книги / Техническое нормирование макрошероховатости дорожных покрытий автомобильных и лесовозных дорог

Числовые значения геометрических параметров макрошероховатости по Rz, Ra, S, Sm, tp относят к нормальным сечениям. Направление сечений не оговаривают, если это по требованию технической документации относят к направлениям сечений, которые соответствуют наибольшим высотным параметрам.

Если провести сечение перпендикулярно плоскости поверхности, то можно получить рельеф профиля, увидеть количество, форму и величину впадин и выступов неровностей рельефа (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Анализ геометрии макрошероховатости из ГОСТ 2789–73

Известный на Украине государственный стандарт ДСТУ Б В.2.3-8– 2003 [18] по дорожным покрытиям и методам измерения их сцепных качеств определяет способы измерения параметров сцепных качеств дорожного покрытия и используется в операционном контроле по корректированию технологического процесса устройства дорожной поверхности, при приемке качества работ, а также при контроле во время эксплуатации при выявлении некачественных участков автомобильной дороги.

Сцепные качества поверхности дорожного покрытия – это совокупность свойств, определяющих ее способность гарантировать устойчивое движение транспорта без скольжения и заносов колес, а также оказывать сопротивление скольжению при потере сцепления с дорогой.

В ГОСТе Украины дается определение наибольшей высоты неровностей, как расстояние между линией впадин и линией выступов в базовой длине (рис. 2.3, а), а также радиус выступа поверхности – радиус окружности, вписанной в выступ (рис. 2.3, б) и др. [18].

Согласно ГОСТу определяется глубина j-х впадин профиля [hvj] и i-х выступов [hpi]. Средняя глубина впадины макрошероховатости hср определяется как

91

(n + m ) γ

где n – количество выступов макрошероховатости; m – количество впадин макрошероховатости; γ – увеличение по дорожному профилографу.

а

б

Рис. 2.3. Схема анализа шероховатости по ГОСТу Украины

Увеличение высоты (средней или максимальной) неровностей не приведет к изменению условий, которые вызовут изменение измеряемых параметров трения [32, 72].

Возникает задача поиска такого геометрического параметра шероховатой поверхности, изменение которого будет существенно более коррелироваться с изменением коэффициентов трения. При назначении параметров шероховатости необходимо учитывать, что на изменение коэффициента сцепления влияет не только изменение средней высоты выступов и средней глубины впадин шероховатостей, но и изменение разброса (диапазона или статистического распределения) высот выступов. Данный подход соответствует методам оценки риска, применение которых устанавливается Федеральным законом «О техническом регулировании» в части разработки технических регламентов с учетом оценки риска причинения вреда [32, 112].

Чем больше макрошероховатость покрытия, тем коэффициент сопротивления движению больше. По исследованию А.П. Васильева [116], увеличение выступов макрошероховатости на один миллиметр, приводит к увеличению коэффициента сопротивления качению на четыре процента.

92

При увеличении толщины воды на поверхности дороги на один миллиметр сопротивление движению увеличивается на пять процентов [87]. Тогда можно рассчитать минимальную высоту макрошероховатости, которая соответствует наименьшему значению сопротивления мокрого дорожного покрытия при движении. Наименьшая высота выступов макрошероховатости должна быть обязательно больше слоя воды активной толщины, которая вызывает при заданных скоростях аквапланирование [26, 87].

2.2.2.Схемы взаимодействия шины колеса

имакрошероховатого дорожного покрытия

После шероховатой поверхностной обработки вершины частиц щебня лежат примерно в одной плоскости (в плоскости катка), как это показано на рис. 2.4, где заштриховано сечение дорожного покрытия.

Плоскость катка

Сечение дорожного покрытия Рис. 2.4. Результат шероховатой поверхностной обработки

Реальная шина не проникает в пространство между зернами щебня

(рис. 2.5).

Шина

Рис. 2.5. Взаимодействие шины колеса и макрошероховатого дорожного покрытия

На сильно изношенном дорожном покрытии часто наблюдаются шероховатости в виде отдельно выступающих зерен щебня (рис. 2.6). На таком дорожном покрытии выступы поглощаются шиной.

Рис. 2.5 и 2.6 показывают, что для макрошероховатых дорожных покрытий взаимодействие шины колеса и покрытия происходит по ак-

93

тивным выступам, заполнения впадин не происходит. В этом заключается их существенное отличие от нешероховатых и сильно изношенных дорожных покрытий, для которых процесс взаимодействия идет по всей поверхности покрытия.

Шина

Рис. 2.6. Взаимодействие шины колеса и сильно изношенного покрытия

Макрошероховатость дорожного покрытия рассматривается как совокупность неровностей относительно базовой плоскости покрытия на уровне контакта шины автомобиля с поверхностью.

Возьмем в качестве базовой поверхности поверхность необработанного покрытия. В этом случае устраиваемая макрошероховатость может быть выполнена двумя противоположными способами [52, 53, 56, 57, 68]:

1.Элементы макрошероховатости наносятся на поверхность покрытия путем поверхностной обработки (рис. 2.7).

2.Элементы макрошероховатости устраиваются путем нанесения борозд или углублений (рис. 2.8).

Рис. 2.7. Схема нанесения элементов макрошероховатости на поверхность контакта

Рис. 2.8. Характерные элементы макрошероховатости в зоне шины с поверхностью покрытия

Для первого случая (см. рис. 2.7) новым геометрическим критерием будет разновысотность активных выступов, а для второго случая (см. рис. 2.8) – разноглубинность впадин. Расстояние между осями вы-

94

ступов или впадин (шаг) можно соответственно назвать разнодлинностью активных элементов выступов или впадин, которое будет отвечать за однородность элементов макрошероховатости.

2.2.3. Разработка критериев разновысотности, разноглубинности и разнодлинности макрошероховатости дорожного покрытия

В дорожной отрасли ранее применение геометрического параметра средней высоты выступов хорошо соответствовало возможностям нормирования макрошероховатости, например, для покрытий пешеходных переходов.

Текстура макрошероховатого дорожного покрытия представляет собой геометрические параметры зерен щебня, распределение и их число на поверхности. Геометрическая форма щебня ограничивается требованием по лещадности и возможна в форме куба, сфер и эллипсоидов вращения. Моделируя процесс контакта, мы описываем вершину зерна, взаимодействующую с колесом автомобиля. Эти вершины зерен щебня могут описываться формой сфер, конусов круглыми или плоскими вершинами, а также параболоида и гиперболоида вращения.

Распределение вершин зерен щебня по высотам профиля хорошо описывается законами распределения: нормальный, логарифмически нормальный, Пуассона, бета-распределения и др. Вершины зерен щебня участвуют в контакте, находящемся в приделах 0,05–0,1 от высоты макрошероховатой поверхности слоя, поэтому плотность распределения зерен (вершин) моделируют с помощью показательных зависимостей.

Теоретико-вероятностная модель износа макрошероховатой поверхности дорожного покрытия должна включать вероятность протекания износа для каждой формы зерен щебня, а также его величину. Вырывание зерен щебня из битума, истирание и скалывание вершин для упрощения относят также к основным видам износа. Но можно говорить лишь о тенденциях протекания указанного процесса. Математическая модель обязательно должна учитывать вероятности протекания данного процесса.

Процессы разрушений единичных зерен рассматривают как марковский процесс по дискретному времени и дискретному состоянию. Процесс контакта с изнашиванием – суперпозиция такого марковского процесса.

95

Определяются основные параметры макрошероховатости, которые вызывают изменение коэффициентов сцепления колес автомобилей с поверхностью дорожного покрытия. Количественная оценка макрошероховатости для дорожных покрытий регламентируется по высотным и шаговым параметрам, согласно ГОСТ 2789–73. Длина базы подбирается с учетом гарантирования точности замеров и размера пятна контакта автомобильного колеса транспортного средства с дорожным покрытием.

Предлагаем применять в новой интерпретации основные положения ГОСТ 2789–72 для проектирования и устройства макрошероховатых дорожных покрытий. Доминирующими параметрами являются разновысотность активных выступов шероховатости, разноглубинность впадин, разнодлинность расстояний между щебенками, а также их от-

носительные оценки [32, 118, 123, 138, 167, 174].

Для воспроизводимости результатов измерений и независимости от выбора базы измерения профиля рельефа необходимо перейти от измерения среднего значения к разбросу значений (дисперсии) высот выступов или впадин и к корреляционному анализу на основе упрощенных параметров в виде числа знакочередований или пересечений уровня.

В практике применения предлагается использовать разброс (дисперсию) высоты активных глубин (выступов, длин) макрошероватой поверхности как статистический инвариант, не зависящий от выбора базы измерения.

Но более информативным оказался переход, в развитие этой идеи,

канализу статистического распределения высот выступов. Объективные способы оценки шероховатости поверхностей могут быть разделены на две группы: способы, дающие такое изображение профиля поверхности, которое позволяет получить расчетным путем численный показатель степени шероховатости; способы, позволяющие оценивать шероховатость поверхности в виде некоторого суммарного (интегрального) численного показателя, находящегося в закономерной зависимости от макрошероховатости [32].

Использование положение ГОСТ 2789–73 показывает, что увеличение высоты (средней или максимальной) неровностей не приведет

кизменению условий, которые вызовут изменение измеряемых параметров трения. Аналогично методическому обеспечению государственного стандарта ГОСТ 2789–73 предлагается использовать способ

96

оценки среднеквадратического отклонения разновысотности, разноглубинности и разнодлинности шероховатости через показания десяти измерений активных выступов (впадин) и десяти выступов (впадин) на основе [32, 118, 123, 138, 167, 174]:

где yσ – оценка среднеквадратического отклонения разновысотности активных выступов; yiверх , yiнижн – результаты измерений пяти верхних и пяти нижних выступов; zσ – оценка среднеквадратического отклонения разноглубинности впадин; ziверх , ziнижн – результаты измерений пя-

ти верхних и пяти нижних впадин [174].

Аналогична оценка среднеквадратического отклонения разнодлинности:

где xσ – оценка среднеквадратического отклонения разнодлинности шага активных выступов и впадин; xi max , ximin – результаты измерений

шага между пятью максимальными и пятью минимальными выступами и впадинами [32].

Замер параметров макрошероховатости дорожного покрытия делается в разных точках дорожной поверхности (в поперечном и продольном направлениях). Разноглубинность впадин и разновысотность выступов, а также разнодлинность расстояний между щебенками предлагается оценивать дисперсией или среднеквадратическим отклонением. Это реализовано в прикладной программе «Шероховатость-2015». Классификация макрошероховатости дорожного покрытия производится по параметрам шероховатости σа ср, приведенным в табл. 2.3 [2, 118, 123, 138, 167, 174].

Определение геометрических параметров шероховатости производится с помощью профиломера по профилограмме. Отмечаются точки активных выступов и глубин впадин профиля, определяются частные параметры шероховатости.

97

При износе (приработке) активные элементы щебня приобретают выпуклые сглаженные формы. Количество щебня с выпуклой формой увеличивается.

Используя величину параметров макрошероховатости дорожных покрытий, устанавливают характеристики функциональных, эксплуатационных показателей. Можно определить динамику изменения их

впроцессе эксплуатации, состав и интенсивность нагрузок, виды используемого материала, а также подобрать технологию содержания и устройства [10–12, 25, 33, 35, 57–59, 61, 62, 64, 65, 67, 86, 94, 106].

Разновысотные активные выступы шероховатости контактируют с колесом транспортного средства. Разноглубинность впадин отвечает за объем раствора противогололедных материалов в пространстве между зернами щебенки. Выявлено, что антигололедное дорожное покрытие отличается повышенной разновысотностью и разноглубинностью. Разнодлинность отвечает за однородность покрытия.

Внастоящее время искусственные макрошероховатости создают

ввиде специальных канавок, сделанных поперек, или вдоль, или наискосок (диагонально) цементобетонного дорожного покрытия. Здесь определенный интерес вызывают исследования, в которых рассматриваются коэффициенты корреляции между дублями записи микропрофиля бесконтактным профилометром при различном расположении канавок. Отмечается, что наименьшие коэффициенты корреляции имеют место при продольном и диагональном направлении канавок. Все трудности устраняются, если полоса наката осредняется по площадке контакта, то есть не только по длине, но и по ширине.

98

2.2.4. Суммарная дисперсия для макрошероховатых дорожных покрытий, имеющих базу измерения

Для макрошероховатых дорожных покрытий, имеющих базу измерения, например щебеночно-мастичного асфальтобетона и цементобетонных покрытий с нанесенными рисками (см. рис. 2.8), предлагается еще один новый геометрический параметр. Это суммарная дисперсия шероховатости, которая равна сумме квадрата средней глубины активных впадин и дисперсии глубин активных впадин:

где S2 – суммарная дисперсия разноглубинности; Y2 – квадрат среднего отклонения глубин активных впадин; G2 – дисперсия глубин активных впадин.

На рис. 2.9 изображена геометрия определения геометрических параметров шероховатости для ЩМА.

Рис. 2.9 – Схема для оценки геометрических параметров шероховатости для ЩМА: 1 – поверхность дороги; 2 – зерна щебня; 3 –пассивные зерна скелета покрытия; Y1, Y2, Y3, Y4 – расстояние от базы измерения до открытых впадин; 4 – уровень вдавливания шины колеса при контакте с ЩМА; 5 – пространство между зернами, заполненное стабилизатором и битумом [113]

Количественной характеристикой является дисперсия, вычисляемая по формуле

N

(Yn − Y )2

99

где Y – среднее значение расстояния от базы измерений до глубин активных впадин Y n ,

Данный параметр не противоречит основным характеристикам макрошероховатых дорожных покрытий и относится к статистической оценке разноглубинности.

Этот геометрический параметр достаточно содержателен и информативен. Суммарная дисперсия используется для анализа шероховатости щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Глубина впадин активных щебенок определяется по глубине их вдавливания в резину протектора шины транспорта. Анализ показывает, что вдавливание в шину происходит примерно на глубину 3–5 мм. Кроме того, считается, что контакта колеса с основанием (дном) впадин щебеночно-мастичного асфальтобетона не происходит.

Аналогично определяется суммарная дисперсия для параметра «разнодлинность», который описывает однородность покрытия. Здесь также имеется база измерения, поэтому для любых макрошероховатых дорожных покрытий (см. рис. 2.7, 2.8) предлагается та же формула суммарной дисперсии, которая равная сумме квадратов среднего отклонения длины шага активных выступов (впадин) и дисперсии шага активных выступов (впадин):

где S2 – суммарная дисперсия разнодлинности; X2 – квадрат среднего шага активных высот (впадин); G2 – дисперсия шага активных высот (впадин).

Количественной характеристикой является дисперсия, вычисляемая по формуле

где X – среднеезначениешага дошагов активных выступов(впадин) X n ,

100