Проектирование автомобильных дорог по условию обеспечения безопасности движения автомобилей на участках возможного глиссирования: С использованием теории риска

Актуальность темы

Во время дождя, при таянии снега, конденсации водяных паров при туманах и некоторых других погодных явлениях на покрытии автомобильных дорог скапливается вода. Это приводит к уменьшению сцепления шин с покрытием дороги и увеличению числа дорожно-транспортных происшествий. При высоких скоростях движения на мокром покрытии вода не успевает вытесняться из-под управляемых колес легкового и легкого грузового автомобилей. Происходит поднятие передних колес над поверхностью дороги под действием гидродинамической силы и автомобиль становится не управляемым.

При проектировании и эксплуатации автомобильных дорог в районах с высокой интенсивностью ливней следует выполнять проверку участков дороги на возможность глиссирования автомобилей, определяя критическую скорость начала глиссирования по расчетным формулам в зависимости от толщины пленки воды на покрытии, шероховатости участка и других факторов. При этом скорость глиссирования устанавливают с учетом веса легкового и легкого грузового автомобилей, приходящегося на передние колеса. Анализ действующих на сегодняшний день нормативных документов показал отсутствие рекомендаций по условию снижения риска глиссирования автомобилей в таких районах.

Согласно официальной статистике доля происшествий на скользких и мокрых покрытиях автомобильных дорог составляет 62% из общего количества дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Однако установить число ДТП, связанных с глиссированием автомобиля по данным статистики невозможно. Поэтому необходимо иметь такую математическую модель, по которой можно устанавливать не только скорость начала глиссирования, но и вероятность возникновения этого процесса. Наличие такой модели позволит определять причину ДТП и отделять статистику глиссирования от статистики скольжения автомобиля при низком коэффициенте сцепления.

Существующие методы расчета критических скоростей глиссирования строго детерминированы и не дают информацию о том, с какой вероятностью может начаться процесс глиссирования автомобиля при той или иной скорости движения. Эта вероятность зависит от многих факторов, включая законы распределения скоростей движения легковых и легких грузовых автомобилей, и законы распределения глубин воды на этих же участках. Только на основе этих законов распределения можно разрабатывать формулы теории риска, позволяющие устанавливать вероятность процесса глиссирования.

В последние годы наряду с отечественными автомобилями на дорогах Российской Федерации широко эксплуатируются легковые и легкие грузовые автомобили зарубежного производства, скоростные качества которых отличаются от скоростных режимов отечественных автомобилей. Существующие уравнения, описывающие начало глиссирования автомобилей составлены в более ранний период и поэтому могут не учитывать динамические характеристики зарубежных транспортных средств. Кроме того, как уже отмечалось, по существующим математическим моделям невозможно установить вероятность глиссирования при той или иной скорости движения, что делает актуальным продолжить исследования и в этом направлении.

При обосновании устройства водосбросных откосных лотков в настоящее время основными факторами являются толщина пленки жидкости, длина стока и продолжительность добегания, которые позволяют определять количество и параметры водоотводных сооружений. Однако при этом отсутствует возможность оценить какова вероятность (риск) глиссирования автомобилей была до устройства водосбросных лотков и какая будет после реализации принятого проектного решения. Поэтому экономически целесообразно количество и параметры водосбросных сооружений обосновывать по величине допустимого риска глиссирования автомобилей.

Разработка и применение перечисленных выше мероприятий направлены на повышение безопасности движения на мокрых покрытиях при проектировании и эксплуатации автомобильных дорог. Исходя из сказанного, выбранная тема диссертационной работы является актуальной.

Целью исследования является разработка методов по обеспечению безопасности движения автомобилей на участках возможного глиссирования путем выявления и совершенствования таких участков на стадиях проектирования, реконструкции и эксплуатации автомобильных дорог, включая обоснованное ограничение скоростей движения автомобилей.

Научная повита: впервые использован теоретико-вероятностный подход к оценке возможности глиссирования автомобилей при различных скоростях движенияразработана математическая модель по определению скорости начала глиссирования в зависимости от толщины слоя жидкости и угла всплытия передних колесобоснована величина допустимого риска возникновения процесса глиссирования на участках дорог с необеспеченным водоотводом как при проектировании, так и при эксплуатации автомобильных дорог.

Практическая значимость заключается: в рекомендациях в нормативно-техническую литературу допусков и критериев по проектированию и эксплуатации автомобильных дорог на участках возможного глиссированияв рекомендациях по обеспечению безопасных скоростей движения на существующих дорогах с необеспеченным водоотводом, включая и рекомендации по обеспечению стока воды с покрытия.

Объектом исследования являются участки дорог с необеспеченным водоотводом, на которых возможно глиссирование.

Предметом исследования является обеспечение безопасности движения автомобилей на участках возможного глиссирования с разработкой и применением вероятностной модели, описывающей возникновение процесса глиссирования от скорости движения автомобилей и глубины слоя жидкости на покрытии.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (в период с 1996 по 2003гг.) — на научно-практической конференции в МАДИ (ТУ) в (1998г.) — на научно-методическом семинаре выпускающей кафедры (199б-2004гг.).

По результатам исследования опубликовано 5 печатных работ, в которых отражены основные положения диссертационной работы.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. МЕТОДЫ УЧЕТА БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ НА УЧАСТКАХ ВОЗМОЖНОГО ГЛИССИРОВАНИЯ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана математическая модель по оценке начальной скорости глиссирования легковых и легких грузовых автомобилей в зависимости от толщины слоя жидкости, типа (марки) автомобилей и давления воздуха в шине, которая дает сопоставимые результаты с экспериментально устанавливаемыми критическими скоростями движения на участках глиссирования.

2. На основе экспериментальных данных установлено, что распределение скоростей свободного движения автомобилей на участках с различными толщинами слоя воды и распределение глубин воды на этих же участках подчиняются нормальному закону.

3. Разработана теоретико-вероятностная модель теории риска, основанная на нормальных распределениях, которая позволяет описывать вероятность возникновения процесса глиссирования в зависимости от скорости движения и глубины слоя жидкости на покрытии с учетом типа (марки) автомобилей и давления воздуха в шинах передних колес.

4. Методы технико-экономического обоснования проектных решений и зависимость «скорость движения — вероятность глиссирования» показали, что наиболее оптимальным значением риска является риск 1-Ю" 3 — для дорог, находящихся в эксплуатации.

5. Разработаны следующие методики по определению допустимой скорости движения автомобилей на мокром покрытии:

— при проектировании и эксплуатации дорог с обеспеченным стоком воды с покрытия рекомендовано скорость движения принимать по самому легкому типу автомобилей в составе движения и допустимому значению риска возникновения глиссирования.

— на участках существующих дорог с застоем воды на покрытии ограничение скорости движения рекомендовано принимать по скорости начала глиссирования самого легкого автомобиля в составе движения.

6. В качестве практических рекомендаций по обеспечению стока воды с покрытия на участках с необеспеченным водоотводом предлагается ликвидация пониженных мест с исправлением продольного и поперечного уклонов путем устройства выравнивающего слоя и слоя покрытия, строительства водосбросных откосных и прикромочных лотков, отводящих воду с проезжей части. Для повышения безопасности движения на участках с необеспеченным водоотводом рекомендовано устанавливать знаки ограничения скорости движения в совокупности со знаками дополнительной информации (табличками) типа 7.16, поясняющими период действия знаков (нумерация знаков соответствует ГОСТ 10 807–78 и ГОСТ Р 51 582−2000).

В результате выполненных исследований разработана и предложена методика по обеспечению безопасности движения на участках возможного глиссирования автомобилей путем выявления и совершенствования таких участков на стадиях проектирования, реконструкции и эксплуатации автомобильных дорог, включая ограничение скоростей движения.

Разработан математический аппарат оценки риска возникновения глиссирования при движении транспортных средств по мокрым покрытиям в зависимости от толщины слоя жидкости, типа (марки) автомобилей и их скоростей движения. Используя этот аппарат, уже на стадии проектирования может быть назначено наилучшее проектное решение из конкурирующих вариантов для безопасного движения автомобилей по мокрым покрытиям.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОЦЕНКЕ ВОЗМОЖНОСТИ ГЛИССИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ, ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ И СОСТАВЛЕНИЮ ПРОЕКТОВ РЕМОНТА НА УЧАСТКАХ ДОРОГ С НЕОБЕСПЕЧЕННЫМ ВОДООТВОДОМ.

4.1 Влияние неровностей покрытия на возникновение режима глиссирования.

Обеспеченная скорость движения является важным показателем транспортной работы автомобильной дороги. Безопасность движения всегда зависит от выбранной скорости, и особенно в сложных погодных условиях [2,5,27,33,51,53,54,72,79,83,99,101,110,1 15,116]. Так, например, на участках, где возможно глиссирование, необходимо ограничение скорости, так как существует вероятность всплытия передних колес автомобиля.

В предыдущей главе была представлена математическая модель (3.18) для определения критической скорости глиссирования автомобиля на мокром покрытии (У|ф). В ней отражена зависимость скорости движения от давления воздуха в камере колеса (Рш), плотности слоя жидкости (р) и угла всплытия (Р) передних колес автомобиля. Критическая скорость, определяемая по зависимости (3.17) соответствует 50% вероятности возникновения режима глиссирования и возможности ДТП. Риск движения автомобиля при любой глубине жидкости на покрытии устанавливают по формуле (3.7). Фактическую толщину пленки жидкости в формуле (3.7) можно установить по зависимости (1.30), которая имеет вид:

11= а-Ь-п.

ЗОл/7.

0,6 где, а — интенсивность дождя, мм/минЬ — длина участка стока воды, мп — коэффициент шероховатости дорожного покрытия- / - уклон участка стока воды,%0.

Однако, как уже отмечалось, данная зависимость не учитывает наличие неровностей на покрытии и может быть применена только на стадии проектирования дорог. Движение транспортных средств и воздействие природных факторов постепенно ухудшают первоначальную ровность покрытий и геометрические характеристики продольного и поперечного профилей. Это приводит к снижению фактической скорости движения, динамическим ударам колес транспортного средства о нервности покрытия и беспорядочным толчкам, раскачивающим автомобиль.

Известно из литературы [8,14,24,26,64], что неровности влияют на прочность конструкции, а также оказывают влияние на возможность глиссирования. Особенно часто процесс глиссирования возникает на участках проседания покрытия (впадины, колеи). Существующие модели по оценке возможности глиссирования автомобилей не учитывают влияния неровностей покрытия на процесс всплытия колес. Поэтому решалась задача создания такой модели, которая учитывала бы влияние параметров неровности на вероятность глиссирования.

Разработанная модель включает в себя следующие операции:

1) Задаются значением скорости, при которой устанавливают возможность глиссирования автомобиля.

2) Определяют угол всплытия колеса по формуле: которая ранее была представлена в виде (3.18).

3) Устанавливают критическую толщину пленки, при которой вероятность возникновения глиссирования соответствует 50% риску, по зависимости:

Р=агс8т.

2 Р гш.

4.1) тг-рУ^р

4.2) которая преобразована из выражения (3.12).

4) Принимаем коэффициент вариации критической глубины равным среднему коэффициенту вариации глубин Су4'=С" на участках дорог с необеспеченным водоотводом и определяем его по зависимости:

Су = Сукр = (4.3) к.

Соотношение (4.3) показывает, что все значения параметров сть и ст принадлежат к одной совокупности (являются сопоставимыми). При изменении глубины жидкости на участке с необеспеченным водоотводом от значения 111 до Икр

5) Устанавливают вероятность (риск) возникновения глиссирования автомобиля на слое жидкости по формуле (3.7).

6) Длину всплытия колеса устанавливают по зависимости: =±.

ЪР, (4.4) где И — фактическая глубина пленки жидкости, м.

7). Время всплытия колеса определяют по зависимости:

1 = (4.5) V.

Если длина неровности, заполненной жидкостью, больше или равна 16ст, то глиссирование на данной длине возможно. Эти исследования показывают, что кратковременное глиссирование может возникнуть и под влиянием неровности покрытия и практически мгновенно, что накладывает повышенные требования к ровности покрытия по условию недопустимости глиссирования.

4.2. Методики оценки возможности глиссирования и установки знаков ограничения скорости движения автомобилей.

Так как всплытие колес возможно даже на незначительных неровностях, заполненных водой, и происходит мгновенно, то при эксплуатации автомобильных дорог следует оценивать возможность глиссирования автомобилей на всех участках, где возможно образование пленки жидкости толщиной более 0,5 мм, и на участках с застоем воды в местах локального понижения отметок проезжей части, включая участки с выбоинами. При этом методика оценки возможности глиссирования и установки знаков ограничения скорости несколько изменяется в зависимости от того, используется она для оценки глиссирования на покрытиях без просадок (без застоя воды) или на покрытиях с просадками (где застаивается вода). При оценке возможности глиссирования на вновь проектируемых дорогах предлагается использовать первую из названных методик, то есть «глиссирование на покрытии без просадок».

Методика для оценки возможности глиссирования и установки знаков ограничения скорости, рекомендуемая к применению при проектировании дорог и на участках эксплуатируемых дорог с обеспеченным водоотоводом.

1) Глубину слоя жидкости на покрытии устанавливаем по формуле (1.36) в зависимости от интенсивности ливня (а), длины участка стока воды (Ь), коэффициента шероховатости дорожного покрытия (п) и уклона участка стока воды (/), то есть.

Л = аШ зол/7 или по формуле, обеспечивающей наибольшую глубину водного слоя,.

1 г = а-Тс, (4.6) где Тс — время стока, определяемое по табл. 1.6, мин.

Примечание. Длину стока в табл. 1.6 принимали равной расстоянию от точки перелома продольного профиля до проектируемого водосброса (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема определения длины стока до водосброса.

1- продольный профиль линии стока йоды с поверхности покрытия- 2- водосбросной откосный телескопический лоток- 3- уровень слоя жидкости по линии стока.

Установленная таким образом глубина жидкости (Ь) на покрытии принимается за фактическую глубину (Ьф). Как уже отмечалось, коэффициент вариации глубины (С^) зависит от точности определения глубины жидкости по формулам (1.30) или (4.6), степени ровности покрытия и в среднем находится в пределах Су =0,15−0,25.

2) Определяем значение среднего квадратического отклонения глубины жидкости на покрытии по зависимости: сг/, = Су ¦ Иф.

4.6).

3) Назначаем три или более значения скорости глиссирования автомобиля (например, К], V2, V3 ., Vn) для построения зависимости «скорость движения — риск глиссирования».

4) Определяем три или более значения угла всплытия передних колес автомобиля при заданных значениях скорости глиссирования по формуле (4.1), где^У^Уз,.^" .

5)Устанавливаем значения критических глубин пленки воды, которые соответствуют критическим скоростям Vj, V2 Уз,., Уп, по зависимости (4.2) а р 2.

7r?n?

180 А, где /? = /?1-/?2-/?з',.Рп ~ угол всплытия передних колес автомобиля, определяемый по формуле (4.1):

2Р arcsin ш.

К’рУкр-'.

6) Приравниваем коэффициент вариации критических глубин {СуКр) к коэффициенту вариации фактических глубин, учитывая, что эти коэффициенты должны принадлежать к одной совокупности: п^кр — с h.

С-у «— У>

7) Определяем значение среднего квадратического отклонения критической глубины при трех или более значениях критической скорости по зависимости: икр • V (4−7).

8) Устанавливаем риск движения легкового автомобиля при заданных значениях скоростей и глубине жидкости (Иф) по зависимости (3.7).

9) Строим зависимость «скорость движения — риск глиссирования» (рис. 4.2). Данные рис. 4.2 построены по исходным данным, представленным в табл.4.1. Ограничение скорости принято по самому легкому типу автомобилей (марки Ока).

90 80 V.

§ 70гч 3 й 63 о а^о.

О ® о.

4 — у, А — /————— 2/.

1 1 т о о см" о тО со (О о ю со «о о о сэ о.

— 9.

— 7 -6 -5 -4 -3 -2 риск возникновения глиссирования.

— 1 п г.

Рис. 4.2. Оценка возможности глиссирования и установка знака ограничения скорости движения па участке дороги (Сызрань-Саратов-Волгоград).

1 — автомобили 3110- 2410 («Волга»).

2 — автомобили 2101−2107 («ВАЗ»).

3 — автомобиль «Ока». знак ограничения скорости движения.

10) По величине допустимого риска (1-Ю'4 для вновь проектируемых дорогМО" 3 — для существующих дорог, который обоснован в параграфе 4.4), устанавливаем графически (см. рис. 4.2.) допустимую скорость движения (Уд011), которую следует указать на знаках, ограничивающих максимальную скорость движения в пределах длины стока воды (Ь). Допустимо на знаках, ограничивающих скорость движения, показывать скорости кратные 5 км/ч [44,67]. Так, например, по данным рис. 4.2 можно рекомендовать в качестве ограничивающей скорости значение 55 км/ч (рис. 4.3). Рекомендуется устанавливать знаки ограничения максимальной скорости движения в совокупности со знаками дополнительной информации типа 7.16, нумерация которых соответствует ГОСТ 10 807–78 и ГОСТ Р 51 582−2000.

Рис 4.3. Схема расстановки знаков ограничения скорости движения в пределах длины стока. Знаки, показанные под линией продольного профиля, соответствуют движению автомобилей слева-направо, знаки над линией продольного профиля соответствуют движению справо-палево. Знаки устанавливаются вместе со знаками дополнительной информации (табличками), которые указывают, что действие знака распространяется на период влажного покрытия проезжей части.