WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 8 |

Внешние источники влагонакопления 1, 2, 3 формируют температурно-влажностный режим в грунтовом массиве обочины А, который в виде внутреннего источника 4 взаимодействует с грунтовым массивом тела земляного полотна под проезжей частью Б (рис. 6).

Для того чтобы оценить ВТР земляного полотна, необходимо последовательно проанализировать влияние источников 1, 2, 3 на процесс влагонакопления в грунтовом массиве А, а затем рассмотреть процесс тепломассообмена в грунте под обочинами А и проезжей частью Б.

Если влияние источников 1, 2, 3 достаточно изучено и можно использовать существующие методы расчета влагонакопления в теле грунтового массива А под воздействием источников увлажнения 1, 2, 3, то характер тепломассообмена между грунтовыми массивами А, Б недостаточно изучен. А именно от характера этого процесса в конечном итоге зависит ВТР дорожной конструкции.

Рис.6. Источники увлажнения земляного полотна: 1 – инфильтрационно-пленочное увлажнение атмосферными осадками; 2 – капиллярно-пленочное увлажнение от поверхностных вод и верховодки; 3 – капиллярно-пленочное и диффузное увлажнение от грунтовых вод и верховодки; 4 – капиллярно-пленочное и диффузное увлажнение за счет разности потенциалов влажности и температуры в грунте под проезжей частью и обочинами; А – грунтовый массив земляного полотна под обочинами; Б – грунтовый массив тела земляного полотна под проезжей частью

Это влияние будет зависеть от характера потенциалов тепломассопереноса. Иными словами, представим, что потенциал тепломассопереноса в массиве А выше, чем в массиве Б, следовательно, влага из массива обочины будет перемещаться в массив тела земляного полотна, обусловливая избыточное влагонакопление и пучение грунта под дорожной одеждой, что крайне нежелательно.

Факторами, обусловливающими разность потенциалов в массивах А и Б, чаще других является перепад температур. Промерзание дорожной конструкции идет быстрее под проезжей частью, следовательно, за счет разности потенциалов осуществляется перемещение влаги из-под обочины в тело земляного полотна. При этом механизм этого процесса слагается из диффузного (начало промерзания) и пленочного перемещения влаги к границе льдообразования.

В весенний период наблюдается обратная картина: оттаивание быстрей происходит под проезжей частью, чем под обочинами, при этом выводящие дренажные слои, находящиеся в мерзлом состоянии, не работают, что свидетельствует о существенном конструктивном недостатке традиционной дорожной одежды.

Основной принцип регулирования ВТР в рассматриваемых условиях можно сформулировать следующим образом: конструкция дорожной одежды и земляного полотна должна обеспечивать внутреннее осушение массива грунта Б при его промерзании.

Чтобы достичь поставленной задачи, достаточно уравнять тепловое сопротивление дорожной конструкции под проезжей частью и под обочинами. Для этого необходимо обеспечить условие

R ДО RОБ, (34)

где RДО – суммарное тепловое сопротивление дорожной одежды и рабочего слоя земляного полотна под проезжей частью; RОБ – суммарное тепловое сопротивление рабочего слоя земляного полотна под обочинами.

В диссертации для практических расчетов эффективности того или иного мероприятия применено численное решение уравнения теплопроводности, полученное и реализованное в алгоритме и программном комплексе ЦНИИЛ ЦНИИС для решения задачи Стефана:

(мерзлая зона) (35)

(талая зона) (36)

(на границе промерзания)

(37)

где – температуры грунта в мерзлой зоне и в талой зоне, °С; х, у – координаты точки, для которой формулируется условие; – продолжительность периода промерзания, ч;, – коэффициент теплопроводности соответственно мерзлого и талого грунта, ккал/ (мч°С);, – удельная теплоемкость грунта, ккал/ м°С; – функция изменения во времени положения границы промерзания; – скрытая теплота при фазовом переходе воды в мерзлое состояние, ккал/м.

Важной составляющей сложного процесса, формирующего тепломассоперенос, является теплообмен на поверхности и контактных слоях дорожной одежды. При ее конструировании важно правильно оценить конечные результаты процесса: ускорять промерзание для районов с суровым климатом или замедлять его для районов с мягкими климатическими условиями.

Воздействие внешнего источника тепла на тепловое состояние данного физического тела зависит от самого источника и от условий теплообмена.

Влияя на отдельные составляющие теплообмена, можно добиваться необходимых параметров теплообмена и активно регулировать теплообмен дорожной конструкции. Это позволяет регулировать водно-тепловой режим земляного полотна для повышения эксплуатационной эффективности проектируемых дорожных конструкций.

Результатом внедрения проведенных теоретических и экспериментальных исследований явились разработанные с участием автора региональные дорожные нормы, методические рекомендации и технические условия на совершенствование конструкций автомобильных дорог Дальнего Востока.

В седьмой главе приводятся результаты исследования надежности автомобильных дорог; осуществлена статистическая обработка результатов; получены характеристики распределения случайных величин; разработана вероятностная модель, на основе которой получены нормативные значения надежности автомобильных дорог и осуществлено районирование территории южной и центральной частей Дальнего Востока по этому показателю.

Пути и методы обеспечения надежности дорожных конструкций нашли отражение в трудах В.К. Апестина, В.Ф. Бабкова, А.К. Бируля, В.В. Болотина, А.С. Буслова, А.П. Васильева, А.И. Долганова, И.А. Золоторя, В.Д. Казарновского, М.Б. Корсунского, А.М. Кулижникова, Е.М. Лобанова, В.П. Носова, В.А. Семенова, В.М. Сиденко, В.В. Сильянова, А.В. Смирнова, В.В. Ушакова, В.Н. Шестакова и других исследователей.

Под надежностью автомобильных дорог понимается их способность выполнять определенные задачи в естественных условиях эксплуатации с заданной вероятностью. Поэтому основным концептуально-методическим принципом обеспечения надежности дорожных конструкций является вероятностно-статистический.

Надежность автомобильных дорог – это сложная комплексная характеристика, на ее обеспечение влияют различные конструктивные элементы автомобильной дороги как в отдельности, так и в совокупности. Выход из строя или отказ одного из элементов может вызвать общий отказ всей дороги. Для характеристики безотказной работы такого значительного по протяжению комплексного сооружения, которым является автомобильная дорога, подходит понятие нерезервированной системы с постоянно включенным резервом.

Надежность автомобильной дороги может быть повышена за счет дублирования или резервирования ее элементов. Согласно основным правилам, вероятность безотказной работы системы Р можно рассматривать как произведение вероятностей элементов Рi, составляющих эту систему, если эти элементы выходят из строя независимо друг от друга. Под системой следует понимать инженерный комплекс – автомобильную дорогу, а под элементами такой системы – конструктивные элементы дорожной конструкции. Надежность такой системы

Р =. (38)

Дорожная конструкция, состоящая из n конструктивных элементов (дорожное покрытие, дорожная одежда, обочины, система водоотвода, искусственные сооружения на автомобильных дорогах), представляет собой дискретную систему. Эффективная работа каждого конструктивного элемента характеризуется определенной вероятностью частного отказа. Вероятность эффективного функционирования каждого элемента дорожной конструкции может быть найдена как

Р = 1-. (39)

Если автомобильная дорога представляет собой резервированную систему, то надежность ее работы может быть представлена асимптотической формулой большого резерва:

, (40)

где – частота отказа участка; – время работы одного участка до возникновения отказа.

Как правило, в резервированных системах эффективность работы достигается при n = 2, тогда период безотказной работы дорожной конструкции, состоящей из двух дублирующих элементов, составит

. (41)

В реальных условиях эксплуатации каждый элемент дорожной конструкции имеет свою степень надежности, общая же надежность автомобильной дороги определяется по формуле

Р = 1- (1- Р1) (1- Р2),… (1- Рn). (42)

Анализируя комплекс количественных характеристик надежности, можно прийти к выводу, что для такого комплексного сооружения, как автомобильная дорога, наиболее приемлема вероятность ее безотказной работы Р(t) в течение определенного времени службы.

Эксплуатация автомобильной дороги в течение расчетного срока службы представляет собой непрерывный процесс, таким образом, частота отказов и вероятность безотказной работы дорожных конструкций могут быть выражены как непрерывное распределение

А(t) =, (43)

Р(t) =1-. (44)

Для выбора критерия оптимальности, позволяющего адекватно оценить надежность автомобильных дорог, необходимо определить показатель, который наиболее полно отражает транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог. Интегральной характеристикой оценки транспортно-эксплуатационного состояния дороги является скорость движения, выраженная через коэффициент обеспечения расчетной скорости.

Для оценки надежности автомобильной дороги необходимо получить зависимость вероятностей отказа дорожной конструкции U(t) от обеспеченной дорогой скоростью движения.

Существует связь между скоростью движения и прочностью дорожных покрытий

, (45)

где и – коэффициенты, зависящие от типа покрытия, состава движения, роста его интенсивности; t – текущее время, годы, Кпр – коэффициент запаса прочности.

В большинстве случаев плотность вероятности коэффициента запаса прочности дорожных конструкций Кпр соответствует нормальному закону распределения:

f(Кпр) =, (46)

где m Кпр – математическое ожидание коэффициента запаса прочности; – среднеквадратичное отклонение случайной величины Кпр.

Плотность распределения изменения скорости движения f(v) выражается формулой

f(v) =. (47)

Вероятность отказа дорожной конструкции Р(v), находящейся в интервале vmin v vmax, будет

U(t) = Р(vmin v vmax) =. (48)

Тогда зависимость отказов дорожной конструкции, используя формулы (41-42), можно выразить формулой

U(t) = 1/2, (49)

где Ф – интегральная функция Лапласа; vmin – значение скорости движения, км/ч, при которой было зафиксировано минимальное значение Кпр; vmax – значение обеспеченной скорости движения при нормативном значении Кпр; – дисперсия случайной величины Кпр.

Нормативным документом «Проектирование нежестких дорожных одежд ОДН 218.046-01» в качестве критерия надежности установлено значение коэффициента запаса прочности Кпр по величине упругого прогиба при заданной обеспеченности.

Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил установить зависимости изменения случайной величины коэффициента запаса прочности Кпр на основных федеральных автомобильных дорогах Дальнего Востока. Были получены кривые фактической плотности распределения Кпр, соответствующие нормальному закону распределения и кривой Пирсона VII типа (рис.7). Установлены значения математического ожидания mКпр для кривых плотности распределения Кпр.

Уравнение кривой VII типа имеет вид

(50)

где ; (51)

– четвертый основной момент, представляющий нормированные численные характеристики свойств случайных величин и показывающий крутизну кривой относительно нормальной кривой распределения; – нормированный множитель, с помощью которого площадь всех кривых распределений должна равняться единице; и – постоянные, определяемые по формулам (51); – переменная в уравнении.

Для федеральной автомобильной дороги «Подъезд к г. Благовещенску» значение mКпр = 0,786, на федеральной дороге «Амур» Чита–Хабаровск это значение составило mКпр = 0,931 и на федеральной автомобильной дороге «Уссури» Хабаровск–Владивосток математическое ожидание mКпр = 0,73.

Таким образом, ни на одной из рассматриваемых автомобильных дорог значение математического ожидания mКпр коэффициента запаса прочности не находится в заданных пределах, установленных ОДМ 218.046-01.

Из результата проведенного анализа изменения фактической величины коэффициента запаса прочности Кпр на основных федеральных дорогах Дальнего Востока следует, что значения минимального коэффициента Kпp, назначаемого при проектировании дорожных конструкций в соответствии с ОДМ 218.046-01, недостаточно для федеральных и территориальных дорог, находящихся в сложных природно-климатических условиях региона.

На основании статистических данных и полученных кривых распределения случайной величины коэффициента запаса прочности Кпр проведено моделирование этой величины и получено ее требуемое значение при заданной надежности для расчетного срока службы в рассматриваемых сложных природно-климатических условиях.

Рис. 7. Распределение величины коэффициента запаса прочности Кпр на федеральной дороге Чита–Хабаровск «Амур»

Общий способ моделирования случайной величины по заданному закону распределения заключается в решении уравнения

(52)

где – равномерно распределенная величина в интервале.

Интегрирование выполняется до тех пор, пока не найдена площадь.

Верхняя граница, при которой прекращается интегрирование, является искомой величиной, т.е. – это случайная величина с плотностью распределения

. (53)

При равномерном распределении на участке

(54)

где – псевдослучайное число (генерируемое на ЭВМ).

Наиболее часто при назначении минимального требуемого значения коэффициента запаса прочности Kпp для дорожных одежд автомобильных дорог используется нормальное распределение изменения рассматриваемой случайной величины. Это подтверждают исследования, проведенные для основных федеральных автомагистралей Дальнего Востока.

Так, рассматривается сумма Ее среднее значение равно и дисперсия Следовательно, случайная величина

. (55)

Полученные фактические данные изменения коэффициента запаса прочности Kпp на основных федеральных автомобильных дорогах Дальнего Востока позволили провести моделирование изменения рассматриваемой характеристики. При моделировании изменения случайной величины Kпp, подчиняющейся нормальному закону распределения, использован алгоритм, основанный на центральной предельной теореме.

В соответствии с изложенным, для получения модели изменения коэффициента запаса прочности был разработан программный комплекс «Road», реализующий наполнение базы данных для моделирования заданных значений Kпp. Данная программная система позволяет реализовать следующие функции:

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 8 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»