Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование методов нормирования макрошероховатости дорожных покрытий

Кочетков А. В., Янковский Л. В.

Рассмотрено исследование ряда авторов по нормированию шероховатости дорожного покрытия. Предложено изменить ряд положения ВСН 38-90 «Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью» для повышения качества определения параметров макрошероховатого покрытия с целью увеличения безопасности дорожного движения.

Ключевые слова: шероховатость, дорожные покрытия, международный индекс ровности, коэффициент сцепления, автомобильная дорога. шероховатость дорожное покрытие углубление

В последние десятилетие практически во всех странах мира с целью повышения эксплуатационных свойств автодорожных покрытий широко используются слои шероховатых поверхностных покрытий (ШПП). Основной целью устройства ШПП является повышение уровня безопасности движения (повышение гарантированного коэффициента сцепления) и защита покрытия от интенсивного разрушения под действием возрастающей автомобильной нагрузки и природных факторов. На данный момент исследованы ряд характеристик ШПП, предложены и определены некоторые параметры шероховатости и произведена попытка классификации типов шероховатости, углубляется и совершенствуется технология работ по устройству ШПП, совершенствуются и предлагаются новые методы контроля качества ШПП. Основные теоретические разработки и практический опыт устройства ШПП, имеющиеся как у нас в стране, так и за рубежом на период 90-х годов прошлого столетия, воплощены при разработке ВСН 38-90. И хотя этот технический документ нельзя назвать удачным, с позиции охвата всех аспектов ШПП, тем не менее, он являлся толчком к более широкому (прежде всего в России) внедрению ШПП при строительстве, реконструкции и эксплуатации автомобильных дорог. В тоже время практически во всех развитых странах мира ведутся поиски оптимальных конструкций и технологий ШПП. Необходимость в обосновании оптимальных параметров при решении задач ШПП возникает из-за многогранности и противоречивости многих свойств ШПП. С одной стороны - при увеличении шероховатости увеличивается коэффициент сцепления и снижается вероятность аквапланирования, но с другой стороны - увеличивается коэффициент сопротивления движению и возрастает уровень шума при взаимодействии с шинами автомобилей [2,3].

Для выявления свойств ШПП прежде всего необходимо определиться с параметрами, характеризирующими шероховатость. Так шероховатость поверхности определяется как совокупность неровности, характеризуемую высотой неровностей, относительно некоторой базовой поверхности (линии), и малыми шагами (расстояния между неровностями), выделенных с помощью базовой длины (отрезка в 20-150 раз больше максимальной высоты неровностей). Неровности поверхности подразделяют на общие (большие) неровности и местные (малые) неровности. В практике дорожной терминологии большие неровности называют макрошероховатостью, а местные неровности микрошероховатостью. При этом макрошероховатости связывают с зернистой структурой шероховатых поверхностей, а микрошероховатость - с формой зерен. В зависимости от величины зерен, образующих макрошероховатость, предлагается классификация типов шероховатых поверхностей. При этом не всегда учитываются все функциональные свойства ШПП. Так по взаимосвязи параметров шероховатости и коэффициента сцепления существует подавляющее мнение, что коэффициент сцепления в основном зависит от макрошероховатости, в то время как это не так. Коэффициент сцепления шины автомобиля с поверхностью покрытия это сложный физико-механический процесс взаимодействия катящейся по покрытию шины с поверхностью покрытия, выраженный контактными усилиями, предотвращающими проскальзывание шины (буксование, переход на юз) в процессе движения относительно покрытия в плоскости контакта [1, 2, 3].

Таким образом, физическая сущность коэффициента сцепления - это коэффициент трения покоя между шиной и поверхностью дорожного покрытия. Величина коэффициента сцепления зависит от степени шероховатости покрытия, его ровности, чистоты и влажности, скорости движения, давления воздуха в шине автомобиля, степени изношенности протектора и нагрузки на колесо [4]. Следует добавить и от адгезионной способности контакта поверхности материалов покрытия с материалом шины автомобиля. Адгезионная способность материалов покрытий с материалом шин автомобилей наименее изучена и является одной из первоочередных задач изучения свойств ШПП. Для возможности движения автомобиля без скольжения и буксования сила тяги автомобиля должна быть меньше силы сцепления (см. уравнение VIII 25 и VIII 26). Поэтому ошибочным является требование измерять коэффициент сцепления как усилие сопротивления скольжению полностью заблокированного колеса измерительного комплекса ПКРС-2У. При такой методике измеряется не коэффициент сцепления, а коэффициент трения скольжения, значение которого в 1,5-2 раза меньше коэффициента сцепления. Поэтому классификация ШПП только по признакам макрошероховатости (по существу, по зернистости поверхностной структуры дорожных покрытий), предложенная ВСН 38-90, является весьма спорной. Так классификация шероховатости покрытий основана на сочетании трех основных параметрах:

- средней высоты выступов (R_z), мм;

- средней глубины впадин (H_ср), мм;

- коэффициентом шага шероховатости (К_ш = H_ср / R_z).

При этом совершенно неясно, относительно какой поверхности определяются высота выступов и глубина впадин. Предложенный для этих целей метод «песчаного пятна» совершенно неприемлем для определения выше обозначенных параметров (см. раздел Неприемлемость метода «песчаного пятна» для определения характеристик шероховатости) [2, 4].

Еще большее недоумение вызывает параметр «коэффициент шага шероховатости» - причем здесь отношение глубины впадин (неизвестно от какой поверхности определяемый) к высоте выступов (неизвестно от какой поверхности определяемой), для характеристики шага шероховатости, определяемого, как расстояние между выступами или впадинами по ГОСТ 2789-73. Так, например, если взять в качестве базовой поверхности поверхность необработанного покрытия, то можно представить два диаметрально противоположных состояния шероховатой поверхности [2,6]:

1. Путем нанесения элементов шероховатости на поверхность (поверхностная обработка) по схеме на рис. 1.

Рисунок 1. Схема нанесения элементов шероховатости на поверхность

Высота выступов равна R_z, а глубина впадин Н_ср = 0; следовательно 0. К_ш = 0 / R_z = 0, при любых значениях R_z.

2. Путем нанесения борозд или углублений на поверхности покрытия по схеме на рис.2.

Рисунок 2. Схема нанесения борозд или углублений на поверхности покрытия

Высота выступов R_z = 0, а глубина впадин равна Н_ср, следовательно К_ш = Н_ср / 0, не определим при любых значениях Н_ср (неопределенность).

Таким образом, в обоих случаях получается неопределенность, что недопустимо при определении параметров исследуемых характеристик. Коэффициент сопротивления качению (движению) представляет по физической сущности коэффициент трения качения, т.е. удельную силу сопротивления покрытия качению шины автомобиля по покрытию. Коэффициент сопротивления качению зависит от тех же факторов, что и коэффициент сцепления. Согласно теории движения автомобиля, для нормального движения автомобиля необходимо, чтобы сила тяги автомобиля была больше или равна сумме сил сопротивления движения; а сила тяги автомобиля была меньше или равна максимально возможной силе сцепления ведущих колес автомобиля с дорогой. Это условие выражается условием формулы [3]:

f ± i ? (P_а - P_w) / G ? ц ^. m - P_w / G, (1)

где f - коэффициент сопротивления движению (качения);

i - продольный уклон, в значениях тангенса угла наклона оси движения к горизонтали;

P_a - тяговая сила автомобиля;

Pw - сила сопротивления воздуха;

Рассмотрим обоснование требуемых величин коэффициентов сцепления дорожных покрытий. За требуемую величину коэффициента сцепления дорожных покрытий, с шинами движущихся по дороге автомобилей, следует считать такую его минимальную величину, которая обеспечивала движение автомобилей с разрешенной скоростью (для автомагистралей - 110 км/ч, для остальных дорог 90 км/ч (см. Правила дорожного движения Российской Федерации. М «ЭКСМО-ПРЕСС», 2002 п. 103)), при обеспечиваемых условиях безопасности движения (минимальная величина остановочного пути и устойчивости автомобиля на кривых в плане с минимально допустимыми радиусам по СНиП 2.05.02-85, при неблагоприятном состоянии покрытия (мокром, грязном, заснеженном).

Исходя из этих требований были определены расчетные значения коэффициентов сцепления [1].

1) По величине максимально обеспечиваемой скорости движения легкового автомобиля согласно формуле:

m ^. ц₂₀ - f₂₀ - i

m ^. вц - Kf

где V_ф.max - максимально возможная скорость движения автомобиля, км/час;

m - коэффициент сцепного веса, принимаемый для легкового автомобиля равным 0,5;

ц₂₀ - коэффициент сцепления, принимаемый в пределах от 0,2 до 0,55;

f₂₀ - коэффициент сопротивления движению, принимаемый равным 0,05 по табл. 2.1 (Справочника для заснеженного покрытия);

i - продольный уклон дороги, принимаемый равным 0,03;

в_ц - коэффициент изменения сцепных качеств от скорости движения, принимаемый равным 0,0035 (по табл. 2.4 Справочника для заснеженного покрытия);

K_f - коэффициент повышения сопротивления движению в зависимости от скорости, принимаемый равным 0,00025 по стр. 21 Справочника для заснеженного покрытия);

По этим данным построен график зависимости возможной максимальной скорости движения от коэффициента сцепления покрытия (см. рис. 4).

Рисунок 4. График зависимости скорости движения от коэффициента сцепления

Как видно из приведенного графика скорость движения 90 км/ч обеспечивается коэффициентом сцепления ц = 0,45, а при скорость 110 км/ч ц = 0,53.

2) Величина остановочного пути определялась по формуле:

V К_э ^. V²

S_торм = ---- + -------------- + l₃, (4)

3,6 254 x (ц + f ± i)

где S_торм - величина остановочного пути, учитывающая путь пройденный за время реакции водителя, тормозной путь и расстояние безопасности, м;

V - скорость движения до начала торможения км/ч; принимается 110 км/ч и 90 км/ч;

К_э - коэффициент эффективности торможения, принимается 1,2;

ц - коэффициент сцепления, принимаемый в пределах от 0,2 до 0,5;

f - коэффициент сопротивления движению, принимается - 0,07;

i - продольный уклон, принимается - 0;

l₃ - расстояние безопасности, принимается 10 м;

По формуле 4 построен график зависимости величины остановочного пути от коэффициента сцепления (см. рис. 5).

Рисунок 5. График зависимости величины остановочного пути от коэффициента сцепления

Как видно из графика (рис. 5) зависимости величины остановочного пути от коэффициента сцепления, регламентируемые СНиП 2.05.02-85, остановочный путь при скорости движения 110 км/ч обеспечивается при коэффициенте сцепления ц = 0,25, а при скорости 90 км/ч ц = 0,22.

3) Обеспечение устойчивости от заноса автомобиля при движении по кривой определенного радиуса при разрешенных скоростях движения определяется по формуле:

(5)

где V- скорость движения обеспечивающая устойчивость автомобиля на кривой от заноса, км/ч принимается 110 и 90 км/ч;

R - радиусы круговой кривой в плане, принимаются минимальные по СНиП 2.05.02-85 (200 м, 600 м, 300 м, 150 м);

ц₂- поперечный коэффициент сцепления принимается равным 0,7 от продольного коэффициента сцепления;

i_B- поперечный уклон покрытия на кривой, принимается без виража - 0,03.

По формуле 5, построен график зависимости радиуса кривой от коэффициента сцепления, обеспечивающего устойчивость автомобиля при движении с указанными скоростями (см. рис. 9). Как видно из графика при движении автомобиля по кривой радиусом 1000 м со скоростью 110 км/ч, устойчивость автомобиля обеспечивается коэффициентом сцепления 0,2, а при скорости 90 км/ч ц ? 0,15; при движении по кривой радиусом 500 м, обеспечивающих устойчивость коэффициента сцепления при скорости 110 км/ч ц ? 0,35, а при скорости 90 км/ч ц ? 0,23 , при движении по кривой радиусом 300 м, соответствующие коэффициента сцепления должны быть равными или больше: ц₁₁₀ ? 0,5; ц₉₀ ? 0,35.

Рисунок 9. График зависимости радиусов кривых от коэффициентов сцепления, обеспечивающих устойчивость автомобиля на кривой при определенных скоростях движения

Таким образом, сопоставляя все возможные условия движения, минимальное значение коэффициента сцепления, обеспечивающего необходимую скорость и условия безопасности движения, составляет ц ? 0,45. СНиП 2.05.02-85 также регламентируем коэффициенты сцепления в зависимости от условий движения:

для легких условий ц ? 0,45;

для затруднительных условий ц ? 0,5;

для опасных условий ц ? 0,6.

ГОСТ Р 50597-93 регламентирует минимально допустимую величину коэффициента сцепления ц ? 0,4 (при измерении прибором ПКРС-2У шиной с рисунком протектора) и ц ? 0,3 (при измерении прибором ПКРС-2У шиной без рисунка протектора). Поскольку Правила дорожного движения запрещают эксплуатацию автомобиля с шинами без рисунка протектора, то следует принимать минимально допустимое значение коэффициента сцепления ц ? 0,4 [1].

Исследованиями В.А. Астрова, М.В. Немчинова, А.Я. Эрастова, А.П. Васильева установлена зависимость между высотой выступов элементов шероховатости и обеспечиваемым коэффициентом шероховатости. Так при средней высоте выступов элементов шероховатости более 4 мм коэффициент сцепления превышает 0,55, кроме того уменьшается динамика снижения коэффициента от скорости движения, снижается вероятность аквапланирования. Однако коэффициент сцепления, как показали исследования проводимые в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. и в Саратовском НПЦ «РОСДОРТЕХ» зависит не только от высоты элементов шероховатости, но и от шага элементов шероховатости и степени активности поверхности элементов шероховатости, определяемые по ГОСТ 2789-73 (шероховатость поверхности параметры, характеристик и обозначения). Поэтому классификацию шероховатых покрытий, предложенную в ВСН 38-90, основанную только на размерах элементов шероховатости, нельзя считать удачной [1, 3].

Предлагается классификация шероховатых структур, основанных на параметрах ГОСТ 2789-73 (см. разд.1) и обеспечиваемом коэффициенте сцепления по требованиям СНиП 2.05.02-85 (см. табл. 46). Исходя из условий движения, характеризуемых табл. 46 СНиП 2.05.02-85, предлагается классифицировать степень шероховатости по обеспечиваемому коэффициенту сцепления (см. табл. 3) [1].

Таблица 3

Классификация шероховатых дорожных покрытий

В рассматриваемых ВСН 38-90 «Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью» приводятся излишнее и спорное определение коэффициента сцепления, не соответствующее физическому смыслу комплекса сил, взаимодействующих в плоскости контакта колеса с поверхностью покрытия (см. стр. 43 учебника В. Ф. Бабкова и О. В. Андреева «Проектирование автомобильных дорог»). Приводится определение шероховатости, не соответствующее принятому (см. ГОСТ 2789-73; ГОСТ 2.309-73, стр. 1506 Советский энциклопедический словарь). Приводятся сомнительные характеристики шероховатости (высота выступа и глубина впадины - это одна и та же величина), а «шаг шероховатости» характеризуется не отношением высоты выступов к глубине впадин, как предлагается в Указаниях, а является средней величиной расстояний между выступами или впадинами (см. ГОСТ 2789-73) [2, 3].

Для оценки структуры шероховатости глубины впадин (высоты выступов), в нормативно-методической литературе (СНиП 3.06.03-85) площадь занятой объемом песка, распределенного по поверхности покрытия, рассчитывается по формуле [2]:

V_п

h_вп = ЇЇЇ, (6)

S_п.п.

где V_п - объем песка, используемого для измерения, см³ (200-250 см³); h_вп - глубина впадин шероховатости, см; S_п.п. - площадь занятая песком по поверхности покрытия, см².

Эта модель представления о глубине впадин или высоте выступов в зависимости от уровня плоскости отчета имеет существенные погрешности, т.к. глубина впадин или высота выступов зависит от формы и взаиморасположения элементов шероховатости на покрытии, а также от типа шероховатой структуры.

Для наглядности рассмотрим несколько примеров [2].

а) Представим шероховатую структуру из однородных пирамидальной формы зерен высотой 1 см и с площадью основания 1 см² полотно прилегающих друг к другу по схеме на рис. 10.

Рисунок 10. Схема шероховатой структуры из однородных зерен пирамидальной формы высотой 1 см и площадью основания 1 см² полотно прилегающих друг к другу

Объем одной пирамиды определяется по формуле

F_п ^. h_п

V_пир = ЇЇЇЇ, (7)

3

где V_пир - объем пирамиды, см³; h_п - высота пирамиды, см; F_п - площадь основания пирамиды, см².

В случае пирамиды, приведенной на рис. 10, V_пир = 1 / 3, см³.

На площади 1 дм² = 100 см² разместится 100 пирамид с общим объемом 30 см³.

Чтобы заполнить пустоты между пирамидами на площади 100 см², потребуется объем песка 100 см³ - 30 см³ = 70 см³. При использовании метода «песчаного пятна», глубина впадин (или высота выступов) составит h_вп = 0,7 см, что противоречит начальному условию.

б) Если представим пирамидки такого же размера (h_п =1 см, F_п =1 см²), расположенные на той же площади (1 дм²), но с некоторой раздвижкой, например таким образом, чтобы количество пирамидок составляло 50 пирамидок на 1 дм², то объем их составит соответственно 15 см³. На площадь 100 см² для заполнения пустот между пирамидками потребуется объем песка 100 - 15 = 85 см³; При использовании метода «песчаного пятна», глубина впадин (или высота выступов) составит h_вп = 85 / 100 = 0,85 см, что противоречит начальному условию.

в) Представим элементы шероховатости в виде полусфер радиусом 1 см плотно прилегающих друг к другу по схеме рис. 11.

Рисунок 11. Схема шероховатой структуры из однородных полусфер высотой 1 см и диаметром 2 см плотно прилегающих друг к другу

Объем одной полусферы определяется по формуле:

2 ^. р ^. R³

V_пол.сф.= ЇЇЇЇ, (8)

3

где V_пол.сф. - объем полусферы, см³; р - число р, постоянная величина; R - радиус основания полусферы, см.

В случае полусферы, приведенной на рис. 11, V_пол.сф. = 2,09 см³.

На площади 1 дм² (100 см²) при такой компоновке разместится 25 полусфер, объемом 25 х 2,09 = 52,3 см³, следовательно для заполнения пустот между полусферами понадобится 100 - 52,3 = 47,7 см³. При использовании метода «песчаного пятна», глубина впадин (или высота выступов) составит h_вп = 0,47 см, что противоречит начальному условию.

г) При компоновке полусфер по схеме рис. 12 на площади 100 см³ разместится 29 полусфер. Объем занимаемый полусферами на площади 1 дм² составит 29 х 2,09 = 60,6 см³.

Рисунок 12. Вариант компоновки полусфер

Следовательно объем песка для заполнения пустот между полусферами на площади 1 дм² составит 100 - 60,6 = 39,4 см³.

При использовании метода «песчаного пятна», глубина впадин (или высота выступов) составит h_вп = 39,4 / 100 = 0,39 см, что противоречит начальному условию.

д) Если представить обратную модель, при которой элементы шероховатости, образованные рассмотренными ранее фигурами, но направленными вниз (в покрытие), то

для первого примера объем песка для заполнения углублений пирамидальной формы составит 30 см³, а глубина впадин составит 0,3 см;

для второго примера V_п = 15 см³, а h_вп = 0,15 см;

для третьего примера V_п = 52,3 см³, а h_вп = 0,52 см;

для четвертого примера V_п = 60,6 см³, а h_вп = 0,6 см;

что во всех случаях противоречит условию задачи.

Таким образом, можно констатировать, что в реальных условиях при реальных самых разнообразных формах и размерах элементов шероховатости при реальной плотности их компоновки (самой различной), метод «песчаного пятна» может дать самые невероятные результаты, но только не среднюю величину впадин (или выступов).

Далее приведем пример выходящей информации после обработки графического изображения профиля поверхности в программе “PROFIL”. Изображения (после сканирования) исходных профилей поверхностей приведены на рисунке 13 и 14.

Рисунок 13. Диаграмма для анализа промежуточных значений оценки профиля шероховатой поверхности

Рисунок 14. Сканированные изображения профиля шероховатой поверхности

Окончательные итоги работы программы “PROFIL”. Осредненные значения для 4 изображений профилей поверхности приведены в таблице 4.

Итоги работы программы “PROFIL”

Делают общий вид (снимок) покрытия с имеющимися дефектами и общий панорамный снимок покрытия на участке, где осуществлялась структурная фотосъемка поверхности покрытия (рис. 15) так, чтобы на снимке была видна табличка с КМ, ПК + ; типом покрытия, видом искусственной шероховатости и датой [1, 5].

а) б)

Рисунок 15. Общий панорамный снимок участка дороги, где осуществлялась структурная фотосъемка: