автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование методов и средств оценки технического состояния автомобильных дорог по геометрическим и эксплуатационным параметрам

На правах рукописи

БАРСУК Марина Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ПО ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ ПАРАМЕТРАМ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (технические науки)

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2013

005542074

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

Научный руководитель: Верескун Владимир Дмитриевич

доктор технических наук, доцент.

Официальные оппоненты: Боброва Татьяна Викторовна

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

Николенко Денис Александрович

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный

строительный университет»,

доцент кафедры «Автомобильные дороги».

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Дорожный

проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Иркутскгипродорнии».

Защита состоится «12» декабря 2013 г. в 9.00 на заседании объединенного диссертационного совета ДМ218.012.01 в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 224 (зал заседаний диссертационных советов); e-mail: lvs@stu.ru, тел. (383) 328-04-02, факс (383) 226-79-78.

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

Автореферат разослан «11» ноября 2013 г.

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

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Соловьев Леонид Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время транспортно-эксплуатационное состояние значительной части автомобильных дорог не отвечает нормативным требованиям. Несоблюдение межремонтных сроков привело к высокой степени износа, следствием чего является недостаточная прочность дорожного покрытия и несоответствие параметров дорог интенсивности и безопасности движения. Целевыми программами развития автомобильных дорог регионов на 2012-2014 гг. предусмотрены значительные объемы ремонта, восстановления дорожных сетей в муниципальных районах и повышение удельного веса дорог с твердым покрытием. Качество выполнения этих работ зависит от применяемых инновационных технологий, материалов, современных машин и механизмов, информационно-аналитических методов и средств измерения геометрических и эксплуатационных параметров на всех стадиях реализации проекта. Существующая система их определения базируется на измерениях средних значений, в частности радиусов кривых без учета их вариаций. В ряде случаев это приводит к превышению допустимых значений центробежного ускорения автомобиля, повышенным динамическим нагрузкам, и в конечном итоге - к снижению безопасности дорожного движения.

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

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

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

Определение и прогнозирование транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог исследовались О.В. Андреевым, Д.А. Скоробогатченко, А.Д. Соловчуком. В.К. Апестиным разрабатывались методы оптимизации межремонтных

сроков службы дорожных одежд и покрытий. Теоретические проблемы реконструкции автомобильных дорог, переустройства земляного полотна и дорожных одежд изучались В.М. Могилевичем, В.К. Некрасовым. Большой вклад в совершенствование методов проектирования, проектно-ориентированного управления производством работ, исследование дорожных условий, повышение транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог, эксплуатацию, безопасность движения внесли: В.Ф. Бабков, Т.В. Боброва, А.П. Васильев, O.A. Красиков, В.В. Сильянов, A.M. Стрижевский, Ю.М. Яковлев. Оценкой неровностей аэродромных покрытий по средним значениям и среднеквадратическим отклонениям занимались Ю.Д. Роев и Н.Е. Кузовихин. В.В. Столяровым развито научное направление оценки рисков движения автомобилей от качества автомобильных дорог. Проблемам разработки технических средств и способов оценки прочности, ровности и сцепления дорожных покрытий посвящены работы Ю.В. Кузнецова. Значительный вклад в развитие методов диагностики и оценки транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог внес В.К. Пашкин.

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

В последние годы развивались методы автоматизации измерения и обработки геометрических параметров автомобильных дорог. Среди авторов - Т.М. Александриди, Ю.Ю. Исаев. Использованию ГИС-технологий в жизненном цикле автомобильных дорог посвящены работы В.Н. Бойкова. В.В. Щербаковым разработана методология определения геометрических параметров автомобильных дорог на основе координатного способа с использованием систем спутниковой навигации. Настоящая работа посвящена решению отдельных задач в рамках этой проблемы.

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

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

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

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

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

Объектом исследования является транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог.

Предмет исследования - методы и методики определения технико-эксплуатационного качества автомобильных дорог.

Научная новизна работы состоит в следующем:

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

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

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

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

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

Теоретическая и практическая значимость. Выполненное исследование

вносит научный вклад в теорию эксплуатации автомобильных дорог, расширяет знания в области методов и технических средств определения геометрических и эксплуатационных параметров, повышает полноту и достоверность оценки технико-эксплуатационного состояния автомобильных дорог.

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

Методология и методы исследования. Методологической основой исследования явились системный подход к оценке технического состояния автомобильных дорог, теория надежности к оценке эффективности аппаратно-программных комплексов измерений параметров, теория ошибок к достоверности, теория вероятностей и математическая статистика к обработке результатов измерений, математические методы моделирования и сравнительного анализа к оценке степени соответствия геометрических параметров проектным и нормативным значениям. Информационными источниками исследований явились инструкции и нормативные документы (ГОСТ 30413-96, ГОСТ 30412-96, ГОСТ Р 52398-2005, ГОСТ Р 52399-2005, ГОСТ Р 50597-93, СНиП 2.05.02-85, СНиП 3.06.03-85, ВСН 1889, ВСН 24-88, ВСН 1-83, ВСН 25-86, ОДН 218.0.006-2002 и др.) по определению параметров автомобильных дорог.

Положения, выносимые на защиту:

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

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

3) методика определения геометрических параметров автомобильных дорог на основе координатного способа с использованием спутниковой навигации с учетом стохастического характера значений радиуса кривых в плане, коэффициента

сцепления, ровности покрытия и модуля упругости дорожной одежды.

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

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

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

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

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:

- Международном геодезическом конгрессе «ПЮ-Сибирь-2006», г. Новосибирск, 24-28 апреля 2006 г.;

- научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века», г. Новосибирск, 26-27 октября 2006 г.;

- научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века», г. Новосибирск, 29 октября-2 ноября 2007 г.;

- Международном геодезическом конгрессе «ГЕО-Сибирь-2008», г. Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.;

- Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании -2011», г. Одесса, 20-27 декабря 2011 г.;

- Международной научно-практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе», посвященной 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения, г. Новосибирск, 29-30 ноября 2012 г.;

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

Личный вклад автора заключается в разработке методов определения геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог; обработке статистических данных и выявлении вероятностной закономерности влияния случайных колебаний значений радиусов кривых в плане и уклонов виража от их

средних значений на суммарную силу, стремящуюся сдвинуть автомобиль с дороги (поперечную силу); установлении зон обеспечения качества состояния автомобильных дорог по ровности покрытия, модулю упругости дорожных одежд, коэффициенту сцепления, а также зон их совместного влияния на безопасность дорожного движения; оценке надежности аппаратно-программных комплексов на основе спутниковой навигации, а также внедрении разработанной методики в производственные организации.

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 125 наименования, и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 163 страницы печатного текста. Работа содержит 60 рисунков и 32 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

Наибольшее влияние на устойчивость автомобиля на дороге и безопасность движения оказывают изменения радиусов кривых в плане, ровность покрытия,

коэффициент сцепления шины с покрытием и прочность дорожной одежды.

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

С целью разработки таких методов, методик, а также аппаратно-программных комплексов на основе спутниковой навигации лабораторией «Диагностика дорожных одежд и земляного полотна» СГУПСа выполнены экспериментальные исследования на сети региональных и межмуниципальных автомобильных дорог Новосибирской области с усовершенствованным типом покрытия. Ровность покрытия определялась с помощью толчкомера ТХК-2 и универсального дорожного курвиметра УДК «Ровность». Коэффициент продольного сцепления колеса с покрытием определялся с помощью портативного прибора Кузнецова ППК-МАДИ. Прочность дорожной одежды определялась с помощью прибора динамического нагружения «Дина-ЗМ». Эти экспериментальные данные положены автором в основу разработки вероятностно-статистических методов оценки результатов измерений и методик их проведения.

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

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

объектов реконструкции по автомобильным дорогам федерального значения М-51, М-52, М-53.

По результатам исследований выявлены отклонения фактических значений параметров от установленных нормативными документами в пределах от незначительных до неудовлетворяющих требованиям безопасности движения. Действующие нормативные документы не учитывают динамику изменения этих параметров.

На рисунке 1 приведен пример детального обследования кривой в плане на автомобильной дороге с усовершенствованным типом покрытия К-02 «Чаны -Венгерово - Кыштовка» на участке с 39 по 40 км. Сущность детального обследования заключается в определении радиуса кривой в сечениях через определенный интервал в совокупности с фактическим значением уклона виража. Из рисунка видно, что радиус круговой кривой изменяется на протяжении всей кривой в пределах 30 % от среднего значения радиуса. При этом уклон виража также изменяется в пределах 20 %. При использовании традиционных подходов определения значения радиуса он составил - 709 м, длина кривой - 311 м, угол поворота - 23,57°. Детальный анализ показал, что фактическое значение радиуса круговой кривой в плане в различных ее сечениях может локально изменяться от 553 до 865 м при изменениях уклона виража. Данная информация при оценке геометрических параметров имеет принципиальный характер, так как позволяет повысить достоверность и качество оценки состояния кривых. Динамика изменения радиуса горизонтальной кривой в различных сечениях не соответствует динамике изменения уклона виража на отдельных участках кривой. Исследования кривых в плане по опорной сети автомобильных дорог Новосибирской области показали, что колебания значений радиусов и уклонов виража характерны практически для всех кривых, поэтому в диссертационной работе выполнен детальный анализ колебаний значений радиусов горизонтальных кривых и уклона виража.

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

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

Карточка кривой

А/д К-02 Ведомость от 01.04.2008 г. Поездка: 20.03.2008 г. Участок: 39+200 - 39+700 Направление

Кривых 123 Характеристики кривой 1-я переходные 2-я

правая 35 Начало Конец Длина, м Угол пов., ° Отвод Отвод

км ПК км ПК тах ср. дл. тах ср. дл.

план 39 2+07 39 6+89 482 23.57 4.27 0.74 82 7.48 2.01 98

Характеристики круговой кривой

Начало Конец Радиус, м/поперечный уклон, %о

км ПК км ПК дл тіп тах ср.

план 39 2+89 39 6+00 311 553 865 709

Поперечный уклон, %о 39 2+00 39 6+89 489 14 48 31

Расстояние, м

Рисунок 1 - График колебания значений радиуса кривой

0,60

го 0,50

I О) И

=Г с; 0,40

-В- и

-н-

о X 0 1 0,30

си (и

і ш 0,20

о»

го с

т 0,10

0,00

я 90 км/ч я 60 км/ч я 40 км/ч

80 90 100 110 120 130 Расстояние от начала кривой, м

Рисунок 2 - График изменения коэффициента поперечной силы ц для различных скоростей движения

Результаты исследований по характерным кривым для шести автомобильных дорог представлены в сводной таблице 1.

Таблица 1 - Значения коэффициентов поперечной силы при различных скоростях движения автомобилей и радиусов кривых в плане

«Ї Код а/д Средний радиус «»м Длина круговой кривой /.. м Скорость дві іжения 90 км/ч Скорость движения 60 км/ч Скорость движения 40 км/ч

Максимальное значение коэффициента поперечной силы Минимальное значение коэффициента поперечной силы Максимальное значение коэффициента юперечной силы Минимальное значение коэффициента поперечной силы Максимальное значение коэффициента поперечной силь Минимальное значение коэффициента юперечной силы

1 К-05 169 180 0,41 0,27 0,16 0,10 0.05 0,02

2 K-I4 159 209 0,58 0Д7 0,24 0,10 0,08 0,02

3 К-15 208 192 0,48 0.15 0,19 0,05 0,06 0,00

4 К-16 353 218 0,35 0,05 0,13 0,00 0,04 0,02

5 К-19р 512 112 0.11 0,07 0.03 0,01 0,02 0,01

6 К-21 680 207 0:22 0,09 0,12 0.06 0,08 0,05

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

ц =—0-СР-.Р')), (1)

т£

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

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

(1) величина (Р-Р*)>0 и (1-(Р-Р*))<1. коэффициент поперечной силы ц с ростом Р уменьшается.

ь '-0

0

1 °-9

3 0,8

и 0,7

| 0,6

| 0,5

I 0,4

О Р*:

0 0,3

8 0,2

к

1 0Л

-18 -16-14-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Отклонение радиуса круговой кривой в плане от среднего значения, м

Рисунок 3 - Кумулятивная кривая отклонений радиуса круговой кривой от среднего значения

Если фактический радиус круговой кривой на участке автомобильной дороги меньше проектного или установленного для эксплуатации значения, то в формуле (1) Р<Р*, величина {Р-Р*)<0 и (1-(Р-Р*))>1. Коэффициент поперечной силы ц с уменьшением Р увеличивается.

Полученная вероятность определяет организационно-технологическую надежность состояния автомобильной дороги и характеризует организационно-технологические решения по ее содержанию. При малом значении вероятности коэффициент поперечной силы возрастает и с учетом интенсивности движения автотранспорта возникает необходимость принятия организационных решений по ремонту автомобильной дороги. При высоком значении организационно-технологической надежности проблемы принятия решения по ремонту не возникает. Учет вероятности отклонения радиуса круговой кривой в плане от проектного или установленного для эксплуатации значения позволяет сократить также объем полевых измерений.

Технико-эксплуатационные качества автомобильной дороги определяются сцепными качествами, ровностью покрытия, прочностью дорожной одежды. Как показано в диссертации, устойчивость автомобиля зависит от коэффициента сцепления. Нами выполнены измерения коэффициента продольного сцепления на автомобильных дорогах. Их статистическая обработка в виде плотности, вероятности и риска приведены в диссертации.

Статистическая обработка измерений показала, что наиболее близкой к приведенной может быть функция нормального распределения. Она принята в

качестве функции желательности для определения качества состояния дороги. Для установления соответствия шкал стандартных отметок на шкале желательности Харрингтона и функции распределения коэффициента продольного сцепления нами выполнено графическое масштабирование. В таблице 2 приведены диапазоны желательности коэффициента продольного сцепления, позволяющие оценить риск его снижения или степень приближения к нормативному значению.

Таблица 2 - Диапазоны желательности коэффициента продольного сцепления по графику надежности для автомобильной дороги К-38 «Тогучин - Степногутово»

Желательность Диапазон шкал желательности /" Диапазон вероятности Р Значение коэффициента продольного сцепления ф

Очень хорошо 1,00-0,80 1,00-0,75 0,35-0,43

Хорошо 0,80-0,63 0,75-0,53 0,33-0,35

Удовлетворительно 0,63-0,37 0,53-0,21 0,29-0,33

Плохо 0,37-0,20 0,21-0,00 0,23-0,29

Очень плохо 0,20-0,00 - -

Автомобиль при движении взаимодействует с неровной поверхностью покрытия. Эксплуатация дорога при различной интенсивности движения приводит к росту числа неровностей и увеличению их размеров. Применяемые в настоящее время приборы обеспечивают определение ровности достоверно в основном при длинах волн до 10 м, поэтому достоверность данных в широком диапазоне не определяется, что неприемлемо для современных скоростных режимов движения.

Нами проводились измерения ровности толчкомером ТХК-2 и универсальным дорожным курвиметром (УДК «Ровность», СГУПС). Результаты исследований УДК «Ровность» выявили наличие неровностей покрытия автомобильных дорог в диапазоне от нескольких сантиметров до десятков метров. Согласно теории нечетких множеств по статистическим данным нами установлены диапазоны желательности ровности и дана их вероятностная интерпретация.

Оценку прочности дорожных одежд согласно ОДН 218.0.006-2002 осуществляют по фактическому модулю упругости Е. С участием автора на опорной сети автомобильных дорог Новосибирской области выполнены измерения и соответствующие расчеты модуля упругости. По результатам измерений выполнена статистическая обработка полученных данных и представлена в виде плотности распределения, вероятности и риска его возникновения, а также установлены качественные диапазоны желательности и вероятности нахождения в них модуля упругости.

В настоящее время решения о качестве дорожной одежды автомобильной

дороги или ее участка принимаются по следующим локальным критериям: ровность (5), коэффициент сцепления (ф), модуль упругости (Е). Для исследованных дорог III технической категории их предельные допуски равны: £ = 200МПа;5 = 170см/км;ф = 0,30. Автор считает, что для принятия решения о ремонте или продолжении эксплуатации применения локальных критериев недостаточно и предлагает комплексный подход по трем параметрам. Для оценки их совместного влияния проведен факторный эксперимент. На рисунке 4 изображены зоны изменения Е и 51: зона, допустимая к эксплуатации (автомобильная дорога эксплуатируется без ограничений); зона, допустимая к эксплуатации по ровности и не допустимая по модулю упругости; зона, допустимая к эксплуатации по модулю упругости и не допустимая по ровности; зона, не допустимая по модулю упругости и ровности. Значения ф в указанных зонах, как показали статистические измерения, могут быть допустимыми и недопустимыми.

Зона значений, допустимых к эксплуатации

'.■.; Зона, допустимая по ровности 1 '' и не допустимая по модулю упругости

IV///А Зона, допустимая по модулю

__упругости и не допустимая по

ровности

Зона, не допустимая по ровности и модулю упругости

Рисунок 4 - Матрица эксперимента Линейная модель качества автомобильной дороги по коэффициенту продольного сцепления ф точки (200; 170) будет иметь вид (2):

Ф = 0,29 - 0,02£ - 0,0251. (2)

Модель в естественных координатах (3):

Ф = 0,29-2,8-10^4£-2,8-10"45'.

(3)

Аналогично методом факторного эксперимента получены модели Е = /(5',ф),6' = /(ф,Е). По рисунку 4 определяется зона технического состояния дороги, после чего принимается решение о продолжении эксплуатации, ремонте или капитальном ремонте.

В третьей главе обоснованы требования к дорожно-передвижной лаборатории на основе спутниковой навигации, приведено устройство дорожной передвижной лаборатории СГУПСа, методика и принцип работы, дана оценка надежности аппаратно-программного измерительного комплекса диагностической передвижной лаборатории: рассчитаны показатели ремонтопригодности, безотказности, коэффициент готовности. Изложена технология определения геометрических параметров на базе координатного способа, измерительные средства и методика. Сущность разработки основана на определении координат (пространственного положения) оси и других элементов автомобильных дорог. Координаты определяются с использованием инерциальных систем, глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), схемы счисления пути (инерциальной схемы).

Сущность технологии определения геометрических параметров заключается в комплексировании абсолютных методов определения пространственного положения, измеряющих каждую точку автономно (ГНСС) и интегральных методов (инерциальные системы), позволяющих определять пространственное положение каждой точки путем интегрирования текущих угловых величин (курс, крен) по пройденному пути (рисунок 5).

Рисунок 5 - Технологическая схема определения геометрических параметров автомобильных дорог

При совместной обработке данных ГНСС и инерциальной системы учитывается характер ошибок. Так, координаты, полученные спутниковой аппаратурой, определенные автономно, не накапливают с течением времени погрешность, в то же время смежные точки имеют невысокую точность взаимного положения (низкую относительную точность). Инерциальные системы и их другие гироскопические аналоги накапливают с течением времени погрешности определения координат, однако имеют высокую точность взаимного положения смежных точек.

При непосредственном участии автора уточнен метод определения координат, который заключается в комплексировании спутниковой системы позиционирования с гироскопической системой, построенной по схеме счисления пути.

Преимуществом данного решения является получение высокой точности взаимного положения элементов дороги на базе до 100 м за счет высокой относительной точности гироскопической системы и сохранения высокой точности определения пространственного положения на значительных отрезках дороги (более 100 м) с использованием ГНСС.

Глобальные навигационные спутниковые системы в данном техническом решении являются корректирующей системой для гироскопической (инерциальной) системы. На этом принципе построена работа Дорожной передвижной лаборатории Сибирского государственного университета путей сообщения (ДПЛ СГУПС).

Автором выполнена оценка надежности комплексированной системы (КС), которая позволит планировать полезный режим работы лаборатории и возможные повторные замеры при возникновении сбойных состояний. КС представлена графом состояний узлов (/') с интенсивностями переходов. Граф описан системой дифференциальных уравнений, позволивших рассчитать вероятности состояний и на их основе - время восстановления узлов системы, коэффициенты простоя и готовности.

Исследованиями установлено, что высокая производительность АПК достигается при потерях времени в период полевых работ, не превышающих двух часов. Для данного режима эксплуатации АПК с доверительной вероятностью 0,95 интенсивность восстановления должна находиться в интервале 0,520-1,294 1/ч; вероятность восстановления за 2 ч - в интервале 0,64-0,82; интенсивность отказов 7,947-Ю"3 1/ч; средняя наработка на отказ - 125,8-312,8 ч. Коэффициент готовности при этом равен 0,994.

В четвертой главе приведены методики и результаты их тестирования при проведении паспортизации и диагностики автомобильных дорог с применением разработанной технологии. Изложены методы и виды тестирования, принятые

европейскими кодами ЕЫ 1990:2002 (Е). Они апробированы при выполнении диагностики на опорной сети автомобильных дорог Новосибирской области в соответствии с разработанной технологией.

Методика тестирования, например, по поперечному уклону основана на сравнении параметров каждого экспериментального участка, определенных через 10 м, с параметрами ДПЛ СГУПСа. Калибровка системы определения ровности дорожного покрытия выполнялась аналогично путем сравнения эталонных значений с измеренными на экспериментальном участке.

Статистическая обработка измерений геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог позволила получить плотности распределения вероятностей наступления события, функции распределения и обратные ей функции распределения, характеризующие риски наступления негативных событий. В таблице 3 приведена качественная оценка функции желательности состояния автомобильных дорог по ровности покрытия. Аналогичные оценки получены для коэффициента продольного сцепления и модуля упругости дорожной одежды. В таблице 4 приведены модели технико-эксплуатационного качества ряда автомобильных дорог Новосибирской области.

Экономический эффект от применения разработанных автором методов и методик определения фактического состояния автомобильных дорог по геометрическим и эксплуатационным параметрам достигается за счет более обоснованного планирования капитального ремонта. Это отражается в дифференциации удельных расходов по предложенным автором зонам обеспечения качества. Поэтому экономическую оценку разработанных предложений автор предлагает проводить по матрице удельных расходов по категориям и факторам дифференциации, приведенным к километру автомобильной дороги, на проведение ремонтных работ (таблица 5).

В связи с отсутствием нормативов удельных затрат (их разработка вписывается в задачи Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года) экспертно установлены коэффициенты приведения, позволяющие получить экономию за счет такого подхода в размере 10-15 %.

Желательность Диапазон шкал желательности Диапазон вероятности Р Ровность дорожного покрытия на автомобильных дорогах 5, см/км

К-01 К-02 К-04 К-12 К-14 К-15 К-17р К-19р К-38

Очень хорошо 1,00-0,80 1,00-0,75 98-126 89-124 90-150 99-181 115-187 65-92 69-106 52-57 64-129

Хорошо 0,80-0,63 0,75-0,53 126-177 124-180 150-214 181-281 187-261 92-153 106-140 57-129 129-186

Удовлетворительно 0,63-0,37 0,53-0,21 177-210 180-215 214-254 281-346 261-308 153-191 140-165 129-175 186-224

Плохо 0,37-0,20 0,21-0,00 210-347 215-345 254-421 346-516 308—412 191-311 165-342 175-400 224-385

Очень плохо 0,20-0,00 - - - - - — - - - -

Таблица 4 - Модели технико-эксплуатационного качества ряда автомобильных дорог Новосибирской области

Код дороги Тип покрытия Ф = /(■£. 5) 5 = /(£, ф) £ = /(9,5)

К-01 усоверш. ф = 0,65-1,0-10"4£-4,5-10"45' 5 = 205,68 - 0,22£ - 31,25ф £ = 168,06 + 370,00ф - 0,445

К-02 усоверш. Ф = 0,62-1,3-КГ'Я-б, 8-Ю"4 5 5 = 316,32-0,52£ + 125,00ф Е = -785,09 + 3800,00ф - 0,865

К-04 усоверш. Ф = 0,25 + 5,Ы0-4£ + 5,7-10-"5 5 = 351,95-1,20£ + 525,00ф £ = 421,08 - 500,00ф - 0,405

К-12 усоверш. Ф = 0,40-2,9-10"4^-2,8'Ю'"'^ 5 = 33,45 + 0,13£ + 527,78ф £ = 246,19-44,44ф-0,355

К-14 усоверш. Ф = 0,34+ 2,5-Ю"4 £ + 2,3-10"* 5 5 = -249,33 - 0,30£ +1950,00ф £ = 43 9,73 - 5 85,00ф - 0,045

К-15 усоверш. Ф = 0,45+ 1,0 •10~4£-1,4-1(Г45 5 = 123,25-0,02£ + 95,00ф £ = 349,28 - 275,00ф +0,035

К-17р усоверш. Ф = 0,83-2,4-10""£ + 7,8-Ю"4 51 5 = 189,60 - 0,20Е + 62,50ф £ = 420,78 - 456,25ф - 0,125

К-19р усоверш. Ф = 0,38 + 1,5-10"4£ + 0,2-10"45 5 = 192,16-0,50£ + 250,00ф £ = 333,11 + 237,50ф-0,755

Таблица 5 - Нормативы денежных затрат (удельных расходов) и коэффициенты приведения по категориям и факторам дифференциации к километру автомобильной дороги

Нормативы денежных затрат НПрив (удельных

Факторы дифференциации коэффициентов приведения расходов) и коэффициенты привел факторам дифференциации к киле дороги(Н/К №ния по категориям и метру автомобильной

I II III IV V

однополосные Я1 -/ К\-1 Я1 -II 4-ІІ Н\-1II 4-III Н\-1У 4 -IV Я1-К 4-V

Количество полос движения двухполосные Н2-I К2-I Н2-II К2-П Н2-Ш К2-III Н2-IV 4-ІУ 112-У К2-У

многополосные 111-І Я3-II Я3-7// Я3-IV Н3-У

К3-1 А'З-7/ К3-III 4-IV К3-V

по модулю »4-І Н4-П Н4-III Н4-!У Я4-V

Допустимая зона эксплуатации упругости К4-1 К4-П К4-III К4-IV К4-V

по ровности Н5~1 4-1 Н5-П 4-ІІ Я5-III 4-III Н5-1У К5-IV Н5-V К5-У

допустимая Я6-/ И6-П Я6-III Я6-IV Н6-У

Зона по ровности 4-І 4-11 4-III 4-ІУ 4 -V

не допустимая по коэффициенту сцепления Н1-1 4-І Н1-П 4-11 Н1-Ш К1-ІІІ Н7-1У К1-ГУ Я7-К К1-У

не допустимая Я8-/ Я8-II Я8-III Я8-IV Я8-V

Зона по ровности 4-І 4-11 4-III 4-ІУ КЯ-У

допустимая по коэффициенту сцепления Н9-I 4-І Н9-П 4-11 Н9-III К9-III Н9-IV К9-1У Я9-V 4-У

Зона не допустимая по коэффициенту сцепления Я10-/ 4ъ~1 Я10-// ^10-// Я10-III 4о-1П Я10-IV К\0-1У П\ 0-У 4о~У

допустимая по ровности и модулю упругости Я11 -/ 4 1-І Я1 \-П 4\-п Я1 \-III 4 1 -III Н\\-ТУ К\ 1-IV Я1\-У 4\-У

Зона не допустимая по всем параметрам Н\2-1 К\2-I Я12—11 К\2-П Н\2-III К12-III Н\2-IV К\2-1У Н\2-У К\2-У

с нормальными Н\3-1 Я13-Я Я13-ІІІ Я13-IV Я13-V

Природно-климатические зоны условиями 4з-1 К\3-11 4з-III К]3-1У К\ 3-У

со сложными условиями эксплуатации Я14-/ Я14-// Я! 4—III Я14—IV 4 4-У

4 4-І 44-11 К\4-III К\4-IV ^14-К

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований сделаны следующие выводы:

1. Метод учета стохастического характера колебаний значений радиусов круговых кривых в плане, коэффициента продольного сцепления, ровности покрытия и модуля упругости дорожной одежды позволяет оценить организационно-технологическую надежность показателей технико-эксплуатационного качества автомобильных дорог в виде вероятности их нахождения в пределах, установленных нормативными документами, и риска их выхода за проектные или принятые для эксплуатации значения, что обеспечивает полноту и достоверность оценки технического состояния.

2. Выявленный характер влияния колебаний значений радиусов круговых кривых в плане на коэффициент поперечной силы позволил установить между ними вероятностную закономерность его увеличения при маловероятных отклонениях фактического радиуса от среднего значения и уменьшения при отклонениях радиуса с большой вероятностью.

3. Факторным экспериментом на основе статистических измерений ровности покрытия, коэффициента продольного сцепления и модуля упругости дорожной одежды установлены зоны технического состояния автомобильных дорог, определяемые степенью отклонения от нормативных фактических значений, описываемых статистическими моделями взаимосвязи эксплуатационных параметров, способствующих повышению достоверности принятия решений по назначению ремонтов.

4. Для расширения функциональных возможностей и повышения достоверности измерений предложена комплексированная система, содержащая спутниковую аппаратуру и гироскопическую систему определения пространственного положения подвижного объекта. Исследованиями установлены ее допустимые параметры, включающие потери времени в период полевых работ, не превышающие двух часов, с вероятностью восстановления 0,64-0,82; интенсивностью отказов 7,947-10"3 1/ч; коэффициентом готовности 0,994, что обеспечивает высокую эффективность производства полевых работ.

5. Предложенное развитие и тестирование методик, основанных на вероятностно-статистических методах и факторных экспериментах по обработке измерений, выполненных аппаратно-программными комплексами, в

том числе на основе глобальных навигационных спутниковых систем, позволяет рекомендовать их для проведения паспортизации и диагностики автомобильных дорог.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Барсук, М.Н. Учет влияния радиусов кривых на безопасность движения по автомобильным дорогам / М.Н. Барсук, В.Д. Верескун, B.C. Воробьев // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - Ростов-на-Дону - 2013. - № 1. - С. 40-45. (0,31 п.л./0,10 пл.).

2. Барсук, М.Н. Технология и приборы для определения ровности автомобильных дорог / В.В. Щербаков, М.Н. Барсук // Известия вузов. Строительство. - Новосибирск - 2011. - № 11. - С. 63-70. (0,50 п.л./0,25 п.л.).

3. Барсук, М.Н. Диагностика автомобильных дорог по геометрическим параметрам с использованием ГНСС / В.В. Щербаков, М.Н. Барсук // Геодезия и картография. - 2008. - № 6. - С. 55-57. (0,19 п.л./0,09 п.л.).

Публикации в журналах и научных сборниках:

4. Барсук, М.Н. Техническое обеспечение измерения геометрических параметров автомобильных дорог / М.Н. Барсук // Сборник научных трудов SWorld. Материалы Междунар. науч.-пракг. конф. «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании - 2011». -Вып. 4. Т. 1. - Одесса : Черноморье, 2011. - ЦИТ: 411-0379. - С. 26-31. (0,38 п.л).

5. Барсук, М.Н. Методический подход к диагностике сети автомобильных дорог / М.Н. Барсук // Сборник научных трудов SWorld. Материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании - 2011». - Вып. 4. Т. 1. - Одесса: Черноморье, 2011. -ЦИТ: 411-0380. - С. 32-35. (0,25 п.л.).

6. Барсук, М.Н. Методика определения геометрических параметров при проведении паспортизации автомобильных дорог / М.Н. Барсук // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2010. - Вып. 22. - С. 189-193. (0,30 п.л.).

7. Барсук, М.Н. Применение глобальных спутниковых навигационных систем для координатного обеспечения скоростных железнодорожных магистралей / М.Н. Барсук, В.Н. Васеха, В.В. Щербаков // ГЕО-Сибирь-2008. Т. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. Спутниковые навигационные системы : сб. материалов IV Междунар. науч. конгр., 22-24 апр. 2008 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГТА, 2008. - С. 278-281. (0,25 п.л./0,08 пл.).

8. Барсук, М.Н. Геодезические методы диагностики автомобильных и железных дорог /М.Н. Барсук, М.Ю. Буланов, В.В. Щербаков // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. -Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2007. - Вып. 16. - С. 97-104. (0,50 п.л./0,16 пл.).

9. Барсук, М.Н. Разработка системы планирования ремонта и эксплуатации автомобильных дорог по результатам мониторинга с использованием GPS / М.Н. Барсук, М.Ю. Буланов, A.B. Конкин, В.В. Щербаков // ГЕО-Сибирь-2006. Т. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия : сб. материалов Междунар. науч. конгр., 24-28 апр. 2006 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2006. - С. 50-53. (0,25 п.л./0,06 пл.).

БАРСУК МАРИНА НИКОЛАЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ПО ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ ПАРАМЕТРАМ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06.11.2013 г.

_Объем 1.5 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № 2729

Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049. г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191. Тел./факс (383) 328-03-81

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи

04201452889

БАРСУК МАРИНА НИКОЛАЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ПО ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ

ПАРАМЕТРАМ

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (технические науки)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Верескун Владимир Дмитриевич

Новосибирск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................... 5

1 Анализ методов и технологий определения геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог...................... 12

1.1 Особенности определения геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог................................................. 12

1.2 Аналитический обзор методов и средств определения геометрических параметров автомобильных дорог............................. 18

1.2.1 Определение поперечных уклонов.......................................... 18

1.2.2 Определение параметров кривых в плане.................................. 21

1.2.3 Анализ условий устойчивости автомобиля на горизонтальных кривых............................................................................................................ 27

1.3 Методы и средства определения эксплуатационных параметров автомобильных дорог.................................................................. 34

1.3.1 Методы и средства определения ровности дорожного покрытия .. 34

1.3.2 Методы и средства определения коэффициента сцепления............ 43

1.3.3 Методы и средства определения прочности дорожной одежды .... 46

1.4 Экспериментальные результаты определения геометрических и эксплуатационных параметров на сети автомобильных дорог Новосибирской области............................................................................... 51

1.5 Выводы..................................................................................... 53

2 Теоретико-вероятностный подход к прогнозированию геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог.................................................................................... 54

2.1 Детерминированные методы оценки точности измерений параметров автомобильных дорог.................................................. 54

2.2 Учет влияния стохастических факторов при определении геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог............................................................................................ 61

2.2.1 Вероятностный подход к определению геометрических параметров на кривых в плане......................................................... 61

2.2.2 Вероятностно-статистический подход к оценке ровности дорожного покрытия.................................................................... 72

2.3 Факторный эксперимент в определении зон обеспечения качества состояния автомобильных дорог....................................................... 84

2.4 Выводы.................................................................................. 90

3 Повышение надежности и достоверности измерений аппаратно-программными комплексами на базе дорожных передвижных лабораторий........................................................................... 92

3.1 Обоснование требований к дорожной передвижной лаборатории на основе спутниковой навигации....................................................... 92

3.2 Устройство дорожной передвижной лаборатории СГУПСа............ 94

3.3 Методика и принцип определения геометрических параметров автомобильных дорог лабораторией СГУПСа................................. 99

3.4 Оценка надежности аппаратно-программного комплекса дорожной передвижной лаборатории............................................................. 106

3.5 Выводы............................................................................... 112

4 Тестирование и дополнение методик определения геометрических и эксплуатационных параметров при паспортизации и диагностике автомобильных дорог............................................................ 114

4.1 Тестирование в Европейских кодах ЕЙ 1990:2002 (Е)............. 114

4.2 Методика определения геометрических и эксплуатационных параметров при проведении паспортизации...................................... 116

4.3 Методика определения геометрических и эксплуатационных

параметров при проведении диагностики......................................... 128

4.4. Экономическая оценка паспортизации и диагностики

автомобильных дорог................................................................................ 140

4.5 Выводы.............................................................................. 145

Заключение............................................................................ 146

Список литературы................................................................. 148

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Фрагмент таблицы статистических данных определения модуля упругости, коэффициента сцепления и ровности дорожного покрытия на автомобильной дороге К-38 «Тогучин -

Степногутово»........................................................................................ 162

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. График колебаний значений радиуса кривой на автомобильной дороге К-01 «992 км а/д "М-51" - Купино - Карасук» .. 163

Введение

Актуальность темы исследования. В настоящее время транспортно-эксплуатационное состояние значительной части автомобильных дорог не отвечает нормативным требованиям. Несоблюдение межремонтных сроков привело к высокой степени износа, следствием чего является недостаточная прочность дорожного покрытия и несоответствие параметров дорог интенсивности и безопасности движения. Целевыми программами развития автомобильных дорог регионов на 2012-2014 гг. предусмотрены значительные объемы ремонта, восстановления дорожных сетей в муниципальных районах и повышение удельного веса дорог с твердым покрытием. Качество выполнения этих работ зависит от применяемых инновационных технологий, материалов, современных машин и механизмов, информационно-аналитических методов и средств измерения геометрических и эксплуатационных параметров на всех стадиях реализации проекта. Существующая система их определения базируется на измерениях средних значений, в частности радиусов кривых без учета их вариаций. В ряде случаев это приводит к превышению допустимых значений центробежного ускорения автомобиля, повышенным динамическим нагрузкам, и в конечном итоге - к снижению безопасности дорожного движения.

Прямые и косвенные (интегральные) методы определения ровности покрытия автомобильных дорог приборами контроля ровности и сцепления (ПКРС), толчкомерами, их модификациями и др. не обеспечивают объективной и надежной оценки, включая международный индекс ровности (1Ш), из-за влияния на точность различных факторов, присущих конкретному техническому средству и методу измерения.

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

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

Определение и прогнозирование транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог исследовались О.В. Андреевым [6], Д.А. Скоробогатченко [85], А.Д. Соловчуком [86,87]. В.К. Апестиным [7-9] разрабатывались методы оптимизации межремонтных сроков службы дорожных одежд и покрытий. Теоретические проблемы реконструкции автомобильных дорог, переустройства земляного полотна и дорожных одежд изучались В.М. Могилевичем [11], В.К. Некрасовым [11]. Большой вклад в совершенствование методов проектирования, проектно-ориентированного управления производством работ, исследование дорожных условий, повышение транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог, эксплуатацию, безопасность движения внесли: В.Ф. Бабков [11-13], Т.В. Боброва [23-25], А.П. Васильев [28-30], O.A. Красиков [64-65], В.В. Сильянов [118], A.M. Стрижевский [92], Ю.М. Яковлев [30]. Оценкой неровностей аэродромных покрытий по средним значениям и среднеквадратическим отклонениям занимались Ю.Д. Роев [81,82] и Н.Е. Кузовихин [82]. В.В. Столяровым [90,91] развито научное направление оценки рисков движения автомобилей от качества автомобильных дорог. Проблемам разработки технических средств и способов оценки прочности, ровности и сцепления дорожных покрытий посвящены работы Ю.В. Кузнецова [55]. Значительный вклад в развитие методов диагностики и оценки транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог внес В.К. Пашкин.

Проблемам безопасности посвящены работы зарубежных ученых Т. Андерсена (Дания), Н. Линда (Чехия) [122], Р. Эльвика [118] и др.

В последние годы развивались методы автоматизации измерения и

обработки геометрических параметров автомобильных дорог. Среди авторов - Т.М. Александриди [5], Ю.Ю. Исаев [5]. Использованию ГИС-технологий в жизненном цикле автомобильных дорог посвящены работы В.Н. Бойкова [26]. В.В. Щербаковым [114-117] разработана методология определения геометрических параметров автомобильных дорог на основе координатного способа с использованием систем спутниковой навигации. Настоящая работа посвящена решению отдельных задач в рамках этой проблемы.

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

Для достижения намеченной цели поставлены следующие задачи:

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

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

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

- уточнить методики определения геометрических и эксплуатационных параметров в части использования глобальных

навигационных спутниковых систем, вероятностно-статистического подхода к обработке информации при паспортизации и диагностике автомобильных дорог и выполнить их тестирование.

Объектом исследования является транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог.

Предмет исследования - методы и методики определения технико-эксплуатационного качества автомобильных дорог.

Научная новизна работы состоит в следующем:

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

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

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

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

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

Теоретическая и практическая значимость. Выполненное исследование вносит научный вклад в теорию эксплуатации автомобильных

дорог, расширяет знания в области методов и технических средств определения геометрических и эксплуатационных параметров, повышает полноту и достоверность оценки транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог.

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

Методология и методы исследования. Методологической основой исследования явились системный подход к оценке технического состояния автомобильных дорог, теория надежности к оценке эффективности аппаратно-программных комплексов измерений параметров, теория ошибок к достоверности, теория вероятностей и математическая статистика к обработке результатов измерений, математические методы моделирования и сравнительного анализа к оценке степени соответствия геометрических параметров проектным и нормативным значениям. Информационными источниками исследований явились инструкции и нормативные документы (ГОСТ 30413-96, ГОСТ 30412-96, ГОСТ Р 52398-2005, ГОСТ Р 52399-2005, ГОСТ Р 50597-93, СНиП 2.05.02-85, СНиП 3.06.03-85, ВСН 18-89, ВСН 2488, ВСН 1-83, ВСН 25-86, ОДН 218.0.006-2002 и др.) по определению параметров автомобильных дорог.

Положения, выносимые на защиту:

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

2) факторный эксперимент определения зон обеспечения качества состояния автомобильных дорог по ровности покрытия, модулю упругости

дорожной одежды, коэффициенту сцепления, а также зоны их совместного влияния на безопасность дорожного движения позволяет повысить достоверность оценки фактического состояния автомобильных дорог и обоснованность принятия решений по целесообразности их ремонтов;

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

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

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

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

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

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:

- Международном геодезическом конгрессе «ГЕО-Сибирь—2006», г. Новосибирск, 24-28 апреля 2006 г.;

- научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века», г. Новосибирск, 26-27 октября 2006 г.;

- научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века», г. Новосибирск, 29 октября-2 ноября 2007 г.;

- Международном геодезическом конгрессе «ГЕО-Сибирь-2008»,

и

г. Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.;

- Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании - 2011», г. Одесса, 20-27 декабря 2011 г.;

- Международной научно-практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе», посвященной 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения, г. Новосибирск, 29-30 ноября 2012 г.;

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

Личный вклад автора заключается в разработке методов определения геометрических и эксплуатационных параметров автомобильных дорог; обработке статистических данных и выявлении вероятностной закономерности влияния случайных колебаний значений радиусов кривых в плане и уклонов виража от их средних значений на суммарную силу, стремящуюся сдвинуть автомобиль с дороги (поперечную силу); установлении з