4.3. Влияние климата и погоды на состояние дорог и условия движения автомобилей

Климат и погода - составные части природных факторов, которые существенно влияют на транспортно-эксплуатационные характеристики дорог, на режим и безопасность движения, т.е. на условия движения по дороге и режим ее функционирования [10,12].

Условия движения - та реальная обстановка на дороге, в которой осуществляется движение автомобиля, включающая в себя дорожные условия, транспортный поток и состояние окружающей среды, под которой подразумевают погодно-климатические условия. Погодно-климатические условия существенно влияют на состояние поверхности дороги, по которой движется автомобиль, которую видит и воспринимает водитель при выборе режима движения. При анализе этого влияния различают следующие понятия и определения.

Погода, погодные условия, условия погоды и метеорологические условияиспользуются как синонимы и означают состояние атмосферы, которое характеризуется совокупностью значений метеорологических явлений, факторов или элементов в данном месте, в данный момент.

Климатические или метеорологические явления, элементы (факторы)- это отдельные характеристики состояния атмосферы, которые наблюдаются на метеостанциях (атмосферное давление, температура, влажность воздуха, ветер, осадки, туман, метель и т.д.).

Каждый метеорологический фактор характеризуется вероятностью появления (повторяемостью), продолжительностью действия и последействия, интенсивностью. Данные о вероятности появления, продолжительности действия и интенсивности приведены в климатических справочниках или могут быть получены на ближайшей к дороге метеостанции.

Продолжительность последействия. Время с момента прекращения данного метеорологического явления до прекращения действия его последствий на состояние дорог и условия движения (например, время просыхания поверхности дороги после прекращения дождя) может быть получено только путем наблюдений в различные периоды года.

Климат(климатические условия) - статистический режим условий погоды за длительный период времени (от одного года до многих десятилетий), т.е. это закономерная последовательность атмосферных процессов в данной местности, обусловливающая характерный для этой местности режим погоды.Микроклимат- климат небольшой территории, возникающий под влиянием различий рельефа, растительности, состояния почвы, наличия водоемов, застройки и т.д. Воздействие метеорологических факторов на условия движения передается через состояние поверхности дороги, взаимодействие автомобиля с дорогой и восприятие условий движения водителем. Состояние поверхности дорог оценивается качественными характеристиками: сухое, влажное, мокрое (чистое и загрязненное), заснеженное (покрытие с рыхлым снегом или уплотненным слоем снега - снежный накат), гололед и т.д.

Условия движения в период действия неблагоприятных метеорологических явлений значительно сложнее, чем при сухом, чистом покрытии и обочинах. Различия определяются рядом факторов, основными из которых являются:

снижение сцепных качеств покрытия, изменение взаимодействия автомобиля с дорогой, ухудшение ровности покрытия под влиянием осадков, гололеда, тумана, повышенной влажности воздуха и других факторов;

увеличение сопротивления движению из-за отложений снега, грязи, гололеда, неровностей на дороге, в результате чего снижается свободная мощность двигателя автомобиля;

изменение очертания и внешнего вида проезжей части и обочин, параметров поперечного профиля из-за снежных отложений и образования полос наката, что приводит к изменению восприятия дороги водителем;

уменьшение метеорологической видимости в период туманов, осадков, пурги, пыльных бурь, слепящего действия солнца, изменяющих восприятие условий движения водителем;

ухудшение эксплуатационно-технических качеств автомобиля, прежде всего систем, обеспечивающих удобство и безопасность движения, к которым относятся тормоза, рулевое управление, обзорность, видимость, сигнальная система.

Степень влияния метеорологических явлений на режим и безопасность зависит от интенсивности метеорологического явления и скорости движения автомобиля (табл. 4.11).

Таблица 4.11

Метеорологические факторы и условия движения на автомобильных дорогах

Примечание. О - опасные, ОО - особо опасные, МО - малоопасные.

Каждому периоду года соответствуют свои характерные условия погоды, оказывающие существенное влияние на формирование состояния поверхности дороги и условий движения. К зимнему относят период, характеризующийся устойчивой средней суточной температурой воздуха ниже 0 (рис. 4.11). В некоторых случаях под зимним подразумевают период с начала образования устойчивого снежного покрова до момента его схода. На большей части территории России зимний период самый длительный, продолжительность его колеблется от 20 до 260 дней в году.

Рис. 4.11. Продолжительность характерных периодов года: I - зимний период; II - осенний и весенний переходные периоды; III-летний период

Переходные периоды - весенний и осенний с неустойчивой погодой, при которой наблюдаются осадки всех видов (твердые, жидкие и смешанные). Весенним считается период со средней суточной температурой воздуха от 0 до +15°С. В целом этот период, отличающийся резкими переходами от потепления к похолоданиям, длится от 30 до 60-80 сут.

Осенним принято считать период, характеризующийся понижением температуры от +15°С до 0. Общее количество осадков осенью меньше, чем летом, но продолжительность их выпадения значительно больше. Длительность осеннего периода на территории страны колеблется в широких пределах - от 70 до 120 сут.

Летний период ограничен датами перехода средней суточной температуры через +15°С. Летом увеличивается количество осадков, но сокращается продолжительность их выпадения.

Для большинства районов страны наиболее трудные условия движения наблюдаются в зимний и осенне-весенний периоды, а для районов с жарким и сухим климатом - в летний период. Наиболее трудные периоды года и должны быть приняты за расчетные при выборе методов и средств обеспечения удобства и безопасности движения. Основные характеристики погодно-климатических факторов по их влиянию на условия движения приведены в табл. 4.12.

Таблица 4.12

Характеристики погодно-климатических факторов, влияющих на условия движения

Примечания: 1. Длительность последствия на дорогах с высоким уровнем содержания. 2. То же, на дорогах с допустимым уровнем содержания.

Каждому периоду года соответствуют свои наиболее характерные состояния поверхности дороги, которые могут распространяться на полную ширину проезжей части и обочин, охватывать большие протяжения дорог или захватывать небольшую часть покрытия, образуя отдельные пятна в зависимости от метеорологических условий, параметров и характеристик дорог, интенсивности и состава движения, а также уровня содержания дороги.

В летний периоднаиболее часто наблюдается сухое чистое покрытие, сухие обочины и в целом благоприятные условия движения. Впереходные периодыгода наиболее часто наблюдается влажное и мокрое покрытие и грязные, разрушенные обочины.

При выпадении осадков в виде дождя на поверхности покрытия образуется слой воды, который начинает заметно влиять на сцепные свойства уже при толщине пленки более 0,2 мм, снижая адгезионную составляющую силы трения. Коэффициент сцепления резко снижается в начальный период дождя, когда образуется густая смазка на поверхности. После того как грязь с поверхности покрытия смыта дождем, коэффициент сцепления несколько увеличивается.

В зимний периодгода состояние поверхности дороги может колебаться в наибольших пределах. Поверхность дороги зимой может быть сухой и чистой от снега, покрыта слоем сухого рыхлого снега (заснеженной), снежным накатом, мокрым снегом или коркой в виде гололеда или искусственной скользкости, образующейся путем уплотнения и оплавления снега под влиянием движущихся автомобилей.

От климата местности во многом зависит продолжительность различных состояний поверхности дороги. На продолжительность того или иного состояния существенно влияет технический уровень и качество содержания дорог в неблагоприятные периоды года.

Данные о фактической продолжительности состояния поверхности необходимы для определения фактической скорости движения и расхода топлива, себестоимости перевозки и многих других технических и экономических расчетов. Впредь до накопления указанных данных продолжительность различных состояний поверхности дороги можно определять по формуле

где                                                                                          (4.21)

- коэффициенты длительности состояний (сухого, мокрого, заснеженного, снежного наката, гололеда);- продолжительность летнего, осенне-весеннего и зимнего периодов в данной зоне, сут.

Коэффициент _iкомплексно учитывает влияние климатических факторов, интенсивности движения, технического уровня и качества содержания дороги (табл. 4.13).

Таблица 4.13

Значение коэффициента длительности состояния покрытия (данные проф. А. П. Васильева)

Примечания: 1. Большие значения  для сухого покрытия (соответственно меньшие для мокрого) в летний и переходные периоды принимают при наличии краевых укрепленных полос или укрепленных обочин. 2. Для зимнего периода коэффициент назначают с учетом уровня оснащения службы эксплуатации машинами и оборудованием для зимнего содержания, принятого в проекте. Минимальное значение для мокрого покрытия, рыхлого снега, снежного наката и гололеда на покрытии принимают при 100 %-ной оснащенности по сравнению с нормативной, соответственно максимальные значения принимают при оснащенности, не превышающей 50 %.

Продолжительность периодов года определяют по многолетним данным изменения среднесуточной температуры воздуха, получаемым из климатических справочников.

Каждому периоду года соответствует характерное состояние поверхности. За расчетныемогут быть приняты следующие состояния поверхности.

В зимний период: а) слой рыхлого снега на покрытии и обочинах лежит только во время снегопадов и метелей в перерывах между проходами снегоочистительных машин; б) проезжая часть чистая, без снега, уплотненный снег и лед имеется на прикромочных полосах, а рыхлый - на обочинах; в) проезжая часть покрыта слоем плотного снежного наката, на обочинах - слой рыхлого снега; г) на поверхности покрытия гололед; д) поверхность дороги влажная, имеется рыхлый мокрый снег или слой снега и льда, растворенного хлоридами.

Схемы а), б), г), д) служат расчетными для дорог I-III категорий, схемы б), в) для III и IV категорий. Расчетную толщину слоя рыхлого снега на покрытии принимают в зависимости от защищенности дороги от снежных заносов и оснащенности дорожной службы машинами для зимнего содержания, но не менее 10 мм.

В осенне-весенние переходные периоды: а) вся поверхность мокрая чистая; б) проезжая часть мокрая чистая, прикромочные полосы загрязнены; в) проезжая часть мокрая загрязненная.

Схему а) принимают за расчетную для дорог I и II категорий с обочинами, укрепленными на всю ширину каменными материалами с применением минеральных или органических вяжущих. Схема б) относится к дорогам или участкам с укрепленными краевыми полосами и неукрепленными обочинами или имеющим обочины, укрепленные щебеночными и гравийными материалами без вяжущих. Схема в) относится к дорогам без укрепленных краевых полос и обочин.

В летний период: сухие и чистые покрытия и обочины.

Каждому расчетному состоянию покрытия соответствует определенный коэффициент сопротивления качению и коэффициент сцепления, зависящие от скорости.

Изменение ширины проезжей части и обочин по сезонам года. Фактически используемая для движения автомобилей ширина проезжей части и ширина обочин на одном и том же участке дороги является величиной переменной и колеблется в широких пределах в различные сезоны года в зависимости от погодно-климатических условий, конструктивных особенностей земляного полотна, проезжей части, краевых полос, обочин, а также от уровня содержания дороги (рис. 4.12). Фактически используемую ширину чистой укрепленной поверхности определяет по формуле

В_1ф=В_пр+ 2b– 2b₁, где                                                                                                       (4.22)

В_пр- проектная ширина проезжей части, м;

b- ширина краевой укрепленной полосы, м;

b₁- ширина полосы загрязнения краевой укрепленной полосы или прикромочной полосы проезжей части, м.

Рис. 4.12. Характерные поперечные профили дорог в различные периоды года: а - летом; б - осенью и весной при неукрепленных обочинах; в - зимой на участках, не имеющих помех для снегоочистки; г - зимой на участках, имеющих помехи для снегоочистки; д, е - при неполной очистке снега; 1 - уплотненный снег; 2 - рыхлый снег; 3 - колеи наката; а- ширина загрязненных полос осенью и весной;а₁- ширина обочин;а₂- фактическая ширина обочин зимой;b₁- ширина проезжей части;b₂- ширина чистой проезжей части;b₃- используемая ширина проезжей части;с- ширина полос наката из снега или льда;В₁- ширина земляного полотна;В₂- ширина дороги зимой

Летом в сухую погоду во всех климатических зонах в основном сохраняются проектные параметры поперечного профиля дорог и движение происходит по всей ширине проезжей части. Обочины в этот период находятся в сухом плотном состоянии.

В переходные периоды года и особенно осенью изменения фактической ширины проезжей части начинаются с выпадением дождей, понижением и увеличением относительной влажности воздуха, а весной при таянии снега. Это происходит за счет загрязнения проезжей части, которое зависит от типа грунта обочин, их ширины и типа укрепления, общей ширины проезжей части, наличия въездов и съездов без твердого покрытия. Занесенная транспортом на проезжую часть грязь под действием движения перемещается к кромкам и откладывается на прикромочной полосе проезжей части (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Характерные состояния обочин в переходные периоды года: а - при наличии краевых укрепленных полос; б - укрепление на всю ширину; в - без укрепления; 1 - чистая поверхность; 2 - слой пыли или грязи; 3 - колеи и неровности на обочине

При отсутствии укрепленных обочин сокращение проезжей части из-за загрязнения составляет 0,6-1,2 м. На участках с укрепленными на всю ширину обочинами сокращения ширины проезжей части почти не происходит. Характерным для зимних условий является исчезновение четких очертаний границ земляного полотна и сглаживание его форм. В районах с длительным зимним периодом, частыми снегопадами и метелями при регулярной снегоочистке на прикромочных полосах обочин и проезжей части образуется ровный плотный слой снега шириной 0,2-0,6 м и толщиной 2-10 см, по которому может происходить движение автомобилей (рис. 4.14). Фактическая ширина проезжей части, используемая для движения на дорогах с хорошим зимним содержанием, как бы увеличивается. Поэтому на отдельных участках дорог зимой могут быть лучшие условия для движения, чем летом. Средняя ширина фактически используемой полосы движения составляет 8-8,5 м, т.е. больше, чем ширина проезжей части. Интересно отметить, что эту ширину водители выбирают в течение всей зимы и, по-видимому, она является наиболее предпочтительной для двухполосного движения. Ширина прикромочных полос уплотненного снега колеблется от 0,2 до 2,5 м с каждой стороны. При отсутствии регулярной снегоочистки фактическая (чистая) ширина проезжей части резко сокращается или исчезает полностью и движение осуществляется по слою рыхлого или уплотненного снега.

Рис. 4.14. Параметры и состояние обочин зимой: а - при тщательной очистке снега; б - при образовании вала снега на участках ограждений, сигнальных столбиков; а_П- проектная ширина обочины;а_ф- фактическая ширина обочины

В районах, где зимы теплые, малоснежные, снег зимой часто тает и полосы наката на кромках проезжей части не образуются. Характерной особенностью состояния дорог в зимний период является значительное колебание ширины чистой проезжей части по длине дороги и во времени. Большие сужения происходят на снегозаносимых участках дорог, участках установки ограждений, парапетов и направляющих столбиков, которые способствуют образованию снежных отложений и мешают уборке снега. Особенно неблагоприятные условия создаются на кривых малого радиуса (до 300 м) в плане, на которых устанавливаются ограждения, затрудняющие и без того сложные условия снегоочистки, на развязках дорог в одном и разных уровнях.