Quality road surfacing: two stages of control over design concept

Kamenchukov Aleksey Viktorovich PhD in Technical Science Docent, the department of Vehicular Roads, Pacific National University 680035, Russia, Khabarovskii krai, g. Khabarovsk, ul. Tikhookeanskaya, 136, aud. 126p 006641@pnu.edu.ru

Введение

Проектирование дорожных одежд — это важный и очень ответственный этап проектирования автомобильных дорог, от качества выполнения которого напрямую зависит не только долговечность сооружения, но и комфорт и безопасность движения по автомобильной дороге ^{[1 - 3]}.

На сегодняшний день в России конструирование и проектирование дорожных одежд выполняется на основе таких нормативных документов как ПНСТ 265-2018 Дороги автомобильные общего пользования. Проектирование нежестких дорожных одежд, ОДН 218.046-01 Проектирование нежестких дорожных одежд, ОДМ 218.2.104-2020 Альбом типовых конструкций нежестких дорожных одежд в различных дорожно-климатических условиях, МОДН 2-2001 Проектирование нежестких дорожных одежд, а так же ОДН 218.1.052-2002 Оценка прочности нежестких дорожных одежд. Сравнение и оценка эффективности вариантов дорожных одежд выполняется в соответствии с ВСН 21-83 Указания по определению экономической эффективности капитальных вложений в строительство и реконструкцию автомобильных дорог ^{[3 - 8]}.

Требования всех вышеперечисленных стандартов необходимо однозначно учитывать при проектировании дорожных одежд на городских и загородных дорогах. Естественно, что для всесторонней оценки проектного решения необходимо использовать современные программы комплексы, использующие в своей основе аппарат математического моделирования и линейного, а иногда и динамического, программирования.

Этап 1. Выбор эффективного варианта проектного решения

В большинстве организаций по проектированию автомобильных дорог для оценки эффективности проектных решений используют актуализированную методику по ВСН 21-83 Указания по определению экономической эффективности капитальных вложений в строительство и реконструкцию автомобильных дорог. Данная методика позволяет всесторонне оценить эффект от строительства дороги основываясь на таких данных как длина трассы, объем земляных работ, коэффициенты аварийности и безопасности движения, капитальность и стоимость дорожной одежды, интенсивности и состав движения, стоимость перевозок. К сожалению, этот способ не может служить источником достоверной информации на стадии выдра и проверни отдельных проектных решений, так как для его применения необходим полностью готовый проект автомобильной дороги.

Именно поэтому на кафедре Автомобильные дороги Тихоокеанского государственного университета, в рамках кандидатской диссертации, а также последующих гранта РФФИ (2015-2016) и гранта Правительства Хабаровского края (2020) выполнено исследование по созданию универсальной методике оценки эффективности проектирования дорожных одежд на основе комплексного показателя эффективности учитывающего эксплуатационные и экономические факторы ^{[9 - 12]}.

Показателем оценки эксплуатационной эффективности конструкции является коэффициент прочности дорожной одежды. Экономическая оценка выполняться по суммарной стоимости устройства конструктивных слоев на участке стандартной площади (1000 м2 или 1 м2). В модели так же учитывается разнонаправленность факторов, а именно то, что коэффициент прочности стремится к максимуму, а стоимость к минимуму.

Для каждого варианта конструкции рассчитывается коэффициент эффективности:

(1)

(2)

где IЭ – индекс или степень отклонения от идеального проектного решения; ωi – степень отклонения от идеального проектного решения по экономическому и эксплуатационному показателю; ρ1 и ρ2 – весовые коэффициенты или уровень значимости эксплуатационного и экономического показателя соответственно.

Степень отклонения от идеального проектного решения определяется индивидуально для выбранной группы проектных решений. Для каждой группы проектных решений идеальные значения выбираются из допустимой области решений, то есть из самой группы, при этом объем группы должен состоять минимум из 3 проектных решений. Тогда идеальными проектными решениями будут являться значения максимального коэффициента прочности и минимальной стоимости. Величина ωi определяется следующим образом

- эксплуатационный показатель:

(3)

- экономический показатель:

(4)

где µ – коэффициент предпочтения. Как правило, µ = 1, 2, … n, в нашем случае µ = 1; Kmin, Kmax – наибольшее и наименьшее значения рассматриваемого критерия (эксплуатационного или стоимостного.

Рекомендуемые весовые коэффициенты определены методом экспертных оценок и представлены в таблице 1.

Таблица 1

Предлагаемая методика реализована совместно с НПФ «Топоматик» в программном комплексе «Топоматик Robur – Дорожная одежда».

В программном комплексе эксплуатационный показатель (коэффициент прочности) возможно определить двумя способами:

- Минимальное значение по ПНСТ 265-2018.

- Среднее значение между коэффициентами прочности всех конструктивных слоев.

Минимальное значение коэффициента прочности определяется согласно п. 10.1.3 ПНСТ 265-2018 «…превышение значения одного из критериев, имеющего минимальное значение, должно быть не более 5 % ...» при условии выполнения остальных критериев прочности. Таким образом учитывается только одно, минимальное значение коэффициента прочности, взятое по условию упругого прогиба, сдвигу или растяжению при изгибе. Остальные значения коэффициентов прочности не учитываются при сравнении вариантов, но безусловно они должны выполняться.

В программе реализован гибкий алгоритм оценки проектных позволяющий в режиме диалога корректировать условия оптимизации (рисунок 1)

Рисунок 1. Окно оценки проектных решений.

Для удобства окно сравнения вариантов разбито на 3 блока:

1. Варианты – в поле представлены технические и экономические параметры всех вариантов дорожной одежды, а именно: Эффективность выбора, %; Стоимость; Толщина, см; Коэффициент прочности; Эквивалентная стоимость; Эквивалентная прочность.

Эквивалентные стоимость и прочность изменяются в пределах от 0 до 1, и показывают величину отклонения от идеального значения. За идеальные значения выбираются автоматически из вариантов и соответственно принимаются равными минимальной стоимости и максимальному коэффициенту прочности.

2. Конструкция – в поле указано название выбранного варианта, перечень и толщина всех его конструктивных слоев.

3. Настройки оптимального выбора – в поле представлена справочная информация о критериях оптимального выбора конструкции, а также указываются предпочтения между стоимостью (дешевизной) и прочностью конструкции.

Таким образом использование методики сравнения вариантов дорожных одежд позволяет инженеру проектировщику быстро и просто определить наилучшее проектное решение и предоставить заказчику обоснованный ответ на вопрос «Какую конструкцию дорожной одежды наиболее целесообразно применять в заданных проектных условиях?».

Этап 2. Математическое моделирование работы проектного решения

Для решения задач оценки эффективности и надежности проектных решений в практике отечественного и зарубежного строительства применяются современные программно-вычислительные комплексы, такие как: GeoStab, GenIDE32, Geo5 и другие ^{[13 - 15]}. Данные программы комплексы используют сложные математические алгоритмы, основанные на методе конечных элементов, и позволяют решать следующие инженерно-технические задачи, в сфере оценки надежности проектирования и строительства автомобильных дорог, надежности работы системы «землянок полотно – дорожная одежда»:

- Оценка напряженно-деформированного состояния системы;

- Расчет осадки насыпи ^[16];

- Оценка устойчивости откосов ^[17]

Оценка напряженно-деформированного состояния системы методом конечных элементов позволяет определить уровень изменения состояния конструкции во времени под действием внешних природных и техногенных факторов (рисунок 2, рисунок 3).

Рисунок 2. Объемные деформации системы, в %, после 1 года эксплуатации.

Рисунок 3. Сдвигающие напряжения, в кПа, на 7 сутки эксплуатации.

Выбор материальной модели и последующее задание параметров материалов и грунтов представляют собой одну из наиболее важных и в то же время самых проблемных задач при моделировании конструкции методом конечных элементов.

Правильный выбор материальной модели является необходимым условием правильного моделирования конструкции. Математические модели можно разделить на две основные группы:

- Линейные модели;

- Нелинейные модели.

Линейные модели дают относительно быструю, но не очень точную оценку массива грунтов. Эти модели могут быть использованы в случаях, когда необходимо определить только напряженно-деформационного состояния грунтовых масс. Они могут быть использованы для моделей поведения грунтов в регионах, где имеются только локальные (местные) разрушения без эффекта глобальных инженерно-геологических процессов, но которые могут быть причиной преждевременной потерей от конвергенции грунта.

Большинство нелинейных моделей основаны на классической модели разрушения Мора-Кулона и позволяют моделировать упругие (модуль упругости Е) и пластические свойства материалов и грунтовых массивов. Общей особенностью этих моделей является развитие неограниченных упругих деформаций при загрузке по геостатической оси.

Применение нелинейных моделей также позволяет увидеть типичные нелинейные реакции грунтов. Они описывают развитие постоянной (пластической) деформации σ и перемещения ε грунта, позволяют определить границы и поверхности текучести материалов и грунтовых массивов (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема нелинейной модели напряженно-деформированного состояния грунта

Таким образом можно моделировать работу конструкции на протяжении всего жизненного цикла и предусмотреть своевременное внедрение мероприятий для повышения эксплуатационной надежности системы.

Расчет осадки насыпи позволяет определить вертикальные перемещения земляного полота под действием собственного веса и транспортной нагрузки, а также вывести график деформации основания (рисунок 5).

Рисунок 5. Осадка насыпи, в мм, после года эксплуатации.

Знание динамики осадки насыпи и возникающих в результате этого деформаций позволяет спрогнозировать появление и развитие на покрытии зоны сжимающих и растягивающих, то есть зон образования трещин. Эффективное внедрение в проектные решения объемных георешеток и геосеток позволит компенсировать очаги развития напряжений и уменьшить осадку насыпи.

Третьим важным элементом проверки работоспособности системы «земляное полотно – дорожная одежда» является оценка устойчивости откосов насыпи и склонов, на которых расположена автомобильная дорога. Следует помнить, что сползание откоса может произойти не только под действием внешнего воздействия нагрузки от транспортных средств и собственного веса насыпи, по и под влиянием естественных факторов, главным из который является переувлажнение грунта под действием осадков и грунтовых вод.

Оценка устойчивости откосов и поверхностей выполняется методом расчета кругло-цилиндрических поверхностей скольжения. Все методы предельного равновесия допускают, что массив грунта над поверхностью скольжения делится на блоки (разделяющие плоскости между блоками всегда вертикальны). На блоки действуют сжимающие E и нормальные X силы, возникающие между блоками, сдвигающие N и нормальные T силы, возникающие внутри блока, а также вес грунта W внутри блока. В общем виде схема сил, действующих на отдельные блоки, представлены на рисунке 6.

Рисунок 6. Статическая схема участка поверхности скольжения.

Возможность расчета одиночных, оптимальных и сетей поверхностей скольжения позволяет всесторонне оценить эффективность работы конструкции и подобрать, при необходимости, такой вариант укрепления откосов, который позволит максимально снизить возможность потери устойчивости (рисунок 7).

Рисунок 7. Оценка устойчивости откосов.

Заключение

Применение современных методов математического анализа, линейного и динамического программирования, а также средств математического моделирования материалов и грунтово-геологических систем позволяет решить важные инженерно-технические задачи, повысить качество и безопасность объектов транспортного строительства.

Применение комплексного показателя эффективности строительства дородных одежд, в сочинении с программными комплексами оценки напряженно-деформированного состояния грунтово-геологических систем позволяют практически полностью исключить ошибки проектирования и обеспечить максимальную надежность и безопасность строящихся и реконструируемых автомобильных дорог.