Введение к работе
Актуальность темы исследования. Суммарная работа внешних
транспортных воздействий влечёт за собой накопление внутренних
изменений в системе «нежёсткая дорожная одежда – земляное полотно».
Такие изменения могут выражаться как через разрушения (трещины,
выбоины), так и через необратимое деформирование (колейность, волны,
наплывы, гребёнка, вмятины). Динамика накопления изменений во многом
определяется комплексом факторов транспортной нагрузки и
метеорологических условий, которые влияют, прежде всего, на водно-тепловой режим дорожной одежды и земляного полотна. Таким образом, разработка метода прогнозирования и оценки эксплуатационного состояния нежёстких дорожных одежд на основе модели, способной учитывать основной комплекс стохастических факторов эксплуатационных условий, обладает научной актуальностью.
Степень разработанности темы. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные широким кругом научных работников и специалистов, способствовали формированию принципиально новой концепции проектирования и расчёта нежёстких дорожных одежд с учётом процесса накопления остаточных деформаций, наибольший вклад в развитие которой внесли Н.Н. Иванов, А.К. Бируля, А.П. Васильев, И.А. Золотарь, В.Д. Казарновский, Б.С. Радовский, А.В. Смирнов, Ю.М. Яковлев, В.П. Матуа, А.С. Александров, В.К. Апестин, В.А. Давыдов, М.С. Коганзон, С.Ю. Каныгина, Г.Н. Кирюхин, С.В. Лугов, З.А. Мевлидинов, А.А. Негомедзянов и др. При этом при проектировании дорожных одежд остаётся проблема всесторонней и комплексной оценки их поведения на стадии эксплуатации. Прежде всего, недостаточно и неполно учитываются параметры, влияющие на работу нежёстких дорожных одежд (параметры транспортного воздействия и водно-теплового режима).
Цель работы – разработка метода прогнозирования
эксплуатационного состояния нежёстких дорожных одежд, основанного на современных представлениях о причинах и механизмах деформационных процессов, происходящих в многослойных системах, которые моделируются фрагментированным набором частиц, нагружаемых внешним воздействием от транспортных нагрузок.
Задачи исследования
-
Сформулировать понятия об эксплуатационном состоянии и работоспособности нежёстких дорожных одежд, которые отвечают современным представлениям о поведении дорожных одежд. Определить и обосновать показатели и критерии оценки эксплуатационного состояния и работоспособности нежёстких дорожных одежд.
-
Сформулировать основополагающие требования к адекватности модели нежёстких дорожных одежд для прогнозирования их эксплуатационного состояния на новых методологических принципах.
-
Разработать модель, алгоритм и программное обеспечение для прогнозирования эксплуатационного состояния нежёстких дорожных одежд.
-
Разработать математическую модель эквивалентной длительности нагружения нежёстких дорожных одежд транспортными нагрузками.
-
Провести теоретические, натурные и лабораторные исследования, а также выполнить моделирование процессов и параметров водно-теплового режима дорожной одежды и земляного полотна.
-
Провести теоретические и натурные исследования, а также выполнить моделирование характеристик транспортного потока.
-
На основании вычислительного эксперимента выполнить комплексное моделирование работы нежёстких дорожных одежд с целью прогнозирования изменения их эксплуатационного состояния. Полученные результаты сопоставить с данными обследования эксплуатируемых дорожных одежд.
Объектом исследования является система «нежёсткая дорожная одежда – земляное полотно» автомобильных дорог.
Предметом исследования является система «нежёсткая дорожная одежда – земляное полотно», нагружаемая транспортными нагрузками и факторы для разработанной модели прогнозирования.
Научная новизна состоит в разработке нового подхода к исследованию процесса снижения эксплуатационного состояния нежёстких дорожных одежд с использованием современного метода моделирования, позволяющего получать качественную и количественную оценку процессов необратимого деформирования слоёв конструкции нежёстких дорожных одежд. Созданы математический аппарат и программный комплекс, позволяющие учитывать наиболее существенные параметры стохастических процессов водно-теплового режима и многоциклового нагружения нежёстких дорожных одежд.
Теоретическая значимость работы состоит в исследовании факторов, обусловливающих работу нежёстких дорожных одежд для прогнозирования их эксплуатационного состояния через учёт накопления остаточных деформаций.
Практическая значимость работы заключается в разработке нового метода оценки изменения эксплуатационного состояния нежёстких дорожных одежд для корректировки проектных решений с целью обеспечения безотказной работы нежёстких дорожных одежд в пределах установленных значений показателей ровности и прочности.
Методология и методы исследования. При решении поставленных
задач использовались имитационное моделирование, планирование
эксперимента, исследование операций, регрессионный и дисперсионный анализы и др.
Положения, выносимые на защиту
1. Концепция изменения эксплуатационного состояния нежёстких
дорожных одежд, происходящего при накоплении остаточных
деформаций в слоях дорожной одежды и земляном полотне в переменных во времени условиях работы (эксплуатации).
-
Модель прогнозирования накопления остаточных деформаций в слоях нежёстких дорожных одежд и зоне возникновения активных напряжений сдвига земляного полотна.
-
Алгоритм и программный комплекс для прогнозирования эксплуатационного состояния нежёстких дорожных одежд с учётом происходящих изменений структуры и формы в слоях дорожной одежды и земляном полотне.
-
Методы исследований факторов модели прогнозирования эксплуатационного состояния нежёстких дорожных одежд (факторов транспортного нагружения и водно-теплового режима).
-
Новые шкалы, аналитические зависимости, алгоритмы и вычислительные программы, полученные в ходе исследований факторов модели прогнозирования эксплуатационного состояния нежёстких дорожных одежд.
-
Результаты экспериментального моделирования изменения эксплуатационного состояния нежёстких дорожных одежд и конструктивные решения нежёстких дорожных одежд, разработанные на основе полученных решений.
Степень достоверности научных положений, теоретических решений и полученных результатов подтверждается строгостью соблюдения основных принципов математического моделирования, теории механики грунтов и дорожно-строительных материалов, теории вероятности и математической статистики, сходимостью расчётных данных с модельными аналогами, созданными на иных физико-математических принципах и прошедшими экспериментальную проверку, а также сходимостью с данными натурных исследований.
Реализация результатов работы. Разработанные методики и блоки программного комплекса прошли апробацию для практического применения:
при обследовании автомобильных дорог и искусственных сооружений, планируемых к эксплуатации при работах по строительству магистрального Северо-Европейского газопровода в Вологодской и Ленинградской областях;
при камеральных работах по оценке и прогнозу состояния автомобильных дорог для обслуживания газопровода СРТО-Торжок в Архангельской, Вологодской, Тверской и Ярославской областях, газопровода-отвода к городам Архангельск, Северодвинск в Архангельской области, газопровода Починки-Изобильное-Северо-Ставропольское ПХГ в Волгоградской и Саратовской областях;
при корректировке дорожной одежды с покрытием из сероасфальтобетона на опытном участке автомобильной дороги «Тулун-Братск» в Иркутской области с км 121 по км 128 для прогнозирования развития дефектов;
при прогнозировании транспортного развития улично-дорожной сети у проектируемой станции метро «Технопарк» в г. Москве;
в научном разделе проектной документации для прогнозирования эксплуатационного состояния дорожной одежды по основному ходу участка автомобильной дороги от Боровского шоссе до пересечения с ул. Горького в посёлке Кокошкино в г. Москве;
. в теме НИР Федерального дорожного агентства Министерства транспорта РФ: «Разработка методики и альфа-версии программного обеспечения по расчёту нежёсткой дорожной одежды» (контракт № ФДА 47/458 от 19.11.2014г.).
Материалы исследования используются в учебном процессе Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета при изучении дисциплин «Основы теории надёжности автомобильных дорог», «Расчёт конструкций дорожных одежд», «Анализ состояния дорожных покрытий автомагистралей» при подготовке магистров. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах.
Научно-методические и научно-практические конференции (МАДИ, Москва, 1997, 1998, 1999, 2008 гг.).
Всероссийский семинар-совещание руководителей дорожных научных и проектных организаций (Суздаль, 1998 г.).
Международная научно-техническая конференция «Реконструкция и ремонт транспортных сооружений в климатических условиях Севера» (АГТУ, Архангельск, 1999 г.).
Межрегиональная научно-практическая конференция «Современные проекты, технологии и материалы для строительного, дорожного комплексов и жилищно-коммунального хозяйства» (БГИТА, Брянск,
2002 г.).
Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современного дорожного строительства и хозяйства» (ВоГТУ, Вологда, 2002 г.).
1-я Международная научно-практическая конференция «Современные проекты, технологии и материалы для строительного, дорожного комплексов и жилищно-коммунального хозяйства» (БГИТА, Брянск,
2003 г.).
Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений» (ВоГТУ, Вологда, 2003 г.).
Научно-техническая конференция «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» (ПГТУ, Пермь, 2008 г.)
Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения» (ПГТУ, Пермь, 2009 г.).
Международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития евроазиатских транспортных систем» (ЮУрГУ, Челябинск, 2009 г.)
V-я Международная научно-техническая конференция «Современные научно-технические проблемы транспорта» (УлГТУ, Ульяновск, 2009 г.).
Международная научно-практическая конференция «Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды» (ПГТУ, Пермь, 2010 г.).
Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием «Современные научные исследования в дорожном и строительном производстве» (ПГТУ, Пермь, 2011 г.).
Научно-методический семинар (СибАДИ, Омск, 2012 г.).
Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов» (ПГТУ, Йошкар-Ола, 2013 г.)
3-я Международная научно-практическая конференция «Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах» (БГИТА, Брянск, 2013 г.).
Международная научно-практическая конференция «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (ПНИПУ, Пермь, 2015 г.).
Расширенное заседание кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» (МАДИ, Москва, 2015 и 2016 гг.).
Публикации. Основные результаты по диссертации опубликованы в 54 работах, в том числе 3 нормативных документах. В рекомендованных ВАК РФ изданиях опубликовано 19 работ, а также 3 работы в изданиях, входящих в базу данных Scopus. Получен патент на изобретение и зарегистрировано 4 программы для ЭВМ. В опубликованных работах автору принадлежат основные идеи, теоретический и экспериментальный материал, выводы.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и семи приложений. Общий объём работы составляет 388 страниц, в том числе 133 рисунка и 114 таблиц. Список литературы включает 241 наименование.