2 Часть «Особенности взаимодействия дороги и автомобиля»

При движении автомобиля по дороге происходит его пространственное перемещение как поступательное, так и вращательное. При этом возникают вертикальные силы, вызывающие деформацию дорожного покрытия, и касательные усилия, наиболее значительные при разгоне и торможении автомобиля в зоне контакта шины колеса с дорожным покрытием, вызывающие относительное смещение верхних слоев дорожного покрытия.

Особенно сложным является движение автомобиля на подходах к кривым в плане и на самих кривых, в пределах которых автомобиль совершает вращательное движение вокруг вертикальной оси.

На таких участках возникают боковые силы, действующие как на автомобиль, так и на верхний слой дорожного покрытия и оказывающие большое влияние на устойчивость автомобиля. Поэтому кривые в плане и подходы к ним проектируют в первую очередь из условия обеспечения устойчивого движения автомобиля, предупреждения его опрокидывания и заноса. Таким образом, при движении автомобиля по дороге действует система сил, разных по направлению и величине.

Для предупреждения появления больших вертикальных усилий, оказывающих отрицательное воздействие на подвеску автомобиля и на дорожную одежду, вертикальные вогнутые кривые проектируют по возможности больших радиусов.

Траектория и скоростной режим автомобиля во многом зависят от того, насколько детально учтены при проектировании элементов автомобильных дорог психофизиологические характеристики водителя, то есть если водитель не затрудняется в оценке направления дороги, он правильно выбирает траекторию движения автомобиля на проезжей части и скоростной режим. Ошибки в действиях водителя, особенно при узкой проезжей части, приводят к тому, что автомобиль заезжает на обочину, тем самым разрушая кромку проезжей части, обочину и само дорожное покрытие.

Немаловажное значение имеет поддержание высокой ровности дорожного покрытия, позволяющей снизить отрицательное воздействие автомобиля на покрытие. Наличие неровностей вызывает колебания автомобиля, вредные для человека, дорожного покрытия и самого автомобиля. При наезде колеса на возвышение происходит удар, вызывающий сжатие шины и рессоры. Сила удара зависит от высоты препятствия. При ударе колеса о препятствие часть энергии движущегося автомобиля расходуется на сжатие шины, рессор, колебание и сотрясение частей автомобиля, сжатие покрытия в месте удара и колебание покрытия и грунта полотна. Поэтому неожиданный наезд автомобиля на большой скорости на неровность может привести к разрушению дорожного покрытия и поломке конструктивных элементов автомобиля.

Воздействия автомобиля на дорожные сооружения усиливаются при неблагоприятных погодных условиях и плохом обеспечении отвода воды от дороги и ее сооружений, при этом существенно увеличивается износ дорожного покрытия и дорожной одежды в целом.

Особенно ухудшается взаимодействие колеса с дорогой при наличии водяной пленки на поверхности дорожного покрытия. Ухудшается сцепление шины колеса с дорожным покрытием, а при высоких скоростях образуется водяной клин между передними колесами автомобиля и поверхностью дорожного покрытия; при этом передние колеса автомобиля приподнимаются и автомобиль теряет управляемость.

Появление большегрузных и скоростных грузовых автомобилей приводит к неприятному для водителей легковых автомобилей явлению: при движении по влажному покрытию возникает водяное облако.

Для предупреждения появления вокруг грузового автомобиля водяного облака устраивают так называемый дренаж-асфальт - покрытие, в которое уходит часть воды из зоны контакта шины колеса с дорожным покрытием. На автомобилях сбоку и сзади устанавливают специальные защитные щитки.

На автомобильных дорогах подвижной состав состоит в основном из автомобилей различных марок. Движение подвижного состава на гусеничном ходу или жестких шинах обычно ограничивается и выносится на специально выделенную для этой цели полосу.

При движении автомобиля, кроме силы сцепления, взаимодействие дороги и автомобиля проявляется в возникновении силы сопротивления качению. Сопротивление качению вызывается толчками и ударами при наездах колес автомобиля на неровности покрытия. Небольшую часть сопротивления качению составляет трение в подшипниках колес, в рессорах и рессорных серьгах.

Шины ведущего колеса автомобиля испытывают несколько большее сопротивление движению, чем ведомые, за счет дополнительной деформации крутящим моментом. Покрытия неровные, деформирующиеся под колесом, оказывают значительное сопротивление качению. На твердых и ровных покрытиях сопротивление качению настолько мало, что оно практически не оказывает влияния на изменение скорости движения.

Дорожное покрытие является самой верхней частью дорожной одежды, на которую непосредственно действуют колеса автомобилей и природно-климатические факторы.

При проектировании дорожной одежды размеры каждого слоя выбирают с учетом местных материалов, возможных нагрузок и природно-климатических условий. Все расчеты выполняют для средних условий, поэтому возможны отклонения от расчетных условий, приводящие к потере прочности дорожной одежды, деформациям и разрушению.

Разрушения могут быть вызваны низким качеством выполнения работ, недостаточным или неправильным учетом гидрогеологических условий, применением материалов низкого качества. Большое значение в обеспечении устойчивости дорожной одежды имеет своевременный ремонт разрушенных участков дорожного покрытия. Появление остаточных (необратимых) деформаций, своевременно не ликвидированных, приводит к значительным разрушениям, как под действием движения автомобилей, так и под влиянием природно-климатических факторов.

Воздействие колес автомобиля на поверхность дорожной одежды вызывает напряжения и деформации, вследствие чего происходит постепенное разрушение и изнашивание.

Основными видами деформаций и разрушений дорожной одежды являются:

- деформации и разрушения, вызванные пучинами, происходящими в весенний период при оттаивании грунта земляного полотна на участках с неблагоприятными условиями водоотвода и защиты земляного полотна от температурных воздействий. Причинами таких разрушений могут быть ошибки в оценке перспективной интенсивности движения и нагрузок, некачественные материалы и их неоднородность, плохое уплотнение земляного полотна и дорожной одежды, а также переувлажнение земляного полотна;

- потери прочности дорожной одежды, вызванные непрерывным воздействием колес автомобилей и природно-климатических факторов. На потерю прочности большое влияние оказывают ошибки, допущенные при проектировании, строительстве и эксплуатации дорожной одежды, а также температурные деформации;

- просадки образуются вследствие переувлажнения грунта основания весной, что приводит к потере его несущей способности, или в результате недостаточного уплотнения материала одежды. Просадки могут быть вызваны проездом тяжелых автомобилей, на которые дорожная одежда не рассчитана. Особенно часто этот вид деформации появляется на въездах на мост, в местах прокладки под существующими дорогами водопропускных труб и трубопроводов;

- сквозные трещины, характерные для цементобетонных покрытий, когда на них образуются просадки. Трещины появляются чаще всего в местах просадок земляного полотна и связаны с несвоевременным ремонтом дорожной одежды;

- износ (истирание), представляющий собой уменьшение толщины дорожного покрытия за счет потери им материала в процессе эксплуатации под воздействием колес и природно-климатических факторов. Износ происходит по всей поверхности дорожного покрытия, но больше всего на полосах наката, где проходят колеса автомобилей. Для усовершенствованных дорожных покрытий износ измеряют в миллиметрах, на которые уменьшилась толщина верхнего слоя покрытия, а для дорожных покрытий переходного и простейшего типа определяют также объем потери материалов, м³/км;

- шелушение - обнажение поверхности дорожного покрытия за счет отделения поверхностных тонких пленок и чешуек материала покрытия, разрушенного воздействием воды и мороза. Такой вид дефекта наиболее характерен для жестких дорожных одежд, где происходит отслоение цементного раствора с поверхности дорожного покрытия с последующим оголением крупного заполнителя. Такие разрушения в основном происходят при частом замораживании и оттаивании дорожного покрытия, особенно при использовании хлоридов для предупреждения гололеда;

- выкрашивание - разрушение дорожного покрытия за счет потери им отдельных зерен гравийного и щебеночного материала. Такое разрушение происходит на дорожных покрытиях всех типов в результате потери связи между зернами материала. Причиной выкрашивания могут быть плохое перемешивание материала и его укладка в дождливую или холодную погоду;

- обламывание кромок - разрушение дорожных покрытий (особенно нежестких) в местах сопряжения их с обочинами при переезде тяжелых автомобилей через кромку. Обломанные кромки проезжей части могут быть причиной дорожно-транспортных происшествий;

- волны - деформация асфальтобетонных покрытий, обладающих пластичностью. Волны появляются под действием касательных сил в зоне контакта шины колеса с дорожным покрытием;

- гребенка - разрушение гравийных и щебеночных покрытий под действием движения тяжелых грузовых автомобилей. Гребенка представляет собой частое повторение выступов и впадин;

- сдвиги - деформации, которые происходят при действии касательных сил от колеса автомобиля. Сдвиги являются причиной отсутствия связи верхнего слоя дорожного покрытия с нижним;

- вмятины - углубления в пластических дорожных покрытиях, появляющиеся при прохождении по ним гусеничных машин или автомобилей в жаркую погоду;

- трещины - деформации, обычно вызываемые резкими температурными изменениями. Сетка трещин появляется на дорожном покрытии как результат недостаточной прочности основания или покрытия;

- колеи возникают при систематическом движении колес по одному следу на грунтовых, гравийных, щебеночных покрытиях, а также мостовых на песчаном основании при ослаблении грунта основания в весенний период. Движение тяжелых автомобилей по колее может привести к проломам;

- проломы - разрушения дорожной одежды в виде длинных прорезей по полосам наката колес. Такие разрушения характерны для дорожных одежд переходного типа при проходе очень тяжелых автомобилей и снижении несущей способности основания дорожной одежды. Проломы образуются вследствие срезывания всех слоев дорожной одежды под действием большой вертикальной нагрузки и при недостаточной толщине дорожной одежды, а также при недостаточной несущей способности грунта основания в случае его переувлажнения;

- выбоины - углубления со сравнительно крутыми краями, образовавшиеся в результате местного разрушения материала дорожного покрытия. Причиной появления выбоин является, как правило, плохое качество строительных работ;

- повреждение кромок швов - разрушение кромок швов в виде сколов и выкрашивание бетона в зоне до 15-20 см от шва.

Транспортные потоки характеризуются: интенсивностью, составом, скоростью, интервалами между автомобилями, плотностью потока. Вследствие взаимодействия автомобилей в потоке все эти характеристики функционально связаны друг с другом. Для получения надежных данных о пропускной способности должны быть учтены показатели, характеризующие взаимные действия между автомобилями в потоке в различных дорожных условиях. Пропускная способность — максимальное число автомобилей, которое может пропустить участок дороги в единицу времени в одном или двух направлениях в рассматриваемых дорожных и погодно-климатических условиях. Пропускная способность автомобильных дорог зависит от большого числа факторов дорожных условий (ширины проезжей части, продольного уклона, радиуса кривых в плане, расстояния видимости и др.), состава потока автомобилей, наличия средств регулирования, погодно-климатических условий, возможности маневрирования автомобилей по ширине проезжей части, психофизиологических особенностей водителей и конструкции автомобилей. Изменение одного из этих факторов приводит к существенным колебаниям пропускной способности в течение суток, месяца, сезона и года. При частых помехах на дороге происходят значительные колебания скорости, приводящие к появлению большого числа автомобилей, движущихся в группах, а также к снижению средней скорости всего потока.

Под действием движения автомобилей происходит истирание поверхности покрытия. Помимо этого, возможно раздавливание, разбивание, сдвиг материала одежды и вырывание пневматической шиной из одежды отдельных частиц. Увеличение скорости и интенсивности движения приводит к большему износу покрытия. Увеличение скорости движения на щебеночных и гравийных покрытиях особенно сильно отражается на увеличении их износа, поэтому их переводят в усовершенствованные путем обработки органическими вяжущими материалами. Менее интенсивно износ происходит на асфальтобетонных и цементобетонных покрытиях.

Помимо указанных факторов, на разрушение дорожной одежды влияют природные условия. Вода, попадая в мелкие поры и трещины, при замерзании увеличивается в объеме и разрушает каменный материал, образует новые трещины и способствует увеличению имеющихся.

Равномерный износ слоя покрытия, обладающего высокой прочностью, эластичностью, сопротивлением ударам и истиранию, поддерживают содержанием и текущим ремонтом. Однако с течением времени слой, предназначенный для износа, требует восстановления, т. е. проведения среднего и капитального ремонтов дорожной одежды. Период времени в годах от сдачи дороги в эксплуатацию до среднего ремонта или между средними ремонтами называется сроком службы дорожного покрытия.

Когда в связи с ростом интенсивности движения становится экономически нецелесообразным восстановление прочности покрытия проведением среднего ремонта, переходят к следующей стадии ремонтных работ — капитальному ремонту.

При капитальном ремонте полностью возмещают износы, восстанавливают ровность и повышают прочность дорожной одежды и всех дорожных сооружений, геометрические элементы дороги доводят до норм, соответствующих той категории, которая присвоена дороге. Период времени в годах от сдачи дороги в эксплуатацию до капитального ремонта, а также период между капитальными ремонтами называется сроком службы дорожной одежды.

При этом различают полную и частичную работоспособность дорожных покрытий.

Полная работоспособность дороги (дорожной одежды) измеряется числом прошедших по дороге автомобилей или количеством перевезенного груза, выраженным в брутто-тоннах на одну или две полосы движения, за время от сдачи дороги в эксплуатацию до капитального ремонта или между капитальными ремонтами.

Частичная работоспособность дороги (дорожного покрытия) измеряется числом прошедших по дороге автомобилей или количеством перевезенного груза, выраженным в брутто-тоннах на одну или две полосы движения за время от сдачи в эксплуатацию до среднего ремонта или между средними ремонтами.

Работоспособность дорожной одежды — основной технико-экономический показатель, определяющий дорожную составляющую стоимости перевозок. Величина работоспособности является важнейшим фактором при выборе типа покрытия и определения затрат для ремонта покрытия при перспективном планировании.

Основными условиями долговечности дорожной одежды являются соответствие ее конструкции расчетной интенсивности движения и нагрузке, качество используемых материалов, а также качество строительства и содержания дороги.

В процессе эксплуатации на дороге из-за совместного действия атмосферных факторов и движения автомобилей могут образоваться более крупные неровности.

При проектировании должны быть также решены вопросы водно-теплового режима дороги, так как при изменении влажности и температуры изменяются фактические и механические свойства одежды и грунтов полотна. В зависимости от свойств материалов и конструкции одежды эти изменения проявляются более или менее резко.

При строительстве дорожной одежды должны строго соблюдаться технологические правила производства работ. Так, например, недостаточное уплотнение материалов и недостаточная ровность покрытия приводят к более быстрому его износу. На неровном покрытии качение колеса происходит с ударами и проскальзыванием, что повышает разрушающее воздействие колес на покрытие.

Не менее важным условием для сохранения прочности дорожной одежды и ее эксплуатационных качеств является своевременное проведение мероприятий по содержанию и текущему ремонту, проведение средних и капитальных ремонтов в расчетные сроки.

Соблюдение перечисленных условий обеспечивает нормальную работу дорожной одежды в предусмотренные сроки между средними и капитальными ремонтами.

При осуществлении автомобильных перевозок немалую часть внимания следует уделять безопасности движения. Автомобильные шины как элементы конструкции автомобиля, непосредственно контактирующие с дорожным покрытием, оказывают значительное влияние на устойчивость, управляемость и тормозные качества автомобиля. А они в свою очередь обеспечивают не только безопасность жизни и здоровья участников движения, но также и сохранность перевозимого груза. Не стоит забывать и о топливно-экономических характеристиках автомобиля, которые так же зависят от сопротивления шин качению. Характеристики автомобильных шин так же влияют и на уровень шума от движущегося автомобиля.

Движение автомобиля на дороге - это система, которая состоит из поступательного движения на прямых, вращение вокруг вертикальной и горизонтальной осей при движении на кривых, колебания в продольном и поперечном направлениях, обусловленные неровностями покрытия и т.п. Режим движения автомобиля определяют динамические качества автомобиля, дорожные условия и индивидуальные особенности водителей.