Актуализации применяемых подходов к нормированию контактного давления и отпечатка колеса при проектировании дорожных одежд

При расчете конструкций дорожных одежд по прочностным критериям одним из основных параметров является величина контактного давления колеса на покрытие. В настоящее время в РФ давление на покрытие регламентируется в зависимости от капитальности дорожных одежд и составляет 0,6 МПа для дорожных одежд облегченного и переходного типа и 0,8 МПа для капитальных дорожных одежд. Указанные значения не соответствуют параметрам внутреннего и, тем более, контактного давления для современных наиболее широко распространенных грузовых шин. В связи с этим, во избежание преждевременного разрушения дорожных одежд и учета воздействия современного транспорта при проектировании, необходима актуализация параметров расчетного давления.

Методика проектирования нежестких дорожных одежд, действующая в Российской Федерации, основывается на принципах расчетов на прочность с использованием положений теории упругости, заложенных в нормативно-технических документах начиная с 70-х годов 20 века, и периодически актуализируется по мере накопления опыта и выполнения исследований по отдельным направлениям.

Действующий в настоящее время ПНСТ 542 [1], как и действовавшие ранее нормативнотехнические документы (ПНСТ 265 [2], ОДН 218.046 [3], ВСН46-83 [4], ВСН 46-72 [5] и т.д.) для расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) используют схему нагружения от односкатного колеса, к которой приводятся все воздействия от колесных нагрузок транспортного потока. Расчеты на прочность выполняются по критериям упругого прогиба, растяжения при изгибе монолитных слоев и сдвиге в грунте и малосвязанных слоях дорожной одежды от динамических и статических нагрузок.

Результаты исследований по сопоставлению существующих методик расчета параметров НДС многослойных конструкций при воздействии колесных нагрузок, показывают, что во всех критериях расчета контактное давление на

EDN HTVUZV покрытие и диаметр отпечатка колеса являются основными факторами, влияющими на НДС дорожной одежды, и, соответственно, на выбор толщины конструктивных слоев [6]. Увеличение осевых нагрузок и контактного давления должно приводить к повышению капитальности дорожных одежд. При этом, как показано в [6], увеличение расчетного давления, при использовании упрощенных расчетных моделей расчета по номограммам, в отдельных случаях приводит к абсурдным результатам в виде снижения капитальности дорожной одежды, что в свою очередь, требует дополнительных исследований.

Расчетное давление в странах ЕАЭС регламентируется в ГОСТ 32960 [7], при этом нормативно-техническими документами [1] - [5] нормируются эквивалентные отпечатки колеса в зависимости от параметров нагрузки и скорости ее приложения (статическая или динамическая). Диаметры отпечатков колеса рассчитывается по формулам и они находятся в пределах от 30,3 до 37,1 см, что, также как и величина давления, требует верификации с фактическими значениями.

Актуализация и назначение расчетного давления и отпечатка колеса в нормативно-технических документах, регламентирующих проектирование дорожных одежд должны опираться на экспериментальные исследования наиболее распространенных типоразмеров современных шин грузовых автомобилей во избежания ошибок и недоучета воздействия колесных нагрузок на автомобильную дорогу.

Анализ изменения расчетных параметров нагружения от колесных нагрузок в отечественных нормативно-технических документах

Проблематика регламентирования расчетного давления в отечественной практике рассматривалась в различные годы в статьях [8] и [9]. Первоначально требования к расчетному давлению на покрытии в отечественных нормативнотехнических документах были регламентированы в 40-50-х годах 20 века и составляли 0,5 МПа. В статье [8] представлена ретроспектива изменения параметров нагрузки для расчета дорожных одежд в Советском Союзе и Российской Федерации начиная с 40-х годов 20 века до 2013 года и предложено увеличение расчетного давления для капитальных дорожных одежд с 0,6 до 0,8 МПа, что впоследствии было реализовано в ГОСТ 32960 [7].

Согласно ГОСТ 32960 [7] расчетная осевая нагрузка и давление колеса на покрытие нор- мируется в зависимости от капитальности дорожных одежд и составляет 115 кН и 0,8 МПа для дорог с капитальными дорожными одеждами, 110 кН и 0,6 МПа для дорог с облегчёнными и переходного типа дорожными одеждами.

В 2018 году был разработан ПНСТ 265 [2], в котором критерии и алгоритм расчета остались прежними, но части нормирования расчетных параметров, ссылается на ГОСТ 32960 [7], расчет диаметра отпечатка колеса выполняется по стандартной для отечественных нормативных документов [1] - [5] формуле:

D = |^, см, (1)

vp где ^расч — расчетная величина нагрузки, передаваемой колесом на поверхность покрытия, кН;

p - давление, МПа.

Расчетные параметры при проектировании согласно ПНСТ 265 [2] представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Расчетные параметры нагрузок согласно ПНСТ 265 [2]

Группа расчётной нагрузки	Нормативная статическая нагрузка, кН		Расчетные     пара метры нагрузки
	на ось	на колесо	Давление  на покрытие р, МПа	Диаметр Dд/Dст, см
А-10	100	50,0	0,6	37/33*
А-11,5	115	57,5	0,8	34/30
Примечание - В числителе приведён диаметр пятна контакта Dд для движущегося колеса, в знаменателе Dcт - для неподвижного колеса.

После завершения действия [2] был разработан ПНСТ 542 [1], который является действующим и наиболее актуальным нормативно-техническим документом, посвященным проектированию нежестких дорожных одежд. Документ содержит указания по конструированию и расчету, причем, впервые в отечественной практике в качестве дополнительной представлена возможность выполнения расчета параметров НДС нежестких дорожных одежд без использования номограмм и приведения многослойной конструкции к упрощенным моделям по ОДМ 218.3.1.0052021 [10]. В части нормирования расчетных параметров нагрузки в ПНСТ 542 [1] значительных изменений по сравнению с [2] не представлено ввиду неизменности требований [7].

Выполненный анализ отечественных нормативно-технических документов показал, что исторически требования к расчетным параметрам, учитываемым при проектировании дорожных одежд, увеличивались от документа к документу по мере увеличения нормативных осевых нагрузок. В настоящее время нормативные осевые нагрузки и расчетное давление регламентируется отдельным документом ГОСТ 32960 [7] и все остальные документы в иерархии нормативов учитывают его положения. При этом принципиальная схема нагружения, состоящая из одного эквивалентного отпечатка колеса существенно не изменилась за более чем 70 лет. Так же необходимо отметить, что методика расчета эквивалентного отпечатка колеса так же не претерпела изменений и не актуализировалась путем выполнения реальных замеров. Это может приводить к неточностям в методике расчета НДС и как следствие, снижению точности выбора конструкций дорожных одежд.

Однако, ни в СССР, ни в РФ подобные работы, судя по всему, не проводились, и источник нормативно-технического регулирования давления колеса на дорожное покрытие никогда не раскрывался. Сначала 50-х годов этот процесс ограничивался лишь декларированием условия «давление колеса на покрытие = давлению воздуха в шине», которое есть величина постоянная и не меняется при качении колеса под нагрузкой.

В то же время в зарубежных странах применяется различный подход, например, согласно Указаниям по расчету дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием Германии (RDO Asphalt 09) [11] диаметр отпечатка расчетного колеса принимается неизменно равным 30 см при расчетном давлении 0,8 МПа, при этом, различий в указанных параметрах в зависимости от категорий дорог и капитальности нет. В ряде зарубежных стран (США, Канада, Франция и т.д.) вместо односкатного колеса, либо совместно с ним принята расчетная схема с двускатным колесом с различными параметрами отпечатка колеса и расчетного давления в диапазоне от 0,6 до 0,9 МПа.

В статье [9] по результатам анализа зарубежных исследований и справочных данных о характеристиках шин грузовых автомобилей представлены предложения по увеличению расчетного давления при проектировании дорожных одежд. Тем не менее, для наиболее точного нормирования указанных параметров, впервые в отечественной практике целесообразно выполнить экспериментальные исследования, посвященные определению реального воздействия шин грузовых автомобилей на дорожную одежду.

Анализ типоразмеров современных грузовых шин

Для подготовки к проведению экспериментальных исследований был выполнен анализ наиболее распространенных типоразмеров грузовых шин на автомобилях, составляющих основу транспортного грузового потока:

• -    седельных автопоездов (тягачей с полуприцепами),

• -    двухосных и трехосных грузовых автомобилях, выполняющих, в том числе, перевозки, связанные со строительными работами,

• -    городских и междугородних автобусов.

В зависимости от типа и грузоподъемно- сти транспортного средства, на него устанавливают шины соответствующего типоразмера.

Расшифровка маркировки на грузовых шинах представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Маркировка грузовых шин

По результатам анализа были выбраны типоразмеры, которые наиболее часто используются на данный момент в РФ на грузовых автомобилях, выполняющих перевозки с нормативными нагрузками, либо близкими к ним:

• -    315/80R22.5. Устанавливаются на большинстве рулевых и ведущих осях тягачей седельных автопоездов. Также применяется на самосвалах, миксерах, строительной технике;

• -    315/70 R22.5. Устанавливаются на многих рулевых и ведущих осях тягачей седельных автопоездов наряду с 315/80R22.5. Также применяется на самосвалах, миксерах, строительной технике;

• -    385/65R22.5. Устанавливаются на большинство прицепов седельных тягачей, а также на рулевых осях;

• -    295/80 R22,5. Устанавливаются на большинство междугородних автобусов, а также дополнительно устанавливаются на автомобилях-самосвалах;

• -    275/70 R22.5. Устанавливаются на большинство автобусов, выполняющих рейсы на местных маршрутах, а также грузовые автомобили средней грузоподъемности.

Также были проанализированы наиболее распространённые в РФ бренды шин, используемые на дорогах, к которым можно отнести:

• -    Cordiant,

• -    Michelin,

• -    KAMA TYRES,

• -    Bridgestone,

• -     Goodyear.

Необходимо отметить, что в настоящее время заметен рост применения шин, производящихся в Китае.

Формулировка целей и этапов экспериментальных исследований

Основная цель исследований – определение фактических параметров воздействия грузовых автомобилей на покрытие нежестких дорожных одежд с последующей оценкой влияния их изменения на результаты расчета параметров НДС дорожных конструкций.

Для получения достоверной и исчерпывающей информации по выполняемым исследованиям, экспериментальную и расчетную части работ следует выполнить в четыре этапа.

Этап 1 . Натурные (полевые) испытания грузовых автомобилей.

Для дальнейших полевых испытаний необходимо выбрать один из наиболее широко распространенных типов грузового автомобиля (рисунок 2). В качестве предварительного варианта предлагается пятиосный или шестиосный седельный автопоезд (двухосный тягач с трех или четырехосным полуприцепом).

Рисунок 2 – Двухосный тягач с трехосным Полуприцепом

Для выполнения программы натурных (полевых) испытаний при движении грузового транспортного средства под нормативной осевой нагрузкой и скоростью, на автомобиль планируется установить следующие системы:

• -    система мониторинга перемещений автомобиля (скорость, местонахождение и т.д.),

• -    система контроля температуры и внутреннего давления воздуха в шинах,

• -    система мониторинга осевых нагрузок.

В рамках выполнения исследований будет проведен анализ имеющихся в РФ систем мониторинга температуры воздуха и давления в колесе с целью выбора наиболее оптимального варианта.

Датчики устанавливают во все колеса транспортного средства: обоих колёс рулевой оси, четырёх колёс приводной (ведущей) оси и всех колес прицепных осей.

Таким образом, в ходе натурных (полевых) испытаний будет обеспечена правильная организации сбора и консолидация первичных данных по наблюдаемым параметрах в шинах при их качении под нагрузкой, а также конструктивно и технологически будет обеспечено качество выполняемых измерений по критериям точности, достоверности, воспроизводимости и погрешности выполненных измерений.

Цель работ на этом этапе будет заключаться в следующем:

• -    подтвердить или опровергнуть рабочую гипотезу об увеличении температуры и давлении воздуха в шине при качении под нагрузкой с разрешёнными скоростями и нагрузками,

• -    определить параметры зависимости давления воздуха в грузовых шинах при качении под нормативной осевой нагрузкой с разными скоростями и в разных условиях, в разных дорожноклиматических зонах на территории европейской части Российской Федерации в различные периоды года.

Этап 2. Стендовые испытания колес грузовых автомобилей.

После достижения целей экспериментальных работ на этапе 1 на специальных стендах планируется проведение испытания грузовых шин основных типоразмеров, способных обеспечивать перевозку грузов с расчётной нагрузкой на одиночную ось 10 и 11,5 тонн, и допустимыми нормативными нагрузками на различные оси.

Цель этого этапа – определение реальных параметров пятна контакта и удельного давления на покрытие грузовых шин под нагрузкой 40 – 60 – 80 – 100 – 120 % от максимально разрешённой нагрузки со значениями давления, полученного на 1 этапе. В целях обеспечения статистической достоверности получаемых результатов на каждой шине ориентировочно будет выполнено не менее 5 серий измерений параметров в пятне контакта с опорной поверхностью при каждом из 5 вышеуказанных вариантов испытательной нагрузки при различном давлении в колесе автомобиля. Необходимо отметить, что производителями регламентируются нормативные параметры давления на «холодных» шинах в зависимости от типоразмера и осевой нагрузки [12].

Общая методология выполнения экспериментальных исследований на данном этапе будет следующая: на специальном стенде с измеритель- ной системой, предназначенной для анализа распределения давления в пятне контакта шины с дорожным покрытием, будут определены параметры реального воздействия шин грузовых автомобилей на дорожную конструкцию (рисунок 3), с учётом полученных в ходе полевых испытаний значений давления воздуха в шинах при движении под нагрузкой.

Рисунок 3 – Результат измерения параметров контактного воздействия грузовой шины

Таким образом, в результате выполнения работ на этапе 2 будут получены фактические расчётные параметры воздействия колеса на дорожную одежду (давление и параметры зоны контакта колеса под нормативной нагрузкой), которые в дальнейшем можно будет использовать во всех расчётах напряженно-деформированного состояния дорожной одежды.

Этап 3. Исследования напряженно-деформированного состояния дорожных одежд от воздействия грузового транспорта на экспериментальных станциях мониторинга .

В рамках данного этапа на специальных станциях мониторинга напряженно-деформированного состояния нежестких дорожных одежд планируется выполнение замеров напряжений (давления) и деформаций (относительных деформаций) на границе конструктивных слоев от различной нагрузки:

• -    от колесной нагрузки стандартного грузового автомобиля, выбранного на 1 этапе исследований при нормативном давлении и осевой нагрузке при динамическом воздействии (проезде автомобиля над датчиками) и статическом нагружении (остановке колеса автомобиля над датчиком). Испытания будут выполняться со сдвоенными и одиночными колесами,

• -    от динамической нагрузки, создаваемой установками динамического нагружения по ГОСТ Р 59918-2021 [13]. Необходимо отметить, что согласно [13] применяются металлические 4х сегментные нагрузочные плиты диаметром 30 см. Нагрузка на конструкцию будет выбрана в зависимости от полученных на 1 и 2 этапах результатов,

• -    от статической нагрузки, создаваемой установками статического нагружения по ГОСТ Р 59866-2022 [14]. Также необходимо отметить, что согласно [14] применяются цельные металлические нагрузочные плиты диаметром 30 см.

Нагрузка на конструкцию будет выбрана в зависимости от полученных на 1 и 2 этапах результатов,

На станциях мониторинга будут определены значения давления в нижних несвязных слоях конструкции и растягивающих деформаций на нижней границе пакета слоев из асфальтобетона при различных схемах нагружения автомобилем и измерительными установками.

Этап 4 . Математическое моделирование.

На данном этапе будет выполнен анализ полученных результатов полевых и стендовых испытаний и выбраны варианты изменения расчетных параметров нагружения грузового автомобиля:

• -    давление на покрытие,

• -    диаметр отпечатка колеса.

Исходя из набора выбранных параметров будут выполнены расчеты конструкций нежестких дорожных одежд и математическое моделирование влияния изменения расчетных параметров на определение напряженно-деформированного состояния дорожной одежды в статической и динамической постановке при расчете нежестких дорожных одежд.

Так же будут выполнены сопоставительные расчеты в рамках отработки модели определения НДС по данным, полученным на станциях мониторинга и по различным алгоритмам расчета:

• -    по традиционному алгоритму приведения многослойной конструкции к упрощенным моделям по ПНСТ 542 [1],

• -    по методике расчета многослойных конструкций дорожных одежд без приведения к упрощенным моделям по ОДМ 218.3.1.005-2021 [10].

По результатам выполненных исследований планируется разработка методики учета фактических параметров воздействия автомобильного транспорта на дорожную одежду при проектировании нежестких дорожных одежд и предложений по актуализации параметров при проектировании дорожных одежд. Разработанную методику и актуализированные параметры нагружения в дальнейшем целесообразно апробировать с учетом предлагаемой в [15] методики оценки точности (надежности) проектирования дорожных одежд.