20

На правах рукописи

БАРСУК Марина Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОЦЕНКИ

ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

ПО ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ

ПАРАМЕТРАМ

Специальность 05.23.11 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (технические наук

и)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2013

Работа выполнена на кафедре «Инженерная геодезия» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС).

Научный руководитель: Верескун Владимир Дмитриевич доктор технических наук, доцент.

Официальные оппоненты: Боброва Татьяна Викторовна доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)», заведующий кафедрой «Экономика и проектное управление в транспортном строительстве»;

Николенко Денис Александрович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», доцент кафедры «Автомобильные дороги».

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Дорожный проектно-изыскательский и научноисследовательский институт «Иркутскгипродорнии».

Защита состоится «12» декабря 2013 г. в 9.00 на заседании объединенного диссертационного совета ДМ218.012.01 в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 224 (зал заседаний диссертационных советов); e-mail:

[email protected], тел. (383) 3280402, факс (383) 2267978.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан «11» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат диссертации, подписанные и заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент Соловьев Леонид Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время транспортноэксплуатационное состояние значительной части автомобильных дорог не отвечает нормативным требованиям. Несоблюдение межремонтных сроков привело к высокой степени износа, следствием чего является недостаточная прочность дорожного покрытия и несоответствие параметров дорог интенсивности и безопасности движения. Целевыми программами развития автомобильных дорог регионов на 20122014 гг. предусмотрены значительные объемы ремонта, восстановления дорожных сетей в муниципальных районах и повышение удельного веса дорог с твердым покрытием. Качество выполнения этих работ зависит от применяемых инновационных технологий, материалов, современных машин и механизмов, информационно-аналитических методов и средств измерения геометрических и эксплуатационных параметров на всех стадиях реализации проекта. Существующая система их определения базируется на измерениях средних значений, в частности радиусов кривых без учета их вариаций. В ряде случаев это приводит к превышению допустимых значений центробежного ускорения автомобиля, повышенным динамическим нагрузкам, и в конечном итоге к снижению безопасности дорожного движения.

Прямые и косвенные (интегральные) методы определения ровности покрытия автомобильных дорог приборами контроля ровности и сцепления (ПКРС), толчкомерами, их модификациями и др. не обеспечивают объективной и надежной оценки, включая международный индекс ровности (IRI), из-за влияния на точность различных факторов, присущих конкретному техническому средству и методу измерения.

В последнее время в дорожном комплексе широкое применение находят методы геоинформационных технологий на основе спутниковой навигации. До сегодняшнего дня эти разработки носят локальный характер.

Степень разработанности темы. Научные аспекты диссертационного исследования формировались на основе изучения и анализа работ отечественных и зарубежных ученых ведущих научно-исследовательских и проектных институтов, высших учебных заведений, разработчиков аппаратно-программных комплексов по измерению параметров автомобильных дорог.

Определение и прогнозирование транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог исследовались О.В. Андреевым, Д.А. Скоробогатченко, А.Д.

Соловчуком. В.К. Апестиным разрабатывались методы оптимизации межремонтных сроков службы дорожных одежд и покрытий. Теоретические проблемы реконструкции автомобильных дорог, переустройства земляного полотна и дорожных одежд изучались В.М. Могилевичем, В.К. Некрасовым. Большой вклад в совершенствование методов проектирования, проектно-ориентированного управления производством работ, исследование дорожных условий, повышение транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог, эксплуатацию, безопасность движения внесли: В.Ф. Бабков, Т.В. Боброва, А.П. Васильев, О.А.

Красиков, В.В. Сильянов, А.М. Стрижевский, Ю.М. Яковлев. Оценкой неровностей аэродромных покрытий по средним значениям и среднеквадратическим отклонениям занимались Ю.Д. Роев и Н.Е. Кузовихин. В.В. Столяровым развито научное направление оценки рисков движения автомобилей от качества автомобильных дорог. Проблемам разработки технических средств и способов оценки прочности, ровности и сцепления дорожных покрытий посвящены работы Ю.В. Кузнецова. Значительный вклад в развитие методов диагностики и оценки транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог внес В.К. Пашкин.

Проблемам безопасности посвящены работы зарубежных ученых Т. Андерсена (Дания), Н. Линда (Чехия), Р. Эльвика и др.

В последние годы развивались методы автоматизации измерения и обработки геометрических параметров автомобильных дорог. Среди авторов – Т.М.

Александриди, Ю.Ю. Исаев. Использованию ГИС-технологий в жизненном цикле автомобильных дорог посвящены работы В.Н. Бойкова. В.В. Щербаковым разработана методология определения геометрических параметров автомобильных дорог на основе координатного способа с использованием систем спутниковой навигации. Настоящая работа посвящена решению отдельных задач в рамках этой проблемы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является достижение полноты и повышение достоверности оценки технического состояния автомобильных дорог за счет совершенствования методов и технических средств определения геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог на базе координатного способа.

Для достижения намеченной цели поставлены следующие задачи:

доказать эффективность вероятностно-статистического подхода к определению геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог на базе координатного способа с учетом стохастического характера значений радиуса горизонтальных кривых, коэффициента сцепления, ровности покрытия и модуля упругости дорожной одежды;

установить методом факторного эксперимента по результатам измерений параметров автомобильных дорог зоны допустимых значений ровности покрытия, коэффициента сцепления и модуля упругости дорожной одежды и предложить методику определения зон допустимых значений параметров автомобильных дорог, обеспечивающих эффективность и безопасность дорожного движения;

оценить надежность аппаратно-программного комплекса диагностики автомобильных дорог на основе спутниковой навигации;

уточнить методики определения геометрических и эксплуатационных параметров в части использования глобальных навигационных спутниковых систем, вероятностно-статистического подхода к обработке информации при паспортизации и диагностике автомобильных дорог и выполнить их тестирование.

Объектом исследования является транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог.

Предмет исследования – методы и методики определения техникоэксплуатационного качества автомобильных дорог.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) предложен метод учета стохастического характера колебаний значений радиусов кривых в плане, коэффициента сцепления, ровности покрытия и модуля упругости дорожных одежд, позволяющий оценить организационнотехнологическую надежность и риски выхода параметров за допустимые пределы, установленные нормативными документами;

2) уточнена формула расчета коэффициента поперечной силы, основанная на установленной вероятностной закономерности влияния на поперечную силу случайных отклонений радиусов горизонтальных кривых и уклонов виража от их средних значений;

3) впервые с применением теории нечетких множеств установлены зоны обеспечения качества состояния автомобильных дорог по ровности покрытия, модулю упругости дорожных одежд, коэффициенту сцепления, а также зоны их совместного влияния на безопасность дорожного движения;

4) выполнена оценка надежности аппаратно-программного комплекса диагностики автомобильных дорог на основе спутниковой навигации;

5) предложена методика определения геометрических параметров автомобильных дорог на основе координатного способа с использованием спутниковой навигации, учитывающая стохастический характер значений радиуса горизонтальных кривых, ровности покрытия, и впервые выполнено их тестирование.

Теоретическая и практическая значимость. Выполненное исследование вносит научный вклад в теорию эксплуатации автомобильных дорог, расширяет знания в области методов и технических средств определения геометрических и эксплуатационных параметров, повышает полноту и достоверность оценки техникоэксплуатационного состояния автомобильных дорог.

Разработанная методика определения геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог для оценки технического состояния внедрена в производственную деятельность ГКУ «Территориальное управление автомобильных дорог Новосибирской области», ОАО «Новосибирскавтодор» и в учебную деятельность ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения».

Методология и методы исследования. Методологической основой исследования явились системный подход к оценке технического состояния автомобильных дорог, теория надежности к оценке эффективности аппаратнопрограммных комплексов измерений параметров, теория ошибок к достоверности, теория вероятностей и математическая статистика к обработке результатов измерений, математические методы моделирования и сравнительного анализа к оценке степени соответствия геометрических параметров проектным и нормативным значениям. Информационными источниками исследований явились инструкции и нормативные документы (ГОСТ 30413-96, ГОСТ 30412-96, ГОСТ Р 52398-2005, ГОСТ Р 52399-2005, ГОСТ Р 50597-93, СНиП 2.05.02-85, СНиП 3.06.03-85, ВСН 18ВСН 24-88, ВСН 1-83, ВСН 25-86, ОДН 218.0.006-2002 и др.) по определению параметров автомобильных дорог.

Положения, выносимые на защиту:

1) вероятностно-статистический подход к оценке влияния на качество автомобильных дорог колебания значений радиусов кривых в плане и уклона виража относительно их средних значений, коэффициента сцепления, ровности покрытия и модуля упругости дорожной одежды;

2) факторный эксперимент определения зон обеспечения качества состояния автомобильных дорог по ровности покрытия, модулю упругости дорожной одежды, коэффициенту сцепления, а также зоны их совместного влияния на безопасность дорожного движения позволяет повысить достоверность оценки фактического состояния автомобильных дорог и обоснованность принятия решений по целесообразности их ремонтов;

3) методика определения геометрических параметров автомобильных дорог на основе координатного способа с использованием спутниковой навигации с учетом стохастического характера значений радиуса кривых в плане, коэффициента сцепления, ровности покрытия и модуля упругости дорожной одежды.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность выполненного диссертационного исследования подтверждена:

корректным применением основных положений фундаментальных и прикладных наук, в том числе теории вероятностей, математической статистики, факторного анализа, надежности;

комплексным использованием известных теоретических и эмпирических методов определения геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог, оценкой достоверности и репрезентативности статистических данных;

метрологическим обеспечением экспериментальных исследований при определении ровности покрытия автомобильных дорог с применением спутниковых технологий.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:

Международном геодезическом конгрессе «ГЕО-Сибирь2006», г. Новосибирск, 2428 апреля 2006 г.;

г. Новосибирск, 2627 октября 2006 г.;

г. Новосибирск, 29 октября2 ноября 2007 г.;

Международном геодезическом конгрессе «ГЕО-Сибирь2008», г. Новосибирск, 2224 апреля 2008 г.;

Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011», г. Одесса, 2027 декабря 2011 г.;

Международной научно-практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе», посвященной 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения, г. Новосибирск, ноября 2012 г.;

объединенном научном семинаре кафедр ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения», г. Новосибирск, 2013 г.

Личный вклад автора заключается в разработке методов определения геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог; обработке статистических данных и выявлении вероятностной закономерности влияния случайных колебаний значений радиусов кривых в плане и уклонов виража от их средних значений на суммарную силу, стремящуюся сдвинуть автомобиль с дороги (поперечную силу); установлении зон обеспечения качества состояния автомобильных дорог по ровности покрытия, модулю упругости дорожных одежд, коэффициенту сцепления, а также зон их совместного влияния на безопасность дорожного движения; оценке надежности аппаратно-программных комплексов на основе спутниковой навигации, а также внедрении разработанной методики в производственные организации.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 9 печатных работах общим объемом 2,93 п.л. (в т.ч. авт. 1,67 п.л.), включая 3 публикации объемом 1,00 п.л. (в т.ч. авт. 0,44 п.л.) в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 125 наименования, и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 163 страницы печатного текста.

Работа содержит 60 рисунков и 32 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность повышения уровня и качества диагностики автомобильных дорог на основе совершенствования методов и методик определения геометрических и эксплуатационных параметров, оценки их технического состояния, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе раскрыты особенности и выполнен аналитический обзор методов и средств определения геометрических параметров автомобильных дорог, а именно параметров кривых в плане, проанализированы условия устойчивости автомобиля на горизонтальных кривых; рассмотрены методы и средства определения эксплуатационных параметров автомобильных дорог: ровности покрытия и прочности дорожной одежды, коэффициента сцепления; приведены экспериментальные результаты определения геометрических и эксплуатационных параметров на сети автомобильных дорог Новосибирской области.

Существенное пополнение автомобильного парка России современными легковыми и грузовыми автомобилями вызвало увеличение интенсивности дорожного движения, скоростных режимов и грузонапряженности, которые ведут к повышенному износу автомобильных дорог и ужесточению требований к геометрическим и эксплуатационным параметрам.

Наибольшее влияние на устойчивость автомобиля на дороге и безопасность движения оказывают изменения радиусов кривых в плане, ровность покрытия, коэффициент сцепления шины с покрытием и прочность дорожной одежды.

В Новосибирской области ежегодно подлежат нормативному и капитальному ремонту более 2 тыс. км автомобильных дорог. Однако бюджетных ассигнований на такие объемы ремонтов недостаточно. Сложившаяся система бюджетного финансирования не отражает фактическое состояние автомобильных дорог, определенное на основе стандарта Новосибирской области, построенного на усредненных детерминированных показателях геометрических и эксплуатационных параметров. Необходима разработка новых методов и методик измерения и расчета параметров, учитывающих весь спектр случайных значений в интервале их вариаций.

С целью разработки таких методов, методик, а также аппаратно-программных комплексов на основе спутниковой навигации лабораторией «Диагностика дорожных одежд и земляного полотна» СГУПСа выполнены экспериментальные исследования на сети региональных и межмуниципальных автомобильных дорог Новосибирской области с усовершенствованным типом покрытия. Ровность покрытия определялась с помощью толчкомера ТХК-2 и универсального дорожного курвиметра УДК «Ровность». Коэффициент продольного сцепления колеса с покрытием определялся с помощью портативного прибора Кузнецова ППК-МАДИ.

Прочность дорожной одежды определялась с помощью прибора динамического нагружения «Дина-3М». Эти экспериментальные данные положены автором в основу разработки вероятностно-статистических методов оценки результатов измерений и методик их проведения.

Во второй главе раскрыты детерминированные методы оценки точности измерений параметров автомобильных дорог, предложены методы учета влияния стохастических факторов при определении геометрических и эксплуатационных параметров, вероятностный подход к определению геометрических параметров на кривых в плане, вероятностно-статистический подход к оценке ровности дорожного покрытия, проведен факторный эксперимент по определению зон обеспечения качества состояния автомобильных дорог.

Результаты исследований автомобильных дорог по геометрическим и эксплуатационным параметрам, полученные при паспортизации, позволили определить радиусы кривых в плане, ровность покрытия, коэффициент сцепления и модуль упругости дорожных одежд автомобильных дорог Новосибирской области (более 13 тыс. км), а также при диагностике опорной сети автомобильных дорог Новосибирской области в объеме 1,3 тыс. км, операционном контроле в процессе строительства и приемки в эксплуатацию Северного обхода г. Новосибирска, а также объектов реконструкции по автомобильным дорогам федерального значения М-51, М-52, М-53.

По результатам исследований выявлены отклонения фактических значений параметров от установленных нормативными документами в пределах от незначительных до неудовлетворяющих требованиям безопасности движения.

Действующие нормативные документы не учитывают динамику изменения этих параметров.

На рисунке 1 приведен пример детального обследования кривой в плане на автомобильной дороге с усовершенствованным типом покрытия К-02 «Чаны – Венгерово – Кыштовка» на участке с 39 по 40 км. Сущность детального обследования заключается в определении радиуса кривой в сечениях через определенный интервал в совокупности с фактическим значением уклона виража. Из рисунка видно, что радиус круговой кривой изменяется на протяжении всей кривой в пределах 30 % от среднего значения радиуса. При этом уклон виража также изменяется в пределах 20 %. При использовании традиционных подходов определения значения радиуса он составил 709 м, длина кривой 311 м, угол поворота 23,57°. Детальный анализ показал, что фактическое значение радиуса круговой кривой в плане в различных ее сечениях может локально изменяться от до 865 м при изменениях уклона виража. Данная информация при оценке геометрических параметров имеет принципиальный характер, так как позволяет повысить достоверность и качество оценки состояния кривых. Динамика изменения радиуса горизонтальной кривой в различных сечениях не соответствует динамике изменения уклона виража на отдельных участках кривой. Исследования кривых в плане по опорной сети автомобильных дорог Новосибирской области показали, что колебания значений радиусов и уклонов виража характерны практически для всех кривых, поэтому в диссертационной работе выполнен детальный анализ колебаний значений радиусов горизонтальных кривых и уклона виража.

Для оценки влияния колебаний значений радиуса кривой от среднего значения на протяжении всей кривой нами уточнена зависимость геометрических параметров на устойчивость автомобиля на дороге. Для расчета фактических значений суммарных сил, стремящихся сдвинуть автомобиль с дороги, выполнены исследования для характерных кривых с наличием отклонений от среднего радиуса.

На рисунке 2 приведены данные для одной из кривых в 10 сечениях, а также расчет силы, стремящейся сдвинуть автомобиль с дороги, для различных скоростей движения и коэффициент поперечной силы.

Участок: 39+200 – 39+700 Направление 709 0, Значение коэффициента поперечной силы µ Рисунок 2 – График изменения коэффициента поперечной силы Результаты исследований по характерным кривым для шести автомобильных дорог представлены в сводной таблице 1.

Таблица 1 – Значения коэффициентов поперечной силы при различных скоростях движения автомобилей и радиусов кривых в плане Средний Длина Максимальное Минимальное Максимальное Минимальное Максимальное Минимальное Rср, м кривой L, м коэффициента коэффициента коэффициента коэффициента коэффициента коэффициента поперечной силы поперечной силыпоперечной силы поперечной силы поперечной силыпоперечной силы Практически на всех кривых хотя бы в одном сечении расчетное значение коэффициента поперечной силы превышает значение, установленное при проектировании (0.10). При этом большая часть расчетных значений коэффициента превышает допуск незначительно, а в части сечений эти значения превышают допустимые в несколько раз. Таким образом, результаты исследований показывают, что для оценки состояния автомобильных дорог недостаточно знать только среднее значение радиуса круговой кривой и среднее значение уклона виража. Полученные данные побудили к определению максимальных и минимальных значений отклонений этих геометрических параметров от средних значений в каждом сечении, а также функции распределения отклонения фактического значения радиуса от среднего. Это позволяет учесть вероятность отклонения радиусов круговых кривых в плане на участке дороги и ввести ее в расчет сдвигающей силы, которая будет являться одним из критериев назначения мероприятий по безопасности движения, эксплуатационным работам и реконструкции (формула (1), рисунок 3).

где Y – суммарная сила, стремящаяся сдвинуть автомобиль с дороги, называемая поперечной силой, Н; m масса автомобиля, кг; g ускорение свободного падения, м/с2; P – вероятность того, что фактическое значение радиуса кривой в плане не превысит его проектного или установленного для эксплуатации значения; P* вероятность того, что фактическое значение радиуса кривой от проектного или установленного для эксплуатации значения отсутствует (отклонение равно нулю).

Если фактический радиус круговой кривой на участке автомобильной дороги больше проектного или установленного для эксплуатации значения, то в формуле