Определение коэффициента динамичности в зависимости от показателя ровности

Коэффициент динамичности

6.1.1 При движении транспортных средств касательные и вертикальные воздействия от колес на дорожную конструкцию имеют динамический характер и переменны по величине, направлению и статистическим показателям.

Динамическое воздействие транспортного средства на дорожную конструкцию становится значимым при движении по неровной поверхности дорожного покрытия, сопровождающемся ударами и колебаниями колес и кузова.

Коэффициент динамичности может быть определен по формуле:

,                                                            (6.1)

где К_{д i ( t )} – функция коэффициента динамичности от времени, p_i (t) – динами-ческая составляющая нагрузки i -й оси, g – ускорение свободного падения, M_i и m_i – подрессоренная и неподрессоренная массы транспортного средства.

Динамическая составляющая нагрузки определяется произведением вертикального ускорения на массу транспортного средства, распределенную на i –ю ось.

6.1.2 Нормативные межремонтные сроки службы дорожных покрытий устанавливают по моменту достижения ими предельно допускаемого эксплуатационного состояния, оцениваемого их ровностью. Эти значения связаны с безопасностью движения и проектным уровнем надежности дорожной конструкции в целом. Например, при уровне надежности 0,95 (автомобильная дорога I категории) накопленные неровности на дорожном покрытии по толчкомеру ТХК-2 на автомобиле УАЗ не должны быть больше 80–100 см/км, а при надежности 0,9 – не более 170 см/км (III категория). При превышении этих показателей дорожное покрытие подлежит ремонту.

На рисунке 6.1 показана типовая расчетная схема и аналитические зависимости для определения силы динамического воздействия колеса на поверхность дорожного покрытия при наличии на ней одной из часто встречаемых неровностей в виде впадины, выбоины или ямы.

На дорожных покрытиях могут быть неровности глубиной от 6 до 10 мм (в среднем 8 мм), СНиП 3.06.03-85 допускает их в количестве не более 10 %. Грузовое транспортное средство при весе заднего моста с колесами всего около 2–3 % от его общего веса с грузом при проезде на скорости 60 км/ч этой неровности шириной или диаметром 0,5 м воздействует на покрытие с максимальной динамической силой, превосходящей статическую нагрузку на эти колеса примерно в 1,5 раза (коэффициент динамичности K_д =1,45).

При неровностях большей глубины или высоты динамические нагрузки возрастают еще значительнее. Например, при движении по ровному покрытию коэффициент динамичности не выходит за пределы 1,15. На неровной проезжей части с повышением скорости до 80 км/ч этот коэффициент динамичности возрастает до 3.

6.1.3 Коэффициент динамичности зависит от загруженности транспортного средства: для грузовых транспортных средств при полной (номинальной) нагрузке он составляет от 1,4 до 1,8; для ненагруженного – от 2,0 до 2,4. Увеличение скорости движения сопровождается вначале быстрым ростом коэффициента динамичности, затем замедленным ростом. Для высоких скоростей его значение практически не изменяется. Коэффициент динамичности зависит от геометрии неровностей дорожного покрытия, квадрата скорости движения, механических свойств транспортного средства. В общем случае это функция времени – k _д (t)

Примечание – пример типового видаамплитудно-временной характеристики коэффициента динамичности приведен на рисунке 6.1.

	Kд, коэффициент динамичности

 

Рисунок 6.1 Амплитудно-временная характеристика коэффициента динамичности

6.1.4 С учетом результатов работ профессора Е.В.Угловой рекомендуется следующий порядок статистического анализа коэффициента динамичности [26].

1. При обработке числовых экспериментальных рядов исследуется непротиворечие закону нормального распределения:

     ,                                                       (6.2)

где x – значение случайной величины, μ – среднее значение, σ² – дисперсия. 

2. Для оценки достоверности этой гипотезы используются разные критерии и оценки, например, связанные с анализом симметрии. Коэффициент асимметрии определяется формулой:

               .                                            (6.3)

3. Оценивается отклонение формы экспериментальной кривой от нормальной, т.е. вычисляется коэффициент эксцесса:

         .                                                 (6.4)

4. Рекомендуется проводить анализ гистограмм распределения коэффициента динамичности по критериям «толстые и укороченные хвосты распределений» и «тонкие и длинные хвосты распределений».

Примечание –  такой анализ можно провести, например, на типовом примере гистограммы распределения коэффициента динамичности, полученной Е.В.Угловой (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 Гистограмма распределения коэффициента динамичности на участке Азов-Староминская км 45 при проезде автомобиля ВАЗ-21213 со скоростью 100 км/ч

 

5. На основе функции k _д (t) определяются характеристики коэффициента динамичности на участке автомобильной дороги.

Максимальный коэффициент динамичности:

                               ,                               (6.5)

- максимальное значение коэффициента динамичности на исследуемом участке автомобильной дороги. Время t ₁ соответствует началу, а t ₂ – концу прохождения участка.

Этот показатель характеризует максимальное воздействие транспорт-ного средства на автомобильную дорогу. В предположении о постоянстве скорости движения он может свидетельствовать о степени локальной неровности или поврежденности дорожного покрытия. Время, соответствующее значению , - момент проезда этой неровности.

Средний коэффициент динамичности рекомендуется определять следующим образом. Пусть τ – совокупность интервалов на отрезке [ t _1, t ₂ ], на которых коэффициент динамичности больше единицы. Тогда величина:

                                                                           (6.6)

может быть принята за оценку среднего коэффициента динамичности на участке автомобильной дороги.

Продолжительность динамических перегрузок рекомендуется определять с учетом того, что в отечественных нормативных документах в качестве предельного коэффициента динамичности принято значение 1,3. Превышение коэффициента динамичности значения этого значения можно расценивать как динамические перегрузки. Пусть τ_1,3 - совокупность интервалов на отрезке [ t _1, t ₂ ], на которых коэффициент динамичности больше 1,3. Тогда за меру динамической перегрузки можно принять:

                                                                      (6.7)

- доля времени, когда воздействие на дорогу больше нормативного.

Средний коэффициент динамических перегрузок определяется следующим образом:

                             .                               (6.8)

Этот коэффициент устанавливает средний коэффициент динамичности на участках перегрузки. При фиксированной скорости движения для одного и того же транспортного средства указанные величины характеризуют неровность рассматриваемого участка.

Степень изменчивости динамического воздействия транспортного средства при движении на дорожное покрытие по отношению к статическому воздействию выражается минимальным и максимальным коэффициентами динамичности:

минимальный К_дин = Р_мин/ Р_стат            ,  максимальный К_дин = Р_макс/ Р_стат, (6.9)

где P _мин, P _макс – минимальное и максимальное значение нагрузки колеса на дорожное покрытие при движении транспортного средства, P _стат – статическая нагрузка колеса на покрытие.

6. Для оценки динамического воздействия используются различные критерии. Наиболее распространённые из них можно разделить на 2 группы.

Первая группа коэффициентов (коэффициент динамической нагрузки DLC, динамический коэффициент транспортного средства (оси), совокупный коэффициент силы (DAFC) определяет отношение динамических усилий, возникающих при проезде транспортного средства к его статическому весу.

7. Ко второй группе (дорожный коэффициент напряжения F, совокупный критерий силы, коэффициент усталостного повреждения ESAL) можно отнести критерии, позволяющие оценить динамические перегрузки посредством определения размеров различных видов дорожных повреждений, вызванных проходом нагрузок.

При этом в качестве характеристики динамических нагрузок на колесо автомобиля за рубежом используется показатель DLC, представляющий собой отношение:

DLC = М/ N                            ,                                                (6.10)

где М - среднеквадратичное отклонение, N - статическое значение нагрузки на колесо.

Данный коэффициент отражает физический смысл коэффициента вариации.

При расчете нагрузки на дорожную конструкцию в отечественных нор-мативных документах коэффициент динамичности принимают равным 1,3.

8. При эксплуатации автомобильных дорогах динамическое воздействие транспортных средств выражено коэффициентом динамичности, значение которого больше нормативного, равного 1,3, и рассматривается как динамические перегрузки.

9. При проектировании жестких дорожных одежд в соответствии с ОДМ «Методические рекомендации по проектированию жестких дорожных одежд» коэффициент динамичности допускается принимать в зависимости от осевой массы автомобиля (таблица 6.1).

Таблица 6.1 Коэффициенты динамичности для расчета жестких дорожных одежд

Осевая масса автомобиля, т	2	4	6	8	10	12
Кдин	1,6	1,3	1,15	1,08	1,06	1,04

 

10. Исследования, проведенные профессором Смирновым А.В., позволили рекомендовать следующие коэффициенты динамичности для ровных вновь устраиваемых дорожных покрытий (таблица 7.1).

Таблица 6.1 Коэффициенты динамичности для ровных вновь устраиваемых покрытий

Скорость движения автомобиля, км/час	20	40	50	60	70	80	100	120
Максимальный коэф-фициент динамичности	1,1	1,3	1,4	1,55	1,62	1,7	1,75	1,8
Минимальный коэф-фициент динамичности	0,9	0,7	0,6	0,45	0,37	0,3	0,25	0,2

 

11. При расчете дорожных одежд профессор Радовский Б.С. предлагает учитывать коэффициент динамичности колесной нагрузки, имеющий следующие величины (таблица 6.2).

Таблица 6.2 Коэффициент динамичности колесной нагрузки

Скорость движения автомобиля, км/час	10	20	30	40	50	60	80	100
Коэффициент динамичности	1,12	1,21	1,28	1,34	1,38	1,41	1,45	1,47

Анализ таблиц 7.1 и 7.2 показывает, что при скорости движения автомобиля более 40 км/ч рекомендуется использовать значение коэффициента динамичности свыше 1,3.

6.2 Исследование вопросов технического нормирования коэффициента динамичности с учетом Федерального закона «О техническом регулировании». Определение вероятности появления неровностей на покрытии дорожной одежды по причине роста коэффициента динамичности (методика В.В.Столярова)

6.2.1 Вероятность (техническая составляющая оценки степени риска [18, 19]) появления неровностей на покрытии дорожной одежды по причине роста коэффициента динамичности определяется по формуле:

,                              (6.11)

где r – вероятность появления неровностей на покрытии дорожной одежды по причине роста коэффициента динамичности;  - критический (максимальный) коэффициент динамичности, при котором вероятность возникновения неровностей равна 50%; _ф – фактический коэффициент динамичности; – среднее квадратическое отклонение фактического коэффициента динамичности; - среднее квадратическое отклонение критического (максимального) коэффициента динамичности; Ф(U) – функция Лапласа (интеграл вероятности).

6.2.2 Показатели _ф, и определяют в результате статистических расчетов по достаточному числу замеров коэффициента динамичности.

Параметры и  устанавливают в зависимости от допустимой величины коэффициента динамичности () и коэффициента вариации фактического коэффициента динамичности ():

- при  ≠ 0,2

;    (6.12)

- при  =0,2 =2 .                 (6.13)

где  - допустимое значение коэффициента динамичности;   – среднее квадратическое отклонение допустимого коэффициента динамичности; - коэффициент вариации фактического коэффициента динамичности, определяемый по зависимости:

= .                                                                           (6.14)

Параметр определяют по формуле:

.                                                                         (6.15)

7.2.3 Пример применения методики В.В.Столярова применительно к двум характерным участкам автомобильной дороги II категории.

1. При расчете нагрузки на дорожную конструкцию в отечественных нормативных документах допустимый коэффициент динамичности () принимают равным 1,3.

2. Значение коэффициента вариации допустимого коэффициента динамичности принимается равным =0,05, характерным для строительства.

3. Устанавливаем среднее квадратическое отклонение допустимого коэффициента динамичности =0,05•1,3=0,065.

4. В результате статистической обработки исходных данных установлены фактические данные на двух участках автомобильной дороги (таблица 6.3).

Таблица 6.3 Данные на двух участках автомобильной дороги

№ участка	ф
I	0,985	0,19	0,193
II	1,019	0,27	0,262

5. Определим критический (максимальный) коэффициент динамичности:

для I участка:

=1,98;

для II участка:

=2,068.

6. Среднее квадратическое отклонение критического (максимального) коэффициента динамичности определяют по формуле:

для I участка:       ;

для II участка:              .

7. Определим вероятность дополнительного накопления неровностей на покрытии дорожной одежды по причине роста коэффициента динамичности:

для I участка:

.

для II участка: .

6.2.4 Обработка результатов. Вывод

Для автомобильной дороги II категории при уровне надежности 0,95 допустимая вероятность накопления неровностей равна 0,05. На I участке при фактическом коэффициенте динамичности равном 0,985 наблюдается только лишь 0,96 м² неровностей из 100 м², а на II участке при фактическом коэффициенте динамичности равном 1,019 уже наблюдается возникновение неровностей на 4 м² из 100 м².