На сегодняшний день период работы дорожных одежд, в течение которого обеспечивается требуемый уровень транспортно-эксплуатационного состояния, непродолжителен. Через 2-3 года эксплуатации дорожное покрытие имеет ряд нарушений, которые снижают безопасность и комфортность проезда. Это связано со многими факторами: высокой интенсивностью, грузонапряжённостью движения, увеличением осевых нагрузок и погодными условиями. Помимо перечисленного, может иметь место нарушение технологии производства работ при строительстве, реконструкции или капитальном ремонте участка дороги.

Первый признак разрушений - появление трещин на покрытии. Сами по себе трещины не представляют большой проблемы для участников дорожного движения. Их влияние на безопасность и комфорт движения невелико, однако появление данного дефекта способствует развитию более серьёзных разрушений. Под воздействием внешних факторов и времени, трещины расширяются, происходит разрушение их кромки. Раскрытые трещины превращаются в выбоины. К тому же трещины снижают гидроизоляционные свойства покрытия, что оказывает влияние на прочность всей конструкции.

Трещины на асфальтобетонных покрытиях появляются по нескольким причинам. Это может быть временной фактор, который связан с накопленными нагрузками в связи с ростом интенсивности; возрастной фактор, который сопряжен с ухудшением свойств вяжущих с течением времени и потерей пластичности; климатический фактор.

Модели развития и образования трещин рассматривались в таких работах как [4, 5].

В данной статье за основу прогнозирования образования и развития трещин была взята вероятностная модель, которая уже на протяжении 20 лет успешно применятся в системе HDM-4, разработанной при поддержке Всемирного банка [1]. В данной модели рассматривается наиболее общий подход к образованию и развитию трещин. Главными параметрами модели являются: эквивалентная стандартная нагрузка оси каждого из транспортных средств, возраст покрытия и жесткость конструкции дорожной одежды. Впервые она была использована в работе [2].

Характеристики опытного участка

Экспериментальными данными для исследования послужили результаты оценки транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильной дороги М4 "Дон" с 287 по 321 км, полученные в период с 2009 по 2013 гг. Данный участок является 4-полосной дорогой 1-й категории с двумя раздельными проезжими частями, проходящей в III дорожно-климатической зоне (Тульская область). Расчетные показатели, использованные в данной работе, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Расчетные показатели опытного участка

Моделирование разрушений

Моделирование разрушений в HDM-4 представлено в виде двух основных фаз: фазы инициирования и фазы развития [2]. Так как обследования на опытном участке происходили не с момента строительства автомобильной дороги, а через 8 месяцев, то начало развития посчитаем по следующей формуле:

, (1)

где ICA - период времени, за который начнется фаза развития трещин, лет; K_cia - калибровочный фактор развития трещин (показывает кратность их развития); CDS - коэффициент, характеризующий состояние битумных вяжущих и жесткость конструкции, которая достигается в зависимости от типа смеси; HSE - коэффициент, показывающий развитие трещин от начального состояния; CMOD - модуль упругости основания дорожной одежды, ГПа; DEF - среднее значение прогиба дорожной одежды под нагрузкой 80 кН на полосах наката в прямом и обратном направлениях, мм; YE4 - показатель нагрузки количества осей транспортных средств на дорогу, млн. осей/полоса; a₀,a₁,a₂,a₃,a_{4 -} калибровочные коэффициенты.

В качестве коэффициентов были подобраны значения из таблицы B.3.1 (таблица 1) для типа дорожной одежды AMSB (асфальтобетонное покрытие со стабилизированным основанием дорожной одежды), взятые из документа [1]. Вычисление параметра YE4 проводилось в соответствии с разделом A 2.5.1.2 документа [1], а также с ВСН 42-87 [3]. Результаты расчета параметра YE4 составили 19,1 млн. осей/год для прямого и обратного направлений.

Таблица 1. Входные параметры для оценки модели развития трещин

На основе полученных результатов расчета и входных параметров была построена зависимость, показывающая время начала образования трещин от нагрузки на автомобильную дорогу (рис.2). На данном графике отмечена точка, соответствующая текущей нагрузке (19,11 млн. осей в год), для которой фаза развития трещин начнется через 0,411 года (5 месяцев).

Рис. 2. Зависимость фазы начала развития трещин от нагрузки

Следующая фаза - это развитие трещин. В HDM-4 развитие трещин (рис.3) основывается на временной модели прогнозирования и представлено формулой:

, (2)

где dACA - приращение зоны развития трещин от начального состояния за период времени; K_cpa - калибровочный фактор прогрессирования трещин; CRP - фактор, учитывающий распространение трещин до ремонтных работ на данной дороге:

где CRT - фактор замедления развития трещин; Z_A - калибровочный фактор для зоны развития трещин; - период времени построения модели прогноза; SCA - фактор, учитывающий общую зону развития трещин, %; a₀,a₁ - калибровочные коэффициенты. Исходные параметры для фазы развития указаны в табл.2.

Таблица 2. Данные для фазы развития

Рис.3. График развития трещин с течением времени на участке 287-321 км автомобильной дороги М4 "Дон"

Сравнение с результатами диагностики автомобильной дороги

Для оценки объективности показаний моделей было проведено сравнение данных модели и данных диагностики (рис.4). Результаты диагностики указаны на графике точками. Из графика видно, что процесс развития трещин идет по другой зависимости, коэффициент корреляции составляет 0,96, и для текущих условий модель HDM-4 не подходит, так как разрушения на дороге происходят медленнее, чем в модели.

Рис.4. Сравнение результатов прогноза с данными диагностики.

трещина покрытие автомобильная дорога

Калибровка модели

В системе HDM-4 предусмотрена калибровка, путем внесения поправок в калибровочные коэффициенты, для адаптации модели прогноза к определенным условиям. В связи с этим в существующую модель были внесены новые коэффициенты: a₀=0,98 и a₁₌0,65. Графики функций, построенные по результатам применения новой модели, приведены на рис.5.

Рис.5. График развития трещин с течением времени

В результате пересчета коэффициент корреляции стал равен 0,99, что говорит о хорошей сходимости вариационных рядов. По графиками видно, что модель практически повторяет результаты наблюдений.

Данная работа показывает, что системы прогнозирования изменения во времени транспортно-эксплуатационных характеристик, в частности структурных трещин, могут быть применимы для дорог, эксплуатируемых в РФ, однако необходимы более глубокий анализ ряда факторов при выполнении прогноза, таких как ровность и колейность, а также разработка более точной калибровочной модели, которая позволит максимально адаптировать коэффициенты под текущие условия эксплуатации автомобильной дороги.

Литература