Действующие нормативы в сфере диагностики подразумевают оценку технического состояния дороги по комплексному показателю –эксплуатационному коэффициенту обеспеченности расчетной скорости. Однако выполняемый при его расчете переход от фактических значений показателей ровности, сцепления, прочности к важнейшему потребительскому свойству дороги – скорости не дает необходимой информации специалистам для принятия конкретных инженерных решений. На уровне пользователей дороги коэффициент обеспеченности расчетной скорости прекрасно характеризует качество объекта дорожной инфраструктуры, но для назначения ремонтных работ требуется анализ исходных данных, полученных по результатам диагностики. Таким образом, фактически выполняется двойная работа: сначала для оценки состояния участков автомобильных дорог данные полевых измерений приводят в форме линейного графика оценки транспортно-эксплуатационного состояния дороги, а затем, в случае неудовлетворительного состояния, снова обращаются к исходным материалам для назначения конкретных ремонтных мероприятий.
Для устранения приведенных проблем технической политикой Государственной компании «Российские автомобильные дороги» предусмотрен подход к управлению состоянием автомобильных дорог, основанный на анализе их остаточного рабочего ресурса. К основным целям оценки остаточного ресурса нежестких дорожных одежд относятся:
– разработка стратегии принятия решений по управлению состоянием автомобильных дорог для обеспечения расчетного срока службы и эксплуатационной надежности дорожных конструкций;
– определение времени эффективного проведения упредительных ремонтных работ;
– назначение необходимых организационно-технических и диагностических мероприятий.
Оценку остаточного ресурса дорожных конструкций выполняют проектные организации при разработке проектов ремонтных мероприятий на автомобильных дорогах, а также структурные подразделения Государственной компании «Автодор» или специализированные организации, занимающиеся диагностикой автомобильных дорог, при средне- и долгосрочном планировании ремонтных работ.
Ключевыми понятиями являются расчетный ресурс дорожной конструкции и остаточный ресурс дорожной конструкции. Под расчетным ресурсом понимают суммарное число приложений расчетной нагрузки (осевая нагрузка 115 кН) на дорожную конструкцию за расчетный (межремонтный) срок службы, а под остаточным ресурсом – суммарное число приложений расчетной нагрузки от текущего момента эксплуатации до достижения дорожной конструкцией предельного состояния (требующего проведения капитального ремонта).
Фактический срок службы эксплуатируемых дорожных конструкций может отличаться от расчетного вследствие действия комплекса факторов, определяемых особенностями условий нагружения (интенсивность, состав, скорость движения транспортных потоков), изменением показателей транспортно-эксплуатационного состояния.
Рис.1. Изменение срока службы дорожной конструкции в зависимости от условий нагружения и прогнозирование ее остаточного ресурса
Рис. 2. Алгоритм принятия проектных решений на стадии работ по капитальному ремонту, ремонту дорожных одежд с учетом прогнозирования их остаточного срока службы
Оценить остаточный ресурс можно двумя способами. Первый – расчет остаточного ресурса с учетом фактической интенсивности движения на участке автомобильной дороги по формуле:
,
где
– расчетный ресурс нежесткой дорожной конструкции, определяемый на стадии проектирования по прогнозным данным об интенсивности движения на расчетный срок службы, – расчетный ресурс дорожной конструкции, определяемый по данным о фактической интенсивности движения, получаемой со стационарных постов наблюдения Государственной компании.
Этот путь эффективен для оценки остаточного ресурса дорожных одежд на новых участках автомобильных дорог, находящихся в эксплуатации до 5 лет, при наличии проектных данных.
Рис. 3. Расчет остаточного ресурса нежестких дорожных конструкций (срок эксплуатации < 5 лет)
Второй способ – оценка остаточного ресурса дорожной одежды по данным о ее фактическом состоянии, что позволяет более точно оценить остаточный ресурс дорожной одежды. В этом случае фактический остаточный ресурс нежесткой дорожной одежды определяется исходя из структурных показателей (параметров, характеризующих общее состояние всей конструкции): коэффициента прочности (Кпр=Eф/Етр[1]) в соответствии с кривой деградации прочности, приведенной на рисунке 3, и визуальной оценки состояния покрытия дорожной одежды. Данный подход в первую очередь следует применять при оценке ресурса нежестких дорожных одежд на участках автомобильных дорог, находящихся в эксплуатации более 5 лет
[1]Еф – фактический общий модуль упругости дорожной одежды, МПа; Етр – требуемый общий модуль упругости дорожной одежды, МПа.
Рис. 4. Проектная кривая деградации прочности дорожной одежды в течение расчетного срока службы
В рамках реализации представленной методологии в 2016 году была проведена оценка остаточного ресурса на участках автомобильных дорог Государственной компании, находящихся в эксплуатации менее 5 лет. Перечень данных участков представлен в таблице 1.
Таблица 1 Участки, на которых осуществлялась оценка остаточного ресурса нежестких дорожных одежд исходя из условий нагруженности
Фактическая интенсивность движения на каждом из участков, необходимая для расчета фактического суммарного числа приложений расчетной нагрузки, принималась по данным, получаемым со стационарных постов наблюдения Государственной компании. Для каждого участка строилась гистограмма фактического и прогнозного накопления расчетной нагрузки (рис. 5).
В качестве примера рассмотрен участок автомобильной дороги М-4 «Дон», км 860 – км 877, имеющий следующие параметры:
– год приемки объекта в эксплуатацию – 2010-й (реконструкция);
– расчетная нагрузка – автомобиль группы «А» с нагрузкой на ось 115 кН;
– уровень надежности – 0,98;
– требуемый модуль упругости дорожных конструкций – 345 МПа;
– расчетный ресурс дорожной одежды (суммарное число приложений нагрузки (проектное) – 4 979 805 ед.;
– расчетный срок службы дорожной одежды – 16 лет;
– толщина слоев асфальтобетона – 20 см, основания – 60 см;
– фактическая интенсивность движения и состав транспортного потока приведены в таблице 2.
Анализ исходных данных позволяет сделать следующие выводы:
- основная особенность фактического состава транспортного потока заключается в высокой доле грузовых транспортных средств, которые составляют 51 % от общего количества автомобилей, 30 % транспортных средств в потоке представлено автопоездами;
фактический прирост интенсивности движения за предыдущий год эксплуатации составляет 13 %, что существенно превышает заложенное при проектировании значение.
Рис. 5. Пример гистограммы накопления суммарного количества приложений расчетной нагрузки на участке а. д. М-4 «Дон», км 860 – км 877
В результате расчетов суммарного количества приложений расчетной нагрузки (рис. 5) с учетом фактических характеристик транспортного потока установлено, что с момента ввода в эксплуатацию, до текущего момента (5 лет) конструкция дорожной одежды испытала 1 491 613 приложений расчетной нагрузки, что соответствует 30 % расчетного ресурса дорожной конструкции. Следовательно, остаточный ресурс составляет 70 %.
Согласно данным проекта, на текущий момент эксплуатации дорожная конструкция должна претерпеть 1 311 635 приложений расчетной нагрузки, что соответствует 26 % расчетного ресурса дорожной конструкции. В этом случае остаточный ресурс на текущий период эксплуатации должен составлять 74 %. Таким образом, в соответствии с СТО АВТОДОР 2.4-2013 коэффициент прочности дорожной одежды на данном этапе эксплуатации должен быть равен Кпр=1,27.
Уменьшение расчетного остаточного ресурса на 4 % по отношению к проектному объясняется более интенсивным ежегодным приростом интенсивности движения и большой долей грузовых транспортных средств в потоке.
Аналогично был произведен расчет фактического остаточного ресурса и для остальных участков в соответствии с таблицей 1. Результаты расчета приведены в таблице 3
Анализируя таблицу 3, можно сделать вывод, что на основной протяженности обследованных участков остаточный ресурс дорожной конструкции близок к проектным значениям. Однако на участках км 591+000 – 633+000, 777+000 – 860+000 и км 1166+000 – 1187+700 отмечаются отклонения фактического остаточного ресурса от проектных значений. В первую очередь это может быть связано с резким ростом интенсивности движения, а также с изменением состава транспортного потока, вызванного увеличением количества тяжелогруженых многоосных транспортных средств. Для обоснования необходимости выполнения ремонтных работ на данных участках в настоящее время производится оценка фактического остаточного ресурса дорожной конструкции в соответствии со вторым способом.
Эти данные являются актуальными в первую очередь для проектировщиков, так как позволяют им разрабатывать проекты ремонтных мероприятий, например расчет слоев усиления, опираясь на фактические данные о модулях упругости слоев дорожной одежды, полученных в ходе диагностики. Для заказчика, в свою очередь, применяемая технология позволяет контролировать, анализировать состояние дорожных конструкций и управлять состоянием автомобильных дорог, акцентируя внимание на участках, требующих особого внимания или проведения работ по ремонту или капитальному ремонту участков дорог.
На рисунке 6 изображен график транспортно-эксплуатационного состояния участка автомобильной дороги М-1 «Беларусь». Используя данные диагностики и полученные результаты применения установок FWD, возможно с большей точностью определять участки, где проведение ремонтных мероприятий необходимо, а используя программные разработки и надстройки, возможно исключить влияние человеческого фактора и вероятность неверного выбора участков или их границ.
В заключение можно сделать следующие выводы:
- Планирование различных видов дорожных работ на основе остаточного ресурса на текущем этапе эксплуатации позволяет оценивать эффективность вариантов назначенных мероприятий по продлению срока службы дорожных конструкций.
- Для ежегодной оценки технического состояния автомобильных дорог необходимо выполнять измерения сцепных свойств дорожного покрытия, продольной ровности дорожного покрытия и регистрацию дефектов дорожного покрытия. На основе полученных данных о деградации продольной ровности и выявленных дефектах покрытия назначаются участки для оценки прочности и модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций с использованием установок ударного нагружения типа FWD.
- Установки ударного нагружения FWD позволяют осуществлять диагностику прочности нежестких дорожных одежд на протяженных участках автомобильных дорог и определять локальные участки снижения прочности дорожной одежды ниже заданного на стадии проекта значения минимально требуемого общего модуля упругости, что делает эту информацию крайне ценной как для проектных организаций, так и для организаций, занимающихся содержанием автомобильных дорог.
- Не менее важным является возможность использования установки ударного нагружения FWD для оценки состояния цементобетонных (жестких) дорожных одежд. В течение года специалистами Государственной компании планируется выполнение работ по модернизации измерительного оборудования и разработке методики оценки несущей способности цементобетонных покрытий.
Первая часть работ касается конструктивного обеспечения ударных (импульсных) нагрузок в диапазоне 6,8–75 кН и точности позиционирования плиты нагружения установки FWD на дорожном покрытии.
Вторая часть работ будет связана с отработкой методологии оценки состояния швов и основания под цементобетонными плитами (на предмет наличия под ними пустот).
Важно отметить, что указанные работы выполняются в рамках долгосрочной программы деятельности Государственной компании «Автодор».
Литература
СТО АВТОДОР 10.1-2013 «Определение модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций с использованием установки ударного нагружения». М., 2013.
Технический регламент Таможенного союза «Безопасность автомобильных дорог» (ТС 014/2011).
ASTM D 4695–03 Standard Guide for General Pavement Deflectio Measurements – ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959, United States).
AASHTO T 256-01 Standard Method of Test for Pavement Deflection Measurements – American Association of State Highway and Transportation Officials 444 North Capitol Street N. W., Suite 249 Washington, D. C. 20001.
Cost 336 Use of Falling Weight Deflectometers in Pavement Evaluation: Main Report 2nd Edition European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Research. April 2005. 350 p.
Е. В. Углова, д-р техн. наук, проф.,О. И. Строева, нач. отдела кап. ремонта и ремонта а.д. ГК «Автодор», В. В. Акулов, вед. инженер, К. С. Бородин, вед. специалист, А. Н. Тиратурян, канд. техн. наук, Д. А. Целковнев, канд. экон. наук
