Оценка влияния параметров и состояния дороги на скорость движения автомобилей

При оценке транспортно-эксплуатационного состояния дорог необходимо в первую очередь определить фактическую максимально возможную безопасную скорость движения одиночного расчетного автомобиля на каждом характерном участке дороги, а затем определить среднюю скорость транспортного потока, установив его интенсивность и состав. Все эти показатели могут быть измерены непосредственно на каждом участке дороги, при каждом её состоянии для различных интенсивности и состава движения. Такие измерения многократно проводились исследователями.

На основе анализа и обобщения результатов измерений разработана методика оценки влияния основных параметров и характеристик состояния автомобильных дорог и транспортного потока на скорость движения на каждом характерном участке дороги, которая позволяет выполнить эту оценку аналитическим путем.

На скорость движения и коэффициент обеспеченности расчётной скорости оказывают влияние ширина укрепленной поверхности дороги, ширина и состояние обочин, продольный уклон, радиусы вертикальной выпуклой кривой, радиусы кривых в плане, расстояние видимости, ровность и сцепные качества покрытий.

Задача оценки степени влияния каждого отдельного параметра на скорость движения состоит в том, чтобы установить механизм этого влияния и физический смысл, выбрать расчётную схему и дать математическое описание, позволяющее определить максимальную скорость расчетного автомобиля. При этом, чтобы исключить взаимное влияние других параметров и факторов, их характеристики принимают равными эталонным. Во многих случаях одна расчётная схема позволяет определить влияние нескольких элементов или факторов (т.е. их совместное влияние) на скорость. Например, расчётная схема определения максимальной скорости на подъёме позволяет исследовать влияние на нее уклона (геометрического параметра дороги), состояние поверхности дороги через коэффициент сцепления и коэффициент сопротивления качению, а через них и влияние осадков, влажности воздуха и других метеорологических факторов.

Все параметры и характеристики дорог определяют непосредственными измерениями и наблюдениями при первом составлении линейного графика комплексного показателя ТЭС АД в течение одного года:

в середине лета, когда определяют все параметры и характеристики, во второй половине осени и во второй половине зимы, когда определяют только переменные параметры и характеристики

(ширину чистой фактически используемой укреплённой поверхности и состояние покрытия, ширину и состояние обочин, интенсивность и состав движения, ровность покрытия и коэффициент сцепления, состояние инженерного оборудования и обустройства и т. д.). Данные об основных параметрах могут быть получены из паспорта дороги.

Оценку транспортно-эксплуатационного состояния дорог выполняют, как правило, для трёх периодов года: летнего, весеннего или осеннего и зимнего. Допускается выполнять указанную оценку для двух периодов: в I-IV дорожно-климатических зонах для - весеннего периода или осеннего и зимнего, в V зоне - летнего и зимнего.

Каждому периоду года соответствует характерное состояние поверхности дороги, формирующееся под влиянием метеорологических условий, уровня содержания дороги и транспортного потока. За расчетные могут быть приняты состояния поверхности дороги. Каждому расчётному состоянию покрытия соответствуют определённые значения коэффициента сопротивления качению и коэффициента сцепления, изменяющиеся в зависимости от скорости.

Основные параметры и характеристики, оказывающие прямое влияние на скорость движения, оцениваются частными коэффициентами обеспеченности расчётной скорости.

Совокупность всех наиболее важных параметров и характеристик дороги, прямо влияющих на скорость движения, оценивается итоговым коэффициентом обеспеченности расчётной скорости на каждом характерном участке дороги

(прямые участки, продольные уклоны, кривые в плане и профиле, сужения проезжей части и обочин, участки с ограждениями, направляющими столбиками или надолбами и другими боковыми помехами, участки с ограниченной видимостью, пересечения и примыкания с другими дорогами и т. д.). При выделении характерных участков учитывают зоны влияния отдельных элементов дороги (табл. 8.2).

Значение итогового коэффициента обеспеченности расчётной скорости на каждом характерном участке для расчётных периодов года по условиям движения принимают равным наименьшему из всех частных коэффициентов на этом участке.

Для этого строят линейный график, на который наносят сокращённый продольный профиль и план дороги и основные параметры и характеристики, частные и итоговые значения коэффициента обеспеченности расчётной скорости, а также обобщённую оценку ТЭС АД для каждого периода года. Указанный график является итоговым документом оценки ТЭС АД.

Значение коэффициентов обеспеченности расчётной скорости на существующей дороге рекомендуется определять на основании непосредственных измерений скорости движения одиночного легкового автомобиля.

Учитывая большую трудоёмкость непосредственных измерений скорости на всех характерных участках дороги, допускается определять её аналитическим методом.

Таблица 8.2. Зоны влияния отдельных элементов дороги, м

Для этого необходимо осуществить диагностику состояния дороги, собрать информацию о геометрических параметрах и физических характеристиках состояния дороги, а затем расчётным путём получить значения скорости, руководствуясь приводимыми далее рекомендациями.

Для предварительных усреднённых расчётов можно воспользоваться поправочными коэффициентами, учитывающими изменения интенсивности движения и характеристик дорог в различные периоды года (табл. 8.3). При этом поправочные коэффициенты для лета приняты за единицу.

Влияние ширины укреплённой поверхности дороги на обеспеченность расчётной скорости оценивают исходя из понятия «ширины психологического коридора».

«Психологический коридор» - это ширина поверхности дороги, которая оказывает психологическое воздействие на водителя при выборе траектории и режима движения (рис. 8.5).

Таблица 8.3. Поправочные коэффициенты, учитывающие изменения интенсивности движения и характеристики, дорог в различные периоды года

_______________

^1.Верхний предел для дорог I и II категорий, нижний - III и IV категорий.

^2.Верхний предел для дорог III и IV категорий, нижний - I и II категорий.

^3.Большие размеры принимают при очистке обочин на всю ширину.

^4.Расстояние видимости летом по метеорологическим условиям - 500 м.

^5.Меньшее значение относится к пересечениям, на которых снежные валы из пределов треугольника видимости не убирают.

^6.Верхний предел принимают при 100 %-ной обеспеченности дорожной службы машинами для зимнего содержания, нижний - для 30 %-ной обеспеченности и менее от расчётной потребности.

Рис. 8.5. Расчетная схема для определения ширины укрепленной поверхности

при встречном движении:

В₁ - ширина укрепленной поверхности; В_п - ширина психологического коридора

Сокращение ширины укреплённой поверхности приводит к уменьшению ширины психологического коридора. Вместе с этим снижается и скорость движения.

Снижение скорости при уменьшении ширины укрепленной поверхности существенно зависит от интенсивности движения. С учетом этих факторов предложены расчетные формулы для определения максимальной скорости и коэффициента обеспеченности расчётной скорости, которые имеют вид

,

,

где К₁ и К₂ - коэффициенты, учитывающие интенсивность и расчётную схему движения; В_П - минимальная ширина психологического коридора для различных расчётных схем, м.

Расчётные формулы, значенияК₁, К₂ иВ_П, а также пределы применимости расчётных формул по интенсивности движения приведены в табл. 8.4.

Для определения обеспеченной скорости необходимо иметь данные о фактически используемой для движения ширине укреплённой поверхности дороги В_1ф, т.е. ширине чистой проезжей части и краевых укреплённых полос. При отсутствии данных непосредственных измерений она может быть вычислена по формуле

,

где В - ширина проезжей части, м; b - ширина краевой укреплённой полосы, м;

b₃ - ширина полосы загрязнения у кромки проезжей части или краевой укреплённой полосы, м.

Ширина полос загрязнения в зимний и осенне-весенний периоды зависит от параметров дороги, типа укрепления обочин и уровня содержания дороги. Ширину полос загрязнения определяют проведением непосредственных измерений на каждом характерном участке, а при отсутствии данных непосредственных измерений принимают в зависимости от типа укрепления обочин (табл. 8.5).

Таблица 8.4. Расчетные схемы и формулы определения фактической максимальной скорости и ее коэффициента обеспеченности при различной интенсивности движения в разные периоды года

Расчётная схема	Расчётные формулы	Границы применения по интенсивности движения, физические авт./сут
летом	в переходные периоды	зимой
1. Свободное движение одиночного автомобиля	; где	Менее 700	Менее 600	Менее 500
2. Движение в частично связанном потоке на двухполосной проезжей части при интенсивности, авт./сут 500…1500	; где при при ;	700-1500	600-1200	500-1000
1500…4200	; где	1500-4200	1200-3600	1000-3000
3. Движение при интенсивном встречном потоке на двухполосной проезжей части	; где	Более 4200	Более 3600	Более 3000
4. Движение на трёхполосной проезжей части: при полной разметке при отсутствии разметки	где	Более 7000	Более 6000	Более 5000
; ; где при В1ф < 11 м при 11,1 < В1ф < 12,5 м при >12,5 м	Более 7000	Более 6000	Более 5000
5. Движение на проезжей части одного направления четырёхполосной автомагистрали с разделительной полосой: более 5 м до 5 м	; где при < 8 м при 8,1 < В1ф < 9,75 м	Менее 15000	Менее 12000	Менее 12000
; ;	Менее 12000	Менее 10000	Менее 10000

175-176

Таблица 8.5. Определение ширины полос загрязнения

Вид укрепления обочины	В зимний период	В осенне-весенние периоды
А	В	С	D	Е
Слой щебня или гравия
Засев травой
Обочины не укреплены

Примечания: 1. А – на прямых участках и на кривых в плане радиусом более 600 м при высоте насыпи больше высоты снежного покрова; В – на кривых в плане радиусом 200…600 м при высоте насыпи больше высоты снежного покрова; С – на снегозаносимых участках, на участках с ограждениями, направляющими столбиками, тумбами, парапетами; D – на прямых участках и на кривых в плане радиусом более 200 м; Е – на кривых в плане радиусом менее 200 м и на участках с ограждениями, направляющими столбиками, тумбами, парапетами.

2. В числителе условной дроби приведены значения для дорог I и II категорий, в знаменателе - для дорог III и IV категорий

3. Ширина полосы загрязнения зависит от оснащения дорожных организаций машинами для содержания дорог. При оснащении, равном 100 % нормативной потребности, ширину полосы загрязнения принимают минимальной, при 60…70 % оснащённости принимают средние значения, а при оснащении менее 50 % - максимальные.

4. При устройстве на обочинах покрытия шириной более 1,5 м из асфальтобетона, цементобетона или из материалов, обработанных вяжущими, сокращения ширины укреплённой поверхности не происходит.

Влияние ширины и типа укрепления обочин на скорость движения до определенной степени соизмеримо с влиянием ширины укрепленной поверхности дороги.

Однако расчетных формул оценки этого влияния не разработано. Установлено, что наибольшее влияние оказывает вид и состояние полосы обочины шириной от кромки проезжей части до 1,5 м. Обработка данных экспериментальных наблюдений позволила получить зависимость скорости от ширины обочин (рис. 8.6).

Оценку влияния продольного уклона на обеспеченность расчётной скорости выполняют для наиболее характерного (расчетного) состояния покрытия в зимний и

осенне-весенний периоды года, каждое из которых характеризуется коэффициентом сопротивления качению и коэффициентом сцепления.

Различают три расчётных схемы при оценке влияния продольного уклона:

1) возможная скорость при движении на подъём с учетом динамических характеристик автомобиля;

б) по возможной скорости с учетом соотношения сил сцепления и сопротивления движению;

Рис. 8.6. Влияние ширины и типа укрепления обочин на коэффициент

обеспеченности расчетной скорости:

1 – обочина укреплена цементобетоном, асфальтобетоном или каменными материалами,

обработанными вяжущим; 2 – обочина укреплена слоем щебня или гравия;

3 - обочина укреплена засевом трав; 4 - обочина не укреплена

3) по скорости, допустимой при движении на спуск, исходя из условий безопасности в зависимости от видимости поверхности дороги и коэффициента сцепления.

Максимальная скорость движения автомобиля на горизонтальном участке и на подъёме может быть определена по динамической характеристике автомобиля (рис. 8.7) исходя из условия

или .

Сложность заключается в необходимости учёта изменения сопротивления качанию с увеличением скорости. Поэтому задачу решают итерационным методом.

Аналогично можно определить максимальную скорость при движении на подъем для различных состояний покрытия из уравнения мощностного баланса автомобиля, решая его относительно скорости. Однако скорость, получаемая по тяговой характеристике или мощностному балансу двигателя, далеко не всегда может быть реализована из-за соотношения сил сопротивления качанию и сил сцепления, особенно при движении на подъём. Скорость, возможную по этим условиям, определяют по формуле 3.18.

Рис. 8.7. График динамических характеристик Д легкового автомобиля:

I-IV - передачи

Затем из скоростей, полученных по тяговым характеристикам автомобиля, и из соотношения сил сопротивления качению и сцепления выбирают меньшее значение и принимают в расчёт.

Анализ расчётов показывает, что при движении по заснеженному или обледенелому покрытию скорость чаще ограничена не тяговыми характеристиками автомобиля, а именно соотношением сцепных качеств и сопротивления качению.

Максимальная допустимая скорость автомобиля на спуске может быть определена из формулы определения видимости поверхности дороги при внезапном торможении:

,

где v - начальная скорость автомобиля, - время реакции водителя, t = 1 с;

- коэффициент эксплуатационного состояния тормозов: для легковых автомобилей принимают = 1,2; для грузовых = 1,3…1,4; при скоростях движения более 90…100 км/ч принимают = 2,4; l_o - расстояние безопасности перед препятствием, l_o = 5…10 м.

Из этого уравнения для принятой видимости определяют максимально допустимую скорость движения на спуске.

В уравнение входят два основных показателя, характеризующих условия движения: видимость и коэффициент сцепления, что дает возможность определить их совместное воздействие при различных сочетаниях. Сложность точного решения заключается в том, что значения коэффициента сцепления и сопротивления качению, входящие в формулу, изменяются с изменением скорости. Поэтому точное решение может быть получено методом итерации. Анализ полученных результатов показывает, что высокая скорость на спуске может быть обеспечена только на сухом, чистом покрытии.

Оценку влияния видимости поверхности дороги выполняют по тому же принципу, что и оценку скорости на спуске, решая уравнение для горизонтального участка дороги при различных состояниях.

Оценку влияния радиуса вертикальных выпуклых кривых выполняют также исходя из необходимого тормозного пути перед препятствием по формуле

,

где - радиус вертикальной выпуклой кривой.

На кривых в плане максимальную обеспеченную скорость движения с учетом состояния покрытия и уклона виража определяют по формуле

,

- радиус кривой; - коэффициент поперечного сцепления, = (0,6…0,8) ;

i_в - угол виража в тысячных.

Поскольку величина сцепления зависит от скорости движения, решение этого уравнения выполняют итерационным методом.

Влияние коэффициента сцепления на обеспеченную скорость оценивают, решая уравнение определения видимости при торможении относительно скорости при принятом значении видимости и коэффициента сцепления (рис. 8.8).

Влияние ровности на максимальную скорость v_max, км/ч, определяют в случае измерения ровности , см/км, установкой ПКРС по формуле А.П. Васильева:

При измерении ровности толчкомером максимальную скорость определяют по формуле В.М. Сиденко:

Влияние плавности трассы на обеспеченную скорость движения оценивают исходя из обработки результатов экспериментальных исследований и измерений, выполненных разными исследователями на дорогах разных категорий в нескольких странах.

Установлено, что плавность трассы дороги характеризуется сочетанием многих параметров плана и продольного профиля, из которых наиболее важными являются сочетание кривизны плана трассы и среднего продольного уклона.

Рис. 8.8. Зависимость коэффициента обеспеченности расчетной скорости К_р.с

от сцепных качеств покрытия :

S – расстояние видимости поверхности

Для оценки влияния плавности трассы на обеспеченность расчетной скорости определяют эти параметры для каждого характерного участка или каждого километра длины дороги:

,

где α_i - угол поворота трассы в плане, …^о; l_i - длина участка, км; L - длина расчетного участка км; для упрощения L - 1 км.

Тогда расчетная формула для определения кривизны трассы в плане имеет вид

,

где n - число поворотов плана трассы на каждом километре длины.

Средний продольный уклон i_ср, ‰/км, на каждом километре определяют по формуле

;

где - скалярная величина уклона каждого участка прямой в плане, ‰.

При этом уклоны на кривых в плане принимают равными уклонам прямых на подходе и выходе из кривых в продольном профиле.

Значения показателя , оценивающего плавность трассы, определяют по таблице 8.6.

Таблица 8.6. Показатель оценки плавности трассы

Примечание: Для промежуточных значений использовать линейную интерполяцию

По данным расчётов может быть построен линейный график обеспеченной скорости, а также определены значения средней скорости свободного движения и транспортного потока.