Повышение ровности покрытий автомобильных дорог по условию обеспечения комфорта, удобства и безопасности движения: С использованием теории риска

Актуальность темы

Автомобильная дорога является сложным и дорогостоящим инженерным сооружением, предназначенным для обеспечения комфортабельного, безопасного и экономичного проезда транспортных средств.

Проведенные исследования при паспортизации и контроле качества строительства свидетельствуют о том, что сложившаяся сеть автомобильных дорог не отвечает предъявляемым к ней требованиям и на сегодняшний день в России наблюдается один из высоких в мире уровней аварийности, во многом связанный с неудовлетворительными дорожными условиями. Согласно, официальной статистики ГУ ГИБДД МВД России доля происшествий из-за неровного покрытия и его низких сцепных качеств в период с 2000 года по 2002 год составляет почти половину (44,4%) от числа ДТП, связанных с дорожными условиями.

Неровность покрытий существенно снижает скорость движения, пропускную способность дорог, срок службы дорожных одежд, межремонтный пробег автомобилей, увеличивает время и себестоимость перевозок, ухудшает условия работы водителя. Натурные обследования, принимаемых в эксплуатацию участков автодорог, показали, что дорожные покрытия характеризуются высокой неоднородностью параметров уже на стадии строительства инженерного сооружения. В условиях постоянного роста интенсивности движения, доли автомобилей большой грузоподъемности и автопоездов в составе транспортного потока, низкий уровень качества строительства дорожных покрытий приводит к достаточно быстрому образованию различных неровностей и деформаций на проезжей части автомобильной дороги.

Движение по неровным покрытиям, особенно при высоких скоростях, сопровождается значительными колебаниями кузова автомобиля, которые неблагоприятно влияют на состояние водителя и пассажиров. Чем хуже ровность проезжей части, тем быстрее происходит утомление водителя, увеличивается время реакции, снижается объективность оценки ситуации и принятия решений перед маневрированием, что в свою очередь увеличивает риск возникновения дорожно-транспортных происшествий. Энергозатраты человека при проезде участков с необеспеченными требованиями по ровности приравнивают к работе средней тяжести. Длительные воздействия колебаний на организм человека в диапазоне частот от 1 до 40 Гц ведут к нарушению координации движения, неадекватной реакции, бессоннице и другим нарушения здоровья, а зачастую развитию профессиональных болезней.

Однако анализ действующих на сегодняшний день нормативных документов показал, что в них не достаточно уделено внимание оценке ровности покрытий из условия утомляемости водителя. На участках дорог с обеспеченной по показаниям толчкомера ровностью присутствуют вертикальные ускорения, значительно превышающие величины, допустимые по условию санитарной безопасности воздействия колебаний на организм человека. В амплитудном методе не предусмотрена оценка неровностей на длине от 20 до 80 м, оказывающих ощутимые колебания кузова автомобиля при сложившихся на сегодняшний день скоростных режимах.

Все сказанное подчеркивает актуальность выбранной темы диссертационной работы.

Цель исследования является разработка методов оценки и повышения ровности покрытий автомобильных дорог по условию обеспечения комфорта, удобства и безопасности движения с учетом теории риска.

Научная новизна:

— впервые использован теоретико-вероятностный подход к оценке ровности покрытий автомобильных дорог по условию обеспечения комфорта, удобства и безопасности движения;

— обоснована величина допустимого риска ухудшения состояния водителя в связи с воздействием на него вертикальных ускорений;

— разработана методика исправления параметров неровностей покрытия автомобильных дорог с учетом требований, предъявляемых условиями комфорта, удобства и безопасности движения.

Практическая значимость работы состоит в рекомендациях в проекты ремонта и реконструкции дорог, которые позволяют обеспечить ровность покрытия из условия улучшения комфорта и удобства участников движения, что приведет к снижению утомляемости водителей и повышению плавности хода автомобиля.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: .

— на первой Международной научно-практической конференции «Современные проблемы дорожно-транспортного комплекса» (Ростов-на-Дону, 1998 г.);

— на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы транспорта России» (Саратов, 1999 г.);

— на Международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 2002 г.);

— на Всероссийской отраслевой научно-практической конференции «Проблемы развития информационных телекоммуникационных технологий и систем связи в дорожном хозяйстве России с учетом единой структуры диагностики и автоматизации автомобильных дорог» (Саратов, 2003 г.);

— на Всероссийской отраслевой научно-практической конференции «Проблемы разметки автомобильных дорог и безопасности дорожного движения» (Саратов, 2003 г.);

— на ежегодных научно-исследовательских конференциях СГТУ (1998;2003 г. г.);

— на Молодежных научно-технических советах ФГУП СНПЦ «РОС-ДОРТЕХ» (2002;2003 гг.). ———;

Объем работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав.

Первая глава посвящена обзору влияния ровности дорожных покрытий на безопасность и условия движения и показаны существующие методы ее оценки. В данной главе обоснованы задачи исследования.

Во второй главе приведены экспериментальные исследования существующих участков автомобильных дорог с неровным покрытием, с целью выявления законов распределения высот неровностей, измеренных вертикальных ускорений и скоростей свободного движения автомобилей на этих участках.

Дана обработка результатов измерения методами математической статистики. Выполнено обоснование теоретических законов распределения исследуемых характеристик (высот неровностей, вертикальных ускорений скоростей свободного движения автомобилей) по критериям Пирсона и Романовского.

Приведены результаты оценки качества покрытия, полученные в ходе работ при диагностике и контроле качества строительства участков автомобильных дорог.

В третьей главе разработана математическая модель оценки риска воздействия вертикальных ускорений на ощущения человека. Предложена методика расчета упругих характеристик подвески автомобиля и оценки параметров микропрофиля по реакции автомобиля на неровности.

Четвертая глава посвящена повышению уровня безопасности, комфорта и удобства движения в проектах капитального ремонта дорожных покрытий нежесткого типа. Выполнено технико-экономическое обоснование допустимого риска на существующих дорогах. Показан экспресс-метод оценки ровности дорожных покрытий из условия комфорта и удобства движения.

На защиту диссертации выносятся:

— математический аппарат по оценке риска ухудшения состояния водителя в связи с воздействием на него вертикальных ускорений кузова автомобиля;

— экспресс-метод оценки ровности покрытий из условия комфорта, удобства и безопасности движения;

— рекомендации в проекты ремонта и реконструкции участков автомобильных дорог, с целью снижения влияния вертикальных ускорений кузова автомобиля на состояние водителя.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждена многочисленными сравнениями результатов исследования с экспериментальными данными.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Строительства дорог и организации движения» Саратовского государственного технического университета под руководством доктора технических наук проф. В. В. Столярова.

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОЦЕНКЕ РОВНОСТИ ПОКРЫТИЙ И СОСТАВЛЕНИЮ ПРОЕКТОВ РЕМОНТА И РЕКОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НЕЖЕСТКОГО ТИПА.

4.1. Методика оценки ровности покрытий на основе риска воздействия на человека вертикальных ускорений.

Оценку ровности дорожного покрытия из условия воздействиявертикальных ускорений на организм человека предлагается выполнять по формулам, полученным в п. 3.1. и методике обследования ровности покрытий, описанной в п. 2.3.

Обследования ровности участков автомобильных дорог из условия комфорта, удобства и безопасности движения заключается в проезде дорожной диагностической лаборатории КП 514-МП, с установленным в ее кузове акселерометром, по каждой полосе проезжей части и определении риска ухудшения состояния водителя в связи с воздействием на него полученных значений вертикальных ускорений. При проведении обследования ровности необходимо придерживаться следующих требований:

— чувствительность датчиков акселерометра должна быть не менее.

0,04.

— перед началом измерения необходимо проводить калибровку акселерометра и определять поправочный коэффициент для датчика пройденного пути передвижной лаборатории;

— акселерометр должен быть жестко закреплен на столе оператора передвижной дорожной диагностической лаборатории в центре кузова автомобиля.

Разработанные в п. 3.1 и п. 3.2 математические модели позволяют проводить оценку ровности из условия комфорта, удобства и безопасности движения при любых скоростях измерения, поэтому жестких требований к скорости измерения нет. Если оценка ровности из условия комфорта, удобства и безопасности движения выделяется как самостоятельная задача, то проезд лаборатории лучше всего осуществлять с допустимой по ПДД скоростью движения легковых автомобилей (90 км/ч или 110 км/ч). Если ставится задача, одновременно оценить ровность по указанным условиям и определить характеристики геометрии дороги, скорость измерения должна составлять 25 км/ч. При одновременном определении сцепления установкой ПКРС-2У и вертикальных ускорений кузова автомобиля с помощью акселерометра, скорость измерения может составлять 60 км/ч.

При измерении вертикальных ускорений кузова автомобиля с допустимой правилами дорожного движения скоростью, последовательность расчета риска ухудшения состояния водителя, на обследуемом участке дороги, следующая:

— определяется среднее значение измеренных вертикальных ускорений: <4Л> ср > п где а. — значение вертикального ускорения в 1-ой точке обследованного участка, м/с2- п — количество измерений на участке;

— устанавливается среднее квадратическое отклонение этих ускорений:

4 4.

4.2) и-1 где й, и п — то же, что в формуле (4.1) — а — среднее значение вертикального ускорения кузова автомобиля [фор2 мула (4.1)], м/с ;

— коэффициент вариации значений:

4.3) асР где аср — среднее значение вертикального ускорения кузова автомобиля [формула (4.1)], м/с — сго — среднее квадратическое отклонение параметра аср [формула (4.2)], м/с2;

— определяется риск ухудшения состояния водителяв связи с воздействием на него вертикальных ускорений по зависимости: г = 0,5-Ф а50~аср

2 +<7?

4.4).

50 «ср где а50 — математическое ожидание вертикального ускорения, вызывающего 50%-й риск ухудшения состояния водителя [см. табл. 3.3], где Су определяется л по формуле (4.3), м/с — аср — среднее значение вертикального ускорения на участке автомобильной дороги [см. формулу (4.1)], м/с2- сга5о — среднеквадратическое отклонения параметра а50 [см. табл. 3.3], при Су определяемым по формуле (4.3), м/с — ста — среднеквадратическое отклонение параметра, а в [см. формулу ср У.

4.2)], м/с2.

При измерении вертикальных ускорений кузова автомобиля с отличной по ПДД скоростью, полученные значения пересчитывают под допустимую правилами дорожного движения скорость легковых автомобилей с использованием математического аппарата, представленного в п. 3.2. Учитывая, что в формуле.

2-И 7.

3.30) отношение —является константой, так как высоты неровностей (п) и X их длина (/ = 2х) относятся к геометрическим параметрам и не зависят от скорости движения (К), по формуле (3.30) можно вычислить вертикальные уско.

2 И, а рения кузова автомобиля и при других скоростях. Отношение ~ - опре.

X V деляется по ускорениям (а), полученным в каждой точке измерения, и скорости проезда (V) при измерении этих ускорений. Последовательность расчета риска ухудшения состояния водителя, при измерении вертикальных ускорений с отличной по ППД скоростью, следующая:

•¦" в • -. «^ч- • •. • - • — • > 13 Г • - • ^ -гт- — у —РП. •. «.

— при известных значениях скорости (V) и ускорениях (Д) в каждой.

2-И конкретной точке определяется отношение —г— х.

— для расчета вертикального ускорения при движении с допустимой правилами дорожного движения скоростью в уравнение (3.30) подставляется.

2-И значение этой скорости и полученные отношения —— в каждой г-ой точке х обследованного участка;

— продолжение расчета риска ухудшения состояния водителя выполняется по описанной выше методике, начиная с формулы (4.1).

Если полученное значение риска ухудшения состояния водителя в связи с воздействием на него вертикальных ускорений больше г^ = 1 • 10″ 4 — для новых дорог или г^ = 1 • 10″ 3 — для дорог, находящихся в эксплуатации, принимается решение о разработке проекта ремонта или реконструкции данного участка.

При отсутствии средств на выравнивание покрытия, а так же в случае, когда установленное значение риска незначительно отличается от гдоп, можно рекомендовать ограничение скорости на данном участке автомобильной дороги.

Для определения скорости движения допустимой из условия комфорта и удобства движения водителей и пассажиров необходимо построить график зависимости риска ухудшения восприятия водителем дорожной обстановки от скорости движения автомобиля.

Для построения графика зависимости риска ухудшения состояния водителя от скорости необходимо задать не менее трех значений скорости движения автомобиля. Для каждой из этих скоростей производим следующие вычисления:

2-И.

— как и ранее определяем отношение —— в каждой точке, в которой х было зафиксировано ускорение (я,-) при скорости, равной скорости измерения. Как уже было отмечено ранее, эти отношения являются константой;

— по формуле (3.30) вычисляем вертикальные ускорения при принятых выше скоростях;

— по формулам (4.1 — 4.4) устанавливаем значение риска ухудшения состояния водителя (г, г2, гъ, ., г) соответственно при скорости (Уп У2, Уг,.

— по величине риска (гдоп = 1 • 10″ 4 — для новых дорог или гдпп = 1 • 10~3 — для дорог, находящихся в эксплуатации) графически определяется обеспеченная из условия комфорта, удобства и безопасности скорость движения на данном участке автомобильной дороги Удоп (см. рис. 4.1). ¦ ¦. .

Гз Гцоп 1*2 Г.

Рис. 4.1 График к определению обеспеченной скорости движения.

4.2. Детальное исправление микропрофиля участков автомобильной дороги с необеспеченной ровностью из условия комфорта и удобства движения.

Как уже было отмечено ранее, неоднородность параметров микропрофиля участков автомобильной дороги ухудшает множество показателей, влияющих в первую очередь на безопасность и комфортабельность движения, поэтому разработка проектов ремонта и реконструкции проезжей части, должна включать не только усиление дорожной одежды, но и выравнивание ее поверхности (см. п. 1.3).

В настоящее время, в большинстве случаев ремонт покрытия сводится только к устранению отдельных деформаций и в лучшем случае исправлению поперечного уклона. Как показывает многолетняя практика, такой ремонт направлен лишь на временное улучшение технического уровня дорожного покрытия, что не допустимо в современных условиях рынка, которые накладывают особые требования на распределение затрат во времени (повышение уровня надежности вложения капитала и наибольшей окупаемости). Уложенные новые дорогостоящие слои, не всегда обеспечивают комфорт и удобство при движении, кроме того, при неисправленном продольном профиле полностью повторяют рельеф предыдущего покрытия, что под воздействием подвижной нагрузки через достаточно короткое время приводит проезжую часть в тоже состояние и в дальнейшем ведет к необратимым разрушениям дорожной конструкции.

Помимо продольных неровностей на автомобильных дорогах имеют место поперечные волны, вызывающие угловые и горизонтальные линейные колебания кузова автомобиля в поперечной плоскости. Проведенными исследованиями установлено /69/, что колебания поперечного уклона, также ухудшают управляемость автомобиля и комфортабельность движения. Участки с обратным уклоном образуют впадины, на которых затруднен сток поверхностных вод и повышена опасность аквапланирования колес автомобиля при движении. h =Ь.-1Ф-Г i (non .профиль) i | / /.

Таким образом, при проектировании выравнивающего слоя в проектах ремонта и реконструкции должны учитываться две основные, взаимосвязанные задачи: выравнивание продольного и поперечного профиля автомобильной дороги.

Проектирование линии выравнивания поперечного профиля заключается в доведении поперечных уклонов до нормативных значений, путем поднятия отметок проезжей части (рис. 4.2). Рабочая отметка поднятия покрытия по оси проезжей части в поперечном профиле определяется из выражения:

4−6) где ?> - ширина полосы проезжей части в данном поперечном сечении участка дороги, в мif — значение фактического поперечного уклона, в данном поперечном сечении, тысячныеi" p — значение проектного (нормативного) поперечного уклона, принимаемое согласно строительным нормам и правилам, для данной категории участка дороги, тысячные.

При использовании данных, полученных при нивелировании покрытия, значение фактического поперечного уклона определяется, как разница между отметками на кромке и оси проезжей части.

Таким образом, исправленные высотные отметки по оси проезжей части при выравнивании поперечных уклонов, составят: ттосъ ттосъ (ф) .1 (Л.

11 /(испр) 11 i ' i (поп профиль) ' V^• ' / где Н°сь (ф} — фактические отметки по оси проезжей части в i-ом поперечном сечении участка автомобильной дороги, полученные при детальном обследовании параметров микропрофиля, мпоп профиль) ~ рабочая отметка поднятия покрытия по оси проезжей части, необходимая для приведения поперечного профиля автомобильной дороги в нормативное состояние, м. /// /// /// /// /// /// /// /// ! /// /// /// /// /// /// /// /// 777.

Фактический поперечный уклон меньше проектного.

Фактический поперечный уклон больше нормативного.

Рис. 4.2 Схематичное представление выравнивания поперечных уклонов.

Выравнивание продольного профиля участков автомобильных дорог основывается на сглаживании коротких, средних и длинных волн за счет заполнения пониженных участков, по методике предложенной в работе /28/.

Согласно этой методике сглаживание продольных волн заключается в получении таких высотных отметок, при которых величина амплитуды волны не превышает ограничений, накладываемых строительными нормами и правилами /67/, на амплитуду волн различной длины (см. табл. 4.1).