Determination of the Residual Life of Rigid Road Pavements of Industrial Enterprises

Full Text

Проблеме долговечности конструкций линейных транспортных сооружений (ТС) и определению их остаточного ресурса в процессе эксплуатации посвящены работы ряда исследователей [1–8]. Во время эксплуатации автомобильная дорога промышленного предприятия подвергается воздействию как легковых автомобилей и груженых грузовиков, так и тяжеловесных транспортных средств общим весом свыше 70 т. Существующие методики определения остаточного ресурса конструкций дорожных одежд учитывают все эти показатели по отдельности, не аккумулируя влияние каждого из них друг на друга. Решение этой проблемы предложено в виде алгоритма расчета, представленного на рис. 1.

Рис. 1. Алгоритм определения остаточного ресурса дорожных одежд

Fig. 1. Algorithm for determining the residual life of road pavements

 

В первую очередь при расчете остаточного ресурса для участка автомобильной дороги определяется уровень надежности дорожной одежды P, рассчитываемый по формуле:

$P=\frac{1-F_p}{F_o}$,                                                                                                                      (1)

где F_p – площадь покрытия дорожной одежды, имеющая недопустимые деформации или разрушения на конец срока службы (эксплуатации); F_o – общая площадь дорожной одежды.

Рассмотрим определение остаточного ресурса дорожной одежды для конкретного участка автомобильной дороги промышленного предприятия:

$P=1-\frac{\mathrm{9254,5}}{11 261}=1-\mathrm{0,822}=\mathrm{0,178}$.

Значение 0,178 свидетельствует о неудовлетворительном состоянии покрытия проезжей части и необходимости определения дефектности покрытия.

Так как значение параметра P<0,75, определим дефектность покрытия автодороги. Оценку дефектности эксплуатируемой дорожной одежды определяют по формуле:

$K=1-\frac{\sum S_{di}*K_w}{S_p}$,                                                                                                           (2)

где S_di – площадь каждого вида дефекта покрытия на участке дороги, м²; К_w – коэффициент весомости; S_p – общая площадь покрытия на участке, м².

Площадь каждого вида дефекта покрытия на участке дороги S_di для линейных дефектов определяется по формуле:

$S_{di}=W*L_i$,                                                                                                                         (3)

где L_i – протяженность линейного дефекта покрытия на участке дороги, м; W – коэффициент приведения, который принимается для:

Коэффициент весомости (К_w) дефекта «частые трещины» для асфальтобетонных покрытий принят за единицу. По отношению к трещинам весомость остальных дефектов принимается:

Площадь каждого вида дефекта покрытия на участке дороги S_di для линейных дефектов:

S_di = 0,6 · 960 = 576;

S_di = 0,5 · 265 = 132,5;

S_di = 0,75 · 45 = 33,75.

Дефектность покрытия:

$K=1-\frac{(576+\mathrm{132,5}+\mathrm{33,75})}{11261}=\mathrm{0,934}$.

Средняя дефектность покрытия автодороги – 0,934, что говорит о снижении покрытием своих транспортно-эксплуатационных функций.

Дефектность покрытия как показатель учитывает влияние повреждений и интенсивности распространения отдельных дефектов (рис. 2–4) на общую долговечность дорожной одежды.

 

Рис. 2. Км 0+380. Множественные выбоины глубиной до 30 мм на поверхности покрытия. Сеть трещин с шириной раскрытия до 10 мм

Fig. 2. Kilometer 0+380. Multiple potholes up to 30 mm deep on the surface of the coating. Network of cracks with an opening width of up to 10 mm

 

Рис. 3. Км 0+650. Множественные трещины с шириной раскрытия свыше 20 мм на поверхности покрытия. Выкрашивание асфальтобетона. Выбоины глубиной до 30 мм

Fig. 3. Kilometer 0+650. Multiple cracks with an opening width of more than 20 mm on the surface of the coating. Chipping of asphalt concrete. Potholes up to 30 mm deep

 

Рис. 4. Км 0+930. Сеть трещин с шириной раскрытия до 15 мм на поверхности покрытия (большая площадь распространения)

Fig. 4. Kilometer 0+930. A network of cracks with an opening width of up to 15 mm on the surface of the coating (large area of distribution)

 

Таким образом, каждый вид повреждения и дефекта в большей или меньшей степени влияет на остаточный ресурс автодороги. Учет дефектности покрытия выражается в умножении полученного коэффициента на фактический модуль упругости дорожной одежды.

Для учета изменения ровности в процессе эксплуатации для определения значения суммарного коэффициента приведения транспортного средства к расчетной нагрузке следует применять следующую формулу [9]:

$S_{mсум}=b*\left(c_1^V\right)*\left(c_2^M\right)$,                                                                                                        (4)

где V – скорость транспортного средства, км/ч; M – общая масса транспортного средства, т; b, c₁, c₂ – эмпирически полученные коэффициенты, зависящие от IRI.

Таким образом, для рассматриваемого участка автомобильной дороги:

S_mсум,1=0,0094·1,0133⁴⁰·1,2519²=0,0249;

S_mсум,2=0,0037·1,0128⁴⁰·1,2649⁵=0,0199;

S_mсум,3=0,0186·1,0147⁴⁰·1,1404¹²=0,164;

S_mсум,4=0,0186·1,0147⁴⁰·1,1404²⁰=0,461.

Определим суммарную интенсивность приложения расчетной нагрузки на двенадцатый год эксплуатации автомобильной дороги, так как для исследуемого линейного сооружения срок службы – 12 лет:

$\sum N_{факт\mathrm{,12}}=(\mathrm{0,7}*N_p{T}_{рдг}{k}_n\frac{K_c}{q^{(T_{сл}-1)}})+(\mathrm{0,7}*S_{mсум,n}*T_{рдг}*n_{авт})$                                       (5)

$\begin{array}{l}\sum N_{факт\mathrm{,12}}=(\mathrm{0,7}*(\mathrm{216,446}*135)*\mathrm{1,31}*\mathrm{10,25})+\\ +(\mathrm{0,7}*\mathrm{0,0249}*135*8)+(\mathrm{0,7}*\mathrm{0,0199}*135*6)+\\ +(\mathrm{0,7}*\mathrm{0,164}*135*204)+(\mathrm{0,7}*\mathrm{0,461}*135*11)=\mathrm{278318,9}\end{array}$

где $\frac{K_c}{q^{(T_{сл}-1)}}=\frac{(q^{Tсл}-1)/(q-1)}{q^{(T_{сл}-1)}}=\frac{({\mathrm{1,03}}^{12}-1)/(\mathrm{1,03}-1)}{{\mathrm{1,03}}^{(12-1)}}=\mathrm{10,25}$.

Таким образом, учет продольной ровности покрытия (IRI) выражается в умножении фактического модуля упругости на коэффициент γ, полученный по формуле:

$\gamma =\frac{N_p}{N_{факт\mathrm{,12}}}=\frac{\mathrm{274718,028}}{\mathrm{278318,9}}=\mathrm{0,987}$.                                                                              (6)

Для учета снижения модуля упругости при снижении коэффициента уплотнения асфальтобетонных слоев покрытия воспользуемся выражением [10]:

$\frac{\mathrm{0,99}\left(\mathrm{0,98}\right)}{1}=\frac{{К}_{упл}^{факт}}{x}$,                                                                                                       (7)

где 0,99(0,98) – требуемый коэффициент уплотнения асфальтобетонных слоев покрытия для типов А,Б и В,Г соответственно; ${К}_{упл}^{факт}$ – фактическая величина коэффициента уплотнения, определяемая лабораторным путем; x – понижающий коэффициент, учитывающий снижение модуля упругости при недостаточном уплотнении смеси.

Для верхних слоев покрытия:

Проба 1

$\frac{\mathrm{0,98}}{1}=\frac{\mathrm{0,97}}{x=\mathrm{0,99}}$

Проба 2

$\frac{\mathrm{0,98}}{1}=\frac{\mathrm{0,98}}{x=1}$

Проба 3

$\frac{\mathrm{0,99}}{1}=\frac{1}{x=1}$

Для нижних слоев покрытия:

Проба 1

$\frac{\mathrm{0,98}}{1}=\frac{\mathrm{0,94}}{x=\mathrm{0,96}}$

Проба 2

$\frac{\mathrm{0,98}}{1}=\frac{\mathrm{0,98}}{x=1}$

Таким образом, в среднем понижающий коэффициент, учитывающий коэффициент уплотнения асфальтобетона, принимается равным 0,99.

Находим коэффициент запаса дорожной одежды по формуле:

$K_{з}=\underset{i=1}{\overset{n}{}}\left(x\gamma K_i{E}_i\right)/n{E}_{min}^{тр}$,                                                                                                  (8)

где x – коэффициент, учитывающий снижение коэффициента уплотнения в зависимости от нормативных показателей; γ – коэффициент, учитывающий продольную ровность покрытия (IRI); K_i;E_i – показатели дефектности и модуля упругости в конкретной точке измерения. Показатель K_i принимается 0,934. Модуль упругости, полученный в результате измерений непосредственно на автомобильной дороге, приведен в табл. 1.

 

Таблица 1. Фактический модуль упругости дорожной одежды

Table 1. Actual elastic modulus of pavement

Начало участка, км	Конец участка, км	Модуль упругости, МПа
		Фактический (измеренный)	Минимально допустимый
0	0,2	243	220
0,2	0,4	224	220
0,4	0,6	233	220
0,6	0,97	209,5	220

 

Найдем минимальный модуль упругости дорожной одежды по формуле [11–14]:

$E_{min}^{тр}=\mathrm{98,65}[lg{N}_{факт}-c]$,                                                                                                (9)

где N_факт – суммарное приложение расчетной нагрузки за срок службы дорожной одежды; c – эмпирический параметр, принимаемый равным для расчетной нагрузки на ось: 100 кН – 3,55; 110 кН – 3,25; 130 кН – 3,05; 115 кН – 3,2.

Так, для исследуемой автодороги согласно ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд»:

$E_{min}^{тр}=\mathrm{98,65}[\lg \left(\mathrm{274718,028}\right)-\mathrm{3,20}]=220 МПа$.

Определяем коэффициент запаса по прочности:

$\begin{array}{l}{K}_{з}=\underset{i=1}{\overset{n}{}}(\mathrm{0,99}*\mathrm{0,987}*\mathrm{0,934}*243)+\\ +(\mathrm{0,99}*\mathrm{0,987}*\mathrm{0,934}*224)+(\mathrm{0,99}*\mathrm{0,987}*\mathrm{0,934}*233)+\\ +(\mathrm{0,99}*\mathrm{0,987}*\mathrm{0,934}*\mathrm{209,5})/4*220=\mathrm{1,03}\end{array}$

Найдем коэффициент запаса для каждого участка автодороги отдельно и занесем данные в табл. 2.

 

Таблица 2. Фактический (расчетный) модуль упругости дорожной одежды

Table 2. Actual (calculated) modulus of elasticity of road pavement

Начало участка, км	Конец участка, км	Модуль упругости, МПа		Коэффициент запаса прочности
		Фактический (расчетный)	Минимально допустимый
0	0,2	222	220	1,01
0,2	0,4	204,5	220	0,93
0,4	0,6	213	220	0,97
0,6	0,97	191,5	220	0,87

 

Согласно методике СТО АВТОДОР 2.4-2013 «Оценка остаточного ресурса нежестких дорожных конструкций автомобильных дорог Государственной компании «Российские автомобильные дороги» определим фактический остаточный ресурс автомобильной дороги по графику, представленному на рис. 5.

 

Рис. 5. Зависимость остаточного ресурса от коэффициента прочности по СТО АВТОДОР 2.4–2013

Fig. 5. Dependence of residual life on the strength coefficient according to STO AVTODOR 2.4–2013

 

Таким образом, остаточный ресурс на всем протяжении автодороги менее 5%, что говорит о полном исчерпании автодорогой своего ресурса.

Согласно рис. 6, представленному в СТО АВТОДОР 2.4–2013, определяем предполагаемые требуемые мероприятия по осуществлению ремонтных работ или реконструкции автомобильной дороги.

 

Рис. 6. Алгоритм принятия проектных решений на стадии разработки проекта реконструкции с учетом остаточного ресурса дорожных конструкций по СТО АВТОДОР 2.4–2013

Fig. 6. Algorithm for making design decisions at the stage of developing a reconstruction project, taking into account the residual life of road structures according to STO AVTODOR 2.4–2013

 

Таким образом, с помощью представленной методики определен остаточный ресурс автомобильной дороги с жесткой дорожной одеждой промышленного предприятия с учетом наиболее значимых критериев, влияющих на долговечность материалов и конструкции в целом.

About the authors

B. A. Bondarev

Lipetsk State Technical University

Author for correspondence.
Email: lnsp-48@mail.ru

Doctor of Sciences (Engineering)

Russian Federation, 30, Moskovskaya St., Lipetsk, 398055

A. B. Bondarev

Lipetsk State Technical University

Email: lnsp-48@mail.ru

Candidate of Sciences

Russian Federation, 30, Moskovskaya St., Lipetsk, 398055

V. P. Yartsev

Tambov State Technical University

Email: jarcev21@rambler.ru

Doctor of Sciences (Engineering)

Russian Federation, 106/5, room 2, Sovetskaya St., Tambov, 392000

V. K. Zhidkov

Tambov State Technical University

Email: gidkov_vova_1999@mail.ru

Graduate Student

Russian Federation, 106/5, room 2, Sovetskaya St., Tambov, 392000

References

Supplementary files