа. В результате выдавливания поверхность насыпи резко деформируется, приобретая вогнутый корытный профиль, иногда с образованием продольных трещин и провалов средней части (Евгеньев И.Е. Строительство автомобильных дорог через болота. М.: Транспорт, 1968).

Рис. 6.2. Основные формы потери устойчивости насыпи на слабом основании

Оползневой сдвиг (рис. 6.2, в) - это поперечное или продольное смешение всего объема насыпи и части основания по поверхности скольжения, определенный геологическими разностями в строении основания. Причиной оползневого сдвига насыпи почти всегда является недостаточный учет уклона кровли - плотных пластов, подстилающих болотную залежь. Сдвигу способствует малая проницаемость нижних пластов, так как в таком случае и, соответственно, сопротивление сдвигу в контактной зоне оказывается близким к нулю.

Расползание насыпи (рис. 6.1, в; 6.1, г) происходит в результате использования при строительстве без специальных мероприятий переувлажнённых грунтов, несоблюдения требований по уплотнению грунтов, а также недоучёте их повышенного капиллярного увлажнения. Деформации откосов насыпей (рис. 6.1, д), а также выемок могут быть связаны с потерей их общей и местной устойчивости.

Нарушение общей устойчивости откосов характеризуется смещением значительных масс грунта, частичным или полным разрушением земляного сооружения (насыпи, откосной части выемки) в результате изменения напряжённого состояния в грунтовом массиве, т.е. достижения сдвигающими напряжениями предельных значений. Основные формы нарушения общей устойчивости откосов и условия их возникновения приведены в табл. 6.2 [96]. На рис. 6.3 в качестве примера приведены схемы возможных форм потери общей устойчивости в виде обрушения со срезом.

Таблица 6.2

Рис. 6.3. Формы потери общей устойчивости откосов в виде обрушения со срезом:
а - по круглоцилиндрической поверхности скольжения; б - по деформированной круглоцилиндрической поверхности скольжения; в - по границе слоев при подтоплении

Нарушение местной устойчивости откосов характеризуются смешением отдельных участков поверхности откосов [55]. Это - деформации локального характера, хотя иногда они могут охватывать и достаточно большие площади. Основные их формы приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3

При этом сплывами называют, по сути, локальные оползни. Они выражаются глубокими деформациями откосов, охватывающими значительные массивы на глубину до 2-3 м и более. Такие сплывы откосов характерны для высоких насыпей и глубоких выемок.

Оплывинами называют поверхностные сплывы с захватом грунта мощностью до 1 м с сохранением общей устойчивости откосов.

Эрозионные деформации выражаются в плоскостном смыве материала (грунта) откоса стекающими водами. Они возникают в местах сосредоточенного поступления поверхностных вод. Подтопляемые откосы имеют, как правило, укрепления. Их деформация (разрушение) определяется конструкцией укрепления и интенсивностью воздействия (помимо общих) агрессивных факторов, специфичных для подтопляемых откосов. К их числу прежде всего относятся: высота, частота и длительность подтопления, волновые нагрузки, скорость течения воды вдоль насыпи, ледоход, припай льда и др. Вместе с этим вне зависимости от вида укрепления могут иметь место размывы оснований (подошвы откосов) насыпей течением водного потока при критических значениях его скорости и объёма перемещаемой воды.

Деформации водоотводных сооружений приводят к снижению их стоковой способности (застой воды, переполнение канав, лотков водой при ливневых осадках и снеготаянии). Значительное влияние на эффективность отвода воды оказывает также зарастание канав растительностью, характерной для влажных мест (осока, камыш и т.д.), кустарником.

Деформации неукреплённых или укреплённых травосеянием водоотводных сооружений выражаются в нарушении их поперечного и продольного профиля (сплывы откосов, размыв канав, изломы продольного профиля, пучинообразное изменение профиля и т.д.).

Для укреплённых асфальтобетоном водоотводных сооружений характерны деформации в виде образования в слоях укрепления трещин, отдельных выбоин или системы трещин и выбоин, в том числе со смещением слоев укрепления, изменение профиля в результате образования пучин или просадочных явлений.

Для слоев укрепления в виде монолитного цементобетона характерны деформации в виде отдельных трещин или системы трещин, сплошного или на отдельных участках шелушения бетона, отдельные сколы и обломы, разрушения швов и материала их заполнения, изменения профиля в результате образования пучин. Для укрепления сборными цементобетонными элементами - дополнительно перекос плит при их просадке или пучении [84].

Возникающие в процессе эксплуатации неисправности дренажей могут быть разделены на три вида:

механические повреждения трубопроводов, смотровых колодцев, выпусков;

нарушение конструктивной целостности дренажа;

закупорка трубопровода.

Виды неисправностей дренажей и причины их образования приведены в табл. 6.4 (Лагойский А.И. Горизонтальные траншейные дренажи на железных дорогах. М.: Транспорт, 1974).

Таблица 6.4

К механическим повреждениям относятся разрушения дренажных труб, выпусков из дренажей, смотровых устройств и т.д. Механические повреждения возникают, как правило, на небольших по протяжению участках.

При нарушении конструктивной целостности дренажа происходит взаимное смещение его элементов без механических разрушений. К наиболее нежелательным последствиям приводит взаимное смещение дренажных труб, нарушающее непрерывность дренажного трубопровода.

При закупорке дренажного трубопровода целостность дренажа не нарушается. Этот вид неисправностей встречается наиболее часто и служит причиной прекращения работы дренажа. Закупорка дренажа в зависимости от вызывающих ее причин может наблюдаться на всем его протяжении или на небольших участках.

Неисправности дренажей могут быть связаны с рядом природных явлений, к числу которых относятся:

заполнение дренажного трубопровода химико-бактериологическими отложениями;

закупорка трубопровода мелкими животными, проникающими в него на зимнюю спячку при низком расположении выходов из дренажей;

агрессивность воды, протекающей по трубопроводу;

периодическое замораживание и оттаивание;

стихийные бедствия (размывы, подмывы, оползни и т.п.).

Заполнение дренажной траншеи крупным щебнем или камнем без применения геосинтетических материалов может вызвать заиливание дренажного трубопровода. К аналогичным результатам приводит и назначение неоправданно больших размеров водоприемных отверстий в дренажном трубопроводе из керамических труб, а также произвольное назначение размеров пор в трубофильтрах.

Дренажные трубы из керамики и бетона на цементном вяжущем подвержены размораживанию, если они расположены на выходе дренажного трубопровода на поверхность земли. Размораживанию не подвержены трубы из дерева и металла. Агрессивные воды разрушают дренажные трубы, изготовленные на цементном вяжущем. Относительно быстро бетон разрушается водами, имеющими рН < 5,5-6. Защита цементного вяжущего битумными материалами неэффективна. Бактерии, живущие в грунтах, быстро разлагают битумное покрытие.

6.2. Деформации и разрушения нежестких дорожных одежд

Различают деформации и разрушения как отдельно покрытий, так и всей дорожной одежды в целом. К первым относят износ, шелушение, выкрашивание, выбоины, сдвиги, волны, гребенки и трещины покрытия (рис. 6.4). Ко вторым - пучины, просадки, проломы, колеи и разрушения кромок дорожных одежд. Наиболее часто на проезжей части наблюдаются деформации и разрушения дорожных покрытий.

Рис. 6.4. Трещины и разрушения покрытия:
1 - продольные по оси дороги; 2 - поперечные; 3 - косые; 4 - частые поперечные на всю ширину; 5 - продольные по полосам наката; 6 - сетка трещин на пучинистых участках; 7 - сетка трещин на пучинистых участках; 8 - обломы кромок

Износ покрытия (истирание) - уменьшение толщины слоя покрытия в результате потери материала под действием колес автомобилей и природных факторов (см. п. 6.4).

Шелушение - отделение чешуек и частиц материала толщиной 2-5 мм или разрушение поверхности покрытия под действием колес автомобилей, воды и отрицательной температуры воздуха с образованием микронеровностей глубиной до 5 мм. Основной причиной образования является недостаточное сцепление плёнки вяжущего с поверхностью минерального материала (применение вяжущих повышенной вязкости, обработка увлажнённого минерального материала и др.). Особенно интенсивно процесс шелушения протекает в весенний период при частом нагревании верхних слоев покрытия днём и замерзании ночью. Шелушение тем интенсивнее, чем меньше прочность материала покрытия, и развивается быстрее под действием хлоридов, применяемых для борьбы с гололёдом. Хлориды усиливают шелушение покрытий, способствуя выделению скрытой теплоты плавления льда на покрытии, в результате чего оно оттаивает, а потом снова замерзает. Особенно заметно влияние хлоридов на цементобетонных покрытиях с большим содержанием поверхностных пор.

Выкрашивание покрытий - отделение зерен минерального материала покрытия и образование мелких раковин на его поверхности глубиной от нескольких миллиметров до 20 мм. Постепенно развиваясь, выкрашивание распространяется на значительную площадь и является признаком начала поверхностного разрушения покрытия. Остановить этот процесс можно укладкой нового защитного слоя.

Выбоины (ямочность) - местные разрушения покрытия глубиной 20-100 мм и более с резко очерченными краями. Причины выкрашивания покрытий и образования выбоин во многом совпадают. Они возникают прежде всего из-за недостаточной связи между минеральными материалами и органическим вяжущим, недоуплотнения покрытия, загрязнения, использования недоброкачественных материалов (пережог асфальтобетонной смеси, попадание необработанного щебня или песка в смесь и т.д.).

Касательная сила вызывает колебание щебёнок вокруг точки их упора. При многократном воздействии щебёнки постепенно расшатываются и вырываются из покрытия, преодолевая силы трения. Особенно активно процесс образования выбоин развивается в весенний период, чему способствуют чередование положительных и отрицательных температур воздуха и покрытия, наличие воды в порах материала покрытия. Проникая в раковины и микротрещины покрытия под давлением колёс автомобиля, вода оказывает расклинивающее воздействие, которое значительно увеличивается при замерзании её в лёд.

Связи между частицами материала ослабляются и под действием колес автомобиля образуется выбоина, которая может быстро увеличиваться в размерах. Причины образования выбоины рассмотрены в п. 5.4.

Сдвиги - неровности, вызванные смещением материала покрытия при устойчивом основании. Сдвиги образуются чаще всего в местах торможения автомобилей (места остановки, перекрёстки). Под действием касательных сил происходит сдвиг в материалах верхнего слоя либо его сдвиг по поверхности нижнего слоя с образованием поперечных трещин в покрытии на полосах наката. Этому способствует повышенная пластичность материала верхнего слоя (избыток вяжущего или недостаточная теплоустойчивость при высоких температурах). Смещаемый колесом поверхностный слой образует складки и наплывы.

Волны и гребенки - неровности в виде поперечных гребней и впадин с пологими краями, закономерно чередующиеся вдоль покрытия и вызванные смещением верхнего слоя. Формируются, как и сдвиги, в местах торможения автомобилей практически на всех типах покрытий, кроме цементобетонных. Основными причинами волнообразования являются излишняя пластичность материалов, избыток вяжущего или недостаточная теплоустойчивость смеси, дефекты уплотнения, а также систематическое воздействие на покрытие автомобилей одинаковой массы при одинаковой скорости движения.

На покрытиях переходного типа, преимущественно гравийных, поперечные волны образуют гребёнку - правильные четко выраженные поперечные выступы, чередующиеся с углублениями.

Трещины на покрытиях бывают различных размеров и формы (см. рис. 6.4). Трещины на асфальтобетонных и других видах покрытий из материалов с органическими вяжущими могут быть одиночные поперечные, продольные и косые или в виде сети трещин.

Трещины поперечные сквозные на всю ширину покрытия (температурные) возникают на покрытии осенью и в начале зимы вследствие резких перепадов температур воздуха и недостаточной сопротивляемости температурным напряжениям. Они закономерно располагаются на проезжей части на определенном расстоянии одна от другой (5-10 м).

Продольные трещины, отстоящие одна от другой на 20-40 см на полосах наката в сочетании с поперечными трещинами через 1-4 м на всю ширину проезжей части, наблюдаются на покрытиях, содержащих органическое вяжущее, устроенных на основаниях из грунтов или каменных материалов, укреплённых минеральными вяжущими (цемент, известь, золы уноса), при недостаточной прочности этих оснований.

Продольные трещины на асфальтобетонных покрытиях часто появляются в месте стыка двух полос укладки покрытия из-за плохого сопряжения этих полос. Продольные трещины по полосам наката возникают при интенсивном движении автомобилей из-за недостаточной прочности отдельных слоев одежды и грунтового основания (недоуплотнение, переувлажнение), превышения нагрузок и интенсивности движения по сравнению с расчетными. Трещины продольно-косого направления возникают, главным образом, вследствие недостаточной прочности дорожной одежды, недоуплотнения грунтов полотна и последующей осадки, особенно на участках с высокой насыпью, а также над трубами.

Сетка трещин с мелкими ячейками на полосах наката размером сторон 10-20 см возникает на дорожном покрытии, как правило, при недостаточной прочности основания на участках оттаивания переувлажненного грунта в весенний период и пучинообразования. При большом числе трещин поверхность покрытия становится похожа на кожу крокодила, из-за чего она получила в некоторых странах название «аллигатор». Основная часть трещин (до 60-70 %) на покрытии возникает в весенний период. Зародышами трещин являются микротрещины, образующиеся на границе «вяжущее-каменный материал». Главной причиной большинства трещин является усталость дорожных одежд, их недостаточная прочность.

Колея - это особый вид деформирования дорожной конструкции (земляного полотна, дорожной одежды с покрытием), в результате которого на поверхности проезжей части образуются углубления вдоль по полосам наката без гребней выпирания или с гребнями выпирания по одной или обеим сторонам этих углублений. Колея может охватывать как слой покрытия, так и все другие слои дорожной одежды и грунты активной зоны земляного полотна (см. п. 5.5). Колеи могут образоваться на всех видах покрытий и дорожных одежд, но интенсивность их образования и глубина колей различны.

По форме поперечного профиля проезжей части можно выделить колеи в виде: углублений по полосам наката: углублений по полосам наката с одним гребнем или горбом выпирания; углублений по полосам наката с двумя и тремя гребнями выпирания; углублений по полосам наката с общим проседанием поверхности проезжей части и др. (рис. 6.5). Общая глубина колеи может колебаться в широких пределах 2-150 мм и более. При прочном земляном полотне и основании на асфальтобетонном покрытии колея может образоваться за счет ускоренного износа материала верхнего слоя покрытия по полосам наката и за счёт накопления пластических деформаций в слоях асфальтобетона. В реальных условиях результат этих процессов колееобразования суммируется.

Рис. 6.5. Виды колей:
1,2 - углубление по полосам наката; 3,4 - углубление с одним и двумя гребнями выпирания; 5 - углубление с общим проседанием поверхности проезжей части

Деформации и разрушения всей конструкции дорожной одежды - это пучины, просадки, проломы, колеи, разрушение кромок и др.

Пучины - взбугривание проезжей части, вызванное влагонакоплением и последующим промерзанием в земляном полотне. В месте взбугривания образуется сетка трещин с характерной ромбической формой отдельностей (см. гл. 4).

Просадки - деформации одежды в виде впадин глубиной 50-100 мм и более с пологой поверхностью, но без выпучивания и образования трещин на прилегающих участках. Возникают в местах пониженной прочности слоев одежды и грунта при увлажнении. Просадки могут наблюдаться в первые годы эксплуатации дороги при неблагоприятных грунтовогидрологических условиях, вследствие недостаточного уплотнения земляного полотна и слоев одежды, а также при появлении в составе движения тяжёлых автомобилей, на которые дорожная одежда не была рассчитана.

Проломы - разрушения одежды в виде более или менее длинных прорезей глубиной до 100 мм по полосам наката и выпучиваний сбоку высотой 50-100 мм. Различают мокрые проломы, которые образуются вследствие переувлажнения и пластического течения материала слоев основания и грунта, и сухие - прорезание всех слоев одежды под действием вертикальной силы при недостаточной толщине конструкции и слабом уплотнении слоев и грунтов земляного полотна.

Разрушение кромок - отдельные трещины и сетки трещин вдоль кромок, откол, искажение поперечного профиля прикромочных полос. Разрушение кромок происходит вследствие пониженной прочности прикромочных полос проезжей части (заниженная толщина слоев одежды у кромок, повышенная влажность грунта основания под кромкой) и отсутствия укрепительных полос со стороны обочин.

Наличие деформаций и разрушений всей конструкции дорожной одежды чаще всего свидетельствует о недостаточной прочности дорожной одежды и земляного полотна, о превышении фактической интенсивности движения над расчётной.

6.3. Деформации и разрушения цементобетонных покрытий

Цементобетонные покрытия работают в условиях сложного напряжённого состояния под действием повторных динамических нагрузок от автомобилей и переменных температурно-влажностных полей. При нагревании или охлаждении плит покрытия они стремятся изменить свои линейные размеры, но из-за сопротивления свободному перемещению по основанию возникают температурные напряжения в покрытии.

При изменении температуры по толщине цементобетонного покрытия плиты коробятся выпуклостью вниз (ночью) или вверх (днём) в зависимости от направления теплового потока. При несостоявшихся деформациях коробления в плитах также возникают температурные напряжения, величина которых зависит от собственной массы плит покрытия и их геометрических размеров.

Условия работы цементобетонного покрытия в разных его зонах (в центре, на краю, на торце, на углу плиты, на полосе наката и т.д.) являются существенно неоднородными. Это создает условия для накопления остаточных деформаций оснований под периферийной частью плит покрытия по всему периметру и для частичного нарушения контакта их нижней поверхности с основанием, особенно в зонах края и поперечных швов. В результате образуются зависающие участки плиты, в которых резко возрастают отрицательные изгибающие моменты при расположении нагрузки над швом.

К характерным деформациям и разрушениям цементобетонных покрытий относятся шелушение и выкрашивание поверхностного слоя бетона, трещины, выбоины, отколы углов и краев плит, вертикальные смещения плит, коробление, разрушение стыковых соединений и заполнителей швов.

Шелушение - механическое отделение частичек верхнего слоя покрытия в виде чешуи толщиной 2-5 мм или тонких лещадок толщиной до 40 мм.

Выкрашивание - отделение мелких частиц составляющих материалов (песка, щебня, цементного камня).

Основной причиной шелушения и выкрашивания покрытий является нарушение связности и прочности сцепления цементного камня и заполнителя в бетоне. Это может быть следствием нарушения технологии укладки бетона (укладка и твердение бетона при температуре ниже +5°С, заглаживание поверхности свежеуложенной смеси с добавлением воды, цемента или песка, излишнее вибрирование смеси, неправильный уход за свежеуложенным цементобетоном), а также низкого качества материалов. Другой причиной шелушения и выкрашивания может быть многократное приложение тяжёлых нагрузок в одном и том же месте в сочетании с резкими перепадами температуры на поверхности при частом замораживании и оттаивании в зимний и осенний периоды года.

Шелушение и выкрашивание поверхности покрытия является наиболее распространённым видом дефектов. Они опасны тем, что задерживают воду на поверхности, что способствует дальнейшему разрушению покрытия в период заморозков и оттаивания, а также тем, что создают участки покрытия с различными сцепными качествами.

Выбоины - местные разрушения в виде углублений различных форм и размеров в плите глубиной до 8-10 см. Причиной их образования может стать недостаточная прочность поверхностного слоя на отдельных участках покрытия, а также дальнейшее развитие уже имеющихся поверхностных разрушений (выкрашивание) в результате воздействия часто повторяющихся динамических нагрузок от колёс автомобилей, которые могут возрастать до 50 % от статической.

Раковины - это разрушения поверхности покрытия, по своему виду похожие на выбоины, только меньших размеров. Они образуются как результат развития процесса выкрашивания при попадании в верхний слой неморозостойких крупных заполнителей или инородных материалов, которые быстро разрушаются и выбиваются из покрытия. Раковины могут образовываться из-за недоуплотнения цементобетонной смеси и плохой отделки покрытия.

Трещины цементобетонных покрытий могут быть поперечными, продольными и косыми; волосными, поверхностными и сквозными.

Волосные трещины хорошо заметны при влажном покрытии, образуются преимущественно вследствие усадки цементобетона при его твердении из-за плохо подобранного состава смеси и неправильного ухода за свежеуложенным цементобетоном, а также в результате скопления и замерзания влаги в мельчайших порах верхнего слоя покрытия. Поверхностные трещины бывают усадочного и температурного происхождения. Последние могут возникнуть при короблении плит.

Сквозные трещины появляются в результате перенапряжения при недостаточной несущей способности покрытия. Снижение несущей способности покрытия может произойти из-за переувлажнения грунтов земляного полотна, просадки грунта из-за плохого уплотнения, из-за перегрузки покрытия при пропуске тяжёлых нагрузок и т.д.

Поперечные сквозные трещины образуются при больших расстояниях между швами и в тех случаях, когда произошло сцепление бетонных плит с основанием и они не могут перемещаться при температурных изменениях. Это температурные трещины. Продольные сквозные трещины возникают при неоднородно уплотнённом земляном полотне, когда края, уплотнённые меньше, начинают давать осадку. Косые трещины проявляются над местными пустотами, осадками земляного полотна и при недостаточно прочных покрытиях. Наличие сквозных трещин в цементобетонных покрытиях обычно служит признаком недостаточной прочности и начала разрушения.

Опасность сквозных трещин состоит в том, что они снижают несущую способность цементобетонных покрытий и создают условиях для проникновения воды в грунтовое основание.

Отколы углов и краев плит происходят в результате воздействия нагрузок и температуры при недостаточной прочности угловых и краевых участков плит. Причиной отколов углов и краёв является: недоуплотнение цементобетонной смеси на этих участках, неправильная установка штырей (перекос или размещение в разных уровнях), ослабление прочности основания вследствие проникания воды через швы или через обочины (рис. 6.6). На армированных плитах отколы особенно опасны, так как при этом обнажаются верхние концы арматуры, которые могут разорвать шины колес автомобилей.

Рис. 6.6. Схема разрушения бетонного покрытия в шве:
1 - деформация основания; 2 - разлом; 3 - трещина; 4 - уступ; 5 - направление движения транспортных средств; 6 - арматура

Сколы кромок плит в зоне швов и стыков возникают из-за недостаточной прочности верхнего слоя краевых участков плит под действием нагрузок от колес автомобилей. Скалывание кромок плит может происходить летом при высоких температурах, когда плиты сильно удлиняются, а их кромки сближаются вплотную настолько, что происходит коробление, в кромках плит возникает перенапряжение и происходит скол кромок.

Локальное или местное скалывание кромок плит часто происходит при засорении швов щебнем, гравием и т.п.

В систематизированном виде характерные наиболее распространённые деформации и разрушения цементобетонных покрытий автомобильных дорог представлены в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Наиболее распространенные деформации и разрушения цементобетонных покрытий автомобильных дорог

6.4. Износ дорожных покрытий и его причины

Наибольшее влияние на износ покрытий оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис. 6.7). При этом на участке входа шины в зону контакта с покрытием в шине происходит сжатие, а на выходе из контакта - расширение. Путь, проходимый точкой на шине в плоскости контакта l₁, меньше, чем вне его l. Поэтому в плоскости контакта точка движется с ускорением, большим по сравнению с тем, как она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость а в секторах практически одна и та же. Поэтому точка проходит по покрытию путь определённой длины с проскальзыванием вместо одного качения.

Рис. 6.7. Деформации шины колеса, способствующие износу покрытия:
А - зона сжатия, Б - зона растяжения

Под действием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа происходит истирание покрытия и шины автомобиля. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ при движении грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше, чем при движении легковых. Чем больше прочность материала покрытия, тем меньше и равномернее по ширине износ покрытия. На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Применение изверженных пород для щебня взамен осадочных уменьшает износ на 60 %. Увеличение содержания битума с 5 до 7 % снижает износ на 50-80 %.

Износ покрытия в пределах проезжей части и толщины покрытий происходит неравномерно и на покрытии образуются колеи истирания по полосам наката, глубина которых может колебаться от нескольких миллиметров до 40-50 мм. В таких колеях во время дождя создается значительный слой воды, что проводит к снижению сцепных качеств покрытия и аквапланированию.

Средняя величина износа по всей площади покрытия h_ср, мм, составляет:

h_ср = k×h_н, мм, где                                                                                                                 (6.1)

k - коэффициент неравномерности износа, в среднем равен 0,6-0,7;

h_н - величина износа в полосе наката, мм.

Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в мм, а для покрытий переходного типа также и по объему потери материала в м³/км.

Особенности износа шероховатых дорожных покрытий. Износ шероховатой поверхности дорожных покрытий проявляется в уменьшении высоты и в шлифовании неровностей макрошероховатостей. Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колёс автомобилей происходит в два этапа (см. рис. 7.3). На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счёт погружения зёрен щебня слоя износа в нижележащий слой покрытия. Величина этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, размера щебня и твёрдости покрытия. Твердость покрытия оценивают глубиной погружения иглы твердометра и для асфальтобетонных покрытий делят на: очень твёрдые - 0-2 мм; твёрдые - 2-5 мм; нормальные - 5-8 мм; мягкие - 8-12 мм; очень мягкие - 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твёрдостью.

Определение износа покрытий расчётом. Среднее значение уменьшения толщины дорожных покрытий в год вследствие износа может быть определено по формуле проф. М.Б. Корсунского (следует отметить, что указанные исследования выполнялись более 50 лет тому назад и количественные значения их результатов мало применимы к современным дорогам и автомобилям):

h = a + b×B                                                                                                                            (6.2)

или

 где                                                                                                                 (6.3)

h - годовой износ покрытия, мм;

а - параметр, зависящий в основном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий;

b - показатель, зависящий от качества (в основном прочности) материала покрытия, степени его увлажнения, состава и скорости движения;

В - грузонапряжённость движения, млн. брутто-тонн в год; N » 0,001×В (N - интенсивность движения, авт./сут).

Износ покрытия за Т лет с учётом изменения состава и интенсивности движения в перспективе по геометрической прогрессии можно определить по формуле

 где                                                                                     (6.3)

h_T - износ покрытия за Т лет, мм;

N₁ - интенсивность движения в исходном году, авт./сут;

К = 1,05-1,07 - коэффициент, учитывающий изменение в составе движения;

q₁ - показатель ежегодного роста интенсивности движения, q₁ > 1,0.

Значения параметров а и b приведены в табл. 6.6.

Таблица 6.6

Примечания. 1. Средние значения а и b принимают для дорог, расположенных в зоне умеренного увлажнения (III дорожно-климатическая зона) и построенных из каменных материалов, удовлетворяющих требованиям стандартов. 2. Для дорог с усовершенствованными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения (II дорожно-климатическая зона), принимают верхние пределы, а для дорог, расположенных в районах с сухим климатом (IV и V дорожно-климатические зоны), - нижние пределы значений а и b. 3. Для дорог с щебёночными и гравийными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения, принимают нижние пределы, а в районах с сухим климатом - верхние пределы а и b. 4. Если ширина проезжей части превышает 7,0 м, то значение b уменьшают на 15 %, а если она меньше 6,0 м, то b увеличивают на 15 %.

В последние годы для повышения устойчивости движения автомобилей стали применять шины с шипами или цепями. Опыт показывает, что это резко увеличивает износ покрытий на дорогах.

В момент соприкосновения с покрытием каждый шип наносит удар с большой скоростью. Шип имеет очень маленькую массу, но многократное повторение этих ударов по одному месту способствует ослаблению верхнего слоя покрытия. Большее истирающее воздействие оказывает шип, выходящий из зоны контакта, где шина вместе с шипом проскальзывает по поверхности покрытия, истирая его.

Продолжительность износа асфальтобетонных покрытий при эксплуатации шин с цепями и шипами сокращается в 2-3 раза. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобетона на автомагистралях ФРГ, по которым движутся автомобили, оснащённые шинами с шипами, через 1-2 года образуются колеи по полосам наката глубиной до 10 мм.

Поэтому в условиях эксплуатации дорог России использование шин с шипами и цепями противоскольжения на дорогах общего пользования должно быть строго ограничено.

В качестве критерия предельного состояния дорожного покрытия по износу может быть принята величина допустимого износа Н_и: для асфальтобетонных покрытий 10-20 мм; для щебёночных и гравийных, обработанных органическими вяжущими - 30-40 мм; щебёночных из прочного щебня - 40-50 мм, гравийных - 50-60 мм.

Исходя из этого дорожно-эксплуатационные организации при приёмке дорог после строительства или ремонта с усилением должны требовать от строителей, чтобы покрытие имело толщину больше расчётной из условия прочности на величину допустимого износа, т.е.

h_n = h_np + Н_и , мм, где                                                                                                          (6.5)

h_np - расчетная толщина покрытия из условия прочности дорожной одежды, мм.

Измерение износа. Ежегодный износ в долях мм цементобетонных, асфальтобетонных и других монолитных покрытий измеряют при помощи реперов, закладываемых в толщу покрытия, и износомера. При этом способе измерения износа в покрытие предварительно закладывают реперы-стаканчики из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчёт.

Износ определяют также с помощью пластин (марок) трапецеидальной формы из известняка или мягкого металла, заделываемых в покрытие и истирающихся совместно с ним. Для определения износа покрытий могут быть использованы различного рода электрические или георадарные приборы, применяемые для измерения толщины слоев в слоистых полупространствах.

Располагая данными о фактическом износе покрытия и предельно допустимом износе, определяют коэффициент изношенности покрытия.

ГЛАВА 7. Закономерности изменения основных транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог

7.1. Общий характер изменения прочности дорожных одежд в процессе эксплуатации

Прочность дорожных одежд является важнейшим транспортно-эксплуатационным показателем, влияющим на технический уровень и эксплуатационное состояние автомобильной дороги и, в частности, определяющим способность дорожных конструкций сопротивляться многократно повторяющемуся воздействию нагрузок от проезжающих транспортных средств и обеспечивать эффективность перевозочного процесса в течение межремонтного срока службы. Транспортные средства воздействуют на дорогу одновременно с факторами, зависящими от природно-климатических условий (водой, температурой, ветром, солнечной радиацией).

В годовом цикле изменения водно-теплового режима земляного полотна выделяют четыре характерных периода: первоначальное накопление влаги осенью; промерзание, перераспределение и накопление влаги в земляном полотне зимой; оттаивание земляного полотна и переувлажнение грунта весной; просыхание земляного полотна летом.

Весной (обычно в апреле-мае) в начале оттаивания земляного полотна грунт наиболее увлажнён и разуплотнён (W » [0,85-1,0]W_T; К_пл = 0,85, где W_T - влажность грунта на границе текучести; К_пл - коэффициент уплотнения). Нагрев поверхности дороги солнцем весной вызывает поток тепла в конструкцию, который приводит к просыханию и уплотнению верхних слоев земляного полотна. По мере оттаивания увеличивается влажность грунта и снижаются прочностные характеристики дорожной конструкции. Данные рис. 7.1 свидетельствуют, что с увеличением глубины оттаивания увеличивается и прогиб дорожной одежды под нагрузкой. Максимальные деформации наблюдаются только в момент полного оттаивания грунта земляного полотна. По мере просыхания земляного полотна прогиб резко уменьшается, свидетельствуя о повышении несущей способности дорожной конструкции.

Рис. 7.1. Изменение прогиба дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием в весенний период по мере оттаивания грунта земляного полотна (данные Р.С. Нордала, Норвегия).
Стрелками показаны дождливые и сухие периоды (Z - глубина оттаивания, м; L - прогиб, мм)

Весенний период наибольшего ослабления дорожной одежды рассматривается в качестве расчётного периода с продолжительностью от 20-30 суток до 1,5-2 месяцев в зависимости от региональных условий Российской Федерации. Особенности определения расчётного периода изложены в разделе 20.2 применительно к сезонному ограничению движения транспортных средств по осевым нагрузкам.

В этих условиях в качестве обобщённого критерия прочности нежёстких конструкции используют величину прогиба под нагрузкой или рассчитываемый по его величине эквивалентный модуль упругости. Дорожные одежды считаются прочными, если обеспечивается коэффициент прочности  в пределах межремонтного срока службы (где Е_ф и Е_тр соответственно фактический и требуемый модули упругости).

Расчётные требуемые модули упругости [107], полученные с учётом результатов многолетних испытаний дорожных одежд, назначают на требуемую перспективу t (1-20 лет) в зависимости от конкретно решаемых задач:

                                                                                  (7.1)

 где                                                                  (7.2)

А, В, g - эмпирические параметры, характеризующие закономерности изменения требуемых модулей упругости от перспективной интенсивности движения;

w° - коэффициент, учитывающий влияние погодно-климатических факторов на агрессивность воздействия расчётных автомобилей;

N₁ - интенсивность движения расчётных нагрузок на полосу в первый год эксплуатации, авт/сут. Состав движения приводят к расчётному двухосному автомобилю с осевой нагрузкой на заднюю ось 100 кН (удельное давление в плоскости контакта колеса с покрытием - 0,6 МПа) с учётом типа дорожной одежды;

К_пр - коэффициент относительной прочности дорожной одежды, принимаемый в зависимости от типа дорожной одежды и категории дороги;

К_рег - региональный коэффициент, зависящий от дорожно-климатической зоны;

K_z - коэффициент, зависящий от фактической интенсивности движения;

K_си - коэффициент, учитывающий сопротивление конструктивных слоев сдвигу и растяжению при изгибе;

X_i - параметр, характеризующий отклонение расчётного модуля упругости от среднего в статистической выборке и принимаемый в зависимости от расчётной надёжности дорожной одежды.

Находящиеся в эксплуатации дорожные одежды представляют собой некоторую систему со случайным распределением прочностных свойств по длине автомобильной дороги, подчиняющимся закону нормального распределения (Апестин В.К., Шак A.M., Яковлев Ю.М. Испытание и оценка прочности нежёстких дорожных одежд. - М.: Транспорт, 1977. - 102 с). Это обусловлено неоднородностью физико-механических свойств материалов конструктивных слоев дорожной одежды и земляного полотна, некоторым колебанием толщин конструктивных слоев за счёт допусков, принимаемых при строительстве и ремонте автомобильной дороги, а также воздействием автомобильного движения и погодно-климатических факторов, носящим случайный характер.

В этих условиях фактическое состояние дорожных одежд оценивают фактическим модулем упругости Е_ф, определяемым по величине прогиба l_ф, соответствующего расчётному уровню надёжности К_н или допустимой вероятности повреждения покрытия [r] = 1 - К_н в конце расчётного (межремонтного) срока службы (рис. 7.2):

 где                                                                                                      (7.3)

Q_k - вертикальная нагрузка, кН;

l_ф - прогиб, см.

Рис. 7.2. Определение фактического состояния дорожной одежды по прочности по результатам её полевых испытаний вертикальной нагрузкой [107]:
1 - уровень, соответствующий допустимой вероятности повреждения покрытия; 2 - кривая распределения прогибов покрытия на характерном участке дороги; 3 - кумулятивная кривая; l - накопленная частость; L - величина i-того прогиба; l_ф - то же, соответствующего допустимой вероятности повреждения покрытия

Под воздействием погодно-климатических факторов фактическое состояние дорожной одежды и грунтов земляного полотна непрерывно изменяется, причем каждая точка конструкции вдоль дороги имеет свою собственную закономерность (рис. 7.3). Учитывая это, для получения фактической закономерности изменения прочности дорожной одежды во времени следует ориентироваться не на случайно выбранные точки, а только на те места конструкции, которые характеризуются величиной прогиба, соответствующего допустимой вероятности повреждения покрытия.

В связи с естественной неоднородностью дорожной конструкции внезапного её отказа под воздействием движения и погодно-климатических факторов не происходит в процессе эксплуатации. Изменение состояния дорожной одежды по прочности происходит постепенно во времени по мере развития в конструкции различных дефектов и повреждений. Показательно, что характер растрескивания одинаков для жёстких и нежёстких покрытий. Различие только в отношении объёма повреждений (Апестин В.К., Дудаков А.И. Влияние построечного транспорта на состояние покрытия в процессе его устройства // Автомобильные дороги. - 1977. - № 7).

Рис. 7.3. Закономерности изменения обратимого прогиба l_k дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием в весенний период времени на дорогах Московской области под воздействием погодно-климатических факторов
1,2,3 - закономерности для разных контрольных точек

Рис. 7.4. Закономерности снижения расчётных (требуемых) модулей упругости дорожной конструкции и повышения вероятности разрушения (сетка трещин [107]) покрытия:
1 - изменение вероятности повреждения покрытия в пределах периода 2 - изменение модуля упругости дорожной конструкции в пределах срока службы дорожной одежды, 3 - кривая распределения модулей упругости дорожной конструкции;
Е_пр = Е_ср - проектный наиболее вероятный модуль упругости дорожной конструкции; Е_min - предельно допускаемый модуль упругости в конце расчётного срока службы дорожной одежды, МПа; Е_р = Е_тр - расчётный (требуемый) модуль упругости дорожной одежды и земляного полотна, МПа; [r] - допустимая вероятность повреждения покрытия

С выработкой запасов прочности дорожных одежд происходит постепенное снижений модулей упругости конструкции (рис. 7.4) и переход системы в предельное состояние в виде сетки трещин [107], определяемое расчётной надёжностью конструкции. Закономерность снижения, полученная на основе решения (7.2), определяется зависимостью [17], согласующейся с результатами полевых испытаний, проведённых в России и за рубежом:

где                                                               (7.4)

Т_н - расчётный (межремонтный) срок службы дорожной одежды, запасы прочности которой определены решением (7.1).

Формула (7.4) справедлива при величине выражения под логарифмом ³ 5.

Модули упругости конструкции, соответствующие моменту образования различных дефектов, могут быть определены (Апестин В.К. К вопросу определения несущей способности дорожной одежды: Тезисы докладов Республиканской н-т конференции «Проблемы дорожного строительства». - Суздаль, 1996. - С. 76-77.) следующим эмпирическим выражением [17]:

E_ф = h·( E_р - E_min) + E_min, МПа.                                                                                           (7.5)

Значения коэффициента h приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Примечание. Объём повреждения определяется по вероятности [r], соответствующей расчётному уровню надёжности дорожной одежды.

В соответствии с [107]

где                                                                                    (7.6)

А - эмпирический показатель, принимаемый для условий статического и кратковременного нагружения дорожной одежды соответственно 125 и 145 МПа.

Оценку изменения состояния жёстких дорожных одежд с цементобетонными покрытиями по критерию трещиностойкости в процессе эксплуатации не выполняют в связи с трудоёмкостью определения фактических суммарных напряжений в плитах покрытия от совместного действия температуры и транспортной нагрузки. В производственных условиях [95] ограничиваются сравнением фактической толщины покрытия Н_ф с требуемой по условиям движения Н_тр. Дорожная одежда с цементобетонным покрытием считается прочной, если обеспечивается следующий коэффициент прочности:

                                                                                                                     (7.7)

7.2. Динамика изменения ровности дорожных покрытий в зависимости от начальной ровности и грузонапряжённости

Ровность дорожных покрытий в соответствии с Техническими правилами ремонта и содержания дорог [95] рассматривается как один из основных транспортно-эксплуатационных показателей, определяющих технический уровень и эксплуатационное состояние автомобильных дорог, непосредственно влияющий на эффективность перевозок грузов и пассажиров, удобство и безопасность дорожного движения.

Имеются два основных фактора, определяющих ровность дорожного покрытия и динамику её изменения в процессе эксплуатации:

технология производства работ (с учётом качества производства работ и используемых материалов) при строительстве и ремонте дорожной одежды и земляного полотна, определяющие начальную ровность дорожного покрытия;

воздействие движения и погодно-климатических факторов, вызывающих естественные процессы образования микротрещин и накопления остаточных деформаций в слоях дорожной одежды, проявляющихся в конечном итоге развитием сквозных трещин на дорожном покрытии (см. рис. 7.4), образованием просадок и колеи по мере снижения несущей способности дорожных конструкций и достижения предельного состояния дорожной одежды.

Комплексное влияние этих факторов на ровность дорожного покрытия может учитываться эмпирическими зависимостями от прочности дорожных конструкций типа [6]:

 где                                                                            (7.8)

S_t и S₀ - прогнозируемое и начальное (после сдачи дороги в эксплуатацию) значения ровности дорожного покрытия по толчкомеру, см/км;

а, b, с, d - эмпирические коэффициенты для дорожных одежд капитального типа: а = 0,02; b = 0,7; с = 6,7·10⁹; d  = -5,65;

п - количество расчётных дней в году, п = 365 дн.

N₁ - интенсивность движения в первый год службы, приведённая к расчётной нагрузке;

q - показатель роста интенсивности движения во времени t;

E_min - минимальный модуль упругости с заданной надёжностью при односторонней доверительной вероятности, МПа:

 где                                                                                                   (7.9)

 - математическое ожидание модуля упругости;

t_н - нормированное отклонение;

s_Е(t) - среднеквадратическое отклонение модуля упругости.

Имеется также решение, прогнозирующее состояние покрытия по ровности в зависимости от изменения грузонапряжённости на автомобильной дороге (Слободчиков Ю.В. Обоснование оценочных показателей выбора ремонтной стратегии автомобильных дорог с дорожными одеждами нежесткого типа в изменяющихся условиях эксплуатации. - М.: Информавтодор, 1994. - 189 с):

S_t = a·Q_t + b, где                                                                                                                  (7.10)

a - эмпирический параметр, учитывающий региональные условия работы дороги (Северный Казахстан). Для средних условий a = 23,5;

b - параметр, характеризующий начальную ровность асфальтобетонного покрытия по толчкомеру после проведения дорожных работ (b = 90 см/км);

Q_t - грузонапряжённость в млн. брутто тонн за t лет эксплуатации дороги:

 где                                                                         (7.11)

N_t - среднегодовая суточная интенсивность движения в t-ом году, авт./сут;

Q_i - масса каждого из i-тых порожних автомобилей, т;

Г_i - номинальная грузоподъемность i-того автомобиля, т;

g, l - коэффициенты использования пробега и грузоподъемности автомобилей соответственно;

v - количество типов автомобилей в составе транспортного потока;

р_i - доля i-того автомобиля в составе транспортного потока.

Начальная ровность покрытий в приведённых зависимостях непосредственно связана с используемой технологией и качеством проведённых работ.

Более устойчивые корреляции имеют место, если динамику изменения ровности оценивать по развивающимся в покрытии остаточным деформациям и трещинам. Однако не все эти дефекты оказывают существенное влияние на состояние покрытия по ровности (рис. 7.5). Наиболее интенсивно изменение ровности покрытия происходит в местах образования сетки трещин, характеризующихся минимальными показателями прочности дорожной конструкции, где интенсивно протекают процессы повреждения кромок трещин, взаимного смещения и просадки частей покрытия при переходе системы в запредельное состояние.

Рис. 7.5. Влияние различных дефектов на изменение показателя ровности асфальтобетонного покрытия (данные обследования 25-км участка дороги Москва - Ярославль; оценка ровности выполнена с помощью автомобильной установки ПКРС-2):
1 - сетка трещин; 2 - сетка трещин, отремонтированная ямочным ремонтом; 3 - волна с шагом 0,9-1,5 м вдоль дороги; 4 - просадки в разных местах покрытия

Показательно, что ямочным ремонтом, проводимом, как правило, в местах развития сетки трещин, только частично удается улучшить состояние покрытия по ровности. Развивающиеся в покрытии сквозные поперечные и косые трещины не сказываются на динамике изменения ровности покрытия (корреляции отсутствуют). Определённое влияние замечено только с начала появления частых поперечных трещин при несвоевременном их содержании (трещины открытые с рваными кромками).

В этих условиях для прогнозирования ровности покрытия по развивающейся во времени сетки трещин используется решение, полученное в результате совместного рассмотрения известной зависимости скорости движения транспортного потока от ровности асфальтобетонного покрытия, определённой в результате обобщения данных МАДИ (ГТУ) и Гипродорнии, и зависимости скорости движения от степени деформирования покрытия (Золотарь И.А., Некрасов В.К. и др. Повышение надёжности автомобильных дорог. / Под ред. И.А. Золотаря. - М.: Транспорт, 1977. - 183 с):

 где                                                                                                   (7.12)

d_i - показатель ровности покрытия по толчкомеру, см/км;

m, а - эмпирические параметры, учитывающие влияние начальной ровности покрытия на скорость движения транспортного потока (m = 86,14 и а = 0,0125);

h, b - эмпирические коэффициенты, влияющие соответственно на скорость движения и динамику изменения ровности покрытия в зависимости от вероятности повреждения покрытия r_ik (h = 0,123; b = 0,045).

Вероятность повреждения покрытия r_ik в любой рассматриваемый год определяют с использованием распределений фактических обратимых прогибов l_ik нежёстких дорожных одежд, полученных по результатам полевых испытаний нагрузкой и представленных (рис. 7.6) в виде кумулятивных кривых прогибов (Апестин В.К. Оптимизационная модель для обоснования требований к прочности нежёстких дорожных одежд и норм межремонтных сроков их службы. - тр. Гипродорнии, вып. 46. - М.: 1985. - С. 57 - 73):

r_ik = f(X_ik), где                                                                                                                       (7.13)

X_ik - соотношение среднего и расчётного модуля упругости, обеспечивающего работоспособность дорожной одежды на рассматриваемый момент времени:

                                                                                                                           (7.14)

Рис. 7.6. Схема определения ежегодной вероятности повреждения покрытия r_ik;
1 - кривая распределения прогибов; 2 - кривая накопления; l_ik и E_ik - значения прогибов и рассчитанных по их величине модулей упругости соответственно; l_ik и E_cpk - соответственно среднеарифметические значения прогиба и модуля упругости дорожной конструкции; s - среднеквадратическое отклонение прогибов в распределении

Ежегодные расчётные модули упругости E_tpi определяют по формуле (7.1) при подстановке последовательно t = 1; 2; 3;... Т₀ лет и окончательно искомые вероятности находят по кривой накопления (см. рис. 7.6).

Общий вид получаемой закономерности представлен на рис. 7.4 кривой вероятности повреждения покрытия сеткой трещин.

Для технико-экономических расчётов и предварительных оценок динамики изменения ровности при отсутствии результатов диагностики используют обобщённую кривую распределения прогибов, установленную поданным многолетних наблюдений за нежёсткими дорожными одеждами разных конструкций и фактических сроков службы. Параметры этого распределения [107] приведены в табл. 7.2.

По полученным значениям r_ik определяют соответствующее им состояние дорожного покрытия по ровности 8, по формуле (7.12) или по табл. 7.3.

Таблица 7.2

Примечание. Промежуточные значения определяют по интерполяции.

Таблица 7.3

Примечания: 1. Показатель ровности покрытия соответствует показаниям толчкомера ТХК-2, установленного на автомобиле УАЗ-452. При использовании других марок автомобилей требуется предварительная тарировка прибора. Промежуточные значения находят по интерполяции. 2. В случае если диагностика автомобильной дороги выполнена с помощью автомобильной установки типа ПКРС-2, соответствующее значение по ТХК определяют:

7.3. Шероховатость и сцепные качества дорожных покрытий

В дорожной практике показателем надежности контакта автомобильной шины с дорожным покрытием служит величина сопротивления скольжению автомобильной шины по поверхности проезжей части дороги, оцениваемая значением коэффициента сцепления. Коэффициентом сцепления называют отношение величины реактивной силы, действующей на колесо автомобиля в плоскости его контакта с покрытием, к величине вертикальной нагрузки, передаваемой колесом на покрытие. По физической сущности коэффициент сцепления представляет собой коэффициент трения пары «резина протектора автомобильной шины - покрытие проезжей части дороги». Сила трения (реактивная сила) в контакте пары трения формируется двумя составляющими: молекулярной (адгезионной) и деформационной. Первая составляющая является результатом молекулярного взаимодействия контактирующих материалов. Ее величина зависит от материала дорожного покрытия (например, асфальтобетон или цементобетон) и продолжительности контакта (т.е. скорости движения взаимодействующей пары относительно одна другой). Вторая составляющая формируется в результате затрат энергии на взаимную деформацию контактирующих тел выступами неровностей, находящимися на их поверхности. На сухих дорожных покрытиях сила трения в контакте шины формируется в основном за счёт молекулярной составляющей. На покрытиях, имеющих на своей поверхности пленку воды, автомобильного масла или топлива, пыли, сила трения в основном формируется её деформационной составляющей. Молекулярная составляющая появляется только после разрыва пленки смазки неровностями на поверхности контактирующих тел и вступления их в непосредственное соприкосновение.

На процессы, протекающие в зоне контакта шины с покрытием, и, соответственно, на величину силы трения (реактивную силу) и величину коэффициента сцепления оказывает влияние комплекс факторов: материал дорожного покрытия, состав и свойства резины протектора автомобильной шины, неровности на поверхности дорожного покрытия (шероховатость) и беговой дорожки протектора шины, вертикальная нагрузка на колесо автомобиля и скорость его движения, состояние покрытия дороги и др. (табл. 7.4). При этом неровности шероховатости поверхности дорожных покрытий оказывают решающее влияние на силу трения в контакте автомобильных шин при любых условиях движения автомобиля, даже (в определенной мере) на заснеженных покрытиях дорог.

Таблица 7.4

Исследования сцепных свойств дорожных покрытий в России (СССР) были начаты в тридцатые годы XX века. Одним из первых в России такое исследование провел в МАДИ М.С. Замахаев (в 1939 г.). Значительное развитие исследования сцепных качеств покрытий дорог получили в 60-80-е г. XX века, в работах Э.Г. Подлиха, В.А. Астрова, М.А. Паршина, М.В. Немчинова, Л.Г. Марьяхина, В.И. Жукова, B.C. Порожнякова, Ю.В. Кузнецова. Взаимодействие автомобильной шины с поверхностью качения рассмотрено в работах специалистов-шинников В.И. Кнороза, Е.В. Кленникова, А.С. Литвинова, С.М. Цукерберга и др. Одновременно значительные исследования в этой области проводились за рубежом. В качестве примера можно назвать книгу «Mechanics of Pneumatic Tires» (1971, 1981), обобщающую результаты исследований сцепных свойств автомобильных шин.

Анализ и обобщение исследований отечественной школы в области трения (работ И.В. Крагельского, Г.М. Бартенева и их учеников), результатов исследований специалистов-дорожников Л.Г. Марьяхина, В.М. Юмашева, а также исследования проф. М.В. Немчинова позволили в 70-80-х г. XX века обосновать требования к текстуре (шероховатости) поверхности дорожных покрытий из условия обеспечения сцепных качеств дорожных покрытий, установить закономерности ее изменения под воздействием колес проходящих по дороге автомобилей в процессе службы дорожных покрытий, нормировать высоту выступов и глубину впадин неровностей шероховатости и с учётом этих факторов предложить метод расчёта параметров текстуры дорожных покрытий [63]. Зависимость коэффициентов продольного и поперечного сцепления от макрошероховатости покрытия дороги представлена на рис. 7.7-7.9.

Рис. 7.7. Зависимость коэффициента продольного сцепления от макрошероховатости асфальтобетонного покрытия при сухом (j_c) и мокром (j_т) его состоянии: шина 6,45-13Р с новым рисунком протектора; скорость скольжения полностью блокированного колеса, км/ч:
а - 40, б - 60, в - 80; температура воздуха +20...22°С (М.В. Немчинов)

Рис. 7.8. Зависимость коэффициента поперечного сцепления от макрошероховатости дорожного покрытия в диапазоне скорости от 48 до 120 км/ч:
1 - движение колеса с проскальзыванием; 2 - 100 %-ная блокировка колеса (Ю.В. Кузнецов)

Рис. 7.9. Зависимость коэффициента продольного сцепления от макрошероховатости поверхности асфальтобетонного покрытия зимой:
а - покрытие чистое (от снега), сухое; температура воздуха -14...-15°C; б - покрытие чистое (от снега), мокрое; температура воздуха -2...-4°С; скорость движения, км/ч: 1 - 40, 2 - 60, 3 - 80 (М. В. Немчинов)

Шероховатость поверхности (в теории трения - текстура) дорожного покрытия представляет собой совокупность неровностей, не вызывающих низкочастотных колебаний автомобиля на подвеске и не влияющих на работу его двигателя. Шероховатость делят на две группы: макро и микрошероховатость. К макрошероховатости относят неровности длиной более 2-3 мм и высотой более 0,2-0,3 мм, обычно формируемые частицами (зернами) щебня, используемого при строительстве покрытий дороги или в результате специальной его обработки. К микрошероховатости относят меньшие неровности, как правило, обусловленные собственной шероховатостью поверхности зерен щебня. По степени шероховатости поверхности дорожные покрытия разделяют на (по Л.Г. Паниной, Л.Г. Марьяхину, А.Я. Эрастову, А.П. Васильеву) на семь групп (табл. 7.5).

Таблица 7.5

Классификация дорожных покрытий по шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности асфальтобетонных покрытий создается путем строительства шероховатых слоев износа или строительства покрытий из многощебенистых асфальтобетонных смесей. На цементобетонных покрытиях шероховатость создается в процессе строительства путём соответствующей обработки поверхности свежеуложенного бетона.

В процессе эксплуатации покрытия происходит уменьшение - износ шероховатости его поверхности. Износ проявляется в уменьшении высоты и шлифовке неровностей шероховатости. На характер и интенсивность этого процесса влияют: интенсивность движения автомобилей и состав транспортного потока; размер щебня, использованного для строительства слоя износа; содержание щебня в асфальтобетонной смеси, погодно-климатические условия. Уменьшение макрошероховатости покрытия вызвано воздействием колёс проходящих автомобилей и протекает в два этапа. На асфальтобетонных покрытиях после открытия движения транспорта макрошероховатость быстро уменьшается в результате погружения щебня, формирующего неровности макрошероховатости. Ввиду небольшой продолжительности первого этапа эффект шлифовки не успевает проявиться в должной мере. На втором этапе, характеризующемся замедлением, а затем и прекращением погружения щебня, основной причиной уменьшения шероховатости покрытия становится шлифовка неровностей макрошероховатости, в результате которой объём выступающей части зерен щебня постепенно уменьшается, а сами они приобретают окатанную форму. Общая закономерность уменьшения макрошероховатости асфальтобетонного покрытия описывается уравнением:

R_cp = a·e^-bM + c, где                                                                                                               (7.16)

R_cp - осредненная глубина неровностей макрошероховатости, мм; М - количество прошедших автомобилей; a, b, c - коэффициенты, зависящие от размера щебня, твердости покрытия и состава транспортного потока.

Погружение щебня поверхностного слоя покрытия происходит под воздействием колес проходящих по дороге автомобилей. Чем выше интенсивность движения и чем больше в транспортном потоке тяжёлых автомобилей, тем интенсивнее идёт этот процесс. Однако большое значение имеет и динамическое воздействие колёс на выступы неровностей шероховатости (табл. 7.6, рис. 7.10).

Таблица 7.6

Влияние интенсивности движения и состава транспортного потока на уменьшение (в %) макрошероховатости дорожного покрытия. Покрытие - асфальтобетон типа В. Срок службы покрытия - 1 год (данные проф. М.В. Немчинова)

Рис. 7.10. Зависимость уменьшения макрошероховатости от числа прошедших автомобилей при различной крупности щебня:
1 - 5-10 мм (втапливание щебня, начальная глубина впадин макрошероховатости 2,3 мм); 2 - 15-20 мм; 3 - 20-25 мм; 4 - 25-35 мм; 2-4 - поверхностная обработка с начальной глубиной впадин макрошероховатости 7,5 мм; покрытие - мелкозернистый асфальтобетон типа В

Твёрдость характеризует сопротивление покрытия погружению щебня, формирующего неровности макрошероховатости, и оценивается по глубине погружения иглы специального прибора - твердомера. Установлено, что уменьшение макрошероховатости слоя износа в результате погружения щебня линейно связано с глубиной погружения иглы твердомера. В зависимости от твердости асфальтобетонные покрытия делят на пять групп: очень твёрдые - с глубиной погружения иглы твердомера 0-2 мм, твёрдые - 2-5 мм, нормальные - 5-8 мм, мягкие - 8-12 мм, очень мягкие - 12-21 мм. Твёрдость асфальтобетонных покрытий зависит от содержания щебня в минеральной части асфальтобетонной смеси: чем больше щебня, тем выше твёрдость. Однако повышение температуры покрытия приводит к снижению его твёрдости и, соответственно, к усилению погружения щебня слоя износа в покрытие под воздействием колёс автомобилей.

Уменьшение микрошероховатости, обусловленное шлифующим воздействием колёс автомобилей, определяется свойствами исходной горной породы (зернистостью, количественным и качественным соотношением минералов в ней, степенью выветрелости породы), количеством абразива на покрытии (пыли и продуктов износа самого покрытия), наличием воды и характеристиками транспортного потока. Так же, как и в случае макрошероховатости, рост интенсивности движения тяжёлых грузовых автомобилей приводит к ускорению процесса шлифовки зёрен щебня. Уменьшение макро- и микрошероховатости приводит к ухудшению сцепных качеств мокрых дорожных покрытий (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Снижение сцепных качеств мокрого покрытия и уменьшение макрошероховатости его поверхности в процессе службы дороги: поверхностная обработка из щебня размером 20-25 мм (начальная глубина впадин R_нач = 7,5 мм) на покрытии из асфальтобетона типа В

Шероховатость поверхности покрытия помогает обеспечить непосредственный контакт автомобильных шин с поверхностью проезжей части дороги в случае наличия на ней воды. Вода на проезжей части дороги появляется во время дождя, при таянии снега, конденсации водяных паров из воздуха. Достаточно часто во время дождей на покрытии образуется слой стекающей воды, причем эта вода оказывает на колёса движущихся автомобилей гидродинамическое подъёмное действие. При определенных условиях (глубина слоя воды в несколько миллиметров, скорость движения 80 км/ч и более, достаточно изношенный рисунок протектора шин) гидродинамическое давление способно оторвать колёса автомобиля от дорожного покрытия. В этом случае автомобиль начинает скользить передними колесами по слою воды (возникает явление глиссирования колёс автомобиля, в литературе чаще называемое аквапланированием) и становится неуправляемым. Единственный способ недопущения этого - с помощью неровностей шероховатости покрытия уменьшить толщину слоя воды, оказывающего гидродинамическое давление на колёса автомобиля (толщину активного слоя). По данным М.В. Немчинова, наименьшая допустимая по условиям недопущения явления глиссирования автомобилей высота выступов шероховатости может быть определена из выражения:

R_cp = H - h_aкт + h_вд, мм, где                                                                                                  (7.17)

R_cp - средняя высота выступов макрошероховатости на покрытии, мм;

H - глубина слоя стока на покрытии во время дождя, мм;

h_aкт - глубина активного слоя жидкости на покрытии, мм;

h_вд - глубина вдавливания выступов шероховатости в резину протектора автомобильных шин, мм;

H = ([a·L·n]/[30·i^1/2])^0,6, где                                                                                                  (7.18)

а - интенсивность дождя, мм/мин;

L - длина участка стока воды по покрытию (функция ширины, продольного и поперечного уклонов проезжей части);

п - коэффициент гидравлической шероховатости поверхности покрытия;

i - уклон стока (функция продольного и поперечного уклонов проезжей части дороги).

Предельно допустимую по условиям недопущения явления глиссирования высоту выступов макрошероховатости можно найти, приравняв скорость движения автомобиля, скорости начала скольжения его шин по слою воды на покрытии дороги по уравнению:

H = G/k·p·b·V², где                                                                                                               (7.19)

G - вертикальная нагрузка (сила) на колесо, передаваемая от автомобиля;

k - коэффициент, учитывающий особенности взаимодействия колеса автомобиля с плёнкой воды на покрытии дороги (рис. 7.12);

р - плотность воды;

b - ширина беговой дорожки шины;

V - скорость начала скольжения шины.

Рис. 7.12. Значения коэффициента k в формуле (7.19)

Шероховатость поверхности дорожных покрытий оказывает влияние не только на их сцепные качества. Шероховатость увеличивает уровень транспортного шума от автомобилей (минимальный уровень шума от легковых автомобилей наблюдается при глубине впадин шероховатости 1 мм), на уровень вибрации в салоне автомобиля (для отечественных легковых автомобилей величина вертикальной составляющей виброускорения на рабочем месте водителя превосходит санитарную норму уже при глубине впадин более 6 мм - при скорости движения 80 км/ч), благоприятно влияет на психофизиологическое состояние водителей при поездках по мокрым дорогам и зимой (при чистой от снега проезжей части). При качении колес автомобиля неровности шероховатости не увеличивают износ протектора автомобильных шин. При резком торможении и блокировке колёс неровности шероховатости не только деформируют резину протектора шин, но способны вызвать ее повреждение (царапины). Для этого требуются дополнительные затраты энергии, что, в конечном итоге, способствует повышению коэффициента сцепления и уменьшению длины тормозного пути автомобиля.

Многофункциональность неровностей шероховатости на поверхности дорожных покрытий заставляет нормировать их параметры: минимальную допустимую глубину впадин макрошероховатости, максимальную высоту выступов, максимальное расстояние между выступами шероховатости. Требования к шероховатости дорожных покрытий сформулированы в отраслевом нормативном документе «Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью», первая редакция которого была опубликована в 1978 г. (ВСН 38-77), вторая в 1990 г. (ВСН 38-90) (табл. 7.7).

Таблица 7.7

Минимально допустимые (в течение всего срока службы покрытия) значения коэффициента продольного сцепления и средней глубины впадин шероховатости (ВСН 38-90)

Примечание. Без скобок приведены значения глубины неровностей макрошероховатости для шероховатых поверхностей, в скобках - для шипованных.

Начальную макрошероховатость покрытия (т.е. шероховатость в момент сдачи дороги в эксплуатацию после строительства или ремонта) назначают в зависимости от условий движения, категории дороги, климатического района и применяемого способа устройства шероховатости. Во избежание усиления вибрации автомобилей во время движения расстояние между соседними выступами шероховатости не должно быть более 40 мм.

7.4. Работоспособность и критерии назначения ремонтных работ

Работоспособность дороги - в соответствии с ГОСТ 27.002-89 (ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. Госстандарт, М., 1990) - определяется как способность системы выполнять заданные функции и сохранять требуемые транспортно-эксплуатационные показатели дороги в пределах нормативных допусков.

Автомобильная дорога, дорожные конструкции перестают выполнять заданные функции в момент, когда они переходят в предельное состояние и перестают удовлетворять по параметрам и характеристикам возросшим требованиям движения. Для улучшения состояния дороги необходим соответствующий комплексный ее ремонт или реконструкция.

Суммарная наработка или объем работы, выполненный автомобильной дорогой от начала эксплуатации (после строительства, ремонта или реконструкции) до момента перехода её в предельное состояние, определяется как РЕСУРС дороги, который может быть выражен любым количественным показателем (число проходов расчётных автомобилей, объём перевезённых грузов, продолжительность работы в год и др.).

Нередко понятие ресурса автомобильной дороги подменяется понятием работоспособность дороги (Дорожная терминология. Справочник. - М.: Транспорт, 1985) - как количество пропущенных по дороге автомобилей, измеренных в брутто-тоннах (суммарная масса грузов и транспортных средств), после которого необходим ремонт или перестройка дороги. При этом различают полную и частичную работоспособность. Полная - для дорожной одежды, частичная - для дорожного покрытия.

В общем виде для определения работоспособности (ресурса) предлагается зависимость, основывающаяся на росте интенсивности движения по геометрической прогрессии:

 где                                                                                                               (7.20)

Т - срок службы в годах;

q - показатель роста интенсивности движения (q >1);

В₁ - грузонапряжённость на дороге в первый год эксплуатации, млн. брутто-тонн / год.

Особенности этой зависимости (Телегин М.Я., Корсунский М.Б., Зельманович М.С. Работоспособность и межремонтные сроки службы нежестких дорожных одежд. - М.: Автотрансиздат, 1956. - 167 с.) показаны на рис. 7.13, которая может быть использована при определении сроков проведения ремонтных работ. Но при этом надо учитывать, что критерием назначения ремонта в данном случае является момент достижения накопленной грузонапряжённости предельно допускаемого значения (ресурса): Р = {Р}_i, где i - индекс используемого ресурса (для дорожной одежды, покрытия или автомобильной дороги в целом).

Рис. 7.13. График изменения срока службы в зависимости от изменения соотношения Р/В₁

Подставляя ресурс {Р}_i в формулу (7.20), получаем решение для определения срока службы по критерию грузонапряжённости на дороге:

                                                                                               (7.21)

Использование этого решения для планирования ремонтных работ возможно при полной обеспеченности финансированием и только при наличии достоверных данных относительно значений ресурса {Р}_i, дифференцированных в зависимости от состава движения в транспортном потоке, категории дороги, конструкции дорожной одежды, погодно-климатических и грунтово-гидрологических условий.

Практическое значение имеют результаты исследований (Слободчиков Ю.В. Обоснование оценочных показателей выбора ремонтной стратегии автомобильных дорог с дорожными одеждами нежёсткого типа в изменяющихся условиях эксплуатации. - М.: Информавтодор, 1994. - 189 с), проведённых в период 1970-1990 гг. на автомобильных дорогах Северного Казахстана II-IV категорий и позволившие увязать количество пропущенных дорогой брутто-тонн за период эксплуатации «t» с изменением ровности асфальтобетонного покрытия:

 где                                                                                        (7.22)

S - показатель ровности покрытия по толчкомеру ТХК, установленному на автомобиле ГАЗ-51, см/км.

При предельно допустимом значении ровности S = S_npед формула (7.22), рекомендуется для определения межремонтного срока службы. Формула справедлива при показателях ровности до 500 см/км, для дорожных конструкций, характеризующихся эквивалентным модулем упругости 160-245 МПа и работающих в условиях движения транспортного потока, включающего:

лёгкие и средние грузовые автомобили - 93 %;

тяжёлые грузовые автомобили - 4 %;

легковые - 3 %.

В условиях полной обеспеченности финансированием и гарантированного качества производства работ планирование капитального ремонта дорожной одежды и ремонта дорожного покрытия возможно по критерию обеспеченности межремонтного срока их службы [5]. Капитальный ремонт дорожной одежды или ремонт дорожного покрытия планируют и проводят в момент, когда фактический период эксплуатации «t» в годах от момента сдачи дороги в эксплуатацию или последнего капитального ремонта (ремонта) станет равным межремонтному сроку службы [T]: t = [T]_i. Однако более эффективно этот критерий используется для планирования ежегодных затрат на ремонт дорожных одежд и покрытий на уровне органа управления дорожным хозяйством. В общем виде требуемый ежегодный объём выделяемых средств, руб/год

 где                                                                                                               (7.23)

L_i - протяжённость дорог, км (в отдельности для каждой категории дороги и типа дорожной одежды);

[H]_i - норма ежегодных денежных затрат, назначаемая дифференцированно в зависимости от категории дороги, типа дорожной одежды, вида покрытия и дорожно-климатической зоны, руб/год.

Для удобства расчётов по формуле (7.23) Росдорнии разработана вычислительная программа COST, позволяющая на основе действующих норм межремонтных сроков службы [69, 73] и исходной информации о протяжённости дорог в регионе, составе и интенсивности движения транспортного потока прогнозировать изменение несущей способности дорожных конструкций и состояние дорожных покрытий по скользкости и определять ежегодную норму денежных затрат и требуемый объём финансирования для осуществления ремонтных работ по отдельным управлениям дорог. Наиболее эффективно планирование дорожно-ремонтных работ осуществляется по результатам диагностики автомобильных дорог при использовании различных критериев оценки и улучшения их состояния. Широкое распространение получил критерий назначения ремонта по обеспеченности основных транспортно-эксплуатационных показателей [95], характеризующих технический уровень и эксплуатационное состояние дорог. Ремонт планируют в случае, если один или несколько показателей перестанут удовлетворять нормативным требованиям:

по коэффициенту обеспеченности расчётной скорости К_рс < [К_рс];

по коэффициенту загрузки дороги движением Z > [Z];

по итоговому коэффициенту аварийности К_а > [К_а];

по коэффициенту прочности дорожной одежды К_пр < [К_пр];

по коэффициенту обеспеченности ровности дорожного покрытия К_d > [К_d];

по коэффициенту обеспеченности сцепных качеств покрытия К_j  < [К_j];

по коэффициенту безопасности движения на пересечениях K_Б < [K_Б];

по коэффициенту обеспеченности расчётной грузоподъёмности моста (путепровода) К_G < [К_G].

Метод эффективен при полной обеспеченности финансированием, поскольку он не определяет приоритеты транспортно-эксплуатационных показателей и даёт только качественную оценку проведённого ремонта. Метод не оценивает изменение потребительских качеств дороги, что не позволяет определить эффективность ремонта по отдельным участкам автомобильной дороги.

В последние годы метод усовершенствован ГП "Росдорнии" путём ранжирования транспортно-эксплуатационных показателей по приоритетам, позволяющим использовать метод и при ограниченных ресурсах финансирования. Установленные экспертным путём приоритеты в первую очередь отдают предпочтение показателям, определяющим безопасность движения, уровень загрузки дороги, прочность дорожных конструкций. Особое внимание уделяется участкам концентрации дорожно-транспортных происшествий, выявляемым по предельно допускаемым значениям итогового коэффициента аварийности [69]. Эффективность работ оценивают по степени снижения аварийности на автомобильной дороге. При этом приоритет отдаётся участкам с наибольшим интегральным эффектом (сумма эффекта за рассматриваемый период за вычетом общей величины единовременных затрат - чистая прибыль) и с достигнутым эффектом на рубль затрат.

К недостаткам метода можно отнести условность ранжирования транспортно-эксплуатационных показателей по приоритету и отсутствие оценки проводимого ремонта по изменению эффективности перевозочного процесса и потребительских качеств дороги в целом. Указанных недостатков удается избежать при использовании в качестве критерия назначения ремонта показателя (коэффициента) обеспеченности расчётной скорости движения, соответствующего фактическим транспортно-эксплуатационным показателям и параметрам дороги, установленным в процессе диагностики дорог. Ремонт проводят в момент, когда один или несколько частных коэффициентов обеспеченности расчётной скорости движения К_рсj достигают предельно допускаемого значения КП_н для рассматриваемой категории дороги.

Использование критерия обеспеченности расчётной скорости позволяет не только оценить потребность в ремонте, но и автоматически выбрать наиболее эффективную стратегию ремонта при различных условиях финансирования. Данный критерий более чувствителен к влиянию воздействующих факторов и проводимым на дороге ремонтным работам, позволяет, что особенно важно, осуществить проверку эффективности выполненных работ непосредственно после проведения ремонта. Детально особенности использования данного критерия для планирования дорожно-ремонтных работ изложены в главе 11.

РАЗДЕЛ III
МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

ГЛАВА 8. Методы определения транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог

8.1. Потребительские свойства как основные показатели состояния дороги

Современная автомобильная дорога представляет собой сложное инженерное сооружение, которое состоит из конструктивных элементов, сооружений обустройств и характеризуется большим количеством геометрических параметров, физических свойств и эксплуатационных характеристик, а также транспортно-эксплуатационных показателей.

Функциональное назначение дороги состоит в обеспечении непрерывного, удобного и безопасного движения автомобилей с высокими скоростями, допустимыми габаритами, осевыми нагрузками и общей массой в любое время года и в любых условиях погоды. Дороги предназначены для обслуживания интересов потребителей, пользователей дорожных услуг - водителей, пассажиров, владельцев автотранспортных средств и автотранспортных предприятий, которые пользуются дорогами для поездок или перевозок грузов и пассажиров и платят за это налоги, сборы и другие отчисления в той или иной форме.

С позиций потребителя наиболее важным являются обеспеченные дорогой транспортно-эксплуатационные показатели: непрерывность, скорость, удобство и безопасность движения, пропускная способность и уровень загрузки, допустимые габариты, осевые нагрузки и общая масса автомобилей, уровень дорожного сервиса, экологические, эргономические и эстетические свойства дороги. Указанные свойства могут быть приняты за потребительские свойства дороги, поскольку от них зависят все показатели работы автомобильного транспорта и прежде всего производительность автомобилей, себестоимость перевозок, время доставки грузов и пассажиров, расход топлива и износ шин, расходы на ремонт и обслуживание автомобилей и т.д. Все эти показатели в значительной степени являются производными от потребительских свойств дорог.

С другой стороны, производными от потребительских свойств являются и требования к геометрическим и физическим характеристикам дорог, а также к их транспортно-эксплуатационному состоянию. Поэтому главная и конечная задача деятельности дорожных организаций состоит в обеспечении, поддержании и повышении потребительских свойств дорог путем содержания их на высоком уровне, совершенствования параметров и характеристик в процессе ремонта или реконструкции.

Обеспеченные дорогой скорость и безопасность движения относятся к основным потребительским свойствам дорог, определяющим их качество и состояние.

При проектировании дорог в технико-экономических расчетах при организации движения автомобильных перевозок, а также при оценке транспортно-эксплуатационного состояния дорог используют различные понятия и значения скоростей. Для проектирования автомобильных дорог наибольшее значение имеют расчётная, или проектная, и средняя скорость транспортного потока. Как правило, за расчётную скорость принимают максимально возможную безопасную скорость движения одиночного или отдельного автомобиля при определённом состоянии поверхности дороги и погодных условий. Обычно это сухое или увлажнённое состояние поверхности и благоприятные погодные условия.

Все элементы дороги и их сочетания должны быть запроектированы так, чтобы одиночный или отдельный автомобиль имел возможность безопасно двигаться на всех участках дороги с расчётной скоростью при расчётном состоянии погоды и поверхности дороги.

Требования к геометрическим параметрам дорог, полученные исходя из расчётной скорости, принимаются за предельно допустимые на сложных участках проложения дороги.

Расчётная скорость движения оказывает непосредственное влияние на количественные значения геометрических параметров дороги и строительную стоимость, а также на требования к её транспортно-эксплуатационному состоянию и затраты на содержание и ремонт в процессе эксплуатации.

Фактическая средняя скорость транспортного потока определяет все основные показатели эффективности автомобильных перевозок: время доставки грузов и пассажиров, производительность автомобилей, себестоимость перевозок и т.д. Наибольшее влияние на среднюю скорость транспортного потока оказывает расчётная скорость, предопределившая геометрические параметры дороги и требования к её транспортно-эксплуатационному состоянию, а также интенсивность и состав движения, от которых зависит диапазон колебания скоростей и взаимные помехи в транспортном потоке.

С другой стороны, действительная (фактическая) скорость движения интегрально отражает влияние всех геометрических параметров и транспортно-эксплуатационных характеристик дороги, а также транспортного потока и состояния погоды в данный момент времени на условия и режим движения автомобилей.

8.2. Скорость движения и методы её определения

Для оценки транспортно-эксплуатационного состояния дороги определяют фактически обеспеченную максимальную скорость одиночного легкового автомобиля, средние скорости свободного движения и транспортного потока.

На дорогах IV и V категорий, а также на значительной части III категории средние скорости свободного движения и транспортного потока практически совпадают из-за малой плотности движения.

Среднюю скорость свободного движения по результатам измерения при невысокой интенсивности транспортного потока определяют по формуле

 где                                                                                                            (8.1)

V_i - мгновенная скорость i-ого автомобиля на данном участке, км/ч; п - число автомобилей, для которых измерены скорости.

С увеличением интенсивности движения скорость транспортного потока снижается, причем тем больше, чем больше в потоке грузовых автомобилей, автобусов и автомобильных поездов. Как показывают исследования [11, 12], все значения скоростей связаны между собой одной зависимостью (рис. 8.1). Так, средняя скорость свободного движения может быть вычислена по формуле

 где                                                                                                 (8.2)

V_ф.max - максимально возможная или максимально безопасная, обеспеченная скорость движения одиночного легкового автомобиля на данном участке дороги при фактическом её состоянии;

t - функция доверительной вероятности или гарантийный коэффициент;

 - среднее квадратическое отклонение скорости движения свободного транспортного потока.

Рис. 8.1. Связь между максимальной и средней скоростями:
а - границы доверительного интервала; б - кривые распределения скоростей одиночных автомобилей и транспортного потока;
1, 2 - доля значений скорости, лежащей ниже и выше границ доверительного интервала; 3, 4 - кривые распределения скоростей одиночных автомобилей и транспортного потока; а₁, а₂ - нижняя и верхняя границы доверительного интервала; I_a - доверительный интервал

Значения t принимают в зависимости от доверительной вероятности при одностороннем ограничении:

доверительная вероятность, %       85       90       95     99,85

расчётное значение t                      1,04    1,28    1,64     3,0

Средняя скорость транспортного потока в данном сечении дороги при данном состоянии:

 где                                                                                                        (8.3)

DV = a·b·N - снижение скорости автомобилей под воздействием интенсивности и состава транспортного потока, км/ч;

a - коэффициент, учитывающий влияние интенсивности движения;

b - коэффициент, учитывающий состав транспортного потока (численно равен доле грузовых автомобилей, автобусов и автопоездов, движущихся по полосе);

N - интенсивность движения, авт/сут (для автомобильных магистралей принимается по каждому направлению отдельно).

Расчётная часовая интенсивность

N_ч = g·N_cyт, где                                                                                                                     (8.4)

g - коэффициент пересчёта суточной интенсивности в часовую, принимается равным 0,076-0,10.

Значения DV в зависимости от интенсивности и состава движения приведены на рис. 8.2. Таким образом, общая зависимость, связывающая между собой значения скоростей движения автомобилей на дороге:

                                                                                                (8.5)

или

 где                                                                                  (8.6)

К_рс - коэффициент обеспеченности расчетной скорости.

Рис. 8.2. Влияние интенсивности и состава движения на снижение средней скорости:
а - на двухполосных дорогах; б - на четырёхполосных автомобильных магистралях с разделительной полосой

На существующих дорогах эти скорости могут быть получены на основании непосредственных измерений скорости движения автомобилей. При этом могут быть применены различные способы:

а) измеряют скорости движения одиночных легковых автомобилей наиболее распространённых типов при свободных условиях движения или скорости легковых автомобилей, идущих во главе группы автомобилей при частично связанных условиях движения. Для получения объективных данных необходимо сделать не менее 30 замеров в каждом створе. На основе измерений строят кумулятивные кривые распределения скоростей, а за фактическую максимальную скорость принимают скорость легкового автомобиля 85 %-ной обеспеченности (рис. 8.3);

б) измеряют скорости движения всех автомобилей (легковых и грузовых) и строят кумулятивные кривые распределения скоростей транспортного потока, а за фактическую максимальную принимают скорость 95 %-ной обеспеченности;

в) для предварительной и ориентировочной оценки допускается определить максимальную скорость методом следования за лидером. При этом скорость на каждом километре и на каждом характерном участке определяют по спидометру легкового автомобиля, который движется за одиночным или головным легковым автомобилем. На каждом участке производят не менее 3-4 проездов, по которым определяют среднюю скорость. Фактическую максимальную скорость принимают на 10-20 % выше средней из этих замеров.

Рис. 8.3. Кумулятивные кривые распределения скоростей по уровню обеспеченности:
1 - грузовые автомобили; 2 - транспортный поток; 3 - легковые автомобили

Среднеквадратическое отклонение в км/ч определяют по формулам:

при п > 30

                                                                                                                  (8.7)

при п < 30

 где                                                                                                            (8.8)

х - измеренная скорость, км/ч;

 - среднеарифметическая скорость из всех измеренных значений;

п - количество измерений.

При отсутствии данных непосредственных измерений максимальная скорость движения на каждом характерном участке может быть определена аналитическим путём исходя из схем расчёта требований к геометрическим параметрам и транспортно-эксплуатационным характеристикам. Основной задачей при этом является обязательный учёт влияния метеорологических факторов на состояние дороги, взаимодействия автомобиля с дорогой и восприятия водителем условий движения. В этом случае необходимые для определения средней скорости транспортного потока значения среднеквадратического отклонения определяют по формуле

                                                                                                    (8.9)

Значения а_о и b приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Максимальные значения s_ф принимают для двухполосных дорог, если в потоке более 70 % грузовых автомобилей, автобусов и автомобилей с прицепами; минимальные - при их числе менее 40 %. Для автомагистралей максимальные значения принимают для правой крайней полосы, а минимальные - для левой.

При определении средней скорости транспортного потока на стадии проектирования за минимально возможную может быть принята расчётная скорость для дороги данной категории с учётом рельефа местности.

На скорость движения автомобилей помимо транспортно-эксплуатационного состояния дороги существенное влияние оказывает интенсивность и состав транспортного потока (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Зависимость скорости от интенсивности движения:
I, II, III - зоны свободного, связанного и насыщенного потока; V_расч, V_ср, V_д.ср - расчётная, средняя и допустимая средняя скорость движения;  - влияние размаха скоростей в свободном потоке; DV = a·b·N - влияние интенсивности и состава движения на среднюю скорость

В упрощённом виде можно выделить несколько характерных зон влияния интенсивности на среднюю скорость движения. Более детально это деление приводится в п. 8.4.

При свободном транспортном потоке каждый автомобиль имеет возможность наиболее полно реализовать желаемую скорость движения с учётом реальной дорожной обстановки. При этом интенсивность движения практически не оказывает влияния на выбор этой скорости. Максимальная скорость в наибольшей степени зависит от дорожных условий, водителя и динамических качеств автомобиля, а средняя скорость зависит от разницы между скоростями отдельных автомобилей.

С увеличением интенсивности образуется связанный поток, в котором заметно ощущаются взаимные помехи автомобилей, не позволяющие водителям большей части автомобилей реализовать желаемую скорость, вследствие чего снижается средняя скорость движения транспортного потока. При этом возникающие взаимные помехи автомобилей могут превышать влияние дорожных условий. Дальнейшее увеличение интенсивности приводит к образованию плотного или насыщенного потока и еще большему снижению средней скорости движения, главной причиной которого являются взаимные помехи автомобилей, не позволяющие водителям реализовать желаемые скорости, возможные по транспортно-эксплуатационному состоянию дороги. Если интенсивность движения превышает пропускную способность данной дороги, то заторы и пробки неизбежны даже при самом высоком уровне её содержания.

Кардинально изменить положение в этой ситуации может снижение интенсивности и выравнивание транспортного потока по каждой полосе проезжей части, т.е. реконструкция дороги с переводом её в более высокую категорию или увеличение числа полос движения.

Наличие объективной функциональной зависимости между максимально возможной безопасной скоростью отдельного автомобиля, обеспеченной дорожными условиями, средней скоростью свободного движения автомобилей и средней скоростью транспортного потока позволяет обоснованно выбрать критерий оценки транспортно-эксплуатационного состояния дорог по его влиянию на скорость движения. Таким критерием следует считать максимальную возможную безопасную скорость в реальных дорожных условиях. Этот критерий наиболее объективно позволяет оценить все достоинства и недостатки дороги с позиций их истинного влияния на потребительские свойства дороги. Средняя скорость транспортного потока не может служить объективным критерием оценки состояния дороги, поскольку она во многом зависит от интенсивности и состава транспортного потока. Это критерий оценки функционирования системы «дорожные условия - транспортные потоки». Тем не менее, учитывая решающее влияние средней скорости транспортного потока на технико-экономические показатели работы автомобильного транспорта, в ряде стран нормируется минимальная величина средней скорости, которая должна быть обеспечена дорогой при соответствующей интенсивности движения. Если средняя скорость опускается ниже этого предела, дорога признается не соответствующей требованиям движения и подлежит реконструкции.

Определение среднегодовой скорости движения транспортного потока. В большинстве технико-экономических расчётов необходимо знать среднегодовую среднюю скорость движения транспортного потока.

На каждом характерном участке (прямой, кривая в плане и профиле, спуск-подъём и т.д.) её определяют по формуле

 где                                          (8.10)

 и т.д. - скорость движения транспортного потока в одном направлении движения при соответствующем состоянии поверхности покрытия. Определяется по формулам 8.5 и 8.6;

Т_сух, Т_м и т.д. - продолжительность различных состояний поверхности покрытия.

Вычислив среднюю среднегодовую скорость на каждом участке, определяют среднегодовую средневзвешенную скорость движения транспортного потока по всей дороге:

 где                                                                                                   (8.11)

l_i - длина каждого характерного участка, км;

L - общая длина дороги, км.

Полный учёт влияния климата и уровня содержания дороги позволяет получить фактические технико-экономические показатели работы автомобильного транспорта на эксплуатируемой дороге. В практической деятельности для приблизительных расчётов можно воспользоваться некоторыми ориентировочными соотношениями скоростей движения автомобилей. По данным наблюдений среднюю скорость транспортного потока можно принять по соотношению

Меньшие значения принимают при V_ф.max = 100 км/ч и выше или при доле грузовых автомобилей 50 % и более.

Средняя скорость грузовых автомобилей

средняя скорость легковых автомобилей

8.3. Влияние параметров и состояния дороги на скорость движения автомобилей

При оценке транспортно-эксплуатационного состояния дорог необходимо в первую очередь определить фактическую максимально возможную безопасную скорость движения одиночного расчетного автомобиля на каждом характерном участке дороги, а затем определить среднюю скорость транспортного потока, установив его интенсивность и состав. Все эти показатели могут быть измерены непосредственно на каждом участке дороги, при каждом её состоянии для различных интенсивности и состава движения. Такие измерения многократно проводились исследователями [2, 10, 69].

На основе анализа и обобщения результатов проф. А.П. Васильев разработал методику оценки влияния основных параметров и характеристик состояния автомобильных дорог и транспортного потока на скорость движения на каждом характерном участке дороги, которая позволяет выполнить эту оценку аналитическим путем [12, 69].

На скорость движения и коэффициент обеспеченности расчётной скорости оказывают влияние ширина укрепленной поверхности дороги, ширина и состояние обочин, продольный уклон, радиусы вертикальной выпуклой кривой, радиусы кривых в плане, расстояние видимости, ровность и сцепные качества покрытий.

Задача оценки степени влияния каждого отдельного параметра на скорость движения состоит в том, чтобы установить механизм этого влияния и физический смысл, выбрать расчётную схему и дать математическое описание, позволяющее определить максимальную скорость расчетного автомобиля. При этом чтобы исключить взаимное влияние других параметров и факторов, их характеристики принимают равными эталонным. Во многих случаях одна расчётная схема позволяет определить влияние нескольких элементов или факторов (т.е. их совместное влияние) на скорость. Например, расчётная схема определения максимальной скорости на подъёме позволяет исследовать влияние величины уклона (геометрического параметра дороги), состояние поверхности дороги через коэффициент сцепления и коэффициент сопротивления качению, а через них и влияние осадков, влажности воздуха и других метеорологических факторов.

Все параметры и характеристики дорог определяют непосредственными измерениями и наблюдениями при первом составлении линейного графика комплексного показателя ТЭС АД в течение одного года: в середине лета, когда определяют все параметры и характеристики, во второй половине осени и во второй половине зимы, когда определяют только переменные параметры и характеристики (ширину чистой фактически используемой укреплённой поверхности и состояние покрытия, ширину и состояние обочин, интенсивность и состав движения, ровность покрытия и коэффициент сцепления, состояние инженерного оборудования и обустройства и т.д.). Данные об основных параметрах могут быть получены из паспорта дороги.

Расчётные периоды и расчётные состояния поверхности дороги. Оценку транспортно-эксплуатационного состояния дорог выполняют, как правило, для трёх периодов года: летнего, весеннего или осеннего и зимнего. Допускается выполнять указанную оценку для двух периодов: в I-IV дорожно-климатических зонах для весеннего или осеннего и зимнего, в V зоне - летнего и зимнего.

Каждому периоду года соответствует характерное состояние поверхности дороги, формирующееся под влиянием метеорологических условий, уровня содержания дороги и транспортного потока. За расчетные могут быть приняты состояния поверхности дороги, указанные в п. 4.3.

Каждому расчётному состоянию покрытия соответствуют определённые величины коэффициента сопротивления качению и коэффициента сцепления, изменяющиеся в зависимости от скорости.

Основные параметры и характеристики, оказывающие прямое влияние на скорость движения, оцениваются частными коэффициентами обеспеченности расчётной скорости.

Совокупность всех наиболее важных параметров и характеристик дороги, прямо влияющих на скорость движения, оценивается итоговым коэффициентом обеспеченности расчётной скорости  на каждом характерном участке дороги (прямые участки, продольные уклоны, кривые в плане и профиле, сужения проезжей части и обочин, участки с ограждениями, направляющими столбиками или надолбами и другими боковыми помехами, участки с ограниченной видимостью, пересечения и примыкания с другими дорогами и т.д.). При выделении характерных участков учитывают зоны влияния отдельных элементов дороги (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Зоны влияния отдельных элементов дороги

Значение итогового коэффициента обеспеченности расчётной скорости на каждом характерном участке для расчётных периодов года по условиям движения принимают равным наименьшему из всех частных коэффициентов на этом участке. Для этого строят линейный график, на который наносят сокращённый продольный профиль и план дороги и основные параметры и характеристики, частные и итоговые значения коэффициента обеспеченности расчётной скорости, а также обобщённую оценку ТЭС АД для каждого периода года. Указанный график является итоговым документом оценки ТЭС АД. Значение коэффициентов обеспеченности расчётной скорости на существующей дороге рекомендуется определять на основании непосредственных измерений скорости движения одиночного легкового автомобиля.

Учитывая большую трудоёмкость непосредственных измерений скорости на всех характерных участках дороги, допускается определять её аналитическим методом. Для этого необходимо осуществить диагностику состояния дороги, собрать информацию о геометрических параметрах и физических характеристиках состояния дороги, а затем расчётным путём получить значения скорости, руководствуясь приводимыми далее рекомендациями.

Для предварительных усреднённых расчётов можно воспользоваться поправочными коэффициентами, учитывающими изменения интенсивности движения и характеристик дорог в различные периоды года (табл. 8.3).

Таблица 8.3

Поправочные коэффициенты к параметрам и характеристикам дорог в разные сезоны года (за единицу приняты летние условия)

Примечания: 1. Верхний предел для дорог I и II категорий, нижний - III и IV.

2. Верхний предел для дорог III и IV категорий, нижний - I и II.

3. Большие размеры принимают при очистке обочин на всю ширину.

4. Расстояние видимости летом по метеорологическим условиям 500 м.

5. Меньшее значение относится к пересечениям, на которых снежные валы из пределов треугольника видимости не убирают.

6. Верхний предел принимают при 100 %-ной обеспеченности дорожной службы машинами для зимнего содержания, нижний - для 30 %-ной обеспеченности и менее от расчётной потребности.

Влияние ширины укреплённой поверхности дороги на обеспеченность расчётной скорости оценивают исходя из понятия «ширины психологического коридора», предложенного в работах [12, 13]. «Психологический коридор» - это ширина поверхности дороги, которая оказывает психологическое воздействие на водителя при выборе траектории и режима движения (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Расчётная схема для определения ширины укреплённой поверхности при встречном движении:
В₁ - ширина укреплённой поверхности; В_П - ширина психологического коридора

Общая ширина психологического коридора

                                                                                                     (8.12)

Обозначения приведены на рис. 8.5.

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 этих факторов предложены расчетные формулы для определения максимальной скорости и коэффициента обеспеченности расчётной скорости, которые имеют вид:

                                                                                                 (8.13)

 где                                                                                                       (8.14)

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 табл. 8.4.

Таблица 8.4

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 = B + 2b - 2b₃, м, где                                                                                                     (8.15)

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, а при отсутствии данных непосредственных измерений принимают в зависимости от типа укрепления обочин (табл. 8.5).

Таблица 8.5

Примечания: 1. В числителе для дорог I-II 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.

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. Обработка данных экспериментальных наблюдений позволила получить зависимость скорости от ширины обочин (рис. 8.6).

Ширина обочин, м

Рис. 8.6. Влияние ширины и типа укрепления обочин на коэффициент обеспеченности расчётной скорости:
1 - обочина укреплена цементобетоном, асфальтобетоном или каменными материалами, обработанными вяжущим; 2 - обочина, укреплённая слоем щебня или гравия; 3 - это же, засевом трав; 4 - обочина не укреплена

Оценку влияния продольного уклона на обеспеченность расчётной скорости выполняют для наиболее характерного (расчетного) состояния покрытия в зимний и осенне-весенний периоды года, каждое из которых характеризуется величиной коэффициента сопротивления качению и коэффициента сцепления.

Различают три расчётных схемы при оценке влияния продольного уклона:

а) возможная скорость при движении на подъём по динамическим характеристикам автомобиля;

б) то же, по соотношению сил сцепления и сопротивления движению;

в) скорость, допустимая при движении на спуск по условиям безопасности в зависимости от видимости поверхности дороги и коэффициента сцепления.

Максимальная скорость движения автомобиля на горизонтальном участке и на подъёме может быть определена по динамической характеристике автомобиля (рис. 8.7) исходя из условия

D = i + f_v или D = Y.

Рис. 8.7. График динамических характеристик автомобиля ГАЗ-24 «Волга»

Сложность заключается в необходимости учёта изменения сопротивления качанию с увеличением скорости. Поэтому задачу решают итерационным методом. Аналогично можно определить максимальную скорость при движении на подъем для различных состояний покрытия из уравнения мощностного баланса автомобиля, решая его относительно скорости. Однако скорость, получаемая по тяговой характеристике или мощностному балансу двигателя, далеко не всегда может быть реализована из-за соотношения сил сопротивления качанию и сил сцепления, особенно при движении на подъём. Скорость, возможную по этим условиям, определяют по формуле. Затем из скоростей, полученных по тяговым характеристикам автомобиля, и из соотношения сил сопротивления качению и сцепления выбирают меньшее значение и принимают в расчёт. Зависимость обеспечения скорости от величины продольного уклона приведена в табл. 8.6, а.

Анализ расчётов показывает, что при движении по заснеженному или обледенелому покрытию скорость чаше ограничена не тяговыми характеристиками автомобиля, а именно соотношением сцепных качеств и сопротивления качению. В зависимости от влажности выпавшего снега и его плотности остановки легковых автомобилей при движении на подъём с уклоном в 30 % могут наблюдаться при толщине слоя более 70 мм, а на уклонах 60 % уже при толщине более 50 мм.

Максимальная допустимая скорость автомобиля на спуске может быть определена из формулы определения видимости поверхности дороги при внезапном торможении:

 где                                                                                    (8.16)

V - начальная скорость автомобиля, км/ч;

K_Э - коэффициент эксплуатационного состояния тормозов: для легковых автомобилей принимают 1,2; для грузовых 1,3-1,4; при скоростях движения более 90-100 км/ч принимают 2,4;

t - время реакции водителя, принимают 1 с;

l_o - расстояние безопасности перед препятствием, принимают 5-10 м.

Из этого уравнения для принятой видимости определяют максимально допустимую скорость движения на спуске.

В уравнение входят два основных показателя, характеризующих условия движения: видимость и коэффициент сцепления, что дает возможность определить их совместное воздействие при различных сочетаниях. Сложность точного решения заключается в том, что величина коэффициента сцепления и сопротивления качению, входящие в формулу, изменяются с изменением скорости. Поэтому точное решение может быть получено методом итерации. Результаты такого расчёта приведены в табл. 8.6, б. Анализ полученных результатов показывает, что высокая скорость на спуске может быть обеспечена только на сухом, чистом покрытии.

Таблица 8.6

Значения частного коэффициента обеспеченности расчётной скорости, учитывающего влияние продольных уклонов при различных состояниях покрытия

а) Движение на подъём

б) Движение на спуск

Примечания: 1. Значения К_рс4 даны для покрытия из асфальтобетона без шероховатой обработки. Для покрытий с шероховатой поверхностной обработкой значения К_рс4, следует увеличить на 10-15 %. 2. Состояние покрытия: 1 - сухое чистое; 2 - мокрое чистое; 3 - мокрое загрязнённое; 4 - уплотнённый снег; 5 - слой рыхлого снега толщиной до 10 мм; 6 - слой рыхлого снега толщиной от 10 до 20 мм; 7 - слой рыхлого снега толщиной от 20 до 40 мм; 8 - слой рыхлого снега толщиной от 40 до 60 мм; 9 - гололёд.

Оценку влияния видимости поверхности дороги выполняют по тому же принципу, что и оценку скорости на спуске, решая уравнение (8.16) для горизонтального участка дороги при различных состояниях (табл. 8.7).

Таблица 8.7

Значения частного коэффициента обеспеченности расчётной скорости, учитывающего влияние расстояния видимости поверхности дороги

Примечание. Состояние покрытия см. табл. 8.5.

Оценку влияния радиуса вертикальных выпуклых кривых выполняют также исходя из необходимого тормозного пути перед препятствием по формуле

 где                                                                                (8.17)

R_вып - радиус вертикальной выпуклой кривой, м.

На кривых в плане максимальную обеспеченную скорость движения с учётом состояния покрытия и уклона виража определяют по формуле

 где                                                                                         (8.18)

R - радиус кривой, м;

j₂ - коэффициент поперечного сцепления принимают (0,6-0,8)j;

i_B - угол виража в тысячных.

Поскольку величина сцепления зависит от скорости движения, решение этого уравнения выполняется итерационным методом. Результаты расчётов приведены в табл. 8.8.

Таблица 8.8

Значения частного коэффициента обеспеченности расчетной скорости, учитывающего влияние радиуса кривых в плане и уклона виража

Примечание. Состояние покрытия см. табл. 8.5.

Влияние коэффициента сцепления на обеспеченную скорость оценивают, решая уравнение определения видимости при торможении по формуле (8.16) относительно скорости при принятом значении видимости и коэффициента сцепления (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Зависимость коэффициента обеспеченности расчётной скорости от сцепных качеств покрытия (цифры на кривых - расстояния видимости поверхности)

Влияние ровности на максимальную скорость определяют в случае измерения ровности (S_c, см/км), установкой ПКРС по формуле проф. А.П. Васильева:

                                                                                                  (8.19)

При измерении ровности (S_c, см/км) толчкомером максимальную скорость определяют по формуле проф. В.М. Сиденко:

                                                                                                                (8.20)

По данным расчётов может быть построен линейный график обеспеченной скорости, а также определены значения средней скорости свободного движения и транспортного потока.

8.4. Оценка влияния климатических факторов на скорость движения

Условия движения на дорогах в период действия неблагоприятных метеорологических явлений значительно сложнее, чем в летний период времени при сухом, чистом покрытии и обочинах. Различия определяются целым рядом факторов, основными из которых являются:

снижение сцепных качеств покрытия, изменение механического взаимодействия автомобиля с дорогой и ухудшение ровности покрытия под воздействием осадков, гололёда, тумана, повышенной влажности воздуха и других факторов;

увеличение сопротивления движению за счет отложений снега, грязи, гололеда, появления неровностей на дороге, в результате чего сокращается свободная мощность двигателя автомобиля;

изменение очертания и внешнего вида проезжей части и обочин, изменение параметров поперечного профиля за счёт снежных отложений и образования после наката, что приводит к изменению восприятия дороги водителем;

уменьшение метеорологической видимости в периоды туманов, осадков, пурги, пыльных бурь, слепящего действия солнца, изменяющее восприятие условий движения водителем;

ухудшение эксплуатационно-технических качеств автомобиля и прежде всего систем обеспечения удобства и безопасности движения, к которым относятся тормозная система, рулевое управление, система обеспечения безопасности и видимости, сигнальная система.

Чем выше категория дороги, интенсивность и скорость движения, тем более ощутимо влияние погодно-климатических факторов на режим движения. Из числа климатических и метеорологических факторов наибольшее влияние имеют осадки в виде дождя, сухого или влажного снега, смешанные снегодождевые осадки, метель, ветер, иней, гололёд, температура и влажность воздуха, туман, солнечная радиация. Большое значение имеет интенсивность воздействия каждого фактора и совместное воздействие нескольких неблагоприятных факторов.

Положение осложняется тем, что на состояние поверхности дороги и условия движения одновременно воздействует несколько метеорологических факторов. Поэтому кроме оценки влияния на режим движения каждого отдельного метеорологического фактора необходимо оценивать и их совместное, комплексное влияние. Наибольшее влияние на режим движения оказывают метеорологические факторы, воздействующие на состояние поверхности дороги. Оценка их влияния выполняется совместно с оценкой геометрических параметров и характеристик дорог. Из других метеорологических факторов необходимо оценить влияние метеорологической дальности видимости и ветра на скорость движения.

Метеорологическая дальность видимости относится к факторам, воздействующим на режим движения через водителя. Однако степень ее влияния во многом зависит от состояния дороги и прежде всего сцепных качеств. Механизм воздействия метеорологической дальности видимости на режим движения автомобиля с некоторым допущением может быть принят аналогичным механизму влияния геометрической видимости на дороге. Допущение заключается в разнице понятий метеорологической дальности видимости и видимости поверхности дороги.

Дальностью видимости поверхности дороги (геометрическая видимость) считается расстояние, на котором водитель может увидеть лежащий на покрытии предмет. Влияние ограниченной геометрической видимости на скорость движения остаётся постоянным в течение длительного времени, но распространяется на короткие участки.

Метеорологической дальностью видимости (МДВ) называется наибольшее расстояние, на котором при данной прозрачности атмосферы абсолютно чёрный объект с угловыми размерами не менее 20°, проектирующийся на фоне вблизи горизонта, сливается с фоном и становится невидимым. Метеорологическая дальность видимости ограничена реже, но охватывает большие протяжения дорог.

Из формулы определения остановочного пути по формуле (8.16) определяют степень опасности метеорологических явлений, ограничивающих только видимость, без влияния на коэффициент сцепления и явлений, ограничивающих видимость и снижающих сцепные качества покрытий. К первым относятся дымка, мгла, дымные гари, пыльные бури и др.; ко вторым - туман, дождь, снег, метель и т.д. На рис. 8.9 приведены показатели влияния метеорологической видимости при различных состояниях проезжей части на обеспеченность расчетной скорости. Сравнение расчетных данных с данными наблюдений показывают, что большинство водителей выбирают более осторожные режимы движения в условиях пониженной метеорологической видимости по сравнению с теоретически безопасным и не развивают предельных скоростей в этих условиях.

Рис. 8.9. Зависимость коэффициента обеспеченности расчётной скорости от метеорологической видимости: а - по схеме торможения одиночного автомобиля; б - то же, встречных автомобилей; 1,2 - коэффициент сцепления 0,5 и 0,3; 3 - по данным наблюдений при j = 0,4-0,5

Серьёзную опасность для движения может представлять ветер, дующий с большой скоростью. Боковой ветер стремится сместить автомобиль со своей полосы движения и водитель вынужден непрерывно выравнивать траекторию автомобиля. Под влиянием бокового ветра и увода колес автомобиля траектория движения может внезапно измениться, что приведет к аварийной обстановке. Особенно опасны внезапные порывы ветра, на которые водитель не успевает среагировать. Воздействие ветра ощущается тем сильнее, чем выше скорость движения автомобиля и чем больше его боковая поверхность. Величина бокового отклонения автомобиля от заданной траектории зависит в значительной степени от времени реакции водителя, а также от типа автомобиля (расположение центра масс автомобиля и центра давления на боковую поверхность). На кривых в плане боковое давление ветра может совпасть по направлению с действием центробежной силы, что может привести к боковому скольжению или опрокидыванию автомобиля.

Методика оценки условий движения автомобилей на ветроопасных участках дорог разработана проф. А.П. Васильевым [10, 11]. К ветроопасным относят участки дорог в открытой (не защищенной лесом) местности, проходящие по водоразделам, возвышенностям, в насыпях, полунасыпях-полувыемках, в нулевых отметках и в выемках глубиной до 1,5 м, на подходах к мостам и путепроводам и на самих мостах, путепроводах и эстакадах, на входах и выходах из глубоких выемок, населённых пунктов и лесных массивов.

За критерий ограничения скорости на прямых участках дороги принимают предельно допустимую величину отклонения траектории автомобиля по условиям приближения его к границе своей полосы движения У_в.доп, которую для двухполосной дороги определяют по формуле:

 где                                                                                                              (8.21)

е - допустимое приближение внешнего колеса автомобиля к границе полосы движения, м; принимают 0,2-0,3 м.

Для расчёта возможного отклонения автомобиля определяют расчётную скорость ветра

V_в = К₁×К₂×К₃×V_фл, м/с, где                                                                                                    (8.22)

К₁ - коэффициент, учитывающий положение дороги на местности, колеблется от 0,6 до 1,2;

К₂ - коэффициент, учитывающий переход от показаний флюгера (измерений на метеостанциях) к высоте центра боковой поверхности автомобиля на дороге; назначается по табл. 8.9;

Таблица 8.9

Высота центра боковой поверхности автомобиля над уровнем поверхности земли, м	0	2	4	6	8	10
Поправочный коэффициент К2	0,2	0,2	0,25	0,9	0,95	1,0

К₃ - коэффициент, учитывающий порывистость ветра (1,7 - для порывистого и 1,9 для крайне порывистого ветра);

V_фл - скорость ветра по флюгеру на высоте 10 м повторяемостью один раз в год принимается по данным ближайшей метеостанции; может быть также принята по картам зонирования расчётного ветра.

Высота центра боковой поверхности (метацентра) легкового автомобиля над уровнем поверхности земли определяется по формуле

h = h_н + 0,75, м, где                                                                                                             (8.23)

h_н - высота насыпи, м.

В зависимости от расчётной скорости ветра принимают величину показателя а₂ по табл. 8.10.

Таблица 8.10

Затем вычисляют коэффициент а₁, учитывающий безопасную скорость движения автомобиля при различной скорости ветра и реакции водителя на порыв ветра

                                                                                                                            (8.24)

Откладывая на графике рис. 8.10 величину а₁, определяют максимальную допустимую скорость автомобиля на ветроопасном участке. Значения коэффициента обеспеченности расчётной скорости при различной скорости ветра приведены на рис. 8.11.

Рис. 8.10. Значения коэффициента а₁, учитывающего скорость автомобиля

Рис. 8.11. Зависимость коэффициента обеспеченности расчётной скорости от скорости ветра:
1, 2 - для легковых автомобилей с передним расположением двигателя при реакции 1 и 1,5 с; 3, 4 - для автомобилей с задним расположением двигателя

На кривых в плане, расположенных на ветроопасных участках, максимальную допустимую скорость определяют по формуле

где                                                                                (8.25)

q_в - коэффициент бокового давления ветра; принимают в зависимости от скорости ветра и боковой площади автомобиля по табл. 8.11.

Таблица 8.11

Расчёты показывают, что влияние ветра при движении по сухим покрытиям малоощутимо. При влажных покрытиях оно заметно на кривых малого радиуса (рис. 8.12). Но при наличии снега или гололеда на покрытии порывы ветра могут способствовать боковым заносам автомобиля при движении на кривых в плане.

Рис. 8.12. Зависимость коэффициента обеспеченности расчётной скорости от скорости ветра, радиуса кривой в плане и состояния покрытия:
а - сухое чистое покрытие, j = 0,6; б - мокрое чистое покрытие, j = 0,4; в - слой рыхлого снега или снежный накат на покрытии, j = 0,2; г - гололёд на покрытии, j = 0,15;
1 - скорость ветра 5 м/с; 2 - то же, 20 м/с; 3 - то же, 30 м/с; 4 - то же, 40 м/с; 5 - то же, 50 м/с

Шкала оценки влияния метеорологических факторов. По степени влияния интенсивности метеорологических факторов на скорость движения автомобилей по эталонной дороге можно выделить три характерных интервала: малоопасный (К_рс = 1,0-0,75), опасный (К_рс = 0,75-0,5) и очень опасный (К_рс < 0,5). Им соответствуют нормальные, трудные и очень трудные условия движения. Значения интенсивности различных метеорологических факторов, соответствующих этим интервалам, приведены в табл. 8.12.

Таблица 8.12

Наибольшие трудности для состояния дорог и условий движения представляют гололёд, метель, осадки в виде дождя и снега, туман и ветер. В такой последовательности они могут быть расположены по степени их воздействия на условия движения. Гололед всегда относится к особо опасным явлениям, поскольку коэффициент сцепления при этом всегда меньше 0,2. Гладкие покрытия, для которых коэффициент сцепления в сухом состоянии составляет 0,5-0,6, уже при образовании связанной плёнки воды имеют коэффициент сцепления менее 0,4, т.е. для таких покрытий влагосодержание воздуха 90-100 % является опасным, а дождь интенсивностью 0,2 мм/мин, при котором образуется пленка воды толщиной 2 мм и коэффициент сцепления снижается до 0,2, является очень опасным. Для шероховатого покрытия образование связной плёнки является малоопасным. Опасным является дождь интенсивностью 0,3 мм/мин, при котором образуется слой воды толщиной 4 мм и коэффициент сцепления снижается до 0,3. Учитывая износ шероховатости и процесс эксплуатации, возможность образования толщины плёнки более 4 мм из-за неровностей покрытия, целесообразно все дожди с интенсивностью более 0,2 мм/мин считать очень опасными.

Отложения снега на поверхности дороги особенно опасны при температуре воздуха выше -10°, -20° и при интенсивности движения более 100 авт./ч. В этих условиях происходит быстрое образование снежного наката и гололеда. При температуре воздуха ниже -20° снег уплотняется медленнее и легче удаляется с поверхности. Поэтому выпадение снега любой интенсивности при температуре воздуха ниже -20° следует считать опасным для движения, а при температуре выше -20° очень опасным.

Анализируя вероятность появления опасных и особо опасных метеорологических факторов, необходимо отметить, что наиболее неблагоприятным является зимний период, когда трудные или очень трудные условия могут сложиться под влиянием 7 метеорологических факторов (метель, гололед, снегопад, туман, ветер, низкая температура воздуха и высокая относительная влажность воздуха) и их сочетаний. Весной и осенью такие условия могут быть под влиянием 6 метеоэлементов (гололёд, дождь, туман, ветер, отрицательная температура воздуха и высокая влажность). Летом только 4 метеоэлемента и их сочетания могут создать трудные и очень трудные условия движения (дождь, туман, ветер, высокая температура воздуха).

Методика оценки совместного влияния факторов климата на обеспеченность расчётной скорости. Изложенная методика оценки воздействия метеорологических явлений на дорогу, водителя и автомобиль и их взаимодействия даёт возможность привести влияние различных факторов к единому показателю - коэффициенту обеспеченности расчётной скорости движения. Тем самым имеется возможность оценить влияние каждого метеорологического фактора в отдельности. Однако в природе все взаимосвязано и действие одних метеорологических явлений может усиливаться или уменьшаться в сочетании с другими. Для учёта этого вычисляют обобщенный показатель влияния климата - среднегодовое значение коэффициента обеспеченности расчётной скорости движения , который позволяет учитывать изменение скоростей в периоды действия каждого фактора в отдельности и совместного действия двух и более метеорологических факторов. Для этого на основании обработки данных климатических справочников должны быть получены вероятности появления метеорологических явлений  различной интенсивности для каждого пункта наблюдения и определены вероятности опасных и особо опасных метеорологических явлений.

Данные выписывают по следующим факторам:

X₁ - фактор температуры воздуха;

X₂ - фактор относительной влажности воздуха;

X₃ - фактор дождя;

X₄ - фактор ветра;

X₅ - фактор тумана;

X₆ - фактор снега;

X₇ - фактор гололеда;

X₈ - фактор метели.

Совокупность возможных температур воздуха, кроме того, разбивают на X⁺¹ и X^-1 - множество значений положительных и отрицательных температур.

Для вычисления итогового коэффициента необходимо предварительно вычислить вероятности сочетаний двух и более метеорологических факторов, при условии, что их интенсивности разделены на интервалы с точки зрения степени воздействия на дорожное движение.

Множества значений каждого метеорологического фактора  разбивают на 4 интервала по степени влияния их интенсивности на режим движения:

 - подмножество значений фактора , не оказывающих неблагоприятного воздействия на движение, К_рс = 1,0;

 - подмножество значений фактора , вызывающих снижение расчетных скоростей в диапазоне К_рс = 0,75-1,0;

 - то же, в диапазоне К_рс = 0,5-0,75;

- то же, в диапазоне К_рс < 0,5.

Граничные значения интенсивностей каждого метеорологического явления  определяют по табл. 6.9.

Например, для скорости ветра

Для дождя и т.д.

Определяют вероятность совместного действия двух и трёх факторов. При этом учитывается, что между подмножествами  множества факторов х имеется три типа соотношений:

а) несовместимость двух факторов при данной интенсивности (например, снегопад не может наблюдаться при высокой температуре воздуха):

                                                                                                        (8.26)

б) независимость появления и влияния факторов (например, дождь-ветер);

                                                                                         (8.27)

в) зависимость появления одного фактора от другого (например, гололёд может возникнуть только при отрицательной температуре, метель может возникнуть только при скорости ветра более 3 м/сек и т.д.).

                                                                                       (8.28)

Вероятность совместного действия более чем трёх отрицательных факторов ничтожно мала и поэтому не определяется. Математическая модель определения совместного влияния различных метеорологических факторов на обеспеченность расчётной скорости получена путем разложения функции F в ряд Тейлора, ограничиваясь членами не выше третьего порядка:

(8.29)

Коэффициенты b_ij и g_ije являются параметрами парного и тройного взаимодействия.

Таким образом, вычисляются коэффициенты обеспеченности расчётной скорости движения для всех сочетаний метеорологических факторов. Это дает возможность перейти к определению обобщенного показателя влияния климата на условия движения - вычислению среднегодового, а также среднесезонного значения коэффициента обеспеченности расчётной скорости для каждого региона. Необходимое для этого распределение вероятностей метеорологических явлений и их сочетаний Р(х) = Р(х₁...х₈) вычисляют на основе фактических значений  для данного региона с учётом возможных соотношений метеорологических явлений и гипотезы о равномерном распределении . Чтобы получить величину, необходимо учесть кроме длительности действия и последствия каждого метеорологического явления также длительность совместного действия двух и более метеорологических явлений, которая может быть принята по наименьшей длительности одного из взаимодействующих явлений. Окончательно формула для определения среднегодового коэффициента обеспеченности расчётных скоростей движения такова:

 где                                                                                                (8.30)

К_pc(х) - коэффициент обеспеченности расчетной скорости по фактору х;

А_T - линейный оператор времени действия и последствия метеорологических факторов;

Р(х) - вероятность действия фактора х.

Расчёты выполняют на ЭВМ по специально разработанной программе. На основе среднегодового и среднесезонного коэффициента обеспеченности расчётной скорости имеется возможность оценивать и прогнозировать скорость движения на дороге в течение всего года и по его периодам с учётом климата данного района, параметров дороги и уровня ее содержания.

8.5. Пропускная способность и уровни загрузки дороги движением

Пропускная способность автомобильной дороги - это максимальное количество автомобилей, которое может пропустить данный участок дороги в единицу времени, а уровень загрузки дороги движением - это отношение фактической интенсивности движения, приведённой к пропускной способности легковых автомобилей.

Методы определения пропускной способности и уровня загрузки дороги движением основаны на закономерностях, описывающих связи между тремя характеристиками транспортного потока: интенсивностью, N, авт./ч; плотностью движения, т.е. числом автомобилей на единицу длины полосы движения, q, авт./км; скоростью движения, V, км/ч:

N = q×V, авт./ч                                                                                                                      (8.31)

Графическое изображение этой зависимости называют основной диаграммой транспортного полотна. Она обладает рядом свойств, которые широко используются при организации и регулировании движения.

Различают теоретическую максимальную и практическую пропускную способность.

Теоретическая максимальная пропускная способность Р_mах - это пропускная способность для эталонного горизонтального участка дороги, определяемая расчетом по формулам динамической теории движения транспортных потоков для идеализированного колонного движения однотипных легковых автомобилей. В основу расчёта теоретической пропускной способности положены уравнения:

 где                                                                                    (8.32)

V - скорость движения, км/ч;

L - динамический габарит автомобиля, м;

t - временной интервал между проходами автомобилей, с.

Следует иметь в виду, что в динамический габарит входит расстояние между автомобилями и длина самого автомобиля:

L = l_p + S_T + l_A + l_o, где                                                                                                         (8.33)

l_p - путь, проходимый автомобилем за время реакции водителя, м;

S_T - тормозной путь, м;

l_A - длина автомобиля, м;

l_o - забор безопасности до впереди следующего автомобиля, м.

После подстановки этих значений в формулу получим

                                                                                   (8.34)

Однако в этих уравнениях не учитывается наиболее вероятная схема движения автомобилей в пачках или в колонне. С учетом этого расчётная формула теоретической пропускной способности имеет вид:

 где                                                                                                  (8.35)

V - оптимальная скорость движения, м/с;

l_b - расстояние безопасности между автомобилями в пачке или колонне, м.

Расстояние безопасности определяют по формуле:

где                                                                                  (8.36)

а₁ - замедление первого автомобиля при аварийном торможении, м/с²;

а₁ - замедление второго автомобиля при нормальном торможении, м/с²;

t_r1, t_r2 - время реакции водителя первого и второго автомобиля соответственно, с.

Пропускная способность является функцией скорости движения и допустимого расстояния между автомобилями, которые связаны с состоянием дорог и погодными условиями.

Многочисленными исследованиями установлено, что оптимальная скорость транспортного потока, соответствующая максимальной пропускной способности, колеблется от 40 до 60 км/ч [1, 2, 11, 85, 105].

Практическая пропускная способность Р - это наибольшее число автомобилей, которое может быть пропущено участком дороги в реальных дорожных и погодно-климатических условиях. Для вычисления практической пропускной способности проф. В.В. Сильянов предложил формулу

Р = В×Р_max, где                                                                                                                      (8.37)

В - итоговый коэффициент снижения пропускной способности; вычисляется как произведение 15 частных коэффициентов, учитывающих различные параметры и характеристики дорожных условий. Величина В колеблется от 0,3 до 1,0.

При увеличении плотности транспортного потока возрастают взаимные помехи между автомобилями, скорость движения уменьшается, уменьшается и пропускная способность. Абсолютная пропускная способность полосы движения при интервалах между автомобилями t = l с может достигать 3600 авт./ч. Однако её реализация практически невозможна. Поэтому для реальных условий исходят из следующих значений пропускной способности: для двухполосных дорог - 2000 авт./ч в обоих направлениях; для трёхполосных - 4000 авт./ч в обоих направлениях; для многополосных автомагистралей 1250 авт./ч - для крайней правой полосы, 1800 авт./ч - для крайней левой полосы и 1500-1700 авт./ч - для средних полос движения [105].

Пропускная способность наиболее заметно снижается в неблагоприятные для движения осенне-весенний и зимний периоды года, особенно в периоды действия неблагоприятных погодно-климатических факторов: во время дождей, снегопадов, гололеда, тумана и др. В этих условиях чаше всего происходят заторы на участках дорог с высокой интенсивностью движения, когда требуемые по безопасности движения интервалы между автомобилями существенно превышают оптимальные по пропускной способности.

Выполненными исследованиями [12] установлено весьма важное положение: связность транспортного потока не является величиной постоянной. Она существенно изменяется в зависимости от состояния покрытия и условий погоды. На сухом шероховатом покрытии взаимное влияние автомобилей начинает ощущаться при интервалах менее 10 с, то есть при интенсивности более 360 авт./ч, на мокром шероховатом покрытии при интервалах менее 11 с, а на снежном накате взаимное влияние заметно при интервалах меньше 15 с, то есть при интенсивности более 240 авт./ч, а при гололёде уже при интервалах менее 20 с, то есть при интенсивности более 180 авт./ч (рис. 8.13). Соответственно изменяется скорость движения и пропускная способность (рис. 8.14). Поэтому пропускную способность необходимо определять для осенне-весеннего и зимнего периодов года по формуле проф. А.П. Васильева:

 где                                                                                          (8.38)

y - коэффициент, учитывающий движение по встречной полосе, а для многополосных дорог - по соседней полосе (для двухполосных дорог принимают 0,7-0,9, а для многополосных 0,8-0,9);

a - коэффициент, зависящий от дорожных и метеорологических условий;

 - средняя скорость свободного движения автомобилей в реальных дорожных и метеорологических условиях, км/ч по формуле (8.2);

q_max - максимальная плотность потока, авт./км. Принимают 85-90 авт./км.

Рис. 8.13. Зависимость размеров часто повторяющихся интервалов в пачках автомобилей от скорости и состояния покрытия:
1 - шероховатое сухое; 2 - то же, мокрое; 3 - частичный гололёд; 4 - снежный накат; 5 - гололёд; 6 - сырая грязь

Рис. 8.14. Зависимость пропускной способности от скорости при разных состояниях покрытия:
1 - шероховатое сухое; 2 - то же, мокрое; 3 - частичный гололёд; 4 - снежный накат; 5 - гололёд

При скорости  более 55-60 км/ч пропускную способность не рассчитывают, а принимают для двухполосных дорог 1400-1500 авт./ч на одну полосу, а для автомагистралей 1400 авт./ч для крайней правой полосы, 1800-2000 авт./ч для крайней левой полосы и 1500-1700 авт./ч для средних полос движения.

Значения коэффициента а вычисляют по формуле:

a = 0,65 - 0,00425V_ф.max, где                                                                                               (8.39)

V_ф.max - максимальная скорость движения при фактическом (расчётном) состоянии и метеорологических условий.

Уровень загрузки в расчётный период года определяется как отношение

 где                                                                                                                   (8.40)

 - интенсивность движения в расчётный период года, приведённая к легковому автомобилю, авт./ч;

п - число полос движения.

 где                                                              (8.41)

N_сез - сезонная интенсивность движения в реальных автомобилях, авт./ч;

n₁, n₂, ..., n_i - количество автомобилей различных типов в составе интенсивности движения, авт./ч;

g₁, g₂, ..., g_i - коэффициенты приведения различных автомобилей к расчётному легковому. Принимают в соответствии со СНиП 2.05.02-85.

В случае когда известна только среднегодовая интенсивность, можно воспользоваться осреднёнными значениями коэффициентов сезонных колебаний интенсивности движения [5, 7] (табл. 8.13).

Таблица 8.13

Значения  по периодам года

Тогда уровень загрузки в расчётный период будет

                                                                                                                  (8.42)

В связи с тем что пропускная способность дорог при неблагоприятных условиях погоды значительно меньше, чем в эталонных условиях, уровень загрузки движением и состояние транспортного потока при одной и той же фактической интенсивности в различные периоды года может колебаться в значительных пределах (табл. 8.14). Исходя из этого может быть установлена допустимая интенсивность движения для различных категорий дорог и периодов года (табл. 8.15).

Таблица 8.14

Таблица 8.15

* В физических автомобилях при среднем составе транспортного потока.

Однако даже при самом неблагоприятном составе транспортного потока в обычных условиях на дорогах III-IV категорий, построенных в соответствии со СНиП Д.5-72 и СНиП 2.05.02-85, уровень загрузки не будет превышать рекомендуемых величин и нет необходимости его оценивать. Исключение составляют участки горных дорог без укрепленных краевых полос, на которых в зимний и весенне-осенний периоды года уровень загрузки может превысить расчетный. Что касается дорог I и II категорий, то проверка их пропускной способности и уровней загрузки обязательна. В первую очередь, эта проверка должна выполняться для условий работы дорог в зимний и переходные периоды года. Особое внимание необходимо уделять оценке пропускной способности на участках дорог вблизи подходов к городам на расстоянии от 30 до 70 км от городов, которые обычно перегружены движением. На дорогах с высокой интенсивностью движения необходимо проверять возможность и очередность образования заторов при различных метеорологических условиях.

Уровень загрузки дороги движением принят за критерий оценки качества дорог по пропускной способности. Кроме этого критерия для обобщения характеристики условий движения по дороге по степени удобства и безопасности в зарубежной практике широко используется понятие об уровнях обслуживания. Так, в США насчитывают шесть таких уровней: А, В, С, Д, Е, F. Каждому уровню обслуживания соответствует определенное состояние транспортного потока по интенсивности, плотности и скорости движения.

Проф. Сильянов В. В. использовал их, назвав уровнями удобства движения, и предложил выделить пять таких уровней: А, Б, В, Г-а и Г-б [23]. Основными характеристиками уровней удобства движения кроме уровня загрузки принята скорость (коэффициент скорости) и интенсивность движения (коэффициент насыщения движением). Коэффициент скорости движения

 где                                                                                                                         (8.43)

 - средняя скорость движения при рассматриваемом уровне удобства;

 - то же, при уровне удобства А.

Коэффициент насыщения движением

 где                                                                                                                       (8.44)

q_max - средняя плотность движения при рассматриваемом уровне, авт./км;

q_z - максимальная плотность движения, авт./км.

Уровень удобства А соответствует условиям, при которых отсутствует взаимодействие между автомобилями. Уровень удобства Б - взаимодействие между автомобилями начинает ощущаться, образуются отдельные группы. Число обгонов возрастает. Уровень удобства В характерен появлением колонн автомобилей и сокращением числа обгонов. Уровень Г-а - движение колонное с небольшими разрывами. Обгоны отсутствуют. При уровне удобства Г-а автомобили движутся непрерывной колонной с частыми остановками (заторами). Такое движение чаще всего наблюдается на участках дорог с высокой интенсивностью при неблагоприятных условиях погоды. Однако на подходах к крупным городам, а также на дорогах курортного направления такие условия могут наблюдаться круглогодично и летом в период массового отдыха соответственно.

8.6. Оценка влияния дорожных условий на безопасность движения

Дорожные условия оказывают существенное влияние на безопасность движения. Поэтому дорожно-эксплуатационные организации и службы организации движения должны вести систематический учёт и анализ дорожно-транспортных происшествий (ДТП).

Каждое ДТП совершается, как правило, в результате неблагоприятного сочетания нескольких факторов, тесно связанных друг с другом, что затрудняет выявление истинных причин при их анализе. Необходимо, чтобы представители дорожной службы принимали активное участие в осмотре мест происшествий и анализе их причин.

Наиболее распространенными видами ДТП являются опрокидывания (20-40 %), столкновения (20-35 %) и наезды на пешеходов (20-27 %). Чем ниже категория дороги, тем больший удельный вес составляют опрокидывания транспортных средств, что объясняется существенным недостатком геометрических параметров и инженерного оборудования этих дорог. На дорогах высших категорий увеличивается количество наездов на пешеходов. Анализ дорожно-транспортных происшествий осуществляют в целях выявления на дороге опасных участков, изучения причин возникновения ДТП, разработки мер по устранению этих причин, оценки эффективности деятельности дорожных организаций по повышению безопасности движения.

К дорожно-транспортным происшествиям, связанным с неудовлетворительным состоянием дорог, относятся все ДТП, вызванные несоответствием технических параметров дороги требованиям современного движения (недостаточная ширина проезжей части, малые радиусы кривых в плане и профиле, узкие мосты и т.д.), а также связанные с недостатками в содержании и обустройстве дорог: повышенная скользкость дорожного покрытия, загрязнение покрытия и выбоины на нём, неудовлетворительное состояние обочин, объездов и примыканий, плохое состояние мостов и подъездов к ним, сужение проезжей части из-за неполной очистки от снега, ограниченная видимость из-за разросшихся зелёных насаждений, откосов выемок и прочего, отсутствие виражей и уширения проезжей части на кривых малого радиуса, отсутствие или неправильная установка дорожных знаков, разметки, отсутствие ограждений и др.

Для выбора мероприятий по повышению безопасности движения и очередности их выполнения необходимо выявить наиболее неблагоприятные участки дорог в различные сезоны года и оценить степень их опасности. Существует несколько способов и критериев оценки безопасности движения на дорогах. Оценка и сравнение разных участков дорог могут быть выполнены по абсолютному количеству происшествий на этих участках или по покилометровому графику ДТП. Недостаток этого способа в том, что он не учитывает интенсивность движения. Более надёжным для эксплуатируемых дорог является оценка по коэффициенту происшествий, который характеризует количество дорожно-транспортных происшествий, приходящихся на 1 млн. автомобиле-километров пробега.

Для участка дороги коэффициент происшествий определяют по формуле

 где                                               (8.45)

А - количество происшествий в год;

N - среднегодовая суточная интенсивность движения, принимаемая по данным учёта движения, авт./сут;

L - длина участка дороги, км;

m - число лет, за которые произошло указанное количество ДТП.

Для коротких участков, таких как пересечения и примыкания в одном уровне, искусственные сооружения, площадки для остановок и стоянок автомобилей, автобусные остановки коэффициент происшествий определяется по формуле:

                                                                               (846)

Для пересечения или примыкания в одном уровне

 где                                                               (8.47)

N_гл; N_вт - среднегодовая суточная интенсивность движения на пересекающихся дорогах, авт./сут.

По вычисленным коэффициентам строят линейный график коэффициентов происшествий, который наглядно и объективно показывает наиболее опасные участки дорог (рис. 8.15).

Рис. 8.15. Линейный график коэффициентов происшествий

Важным показателем безопасности движения является плавность изменения скорости автомобиля на смежных участках дороги, которая может быть оценена коэффициентом безопасности, предложенным проф. В.Ф. Бабковым. Коэффициентом безопасности называют отношение максимальной скорости движения на участке к максимальной скорости въезда автомобиля на этот участок или такое же отношение величин коэффициентов обеспеченности расчётной скорости (рис. 8.16).

Рис. 8.16. Схема к определению коэффициента безопасности

Например, чтобы сохранить устойчивость автомобиля на кривой малого радиуса, водитель должен снизить скорость движения от V_ф.mах1 до V_ф.mах2. Аналогичная ситуация возникает при подъезде к участку сужения дороги, ограничения видимости в плане или профиле, когда водитель должен резко снижать скорость движения, чтобы избежать дорожно-транспортное происшествие.

Для вычисления величины коэффициента безопасности необходимо иметь данные о скоростях движения на смежных участках в виде линейного графика скоростей движения или коэффициента обеспеченности расчетной скорости в прямом и обратном направлениях, для построения которых имеются специальные программы для ЭВМ.

Изменение скоростей движения должно оцениваться на расстояниях, не меньших расстояний видимости поверхности дороги для данной категории дороги. График коэффициентов безопасности строят для летнего, осенне-весеннего и зимнего периодов года, подставляя в расчётные формулы определения максимальных скоростей для каждого периода года, фактические значения ширины проезжих частей поверхности дороги, коэффициентов сцепления и сопротивления качению и т.д. Порядок определения максимальной скорости движения на каждом характерном участке дороги при различных состояниях её поверхности в разные периоды года приведен в разделе 8.4.

8.7. Методы выявления участков концентрации дорожно-транспортных происшествий

Дорожно-транспортные происшествия распределяются неравномерно по протяжению дороги и концентрируются на отдельных её участках. Чтобы эффективно использовать средства на выполнение мероприятий по повышению безопасности движения, необходимо объективно выявить участки концентрации ДТП, степень опасности каждого участка и выявить причины возникновения происшествий на каждом таком участке.

К числу основных групп дорожных факторов, способствующих возникновению участков концентрации ДТП, относят следующие:

наличие дефектов эксплуатационного состояния покрытия проезжей части и обочин, технических средств организации дорожного движения и инженерного оборудования дорог, снижающих безопасность дорожного движения;

сложные сочетания геометрических элементов трассы, не обеспечивающие равномерный режим движения транспортных средств;

недостаточное по сравнению с нормами расстояние видимости проезжей части и встречных автомобилей на кривых в плане и в продольном профиле;

нарушение зрительной плавности трассы и ясности дальнейшего направления дороги;

неудовлетворительный уровень содержания дорог;

разделение, слияние и пересечение транспортных потоков на пересечениях и примыканиях дорог, на которых планировка и схемы организации движения не отвечают установленным требованиям;

несоответствие параметров геометрических элементов трассы дороги состоянию покрытия и придорожной обстановке, способствующее значительному превышению безопасной скорости движения;

отсутствие оборудованных пешеходных переходов в необходимых местах, способствующее неожиданному появлению пешеходов на проезжей части;

отсутствие или дефекты инженерного оборудования на эксплуатируемых железнодорожных переездах, а также несоблюдение нормативных требований к расстоянию видимости приближающихся поездов;

иные неблагоприятные факторы дорожных условий, способствующие возникновению ДТП, перечень которых представлен в «Правилах учёта и анализа дорожно-транспортных происшествий на автомобильных дорогах Российской Федерации».

Указанные факторы могут приводить к возникновению участков концентрации ДТП вследствие отклонения показателей технического уровня, эксплуатационного состояния и уровня содержания дорог и дорожных сооружений от нормативных значений, допускаемых по условиям безопасности движения, особенно если воздействие этих факторов имеет длительный характер.

Методика выявления участков концентрации дорожно-транспортных происшествий разработана под руководством канд. техн. наук В.В. Иванова группой специалистов ГП Росдорнии в составе канд. техн. наук И.Ф. Живописцева, инж. Н.Ю. Кульгавиной, А.В. Силкина, Е.О. Ваниной, М.Н. Ермаковой [57].

Для выявления участков концентрации ДТП на дорогах общего пользования применяются статистические методы, основанные на анализе распределения фактических данных о ДТП на рассматриваемой дорожной сети. Участки дорог, на которых относительные показатели аварийности за определённый период времени превышают установленный критический уровень, классифицируются как участки концентрации ДТП. Указанные методы эффективны при наличии достоверной информации о ДТП за период не менее трёх лет, а также налаженной системы учета интенсивности дорожного движения. К участкам концентрации ДТП относятся участки дорог с уровнем фактической аварийности, превышающим установленные критические значения, возникновению которых могли способствовать неблагоприятные дорожные условия.

Для инженерных расчётов в качестве базовых использованы следующие средние значения коэффициентов относительной аварийности (число ДТП на 1 млн авт.-км), установленные для дорог общего пользования Российской Федерации:

автомобильные магистрали - 0,20

многополосные дороги с разделительной полосой - 0,25

многополосные дороги без разделительной полосы - 0,58

двухполосные дороги - 0,42

Значение коэффициента относительной аварийности в эталонных дорожных условиях (прямой горизонтальный участок с шириной проезжей части 7,5 м, шириной обочин - 3,75 м, чистое, сухое и ровное покрытие, движение в светлое время суток при уровне загрузки движением в пределах нормативных значений) установлено равным 0,08 ДТП на 1 млн авт.-км. При этом учитываются только ДТП с пострадавшими.

Участки концентрации ДТП выявляют на основе метода последовательных приближений, обеспечивающего наиболее высокую точность определения таких участков при наличии полной (с точностью до метров) информации о местоположении ДТП и сведений о среднегодовой суточной интенсивности движения. Учитывая, что рассматриваемый метод требует большого объема вычислений, для его применения рекомендуется использовать специальные компьютерные программы.

Для выполнения инженерных расчётов по выявлению участков концентрации ДТП необходимы следующие исходные данные:

сведения об адресах ДТП, повлекших гибель или ранения людей, совершённых за расчётный период;

сведения о среднегодовой суточной интенсивности движения за расчётный период;

данные о фактическом расстоянии между стойками указателей километров на дороге.

Участки концентрации ДТП выявляют на основе стандартных показателей аварийности: абсолютного количества ДТП, совершенных на рассматриваемом участке дороги за расчётный период; коэффициента относительной аварийности (количества ДТП, приходящегося на 1 млн авт.-км). При этом для обеспечения необходимой достоверности коэффициент относительной аварийности определяют по данным учета ДТП не менее чем за три года для дорог I-III категории и пять лет для дорог IV-V категорий.

При среднегодовой суточной интенсивности движения свыше 3000 авт./сут. к участкам концентрации ДТП относят участки дорог, на которых абсолютное число ДТП за расчётный период не менее значений, приведённых в табл. 8.15, а коэффициент относительной аварийности - не менее 0,3. Местоположение участков концентрации ДТП устанавливают следующим образом.

От адреса произвольно выбранного (например, первого от начала дороги) ДТП последовательно откладывают расстояния («шаблон») от больших значений до меньших в пределах диапазонов их изменения, указанных в табл. 8.16. Для каждого получаемого таким образом отрезка дороги устанавливается за расчётный период абсолютное число ДТП и рассчитывается значение коэффициента относительной аварийности. На основе результатов этих расчётов выявляют отрезок дороги наименьшей длины (из рассмотренных), на котором имеется концентрация ДТП. Протяжённость участка концентрации ДТП принимается равной расстоянию от первого до последнего ДТП на рассматриваемом отрезке дороги.

Таблица 8.16

От адреса следующего на дороге ДТП откладывают расстояния той же величины и для каждого получаемого отрезка дороги проводятся аналогичные расчёты. На основе результатов этих расчётов на рассматриваемых участках дороги либо выявляют концентрацию ДТП, либо устанавливают её отсутствие.

Последовательно переходя от одного адреса ДТП к другому, продолжают осуществлять вышеперечисленные действия. Расчёт завершают, когда будет достигнут адрес последнего на рассматриваемом участке дороги ДТП.

Если местоположение смежных участков концентрации ДТП имеет совпадающие зоны, их рассматривают в качестве единого участка концентрации ДТП.

При необходимости выявления участков концентрации ДТП на отдельных элементах (характерных участках) дорог с однородными условиями движения (кривые в плане, подъёмы и спуски, зоны пересечений, ж/д переезды, населенные пункты и т.п.) определяют общее число ДТП на указанных участках (с учётом зон их влияния) и рассчитывают коэффициенты относительной аварийности. При этом в качестве критических значений показателей, позволяющих выявить участок концентрации ДТП, используют значения (см. табл. 8.16), соответствующие протяжённости рассматриваемого элемента (характерного участка) дороги.

При необходимости выявления участков концентрации ДТП на дорогах с интенсивностью движения свыше 3000 авт./сут в условиях отсутствия полных данных о местоположении ДТП (отсутствует метровая привязка) допускается применять упрощённый метод, являющийся частным случаем метода последовательных приближений.

В рассматриваемом случае выявление участков концентрации ДТП заключается в определении количества ДТП, расчёте коэффициента относительной аварийности на последовательно расположенных километровых участках и сравнении их с соответствующими критическими значениями, указанными в табл. 8.16.

Если на рассматриваемом участке концентрации ДТП расстояние между километровыми указателями превышает 1200 м (например, в случае отсутствия километровых указателей), вычисляют удельное число ДТП на длине, кратной общей длине рассматриваемого участка, по формуле

 где                                                                                                                      (8.48)

n_i - число ДТП на участке длиной l, шт.;

n_L - абсолютное число ДТП на рассматриваемом участке, шт.;

L - длина рассматриваемого участка, км;

l - длина участка (наибольшая из приведённых в табл. 8.15), кратная длине L, км.

Коэффициент относительной аварийности вычисляется на всю длину рассматриваемого участка протяжённостью L, м.

Для выявления участков концентрации ДТП на дорогах с интенсивностью движения менее 3000 авт./сут используются критические показатели аварийности, представленные в табл. 8.17. К участкам концентрации ДТП относятся участки дорог, на которых фактическая плотность ДТП (среднее число ДТП в год на 1 км) не менее значений, указанных в табл. 8.17 при данной среднегодовой суточной интенсивности движения.

Таблица 8.17

Примечание. Километровые участки с одним ДТП, совершённым за расчётный период, не являются участками концентрации ДТП.

Местоположение участков концентрации ДТП в рассматриваемых условиях устанавливают следующим образом.

1. Последовательно рассматривают километровые участки дорог. Выявляют участки с двумя и более ДТП (каждый из выявленных участков может состоять из нескольких километровых участков), имеющие смежные километровые участки, на которых в течение расчётного периода не было зафиксировано ни одного ДТП. Если в состав какого-либо из выявленных участков попали участки, расположенные как в населённом пункте, так и вне его пределов, то в дальнейших расчётах они рассматриваются отдельно друг от друга.

2. Для всех выявленных участков вычисляют фактическую плотность ДТП по формуле

где                                                                                                                         (8.49)

n_i - число ДТП, совершённых на i-том рассматриваемом участке в течение расчётного периода, шт.;

l_i - протяжённость i-того рассматриваемого участка дороги, км.

3. Если на каком-либо участке фактическая плотность ДТП при данной среднегодовой суточной интенсивности движения превышает значения, указанные в табл. 8.17, его относят к категории участков концентрации ДТП.

4. На каждом последующем этапе из числа выявленных участков, состоящих из нескольких (более одного) километровых участков, последовательно исключают из дальнейших расчётов крайние километровые участки с наименьшим числом ДТП. В случае если на крайних километровых участках зафиксировано равное число ДТП, из дальнейшего рассмотрения исключается тот из них, который имеет наибольшую протяжённость. Если на крайнем километровом участке, исключаемом из расчёта, зафиксировано более одного ДТП, он также должен быть проверен на наличие концентрации ДТП. После исключения из состава рассматриваемых участков крайних километровых участков для них повторяются те же расчёты по вычисленной фактической плотности ДТП.

Расчёт ведётся до тех пор, пока последний из рассматриваемых участков не будет сведён до километрового участка.

При отсутствии сведений о фактической интенсивности движения (например, на территориальных дорогах) на период до получения таких сведений допускается применять метод выявления участков концентрации ДТП, основанный на использовании следующей исходной информации:

сведения об адресах ДТП (достаточна точность привязки к указателям километров на дороге), повлекших гибель или ранение людей, совершенных за расчетный период;

данные о фактических расстояниях между километровыми столбами на рассматриваемых дорогах.

В этом случае к участкам концентрации ДТП относят участки дорог, на которых абсолютное число ДТП за расчётный период не менее значений, указанных в табл. 8.18 при данной фактической плотности ДТП.

Таблица 8.18

Для повышения точности определения участков с повышенным уровнем аварийности на территориальных дорогах со схожими техническими и транспортно-эксплуатационными характеристиками среднее число ДТП в год на 1 км необходимо вычислять по как можно большей статистической выборке данных о ДТП, совершённых на выделенной группе дорог, что повышает надёжность определения среднестатистического допустимого уровня аварийности на дорогах с однородными условиями движения.

Местоположение участков концентрации ДТП при использовании данного метода устанавливается следующим образом.

1. Определяют перечень дорог, на которых должны быть выявлены участки концентрации ДТП. Выбранные дороги объединяют в группы с однородными условиями движения по какой-либо значимой характеристике, например, по категории, типу покрытия проезжей части.

2. Для каждой группы дорог вычисляется среднее число ДТП в год на I км по следующей формуле:

 где                                                                                                                       (8.50)

 - число ДТП, совершённых на рассматриваемой группе дорог в течение расчётного периода, шт.;

L - общая протяжённость дорог данной группы, км.

3. Максимально возможную длину участков концентрации ДТП принимают равной 3,0 км. Устанавливают участки, протяжённость которых менее этой длины, а абсолютное число ДТП, совершённых на них за расчётный период, превышает значения, указанные в графа 4 табл. 8.18 для данной плотности ДТП. Затем максимальную длину проверяемых участков дорог уменьшают до 2,0 км. Аналогичным способом с использованием значений, приведённых в табл. 8.18 (графа 3), выявляют участки концентрации ДТП, протяжённость которых составляет 1,0-2,0 км, и переходят к рассмотрению участков, длина которых не превышает 1,0 км.

Классификация участков концентрации дорожно-транспортных происшествий. Для прогнозирования характера изменения аварийности и оценки эффективности мероприятий по повышению безопасности движения на участках концентрации ДТП их подразделяют на три типа в зависимости от стабильности наблюдаемого уровня аварийности:

прогрессирующие, на которых за последний год имеется существенный (статистически значимый) рост числа ДТП по сравнению со средним наблюдавшимся уровнем аварийности;

стабильные, на которых распределение числа совершённых ДТП по годам свидетельствует о постоянстве среднего наблюдаемого уровня аварийности;

регрессирующие («затухающие»), на которых статистически значимое уменьшение числа совершенных ДТП свидетельствует о снижении наблюдавшегося уровня аварийности.

Количественные критерии отнесения участков концентрации ДТП к указанным типам приведены в табл. 8.19.

Таблица 8.19

В зависимости от величины коэффициента относительной аварийности участки концентрации ДТП по степени опасности следует подразделять на малоопасные, опасные и очень опасные. Количественные критерии оценки участков по степени опасности представлены в табл. 8.20. Значения, приведённые в числителе табл. 8.20, следует использовать для оценки степени опасности участков концентрации ДТП при разбивке рассматриваемой дорожной сети на километровые участки с последующим расчётом коэффициента относительной аварийности. При оценке степени опасности характерных участков и элементов дорог (пересечения и примыкания, населённые пункты, кривые в плане и т.п.) используют значения, приведённые в знаменателе.

Таблица 8.20

Примечание. В числителе - при осреднении по километровым участкам; в знаменателе - при осреднении по характерным элементам.

При планировании мероприятий по повышению безопасности движения на выявленных участках концентрации ДТП с учётом приоритетности следует учитывать как стабильность уровня аварийности на участках концентрации ДТП, так и степень их опасности. Наиболее высокой приоритетностью с позиции включения в программу ликвидации участков концентрации ДТП обладают прогрессирующие и стабильные участки концентрации ДТП, характеризующиеся одновременно высокой степенью опасности.

ГЛАВА 9. Методы оценки транспортно-эксплуатационного состояния дорог

9.1. Классификации методов оценки состояния дорог

Оценка транспортно-эксплуатационного состояния - определение степени соответствия нормативным требованиям фактических потребительских свойств автомобильных дорог, их основных параметров и характеристик. В общем виде цель оценки состоит в том, чтобы определить фактическое транспортно-эксплуатационное состояние дорог и дорожных сооружений, инженерного оборудования и обустройства, а также уровень эксплуатационного содержания, сопоставить их с требуемым, установить участки дорог, не отвечающие требованиям, выявить основные причины снижения транспортно-эксплуатационных показателей и наметить мероприятия по их повышению.

Существующие методы оценки состояния автомобильных дорог можно разделить по ряду признаков: оцениваемому показателю, полноте охватываемых оценкой элементов, периодичности оценки, объёму оценки, критериям оценки и т.д.

По оцениваемым показателям выделяют:

а) методы оценки технико-эксплуатационных качеств или характеристик дороги, т.е. технических параметров и физических характеристик дороги, таких как прочность дорожной одежды, ровность, шероховатость и сцепные качества покрытий, устойчивость земляного полотна, а также инженерного оборудования и обустройства (знаков, ограждений, автобусных остановок, АЗС, мотелей и т.д.);

б) методы оценки транспортно-эксплуатационных показателей дороги или ее потребительских свойств, таких как обеспеченная дорогой скорость, удобство и безопасность движения, пропускная способность, допустимая осевая нагрузка и общая масса автомобилей, эргономические, эстетические, экологические свойства дороги и т.д.;

в) методы оценки показателей совместной работы дороги и автомобилей или технико-экономических показателей работы автомобильного транспорта на данной дороге, таких как средняя скорость транспортного потока, производительность автомобилей, расход топлива и износ шин, себестоимость перевозок, количество дорожно-транспортных происшествий и т.д.

По полноте оцениваемых элементов или показателей выделяют:

а) методы оценки отдельных элементов, параметров, характеристик или показателей (методы раздельной оценки);

б) методы оценки группы элементов, параметров, физических характеристик или показателей;

в) методы оценки комплекса, т.е. всех или большинства основных элементов, параметров, характеристик или показателей, так называемые методы комплексной оценки.

Методы раздельной оценки технических параметров и характеристик дорог, а также элементов инженерного оборудования и обустройства применяют в случае необходимости проверки соответствия нормативным требованиям только этих параметров или элементов и соответственно назначения ремонтных работ только по этим параметрам или элементам.

Наиболее часто таким методом оценивают состояние проезжей части: прочность дорожной одежды, ровность, сцепные качества, шероховатость, колейность, трещины и ямочность на покрытиях и т.д. Методами раздельной оценки могут быть оценены также и отдельные транспортно-эксплуатационные показатели дороги: скорость движения, пропускная способность, безопасность движения и др.

По степени объективности оценки выделяют:

а) субъективные, или визуальные методы оценки, основанные на результатах визуального осмотра дороги и дорожных сооружений специалистами-экспертами. При этом различают визуальную диагностику, т.е. сбор информации о видимых параметрах и характеристиках состояния дороги и визуальную оценку состояния, т.е. сравнение этих характеристик с нормативными требованиями;

б) объективные методы оценки, основанные на результатах измерений параметров и характеристик дорог и дорожных сооружений, выполняемых при помощи приборов, установок и передвижных лабораторий;

в) смешанные методы оценки, когда часть параметров и характеристик оценивается по результатам визуального осмотра, а часть - по результатам объективных измерений.

По числу критериев или показателей оценки выделяют однокритериальные и многокритериальные методы оценки.

Любая оценка может считаться достоверной только тогда, когда оцениваемый показатель измерен количественно и сопоставлен с нормативным или эталонным значением этого показателя. Для оценки состояния автомобильных дорог наибольшее распространение нашел метод комплексной оценки транспортно-эксплуатационного состояния дорог по обеспеченности её потребительских свойств и метод раздельной оценки технических параметров и характеристик дорог путём сравнения их фактических значений с нормативными.

В любом случае оценка состояния производится на основании результатов диагностики, которая всегда предшествует оценке состояния дорог. Объективная оценка состояния может выполняться одновременно с диагностикой, но не может предшествовать ей.

9.2. Определение фактической категории существующей дороги

При оценке состояния и назначении работ по ремонту или реконструкции эксплуатируемых дорог во многих случаях возникает необходимость установить фактическую категорию дороги, требуемую категорию по интенсивности движения на момент обследования и расчётную, назначаемую при проектировании реконструкции.

Фактическую категорию существующей дороги на момент обследования и оценки состояния определяют путём сопоставления основных геометрических параметров с нормативными, приведёнными в СНиП 2.05.02-85 [89]. К указанным параметрам относят ширину проезжей части (ширину основной укреплённой поверхности), продольные уклоны и радиусы кривых в плане. В зависимости от рельефа местности эти параметры рассматривают как главные или дополнительные критерии при определении категории дороги (табл. 9.1). Рельеф местности устанавливают по проектной документации на дорогу.

Таблица 9.1

На одной дороге могут быть выделены участки различных категорий, отличающиеся по основным параметрам, протяженностью не менее 3 км на перегонах и 1 км на подходах к городам. При меньшей протяжённости таких участков их категорию принимают такой же, как на основном протяжении дороги.

Главным геометрическим параметром для установления фактической категории дороги во всех случаях является фактическая ширина проезжей части. На дорогах или участках дорог значительной протяжённости, где при строительстве, реконструкции или ремонте устроены краевые укрепительные полосы, имеющие однотипное покрытие с проезжей частью, таким параметром служит ширина основной укреплённой поверхности, включающая в себя ширину проезжей части и краевых укрепительных полос.

К дорогам категории I-а относят дороги, имеющие несколько раздельных проезжих частей (каждая по две и более полосы движения), с разделительными полосами, в том числе разметкой или разделительными барьерами между ними и пересечения в разных уровнях с другими автомобильными или железными дорогами.

К дорогам категории I-б относят дороги, имеющие две раздельные проезжие части (каждая по две и более полосы движения), с разделительной полосой, в том числе разметкой или разделительным барьером безопасности между ними.

Фактические категории других дорог по ширине проезжей части или по ширине основной укреплённой поверхности принимают в зависимости от их фактических размеров (табл. 9.2).

Таблица 9.2

Примечание. При определении фактической категории дороги не учитывают участки с дополнительной полосой проезжей части на затяжных подъёмах, на пересечениях и примыканиях, в местах автобусных остановок и площадок отдыха, обустроенных переходно-скоростными полосами.

В пересечённой местности фактическую категорию существующей дороги определяют по двум главным параметрам: ширине проезжей части и продольному уклону (табл. 9.3).

Таблица 9.3

В горной местности фактическую категорию дороги определяют по соответствию нормативным требованиям ширины проезжей части, продольных уклонов и радиусов кривых в плане (табл. 9.4).

Таблица 9.4

При определении фактической категории дороги в пересечённой и горной местностях допускается не учитывать наличие отдельных участков с продольными уклонами больше или с радиусами кривых в плане меньше нормативных для категории дороги, установленной по ширине проезжей части. Общая протяжённость указанных участков не должна превышать 10 % всей протяжённости дороги. При большей протяжённости таких участков с продольными уклонами больше или радиусами кривых в плане меньше нормативных для категории дороги, установленной по ширине проезжей части, последняя понижается на одну категорию.

Требуемую категорию дороги на момент обследования определяют на основании данных о фактической годовой среднесуточной интенсивности движения, полученной в год обследования. Допускается с целью определения требуемой категории дороги использовать данные об интенсивности движения за предыдущий год. В случае когда фактическая среднегодовая интенсивность движения превышает расчётную для данной категории дороги по СНиП 2.05.02-85, принимают решение о необходимости реконструкции существующей дороги с переводом её в более высокую категорию.

Рекомендуемую при реконструкции категорию дороги определяют проектные организации на основании данных о перспективной интенсивности движения, полученных путём прогноза и технико-экономических расчётов.

9.3. Методы визуальной оценки состояния дорог

Общие принципы визуальной оценки. Визуальный осмотр, обследование и простейшие измерения могут применяться как самостоятельный способ упрощённой диагностики и оценки состояния дороги, на основании которой ориентировочно могут быть выявлены и дифференцированы участки с различным транспортно-эксплуатационным состоянием, в первом приближении установлены виды и причины деформаций и разрушений, назначены ремонтно-восстановительные и профилактические мероприятия, определены объёмы работ и требуемые затраты на ремонт и содержание. Кроме того, визуальный осмотр и оценка, как правило, проводятся на первом этапе работ по объективной оценке состояния дороги, а также при оценке качества ремонта и содержания. В практической деятельности дорожных организаций визуальную оценку широко применяют для оценки как состояния дороги и всех дорожных сооружений в целом, так и отдельных элементов и сооружений дорог. Наиболее часто применяются визуальные методы оценки состояния дорожных одежд и покрытий.

Существует большое количество разнообразных методов визуальной оценки, которые применяются в различных странах и различных дорожных организациях. Однако все эти методы имеют много общего. Всякая визуальная оценка включает в себя осмотр и обследование состояния дороги и дорожных сооружений специально подготовленными высококвалифицированными специалистами-экспертами, по заранее разработанной методике; выявление дефектов в состоянии дороги и отступлений от требований норм; фиксацию информации об этих дефектах и отступлениях на различных носителях информации (в журналах, на магнитных лентах, дисках, компьютерных дискетах и т.д.); экспертную оценку значимости выявленных дефектов и отступлений по заранее разработанной шкале оценок и назначение рекомендуемых мероприятий по их устранению, на основании которых можно ориентировочно определить виды и объёмы дорожно-ремонтных работ, а также требуемые объёмы финансирования и материально-технических ресурсов.

В чистом виде визуальная оценка применяется редко. Обычно она выполняется с применением простейших средств измерения, записи информации с помощью портативных диктофонов, киносъёмки или телесъёмки, средств автоматической записи и отработки результатов оценки и т.д.

Различают два основных способа визуальной оценки.

В первом способе высококвалифицированный эксперт-дорожник или группа специалистов проходят пешком или проезжают на автомобиле с малой скоростью (10-20 км/час) с остановками весь участок дороги, осматривают состояние поверхности и дорожных сооружений, проводят простейшие измерения, заносят всю информацию в журнал, диктофон или переносной компьютер. При этом координаты места нахождения дефектов, деформаций и разрушений определяют в привязке к километровым и пикетным столбам или измеряют по спидометру.

Во Франции для этих целей разработана система DESY (сокращенно от слов Decri System). Она состоит из микроЭВМ типа PC; двух специальных клавиатур, каждая клавиша которой имеет свой символ, означающий ту или иную информацию; набора программ по обработке собранных данных.

Во втором способе на автомобиле устанавливают видеокамеру и из движущегося автомобиля снимают весь участок дороги. Есть два варианта съёмки поверхности дороги.

В первом варианте камеру устанавливают так, чтобы съемка производилась с точки, близкой к глазам водителя и под тем же углом, под которым водитель видит дорогу. В этом случае снимают вид проезжей части, обочин, откосов и прилегающей обстановки. Автомобиль-лабораторию, оборудованный видеокамерой для этой цели, во Франции называют VIDEOROUTE. Съемка ведется при движении автомобиля со скоростью 50 км/ч. Видеосъёмку просматривают в лаборатории с применением системы DESY.

Во втором варианте наибольшее внимание при визуальном осмотре уделяют состоянию дорожной одежды и покрытия. Для этих целей во Франции кроме системы VIDEOROUTE и DESY применяют систему дорожного фотоконтроля GERPHO. Это автомобиль, оборудованный видеокамерой, расположенной впереди автомобиля на выдвижной балке. Видеокамера непрерывно снимает поверхность покрытия шириной полосы 5 м, с масштабом съемки 1:200, при скорости движения автомобиля 60 км/ч. Съёмка производится ночью при искусственном освещении покрытия.

После проявления снятые кадры просматривают на экране, отмечают и измеряют все дефекты, деформации и разрушения покрытия и дорожкой одежды.

В МАДИ (ГТУ) разработана система видеокомпьютерной съемки в дневное время и автоматизированной фиксации состояния дорожного покрытия и характера его повреждений.

Визуальная оценка элементов автомобильных дорог. Оценка состояния земляного полотна и системы водоотвода выполняется в два этапа: визуальный осмотр и инструментальная оценка характеристик грунта, необходимая для выяснения причин деформаций и разрушений и разработки мероприятий по их устранению.

Визуальная оценка состояния обочин включает:

а) неукреплённых или укреплённых несвязным материалом и травосеянием - поверку наличия колей и ям, мест застоя воды, наличия промоин, оползней грунта на прибровочной полосе, переноса грунта с обочин на проезжую часть, просадок или вспученных мест, наличие деформаций или разрушений поверхности слоев укрепления, целостность травяного покрова;

б) укреплённых связными материалами - проверку наличия просадок, разрушения покрытий укрепления, особенно в местах стыковки с проезжей частью и прибровочной полосой, сохранность поперечных уклонов. Характер деформаций, протяженность участков с отмеченными деформациями и их объём заносят в ведомость дефектов. Здесь же даются рекомендации о местах проведения инструментальных обследований.

Визуальная оценка состояния откосов включает:

а) укреплённых травосеянием откосов - объём и характер разрушения травяного покрова, наличие и объём оплывов и сплывов грунта, промоин, участков с оползневыми явлениями, обрушений грунта, выноса грунта из откоса;

б) укреплённых различными материалами и конструкциями откосов - состояние конструкций укрепления, объём и вид деформаций и разрушений, определение эффективности использованного вида укрепления в данных грунтовых, гидрологических и климатических условиях.

Визуальная оценка состояния водоотводных сооружений включает оценку целостности устройств, степени сохранности заданных геометрических форм, конструкций укрепления, стоковой способности. При этом выявляются места застоя воды, заиливания, засорения или зарастания боковых канав травой и кустарником, места оползания откосов или их размыва, отсутствие необходимых водоотводных сооружений.

При осмотре дренажных устройств отмечают места засорения устьев оплывшим по откосу грунтом, выбоины и трещины в дренах, засорение полости дрен, оседание отдельных звеньев, засорение отстойников, разрушение вокруг них грунтовой обсыпки. Особо тщательно осматривают выпуски из всех водоотводных сооружений с целью обнаружения начальных стадий размыва грунтов.

Результаты визуальной оценки с рекомендациями по ликвидации деформаций и разрушений заносят в ведомость дефектов.

Визуальная оценка состояния покрытия и дорожной одежды. Это наиболее часто применяемый в различных странах вид визуальной оценки состояния дорог. В России впервые для этих целей в 1953 г. была предложена трёхбалльная шкала оценки прочности дорожной одежды, разработанная СоюзДорНИИ. Прочность оценивали экспертным путем по наличию на покрытии трещин, сетки трещин и разрушений. В зависимости от состояния дорожной одежды оценка колеблется от I до III баллов. В дальнейшим оценка качества была дополнена оценкой ровности. На участках с прочной дорожной одеждой (оценка I балл) оценивают ещё и состояние покрытия по ровности. Оценка покрытия по ровности колеблется от 1 балла (отличное состояние) до 4 баллов (неудовлетворительное состояние). Таким образом, состояние дорожной одежды по прочности и ровности оценивают с помощью двойной шкалы: I/1, I/2 - I/4, II, III.

Значительное развитие метод оценки состояния дорожной одежды по прочности на основе результатов визуального осмотра состояния дороги получил в работах проф. Ю.М. Яковлева, который установил корреляционную зависимость между видами, характером и количеством дефектов покрытия и дорожной одежды и коэффициентом запаса прочности (табл. 9.5).

Таблица 9.5

Разработанный им метод визуальных наблюдений за состоянием дорожной одежды позволяет во многих случаях заменять методы инструментальных испытаний. Сущность этого метода состоит в том, что, фиксируя фактическое состояние дорожной одежды (трещины, сетка трещин, просадка, колея и др.), можно оценить интегрально за прошлый период службы одежды процесс накопления дефектов и соответственно ее прочностное состояние.

Наличие современного оборудования для видеокомпьютерной съемки позволяет упростить и автоматизировать процесс фиксации состояния дорожной одежды и характер повреждений (рис. 9.1). В МАДИ (ГТУ) разработана методика обработки результатов видеокомпьютерной съёмки состояния дорожной одежды (Борисюк Н.В., Яковлев Ю.М. Использование результатов видеокомпьютерной съёмки при оценке прочности дорожных одежд нежёсткого типа // Строительство и эксплуатация автомобильных дорог: задачи и решения. - М.: МАДИ (ГТУ), 2001.- С 36-42).

Рис. 9.1. Схема проезжей части, полученная при видеокомпьютерной съемке

Визуальную оценку состояния дорожной одежды осуществляют ежегодно на всех дорогах в весенний период после снеготаяния до начала ослабления дорожной одежды. Одной из задач этого осмотра является выявление участков, на которых необходимо провести инструментальные измерения прочности Дорожной одежды, т.е. тех участков, где есть сомнения в этой прочности. Оценку выполняет группа в составе: инженер (руководитель группы), техник и водитель автомобиля. Группа должна иметь следующие оборудование и инвентарь:

легковой автомобиль или микроавтобус;

дорожные знаки: «Дорожные работы» и «Объезд препятствия слева»;

деревянные рейки длиной 1 и 2 м и щуп с миллиметровыми делениями для измерения глубины колей;

журнал визуальной оценки;

жёлтые жилеты безопасности. Визуальную оценку производят в процессе проезда автомобиля со скоростью, позволяющей фиксировать имеющиеся на покрытии дефекты (10-20 км/час). Для удобства осмотра специалист, производящий этот осмотр (инженер), садится рядом с водителем, а ведущий записи (техник) располагается сзади.

При необходимости более подробного осмотра отдельных участков (уточнение характера дефекта) или проведения измерений (измерений глубины колеи) автомобиль проезжает вперед от места дефекта на 5-10 м, инженер и техник выходят из автомобиля и двигаются по обочине в направлении, обратном движению.

В процессе визуальной оценки состояния дорожной одежды ее делят на однотипные участки длиной от 100 до 1000 м, границы которых назначают по близким состояниям одежды. Расстояния устанавливают по спидометру автомобиля. Внутри каждого участка назначают частные участки с практически одинаковым состоянием одежды. В случае наличия нескольких дефектов оценку назначают по дефекту, дающему наиболее низкое его значение коэффициента запаса прочности.

Оценку состояния элементов обустройства автомобильных дорог проводят систематически, а также посезонно. При систематических осмотрах элементов обустройства, знаков, ограждений проверяют наличие этих элементов, соответствие их расстановки схеме дислокации, выявляют их повреждения, связанные с наездами на них автомобилей, либо умышленные повреждения участниками движения, дефекты, которые могут быть устранены на месте без применения машин и сложного оборудования, а также необходимость их очистки от пыли, грязи и т.д. При оценке состояния разметки проверяют наличие и степень её износа, а также соответствие схемы реальным условиям движения. При оценке состояния элементов благоустройства автомобильных дорог (остановки, автопавильоны, площадки отдыха, видовые площадки, стоянки автомобилей и др.) выявляют поломки элементов оборудования и другие дефекты.

При сезонных осмотрах элементов обустройства дорог выявляют необходимость внесения изменений в размещение этих элементов в связи с сезонными изменениями условий движения, или дооборудования, а также их ремонта или замены по причине значительного износа.

Выпускаемая Саратовским НПЦ «Росдортех» передвижная лаборатория КП-514 МП оснащена системой видеосъемки и дополнительным рабочим местом оператора для сбора данных об инженерном оборудовании дорог (рис. 9.2). Видеосъёмка покадровая, осуществляется через задаваемый оператором интервал пути по длине дороги. Наиболее оптимально производить съемку автоматически через каждые 20 м. Для съёмки используются видеокамера или цифровой фотоаппарат, которые закрепляются в специальном кожухе на кронштейне перед лобовым стеклом лаборатории на фиксируемой высоте. Оптическая ось камеры ориентируется под определённым углом к поверхности покрытия дороги. Размещение камеры и её ориентация должны быть такими, чтобы в кадр попадала не только проезжая часть, но и элементы обустройства дороги (дорожные знаки, ограждения, переходно-скоростные полосы), были видны съезды, примыкания других дорог.

Рис. 9.2. Передвижная видеолаборатория

Снимаемое видеоизображение дороги оцифровывается, вводится в бортовой компьютер и записывается на магнитооптический диск. Скорость движения при съемке снижается до 20-30 км/час. Разработано специальное программное обеспечение, позволяющее по кадрам видеоизображения выполнять линейные измерения, включающие определение ширины проезжей части, полос движения, расстояние до объектов сбоку от дороги, высоту бордюров и ограждений, размещение дорожных знаков, указателей, размеры трещин, площадь дефектов на покрытии дороги.

Программа «Инженерное оборудование», которой оснащается передвижная лаборатория, по существу, выполняет роль полевого журнала при обследовании дороги и значительно облегчает работу операторов. Работа программы осуществляется по принципу каталога и диалога с оператором. Элементы дороги и инженерного оборудования разбиты на группы (земполотно, пересечения и примыкания, съезды и переезды, ограждения, знаки, разметка, остановочные площадки и др.), каждой из которых на экране бортового компьютера соответствует своя стилизованная картинка (иконка). После указания маркером на иконку на экран выводится перечень параметров и показателей состояния соответствующего элемента дороги или инженерного оборудования, а также варианты их качественного состояния. Например, варианты указания материала, из которого сооружен или изготовлен элемент дороги, перечень возможных дефектов и т.п. Таким образом, оператору остается, визуально оценивая элемент дороги, по существу отвечать на вопросы, которые задает программа бортового компьютера. Можно, остановив лабораторию, выйти из нее, осуществить детальный осмотр элемента, измерение вручную какого-либо параметра. Компьютер переносной, поэтому можно и с ним выйти из лаборатории, например при обследовании труб.

В последнее время передвижные лаборатории оснащаются спутниковыми навигационными системами GPS. Это приемник сигнала от одного или нескольких спутников, плата ввода сигнала в бортовой компьютер и программа обработки сигнала. Использование GPS-систем эффективно для определения географических координат трассы дороги в плане, внесения корректив в показания датчика пути передвижной лаборатории. Существуют дорогие GPS-системы, которые обеспечивают измерения с погрешностью в несколько сантиметров.

9.4. Методы оценки состояния дорог по техническим параметрам и физическим характеристикам и комбинированные методы

На первом этапе развития дорожной науки оценка состояния дорог осуществлялась как оценка инженерного сооружения с позиций прочности, устойчивости, работоспособности, сроков службы и т.д. [7, 92, 94, 114]. В основу оценки положено определение фактических технических параметров, физических и транспортно-эксплуатационных характеристик или качеств дороги (ТЭХ АД или ТЭК АД) и сравнение их с нормативными или проектными данными.

В случае когда фактические параметры и физические характеристики существующей дороги соответствуют требованиям действующих норм или отличаются от этих требований на допустимую величину, считается, что дорога находится в нормальном состоянии и не требует ремонта или реконструкции. Если какие-либо технические параметры или характеристики не соответствуют нормативным требованиям, значит, необходимы ремонтные работы для того, чтобы привести эти параметры и характеристики в соответствие с нормативными требованиями.

В зависимости от целей оценки определяют конкретный перечень параметров и характеристик дороги, которые необходимо измерить или определить, а оценку состояния дороги выполняют по отдельным параметрам (одному или нескольким), по группе параметров и по всему комплексу параметров и характеристик.

По техническим параметрам и характеристикам, которые могут быть оценены в относительной форме, вычисляют соответствующие коэффициенты (прочности, ровности, скользкости, износа, дефектности покрытия и т.д.) и составляют ведомости коэффициентов. По этим данным назначают ремонтные мероприятия на тех участках, где значения указанных коэффициентов не соответствуют допустимым величинам.

В течение длительного времени в России используется разработанная в результате исследований проф. Бируля А.К., Бабкова В.Ф., Иванова Н.Н., Калужского Я.А., Корсунского М.Б., Сиденко В.М. и др. [7, 13, 92] система из пяти основных показателей: коэффициент прочности, коэффициент ровности (или коэффициент службы), коэффициент скользкости, коэффициент износа покрытий и коэффициент интенсивности движения. Однако эти показатели не приводятся к единому, а рассматриваются как группа отдельных показателей, из которых главными считаются коэффициенты прочности, ровности и скользкости.

Для получения необходимой для оценки информации в этих методах применяют специальные приборы, установки и лаборатории для измерения геометрических параметров плана и профиля дорог, прочности дорожных одежд, ровности, шероховатости и сцепных качеств покрытия и т.д. Широко используют визуальные методы сбора информации, кино- и телевизионные съемки.

Преимущество методов оценки состояния дороги путем сравнения фактических технических параметров и физических характеристик с нормативными состоит в простоте оценки и назначении ремонтных работ по каждому из них, а также в том, что можно оценивать состояние дороги по любому набору параметров.

Однако эта группа методов имеет ряд недостатков. Один из них состоит в том, что перечень оцениваемых параметров и характеристик состояния дороги постоянно расширяется и в разных методиках колеблется от 10-15 до 40 и более. Оценки параметров и характеристик на каждом участке дороги могут иметь различные количественные или качественные значения. В этой ситуации сделать однозначный вывод об общей оценке состояния дороги, о сравнении общего состояния двух участков дорог или двух различных дорог, а следовательно, выбрать объективно обоснованную стратегию ремонтных работ весьма трудно. Появляется широкое поле для выбора решений в виде различных наборов приоритетных работ, назначаемых по одному, двум или нескольким показателям независимо от других.

Примером может служить методика определения индекса эксплуатационной надёжности покрытия PSI (Present Sereiceabilitay Index). Для расчета PSI следует предварительно установить ровность покрытия, протяженность трещин и площадь ямочного ремонта на 1000 м: площади покрытия и среднюю глубину колеи:

 где                                                 (9.1)

 - показатель ровности покрытия по толчкомеру;

С - протяжённость трещин в м на 1000 м²;

р - площадь ямочного ремонта покрытия, м²/1000 м²;

RД - средняя глубина колеи.

Разработана шкала оценки состояния покрытия по этому показателю: больше 3,5 - отлично; 2,5-3,5 - хорошо; 1,5-2,5 - удовлетворительно; меньше 1,5 - неудовлетворительно.

Этот показатель нельзя назвать комплексным, так как он оценивает только состояние покрытия. По этому показателю можно планировать работы по содержанию и ремонту покрытия, без учета его сцепных качеств, прочности, состояния обочин, откосов, ширины проезжей части и других элементов дороги. Методика оценки состояния дорожного покрытия по индексу эксплуатационной надежности используется в системе управления эксплуатации покрытий автомобильных дорог PMS (Pavement Management Systems).

Для устранения указанного недостатка применяются способы балльной оценки, когда абсолютные или относительные количественные показатели различных дефектов и деформаций вместе с качественными оценками других показателей переводятся в баллы. Итоговая оценка производится по сумме баллов или, наоборот, по остатку баллов. Примером таких способов оценки состояния дорог могут служить разработанные в Польше «Система оценки состояния покрытий» (SOSN) и «Визуальная оценка дорог» (WOD).

В системе SOSN оцениваются параметры дорожной одежды и покрытия: прочность дорожной одежды, ровность продольная и поперечная (колейность), шероховатость, сцепные качества и состояние покрытия. При этом прочность, ровность продольная и поперечная, шероховатость и сцепные качества покрытия измеряются приборами и установками, а показатели состояния поверхности дороги измеряются и оцениваются визуально с использованием каталога деформаций и разрушений.

В системе WOD визуально оцениваются обозначение и устройства организации движения, состояние дорог ночью и дорожная полоса. Кроме того, в систему WOD включается и оценка состояния дорожного покрытия, выполняемая по системе SOSN.

Оценка состояния отдельных элементов дороги и дороги в целом дается в баллах. Получается достаточно полная оценка состояния поверхности дороги, за исключением прямой оценки степени соответствия геометрических параметров дороги сложившейся интенсивности и составу движения.

Другой более важный недостаток состоит в том, что методы оценки состояния дорог по степени соответствия их технических параметров и физических характеристик нормативным требованиям в прямом виде не оценивают транспортно-эксплуатационные показатели дорог, т.е. их потребительские свойства. Они оцениваются только косвенно, предположительно.

Комбинированные методы оценки транспортно-эксплуатационного состояния дорог включают в себя оценку дороги по основным транспортно-эксплуатационным показателям, техническим параметрам и характеристикам. Они позволяют оценивать состояние дороги не просто как инженерного сооружения, а как инженерного транспортного сооружения, предназначенного для обеспечения удобного и безопасного движения автомобилей с высокими скоростями и установленными нагрузками.

В этих методах нашел распространение термин «транспортно-эксплуатационное состояние дороги» (ТЭС АД) - комплекс параметров и характеристик технического уровня, эксплуатационного состояния и инженерного оборудования и обустройства, а также термин «транспортно-эксплуатационные показатели дороги» (ТЭП АД), которые непосредственно зависят от транспортно-эксплуатационного состояния дороги и характеризуют дорогу именно как транспортное сооружение [13, 92, 95].

К транспортно-эксплуатационным показателям дороги (ТЭП АД) относятся обеспеченная дорогой непрерывность, скорость, удобство и безопасность движения, пропускная способность и уровень загрузки, допустимые габариты, осевая нагрузка и общая масса автомобилей, эргономические, экологические, эстетические и другие показатели.

Методика оценки достаточно проста: определяют в абсолютной или относительной форме фактические значения транспортно-эксплуатационных показателей и технических характеристик, сравнивают их с нормативными требованиями, по каждому параметру и характеристике получают оценку (рассогласование), с учётом которых назначают ремонтные мероприятия и работы. Для оценки транспортно-эксплуатационных показателей применяют приборы и установки для измерения скорости, определения интенсивности и состава движения, измерения габаритов и осевых нагрузок автомобилей и др.

Так, например, в действующих технических правилах ремонта и содержания автомобильных дорог используется комбинированная система показателей оценки состояния дорог, которая включает в себя следующие показатели [95]:

скорость движения; этот показатель оценивается по величине коэффициента обеспеченности расчётной скорости в осенне-весенние переходные периоды года;

пропускная способность дороги и уровень загрузки дороги движением;

безопасность движения - оценивают по коэффициенту происшествий, коэффициенту аварийности и коэффициенту безопасности;

соответствие фактических геометрических параметров нормативным для данной категории дороги - оценивают прямым сравнением;

прочность дорожной одежды - оценивают коэффициентом прочности;

ровность покрытия и глубины колеи - оценивают коэффициентом ровности и глубиной колеи;

шероховатость и сцепные качества покрытия - оценивают показателем скользкости и допустимой разницей коэффициента сцепления по ширине покрытия.

Это основные показатели. Кроме того, по техническим параметрам и физическим характеристикам оценивают состояние обочин, откосов, системы водоотвода. Состояние мостов оценивается в основном определением их грузоподъёмности.

Профессором В.К. Некрасовым предложена комплексная система технико-экономических показателей состояния дороги и условий движения на ней, которая включает в себя 16 коэффициентов: службы, проезжаемости, скользкости, изношенности, прочности, безопасности, аварийности, обслуживания подвижного состава, обеспечения автомобилей топливом, интенсивности движения, загрузки дороги движением, времени сообщения, обеспечения пассажиров автобусов местами для ожидания, обслуживания пассажиров дальнего следования, обеспечения площадками для стоянок и отдыха, санитарно-технического обслуживания.

Во многих странах мира существуют аналогичные наборы показателей, которые мало отличаются один от другого. Главное достоинство комбинированного метода оценки состоит в том, что в нём наряду с техническими параметрами и характеристиками оцениваются и основные транспортно-эксплуатационные показатели, т.е. потребительские свойства.

Главный недостаток этого метода в том, что каждый показатель, параметр и характеристика оценивается раздельно и имеет свои нормативные требования. В результате по итогам оценки на каждом участке дороги получается от 20 до 80 числовых данных в абсолютной или относительной форме, показывающих совпадения или отклонения от нормативных требований, что существенно затрудняет анализ и формирование вывода о степени соответствия дороги нормативным требованиям, затрудняет назначение и выбор наиболее важных ремонтных мероприятий.

Чтобы упростить решение задачи, применяют различные способы определения весовых коэффициентов, коэффициентов важности, приоритетности, разделения работ на главные и второстепенные. В большинстве своем это делается экспертным путём, т.е. волевым порядком, что может привести к ошибочным решениям при распределении весьма ограниченных средств на ремонт и содержание автомобильных дорог. Чаще всего за приоритетный показатель принимают прочность, ровность и сцепные качества покрытий или какой-то один из них. Все эти характеристики можно повысить усилением дорожной одежды, устройством нового слоя износа или поверхностной обработки.

Однако с позиций потребителя усиление дорожной одежды, устранение неровностей или повышение сцепных качеств малоэффективно на тех участках, где главными причинами снижения транспортно-эксплуатационных показателей дороги является узкая проезжая часть при возросшей интенсивности движения, малый радиус кривой в плане, отсутствие видимости, большая крутизна подъема, неблагоустроенное пересечение в одном уровне, и во многих других случаях, когда затраченные средства не дают ожидаемого эффекта.

Чтобы избежать таких ошибок, необходима комплексная, обобщённая оценка влияния всех параметров и характеристик дорог на потребительские свойства дорог и учёт их при планировании дорожных работ. Во многих странах мира разрабатывается новое поколение методов оценки состояния дорог, в которых в качестве главных показателей оценки приняты отдельные потребительские свойства или группы потребительских свойств дороги. Одной из первых крупных методик этой группы является разработанная по поручению Всемирного банка для развивающихся стран региона с жарким климатом модель HDM-III (Haiwау Design and Maintenance), в которой укрупнённо оценивается влияние продольного профиля и плана трассы и детально оценивается влияние состояния дорожного покрытия на среднюю скорость движения автомобилей. В зависимости от средней эксплуатационной скорости для каждой группы автомобилей вычисляют затраты пользователей на топливо, износ шин, запасные части и другие ресурсы.

Модель имитирует общие дорожные условия, используя эмпирические зависимости для районов с жарким климатом стоимости строительства и ремонта дорог, зависимости скорости от продольных уклонов и кривизны дороги в плане, от ровности покрытия [25, 26, 27, 28, 30, 31, 32]. Модель предназначена для экономического анализа альтернативных решений на уровне дорожной сети. Несмотря на то что модель не предназначена для окончательного инженерного решения, она может быть использована для оценки влияния состояния дорожного покрытия на скорость движения автомобилей и для прогнозирования этого влияния на перспективу с учётом ожидаемых деформаций и разрушений дорожного покрытия.

В настоящее время разработана новая версия модели HDM-IV, которая позволяет существенно расширить сферу ее применения для оценки как проектных решений, так и состояния существующих дорог, в том числе и в регионах с отрицательной температурой воздуха.

Во Франции разработано программное обеспечение SISTER (Simulation de Strategic d'Entretien Routier) - моделирование стратегии содержания дорог, где состояние дороги оценивается «оценкой качества», которая характеризует структурное (прочностное) состояние дороги, и «оценкой ровности», относящейся к уровню обслуживания, предоставляемого пользователю [3, 11, 12, 24].

При оценке состояния дорог прежде всего учитывается влияние ровности покрытия на затраты пользователя по эксплуатации транспортных средств.

9.5. Методика комплексной оценки качества и состояния дорог по их потребительским свойствам

Общие положения. Метод разработан проф. А.П. Васильевым на основании многолетних исследований, выполненных в МАДИ, Гипродорнии и других организациях [5, 6, 7, 17]. Он основан на том, что в рыночных условиях конечным результатом деятельности дорожных организаций как при строительстве новых, так и при эксплуатации существующих дорог является обеспечение высоких потребительских свойств дорог, через которые дорожная отрасль осуществляет свой вклад в технико-экономические показатели работы автомобильного транспорта, в социальное и экономическое развитие регионов. С этих позиций к дорогам вполне применимо определение, что качество продукции - это комплекс ее потребительских свойств, обусловливающих способность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением продукции.

Цель диагностики и оценки состояния заключается в определении степени соответствия фактических транспортно-эксплуатационных показателей нормативным требованиям к потребительским свойствам дорог. Интегральным показателем, наиболее полно отражающим все основные транспортно-эксплуатационные показатели, принята скорость движения, выраженная через коэффициент обеспеченности расчетной скорости.

Рассматриваемый метод применяется для оценки качества проекта строительства, реконструкции или ремонта дороги, качества дороги в момент сдачи её в эксплуатацию после строительства, реконструкции или ремонта, а также качества и транспортно-эксплуатационного состояния дороги, находящейся в эксплуатации.

Под качеством дороги понимают степень соответствия показателей технического уровня, эксплуатационного состояния, инженерного оборудования и обустройства, а также уровня содержания нормативным требованиям, обеспечивающим потребительские свойства дороги данной категории.

Оценку потребительских свойств дороги или её транспортно-эксплуатационных показателей выполняют применительно к работе дороги и ее состоянию в осенне-весенний период года, когда все достоинства и недостатки дороги проявляются наиболее полно. В сухое теплое время года при благоприятных условиях погоды фактические транспортно-эксплуатационные показатели могут быть выше, чем в осенне-весенний период. Поэтому результаты обследований, выполненных в сухое тёплое время года, приводятся к расчётным осенне-весенним условиям работы дороги.

Для обобщённой комплексной оценки качества дороги и уровня её содержания определяют показатель качества и состояния дороги П_д, который включает в себя комплексный показатель транспортно-эксплуатационного состояния КП_д, показатель инженерного оборудования и обустройства и показатель эксплуатационного содержания дороги К_э:

П_д = КП_д×К_об×К_э.                                                                                                                   (9.2)

Для вновь построенной или реконструированной дороги в момент сдачи её в эксплуатацию принимают К_э = 1.

Показатели П_д, КП_д, К_об, К_э являются критериями оценки качества и состояния дороги. Их нормативные значения для каждой категории принимают в соответствии с действующими нормативно-техническими документами. Нормативные значения комплексного показателя транспортно-эксплуатационного состояния дорог (КП_н) соответствуют требованиям СНиП 2.05.02-85, ВСН 24-88 и ГОСТ Р 50597-93. В неблагоприятных условиях погоды осенне-весеннего периода года допускается снижение требований к показателю транспортно-эксплуатационного состояния дороги (КП_д), но не более чем на 25 %. Эти значения принимают за предельно допустимые (КП_П). Фактические значения КП_д могут колебаться от 0,15 до 1,25 и более (табл. 9.6).

Таблица 9.6

Нормативные значения КП_н (числитель) и предельно допустимые КП_П (знаменатель) значения комплексного показателя транспортно-эксплуатационного состояния дорог

Примечание. Критерии выделения трудных участков пересечённой и горной местности приняты в соответствии с примечанием 1 к п. 4.1 СНиП 2.05.02-85.

Нормативным считается такое состояние дороги, при котором её параметры и характеристики обеспечивают значения комплексного показателя транспортно-эксплуатационного состояния не ниже нормативного (КП_д ³ КП_н) в течение всего осенне-весеннего периода. Допустимым, но требующим улучшения и повышения уровня содержания считается такое состояние дороги, при котором её параметры и характеристики обеспечивают значение комплексного показателя транспортно-эксплуатационного состояния в осенне-весенний период ниже нормативного, но не ниже предельно допустимого (КП_н > КП_д > КП_П).

Недопустимым, требующим немедленного ремонта или реконструкции, считается такое состояние дороги, при котором значение комплексного показателя транспортно-эксплуатационного состояния дороги в осенне-весенний период ниже предельно допустимого (КП_д < КП_П).

За нормативную величину показателя инженерного оборудования и обустройства принимают К_об = 1, которое обеспечивается при наличии и соответствии требованиям стандартов и других нормативных документов основных элементов инженерного оборудования и обустройства дорог: дорожных знаков, ограждений, разметки, примыканий, пересечений автомобильных дорог с автомобильными и железными дорогами, автобусных остановок и площадок отдыха, тротуаров и пешеходных дорожек в населённых пунктах, освещения. Фактические значения величины К_об могут колебаться от 0,9 до 1,0.

За нормативную величину показателя уровня эксплуатационного содержания принимают К_э = 1,0, которое обеспечивается средним уровнем содержания согласно «Временному руководству по оценке уровня содержания автомобильных дорог», утверждённому ФДС России 26.11.1997 г. Фактические значения величины К_э могут колебаться от 0,9 до 1,1.

Нормативные и предельно допустимые значения обобщённого показателя качества и состояния дороги принимают равными соответствующим значениям комплексного показателя ТЭС АД, то есть П_Н = КП_н и П_П = КП_П. Дорога, находящаяся в эксплуатации, полностью соответствует требованиям к качеству и состоянию, когда П_д ³ П_Н, и находится в допустимом состоянии, когда П_Н > П_д ³ П_П.

При других значениях показателей дорога находится в недопустимом состоянии.

В зависимости от целей и задач оценки она может быть выполнена как по обобщённому показателю качества и состояния, так и раздельно по комплексному показателю транспортно-эксплуатационного состояния (КП_д), показателю инженерного оборудования и обустройства (К_об) или по показателю уровня эксплуатационного содержания (К_э).

Значения всех показателей могут быть определены для участка дороги, для всего протяжения дороги, для сети дорог, обслуживаемых дорожной организацией или для сети дорог региона.

Оценку качества дороги в момент сдачи в эксплуатацию после строительства, реконструкции или ремонта выполняют так же как и эксплуатируемой дороги по результатам объективной оценки и измерения фактических параметров и характеристик дороги.

Оценка транспортно-эксплуатационного состояния автомобильной дороги. Главным этапом оценки качества и состояния дороги является определение показателя её технического уровня и эксплуатационного состояния или комплексного показателя транспортно-эксплуатационного состояния (КП_д), которая включает в себя оценку геометрических параметров поперечного профиля, плана и продольного профиля дороги, состояния покрытия и прочности дорожной одежды, продольной и поперечной ровности, сцепных качеств покрытий, состояния обочин, габаритов мостов и путепроводов, интенсивности и состава транспортных потоков, а также безопасности движения.

В основу методики комплексной оценки транспортно-эксплуатационного состояния дороги положен принцип обязательного соблюдения всех нормативных требований к параметрам и характеристикам, определяющим её транспортно-эксплуатационные показатели.

Транспортно-эксплуатационное состояние каждого характерного отрезка дороги оценивают итоговым коэффициентом обеспеченности расчётной скорости , который принимают за комплексный показатель транспортно-эксплуатационного состояния дороги на данном отрезке:

                                                                                                                       (9.3)

Оценку транспортно-эксплуатационного состояния автомобильной дороги на момент обследования выполняют по величине комплексного показателя:

где                                                                                                        (9.4)

 - итоговое значение коэффициента обеспеченности расчётной скорости на каждом участке;

l_i - длина участка с итоговым значением , км;

п - число таких участков;

L - общая длина дороги (участка дороги), км.

Изменение состояния дороги за период между обследованиями оценивают по величине прироста комплексного показателя ТЭС АД по формуле

 где                                                                                                    (9.5)

- значения комплексного показателя на начало и конец оцениваемого периода, вычисленные по формуле (9.4).

Отрицательное значение прироста свидетельствует об ухудшении состояния дороги за оцениваемый период по сравнению с первоначальным.

Используя результаты оценки транспортно-эксплуатационного состояния отдельных дорог, можно оценить состояние всей сети дорог и сравнить его с требуемым (Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог. ОДН 218.0.006-2002 (взамен ВСН 6-90).).

Порядок и методика оценки влияния элементов параметров и характеристик дорог на комплексный показатель их транспортно-эксплуатационного состояния. Для оценки влияния отдельных параметров и характеристик дорог на комплексный показатель их состояния (КП_д) определяют частные коэффициенты обеспеченности расчётной скорости на каждом характерном участке дороги.

При определении коэффициентов обеспеченности расчётной скорости аналитическим путём учитывают следующие особенности:

а) не принимают во внимание общие ограничения скорости Правилами дорожного движения и местные ограничения скорости (в населённых пунктах, на переездах железных дорог, на пересечениях с другими дорогами, на кривых малых радиусов, в зоне автобусных остановок, в зонах действия дорожных знаков и др.);

б) в случае резкого различия условий движения по дороге в разных направлениях (например, на затяжных уклонах горных дорог), кроме дорог I категории, величину коэффициента обеспеченности расчетной скорости принимают по наименьшему значению из двух направлений движения; на дорогах I категории следует выполнять оценку их состояния по направлениям движения раздельно;

в) не учитывают участки постепенного перехода скорости от одного значения к другому, т. е. строят ступенчатую эпюру показателей.

Значения частных коэффициентов обеспеченности расчётной скорости принимают по табл. 9.8-9.23. Значение итогового коэффициента обеспеченности расчётной скорости  на каждом участке для осенне-весеннего расчётного по условиям движения периода года принимают равным наименьшему из всех частных коэффициентов на этом участке:

Для этого строят линейный график, на который наносят сокращённый продольный профиль и план дороги, основные параметры и характеристики, частные и итоговые значения коэффициента обеспеченности расчётной скорости, а также линии нормативного и предельно допустимого значений показателей качества и транспортно-эксплуатационного состояния дороги (рис. 9.3).

Для получения итогового значения коэффициента обеспеченности расчётной скорости определяют частные коэффициенты, учитывающие ширину основной укреплённой поверхности (укреплённой поверхности) и ширину габарита моста – К_pc1; ширину и состояние обочин - К_pc2; интенсивность и состав движения - К_pc3; продольные уклоны и видимость поверхности дороги - К_pc4; радиусы кривых в плане и уклон виража - К_pc5; продольную ровность покрытия - К_pc6; коэффициент сцепления колеса с покрытием - К_pc7; состояние и прочность дорожной одежды - К_pc8; ровность в поперечном направлении (глубину колеи) - К_pc9; безопасность движения - К_pc10.