Особенности автоматизированного проектирования оптимальных нежестких дорожных одежд.

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД.

Понятия.

Дорожная одежда– многослойная конструкция, воспринимающая нагрузку от транспортных средств и передающая ее на грунтовое основание.

Нежесткие дорожные одежды – одежды со слоями из разного вида асфальтобетонов (дегтебетонов), материалов и грунтов, укрепленных различными вяжущими, а также из слабосвязанных зернистых материалов (щебня, гравия, шлака и др.). Прочность слоев, содержащих органическое вяжущее, зависит от температуры окружающей среды. Расчетная схема нежесткой дорожной конструкции – упругое полупространство, равномерно нагруженное по площади круга.

К дорожным одеждам и их покрытиям предъявляются следующие требования:

А)Прочность дорожной одежды - ее способность сопротивляться процессу развития остаточных деформаций и разрушений под воздействием напряжений, возникающих в конструктивных слоях и подстилающем грунте от нагрузок, приложенных к поверхности покрытия (транспортных средств) и изменяющихся погодно-климатических условий.

Расчет на прочность включает проверку прочности конструкции в целом и прочности отдельных конструктивных слоев. Дорожную одежду считают прочной, если под действием многократно повторяющихся нагрузок от движущихся транспортных средств она сохраняет в течение заданного срока службы сплошность и удовлетворяет транспортно-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к дороге соответствующей категории и ожидаемым в перспективе составу и интенсивности движения.

Б) Надежность. Под надежностью дорожной одежды понимают вероятность безотказной работы конструкции в течение межремонтного периода. Отказ дорожной одежды по прочности характеризуется образованием различных деформаций и разрушений (трещин, выбоин, просадок и т.д.). Дорожную одежду проектируют с требуемым уровнем надежности.

В) Экономичность. Экономичность дорожной конструкции определяют по результатам сопоставления вариантов с оценкой экономической эффективности инвестиций по действующим нормативным документам. Основные экономические показатели должны учитывать как стоимость строительства дорожной одежды, так и затраты на ее содержание и ремонт в течение всего срока службы.

Г) Экологичность. Дорожная одежда должна удовлетворять основным экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям (легкость удаления пыли, грязи, бесшумность движения).

Расчет дорожной одежды осуществляют по трем критериям прочности:

- по допускаемому упругому прогибу;

- по сдвигу в подстилающем грунте и малосвязных материалах слоев дорожной одежды, а также по сдвигу в слоях асфальтобетона;

- по прочности слоев из монолитных материалов на растяжение при изгибе.

Для обеспечения работы КДО без накопления остаточных деформаций необходимо, чтобы ни в одном из конструктивных слоев и в подстилающем грунте не возникали пластические смещения, не нарушалась сплошность монолитных слоев, и прогиб поверхности одежды под расчетной нагрузкой не превосходил допускаемой величины.

Пластические смещения в грунте и слабосвязных материалах не произойдут, если не будет превзойдено предельное равновесие по сдвигу. Сохранение структуры монолитных слоев гарантируется, если растягивающие напряжения при изгибе не превысят допустимых значений для данного материала.

Прочность конструкцииколичественно оценивается величиной коэффициента прочности – отношение допустимого значения параметра, характеризующего прочность к его значению, определенному расчетом.

В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна при неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях должна быть обеспечена достаточная морозоустойчивость дорожных одежд и земляного полотна.

Программа КРЕДО РАДОН 3.6 позволяет выполнять автоматизированные расчеты дорожных одежд нежесткого типа в соответствии с действующими в России нормативными документами.

Согласно «Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года» главной задачей государства в сфере функционирования и развития транспортной системы России является создание условий для экономического роста, повышения конкурентоспособности национальной экономики и качества жизни населения через доступ к безопасным и качественным транспортным услугам, превращение географических особенностей России в ее конкурентное преимущество. Среди целей стратегии отмечены обеспечение доступности и качества транспортных услуг для населения в соответствии с социальными стандартами; повышение уровня безопасности транспортной системы, снижение ее негативного воздействия на окружающую среду.

Режимы и безопасность движения автомобильного транспорта определяют состояние дорожного покрытия. Дорожная одежда является одним из наиболее важных и материалоемких элементов автомобильной дороги.

Конструкция дорожной одежды, как и любое инженерное сооружение, должна быть достаточно надежной и соответствовать определенным эксплуатационным требованиям. Дорожные одежды являются одним из наиболее дорогих элементов автомобильных дорог, их экономичность в значительной степени определяет строительную стоимость объекта в целом и эффективность капиталовложений. К современным автомобильным дорогам предъявляются высокие требования по осуществлению бесперебойной работы автомобильного транспорта, обеспечению безопасности движения и архитектурно- эстетические требования. Выполнение их может быть обеспечено только при использовании системного подхода на всех этапах проектирования, эксплуатации и содержания автомобильных дорог.

Ошибки, допущенные на этапе проектирования, могут привести к снижению эффективности капиталовложений.

Сложность расчетов и большой объем справочной информации указывают на целесообразность применения средств автоматизации. При проектировании автомобильных дорог необходим учет комплекса требований, среди которых важнейшими являются обеспечение оптимального транспортного обслуживания экономических и социальных потребностей региона; повышение эффективности работы автомобильного транспорта, обеспечение удобства и безопасности движения; охрана окружающей среды; экономия денежных и материальных ресурсов при строительстве и эксплуатации дорог. Поиск проектного решения, в наибольшей степени отвечающего этим требованиям, является достаточно сложной задачей и связан с большими затратами труда высококвалифицированных инженеров-проектировщиков.

Одно из направлений повышения обоснованности и качества проектных решений при одновременном сокращении трудоемкости и сроков выполнения проектных работ –

использование ЭВМ.

Опыт применения систем автоматизированного проектирования показывает их высокую эффективность не только с точки зрения сокращения сроков проектирования, но и, что самое важное, повышения качества и обоснованности проектных решений.

Мир информационных технологий развивается динамично. Всё большую роль играют веб-приложения. Сегодня приложения этого вида стали такими же сложными программными продуктами, как и обычные приложения.

Веб-приложения – это программы, предназначенные для автоматизированного выполнения каких-либо задач на веб-серверах и использующие в качестве программы-клиента интернет-браузеры. Данные хранятся на сервере, а обмен информацией между сервером и клиентом происходит по сети. К преимуществам веб-приложений следует отнести следующие: они не требуют установки на компьютер заказчика объемного программного обеспечения (для полноценной работы нужны только браузер и доступ в интернет); веб-разработки не требуют специальной настройки и администрирования, их администраторами являются разработчики; для работы веб-приложений требуется минимальная аппаратная платформа; обновление веб-приложений происходит автоматически; веб-приложения обеспечивают высокую мобильность – ими можно пользоваться везде, где есть доступ в интернет.

Разработанный веб-сервис для поиска оптимальной конструкции нежестких дорожных одежд предоставляет в распоряжение пользователя следующие функциональные возможности:

1)ведение базы справочной информации;

2)оцифровка графической информации;

3)визуализация графической информации;

4)проектирование конструкции;

5)расчет дорожных одежд на прочность: расчет конструкции в целом по допускаемому упругому прогибу;

расчет конструкции по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев; расчет конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе;

6)проверка на морозоустойчивость;

7)поиск наиболее экономичного варианта: оптимизация толщин конструктивных слоев; подбор материалов конструктивных слоев;

8)ведение базы проектируемых участков;

9)формирование отчетов.

В настоящее время на территории Российской Федерации в качестве нормативного документа, регламентирующего метод расчета нежестких дорожных одежд, приняты ОДН 218.046-01 (отраслевые дорожные нормы).

Согласно ОДН218.046-01, проектирование дорожной одежды представляет собой единый процесс конструирования и расчета дорожной конструкции на прочность, морозоустойчивость с технико-экономическим обоснованием вариантов для выбора наиболее экономичного в данных условиях. В соответствии с этим разработан комплексный алгоритм расчета на прочность и морозоустойчивость и оценки стоимости проектируемой конструкции нежесткой дорожной одежды.

Процедура конструирования дорожной одежды включает следующие этапы:

1)выбор вида покрытия;

2)назначение числа конструктивных слоев с выбором материалов для устройства слоев, размещение слоев в конструкции и назначение их ориентировочных толщин;

3)предварительную оценку необходимости назначения дополнительных морозозащитных мер с учетом дорожно-климатической зоны, типа грунта рабочего слоя земляного полотна и схемы увлажнения рабочего слоя на различных участках;

4)предварительный отбор конкурентоспособных вариантов с учетом местных природных и проектных условий работы.

В процессе расчета конструкции на прочность выполняются вычисления по критериям упругого прогиба, сдвигоустойчивости малосвязных конструктивных слоев и подстилающего грунта и расчет на сопротивление монолитных слоев усталостному растяжению при изгибе. Результатом расчета являются значения расчетных коэффициентов по соответствующим критериям. На основании их соотношения с нормативными значениями может быть сделан вывод о соответствии конструкции требованиям прочности.

В процессе проверки конструкции на морозоустойчивость рассчитываются значения ожидаемого и допустимого пучения грунта. Если величина ожидаемого пучения грунта не превышает допустимое значение, то конструкцию считают соответствующей требованию морозоустойчивости.

Задача расчета оптимальной конструкции нежестких дорожных одежд сводится к подбору толщин слоев одежды в вариантах, намеченных при конструировании, или к выбору материалов с соответствующими деформационными и прочностными характеристиками при заданных толщинах слоев.

Веб-сервис позволяет осуществлять поиск оптимальной конструкции нежестких дорожных одежд с использованием разработанных оптимизационных моделей:

1)модели для подбора конструкции путем варьирования толщин конструктивных слоев;

2)модели для подбора конструкции путем варьирования материалов конструктивных слоев.

В связи с нелинейными ограничениями задачи в предложенных оптимизационных моделях невозможно использовать аналитические методы решения. В данном случае целесообразно использовать эвристические алгоритмы.

Эвристическими методами называются логические приемы и методические правила научного исследования и изобретательского творчества, которые способны приводить к цели в условиях неполноты исходной информации и отсутствия четкой программы управления процессом решения задачи.

Любая эвристика представляет собой совокупность утверждений, которые позволяют ограничить перебор в поиске решения задачи.

В настоящее время разработано и эффективно используется несколько десятков эвристических методов.

Особенности автоматизированного проектирования оптимальных нежестких дорожных одежд.

При неавтоматизированном, традиционном проектировании конструкцию дорожной одежды обычно назначают по типовому проекту, а расчет ее сводится, главным образом, к определению толщины дополнительного слоя основания.

Как показывает опыт автоматизированного проектирования дорожных одежд, в результате применения оптимизационных компьютерных программ достигают три статьи экономического эффекта:

ускорение процесса проектирования и снижение сметной стоимости проектных работ. Значение этой статьи экономического эффекта из получаемых наименьшее;

исключение ошибок в расчетах. В практике проектирования автомобильных дорог все еще нередки случаи, когда при ручных расчетах вкрадываются разного рода ошибки (вплоть до арифметических) в ходе проектирования дорожных одежд и, оставаясь незамеченными, эти ошибки определяют низкую степень надежности конструкции. В результате такие конструкции требуют капитального ремонта значительно раньше нормативного срока, т.е. дают отказ;

снижение стоимости и материалоемкости строительства дорожных одежд на 5-18 %. Автомобильные дороги чрезвычайно капиталоемкие (хотя и наиболее рентабельные) сооружения. Стоимость дорожных одежд составляет наиболее весомую часть от общей стоимости автомобильных дорог (в среднем 40-70 %). Таким образом, применение элементарных оптимизационных программ при проектировании дорожных одежд позволяет при обеспеченной ее прочности снизить материалоемкость и общую стоимость строительства автомобильных дорог от 5 до 18 %.

Задачей автоматизированного проектирования дорожных одежд нежесткого типа является отыскание среди равнопрочных конструкций наиболее рационального проектного решения с учетом строительной стоимости конструкций, технологии производства работ и эксплуатационных показателей.

Это может быть достигнуто в результате рассмотрения нескольких допустимых вариантов конструкции с последующим определением стоимостных показателей и выбором наиболее экономичного и технологичного решения. При традиционной ручной технологии имеется возможность рассматривать от двух до пяти вариантов и среди них выбирать наиболее рациональный. Однако при таком подходе нет уверенности в том, что среди рассмотренных вариантов оказались наиболее рациональные из возможных.

Переход на компьютерный расчет конструкций дорожных одежд по специальным, разработанным для этой цели оптимизационным программам, позволяет значительно снизить время, затрачиваемое на расчеты конструкций, и целенаправленно искать наиболее рациональный вариант из значительно большего рассматриваемого их числа. При этом количество целенаправленно перебираемых вариантов равнопрочных конструкций дорожных одежд может достигать от нескольких десятков до сотен тысяч и, тем не менее, нет уверенности в том, что наилучшее решение оказалось в числе рассмотренных.

Типовые решения дорожных одежд позволяют значительно сузить диапазон поиска наиболее рациональной конструкций, но решают задачу оптимизации лишь частично. Каждый материал конструктивных слоев имеет свою конкретную стоимость, и эти стоимости, в свою очередь, зависят от района строительства дороги, расположения строительных баз, карьеров местных дорожно-строительных материалов, складов, дальности возки материалов и т.д. Грунтовые условия также различны даже при одинаковых конструкциях, и учесть все эти особенности в типовых проектах практически невозможно. Поэтому типовые проектные решения - это решения ориентировочные, которые, как правило, не являются наилучшими из возможных.

Наилучшие проектные решения могут быть получены в результате автоматизированного проектирования оптимальных дорожных одежд, включающего в себя конструирование, расчеты, технико-экономический анализ и выбор наиболее рационального проектного решения. Наиболее эффективным является автоматизированное проектирование с использованием специальных алгоритмов и программ математической оптимизации.