автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Развитие теории и практики устройства шероховатых поверхностных обработок автомобильных дорог в Свердловской области

На правах рукописи

ии3473598

Сафонов Юрий Владимирович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ УСТРОЙСТВА ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ОБРАБОТОК АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность: 05.25.07 - исследования в области проектов и программ

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-доктор технических наук Дмитриев Владимир Николаевич Научный консультант-действительный член МААНОИ, доктор экономических наук Кошкаров Евгений Васильевич

Екатеринбург - 2009

003473598

Работа выполнена в Уральском межакадемическом союзе, СОГУ «Управление автомобильных дорог», Уральском филиале ФГУП «РОСДОРНИИ»

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор СМИРНОВ Геннадий Борисович

- кандидат технических наук, доцент ГРИНЕВИЧ Нина Андреевна

Защита состоится 3 июля 2009 г. в 15-00 на заседании Диссертационного Совета Д 098.07 PCO ММС 096 по адресу: 620077, г. Екатеринбург, ул. Володарского, 4.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в Уральском межакадемическом союзе по адресу: 620077, г. Екатеринбург, ул. Володарского, 4.

Диссертация в виде научного доклада разослана 29 мая 2009 г.

диссертационного совета, профессор, к. ф.-м. н.

Ученый секретарь

В. И. Рогович

У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Повышение уровня автомобилизации приводит к резкому увеличению нагрузок на дорожные покрытия. Основная часть существующей сети автомобильных дорог России проектировалась и строилась во второй половине прошлого столетия с расчетной нагрузкой на ось автомобиля 60 кН. На сегодняшний день данный показатель возрос до 115 кН. Ежегодно объем «недоремонта» существующей сети продолжает увеличиваться, несмотря на постоянное увеличение финансирования дорожной отрасли. До 60% от общей протяженности автомобильных дорог федерального значения требуют проведения ремонтных работ, более 50% дорог нуждаются в усилении дорожной одежды, около 30 % - в улучшении ровности покрытия, а на 40% необходимо выполнить работы по повышению коэффициента сцепления, поэтому важное значение в последнее время придается разработке ресурсосберегающих технологий ремонта автомобильных дорог, позволяющих увеличить межремонтный срок и обеспечить безопасность дорожного движения в межремонтные сроки за счет обеспечения стабильной шероховатости покрытий во времени и повышенной работоспособности покрытий в связи с постоянно увеличивающейся интенсивностью дорожного движения.

Объект исследования - автомобильные дороги общего пользования Свердловской области.

Предмет исследования - шероховатая поверхностная обработка, теория и практика ее устройства на автомобильных дорогах Свердловской области.

Цель работы - развитие теории и практики устройства шероховатой поверхностной обработки на основе применения тетраэдрального щебня.

Основные задачи.

1. Выполнить анализ состояния проблемы. Провести анализ исходных материалов, технологий и практического опыта в зарубежных странах и РФ.

2. Установить влияние формы щебня шероховатой поверхностной обработки на сцепление колеса с автомобильной дорогой.

3. Оценить влияние факторов на приживаемость шероховатой поверхностной обработки путем проведения многофакторного эксперимента в лабораторных условиях.

4. Разработать и внедрить методику лабораторного определения коэффициента приживаемости.

5. Оценить влияние приживаемости шероховатой поверхностной обработки путем устройства и мониторинга экспериментальных участков.

6. Разработать и внедрить в дорожном хозяйстве Свердловской области новую нормативно-техническую документацию.

7. Обосновать технико-экономическую эффективность предложенных решений.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель планирования многофакторной задачи, целью которой является определение факторов, определяющих приживаемость шероховатой поверхностной обработки.

3. Новый вид щебня - тетраэдральный по устройству шероховатых слоев износа автомобильных дорог.

4. Методика оценки технико-экономической эффективности применения нового вида щебня.

Научная новизна:

- выявлены закономерности изменения эксплуатационных свойств автомобильных дорог при устройстве шероховатой поверхностной обработки (долговечность), выраженные коэффициентом приживаемости щебня в зависимости от расхода и качества вяжущего (катионной битумно-полимерной эмульсии «Эмульдор») и расхода и грунолометрии (формы зерна) применяемого щебня;

- разработана методика определения коэффициента приживаемости на приборе Виалита с применением эмульсии;

- внедрен новый материал при ремонте автомобильных дорог Свердловской области - щебень тетраэдральной формы (патент на полезную модель РФ № 51033).

Достоверность полученных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации работы обоснованы с использованием современных методов научных исследований, подтверждены результатами статистической обработки экспериментальных данных, апробацией и внедрением результатов исследований в производство.

Эмпирической базой и информационной основой диссертации являются участки автомобильных дорог Екатеринбург - Полевской, Первоуральск - Битимка - Шаля, Новоуткинск - Коуровка - д.о.Шишимский, Ревда - Деггярск - Курганове, Нижний Тагил -Серов, Ревда - Мариинск - Краснояр, построенные на территории Свердловской области в период с 2001 по 2004 годы. Проведен анализ опубликованных материалов министерств и ведомств Российской Федерации, отраслевых научных организаций и информационных центров промышленности и транспорта, нормативно-технической базы (Госстандарт, Росстрой, Росавтодор, Информавтодор), научно-технических публикаций и периодических изданий, отчетов НИР ОАО СНПЦ Росдортех, Уральского филиала ФГУП «Росдорнии», методических разработок.

Комплекс выполненных исследований позволил сформировать новый научный подход к устройству шероховатой поверхностной обработки.

Практическая значимость заключается в развитии методологии применения в дорожном хозяйстве технологии синхронного распределения вяжущего и щебня, совершенствовании методов определения фактического расхода вяжущего и щебня, внедрении нового материала при устройстве шероховатой поверхностной обработки -щебня с тетраэдральной формой зерен.

На основе выполненных исследований разработана и внедрена в дорожном хозяйстве Свердловской области новая нормативно-техническая документация:

- территориальные методические рекомендации;

- методика лабораторных испытаний определения коэффициента приживаемости.

Научные положения и предложенные практические рекомендации использованы

СОГУ «Управление автомобильных дорог», ФГУ «Федеральное управление автомобильных дорог «Урал» Федерального дорожного агентства, подрядными и научными организациями при разработке инновационных дорожных проектов, опытно-экспериментальных работ и строительно-монтажных работ.

Методы исследования. Применен системный анализ экспериментальных лабораторных испытаний, теории планирования эксперимента, теории подобия и теории размерности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждены на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях: международной научно-технической конференции «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» г. Екатеринбург, 2006 год; межрегиональной конференции «Стратегия развития автодорожного хозяйства: эффективность, качество, инновации Уральский федеральный округ» г. Екатеринбург, 2007 год; международной научно-технической конференция «Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе» г. Пермь, 2005 год; семинара «Новые технологии проектирования и устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью» г. Владимир, 2006 год; на круглых столах в рамках выставки «Магистраль -2007» г. Нижний Тагил, 2007 год; на научно-технических советах СОГУ «Управление автомобильных дорог» и технических совещаниях ФГУ «Федеральное управление автомобильных дорога «Урал» Федерального дорожного агентства».

Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 научных работ.

Получен патент на полезную модель РФ № 51033 Дорожная одежда.

Личное участие автора заключается в непосредственном участии в подготовке методики лабораторных испытаний, мониторинге автомобильных дорог, планировании эксперимента, проведении лабораторных испытаний, устройстве и мониторинге опытно-экспериментальных участков, разработке территориальных методических рекомендаций, разработке методики лабораторных испытаний по определению коэффициента приживаемости. В рамках исполнения должностных обязанностей куратора ФГУ «Федеральное управление автомобильных дорога «Урал» Федерального дорожного агентства» при личном участии автора введено в эксплуатацию 38,886 км законченных ремонтом участков по устройству шероховатой поверхностной обработки на автомобильных дорогах общего пользования федерального значения 1Р 351 Екатеринбург - Тюмень, 1Р 242 Пермь - Екатеринбу рг.

Структура диссертации. Структура программ и проектов по теме диссертации, отражающая логику предложенной научной концепции развития систем ремонта автомобильных дорог, представлена на рис. 1.

Программа 1. Анализ и оценка проблематики устройства шероховатой поверхностной обработки (литературно-аналитический обзор)_

Проект 1.1

Проект 1.2

Проект 1.3

Программа 2. Теоретические основы исследования

Проект 2.1 Проект 2.2

Программа 3. Экспериментально-лабораторные исследован

Проект 3.1

Проект 3.2

Проект 3.3

Программа 4. Опытно-практические исследования в условиях эксплуатируемых автомобильных дорог

Проект 4.1

Проект 4.2

Проект 4.3

Программа 5. Технико-экономическое обоснование Проект 5.1 Проект 5.2

Проект 5.3

Рис. 1. Логическая структура диссертации Расшифровка проектов, рис. 1:

по программе 1: 1.1. Особенности выбора, характеристики и требования к материалам, применяемым при устройстве поверхностных обработок; 1.2. Анализ зарубежного опыта; 1.3. Анализ отечественного опыта.

по программе 2: 2.1. Прочностные расчеты поведения каменного материала в шероховатой поверхностной обработке; 2.2. Тормозные свойства.

по программе 3: 3.1. Планирование эксперимента; 3.2. Построение уравнения регрессии, выбор факторов; 3.3. Экспериментально - лабораторные исследования, по программе 4: 4.1. Мониторинг эксплуатируемых участков автомобильных дорог общего пользования регионального значения; 4.2.Устройство опытно-экспериментальных участков; 4.3. Расчет и построение диаграммы торможения автомобильного транспорта при экстренном торможении.

по программе 5: 5.1. Определение алгоритма выполнения технико-экономического обоснования; 5.2. Оценочный расчет эффективности тетраэдрального щебня; 5.3. Уточняющий технико-экономический расчет и разработка адекватной графической модели.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Программа 1. Анализ и оценка проблематики устройства шероховатой поверхностной обработки (литературно-аналитический обзор).

Проект 1.1. Особенности выбора, характеристики и требования к материалам, применяемым при устройстве поверхностных обработок.

По статистике до 40 % дорожно-транспортных происшествий из-за дорожных условий связано со скользкостью дорожного покрытия, поэтому обеспечение требуемого сцепления колеса с дорогой является важным фактором повышения безопасности движения.

Способам повышения шероховатости дорожных покрытий посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей: В.Ф. Бабкова, Н.В. Горелышева, В.И. Резванцева, Н.Ф. Хорошилова, Е.И. Попова, И.Н. Петухова, A.C. Москаленко, З.С. Бицкинашвили, В.А. Астрова, К.Я. Лобзовой, Д.Ф. Мура, Д.Р. Лемба, Д.В. Вуда.

Наиболее экономичными и распространенными методами строительства дорог с шероховатой поверхностью являются слои износа, устраиваемые по способу поверхностных обработок.

Для устройства шероховатой поверхностной обработки применяют следующие материалы: битум (модифицированный битум, вспененный битум), битумная эмульсия, щебень.

Однако шероховатая поверхностная обработка, устраиваемая на вязких битумах, имеет ряд существенных недостатков:

- невозможность достижения равномерного распределения вязкого битума в виде тонкого слоя;

- необходимость поддержания высокой температуры битума во время производства работ;

- необходимость применения обезвоженного минерального материала.

Этих недостатков, в основном, лишены поверхностные обработки на жидких битумах. Однако они также имеют ряд существенных недостатков:

- замедленное формирование слоя;

- испарение значительной части разжижителя в атмосферу, что оказывает негативное влияние на состояние окружающей среды;

- необходимость строгого соблюдения температурного режима для обеспечения безопасности работ;

- необходимость хранения разжиженных битумов в герметично закрытых емкостях в целях избежания испарения разжижителя.

Перечисленные недостатки исключаются при использовании технологии устройства поверхностной обработки с применением битумных эмульсий в качестве вяжущих. Физико-химические свойства битумных эмульсий достаточно полно представлены в технической литературе.

Важную роль в поверхностной обработке играет щебень. Щебень поверхностной обработки передает нагрузку от транспортного средства на покрытие, служит слоем износа и повышает сцепление между дорогой и колесом автомобиля. Щебень поверхностной обработки воспринимает и передает на нижележащие слои нагрузку от автомобилей, служит слоем износа и обеспечивает сцепление между дорогой и колесами автомобилей. Каждый наезд колеса на щебенку представляет собой удар вертикальной нагрузки длительностью 1/2000 сек. в течение всего срока службы, составляющего до 1015 лет.

Анализ зарубежной и отечественной научной литературы, нормативно-технической документации в дорожном хозяйстве, публикаций «Информавтодора» показал, что вопрос влияния формы щебня недостаточно изучен. Нет достаточно конкретного требования к геометрической форме щебня для шероховатой поверхностной обработки. Многие публикации говорят о необходимости применять щебень с определенной геометрической формой, но детальных исследований влияния формы щебня на долговечность шероховатой поверхностной обработки нет. Недостаточно изучен вопрос о расходе вяжущего, ряд нормативно - технических документов в России противоречат друг другу, и в целом идет различие в расходе вяжущего при сопоставлении нормативно-технических документов России и зарубежных стран.

Проект 1.2. Анализ зарубежного опыта.

Из современных технологий устройства шероховатых поверхностей автомобильных дорог в США следует отметить создание специальных равноотстоящих поперечных канавок на цементобетонном и асфальтобетонном покрытиях в результате фрезерования. Это производится на спусках-подъемах автомобильных дорог (например, из тоннелей), перед остановками и перекрестками для снижения скорости движения автомобиля. На многих автомобильных дорогах США (например, г. Вашингтон, округ Колумбия; шт. Мэн), шумовая поверхностная обработка устраивается фрезерованием в виде треугольных расширяющихся от краевой линии разметки сегментов размером до 100x300 мм и глубиной до 10 мм. Во Франции фирма Gailledrat Риге et Fils разработала технологию восстановления поверхности асфальтобетонных и цементобетонных покрытий с использованием дробеструйной обработки. Она заключается в обработке поверхности покрытия стальными шариками диаметром 1,0 и 1,4 мм, от ударов которых на размягченных участках асфальтобетонного или цементобетонного покрытия образуются выемки и на поверхность выступают заполнители, создавая макрошероховатость.

В Великобритании с целью повышения шероховатости цементобетонных покрытий проходит проверку новая технология ремонта «Addaqrip 1000», где со скоростью 305 м/с поверхность покрытия обрабатывается струей сжатого воздуха, нагретого до температуры 1000 С. При этом из покрытия полностью испаряется влага, выгорают органические примеси и выдуваются мелкодисперсные частицы из пор материала, в результате чего покрытие приобретает повышенные адгезионные и сцепные свойства.

В Австрии предложен способ усовершенствования поверхностной обработки строящихся или ремонтируемых цементо- или асфальтобетонных дорожных покрытий (патент № 405849). На поверхность покрытия наносят углубления механическим способом, создавая волнообразные или пилообразные мелкие неровности специальным оборудованием, обрабатывая стальными щетками или струями воды под высоким давлением.

В разработанном в ФРГ способе повышения шероховатости поверхности дорожных покрытий предложено использовать мощное лазерное излучение, направляемое под острым углом к поверхности покрытия и удаляющее с этой поверхности примерно миллиметровый слой битума, в результате чего происходит обнажение зерен каменного материала, что способствует повышению коэффициента сцепления.

Проект 1.3. Анализ отечественного опыта.

На сегодняшний день для устройства поверхностной обработки существуют следующие основные технологии на асфальтобетонном покрытии: - традиционная с раздельным распределением материалов; с синхронным распределением материалов.

Основной недостаток технологии устройства поверхностной обработки с раздельным распределением состоит в том, что любое нарушение в организации работ и задержка с распределением щебня приводят к тому, что распределенный битум может остыть и потерять свою подвижность и клеящую способность. В результате щебенки не будут равномерно покрыты битумом и приклеены к покрытию и одна к другой.

Опыт показывает, что до 80 % неудач и низкого качества поверхностной обработки, выполненной традиционными способами, объясняется недостатками связей в системе "битум - покрытие - щебень". В большинстве случаев одной из основных причин этого является интервал времени между распределением вяжущего и россыпью щебня.

Особенно велико влияние указанного фактора на Урале с его холодным климатом, где нередко приходится выполнять работы по поверхностной обработке при неблагоприятных погодных условиях, когда вяжущее быстро остывает, или в короткие периоды сухой и теплой погоды, когда нужно выполнить большие объемы работ. Кроме традиционной поверхностной обработки в России был предложен еще ряд различных технологий. Так Ростовским инженерно-строительным институтом (РИСИ) предложен способ устройства поверхностной обработки, согласно которому по существующему дорожному покрытию разливают вяжущий материал, например битум, с расходом 1,5-2,0 кг/м". По битуму распределяют рулонный материал, например, волокнистый геотекстильный полипропиленовый (ТУ 6-06-С-254-88) производственного объединения «Химволокно». Пневмокатком втапливают рулонный материал в битум до выступания его на поверхности рулонного материала. В результате получают поверхностную обработку, обладающую повышенной устойчивостью к высоким летним и низким зимним температурам, водостойкостью и износостойкостью.

Другой способ устройства поверхностной обработки дорожных покрытий, предложенный РИСИ, включает розлив вяжущего материала, распределение по нему одномерного щебня с шагом 25-30 мм и последующее уплотнение, причем дополнительно перед уплотнением распределяется песок сплошным слоем. На чистое сухое покрытие разливают слой битума расходом 1 л/м". Затем распределяют одномерный щебень специальным распределителем, работающим по принципу туковой сеялки. Расстояние между щебенками-шипами, определяющее микрошероховатость покрытий, составляет 25-30 мм. Сразу после россыпи щебня рассыпают песок и уплотняют слой пневмокатком. В результате на покрытии создается поверхность с прерывистыми выступами, обеспечивающими зацепление колес автомобиля.

Наибольшее распространение в России получила технология синхронного распределения вяжущего и щебня.

В 1999-2001 годах ФГУП СНПЦ «РОСДОРТЕХ» были разработаны и в 2001 г. утверждены Государственной службой дорожного хозяйства (Росавтодором) Министерства транспорта Российской Федерации «Методические рекомендации по устройству одиночной шероховатой поверхностной обработки техникой с синхронным распределением битума и щебня». СНПЦ «РОСДОРТЕХ» совместно с Французкой фирмой 5есша1г разработал российский аналог машины для синхронной распределения вяжущего и щебня Чипсилер-26.

Интервал времени при данной технологии между попаданием на поверхность покрытия вяжущего и каменного материала составляет не более 1 сек, что обеспечивает высокую степень сцепления каменного материала с вяжущим. При этом каменный материал на 2/3 по высоте погружается в вяжущее.

Технология синхронного распределения материалов при устройстве шероховатых поверхностных обработок на сегодняшний день самая эффективная (наименьшая стоимость работ, наибольшая производительность, более простой и управляемый технологический процесс). Эта технология наиболее подготовлена для широкого внедрения в дорожную практику.

Основным отличием новой технологии устройства поверхностной обработки является синхронное, практически одновременное распределение вяжущего и россыпь щебня.

При синхронном распределении вяжущего и щебня разрыв между этими операциями не превышает 1 сек., что существенно сказывается на повышении качества поверхностной обработки. Синхронное распределение решает все проблемы организации и координации работ, возникающие при асинхронном распределении, поскольку при каждой остановке в распределении щебня автоматически прекращается и распределение вяжущего. Существенно сокращаются простои из-за климатических условий и повышается производительность работ. Синхронное распределение выполняется с помощью машины «Чипсилер», представленном на рис. 2.

Однако недостаточно изучен вопрос влияния формы зерен щебня и расхода вяжущего на приживаемость поверхностной обработки в условиях Свердловской области. Программа 2. Теоретические основы исследований.

Проект 2.1. Прочностные расчеты поведения каменного материала в шероховатой поверхностной обработке.

Цель проекта - определение реакции щебня шероховатой поверхностной обработки на приложенную нагрузку колеса в статическом и динамическом состоянии.

Для этого рассмотрим строение покрытия шероховатой поверхностной обработки из гранул тетраэдрального щебня и оценим его прочностные характеристики.

Представим, с точки зрения законов сопротивления материалов, каждую отдельную щебенку как самостоятельный элемент с известными геометрическими размерами в виде классического тетраэдра.

Рассмотрим вертикальное положение гранулы с вершиной вниз. Определим величину силы давления на единицу площади «пятна контакта»

| Чипсилер-26

Рис. 2. Общий вид машины

К

Р

п.к. шах

Рис.3 Схема реакций

К,

где Ro - нагрузка на одиночную, наиболее нагруженную ось двухосного автомобиля согласно п. 4.2 СНиП 2.05.02-85, Ri - опорная реакция.

Psi - величина силы давления на единицу площади «пятна контакта», Sn к.ти - совокупная площадь опорных частей щебенок в «пятне контакта» Так как щебенка расположена вершиной вниз, следовательно, из условия равновесия Pi=Ro величина давления на 1 щебенку равна опорной реакции.

В «пятне контакта» возникает классический вариант продольного сжатия. В этом случае, применяя закон Гука, определим нормальное напряжение по границе контакта.

Ст] - нормальное напряжение по границе контакта; Бф - площадь граней.

Известно, что предельное напряжение при сжатии определяется, как

где Е - модуль упругости материала;

с - коэффициент Пуассона В идеальных условиях каждая гранула с соседними взаимодействует по наклонным граням, т.к. их вершины разнонаправлены (вверх и вниз). Контакт граней происходит по площади определенной формы - форма ромба, имеющего Ь-Ь ширину и Ь - высоту (рис. 3).

Зная, что щебенка - тетраэдр, имеет три наклонные гранулы, следовательно, площадь контакта между гранями определим, как

S^6ui=S2.2x3 = bhx3 = 3bh

Рис.4 Схема расположения шебня в слое ШПО

где S2.2- площадь контакта граней,

5шобш - площадь контакта между гранями.

По сечению I-I горизонтальная составляющая вертикальной реакции создает деформацию среза. Поэтому, следует проверить возможную величину касательного напряжения т в этом сечении.

Определив горизонтальную составляющую вертикальной реакции и площадь среза можно рассчитать максимальную величину касательных напряжений. Учитывая третью и четвертую теорию прочности изотропность и идентичность материала щебенок, можно допустить, что [ т ]=[ ст ]*(0,56-0,6), тогда

а)

б)

Р

Рис. 5

Из схемы б) рис. 5 определяем Р, х[соз(90- а)] ^ х эш а

I - 2 2

Р7! - горизонтальная составляющая вертикальной реакции

Исходя из третьей и четвертой теории прочности

^ = [г]=(0,56*0,6)И

adm

Tad,n - касательное напряжение

Рассматривая применительно к экспериментальному участку на автомобильной дороге Екатеринбург - Полевской и сравнивая radm с "Сщах (2000 Н/см2>29,68 Н/см2), определяем запас, который равен 67 крат.

Прочностные свойства материала, применяемого при устройстве шероховатой поверхностной обработки, в значительной мере обеспечивают его работоспособность в статике.

Особенностью работы шероховатой поверхностной обработки несомненной считается динамические условия. Даже с учетом максиматьно допустимого коэффициента динамичности Кд=2...2,5 для грузовых автомобилей, также

достаточны (по О-13 кратный запас, по т- 27 кратный запас).

Тетраэдральность гранул щебня, то есть их фигурность, несомненно связана с некоторыми геометрическими параметрами, в частности h-высота и b-ширина их граней. Можно с уверенностью предположить о связи прочностных характеристик с разбросом величин этих параметров полученного тетраэдрального щебня в период дробления на конусной дробилке.

Для дальнейших расчетов была выполнена выборка 120 щебенок и произведена их статическая обработка по высоте и ширине из полученных диаграмм вытекает нормальный закон распределения отклонений, представляющий экспоненциальную функцию (fix)).

В общем виде

где а - среднеквадратичное отклонение параметра, мм; X - среднеарифметическое значение параметра, мм;

Для Ь-высоты щебенок

а

1,36

Для b-ширины щебенок

(У-4Л9)2

d(y) = —л/2зге 2х2'212

Рис. 6. График распределения параметров ширины (Ь) и высоты (Ь) тетраэдрального щебня (вновь полученный)

Проведенные расчеты установили:

1. При продольном сжатии шероховатая поверхностная обработка имеет запас прочности а при статическом воздействии 33 - кратный запас, при динамическом воздействии - 13 - кратный запас.

2. По касательному напряжению т при статическом воздействии шероховатая поверхностная обработка имеет 67 кратный запас, при динамическом воздействии 27 кратный запас.

3. Установлено, что отклонение параметров ширины (Ь) и высоты (Ь) характеризуется нормальным законом распределения, а эти параметры являются основными характеристиками площадей, работающих на сжатие и срез. Мы можем с полной уверенностью говорить о нормальном законе распределения касательных т и нормальных о напряжений по всем щебенкам, находящимся в пятне контакта.

Проект 2.3. Тормозные свойства.

Тормозные свойства автомобильного транспорта имеют важное значение в эксплуатации, так как от них во многом зависит безопасность движения. Чем лучше тормозные свойства, тем выше безопасность движения.

Измерителями тормозных свойств автомобильного транспорта являются замедление при торможении jз (м/с2), время торможения 1тар (с), и тормозной путь 5тор (м). Наибольшее значение из указанных измерителей имеют замедление и тормозной путь.

Нагрузка на подвижной состав оказывает существенное влияние на его тормозные свойства. Поэтому в эксплуатации для проверки эффективности тормозных механизмов в качестве измерителей используют максимально допустимый тормозной путь и минимально допустимое замедление для автомобильного транспорта без нагрузки и с полной нагрузкой.

Остановочный путь выражен в диаграмме торможения (рис. 7).

5о=5д+5ТОр,

где Бд-дополнительный путь, м.

V,

+0,5?„ К | к,у2н

3,6 254(3,'

где у=0,2... 1,5 сек - время реакции водителя, зависящее от его возраста, квалификации, утомленности и т.д.; ц -время срабатывания тормозного привода от момента нажатия на тормозную педаль до начала действия

I тормозных механизмов, зависящее от конструкции

тормозного привода и его технического состояния (составляет 0,2 сек для гидравлического, 0,6 сек — для

пневматического, 1,0 сек — для автопоезда с пневмоприводом); Iу = 0,2...0,5 сек - время увеличения замедления от нуля до максимального значения; \н— начальная скорость, км/ч; ф, - коэффициент сцепления колеса с дорогой. Программа 3. Экспериментально-лабораторные исследования.

Проект 3.1. Планирование эксперимента. Большое количество экспериментальных задач в различных отраслях, в том числе и в дорожной отрасли, формулируется как задачи экстремальные: определение оптимальных условий процесса оптимального состава различных материалов. Выбор плана эксперимента определяется постановкой задачи исследования и особенностями объекта. Процесс исследования обычно разбивается на отдельные этапы. Информация, полученная после каждого этапа, определяет дальнейшую стратегию эксперимента. Таким образом, возникает возможность оптимального управления экспериментом. Планирование эксперимента позволяет варьировать одновременно все факторы и получать количественные оценки основных эффектов и эффектов взаимодействия. Интересующие эффекты определяются с меньшей ошибкой чем при традиционных методах исследования. В конечном счете, применение методов планирования значительно повышает эффективность эксперимента. Существуют различные методы поиска оптимального решения. Так, например, задача оптимизации методом крутого восхождения по поверхности отклика требует знания уравнения регрессии, описывающего изменения отклика объекта от значений влияющих на него факторов.

Обычно эксперимент, реализованный для определения оптимальных условий процесса, можно адекватно описать полиномом второго порядка. При этом число опытов в плане (К) должно быть не меньше числа определяемых коэффициентов в уравнении регрессии второго порядка для п факторов:

у=Ь0 -нЬрч +Ь2х2 +..ЬпХп +Ь12Х1Х2 +-+Ьп-1,пхп-1хп +4 Р^ +...+ЬШ1х2п.

Для описания поверхности отклика полиномами второго порядка независимые факторы в планах должны принимать не менее трех разных значений. Трехуровневый план, в котором реализованы все возможные комбинации из п факторов на трех уровнях, представляет собой полный факторный эксперимент 3".

Полный факторный эксперимент 3" требует слишком большого числа опытов, намного превышающего число определяемых коэффициентов Ь в уже для п>2. Сократить число опытов можно, если воспользоваться так называемыми композиционными или последовательными планами, предложенными Боксом и Уилсоном. Ядро таких планов составляет полнофакторный эксперимент (ПФЭ) 2" при п<5 или полуреплика от него при п>=5. Возможность использования в качестве ядра плана полуреплики при п>=5 обусловлена тем, что уже полуреплика обеспечивает получение несмешанных оценок для линейных эффектов и эффектов парного взаимодействия. На основании вышеизложенного для экспериментального исследования в лабораторных условий был принят ортогональный план второго порядка Бокса-Уилсона.

Проект 3.2. Планирование эксперимента.

С целью определения переменных для лабораторных исследований были проанализированы факторы, влияющие на качество (приживаемость) и срок службы поверхностной обработки: г\ - геометрический вид щебня; 22 - вид вяжущего; 23 - расход вяжущего; г 4 - расход щебня; г 5 - интенсивность движения; гь - агрессивность движения; гт-фракция щебня. 2в-генезис каменного материала.

1. Геометрический вид щебня. Щебень поверхностной обработки воспринимает и передает на нижележащие слои нагрузку от автомобилей, служит слоем износа и обеспечивает сцепление между дорогой и колесами автомобилей. Своими формами и размерами щебень формирует текстуру поверхности покрытия, от которой зависит сцепление колес автомобилей с дорогой. Согласно действующим требованиям для устройства поверхностной обработки используется щебень узких фракций (5-10; 10-15; 15-20 мм) I группы по лещадности. Оптимальное расположение зерен на покрытии,

которое будет обеспечено в случае, если площадь покрытия окажется равной суммарной опорной площади щебенок. Если опорная поверхность зерен имеет форму окружности, то между зернами неизбежно образование пустот. Практически осуществить распределение зерен с оптимальным перекрытием площади невозможно. Поэтому при устройстве одиночной поверхностной обработки неизбежна концентрация давлений, и как следствие, быстрое разрушение поверхностной обработки. Щебень тетраэдральной формы имеет основание более приближенное к форме правильного многоугольника, что в свою очередь уменьшит пустоты между щебенками и снизит концентрацию давления. На основании изложенного, геометрический вид щебня является важным фактором, влияющим на эксплуатационные свойства поверхностной обработки.

I С целью проведения дальнейших исследований и оценки практической

возможности получения тетраэдрального щебня было осуществлено опытно-экспериментальное дробление на дробильно-сортировочном комплексе (далее - ДСК) ООО «Предприятие Михайлов» (рис. 8), тип дробилки - конусная.

При опытном дроблении были смоделированы различные режимы работы ДСК в зависимости от загрузки конуса дробления. По результатом опытного дробления был определен режим (100% загрузка конуса, работа «под завалом»), при котором был получен щебень фракции 10-15 мм с содержанием зерен тетраэдральной формы 54%.

Рис. 8. Общий вид дробильно-сортировочного комплекса ООО «Предприятие Михайлов»

Рис.9 Рис. 10

Рис. 9. Щебень первой группы по лещадности Первоуральского рудоуправления фр. 10-15 мм по ГОСТ 8267-93.

Рис. 10. Тетраэдральный щебень Первоуральского рудоуправления фр. 10-15 мм (вновь полученный).

По результатам лабораторных исследований установлено, что щебень по зерновому составу соответствует п. 4.2 ГОСТ 8267-93 по содержанию зерен пластинчатой (лещадной) формы относится к первой группе по лещадности. Геометрический вид щебня (наличие зерен тетраэдральной формы) определялся методом визуальной разборки.

2. Вид вяжущего. Вяжущее формирует текстуру поверхностной обработки и обеспечивает приживаемость щебенок. На сегодняшний день имеется практический опыт по устройству поверхностной обработки с использованием битума (вязкий, жидкий,

вспененный), битумной эмульсии. Выбор вяжущего во многом определяется дорожно-климатической зоной и технологией устройства поверхностной обработки.

3. Расход вяжущего. Расход вяжущего яатяется важным фактором, т.к. он обеспечивает качественную приживаемость поверхностной обработки. Анализ зарубежной и отечественной нормативной литературы показал отклонение в части нормы расхода вяжущего. В нормах европейских стран расход эмульсии 1,7-2,0 кг/м" заложен для щебня узкой фракции 8-11 мм, а согласно требованиям нормативных документов в России подобный расход 1,8-2,0 л/м2 заложен для более широкой и крупной фракции 1015 мм. На наш взгляд, в Российской нормативной документации заложен заниженный расход вяжущего.

4. Интенсивность и агрессивность движения. Данный фактор влияет на выбор фракции используемого щебня, который регламентирован действующей нормативной документации.

5. Генезис каменного материала. Генезис каменного материала определяет физико-механические свойства используемого щебня. Основываясь на генезисе каменного материала действующая нормативная документация определяет требования, которым должен соответствовать каменный материал.

6. Расход щебня. Является важным фактором т.к. он определяет качество приживаемости поверхностной обработки и в конечном итоге влияет на ее эксплуатационные свойства. Недостаточный расход щебня вызовет прилипание вяжущего к колесам проходящего транспорта, что в свою очередь приведет к «растаскиванию» вяжущего, что негативно скажется на качестве поверхностной обработки. Перерасход вяжущего вызовет излишний расход каменного материала и необходимость подметания, а это экономические потери. Кроме того, избыточное дозирование щебня вызовет вылет щебня из под колес проходящего транспорта, что в свою очередь может спровоцировать ДТП в связи с разбитым лобовым стеклом.

Проект 3.3. Экспериментально-лабораторные исследования.

На основании анализа факторов были выбраны основные факторы, влияющие на эксплуатационные свойства поверхностной обработки: геометрический вид щебня, расход вяжущего, расход щебня.

Для анализа влияния и поведения каждого фактора была разработаны две матрицы многофакторного эксперимента ортогонального плана второго порядка Бокса-Уилсона для щебня I группы по лещадности по ГОСТ 8267-93 и щебня тетраэдральной формы.

Испытания проводились на основании методики лабораторных испытаний, разработанной автором. За основу был принят метод лабораторных испытаний на приборе Виалита, разработанный ОАО СНПЦ «Саратовский Росдортех». Исследования проводились на щебне Первоуральского РУ:

- щебень первой группы по лещадности (до 10% содержания зерен пластинчатой и лещадной формы);

-щебень тетраэдральной формы (не менее 50 % содержания по массе), полученный при экспериментальном дроблении на дробил ьно-сортировочном комплексе ООО «Предприятие Михайлов». Функцией отклика уг коэффициент приживаемости.

По результатам лабораторных исследований для двух видов щебня была определена функция отклика. Дальнейшие расчеты были произведены в программе Ехе1. По результатам расчетов было получены уравнения регрессии в безразмерном виде для тетраэдрального щебня:

у = 0,57 + 0,31x1 - 0,08x2 - 0,09x^2 + 0,06х2, - 0,18х2 2 ■

Для щебня I группы по лещадности: у = 0,40 + 0,21x1 -0,007x2 +0,10x1x2 + 0,07х2, -0,07х22

Уравнение регрессии в натуральном масштабе для тетраэдрального щебня примет

у = -0,98 + 0,30*! +1,62*2 - 0,17*1*2 + 0,06г2 1 - 0,57г2 2. Для щебня I группы по лещадности: у = 0,45 - 0,32г1 + 0,09г2 + 0,19x^2 + 0,07г2, - 0,19г2 2 Следовательно, коэффициент приживаемости для тетраэдрального щебня определяется:

кпр=-о,98+о,зодвяж+1,б2дщ-о,17двяждш+о,обд2мж-о,18д2щ - для щебня I группы по лещадности: К„р=0,45-0,32двяж+0,09дщ+0,19двяждщ+0,07д2вяж-0,19д2щ

Уравнение регрессии для тетраэдрального щебня адекватно экспериментальным данным с вероятностью Р>95%, а для щебня I группы по лещадности адекватно с вероятностью Р=0,93.

На основании уравнений регрессии были построены графики зависимости коэффициента приживаемости (у) от расхода вяжущего (гО и расхода щебня (г2).

Рис. 11. Зависимость коэффициента приживаемости (у) от расхода вяжущего (г]) и расхода тетраэдрального щебня (22) (вновь полученная)

Рис.12. Зависимость коэффициента приживаемости (у) от расхода вяжущего (г0 и расхода щебня I группы по лещадности () (вновь полученная)

Используя метод Ньютона, метод сопряженных градиентов в программе Ехе1 и анализ полученных графиков, определяем рациональные значения Ъ1 и Для тетраэдрального щебня рациональные значение 2[=2,9 л/м2; г2=0,9 м3/100 м2.

Для щебня первой группы по лещадности рациональные значение 2]=3,0 л/м2; г2=1,25 м3/100 м2

С целью определения качественного преимущества щебня проведен двухфакторный Р-тест для дисперсий по результатам дополнительных 9 опытов, проведенных при нулевых значениях X] х2.

Результаты расчетов и сравнений дисперсий представлены в таблице 1. Таблица! - Двухвыборочный Р-тест для дисперсии

Параметр Переменная 1 Переменная 2

Среднее 0,385206392 0,566416515

Дисперсия 0,023794119 0,002373424

Наблюдения 9 9

с1Г 8 8

Р 10,02522922

Р(Р<=0 одностороннее 0,001891071

Р критическое одностороннее 3,438103136

На основании того, что И>Р критического, дисперсии неравны, проводим дальнейшие расчеты для сравнения средних арифметических значений при двухвыборочном Ьтесте с различными дисперсиями:

Таблица 2

Переменная 1 Переменная 2

Среднее 0,385206392 0,566416515

Дисперсия 0,023794119 0.002373424

Наблюдения 9 9

Гипотетическая разность средних 0

(К 10

(-статистика -3,36064191

Р(Т<=1> одностороннее 0,003617249

1 критическое одностороннее 1,812461505

Р(Т<=П> двухстороннее 0,007234498

1 критическое двухстороннее 2,228139238

Данные таблицы 2 показывают, что с вероятностью Р>0,99 средние арифметические значения у в двух выборках различны, т.е. щебни по коэффициенту приживаемости отличаются между собой. Щебень тетраэдральной формы с вероятностью Р>0,99 долговечнее щебня I группы по лещадности в слоях шероховатой поверхностной обработки.

Проведенные лабораторные исследования установили: с вероятностью Р>0,95 было определено уравнение регрессии, определяющее зависимость коэффициента приживаемости тетраэдрального щебня от расхода вяжущего и щебня; с вероятностью Р=0,93 было определено уравнение регрессии, определяющее зависимость коэффициента приживаемости щебня I группы по лещадности от расходов вяжущего и щебня; по методу Ньютона и методу сопряженных градиентов, графическим анализом были определены рациональные значения Ъ\\\Ъ?. для тетраэдрального щебня Ъ\=2<) л/м2; 22=0,9 м'/100 м~; для щебня I группы по лещадности г,=3,0 л/м2; г2=1,25 м3/100 м2. Полученные результаты подтвердили предпосылки автора о заниженном расходе вяжущего в требованиях нормативно-технической документации России; по результатам статистических расчетов установлено, что исследованные щебни между собой качественно отличаются.

Программа 4. Опытно-практические исследования в условиях эксплуатируемых автомобильных дорог.

Проект 4.1. Мониторинг эксплуатируемых участков автомобильных дорог общего пользования регионального значения.

В рамках реализации договора НИР №77/05 был произведен мониторинг участков шероховатой поверхностной обработки на территории Свердловской области, устроенных в период с 2001 по 2004 годы. Общая протяженность обследованных участков составила 126 км.

Основными задачами мониторинга являлись: определение эксплуатационных свойств шероховатой поверхностной обработки (коэффициент сцепления, макрошероховатость, визуальная оценка дефектов); анализ дефектов.

При обследовании были выявлены следующие дефекты на участках автомобильных дорог:

- выкрашивание (автомобильная дорога Пермь - Екатеринбург-подъезд к оз. Песчаное км 0+000 -км 3+200);

- вычесывание (автомобильная дорога Первоуральск - Битимка - Шаля км 72+000 -км 85+000, Первоуральск - Битимка - Шаля- подъезд к с.Чусовое км 2+000 - км 3+000);

- выпотевание (Первоуральск - Битимка - Шаля - подъезд к с.Чусовое км 2+000 - км 3+000, Новоуткинск - Коуровка - д.о.Шишимский

км0+500-км 1+500, Ревда - Мариинск-Краснояр км 13+000, Ревда-Дегтярск-Курганово кмЮ+ООО-км 11+000;

- шелушение (автомобильная дорога Первоуральск - Битимка - Шаля км 78+000 - км 89+000, Первоуральск - Битимка - Шаля - подъезд к с.Чусовое км 2+000 - км 3+000,

Новоуткинск-Коуровка-д.о.Шишимский км 0+500-км 1+500, Нижний Тагил - Серов на участке км 19+500 (прямое направление).

Выкрашивание - отделение элементов мелкозернистого материала одного от другого происходит "пятнами" в более-менее значительных зонах.

Возможные причины: недостатки в подготовке покрытия; местные недодозировки вяжущего вследствие плохой подготовки основания (ямочный ремонт), создавшегося из-за стекания вяжущего в соседние зоны; неоднородность заполнителя по качеству, зернистости или чистоте; неуплотненные участки поверхности.

Вычесывание - отделение элементов мелкозернистого материала одного от другого происходит параллельными бороздками на краю дороги. Возможные причины:

- плохое распределение вяжущего на дороге из-за поврежденности распределительной рампы (забитые сопла форсунок, плохая регулировка распределения струй). Выпотевание - разрушения, происходящие, в основном, в теплое время, которые характеризуются появлением пятен, подтеков или полос вяжущего на поверхности вследствие либо фактического подъема вяжущего, либо поверхностного объеднения заполнителя.

Возможные причины выпотевания из-за подъема вяжущего: ошибки рецептуры;

теоретическое дозирование вяжущего слишком велико для зернистости или действительной формы материалов; теоретическое дозирование вяжущего плохо приспособлено к характеру или к состоянию основания, уровню движения транспорта; неоднородность заполнителей по качеству или зернистости; плохая подготовка основания. Выпотевание вследствие выброса - любой выброс приводит к обеднению заполнителем поверхности покрытия; этому обеднению соответствует относительная передозировка вяжущего.

Выпотевание, образующееся за счет вдавливания щебня в покрытие под действием транспорта. Это разрушение развивается, главным образом, на полосах движения тяжелых грузовиков. Погружение заполнителя в покрытие производит обеднение поверхностной обработки щебнем и подъемом вяжущего на поверхность.

Возможные причины: ошибки технологии, ошибки рецептуры, слишком мелкий размер щебня относительно жесткости покрытия и интенсивности движения. Вдавливание элементов заполнителя в покрытие может проявиться и в очень ограниченных зонах. Возможные причины:

- сильное изменение продольного профиля (крутые вертикальные кривые), вызывающее значительные динамические перегрузки покрытия под действием транспортного потока; -ограниченные изменения характера покрытия (заделанные траншеи, расширение по кромке, различные ремонтные работы).

Шелушение - отделение элементов мелкозернистого материала от вяжущего по полосе наката либо по всей ширине проезжей части.

Шелушение происходит в летний период и с первыми похолоданиями. В летний период оно происходит из-за высокой температуры окружающей среды, когда вяжущее слишком размягчается под воздействием температуры.

Шелушение с первым похолоданием. После кажущейся стабилизации покрытие начинает терять свой заполнитель систематическим образом.

Такое разрушение всегда усиливается в зимний период условий эксплуатации дороги (посыпка солью) и из-за особых условий движения (пневмошины с шипами). Оно соответствует периодам повышенной влажности или холодов.

Возможные причины: ошибки рецептуры; низкий расход вяжущего; ошибки в проведении работ; чрезмерное распределение щебня, препятствующее формированию мозаики.

Проведенный мониторинг определил необходимость выработки единой оценки изменения качества шероховатой поверхностной обработки во времени, которая бы

характеризовала приживаемость поверхностной обработки через определенный период времени. Необходимо разработать методику лабораторных испытаний по оценке приживаемости ШПО с использованием битумной эмульсии с целью прогнозирования эксплуатационной надежности и долговечности ШПО.

Проект 4.2. Устройство опытно-экспериментальных участков.

29 июля 2005 г. для определения влияния факторов, влияющих на эксплуатационные свойства поверхностной обработки, были созданы 2 экспериментальных участка на автомобильной дороге Екатеринбург - Полевской:

1. Щебень фр.10-15 мм Первоурапьского РУ 1 группы по лещадности Эмульсия ЭБПК-2 по ГОСТ Р 52128-2003.

2. Щебень фр.10-15 мм тетраэдральной формы Первоурапьского РУ. Эмульсия ЭБПК-2 по ГОСТ Р 52128-2003.

С определенной периодичностью осуществлялись выезды на данные участки для определения коэффициента сцепления макрошероховатости и коэффициента приживаемости.

Коэффициент приживаемости - это отношение оставшегося количества щебня на известной единице площади после п срока эксплуатации к «истинному» количеству щебенок на данной площади.

К„Р = |!-*100%,

где К„р - коэффициент приживаемости;

Z\ - оставшееся количество щебня на известной единице площади после п срока эксплуатации;

Zi - «истинное» количество щебенок определяется не ранее чем через две недели после окончательного формирования поверхностной обработки.

Мониторинг проводился в течение 1 года. В период мониторинга регистрировались следующие показатели: коэффициент сцепления; макрошероховатость; число щебенок на п площади. Результаты мониторинга представлены на рис. 13; 14; 15.

0.7 " ..........

0,6

10,4

! ¡°'3 ■ 10,2 0,1 -о

1 2 3 4 5 6 7 8

Выашы на участки

—•—Участок Nal (Щебень фр.10-15 мм Первоуральском РУ I гр по лещадности Эмульсия ЭБПК-2)

Участок Ns 2 (Щебень фр 10-15 мм тетраэдральной формы Первоурапьского РУ. Эмульсия ЭБПК-2 ) w Минимально допустимы коэффициент сцепления по ГОСТ Р 50597-93

—•— Минимально допустимый коэффициент сцепления согласно "Методические рекомендации по устройствудорожных покрытий с шероховатой поверхностью" утв Росавтодором для опасных условий движения

Рис. 13. Динамика изменения коэффициента сцепления на экспериментальных участках автомобильной дороги Екатеринбург - Полевской (вновь полученная)

1 2 3 4 5 6 7 8

Выезды на участки

■Участок № 1 (Щебень фр.10-15 мм Первоуральском РУ I гр. по лещадности. Эмульсия ЭБПК-2)

Участок № 2 (Щебень фр.10-15 мм тетраэдральной формы Первоуральского РУ. Эмульсия ЭБПК-2 )

Рис. 14 Динамика изменения макрошероховатости по методу «песчаное пятно» на экспериментальных участках автомобильной дороги Екатеринбург - Полевской (вновь

полученная)

Участок №1 (Щебень фр.10-15 мм Первоуральского РУ I гр. по лещадности. Эмульсия ЭБПК-2)

Участок № 2 (Щебень фр.10-15 мм тетраэдральной формы Первоуральского РУ. Эмульсия ЭБПК-2)

800 700 600 500 400 300 200 100 0

20.10.2005

03.11.2005 Выезды на участки

18.09.2006

Рис. 15 Динамика изменения количества щебня на п площади экспериментальных участках автомобильной дороги Екатеринбург-Полевской (вновь полученная)

Рис. 16. Участок автомобильной дороги Екатеринбург - Полевской через 1 год эксплуатации с применением традиционного щебня. Наблюдаются локальные разрушения верхнего слоя покрытия, присутствуют выбоины.

Рис. 17 Участок дороги через I год эксплуатации с применением тетраэдрального шебня. Текстура покрытия в целом однородная, наблюдается износ, но поверхностная обработка с применением тетраэдрального щебня обеспечила сохранность асфальтобетонного покрытия, выбоины отсутствуют, что повышает безопасность движения в отличие от участка с применением традиционного щебня (рис. 16).

Проект 4.3. Расчет и построение диаграммы торможения автомобильного транспорта при экстренном торможении.

По результатам проведенного мониторинга опытно-экспериментальных участков на автомобильной дороге Екатеринбург - Полевской и методики расчета остановочного пути Бо и времени торможения 1тор, изложенной в проекте 2.3, производим расчеты и строим диаграмму торможения.

По результатам мониторинга было установлено, что коэффициент сцепления ф через 1 год эксплуатации для участка с тетраэдральным щебнем составил 0,57, для участка с щебнем 1 группы по лещадности - 0,54.

На основании полученных данный в период мониторинга был произведен расчет замедления при торможении jз, определено время торможения и тормозной путь с учетом коэффициента эффективности торможения. Для участка шероховатой поверхностной обработки с тетраэдральным щебнем время торможения 1тор составило 6,02 сек., для участка шероховатой поверхностной обработки с щебнем ! группы по лещадности составило 6,34 сек. Остановочный путь 50 для участка с тетраэдральным щебнем составил 82,88 м, для участка с щебнем I группы по лещадности - 87,5 м. По результатам

проведенных расчетов была построена диаграмма торможения.

/М/Г

1- диаграмма торможения для участка ШПО с тетраэдральным щебнем 2 - диаграмма торможения для участка ШПО с щебнем I гр. по лещадности

Рис. 18. Диаграмма торможения (вновь полученная)

Из представленной диаграммы торможения видно, что на участке дороги с применением тетраэдрального щебня остановочный путь уменьшается на 4.62 м в сравнении с участком, на котором уложен щебень 1 группы по лещадности, что существенно повышает безопасность дорожного движения на данном участке. Нрогрямиа 5. Те.уннко-эконоянческое обоснование

Проект 5.1. Определение алгоритма выполнения технико-экономического обоснования.

Технико-экономический расчет (ТЭР) ожидаемой экономической эффективности применения улучшенного щебня тетраэдральной формы позволит оценить проектную экономическую эффективность (Эож.) инновационного мероприятия на стадии

обоснования инвестиций в строительство и ремонт автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями на существующей дорожной сети страны и при переводе низкокатегорийных лесовозных автодорог в дороги общего пользования.

В настоящее время тетраэдральный щебень при перестройке технологии оборудования и подборе состава сырья может производить любой ДСК подрядной дорожно-строительной организации. Принимаем, по опыту производственных работ на АБЗ в ООО «Предприятие Михайлова», что капитальных затрат при выпуске щебня тетраедральной формы не потребуется. Его стоимость совпадает со стоимостью щебня 1 группы по лещадности на дробильно-сортировочном комплексе АБЗ. Оценка технико-экономической эффективности внедрения новой техники, технологий и материалов в дорожном строительстве предусматривает последовательную оценку и уточнение технических и экономических показателей дорожных инноваций по этапам жизненного цикла инновационного проекта

А/Б AI В1 Аг вг A3 ВЗ A4 А5/В4

Рисунок 19 - Изменение жизненного цикла дорожных работ в модели: тетраэдральный щебень - ШПО (вновь полученный).

т - время эксплуатации автодороги за период жизненного цикла с использованием технологий:

- устройство поверхностной обработки с применением щебня 1 гр. по

лещадности (существующая);

-мм устройство поверхностной обработки с применением тетраэдрального щебня (новая технология);

- проведение капитального ремонта автомобильной дороги с устройством

ШПО с применением щебня 1 гр. по лещадности; ^в» проведение капитального ремонта автомобильной дороги с устройством поверхностной обработки с применением тетраэдрального щебня (по новой технологии ТЩ - ШПО). а к - критический износ (степень разрушения) покрытия, требующий выполнения ремонтных дорожных работ

Сущность оценки отраслевой эффективности дорожного инновационного мероприятия, планируемого к внедрению при строительстве и ремонте автомобильных дорог, сводится к обоснованию экономии бюджетных средств, выделяемых на строительство и ремонт по приведенным затратам за счет более долговечного и качественного конструктивного решения, используемого в проекте.

Критический анализ литературных данных по новым проектным решениям показал отсутствие в литературе данных по оценке экономических показателей технологий применения тетраэдральных щебней для устройства ШПО и, в целом, в дорожных работах. Поэтому принимаем за основу в алгоритме: стадия расчета I - оценка ожидаемой экономической эффективности (Эож), приведенная к 1-му км автодорожной сети (по опыту Свердловской области), на примере капитального ремонта и устройства ШПО на автомобильной дороге «Екатеринбург - Полевской» (III технической категории).

1. Технико-стоимостные параметры предлагаемого к внедрению тетраэдрального щебня определяем по аналогу стоимости устройства ШПО на щебне 1 группы по сметным

расчетам, выполненным в программе SMETA-RTS. Стоимость устройства ШПО механизмом Чипсиллер-26 из додробленного (улучшенного по форме зерна) щебня на АБЗ в г. Ревда составила 154580 руб./км с учетом всех затрат и накладных расходов согласно локальной сметы.

2. Результаты опытно-экспериментальных работ по устройству и мониторингу опытных участков с тетраэдральным щебнем в сопоставлении с ШПО по базовой технологии дали основание говорить о продлении долговечности поверхностной обработки и соответственно - межремонтного периода дорожной одежды, защищенной по технологии ТЩ-ШПО. Отмечена необходимость лишь точного соблюдения технологии устройства ШПО с синхронным распределением материалов и контроля качества тетраэдрального щебня, получаемого на ДСК АБЗ подрядной организации.

3. Ожидаемое увеличение долговечности конструкции дорожной одежды смоделировано по показателю улучшения межремонтных сроков эксплуатации, которые в начальном периоде оценки эффективности были приняты как - в 1,2-1,6 раза,согласно первых опытов замера прочности сцепления и разброса данных измерений. По этим данным в оценочных расчетах принят наиболее благоприятный прогнозный вариант (в 1,5 раза). При этом коэффициент долговечности, используемый в подобных ТЭР, составил аналогичное значение: к = 1,5.

Проект 5.2. Оценочный расчет эффективности тетраэдрального щебня

Изменение цикличности капитальных ремонтов дорожной одежды для условия к = 1,5 представлено простой схемой, без учета внутренней цикличности ШПО. Технико-экономический расчет выполнен на примере 10-км участка автомобильной дороги III технической категории дорожной сети Свердловской области. Продление межремонтного срока эксплуатации дорожного покрытия - в условиях отсутствия информации по данному материалу, принимаем коэффициент продления межремонтного срока эксплуатации дорожного покрытия по аналогу-к = 1,5 (для полимерасфальтобетонных). По результатам расчетов срок оку паемости инвестиционного мероприятия (Ток ) составил 2,25 ~ 2,3 года. Расчетный (предварительно оцененный) экономический эффект по участку автомобильной дороги Екатеринбург - Реж - Алапаевск, протяженностью (L) 10 км, в ценах 2006 г. Э2Ш' = L*30X2""6 = 10*100 = 1 млн. руб. Расчет условного годового экономического эффекта по объему ремонтируемых дорог по Свердловской области составит (для 200 км/год, выполняемых 2-мя машинами Чипсиллер-26) Эсо = Lco * 30*~"<"i = 200*100 = 20000 тыс.руб./год = 20 млн.руб./год, что сопоставимо с приобретением дополнительно 1 машины в год с пуско-наладкой и выбытием амортизируемого оборудования. Таким образом, по предварительным данным технология ожидалась как экономически эффективная.

Проект 5.3. Уточняющий технико-экономический расчет и разработка адекватной графической модели.

При расчетном жизненном цикле технической эксплуатации автомобильной дороги - 60 лет, за методику расчета примем определение параметров продолжительности циклов: Ai=12; А2=24;...А5=60 лет; Bi=15; Bi=30;...B4=60 лет; ai=4; а2=8... ai5=60 лет; bi=5; b2=10;...bn=60 лет. Увеличение межремонтного срока дорожных работ определено по графической модели цикличности проведения основных видов дорожных работ по сохранению транспортно-эксплуатационного состояния автомобильной дороги (рис. 19) - с 12 до 15 лет. Интегральный коэффициент продления межремонтного срока автомобильных дорог Кэ (как показатель суммарной эффективности применения новой технологии по сравнению с базовой) составит 1,25. Найден из условий приживаемости щебней - К„р., лсш=0,27; К„р. ^=0,34; К,=0,34:0,27=1,25.

Иными словами, в 1,25 раза сохранность асфальтобетонной поверхности с ШПО для автодороги с ШПО из щебня тетраэдральной формы выше, чем с ШПО из щебня I гр. по лещадности. Отсюда, находим суммарный межремонтный срок в соответствии с нормативно-техническими документами. По постановлению Правительства РФ,

принимаем 4 года для ремонтных работ и 12 лет для капитального ремонта, как нормативный межремонтный срок. Полученный межремонтный период для ТЩ-ШПО составляет 4*1,25 = 5 лет. В соответствии со сметным расчетом сумма затрат на устройство 1 км ШПО и ТЩ - ШПО составит равную величину - 154580 руб.; сумма затрат на капитальный ремонт 1 км асфальтобетонного покрытия, сопоставимого по толщине и модулю упругости для опытного участка автомобильной дороги Екатеринбург-Полевской, составит 16084068 руб.

В итоге, сумма общих затрат на ремонт и восстановление ШПО за жизненный цикл в 60 лет на данном 1 -км участке автомобильной дороги составит:

- при использовании щебня 1 гр. по лещадности (базовая технология ШПО): 15*154580+5*16084068=82739,040 тыс. руб.

- при использовании тетраэдрального щебня (новая технология ТЩ-ШПО): 12*154580+4*16084068=66191,232 тыс. руб.

Ожидаемая экономия бюджетных средств, выделяемых по нормативам, на ремонт данного участка за 60 лет (в ценах 2007 года), составит: 82739,040-66191,232=16198,808 тыс. руб. Годовой экономический эффект (Эож.) на 1 км автомобильной дороги, соответственно, составит Эож. = 16198,808/60 =269,980 тыс. руб./км.

Заключение

1. На основе анализа результатов мониторинга определены факторы, влияющие на приживаемость поверхностной обработки: расход вяжущего, расход щебня, форма щебня.

2. Предложен вариант работы дробильно-сортировачного комплекса по получению зерна тетраэдрального щебня.

3. На основе результатов лабораторных исследований получено уравнение регрессии с вероятностью Р>0,95, устанавливающее зависимость коэффициента приживаемости тетраэдрального щебня от расхода вяжущего и щебня.

4. По методу Ньютона, метода сопряженных градиентов и графического анализа определены рациональные значения расхода вяжущего и расхода тетраэдрального щебня для условий Свердловской области.

5. По результатам статистических расчетов коэффициентов приживаемости установлено, что тетраэдральный щебень с вероятностью Р>0,99 долговечнее щебня I группы по лещадности в слоях шероховатой поверхностной обработки на территории Свердловской области в 1,25 раза.

6. На основе данных мониторинга опытно-экспериментального участка установлено, что на участке дороги с применением тетраэдрального щебня остановочный путь сокращается на 4,62 м по сравнению с участком с применением щебня I группы по лещадности.

7. Ожидаемый годовой экономический эффект на 1 км автомобильной дороги составит 269,980 тыс. руб./км.

8. Тетраэдральный щебень защищен патентом на полезную модель. Патент РФ № 51033,2005.

Научные труды и изобретения

1. Сафонов Ю.В. Дорожная одежда (полезная модель). Патент РФ № 51033, 2005 (соавторы - Дмитриев В.Н., Булдаков С.И., Кошкаров Е.В., Тишкина Л.Н.).

2. Сафонов Ю.В. Рифы лабораторного контроля // Автомобильные дороги № 7 (908) М.:-2007 с. 75.

3. Сафонов Ю.В. Материалы для строительства: от прошлого к будущему // Дороги и мосты № 6 М.: - 2007 с. 26-28.

4. Сафонов Ю.В. Мониторинг опытных участков слоев износа автомобильных дорог, построенных с применением различных технологий: «Чип-Сил», «Сларри-Сил»,

ЩМА, ПБВ, БМО, холодная регенерация покрытий (рук.) / Отчет о НИР: СОГУ «Управление автомобильных дорог» - ФГУП «РосдорНИИ». - Екатеринбург, 2005. - 202 с. (соавторы Дмитриев В.Н., Телюфанова О.П., Булдаков С.И., Аверков А.Н. и др.);

5. Сафонов Ю.В. Развитие технологии устройства шероховатых поверхностных обработок на автомобильных дорогах в Свердловской области / Деп. «Информавтодор», № 291-АД. - 10 с. - М.: Инф. сб. «Новости в дорожном деле», 2006. - №б. (соавторы -Дмитриев В.Н., Булдаков С.И., Кошкаров Е.В. и Тишкина Л.Н.);

6. Сафонов Ю.В. Территориальные методические рекомендации по устройству шероховатых слоев износа автомобильных дорог / Деп. «Информавтодор», № 292-АД. - 41 с. - М.: Инф. сб. «Новости в дорожном деле», 2006. - №6. (соавторы - Дмитриев В.Н., Тишкина Л.Н., Моор Е.В., и Кошкаров Е.В.);

7. Сафонов Ю.В. Разработка территориальных дорожных норм на производство катионной битумной эмульсии «ЭМУЛЬДОР» и технологию устройства слоя износа из литой эмульсионно-минеральной смеси по типу «Сларри-Сил» на автодорогах Свердловской области (рук.) / Отчет о НИР: Министерство промышленности, энергетики и науки Свердловской области - Уральский филиал ФГУП «РосдорНИИ». -Екатеринбург, 2006. - 80 с. (соавторы - Дмитриев В.Н., Телюфанова О.П., Кошкаров Е.В., Черкасова Е.В., и др.);

8. Сафонов Ю.В. Новые технологии и материалы - основа долговечности автомобильных дорог // «Урал промышленный - Урал полярный»: сб. научных тр. VI международной научно-технической конференции. - Екатеринбург: УГЛТУ. - 2007 - 45 с. (соавторы - Дмитриев В.Н., Кошкаров Е.В.,);

9. Сафонов Ю.В. Современные методы устройства поверхностной обработки на автомобильных дорогах // Автомобильные дороги и лесотранспорт: Межвузовский сборник трудов / Под редакцией Ю.Д. Силукова; УГЛТУ - Екатеринбург, 2005. 165 с.

10. Сафонов Ю.В. Вяжущие материалы для устройства поверхностной обработки // Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса: Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции / УГЛТУ - Екатеринбург, 2005. 340 с.

11. Сафонов Ю.В. Устройство шероховатой поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и щебня. // Тезисы докладов II Межрегиональной конференции «Стратегия развития автодорожного хозяйства: эффективность, качество, инновации. Уральский федеральный округ». ООО «Автострада» - Екатеринбург, 2007. 85 с. (соавторы Дмитриев В.Н., Булдаков С.И.)