301-000635

Сила Т представляет собой силу трения

(сцепления)

колеса с поверхно-

стью дороги. Точка 0 представляет собой мгновенный центр скоростей.

Можно записать:

R = GК

,

МК

=TК + Ra

откуда

TК =

МК

− R

a

rК

rК

Так как

МК

= P

, то

T = P −G

К

a

r

К

К

r

К

К

Обозначим

a

= f

,

G

a

=G

f = P

r

r

К

К

f

К

К

отсюда

T = PК −Pf

(2.8)

В случае ведомого колеса будем иметь

GК = R

T = PК

Ra = PК −rК

(рис. 2.3, в)

Отсюда

PК = R

a

R =GК

a

= f

GК f = PК

PК = Pf

(2.9)

rК

rК

Сила Рf представляет собой силу сопротивления качению, а f – коэффициент сопротивления качению. Сопротивление качению зависит от скорости движения и от эластичности шин.

Величина коэффициента сопротивления качения возрастает с ростом скорости, так как кинетическая энергия колеса при наездах на неровности прямо пропорциональна квадрату скорости качения. Практически величина f остается постоянной при скорости до 50 км/ч и соответствует приведенным ниже величинам к зависимости от типа покрытия:

Цементобетонное и асфальтобетонное покрытие	0,01-0,02
Щебеночное покрытие, необработанное вяжущим	0,03-0,04
Ровная и сухая грунтовая дорога	0,03-0,06

При скоростях более 50 км/ч величина f определяется по формуле: f = f0 [1+0,01(V −50)]

где V – скорость, км/ч;

f0 – коэффициент сопротивления качению при скорости до 50 км/ч; f – то же при 50< V <150 км/ч;

Движение автомобиля возможно при Т > Рт, величина Т достигает наибольшей величины, когда

Тmax = φGсц,

21

где Gсц - нагрузка на ведущее колесо; φ – коэффициент сцепления

Коэффициент сцепления φ – это отношение максимального значения силы тяги на ободе колеса к сцепной массе автомобиля.

Различают следующие величины коэффициентов сцепления (рис. 2.2):

φ– при движении в плоскости качения без скольжения и буксования

φ1 - при движении в плоскости качения при скольжении и буксовании

φ2 – при боковом заносе

Между этими коэффициентами сцепления имеются следующие зависимо-

сти:

Ук – поперечная сила			Рк – сила тяги
Формулы
R =G	R = PК2	+УК2	GК2 ϕ2 =GК2 ϕ2	+GК2	ϕ2
Ó			1		2
ϕ2 =ϕ12 +ϕ22	Отсюда	ϕ2 =	ϕ2 −ϕ12		(2.12)

Результаты исследования показывают следующие количественные

взаимосвязи между	ϕ ϕ1 ϕ2	:
ϕ1 = 0,7ϕ ÷0,8ϕ ϕ2	= 0,85ϕ1 ÷0,9ϕ1	или	ϕ2 = 0,6ϕ ÷0,7ϕ

Величина φ зависит от типа и состояния покрытия (табл. 2.3), скорости, температуры и других факторов.

Таблица 2.3

Коэффициент сцепления в зависимости от состояния покрытия

Состояние покрытия	Условия движения	Ф
Сухое, чистое	Особо благоприятные	0,7
Сухое, чистое	Нормальное	0,5
Влажное, грязное	Неблагоприятные	0,3
Обледенелое	Особо неблагоприятные	0,1-0,2

При торможении колеса автомобиля возникают иногда большие по величине касательные усилия (рис. 2.4).

Величина тормозной силы составляет:

PT = GT ϕ2

(2.13)

22

Рис. 2.4. Силы, действующие на покрытие при движении по криволинейным участкам дорог

Рис. 2.5. Силы, действующие на покрытии дорог при торможении:

GT - масса автомобиля, приходящаяся на тормозящие колеса; φ - коэффициент сцепления.

Боковые касательные силы возникают при движении по криволинейным участкам дорог, при обгонах, боковом заносе, при сильном поперечном ветре, при наличии большого поперечного уклона проезжей части.

Действие касательных сил в зоне контакта шины колеса с покрытием приводит к истиранию и деформации покрытия и истиранию шины.

2.2.3. Прочность дорожной одежды

При эксплуатации дорожной одежды основным показателем ее дорожных качеств является прочность. Прочность дорожной одежды является наиболее важным показателем, который необходимо регулярно оценивать в течение всего срока службы дорожной одежды.

Характерно, что в начальный период службы, деформация дорожной одежды незначительна, а затем происходит резкое нарушение устойчивости.

23

Прочность дорожной одежды зависит от сопротивляемости подлежащего грунта сжатию. Дорожная одежда должна распределять действующую на нее нагрузку от колеса автомобиля по возможности на большую площадь и предупреждать проникновение воды, которая значительно ослабляет прочность грунтового основания.

Возможны три случая деформации дорожного покрытия в зависимости от величины прикладываемой нагрузки.

Если нагрузка не велика, а слой дорожной одежды и земляного полотна хорошо уплотнены, то дорожная одежда не разрушается, и имеют место только упругие деформации, т.е. дорожная одежда под действием нагрузки прогибается и после проезда автомобиля возвращается в прежнее положение.

При большей величине нагрузки или при временном снижении прочности грунтов основания в весенний или осенний периоды возникают постепенно накапливающиеся малые пластические деформации. В случае, если их суммарная величина за период ослабленного состояния дорожной одежды превысит некоторые предельные значения, дорожная одежда разрушается. Прочность одежды зависит от предельно допустимой величины прогиба и от количества приложений нагрузки за период ослабления дорожной одежды.

При очень больших нагрузках или при значительном ослаблении прочности грунта вначале замедленно накапливаются осадки, которые в дальнейшем быстро возрастают, и происходит полное разрушение дорожной одежды.

На рис. 2.6 показаны виды деформаций дорожных одежд и процессы их вызывающие, протекающие или одновременно, или последовательно.

При действии давления от колеса основание дорожной одежды сжимается в пределах активной зоны (зоны, в которой имеет место перемещение грунта) и происходит прогиб дорожной одежды по некоторой криволинейной поверхности с образованием так называемой «чаши прогиба» (рис 2.6.). При очень большой величине чаши прогиба может произойти полное разрушение дорожной одежды с проломом ее слоев.

Устойчивость грунтового основания зависят от величины удельного давления, зависящего от площади, на которую распределяется нагрузка. Эта площадь зависит от толщины дорожной одежды. В весенний или осенний период, когда вследствие большого переувлажнения снижается прочность грунта, существующая толщина дорожной одежды в этот период не обеспечивает безопасное удельное давление. Поэтому при проезде очень тяжелых автомобилей могут возникнуть проломы дорожной одежды. В связи с этим в этот период в течение двух-трех наиболее неблагоприятных недель закрывают движение тяжелых автомобилей.

При действии нагрузки происходит сжатие (2) и доуплотнение дорожной одежды, а в нижней части дорожной одежды – растяжение (3), рис. 2.6. При превышении предельных величин прочности материалов верхних и нижних слоев дорожной образуются трещины.

По периметру зоны контакта шины колеса с покрытием действуют срезывающие напряжения (4), которые могут приводить при тонкой дорожной одеж-

24

де и ослабленном основании, к пролому дорожной одежды или выкалыванию отдельных ее частей.

Внижних слоях дорожных одежд из малосвязных, несвязных материалов

ив грунтовых основаниях могут возникать необратимые деформации (так называемые пластические течения), развитие которых приводят к накоплению деформаций дорожной одежды и её разрушению. Увеличение вероятности появления перечисленных деформаций связано с одновременным действием нагрузки от колеса автомобиля и климатических факторов (влажности и температуры).

Рис. 2.6. Виды деформаций дорожной одежды:

1 – осадки, 2 – сжатие, 3 – растяжение, 4 – срез, 5 – передача давления на грунт, 6 – уплотнение грунта, 7 –направления сжатия грунта, 8 – выпирание, 9 – трещины, 10 – растяжение, 11 – чаша прогиба

При эксплуатации автомобильных дорог все перечисленные деформации протекают, скрыто, и трудно предвидеть их развитие. Поэтому необходимо проводить профилактический контроль на прочность дорожной одежды в неблагоприятные периоды года с целью разработки мероприятий по предупреждению разрушения.

Прочность дорожной одежды характеризуют модулем длительной упругости Еу , который вычисляют по формуле

	Eу =	p D	(2.14)
		ly

где р – удельное давление на покрытие от колеса автомобиля; lу – относительная упругая деформация (прогиб) – рис.2.5.а.

D – диаметр площади круга, равновеликого площади контакта с покрытием

(рис. 2.1, а).

Величина рD – постоянная для расчетного автомобиля, поэтому для определения величины Еу и оценки по ее величине прочности дорожной одежды достаточно определить прогиб lу. Наиболее простым прибором, применяемым для определения этой величины, является прогибомер МАДИ – ЦНИД Гушосдора (рис. 2.7, а).

25

Нагрузка создается от колеса расчетного грузового автомобиля, например, МАЗ-500. Измерение прогиба lу осуществляется путем установки иглы прибора в центре (под осью) между спаренными колесами расчетного грузового автомобиля. Предварительно с помощью переносных весов определяют вес автомобиля.

Для измерения величины прогиба французскими дорожниками создан прибор, позволяющий непрерывно измерять величину прогиба без установки грузового автомобилялаборатории с расчетной нагрузкой. Лаборатория подобной конструкции создана в Харьковском автомобильно-дорожном институте.

Кроме того, применяются также установка динамического нагружения, которая позволяет фиксировать чашу прогиба при действии динамической нагрузки. Работа прибора основана на сбрасывании груза (обычно весом 100 кг) с заданной высоты с одновременным измерением деформации. Предельно допускаемые величины прогибов приведены в таблице 2.4.

Рис. 2.7. Схемы приборов для измерения прогиба дорожной одежды:

а) прогибомер МАДИ ЦНИЛ Гушосдора;

б) прибор динамического нагружения;

1– вращающийся рычаг, 2 – неподвижная часть, 3- ось вращения, 4 – мессура для измерения величины прогиба, 5 – виброграф для измерения прогиба, 6 – штамп, 7 – падающий груз,

8- пружина

Предельно допускаемые величины прогибов			Таблица 2.4
	Величина прогиба дорожных покрытий,
Интенсивность (авт/сут), приведенная к расчетному ав-
томобилю и нагрузке 10т		мм
	капитальных	облегченных	переходных
100	1,15	1,45	1,85
200	1,03	1,27	1,68
500	0,92	1,10	-
1000	0,85	-	-
2000	0,78	-	-
5000	0,73	-	-
10000	0,69	-	-
26

При разработке мероприятий по усилению дорожной одежды на основе прогнозируемых интенсивности и составе движения определяют требуемый модуль упругости, при котором будет обеспечена достаточная прочность дорожной одежды.

2.2.4. Виды деформаций покрытия и разрушений дорожной одежды от автомобилей и погодно-климатических условий

При проектировании дорожной одежда размеры каждого слоя выбирают с учетом местных материалов, возможных нагрузок и климатических условий проложения дороги. Все расчеты делаются на средние условия, поэтому возможны отклонения от расчетных условий, приводящие к деформации и разрушениям дорожной одежды.

На рис. 2.8 приведены основные факторы, влияющие на разрушение дорожных одежд. Как видно из схемы, разрушения могут быть вызваны низким качеством выполнения работ, недоучетом гидрогеологических условий, применением материалов низкого качества с недоучетом их морозостойкости.

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 при влиянии погодно-климатических факторов.

Основными видами деформаций и разрушения дорожной одежды являются следующие:

- Деформации и разрушения, вызванные пучинами, появляющимися в весенний период при оттаивании грунта земляного полотна на участках с неблагоприятными условиями водоотвода и защиты земляного полотна от температурных воздействий.

Причинами такого разрушения могут быть ошибки в оценке перспективной интенсивности движения и нагрузок; некачественные материалы и их неоднородность, плохое уплотнение земляного полотна и дорожной одежды.

-Потеря прочности дорожной одежды, вызванные непрерывным воздействием колес автомобилей и природно-климатических факторов. На быструю потерю прочности большое влияние оказывает ошибки, допущенные при проектировании, строительстве и эксплуатации дорожных одежд, а также температурная деформация.

-Просадки нежестких дорожных одежд в виде впадин, возникающие в ре-

зультате местных просадок недоуплотненного грунта иди слоев дорожной одежды. Особенно часто этот вид деформации появляется на въездах на мост, местах прокладки под существующими дорогами трубопроводов.

- Сквозные трещины характерны для цементобетонных покрытий, когда под ними образуются просадки. Трещины появляются чаще всего в местах просадок земляного полотна и связаны с несвоевременным ремонтом.

27

- Проломы - разрушения дорожной одежды в виде длинных прорезей по полосам наката колес. Эти разрушения характерны для дорожных одежд переходного типа при проходе очень тяжелых нагрузок и снижении несущей способности основания дорожной одежды.

Разрушению всей конструкции дорожной одежды предшествует деформация и разрушение дорожных покрытий - поверхности, по которой движется колесо автомобиля.

Покрытие является самой верхней частью дорожной одежды, на которую непосредственно действуют колеса автомобилей и погодно - климатические факторы. Основными видами разрушений дорожного покрытия являются следующие деформации:

-Износ (истирание), представляющий уменьшение толщины покрытия за счет потери им материала в процессе эксплуатации под действием колес и погодных факторов. Износ происходит по всей поверхности покрытия, но больше всего на полосах наката, где проходят колеса автомобилей. Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в (мм) уменьшения толщины верхнего слоя по-

крытия, а для покрытий переходного и простейшего типа – также и в объеме потери материала, м3/км.

-Шелушение - обнажение поверхности покрытия за счет отделения тонких поверхностных пленок и чешуек материала покрытия, разрушенного под воздействием воды и мороза.

Такие разрушения в основном происходят при частом замораживании и оттаивании покрытия. Большое влияние на появление шелушения оказывает соль, которую применяют для предупреждения гололеда.

-Выкрашивание - разрушение покрытия за счет потери им отдельных зерен гравийного или щебеночного материала. Такое разрушение происходит во всех типах покрытий за счет потери связи между зернами материала. Причиной выкрашивания может быть плохое перемешивание материала и укладка в дождливую или холодную погоду

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

-Волны - деформация асфальтобетонных покрытий, обладающих эластичностью. Волны появляются под действием касательных сил в зоне контакта шина колеса с 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 колес автомобиля. Сдвиги являются причиной отсутствия связи верхнего слоя покрытия с нижним слоем.

-Вмятины - углубления в пластичных покрытиях, появляющиеся при прохождении по ним гусеничных машин или автомобилей в жаркую погоду.

28

-Трещины обычно вызываются внезапными температурными изменениями.

-Сетка трещин появляется на покрытии как результат недостаточной прочности основания или покрытия.

-Колеи образуются на щебеночных или гравийных покрытиях при узкой проезжей части в результате многократного прохода автомобилей по одной полосе.

-Выбоины - углубления со сравнительно крутыми краями, образовавшиеся за счет местного разрушения материала покрытия. Причиной выбоин является, как правило, плохое качество строительных работ.

Рис. 2.8. Основные факторы, вызывающие деформации и разрушение дорожных одежд

2.3.Влияние дорожного покрытия на транспортные качества дороги

2.3.1 Проезжаемость и надежность автомобильных дорог

Под проезжаемостью автомобильной дороги понимают возможность проезда по дороге с заданной скоростью в различные периоды года.

Условия проезда существенно меняются в течение года для одной и той же дороги. Дороги высших технических категорий должны обеспечивать круглогодичную проезжаемость. На дорогах I технической категория благодаря оперативному содержанию дороги практически одинаковые условия проезда, как в летний, так и в осеннее - зимний период. Скорости практически не меняются. По этим дорогам возможен проезд всех типов автомобилей, выпускаемых отечественной автомобильной промышленностью. Ограничения проезжаемости могут быть только для специальных транспортных средств, имеющих большую массу, так как толщина дорожной одежды и конструкция искусственных сооружений не рассчитаны на пропуск таких нагрузок. В этом случае следует говорить о проезжаемости дороги для данного типа транспортного средства.

Дороги более низких категорий имеют ограниченную проезжаемость для разных типов автомобилей. Наличие крутого подъема не влияет на проезжае-

29

мость по дороге легкового автомобиля, но оказывает большое влияние на движение тяжелого грузового автомобиля. Проезжаемость дороги при наличии кривых малых радиусов в плане зависит от габаритов автомобилей. Могут возникнуть ситуации, при которых для проезда крупногабаритного автомобиля необходимо осуществление специальных мероприятий по уширению проезжей части.

На некоторых дорогах могут иметь место случаи полного отсутствия проезжаемости вследствие временного затопления в весенний период, заноса снегом зимой. Характерным случаем отсутствия проезжаемости для отдельных видов транспорта является период появления на некоторых дорогах низких категорий пучин.

Решающее влияние на проезжаемость дорог оказывают погодно – климатические условия. Так, например, появление гололеда приводит к резкому снижению проезжаемости дороги часто на длительные периоды.

Наиболее существенное влияние оказывают погодные условия на проезжаемость грунтовых дорог. В сухое время года эти дороги имеют хорошую проезжаемость, однако в весенний и осенний периоды года такие дороги становятся практически непроезжаемыми для обычных автомобилей. На условия проезжаемости таких дорог влияют типы грунтов.

Таким образом, на проезжаемость автомобильных дорог оказывают влияние следующие факторы: состояние и прочность дорожной одежды, состояние проезжей части и системы водоотвода, погодные и климатические условия.

Опыт эксплуатации дорог показывает, что с экономической точки зрения имеет смысл закрывать движение на отдельных дорогах низких технических категорий. Этот способ снижения стоимости строительства дорог широко используется дорожниками Индии. Вместо водопропускных труб строят лотки, обеспечивающие пропуск воды в период паводка. Большую часть года эти лотки проезжаемы, так как реки полностью пересыхают.

Близким по значению к понятию о проезжаемости автомобильных дорог является понятие надежности автомобильных дорог. При этом можно говорить о надежности отдельных элементов дороги: дорожной одежды, геометрических элементов, искусственных сооружений.

В настоящее время наиболее детально вопросы надежности разработаны для дорожных одежд. Основой этого подхода является учет случайных изменений состояния дорожной одежды. Под надежностью дорожной одежды понимают вероятность безотказной ее работы в течение определенного периода времени. Надежность тесно связана с понятием отказа, под которым понимают событие, характеризующее потерю работоспособности или выход из строя элемента какой-либо системы. Для случая дорожной одежды под понятием отказ понимают снижение расчетной прочности за период менее предусмотренного расчетом и, вообще, событие, при котором нарушается возможность транспортного потока выполнить определенную удельную работу (работу в т км за час или сутки). При отказе дорожной одежды ухудшается ровность, сцепные качества, прочность.

30