МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

І ДОРОЖНЄ БУДІВНИЦТВО

НАУКОВО-ТЕХНІЧНИЙ ЗБІРНИК

Заснований у 1964 р.

Випуск 77

Київ, НТУ, 2009

УДК 625.7/.8

У науково-технічному збірнику висвітлено результати теоретичних та експериментальних досліджень в галузях: вишукування, проектування, будівництво, реконструкція та експлуатація автомобільних доріг і переходів через водотоки; штучні та підземні транспортні споруди; виробничі підприємства; організація і економіка будівельного виробництва та розвиток дорожньо-будівельної індустрії; екологія і охорона навколишнього середовища; дорожні умови і безпека руху; інженерна механіка транспортних споруд та ін.

Для працівників науково-дослідних інститутів, проектних і будівельних організацій, а також викладачів і студентів автомобільно-дорожніх ВНЗ.

Друкується за рішенням вченої ради

Національного транспортного університету

Редакційна колегія: В.Я.САВЕНКО, д-р техн. наук (відп. редактор), В.В.ПЕТРОВИЧ; д-р техн. наук, В.І.БРАТЧУН, д-р техн. наук, Ф.П.ГОНЧАРЕНКО, канд. техн. наук, В.А.ЗОЛОТАРЬОВ, д-р техн. наук, Г.Є.ЛИПСЬКИЙ, канд. техн. наук, С.Г.МІХОВИЧ, канд. техн. наук, О.О.РАССКАЗОВ, д-р техн. наук, Ю.І.ОРЛОВСЬКИЙ.

А д р е с а р е д к о л е г і ї:

01010 Київ, вул. Суворова, 1,

Національний транспортний університет

(НТУ); тел. 280-73-38

Постановою Президії ВАК України № 1в-05/7 від 09. 06. 1999 р.

збірник визначено як фахове видання

ISBN 966-575-086-0 © НТУ, 2009

ВИШУКУВАННЯ, ПРОЕКТУВАННЯ ДОРІГ ТА ПЕРЕХОДІВ ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ

УДК 625.7/.8

Гайдукевич В.А., канд. техн. наук, Піліпака Л.М.

КІЛЬКІСНІ КРИТЕРІЇ ОЦІНКИ ТРАСИ, ЗАПРОЕКТОВАНОЇ ІМІТАЦІЙНИМ МЕТОДОМ

В сучасному проектуванні автомобільних доріг існує потреба у використанні кривих з нелінійною закономірністю зміни кривизни. В наш час при сучасних швидкостях руху автомобілів відомі перехідні криві (клотоїда, кубічна парабола, Лемніската Бернуллі і ін.) не відповідають вимогам безпеки і зручності руху. Вони не дають безперервних графіків зміни кривизни і відцентрового прискорення. Науково-практичні дослідження доводять необхідність розширення елементної геометричної бази для проектування траси в плані і поздовжньому профілі. [1, 2, 3]

Запропонований авторами імітаційний метод проектування осі траси автомобільної дороги за допомогою розрахунку рівнянь рівноваги гнучкого стрижня дає можливість проектувальнику не шукати серед існуючих кривих оптимальнішу і досліджувати її властивості, не розраховувати її елементи для розбивки в плані і профілі, а відразу отримати просторову криву в дискретній формі, зручній для нанесення на план і профіль та винесення в натуру. Проте як оцінити плавність даної просторової кривої.

Геометрія траси автомобільної дороги в значній мірі визначає її транспортно-експлуатаційні і вартісні показники. Згідно специфіки об’єкта та умов проектування, основними характеристиками геометрії траси є:

- характеристики положення – належність смузі варіювання, оминання об’єктів всередині смуги;

- характеристики форми – просторова плавність, кривизна вертикальної і горизонтальної проекцій, кривизна і ухил поздовжнього профілю;

- метричні характеристики – протяжність траси, звивистість в плані і поздовжньому профілі.

Дискретну модель геометричних характеристик траси викладено в [4].

Покажемо розрахунок основних геометричних характеристик на прикладі проектування нової траси між селищами Карпилівка та Зоря Рівненської області на автодорозі Устилуг-Луцьк-Рівне.

Отже, виконавши розрахунок в ПК ЛИРА 9.0 довгої просторової конструкції, що складається з окремих кінцевих елементів – стрижнів і вузлів, які з’єднують ці стрижні, на задані переміщення окремих вузлів ми отримали переміщення всіх заданих 84-х вузлів по осям X, Y, Z. Додаючи ці значення до початкових координат вузлів ми мали координати зігнутої осі стрижня, а значить і координати осі траси автомобільної дороги. Розрахунок повторювали, на кожному кроці контролюючи значення кривизни проекцій.

Характеристики положення отриманої траси: належність смузі варіювання, оминання об’єктів всередині смуги – визначаються ще на етапі задавання вихідних даних через контрольні точки з визначеними значеннями переміщень відносно повітряної лінії, що з’єднує початок і кінець траси, та перевіряються на кожному кроці розрахунку за допомогою порівняння отриманих значень із граничними переміщеннями. [5]

Просторову плавність траси, заданої рядом точок, можна визначити, розрахувавши повну кривизну траси і величину зміни кривизни вздовж траси згідно [4]. При попередніх розрахунках ділянки траси Устилуг-Луцьк-Рівне дані характеристики не визначались. Їх можна використовувати для кількісного порівняння двох варіантів траси.

Як вже зазначалось, на кожному кроці контролювались значення радіусів кривизни проекцій просторової осі.

Радіуси кривизни проекцій на площини XOY та XOZ траси, представленої набором точок, визначалися з наступних міркувань.

Нехай маємо довільну лінію, задану дискретним точковим каркасом в

декартовій системі координат. Проекції кожних трьох точок на площину ХОУ, які не лежать на одній прямій , можуть бути з’єднані дугою кола радіусом R^ХОУ_і (рис 1). Тоді R^ХОУ_і в деякій точці А_і з координатами (x_і, y_і, z_і) можна визначити як радіус кола описаного навколо трикутника А_і-1 А_і А_і+1:

(1)

і=2, …, N-1, N – кількість точок траси.

де, (2)

(3)

Швидкість зміни кривизни проекції на ХОУ в точці А_і визначаємо згідно

(4)

Аналогічно визначаємо радіус кривизни на площину XOZ

(5)

і=2, …, N-1, N – кількість точок траси.

де (6)

(7)

Рис. 1. Визначення радіусу кривизни в точці

Так як значення величин а, в, с в формулах (1-7) є лише проекціями відстаней між точками А_і-1, А_і,, А_і+1, і отже є меншими за них, то R^XOZ‹R_{позд. профілю}, і якщо радіус R^XOZ ≤R_доп, де R_доп – мінімальне значення радіусу згідно нормативів, R_{позд. профілю}› R_доп завжди_, то значить, контролюючи величини радіусів кривизни проекції на площину XOZ, не має потреби перераховувати радіуси поздовжнього профілю.

Для просторової лінії траси ухил в кожній точці визначається кутом нахилу дотичної до кривої в цій точці по відношенню до площини проекції ХОУ. Ухил в точці А_і, розраховуємо за формулою

(8)

і=2, …, N-1, N – кількість точок траси.\

Протяжність траси визначаємо за формулою

(9)

і=2, …, N-1, N – кількість точок траси.

Звивистість траси можна оцінити за допомогою визначення кручення траси згідно [4].

Для проектованої ділянки траси Устилуг-Луцьк-Рівне зміна кількісних геометричних характеристик по довжині траси представлена на рис. 2. Прийнято, що дорога є І категорії.

Як видно з рис.2 запроектована просторова вісь траси, представлена набором точок, є плавною кривою з постійно змінною кривизною.

Радіуси кривизни проекції в площині ХОУ по всій довжині осі відповідають вимогам [6]. Найменші значення величина R^XOУ приймає в контрольних точках (вузли 36, 76), в яких було прикладено зосереджені навантаження по осі У – задані переміщення. R^XOУ₃₆=1297м; R^XOУ₇₆=1450м. Ці значення більші за нормативне значення радіусу горизонтальної кривої для швидкості руху 150км/год, що становить 1200м.

Аналогічну відповідність нормативам було отримано і стосовно величин радіусів вертикальних кривих. Найменше отримане значення радіусу опуклої кривої R^XOZ₅= 30371м (мінімальний нормативний радіус для швидкості руху 150км/год дорівнює 30000м), ввігнутої R^XOZ₂₈=13070м (8000м).

Ще раз нагадаємо, радіуси вертикальних кривих розраховувались для проекції на площину XOZ, тому фактичні значення радіусів вертикальних кривих будуть ще більшими.

З графіку швидкості зміни кривизни проекції на площину ХОУ видно, що величина швидкості зміни кривизни по довжині траси є значно меншою за значення, розраховане в [7] для швидкості руху 150км/год, а саме 0,00069.

При розрахунку також контролювалися значення ухилів поздовжнього профілю (рис.3). Отримані значення також є меншими за граничне. Ухил вздовж осі траси не перевищує 30‰.

Крім того, при розрахунку приділялася увага величинам переміщень в поздовжньому профілі. За допомогою додаткових розподілених навантажень по осі Z значення відміток осі траси максимально наближувались до відміток землі, що покликане мінімізувати витрати на будівництво земляного полотна.

Остаточні значення кількісних геометричних характеристик траси було отримано після кількаразового перерахунку вихідної конструкції з додаванням розповсюджених навантажень на елементи, що межують з точками, геометричні характеристики в яких не відповідали бажаним (радіуси кривизни менші мінімальних, ухили більші максимальних або переміщення не вкладаються в діапазон допустимих значень).

Графіки, представлені на рис.2 та рис.3 розраховувались за формулами 1-9 в програмі Microsoft Office Excel, куди було перенесено з ПК ЛИРА9.0 значення координат зігнутої осі моделюючого стрижня.

Довжина запроектованої траси становить 8318,62м.

При розрахунку ділянки дороги Устилуг-Луцьк-Рівне було прийнято досить великий крок проектування траси – 100м. Якщо крок зменшувати, очевидно, що характеристики будуть кращими.

Представлені формули і результати розрахунків показують, що запропонований метод імітаційного проектування просторової траси є зручним з точки зору оцінки геометричних характеристик траси на кожному кроці розрахунку моделі. Метод, що пропонується дає можливість отримати трасу, яка гарантовано проходить через контрольні точки і відповідає вимогам плавності.

Рис. 2. Графіки зміни радіусів кривизни проекцій

Рис. 3. Графік зміни ухилів поздовжнього профілю

Отже, запропонований метод дозволяє отримати просторову вісь траси, яка є плавною з нелінійно змінною кривизною.

Література

1. Белятынский А.А., Чешуйко В.Н. Проектирование переходных кривых при реконструкции автомобильных дорог//Автоматизированные технологии изысканий и проектирования, №2(25),2007.

2. Лобанов Е.М., Поспелов П.И., Величко Г.В. О нормировании параметров переходных кривых// Автоматизированные технологии изысканий и проектирования, №6,2002

3. Лобанов Е., Поспелов П., Величко Г., Филиппов В. Виражи безопасности. Как совершенствовать СНИП 2.05.02-85 // Автомобильные дороги, №4,2002.

4. Сорокин Ю.Г. Геометрическое моделирование трасс автомобильных дорог:Дис.канд.техн.наук:05.01.01./Днепропетровский инж.строит.ин-т. Симферопольский филиал. - Симферополь,1989.

5. Піліпака Л.М. Про оптимізацію просторового положення траси автомобільної дороги//Мости і дороги. Зб.наук.пр./ДерждорНДІ. – К. 2006. – Вип.4. – С.92-104.

6. ДБН В.2.3-4-2000. Автомобільні дороги.

7. Лобанов Е., Поспелов П., Величко Г., Филиппов В. Конструирование плавных автомобильных дорог с нелинейно меняющейся кривизной // Автомобильные дороги. – 2002. №4. – С.64-67

УДК 621.791.052

Беспалов Л.Н., канд. техн. наук, Мальгин М.Г.

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ В КОНСТРУКЦИИ ОРТОТРОПНОЙ ПЛИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ НА НДС И УСТАЛОСТНУЮ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

В настоящее время при строительстве железнодорожных мостов используются сварные разрезные балочные пролетные строения с ездой на балласте пролетами от 18,0 м до 33,6 м. Данная серия пролетных строений (ТП 2210, введен в действие в 2002 г) разработана Институтом ГИПРОТРАНСПУТЬ совместно с ВНИИЖТ. Общий вид сечений пролетного строения длиной 33,6м показан на рис. 1.

Рис. 1. Поперечные сечения пролетного строения

Главные балки П-образного очертания состоят из двух вертикальных стенок, листа верхнего пояса и двух горизонтальных листов нижнего пояса, каждый из которых в виде полки тавра приварен к вертикальным стенкам. Несущие элементы пролетного строения изготовлены из метала марки 15ХСНД. Стенки балок укреплены внутренними диафрагмами на которые опирается лист верхнего пояса. С внешней стороны стенки усилены горизонтальными продольными ребрами жесткости и вертикальными ребрами в опорных сечениях.

Верхний пояс балок, являющийся днищем балластного корыта выполнен в виде ортотропной плиты (рис.2). Она представляет собой горизонтальный лист толщиной 16 мм подкрепленный продольными и поперечными ребрами. В каждой панели между внутренними диафрагмами лист верхнего пояса укреплен четырьмя продольными ребрами жесткости толщиной 12 мм, которые приварены как к листу верхнего пояса так и поперечным внутренним диафрагмам. Продольные ребра имеют переменную высоту в местах примыкания к диафрагмам и пересекаются с диафрагмами в одной плоскости по всей длине пролета. Ортотропная плита является наиболее конструктивно сложной и важной частью, которая определяет компоновку всего пролетного строения в целом.

При приемке пролетных строений, заказчиками неоднократно отмечались и фиксировались отклонения в сварных конструкциях ортотропной плиты от проектных решений. При изготовлении конструкций не всегда выдерживается соосность примыкания продольных ребер к диафрагмам по всей длине балки (рис.3).

Рис. 2. Ортотропная плита пролетного строения.

Рис. 3. Несоосность примыкания продольных ребер к диафрагме

По результатам обследований несоосность (эксцентриситет в осях) мог достигать 22 мм, что составляет порядка 1,8 толщины ребра. Столь значительные геометрические отклонения в узле стыка продольных ребер с диафрагмами заметно влияют на напряженно-деформированного состояния в зоне соединения и неизбежно вызовут дополнительный местный изгиб элементов, что окажет неблагоприятное влияние на сопротивление усталости соединения.

Таким образом, задачами исследования являлись оценка влияния описанного деструктивного явления на НДС и усталостную долговечность узла объединения.

Первоначально был выполнен пространственный расчет рассматриваемого пролетного строения (с привлечением метода конечных элементов) под расчетные нагрузки в соответствии с требованиями действующих нормативных документов. Расчетная схема, представленная на рис. 4, моделировалась в полном соответствии с проектным чертежам без каких-либо отклонений от проекта.

Рис. 4. Фрагмент конечно-элементной модели металлического пролетного строения длиной 33,6 м

Конечно-элементная модель была реализована и рассчитана с привлечением программного комплекса Лира. Модель описывалась универсальными пространственными четырех- и трехузловыми конечными элементами оболочки.

Рис. 5. НДС ортотропной плиты пролетного строения

На основании полученных результатов был выполнен анализ пространственная работа конструкции и характер распределения сжимающих напряжений в продольных ребрах ортотропной плиты (рис. 5). Параллельно были выполнены расчеты теоретического предела выносливости в ребрах, уровень которого оказался выше полученных рабочих напряжений. Последнее подтвердило правильность проектных решений с точки зрения усталостной долговечности конструкции.

В экспериментальной части работы были изготовлены образцы узлов стыков объединения в натуральную величину с эксцентриситетом примыкания продольных ребер (в осях) 22 мм (рис. 6).

Рис. 6. Образец узла стыка объединения для испытания на циклическую долговечность

Настоящий эксперимент выполняется в одной из лабораторий отдела прочности сварных конструкций Института электросварки им. Е.О. Патона НАНУ. Программой испытания предусматривается испытание четырех образцов на циклическое нагружение с целью определения циклической долговечности в диапазоне от 500000 до 2 млн. циклов нагружений. Однако, в силу методологической длительности испытания каждого образца, была сделана попытка аналитической оценки изучаемого деструктива стыка ребер на НДС и усталостную прочность конструкции.

Рис. 7. Напряженное состояние узла по результатам численного моделирования

Был выполнен расчет рассматриваемого узла на проектные нагрузки с различными возможными эксцентриситетами примыкания ребер. С этой целью привлекался программный комплекс Ansys (позволяющий ввести в расчетную модель параметры сварного шва). Для детального изучения образца численным путем расчетная модель создавалась объемными КЭ. Результаты расчета приведены на рис.7.

Используя расчетный программный комплекс, были получены величины приращения сжимающих напряжений в ребре в зависимости от эксцентриситета примыкания ребер (рис.8).

Рис. 8. График приращения напряжений в зависимости от эксцентриситета смещения ребер (σ₀ – напряжения при отсутствии эксцентриситета)

На графике по оси ординат приведены абсолютные значения напряжений и их приращение (в %) по отношению к значению с нулевым эксцентриситетом, по оси абсцисс – относительный (к толщине ребра) и абсолютный эксцентриситеты примыкания ребер. Как видно из графика, уже при относительном эксцентриситете 0,4 (4,8мм) приращение напряжения составляет более 30%. Кривая имеет асимптотический характер и при эксцентриситете равном толщине ребра (12 мм) напряжения почти в полтора раза превышают значения с нулевым (проектным) эксцентриситетом.

С целью оценки усталостной долговечности исследуемого узла на основании расчетных зависимостей действующего нормативного документа ДБН В.2.3-14:2006, получено значение предела выносливости, которое отображено на графике (110 МПа). Указанная точка показывает, что предел выносливости достигается уже при относительном эксцентриситете 0,39 (абсолютном – 4,7 мм). Хотя при этом, даже с учетом приращения напряжений на 32%, уровень напряжений значительно ниже расчетного сопротивления металла. Это свидетельствует об определяющем значении расчета на усталостную долговечность рассматриваемой конструкции.

Полученные численным путем результаты позволяют оценить допустимые предельные значения эксцентриситета смещения ребер от проектного решения с точки зрения условий усталостной долговечности.

В дальнейшем, после завершения испытаний образцов на усталостную долговечность в рамках эксперимента Института электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, можно будет оценить достоверность нормативного расчетного аппарата для оценки долговечности в условиях встречающихся (в натурном исполнении) несовершенств в конструкции ортотропной плиты.

Результаты проведенного численного исследования позволяют определить допустимые пределы рассмотренных отклонений при приемке металлоконструкций в эксплуатацию.

Литература

1. ДБН В.2.3-14:2006. Мости та труби. Правила проектування - К.: Держбуд, 2006. – 359 с.

2. СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы.-М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 200 с.

3. Прочность сварных конструкций при переменных нагрузках / АН УССР Ин-т электросварки им. Е.О.Патона: Под. Ред. В.И. Труфякова. – Киев: Наук. думка. 1990 – 256с.

4. Современные технологии расчета и проектирования металлических и деревянных конструкций / Курсовое и дипломное проектирование. Исследовательские задачи. М.С. Барабаш, М.Л. Мартынова, М.В. Лазнюк, Н.И. Пресняков. Москва: издательство АСВ, 2008. - 328 с.

5. Барабаш М.С., Гензерский Ю.В. ЛИРА 9.2 Примеры расчета и проектирования. – К.: ФАКТ, 2005. – 105 с.

УДК 625.7/.8

Шнейдміллєр В. І., Степова М. В.

ГІДРАВЛІЧНИЙ РОЗРАХУНОК

КАНАЛІВ СПЕЦІАЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО

ПЕРЕРІЗУ[1]

У статті наведені алгоритми розрахунку та їх програмна реалізація на макромові MathCAD стандартних елементів профілів каналів спеціального поперечного перерізу; йде мова про актуальність використання сучасних технічних засобів, які дають змогу вивести на якісно новий рівень гідравлічні розрахунки.

Вступ

У процесі розвитку науки та дорожньо-будівельної галузі зокрема, невпинно змінюються методи розв’язання інженерних задач, вимоги до яких зростають з вдосконаленням технічних засобів, з допомогою яких ці задачі вирішуються.

Актуальність

Сьогодні питання дорожнього будівництва – пріоритетне питання для України. Адже автомобільні дороги – важлива складова транспортної системи держави. Стан їх розвитку значною мірою впливає на соціально-економічний розвиток країни. Тому основним завданням інженерів, конструкторів, науковців, що працюють в дорожній галузі, є перехід від консервативних засобів виконання інженерних робіт до новітніх з метою вдосконалення, та автоматизації процесів будівництва, експлуатації та ремонту доріг.

У сучасному дорожньому будівництві широке застосування мають труби спеціального поперечного профілю. Для їх надійної та довгої служби необхідно чітко та правильно розрахувати розміри труб.

Під час розрахунку труб, колекторів виникає необхідність знаходження значень таких гідравлічних характеристик потоку як глибина наповнення , швидкість руху води у каналі , критична глибина та інших.

Для розрахунку чисельних значень вказаних величин використовують такі розрахункові залежності:

(1)

Q – величина пропускної витрати;

коефіцієнт Шезі;

n – коефіцієнт шороховатості;

гідравлічний радіус;

χ – змочений периметр;

показник степені,

і рівняння

(2)

B – довжина потоку поверху.

Ліва частина рівняння (1) є функцією від глибини наповнення h і не може бути розв’язана відносно глибини h навіть для простих перерізів (прямокутного, трикутного, параболічного).

Права частина рівняння (2), яке використовується для знаходження критичної глибини потоку, також є функцією глибини потоку, і воно може бути розв’язане відносно глибини h, але тільки для найпростіших форм поперечного перерізу.

Для типів русел, що показані на рис.1, задача гідравлічного розрахунку викликає труднощі, тому для визначення геометричних характеристик живого перерізу потоку наводяться, як правило, графіки [2], котрі характеризують такі функції: ω(h), χ(h), B(h).

Отже, на практиці поставлена задача досі вирішується за допомогою графіків, що не раціонально, адже отримуємо результат мінімальної точності,

витрачаючи максимум зусиль та часу.

Рис. 1.

Для водовідведення використовують водопропускні споруди різного профілю. Розглянемо деякі типи русел.

Русло кругового поперечного перерізу (рис.1.а).

Для розрахунку труб, тунелів та колекторів кругового поперечного перерізу радіусом r (рис. 1.а) використовують такі залежності:

площа поперечного перерізу,

де α - центральний кут сегмента.

змочений периметр;

ширина потоку поверху;

глибина потоку.

Нижче наведений розрахунок труби кругового поперечного перерізу за допомогою програми MathCAD (рис.2).

Русло лоткового поперечного перерізу (рис 1.б)

Цей профіль – комбінація двох фігур – нижня – сегмент радіусом 2r і граничною висотою 0.268r та верхня – півколо радіусом r (рис 1.б). Нижче представлений алгоритм програми для розрахунку такого профілю.

Вихідними даними для розрахунку є величина радіуса r та глибина наповнення h.

Рис. 2.

Алгоритм розрахунку

площі поперечного перерізу

каналу лоткового типу

1. Початок.

2. Задаємо радіус r та висоту наповнення труби h.

3. Якщо h 0 чи , то повертаємось до пункту 2, тому що задані значення не мають фізичного змісту. Інакше

4. Якщо глибина наповнення , то виконується пункт 5.

5. Площу поперечного перерізу обраховуємо за формулою:

,

де - площа сектора FDG,

, де

- висота трикутників,
– основа.

α обраховуємо за формулою:

2arccos .

Інакше, при глибині наповнення , виконується пункт 6.

6. Площа дорівнюватиме:

,

де – площа півкола,

- площа сектора,

- площа двох рівних прямокутних трикутників,

- площа сегмента АЕВ.

7. Кінець.

Пропонуємо реалізувати цей алгоритм, використовуючи математичний комп’ютерний пакет MathCAD, який, крім інтуїтивно зрозумілого інтерфейсу та можливістю легкого редагування формул, головною перевагою має близький до загальноприйнятого в математиці синтаксис. Лістинг програми для розрахунку площі поперечного перерізу каналу лоткового поперечного перерізу у середовищі MathCAD наведено нижче (рис. 3).

Рис. 3.

Спеціальний профіль II (типовий профіль дериваційних тунелів) (рис. 1.в).

Алгоритм розрахунку

площі поперечного перерізу

каналу спеціального профілю II

(типового профілю дериваційних тунелів)

1. Початок.

2. Задаємо радіуси r та R, висоту наповнення труби h, висоту каналу H, ширину каналу b.

3. Якщо h 0 чи , то повертаємось до пункту 2, тому що задані значення не мають фізичного змісту. Інакше виконується пункт 4.

4. Якщо глибина наповнення , то виконується пункт 5.

5. Площу поперечного перерізу обраховуємо за формулою:

,

α визначається за формулою:

2arccos .

Інакше, при глибині наповнення , виконується пункт 6.

6. Площа дорівнюватиме:

,

Якщо , то виконується пункт 7.

7. Площу розраховуємо так:

,

де

2arccos

8. Кінець.

Нижче – приклад розрахунку площі поперечного перерізу каналу спеціального профілю II у середовищі MathCAD (рис. 4).

Рис. 4.

Висновок

Використовуючи даний спосіб розрахунку каналу спеціального поперечного профілю, відмовляємось від використання монограм, таблиць, графіків, які пропонуються у довідковій літературі. Це дає змогу швидко розрахувати канал спеціального профілю з максимальною точністю.

Література

1. Справочник по гидравлике / Под ред. В. А. Большакова. - К.: «Вища школа», 1977.

2. Справочник по гидравлическим расчётам/ Под ред. П. Г. Киселёва. – 4-е изд., перераб. и доп. - М.: «Энергия», 1972.

3. Чугаев Р.Р. Гидравлика. - Ленинград.: «Энергия», 1971.

ДОРОЖНЬО-БУДІВЕЛЬНІ МАТЕРІАЛИ

УДК 625.7/.8

Савенко В.Я., д-р. техн. наук, Жданюк В.К., д-р.техн.наук, Гнатів М.Я.,

Даценко В.М., канд. техн. наук, Даценко О.В.

ЩЕБЕНЕВО-МАСТИКОВИЙ АСФАЛЬТОБЕТОН ДЛЯ БУДІВНИЦТВА ПОКРИТТІВ АВТОМОБІЛЬНИХ ДОРІГ

Щорічне зростання інтенсивності руху транспортних засобів та долі великовагових автомобілів у транспортному потоці вимагає від шляховиків будівництва більш довговічних конструкцій дорожніх одягів та покриттів на них. Світовий досвід будівництва автомобільних доріг показує, що одним із напрямків вирішення цієї задачі є застосування щебенево-мастикових асфальтобетонних сумішей (ЩМАС) для влаштування покриттів дорожніх одягів. Завдяки використанню ЩМАС забезпечується висока стійкість покриття до утворення колії при високих температурах, тривала водостійкість і морозостійкість. Дорожні покриття з щебенево-мастикового асфальтобетону (ЩМА) мають високу стійкість до стираючої дії шипованих шин та стійкість до агресивної дії протиожеледних матеріалів. Шорсткість покриття дорожніх одягів, влаштованих із застосуванням ЩМАС, в 1,5 рази вища, порівняно з покриттям, влаштованим із гарячої дрібнозернистої асфальтобетонної суміші типу А, що збільшує коефіцієнт зчеплення колеса з вологою поверхнею покриття та підвищує безпеку руху автомобільного транспорту. Рівень шумового навантаження на навколишнє середовище при русі транспортних засобів по покриттю зі ЩМА на 2-4 дБ нижчий, порівняно з традиційними покриттями, влаштованими із щільних дрібнозернистих асфальтобетонних сумішей. високий вміст в ЩМА асфальтов’яжучої речовини сприяє «самозаліковуванню» тріщин у покритті під дією руху транспортних засобів, які можуть утворюватись у процесі експлуатації [1-5].

Окрім щебеню, піску, мінерального порошку і бітуму, або бітумополімерного в’яжучого до складу ЩМАС вводять спеціальну стабілізуючу добавку, яка структурує бітум і утримує його на поверхні зерен мінеральної частини, запобігаючи його стіканню з мінеральної поверхні. Наявність каркасної структури, яка сформована у ЩМА зернами кубовидного щебеню, забезпечує підвищену зсувостійкість покриття, влаштованого із такої асфальтобетонної суміші, порівняно із традиційними асфальтобетонами. У свою чергу, підвищений вміст бітуму у складі ЩМА забезпечує формування на поверхні зерен мінерального матеріалу товстої плівки в’яжучого і, відповідно, високої довготривалої водостійкості та морозостійкості асфальтобетонного покриття. Наявність волокнистої добавки запобігає розшаруванню щебенево-мастикової асфальтобетонної суміші при її транспортуванні, укладанні у покриття.

В Україні у 2006 році, з урахуванням вітчизняного та закордонного досвіду з проектування, приготування і застосування ЩМА, був розроблений державний стандарт ДСТУ Б В.2.7–127:2006 “Суміші асфальтобетонні і асфальтобетон щебенево-мастикові. Технічні умови”, якому надано чинності з 1 січня 2007 року. Стандарт, на відміну від попередніх технічних умов [6], дозволяє використовувати щебенево-мастикові асфальтобетонні суміші з максимальним розміром зерен 5 мм (ЩМА-5). такі ЩМАС доцільно застосовувати для влаштування тонкошарових покриттів дорожніх одягів. Стандартом нормуються значення показника зчеплення при зсуві при температурі 50 ⁰С та коефіцієнту внутрішнього тертя, які є критеріями, за якими прогнозують зсувостійкість покриттів, влаштованих із ЩМАС. Вказані показники характеристик зсувостійкості визначаються за методом, регламентованим міждержавним стандартом ДСТУ Б В.2.7-89-99 (ГОСТ 12801-98).

Безперечною умовою створення довговічного покриття дорожнього одягу із ЩМА є застосування високоякісних складових щебенево-мастикових асфальтобетонних сумішей та дотримання всіх нормованих технологічних режимів їх приготування. Особливі вимоги висуваються до властивостей щебеню, який займає найбільший об’єм у складі ЩМА та створює каркасну структуру. Показники властивостей щебеню, призначеного для приготування ЩМАС, повинні відповідати вимогам, що наведені у таблиці 1.

Таблиця 1 - Вимоги до щебеню для ЩМАС

Показники властивостей	Вимоги ДСТУ Б В.2.7–127:2006
Вміст лещадних зерен, %	Не більше 10 - 15
Марка за показником дробильності для щебеню із гірських порід: - вивержених та метаморфічних - осадових та металургійних шлаків	Не менше 1200 Не менше 1000
Марка за стираністю	Не менше СТ-1
Марка за морорзостійкістю	Не менше F 50

Відомо, що стабілізуючі волокнисті добавки до ЩМАС різних виробників та марок характеризуються різною утримуючою здатністю плівок бітуму на поверхні мінеральних зерен, яка залежить від походження вихідних компонентів, що були прийняті для їх приготування (наприклад, целюлозні, полімерні або мінеральні волокна та ін).

Для дослідження ефективності волокнистих стабілізуючих добавок в лабораторних умовах виготовляли щебенево-мастикову асфальтобетонну суміш марки ЩМАС-15 із застосуванням добавки Viatop – 66, Viatop Prеmium, Saso-Cell, Antrocel-G та КС-12. Результати порівняльних досліджень впливу волокнистих наповнювачів різних виробників на показник стікання в’яжучого з поверхні мінеральних зерен наведені у таблиці 2. Загальний вигляд стаканів після визначення показника стікання в’яжучого наведено на рис. 1. Показник стікання в’яжучого визначали згідно з вимогами ДСТУ Б В.2.7–127:2006.

Таблиця 2 - Показники стікання в’яжучого

Склад ЩМАС	Назва стабілі-затора (волокно)	Концен-трація стабілі-затора, %	Концерн-трація бітуму, %	Показник стікання в’яжучого, %
				фактичне значення	вимоги ДСТУ Б В.2.7–127:2006
ЩМАС-15 Щебінь фракції (10-15) мм - 50 % Щебінь фракції (5-10) мм - 25 % Відсів -15 % Мінеральний порошок -10 %	Viatop– 66	0,35	5,5	0,06	не більше 0,20 % за масою
	Topcel	0,35	5,5	0,05
	КС – 12	0,35	5,5	0,19
	Viatop Pr.	0,35	5,5	0,05
	Saso Cell	0,35	5,5	0,05
	Antrocel-G	0,35	5,5	0,07

1 2 3

Рис. 1. Загальний вигляд скляних стаканів після визначення показника стікання бітуму БНД 90/130: 1 - ЩМАС зі стабілізатором Topcel; 2 - Viatop – 66; 3 - КС – 12. Концентрація бітуму в суміші 5,5 %

Із наведених у таблиці 2 даних видно, що введення у склад щебенево-мастикової асфальтобетонної суміші 0,35 % будь якої досліджуваної волокнистої стабілізуючої добавки забезпечує відповідність ЩМАС вимогам ДСТУ Б В.2.7–127:2006 за показником стікання в’яжучого при концентрації останнього у суміші у кількості 5,5 %. При цьому, добавки із целюлози (марки Viatop – 66, Viatop Prеmium, Saso-Cell, Antrocel-G) є більш ефективними, порівняно з бітумізованою полімерною волокнистою добавкою КС-12 (ТУ У 24.1-2091800447-004:2005), українського виробництва. Видно, що величина показника стікання в’яжучого з поверхні мінеральних зерен для ЩМАС-15 з добавкою КС-12 практично досягає верхньої межі, нормованої стандартом. Очевидно, що концентрацію добавки КС-12 у складі ЩМАС необхідно значно збільшувати для досягнення величини показника стікання в’яжучого на рівні целюлозних стабілізаторів.

Будівництво покриттів із щебенево-мастикових асфальтобетонних сумішей здійснюється за загальноприйнятими правилами укладання і ущільнення асфальтобетонних сумішей, при цьому існують наступні особливості цієї технології:

- ЩМАС слід укладати на попередньо підготовлену основу при температурі повітря не нижче +5 ^оС;

- транспортування ЩМАС слід виконувати транспортними засобами великої вантажопідйомності на відстань, не більше двох годин руху, для запобігання розшарування ЩМАС;

- кузови транспортних засобів повинні бути закриті і підігріватись вихлопними газами двигуна;

- при влаштуванні покриття необхідно дотримуватися безперервного процесу укладання суміші (слід уникати перерв);

- процес ущільнення повинен проводитись як найшвидше, однак, слід уникати появи бітумних плям на поверхні за рахунок надто раннього початку ущільнення;

- при укладанні необхідно максимально використовувати ущільнюючі можливості асфальтоукладача, обов’язковою умовою є достатньо товсті шари (товщиною більше 3-х розмірів максимальної фракції мінерального матеріалу);

- для ущільнення шарів із ЩМАС найбільше придатні гладковальцьові котки масою 8-10 т та 12-14 т, сталеві вальці яких змочуються в процесі руху мильним розчином, водно-гасовою емульсією або водою;

- вмикати вібрацію на котку дозволяється лише після початкового ущільнення у статичному режимі (3-4 проходи по одному сліду);

- вібраційне ущільнення повинно бути закінчене при температурі суміші не нижче 100 ^оС. Вібраційне ущільнення при більш низьких температурах може викликати розущільнення суміші у шарі покриття;

- забороняється вмикати вібрацію на котках при ущільненні тонкого шару ЩМАС на жорсткій основі (наприклад, на цементобетонному покритті) оскільки це може викликати подрібнення зерен щебеню;

- слід уникати застосування котків на пневматичних шинах, особливо при високих температурах суміші, оскільки бітум може підтягуватись на поверхню шару.

Температура ЩМАС, в залежності від марки бітуму, що застосовується для її приготування, при влаштуванні покриття повинна відповідати значенням, наведеним в таблиці 3.

Таблиця 3 - температура ЩМАС

Марка бітуму	Температура при влаштуванні покриття на початку ущільнення , °С
БНД 40/60	не менше 155
БНД 60/90	не менше 145
БНД 90/130	не менше 140

Із-за високого вмісту в’яжучого в щебенево-мастиковому асфальтобетоні, як правило, не досягається достатня шорсткість покриття на початку відкриття дорожнього руху. Для забезпечення шорсткості покриття рекомендується здійснювати рівномірну посипку поверхні на початку ущільнення митим високоміцним щебенем фракції 2-5 мм або сумішшю щебеню з подрібненим піском з розрахунку 1-4 кг/м². Нанесення дрібного щебеню на поверхню покриття традиційно виконують за допомогою тарільчатого розподільника, встановленого на котку.

Література

1. JTG Richardson Stone mastic asphalt in the UK // Symposium on Stone Mastic Asphalt and Thin Surfacings.- London, 19 June 1997.

2. Marek Iwanski Szorstkosc nawierzchni w aspekcie uziarnienia mieszanki matyksowa grysowej SMA // X International Conference «Durable and Safe rjad pavements».- Kielce, Poland.- 2004.- p. 51-58.

3. Vladimir A. Verenko, Vitaly V. Zankovich Osobliwosci oceny jakosci mieszanek SMA na Bialorusi // IX International Conference «Durable and Safe rjad pavements».- Kielce, Poland.- 2003.- p. 395-403.

4. Оев А.М., Каримов Б.Б. Щебнемастичный асфальтобетон для тонкослойных покрытий // Наука и техника в дорожной отрасли.- 2006.- № 2.- С.24-25.

5. Кирюхин Г.Н. Опыт устройства дорожных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона в России // Вестник ХНАДУ.- 2006.- вып. 34-35.- С.52-54.

6. ТУ У 45.2.-В.2.7.- 03450778-204-2002 - Суміші асфальтобетонні щебенево-мастикові дорожні та асфальтобетон.

УДК 625.7/.8

Мозговий В.В., д-р. техн. наук, Онищенко А.М., канд. техн. наук,

Лаптєва Н.С., Аксьонов С.Ю., Козлов П.В.

Оцінка ВПЛИВУ КОМПАУНДОВОГО В’ЯЖУЧОГО «POLYGUM» НА ВЛАСТИВОСТІ асфальтобетону

Анотація. Описані результати дослідження асфальтобетону типу Б на основі матеріалу «POLYGUM». Проведені випробування показали, що за своїми фізико-механічними показниками асфальтобетону на бітумі модифікованому полімером SBS «POLYGUM» переважають традиційні асфальтобетони. Підвищена водостійкість та збільшена довговічність асфальтобетонів на матеріалі «POLYGUM» у порівнянні із традиційними асфальтовими бетонами дає передумови для їх використання з метою підвищення експлуатаційного терміну.

Вступ

В практиці дорожнього будівництва модифікація бітуму полімерами одержала досить широке поширення [1-10]. Результати світового та вітчизняного досвіду застосування полімерів засвідчили:

· полімери покращують здатність асфальтобетону сприймати напруження, зумовлені денними та сезонними змінами температури;

· асфальтобетон на бітумі модифікованому полімером, розташований над блочною основою компенсує температурні та інші деформації і запобігає утворенню відображених тріщин;

· асфальтобетони, виготовлені на бітумі модифікованому полімерами підвищують його загальну довговічність на протязі всього життєвого циклу.

Одним з найбільш ефективних і найпопулярніших полімерів, як засвідчив виробничий досвід в Україні і Європі, є полімери типу СБС [2-15].

Аналіз публікацій

Властивості асфальто – і асфальтополімербетонів як систем з коагуляційною структурою визначаються головним чином якістю бітумних в’яжучих. У відповідності з цим показники якості в’яжучих повинні бути в максимальній мірі об’єктивними, дозволяючи прогнозувати міцність, здвиго-, тріщино-, водостійкість і стійкість до старіння бетонів на їх основі [2-9].

Одним з направлень підвищення довговічності асфальтобетонних покриттів є використання для їх влаштування асфальтобетонних сумішей на основі бітумополімерних в’яжучих, характеризуються високим опором до механічних навантажень, меншою чутливістю до температури, широким інтервалом пластичності у порівнянні звичайними бітумами. [10].

Підвищення когезійної міцності в’яжучого без підвищення температури крихкості за рахунок використання полімерних добавок (більше всього термоеластопластів). В цьому випадку отримують нове в’яжуче – бітум, модифікований полімером (БМП) [12].

Модифікація полімерами знижує чутливість бітуму до змін температури та тривалого навантаження, надає йому високої пружності, збільшує когезій ну міцність та теплостійкість з одночасним поліпшенням низькотемпературної поведінки [13].

У дорожньому будівництві модифікація бітуму полімерами є одним із найбільш ефективних заходів підвищення довговічності дорожньо-бідівельних матеріалів, що виробляються на основі органічних в’яжучих [2-15].

Для виробництва бітумополімерних в’яжучих (БПВ) и асфальтобетонних сумішей на їх основі найбільше розповсюдження отримали полімери, які відносяться до класу термопластичних еластомерів. При цьому, більше 70% бітумополімерних в’яжучих виготовляються на основі полімерів типу стирол-бутадієн-стирол (SBS). Виготовлення бітумополімерних в’яжучих здійснюється при високих температурах і інтенсивному перемішуванні. Для їх виготовлення необхідні спеціальні технологічні обладнання, що забезпечує отримання однорідного в’яжучого. Відомо, що ефективність виготовлення БПВ підвищується при з’єднанні полімеру з малов’язкими нафтовими дорожніми бітумами, характеризуючими значним вмістом мальтенів, які впливають на розчинення полімерів при високих температурах виготовлення. В Україні для виготовлення бітумополімерних в’яжучих різних дорожніх організаціях знаходять застосування декілька видів технологічного обладнання, які дозволяють здійснювати перемішування полімеру з бітумом при високих температурах [10]. На АБЗ бітуми, які модифікують полімерами різних типів не завжди очкуються в’яжучі потрібної якості [10]. Технологічний процес модифікації бітуму полімером на АБЗ знижує продуктивність та підвищуються енергозатрати [10]. Так як перемішування одного замісу (4,5 м³) складає біля 3,0 годин [10].

Постало питання підвищити продуктивність та значно заощадити енергозатрати АБЗ за рахунок полухабрикатів тобто бітум модифікований полімером SBS «POLYGUM» (виробник фірми “Bitum Ltd”, Ізраїль), який надається фірмою ТОВ «Бітум-Україн».

Дослідження виконували на зразках бітуму та асфальтобетону з використанням матеріалу «POLYGUM» наданого представниками фірми ТОВ «Бітум-Україна».

Для досягнення максимального ефекту від застосування бітуму модифікованого полімером SBS «POLYGUM» необхідно встановити основні параметри технології його приготування з урахуванням виробничих умов.

Мета і постановка задачі

Оцінка впливу матеріалу «POLYGUM» на властивості асфальтобетону. У зв’язку з цим було передбачено провести певні експериментальні дослідження для встановлення:

· відповідності матеріалу «POLYGUM» вимогам ДСТУ Б В.2.7-135:2007 „Бітуми дорожні, модифіковані полімерами”;

· відповідності компаундування бітуму з матеріалом «POLYGUM» вимогам ДСТУ Б В.2.7-135:2007;

· відповідності асфальтобетону, виготовленого на матеріалі «POLYGUM» вимогам ДСТУ Б.В.2.7-119-2003 «Суміші асфальтобетонні і асфальтобетон дорожній і аеродромний».

Методика компаундування і підготовка зразків для випробування

При розробці технології компаундування бітуму матеріалом «POLYGUM» було прийнято використовувати бітум нафтовий дорожній (марки БНД 60/90, наданий СБМУ «Підряд» який має наступні характеристики: глибина проникнення голки при 25 ^оС – 80 х 0,1 мм, температура розм’якшення по КіК – 47 ^оС, розтяжність при 25 ^оС – 77,1 см, температура крихкості – мінус 22 ^оС, температура спалаху – 240 ^оС.), як найбільш розповсюджений в Україні, з додаванням в нього 50%-матеріалу «POLYGUM» з метою перевірки відповідності вимогам ДСТУ Б В.2.7-135:2007.

Результати випробувань модифікованого бітуму «POLYGUM» (протокол сертифікації випробувань №126-08 від 13.06.2008 р., виданий ВЦ будівельних матеріалів та виробів НДІБМВ, реєстраційний номер № UA 1.090.0090026-08) наведено таблиці 1.

Для компаундування бітуму матеріалом «POLYGUM» використовували установку О-1 [10].

Технологія приготування в’яжучого включала такі операції:

· розігрів бітуму до робочої температури;

· введення в бітум при постійному перемішуванні матеріалу «POLYGUM» в кількості 50% від маси бітуму;

· доведення температури в’яжучого до 180 ^оС з постійним перемішуванням;

· перемішування в’яжучого при робочій температурі на протязі 2-х годин.

·

Таблиця 1- Результати випробувань НДІБМВ

Найменування показника	Пункти згідно з ТУ У В.2.7-23.2-00294349-091-2003	Вимоги ТУ У В.2.7-23.2-00294349-091-2003 для ґрунтовок типу АЙСТРА БіЕП	Фактичні (середньоарифметичні) значення для	Похибка вимірювань
			модифікованого бітуму" POLYGUM"
1. Відносне подовження плівки при розриві, %	ДСТУ Б В.2.7-84-99 (ГОСТ 26589-94) (п.3.3)	не менше 100	345	±1%
2. Міцність зчеплення з бетоном. МПа	ДСТУ Б В.2.7-77-98 (п.8.8)	не менше 0,1	0,45
3. Водопоглинення плівки за 24 год.,% за масою	ДСТУ Б В.2.7-84-99 (ГОСТ 26589-94) (п.3.9)	не більше 5	0,4	±0,2%
4. Теплостійкість протягом 5 год.ºС	ДСТУ Б В.2.7-84-99 (ГОСТ 26589-94) (п.3.13)	не менше 70	112	±0,5ºС

Після закінчення компаундування бітуму матеріалом «POLYGUM» виконували лабораторні випробування, результати яких наведено в таблиці 2.

Таблиця 2 - Результати випробувань згідно з ДСТУ Б В.2.7-135:2007

Найменування показника	Одиниця виміру	Нормативне значення для марки БМП 40/60	Результати компаундування бітуму +50%- «POLYGUM»	Результати випробувань «POLYGUM»
Однорідність	-	Однорідне	Однорідне	Однорідне
Глибина проникнення голки (пенетрація), при 25 °С	м∙10^-4	40-60	50	40
Температура розм'якшення за кільцем і кулею	°С	не нижче 56	58	92
Розтяжність (дуктильність), не менше: за температурою 25 ^оС	см	20	49	76
Еластичність при 25 °С	%	не менше 50	74	95
Зчеплення з мінеральним матеріалом	%	не менше 75 % поверхні	100	100

З урахуванням результатів випробування було запроектовано зерновий склад асфальтобетонної суміші типу Б, що може використовуватись у верхніх шарах покриття у відповідності із чинними вимогами: ДСТУ Б.В.2.7-119-2003; ДБН В.2.3 – 4 – 2000; ДСТУ Б.В.2.7-89-99.

Склад асфальтобетонної суміші:

· щебінь фракції 5-10 мм – 35 %;

· відсів – 53 %;

· мінеральний порошок – 12 %;

· в’яжуче («POLYGUM» і при компаундуванні бітуму + 50% «POLYGUM»)– 5,00%, 5,50%, 6,00%, 6,50 та 7,00 % (вміст в’яжучого - понад 100 % мінеральної частини за масою).

Для виготовлення асфальтобетонної суміші використовували лабораторну мішалку, що відтворює умови приготування суміші на асфальтобетонних заводах [10].

Результати визначення стандартних фізико-механічних властивостей асфальтобетону, виготовленого на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM» наведено на рис. 1- 5.

Зі зміною кількості в’яжучого від 5,0% до 7,0% понад 100 % мінеральної частини значення водонасичення асфальтобетону типу Б виготовленого на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM» зменшується із збільшенням кількості в’яжучого (рис. 1).

Зменшення показника водонасичення асфальтобетону, на матеріалі «POLYGUM» становило 17 % в порівнянні з асфальтобетоном, виготовленим на бітумі, який компаундували - 50% бітумом модифікованим полімером СБС «POLYGUM» при оптимальній кількості в’яжучого 6% (рис. 1).

Рис. 1. Результати визначення водонасичення асфальтобетону типу Б на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM»

Варто відмітити, що найбільших значень міцності на стиск досягали при оптимальній кількості в’яжучого 6% у асфальтобетоні, виготовленому на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM». Це на 18 % більше в порівнянні з асфальтобетоном, виготовленим на бітумі, який компаундували - 50% матеріалом «POLYGUM», при температурі +20^оС (рис. 2).

Аналогічне збільшення показника міцності на стиск досягли при оптимальній кількості в’яжучого 6% у асфальтобетоні виготовленому на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM». Це на 15 % більше в порівнянні з асфальтобетоном виготовленим на бітумі, який компаундували - 50% матеріалом «POLYGUM», при температурі +50^оС (рис. 3).

Рис. 2. Результати визначення міцності на стиск асфальтобетону типу Б на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM»

Рис. 3. Результати визначення міцності на стиск асфальтобетону типу Б на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM»

Необхідно відзначити, що для асфальтобетону, виготовленого на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM» та асфальтобетону, виготовленого на бітумі, який компаундували - 50% бітумом модифікованим полімером СБС «POLYGUM» з оптимальною кількістю в’яжучого 6% показник водостійкості становить одиницю (рис.4).

Рис. 4. Результати визначення коефіцієнту водостійкості асфальтобетону типу Б на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM»

Результати визначення розрахункових показників властивостей асфальтобетону на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM» наведено в таблиці 3.

Таблиця 3 – Розрахункові характеристики асфальтобетону на матеріалі «POLYGUM»

Види асфальтобетонів	Темпе-ратура, Т °С	Розрахункові характеристики
		Пока-зник втоми	Модуль пружності	Межа міцності на розтяг при згині
		m	Е, МПа	Ru, МПа
Асфальтобетон типу Б на бітумі марки БНД 60/90 -3% + «POLYGUM» -3%	0	0,18	4050	9,6
Асфальтобетон типу Б на «POLYGUM» -6%	0	0,14	3690	10,4

На основі визначених розрахункових характеристик з метою з’ясування довговічності були виконанні порівняльні розрахунки двох конструкцій дорожнього одягу за діючою методикою (рис. 5).

Асфальтобетон дрібнозернистий, типу Б,

І марки, щільний на бітумі БНД 60/90– 6 см

Асфальтобетон крупнозернистий, типу Б,

І марки, пористий на бітумі БНД 40/60– 8 см

Асфальтобетон крупнозернистий, типу Б,

І марки, пористий на бітумі БНД 60/90 10 см

Гравійно – піщана суміш оптимального складу укріплена цементом 22 см

Рядовий шлаковий щебінь– 26 см

Ґрунт земляного полотна - супісок

а)

б)

Асфальтобетон дрібнозернистий , типу Б,

І марки, щільний на матеріалі «POLYGUM» – 6 см

Асфальтобетон крупнозернистий, типу Б,

І марки, пористий на бітумі БНД 40/60– 8 см

Асфальтобетон крупнозернистий, типу Б,

І марки, пористий на бітумі БНД 60/90 10 см

Гравійно – піщана суміш оптимального складу укріплена цементом 22 см

Рядовий шлаковий щебінь– 26 см

Ґрунт земляного полотна - супісок

Рис. 5. Конструкції дорожнього одягу:

а) з використанням асфальтобетону; б) з використанням ПАБ

В першій конструкції використовували асфальтобетон на основі бітуму в другій асфальтобетон на основі матеріалу «POLYGUM».

Розрахункові характеристики асфальтобетону та ПАБ визначали експериментально згідно вказаних методик. Склади асфальтобетону та ПАБ використовували тотожні попереднім дослідженням.

Аналіз результатів розрахунків підтвердив попередні дослідження стосовно збільшення довговічності асфальтобетонного покриття (рис. 6).

Рис. 6. Залежність коефіцієнту міцності асфальтобетону від кількості полігуму

Відкриті питання

Провести повний набір всіх стандартних характеристик не тільки для м. Києва і Київської області, а для всієї України в цілому. Проаналізувати техніко-економічне обґрунтування та економічну ефективність матеріалу «PolYgum».

Визначити більш ширше розрахункові характеристики:

· модуль пружності при різних температурах;

· міцність на розтяг при згині;

· показник втоми при різних температурах.

Провести розрахунок товщини конструкції дорожнього одягу з використанням асфальтополімербетону (на матеріалі «PolYgum») по нормативних документах для різних категорій доріг порівняти з традиційними матеріалами і зробити перші висновки техніко-економічного обґрунтування та економічної діяльності на застосування матеріалу «Poligum». ці характеристики орієнтовані тільки на ті умови розрахунку і перевірки типових розрахункових схем, що передбачені у нормативних документах не враховують ширших спектрів дії факторів:

· коливання температури;

· температурне розтріскування;

· схеми на блочній основі.

Провести аналіз довговічності асфальтополімербетону з впливом водоморозних факторів та провести дослідження термореології (дає точніше прогнозування довговічності в комплексі з водоморозними впливами).

Висновки

1. Проведені дослідження показали, що бітум модифікований полімером СБС «Poligum» та бітум, отриманий при компаундуванні (бітуму + 50%- бітуму модифікованого полімером СБС «Poligum») відповідають вимогам ДСТУ Б В.2.7-135:2007 „Бітуми дорожні, модифіковані полімерами”.

2. Дослідження показали, що асфальтобетони виготовлені з використанням бітуму модифікованого полімером СБС «POLYGUM» та бітуму отриманого при компаундуванні (бітум БНД 60/90 + 50% бітумом модифікованим полімером СБС «POLYGUM»), відповідають вимогам, які пред’являють до гарячого асфальтобетону, перевищуючи його за фізико-механічними показниками.

3. Високі показники водостійкості та довговічності асфальтобетону, виготовленого на бітумі модифікованому полімером СБС «POLYGUM» дозволяє рекомендувати його для використання з метою підвищення терміну служби дорожнього покриття.

4. Збільшення міцності полімерасфальтобетону дає можливість отримати економічний ефект від застосування бітуму модифікованого полімером СБС «POLYGUM» за рахунок зростання терміну служби або за рахунок зниження товщини асфальтобетонних шарів.

5. Бітум модифікований полімером СБС «POLYGUM» та бітум отриманий при компаундуванні (бітум БНД 60/90 +50% бітумом модифікованим полімером СБС «POLYGUM») може рекомендуватись для приготування асфальтобетонних сумішей всіх типів в рамках виконання робіт з будівництва та реконструкції дорожніх асфальтобетонних покриттів в Україні при умові обов’язкового інженерно-технічного і наукового супроводу, а також при наявності відповідних сертифікатів екологічної безпеки бітуму модифікованого полімером СБС «POLYGUM».

6. Результати досліджень вказують, що для одержання максимального ефекту від застосування матеріалу «POLYGUM» доцільно проводити науковий супровід при його використанні на виробництві, а також спостереження за станом експлуатації для накопичення статистичних даних і проведення при необхідності відповідних коректив з метою отримання найкращих результатів.

Література

1. Кинг Г.Н., Радовский Б.С. Свойства полимерно – битумных вяжущих и разрабатываемые в США методы их испытания. // Новости в дорожном деле. Научно – технический информационный сборник. – 2004, выпуск 6. – Москва. С. 1-28.

2. Модифицированные битумные вяжущие, специальные битумы и битумы с добавками в дорожном строительстве / Пер. с французского под общей ред. В. А.Золотарева и В.И. Братчуна. – Харьков: Изд-во ХНАДУ, 2003. – 229 с.

3. Золотарев В.А. Свойства битумов, модифицированных полимерами типа СБС // Автошляховик України. - № 3. -2003. – С. 29-31.

4. Золотарьов В.О. та ін. Про стабільність при збереженні бітумів, модифікованих полімерами//Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Композиційні матеріали для будівництва. – 2004-1(43), Т.1. – Макіївка. С. 16-23.

5. Золотарьов В.О. та ін. Дослідження стабільності модифікованих бітумів при зберіганні. // Автошляховик України. - № 5. -2004. – С. 30-31.

6. Золотарьов В.О. Про стабільність при збереженні бітумів, модифікованих полімерами //Дороги і мости. Збірник наукових статей. – 2006, випуск 5. – Київ.

7. Золотарьов В.О., Лапченко А.С. Вплив вмісту полімеру типу СБС на реологічні показники асфальтополімербетонів. // Автошляховик України. - № 5. -2008. – С. 29-35.

8. Золотарьов В.О. та ін. Досвід приготування полімербітумного в’яжучого у без компресорній установці//Автошляховик України. № 1. – 2001. – 2001. – С.39-42.

9. Золотарьов В.А. Показники якості бітумів, модифікованих полімерами / збірник наукових статей "Дороги і мости", – 2006, – вип. 5, с. 200-221.

10. Жданюк В.К. Технологічні особливості виробництва бітумів, модифікованих полімерами / збірник наукових статей "Дороги і мости", – 2006, – вип. 5, с. 187-199.

11. Гохман Л.М. Комплексные органические вяжущие материалы на основе блоксополимеров типа СБС. Учебное пособие. – М.: ЗАО «ЭКОНОМ - ИНФОРМ», 2004. – 510 С.

12. Галкін А.В. Вплив полімерних добавок на властивості бітумів різної в’язкості / збірник наукових статей "Дороги і мости", – 2006, – вип. 5, с. 123-128.

13. Кіщинський С.В. Використання вторинного поліетилену для модифікації бітумів / збірник наукових статей "Дороги і мости", – 2006, – вип. 5, с. 243-258.

14. Макарчев О.О., Мозговий В.В., Бесараб О.М., Онищенко А.М. Оцінка впливу модифікатора бітуму Бутонал NS 198 на підвищення довговічності асфальтобетонного покриття / збірник наукових статей "Дороги і мости", – 2006, – вип. 5, с. 275-288.

15. Онищенко А.М. Підвищення довговічності асфальтобетонних шарів за рахунок використання полімерних латексів. Дис… кан. тех. наук. Київ - 2008. С. 205.

УДК 625.7/.8

Кіяшко В.І., канд. техн. наук, Новаковський Д.М.

МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ ВЛАСИВОСТЕЙ АСФАЛЬТОБЕТОНУ ПІД ДІЄЮ ДИНАМІЧНОГОНАВАНТАЖЕННЯ ЗА АНАЛІЗОМ ПАРАМЕТРІВ ПОВЕРХНЕВИХ ХВИЛЬ

Модуль пружності є основною розрахунковою характеристикою асфальтобетону, це його здатність опиратися змінам розмірів, форми та відновлювати властивість початкового стану при припинені дії зовнішніх сил.на міцність конструкції дорожнього одягу [1].

Механічні властивості асфальтобетонних шарів дорожньої конструкції суттєво залежать як від температурних режимів експлуатації так і від швидкості прикладення навантаження [2]. Останнє є наслідком в’язких властивостей матеріалу. Результати лабораторних досліджень підтверджено польовими випробуваннями, в процесі яких доведена відсутність кореляції між значеннями модулів пружності визначених методами статичного та динамічного навантаження при аналізі несучої здатності конструкцій дорожнього одягу [3].

Прийнята на даний момент схема визначення модуля пружності передбачає використання нерухомого розрахункового навантаження. Врахування рухомості навантаження від автомобільного транспорту виконано шляхом введення динамічного коефіцієнту [1]. Але відсутність кореляції між значеннями модулів пружності визначених при використанні статичного та динамічного навантаження ставить під сумнів можливість використання емпіричних динамічних коефіцієнтів без врахування особливостей матеріалу асфальтобетонних шарів, інших шарів дорожнього одягу та режимів експлуатації.

Необхідність врахування динамічних властивостей асфальтобетону при конструюванні та розрахунку на міцніть дорожньої конструкції вимагає приділення їм уваги при визначенні властивостей асфальтобетонної суміші. Методи визначення модуля пружності асфальтобетону шляхом циклічного навантаження зразків балочок моделюють роботу матеріалу в шарі конструкції [4]. Але відмінності в напружено-деформовані стані матеріалу в умовах подібного моделювання та в умовах експлуатації в шарі конструкції дорожнього одягу висуває необхідність у впровадженні методів, що дозволять з більшою точністю визначити модуль пружності асфальтобетону під дією динамічного навантаження та врахувати закономірності зміни міцностних властивостей під впливом зовнішніх факторів. Дослідження асфальтобетонних шарів в реальних конструкціях дорожнього одягу обмежене суттєвими складностями у варіюванні таких факторів як температура матеріалу, тип асфальтобетону, щільність, товщина шарів тощо. В той же час використання традиційних методів вимірювання деформації під дією навантаження в лабораторних умовах потребує створення моделей, що за розміром відповідають розмірам чаші прогину, яка може досягати п’яти метрів за діаметром [5]. Таким чином, впровадження методу, що дасть можливість в лабораторних умовах визначати модуль пружності асфальтобетону під дією динамічного навантаження та досліджувати закономірності зміни міцностних властивостей під впливом зовнішніх факторів є актуальною задачею.

Для зменшення розмірів лабораторних моделей, що можуть бути використані для аналізу міцностних характеристик асфальтобетонних шарів дорожньої конструкції в якості інформаційної характеристики можливе використання параметрів розповсюдження поперечної хвилі зсуву, що виникає під дією імпульсного зовнішнього навантаження. Швидкість розповсюдження поперечної хвилі зсуву безпосередньо залежить від пружних властивостей та щільності середи розповсюдження :

(1)

де - швидкість розповсюдження поперечної хвилі зсуву;

- модуль пружності;

- щільність середовища;

- коефіцієнт Пуассона.

При практичних вимірюваннях для визначення параметрів хвилі зсуву можливе використання поверхневої хвилі Релея. Залежність швидкості поперечної хвилі зсуву від швидкості поверхневої хвилі Релея визначається за співвідношенням :

, (2)

де, V_R, V_S – швидкості, відповідно, поверхневої хвилі Релея та хвилі зсуву.

Поверхневі хвилі, типу хвиль Релея, розповсюджуються вздовж вільної поверхні елементів структури. Амплітуда хвиль Релея експоненціально затухає з віддаленням від поверхні. Товщина шару локалізації хвилі Релея пов’язана з довжиною хвилі наступною залежністю:

, (3)

де - товщина шару локалізації хвилі Релея;

- довжина хвилі.

Таким чином мінімальні розміри лабораторної моделі можна зіставити з товщиною шару асфальтобетону, що підлягає дослідженню. Це дозволяє підтвердити більшу придатність методу для лабораторних досліджень на відміну від класичних підходів по вимірюванню значення прогину.

На кафедрі будівництва та експлуатації автомобільних доріг Харківського національного автомобільно-дорожнього університету ведеться розробка неруйнівного методу аналізу міцностних характеристик дорожнього одягу на основі вимірювання параметрів розповсюдження поверхневих хвиль. В рамках розробки методу передбачається проведення ряду лабораторних досліджень на моделях одно та багатошарових конструкцій асфальтобетонних шарів дорожнього одягу. Для реалізації запланованих лабораторних досліджень виготовлено комплекс обладнання, що дає можливість виготовлення асфальтобетонних плит розміром 600 800 мм та товщиною 40, 60, 80, 100 мм для одношарових конструкцій та 100, 120, 140, 160 мм для двошарових конструкцій (рис. 1). Ущільнення матеріалу передбачається виконувати за допомогою промислового обладнання призначеного для ущільнення асфальтобетонних шарів, що дозволить досягнути необхідних значень коефіцієнту ущільнення асфальтобетонних плит.

Рис. 1. Комплекс обладнання для виготовлення асфальтобетонних плит в лабораторних умовах

Передбачається проведення ряду досліджень в напрямку пошуку залежностей між механічними характеристиками визначеними стандартними методами випробування асфальтобетонних зразків та механічними характеристиками матеріалу в конструктивних шарах визначених методом аналізу параметрів поверхневих хвиль.

Використання зазначеного методу дозволить більш обґрунтовано підійти до питання визначення розрахункових характеристик асфальтобетону для потреб проектування, розрахунку на міцність конструкцій дорожнього одягу та при визначенні показників міцності дорожніх конструкцій в польових умовах. Перспективність використання методу в напрямку неруйнівної діагностики конструкції дорожнього одягу полягає в значній інформативності параметрів, що досліджуються.

Література

1. ВБН В.2.3-218-186-2004. Дорожній одяг нежорсткого типу. - На заміну ВСН 46-83/ Мінтрансбуд СРСР; Введ. ..04. – Київ: Укравтодор, 2004. – 176 с.

2. Смирнов А.В. Динамика дорожных одежд автомобильных дорог. – Омск: Западносибирское книжное издательство. Омское отделение,

1975. – 184 с.

3. Стелюк Л.П., Анфимов В.А., Чайка А.Т. Экспресс-методы определения прочности дорожных одежд / Харьков: Харьковское областное правление НТО автомобильного транспорта и дорожного хозяйства, 1981. – 24 с.

4. Илиополов С.К., Углова Е.В., Селезнёв М.Г., Дровалева О.В., Пляка П.С., Бессчетнов Б.В. Способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях // Патент на изобретение № 2004113230/28(014124).

5. Апестин В.К., Шак А.М., Яковлев Ю.М. Испытания и оценка прочности

нежёстких дорожных одежд. М.: Транспорт.

УДК 625.7/.8

Заїченко В.В

ОСОБЛИВОСТІ ВИЗНАЧЕНЯ МІЦНІСНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТУ ДЛЯ РОЗРАХУНКУ ДОРОЖНЬОГО ОДЯГУ

Особливості визначення міцнісних характеристик ґрунту для розрахунку дорожнього одягу^*

Сучасні методи розрахунку дорожнього одягу враховують різні режими навантаження як статичні так і динамічні. Водночас при розрахунку одного з найбільш важливих елементів дорожнього одягу та ґрунту земляного полотна на міцність застосовуються міцнісні характеристики ґрунту, що визначаються діючими нормативними методиками без урахування різного режиму навантаження. В роботі аналізуються результати впливу режиму навантаження на міцнісні характеристики ґрунту: дорожній одяг, міцнісні характеристики ґрунту, режим навантаження.

Міцність активної зони земляного полотна відіграє ключову роль у забезпеченні довговічності конструкції дорожнього одягу в цілому. При розрахунку всього дорожнього одягу по несущій здатності, намагаються забезпечити зберігання цілісності його конструкції за рахунок протистояння руйнуванню . В цьому випадку в якості критерію граничного стану ґрунту земляного полотна прийнято незворотний зсув [1]. Тому ґрунт земляного полотна конструкції дорожнього одягу розраховується на стійкість проти зсуву. При цьому критерієм граничного стану в більшості країн (у тому числі в Україні) розглядають зсувне напруження по найбільш небезпечній площині: τ_а ≤ τˉ_а, де τ_а – активне напруження зсуву, τˉ_а – допустиме значення активного напруження зсуву. При невиконанні цієї вимоги після кожного проїзду відбувається незворотний зсув земляного полотна і в результаті утворюються залишкові переміщення у вигляді колії і просадок [2].

Як відомо, в сучасних методах розрахунку намагаються враховувати особливості режиму навантаження дорожнього одягу транспортними засобами . Так згідно чинних нормативних документів з проектування конструкцій дорожнього одягу [2,3] на перегонах їх потрібно розраховувати на короткочасну багаторазову дію рухомих навантажень. Тривалість дії навантажень при сучасних швидкостях руху вантажних автомобілів прийнято рівною 0,1 с. У цьому випадку в розрахунок повинні прийматися значення модуля пружності і міцнісні характеристики матеріалів і ґрунту, визначені теж при тривалості дії навантаження 0,1 с. В той же час дорожній одяг на зупинках автобусів і тролейбусів, перехрестях доріг, на підходах до пересічень із залізничними і трамвайними шляхами і т. ін. розраховують на

* робота виконана під науковим керівництвом професора Мозгового В.В.

багаторазову короткочасну дію навантаження, а також на тривале одноразове навантаження.

При розрахунку дорожнього одягу на тривалу дію навантаження повинні використовуватися значення модуля пружності матеріалів і ґрунтів і їх міцнісні характеристики, визначені при тривалості навантаження не менше 600 с.

Таким чином, виходячи з вище наведеного, міцністні характеристики ґрунту для динамічної схеми навантаження слід визначити при умовах, коли тривалість дії навантаження становить 0,1 с, а для статичної схеми навантаження – при тривалості дії навантаження не менше 600 с.

Проведемо аналітичні дослідження для з’ясування особливостей методики визначення міцністних характеристик ґрунту, що регламентується чинними нормативними документами [3,4], стосовно відповідності фактичних режимів навантаження, тим розрахунковим режимам (динамічним чи статичним) навантаження, що передбачені методами розрахунку конструкції дорожнього одягу на міцність. В даному випадку існуюча нормативна методика [3] має наступні методичні особливості визначення розрахункових міцністних характеристик ґрунту.

Одержують розрахункові характеристик опору зсуву ґрунту виходячи із закону Кулона.

(1)

Тут φ і С – константи для даного ґрунту при визначених його щільності і вологості.

де τ – граничне значення дотичного напруження на площині зсуву;

φ – кут внутрішнього тертя;

С – питоме зчеплення;

величина tgφ=f – відіграє роль коефіцієнта внутрішнього тертя для запобігання незворотного зрушення по деякій площадці.

σ – нормальне напруження на площину зсуву.

Зразки випробовують при вологості і щільності, відповідних стану ґрунтів і матеріалів у розрахунковий період. Після кожного випробування проводять контрольні визначення вологості і щільності випробуваних зразків і при виявленні відхилень від заданих значень коригують результати випробувань чи вибраковують їх.

Рекомендується визначити міцністні характеристики ґрунту на основі побудови діаграми Мора (рис. 1).

Рис. 1. Приклад діаграми Мора для суглинистого ґрунту при W = 13,3 % і δ = 1850 кг/м3: φ = 22°, c = 0,07 МПа.

Нахил дотичної до граничних кіл дає кут внутрішнього тертя φ у досліджуваному ґрунті, а відрізок, що відтинається дотичною на вертикальній осі, – питоме зчеплення С.

Однак проведений аналіз свідчить, що в існуючих способах визначення характеристик С, φ [3]відсутня методична єдність в схемах і режимах випробування, це суттєво впливає на достовірність розрахункових міцністних характеристик ґрунту. Так випробування для побудови граничних кіл Мора рекомендується проводити на приладах тривісного стискання, а також на приладах, що забезпечують зсув у даній площині (плоский зсув). Випробуванням на приладах тривісного стискання необхідно віддавати перевагу тому, що вони дають більш надійні дані. При випробуванні на приладах, що забезпечують зсув у заданій площині, можлива деяка погрішність, для виключення якої необхідно застосовувати спеціальні методики обробки результатів. Доцільні паралельні випробування на приладах тривісного стискання (контрольні) і на приладах плоского зсуву. Досвід показує (як відмічають автори методики) [3], що в переважній більшості випадків результати випробування на приладах тривісного стискання і приладах плоского зсуву не відрізняються. При цьому не вказуючи на схему випробування стосовно режиму дії навантаження рекомендують проводити випробування, в яких руйнування зразка настає через 3 – 5 хв. В даному випадку іде мова про однократне випробування до руйнування і не зрозуміло якому статичному чи динамічному режиму навантаження будуть відповідати отримані міцністні характеристики ґрунту.

І як далі слідує із аналізу даної методики для випробування зразків ґрунтів в умовах тривісного напруженого стану рекомендується застосовувати будь-який із приладів. І при цьому пропонується врахувати ті рекомендації при випробуваннях, щоб отримати розрахункові характеристики, що використовуються при проектуванні дорожнього одягу. При цьому випробовують циліндричні зразки з відношенням діаметра до висоти 1:2. Мінімальний діаметр зразка залежить від крупності фракцій, які є в ґрунті чи матеріалі. При максимальному розмірі зерен випробовуваного ґрунту чи матеріалу до 5 мм приймають діаметр зразка рівним 60 мм; при розмірі зерен до 20 мм – діаметр зразка 100 мм.

Зразки ґрунту, що мають необхідну вологість і щільність, рекомендують готувати у великих формах, і потім з них спеціальним різаком вирізувати циліндр потрібного діаметра і висоти, або готувати зразок з пошаровим ущільненням ґрунту в спеціальній роз’ємній формі необхідних діаметра і висоти.

На зразки зв’язних ґрунтів і матеріалів після того, як вони вийняті з форми чи різака, одягають манжет з гуми завтовшки 0,2–0,3 мм. Діаметр манжета повинен бути на 2–3 мм менше за зразок. Зразок з манжетом встановлюють у камеру приладу, після чого камеру закривають і заповнюють водою.

Зразки малозв’язних ґрунтів і матеріалів готують у роз’ємній сталевій формі, в яку попередньо вкладено гумовий манжет, а також плитку, що підтримує зразок знизу. Ущільнений пошарово до необхідної щільності зразок разом з формою поміщають у камеру приладу, де в зразку створюється невеликий вакуум (близько 100 мм рт. ст.). Після видалення роз’ємної форми камеру закривають і заповнюють водою. Зразки випробовують при різних значеннях бічного тиску. Слід випробувати за даних умов не менше трьох зразків кожного ґрунту чи матеріалу однакової вологості й щільності при кожному значенні бічного тиску.

Всі випробування проводять таким чином, щоб щільність і вологість зразків у момент руйнування відповідала розрахунковим значенням цих характеристик.

Все вище наведене не тільки не дає можливості отримати зразки ґрунту однакової структури, не забезпечує чіткої методики заданого режиму навантаження. Так вказується [2], що допустимі випробування при визначенні міцністних характеристик ґрунту як з постійною швидкістю навантаження, так і з постійною швидкістю деформування. Швидкість навантаження при випробуванні ґрунтів – 0,01 – 0,02 МПа/хв. При випробуванні з постійною швидкістю деформування реєструють зміну навантаження на зразок у часі. За руйнівне приймають навантаження, що відповідає деформації ґрунту, рівній 1/10 висоти зразка, швидкість деформування 1 – 2 мм/хв.

Різні методики навантаження при визначенні міцністних характеристик ґрунту (ступеневе навантаження, постійна швидкість навантаження або постійна швидкість деформування та ін.) створює різні режими дії у часі зсувних напружень, що призводить до різної реакції ґрунту як в’язко – пружного тіла з явно вираженим характером реологічної поведінки [2]. Різний режим навантаження, як показують експериментальні дослідження багатьох дослідників [5 - 7], дають різні кількісні значення міцністних характеристик ґрунту. При цьому значення питомого зчеплення може змінюватися у 1,5 – 2 рази і більше, значення кута внутрішнього тертя може змінюватись на 10 – 40 %.

Таким чином із проведеного дослідження особливостей визначення міцністних характеристик ґрунту можна зробити наступні висновки.

1.Існуючі методи визначення розрахункових міцністних характеристик ґрунту не в повній мірі відображають динамічні і статичні розрахункові режими навантаження транспортними засобами конструкції дорожнього одягу.

2.Для забезпечення співставимості результатів випробувань необхідно створювати відповідні умови випробувань для створення однакових швидкостей навантаження зсувними напруженнями.

3.Є актуальним проведення досліджень з метою розробки методології визначення міцністних характеристик ґрунту, що буде точніше відображати реальний режим навантаження.

Література

1. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд. Под ред. Н.Н. Иванова. М. – Транспорт, 1973 – 328 с.

2. Радовский Б.С., Супрун А.С., Козаков Н.Н. Проектирование дорожных одежд для движения большегрузных автомобилей // Киев: Будівельник., 1989 - 168 с.

3. ВБН В.2.3-218-186-2004. Дорожній одяг нежорсткого типу – Укравтодор, 2004 – 176 с.

4. ВБН В.2.-218-008-97. Проектування та будівництво жорстких та з жорсткими прошарками дорожніх одягів – Укравтодор, 1997 – 218 с.

5. Цытович Н.А. Механика грунтов // М. – Госстройиздат., 1963 – 635 с.

6. Лапидус Л.С., Стороженко В.И. Экспериментальные исследования влияния циклических пульсационных нагрузок на механические свойства грунтов. // Материалы к научно-технической конференции по динамическим воздействиям на грунты и одежды автомобильных дорог. – 1964. – с. 14-17.

7. Казарновский В.Д. Учет сопротивляемости грунтов здвигу при проектировании дорожной конструкции // М. – Автотрансиздат., 1962 – 35 с.

УДК 625.731.2

Онищенко А.М канд. техн. наук, Лазовська І.Ю., Макарчев О.О.

підвищення фізико-механічних властивостей ҐРУНТУ ПРИ ВИКОРИСТАННІ добавки Infra Crete^®

Вступ

В останні роки спостерігається суттєве збільшення об’єму дорожнього будівництва в Україні, зокрема в складних інженерно-геологічних умовах. Все частіше для будівництва використовуються ділянки, що складаються із так званих слабких ґрунтів – мули, заторфовані ґрунти, просадочні, набрякаючі, засолені ґрунти та ін.

Деякі із вказаних ґрунтів (мули, заторфовані ґрунти) в природному стані мають невисоку несучу здатність і підвищену стискальність. Для інших характерно суттєве погіршення механічних властивостей при певних впливах (наприклад, замочування просадочних ґрунтів, розсолення засолених ґрунтів і ін.). Недооцінка цих явищ може привести до значних, часто нерівномірних осадок, а в гіршому випадку до втрати стійкості основи.

Сучасний стан науки, конструкторської та технологічної баз дають широкий вибір заходів стосовно будівництва в складних умовах. Багато з цих заходів виявляються чи не єдиними для вирішення тієї чи іншої задачі [1-2].

Перспективним шляхом підвищення якості основ та ґрунтів земляного полотна є введення в їх склад добавок, що покращують та стабілізують фізико-механічні властивості та показники довговічності.

Однією із таких добавок є Infra Crete^® , яка як відомо за результатами вітчизняних та зарубіжних досліджень дозволяє підвищити фізико-механічні показники укріпленого цементом ґрунту. Проведений співробітниками кафедри дорожньо-будівельних матеріалів і хімії аналіз показав, що ґрунти стабілізовані цементом + Infra Crete^® , відповідають вимогам, що пред’являються до укріплених ґрунтів за Європейськими вимогами.

Для перевірки можливості підвищення фізико-механічних властивостей ґрунтів укріплених добавкою цемент + Infra Crete^®, відповідно до вимог стандартів України, були поставлені такі завдання.

Завдання досліджень:

· встановлення можливості отримання жорстких зв’язків ґрунту при укріпленні добавкою цементу + Infra Crete^®;

· встановлення оптимальних витрат даної добавки для укріплення ґрунту;

Відбір проб та визначення властивостей вихідних ґрунтів

Для вирішення поставлених завдань, на першому етапі досліджень, були відібрані проби різних ґрунтів для встановлення впливу мінералогічного складу, гумусових речовин та кислотності середовища на властивості укріпленого ґрунту.

Проби ґрунту масою 40-50 кг відбирались в м. Київ, вул. Кіквідзе, транспортувались, зберігались згідно вимог ДСТУ Б В.2.1-8-2001 (ГОСТ 12071-2000) [3].

Результати випробувань, що представлені в табл. 1, показали, що дані ґрунти мають підвищену кислотність та високий вміст органічних речовин. Згідно вимог нормативних документів [4] такі грунти придатні до укріплення цементом після нейтралізації їх кислотності вапном або іншими лужними речовинами. Тому, з метою порівняння ефективності застосування досліджуваної добавки цемент + Infra Crete^® , дані ґрунти також укріплювали портландцементом марки М 400 (без додавання вапна).

Таблиця 1. Результати визначення фізичних властивостей ґрунтів

Найменування показника	Ґрунти
	проба №1	проба №2
Щільність часток ґрунту, г/см^3	2,53	2,57
Щільність скелету ґрунту при стандартному ущільненні, г/см^3	1.90	2.01
Оптимальна вологість ґрунту при стандартному ущільненні, %	12,0	12.05
Гігроскопічна вологість, %	0,19	0,41
Межа текучості, %	26,01	6,97
Межа розкочування (пластичності),%	22,02	5,31
Число пластичності	3,99	1,66
Гранулометричний склад, вміст фракцій, %: >2.0 мм 2,0 –1,0 мм 1,0-0,5 мм 0,5-0,25 мм 0,25-0,1 мм 0,1 – 0,05мм 0,05 – 0,01мм 0,01-0,005 <0,005мм	0,18 0,10 0,62 2.20 12.79 23.71 41.30 8.27 0.83	0,13 0,65 3.99 35.97 32.71 9.41 12.24 408 0.82
pH водної витяжки	5	5
Назва ґрунту	клас – природні дисперсні, група - зв’язні, вид – глинисті, різновид – супісок пилуватий	клас – природні дисперсні, група - зв’язні, вид – глинисті, різновид – супісок піщанистий

Методика приготування зразків

З метою отримання порівняльних результатів, готували суміші досліджуваних ґрунтів з добавкою цемент + Infra Crete^® та з добавкою портландцементу М400. Склад сумішей наведено в таблиці 2.

Орієнтовна кількість добавок призначалась згідно [4]. При приготуванні сумішей ґрунту з цементом + Infra Crete^® та цементом в повітряно-сухий ґрунт вносили добавки, суміш перемішували та визначали оптимальну вологість та максимальну щільність скелету ґрунту. Результати визначення оптимальної вологості досліджуваних сумішей показали, що вона практично збігається із такою ж вологістю для вихідного ґрунту і відрізняється в сторону збільшення на 1-3 %.

З сумішей ґрунту з добавками (табл. 2) та оптимальною кількістю води, виготовляли зразки-циліндри. Зразки-циліндри випробовували для визначення: міцності при стиску на 7-у добу після зберігання у вологих умовах та 28-у добу у водонасиченому стані.

Таблиця 2. Варіанти укріплення ґрунтів добавками цементу та цементу + Infra Crete^®

№ проби	№ суміші	Назва, кількість добавки: Ц , % від маси ґрунту;	Назва, кількість добавки: Infra Crete^®, % від маси Ц	№ проби	№ суміші	Назва, кількість добавки: Ц , % від маси ґрунту;	Назва, кількість добавки: Infra Crete^®, % від маси Ц
№ 1 (світ-лий)	1	5	-	№2 (тем-ний	1	5	-
	2	9	-		2	9	-
	3	13	-		3	13	-
	4	5	1		4	5	1
	5	9	1		5	9	1
	6	13	1		6	13	1
	7	5	2		7	5	2
	8	9	2		8	9	2
	9	13	2		9	13	2
	10	5	3		10	5	3
	11	9	3		11	9	3
	12	13	3		12	13	3

Зразки, виготовлені з різних сумішей, зберігали у вологих умовах - поміщали у герметичну шафу над ємністю з водою. Межа міцності при стиску визначалась на зразках після капілярного водонасичення.

Капілярне водонасичення зразків проводились через шар вологого піску (15 см). Зразки насичують протягом 3-х діб..

Методика та результати випробувань

Межа міцності при стиску визначалась на циліндричних зразках за допомогою гідравлічного пресу із швидкість вільного ходу поршня 3 мм/хв. [4].

Межу міцності при стиску обчислювали за формулою

, (1)

де Р - руйнівне навантаження; F – початкова площа основи зразка.

Межа міцності при стиску обчислювалася з точністю до 0,5 кгс/см² як середнє арифметичне результатів випробувань трьох зразків. Розбіжність між результатами випробувань окремих зразків не перевищувала 15%.

Результати визначення межі міцності на стиск ґрунтів укріплених добавками наведено на рис. 1-8.

Рис. 1. Залежність межі міцності зразків на стиск від кількості цементу для складів №№ 1, 2, 3 (грунт № 1 - супісок пилуватий)

Рис. 2. Залежність межі міцності зразків на стиск від кількості цементу і добавки InfraCrete для складів №№ 4, 5, 6 (грунт № 1 - супісок пилуватий)

Рис. 3. Залежність межі міцності зразків на стиск від кількості цементу і добавки InfraCrete для складів №№ 7, 8, 9 (грунт № 1 - супісок пилуватий)

Рис. 4. Залежність межі міцності зразків на стиск від кількості цементу і добавки InfraCrete для складів №№ 10, 11, 12 (грунт № 1 - супісок пилуватий)

Рис. 5. Залежність межі міцності зразків на стиск від кількості цементу для складів №№ 1, 2, 3 (грунт № 2 - супісок піщанистий)

Рис. 6. Залежність межі міцності зразків на стиск від кількості цементу і добавки InfraCrete для складів №№ 4, 5, 6 (грунт № 2 - супісок піщанистий)

Рис. 7. Залежність межі міцності зразків на стиск від кількості цементу і добавки InfraCrete для складів №№ 7, 8, 9 (грунт № 2 - супісок піщанистий)

Рис. 8. Залежність межі міцності зразків на стиск від кількості цементу і добавки InfraCrete, для складів №№ 10, 11, 12 (грунт № 2 - супісок піщанистий)

Проведені дослідження різних складів укріплених ґрунтів показали, що добавка до цементу InfraCrete суттєво впливає на показники міцності.

Міцність зразків із укріпленого супіску пилуватого (проба № 1) при використанні добавки до цементу InfraCrete зростає у порівнянні зі складами №1, №2, №3 (грунт + цемент) для складів (із використанням InfraCrete) №4, 5, 6 на 5-10%, для складів №7, 8, 9 на 10-20%, для складів №10, 11, 12 на 20-25%.

Міцність зразків із укріпленого супіску піщанистого (проба № 2) при використанні добавки до цементу InfraCrete зростає у порівнянні зі складами №1, №2, №3 (грунт + цемент) для складів (із використанням InfraCrete) №4, 5, 6 на 5-10%, для складів №7, 8, 9 на 15-35%, для складів №10, 11, 12 на 20-45%.

Висновки

1. Проведені дослідження добавки InfraCrete® та виконаний літературний аналіз показали, що ґрунти стабілізовані InfraCrete®, відповідають вимогам, що пред’являються до укріплених ґрунтів за як Європейськими вимогами так і за вимогами стандартів України.

2. Зміна показників міцності ґрунтів укріплених добавкою InfraCrete® в межах (5-45%) в залежності від кількості добавки та різновиду ґрунту свідчить про можливість активного регулювання його властивостей в конкретних виробничих умовах.

3. Попередні дослідження свідчить про доцільність застосування InfraCrete® для виконання будівництва, реконструкції, а також ремонту з метою забезпечення довговічності і економічності споруд, зменшення матеріалоємності та термінів будівництва.

Література

1. ДСТУ Б В.2.1-8-2001 (ГОСТ 12071-2000). Грути. Відбирання, упакування, транспортування і зберігання зразків. Київ.: 2002. – 16с.

2. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: 1986. - 24с.

3. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. М.: 1980. - 24с.

4. ВБН В.2.3-218-002-95. Проектування і будівництво основ та покриттів автомобільних доріг із кам’яних матеріалів, промислових відходів і ґрунтів, укріплених цементом. Київ.: 1995.-46 с.

5. ГОСТ 22733-77. Грунты.. Метод лабораторного определения максимальной плотности. М.: 1979. - 10 с.

6. ГОСТ 23740-79. Грунты. Методы лабораторного определения содержания органических веществ. М.: 1979. – 21 с.

7. ДСТУ Б В.2.1-2-96 (ГОСТ 25100-95) . Ґрунти. Класифікація. Київ.: 1997. – 42 с.

8. ГОСТ 8735-88. Песок для строительных работ. Методы испытаний. М.: 1989. - 32 с.

УДК 541.13

Мустяца О.Н., канд. хім. наук

ФІЗИКО-ХІМІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ РОЗПЛАВІВ СИСТЕМИ МИШ’ЯК-СЕЛЕН В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД СКЛАДУ І ТЕМПЕРАТУРИ

В останні роки наростає темп досліджень механізму провідності в неупорядкованих системах, у тому числі в рідких напівпровідниках. Незважаючи на відносно невеликий об'єм накопиченого матеріалу й ряд теоретичних узагальнень, інтерпретація складних явищ у розплавах залишається далеко неповною. Дослідження властивостей неупорядкованих систем становить інтерес як із чисто теоретичної, так і із практичної точок зору. З теоретичної сторони рішення фундаментальних проблем у цій області складе вагомий внесок у теорію рідкого стану. Із практичної сторони напівпровідники відіграють важливу роль як фотодетектори, комірки пам'яті, швидкісні перемикачі. Передбачається застосування рідких напівпровідників як робоче тіло термоелектричних перетворювачів. Відомі публікації про застосування рідких напівпровідників як термометри опору, що працюють в активній зоні атомних реакторів. Винятковою позитивною якістю приладів на основі рідких напівпровідників є стійка робота в умовах високого радіаційного випромінювання. З іншої сторони природними формами халькогенідів, які є напівпровідниками в рідкому стані, є руди важких кольорових металів, використовувані як основна сировина кольорової металургії. Звідси безсумнівний інтерес вивчення властивостей халькогенідних розплавів для металургії у зв'язку із двома проблемами: а) вивчення структури, характеру зв'язків у розплаві і природу їх провідності; б) електролітична переробка цих розплавів з метою одержання металів і халькогенів.

Однак, успіхи в цьому напрямку значною мірою загальмовані обмеженістю наших знань про механізм провідності в рідких напівпровідниках. Варто визнати, що наші подання про механізм провідності в рідкій фазі залишаються ще на рівні гіпотез і припущень. Накопичення експериментального матеріалу електрохімічного й електрофізичного характеру (ефект Холла, електропровідність, термо-ЕРС і т.п.) для рідких напівпровідників є основним завданням на сучасному етапі.

Мета роботи. Створити установку для дослідження ефекту Холла, дослідити вплив складу і температури на величини ефекту Холла у розплавах системи миш’як – селен, а також співставити отримані дані з раніше дослідженими електропровідністю і термо-ЕРС.

Блок-схема установки для безпосереднього виміру ефекту Холла методом І~ Н = , що застосована нами, складається із:

1. Система посилення й реєстрації малого сигналу Холла. 2. Система живлення зразка струмом. 3. Система одержання й стабілізації постійного магнітного поля. 4. Система компенсації й контролю компенсації напруги нееквіпотенціальності U_σ. 5. Система контролю коефіцієнта підсилення підсилювального каналу на резонансній частоті виміру. 6. Система для виміру температури зразка. Вимір температури зразка здійснювався термопарою ППР-1. ЕРС термопари вимірювалася потенціометром Р-З06; як нуль-інструмент використаний гальванометр М195/3. 7. Комірка, утримувач комірки, вимірювальна камера (пристрій для виміру ефекту Холла).

Для виконання вимірів застосована комірка з алунду, виготовлена й розроблена в Московському енергетичному інституті. У даній конструкції зведено до мінімуму збурювання, внесене каналом подачі рідкого провідника. Прямокутна форма, п'ятикратне перевищення довжини над шириною й точкові електроди сприяють підвищенню однорідності щільності струму. Комірка виконана у вигляді циліндра, усередині якого вирізана холловська порожнина й канал подачі розплаву провідника. Збоку виведені холловські електроди, перпендикулярно ним - струмові електроди. Електродами служать графітові пробки, у які запресовані вольфрамові струмовідводи (рис.1).

Рис. 1. Комірка для виміру ефекту Холла: 1 - холловська порожнина для рідкого зразка; 2 - холловські електроди; 3 - струмові електроди; 4 - камера для завантаження зразка

Для забезпечення герметичності використані ущільнення Томпсона. Втримувач, вимірювальна камера й кришка камери виготовлені з міді й латуні, тому вимір можна проводити до температури 900⁰С. Для охолодження полюсів магніту й струмовідводів застосована водяна сорочка. Як нагрівач служила біфілярно намотана спіраль зі сплаву Корнілова.

Установка працює в такий спосіб: система контролю посилення й підсилювальний тракт настроюється на резонансну частоту. Виробляється калібрування. Зразок підживлюється струмом (після досягнення необхідної температури). Струм, що протікає через зразок, створює напругу нееквіпотенціальності. За допомогою компенсатора домагаємося зменшення цієї напруги до рівня власних шумів підсилювача. Після виконання перерахованих операцій включаємо магнітне поле, з'являється напруга Холла, що трансформується блоком трансформаторів, підсилюється підсилювачем і реєструється вольтметром, убудованим у підсилювач. Фаза напруги Холла, що визначає знак ефекту, реєструється фазовим детектором, опорна напруга для якого подається від генератора, що її задає. Таким чином, установка дозволяє робити виміри ЕРС Холла методом I~H = (змінний струм і постійне магнітне поле).

Вимірювальна схема - вузькострічковий підсилювач із низькоомним входом. Рівень шуму 2∙10^-9 вольтів при вхідному опорі 5 Oм і 6∙10^-9 вольтів при вхідному опорі 300 Oм. Рівень інтeрмодуляційних перекручувань не перевищує рівня шумів схеми. Амплітуда вимірюваних напруг 5∙10^-8 ÷ 10^-6 вольт.

Висока чутливість вимірювальної схеми дозволяє проводити вимір на легованих напівпровідниках і металах у рідкому стані, що мають постійну Холла аж до 10^-5см³·кул^-1. Гранично низькі значення R_X відповідають концентрації носіїв заряду ~10²³ см^-3. За такої концентрації виміри можливі, якщо рухливість носіїв заряду U ≥ 0,1 см²∙B^-1∙сік^-1. Розроблена конструкція втримувача комірки й вимірювальної камери забезпечує надійний контакт зі зразком у температурному інтервалі 300 ÷ 900°С.. Точність абсолютного відліку ЕРС Холла не нижче 5%. Точність вимірів у рідких провідниках установка забезпечує не нижче 10%. Точність вимірів може падати у випадку нестабільності вимірюваної речовини. Точність виміру визначена шляхом підсумовування погрішностей, зв'язаних:

- з кінцевим рівнем шуму вимірювального каналу;- з калібруванням системи контролю коефіцієнта підсилення підсилювального тракту; - з неточністю визначення геометричних параметрів зразка; - з неточністю визначення струму через зразок; - з неточністю визначення напруженості магнітного поля; - з неточністю визначення температури; - з неточністю визначення сполуки вимірюваних зразків.

Конструкція комірки забезпечує високу стійкість до ефекту порушення магнітогідродинамічних циркуляційних струмів у провідній рідині в схрещених електричному й магнітному полях.

Синтез і аналіз препаратів. Дослідження проводилися на зразках системи As - Se, отриманих сплавленням елементарного As, марки ОСЧ 17-4, і селену тої ж класифікації. Перед тим речовини подрібнювалися в агатовій ступці в середовищі аргону, змішувалися в певних вагових кількостях і містилися у кварцовий реактор. Реактор евакуювався й заповнювався інертним газом, очищеним від кисню проходженням над нагрітими до 400 - 450⁰С мідними стружками й осушеним хлористим кальцієм. Потім проводилася попередня сплавка в полум'ї бензинового пальника; для гомогенізації - розплав витримували 3-4 години у тигельній печі за температур на 100-150⁰С вище за температури плавлення зразка. До й після вимірів зразки аналізувалися. Аналіз на селен робили об'ємним методом [1].

Виклад основного матеріалу дослідження та його обговорення. За описаною вище методикою визначена постійна Холла для 4-х зразків системи As - Se (див. таблицю 1) в інтервалі температур 335 - 600⁰С.

Таблиця 1. Склад досліджених зразків системи As- Se

№ зразка п/п	ат. % As	ат. % Se
1	46	54
2	43	57
3	40	60
4	35	65

За отриманими даними побудовані політерми R_X = f(t)_X=const і ізотерми R_X = f(X)_{t =const} (рис. 2).

а б

Рис. 2. Політерми (а ) і. ізотерми (б) постійної Холла для системи As- Se

Із графіків видно, що для всіх зразків знак постійної Холла негативний. Зі збільшенням температури R_X для всіх зразків незначно росте. Найбільшу залежність R_X від температури має зразок № 3, що відповідає стехіометричному As₂Se₃ (від 2,95∙10^-2 см³/кул при 375⁰С до 3,48∙10^-2 см³/кул при 590⁰С ). Значення постійної Холла для As₂Se₃ мало залежить від добавки As і Se у межах 5-6 ат. % від стехіометричного. Однак, для As₂Se₃ при будь-яких температурах спостерігається максимум R_X, що добре видно на ізотермах (рис. 2, б), побудованих для температур 400, 450, 500, 550, 600⁰С.

За даними виміру ефекту Холла розрахована холловська підконцентрація носіїв заряду. Розрахунок зроблений у практичній системі одиниць.

R_X = 1/en,

де e - заряд електрона в кулонах (1,6∙10^-19 кул), n - концентрація носіїв у см^-3, R_X - постійна Холла в см³∙кул^-1. Отже,

n =1/(1,6∙10^-19 ∙R_X) = (0,625∙10¹⁹)/R_X (см^-3).

Використовуючи дані по електропровідності з роботи [2], розрахована холловська рухомість носіїв. Розрахунок також зроблений у практичній системі одиниць:

æ = e∙n∙U;

R_X = 1/e∙n;

U = æ∙R_X [см³/(Ом∙см∙кул) = см²/(В∙сек)].

Розраховані величини n і U за даними виміру ефекту Холла й електропровідності наведені на рисунках. Значення холловської концентрації, отримане з R_X для всіх сполук падає зі збільшенням температури (рис. 3, а).

а б

Рис. 3. Політерми холловської концентрації (а) і холловської рухомості (б)

З рис. 3, б видно, що величина холловської рухомості при збільшенні температури зростає. Паралельно з дослідженням ефекту Холла виміряна термо-ЕРС системи As - Se. На рис. 4 представлені політерми термо-ЕРС сполук, для яких визначена постійна Холла в даній роботі.

Рис 4. Політерми термо-ЕРС для системи As- Se

Знак термо-ЕРС позитивний, що вказує на дірковий тип напівпровідника. Знак постійної Холла - негативний, що аномально відносно знаку термо-ЕРС. Аномальним є й температурна залежність концентрації й рухомості носіїв. Подібні результати є типовими для даного класу напівпровідників [3-7] як у твердому, так і в рідкому станах.

Аналіз експериментальних даних про електронну провідність рідин дозволив Іоффе [8] зробити висновок, що ближній порядок в атомній структурі є визначальним у формуванні зонного енергетичного спектру, і, отже, збереження ближнього порядку при плавленні повинне спричиняти збереження речовиною зонної структури й у рідкій фазі. Губанов першим запропонував теорію рідкого напівпровідника [9]. Квантово-механічні розрахунки зонного спектру в системі, що володіє тільки ближнім порядком, зроблені Губановим, показали, що при порушенні дальнього порядку у структурі повинне відбуватися “размиття” зонних країв або, інакше кажучи, утворення «хвостів» у функції щільності електронних станів поблизу зонного краю. Пізніше Мотт [10] простежив можливу модифікацію моделі “розмитих зон” залежно від ступеня зв'язків електрона з атомним залишком, і тим самим розширив застосування цієї моделі на широкий клас рідин від металевих до напівпровідникових. Відповідно до подань Мотта, у загальному випадку при наявності розупорядкування в атомній структурі замість забороненого зазору має місце лише мінімум у функції густини електронних станів від енергії (рис. 5).

Рис. 5. Передбачуваний вид густини електронних станів як функції енергії в тримірній решітці (області енергії, в яких можуть з’являтися локалізовані стани, заштриховані)

Глибина цього мінімуму може бути різною. Гранично густина станів у мінімумі прагне до нульового значення, і в цьому випадку ми маємо рідкий напівпровідник, у значній мірі подібний до кристалічного напівпровідника. Однак, напівпровідникові властивості, відповідно до теорії Мотта, можуть виявитися й у тому випадку, якщо ρ(Е) ≠ 0 у квазізазорі, але досить мала. У цьому випадку електронні стани в мінімумі ρ(Е) локалізовані (рис.5).. Термоактивовані через область локалізованих станів носії будуть поводитися подібно носіям у власному напівпровіднику. Звідси експонентний ріст електропровідності зі збільшенням температури. Однак, такий напівпровідник буде мати деяку специфіку в електричних властивостях, обумовлену додатковою стрибковою провідністю по локалізованих станах. На рис. 6 представлені ізотерми електропровідності [2], термо-ЕРС і постійної Холла.

Рис. 6. Ізотерми: а) електропровідності; б) термо-ЕРС; в) постійної Холла системи As - Se

Спостерігається кореляція електричних властивостей з діаграмою стану As- Se. Електропровідність має величину, характерну для напівпровідників. На напівпровідниковий характер указує й експонентна її температурна залежність [4]. Знак і величина термо-ЕРС свідчить про дірковий тип напівпровідника. Наявністю стрибкової провідності можна пояснити температурну залежність холловської концентрації й рухливості носіїв. Загальну провідність (æ) можна представити сумою:

æ = æ_зонна + æ_{стрибкова}.

Властивості рідкого напівпровідника значною мірою визначаються співвідношенням цих компонентів. За низьких температур (відразу після плавлення) æ_{стрибкова} переважає, тобто концентрація електронів більше, ніж дірок. Знак постійної Холла негативний. Зі збільшенням температури після того, як стрибковий механізм провідності себе вичерпає, збільшується концентрація дірок. Відносна концентрація електронів падає, тому постійна Холла збільшується.

Різке збільшення концентрації носіїв при підвищених температурах за рахунок дірок приводить до різкого збільшення електропровідності, тому величина æ∙R_X теж збільшується.

Висновки. Сконструйовано установку для виміру ефекту Холлу в розплавах, яка дозволяє проводити вимір у температурному інтервалі 300 - 900⁰С на легованих напівпровідниках і металах, що мають постійну Холла аж до 10^-5 см³∙кул^-1 і відповідають концентрації носіїв заряду n ≈10²³ см^-3.

- Виміряна постійна Холла для 4-х зразків системи As - Se у рідкому стані в інтервалі температур 300 -600⁰С.

- Показано, що зміна складу як в одну, так і в іншу сторону від стехіометричного, не приводить до значної зміни величини постійної Холла. Максимум R_X відповідає стехіометричному As₂Se₃.

- Установлена кореляція електричних властивостей (електропровідності, термо-ЕРС і постійної Холла) з діаграмою стану системи As - Se. Екстремальні значення властивостей відповідають стехіометричному співвідношенню компонентів в системі, яке відповідає формулі As₂Se₃.

- Аномальний негативний знак постійної Холла може бути пояснений наявністю стрибкового механізму провідності, тобто вивчені зразки системи As - Se є дірковими напівпровідниками, але функція густини стану у квазізазорі ρ(Е) не дорівнює нулю, хоча досить мала. При цьому стани локалізовані, що приводить до стрибкової провідності по цих станах.

Література

1. Оболончик В.А., Михлика Т.М. Аналіз селенидов и оксиселенидов редкоземельных элементов //Информ. письмо. - № 28. – К.: Ин-т проблем материаловедения. – 1966. – 8 с.

2. Мустяца О.Н., Великанов А.А., Мельник Н.И. Электропроводность расплавов системы As – Se //Укр. хим. журн. -Т.36, № 5. - 1970. - С.446-447.

3. Регель А.Р., Андреев А.А., Казанджан Б.И., Мамедалиев М. Эффект Холла в жидком полупроводнике //Физ. тв. тела. – Т.13, № 9. – 1971. – С.2702.

4. Андреев А.А., Мелех Б.Т., Тургунов Т. Электропроводность расплавленных полупроводников в широком температурном интервале. //Физ. тв. тела. – Т.18, № 2. – 1977. – С.244-247.

5. Mate J.C. Холловские измерения в полупроводниковых халькогенидных стёклах и жидкостях //Brit. Journ. Appl. Phys. – V.19. – 1964. – Р. 913.

6. Борисова З.У. Химия стеклообразных полупроводников. Л.: Изд-во Ленинградского университета. – 1972. – 248 с.

7. Казанджан Б.И. Исследование проблемы оптимизации термоэлектрических свойств жидких полупроводников. Дис…д-ра техн. наук. –М.: МЭИ МВССО СССР. -1978. – 262 с.

8. Иоффе А.Ф. Некоторые вопросы теории полупроводников. //Изв. АН СССР. Серия физическая. – Т.25, № 4. – 1951. – С. 477-486.

9. Губанов А.И. Квантово-электронная теория аморфных полупроводников. М.-Л.: Изд-во АН СССР. – 1963. – 250 с.

10. Мотт Н. Электроны в неупорядоченных структурах. – М.: Изд-во Мир. – 1969. – 172 с.

БУДІВНИЦТВО ТА ЕКСПЛУАТАЦІЯ ДОРІГ

УДК 625.7/.8

Кіяшко Д.І., Філіппов В.В., д-р техн. наук.

ВИЗНАЧЕННЯ ВПЛИВУ ДІЇ РІЗНИХ ВИДІВ НЕРІВНОСТЕЙ НА КОЛИВАЛЬНУ СИСТЕМУ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ

Нерівності на проїзній частині дорожніх покриттів закладаються починаючи з етапу проектування автомобільної дороги, формуються на етапі будівництва та розвиваються на етапі експлуатації. Проектні нерівності головним чином, створюються при проектуванні поздовжнього профілю дороги, та при недоліках конструюванні дорожнього одягу. Нерівності, які формуються на стадії будівництва, найчастіше обумовлені недосконалою технологією робіт або їх низькою якістю, особливо при улаштуванні дорожнього покриття. Експлуатаційні нерівності розвиваються під впливом двох груп факторів: в першу чергу під впливом автомобільного транспорту, кліматичних чинників і умов зволоження земляного полотна та дорожньої конструкції; друга група факторів обумовлена фізико-механічними характеристиками матеріалів дорожньої конструкції: зсувостійкістю шарів, структурним станом матеріалу, міцністю і ступенем ущільнення шарів дорожнього одягу і земляного полотна, однорідністю конструктивних шарів дорожньої конструкції тощо.

Нерівності проїзної частини збуджують коливання автомобіля, що знижує плавність ходу та приводить до неприємних відчуттів і стомлюваності пасажирів та водіїв.

Наслідки незабезпеченої рівності: збільшується гальмовий шлях автомобілів, знижується середня швидкість транспортного потоку, зменшується міжремонтний пробіг транспортних засобів, збільшується витрата палива, зростає собівартість перевезень, збільшується кількість дорожньо-транспортних подій. Нерівності проїзної частини збільшують навантаження на дорожній одяг більш ніж на 30 % від коливань та ударів, які утворюють транспортні засоби [3].

Метою даної роботи є оцінка впливу різного типу дорожніх нерівностей на коливальну систему автомобіля з використанням методу ІRІ та програми Road Ruf для розрахунку Міжнародного індексу рівності (IRI) за даними фізичного профілю по колії проїзної частини.

Водій та пасажири оцінюють плавність ходу суб'єктивно на основі власних відчуттів. Ці відчуття та наступаюче стомлення звичайно зв'язують із характеристикою коливань та їхньою повторюваністю. Коливання автомобіля характеризуються амплітудою z, частотою ŋ, віброшвидкістю z' та віброприскоренням z″. Зі збільшенням розмірів нерівностей всі показники, крім ŋ, також зростають. Тому характеристики коливань автомобіля служать непрямими, відносними показниками рівності покриття [4]. Експериментально встановлено, що умовою забезпеченої плавності ходу автомобіля є збіг величин власних частот коливань із середньою частотою кроків (60-80 за хвилину) людини, що відповідає 1-1,5 Гц [5]. Основними показниками, які оцінюють плавність ходу є рівні вібронавантаження водія, пасажирів, вантажів і характерних елементів шасі та кузову. Рівень вібронавантаження оцінюють за значеннями прискорень коливань (віброприскорень) або швидкостей коливань (віброшвидкостей) у вертикальному і горизонтальному напрямках [4].

Показники плавності ходу змінюються залежно від рівності проїзної частини. У теперішній час показники оцінки рівності проїзної частини, які отримані різними методами також різні: за фізичним профілем дороги з використанням рейки з нівеліром або трьохметрової рейки; за допомогою приладів виміру рівності відповідної дії з реєстрацією сумарного впливу нерівностей на механізми приладу; за допомогою приладів, що мають лазерні, ультразвукові та інфрачервоні датчики з безпосереднім виміром профілю дороги, при цьому враховується профіль дороги, що впливає на роботу підвіски автомобіля.

Основним методом оцінки рівності проїзної частини в Європі, США та в Україні стає метод ІRІ - показник, названий міжнародним індексом рівності (Іnternatіonal Roughness Іndex, іn/mі (дюйм/миля), м/км). Надійнішими для обчислення IRI є прилади, що дозволяють отримати дані щодо рівності проїзної частини скануванням її поверхні.

Використання лазерного сканування дозволяє оцінювати рівність дорожніх покриттів по всій ширині проїзної частини. За отриманими даними можна оцінити плавність руху автомобіля на будь-якій швидкості та на будь-якій ділянці дороги.

Метод ІRІ більшою мірою відповідає багатьом вимогам і полягає в наступному: поздовжній профіль автомобільної дороги обробляється спеціальною програмою, що моделює рух так званого "золотого" автомобіля. Рівність же визначається як сума коливань кузова через підвіску цього віртуального автомобіля.

Вихідними даними є графіки коливань кузову відносно проїзної частини. Графіки будуються за середніми або миттєвими значеннями ІRІ. Також підраховується загальне значення ІRІ на ділянках, довжина яких задається. Результати розрахунків представляються в таблиці, яку зберігають в електронному виді або роздруковують. Існує шкала приблизної оцінки стану покриття залежно від значення ІRІ (рис. 1).

Рис. 1. Шкала оцінки стану покриття залежно від значення IRI

Для оцінки впливу різних дорожніх нерівностей на коливальну систему автомобіля з оцінкою рівності по ІRІ виконане моделювання руху "золотого автомобіля" з використанням програми Мічиганського університету Road Ruf (автор Мішель Сайерс).

На гладкій ділянці віртуальної дороги (рис. 2) штучно сформовано (у комп'ютерному файлі) шість дорожніх нерівностей різних за формою, довжиною і глибиною, одна з нерівностей закладена на етапі проектування (проектна нерівність).

Рис. 2. Формалізація нерівностей у поздовжньому профілі проїзної частини

Основні отримані результати моделювання руху віртуального автомобіля - це графіки та таблиці коливань його кузова. Графіки побудовані по середнім (рис.3), і по миттєвим значенням ІRІ (рис.4). У таблицях моделювання також підраховувалося загальне значення ІRІ на ділянках, довжина яких задавалася як для всієї дороги, так і для її окремих ділянок.

Рис. 3. Середнє значення IRI при проїзді нерівностей

Максимальне середнє значення ІRІ на ділянці дороги досягає значення 880 дюймів на милю. При оцінці ділянки дороги 1450 футів миттєві коливання досягали найбільшого значення яке становить 1800 дюймів на милю.

Рис. 4. Миттєві коливання при проїзді нерівностей

Аналізуючи результати моделювання, зроблені наступні висновки.

1. Метод ІRІ дає більш детальну оцінку дорожніх нерівностей, ніж метод оцінки рівності за поштовхоміром. Використовуючи показник ІRІ, можна виконати оцінку ділянки дороги будь-якої довжини, виявити найбільш ушкоджені ділянки, визначити вплив окремих нерівностей на загальні та миттєві показники рівності.

2. Метод ІRІ дозволяє підвищити достовірність і точність оцінки експлуатаційних властивостей проїзної частини і більш об'єктивно оцінити рівень зручності руху.

3. Значний вплив на характеристики коливань та на сам показник ІRІ надають експлуатаційні і проектні нерівності, та їх важливіші параметри: глибина, довжина і форма стінок нерівностей.

4. Відчутний вплив на показник ІRІ надають технологічні нерівності, які виникають на етапі будівництва або ремонту проїзної частини дороги, а також проектні нерівності, які помітно (на 2-4 роки) знижують міжремонтний термін служби автомобільної дороги.

Література

1. Sayers M.W, Karamihas S.M. The little Book of Profiling. BasicInformation about Measuring and Interpreting Road Profiles. – The Regent of University of Michigan, September 1998. – 306 p.

2. Васильев А.П., Сиденко В.М. Эксплуатация автомобильных дорог и организация дорожного движения. Учебник для вузов. Под. Ред. А.П.Васильева. М.: Транспорт, 1990. - 304 с.

3. Величко Г.В., Філіппов В.В. Забезпечення рівності автомобільних доріг // Автошляховик України. – 2003. - №2. - C. 40-43.

4. Крупа Н.В. Оцінка початкової рівності в проектах автомобільних доріг // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. Тр. – Харьков – 2004 - №26. – С. 61-63.

5. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль. Теория эксплуатационных свойств. – М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

УДК 625.7/.8

Савенко В.Я., докт.техн. наук, Тищенко О.М.

ПРО ВИЗНАЧЕННЯ ЕКОЛОГО-ОПТИМАЛЬНИХ

ПАРАМЕТРІВ ОЦІНКИ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРИРОДО

ОХОРОННИХ ЗАХОДІВ ПРИ БУДІВНИЦТВІ

На кафедрі будівництва та експлуатації доріг Національного транспортного університету комплексу економіко-математичну модель, яка враховує: розрахунок витрат для забезпечення потрібного коефіцієнта екологічної безпеки; збитків від транспортного забруднення в зоні впливу дороги, атмосфери та шуму; збитків від негативного впливу забруднення грунтів та процесів деградації Земель, для визначення ефективності природоохоронних заходів.

На підставі аналізу літературних джерел, результатів діяльності екологічних підрозділів, які працюють в системі Укравтодору запропоновано показники: загальної економічної ефективності природоохоронних витрат та загальної економічної ефективності капітальних вкладень. Впровадження таких показників дають можливість більш об’єктивно проводити оцінку впровадження природоохоронних заходів при будівництві та експлуатації автомобільних доріг.

УДК 625.731

Славінська О.С., канд. техн. наук, Стьожка В.В.

АНАЛІЗ ДОСЛІДЖЕНЬ ВОЛОГОНАКОПИЧЕННЯ У ВЕРХНІЙ ЧАСТИНІ ДОРОЖНЬОЇ КОНСТРУКЦІЇ

Земляне полотно автомобільної дороги є тим конструктивним елементом, який будується одразу на значну перспективу та, по можливості, з урахуванням всіх факторів, які мають на нього вплив. Недоліки в конструкції земляного полотна з часом призводять до погіршення транспортно-експлуатаційних показників дороги. Саме це дуже часто є причиною того, що не витримуються нормативні строки служби новозбудованих доріг та з’являються незаплановані значні витрати матеріальних і трудових ресурсів на капітальні та поточні ремонти.

Найбільш поширені деформації та руйнування дорожньої конструкції виникають внаслідок перезволоження земляного полотна. Характерними такі процеси є для ділянок з невисокими насипами, у виїмках, а також у місцях угнутих кривих, при використанні для спорудження земляного полотна ґрунтів з великим вмістом пилуватих та глинистих частинок. Досить часто зустрічається деформація покриттів на стиках проїзної частини з узбіччям, де спостерігається підвищене проникнення вологи від опадів. В останні роки дана проблема набула ще більшої актуальності через зміну кліматичної ситуації, коли не тільки в період весняного вологонакопичення, що традиційно вважається найбільш несприятливим по відношенню до водно-теплового режиму, випадають рясні дощі і відбуваються значні добові коливання температури повітря.

Прівняно дешевим і конструктивно простим способом регулювання водно-теплового режиму земляного полотна є влаштування дренуючого піщаного прошарку та поздовжнього дренажу мілкого закладання, оскільки правильно розрахована і збудована дренажна система швидко осушить верхню частину дорожньої конструкції в несприятливий період.

Мета даної роботи – проаналізувати основні методи та підходи з визначення кількості вологи, що потрапляє в дорожній одяг та верхню частину земляного полотна.

Дренажі мілкого закладання влаштовуються в зоні промерзання і призначені для осушення верхньої частини земляного полотна та дорожнього одягу. Їх необхідно передбачати у випадку, коли кількість води, яка надходить в основу проїзної частини в окремі періоди, більша, ніж може розміститися в порах нижніх шарів одягу та підстилаючому ґрунті без значного зниження їх опору автомобільним навантаженням [1].

Проектування дренажів взагалі та, зокрема, дренажів мілкого закладання в більшості випадків передбачає використання типових проектів, які були розроблені десятиріччя тому. Проте таку важливу конструкцію в більшості випадків необхідно розраховувати в індивідуальному порядку, а не призначати як типову.

Найбільш доцільним і простим для розрахунку товщини піщаного підстилаючого дренуючого прошарку є метод осушення. Метод поглинання слід обирати при незначній кількості опадів та наявності великої кількості дешевих місцевих будівельних матеріалів. Можна проводити економічне порівняння варіантів. Також розрахунками визначаються товщина поздовжніх трубчатих дрен, кількість та діаметр водоприймальних отворів, відстань міх поперечними випусками та ін.

Оскільки вся конструкція служить одній меті – видаленню надлишку вологи з верхньої частини земляного полотна та дорожнього одягу, то першим і одним із основних показників, які потрібно визначати, є загальна кількість вологи, яка надходить від різних джерел.

Зрозуміло, що основними джерелами зволоження будуть атмосферні опади, що проникають через покриття проїзної частини, узбіччя та укоси; капілярна вода, яка зволожує конструкцію знизу, та волога, що з’являється при відтаюванні ґрунту.

Великий обсяг роботи в даному напрямку був проведений О.Я. Тулаєвим, І.А. Золотарьом, В.М. Сіденком та ін. Тому, проаналізувавши деякі із вже існуючих методів розрахунку загальної кількості вологи, що надходить до активної зони земляного полотна, можна зробити певні висновки про те, в якому напрямку працювати для вибору єдиного більш-менш об’єктивного способу визначення даної величини.

Логічно, що одним із таких способів є спостереження за вже існуючими ділянками доріг з дренажними конструкціями. Заміряючи протягом багатьох років кількість води, яка витікає з поперечних випусків, можна скласти таблиці, де б містилися показники для кожної області чи дорожньо-кліматичної зони. Але протягом останніх років досить складно прогнозувати закономірності у кліматі. Іноді протягом кількох тижнів, навіть днів, випадають місячні норми опадів. Систематичні спостереження останніми роками не проводилися, а отже знадобиться досить багато часу для збору необхідної кількості даних. Тому доцільно зупинитися на суто розрахункових методах.

О.Я. Тулаєв у своїй монографії [2] говорить, що сумарну кількість вільної води (Q, м³/м² проїзної частини) протягом періоду відтавання можна визначити одним із трьох методів.

Перший метод. Якщо в результаті спостережень відомі вологість і відповідна щільність ґрунтів для типової ділянки, то можливо підрахувати загальний надлишок води, яка надходить весною в дренуючий прошарок:

, (1)

де W_e – природна вологість ґрунту, що спостерігається безпосередньо на дорозі, % по масі;

W_T – нижня межа його текучості, % по масі;

h₀ – розрахункова товщина шару ґрунту, з якого вода відтискається в корито, м;

δ – щільність ґрунту, кг/м³;

Q₁ – кількість інфільтруючої води через покриття, узбіччя і розділювальні смуги, м³/м².

Для отримання розрахункових значень Q₁ необхідно знати величину W_e в розрахунковий рік, яка встановлюється з урахуванням строку служби дорожніх покриттів, що викликає значні труднощі. Для цього потрібні багаторічні спостереження. Тому інколи користуються розрахунковими значеннями W_e, розробленими М.А. Пузаковим, В.М. Сіденко, П.Д. Россовським, М.Б. Корсунсь-ким, О.Я. Тулаєвим та ін.[3]. Однак в цьому випадку суттєво знижується достовірність Q для розрахункового року.

Величина h₀ складає:

, (2)

де D – діаметр круга, рівновеликого відбитку колеса розрахункового автомобіля, м;

d – загальна товщина дорожнього одягу, м..

Зв’язний грунт лише при відносній вологості W_e>75% здатний під дією динамічного навантаження відтискати вільну воду в дренуючий шар.

Метод є досить простим, але основний його недолік – недостатня точність у визначенні кількості інфільтруючої вологи від опадів. Розрахункові значення, визначені раніше, є застарілими і можливість їх використання потрібно перевіряти.

Другий метод. Визначення базується на тому, що на типових ділянках заміряють пучиноутворення покриття і Q обчислюють за формулою:

, (3)

де l – пучиноутворення покриття, мм;

К_Л – коефіцієнт переходу льоду у вільну воду, що найчастіше становить 0,6.

Даний метод має той же недолік, що і попередній. Крім того, спочатку необхідно мати дослідну ділянку дороги, на якій спостерігається пучиноутворення, тобто ділянку з недоліками в конструкції.

Третій метод. Величину Q можливо визначити, користуючись розрахунковими рівняннями В.М. Сіденко, М.А. Пузакова, І.А. Золотаря та ін.[3] Однак потрібні важливі вихідні дані, в тому числі і коефіцієнт вологопровідності, що потребує складних лабораторних експериментів.

О.Я. Тулаєвим було зроблено висновок про наявність недоліків у перелічених вище методах та їх недостатню достовірність [2]. Він говорить про можливість застосування даних, отриманих протягом багатьох років (1948-1978) шляхом заміру питомого надлишку води, що витікає безпосередньо із трубчатих дрен. Нажаль сьогодні (через 30 років) доцільність використання цих даних викликає певні сумніви.

Ще один спосіб розрахунку було запропоновано Державним всесоюзним дорожнім науково-дослідним інститутом [4]. Розглядалася можливість використання або табличних даних, або рекомендацій для розрахунку.

В рекомендаціях йдеться про те, що вода із розтавшого земляного полотна потрапляє в дренуючий прошарок, якщо вологість ґрунту в результаті зимового вологонакопичення перевищує величину його повної вологоємкості при потрібній щільності.

Об’єм води (л/доба на 1 м² проїзної частини), що звільняється при відтаванні грунту під проїзною частиною, визначають за формулою:

, (4)

де h₁ – товщина шару грунту, в якому розтає лід за одну добу в активній зоні земляного полотна;

W_вес – розрахункова весняна вологість грунту земляного полотна, яка залежить від характеру вологонакопичення за осінньо-зимовий сезон в даних умовах, в частках одиниці по вазі;

W_Т – вологість, яка відповідає межі текучості грунту, в частках одиниці по вазі;

β – коефіцієнт, що показує, яка кількість води утримується в порах ґрунту, ущільненого до потрібної щільності, в долях від вологості при межі текучості ґрунту;

δ_вес – об’ємна вага скелету ґрунту при розрахунковій вологості, г/см³;

δ – те саме при вологості, що дорівнює βW_Т, г/см³;

К_П – коефіцієнт пік;

К_Г – коефіцієнт гідрологічного запасу.

Надходження води в дренуючий шар при відтаванні ґрунту узбіччя q₂ визначається також по наведеній вище формулі, але із введенням в неї множника 2а/b (а – ширина узбіччя, b – ширина проїзної частини) та прийнявши, що розрахункова товщина шару ґрунту під узбіччями, в якому тане лід за добу (h₁), складає 0,03 м.

Кількість води, яка проникає в основу проїзної частини з поверхні дороги (в тому числі від атмосферних опадів) q₃ пропонується приймати за даними таблиці. Зважаючи на те, що дані рекомендіції були опубліковані ще в 1974 р., це є суттєвим недоліком.

В наведених вище методиках прослідковується одна спільна риса – недостатньо уваги приділяється розрахунку кількості вологи, що потрапляє в конструкцію від атмосферних опадів. Не наводиться чітка послідовність для визначення даної величини.

Цілком можливо, що табличні дані для визначення q₃ були отримані шляхом розрахунку за «Методикою визначення притоку вологи в основу проїзної частини від атмосферних опадів, що випадають на поверхню дороги», опублікованою тим же Державним всесоюзним дорожнім науково-дослідним інститутом [5] в 1969 р.

Детальніше дана методика описана Рувінським В.І. [6]. В його роботі викладені основи розрахунку проникнення опадів у ґрунт та їх випаровування з використанням даних про конструктивні параметри ділянки дороги та дані метеорологічної статистики. Для інженерних обчислень дана методика досить складна та трудомістка. Проте логічна послідовність залежностей дає змогу створити комп’ютерну програму для автоматизованих розрахунків.

Наведені вище методики розроблялися з використанням даних про кліматичні умови всієї території колишнього Радянського Союзу, у кращому випадку, його європейської частини. Отже, цілком зрозуміло, що виникає необхідність створеня єдиної методики визначення величини надходження вологи у верхню частину дорожньої конструкції, зокрема земляного полотна, з урахуванням всіх джерел зволоження, як перший етап удосконалювання методу розрахунку дренажних систем мілкого закладання саме для території України.

Література

1. Дренажные устройства земляного полотна автомобильных дорог общей сети Союза ССР / Типовые проэктные решения. 503-0-43. Разработаны ГПИ «Союздорпроект» Главтранспроекта Минтрансстроя. Введены в действие 10.06.1981 г.

2. Тулаев А.Я. Конструкция и расчет дренажных устройств. – М.: Транспорт, 1980. – 191 с.

3. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд /Н.А.Пузаков, И.А. Золотарь, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаев и др.; Под. ред. И.А. Золотаря, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко. М., Транспорт, 1971. 413 с.

4. Методические рекомендации по осушению земляного полотна и оснований дорожных одежд в районах избыточного увлажнения и сезонного промерзания грунтов / Государственный всесоюзный дорожный научно-исследовательский институт (Союздорнии). М., 1974.

5. Предложения по совершенствованию дренажа автомобильных дорог в выемках / Государственный всесоюзный дорожный научно-исследовательский институт (Союздорнии). Балашиха Московской области, 1969.

6. Рувинский В.И. Оптимальные конструкции земляного полотна / на основе регулирования водно-теплового режима/ - М.: Транспорт, 1982. 166 с.

ДОРОЖНІ УМОВИ ТА БЕЗПЕКА РУХУ

УДК 625.7/.8

Дудніков О.М., канд. техн. наук.

РІВНЯННЯ ЗМІНИ КІНЕМАТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНОГО ПОТОКУ НА ДІЛЯНЦІ ДОРОГИ ВИЗНАЧЕНОЇ ДОВЖИНИ

Об’єктивна оцінка змін кінематики руху транспортного потоку на ділянках доріг визначеної довжини є суттєвою задачею в вирішенні проблеми формування безпеки дорожнього руху. Вирішення питань підвищення безпеки дорожнього руху в Україні здійснюється відповідно до програми КМ “Державна програма забезпечення безпеки руху на автомобільних дорогах, вулицях міст, інших населених пунктів i залізничних переїздах на 2003-2007 роки” від 29.01.2003 р. Постанова № 56 Р.

Згідно існуючої класифікації та статистики дорожньо-транспортних пригод (ДТП) значна кількість ДТП на ділянках доріг відбувається в умовах наявності інтенсивного дорожнього руху [1]. Серед найважливіших причин виникнення ДТП в таких умовах, є причини, що пов’язані з поточними характеристиками наявного при цьому транспортного потоку. В момент виникнення ДТП, вказані характеристики мали конкретні миттєві зазначення, що разом у сукупності з іншими характеристиками системи „транспортний потік - умови руху” сприяли появі ДТП. Зібрання статистики щодо значень миттєвих характеристик транспортного потоку в момент виникнення ДТП практично не можливе, окрім застосування технічних засобів реєстрації поточних характеристик руху автомобіля учасника ДТП, що стаціонарно може бути встановлений на ньому.

Математичне моделювання поточного стану транспортного потоку у момент виникнення ДТП на конкретній ділянці дороги дозволяє певним чином дослідити вплив мінливих характеристик потоку на виникнення відповідного ДТП. Об’єктивна та однозначна оцінка динамічних змін транспортного потоку у просторі та у часі має основне значення.

Дослідження у галузі оцінки станів транспортного потоку сконцентровані у своїй більшості на дослідженні трьох основних характеристик потоку: інтенсивності, швидкості та щільності [1]. Вказані характеристики прийнято зв’язувати в межах основного (загального [2]) рівняння транспортного потоку [1], яке досліджувалося шляхом експериментального збору даних відповідно до наступних залежностей: „швидкість - інтенсивність”, „щільність - інтенсивність” та „щільність - швидкість” [1]. Основне рівняння транспортного потоку [1]:

, (1)

де - середня інтенсивність транспортного потоку, авт./год.; - середня щільність транспортного потоку, авт./км; - середня швидкість транспортного потоку, км/год.

У роботі [3] для оцінки змін кінематичних характеристик транспортного потоку (інтенсивність, щільність) на ділянці дороги визначеної довжини запропоновано використовувати наступну модель досліджень, що наведена на рис. 1, та яку було математично описано за залежністю (2).

1

2

Рис. 1. Схема елементарних досліджень основних характеристик транспортного потоку

Схема елементарних досліджень основних характеристик транспортного потоку (інтенсивність, щільність) за часом та простором на ділянці дороги визначеної довжини: - приріст часу дослідження змін характеристик транспортного потоку; - довжина ділянки дороги, де досліджуються зміни характеристик транспортного потоку; - миттєва кількість транспортних засобів, які знаходяться на досліджуваній довжині ділянки дороги після відрахування ; - початкова миттєва кількість транспортних засобів, які знаходилися на досліджуваній довжині ділянки дороги до відрахування ; - приріст кількості транспортних засобів, які знаходяться на досліджуваній довжині ділянки дороги за приріст часу ; - кількість транспортних засобів, що прибули до перетину дороги 1 за приріст часу ; - кількість транспортних засобів, що вибули з перетину дороги 2 за приріст часу .

Зв’язок між щільністю та інтенсивністю руху на досліджуваній ділянці дороги запропоновано в [3] записувати наступним чином:

, (2)

де , - усереднені значення інтенсивності руху транспортного потоку в перетинах 1 та 2, які отримані за приріст часу спостереження ; , - миттєві усереднені значення щільності транспортного потоку на довжині ділянки дороги , які були розраховані на початку відрахування часу спостереження та після його відрахування.

Рівняння (2), змін характеристик транспортного потоку на ділянці дороги за простором та часом, враховує тільки об’єктивно присутні в реальному транспортному потоці характеристики: миттєві щільності потоку на довжині дороги та інтенсивності руху, у перетинах на границях ділянки, за певний час.

Відношення за одиницями виміру вказує на наявність деякої швидкості руху, але в залежності від того, які будуть прийняті значення та вказане відношення можливо розглянути як значення деяких швидкостей, котрі визначають певні зміни станів транспортного потоку. Наприклад, якщо зменшити до рівня габаритної довжини транспортного засобу потоку, то буде дорівнювати усередненій швидкості поодинокого транспортного засобу на довжині путі, що дорівнює його габаритній довжині. Якщо буде менш габаритної довжини транспортного засобу, рівняння (2) розпадається. В умовах коли значно більше габаритної довжині поодинокого транспортного засобу потоку відношення можливо розглядати як аналог швидкості „ударної хвилі” [2] у транспортному потоці. Надалі пропонується провести дослідження щодо виявлення можливості одночасного опису змін станів транспортного потоку зі змінами швидкостей руху. Для чого, у схемі досліджень рис.1 додатково вказуємо швидкості руху відповідних транспортних засобів, з урахуванням їхньої безперервної зміни, як у часі, так й за координатою шляху, підсумкова схема дослідження вказана на рис.2.

Усереднені швидкості транспортного потоку, які можливо розрахувати при схемі дослідження рис.2, записуються наступним чином:

, , , (3)

де - миттєва швидкість транспортного потоку за довжиною досліджуваної ділянки дороги у момент часу ; - швидкість транспортного потоку у перетині 1 ділянки дороги за час спостереження ; - швидкість і-го транспортного засобу при проїзді ним перетину дороги 1; - швидкість транспортного потоку у перетині 2 ділянки дороги за час спостереження ; - швидкість k-го транспортного засобу при проїзді ним перетину дороги 2.

1

2

1

2

Рис. 2. Схема досліджень основних характеристик транспортного потоку за часом та простором

Схема досліджень основних характеристик транспортного потоку за часом та простором на ділянці дороги визначеної довжини: 1, 2 - перетини на межах ділянки дороги дослідження транспортного потоку; - приріст часу дослідження змін характеристик транспортного потоку; - довжина ділянки дороги, де досліджуються зміни характеристик транспортного потоку; - кількість транспортних засобів, що прибули до перетину дороги 1 за приріст часу ; - кількість транспортних засобів, що вибули з перетину дороги 2 за приріст часу ; - поточна координата шляху і-го транспортного засобу у момент часу , що прибув у перетин дороги 1 у відповідний час; - поточна координата шляху k-го транспортного засобу у момент часу , що вибув з перетину дороги 2 у відповідний час; - миттєва швидкість і-го транспортного засобу ( ) у момент часу , що прибув у перетин дороги 1 у відповідний час; - миттєва швидкість j-го транспортного засобу ( ) у момент часу =0, що знаходився на досліджуваній ділянці дороги; - миттєва швидкість b-го транспортного засобу ( ) у момент часу , що знаходиться у межах досліджуваної ділянці дороги; - миттєва швидкість k-го ( ) транспортного засобу у момент часу , що вибув з перетину дороги 2 у відповідний час.

Для отримання залежності миттєвої швидкості транспортного потоку за довжиною досліджуваної ділянки дороги у момент часу від значень (3) необхідно розкрити процес зміни швидкостей окремих транспортних засобів за час дослідження.

Миттєву швидкість транспортного засобу, що в’їхав на досліджувану ділянку дороги за час дослідження , можливо записати наступним чином:

, (4)

де - функція зміни прискорення і-го транспортного засобу за часом, що в’їхав на досліджувану ділянку дороги та рухав по ній час .

Миттєву швидкість транспортного засобу, що виїхав за досліджувану ділянку дороги за час дослідження , можливо записати наступним чином:

, (5)

де - функція зміни прискорення k-го транспортного засобу за часом, що виїхав за досліджувану ділянку дороги та рухав там час .

Миттєву швидкість транспортного засобу, що рухається в межах досліджуваної ділянки дороги за час , можливо записати наступним чином:

, (6)

де - функція зміни прискорення j-го транспортного засобу за часом, що рухає на досліджуваній ділянці дороги час .

З урахуванням залежностей (4)...(6) можливо записати значення миттєвої швидкості транспортного потоку за довжиною досліджуваної ділянки дороги у момент часу :

(7)

Згідно значенням (3) залежність (7) може мати наступний вигляд:

(8)

Перетворимо значення (8) у відповідні різниці швидкостей руху транспортного потоку, розділимо обидві частини отриманого рівняння на добуток довжини ділянки дослідження й час дослідження та з урахуванням (2) отримаємо:

(9)

Рівняння (9) описує залежність між характеристиками транспортного потоку на ділянці дороги визначеної довжини.

Отримане рівняння (9) потребує подальшого дослідження на предмет введення імовірнісної моделі формування прибуття транспортних засобів до перетину дороги 1, що безпосередньо зв’язано з інтервалами часу в прибутті та значеннями . Значення можливо детерміновано описати в разі наявності залежностей зміни швидкостей руху окремих транспортних засобів за часом руху в межах досліджуваної ділянки дороги. Рівняння (9) можливо записати в іншій формі, якщо розкрити дужки у правій частині, де формуються прискорення транспортного потоку:

(10)

де - сумарне середнє значення прискорень транспортних засобів на досліджуваній ділянці дороги довжиною за час ; - сумарна середня зміна значень прискорень транспортних засобів на досліджуваній ділянці дороги довжиною за час , що пов’язана з прибуттям та вибуттям транспортних засобів на ділянці дороги.

Рівняння (10) можливо класифікувати, як основне рівняння транспортного потоку на ділянці дороги визначеної довжини, що потрібно застосовувати замість відомого (1).

Таким чином, в роботі були отримані наступні результати: з’ясовано, що „основне рівняння транспортного потоку” не описує реальний процес змін станів потоку у часі та просторі; запропоновано залежність (10) для експериментального та теоретичного дослідження змін станів транспортного потоку на ділянці дороги визначеної довжини та за визначений проміжок часу; залежності (9) та (10) пропонується застосовувати, як основне рівняння транспортного потоку.

Отримані результати вказують на необхідність подальшого дослідження формування транспортного потоку на ділянці дороги визначеної довжини з урахуванням імовірнісного процесу прибуття транспортних засобів на її межу.

Література

1. Сильянов В.В. Теория транспортных потоков в проектировании дорог и организации движения. - М.: Транспорт, 1977. - 303 с.

2. Дрю Д., Теория транспортных потоков и управление ими. – М.: транспорт, 1972. – 424 с.

3. Дудніков О.М. Оцінка змін станів транспортного потоку на ділянці дороги: Науково-технічний збірник НТУ. – К.: НТУ, 2007. – С. 199 - 202.

УДК 625.7/.8

Дуднікова Н.М.

Моделювання умов скоєння ДТП через втрату водієм керованості транспортним засобом в транспортному потоці на ділянці автомагістралі

Рух змішаних транспортних потоків з високою швидкістю несе в собі суттєву небезпеку, оскільки при цьому виникають специфічні умови руху для транспортних засобів та специфічні умови праці водіїв. Найбільш розповсюдженою причиною дорожньо-транспортних подій (ДТП) на ділянках автомагістралей в Україні зараз є втрата водієм керування транспортним засобом [1], яка розкривається у наступних видах ДТП: зіткнення транспортних засобів, наїзд на нерухому перешкоду, перекидання транспортного засобу.

Значення миттєвих відстаней між сусідніми транспортними засобами у відповідних транспортних потоках можливо визначити за допомогою наступних співвідношень:

- відстані між транспортними засобами на лівій смузі руху пропонується розраховувати з умов мінімальної можливості водієм транспортного засобу 1 (рис. 1) виконувати збільшення швидкості та перевищити обмеження швидкості за поперечною стійкістю транспортного засобу:

, ; (1)

де – прискорення транспортного засобу 1, м/с²;

- відстань між транспортними засобами на правій смузі руху пропонується розраховувати з умов виникнення зіткнення між транспортними засобами 1 та 3:

. (2)

Співвідношення (1) та (2) дозволяють сформулювати умови руху у транспортному потоці, які найбільш сприяють виникненню досліджуваних ДТП.

4

1

1

3

1

1

3

2

Рис. 1. Графічна модель умов скоєння ДТП через втрату водієм керованості транспортним засобом в транспортному потоці на лівій смузі руху ділянці автомагістралі

Відповідно рис.1 - мінімальний інтервал руху у транспортному потоці правої смуги руху, при якому може відбутися ДТП; 1 – транспортний засіб, що втратив керованість на лівій смузі руху; 2 - транспортний засіб, що рухається у транспортному потоці лівої смуги руху; 3 - транспортний засіб, що рухається правою смугою руху; 4 - транспортний засіб, що рухається у транспортному потоці правої смуги руху; - поздовжня швидкість руху транспортного засобу лівої смуги руху, при якій він втратив керованість; - поперечна швидкість руху транспортного засобу лівої смуги руху, при якій він втратив керованість; , , - швидкості транспортних засобів 2, 3 та 4; - габаритна довжина транспортного засобу 1; - габаритна довжина транспортного засобу 3; - відстань від центра тяжкості до краю переднього бамперу транспортного засобу 3; - відстань від центра тяжкості до краю заднього бамперу транспортного засобу 1; - відстань, яку проїжджає транспортний засіб при втраті керованості з положення на вісі лівої смуги руху до зіткнення на правій смузі руху за час реакції водія та час спрацьовування рульового керування ; - відстань, яку проїжджає транспортний засіб 3 правою смугою руху за час ; , - мінімальна та максимальна відстані між транспортними засобами 1 та 3, яка виникає у момент втрати керованості транспортного засобу 1, при якій можливе ДТП; , - мінімальна та максимальна відстані між транспортними засобами 1 та 2, яка виникає у момент втрати керованості транспортного засобу 1, при русі обох транспортних засобів у транспортному потоці лівої смуги руху; - мінімальна відстань між транспортними засобами 1 та 4, яка виникає у момент втрати керованості транспортного засобу 1; - максимальна відстань між транспортними засобами 1 та 4, яка виникає у момент втрати керованості транспортного засобу 1.

Для забезпечення розробки моделі співвідношення характеристик транспортних потоків, при яких найбільш імовірним стає ДТП, яке досліджується у роботі, необхідно інтервали між транспортними засобами усереднити до рівня усереднених інтервалів між транспортними засобами у транспортних потоках відповідних смуг руху.

Відповідно до залежностей (1) та (2) можливо записати наступні співвідношення для усереднених інтервалів в потоках:

, (3)

,

, (4)

де - усереднений мінімальний інтервал руху у транспортному потоці лівої смуги руху ділянки автомагістралі, при якому може виникнути ДТП через втрату водієм керованості транспортним засобом в транспортному потоці на лівій смузі руху, м; - усереднена габаритна довжина транспортних засобів у транспортному потоці правої смуги руху ділянки автомагістралі, м; - усереднена габаритна довжина транспортних засобів у транспортному потоці лівої смуги руху ділянки автомагістралі, м; - максимальна розрахункова швидкість руху транспортних засобів по лівій смузі руху, при якій виникає втрата керованості водієм транспортного засобу у відповідних дорожніх умовах для характеристик прийнятого до розрахунку транспортного засобу, м/с; - швидкість транспортного потоку на лівій смузі руху ділянки автомагістралі, м/с; - швидкість транспортного потоку на правій смузі руху ділянки автомагістралі, м/с; - відхилення швидкостей руху транспортних засобів у транспортному потоці правої смуги руху на ділянці автомагістралі, яке пов’язано з наявністю у залежності (2) наступної різниці , що при відповідному усередненні, можливо записати як вказане відхилення; - усереднений час реакції водія в умовах швидкісного руху; - усереднений час запізнювання рульового керування транспортних засобів, що рухаються; - усереднений мінімальний інтервал руху у транспортному потоці правої смуги руху ділянки автомагістралі, при якому може виникнути ДТП через втрату водієм керованості транспортним засобом на лівій смузі руху, м; - середнє квадратичне відхилення швидкості руху транспортних засобів у транспортному потоці правої смуги руху, м/с.

Значення (3) та (4) усереднених інтервалів руху між транспортними засобами у транспортних потоках на відповідних смугах руху, дозволяють визначити максимальні значення щільностей транспортних потоків лівої та правої смуг руху, які визначають достатність виникнення ДТП через втрату водієм керованості транспортним засобом на лівій смузі руху за час, який складає час реакції водія та час спрацьовування рульового керування:

, (5)

. (6)

де - максимальна щільність руху транспортного потоку на правій смузі, при який може виникнути ДТП, що розглядається, авт/м; - максимальна щільність руху транспортного потоку на лівій смузі, при який може виникнути ДТП, що розглядається, авт/м.

Загальна математична модель умов руху транспортних засобів у транспортних потоках двох смуг ділянки автомагістралі, при яких може виникнути побіжне зіткнення, через втрату водієм керованості транспортним засобом, що рухається на лівій смузі руху, буде мати наступний вид (з урахуванням розробок теорії експлуатаційних властивостей транспортного засобу, додатково розроблена модель поперечного уводу автомобілю під дією бічної сили за рахунок наявності поперечного похилу дорожнього покриття):

(7)

де - маса розрахункового транспортного засобу, кг; - база розрахункового транспортного засобу, м; i_y – поперечний уклон дорожнього покриття на горизонтальній ділянці автомагістралі, од.; , - відстані від центу вага розрахункового транспортного засобу відповідно: до передньої та задньої осей, м; В_а – габаритна ширина розрахункового транспортного засобу, що втратив керованість, м; В – ширина лівої смуги руху, м; , - коефіцієнти опору уводу переднього та заднього мостів розрахункового транспортного засобу, Н/рад.

Значення A, B, C, D з (7) визначаються для відповідного розрахункового автомобіля та змінних значень поперечного коефіцієнту зчеплення для розрахунку коефіцієнтів уводу.

Таким чином, розроблена математична модель виникнення ДТП в транспортному потоці ділянки автомагістралі в умовах втрати водієм керованості транспортним засобом на лівій смузі руху враховує необхідні характеристики умов руху та транспортних засобів в потоках. Отримана модель дозволяє надалі розробити відповідні критерії оцінки умов руху на ділянках автомагістралей на предмет їхньої сприятливості щодо виникнення вказаного типу ДТП.

Література

1. Редзюк А.М. Проблема безпеки дорожнього руху в Україні та заходи щодо суттєвого зменшення загиблих і постраждалих у ДТП // Автошляховик України. – 2005. - №5. - С.6-10

2. Сильянов В.В. Теория транспортных потоков в проектировании дорог и организации движения. – М.: Транспорт, 1977. – 303 с.

3. Шевяков А.П. Проектирование автомобильных магистралей с учетом требований безопасности движения // Итоги науки и техники. – Т 6. – М.: ВИНИТИ. - 1984. - 103 с.

УДК 625.7/.8

Дехтярук М. Т., канд. фіз.- мат.наук

ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РУХУ НА ПІШОХІДНОМУ ПЕРЕХОДІ

У процесі роботи різних транспортних систем постійно виникає необхідність розглядати такі системи, як системи масового обслуговування (СМО). Транспортна система розглядається в цьому випадку як сукупність послідовно зв'язаних між собою вхідних потоків вимог на обслуговування, накопичувачів, черг, каналів обслуговування і вихідних потоків вимог після обслуговування [1, 2].

Метою даної статті є застосування сучасних комп'ютерних інформаційних технологій - комп'ютерної системи імітаційного моделювання GPSS World - для моделювання і аналізу руху на пішохідному переході, який в даному випадку розглядається як система масового обслуговування.

Імітаційне моделювання дає можливість дослідження й імітації особливостей функціонування системи в будь-яких умовах. При цьому параметри системи й навколишнього середовища можна варіювати з метою визначення оптимального варіанта структури й одержання залежностей вихідних характеристик від зміни умов. Модель дозволяє легко реалізувати імітацію роботи системи при наявності випадкових параметрів або умов. Застосування методу імітаційного моделювання корисно у випадку, коли досліджувана система не піддається вивченню аналітичними методами, а пряме експериментування із системою виконати важко або недоцільно [3].

Одною з перших мов моделювання, які полегшують процес написання імітаційних програм, була мова GPSS (General Purpose Simulation System - система моделювання загального призначення). Ця мова була реалізована практично на всіх типах ЕОМ. У цей час є транслятори для операційних систем DOS - GPSS/PC, для OS/2 і DOS - GPSS/H і для Windows - GPSS World [4].

Система імітаційного моделювання GPSS World призначена для моделювання дискретних (в основному систем масового обслуговування) і безперервних процесів і є досить ефективним інструментом імітаційного моделювання, вільним від обмежень аналітичних і чисельних методів, досить “прозорим”, що допускає нестандартну обробку даних і знімає із програміста безліч нетривіальних проблем програмування й налагодження моделей.

Система GPSS World досить проста й універсальна в застосуванні (на рис. 1 показане головне вікно системи). Її інтерфейс максимально орієнтований на користувача [4, 5]. У центрі головного вікна знаходиться вікно вихідної моделі системи, яке призначене для розробки, перевірки й налагодження програм в GPSS World. Це вікно викликається автоматично при відкритті файлу із програмою мовою GPSS World.

Програму для моделювання функціонування конкретної системи, яка підготовлюється користувачем і складається з операторів GPSS World і/або процедур PLUS можна відтранслювати і одержати необхідний результат. GPSS World дозволяє бачити процес імітації й взаємодіяти з ним за допомогою графічних вікон, багато з яких мають більше одного режиму. Десять вікон обновляються в процесі моделювання, а інші є вікнами знімків (Snapshots), що дозволяє фіксувати миттєвий стан імітації.

Рис. 1. Головне вікно системи GPSSW

Розглянемо рух на пішохідному переході, обладнаному світлофором. Допустимо, що в одному напрямку автомобілі під'їжджають до переходу з рівномірним розподілом та інтервалом часу 20±10 с, а пішоходи, що бажають перетнути вулицю по переходу, прибувають до нього з інтервалом 30±10 с також з рівномірним розподілом. Якщо перехід зайнятий пішоходами, то дорожній рух зупиняється, і створюється черга з автомобілів, що очікують. Якщо сигнал світлофора зелений і пішохідний перехід не зайнятий пішоходами, то автомобілі проїжджають. Якщо сигнал світлофора червоний або пішохідний перехід зайнятий пішоходами, то автомобілі не можуть проїжджати. Час проїзду через пішохідний перехід становить 10±2 с і розподіляється в інтервалі ( 8-12) с згідно з рівномірно розподіленим законом. Необхідно:

• визначити основні параметри функціонування пішохідного переходу, набравши статистику після проїзду через нього в одному напрямку 1000 автомобілів;

• визначити середнє завантаження переходу.

Для моделювання заданого процесу необхідно сформувати вхідні потоки вимог і часовий інтервал моделювання всього процесу. Але перед цим потрібно вибрати одиницю виміру часу. Для даного процесу можна взяти за одиницю виміру часу секунду. Для моделювання заданoгo процесу необхідно сформувати два вхідних потоки: потік автомобілів, що під'їжджають до переходу, і потік пішоходів, що користуються переходом. В якості обмеження періоду імітації можна використовувати число автомобілів, що під'їжджають до переходу з одного боку, наприклад 1000.

Для рішення даного завдання необхідно створити три сегменти моделі для моделювання:

• потік автомобілів;

• потік пішоходів;

• режим роботи світлофора.

Побудову імітаційної моделі необхідно починати з формування потоку машин, що перетинають перехід, - першого сегмента програми:

******************************************

* Моделирование потока машин *

**************************************

Це можна зробити за допомогою оператора GENERATE, який у нашій задачі може бути записаний в такому вигляді:

GENERATE 20,10

У полі операнда А вказується середній час надходження (обов'язково) вимоги (машини) на обслуговування (проїзд через перехід), у полі операнда В - відхилення від середнього часу надходження вимоги (не обов'язково). Далі введемо два оператори: спочатку перший оператор QUEUE, а потім через декілька операторів другий оператор DEPART з тим самим ім'ям (числовим або символьним) у полі операнда А, для збору статистичної інформації із черги машин перед переходом. Ця черга утвориться під час зайнятості пішохідного переходу або через червоний сигнал на світлофорі. Умовно назвемо цю чергу ім'ям Ocher1. Спочатку зафіксуємо вхід у чергу автомобіля за допомогою оператора QUEUE. Це буде виглядати так:

QUEUE Ocher1

Коли сигнал світлофора зелений (значення 0) для автомобілів і пішохідний перехід не зайнятий, тоді значення стандартного числового атрибута, що оцінює можливість проїзду автомобіля через пішохідний перехід, приймається рівним 0. Це означає, що автомобіль може перетинати пішохідний перехід. Ці умови повинні бути протестовані блоковим оператором TEST. Коли сигнал світлофора червоний (значення 100) або перехід не вільний від пішоходів, тоді значенню стандартного числового атрибута, що оцінює можливість проїзду, повертається значення, рівне 1. Це можна записати так:

TEST E X$Svet_Avtom,F$Perehod

В операторі TEST використаний логічний оператор E (Equal - Дорівнює). Як видно, поле операнда C пусте, отже, вимога не може ввійти в блок TEST, поки задана умова числових атрибутів, наведених у полях операндів А и В, не виконається.

У полі операнда А знаходиться збережувана величина, з ім'ям Svet_Avtom, а в полі операнда В - стандартний числовий атрибут, що характеризує вміст каналу обслуговування - наявність пішоходів на переході. Коли сигнал світлофора зелений - збережувана величина з ім'ям Svet_Avtom дорівнює 0 - і пішохідний перехід не зайнятий - стандартний числовий атрибут з ім'ям F$Perehod дорівнює 0, -тоді машина (вимога) може перетинати перехід.

Далі введемо два оператори: спочатку перший оператор SEIZE, а потім через декілька операторів другий оператор RELEASE з тим самим ім'ям (числовим або символьним) у полі операнда А, для збору статистичної інформації з каналу обслуговування - переходу:

SEIZE Perehod

Якщо канал обслуговування звільнений, то вимога може покинути чергу, використовуючи оператор DEPART:

DEPART Ocher1

Далі автомобіль перетинає пішохідний перехід, затрачаючи на це час, рівний 10±2 с. Ця дія моделюється оператором ADVANCE:

ADVANCE 10,2

У полі операнда А вказується середній час перетинання переходу автомобілем (обов'язково), у полі операнда В - відхилення від середнього часу перетинання переходу автомобілем (не обов'язково). Далі вводиться оператор RELEASE, який повідомляє про звільнення каналу обслуговування:

RELEASE Perehod

Далі використовується оператор TERMINATE для завершення моделювання в першому сегменті програми:

TERMINATE 1

Після цього створюємо наступний сегмент програми, у якому формується другий потік - потік пішоходів:

****************************************

* Моделирование потока пешеходов *

***************************************

Він дуже схожий на перший сегмент програми. Оператор GENERATE генерує потік пішоходів із часом підходу пішоходів до переходу, рівним 30±10 с:

GENERATE 30,10

Далі введемо два оператори: спочатку перший оператор QUEUE, а потім через декілька операторів другий оператор DEPART з тим самим ім'ям (числовим або символьним) у полі операнда А, для збору статистичної інформації із черги пішоходів. Ця черга створюється під час зайнятості пішохідного переходу машинами або через червоний сигнал на світлофорі. Умовно назвемо цю чергу Ocher2. Спочатку зафіксуємо вхід у чергу автомобіля за допомогою оператора QUEUE. Це буде виглядати так:

QUEUE Ocher2

Коли сигнал світлофора зелений (значення 0) для пішохода, тоді значення стандартного числового атрибута, що оцінює можливість проходу пішоходом переходу, приймається рівним 0. Це означає, що пішохід може перетинати вулицю. Ці умови повинні бути протестовані блоковим оператором TEST. Коли сигнал світлофора червоний (значення 100) або перехід зайнятий автомобілем, тоді стандартному числовому атрибуту, що оцінює можливість переходу повертається значення, рівне 1. Це можна записати так:

TEST E X$Svet_Pesheh,F$Perehod

У полі операнда А знаходиться збережувана величина, з ім'ям Svet_Pesheh_ а в полі операнда В - стандартний числовий атрибут, що характеризує вміст каналу обслуговування - наявність автомобілів на пішохідному переході. Коли сигнал світлофора зелений - збережувана величина з ім'ям Svet_Pesheh дорівнює 0 -і пішохідний перехід не зайнятий - стандартний числовий атрибут з ім'ям F$Perehod дорівнює 0, - тоді пішохід (вимога) може перетинати перехід.

Далі введемо два оператори: спочатку перший оператор SEIZE, а потім через декілька операторів другий оператор RELEASE з тим самим ім'ям (числовим або символьним) у полі операнда А - Perehod, для збору статистичної інформації з каналу обслуговування:

SEIZE Perehod

Якщо канал обслуговування - перехід - дозволений і вільний від автомобілів, то вимога може покинути чергу, використовуючи оператор DEPART:

DEPART Ocher2

Далі пішохід перетинає перехід, затрачаючи на це час, рівний 10±2 с. Ця дія моделюється оператором ADVANCE:

ADVANCE 10,2

У полі операнда А вказується середній час перетину переходу пішоходом (обов'язково), у полі операнда В - відхилення від середнього часу перетину переходу пішоходом (не обов'язково). Далі вводиться оператор RELEASE, який повідомляє про звільнення каналу обслуговування (переходу):

RELEASE Perehod

Потім використовується оператор TERMINATE для завершення моделювання в другому сегменті програми:

TERMINATE 1

Переходимо до створення третього сектора програми - моделювання роботи світлофора:

**********************************

* Моделювання роботи світлофора *

*********************************

GENERATE ,,,1

Оператор GENERATE генерує одну вимогу (транзакт), що забезпечує роботу світлофора. Для цього в полі операнда D уводиться значення 1.

Далі використовується збережувана величина з ім'ям Svet_Pesheh для позначення кольору сигналу світлофора з боку пішоходів - Krasn (Червоний):

Begin1 SAVEVALUE Svet_Pesheh,Krasn

Потім використовується збережувана величина з ім'ям Svet_Avtom для позначення кольору сигналу світлофора з боку автомобілів - Zelen (Зелений):

SAVEVALUE Svet_Avtom,Zelen

Далі моделюється час включеного стану зеленого сигналу світлофора з використанням оператора ADVANCE. У полі операнда А оператора ADVANCE уводиться ім'я змінної Zelen_time, у якій зберігається інформація про тривалість зеленого сигналу світлофора:

ADVANCE Zelen_time

Потім використовується збережувана величина з ім'ям Svet_Pesheh для позначення в ній кольору сигналу світлофора з боку пішоходів - Zelen:

SAVEVALUE Svet_Pesheh,Zelen

Потім використовується збережувана величина з ім'ям Svet_Avtom для позначення в ній кольору сигналу світлофора з боку автомобілів - Krasn:

SAVEVALUE Svet_Avtom,Krasn

Далі моделюється час включеного стану зеленого сигналу з використанням оператора ADVANCE. У полі операнда А оператора ADVANCE уводиться ім'я змінної Krasn_time, у якій зберігається інформація про тривалість зеленого сигналу світлофора:

ADVANCE Krasn_time

Потім усе повторюється спочатку. Для цього використовується оператор TRANSFER у режимі безумовного переходу до оператора із символічною міткою Begin1:

TRANSFER ,Beginl

І нарешті, використовуваним раніше змінним привласнюються конкретні числові значення. Це можна записати так:

Zelen_time EQU 200

Zelen EQU 0

Krasn EQU 100

Krasn_time EQU 300

Остаточно імітаційна модель, що імітує рух на пішохідному переході, буде мати такий вигляд:

**************************************

* Моделирование пешеходного перехода*

*****************************************

* Моделирование потока машин *

*****************************************

GENERATE 20,10

QUEUE Ocher1

TEST E X$Svet_Avtom,F$Perehod

SEIZE Perehod

DEPART Ocher1

ADVANCE 10,2

RELEASE Perehod

TERMINATE 1

***************************************

* Моделирование потока пешеходов *

***************************************

GENERATE 30,10

QUEUE Ocher2

TEST E X$Svet_Pesheh,F$Perehod

SEIZE Perehod

DEPART Ocher2

ADVANCE 10,2

RELEASE Perehod

TERMINATE 1

************************************

* Моделирование работы светофора *

************************************

GENERATE ,,,1

Begin1 SAVEVALUE Svet_Pesheh,Krasn

SAVEVALUE Svet_Avtom,Zelen

ADVANCE Zelen_time

SAVEVALUE Svet_Pesheh,Zelen

SAVEVALUE Svet_Avtom,Krasn

ADVANCE Krasn_time

TRANSFER Begin1

Zelen_time EQU 200

Zelen EQU 0

Krasn EQU 100

Krasn_time EQU 300

START 1000

Перед початком моделювання необхідно встановити вивід тих параметрів моделювання, які будуть показані у вікні результатів моделювання REPORT (Звіт). У нашому прикладі буде виведена інформація для трьох типів об'єктів.

• Facilities (Канали обслуговування)

• Queues (Черги);

• Savevalues (Збережувані величини);

Вікно REPORT, з результатами моделювання пішохідного переходу, зображене на рис. 2.

Рис. 2. Результати моделювання пішохідного переходу

У верхньому рядку вказуються:

• START TIME (Початковий час) - 0.000;

• END TIME (Час закінчення) - 12293 734;

• BLOCKS (Число блоків) - 24;

• FACILITIES (Число каналів обслуговування) - 1;

• STORAGES (Число накопичувачів) - 0.

Нижче вказуються результати моделювання каналу обслуговування під ім'ям PEREHOD:

• ENTRIES (Число входів) - 1000;

• UTTL. (Коефіцієнт використання) - 0.808;

• AVE. TIME (Середній час обслуговування) - 9.931;

• AVAIL. (Доступність) - 1;

• OWNER-0;

• PEND-0;

• INTER-0;

• RETRY (Повтор) - 13;

• DELAY (Відмова) - 0.

Ще нижче вказуються результати моделювання для черг під іменами OCHER1 і OCHER2 відповідно:

• МАХ (Максимальний зміст) - 17, 15;

• CONT. (Поточний зміст) - 0, 13;

• ENTRY (Число входів) - 608, 405;

• ENTRY(O) (Число нульових входів) - 119, 61;

• AVE.CONT. (Середнє число входів) - 5.837, 5.569;

• AVE.TIME (Середній час) - 118.034, 169.050;

• AVE.(-O) - 146.758, 199.027;

• RETRY-0,0.

Потім вказуються значення величин, що зберігаються, під іменами SVET_AVTOM і SVET_PESHEH відповідно:

• RETRY - 0, 13;

• VALUE (Значення) - 0, 100.000.

З результатів моделювання руху на пішохідному переході після проїзду через нього в одному напрямку 1000 автомобілів видно, що коефіцієнт завантаження каналу обслуговування з ім'ям PEREHOD складає 0.808. Середній час обслуговування вимог (автомобілів і пішоходів) становить 9.931 с.

Середній час перебування автомобілів у загальній черзі перед переходом (Ocher1) дорівнює 118.034 с і пішоходів (Ocher2) – 169.050 с. Максимальна довжина загальної черги автомобілів перед переходом становить 17 шт., пішоходів – 15 чол. Вся ця інформація досить повно ілюструє ефективність роботи системи.

Таким чином, імітаційний метод моделювання, є ефективним методом для моделювання і аналізу руху на пішохідному переході, який в даному випадку розглядається як система масового обслуговування.

Література

1. Четверухін Б. М., Бакуліч О. О., Радкевич С. Д. Дослідження операцій в транспортних системах. Частина 2. Системи масового обслуговування: Навчальний посібник. – Київ: НТУ, 2001.-141 с.

2. Чернов В. П., Ивановский В. Б. Теория массового обслуживания. – М.: ИНФРА, 2000.-158 с.

3. Рыжиков Ю. И. Имитационное моделирование. Теория и технологии. – М.: Альтекс-А. 2004. – 384 с.

4. Томашевский В. Н., Жданова Э. Г. Имитационное моделирование в среде GPSS. - М.: Бестселлер, 2003.-416 с.

5. Боев В. Д. Моделирование систем. Инструментальные средства GPSS World. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004.– 368 с.

З м і с т

	стр.
ВИШУКУВАННЯ, ПРОЕКТУВАННЯ ДОРІГ ТА ПЕРЕХОДІВ ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ
Гайдукевич В.А., Піліпака Л.М. Кількісні критерії оцінки траси, запроектованої імітаційним методом……………………………………
Беспалов Л.Н., Мальгин М.Г. Оценка влияния отклонений от проектных решений в конструкции ортотропной плиты металлического пролетного строения на ндс и усталостную долговечность………………………………………………………………
Шнейдміллєр В. І., Степова М. В. Гідравлічний розрахунок каналів спеціального поперечного перерізу……………………………………..
ДОРОЖНЬО-БУДІВЕЛЬНІ МАТЕРІАЛИ
Савенко В.Я., Жданюк В.К., Гнатів М.Я., Даценко В.М., Даценко О.В. Щебенево-мастиковий асфальтобетон для будівництва покриттів автомобільних доріг…………………………………………..
Мозговий В.В., Онищенко А.М., Лаптєва Н.С., Аксьонов С.Ю., Козлов П.В. Оцінка впливу компаундового в’яжучого «Polygum» на властивості асфальтобетону………………………………………………
Кіяшко І.В., Новаковський Д.М. Методом визначати властивостей асфальтобетону під дією динамічного навантаження за аналізом параметрів поверхневих хвиль…………………………………………..
Заїченко В.В. Особливості визначення міцнісних характеристик грунту для розрахунку дорожнього одягу ……………………………..
Онищенко А.М., Лозовська І.Ю., Макарчев О.О. Підвищення фізико-механічних властивостей ґрунту при використанні добавки Infra Crete^®….……………………………………………………….
Мустяца О.Н. Фізико-хімічне дослідження розплавів системи миш’як-селен в залежності від складу і температури………………….

БУДІВНИЦТВО ТА ЕКСПЛУАТАЦІЯ ДОРІГ

Кіяшко Д.І., Філіппов В.В. Визначення впливу дії різних видів нерівностей на коливальну систему транспортних засобів…………….

Савенко В.Я., Тищенко О.М. Про визначення еколого-оптимальних параметрів оцінки ефективності природо охоронних заходів при будівництві автомобільних доріг………………..………………………..

Славінська О.С., Стьожка В.В. Аналіз досліджень вологонакопичення у верхній частині дорожньої конструкції………….

ШТУЧНІ ТА ПІДЗЕМНІ ТРАНСПОРТНІ СПОРУДИ

Забережна К.П. Аналіз власних коливань суцільносекційних оправ метрополітенів ……………………………………………………………

ДОРОЖНІ УМОВИ ТА БЕЗПЕКА РУХУ

Дудніков О.М. Рівняння зміни кінематичних характеристик транспортного потоку на ділянці дороги визначеної довжини……….

Дуднікова Н.М. Моделювання умов скоєння ДТП через втрату водієм керованості транспортним засобом в транспортному потоці на ділянці автомагістралі ….………………………………………………………..

Дехтярук М. Т. Імітаційне моделювання руху на пішохідному переході ……………………………………………………………………

Збірник наукових праць

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний транспортний університет

АВТОМОБІЛЬНІ ДОРОГИ

І ДОРОЖНЄ БУДІВНИЦТВО

Науково-технічний збірник

Заснований у 1964 р.

Випуск 77

Відп. редактор В.Я. Савенко

Комп’ютерна верстка: О.І. Дублік

За стилістику і орфографію статей збірника несуть відповідальність автори

Підписано до друку 30.08.2009

Формат 84^ч108/32. Папір офсетний №1

Гарнітура Антиква. Друк офсетний.

Наклад 400. Зам. № 1601

01103, м. Київ, Кіквідзе, 39.

Редакційно-видавничий відділ НТУ, тел. (044)284-26-26

---

[1] Науковий керівник професор кафедри мости і тунелі Цивін М.Н.