Тема 7. Автоматизоване проектування дорожніх одягів

Особливості автоматизованого проектування оптимальних нежорстких дорожніх одягів

При неавтоматизованому, традиційному проектуванні конструкцію дорожнього одягу зазвичай призначають за типовим проектом, а розрахунок її зводиться, головним чином, до визначення товщини додаткового шару основи.

Як показує досвід автоматизованого проектування дорожніх одягів, в результаті застосування оптимізаційних комп'ютерних програм досягають три статті економічного ефекту:

- Прискорення процесу проектування і зниження кошторисної вартості проектних робіт. Значення цієї статті економічного ефекту з одержуваних найменше;

- Виключення помилок у розрахунках;

- Зниження вартості та матеріаломісткості будівництва дорожніх одягів на 5-18 %. Вартість дорожніх одягів становить найбільш вагому частину від загальної вартості автомобільних доріг (в середньому 40-70 %). Таким чином, застосування елементарних оптимізаційних програм при проектуванні дорожніх одягів дозволяє при забезпеченій їхній міцності знизити матеріаломісткість і загальну вартість будівництва автомобільних доріг від 5 до 18%.

Завданням автоматизованого проектування дорожніх одягів нежорсткого типу є відшукання серед рівноміцних конструкцій найбільш раціонального проектного рішення з урахуванням будівельної вартості конструкцій, технології виробництва робіт і експлуатаційних показників. Це може бути досягнуто в результаті розгляду декількох допустимих варіантів конструкції з наступним визначенням вартісних показників і вибором найбільш економічного і технологічного рішення.

Перехід на комп'ютерний розрахунок конструкцій дорожніх одягів за спеціальними, розробленими для цієї мети оптимізаційними програмами, дозволяє значно знизити час, що витрачається на розрахунки конструкцій, і цілеспрямовано шукати найбільш раціональний варіант із значно більшого розглянутого їх числа. При цьому кількість варіантів рівноміцних конструкцій дорожніх одягів може досягати від декількох десятків до сотень тисяч і, тим не менше, немає впевненості в тому, що найкраще рішення виявилося в числі розглянутих.

Типові рішення дорожніх одягів дозволяють значно звузити діапазон пошуку найбільш раціональної конструкції, але вирішують завдання оптимізації лише частково. Кожен матеріал конструктивних шарів має свою конкретну вартість, і ці вартості, в свою чергу, залежать від району будівництва дороги, розташування будівельних баз, кар'єрів місцевих дорожньо-будівельних матеріалів, складів, дальності возки матеріалів і т.д. Грунтові умови також різні навіть при однакових конструкціях, і врахувати всі ці особливості в типових проектах практично неможливо. Тому типові проектні рішення- це рішення орієнтовні, які, як правило, не є найкращими з можливих.

Найкращі проектні рішення можуть бути отримані в результаті автоматизованого проектування оптимальних дорожніх одягів, що включає в себе конструювання, розрахунки, техніко-економічний аналіз і вибір найбільш раціонального проектного рішення.

Оптимізацію проектування дорожніх одягів можна здійснювати на 3-х рівнях.

Перший рівень - оптимізація конструкції дорожнього одягу. Тут розробляють кілька варіантів дорожнього одягу. Для кожного варіанту будують цільову функцію Кi - будівельну вартість i-го варіанта дорожнього одягу. Оптимальним вважається варіант, для якого цільова функція приймає мінімальне значення

K*= min(K₁, K₂,.., K_n )

де n - кількість розглянутих варіантів.

Другий рівень - конструкція дорожнього одягу оптимізується із врахуванням:

- Довжини траси,

- Протяжності насипів і виїмок,

- Гідрологічних умов,

- Місця розташування місцевих дорожньо-будівельних матеріалів,

- Розміщення виробничих баз,

- Місця розташування станцій постачання привізних матеріалів.

На цьому рівні вже вдається реалізувати системний підхід до процесу проектування. Даний рівень був реалізований в Ташкентському автодорожньому інституті.

Третій рівень - створюється єдина система проектування, будівництва та експлуатації дорожніх покриттів. Розробляється оптимізація ресурсів, що виділяються на будівництво та експлуатацію доріг в межах даного регіону. Такий рівень уже реалізований у Канаді, Нідерландах.

Оптимізаційний метод проектування дорожніх одягів нежорсткого типу

Як критерій оптимальності, що визначає ефективність того чи іншого варіанту конструкції, приймається будівельна вартість одиниці площі дорожньої конструкції (1 м², 100 м² и т.д.):

(1)

Де h_i- товщина i-го конструктивного шару, см;

К_i - вартість одиниці товщини i-го конструктивного шару, віднесена до одиниці площі, грн / см.

Процес пошуку оптимальної конструкції нежорсткого дорожнього одягу зводиться до визначення такої сукупності конструктивних шарів hi *, при якій виявляється виконаним умова (1) і яка одночасно задовольняє наступному комплексу технічних обмежень:

- забезпечення необхідної жорсткості конструкції, при якій забезпечується робота грунтової основи в стадії пружних деформацій;

- забезпечення необхідної міцності проти зсуву в малозв'язних конструктивних шарах і грунтовій основі;

- забезпечення необхідної міцності при згині монолітних шарів;

^- забезпечення морозостійкості конструкції;

- забезпечення технологічних вимог і вимог по осушенню дорожньої конструкції.

де та - загальний і необхідний модуль пружності дорожнього одягу;

та - максимальне дотичне напруження зсуву в i-му конструктивному шарі і дозволене його значення;

та - максимальне розтягуюче напруження в i-му конструктивному шарі і нормативний опір розтягу матеріалу i-го монолітного шару;

мінімальна товщина дорожньої конструкції за умовою морозостійкості;

A_i и B_i- обмеження товщини i-го конструктивного шару знизу і зверху.

Для додаткового шару основи Ai призначають з умови забезпечення осушення дорожнього одягу.

Крок перебору кожного i-го конструктивного шару hi нераціонально призначати менше, ніж технологічно можлива точність влаштування i-го шару. Тому крок перебору hi приймають: для асфальтобетону- 0,5 см; для матеріалів, оброблених в'яжучими- 1,0 см; для інших незв'язних матеріалів- 2,0 см.

Крок перебору hi та інтервали обмежень Ai і Bi пов'язані залежністю:

де m_i- ціле число.

Якщо товщину якогось шару варіювати небажано, то задають h_i = A_i = B_i.

Послідовність пошуку оптимальної конструкції нежорсткого дорожнього одягу наступна:

- Формується перший варіант дорожнього одягу таким чином, що товщини всіх конструктивних шарів приймають рівними обмеженню знизу h_i = A_i; Виконують всі розрахунки на міцність знизу вгору і здійснюють перевірку вихідної конструкції за всіма технічними обмеженням. Якщо за якоюсь технічною умовою конструкція не проходить, то збільшують нижній (перший) шар на крок перебору h1 (рис. 30.1 ) і знову виконують всі розрахунки;

- Якщо в ході розрахунку виявляється, що hi = Bi, а з яких-небудь технічних обмежень конструкція все ще не проходить, то збільшують товщину другого шару на крок h2, а товщину першого шару приймають h1 = А1 і знову виконують всі розрахунки, збільшуючи перший шар з кроком h1 = h1 + h1 і т.д. до тих пір, поки не буде сформований перший варіант, що задовольняє всім технічним умовам. Варіант запам'ятовується і підраховується його вартість;

- Збільшують товщину другого знизу шару h2 = h2 + h2 і, вважаючи h1 = А1 знову з кроком h1 відшукують варіант, що задовольняє вимогам усіх технічних обмежень. Якщо вартість сформованого таким чином другого варіанту зросла, збільшують товщину третього шару h3 = h3 + h3, приймаючи рівними h1 = А1 і h2 = А2 і т.д. Варіант не запам'ятовують. Якщо вартість зменшилася, варіант запам'ятовують і, знову збільшивши шар h2 = h2 + h2 знову повторюють розрахунки і т.д.

Розрахувавши кілька варіантів конструкцій дорожнього одягу, для кожного з них обчислюють додатково дорожньо-експлуатаційні та транспортні витрати і порівнюють за сумарними приведеними витратами.

Рис. Схема до оптимального розрахунку конструкції нежорсткого дорожнього одягу

Найбільший економічний ефект дає проектування оптимальних дорожніх одягів в просторі, коли конструкцію оптимізують по довжині траси автомобільної дороги з урахуванням протяжності насипів і виїмок, грунтових, гідрогеологічних умов, місця розташування кар'єрів місцевих дорожньо-будівельних матеріалів, розміщення виробничих баз, місця розташування станцій постачання матеріалів і т.д.

Технологія автоматизованого проектування оптимальних дорожніх одягів

При автоматизованому проектуванні оптимальних дорожніх одягів нежорсткого типу алгоритм розрахунку передбачає, як правило, розрахункову схему, що включає в себе до 10 конструктивних шарів з урахуванням підстилаючого грунту. У разі потреби кількість конструктивних шарів може бути збільшено. Шари конструкції розташовуються за спаданням (зверху вниз) модулів пружності матеріалів. При цьому алгоритмом програми передбачено автоматичне виключення деяких шарів з конструкції, якщо варіант з виключеним шаром виявляється дешевше всіх розглянутих варіантів при наявності шару і за умови збереження якості (міцності) конструкції.

Технологією автоматизованого проектування передбачена також можливість обов'язкової наявності тих чи інших конструктивних шарів, що забезпечується завданням спеціальних ознак у вихідній інформації. Товщина окремих шарів може бути задана з конструктивних міркувань, і ці шари в процесі пошуку оптимального рішення залишаються незмінними.

Особливу увагу при проектуванні оптимальних дорожніх конструкцій необхідно звертати на задавання мінімальної і максимальної можливих товщин кожного конструктивного шару, а також кроку перебору товщини кожного шару. Крок перебору призначають з умови виробництва і технології виконання робіт з улаштування кожного конструктивного шару, точності влаштування кожного шару, наявності обладнання, можливості забезпечення необхідного ущільнення кожного шару і необхідної точності при прийманні робіт.

Задавання занадто малого кроку перебору призводить з одного боку до значного збільшення часу комп'ютерного проектування і, отже, вартості проектування. З іншого боку, така конструкція в ряді випадків не може бути реалізована, оскільки товщини шарів не відповідають технологічним можливостям будівельної техніки. Задавання занадто великих значень конструктивних шарів також призводить до збільшення часу комп'ютерного проектування і його вартості. При відсутності досвіду проектування в якості першого наближення доцільно брати типові проектні рішення.

Якщо в процесі автоматизованого проектування отримано закінчене рішення і товщина якогось шару відповідає заданій максимальній товщині, то необхідно відкоригувати вихідну інформацію, розширивши діапазон варіювання для даного шару. При заданих вихідних даних рішення тільки тоді можна вважати оптимальним, коли товщина кожного конструктивного шару знаходиться всередині діапазону між мінімальним і максимальним заданими його значеннями. Винятком є ​​випадки, коли товщина того чи іншого шару задана фіксованою.

Вихідні дані для автоматизованого проектування оптимальних нежорстких дорожніх одягів задають наступні:

Е_потр необхідний модуль пружності дорожнього одягу, МПа;

Е_гр - модуль пружності грунту земляного полотна, МПа;

z₁- найменша товщина конструкції за умовою морозостійкості, м;

D_н- розрахунковий діаметр сліду колеса нерухомого автомобіля, см;

D_д- розрахунковий діаметр сліду колеса автомобіля, що рухається, см;

р розрахунковий тиск пневматика, МПа;

п- кількість шарів дорожнього одягу;

А_i- найменша допустима товщина i-го конструктивного шару, см;

Вi- найбільша можлива товщина i-го конструктивного шару, см;

hi- крок перебору товщини i-го конструктивного шару, см;

Ei- модуль пружності матеріалу i-го конструктивного шару, МПа;

Ri- розрахунковий опір при згині i-го конструктивного шару, МПа;

i доп - допустиме напруження зсуву в матеріалі i-го конструктивного шару, МПа;

i- кут внутрішнього тертя матеріалу i-го конструктивного шару (при i = 0- кут внутрішнього тертя земляного полотна);

сi- зчеплення матеріалу i-го конструктивного шару, МПа;

уi- покажчик виду грунту або матеріалу конструктивного шару (зв'язний, слабозв'язаних);

Кi- вартість одиниці товщини i-го конструктивного шару, грн / см;

№- номер варіанта конструкції дорожнього одягу.

РАДОН 2.2 РОЗРАХУНОК ДОРОЖНЬОГО ОДЯГУ

Призначення:автоматизоване конструювання і розрахунок дорожнього одягу нежорсткого типу для Росії, Білорусі та України.

Області застосування:проектування об'єктів транспортного будівництва.

Характеристика інтерфейсу: стандартний інтерфейс WINDOWS.

Вихідні дані:кліматичні дані про район будівництва; основні характеристики дороги; склад та інтенсивність руху автомобільного потоку; нормативне розрахункове навантаження на вісь; шари конструкції дорожнього одягу та їх характеристики; додаткова інформація при призначенні морозозахисних, дренуючих, теплоізоляційних шарів).

Результати:протокол розрахунку, файл у форматі RTF з інформацією про вихідні дані та результати розрахунку.

Основні функції:

· Розрахунок нежорсткого дорожнього одягу в умовах його посилення при реконструкції, капітальному ремонті та експлуатації;

· Розрахунок конструкції дорожнього одягу смуг під зупинки, узбіччя та закріпних смуг на узбіччях.

· Розрахунок конструкції дорожнього одягу із застосуванням геосинтетичних матеріалів як тріщино-зупиняючих, захисно-дренуючих прошарків в шарах покриттів, основ і в шарах, що розташовуються на блочно-тріщинуватих основах;

· Розрахунок прогнозованої величини очікуваного колієутворення в процесі експлуатації проектованої конструкції;

· Оптимізація конструкції по вартості конструктивних шарів;

· Забезпечення можливості створення бази місцевих грунтів з характеристиками, визначеними шляхом лабораторних випробувань;

· Можливість додавання і коректування характеристик асфальтобетонних сумішей;

· Розрахунок морозозахисних шарів конструкції дорожнього одягу з частковою заміною пучинистого грунту робочого шару;

· Розрахунок конструкцій дорожнього одягу з морозозахисними / теплоізоляційними шарами з матеріалів, характеристики яких задає користувач;

· Можливість після виконаного розрахунку внести зміни в характеристики матеріалів конструктивних шарів і грунту робочого шару, а також в їх товщини, з повторним розрахунком конструкції дорожнього одягу, враховуючи нові характеристики матеріалів шарів;

· Можливість формування вихідних відомостей з усією необхідною інформацією.

Додаткові характеристики:

У програмі реалізовані методики розрахунку і вимоги нормативних документів.

Для Росії:

· ОДН 218.046-01 - Проектування нежорсткого дорожнього одягу (Москва, 2002);

· ОДН 218.1.052-2002 - Оцінка міцності нежорсткого дорожнього одягу (Москва, 2003);

· ОДН 218.3.039-2003 - Зміцнення узбіч автомобільних доріг (Москва, 2003);

· ОДМД - Рекомендації щодо застосування геосинтетичних матеріалів при будівництві і ремонті автомобільних доріг (Москва, 2003);

· ОДМД - Рекомендації щодо виявлення та усунення колій на нежорсткій дорожній одежі (Москва, 2002);

Для України:

· ВБН В.2.3-2180186-2004 - Відомчі будівельні норми України. Дорожній одяг нежорсткого типу (Київ, 2004);

Для Білорусії:

· Посібник до СНиП 3.06.03-85 - Будівництво та ремонт автомобільних доріг з використанням регенерованого асфальтобетону і прошарків з рулонних матеріалів (Мінськ, 1998).