Детальные обследования автомобильных дорог

Цель детальных (инструментальных) обследований – определить показатели прочности дорожной одежды в количественном выражении для использования их в качестве надежной информации для оценки эксплуатационного состояния дороги и выполнения инженерных расчетов при проектировании реконструкции.

Подготовительные работы для инструментальных обследований включают анализ результатов предварительного обследования дороги (в том числе отчеты по визуальной оценке прочности конструкции, дефектные и другие ведомости). На основе анализа показателей, полученных в процессе визуальных обследований, уточняют местоположение участков, требующих инструментальных измерений ровности, колейности, коэффициента сцепления и др.

Детальные обследованиярекомендуется начинать с участков с неудовлетворительным состоянием покрытия по ровности, поскольку данный вид дефекта более других характеризует прочность дорожных одежд. При этом различают два вида неровностей – продольную и поперечную (колейность). Наличие и местоположение таких участков легко установить в процессе предварительных (визуальных) обследований. Одновременно с измерением продольной ровности оценивают сцепные качества дорожного покрытия.

Полевые инструментальные измерения проводят в расчетный неблагоприятный по условиям увлажнения период года, когда грунт земляного полотна оттаял до глубины не более чем на 75 % глубины промерзания z_{пр .} Допускается проводить испытания в нерасчетный период года, но тогда результаты испытаний должны быть приведены к расчетному периоду.

Различают следующие виды детальных обследований:

- линейные испытания на всем протяжении каждого характерного участка с неудовлетворительной прочностью дорожной одежды;

- испытания на контрольных точках, намеченных в процессе визуальных обследований.

Линейные испытания начинают после того, как на контрольных точках будет видна тенденция снижения прочности дорожной одежды во времени (увеличение прогиба под нагрузкой). В процессе линейных испытаний наблюдения на контрольных точках должны продолжаться (не прекращают), так как одновременно оценивают состояние покрытия по степени его деформирования под нагрузкой.

 

3.3.1. Продольная ровность и сцепные качества

дорожного покрытия

Понятие продольной ровности

Продольная ровность проезжей части – один из наиболее важных показателей эксплуатационного качества дороги. Неровности оказывают отрицательное влияние на условия движения, они характеризуют взаимное воздействие транспортных средств и дорожного покрытия на колебания автомобиля и динамическую нагруженность дорожной конструкции. Наиболее активно неровности образуются в неблагоприятный период года на полосе наката, поскольку последняя испытывает многочисленное воздействие колес автотранспорта.

При движении автомобиля по неровной поверхности коэффициент сопротивления качению f увеличивается в соответствии с уравнением [19]

 

, (7)

 

где δ – показатель ровности по толчкомеру, см/км;

v – средняя скорость движения автомобиля, км/ч.

Результатом повышенного сопротивления качению на неровных покрытиях является значительное снижение скорости движения автомобилей.

Неровности вызывают вертикальные, продольные и поперечные колебания автомобиля, что существенно влияет не только на скорость, но и на безопасность и удобство движения.

По степени влияния на колебания подвески автомобиля неровности делятся на три группы: макронеровности, микронеровности и шероховатость (рис. 2 и 3).

 

 

трещины или раковины при выкрашивании

Рис. 2. Виды неровностей покрытия:

а - макронеровности; б - микронеровности

Макронеровности состоят из длинных плавных неровностей с длиной волны l не менее 100 м, которые достаточно равномерно распределяются вдоль дороги (рис.2, а). Они формируют макропрофиль дороги, влияют на скорость и режим движения, но не приводят к колебаниям автомобиля на подвеске.

Чаще всего макронеровности являются результатом попикетного (неграмотного) проектирования продольного профиля.

Микронеровности (рис.2, б)характеризуются длиной волны от 10 до 100 м. Такие неровности формируют микропрофиль проезжей части по полосе наката и вызывают значительные низкочастотные колебания автомобиля на подвеске, что крайне отрицательно влияет на функциональное состояние пассажиров и водителя, снижает его работоспособность.

 

 

Низкочастотные колебания количественно могут быть выражены следующими характеристиками:

- амплитудой колебаний (вертикальными перемещеними подрессоренной массы автомобиля), мм;

- частотой колебаний η, цикл/м;

- ускорением колебаний z, м/с²;

- суммарной амплитудой δ, см/км.

Все названные характеристики колебаний являются показателями ровности покрытия, но по ряду причин (удобству измерений и пр.) за показатель ровности принимают значение δ – суммы амплитуд колебаний подрессоренной массы автомобиля при проезде неровностей на участке длиной 1,0 км.

Основные виды разрушений покрытия в виде выбоин, просадок, проломов, других дефектов относятся к микронеровностям; последние образуются в результате несоответствия прочности конструкции расчетным нагрузкам, нарушении технологии строительства, применения малопрочных материалов в слоях одежды и пр. Неблагоприятные природно-климатические условия также способствуют увеличению размера неровностей и частоты их повторений.

Состояние покрытия по продольной ровности оценивают путем сравнения фактической ровности δ_ф с предельно допустимыми значениями δ_пр представленными в табл.8. Покрытие удовлетворяет требованиям по условиям эксплуатации если δ_ф≤ δ_пр.

Шероховатость – косвенный показатель сцепных качеств покрытия.

Критерием сцепных качеств покрытия является коэффициент сцепления φ_сц. Недостаточное сцепление шины колеса с дорожным покрытием – одна из главных причин дорожно-транспортных происшествий. Поэтому шероховатость поверхности дорожных покрытий – один из важнейших эксплуатационных показателей автомобильных дорог.

Шероховатость характеризуется равномерно чередующимися выступами скелетных частиц каменного материала (щебенок) и впадинами между ними а также собственной шероховатостью материала (зерен). Шероховатость которая создается скелетными частицами (или специально нарезанными бороздками на цементобетонных покрытиях) принято называть макрошероховатостью, а собственную шероховатость минеральных зерен микрошероховатостью. Сцепные качества покрытия обеспечиваются их совместным действием, но нормируется только макрошероховатость, которая и принимается за общую.

Таблица 8

Предельно допустимые показатели продольной ровности, см/км

 

Интен-сивность движения, авт/сут	Кате-гория дороги	Тип дорож-ной одежды	Предельно допустимые показатели продольной ровности, см/км	Допустимое количество просветов под 3-метровой рейкой, превышающих указанные в СНиП 3.06.03-85, %
по прибору ПКРС-2У	по толчкомеру ТХК-2, установленному на автомобиле
УАЗ- 2206	ГАЗ-31022 «газель»
Более 7000	I	Капитальный
3000-7000	ΙΙ
1000-3000	III	Капитальный
Облегченный
500-1000	IV	Облегченный
200-500	Переходный	-			-
До 200	V	Низший	-			-

Макрошероховатость покрытия характеризуется тремя основными параметрами (см.рис.3):

- средней высотой выступов R_z, мм;

- средней глубиной впадин Н_ср, мм;

- коэффициентом шага шероховатости .

Шероховатость покрытия не вызывает низкочастотных колебаний автомобиля на подвеске, так как их воздействие поглощают шины. Но увеличение макрошероховатости покрытия приводит к росту коэффициента сопротивления качению в среднем на 4 % на 1 мм высоты выступов на асфальтобетонных покрытиях и на 13 % на цементобетонных, что является одной из причин снижения скорости движения на неровных покрытиях.

Требуемые сцепные свойства дорог обеспечиваются путем устройства макрошероховатых покрытий; поверхность последних состоит из выступов и впадин (средняя высота выступов Rz > 0,5 мм).

 

Рис. 3. Макрошероховатость покрытий:

I-а - макрошероховатый слой до эксплуатации;

I-б - то же после эксплуатации;

II-а - шероховато-шипованная поверхность до эксплуатации;

II-б - то же после эксплуатации

 

Макрошероховатая поверхность дорожного покрытия представляет собой поверхностный каркасный слой из щебня смеси (или других каркасных частиц) толщиной, равной их максимальному размеру, пустоты в котором вровень с вершинами или частично закрыты заполняющим материалом, образуя соответственно дорожные покрытия с открытой или закрытой поверхностью.

К макрошероховатости как эксплуатационному показателю покрытия предъявляются противоречивые требования. С одной стороны, она должна быть по возможности меньшей, чтобы обеспечивалась наибольшая площадь контакта протектора шины с поверхностью покрытия. С другой стороны, дорожная поверхность должна быть достаточно грубой, чтобы обеспечить быстрый отвод воды из площадки контакта для предотвращения явления аквапланирования [20].

В зависимости от средней высоты выступов (R_z, мм) макрошероховатые поверхности подразделяются на [21]:

- на крупные при R_z свыше 6,0 до 9,0 мм;

- средние при R_z свыше 3,0 до 6,0 мм;

- мелкие при R_z свыше 0,5 до 3,0 мм.

По характеру текстуры, определяемой коэффициентом шага шероховатости Кш, поверхности подразделяют:

- на шероховатые при Кш от 0,1 до 0,3;

- шероховато-шипованные при Кш св. 0,3 до 0,5.

В процессе эксплуатации по мере истирания выступов текстура поверхности переходит из крупношероховатой в средне- и мелкошероховатую, из шероховато-шипованной в шероховатую и т.д.

При относительно небольшой высоте выступов (= 2,5-5 мм) неровности макрошероховатости фактически полностью внедряются в резину («чистое» внедрение); тогда сцепление обеспечивается за счет адгезионной и гистрезисной составляющих силы трения. Причем адгезионная составляющая значительно превышает гистерезисную вследствие относительно большой фактической площади контакта шины с покрытием (рис. 4).

Рис.4. Шероховатость и взаимодействие колеса автомобиля

с мокрым покрытием:

h_ст- толщина слоя воды, мм; h_вд - глубина вдавливания, мм;

h_акт - активная толщина слоя воды, мм; R_z- высота выступа, мм

 

При большой высоте неровностей R_z фактическая площадь контакта существенно уменьшается, т.к. неровности не вдавливаются в резину а колесо перекатывается по ним (рис.5). Тогда адгезионная составляющая сил трения уменьшается, а сцепление обеспечивается практически за счет деформации шины. На сухих чистых покрытиях суммарная сила трения (сцепление) достаточна для безопасного движения, даже если адгезия относительно мала. Но на мокрых грязных или заснеженных покрытиях, когда снег или грязь забивают впадины между выступами шероховатости и поверхность покрытия становится гладкой, ее сцепные качества не обеспечивают безопасности движения автомобилей.

Рис. 5 Влияние неровностей покрытия на контакт

автомобильных шин: а - мелкошероховатое покрытие;

б - крупношероховатое; в - микронеровности большого размера

Температура воздуха и скорость движения – факторы, влияющие на реализацию сцепных качеств покрытия. При высоких температурах снижается вязкость битума (асфальт «плавится»), что приводит к уменьшению сопротивления поверхности тормозной силе, а следовательно и коэффициента сцепления φ_сц. При высокой скорости площадь контакта колеса с покрытием уменьшается, что также приводит к уменьшению сил трения (сцепления).

Сцепные качества покрытия, выраженные коэффициентом сцепления φ_сц, нормируются ГОСТ Р 50097 согласно которому предельно допустимая величина φ_сц должна быть не менее 0,3 – при измерениях шиной без рисунка протектора и 0,4 – при измерении шиной, имеющей рисунок протектора.