Взаимодействие дороги и автомобиля

Разрушающее воздействие автомобиля на дорогу

Силы, передающиеся на дорожную одежду при движении автомобиля, оказывают разрушающее воздействие на дорогу. Под воздействием вертикальных сил происходит упругая деформация дорожной одежды. Повторное их действие на один и тот же участок дороги приводит к возникновению явлений усталости, появлению трещин и разрушению дорожной одежды. К характерным повреждениям дорожной одежды от действия вертикальных сил можно отнести:

Выбоины – местные разрушения покрытия глубиной от 20 до 100 мм и более с резко очерченными краями. Они возникают прежде всего из-за недостаточной связи между минеральными органическими материалами, недоуплотнения покрытия, загрязнения, а также использования недоброкачественных материалов;

Волны и гребенки– неровности в виде поперечных гребней и впадин с пологими краями. Они формируются в местах торможения автомобилей практически на всех типах покрытий, кроме цементобетонных. Основная причина волнообразования — излишняя пластичность материала, избыток вяжущего, недостатки уплотнения, а также систематическое воздействие на покрытие автомобилей одинаковой массы при одинаковой скорости;

Просадки – впадины глубиной 50-100 мм и более с пологой поверхностью, но без выпучивания и образования трещин на прилегающих участках. Одной из причин появления просадки может быть проезд тяжелых автомобилей, на которые дорожная одежда не была рассчитана;

Проломы – разрушение одежды в виде более или менее длинных прорезей глубиной до 100 мм по полосам наката и выпучиваний сбоку проломов высотой 50-100 мм. Причиной появления проломов может быть переувлажнение и пластическое течение материала слоев основания и грунта или прорезание слоев одежды под действием вертикальной силы;

Колеи – деформации и разрушения дорожной одежды в виде небольшого углубления по полосам наката. При интенсивном тяжелом движении колеи могут превратиться в проломы.

Горизонтальные силы возникают вследствие ударов колес при наезде на неровности покрытия, трения шины о верхний слой покрытия, при движении по кривой в результате действия центробежной силы и также оказывают разрушающее действие на дорогу. К характерным повреждениям дорожной одежды от действия горизонтальных сил можно отнести:

Шелушение – отделение чешуек и частиц материала;

Выкрашивание–отделение зерен минерального материала из покрытия и образование мелких раковин глубиной до 20 мм.;

Сдвиги – неровности, вызванные смещением материала покрытия при устойчивом основании, чаще всего образуются в местах торможения автомобилей;

Разрушение стыков – обламывание кромок и выбивание заполняющей мастики. Основными причинами являются удары колес автомобилей, недоброкачественная цементобетонная смесь, неудовлетворительная нарезка и отделка швов.

Здесь же необходимо отметить, что разрушительное действие на дорогу вертикальных сил значительно выше, чем горизонтальных.

Предельные размеры отдельных повреждений (просадок, выбоин и т.п.) не должно превышать по длине 15 см, ширине – 60 см, глубине – 5 см.\

Сила тяги, развиваемая двигателем на ведущих колесах автомобиля, расходуется на преодоление сил сопротивления движению.

В наиболее общем случае ускоренного движения на подъем на автомобиль действую следующие силы сопротивлений: сопротивление качению (трение качения), сопротивление движению на подъем, сопротивление воздуха, инерционные силы самого автомобиля и вращающихся масс его механизмов, возникающие при изменении скорости движения.

Сопротивление качению вызывается затратой энергии на деформацию шин и дороги. Эта сила всегда действует на движущийся автомобиль. На ровных цементобетонных и асфальтобетонных покрытиях основным фактором, определяющим сопротивление качению, является обжатие шин. На менее ровных покрытиях (щебеночных, гравийных, булыжных мостовых) добавляются наезды колес на неровности покрытия. На грунтовых дорогах сопротивление создается затратой усилий на деформирование шины и грунта при образовании колеи.

При движении по дорогам с твердым покрытием сила сопротивления качению определяется следующим образом:

(1)

Где: — нагрузка на дорогу от отдельных колес,

— соответствующие коэффициенты сопротивления качению.

Рис. 1 Реальное сопротивление качению.

Сопротивление качению зависит от ровности покрытия, скорости и эластичности шины. Однако при скоростях движения ниже 50 км/ч сопротивление качению возрастает настолько медленно, что коэффициент сопротивления качению можно считать практически постоянным. При скоростях выше 50 км/ч коэффициент сопротивления качению высчитывается в соответствии со скоростью движения. (Подробнее на лабораторном занятии).

Сцепные качества покрытия.

Тип покрытия, его прочность, ровность, шероховатость, наличие разрушений, трещин, влаги, пыли, грязи, снега или гололеда существенно влияют на коэффициент сопротивления качению колеса автомобиля и коэффициент его сцепления с покрытием.

Коэффициентом сцепления () называется отношение тягового усилия на колесе к вертикальной нагрузке на покрытие, при превышении которого начинается пробуксовывание ведущего колеса или проскальзывание заторможенного.

В зависимости от направления сдвигающей силы, действующей на колесо, различают два вида коэффициента сцепления:

— коэффициент продольного сцепления, соответствующий началу проскальзывания заторможенного или пробуксовыванию движущегося колеса при качении или торможении без действия на колесо боковой силы. Его используют при вычислении пути, проходимого автомобилем при экстренном торможении и при оценке возможности трогания автомобиля с места.

Коэффициент поперечного сцепления – поперечная составляющая коэффициента сцепления при смещении ведущего колеса, катящегося под воздействием боковой силы под углом к плоскости качения, когда колесо, вращаясь, скользит вбок. Характеризует устойчивость автомобиля при проезду кривым малых радиусов.

На сцепные качества покрытия, а соответственно и величину коэффициента сцепления, существенное влияние оказывают такие показатели, как: шероховатость (различают макрошероховатость – неровность поверхности покрытия, которая нормируется и микрошероховатость – собственная шероховатость частиц каменного материала), состояние покрытия, ровность покрытия, температура воздуха.

Под действием влажности воздуха, осадков и других метеорологических факторов, а также в зависимости от интенсивности движения, уровня содержания и вида покрытие может находиться в различном состоянии.

Сухимсчитают покрытие, микроповерхность материала которого не имеет сплошной пленки воды. Это наблюдается при относительной влажности воздуха до 90 %.

К влажным относят покрытия, микроповерхность которых покрыта сплошной пленкой связанной воды. Такое состояние покрытия наблюдается при относительной влажности воздуха 90-100 % и положительной температуре. При отрицательной температуре в этих условиях образуется микрогололед.

Мокрымсчитается покрытие, на микроповерхности материала которого имеется слой свободной воды.

К заснеженному относят покрытие с наличием рыхлого снега на поверхности; снежный накат – наличие слоя снега, уплотненного колесами автомобилей; гололедица – все виды зимней скользкости на поверхности дороги.

Взаимодействие автомобиля и дороги

Под воздействием транспортных нагрузок на асфальтобетонном покрытии возникают различные виды деформаций и разрушений, которые снижают сроки службы покрытий и приводят к дорожно-транспортным происшествиям. Движение по деформированным покрытиям сопровождается ударами и вертикальными колебаниями колес, кузова и других частей автомобиля. Механизмы автомобиля изнашиваются, водители и пассажиры испытывают неудобства. Средняя скорость движения автомобилей нередко уменьшается до 50%, что снижает производительность и повышает себестоимость перевозок. Работы по содержанию дорог, в частности, по очистке дорожных одежд от пыли, грязи, снега и льда усложняются.

Под влиянием давления колеса автомобиля дорожная одежда прогибается (рис.1). Наибольший прогиб — в центре следа колеса 1 с уменьшением по мере удаления. Прогиб распространяется от колеса тяжелого грузового автомобиля во все стороны на расстояние 3+4 м, образуя упругую чашу 5. Чаши прогиба от всех колес автомобиля, частично перекрывая одна другую, могут полностью охватывать проезжую часть дороги.

Рис.1. Схема прогиба дорожной одежды под колесом автомобиля в поперечном направлении (а) и продольном (б) направлениях

1 — колеса автомобиля; 2 — прогиб покрытия; 3 — покрытие; 4 — основание; 5 — чаша прогиба.

Кроме того, деформируются все слои дорожной одежды. Зерна минеральных материалов (особенно не обработанных вяжущими) стираются, раскалываются и таким образом измельчаются. Между частицами мельче 3 мм вода поднимается по капиллярам и длительно в них удерживается. Зерна с водой образуют пластичную массу, которая действует как смазка и увеличивает размеры прогиба одежды под колесами автомобилей. Например, если основание и построено из известнякового щебня низкой марки, содержащего свыше 16% мелких частиц размером до 2 мм, то оно может полностью потерять несущую способность.

В асфальтобетонных покрытиях под влиянием прогибов материалы также измельчаются, хотя и с меньшей интенсивностью. При этом увеличивается суммарная поверхность зерен и вяжущего становится недостаточно. Кроме того, так как вяжущее стареет, то покрытие делается более жестким. В нем образуются сначала волосные, затем более широкие трещины, в которые проникает вода, замерзающая зимой и постепенно разрушающая покрытие.

В зависимости от погодных условий, скорости движения транспорта и других причин изменяется удельное давление на покрытие от колес автомобилей. В жаркую погоду темное асфальтобетонное покрытие нагревается до температуры свыше 60 °С при температуре воздуха около 30°С. Колеса автомобилей нагреваются также и в результате работы, трения и ударов о неровности покрытия. При нагреве колес увеличивается в объеме воздух в камере, уменьшается площадь следа и дополнительно возрастает давление на покрытие.

3. Виды деформаций и разрушений на а/д: пучинистость земполотна, просадки дорожной одежды, проломы, колеи.

Пучинами называют деформации земляного полотна и дорожных одежд, проявляющиеся зимой во взбугривании и потере ровности покрытия, а в период оттаивания при проезде автомобилей — в проломах одежды, вызванных снижением прочности переувлажненных грунтов.

Внешними признаками пучинистых мест в зимний период являются неравномерное поднятие участков покрытия, образование отдельных бугров или группы бугров на покрытии, развитых по площади проезжей части с различной степенью интенсивности. Значительная часть из них, как правило, имеет сетку трещин, концентрирующуюся у вершины бугров пучения, которые разрушают покрытие на отдельные куски различной величины и формы.

Просадки это впадины глубиной 50-100 мм и более с пологой поверхностью, но без образования трещин на прилегающих участках. Возникают в местах с пониженной прочностью слоев дорожной одежды и грунтов земляного полотна при их увлажнении. Просадки могут образовываться в первые годы эксплуатации дороги при неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях вследствие недостаточного уплотнения грунтов земляного полотна и слоев дорожной одежды, а также при проходе тяжеловесных автомобилей, на которые не была рассчитана дорожная одежда.

Проломы возникают в периоды переувлажения подстилающего грунта. Проломы бывают мокрые и сухие. Мокрые проломы образуются вследствие переувлажнения и пластического течения материала слоев основания дорожной одежды и грунта земляного полотна, сухие — вследствие «прорезания» всех слоев дорожной одежды под действием вертикальной силы при недостаточной толщине конструкции и слабом уплотнении слоев и грунтов земляного полотна.

Наиболее распространенный дефект покрытий, вызываемый увеличением удельного давления сверх нормативного, — образование колеи (рис.3). На дорогах общего пользования – на крайней правой полосе, где едет в основном большегрузный транспорт, а также и в условиях повышенных летних температур воздуха. В городах такие деформации можно наблюдать у остановок общественного транспорта даже в слоях 1, 2, построенных на жестком основании 3.

Рис.3. Образование колеи в асфальтобетонном дорожном покрытии

1, 2 — верхний и нижний слои покрытия; 3 — жесткое основание; 4 — дополнительный слой основания.

4. Виды деформаций и разрушений на а/д: износ (истирание), выбоины, вмятины, сдвиги.

Износ (истирание) – равномерное или неравномерное уменьшение толщины покрытия в результате потери материала под воздействием движения и природных факторов. Величину износа измеряют в мм уменьшения толщины покрытия в год или в м³ износившегося материала на 1 км дороги в год.

На дорогах с интенсивным движением автомобилей не только образуются колеи, но покрытие шлифуется и даже истирается, т.е. изнашивается (рис.4). В этом случае снижается прочность дорожной одежды, уменьшается шероховатость и покрытие (особенно влажное) становится скользким, что вызывает дорожно-транспортные происшествия. Износ покрытий увеличивается при их обработке в зимнее время растворами противогололедных реагентов.

Рис.4. Износ дорожного покрытия

1 — верхний слой; 2 — нижний слой; 3 — уменьшение толщины верхнего слоя.

Выбоины – местные разрушения покрытий в виде углублений разной формы.

Вмятины – отпечатки, возникающие на пластичном покрытии в жаркое время года.

Сдвиги – смещения покрытия в направлении движения. Неровности, вызванные смещением материала покрытия при устойчивом основании, которые образуют складки и наплывы. Образуются под действием касательных сил, которые способствуют сдвигу верхнего слоя, либо его сдвигу по поверхности нижнего слоя с образованием поперечных трещин на полосах наката. Чаще всего появляются в местах торможения автомобилей (остановок, участков разгона и торможения). Основная причина возникновения — избыток вяжущего или недостаточная теплоустойчивость при высокой температуре и низкая сдвигоустойчивость

5. Виды деформаций и разрушений на а/д: волны, шелушение, выкрашивание, трещины.

Волны – неровности в виде чередующихся гребней и впадин (в основном на автобусных остановках), связанные с колебанием пневматических шин. Формируются в местах торможения и разгона автомобилей. На щебеночных и гравийных покрытиях – гребенка.

В жаркую погоду повышается пластичность асфальтобетона и его верхний слой 3 (рис.5) под действием касательных сил, особенно при торможении, сдвигается на уклонах и в местах остановок общественного транспорта, происходит волнообразование на покрытии. Разновидностью волн являются наплывы 2, при которых материал сдвигается в поперечном направлении. Например, в местах остановок общественного транспорта материал смещается на бордюр 1.

Рис.5. Волнообразование на асфальтобетонном покрытии

1 — бордюр; 2 — наплыв; 3 — верхний слой покрытия.

Шелушение – отслаивание вяжущих от каменных материалов. Образуется под действием колес автомобилей, воды и отрицательной температуры воздуха

Выкрашивание — Отделение зерен минерального материала от покрытия и образование мелких раковин глубиной от нескольких миллиметров до 20 мм. Постепенно развиваясь, выкрашивание приводит к значительным разрушениям. Возникают из-за недостаточной связи между минеральными и органическими материалами, недоуплотнения покрытия, загрязнения, использования недоброкачественных материалов и нарушения технологии производства асфальтобетонных смесей (перегрева асфальтобетонных смесей, применения необработанного щебня или песка в смеси и т.д.).

Трещины. При резком снижении температуры воздуха осенью и больших перепадах температуры зимой на покрытиях образуются трещины (Рис. 6) Поперечные температурные трещины 1 образуются из-за недостаточного сопротивления асфальтобетона температурным напряжениям. Они распределяются на расстоянии 6+10 м одна от другой.

Рис.6. Дефекты дорожного покрытия

1 — 3 — поперечные, продольные и косые трещины; 4 — сетка трещин; 5 — обломы кромок.

Из-за плохого сопряжения горячей смеси одной полосы к ранее уложенной холодной полосе на покрытиях появляются продольные трещины 2. Косые трещины 3 продолжают поперечные и продольные трещины при недостаточно прочном покрытии. Сетка трещин 4 возникает на дорожном покрытии, как правило, при недостаточно прочном основании.

Различают три основных вида трещин поперечные, продольные, косые и мелкая сетка. Поперечные (температурные) образуются при резких колебаниях температуры, расстояние между ними 5-8м. При широких покрытиях вдоль оси дороги появляются продольные трещины. Косые трещины образуются при неравномерном пучении или просадках земполотна. Мелкая сетка образуется на недостаточно прочных дорожных одеждах. В зависимости от размеров трещины делятся на волосяные (до 1мм), мелкие (1-2мм), средние (3-10мм) и крупные (свыше 10мм).

В местах сопряжения покрытия с обочинами может наблюдаться облом кромки 5. Чаще всего это происходит при переезде через кромки тяжелых грузовых автомобилей. При строительстве дорог кромки покрытия предохраняют укрепительными полосами. Если таких полос нет, то их строят во время ремонтных работ.