Text
В.Ф. БАБКОВ
О. В. АНДРЕЕВ
АВТОМОБИЛЬНЫХ
ДОРОГ
В.Ф. БАБКОВ
О. В. АНДРЕЕВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
АВТОМОБИЛЬНЫХ
ДОРОГ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
качестве учебника
для студентов
высших учебных заведений,
обучающихся по специальности
"Автомобильные дороги"
МОСКВА"ТРАНС ПОРТ" 1987
УДК 625.72(075.8)
>
. f
Ч. 1: Учебник для вузов.— Изд. 2-е, перераб. и доп.
М.: Транспорт
1987.— 368 с.
Учебник посвящен изысканиям и проектированию автомобильных до-
рог. В первой части изложены основные требования, предъявляемые к эле-
ментам дорога в плане и профиле, метода обеспечения устойчивости зем-
ляного полотна, назначения толщины дорожных одежд и проложения
трассы дороги на местности, расчеты малых водопропускных сооружений.
Во второ! части описаны гидрологические, гидравлические и русловые рас-
четы при проектировании мостовых переходов, особенности проектирова-
ния дорог в сложных природных условиях СССР, а также технология про-
ектно-изыскательских работ.
По «равнению с 1-м изданием (1979 г.) усилено внимание автоматизи-
рованному проектированию, учтены новые нормативные документы и по-
следние достижения в области проектирования автомобильных дорог.
Учебник предназначен для студентов вузов и факультетов специально-
стей 1211 «Автомобильные дороги». Он может быть всподоэован также
инженерно-техническими работниками проектных и строительных органи-
заций.
Ил. 242, табл. 51, бнблиогр. 29 назв.
«саля: проф. В. Ф. Бабков — введение, главы 1—7, 10—17,
22, 23, пн. 242, 24Д главы 25, 27—35, послесловие; проф. О. В. Андреев —
главы 8, 9, 18—21, п. 24.1, главы 26, 36.
Рецензенты: д-р техн, наук Я. В. Хомяк (КАДИ);
канд. техн, наук В. Д. Браславский (Союздорпроект)
Заведующий редакцией
В. Г. Пешков
V
Редактор Л. П. Топольницкая
3603020000—277м
Б --------------179-87
049(01>-87
С Издательстве «Тдаммут», г
О Издательстве «Трансвортэ. ШЫ «
с язмеаеяиямв
ВВЕДЕНИЕ
Проектирование автомобильных дорог — учебная дисциплина,
рассматривающая принципы технико-экономического обоснования
размеров всех элементов дороги на основе комплексного учета
ее народнохозяйственного значения, природных условий и тре-
бований эффективности, экономичности и безопасности автомо-
бильных перевозок, а также методы выбора направления дороги
на местности и составления проекта ее постройки.
Основными разделами курса являются: обоснование требова-
ний к элементам трассы дороги и их взаимному сочетанию, проек-
тирование земляного полотна, проектирование дорожных одежд,
правила проложения трассы дороги на местности, проектирование
мостовых переходов через большие и малые водотоки, особенно-
сти проектирования дорог в характерных природных районах,
изыскания дорог и составление проектов.
Современные автомобильные дороги представляют собой слож-
ные инженерные сооружения. Они должны обеспечивать возмож-
ность движения потоков автомобилей с высокими скоростями. Их
проектируют и строят таким образом, чтобы автомобили могли
реализовать свои динамические качества при нормальном режиме
работы двигателя, чтобы на поворотах, подъемах и спусках авто-
мобилю не грозили занос или опрокидывание. В течение всего
года дорожная одежда должна быть прочной, противостоять ди-
намическим нагрузкам, передающимся на нее при движении авто-
мобилей, быть ровной и нескользкой.
Дороги подвержены активному воздействию многочисленных
природных факторов (нагревание солнечными лучами, промерза-
ние и оттаивание, увлажнение выпадающими осадками, грунто-
выми водами и водой, притекающей с придорожной полосы,
и т. п.). Эти особенности их работы должны учитывать проекти-
ровщики, строители, работники эксплуатационной службы, кото-
рые обязаны* обеспечить нормальную круглогодичную службу
дороги в течение длительного времени.
I Инженеры-проектировщики должны: в совершенстве владеть
приемами выбора трассы дороги на местности и сбора полевых
данных, необходимых для обоснования проектных решений; уметь
назначать конструктивные элементы дорог, обеспечивающие удоб-
ство. безопасность и экономичность грузовых и пассажирских пе-
3
ревозок; предусматривать широкое использование местных строи-
тельных материалов и побочных продуктов промышленности;
обладать знаниями методов технико-экономической оценки и срав-
нения вариантов, позволяющих выбирать наиболее оптимальные
решения для заданных конкретных условий. При этом необходимо
в максимальной степени учитывать местные геофизические усло-
вия, влияющие на строительство и последующее содержание до-
рог.
Дороги должны обеспечивать безопасность автомобильного
движения. Проложенные с учетом психофизиологических особен-
ностей восприятия водителями дорожных условий, они должны
предоставлять водителем всю необходимую информацию, как бы
подсказывая им правильные режимы движения, обеспечивая вы-
сокую пропускную способность и исключая возможность серьезных
дорожно-транспортных происшествий.
Современные автомобильные дороги обслуживают массовые
пассажирские и грузовые перевозки. Они стали местом повседнев-
,ной работы миллионов водителей, ими пользуются пассажиры
автобусов и многочисленные туристы. Все это делает необходи-
мым предъявлять к автомобильным дорогам столь же обязатель-
ные высокие архитектурно-эстетические требования, как и к
любому инженерному сооружению массового использования. По-
стройка дорог должна сопровождаться созданием широкой сети
предприятий, предназначенных для обслуживания как водителей
и пассажиров, так и автомобилей (придорожных столовых, гости-
ниц, а также станций технического обслуживания, автозаправоч-
ных станций, моечных пунктов и других объектов). Все эти ком-
плексы сооружений должны вводиться в действие одновременно
со сдачей дороги в эксплуатацию.
Проект дороги должен также предусматривать организацию
строительства с максимальным применением современных средств
механизации.
В своей работе проектировщики используют огромные возмож-
ности современных электронных вычислительных машин, позво-
ляющих оперативно вести сложные расчеты, выполнять сравне-
ние вариантов по ряду критериев. Все шире внедряется
комплексная система автоматизированного проектирования авто-
мобильных дорог (САПР-АД).
Сказанное свидетельствует о том, насколько широк круг во-
просов, которые должны решать инженеры, проектирующие совре-
менные автомобильные дороги, и насколько высокие и разносто-
ронние требования предъявляются к этим специалистам в
настоящее время. Ошибки при строительстве земляного полотна
или дорожных одежд прискорбны, но могут быть исправлены
при капитальном ремонте. Ошибки при проектировании, особенно
при выборе трассы, остаются на десятилетия, вызывая неустра-
нимые потери автомобильного транспорта.
Перед дорожным строительством в СССР стоят большие за-
дачи. После Великой Отечественной войны оно достигло значи-
тельных успехов. С 1950 по 1960 г. протяженность дорог с твер-
дым покрытием ежегодно увеличивалась в среднем на 9 тыс. км,
а с 1960 г. — более чем на 20 тыс. км в год и к 1986 г. составила
812 тыс. км. |
Основные направления экономического и социального разви-
тия СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года предусматри-
вают дальнейшее развитие дорожного хозяйства страны и ® пер-
вую очередь в сельской местности. В двенадцатой пятилетке на-
мечено построить и реконструировать 167 тыс. км автомобильных
дорог с твердым покрытием, в том числе 75 тыс. км дорог
общего пользования и 92 тыс. км дорог внутрихозяйственного
значения в сельской местности.
Однако распределение сети автомобильных дорог по террито-
рии СССР все еще остается весьма неравномерным. Наряду с
областями с достаточно густой сетью автомобильных дорог с
твердыми покрытиями, ряд областей имеет еще преимущественно
грунтовые дороги, проезжаемость которых весной и осенью резко
ухудшается.
Многие дороги были построены еще до Великой Отечествен-
ной войны. Отдельные их участки уже не удовлетворяют требо-
ваниям современного интенсивного движения, значительную долю
которого составляют автомобили большой грузоподъемности,
автопоезда и автобусы. Необходима постепенная перестройка этих
дорог с максимальным использованием земляного полотна и до-
рожных одежд, на постройку которых в свое время было затра-
чено много труда и средств.
Дорожные работы принадлежат к числу трудоемких процессов,
связанных с выполнением значительных транспортных работ и с
затратами большого количества строительных материалов. Так,
для постройки 1 км автомобильной дороги с асфальтобетонным
покрытием на щебеночном основании в равнинной местности тре-
буется доставить до 4,5—5 тыс. м3 щебня, 2,5 тыс. м3 песка и
разработать до 20—30 тыс. м3 грунта. Каменные материалы,
необходимые для устройства дорожных одежд, часто приходится
перевозить на расстояния в несколько сотен километров желез-
нодорожным и водным транспортом. Выполнение дорожно-строи-
тельных работ осложняется растянутостью фронта строительства
на десятки и сотни километров, что требует применения специ-
1 фических форм и методов организации работ.
Развитие темпов дорожного строительства должно базиро-
ваться на его дальнейшей индустриализации, автоматизации и
' комплексной механизации всего строительного процесса, сокраще-
нии сферы использования неквалифицированного труда. Как и в
других областях капитального строительства, проекты дорог еле-
4
5
Рис. 1. Автомобильная дорога магистрального типа Рига — Псков
дуст ориентировать на широкое применение сборных железобе-
тонных конструкций и деталей заводского изготовления, позволяю-
щее превратить строительство дорожных одежд и искусственных
сооружений в механизированный процесс монтажа.
Создание и освоение выпуска систем машин для комплексной
механизации работ в дорожном строительстве, в частности произ-
водство новейшего оборудования и машин для скоростного строи-
тельства магистральных автомобильных дорог, позволят резко
поднять темпы дорожного строительства.
Выполнение планов дорожного строительства неразрывно свя-
зано с повышением качества строительства и снижением его стои-
мости. Всемерное улучшение качества строящихся дорог не может
решаться без повышения уровня проектных решений, которые
должны сочетать полнейшее удовлетворение требований экономич-
ности. безопасности и комфортабельности автомобильных пере-
возок со снижением стоимости строительства и рациональной его
организацией.
В связи с повышением требований к капитальности дорог
стоимость дорожного строительства сильно возросла. Это делает
необходимыми поиски технически рациональных и экономически
эффективных проектных решений, основанных на детальном учете
особенностей перевозок и местных природных условий, оправдан-
ных опытом строительства и эксплуатации дорог. Большое значе-
ние приобретает учет опыта службы построенных дорог и широкое
использование в строительстве дорог и мостов типовых проектов,
6
основанных на последних достижениях отечественной и зарубеж-
ной науки и техники.
При проектировании дорог необходимо устранять избыточные
запасы прочности» рационально расходовать фондируемые и при-
возные материалы. Следует широко использовать местные строи-
тельные материалы, в том числе грунты, а также отходы и побоч-
ные продукты промышленности, располагая их в сооружениях в
соответствии с действующими напряжениями от транспортных
нагрузок и интенсивностью воздействия природных факторов, при-
бегая в случаях необходимости к укреплению этих материалов.
Сложные технические проблемы выдвигают перед строителями
автомобильных дорог и мостов особенности природных условий
Советского Союза. Дороги строят в самых разнообразных при-
родных условиях нашей великой Родины — на широких равнинах
и холмистых просторах европейской части СССР (рис. 1), среди
озер и скал Карелии, на заболоченных пространствах нефтенос-
ных районов Западной Сибири, в тайге и на вечномерзлых грун-
тах Якутии, среди песчаных пустынь, солончаков и орошаемых
Рис. 2. Горная дорога Ялта — Симферополь
7
хлопковых полей Средней Азии, в горах Крыма (рис. 2), Кавказа,
Памира, Алтая, Тянь-Шаня, в степях Западной Сибири и Казах-
стана, в черноземных полях Украины и Кубани.
Дорожное строительство сопутствовало сооружению Байкало-
Амурской железнодорожной магистрали. Оно является обязатель-
ным элементом при освоении новых территорий Сибири и Даль-
него Востока, в местах добычи нефти, газа, каменного угля,
разработки руд и других полезных ископаемых, в районах про-
- мышленных новостроек.
В многообразных природных условиях Советского Союза при
резком различии климатических^ почвенно-грунтовых и гидроло-
гических особенностей различных районов от проектировщиков
требуется творческий подход к поставленным задачам и умение
находить в каждом конкретном случае технически правильные и
экономически целесообразные инженерные решения, способность
самым внимательным образом учитывать влияние на построенную
дорогу природных факторов и особенностей будущего движения
по ней потока автомобилей.
Теория проектирования и строительства дорог находится ,в
процессе непрерывного совершенствования. Являясь прикладной
технической дисциплиной, она в своем развитии опирается на
достижения технических и естественно-исторических наук — инже-
нерной геологии, климатологии, грунтоведения и механики грун-
тов, гидравлики, гидрологии, химии и др., а также опыта прак-
тики. Более широкое использование этих достижений и особенно
быстро развивающейся химической промышленности раскрывает
перед дорожниками широкие перспективы расширения круга ре-
шаемых задач, применения различных материалов, в том числё
местных грунтов и побочных продуктов промышленности, создания
новых материалов с заданными свойствами.
Обширные задачи .дорожного строительства не могут мириться
с его сезонностью. До последнего времени в зимние месяцы вы-
полнялся ограниченный объем работ по заготовке каменных
материалов, постройке зданий и частично мостов и труб. Работы
по возведению земляного полотна и устройству дорожных одежд,
стоимость которых достигает 70% общей стоимости дороги, в
основном выполняются только в теплые летние месяцы. Поэтому
сокращение сезонности и планомерное использование средств ме-
ханизации и трудовых ресурсов в течение всего года являются
большой проблемой, стоящей перед дорожниками.
Дорожники должны быть готовы к возможному в ближайшем
будущем качественному -изменению транспортных средств на авто*
мобильных дорогах. Использование достижений электроники даст
возможность автоматизировать управление движением транспорт-
ных средств, а следовательно, выдвинет новые требования к авто-
мобильным дорогам.
Развитие научных исследований в СССР и за рубежом привело
к тому, многие разделы курса изысканий и проектирования
дорог превратились в самостоятельные разделы науки, п® кото-
рым имеется обширная литература. В учебнике для йысщей
школы, неизбежно ограниченном по объему, удается осветить
только основные теоретические положения и идеи расчетов, ’не
углубляясь в их детали и не приводя всех значений расчетных
параметров. Не говоря уже о реальном проектировании, при
разработке курсовых и дипломных проектов учащимся необходимо
использовать справочную, инструктивно-нормативную и . Другую
техническую литературу.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ТРЕБОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
К ЭЛЕМЕНТАМ ДОРОГИ В ПЛАНЕ И ПРОФИЛЕ
Глава 1
1.1. Роль автомобмльммг дорог транспортной
система народного хозяйства
судоходных ЛИНИЙ. Жидко*
лано-
Перевозки грузов и пассажиров/осуществляются по сети путей
езных и автомобильных дорог,
1
бопроводам. В условиях
сообщения, которая состоит из ж
авиационных трасс, речных и мо
сти и газы транспортируют но
вого социалистическото хозяйства все виды транспорта образуют
единую транспортную систему и работают во взаимной увязке,
дополняя друг друга.
Основные направления экономического и социального разви-
тия СССР нз 11 «^90^ годък и ня период до 200СУ ролз выдви—
-обеспечить согласованное развитие единой транс-
гают задачу — обеспечить согласованное развитие единой транс-
портной системы страны, ее взаимодействие с другими отраслями
народного хозяйства, совершенствовать координацию работы всех
видов транспорта.
Железнодорожный транспорт выполняет основную массу грузо-
вых и пассажирских перевозок на дальние расстояния. Однако
поступление грузов на железные дороги в доставка их потреби-
телям связаны с погрузочно-разгрузочными станциями. Поэтому
железнодорожный транспорт неизбежно должен работать в соче-
тании с другими видами транспорта, обслуживающими его подъ-
ездные пути. В подъездных путях нуждаются также, пристан
аэропорты.
Автомобильный транспорт может принимать грузы непосред-
ственно на месте их формирования и доставлять их к месту наз-
начения без перегрузок («от двери до двери»). Однако по за-
тратам энергии .на тонно-километр работы, значительно превы-
шающим затраты других видов транспорта, в районах с развитой
железнодорожной сетью Основной областью его деятельности
являются перевозки на подъездных путях и разгружающие желез-
10
Г
нодорожный транспорт параллельные перевозки на сравнительно
короткие расстояния. При хорошем состоянии дорожной сети
грузы на расстоянии до 200—400 км автомобильным транспортом
доставляются быстрее, чем железнодорожным. Автомобильный
транспорт успешно используется также для перевозки скоропор-
тящихся грузов на дальние расстояния по магистральным авто-
мобильным дорогам, поскольку в этом случае средняя скорость
доставки выше, чем по железной дороге, из-за отсутствия потерь
времени'на переформирование поездов на узловых станциях.
Особенно значительна роль автомобильного транспорта в ряде
горных районов, а также на севере страны, где отсутствуют же-
лезные дороги, а водные пути в течение большей части года
покрыты льдом.
Общий объем грузов, перевозимых автомобильным транспор-
том, значительно превышает их количество, перевозимое другими
видами транспорта. Но из-за малой дальности перевозок в общем
грузообороте, характеризуемом тонно-километрами, удельный вес
грузооборота автомобильного транспорта не превышает 6—7%.
Автомобильный транспорт дополняет пассажирские перевозки
железнодорожным транспортом, осуществляя связь с населенными
пунктами, расположенными в стороне от железных дорог, и вы-
полняет большой объем самостоятельных перевозок по автомобиль-
ным дорогам и в пределах населенных пунктов. На его долю при-
ходится более 40% работы по пассажирским перевозкам в пассажи-
роки лометр ах.
Большое значение имеет автомобильный транспорт для освое-
ния малонаселенных районов, позволяя обеспечить перевозки гру-
зов при меньших затратах на постройку автомобильных дорог,
чем на строительство железных дорог. Поэтому дорожное строи-
тельство сопутствует всем работам по освоению новых сельско-
хозяйственных территорий, по разработке больших месторожде-
ний полезных ископаемых, по строительству новых крупных
промышленных районов.
1.2. Сеть автомобильных дорог
Дороги, соединяющие населенные пункты, промышленные
центры, предприятия и сельскохозяйственные районы между со-
бой и с погрузочно-разгрузочными пунктами других видов тран-
спорта, образуют сеть автомобильных дорог. Перевозимые грузы
создают на этой сети грузопотоки разной величины.
Рациональное начертание сети автомобильных дорог прежде
всего должно соответствовать направлениям главных грузовых и
пассажирских перевозок. Основой дорожной сети является сеть
автомобильных магистральных усовершенствованных дорог обще-
государственного (союзного) значения для связи между основ-
11
ними экономическими районами страны и ее важнейшими цен-
трами. При планировании сети автомобильных магистралей
важную роль играет обеспечение административных, культурных
и хозяйственных связей между союзными республиками и потреб-
ностей обороны страны.
Развитием и дополнением общесоюзной сети дорог являются
дороги республиканского значения, которые выполняют те же
; функции в масштабе союзных республик. Республиканские дороги
в свою очередь представляют собой основу сети дорог област-
ного и районного значения.
Чем ниже подчиненность дороги, тем большую роль играют
в выборе ее направления конкретные грузопотоки тех или иных
предприятий. Полностью подчиняются направлению грузопотоков
внутрихозяйственные дороги, обслуживающие перевозки между
полевыми участками, отделениями и центральными усадьбами
колхозов и совхозов, лесными делянками и лесоскладами, отдель-
ными цехами и складами сырья и готовой продукции, а также
дороги, предназначенные для вывоза товарной продукции пред-
приятий добывающих отраслей народного хозяйства к предприя-
тиям обрабатывающей промышленности или к станциям железных
дорог, речным и морским путям, подъездные пути к автомобиль-
ным магистралям. В связи с этим, различают дороги общей сети
и; ведомственные дороги, которые включают дороги промышленных
и лесозаготовительных предприятий, внутрихозяйственные дороги
колхозов и совхозов и др. При соблюдении общих принципов
проектирования каждый из этих видов дорог имеет свои особен-
ности, связанные с учетом специфики транспортных средств и
црревозимых грузов.
Чем выше административное значение дороги, тем больше по
ней движется автомобилей и тем более совершенной ее устраи-
вают.
Начертание дорожной сети является одним из элементов пла-
нирования. Оно определяется на основе размещения производи-
тельных сил страны и должно обеспечивать их дальнейшее раз-
витие. Однако значительные средства, уже затраченные на
постройку существующих дорог, заставляют при развитии дорож-
ной сети максимально использовать существующие дороги с
твердыми покрытиями, приспосабливая их к требованиям совре-
менного движения.
. Поставленные партией и правительством СССР большие за-
дачи по развитию сельского хозяйства страны, сформулированные
в Продовольственной программе СССР, предусматривают корен-
ное улучшение низовой “дорожной сети и строительство большой
протяженности внутрихозяйственных дорог в сельских районах.
Создание новых промышленных районов на востоке страны,
разработка месторождений нефти, газа, полезных ископаемых в
малонаселенных районах Сибири и Дальнего Востока, орошение
12
земель в Среднеазиатских республиках, мелиорация земель Нечер-
ноземной зоны РСФСР — все эти работы связаны с созданием
новых дорожных сетей, которые должны быть тщательно увязаны
с технологическими особенностями обслуживаемых дорогами про-
изводственных процессов и экономикой района, определяющей
потребности в перевозках.
1.3» Подвижной состав на автомобильных дорогах
Современная автомобильная дорога рассчитана на преимуще-
ственный пропуск основного вида транспортных средств — авто-
мобилей. Гусеничные машины, разрушающие дорожную одежду,
и конные повозки, процент которых в современном составе дви-
жения в большинстве стран ничтожен, должны следовать по
параллельным грунтовым дорогам или по специально устраивае;-
мым тракторным путям. Поэтому основными видами подвижного
состава автомобильных дорог являются различные типы автомо-
билей— автобусы, легковые и грузовые автомобили, автопоезда.
В сельскохозяйственных районах на дорогах возможно движение
тракторных поездов с несколькими прицепами. Допускается
проезд мотоциклов и сельскохозяйственных машин на резиновых
шинах.
Как и любое инженерное сооружение, дорога может обеспе-
чивать пропуск только тех нагрузок и в том количестве, на кото-
рые она рассчитана при проектировании. Между тем прогресс в
автомобилестроении приводит к непрерывному совершенствова-
нию и изменению типов автомобилей, модели которых меняются
на каждом заводе через несколько лет. Существует устойчивая
тенденция к увеличению грузоподъемности автомобилей и к более
широкому использованию автопоездов.
Каждая дорога служит десятки лет и поэтому невозможно
заранее точно предугадать параметры автомобилей, которые будут
по ней ездить в будущем. Экономически нецелесообразно в то
же время строить дороги с избыточным запасом прочности, рас-
считанным на многие годы вперед. Поэтому разрабатывают стан-
дарты на габариты автомобилей и нагрузки от них, которые
обязана соблюдать автомобильная промышленность и к которым
приспосабливают нормы на элементы автомобильных дорог.
В Советском Союзе требования к габаритным размерам авто-
мобилей ограничивают их высоту 4 м, а ширину 2,5 м (рис. 1.1).
Требования к нагрузкам на дорогу в СССР пока не стандарти-
зированы. Дорожные организации проектируют дороги с интен-
сивным движением на автомобили с нагрузкой на одиночную
ось 100 кН, а при двух спаренных осях—180 кН (автомобили
труппы А), остальные дороги — соответственно на 60 и 100 кН
{автомобили группы Б). Это создает затруднения при органи-
13
Рис. 1.1. Предельные габаритные размеры автомобилей и автопоездов, допускае-
мых к движению иа дорогах СССР:
а, б— грузовой автомобиль; в “двухосный седельный тягач с полуприцепом; а “Трехос-
ный тягач с двухосным прицепом; д — трехосный тягач с двумя двухосными прицепам»
зации перевозок, так как ограничивает возможность использова-
ния большегрузных автомобилей на многих дорогах, а при
случайных заездах приводит к ускоренному их разрушению.
Ограничение габаритов подвижного состава автомобильных
дорог не решает проблему" выбора автомобиля, на который должны
быть рассчитаны элементы дорог. В формулы для определения
элементов плана и профиля автомобильных дорог входит ряд
характеристик, меняющихся у автомобилей в широких пределах.
К их числу относятся, например, динамические качества автомо-
билей, положение глаз водителя по отношению к уровню проезжей
части и ее кромке и др. Это создает затруднения при оценке
степени удовлетворения дорогами требований автомобильного*
движения, так как неизвестно, иа какой тип автомобиля необхо-
димо ориентироваться при оценке транспортных качеств дороги.
В настоящее время расчеты обеспечиваемых дорогой скоростей
движения обычно ведут на наиболее совершенные и распростра-
ненные автомобили массового производства — легковой автомо-
биль класса <Волга» и грузовой автомобиль типа ЗИЛ.
Мосты на автомобильных дорогах проектируют иа большие
нагрузки, чем дороги, поскольку при их строительстве должна
быть предусмотрена возможность провоза по ним отдельных тя-
желых грузов.
1.4. Характеристики движения по-автомобильным дорогам
Отдельные автомобили, различные по типам, степени загрузки
и техническому состоянию, следуя в одном направлении с раз-
ными скоростями по самостоятельным маршрутам, образуют на
14
дороге транспортный поток. Очевидно, что чем больше автомо-
билей движется в потоке, тем более высокие требования должны
быть предъявлены к устройству дороги. При обосновании требо-
ваний к разным элементам дороги используют различные харак-
теристики транспортного потока. Для назначения числа рядов
движения автомобилей при обосновании ширины земляного по-
лотна и проезжей части решающее значение имеет . количество
автомобилей, проходящих по дороге за определенный срок, а не
их нагрузка. Поэтому за основную характеристику двнженияпо
дорогам принимают общее количество автомобилей, проходящих
через некоторое сечение дороги за единицу времени (сутки, час),
называемое интенсивностью движения.
Обычно при оценке условий работы дороги интенсивность
движения выражают в фактическом количестве проходящих авто-
мобилей, суммируя автомобили независимо от нх типов. В этом
есть условность, так как проезд ио дороге с малой скоростью
нескольких автопоездов с тяжелыми прицепами неэквивалентен
по продолжительности проезду равного числа быстроходных легко-
вых автомобилей. Иногда для уточнения в составе движения ука-
зывают долю легковых, грузовых автомобилей и автобусов.
Поэтому для характеристики количества автомобилей, которые
дорога может пропустить (см. п. 6.4), фактическую интенсив-
ность движения обычно приводят к эквивалентному количеству
.легковых автомобилей. Для этого вводят коэффициенты приве-
дения, характеризующие, сколько легковых автомобилей могло
бы проехать по участку дороги за время проезда одного грузового
автомобиля или автопоезда. На эти коэффициенты умножают
число автомобилей каждого типа. В СССР при определении при*
веденной интенсивности движения используют следующие коэф-
фициенты:
Тта травсгюртжото средства
Легковые автомобили . <................. 1г0
Мотацоиш монеды ................ ОД
Грузовые автаюбм* грузоподъемяостыо 2—14 т. 1,5—
Автопоезде дивой 12—30 и................... 3,5—6,0
Коэффициенты приведения для автобусов принимают такие
же, как для грузовых автомобилей, на базе которых они изготов-
лены. В пересеченной и горной местностях, где скорость движения
грузовых автомобилей ниже, коэффициент приведения увеличи-
вают соответственно в 1,2 раза.
Интенсивность движения меняется по длине отдельных участ-
ков дороги и, увеличиваясь вблизи городов, крупных населенных
пунктов н железнодорожных станций, имеет наименьшее значение
на средних участках маршрутов (рис. 1.2, а). Интенсивность дви-
жения непостоянна в течение суток н резко снижается в ночное
15
время (рис. 1.2, б). Не остается дна постоянной и в течение года
и дней недели. На дорогах сельскохозяйственных районов в пе-
риоды уборки урожая объем перевозок, а следовательно, и интен-
сивность движения значительно возрастают (рис. 1.2, в). В празд-
ничные дни движение грузовых автомобилей уменьшается, а легко-
вых, наоборот, увеличивается. В связи с отмеченными частыми
колебаниями интенсивности движения на дорогах ее можно на-
дежно характеризовать только средними значениями за расчетный
период времени.
В СССР при проектировании дорог движение чаще всего
характеризуют средним за год количеством автомобилей, проез-
жающих по участку в сутки, называемым среднегодовой суточной
интенсивностью движения. На некоторых дорогах, используемых
для вывозки продуктов сельскохозяйственного производства (зер-
на, сахарной свеклы), интенсивность движения в период сдачи
продукции существенно превышает среднегодовую. Учитывая боль-
шое народнохозяйственное значение этих перевозок, разрешается
при разработке норм на элементы плана и продольного профиля
дорог, если среднемесячная интенсивность движения наиболее на-
пряженного в году месяца более чем в 2 раза превышает среднего-
довую, принимать расчетную интенсивность движения в 1,5 раза
больше среднегодовой.
В странах, где на дорогах организован круглосуточный меха-
низированный учет движения, для характеристики интенсивности
Рис. 1.2. Изменение интенсивности движения по дорогам:
а — интенсивность движении на разных участках маршрутов на подходах к городу; б—*
изменение в течение суток интенсивности движения; в — изменение объема перевозок В те-
чение года; 1 — среднесуточная средиегодоваи интенсивность; 2 — перевозки зерна в сель-
скохозяйственных районах; 3 — вывозка сахарной свеклы
16
тающей заданную
Рис. 1.3. Часовая интенсивность движения автомобилей:
а — колебания интенсивности в отдельные днн; б — интенсивность, превышаемая 28 ч в
год; 1 — среднесуточная среднегодовая интенсивность; 2 — средняя интенсивность в часы
«пнк>
движения пользуются ЗО-й по значению наибольшей за год сред-
нечасовой интенсивностью движения, т. е. такой, которая бывает
превышена только 29 часов в году (рис. 1.3). Она близка к
х/в от среднегодовой суточной интенсивности. Соответствующая
30-му максимуму точка на графике зависимости между значе-
нием часовой интенсивности и числом часов в году, в течение
которых она превышается, обычно бывает расположена на участке
перехода от быстро снижающейся к медленно изменяющейся части
кривой (рис. 1.3, б). В СССР считается более правильным при-
нимать приведенную интенсивность, превышаемую 50 часов в год.
Интенсивность не является исчерпывающей характеристикой
движения. Для решения некоторых задач проектирования и экс-
плуатации автомобильных дорог используют ряд других харак-
теристик.
Так, например, для расчета толщины дорожной одежды имеет
значение не только количество, но и размер нагрузок. Один проезд
тяжелого автомобиля оказывает на дорогу более разрушительное
воздействие, чем проход большого числа легких автомобилей. Это
обсюятельство учитывают пересчетом фактической интенсивности
движения в эквивалентную приведенную интенсивность движения
одного из тяжелых автомобилей, принимаемого за расчетный
(см. п. 16.3).
При проектировании дорог промышленных предприятий, где
движение легковых автомобилей практически отсутствует, транс-
портный поток характеризуют грузонапряженностью — массой нет-
то перевозимых за год грузов (в млн. т). Для детальной характе-
ристики состава движения автомобили обычно делят на четыре
основные категории: особо малой грузоподъемности — до Гт, ма-
лой — от 1 до 2 т, средней — от 2 до 5 т и большой — свыше 5 т
до предела, установленного дорожными весовыми ограничениями.
17
U. Классификация автомобильных дорог
По административному, народнохозяйственному и культурному
значению автомобильные дороги общего пользования делят на
несколько групп.
Дороги общегосударственного значения соединяют столицы
союзных республик между собой и со столице* СССР—Москвой,
а также важнейшие промышленные и культурные центры с насе-
лением 500 тыс. чел. и более, обеспечивают транспортные и ту-
ристские связи с соседними странами, соединяют столицы авто-
номных республик и крупные центры смежных областей союзных
республик, являются подъездными к аэропортам I и II классов,
речным и морским портам I и II групп, курортам, заповедникам,
историческим и культурным памятникам союзного значения н т. п.
Дороги республиканского значеийя связывают столицы союз-
ных республик с городами с населением от 100 тыс. до 500 тыс.
чел., а эти города — с административными центрами районов и
автономных округов и с пунктами с населением от 80 тыс. до
100 тыс. чел. К ним относятся также дороги, ведущие к аналогич-
ным перечисленным выше пунктам республиканского значения.
Дороги областного или краевого значения соединяют столицы
автономных областей, административные центры краев и областей
с районными центрами и пунктами с населением от 10 тыс. до
50 тыс. чел., короткие подъезды к дорогам общегосударственного
и республиканского значения к объектам областного
аналогичным перечисленным выше.
Дороги местного значения связывают между собой
центры, населенные пункты с численностью более 10
места расположения сельских н поселковых Советов и
вне усадьбы колхозов и совх
Внутрихозяйственные дороги колхозов, совхозов и других сель-
скохозяйственных предприятий соединяют центральные усадьбы
с их отделениями и бригадами, фермами, полевыми станами и
другими сельскохозяйственными объектами, а также эти объекты
с дорогами общей сети.
В зависимости от народнохозяйственного значения дороги и
перспективной на 20 лет интенсивности движения, считаемой от
года завершения разработки проекта, автомобильные дороги
общего пользования СССР согласно Строительным нормам и пра^
вилам Госстроя СССР (СНиП 2.05.02-85) делят иа пять категорий
(табл. 1.1).
К 1 и II категориям отнесены автомобильные дороги обще-
государственного, республиканского, областного и краевого зна-
чения. При этом различают два вида дорог I категории: 1а — ма-
гистральные дороги общегосударственного значения, включая
международные; 16 — прочие дороги с высокой интенсивностью
движения.
1»
значения,
районные
тыс. чел.,
централь-
«1£
Таблица 1Л
— — -V—— . - 1 — Расчетная интенсивность движения
Категория
дороги приведенная в транспортных часовая,
к легковому автомобилю, единицах, авт/ч
авт/сут авт/сут
1а 16 >14 000 >14 000 >7000 >7000 | >2400
II >6 000 >3000 1600—2400
III >2 000 >1000 800—1600
IV >200 >100 ——
V <200 <100
Дороги III категории — это дороги того же значения, что и
предыдущие, но не отнесенные к этим категориям (с меньшей
интенсивностью движения), и важнейшие местные дороги; IV ка-
тегории— республиканские, ^областные и местные дороги, V кате-
гории— дороги сугубо местного значения.
Внутрихозяйственные дороги совхозов, колхозов и других
сельскохозяйственных предприятий и организаций, согласно
СНиП 2.05.11-83 делят на категории 1с, Пс и Шс в зависимости
от объема выполняемых по ним грузовых ^перевозок. К категории
1с относят дороги, расчетный объем грузовых перевозок по кото-
рым в месяц <пик» составляет более 10 тыс. т нетто; к катего-
рии Пс — менее 10 тыс. т нетто. К категории Ц1с относят полевые
дороги, предназначенные для транспортного ^обслуживания от-
дельных сельскохозяйственных угодий. »
Чем выше интенсивность движения, тем более совершенными
проектируют дороги. Это связано с тем, что если для пропуска
движения большой интенсивности построить дорогу с относительно
крутыми уклонами и малой шириной проезжей части, то, хотя она
и будет стоить дешевле, автомобили на ней не смогут двигаться
с высокими скоростями. На такой дороге в течение всего периода
эксплуатации автомобильный транспорт будет нести очень большие
расходы.
Конечно, подход к назначению типа дорог не исчерпывается
вопросами стоимости строительства и эксплуатации. «Учитывают
и ряд других соображений о значении дороги для народного хо-
зяйства и ее роли в транспортной сети. Ряд дорог строят с соблю-
дением относительно высоких технических требований, несмотря
на интенсивность движения, соответствующую более низкой кате-
гории, например подъезды к аэропортам, когда стремятся обес-
печить наибольшее удобство и скорость сообщений.
Нецелесообразно исходить только из ожидаемой интенсивно-
сти движения также при проектировании дорог пионерского типа»
строящихся во вновь осваиваемых малонаселенных районах. Та-
кая дорога, несмотря на малую интенсивность движения в течение
19
первых лет после строительства, в дальнейшем становится ма-
гистралью, вокруг которой происходит заселение района. Поэтому
трассу пионерских дорог целесообразно назначать с учетом отно-
сительно далеких перспектив развития района, по техническим
нормативам плана и продольного профиля, соответствующим боль-
шей интенсивности движения, чем перспективная на ближайший
период.
Все элементы дороги каждой категории рассчитывают на обес-
печение безопасного движения одиночных легковых автомобилей
с расчетной скоростью, соответствующей данной категории дороги,
при. хорошей видимости в сухую погоду или при увлажненной
чистой поверхности покрытия.
Скорости движения автомобилей для расчета элементов плана
и продольного профиля дорог разных категорий принимают в
соответствии с табл. 1.2. Основная расчетная скорость движения
для дорог I категории соответствует максимальным скоростям,
которые могут развивать современные отечественные легковые
автомобили, а расчетная скорость для дорог IV категории близка
к максимальным скоростям грузовых автомобилей.
Как показано в п. 6.5, при движении по дороге потока тран-
спортных средств из-за взаимных помех скорости движения сни-
жаются по сравнению с расчетными. Однако расчет элементов
на высокие скорости обеспечивает удобство и безопасность дви-
жения в часы меньшей загрузки дороги.
По дорогам низших категорий происходит движение тех же
автомобилей, что и по дорогам высших категорий. Однако дороги
III—V категорий ограничивают возможности автомобилей в пол-
ной мере использовать свои динамические качества. Поэтому в
нормах проектирования автомобильных дорог СССР специально
Таблица 1.2
Расчетная скорость, км/ч
Категория
дороги
основная
на трудных участках'
пересеченной
местности
горной
местности
1а 150 120 80
16 120 100 60
II 120 100 60
III 100 80 50
IV 80 60 40
V 60 40 30
1с • 70 60* 40**
Пс 60 40* 30**
Шс 40 30* 20**
* На трудных участках местности.
'* На особо трудных участках местности.
20
оговорено, что всегда, когда позволяют условия местности и это
не связано с существенным увеличением объемов И стоимости
работ, следует предусматривать значения элементов пл&йа и
продольного профиля дорог, обеспечивающие высокие скорости
движения, если возможно даже превышающие расчетное для
дорог I категории.
Расчетные скорости движения автомобилей, принятые в СССР,
примерно соответствуют расчетным скоростям к других странах.
Глава 2
ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ
2.1. Элементы плана дороги
Строить дороги по кратчайшему направлению (по прямой,
соединяющей заданные точки) препятствуют элементы рельефа
земной поверхности (горы, овраги), водные преграды (болота,
озера, реки), заповедники и другие препятствия. Нецелесообразно
также прокладывать дороги по высокоплодородным землям, цен-
ным для сельского хозяйства. В то же время возникает необхо-
димость проведения дороги через заданные промежуточные пункты
и места примыкания к городам, участки, удобные для пересечения
рек, железных и автомобильных дорог. Как можно видеть на
рис. 2.1, необходимость перейти реку на прямом участке с удоб-
ным подходом к мосту по пологим склонам оврага, желание
Рис. 2.1. Проложение трассы дороги в плайе
21
Рис. 2.2. Ось дороги как пространст-
венная криваи:
а — вид полотна дороги в аксонометрии;
б — план дороги; е — продольный профиль
Рис. 2.3. Элементы угла поворота:
а — угол; В — вершина угла; А — точка
начала круговой кривой (ЯК); С —точка
конца ]фивой (КК); Б — биссектриса; R—
радиус; К — кривая; Т — тангенс
обойти населенный пункт и избежать пересечения оврага заста-
вили при проложении дороги отклониться от кратчайшего прямого-
направления.
Удлинение дороги, вызванное введением углов поворота, ха-
рактеризуют коэффициентом развития, или коэффициентом удли-
нения, равным отношению фактической длины дороги к длине
прямой, соединяющей начальный и конечный ее пункты («воздуш-
ной линии*).
Положение геометрической оси дороги на местности называется
ее трассой. Поскольку трасса при обходе препятствий, на подъе-
мах на холмы и спусках в понижения местности меняет свое
направление в плане и продольном профиле, она является прост-
ранственной линией (рис. 2.2.).
Графическое изображение проекции трассы на горизонтальную
плоскость, выполненное в уменьшенном масштабе, называют пла-
ном трассы.
Намечая положение дороги на местности, ее первоначально
прокладывают в виде ломаной линии. До 30-х годов текущего
столетия единственной формой трассы была ломаная линия, в
углы пересечения которой для удобства и безопасности движения
вписывались дуги окружности. Такая трасса с резко изменяю-
щимися элементами (круговые кривые и прямые) и значительной
протяженностью этих элементов в условиях холмистого рельефа
плохо сочетается с его плавными формами, кажется «жесткой»,
что приводит к увеличению объёмов работ по устройству земля-
ного полотна. Поэтому трассы современных автомобильных дорог,.
22
особенно высоки категорий, проектируют с минимальной протя-
женностью прямых вставок как сочетание дуг окружности с ра-
диондальнымн спиралями—клотоидами (клотондная трасса) или
как кривые с непрерывно изменяющейся кривизной, аппроксими-
руемыми кубическими полиномами (сплайны). В последнем случае
участки ломаного, состоящего из прямых, хода являются опор-
ной базой, от которой при разбивке отмеряют вычисляемые на
ЭВМ ординаты криволинейной трассы. Особенности клотоидной
и сплайновой трасс рассматриваются детально в п. 12.4.
В простейшем случае трассирования дороги прямыми и дугами
окружности каждое изменение направления трассы определяется
углом поворота, который измеряют между продолжением направ-
ления трассы в новым ее направлением. Углы поворота последо-
вательно нумеруют вдоль дороги—по ходу трассы. Чтобы за-
проектированную трассу можно было точно воспроизвести на мест-
ности, ее ориентируют относительно сторон света. Для этого
вычисляют румбы прямых участков трассы (см. рве. 2.1).
Различают следующие геометрические элементы закруглений
(рис. 2.3): угол а, радиус R, кривую К, тангенс 7, биссектрису В.
Элементы кривой связаны между собой простыми тригонометри-
ческими соотношениями, которые могут быть получены из рис. 23:
Т = (2.1)
Для удобства определения длин кривых и разбивки их па
местности имеются специальные таблицы.
Продольным профилем дороги называют развернутую в пло-
скости чертежа проекцию осн дороги на вертикальную плоскость.
Продольный профиль характеризует крутизну отдельных участков
дороги, измеряемую иродольным уклоном, и расположение ее
проезжей части относительно поверхности земли. Продольный
уклон является одной из важнейших характеристик транспортных
качеств автомобильной дороги.
для эффективного использования автомобилей. В таки случаи
уклон дороги делают более пологим, чем уклон поверхности
земли, срезая часть грунта на подъемах на возвышенность или,
наоборот, подсыпая его, например, в мести перехода через пони-
женные участки рельефа.
Места, где поверхность дороги в результате срезки грунта рас-
положена ниже поверхности земли, называют выемками, л участки,
где дорога проходит выше поверхности земли, по искусственно
23
Рис.* 2.4. Расположение дороги в продольном профиле:
/ — дорога в «нулевых» отметках; II — в насыпя; III — в выемке
насыпанному грунту,— насыпями. При высоте насыпей менее 1 м
говорят, что дорога проходит в «нулевых* отметках. Из-за уст-
ройства насыпей и выемок отметки дороги не совпадают с отмет-
ками поверхности земли (рис. 2.4). Разница между отметкой по-
верхности земли по оси дороги и отметкой бровки дороги»
определяющая высоту насыпи или глубину выемки, называется
рабочей отметкой (рис. 2.5).
Переломы продольного профиля, образующиеся при измене-
нии уклона, вызывают ряд неудобств для движения: выпуклые
места на дороге ограничивают видимость расположенного впереди
участка дороги, а на переломах, имеющих сравнительно малый
радиус кривизны, при высоких скоростях движения возникает опас-
ность потери управляемости автомобилем в связи с разгрузкой
Рис. 2.5. Рабочая отметка земляного полотна:
а — в выемке; б — в насыпя
24
передней оси; на вогнутых пере-
ломах из-за внезапного измене-
ния направления движения воз-
никает толчок, неприятный для
пассажиров и перегружающий
подвеску автомобиля. Поэтому
переломы продольного профиля
смягчают введением сопрягаю-
щих вертикальных кривых (рис.
2.6). На рис. 2.6 пунктиром по-
казаны смягчаемые переломы
продольного профиля. Цифры в
скобках характеризуют рабочие
отметки, которые были бы при
отсутствии вертикальных кри-
вых, цифры без скобок — факти-
ческие отметки.
Рис. 2.6. Вертикальные
кривые:
/ — выпуклая; 2 — вогнутая
Графическое изображение продольного профиля является од-
ним из основных проектных документов, на основе которых
строится дорога.,
Образец оформления продольного профиля при автоматизиро-
ванном проектировании согласно ГОСТ 21.511—83 показан на
рис. 2.7.
Профиль выполняется на графопостроителе, с последующим до-
полнением вручную данными о грунтах, искусственных сооружени-
ях, ситуации местности и к п.
Для наглядности продольного профиля вертикальные расстоя-
ния (отметки) откладывают в большем масштабе, чем горизон-
тальные.
Для дорог, проходящих в равнинной местности, принят верти-
кальный масштаб 1:500 (5 м в 1 см) и горизонтальный масштаб
1:5000 (50 м в 1 см).
При вычерчивании продольного профиля применяют условные
обозначения -fpnc. 2.8).
На горных дорогах, где продольный профиль характеризуется
частыми изменениями уклонов поверхности земли и дороги и зна-
чительной разностью отметок на участках небольшой про-
тяженности, принимаются более крупные масштабы: вертикальный
1: 200, горизонтальный 1: 2000.
Тонкую линию на продольном профиле, соединяющую отметки
поверхности земли, называют линией поверхности земли, или чер-
ной линией. Более жирную линию, соответствующую отметкам
бровки дороги, называют проектной. Ее изображают на продоль-
ном профиле в 2 раза более толстой, чем линию поверхности
земли.
25
И 7:JOO6 90 граммов JW
м кмв во йрви/wa
М !:& 09 врмнмла-румян
•<»*
mji
жйшшДй
s.#L9t
fyMtHtotl
яе&вийЗХя
*
ядом
V
Tan
<S
ш~\
ктм
ляяввю
£
jbmmwj sweww,*
ЛЕЯММММШ JttW.M
Расстояние, и
s
fldHtm
ДО
4ммдо v ра9ая S плане
*~SW t-3808 T~J5T,23
Мяазатель нилвмечпрвб
« ё »»>»««»»
г
Шмиг а Лряямвлмшп рЛв
.....
Jw^wfwar
t_______
"Зов^ярюЯ
I54S Й
Г-Ж5
««« ж
£Мха &
Mffi
Рис 27. Образец оформления продольного профиля
Рис. 2.8. Основные условные обозначения на продольных профилях:
< — вертикальные кривые (а — выпуклая кривая с нисходящей ветвью; б — вогнутая крн*
вая с восходящей ветвью; в — переход нисходящей ветвя выпуклой кривой в восходящую
ветвь вогяутой кривой); 2 — репер 7 с отметкой 537, 211; 3 —< съезды с дороги: (а —влево,
по типовому проекту Па в 98 м от начала пикета; б — пересечение с другой дорогой в
60 м от начала пикета); 4 — железнодорожные переезды (а —' неохраняемый, в 27 м от
начала ннкета; б — охраняемый переезд; цифры над флажками указывают категорию пе-
реезда); 5 — километровый знак; б —мосты н трубы (а — железобетонный мост или путе-
провод; б —круглая труба диаметром 1,5 м; е — прямоугольная труба); 7 — водоотводные
канавы (а —нагорная канава; б —сброс воды вправо; в —то же влево); 8 — обозначение
плюсовых точек; 9 —»двухпроводная линия связи
На продольном профиле ниже линии поверхности земли на
2 см и параллельно ей наносят грунтовый профиль в вертикаль-
ном масштабе 1:50 (50 см в 1 см), на котором выписывают наи-
менования грунтов, а в шурфах и буровых скважинах при помощи
условных обозначений показывают влажность и консистенцию
грунтов (рис. 2.9).
Торфы и сапропели изображают на профиле на всем участке их
залегания и на всю выявленную глубину условными обозначениями.
27
Л 50 $ ^7 $ СЗ 2?
Рис. 2.9. Условные обозначения на грунтовых профилях:
а — буровая скважина №5 глубиной 8,1 м (оглеенне на глубине 1,6 м, грунтовая вода
20.10.85 на глубине 3,5 и); б —шурф № 57; а —шурф № 50, углубленный скважиной (верх-
няя граница вечномерзлого грунта 20.10.85 на глубине 0.8 м, нижняя — на 8,5 м); г — зон-
днровочиая скважина № 47 глубиной 0,9 м; д — точка № 22 сейсмического зондирования;
е —< точка № 8 статического зондирования; ж — точка № 12 электродинамического зондиро-
вания; з — маловлажные песчаные или твердые нлн полутвердые глинистые грунты; и —
влажные песчаные нлн тугопластнчные глинистые грунты; к — влажные несчаные нлн мяг-
копластичные глинистые грунты; л —• водонасыщенные песчаные или текучей ластичные и
водонасыщенные глинистые грунты при коэффициенте увлажнения 1,2 по сравнению с
оптимальной влажностью
Рис. 2.10. Элементы поперечного профиля дороги:
о — с одной проезжей частью; б — с двумя проезжими частями и разделительной полосой;
1 — земляное полотно; 2 —> обочина; 3 — проезжая часть; 4 — внутренний Откос боковой ка-
навы; 5 — бровка насыпн; 6 — кромка проезжей части; 7 — ось проезжей части; 8 — ось до-
роги; 9 — краевая полоса; 10 — внешний откос боковой канавы; // — откос насыпн; /2 —
разделительная полоса
2.3. Поперечные профили дороги
Полосу местности, выделяемую для расположения ра ' ие£
дороги, разработки грунта, предназначенного для отсыпки: на-
сыпей, постройки вспомогательных сооружений и посадки зелёных
насаждений, называют дорожной полосой, или полосой отвод#.
Изображение в уменьшенном масштабе сечения дороги верти-
кальной плоскостью, перпендикулярной к оси дороги, называют
поперечным профилем1 (рис. 2.10). I
Полоса поверхности дороги, в пределах которой прбисходит
движение автомобилей, представляет собой проезжую часть. Ее
укрепляют прочными каменными материалами, устраивая дорож-
ную одежду, верхний слой которой называют покрытием. Дороги
I категории имеют самостоятельные проезжие части для движе-
ния в каждом направлении. Между ними для безопасности остав-
ляют разделительную полосу, на которую запрещается заезд авто-
мобилей. Сбоку от проезжей части расположены обочины. Обо-
чины используются для временной стоянки автомобилей и для
размещения дорожно-строительных материалов при ремонтах.
Наличие обочины, окаймляющей проезжую часть, способствует
безопасности движения автомобилей. Вдоль проезжей части на
обочинах и разделительных полосах укладывают укрепительные
полосы (краевые полосы), повышающие прочность края дорожной
одежды и обеспечивающие безопасность при случайном съезде
колеса автомобиля с покрытия. Наличие краевых полос оказывает
положительный психологический эффект на водителей, устраняя
боязнь приближения к краю проезжей части.
Для расположения проезжей части на необходимом уровне от
поверхности грунта сооружают земляное полотно (насыпь или
выемку) с боковыми канавами (кюветами), предназначенными для
осушения дороги и отвода от нее воды. К земляному полотну
относят также резервы — неглубокие выработки вдоль дороги, из
которых был взят грунт для отсыпки насыпи, и кавальеры — па-
раллельные дороге валы, в которые укладывают грунт из выемок^
не потребовавшийся для отсыпки смежных участков насыпей. Дру-
гими словами, земляным полотном называют всю часть полосы
отвода, затронутую земляными работами.
Проезжая часть и обочины отделяются от прилегающей мест-
ности правильно спланированными наклонными плоскостями —
откосами. В выемках и боковых канавах различают внешний и
внутренний откосы. Линия сопряжения поверхностей обочины и
откоса насыпи или внутреннего откоса канавы образует бровку
1 В данном параграфе рассмотрены только типовые элементы поперечного
профиля дороги в благоприятных грунтово-гидрологических условиях. Видоиз-
менения поперечных профилей при проектировании автомобильных магистралей,
дорог в сильно заносимых снегом районах, в горных, заболоченных и других
сложных условиях рассматриваются в соответствующих разделах учебника.
29-
земляного полотна. Расстояние между бровками услойно назы-
вают шириной земляного полотна. Крутизну откосов характери-
зуют коэффициентом заложения, который определяется отноше-
нием высоты откоса к его горизонтальной проекции — заложению.
Откосам малых насыпей для возможности съезда автомоби-
лей с дороги в аварийных случаях целесообразно придавать
заложение 1:5 или 1 :6. Это способствует также уменьшению
заносимости дороги снегом и повышает безопасность движения.
При высоте насыпи менее 6 м исходя из требований экономии
земляных работ откосы устраивают с заложением 1: 1,5. Такие
насыпи вполне устойчивы. Более крутые откосы высоких насыпей
при увлажнении грунта могут оползать под действием собствен-
ного веса грунта или веса съехавшего на обочину автомобиля.
В настоящее время по действующим правилам сооружения
земляного полотна принимают следующие коэффициенты заложе-
ния откосов: не круче 1 :4 для насыпей высотой до 3 м на доро-
гах I—III категорий и 1 :3 для насыпей высотой до 2 м на дорогах
остальных категорий. Более высокие насыпи, а также насыпи на цен-
ных плодородных-землях, строящиеся из грунта, привозимого из
закладываемых вдалеке от дороги грунтовых карьеров, или строя-
щиеся в местах, где съезд с дороги невозможен, допускается воз-
водить с более крутыми откосами 1:1,5 при обязательной уста-
новке ограждений на высоких насыпях. В мелких песчаных и
пылеватых грунтах в районах с влажным климатом крутизну
откосов уменьшают до 1: 1,75.
Для устойчивости высоких насыпей, за исключением случаев
отсыпки их из валунных, гравелистых и щебенистых грунтов, ко-
торым можно придавать постоянную крутизну до высоты 12 м,
нижнюю часть откосов, начиная с 6 м от бровки земляного по-
лотна, делают более пологой с заложением откосов 1 : 1,75. При
возведении насыпей из камня слабовыветривающихся скальных
пород откосам придают заложение от 1 : 1,3 до 1: 1,5.
Поперечные профили насыпей показаны на рис. 2.11.
Для насыпей высотой 2 м и менее имеются два типа попереч-
ных профилей: обтекаемый и необтекаемый. Основной из них —
обтекаемый поперечный профиль — применяется при возможности
получения для постройки дороги широкой полосы местности (по-
лосы отвода), имеет округленные очертания, которые способст-
вуют его плавному обтеканию снеговетровым потоком и меньшей
заносимости снегом. Если дорогу прокладывают по малоценным
землям, грунт для отсыпки насыпи берут из устраиваемых рядом
с насыпью неглубоких выработок — резервов. Размеры резервов
определяют исходя из количества грунта, необходимого для отг
сыпки земляного полотна. Глубина резервов должна быть не бол^е
1,5 м и не менее 0,3 ah На участках с поперечным уклоном мест-
ности резервы располагают с нагорной стороны, на горизонталь-
ных — с одной или двух сторон в зависимости от местных условий.
30
Рис. 2.11. Гкшеречкые профили земляного полотна в насыпях:
а обтекаемый здотгречный профиль с шветом-резервом ирж высоте меме 1 м; б — не-
обтекаемый ваверечжыб вюофмжь ирж высоте до 2 м; а — лрн высоте до 12 м; г — ва жо-
согоре с уклоном межее 1:1.S до 1:3с резервом; б — жа косогоре крутияжой от 1:5 жл-
1 : 3; е — деталь сожряжежжя верхового откоса насыпи с оомрхвоетыо грунтаnjn отсутст-
вии нагорной «мни; 1 — гранжкд волосы отвода; 2 — сжимаемый ежей раеужгельвего грум-
та; з —слой растительного грунта. укладываемого жа откосах; 4—треугольная канава глу-_
биной по расчету, во же межее ОЛ а; 5 - резерв размером в ззнмгжмаетж от ю>б год жито-
количества грунта; 4—банкет высотой же более 0.6 м; 7 —нагоряжж канала глуйшюй а»-
расчету, но не менее €ji м
Ширину резервов необходимо по возможности выдерживать vo-
стоянной на достаточно больших участках.
При постройке дорог на ценных сельскохозяйственных угодьях
устраивают насыпи необтекаемого поперечного профиля, возводи-
мые из привозного грунта.
Поперечные профили выемок показаны на рис. 2.12.
ЗГ
На дорогах I—III категорий выемки глубиной до 1 м реко-
мендуется устраивать обтекаемого поперечного профиля, обеспе-
чивающего незаносимость снегом. Они бывают двух типов: рас-
крытые с пологим внешним откосом и разделанные под насыпь —
настолько уширенные, что проезжая часть воспринимается как бы
построенной на иасыпи.
В местностях с интенсивными метелями и снегопадами выемки
глубиной до 5 м целесообразно устраивать с откосами 1:1,5 —
Рис. 2.12. Поперечные профили земляного полотна в выемках:
— мелкие выемки обтекаемого профиля — раскрытая (слева) и разделанная под насыпь
(справа); б — мелкая иеобтекаемая выемка; в — выемка глубиной до 12 м; г —выемка в
неоднородных грунтах; д — полунасыпь-полувыемка на косогоре; 1 — граница полосы отво-
да; 2 — слой растительного грунта иа откосах; 3— канава глубиной по расчету, но не ме-
иее 0,3 м; 4 — снимаемый слой растительного грунта на откосах; 5 — нагорная канава
глубиной не менее 0,6 м; 6—рыхлые отложения; 7 — легковыветрнвающаяся скальная по-
рода; И — слабовыветривающаяся скальная порода; 9 — банкет высотой не более 0,6 м
32
1:2с дополнительными полками шириной не менее 4 м для
размещения приносимого и счищаемого с дороги снега.
При большей глубине для откосов выемок, устраиваемых в пес-
чаных и однородных глинистых грунтах плотной консистенции,
принимают заложение 1:1,5, а в крупнообломочных — до 1: 1. Для
улучшения обтекаемости внешние кромки откосов округляют.
В скальных легковыветривающихся и размягчаемых породах
в зависимости от их свойств, степени выветривания и глубины
выемки заложение откосов принимают от 1:0,5 до 1: 1,5. При этом
необходимо учитывать наклон залегания слоев, устойчивость гор-
ных пород против выветривания и экспозицию откосов выемок.
Часто бывает, что породы (например, сланцевые и меловые),
кажущиеся во время разработки вполне устойчивыми, после об-
нажения подвергаются интенсивному распаду и выветриванию.
Чтобы осыпающийся материал не засорял дорожную канаву,
в выемках глубиной более 2 м между подошвой откоса и наруж-
ной бровкой канавы устраивают полку шириной 1—2 м, которую
в процессе содержания дороги периодически очищают.
Лёссовые грунты в условиях засушливого климата Средне-
азиатских союзных республик в связи с особенностями их струк-
туры (тонкие вертикальные канальцы, стенки которых скреплены
известковым веществом) могут стоять в сухих местах вертикаль-
ной стенкой. Поэтому выемки в лёссах устраивают с откосами
ближе чем H-f-5 м от бровки (где Н— высота откоса выемки, м).
1:0,1—1:0,5. Однако такой поперечный профиль неприменим в
лёссовидных суглинках и в лёссах в районах с более влажным
и дождливым климатом, где необходимо придавать откосам
выемок заложения от 1:0,5 до 1:1,5.
Если выемкой прорезаются неоднородные по физическим свой-
ствам грунты, откосам можно придавать ломаное или ступенчатое
очертание (рис. 2.12, г). Однако устройство таких откосов сложно
и поэтому их допускают лишь в тех случаях, когда это дает воз-
можность существенно снизить стоимость земляных работ.
Если грунт из выемки непригоден для устройства насыпи или
по соображениям баланса земляных работ его нецелесообразно
транспортировать вдоль дороги в расположенные поблизости на-
сыпи, им уполаживают откосы земляного полотна в насыпях или
заполняют расположенные вблизи выемки пониженные участки
местности. Только при невозможности использования грунта для
указанных целей допускается укладка его на обрезе дороги па-
раллельно бровке выемки в валы — кавальеры, которым придают
правильные геометрические очертания (рис. 2.13).
Высота кавальеров не должна превышать 3 м. Их отсыпают
не ближе 3 м от внешней бровки откоса выемки. При слабых и
переувлажненных глинистых грунтах, когда тяжесть кавальера
может вызывать оползание откоса, кавальер располагают не
ближе, чем Н+5 м от бровки (где Н — высота откоса выемки, м).
Ч -977 33
Рис. 2.13. Схема расположения кавальеров:
а — поперечный профиль кавальере; б — вариант забанкетной канавы: / — граница полосы
отвода; Иснимаемый слой растительного грунта; 3 — кавальер; 4 — забанкетная канав».
h—0,4 м; S — банкет
В степях, где зимой бывают сильные метели, кавальеры отсыпают
не ближе 20 м от выемки, чтобы образующиеся около них снего-
вые отложения не попадали в выемку.
Чтобы вода, выпадающая во время дождей или образующаяся
при таянии снега, не стекала в выемку, между кавальером и от-
косом выемки отсыпают вал грунта треугольного сечения, назы-
ваемый банкетом. Высота банкета не превышает 0,6 м; подошва
его откоса должна отстоять от бровки выемки не менее чем на
1 м. Поверхности банкета придается уклон 20—40%о в сторону от
выемки. Между банкетом и кавальером отрывают забанкетную ка-
наву глубиной и шириной по дну не более 0,3 м.
Г лава 3
ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ
ПО ДОРОГА/>
3.1. Движение автомобиля по дороге.
Сопротивление движению автомобиля
Все элементы современной автомобильной дороги должны обес-
печивать возможность безопасного движения автомобилей с расчет-
ной скоростью. Чем выше интенсивность движения по дороге, тем
большие взаимные помехи испытывают автомобили и скорость их
движения снижается. Поэтому требования к отдельным элементам
трассы дороги устанавливают из условия движения по дороге оди-
ночного автомобиля.
Движущийся автомобиль испытывает сложную систему переме-
щений— поступательное движение на прямых, вращение вокруг
вертикальной оси при движении по закруглениям, колебания в про-
34
Рис, 3.1. Силы сопротивления движе-
нию, действующие на автомобиль
по ровной, твердой поверхности.
дольном и поперечном направле-
ниях, вызываемые наездами ко-
лес на неровности покрытия,
и т. д. Не все эти особенности
движения пока еще могут быть в
полной мере учтены при проек-
тировании дорог. Поэтому при
обосновании требований к эле-
ментам дороги в плане и профи-
ле условно допускают, что авто-
мобиль движется без колебаний
Фактический режим движения автомобиля по дороге опреде-
ляется тремя факторами: эксплуатационными свойствами автомо-
билей, дорожными условиями, обеспечивающими возможность раз-
вить ту или иную скорость, и индивидуальными особенностями во-
дителей, избирающих в зависимости от восприятия ими дорожных
условий наиболее удобную для себя скорость. При этом, как пра-
вило, не полностью используются допускаемые конструкцией ди-
намические возможности автомобилей.
Сила тяги, развиваемая двигателем на ведущих колесах авто-
мобиля, расходуется на преодоление сил сопротивления движению.
В наиболее общем случае ускоренного движения на подъем на
автомобиль действуют следующие силы сопротивлений (рис. ЗД)д.
сопротивление качению (трение качения) Pf, сопротивление"’дви-
жению на подъем Р,, сопротивление воздуха Pw, инерционные силы
самого автомобиля и вращающихся масс его механизмов Р3, воз-
никающие при изменении скорости движения. Силы сопротивления
качению и сопротивления воздушной среды всегда действуют на
движущийся автомобиль. Сопротивления движению на подъем и
силы инерции в зависимости от продольного профиля дороги и ре-
жима движения автомобиля могут или отсутствовать, или даже
иметь отрицательный знак, способствуя движению (например, при
спуске под гору или при торможении).
Сопротивление качению вызывается затратой энергии на дефор-
мацию шин и дороги. На ровных цементобетонных и асфальтобе-
тонных покрытиях основным фактором, определяющим сопротив-
ление качению, является обжатие шин. На менее ровных покрытиях
(щебеночных, гравийных, булыжных мостовых) добавляются на-
езды колес на неровности покрытия. На грунтовых дорогах с мяг-
кой поверхностью сопротивление создается затратой усилий на
деформирование шины и грунта при образовании колеи.
При движении по дорогам с твердыми покрытиями сопротив-
ление качению прямо пропорционально давлению на дорогу:
(3.1)
где Gi — нагрузка на дорогу от отдельных колес, Н; ft — соответствующие
коэффициенты сопротивления качению.
2* 35
При движении по деформирующимся грунтовым поверхностям
с образованием колеи существует более сложная зависимость меж-
ду коэффициентом сопротивления качению и нагрузкой на колесо:
Pf^^PiVlTib, (3.2)
где g — коэффициент, меняющийся от 0,75 до 1 е зависимости от состояния
грунта; Н — глубина колеи после прохода данного колеса; D — диаметр колеса.
Обычно коэффициент сопротивления качению относят к общему
весу автомобиля, т. е. считают
/ср = S/3(3 3)
где — суммарное "опротивление качению всех колес автомобиля; байт —
вес автомобиля.
Сопротивление качению зависит от ровности покрытия, скоро-
сти и эластичности шины. Однако при скоростях движения ниже
50 км/ч сопротивление качению возрастет настолько медленно, что
коэффициент сопротивления качению можно считать
постоянным и имеющим следующие значения:
Покрытие
Цементобетон» >е и асфальтобетонное . . .........
Из щебня или гравия, обработанных органическими вяжу’цл-
мп материалами, с ровной поверхностью..............
Из щебня или гравия, ие обработанных вяжущими, с неболь-
шими выбоинами................,....................
Булыжная мостовая
Грунтовая дорога, ровная, сухая н плотная..........
Пашня, г ереувлажненный заболоченный грунт, сыпучие пески 0,15—0,30 и более
При скоростях, близких к расчетным, для дорог с ровной, твер-
дой поверхностью можно принимать, что коэффициент сопротив-
ления качению при скорости v (60<и<150 км/ч) подчиняется за-
висимости
у, =/0 (И-4,5.10-5«2), (3.4)
где ft — коэффициент сопротивления качению при скоростях до 60 км/ч
Аэродинамическое сопротивление воздушной среды движению
автомобиля вызывается: лобовым 'сопротивлением, которое обус-
ловлено разностью давлг ния воздуха спереди и сзади движущегося
автомобиля; трением воздуха о боковую поверхность автомобиля
и сопротивлением, создаваемым выступающими частями автомо-
биля— крыльями, зеркалами, номерными знаками и др.; затратой
мощности на завихрение воздушных струй за автомобилем, около
колес и под кузовом; сопротивлением воздуха, проходящего через(
радиатор *и подкапотное пространство.
В результате неравномерного обтекания и образования завих-
рений давление воздуха на поверхность движущегося автомобиля
неравномерно. Имеются зоны повышенного давления и разреже-
ния (рис. 3.2).
36
практически
Значение f
0,01—0,02
0,02—0,025
0,03—0,04
0,04—0,05
0.03—0.06
Рис. 3.2. Распределение давления воздуха иа автомобиль:
а — картина обтекания движущегося автомобиля воздухом; б —эпюра распределения дав-
ления по вертикальной плоскости симметрии; 1 — нижний поток воздуха; 2 — зоны повы-
шенного давления; 3 — участок отрыва воздушных струй; 4 — прилипание воздушных струй;
5 — вона разрежения при большой скорости; 4 —< верхний поток воздуха (знаком «+» обо-
значены зоны повышенного давления; знаком <—> — зоны разрежения)
Суммарная сила сопротивления воздуха движению автомобиля
(в Н) выражается формулой аэродинамики
Сршг/2 ерши 2
3,62 = 1Г
(3.5)
где с — коэффициент сопротивления среды (безразмерная величина, завися-
щая от формы тела, движущегося в воздухе, а также от гладкости его поверх-
ности); р — плотность воздуха, равная на уровне моря 0,125 Н-с?/м4; w — пло«
щадь проекции автомобиля иа плоскость, перпендикулярную направлению его
движения («лобовая площадьэ), ms; v — скорость движения автомобиля относи-
тельно воздушной среды, км/ч; при попутном ветре о = оавт—ов; при встречном
ветре 1»=Оа»т+пв.
37
Автомобиль
К,, Н сум‘
Таблица 3.1
<0, м1
Г рузовой
Автобус с кузовом вагонного типа
Легковой
Обтекаемый спортивный, гоночный
0,6—0,7
0,25—0,50
0,15—0,30
0,10—0,15
Произведение ср прн тяговых расчетах автомобилей заменяют
коэффициентом сопротивления воздуха Кв, определяемым экспери-
ментально (табл. 3.1).
Площадь лобовой проекции вычисляют по приближенным фор-
мулам: для современных легковых автомобилей <0=0,8 ВН\ для ав-
тобусов и грузовых автомобилей с кузовом фургон о=0,9 ВН (где
В, Н — габаритные ширина и высота автомобилей).
Обычно тяговые расчеты ведут применительно к движению при
спокойной безветренной погоде, принимая, что сила сопротивления
Воздуха приложена в центре тяжести автомобиля.
Сопротивление воздуха резко возрастает прн увеличении ско-
рости движения. Поэтому при конструировании автомобилей уде-
ляется большое внимание снижению воздушного сопротивления пу-
тем повышения нх обтекаемости.
Сопротивление движению на подъем с уклоном i создается в ре-
зультате необходимости дополнительных затрат энергии на пере-
мещение автомобиля по наклонной поверхности дороги на некото-
рую высоту. Для перемещения автомобиля по участку подъема дли-
ной L на высоту И нужна работа на преодоление силы тяжести
F=GH. Пренебрегая разницей между фактической длиной наклон-
ного участка дороги и его горизонтальной проекцией, несуществен-
ной для допускаемых на автомобильных дорогах продольных ук-
лонов, можно выразить сопротивление движению на подъем на
единицу пути:
Pi = F[L = GH/L == Gi. (3.6)
Таким образом, коэффициент сопротивления движению-' на
подъем, представляющий отношение Р,- к весу автомобиля, равен
значению продольного уклона, выраженному в десятичных дробях.
Сопротивление инерционных сил автомобиля, возникающее при
изменении его скорости, слагается из сил инерции поступательного
движения и инерционных моментов, вращающихся частей автомо-
биля. При массе автомобиля m = Glg и скорости автомобиля v
(в м/с) инерционная сила поступательного движения
dv G dv
- Pj^m.----------=-----------=GJ,
1 dt g dt
1 dv
где dvfdt — ускорение автомобиля; J =---— относительное ускорение.
s a*
(3.7)
38
Наряду с инерцией поступательного движения при изменении
скорости движения возникает инерция вращающихся частей авто-
мобиля (колес, маховиков, механизмов трансмиссии). Для ее уче-
та к инерции поступательного движения обычно вводят поправоч-
ный коэффициент учета вращающихся масс бвр, который представ-
ляет собой отношение полной силы, необходимой для разгона всех
поступательно движущихся вращающихся частей автомобиля, к си-
ле, необходимой только для разгона поступательно движущихся
масс:
(3.8)
“/пост
Поэтому выражение для инерционной силы автомобиля имеет
вид
(39)
Чем больше передаточное число коробки передач, тем выше зна-
чение коэффициента бвр. Для прямой передачи коэффициент колеб-
лется в пределах 1,03—1,07, при других передачах увеличивается
примерно по зависимости
»ч>-1,04+и^,
где п — коэффициент, равный 0,03—0,05 для легковых автомобилей и 0,05—
0,07 для грузовых; iK — передаточное число коробки передач.
3.2. Динамические характеристики автомобиля
Механическая энергия, вырабатываемая двигателем автомоби-
ля, передается через трансмиссию автомобиля на его ведущие ко-
леса. Вращающий момент колеса Мвр вызывает появление пары
сил. Одна из них окружная сила Рк, приложенная к площадке кон- ,
такта шины с покрытием, передаваясь на покрытие, как бы стремит-
ся сдвинуть его верхний слой в сторону, противоположную движе-
нию, вторая сила — тяговое усилие Рр—передается через ве-
дущий мост и рессоры на раму автомобиля и вызывает его дви-
жение.
Тяговое усилие
Pf — Af вр/гк
где гк«=Лго -г радиус качения ведущих колес с учетом обжатия шины в зоне
контакта с покрытием (рис. 3.3).
Коэффициент деформации шины X на твердой поверхности сос-
тавляет 0,945—0,950 для пневматических шин высокого давления,
39
Рис. 3.3. Вращающий момент AfBp,
окружная сила Рк и тяговое усилие
Рр на колесах автомобиля
Рис. 3.4. Схема передачи вращающе*
го момента двигателя иа колеса ав-
томобиля:
ч / — двигатель; 2 — маховик н сцепление;
' 3 — коробка передач; 4 —< карданный вал;
5 — главная передача; о — шнна
применяемых на грузовых автомобилях, и 0,930—0,935 для шин
низкого давления.
Вращающий момент на ведущих колесах Л4Вр (в Н-м) может
быть определен как произведение момента двигателя Ме на пере-
даточные числа трансмиссии и механический коэффициент полез-
ного действия (рис. 3.4):
Л4&р — (3.10)
где 1к — передаточное число коробки передач; г'о— передаточное число глав-,
рой передачи; ц — механический коэффициент полезного действия трансмиссии
автомобиля, учитывающий потери энергии на преодоление сопротивлений во всех
механизмах от двигателя до ведущих колес. Примерные значения к. п. д. транс-
миссии составляют для двухосных грузовых автомобилей и автобусе» 0,9, для
трехосных грузовых автомобилей — 0,8, для легковых автомобилей — 0,92.
Отсюда тяговое усилие (в Н)
_ Ме1к1ц
Рр = —-—ц. <3.11)
Учитывая, что вращающий момент, развиваемый двигателем,
связан с его мощностью i/Ve (в Вт) и частотой вращения коленча-
того вала Пе (в об/мин) зависимостью Me=tNJne, выражение (3.11)
можно привести к виду
= 716,2-—-°- у. (3.12)
Каждой частоте вращения коленчатого вала «е соответствует
строго определенная скорость движения автомобиля, выражаемая:
в метрах в секунду (в м/с)
2яг|спе #
60i'k/q ’
(3.13)
40
в километрах в час (в км/ч)
v = 0,377 -тт2- • (3.14)
При постоянной скорости
вращения коленчатого вала
использование понижающих
передач приводит к увеличе-
нию тяговой силы при соответ-
ствующем уменьшении скоро-
сти автомобиля. Поэтому при
движении автомобиля по хо-
рошей дороге, когда сопротив-
ление качению мало, исполь-
зуется прямая передача
1). При движении на
подъем и по плохой дороге пе-
реходят на низшие передачи.
Мощность JVe и вращаю-
щий момент Ме, развиваемые
двигателем, зависят от часто-
ты вращения коленчатого ва-
ла. Эти зависимости характе-
ризуются экспериментальным
графиком внешней скоростной
Рис. 3.5. Внешние скоростные харак-
теристики двигателей некоторых авто-
мобилей
характеристики двигателя
(рис. 3.5), который обычно по-
лучают путем испытания двигателей при полном открытии дрос-
сельной заслонки карбюратора в карбюраторных двигателях или
полной подаче топливного насоса в дизелях. Поэтому график
внешней скоростной характеристики позволяет оценить макси-
мальную мощность, которую может развивать двигатель при той
или иной частоте вращения коленчатого вала.
Для оценки мощности двигателя при работе с неполной нагруз-
кой снимают частичные внешние скоростные характеристики при
различной степени открытия дроссельной заслонки.
Используя график внешних скоростных характеристик и выра-
жения (3.11), (3.12), можно определить расчетом тяговое усилие
при различных скоростях автомобиля исходя из условия, что
при движении автомобиля все тяговое усилие расходуется на прео-
доление сопротивлений движению.
Условие равенства внешних и внутренних сил (уравнение дви-
жения автомобиля) выражается зависимостью
Рр = Р/± Pj-F Рю ±/>у, (3.15)
где Р/ — сопротивление качению; Р<— сопротивление движению на подъем;
— сопротивление воздуха движению; Pj— сопротивление инерционных сил*
41
Рис. 3.6. Примеры динамических характеристик автомобилей:
а —легковые автомобили: / —• ЗАЗ-968 «Запорожец»; 2 — В АЗ-2103 «^Кигули»; -ГАЗ-24
«Волга»; 4 —ГАЗ-13 «Чайка»; 5«Москвич-2140»; 6 — ЗИЛ-111; б — грузовые автомобили:
1 —- КамАЗ-5320 с полуприцепом; 2 — ЗИЛ-130; 3 — ГАЗ-53А; 4 — ГАЗ-51 A; /— V — передачи
В зависимости от соотношения внешних сопротивлений проис-
ходит движение с постоянной скоростью, разгон или торможение
автомобиля.
Перенося сопротивление воздушной среды, зависящее от ско-
Рис< 3.7. Дополнительная номограм-
ма для учета нагрузки иа автомо-
биль при расчетах по динамически^,
характеристикам:
/ — Ш — передачи
рости движения, в левую часть
уравнения и подставив значения
сопротивлений, определенных в
п. 3.1, получим
Рр - == Gf ± Gi ± Gj. (3.16)
Академик Е. А. Чудаков пред-
ложил характеризовать тяговые
или динамические качества авто-
мобиля динамическим факто-
ром — разницей между полной си-
лой тяги на ведущих колесах и со-
противлением воздушной среды,
отнесенной к единице веса авто-
мобиля:
42
Динамический фактор характеризует запас тягового усилия на
единицу веса автомобиля, движущегося со скоростью v, который
может быть израсходован на преодоление дорожных сопротивлений
f±i и на ускорение автомобиля j.
Как сила тяги, так и сопротивление воздуха зависят от скорости
движения. Поэтому значение динамического фактора не остается
постоянным при изменении скорости. График зависимости динами-
ческого фактора от скорости движения при полной нагрузке на ав-
томобиль, названный цроф. Е. А. Чудаковым динамической харак-
теристикой (рис. 3.6), используется в Советском Союзе при тяговых
расчетах на автомобильных дорогах как основной показатель тяго-
вых качеств автомобилей.
Графики динамических характеристик обычно строят примени-
тельно к случаю полной загрузки автомобилей:
*^ПЛН = 7» •
^плн
При изменении нагрузки на автомобиль стоящее в числителе
выражение не меняется, поскольку оно зависит только от скорости
движения. Поэтому при постоянной скорости соблюдается соотно-
шение
^плн^плн — “ Рр Рц>*
Отсюда т. е. при неполной загрузке автомобиля
его динамический фактор обратно пропорционален сумме полезной
нагрузки на автомобиль и его собственного веса Gi.
При необходимости учета степени загрузки автомобилей при
расчетах скоростей движения по предложению проф. Н. А. Яков-
лева к графику динамических характеристик пристраивают вспо-
могательную номограмму нагрузок (рис. 3.7).
3.3. Сцепление шин с поверхностью дороги
Тяговое усилие на колесах автомобиля, обеспечиваемое мощ-
ностью двигателя, может быть развито лишь в том случае, если
между ведущими колесами и дорогой имеется достаточное сцеп-
ление. Отношение максимального тягового усилия на колесе Рк
к вертикальной нагрузке на покрытие GK, при превышении которого
начинается пробуксовывание ведущего колеса или проскальзывание
заторможенного, называют коэффициентом сцепления и обознача-
ют буквой ф.
В зависимости от направления сдвигающей силы, действующей
на колесо, различают два вида коэффициента сцепления:
коэффициент продольного сцепления фпр, соответствующий на-
43
чалу проскальзывания заторможенного или пробуксовывания дви-
жущегося колеса при качении или торможении без действия на ко-
лесо боковой силы. Его используют при вычислении пути, проходи-
мого автомобилем при экстренном торможении и при оценке
возможности трогания автомобиля с места.
Как показывают эксперименты, коэффициент сцепления прак-
тически не меняется при движении заторможенного колеса под уг-
лом к плоскости качения;
коэффициент поперечного сцепления фП0п — поперечная состав-
ляющая ' коэффициента сцепления при смещении ведущего колеса,
катягцегося под воздействием боковой силы под углом к плоскости
качения, когда-колесо, вращаясь, скользит вбок. Коэффициент фпои
характеризует устойчивость автомобиля при проезде кривых малых
радиусов.
Многочисленные экспериментальные исследования коэффициен-
тов сцепления, проведенные в СССР и за рубежом, показали, что
на их значение большее влияние оказывает состояние дорожного
покрытия, чем его тип.
При любых покрытиях выступающие над их поверхностью твер-
дые минеральные частицы, которые делают покрытие шероховатым,
при наезде колеса вдавливаются в резину протектора. При прос-
кальзывании колеса они упруго деформируют резину, сопротивле-
ние-которой является основной причиной сопротивления колеса сме-
щению по покрытию. По мере износа шероховатость покрытия
уменьшается, а следовательно, уменьшается и сцепление его с ко-
лесом.
Впадины на поверхности покрытия между выступами шерохо-
ватости при увлажнении .или загрязнении заполняются грязью,
пылью, продуктами износа шин и т. д., что уменьшает возможную
глубину вдавливания выступов в резину. Пленка влаги, смачивая
вону контакт^ между шиной и Покрытием, действует как смазка,
разделяющая резину и покрытие. Все это снижает коэффициент
сцепления. При высоких скоростях движения шина не успевает
полностью деформироваться, так как продолжительность контакта
с покрытием для этого недостаточна, а следовательно, неровности
покрытия вдавливаются в шину на меньшую глубину. В результате
с ростом скорости коэффициент сцепления снижается. На сухих
покрытиях снижение коэффициента сцепления со скоростью менее
ощутиЫо, чем на увлажненных.
При сильном износе или при малой высоте и расчлененности
элементов протектора на мокром покрытии может возникать яв-
ление аквапланирования, когда между шиной и покрытием в на-
чальной части зоны контакта накапливается вода, не успевающая
Выжаться в стороны. Под шиной образуется водяной клин, созда-
ющий гидродинамическую подъемную силу, снижающую давление
колеса на дорогу (рис. 3.8). При слое воды на покрытии толщиной
в несколько миллиметров нарушение контакта передних колес с
44
Рис. 3.8. Схема возникновении аква-
планирования колес:
а — принципиальная зависимость коэффи-
циента сцепления шины с мокрым покры-
тием; б — схема уменьшения зоны контак-
та шины с мокрым покрытием при увеличе-
нии скорости; / — шины с новым, протек-
тором; 2 — изношенные шины; 3 — пленка
воды >1 мм; 4 — водяной клин; образую-
щийся под шиной; / — полная зона кон-
такта колеса с покрытием; П — уменьшен-
ная зона контакта; 111 — зона контакта от-
сутствует, возникло акваплаиироваиие
покрытием и потеря управляемости автомобилем становятся воз-
можными при скоростях, близких к 80—100 км/ч.
В среднем можно считать, что коэффициент продольного сцеп-
ления фПр полностью заблокированных шин, имеющих слабоизно-
шенный протектор, и гладкого влажного цементобетонного покры-
тия следующим образом зависит от скорости:
|Скорость, км/ч 1 . . 30 40 60 80 100 120 150 175
/Коэффициент сцеплений^ 0,50 0,45 0,39 0,35 0,32 0,29 0,26 0,24
Коэффициенты продольного сцепления при скорости 60 км/ч в
зависимости от состояния покрытия имеют следующие значения:
Покрытие
Значение <рдр
Сухое шероховатое ...............
> гладкое
Влажное..........................
Мокрое ..................... . «
Грязное . . . . «................
Обледенелое <............... , ,
0,7 и более
0,6
0,5
0,4—0,3
0,2—0,3
0,1—0,05
*
Условия сцепления пневматических шин с поверхностью дороги
связаны с погодными условиями. Значения коэффициента сцепле-
ния меняются в течение года в широких пределах, повышаясь ле-
том и значительно снижаясь в период зимних гололедиц, когда
для увеличения сцепления дорогу обрабатывают противогололед-
ными материалами (гигроскопическими солями, растворяющими
лед, песком, шлаком и др.) или иногда на колеса автомобилей мон-
тируют шины с шипами.
Чем ответственнее назначение дороги и чем труднее условия
движения по отдельным ее участкам, тем более высокие требования
предъявляются к коэффициенту сцепления.
В СССР при обосновании геометрических элементов трассы ис-
ходят из значения коэффициента продольного сцепления при сухом
чистом покрытии и скорости 60 км/ч фпр=0,6.
В увлажненном состоянии укладываемые на разных участках
дорог покрытия должны удовлетворять при той же скорости тре-
бованиям, приведенным в табл. 3.2. Безопасное движение в перио-
ды ухудшения погодных условий по скользкой поверхности покры-
45
Таблица 3.2
Условия движения Характеристика участков дорог Коэффициент сцепления Фир* ие менее
Легкие Прямые участки, кривые с радиусами более 1000 м, продольные уклоны ие более 30%0 при укрепленных обочинах, без пересечений в од- ном уровне при малой интенсивности движе- ния 0,45
Затрудненные Участки с кривыми в плайе с радиусами 250—1000 м, с продольными уклонами от 30 до 60 % о. Дороги со средней интенсивностью движения 0,50—0,45
Опасные Участки с недостаточной видимостью, с укло- нами, превышающими расчетный, зоны примы- каний и пересечений в одном уровне. Дороги с высокой интенсивностью движения 0,60
тий возможно только при пониженных скоростях, соответствую-
щих фактическим значениям коэффициента сцепления.
Условия сцепления ведущих колес е поверхностью дороги ока-
зывают влияние на динамические возможности автомобиля. При
малых коэффициентах сцепления большие тяговые усилия, обеспе-
чиваемые мощностью двигателя, не могут быть использованы из-за
недостатка сцепления между колесами и покрытием. Поэтому на-
ряду с динамическими характеристиками по мощности двигателя
при тяговых расчетах используются также динамические характе-
ристики по условиям сцепления, получаемые из уравнения тягового,
баланса при замене в уравнении (3.15) силы тяги Рр по мощности
двигателя ее максимальным значением, возможным по условиям
сцепления шины с покрытием Рр== бфпр, т. е.
G'?np = Gf ± Gi ± GJ + , (3.18)
I о
где G'—нагрузка от ведущих колес на дорогу; К* — коэффициент сопро-
тивления воздуха; v — скорость движения автомобиля, км/ч.
Относя избыток сцепления над сопротивлением воздушной сре-
ды к единице веса автомобиля, получим выражение динамической
характеристики по сцеплению
V2
G'W — Кв“ —
Осц = / ± i ± J = -----------• <3.1»>
График динамических характеристик по условиям сцепления,
пример которого дан на рис. 3.9, строят для ряда значений коэф-
фициента сцепления <рпр. Совмещение его с графиком динамических
46
характеристик л по силе тяги
позволяет выделить зоны, при
которых обеспечивается возмож-
ность полного использования си-
лы тяги (см. п. 3.4).
Рис. 3.9. Динамические характеристи-
ки автомобили::
/ — по силе тяги; 2 — по сцеплению (циф-
рм у пунктирных кривых — коэффициен-
ты сцепления)
3.4. Продольные уклоны,
преодолеваемые автомобилями
График динамических харак-
теристик дает возможность ре-
шить ряд задач по исследованию
условий движения автомобиля
по дороге (рис. 3.10).
1. Определение максимально-
го уклона, преодолеваемого при
той или иной постоянной («рав-
новесной») скорости движения.
Для решения этой задачи на
графике динамических характе-
ристик от абсциссы, соответству-
ющей заданной скорости движе-
ния Vi, восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой
динамической характеристики. Ордината этой точки А дает зна-
чение динамического фактора Dt, равное сумме Посколь-
ку предусматривается, что движение происходит с постоянной ско-
ростью, /=0 и, следовательно, - f.
2. Определение постоянной скорости, с которой автомобиль мо-
жет преодолеть заданный уклон 12, при коэффициенте сцепления
покрытия фь
Необходимый для выполнения этого условия динамический фак-
тор Z>2=f-{-i2. Отложив это значение на оси ординат и найдя соот-
ветствующую абсциссу точки В на кривой динамических характе-
ристик, по силе тяги определяют скорость движения v2.
Поскольку изложенный метод расчета исходит из значения тя-
гового усилия иа ведущих колесах, полученный результат необ-
ходимо проверить на достаточность сцепления шин с покрытием.
Точка на графике расположена выше кривой динамической харак-
теристики по условиям сцепления при коэффициенте продольного
сцепления <рь Поэтому развиваемое при скорости v2 тяговое уси-
лие может вызвать буксование и максимальная возможная скорость
движения Оз определится условиями сцепления.
На участке дороги с большим уклоном 13 движение окажется
возможным только на II передаче со скоростью 04 при условии, что
коэффициент сцепления будет более <р2-
47
Рнс. 3.10. График динамических ха-
рактеристик, используемый для тяго-
вых расчетов
Рис. 3.11. К использованию водите-
лем динамического фактора:
1 — кривая динамической характеристики
при полном открытии дроссельной заслон-
ки; 2 — зоиа практического использования
динамического фактора при неполном от-
крытии дроссельной заслонки; 3 — исполь-
зуемое значение динамического фактора
при движении с максимальной возможной
при полном открытии дроссельной заслон-
ки скоростью Uii'4 — частная динамическая
характеристика, используемая при движе-
ний со скоростью VS
ь рассмотренных случаях
предполагалось, что движение
автомобиля происходит При пол-
ностью открытой дроссельной за-
слонке, т. е. что полностью ис-
пользуется сила тяги, которую
может развить автомобиль при
достаточном коэффициенте сцеп-
ления. На участках с малыми
продольными уклонами i4 ско-
рость при этом была бы чрез-
мерно велика, а движение опас-
но. Практически водители в за-
висимости от цели поездки, за-
данного графика движения, вво-
димых ограничений скорости или
особенностей восприятия ими до-
рожной обстановки, как правило,
не реализуют полностью динами-
ческих возможностей автомоби-
ля. Изменяя степень открытия
дроссельной заслонки, оии ис-
пользуют промежуточные значе-
ния динамического фактора в зо-
не, ограниченной кривыми мак-
симальных и минимальных зна-
чений динамических характери-
стик (рис. 3.11).
Чтобы в рассматриваемом
примере (см. рис. 3.10) на участ-
ке с уклоном ц скорость автомо-
биля оставалась такой же, как
на участке с большим уклоном
достаточно значение динамического фактора D4. Наблюдения за
режимами' движения автомобилей на подъемах показали, чта
большинство водителей используют следующую степень откры-
тия дроссельной заслонки в зависимости от уклона:
Уклон, % о - * * • * » • • * • а • * 0т 20
Степень открытия дроссельной заслонки, % 40
Передача, используемая грузовыми автомо-
билями . ..................................IV, V
20—40 40—70
50—60 60—85
IV, V III, II
70
100
I
Для- точных расчетов скорости движения на участках дорог с
продольными уклонами необходимо исходить из графиков динами-
ческих характеристик, соответствующих разной степени открытия
дроссельной заслонки.
3. Определение ускорения, развиваемого автомобилем при раз-
гоне.
48
Рис. 3.12. Графическое определение пути, иа котором устанавливается равновес-
ная скорость:
а — график динамических характеристик; б —«график ускоренна; в — построение дли опре-
деления длины путн нзменення скорости
При коэффициенте сопротивления качению f, уклоне i и неко-
торой начальной скорости v ускорение поступательного движения
автомобиля (в м/с2):
J = — = [£»»-(/+ »)], (3.20)
а* овр
где v — скорость автомобиля, м/с; бвр— коэффициент влиянии вращающих-
ся масс автомобиля; Dv — значение динамического фактора при скорости о.
4. Определение длины пути, на котором при увеличении или
уменьшении продольного уклона происходит изменение скорости
автомобиля от до Vt„ соответствующей новому уклону.
Если, например, автомобиль въезжает на участок с бблыпим
продольным уклоном 1*2> то из-за избытка его живой силы
S. Dm (v? — v? )
__2!________Lv._ затрачиваемой на преодоление дополнительного
2
подъема, скорость движения изменяется постепенно. При этом от-
рицательное ускорение при замедлении постепенно уменьшается.
Когда оно уменьшится до нуля, дальнейшее движение происходит
с постоянной скоростью. Протяженность участка, на котором вновь
устанавливается равновесная скорость, можно определить прибли-
женным способом, принимая ускорение в малых интервалах изме-
нения скоростей постоянным. Вначале на основе графика динами-
ческих характеристик (рис. 3.12, а) строят вспомогательную кри-
вую ускорений, вычитая из значений динамического фактора для
значения дорожных сопротивлений f+fa (рис. 3.12, б).
Если обозначить в узком интервале скоростей и v2 (км/ч)
среднее значение ускорения через fa, то согласно закономерностям
равномерно-замедленного движения расстояние, на котором проис-
ходит изменение скоростей, '
2 2
2548врУ1
(3.21)
49
Расстояние, на котором происходит изменение скоростей, оп-
ределится как сумма расстояний L2, .... рассчитанных для всех
выделенных интервалов (рис. 3.12, в).
Иногда бывает необходимо определить, может ли за счет на-
копленной инерции автомобиль, входящий на подъем со скоростью
»i, преодолеть короткий участок дороги длиной L с уклоном t'max,
превышающим предельный уклон i, найденный по условиям равно*
весного движения. В конце подъема скорость должна быть не ме-
нее Оз- Точнее решение этой задачи для каждого конкретного ав-
томобиля может быть получено по уравнению (3.28). Приближен-
ное решение, пренебрегающее изменением сопротивления воздуха,
что направлено в запас надежности расчета, находят из следующих
соображений.
При постоянной силе тяги двигателя в начале участка живая
• 2 »BPG 2
сида автомобиля равна —-----®i, а в конце участка——чк.
254g 254g
Потеря в живой силе затрачивается на преодоление дополнитель-
ного сопротивления движению на подъем (imax—i). Эта работа на
пути L составляет LG(tmax—i\. Отсюда
&врб.
LG ('max — О = 254g (W1 — V2) •
Таким образом, длина преодолеваемого по инерции участка с
уклоном, превышающим предельный, при равновесной скорости со-
ставляет
5 / 2 2\
6вр (V1 —v2)
254 (/щах — О
(3.22)
где бВр — коэффициент влияния вращающихся частей автомобиля; щ, ог—
скорости автомобиле, км/ч.
3.5. Особенности движения автомобилей
по криволинейному продольному профилю
На современных автомобильных дорогах участки, имеющие раз-
личные продольные уклоны, сопрягают вставкой вертикальных кри-
вых больщих радиусов (см. п. 5.2). В условиях пересеченного релье-
фа местности протяженность вертикальных кривых иногда превы-
шает 50% общей длины дорог высших категорий.
При движении автомобиля по криволинейному продольному
профилю преодолеваемый продольный угол непрерывно изменяется,
в связи с чем меняется и скорость автомобиля. Это делает услов-
ным# выводы, вытекающие из рассмотренных выше формул дви-
жения с «равновесными скоростями». Поэтому в уравнении движе-
ния автомобиля для случая криволинейного продольного профиля
50
сопротивление движению на
подъем должно быть принято пе-
ременным (рис. 3.13). Решения
для движения автомобиля по
криволинейному продольному
профилю были предложены А. Е.
Бельским и К. А. Хавкиным. Вер-
тикальные кривые на автомо-
бильных дорогах обычно разби-
вают по квадратичной параболе
(см. п. 5.2)
У = (3.23)
Рис. 3.13. Схема к выводу уравнения
движения автомобили по вертикаль-
ным кривым
аппроксимирующей круговую кривую. Знак «—> относится к вы-
пуклым кривым, знак «+> — к вогнутым.
Если расположить начало координат в начале выпуклой верти-
кальной кривой в точке О таким образом, чтобы ось х совпадала
с хордой вертикальной кривой, то уравнение вертикальной кривой
на рис. 3.13 будет иметь вид
<0 1
Уклон в некоторой точке А на кривой
d [/ (У)]
dx
(3.24)
R ’
где а — угол наклона к горизонту хорды, стягивающей вертикальную кри-
, * * о d if (so)
вую и являющейся одной из осей координат; р =--------— угол наклона ка-
dx
сательиой к вертикальной кривой по отношению к хорде (оси х), мениющийся
по длине кривой.
Согласно рис. 3.13 внешний угол перелома проектной линии
угол наклона хорды к горизонтали
Ш I
а
Углы а, (J и (о должны быть выражены в радианах.
Подставляя найденное значение а в уравнение (3.24), получа-
ем, что уклон в точке А
R
(3.25)
При выводе этой формулы в связи с малыми значениями про-
дольных уклонов, допускаемых на автомобильных дорогах, прене-
брегали разностью в длинах, измеряемых для одной н той же точки
по хорде и ее горизонтальной проекции.
51
Таблица 3.3
у Автомобиль a, Н Ь, Н • с2/м2 • Ц. 1/М
ЗИЛ-114 2290 1,94 4,9-10-4
ГАЗ-24 «Волга» 2130 0,8 4,1 10-4
ВАЗ-2101 1330 0,45 злю-4
«Москвич-412» 3120 1.9 •< 1 ф еч 2
ЗИЛ-130 4370 4,5 3,0- ю-4
КамАЗ-5320 4400 3,1 4,0-10-4
Правые части кривых на графиках динамических характеристик
за точкой максимума могут быть выражены уравнением вида
а — bv2
(3.26)
где G — вес автомобиля, Н; v— скорость автомобиля, м/с; а, b — парамет-
ры, характеризующие зависимость силы тяги от скорости движения на разных
передачах и при разной степени открытия дроссельной заслонки.
Параметры а и b определяют подбором по графикам кривых
динамических характеристик. Их можно получить и расчетом ис-
ходя из уравнения внешней характеристики двигателя. Значения
параметров а, Ь и р, для случая движения некоторых автомобилей
на прямой передаче при полном открытии дроссельной заслонки
и при полной нагрузке автомобиля приведены в табл. 3.3.
Подставляя в основное уравнение динамического фактора ав-
томобиля (3.17) значения переменного продольного уклона и урав-
нение динамической характеристики (3.26), получаем исходное диф-
ференциальное уравнение для определения скоростей движения
по выпуклому криволинейному продольному профилю
а — bv% 1 ®вр dv
Решение дифференциального уравнения с учетом
(3.27)
того, что
dv dv
----— *0-----
dt--dx
а также с учетом начального условия, что при х=0 ско-
рость vx равна начальной скорости он (в м/с), развитой в конце
предшествующего участка, приводит к выражению
vx = Y (WH ± *1) ± k2x =F *1 . (3-28)
bg
где р. = . _ (см. табл. 3.3);
Овр^
Л1 = — Т -J-[a-G(/± Z1)];
pi b
k2 = G/bR,
e—основание натурального логарифма; g—ускорение свободного падения, м/с*.
52
Для выпуклых кривых в формуле (3.28) следует принимать верх-
ние знаки, для вогнутых кривых —нижние. Начальный продольный
уклон i принимают для подъемов со знаком <+>, для спусков — со
знаком «—».
Поскольку в выражения (3.26), (3.27) и (3.28) входит вес авто-
мобиля G, уравнение (3.28) может быть использовано для расчетов
скоростей движения автопоездов и автомобилей при разной степени
загрузки.
Принимая в уравнении (3.28) значение й2—0, что соответствует
движению по участку дороги с постоянным уклоном (/? = <»), мож-
но использовать его для решения задачи о преодолении крутых
подъемов после разгона, приближенное решение которого было да-
но в п. 3.4 (см. формулу (3.22)]. Для расчетов по уравнению (3.28)
разработаны программы для расчетбв на ЭВМ и имеются вспо-
могательные таблицы L
3.6. Торможение автомобиля
Для экстренной остановки автомобиля или снижения его скоро-
сти применяется торможение. В процессе торможения водитель, на-
жимая на педаль тормоза, создает тормозным приводом уси-
лие трения между тормозными колодками и барабаном Црис.
3.14). Тормоза современных ав-
томобилей могут развивать уси-
лие большее, чем возможное
сцепление шины с покрытием.
Нормальный эксплуатационт
ный режим торможения соответ-
ствует неполной блокировке ко-
лес> при которой колесо катится
по покрытию с небольшим про-
буксовыванием. Такой режим
торможения наиболее эффекти-
вен. Однако при аварийной си-
туации и срочном торможении во-
дитель не имеет возможности ре-
гулировать интенсивность нажа-
тия тормозной педали и выжи-
мает ее полностью. Торможение
проходит при пониженных коэф-
1 Бельский А. Е. Расчеты скоро-
стей движения на автомобильных доро-
гах. М.: Транспорт, 1966, 120 с.
X а в к и и К. А., Д а ш е в-
скнй Л. Н. Проектирование продольно-
го профиля автомобильных дорог. М.:
Транспорт, 1966. 239 с.
Рис. ЗЛ4. Схема устройства тормозов
автомобиля:
1 —< тормозные цнлиндры, прижимающие
колодки к барабану; 2 — тормозная ко-
лодка; 3 — тормозной барабан; AfBp—вра-
щающий момент; Рт — тормозная сила;
Мт — тормозной момент; GK — вес автомо-
биля, приходящийся на колесо
53
фициентах сцепления, которые и определяют при экспериментах.
При интенсивном торможении происходит блокировка колес, в
результате которой колесо, перестав вращаться, скользит по по-
верхности покрытия юзом. При этом шина в зоне контакта на-
гревается и начинает плавиться. Сцепление при этом понижается,
а шина усиленно изнашивается.
На покрытии на участках торможения остаются черные полосы
следов шин.
Для характеристики интенсивности замедления автомобиля при
торможении с выключенным сцеплением, когда силой, движущей
автомобиль, является его инерция, может быть использовано урав-
нение движения автомобиля в следующем виде:
KpGJ = Рг + Рш ± Pl + Pf, (3.29)
где Ра, Pt, Рг — силы сопротивления движению; PT=?TG— тормозная сила;
G — вес автомобиля; — коэффициент тормозной силы (интенсивности тормо-
жения), равный отношению суммы тормозных сил, возникающих на всех тор-
мозных колесах, к весу автомобиля.
Параметр ут зависит от конструктивных особенностей тормоз-
ной системы автомобиля и ее состояния, а также от интенсивности
торможения водителем. На значение параметра ут оказывает влия-
ние также ровность проезжей части, так как при движении по по-
крытию, имеющему неровности, возникают колебания автомобиля,
при которых в отдельные моменты рессоры разжимаются, умень-
шая давление автомобиля на дорогу.
Подставляя в уравнение (3.29) значения сопротивлений Дви-
жению, получаем отрицательное ускорение при торможении, харак-
теризующее интенсивность замедления автомобиля:
®вр/ — q •+• Ут :t i + /• (3.30)
Поскольку при торможении скорость движения автомобиля
быстро снижается, а при скоростях, меньших 30 км/ч, сопротивле-
ние воздуха незначительно, его влиянием на процесс торможения
обычно пренебрегают, принимая P»/G=0, что вносит в результаты
расчета ошибку, ие превышающую 5%.
Длина пути, на котором водитель может остановить автомо-
биль, движущийся с расчетной скоростью,— тормозной путь —
важная характеристика безопасности движения. Она имеет боль-
шое значение для обоснования ряда норм на элементы плана и
профиля автомобильных дорог.
Между моментом, когда водитель замечает перед собой препят-
ствие, и моментом, когда начинается полное торможение автомоби-
ля, проходит некоторый промежуток времени. Подробное исследова-
ние длины тормозного пути приводит к необходимости учитывать
продолжительность периода реакции водителя Л, во время которо-
54
го он осознает необходимость торможения и переносит ногу с педа-
ли подачи топлива на педаль тормоза, затраты времени tz на хо-
лостой ход тормозной педали и период tz, в течение которого тор-
мозное усилие в тормозных приводах, Постепенно возрастая, дости-
гает своего полного значения.
Продолжительность запаздывания действия тормозных уст-
ройств составляет примерно 0,1 с для гидравлического привода и
0,2—0,4 с для пневматического. Период нарастания тормозного
усилия равен 0,2 с для гидравлического привода и 0,6—1 с для
пневматического.
Продолжительность реакции водителей Л, как было установле-
но при многочисленных специальных исследованиях, непостоянна.
Она зависит от возраста, стажа работы, настроения и усталости
водителя, скорости движения, дорожных условий, в которых проис-
ходит движение автомобиля. Чем с большей внимательностью едет
водитель, тем меньше время его реакции. В городских условиях оно
составляет 0,6—0,8 с, при движении за городом по автомобильной
магистрали при отсутствии пешеходов может равняться 1,5—2 с.
В среднем принимают 0,8 с как среднее значение, что в принципе
не является правильным, так как не соответствует оптимальным
условиям работы 50% водителей.
При расчетах тормозного пути для определения элементов пла-
на и профиля автомобильных дорог условно принимают суммарное
время Л+6 + ^з равным 1 с, называя его временем реакции води-
теля. Как видно из приведенных выше данных, оно соответствует
большой сосредоточенности внимания водителя при управлении ав-
томобилем.
Путь, проходимый автомобилем за период полного торможения,
можно рассчитать по формуле равномерно замедленного движе-
ния:
v = y iaSt, (3.31)
где v — скорость в начале торможения, м/с; ST — тормозной путь, м; а — аб-
солютное значение отрицательного ускорения при торможении, м/с*, равное
<Ут+/±0£- При этом допускают, что сопротивление воздуха отсутствует, и пре-
небрегают влиянием вращающихся масс автомобиля.
Пр действующим в СССР требованиям к тормозным механиз-
мам автомобилей (ОСТ 37.001.016—70) абсолютное значение за-
медления, обеспечиваемое их конструктивными особенностями,
должно составлять для грузовых автомобилей и автопоездов
5,5 м/с2, для легковых автомобилей — 7 м/с2.
Подставляя значение а в уравнение (3.31), получаем выраже-
ние для тормозного пути
• (3-32)
При расчетах, связанных с определением геометрических эле-
ментов плана и продольного профиля дорог, исходят из наиболее
55
Рис. 3.115. Схема к определению тормозного пути:
Spacq — расчетный тормозной путь; /j — путь, проходимый за время реакции водителя; G —
путь торможения; h — расстояние безопасности
опасного случая — аварийного режима торможения с полной бло-
кировкой колес, принимая ут равным коэффициенту сцепления фпр-
Однако в реальных условиях эксплуатации автомобилей из-за не-
точной регулировки тормозов, неравномерности распределения уси-
лия между колесами и колебаний автомобиля при движении в про-
цессе торможения не удается реализовать теоретически возможную
полную величину тормозной силы. По предложению проф. Д. П. Ве-
ликанова, это учитывается введением в формулу тормозного пути
поправочного коэффициента эффективности торможения Кэ. Поэ-
тому расчетное значение тормозного пути
ST = —-----^2^---— . (3.33}
2g (<Рпр ± I + /)
По данным опытов для легковых автомобилей следует прини-
мать Кэ=1,2, а для грузовых автомобилей и автобусов Кэ=1,34-
4-1,4. При торможении на скользких покрытиях на всех колесах
тормозные усилия достигают максимально возможного значения
практически мгновенно. Поэтому при коэффициентах сцепления
<Рпр^0,4 можно считать Лэ=1. При расчетах геометрических эле-
ментов автомобильных дорог принимают среднее значение Кэ=
= 1,2.
Уравнение (3.33) дает заниженные результаты при расчетах
для скоростей движения, превышающих 90—100 км/ч, поскольку
оно не учитывает особенностей поведения водителя, тормозящего
при высоких скоростях. Из-за опасности заноса торможение ведет-
ся вначале при легком нажиме на педаль без полного использова-
ния возможности тормозов и лишь со скорости 70—80 км/ч начи-
нается интенсивное торможение. Профессор Д. П. Великанов пред-
лагает в этом случае принимать Кэ=2,3. На это значение следует*
ориентироваться при обосновании требований к геометрическим
элементам автомобильных магистралей.
При расчетах элементов дорог для обеспечения большей безт
опасности движения за расчетный тормозной путь принимают
путь, проходимый за период реакции водителя, /i, путь, проходи-^
56
мый автомобилем за период полного торможения, 1г, и зазор без*
опасности между остановившимся автомобилем и препятствием 13,
обычно принимаемый равным длине автомобиля (рис. 3.15). В этом
случае при скорости v (в км/ч) формула для Зрасч (в м) принима-
ет вид
V /CbV2
5раСЧ = А + /2 + 13 = — + 254 (? ± . + z) + 13 • (3.34)
3.7. Особенности торможения автомобилей
на затяжных спусках
/
При расчете скорости движения под уклон по графику динами-
ческих характеристик сопротивление от уклона входит в уравнение
с отрицательным знаком:
На крутых. спусках ускорение приобретает большое значение,
происходит разгон автомобиля и быстрое возрастание его скоро-
сти. Движение автомобиля под уклон с большими скоростями, осо-
бенно при неровном или скользком покрытии и наличии кривых в
плане, очень опасно. Управление автомобилем затрудняется. Поэ-
тому водители в зависимости от крутизны спуска принимают спе-
циальные меры снижения скорости — уменьшают подачу рабочей
смеси в двигатель, периодически притормаживают, не выключая
сцепления, или переходят на совместное торможение одновремен-
но тормозами и двигателем, включая одну из понижающих пере-
дач.
Торможение автомобилей на спусках, особенно длинных, с ис-
пользованием колесных тормозов нерационально, так как при дли-
тельном торможении коэффициент трения фрикционных накладок
резко уменьшается из-за нагревания тормозных барабанов. Это
снижает эффективность торможения н приводит к быстрому изно-
су тормозов.
Торможение двигателем осуществляется уменьшением подачи
топлива при отпускании педали дроссельной заслонки. Однако сни-
жению числа оборотов двигателя до частоты вращения на холо-
стом ходу препятствует принудительное вращение коленчатого ва-
ла через механизм трансмиссии ведущими колесами со скоростью,
соответствующей скорости автомобиля. В результате этого допол-
нительно появляется сила ссщротивления Ртд, увеличивающая со-
противление движению. Значение Ртд на ведущих колесах при пол-
ностью закрытой дроссельной заслонке и при движении иа прямой
передачу для легковых автомобилей может быть найдено по эмци-
57
рической формуле канд. техн, наук Ю. А. Кременца:
0,25<7и
/>тх = 9,5ТГд+ —, (3.35)
1UU
✓
. где Wn — рабочий объем двигатедя, л; о— скорость, км/ч; G — вес автомо-
биля, Н.
Движущей автомобиль силой является параллельная уклону
дороги составляющая его веса, силами сопротивления движению
является тормозная сила двигателя и силы сопротивлений воздуха
и качению автомобиля.
Равновесная скорость, которая устанавливается при торможе-
нии двигателем, может быть рассчитана теоретически на основе
общей формулы уравнения движения (3.16)
Рц + Ра * ,
м............ г —► f.
GJ
Эффект торможения двигателем проявляется особенно сильно
при включении понижающих передач, обусловливающих при той
же скорости автомобиля более быстрое вращение вала двигателя.
Для расчетов, соответствующих этому случаю, в уравнении (3.35)
вместо v подставляют величину viK, где — передаточное число
включенной передачи.
На избираемый водителями режим движения иа спусках боль-
- шое влияние оказывают особенности восприятия ими условий дви-
жения — длина спуска, продольный уклон, ясность дорожных усло-
вий в конце спуска.
Наблюдения показывают, что иа спусках чаще всего использу-
ются следующие режимы движения:
' при уклоне i^2O%o — движение с тяговым усилием на ведущих
колесах независимо от протяженности спуска;
при ЗО%о<«<5О%о — движение с выключенным сцеплением на
участках длиной соответственно до 500—300 м, торможение двига-
телем в' нижней части для грузовых автомобилей;
при i>6O%o — торможение двигателем; при длине спуска менее
1000 м совместное торможение двигателем и колесными тормозами.
3.8. Особенности тяговых расчетов автопоездов
Одно из действенных средств снижения стоимости перевозок и
повышения производительности подвижного состава-г-использова-
ние автомобильных поездов. В равных дорожных условиях произ-
водительность автопоезда в 1,5—2 раза выше, чем у автомобиля^
тягача без прицепов. Чтобы обеспечить эффективное использование
автопоездов, дороги должны удовлетворять более высоким требо-
ваниям, чем в случае движения одиночных автомобилей.
58
Уравнение динамического фактора принимает для автопоезда
вид
"7Z- 7 5= /1 ± i ± /Ьап» (3.36)
ua + unp
где Р(аап — сопротивление воздуха движению автопоездов; ба — вес автомо-
биля; О'пр — вес прицепов; f\ — коэффициент сопротивления качению для авто-
поездов; бап — коэффициент учета вращающихся масс автопоезда.
Динамический фактор автопоезда меньше, чем одиночного ав-
томобиля, поскольку при большей общей массе сила тяги остается
такой же. В то же время сопротивление движению у автопоезда
выше. Из-за трения в сцепных приборах и поворотном круге, а так-
же из-за раскачиваний прицепов на ходу сопротивление качению
у автопоезда возрастает с увеличением количества прицепов. Уве-
личивается также и сопротивление воздуха, так как каждый до-
полнительный прицеп добавляет трение воздуха о боковую поверх-
ность и завихрение воздушных струй за собой.
Для практических расчетов можно принять, что коэффициент
обтекаемости возрастает от каждого прицепа на 25—30%, для по-
луприцепа— на 10%, а коэффициент сопротивления качению — на
4-5%.
Еще более неблагоприятные результаты дйет проверка на обес-
печенность сцепления ведущих колес с покрытием при трогании с
места. В этом случае при отсутствии сопротивления воздуха урав-
нение движения автопоезда имеет вид х
(3.37)
Профессор Я. X. Закин предлагает также учитывать при расче-
тах на трогание автопоездов с места возникающие дополнительные
сопротивления, увеличивая коэффициент сопротивления качению
для летних условий в 1,5—2,5 раза, для зимних — в 2,5—5 раз.
Для повышения безопасности движения современные автомо-
бильные прицепы снабжаются тормозами, управляемыми с автомо-
биля. Уравнение движения автопоезда при торможении
Тпр^т ^о>ап
г г = /1 ± £ ± /
ба + бап
(3.38)
где Рт — нагрузка на тормозные осн,
Путь, проходимый заторможенным автопоездом, превышает
путь одиночного автомобиля. Интенсивность торможения при оста-
новке автопоездов ниже, чем одиночных автомобилей, так как рез-
кое торможение автопоезда вызывает опасность заноса прицепов
или наезда их на автомобиль.
Из изложенного следует, что при проектировании дорог, по ко-
торым предполагается интенсивное движение автомобильных поез-
59
дов, нецелесообразно применять большие продольные уклоны. Же-
лательно, чтобы независимо от категории дорог они не превышали
30—4О%о, а при невозможности этого на участках подъемов долж-
ны быть предусмотрены дополнительные полосы проезжей части
(см. п. 5.3).
3.9. Расход топлива и износ шин
в зависимости от дорожных условий
Расход топлива при автомобильных перевозках зависит от до-
рожных условий и режимов движения. В связи с необходимостью
экономии энергетических ресурсов и особенно нефти — ценного
сырья для химической промышленности — расход топлива стал од-
ним из важнейших показателей качества проектных решений при
оценке вариантов трассы.
Для оценки расхода топлива при сравнении вариантов автомо-
бильных дорог может служить предложенный акад. Е. А. Чудако-
вым график экономической характеристики автомобиля, указы-
вающий расход топлива в литрах на 100 км пробега при разных
сопротивлениях дороги и скоростях движения (рис. 3.16). График
экономической характеристики строят для разных передач в виде
семейства кривых, каждая из которых относится к определенному
значению суммы дорожных сопротивлений — сопротивления дви-
жению и сопротивления движению на подъем (ф=/-Н). Огибаю-
щие семейства кривых для каждой передачи соответствуют полно-
му открытию дроссельной заслонки. Экономические характеристи-
ки автомобилей могут быть получены расчетным путем и сняты
экспериментально.
Для движения автомобиля со скоростью v (в км/ч) двигатель
должен развивать мощность (в кВт)
УТР
(3.39)
I где 2P=Pa+Pf+P{±Pj— сумма сил сопротивлению, испытываемых авто-
мобилем при движении (см. п. 3.1), Н; т]Тр — коэффициент полезного действия
трансмиссии автомобиля.
Подставляя значение сопротивления движению автомобиля, по-
лучаем
/ \ V
Ne = 3 6» + - • (3-40>
\ 0,0 J О,0Т|-ур
где ф=/4-1— суммарный коэффициент дорожных сопротивлений.
Расход топлива при движении автомобиля (в л/ч)
где у — плотность топлива, г/см3; qe — удельный расход топлива, г/(кВт*<)«
60
Рис. ЗД6. Пример графика экономи-
ческих характеристик:
I — III — группы кривых, относящихся к
случаям движения иа I —III передачах;
1 — кривые максимальных расходов топли-
ва при движении с разными скоростями
(цифры иа кривых характеризуют дорож-
ные сопротивления
Рис. 3.17. Экономические характери-
стики некоторых советских автомоби-
лей при движении иа примой пере-
даче:
1 — МАЗ-514; 2 — КамАЗ-5410 с полуприце-
пом; 3 — ЗИЛ-130; 4 —ГАЗ-53А; 5 —ЗИЛ-
117; 4 —ГАЗ-14 «Чайка»; 7- ГАЗ-24 «Вол-
га» ; 8 — ЗАЗ-968 «Запорожец»; 9 — ВАЗ-
2101 «Жигули»
Из курса термодинамики известно
3,6'10*
нЧе
(3-42)
где 3,6-100— число джоулей, эквивалентное работе, равной 1 кВт-ч; Ни —
низшая теплотворность топлива, Дж/ч; ч»— коэффициент полезного действия:
двигателя.
Расход топлива при построении графика экономических харак-
теристик принято выражать в литрах на 100 км пути. В этом
случае, учитывая.выражения (3.40) и (3.42), расход топлива
(в л/100 км) будет составлять
л л 100
Qioo = Qs —~
ge^e _ \ 3,6» J
lOOvy ~?е 3,6ihpY
(3.43)
На рис. 3.17 приведены экономические характеристики некото-
рых советских автомобилей при движении с постоянной скоростью
на прямой передаче с полностью открытой дроссельной заслонкой
по ровным горизонтальным участкам дороги с усовершенствован-
ными покрытиями.
61
Iпередача
П передача
51
^*51
Ш передача
। !\ Скорость
УЛШпе-
Уц [редача
Рис. 3.18. Схема графического опре-
деления расхода топлива
Рис. 3.19. Зависимость износа шнн от
скорости движения:
Г — относительный срок службы шин, %.
Различные условные знаки относятся к
данным разных авторов
Расход топлива при движении автомобиля по заданному участ-
ку дороги может быть определен с использованием графиков дина-
мических и экономических характеристик при помощи построения,
показанного на рис. 3.18. Вначале должны быть определены ско-
рости движения на отдельных участках. Для этого предварительно
анализируют продольный профиль дороги, определяют протяжен-
ность участков^/ь /2,..., In с равными дорожными сопротивлениями,
которые мргут быть пройдены на тех или иных передачах.
Для этих участков строят график дорожных сопротивлений,
откладывая значения ф=/-н для условий движения с постоянными
скоростями и ty=f+i+j для участков разгона и замедления. Затем
находят по графикам динамических характеристик соответствую-
щие скорости движения автомобилей.
В результаты расчетов вводят поправки на действительные
условия движения, в частности ограничение скорости в отдельных
местах правилами движения. Для участков, на которых происхо-1*
дят изменения скорости, принимают ее среднее значение. Затем
по скоростям и значениям дорожных сопротивлений, используя
построенные под осью скоростей графики экономических харак-
теристик, определяют соответствующие каждому участку расходы
топлива Qhoo (в л/100 км) и на проезд каждого участка
€2
От скорости автомобиля на отдельных участках зависит так-
же износ шин. Высокие скорости движения значительно повышают
износ шин (рис. 3.19). Это вызывается значительным нагрева-
нием шин, а также увеличением силы ударов о неровности
дорожной одежды. Износ шин зависит также от типа по-
крытия.
Если принять пробег шин на дорогах с ровным твердым усовер-
шенствованным покрытием за 100%, то на дорогах .с менее ров-
ными покрытиями (щебеночные, гравийные, булыжная мостовая)
он снижается на 25—30%, а на дорогах с покрытиями с большим
количеством выбоин и других деформаций—на 50%.
Глава 4
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КРИВЫХ В ПЛАНЕ
4.1. Особенности движения автомобиля по кривым
На автомобиль, движущийся по криволинейному участку до-
роги, в точке кривой, радиус кривизны которой равен /?, дейст-
вует центробежная сила
C = mv2//?, ' (4.1)
где т — масса автомобиля, кг; v — его скорость, м/с.
Центробежная сила, перпендикулярная направлению движения,,
оказывает на автомобиль, водителя и пассажиров опрокидываю-
щее и сдвигающее воздействия. Перераспределяя давление между
правыми и левыми колесами и вызывая явление бокового увода
шин (см. п. 4.2), она осложняет также условия управления авто-
мобилем. На кривых малых радиусов увеличивается расход топли-
ва и повышается износ шин. В ночное время проезд криволи-
нейных участков осложняется тем, что свет фар освещает дорогу
перед автомобилем на меиьшее расстояние, чем на прямых участ-
ках. - *
Все указанные отрицательные факторы проявляются тем силь-
нее, чем меньше радиус кривой в плане. Поэтому безопасность,
удобство и экономичность движения автомобилей с расчетной
скоростью возможны только при назначении достаточно больших
радиусов кривых.
В общем виде выражение для определения радиуса круговых
кривых в плане может быть получено из следующих сообра-
жений.
При движении по кривой на автомобиль действуют две «илы,
приложенные к его центрутяжести (рис. 4.1): центробежная сила
С, направленная во внешнюю сторону закругления [см. уравне-
ние (4.1)]; G — вес автомобиля.
63
J
Рис. 4.1. Силы, действующие на ав-
томобиль при движении по кривой в
плане
Поскольку угол а мал
небречь. Тогда
Проектируя обе силы на нап-
равление поперечного уклона
проезжей части автомобильной
дороги, получаем
Y — — cos а ± mgl, (4.2)
А
где Y — результативная сила, стремя-
щаяся сдвинуть автомобиль с дороги,
называемая поперечной силой.
В зависимости от направле-
ния поперечного, уклона дороги
составляющая веса автомобиля,
равная mgi, может иметь знак
«+» или «—».
(cosa«l), его влиянием
можно пре-
mv2
± mgi.
(4.3)
Поделив все члены
получим
предыдущего уравнения на вес автомобиля,
У2
gR
(4.4)
± I •
Отношение Y/G, обозначаемое р, принято называть коэффи-
циентом поперечной силы. Задаваясь допустимыми значениями
коэффициента поперечной силы, можно определить радиус кру-
говых кривых
V2
/? =
(4.5)
Для практического использования этого выражения необходи-
мо нормировать допустимое значение коэффициента поперечной
-силы р.
Детальный анализ устойчивости и управляемости автомобилей
при движении по -криволинейной траектории даетея в курсе «Тео-
рия автомобиля».
4.2. Коэффициент поперечной силы
Действующая на автомобиль при проезде по кривой малого
радиуса поперечная сила оказывает на него ряд воздействий —
стремится сместить его с дороги или опрокинуть, затрудняет уп-
равление,. снижает комфортабельность поездки, а также, созда-
вая дополнительное сопротивление движению, увеличивает рас-
<64
ход топлива и износ шин. С уче-
том этих воздействий и определя-
ют предельные допустимые значе-
ния коэффициента поперечной
силы.
Устойчивость против заноса
является важнейшим условием
безопасного движения автомоби-
ля по кривой. Смещению автомо-
биля вбок под действием центро-
бежной силы и поперечного укло-
на покрытия препятствует сцепле-
ние щин с покрытием. Приложен-
ные к ведущему колесу автомо-
биля поперечная сила Y и тяго-
вое или тормозное усилие Р соз-
дают в плоскости контакта шин
с покрытием суммарное сдвигаю-
щее усилие Q, направленное под
углом к траектории движения
(рис. 4.2). Для устойчивости авто-
мобиля необходимо, чтобы было
соблюдено условие
VK2+P2 = Q <GK?np, (4.6)
где С к — нагрузка от ведущего или
заторможенного колеса на покрытие;
фпр — коэффициент продольного сцепле-
ния шины с покрытием.
Рис. 4.2. Соотношение между попе-
речными и продольными усилиями,
действующими на колесо автомобиля
При этом используется отмеченное выше (см. п. 3.3) обстоя-
тельство. Сопротивление шины заторможенного колеса сдвигу
практически не зависит от угла, составляемого направлением
равнодействующей с плоскостью движения колеса.
Под воздействием центробежной силы нагрузка между коле-
сами перераспределяется. При большом значении поперечной силы
тяговое усилие на менее нагруженном внутреннем колесе может
превысить силу сцепления и вызвать буксование колеса и занос
автомобиля. Критическим для устойчивости автомобиля является
случай интенсивного торможения с блокировкой колеса на кри-
вой, когда работа сил трения шины н дороги почти полностью
используется на погашение кинетической энергии поступательного
движения автомобиля и лишь малая ее доля остается иа сойро-
тивление смещению автомобиля вбок.
Составляющие коэффициента продольного сцепления <рпр в про-
дольном ф! и поперечном фи направлениях связаны зависимостью
?п = У ?пр - • (4-7)
3—977
65
Для устойчивости автомобиля на кривой против заноса необ-
ходимо, чтобы соблюдалось условие фп<?>У. Отсюда вытекает
требование, чтобы фп>У/б=р., т. е. коэффициент поперечной силы
р, не должен превышать остающейся части общего коэффициента
сцепления фп, сопротивляющейся смещению шины вбок. Чем'
большая часть <рг общего коэффициента сцепления используется
для преодоления продольного уклона при торможении автомобиля,
тем меньшая часть его поперечной составляющей <рц остается
для сопротивления сдвигу автомобиля на кривой.
В СССР считают, что используемая часть коэффициента про-
дольного сцепления в продольном направлении <pi должна состав-'
лять не менее 0,7—0,8 от его полного значения фщ>. В этом слу-
чае соответственно коэффициент фп равен 0,7 фпр иЛй 0,6 фп-р.
Для устойчивости автомобиля, при движении по кривой без
торможения необходимо, чтобы коэффициент поперечной силы
был меньше коэффициента поперечного сцепления цСфлоп.
Остойчивость автомобиля против опрокидывания обеспечи-
вается превышением удерживающего момента над опрокидываю-
щим (см. рис. 4.1).
Составляя уравнение моментов сил, действующих на автомо-
биль, относительно оси, проходящей через центры площадей кон-
тактов внешних колес, получаем
Yh — mg(bl2— Д),
откуда
(Х= —у- = -т|-(Д-2Д). (4.8) /
mg Zn
В этом выражении учитывается, что из-за деформации рессор
и эластичности шин центр тяжести автомобиля смещается в попе-
речном направлении на некоторую величину А. На основе опытов
боковое смещение А можно принять равным примерно 0,2 Ь. От-
ношение b/h для современных легковых автомобилей колеблется
от 1,8 до 2,5, для грузовых — от 2 до 3 и для автобусов — от 1,7
до 2,2, а высоты центра тяжести над поверхностью дороги 0,45—
0,6 м для легковых автомобилей, 0,65—1 м для грузовых и 0,7—
1,2 м для автобусов. Принимая наиболее невыгодные значения h
и bfh, получаем, что для устойчивости автомобиля против опроки-
дывания необходимо, чтобы коэффициент поперечной силы не пре-
вышал 0,6.
В нормальных условиях эксплуатации автомобилей и при обыч-
ных скоростях движения коэффициент поперечной силы не дости-
гает этого значения. Случаи опрокидывания обычно бывают свя-
заны с наездом колеса автомобиля на препятствие при заносе.
Удобство проезда кривой обеспечивается тем, что действую-
щая на водителя и пассажиров центробежная сила, наклоняю-
66
щая их вбок, не превысит значения, при котором проезд по кривой
становится неприятным.
Данные опытов показывают, что при коэффициенте поперечной
силы р=0,1 пассажир, не глядящий на дорогу, не может разли-
чить, движется ли автомобиль по кривой или на прямом участке
дороги. При |х=0,15 движение по кривой ощущается слабо, а при
р,=0,2, ясно ощущая движение, пассажир уже испытывает легкое
неудобство. При g=0,3 въезд с прямого участка на кривую ощу-
щается как толчок, наклоняющий пассажира вбок. Потому счи-
тают, что для обеспечения удобства проезда по дороге для пас-
сажиров коэффициент поперечной силы ц на кривых не должен
превышать 0,15, а в сложных условиях — 0,2.
(Экономичность автомобильных перевозок на криволинейных
участках связана с возникающим дополнительным сопротивлением
движению из-за явления бокового увода шин. Поперечная сила
вызывает боковую деформацию шин, в результате которой форма
площадки контакта шины с покрытием изменяется, а ее продоль-
ная ось образует некоторый угол по отношению к направлению
движения (явление бокового увода). Колесо, оставаясь в той же
вертикальной плоскости, начинает смещаться по этому направле-
нию (рис. 4.3). Водитель должен компенсировать боковой увод
соответствующим поворотом передних колес под углом к движе-
нию.
Экспериментальные исследования показали, что при углах бо-
кового увода, меньших 3—4° для шин легковых автомобилей и
4—5° для шин грузовых автомобилей, значение угла пропорцио-
нально боковой силе, приложенной перпендикулярно к плоскости
качения колеса:
5 = Г//Су., (4-9)
где Y—боковая сила, Н; Кув — коэффициент сопротивления уводу, завися-
щий от упругости пневматической шипы в поперечном направлении. Для шин
легковых автомобилей Кув равен от 15 до 40 Н/рад, для шин грузовых авто-
мобилей — от 30 до 100 Н/рад.
С увеличением угла бокового увода возрастает затрата мощ-
ности двигателя на качение колеса и резко повышается износ
шин. Опытные данные показывают, что если даже поперечная
сила ограничена значением, при котором угол увода не превы-
шает 1°, износ шин увеличивается в 5 раз. При этом из-за возрас-
тания сопротивления движению дополнительные затраты мощности
двигателя достигают 15%, что сопряжено с повышением расхода
топлива.
Этим условиям для современных легковых автомобилей соот-
ветствует коэффициент поперечной силы, примерно равный
и Г/G = б/Суй/G «0,1.
Таким образом, чтобы криволинейные участки дорог не яв-
лялись причиной существенного повышения себестоимости авто-
3*
67
Рис. 4.3. Боковой увод колеса:
а — движение при отсутствии* боковой силы; б — движение при наличии боковой силы; в
форма площадей контакта шины с покрытием при отсутствии и при наличии боковой силы;
б —г угол бокового увода
мобильных перевозок, необходимо проектировать кривые с радиу-
сами, обеспечивающими при движении автомобилей с расчетной
скоростью значения коэффициента поперечной силы, не превы-
шающие 0,1.
4.3. Назначение радиусов кривых в плане
Для безопасности, удобства и экономичности движения с рас-
четными скоростями следует назначать такие радиусы кривых
в плане на автомобильных дорогах, при которых по возможности
обеспечивается меньшее значение коэффициента поперечной
силы р.
В трудных условиях рельефа или в густонаселенной местно-
сти, когда увеличение радиуса ведет к резкому возрастанию объе-
ма земляных работ или к необходимости сноса ценных строений,
приходится допускать меньшие значения радиусов, безусловно,
обеспечивающие устойчивость автомобиля против заноса при дви-
жении с расчетной скоростью при благоприятном состоянии до-
роги, но вызывающие снижение удобства и экономичности поль-
зования дорогой на участке кривой.
Поскольку для обеспечения безопасности движения необходи-
мо, чтобы при проезде автомобиля по кривой имелся определен-
ный запас коэффициента сцепления для экстренного торможения,
для погашения поперечной силы можно использовать только часть
полного сцепления шины с покрытием. Поэтому расчетное значе-
ние коэффициента поперечной силы, назначаемое исходя из ком-
плексного учета требований устойчивости автомобиля, удобства
управления, комфортабельности поездок и экономичности пере-
возок, всегда составляет лишь некоторую часть коэффициента
продольного сцепления.
В табл. 4.1 сопоставлены установленные в предыдущем пара-
графе допустимые максимальные значения коэффициента попе-
68
Таблица 4.1
Показатели Предельные допустимые значения ц на покрытии
сухом <р—0,6 мокром <р=0,4 покрытом льдом Ф»0Д
Устойчивость против опрокидывания 0,60 0,60 0,60
Устойчивость против заиоса 0,36 0,24 0,12
Обеспечение удобства поездки для пас- 0,15 0,15 0,15
сажира
Экоиомичность эксплуатации автомо- 0,10 0,10 0,10
б иля
речной силы для различных требований устойчивости и исполь-
зования автомобиля.
Расчетным случаем при разработке норм на проектирование
дорог в СССР является движение по увлажненному незагряз-
ненному- покрытию с коэффициентом продольного сцепления 0,6
Обеспечить движение с высокими скоростями при гололеде или
по грязной поверхности покрытия невозможно, так как при ма-
лейшей неточности в регулировке тормозов и в результате влияния
поперечного уклона проезжей части и различия в шероховатости
покрытия под колесами автомобиля занос может возникнуть даже
при торможении на прямом участке.
При относительно благоприятных условиях местности для
расчетов наименьшего радиуса целесообразно ориентироваться на
значения р = 0,054-0,1, принимая его тем меньшим, чем выше
расчетные скорости движения. В СНиП 2.05.02-85 при определе-
нии минимальных радиусов принято р=0,12 для расчетных ско-
ростей 150 120 км/ч и р=0,18 для скорости 60 км/ч. •
Отечественные нормы на проектирование автомобильных до-
рог устанавливают следующие значения допустимых в трудных
условиях радиусов кривых в плане в зависимости от скорости
движения по дороге:
Расчетная скорость движения,
км/ч.........................150
.Категория дорог............ I
Наименьшие радиусы на труд-
ных участках дорог, м:
в равнинной местности . 1200
> горной > . 1000
120 100 80 60 50 40 30
II III IV V — — —
800 600 300 150 100 60 30
600 400 250 125 100 60 30
Если дорогу строят в открытой равнинной местности, увели-
чение радиуса сокращает ее длину и уменьшает строительные и
транспортные издержки. Поэтому в благоприятных для проложе-
69 <
Изолюксы
Рис. 4.4. Освещенность дороги светом фар:
В — ширина земляного полотна
ния трассы условиях рекомендуется на дорогах всех категории
назначать возможно большие радиусы кривых» не менее 3000 м,
условия движения по которым практически не отличаются от
условий на прямых участках.
На кривых малых радиусов часто не бывает обеспечена безо-
пасность движения с расчетной скоростью в ночное время, по*
скольку участок дороги, освещенный фарами, оказывается меньше
расчетного расстояния видимости. Важность удовлетворения тре-
Рис. 4.5. Схема к определению радиу-
са кривой из условия освещенности
дороги светом фар:
I — зона, освещаемая фарами; 2 — траек-
тория автомобиля
бований безопасности в ночное
время подчеркивается тем обстоя-
тельством, что при интенсивности
движения ночью, примерно в
10 раз меньшей, чем днем» поло-
вина дорожно-транспортных про-
исшествий приходится на этот'
период суток.
Оптические устройства фар
концентрируют лучи света в виде
эллиптической фигуры, которая
может быть охарактеризована
углом раствора пучка света фар а,
стягивающим в пределах земля-
ного полотна изолинию минималь/'
ной допустимой освещенности
поверхности ддроги, обычно пои-
нимаемую равной 2 лк (рис. 4.4).
70
Современные фары дальнего света обеспечивают видимость
на расстоянии около 175 м, максимум 250 м, что меньше расчет-
ных расстояний видимости. Однако при проектировании дорог, рас-
считанных на использование в течение длительного времени,
необходимо ориентироваться на дальнейший прогресс техники
автомобилестроения, предусматривая возможность видимости на
расчетное расстояние.
Радиус R, при котором видимость дороги на кривой будет соот-
ветствовать расчетному значению видимости S, может быть най-
дена из следующих соображений (рис. 4.5). Центральный угол
стягивающий дугу длиной S, равен (в град.)
Р=180$/лЯ (4.10)
Поскольку ₽ = 2а, то /? = 28,6$/а, или, округляя,
7? = 30S/a. (4.11)
Угол раствора пучка света для современных фар а«2°. Ра-
диус кривых, при которых свет фар освещает проезжую часть на
расстояние видимости (100—300 м), составляет от 1500 до 4500 м.
4.4. Переходные кривые
В момент въезда автомобиля с прямого участка на кривую
в плане условия движения изменяются. На автомобиль начинает
действовать центробежная сила. Теоретически она прилагается
мгновенно, практически же — в пределах короткого участка, на
котором водитель поворачивает рулевое колесо. Как показали
наблюдения, при въезде на кривые с радиусами менее 600 м во-
дители обычно снижают скорость движения. Чтобы изменение
условий движения не происходило слишком быстро, что неприятно
для пассажиров, а в неблагоприятных погодных условиях, когда
снижается коэффициент сцепления, может привести к заиосу ав-
томобиля, между прямым участком и кривой малого радиуса вво-
дят так называемую переходную кривую, в пределак которой
кривизна оси дороги плавно изменяется от нуля на прямом
участке до 1//? в начальной точке круговой кривой (рис. 4.6).
Для вывода уравнения переходной кривой примем, что режим
движения автомобиля и изменение действующих на него сил при
проезде переходной кривой удовлетворяют следующим требова-
ниям, обеспечивающим удобство и безопасность движения.
i 1. Скорость автомобиля при въезде на кривую »пр снижается
до скорости на кривой Ркр прямо пропорционально продолжитель-
ности проезда с постоянным допустимым отрицательным ускоре-
нием:
- "ч - »ч> (».р + ”.р> _
• - —----------------TZ-----------------й—, «•«)
где Т — продолжительность проезда переходной кривой* имеющей длину Д.
П
Рис. 4.6. Схема к выводу уравнения
переходной кривой:
а ~ нарастание центробежной силы С при
непосредственном сопряжении прямой и
кривой; б— то же при введении переход-
ной кривой; в — изменение скорости и кри-
визны в пределах переходной кривой; 1 —.
круговая кривая; 2 — прямая; 3 — факти-
ческое изменение центробежной силы во
время поворота рулевого колеса; 4 — пере-
ходная кривая
2. Центробежное ускорение возрастает прямо пропорционально
продолжительности движения по переходной кривой, т. е. в неко-
торой точке пёреходной кривой с радиусом г, расположенной на
расстоянии I от начала переходной кривой, которое автомобиль
проезжает через t секунд после въезда на переходную кривую:
«2/Г = Jt.
(4.13)
Параметр / может быть определен подстановкой в уравнение
(4.13) данных для конца переходной кривой vr=vKth и t=T.
Учитывая также, что Т — —--------, -
vKp “h vnp
2RL
(4.14)
Для промежуточной точки переходной кривой согласно урав-
нению (4.13)
J (»пр — Vr)
----. (4.15)"
г a
Подставляя в это выражение значения а и J из уравнений
(4.12) и (4.14), получаем
*
у? (упр — Цф) R
VKp(vnp vr)
Учитывая по аналогии с уравнением (4.12), что —2al
и ввод# Обозначения 1»пр/»кр=п; r/R=y, Ifr—x, получаем после
преобразований искомое уравнение переходной кривой
(Л —1)[л2 —X(n2-1)] ‘
у = ------- • (4.16)
п — V ri2 — к (л2 — 1)
Переходную кривую, описываемую этим уравнением, называют
тормозной кривой. Она хорошо соответствует фактическим траекто-
риям движения автомобилей при въездах на кривые малых радиу-
сов с торможецием и выездах с кривых с ускорением, например»
72
на примыканиях дорог, пересечениях дорог в разных уровнях, на
кривых малых радиусов горных дорог.
На автомобильных дорогах I—III категорий автомобили проез-
жают кривые без снижения скорости. В этих случаях применяют
переходные кривые более простого очертания. Их уравнение можно
получить, приняв, что с'пр—с'кр, т. е. п—\, что после раскрытия
неопределенности в уравнении (4.16) приводит к выражению ,
г = RL/1 = С/1, или С = rl. (4.17)
Выражение (4.17) представляет собой уравнение клотоиды
(радиоидальной спирали, радиоиды, спирали Корню)—основной
переходной кривой, применяемой на современных автомобильных
дорогах1.
Радиус кривизны клотоиды возрастает обратно пропорциональ-
но ее длине. Если к переходной кривой не предъявляются спе-
циальные требования обеспечения зрительной плавности трассы
(см. п. 12.3), то длину ее назначают исходя из условия, чтобы
центробежная сила нарастала во время проезда кривой достаточно
замедленно, не вызывая неприятных ощущений у пассажиров.
Для этого скорость нарастания центробежного ускорения J
[см. уравнение (4.14)] должна быть ниже значений, вызывающих
неприятные ощущения пассажиров.
В различных странах значение J принимают в пределах от
0,3 до 1 м/с3. Нормы на проектирование дорог СССР исходят из
значения 7=0,8 м/с3, что близко соответствует фактическим режи-
мам движения на дорогах.
Продолжительность проезда переходной кривой, в течение ко-
торого центробежное ускорение равномерно возрастает от нуля
до v2/Rt составляет t = v'2/RJ (где v — скорость автомобиля, м/с).
Отсюда необходимая длина переходной кривой (в м)
L ~ vt = v^/RJ
или, выражая скорость v в км/ч, L (в м):
L = ——----.
47RJ
(4-18)
Переходные кривые устраивают на дорогах всех категорий на
кривых с радиусами менее 2000 м:
Радиусы круговых
кривых, м . ... 30 60 100 200 300 500 600—10001000—2000
Длина переходных
кривых, м . . . . 30 40 50 70 90 НО 120 100
Приведенные длины переходных кривых следует рассматривать
как минимально допустимые. Нормативную длину переходных
кривых целесообразно увеличивать в 1,5—2 раза, поскольку
1 За рубежом используют уравнение клотоиды в виде A2=RL> Различие ве-
личии и размерности параметров А и С следует учитывать при пользовании из-
данными за рубежом таблицами для разбивки переходных кривых.
73
Рис. 4.7. Переходная кривая по клотоиде: ’ *
а —> клотоида; б —• сопряжение клотоидой прямолинейного участка трассы с круговой кривой
это придает трассе дороги большую зрительную плавность, спо-
собствующую проезду кривой без снижения скорости. При проек-
тировании автомобильных дорог, предназначенных для движения
с высокими скоростями, переходные кривые превратились из
вспомогательного элемента кривых малых радиусов в самостоя^
тельный элемент трассы дороги в плане и профиле, равноправ-
ный с прямыми и кривыми (см. п. 2.1).
Для разбивки переходных кривых иногда применяют урав-
нения других кривых, также удовлетворяющие требованиям зако-
номерного изменения кривизны. Наибольшее распространение
после клотоиды имеют кубическая парабола и лемниската Бер-
нулли.
В последние годы в ряде западноевропейских стран получают
распространение переходные кривые по биквадратной параболе,
которые обеспечивают в начале и конце кривой замедленное из-
менение поперечного ускорения. В СССР наибольшее распростра-
нение получила разбивка переходных кривых по клотоиде (рис.
4.7, а), исходные предпосылки о режиме движения автомобилей
по которой наиболее логичны.
Уравнение клотоиды в прямоугольной системе координат имеет
вид:
_ 15
Х ~ 40С2 + 3456С4 ’
/3 /7 /П | <419)
У = 6<Г “ 336СЗ + 42 240С5 ’ ]
где C==/?L; I — длина участка кривой, соответствующего координатам х и у!
Ряды дли х н у быстро сходятся, и при составлении таблиц обычно пользуются
двумя первыми членами уравнений (4Л9).
Переходные кривые по клотоиде имеют следующие особенно-
сти: угол т (в рад), образуемый касательной к клотоиде в точке
74
ее сопряжения с круговой кривой
(рис. 4.7, б), характеризуется
длиной кривой L и радиусом R:
и = L/2R = L2/2C-
Клотоиды, у которых соблюда-
ются соотношения Li=kLz, Ri =
—kRi W.YCX = K (где k —
коэффициент t пропорционально-
сти), геометрически подобны. Это
дает принципиальную возмож-
ность, составив таблицы для раз- Рис. 4.8. Смещение основной крииой
бивки переходной кривой при при введении переходных кривых
С=1 /«единичная клотоида>),
пользоваться ими при любых зна-
чениях С, умножая абсциссы и ординаты соответствующих точек
на У С.
Введение переходных кривых вызывает смещение основной
кривой внутрь угла с уменьшением ее длины с BE до CD (рис.
4.8). Это обстоятельство должно учитываться при назначении ра-
диусов кривых, так как для сохранения расчетного значения ра-
диуса R трасса должна быть разбита с радиусом Ri=R+p (где
р — сдвижка круговой кривой). Радиус R i = ОА + А В=R cos p + i/o,
где уо — ордината переходной кривой в точке примыкания к круго-
вой кривой; 0=L/2/?, рад.
Отсюда сдвижка p=Ri—R—yo—/?(1—cos Р).
Чавть основной круговой кривой при этом заменяется переход-
ной кривой. Согласно рис. 4.8 разбивка переходной кривой воз-
можна лишь при условии 2р<а. Если это условие не соблюдается,
должна быть уменьшена длина переходной кривой или увеличен
радиус R. Иногда считают, что введение переходных кривых ста-
новится излишним, если сдвижка меньше 0,2 м.
4.5. Уширение проезжей части на кривых
л
При повороте автомобиля каждое колесо его движется по
самостоятельной траектории, в результате чего ширина занимае-
мой автомобилем полосы проезжей части увеличивается (рис. 4.9).
Чтобы условия движения по кривой были аналогичны усло-
виям движения иа прямом участке, проезжую часть на кривых
малых радиусов необходимо уширять. Исходя из допущения, что
траектория движения автомобиля в пределах кривой является
окружностью, можно получить приближенное выражение для не-
обходимого уширения одной полосы движения на кривой. ;
Из подобия треугольников АВС и BCD находим
АС/ВС = ВС/CD, или AC(2R — AC) — Z2. (4.20)
Пренебрегая в скобках вели-
чиной АС, малой по сравнению
с 2R, получаем, что необходимое
уширение одиой полосы движения
Д = ЛС = /2/2Х?. (4.21)
Полученная формула ушире-
ния на кривой основывается на
чисто геометрических соображе-
ниях и не учитывает неизбежных
Рис. 4.9. Схема к определению шири*
иы полосы движения на кривой
отклонений автомобиля при движении от средней траектории. По-
этому она применима только для малых скоростей движения. При
больших скоростях уширение одной полосы движения рекоменду-
ется принимать большим, учитывая влияние скорости движения
v (в км/ч):
A = Z2/2/? + 0,05v/K/?.
(4.22)
Более сложно определение уширения для дорог со значитель-
ным движением автопоездов, у которых ширина полосы, занимае-
мой автопоездом, возрастает с числом прицепов. При обычных
сцепных устройствах во время поворота автопоезда вокруг общего
центра вращения прицепы смещаются внутрь кривой.
При малых радиусах поворота ширина полосы существенно
увеличивается. На горных и промышленных дорогах, предназна-
ченных для вывозки длинномерных грузов (бревна, трубы), в не-
которых случаях размеры земляного полотна и ширину покрытия
на кривых малых радиусов необходимо обосновывать индивидуаль-
-ными расчетами, контролируя размер выхода грузов за бровки
земляного полотна.
Строительные нормы и правила предусматривают уширение
проезжей части дорог с двумя полосами движения на кривых с ра-
диусами меиее 1000 м прн одновременном ограничении допустимых
длин автопоездов. Необходимое уширение проезжей части, состав-
ляя при радиусе кривой 1000 м 40 см, прн меньших радиусах,
увеличивается в зависимости от длины расчетных автопоездов до*
1,1—3 м на кривых радиусом 95 м и до 2,2—3,5 м — на серпантинах.
Проезжую часть уширяют с внутренней стороны кривой за счет
обочины. Остающаяся часть обочин должна быть ие менее 1,5 м
на дорогах I и II категорий и 1 м —на дорогах остальных катего-
рий.
В пределах кривой уширение имеет постоянный размер, а затем
постепенно уменьшается на протяжении переходных кривых.
На горных дорогах в виде исключения допускают на кривых
малых радиусов частичное размещение уширения иа внешней обо-
чине.
76
4.6. Виражи
Во многих случаях местные
условия т— рельеф или наличие
ценной застройки — не дают воз-
можности разместить кривую
расчетного радиуса. Особенно не-
благоприятные условия движе-
ния создаются для автомобилей,
следующих по встречной полосе
движения, поскольку составляю-
щая веса, параллельная уклону
проезжей части, складывается с
соответствующей проекцией ^цен-
тробежной силыу Кроме того.
чосдо>княется управление автомо-
билем/в связи с ббльшим, чем для
полосы встречного движения,ро-
ковым уводом шин/ В таких слу-
чаях для повышения устойчивости
автомобиля и большей уверенно-
L
Рис. 4.10. Схема виража на дороге с
двухскатной проезжей частью:
L — отгон виража н переходная кривая;
К — круговая кривая; В — ширина проез-
жей части; Д — уширение проезжей части
сти управления на кривых устраи-
вают односкатный поперечный
профиль — вираж — с уклоном проезжей части н обочин к центру
кривой (рис. 4.10).
Долгое время виражи рассматривали только как дополнитель-
ный элемент дороги на кривых малого радиуса, необходимый для
безопасности движения автомобилей. Однако опыт эксплуатации
автомобильных магистралей показал, что виражи оказывают поло-
жительное психологическое воздействие на водителей, способствуя
уверенному проезду кривых без неоправданного снижения скоро-
сти. При отсутствии виражей скорость на кривых снижается. По-
этому в настоящее время в СССР виражи устраивают на всех кри-
вых с радиусами, меньшими 3000 м на дорогах I категории и
2000 м — на остальных.
Поперечный уклон виража, необходимый для обеспечения ско-
рости движения v (в м/с), при заданном радиусе кривой R может
быть определен путем преобразования выражения (4.5):
/вир= ~7r~ “?1р
где фп — расчетное значение используемой части коэффициента сцепления
колеса с дорогой; в данном случае за основной критерий, определяющий коэф-
фициент поперечной силы (см. п. 4.2), принимают устойчивость автомобиля про-
тив заноса.
Расчетные значения поперечного уклона на вираже для высоких
скоростей движения при малых радиусах кривых могут получаться
77
значительными. Такие виражи устраивают, например, на автодро-
мах, предназначенных для автомобильных гонок.
При проектировании виражей иа автомобильных магистралях,
рассчитанных на высокие скорости движения, исходят из различных
допущений о пропорциональном распределении поперечной силы
между сопротивлением шины сдвигу вбок по покрытию и сопротив-
лением поднятию автомобиля вверх по виражу.
Обычно считают, что на вираж можно передать ’/з—’/ч дейст-
вующей на автомобиль центробежной силы С. Обозначим его долю
78
в общем виде 1/п. Тогда
С V2
/вир = —~ . (4.23)
р nQ ngR
На сопротивление шин боковому сдвигу остается
(п — 1) у2 __
п gR “?п*
Рис. 4.11. Способы перехода от двухскатного поперечного профили к односкат-
ному на виражах:
а — при повороте поперечного профиля около осн проезжей части: б — при повороте попе-
речного профиля около внутренней бровки н середины проезжей части; 1 — S — отметки
характерных точек Поперечного профиля
79
Подставляя найденное значение Л в выражение (4.23), получаем
после преобразований
fn
*'вир= 1 • (4-24)
При фп = 0,18 и п=4 1Вир= 0,06 = 60%.
Действующие Строительные нормы и правила предусматрива-
ют на кривых больших радиусов (2000 м и более) уклон виража,
равный поперечному уклону проезжей части на кривых 600 м и
менее — 60%. В районах с частыми туманами и длительными пе-
риодами гололеда уклоны виражей не должны превышать 40%.
Лишь в районах с незначительной продолжительностью снегового
покрова и редкими случаями гололеда допускается увеличивать
поперечный уклон проезжей части на вираже до 100*%. Однако та-
кие крутые виражи неудобны для грузовых автомобилей, движу-
щихся со скоростью, меньшей расчетной.
При поперечном уклоне виража, равном уклону проезжей части
на прямом участке, для перехода к односкатному профилю посте-
пенно поворачивают внешнюю половину проезжей части вокруг
оси дороги.
При более сложном и в то же время частом случае разбивки
виража с уклоном, превышающим уклон проезжей части дороги,
для перехода к односкатному профилю производят одновременный
поворот внутренней половины поперечного профиля около внутрен-
ней кромки покрытия, а внешней — около оси проезжей части. При
этом одновременно ось проезжей части смещается внутрь на поло-
вину уширения покрытия (рис. 4,11).
Поперечный уклон обочин на виражах принимают равным укло-
ну проезжей части дороги, предусматривая их укрепление; Уклон
обочин изменяют на протяжении 10 м перед началом виража. Для
безопасности движения необходимо, чтобы внешняя обочина имела
уклон в ту же сторону, что и проезжая часть. В этом случае при
случайном заезде колеса на обочину действующая на автомобиль
поперечная сила не меняется. Однако при неукрепленных обочи-
нах на проезжую часть во время дождей стекает грязь, уменьшаю-
щая коэффициент поперечного сцепления. Поэтому неукрепленным
обочинам часто вынужденно придают обратный уклон от центра
кривой.
Переход от двухскатного поперечного профиля проезжей части
на прямом участке к односкатному профилю на вираже осуществ-
ляют плавно в пределах участка, называемого отгоном виража
(рис. 4.12). Длина его не должна быть слишком короткой, так как
в этом случае при движении автомобиля с большей скоростью по'
дороге с меняющимся поперечным профилем возникает неприят-
ное для пассажира боковое раскачивание автомобиля. Минималь-
ную необходимую длину отгона виража, которая не должна быть
меньше длины переходно!) кривой,определяют исходя из допол-
80 - ’ ’
нительного уклона, возникающе-
го у внешней кромки проезжей
части в "результате ее поднятия
при устройстве виражей.
Если продольный уклон оси
дороги составляет inp, то общий
уклон кромки проезжей части на
участке отгона виража
I
^отг — ^пр ~ *пр ^доп» (4.25)
где В — ширина проезжей части;
L — длина отгона виража; /ПОп — попе-
речный уклон покрытия.
Минимальная длина отгона
рис. 4.12
Рис. 4.12. Схема к определению длит
иы отгона виражд.
виража составляет согласно
^ОТГ — ^вир/^лоп
(4.26)
Общий уклон по кромке проезжей части на участках отгона ти-
ража не должен превышать допускаемый для данной дороги в
исключительных случаях. Дополнительный продольный уклон на
участке отгона виража для дорог I и II категорий принимают не
более 5%, а для прочих дорог—10% в равнинной и пересеченной
местности и 20%— в горной.
4.7. Требования к видимости на дорогах
На прямом горизонтальном участке водитель видит перед со-
бой дорогу на болыпбм расстоянии. На кривых в плане и у пере-
ломов продольного профиля видимый участок дороги значительно
уменьшается. В таких местах при проектировании должна быть
специально обеспечена расчетная видимость — расстояние перед
автомобилем, на котором водитель должен видеть перед собой до-
рогу, чтобы, заметив препятствие, осознать его опасность и успеть
объехать «ли затормозить и остановиться.
В теории проектирования дорог предложено много схем види-
мости, учитывающих условия движения автомобилей, а также рас-
положение автомобилей и препятствий на дороге. Их можно раз-
делить на две основные группы:
схемы, предусматривающие остановку автомобиля перед пре-
пятствием или встречным автомобилем;
схемы, исходящие из объезда автомобилем препятствия или
обгона попутного автомобиля с заездом иа смежную полосу дви-
жения.
81
Рис. 4.13. С^ема определения расстояния видимости из условия отгона
В первом случае используют формулу для определения расстоя-
ния (в метрах), на котором водитель может остановить автомо-
биль,
$ = ——
3,6
где v — скорость, км/ч.
K9v2
(4.27)
В зависимости от исходных предпосылок может рассматривать-
ся остановка автомобиля перед препятствием или встречное дви-
жение двух автомобилей по одной полосе. В последнем случае рас-
стояние видимости складывается из суммы тормозных путей двух
автомобилей и зазора безопасности между ними.
. Многочисленные схемы для расчета видимости из условия об-
гона основаны на определении пути, необходимого для обгона ав-
томобиля, едущего с меньшей скоростью, более быстрым, и неиз-
бежно содержат ряд допущений о режимах и траекториях движе-
нМя автомобилей. Наблюдаемые на практике режимы движения
при обгоне зависят от многих факторов и не могут быть охвачены
какой-либо одной схемой. Поэтому целесообразно исходить из схем,
достаточно простых и обеспечивающих запас надежности, напри-
мер схемы, предложенной проф. М. С. Замахаевым (рис. 4.13),
которая предусматривает следующий процесс движения при обгоне.
По этой схеме началом обгона считается момент, когда обгоняю-
щий автомобиль 1 приблизится к обгоняемому автомобилю 2 на
расстояние, равное разности их тормозных путей (Si—S2) и пути,
который автомобиль проходит с момента принятия водителем ре-
шении об обгоне. По аналогии с процессом торможения это время
можно принять равным 1 с. За этот период автомобиль проходит
расстояние 1\. Поэтому заезд на полосу встречного движения на-
чинается на расстоянии от обгоняемого автомобиля:
Z2"/i — S2) = /i 4- — ,
2^?пр
82
где v2 — скорость переднего автомобиля, м/с; Vi — скорость заднего автомо-
биля, м/с; фПр — коэффициент продолдэ — коэффициент экс-
плуатационного состояния тормозов, принимаемый-дая обоих автомобилей оди-
наковым.
При разности скоростей автомобилей (vi—02) задний автомо-
биль нагонит передний и поравняется с ним, пройдя путь
2
L „ + *4> Vi = vi КэУ1(У1 + Уз)
1 ~ Vj — V2 ~ V! — V2 2^пр
где Ц — длина автомобиля.
После того как задний автомобиль поравняется с обгоняемым^
он должен вернуться на свою полосу движения. По соображениям
безопасности он должен опередить для этого обгоняемый автомо-
биль на расстояние, равное длине его тормозного пути S2, увели-
ченное на некоторое расстояние безопасности /о=54-1О м и на
длину автомобиля /4- При этом
^з = + А>-
Отсюда путь, проходимый поравнявшимся автомобилем 1 до*
возвращения на свою полосу движения,
(/я + Vi / v2 . \ Vi
V1 — v2
2£?пр
V1 — у2
Предельный случай возможности осуществления обгона с вы-
ходом на полосу встречного движения соответствует возвращению
обгоняющего автомобиля на свою полосу к моменту встречи со
встречным автомобилем 3, идущим со скоростью о3, который за
период обгона проходит путь
v3.
(4.28)
Отсюда расстояние видимости из условия обгона
5©бг — — 1 + 2Z4 +
V1 + v2
Vj — v2
(4.29)
В СССР при расчетах видимости исходят из предпосылки, что
глаза водителя расположены на высоте 1,2 м над поверхностью
покрытия посередине полосы движения, а препятствие на дороге
имеет высоту 0,2 м. Для этих условий необходимые расстояния ви-
димости приведены в табл. 4.2.
Технические условия большинства стран также предусматрива-
ют обязательные расстояния видимости 200—300 м. Однако за ру-
бежом при проектировании дорог магистральногд типа с высоки-
ми скоростями движения стремятся обеспечить видимость не менее
83
Таблица 4.2
Расчетная схема Минимальное расстояние видимости при расчетных скоростях, км/ч
видимости 150 120 ipb . 80 60 50 40 30
Препятствие на дороге Встречный автомобиль 300. 250 450 / 200 / Й50/ > 150 250 85 170 75 130 55 ПО 45 90
600—750 м, так как это увеличивает уверенность водителей при уп-
равлении и повышает безопасность движения.
Для дорог в густо 'застроенной местности, особенно в городских
условиях, а также на пересечениях с автомобильными и железными
дорогами в одном уровне обеспечение безопасности движения тре-
бует достаточной боковой видимости придорожной полосы. Води-
тель автомобиля должен иметь возможность заблаговременно уви-
деть на улице ребенка, выбежавшего со двора или с тротуара, а на
пересечениях в одном уровне — приближающийся автомобиль или
поезд ц успеть остановиться.
Минимальное необходимое расстояние боковой видимости
(рис. 4.14)
$бок = S, (4.30)
va
где va — расчетная скорость автомобиля; vn — скорость движения пешехода
или транспортного средства по пересекающей дороге; для бегущего человека мо-
жет быть принята 10 км/ч; S — расчетное расстояние видимости из условия
остановки перед препятствием [см. уравнение (4.27)].
Нормы требуют обеспечивать боковую видимость от кромки
проезжей части 25 м на дорогах I—III категорий и 15 м на дорогах
IV и V категорий.
4.8. Обеспечение видимости на кривых в плане
Видимость на кривых в плане проверяют для автомобиля, сле-
дующего по крайней внутренней полосе движения. Принимается,
что глаз водителя расположен посередине полосы движения и на
высоте 1,2 м: Поскольку под видимостью подразумевается длина
пути, который автомобиль проходит по дороге, расстояние видимо-
сти при проверке измеряют по траектории движения автомобиля.
Рис. 4.14. Схема определения расстоя-
ния боковой видимости:
В — ширина проезжей части
84
Рис. 4.15. Схема определения видимости на кривых в плане:
л — графическое построение границ срезки видимости; б — граница вырубки леса; в — гра-
ница срезки в выемке; В— ширина проезжей части; П—'полоса движения автомобиля;
/—«расчистка для обеспечения видимости в Лесу; 2 — граница зоны видимости; 3 —срезка
и выемке; 4 — минимальный необходимый уровень срезки; 5 — наиболее целесообразный
уровень срезки; 6 — положение глаз водителя
Исчерпывающий математический анализ видимости в плайе
(В. И. Ксенодохов, А. А. Белятынский) исходит из исследования
уравнения кривой, огибающей систему лучей взгляда водителя при
движении автомобиля по круговой кривой с переходными кривыми
и уширениями. На практике для построения границ срезки препят-
ствий в зоне видимости чаще всего применяют графический метод.
На плайе закругления, вычерченном в крупном масштабе (рис.
4.15), на траектории движения автомобиля намечают ряд точек, от
которых откладывают расстояния видимости. Затем концы этих
-отрезков соединяют прямыми линиями, огибающая которых опреде-
85
к
Рис. 4.16. Схема к определению срезки видимости:
1 — приближенная граница срезки видимости
ляет границу видимости. Намечая уровень срезки в выемках, не-
обходимо учитывать зарастание нх в дальнейшем травой и выпа-
дение снега. Наиболее целесообразно доводить срезку в выемках
до уровня поверхности дороги.
Для проверки обеспеченности видимости дороги в плане и упро-
щенного построения границ зоны видимости можно ограничивать-
ся установлением размера срезки в середине кривой по биссектри-
се. Рассмотрим наиболее общий случай, когда длина кривой /С
меньше, чем необходимое расстояние видимости S.
Согласно рис. 4.16 необходимая срезка
8 = DE + ЁН.
В этом выражении DE=Ri—ОЕ (где Ri— радиус траектории
автомобиля). Но OE=R\ cos (где а — центральный угол кри-
вой) .
Отсюда:
62?=/?! (1 — cos—-У
X “ У
ЁН = ~АР = ЁМ ain -у ,
но
Отсюда
2 V “ 180 /
ЕН ~ AF = V (S -
& \
180 /
а
sin —.
2
Общая ширина срезки
« = Rr (1 - cos —j + — (S - —-) sin —. (4.31)
В частном случае, когда K>S, выражение (4.31) упрощается и
принимает вид
I а, \
8 = /?j 1— cos—, (4.32)
где си — угол, стягивающий дугу окружности, равную расстоянию видимо-
сти, град.:
$180°
а _ -----—— 9
nRi
В обоих случаях в пределах кривой величину срезки можно
принять постоянной и провести границу срезки по концентриче-
ской окружности. Срезка должна начинаться на прямой или пере-
ходной кривой на расстоянии видимости S. от начала и конца кри-
вой. ’
Если видимость ограничивается пролетными строениями мостов
с ездой понизу или опорами путепроводов, для ее обеспечения не-
обходимо перетрассировать дорогу, устранив кривую или сущест-
венно увеличив ее радиус.
Глава 5
ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕМЕНТАМ ДОРОГИ
В ПРОДОЛЬНОМ И ПОПЕРЕЧНОМ ПРОФИЛЯХ
5.1. Нормирование продольных уклонов нв дорогах
При разработке технических условий на проектирование дорог
и нормировании предельных продольных уклонов необходимо, учи-
тывать, что поток движения по дорогам состоит из автомобилей
разных типов, загруженных в разной степени и имеющих различ-
ное техническое состояние. Состав транспортных потоков может
меняться в процессе службы дороги. Поэтому возможность норми-
рования требований к продольным уклонам на дорогах исходя из
конкретных динамических характеристик какого-либо одного типа
автомобиля, принятого за расчетный, может возникнуть только в
ограниченном числе случаев, например в промышленном транспор-
те при открытой разработке полезных ископаемых в карьерах,
когда заранее известен типаж используемых автомобилей.
При разработке технических условий на автомобильные дороги
общего пользования исходят из принципа наименьших суммарных
87
i при nfim./cipn
Рис. 5.1. Схема к обоснованию значе-
ний продольных уклонов:
1 — строительные расходы иа одни авто-
мобиль за срок окупаемости; 2 — эксплуа-
тационные расходы иа один автомобиль;
3 — суммарные затраты иа одни автомо-
биль за срок окупаемости
затрат для народного хозяйства,
оценивая совокупно влияние ук-
лонов на стоимость строительства
дорог и иа эксплуатационные по-
казатели автомобильного транс-
порта— скорость движения, рас-
ход топлива и использование гру-
зоподъемности автомобилей.
В принципе подход к нормиро-
ванию продольных уклонов сво-
дится к следующему.
При преодолении какого-либо
участка подъема с разными про-
дольными уклонами на стоимость
строительства в основном влияют
объемы земляных работ, тем
большие, чем меньший принима-
ют продольный уклон. Стоимость
строительства, отнесенная к од-
ному прошедшему автомобилю за срок, в течение которого долж-
ны оправдаться затраты на строительство (директивный срок
окупаемости, см. ч. 2 настоящего учебника), будет выражаться в
зависимости от значения продольного уклона гиперболическими
кривыми (рис. 5.1). Строительные расходы, отнесенные к одному
автомобилю» будут тем меньше, чем выше интенсивность движе-
ния.
Эксплуатационные затраты автомобильного транспорта на
проезд одного автомобиля, наоборот, возрастают с увеличением
продольных уклонов (сплошная линия на графике), не меняясь в
зависимости от принятого срока окупаемости строительных рас-
ходов.
Оптимальное значение продольного уклона соответствует ми-
нимуму суммарных затрат. Оно тем меньше, чем выше расчетная
интенсивность движения.
В СНиП 2.05.02-85 и СНиП 2.05.11-83 установлены следующие
максимальные допустимые продольные уклоны при разных расчет-
ных скоростях:
Расчетная скорость, км/ч 150 120 100 80 60 50 40 30
Продольный уклон, . 30 40 50 60 70 80 90 100
(70) (80) (90)
Примечание. Значения уклонов и скобках соответствуют нормам иа внутрихозяй-
ственные дороги.
Рекомендуется, если это не связано с чрезмерным удорожа-
нием стоимости строительства, проектировать дороги всех катего-
рий с уклонами, не превышающими 30%.
В особо трудных условиях горной местности ниже 3000 м над
уровнем моря разрешается увеличивать продольный уклон на уча-
88
стках длиной до 500 м не более чем на 2О%о против приведенных
выше норм, если это дает значительное снижение расходов на
строительство. Однако применение этого исключения на коротких
трудных участках дорог, проходящих на большей части протяжен-
ности в относительно благоприятных условиях рельефа, приводит к
резкому ухудшению транспортно-эксплуатационных характеристик
дороги в целом и к образованию на ней неудобных и опасных для
движения участков. Поэтому увеличение продольных уклонов
оправдывается лишь в горной местности на участках с особо кру-
тыми склонами, где скорости на всей дороге невелики. Чем больше
протяженность подъема, тем сильнее проявляется влияние продоль-
ного уклона на условия движения автомобилей.
На основе исследований д-ра техн, наук В. В. Сильянова мож-
но рекомендовать в равнинной и холмистой местности следующие
предельные длины участков с разными уклонами:
Уклон, % о............ 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Предельная длина подъе-
ма, м .. .......... 2000 1200 600 400 300 250 200 150 150
Нормы максимальных продольных уклонов в СССР мало от-
личаются от норм, принятых в других странах.
5.2. Вертикальные кривые
Вертикальные кривые на автомобильных дорогах описывают
по квадратичной параболе с уравнением
(5-1)
у * 27? ’
где R — радиус кривизны в начале координат, расположенном* в вершине
кривой. Знак <+» соответствует выпуклым кривым, знак <—> — вогнутым.
В связи с большими радиусами, вертикальных кривых на авто-
мобильных дорогах абсциссу х можно принимать без сколько-
нибудь ощутимых погрешностей, равной длине участка кри-
вой /.
Уклон в некоторой точке вертикальной кривой А на расстоя-
нии от ее вершины:
. dy х 1А
I = ----- = — д, —- в
dx R R
Эта приближенная зависимость позволяет получить ряд фор-
мул, связывающих уклоны касательных к кривой с другими ее эле-
ментами (рис. 5.2):
(5-2)
89
Рис. 5 2. Схема к определению эле-
ментов вертикальных кривых на ав-
томобильных дорогах
Рис. 5.3, Схема к расчету радиуса
вертикальной выпуклой кривой из ус-
ловия видимости
расстояние от вершины кривой
до точки А с уклоном 1д
(5.3>
кривой А и В, имеющими уклоны
(5.4>
Z. = /?Га;
расстояние между точками
/а и 1в
I = 1а — 1в = В (1д — /д);
разница отметок точки С с уклоном ic и вершины кривой
гс (fflc)2 _ №
"С 2R 2R 2 ’
(5.5>
разница отметок точек, уклоны которых составляют м и ic,
ьн = Нс-На=-±-(Рс-11а). . (5.6>
► ' - t ,
Значение радиуса выпуклых круговых вставок определяют ив
условия обеспечения расчетной видимости поверхности дороги во-
дителем автомобиля. При необходимых для этого радиусах верти-
кальных кривых отрицательное влияние иа управляемость и устой-
чивость автомобиля центробежной силы, возникающей при проезде
кривой и уменьшающей сцепной вес автомобиля, весьма невелико.
Расчет исходит из простых геометрических соотношений (рис.
5.3). Пусть hi — возвышение глаза водителя над поверхностью до-
роги, Лг— возвышение препятствия, видимость которого должна
быть обеспечена. Расчетное расстояние видимости на выпуклой,
кривой состоит из двух отрезков: li и
Из подобия треугольников АВС и ACD, принимая в связи с
большим размером по сравнению с hi AE=AF=hi, получаем
и аналогично 1%
90
Следовательно, расчетное расстояние видимости
£ = Z1+Z1 = (/ft[ + ]<*7)-/2«, (5.7)
откуда
________£2
2 4-/Л^)2
Для случая встречи двух однотипных автомобилей, пренебрегая
разницей между уровнем глаз водителя и высотой автомобиля, по-
лучим
R = £2/8*!. (5.8)
При расчете на видимость поверхности дороги величина ha==0
и, следовательно,
R = £2/2*1. (5.9)
Радиус вогнутых кривых определяют исходя из значения цент-
робежной силы, допустимой по условиям самочувствия пассажира
и перегрузки рессор.
При допускаемом центробежном ускорении b (в м/с2) имеем
v^[R — b, откуда R = v^lb. (5.10)
При разработке норм на проектирование вертикальных кривых
в СССР принимают 6=0,54-0,7 м/с2.
Вогнутые кривые малых радиусов неудобны для движения в
ночное время, так как свет фар освещает поверхность покрытия
вблизи от автомобиля на расстоянии, меньшем расчетной видимо-
сти. Радиусы вогнутых вертикальных кривых, иеобходимые для
обеспечения видимости при свете фар, определяются исходя из
следующих соображений.
Согласно рис. 5.4 при угле распространения пучка лучей фар
в вертикальной плоскости 2а верхняя граница освещенного участ-
ка проезжей части возвышается над началом координат на высоту
//= Аф 4-S sin а, (5.11)
где *ф — возвышение центра фары иад поверхностью дороги; S — расчетное
расстояние видимости.
По геометрическим закономерностям, связывающим хорду и
радиус,
АС « 2R ~СВ, или S2 ~ 2R (Аф -f- S sin а).
Отсюда
_________$2
- 2 (Аф 4- S sin а)
Поскольку угол а мал, можно принять
Л = 52/2*ф.
91
Строительные нормы и правила СССР рекомендуют, если это
возможно по местным условиям и не ведет к удорожанию строи-
тельства, применять радиусы вертикальных выпуклых кривых не
менее 70 000 м (длина кривой более 300 м) и вогнутых кривых —
8000 м (длина кривой не менее 100 м).
5.3. Ширина проезжей части и обочин
Как показывают наблюдения, даже при стремлении водителя
ехать точно по прямому направлению, автомобиль фактически
движется по некоторой синусоидальной траектории. Отклонения
этой траектории от прямой тем больше, чем выше скорость движе-
ния. Поэтому чем выше скорость движения автомобиля, тем боль-
шая ширина полосы движения ему необходима на проезжей части.
Профессор Я. В. Хомяк считает, что расстояние, на которое води-
тель удаляет автомобиль от края смежной полосы движения, зави-
сит от скорости углового перемещения встречного автомобиля в
поле его зрения (рис. 5.5).
Еслц водитель смотрит прямо перед автомобилем, то движение
встречного автомобиля воспринимается им, пока этот автомобиль
находится в пределах зоны видимости, ограниченной углом ясного
зрения 20, примерно равным 90° в горизонтальной плоскости
92
(«поле взора»). Угловая скорость перемещения встречного автомо-
биля в поле зрения водителя ш определяется скоростью изменения
угла а:
/ z
d f arc ctg —
rfa ( \ I
Id = ----- ------------------
dt dt
где I — расстояние между автомобилями.
Относительная скорость двух автомобилей (в м/с)
dl dl
Vi Ч- Va = ---или dt = -------,
dt Vj + v2
^arcctgT^(v1 + v2) ,(V1 + V2)
откуда “ = -T, \ -----,2 . ,2
(5.13)
Предельное значение а, при котором водитель, не поворачивая гла-
за, различает движение встречного автомобиля, а=90—0. Соответ-
ствующее ему значение I—ztg (90°—р).
По проф. В. С. Кравкову предел угловой скорости перемещения
изображения по сетчатке ©max, при которой движущиеся предметы
распознаются глазом, составляет 2л в секунду. Подставляя в фор-
мулу (5.13) значения /исои учитывая, что р—45°, получаем
z = (vi 4-v2)/4rt, (5.14)
или, другими словами, расстояние между встречными автомобиля-
ми, которое стремятся выдерживать водители, прямо пропорцио-
нально сумме скоростей этих автомобилей.
Необходимая ширина полосы движения складывается из шири-
ны кузова автомобиля и расстояний от кузова до края смежной
полосы движения и от колеса до кромки проезжей части. Эти рас-
стояния зависят от индивидуальных особенностей водителей и ме-
няются в известных пределах. Поэтому необходимые их значения
могут быть установлены только на основе большого числа наблю-
дений. Такие наблюдения проводились в СССР неоднократно
(М. С. Замахаев, Д. П. Великанов, Н. Ф. Хорошилов и др.). В осно-
ву рекомендации СНиП 2.05.02-85 положены результаты многолет-
них исследований Н. Ф. Хорошилова, который предлагает опреде-
лять ширину проезжей части дороги с двумя полосами движения
(рис. 5.6) по формуле
В = Ь 4-с 4-2i/ 4-х, (5.15)
где b — ширина кузова автомобиля, м; с — колея автомобиля (расстояние
между внешними гранями следа наиболее широко расставленных колес), м; х —
зазор между кузовами встречных автомобилей, м; у—расстояние от внешней гра-
ни следа колеса до края проезжей части, м.
Для величин х и у предложены эмпирические формулы:
х == 0,3 + 0,1 Vvj + v2; у = Vo,l + 0,0075v, (5.16)
где х, у — в м; v — в км/ч.
9Х
Рис. ?5.6. Схема к определению шири-
ны полосы движения
При движении в одном на-
правлении по смежным полосам
проезжей части, например при
обгоне:
х = 0,3 + 0,075 ;
у = У 0,1 +0,0075v.
(5.17)
Структура формул (5.16) и
(5.17) отличается от теоретиче-
ской зависимости (5.14). Это объ-
ясняется тем, что при выводе
уравнения (5.14) предполагалась
свободная возможность смещения
автомобиля вправо. В фактиче-
ских условиях движения этому препятствует боязнь водителей съе-
хать с покрытия на обочину, в результате чего они удаляются от
встречных автомобилей на меньшее расстояние.
Формулы предусматривают случай движения по проезжей ча-
сти, сопрягающейся в одном уровне с прочными ровными обочи-
нами. При наличии у кромки проезжей части возвышающегося
бордюра, как показывает опыт, водители, боясь наезда на них,
не* используют край покрытия на ширину, равную двум-трем
высотам бордюра.
В настоящее время при расчетах ширины проезжей части до-
рог I—III категорий исходят из меньших скоростей движения,
чем при обосновании требований к элементам плана и продоль-
ного профиля. Это решение является вынужденным, поскольку
дорожная одежда является самой дорогостоящей частью дороги,
а большие ^ддачи дорожного строительства в СССР требуют
Максимально экономичного использования средств, выделяемых на
дорожное хозяйство. Уширить проезжую часть всегда возможно
в процессе последующей эксплуатации, тогда как реконструкция
дороги в плане и профиле часто бывает затруднительна или даже
невозможна.
При обосновании необходимой ширины полосы движения
следует рассматривать два возможных случая встречи автомо-
билей: первый— легковых автомобилей, имеющих небольшую ши-
рину, но высокие скорости; второй — грузовых автомобилей с
широкими кузовами, но движущихся с меньшими скоростями.
Назначение ширины проезжей части — задача технико-эконо-
мическая. На дорогах с малой интенсивностью движения для сни-
жения расходов на строительство принимают меньшую ширину
полосы движения, сознательно предусматривая необходимость сни-
жения скорости при немногочисленных встречах автомобилей.
В сложных горных условиях и на внутрихозяйственных дорогах;
иногда допускают постройку дорог с проезжей частью на одну
94
полосу движения с устройством специальных уширений, на кото-
рых один из автомобилей ожидает проезда встречного. С каждого
уширения должно быть видно следующее.
Строительные нормы и правила предусматривают следующую
ширину одной полосы движения, в общем удовлетворяющую сред-
ним современным условиям движения по дорогам:
Категории дороги ......... I, II III IV
Ширина полосы движении, м . . . . 3,75 3,5 3,0
Дороги V категории имеют проезжую часть на одну полосу дви-
жения шириной 4,5 м.
На автомобильных дорогах, проходящих в пересеченной мест-
ности, скорость автомобилей меняется на протяжении чередую-
щихся подъемов и спусков. Многие водители специально увеличи-
вают скорость в нижней части спусков, чтобы, накопив кинети-
ческую энергию, легче преодолеть последующий подъем. Поэтому
на участках высоких скоростей желательно устраивать более ши-
рокую проезжую часть. Строительные нормы и правила преду-
сматривают увеличение ширины полосы движения в пределах
средней части вогнутых вертикальных кривых прй алгебраической
разности сопрягаемых уклонов 6О%о? и более на 0,5 м для дорог
II и III категорий и на 0,25 м — на дорогах III и IV категорий.
Длина уширенных участков должна быть не менее 100 м для дорог
II и III категорий и 50 м для дорог IV и V категорий.
Подъемы круче 30—4О%о автомобили большой грузоподъемно-
сти, имеющие малый запас мощности, и автопоезда могут пре-
одолевать лишь с весьма низкими скоростями, часто не более
10—15 км/ч, вынуждая весь транспортный поток следовать за
ними с той же скоростью. Для отделения из основного потока
автомобилей, обладающих низкими динамическими качествами, на
дорогах с интенсивным движением (150—200 авт/ч в сторону
подъема) проезжую часть уширяют, устраивая дополнительные
полосы в направлении, ведущем на подъем (рис. 5.7). Ширину
дополнительных полос назначают не менее 3,5 м. Чтобы пере-
строение автомобилей не создавало помех движению транспорт-
ного потока, дополнительные полосы должны начинаться не менее
чем за 50 м до начала подъема и продолжаться не менее чем на
50—200 м за подъем.
Устройство обочин по обе стороны проезжей части должно
обеспечивать прочность краев дорожной полосы и возможность
съезда и стоянки автомобилей. При ремонте покрытий на обочи-
нах складывают материал, а иногда используют их для объезда.
Минимально допустимой является такая ширина обочин, при кото-
рой габариты остановившегося на ней автомобиля не вдаются в
пределы проезжей части. Для большинства типов автомобилей
этому условию удовлетворяет ширина 3,75 м, принятая для дорог;
I и II категорий.
95
Рис. 5.7. Схема планировки дополни-
тельной полосы иа подъеме:
<а — продольный профиль; б — пл$и; 1 —
дополнительная полоса; 2 — линия размет-
ки» которая разрешает обгон; 3 — линия
разметки, запрещающая обгон; 4 — участок
отгона дополнительной полосы
На дорогах высших категорий
и в пределах населенных пунктов
обочины должны быть укреплены,
так как заезд колеса на грязную
обочину во влажный период года
с большой скоростью опасен из-
за возможности заноса, а проез-
жая часть загрязняется грунтом,
заносимым колесами.
Около проезжей части на до-
рогах I, II и III категорий с по-
крытиями капитального типа обо-
чины укрепляют, устраивая крае-
вые полосы шириной 0,75 м, а на
дорогах Ш и IV категорий с
облегченными покрытиями — ши-
риной 0,5 м. При отличии цвета
краевых полос от цвета покрытия
они четко обозначают край покрытия и способствуют повышению
дисциплины движения.
5.4. Полоса отвода
Полоса местности, выделяемая для расположения на ней до-
роги, постройки вспомогательных сооружений и посадки придо-с
рожных зеленых насаждений, называется полосой отвода. Она
передается в распоряжение дорожных организаций и изымается
из ведения тех землепользователей, за которыми была закрепле-
на до постройки дороги. В связи с высокой народнохозяйственной
ценностью земель, пригодных д^я сельскохозяйственного исполь-
зования и лесного хозяйства, согласно Нормам отвода земель
для автомобильных дорог (СН 467-74) ширину отводимой полосы
земли ограничивают фактическими границами земляного полотна,
увеличенными с каждой стороны на 1 м.
На орошаемых или осушенных землях, а также землях, заня-
тых виноградниками и фруктовыми садами или пашнями, не раз-
решается устраивать боковые резервы и кавальеры. В случаях,
когда невозможно заложить в стороне от дороги грунтовые карье-
ры для отсыпки насыпи, в порядке исключения отводят во вре-
менное пользование полосу для закладки неглубоких резервов с
тем, чтобы при строительстве дороги был сохранен плодородный
гумусный слой. После отсыпки насыпи резерв должен быть вы-
ровнен, покрыт растительным грунтом и приведен в состояние,
пригодное для использования в сельском хозяйстве (рис. 5.8).
Дополнительные площади, необходимые для устройства нагор-
ных канав, спрямления русел под мостами, срезок для обеспечения
видимости, посадки декоративных насаждений, сооружений водо-
36
Рис. 5.8. Схема приведения резервов в состояние, пригодное для сельскохозяй-
ственных работ:
а — профиль с кюветами-резервами; б—‘Профиль с устройством мелкого резерва рядом с
боковой канавой; 1 — размещение отвала растительного грунта во время строительства до-
роги; 2 — расстояние, обеспечивающее нормальную работу землеройных машин; 3 — слой
укладываемого обратно растительного грунта; 4 — слой растительного грунта, удаляемый
перед возведением иасмпи
отвода, пересечений дорог, стоянок для автомобилей и площадок
отдыха, зданий обслуживания движения и других дорожных соо-
ружений, отводятся на основе детального обоснования потребно-
сти в них в проектах.
При современных методах механизированного строительства
дорог нельзя обеспечить выполнение работ, ограничиваясь шири-
ной самой дорожной полосы. Необходимы места для размещения
удаленного растительного грунта, устройства временных дорог
для перевозки материалов во время строительства, объездов во
время перестройки дороги и т. д. Для этой цели в распоряжение
строителей временно выделяют дополнительные площадки, кото-
рые по окончании работ должны быть возвращены землеполь-
зователям в состоянии, пригодном для сельскохозяйственных
работ.
В табл. 5.1 приведены осредненные площади отвода земель
для строительства автомобильной дороги на 1 км ее протяжен-
Таблица 5.1
Категория дороги Число полос движения Общая площадь полосы отвода, га/км, иа земляк
сельскохозяйственного назначения не пригодных для сельского хозяйства
Постоянный отвод Временный отвод Постоянный отвод Временный отвод
1а и 16 8 6,3 1.8 7,4 2,3
6 5,5 1.7 6,4 2,2
4 4,7 1.6 5,5 2,1
II 2 3,1 1.4 3,9 2,0
III 2 2,6 1.3 3,6 2,0
IV 2 2,4 1,3 3,5 . 2,0
V 2 2,1 1,2 3,3 к 2,0
4—977
97
ности при поперечном уклоне местности менее 1:20. При уклонах
от 1:20 до 1 : 10 площади постоянного отвода для дорог всех,
категорий, кроме III, увеличивают на 0,1 га, а дорог III катего-;
рии — на 0,2 га.
Таким образом, средняя ширина полосы отвода в зависимости
от категории дороги колеблется от 63 до 21 м на плодородных
сельскохозяйственных угодьях и от 74 до 33 м — на землях, не
пригодных для сельского хозяйства.
Глава 6
закономерности движения транспортных потоков
6.1. Режимы движения автомобилей
Рассмотренные в гл. 5 требования к элементам дороги обес-
печивают возможность движения с расчетной скоростью одиноч-
ных автомобилей, водителям которых ничто не препятствует из-
бирать наиболее приемлемый для них режим движения и реа-
лизовывать, динамические возможности автомобилей. Фактически
по дорогам происходит одновременное движение большого числа
<автомобилей разных типов с разной степенью загрузки и в раз-
ном техническом состоянии. Ими управляют водители разной ква-
лификации, обладающие индивидуальными особенностями вожде-
ния и различной продолжительностью реакции на изменение
обстановки движения;
Следуя из разных мест отправления в разные места назначе-
ния, автомобили образуют на дороге транспортные потоки, дви-
жущиеся навстречу друг другу. В каждом транспортном потоке
осуществляете^ взаимодействие автомобилей. Между автомобиля-
ми устанавливаются интервалы, размер которых зависит от ско-
рости движения и индивидуальных особенностей водителей, стре-
мящихся выдержать расстояние от идущего впереди автомобиля,
которое им кажется безопасным. Изменение дорожных условий
вызывав! соответствующее изменение расстояний между автомо-
билями1 (сгущение или растягивание транспортного потока). Раз-
личие в оценке оптимальных условий движения разными води-
телями Приводит к возникновению в каждом транспортном пото-
ке Внутренних помех. Происходят обгоны медленно движущихся
автомобилей более быстрыми. На дорогах с проезжей частью для
двух полос движения обгоны связаны с выездом обгоняющих ав-
томобилей на смежные полосы встречного движения, что создает
помехи для встречного транспортного потока. Поэтому все проект-
ные решения, принимаемые на основе нормативов, разработанных
Применительно к движению одиночного автомобиля, должны ана-
98
Рис. 6.1.
Движение по дороге при разной насыщенности транспортного потока
лизироваться с точки зрения удовлетворения ими требований дви-
жения транспортных потоков.
Условия движения по дороге существенно меняются с увели-
чением интенсивности движения. На степень удобства проезда по
дороге, легкость управления автомобилем, эффективность исполь-
зования автомобильного транспорта и расход топлива непосред-
ственное влияние оказывает загрузка дороги движением. В зави-
симости от степени загрузки дороги автомобилями различают не-
сколько характерных режимов транспортных потоков связывая
с ними понятие об уровнях удобства движения:
свободный поток (уровень удобства движения А) —одиночные
автомобили, едущие по дороге на таком расстоянии друг за дру-
гом, что они не оказывают взаимного влияния на условия
движения (рис. 6.1, а). Проезд по дороге неутомителен для
водителей и пассажиров. Из этого случая исходили ранее при
обосновании требований к отдельным элементам дорог;
4* 99
частично связанный поток (уровень удобства движения Б) —
движение происходит в виде групп, состоящих из нескольких ав-
томобилей, которые отличаются по динамическим качествам и
следуют на близком расстоянии друг за другом (рис. 6.1, б).
Обычно это вызывается тем, что передний автомобиль, движу-
щийся более медленно, задерживает задние. Водители их вы-
нуждены ехать медленнее, чем хотели бы, ожидая удобного
момента для совершения обгона с выездом на соседнюю полосу,
после чего получают возможность продолжать движение с режи-
мом одиночного автомобиля, пока не нагонят следующую группу.
Средние скорости потока снижаются, управление автомобилем
осложняется. Если движение на близком расстоянии друг от дру-
га с одинаковой скоростью предписано группе водителей, едущих
в одно место, мы имеем случай организованного колонного дви-
жения;
связанный поток (уровень удобства движения В)—движение
происходит в виде больших групп автомобилей (рис. 6.1, в). Все
автомобили оказывают взаимное влияние и сразу после обгона
одиночного автомобиля или пачки скорость автомобиля начинает
вновь определяться движением едущего перед ним автомобиля.
Обгоны осуществляются с тем большей трудностью и риском, чем
выше интенсивность движения. Комфортабельность поездок суще-
ственно ухудшается. От водителей требуется повышенная внима-
тельность;
плотный, или насыщенный, поток (уровень удобства движе-
ния Г) — автомобили следуют друг за другом (рис. 6.1, г). Об-
гоны становятся практически невозможными. Скорость движения
резко снижается. В местах ухудшения дорожных условий возмож-
но возникновение заторов.
Поскольку условия движения автомобилей для каждого из ука-
занных режимов различны, они описываются различными законо-
мерностями теории транспортных потоков.
При этом в связи с колебаниями интенсивности движения в раз-
ные дни й часы суток на одном и том же участке дороги режимы
движения изменяются.
6.2. Характеристики режимов движения потоков
автомобилей
Движение по дороге потока автомобилей представляет собой
своеобразный неустановившийся процесс, в* котором взаимное
расположение и скорости автомобилей все время меняются слу-
чайным образом. Поэтому режим движения потока может быть
охарактеризован только средними статистическими показате-
лями.
100
Измерения на каком-либо уча-
стке дороги скоростей движения
автомобилей показывают, что они
меняются в сравнительно широ-
ком интервале, но для основной
массы автомобилей располагают-
ся вблизи некоторого среднего
значения. Чем плотнее транспорт-
ный поток, тем меньше в нем
различие в скоростях отдельных
автомобилей. При интенсивности
движения, соответствующей ча-
стично связанному транспортному
потоку, кривые распределения
числ а автомобилей по скорости
движения (рис. 6.2, а) имеют ко-
локолообразное очертание, харак-
терное для нормальной кривой
распределения.
Скорости и режимы движения
транспортных потоков характери-
зуют также кумулятивными кри-
выми, показывающими, какой
процент из общего количества ав-
томобилей движется со скоростя-
ми, меньшими заданной (рис.
6.2, б). Средняя часть кривой со-
ответствует основной части пото-
ка. Нижняя часть кривой пример-
но до 10—15% обеспеченности
показывает, с какой скоростью
движутся наиболее медленные
автомобили, вызывающие основ-
ную потребность в обгонах. Обес-
печенность 50% выражает сред-
нюю скорость транспортного по-
тока. Ее принимают за основную
ния транспортного потока. Изгиб
от 85—95 %-ной обеспеченности, выделяет наиболее быструю груп-
пу автомобилей, в число которой входят и автомобили, нарушаю-
щие требования безопасности движения. Поэтому за наибольшую
скорость движения автомобилей, для которой должна быть обес-
печена безопасность, принимают обычно скорость 85%-ной обеспе-
ченности. Из этой скорости исходят при разработке мер по орга-
низации движения.
Если транспортный потоке складывается из нескольких групп
автомобилей, которые обладают резко отличающимися динамиче-
а)
20
к
70
90
50
0
30
Рис. 6.2. Закономерности распределе-
нии движения между автомобилями
в транспортном потоке:
а —кривая распределения скоростей для
однородного транспортного потока; б —
кумулятивная кривая; 1 — наиболее харак-
терная (модальная) скорость; 2 — скорость
85%-иой обеспеченности; 3 —-средняя ско-
рость; 4 — скорость 15%-иой обеспеченно-
сти
характеристику режима движе-
верхней части кривой, примерно
101
Рис. 6.3. Кривая распределения ско-
ростей для потока разнотипных авто-
мобилей:
/ —। кривая распределения скоростей для
медленно движущихся автомобилей и авто-
поездов; 2 — то же для основной массы
грузовых автомобилей; 3 — то же для лег-
ковых автомобилей; 4 —’ суммарная кривая
распределения для транспортного потока
•
Рис. 6.4, Кривые распределения вели-
чии интервалов между проходами ав-
томобилей во времени:
/ — распределение Пуассона (при низкой •
интенсивности движения); 2 — распределе-
ние Пирсона III типа при высокой иитеи-
сивяости
скими качествами, но при сравнительно малой интенсивности дви-
жения практически не влияют на условия движения друг друга,
кривые распределения для потока в целом являются суммой кри-
вых для отдельных составляющих его групп и могут иметь не-
сколько вершин (рис. 6.3).
Для проектирования пересечений и примыканий дорог, а также
разработки мероприятий по организации движения имеет значе-
ние интервал во времени между проходами следующих друг за
Другом автомобилей. При малых интенсивностях (до 200 авт/ч
по одной полосе) распределение интервалов по времени близко
к распред’елейию Пуассона, при'высоких (до 650 авт/ч)—к рас-
пределению Пирсона III типа (рис. 6.4).
Характеристикой потоков движения является также плотность
транспортного потока — количество автомобилей, приходящееся на
единицу длины однородного по транспортным качествам участка
дороги, обычно протяженностью 1 км
q = N[v, (6.1)
где N — интенсивность движения, авт/ч; о — скорость движения, км/я.
Характерно, что одной интенсивности движения, кроме точ-
ки максимума, соответствуют два значения плотности транспорт-
ного потока. В одном случае он состоит из быстрых автомобилей,
едущих с большими дистанциями между ними, в другом — из бо-
лее медленных автомобилей, следующих на меньших расстояниях
'друг от друга.
Максимум кривой зависимости плотности транспортного пото-
ка от его интенсивности (рис. 6.5) соответствует наибольшему
102
количеству автомооилеи, которое
может пропустить данный уча-
сток дороги. Поскольку условия
движения по длине дороги меня-
ются, плотность транспортных
потоков на разных участках дри
постоянной интенсивности движе-
ния различна.
6.3. Теории транспортных
потоков
СЛОЖНОСТЬ процессов, проте- Рис. 6.5. График зависимости между
кающих в транспортном потоке, плоти“ть“от|ХЗн^ть!оПОТОКа “
и влияние на скорость каждого - ,
автомобиля большого числа фак-
торов не позволяют точно описать режимы движения потока ма-
тематическими зависимостями. Поэтому высказанные в разное
время многочисленные гипотезы теории движения транспортных
потоков исходят из рассмотрения упрощенных схем (моделей).
Их можно разделить на две основные группы:
теории, основанные на динамических моделях потоков автомо-
билей. Они исследуют расстояния при различных скоростях между
автомобилями, следующими друг за другом без обгона по одной
полосе проезжей части и распространяют установленные законо-
мерности на весь транспортный поток. Эта схема лучше всего
соответствует высоким интенсивностям движения, когда обгоны
практически невозможны или сопряжены с большим риском;
теории, основанные на вероятностных моделях. Они анализи-
руют движение двух встречных потоков автомобилей в целом,
учитывая возможность обгонов с заездом на полосу встречного
движения в моменты, когда во встречном потоке имеется доста-
точное для этого расстояние между автомобилями.
При обосновании требований к дорогам пока еще наибольшее
распространение имеет простейшая динамическая модель, которая
предполагает, что движение всех автомобилей происходит с рав-
ными скоростями и на одинаковом расстоянии друг от друга, за-
висящем от длины тормозного пути.
Более совершенна динамическая теория «следования за лиде-
ром». Она предполагает, что в пределах транспортного потока
расстояния между автомобилями не являются постоянными. В каж-
дой паре автомобилей задний движется с ускорением, пропорцио-
нальным разности скоростей этих автомобилей:
dv3 1
= ~ у (®п “
где v„, о» — скорости переднего и заднего автомобилей, м/с; t— времи ре-
акции водителя, с.
103
Так как задний автомобиль в свою очередь является перед-
ним для следующего за ним, его ускорение или притормажива-
ние отражается на следующем автомобиле, и в транспортном
потоке все время возникают своеобразные волны сгущения и раз-
режения.
Возможность проведения аналогии между движением транс-
портного потока и течением по руслу вязкой жидкости привела к
появлению «гидродинамической модели», позволяющей исследо-
вать скорость сжатия и растягивания транспортных потоков при
возникновении и последующем удалении препятствий на пути по-
тока автомобилей, движущихся с постоянной скоростью.
В дальнейшем должны широкое распространение получить ве-
роятностные модели, учитывающие возможность обгона, посколь-
ку они точнее учитывают реальные условия движения на дороге.
Вероятностные модели рассматривают характеристики режима
движения каждого автомобиля (скорость, выдерживаемый интер-
вал и выходы на обгон) как случайные события, возникновение
каждого из которых в 14алой степени связано с предшеству-
ющими.
Для оценки этих характеристик наиболее широко используется
теорйя массового обслуживания.
Основной областью использования вероятностных моделей яв-
ляются задачи, в которых решаются вопросы взаимодействия по-
токов средней интенсивности, когда еще возможны обгоны авто-
мобилей, движущихся по различным полосам, например по пере-
сечениям в одном уровне, участкам слияния и переплетения по-
токов, а также технико-экономические задачи.
6.4. Пропускная способность дороги
Количество автомобилей, которое может пройти по дороге за
эпределенный отрезок времени,— пропускная способность — зави-
сит от, их скорости и степени организованности движения. Поэ-
тому следует ясно представлять, что пропускная способность не
является однозначным параметром, характеризующим дорогу, так
как может меняться в широких пределах.
Различают следующие виды пропускной способности как ха-
рактеристики дороги:
максимальную теоретическую пропускную способность, опреде-
ляемую расчетом по формулам динамической задачи теории дви-
жения транспортных потоков для идеализированного колонного
движения однотипных автомобилей в благоприятных дорожных
условиях (прямой горизонтальный участок с сухим шероховатым
покрытием);
104
практическую типичную пропускную способность — наибольшее
число автомобилей, которое может быть пропущено участком до-
роги при фактически складывающихся на ней режимах движения
транспортных потоков в благоприятных погодных условиях.
В Строительных нормах и правилах пропускная способность при-
водится для средних дорожных условий применительно к смешан-
ному транспортному потоку в различных условиях рельефа и
выражается числом автомобилей, приведенным к легковым.
Пропускная способность каждого участка дороги в условиях
эксплуатации может меняться в широких пределах в зависимости
от погодных условий, состава движения и предписанных мер по
организации движения.
Для определения максимальной пропускной способности вос-
пользуемся упрощенной динамической задачей теории транспорт-
ных потоков. Рассмотрим пропускную способность полосы движе-
ния, по которой следует с соблюдением постоянных расстояний
между однотипными автомобилями транспортный поток. Опреде-
лим минимальное безопасное расстояние между двумя автомоби-
лями в потоке.
После того как водитель первого автомобиля по какой-либо
причине начинает торможение, задний автомобиль за время реак-
ции водителя, равное 1 с, проходит путь (в м) /=п/3,6 (где v —
скорость автомобиля, км/ч).
-Вследствие-возможного различия в состоянии тормозов перед-
него и заднего автомобилей тормозной путь первого может ока-
заться меньшим и тогда задний автомобиль дополнительно к
приблизится к переднему на расстояние
(Кз-Кп)
254 (<р ± I + /)
где S3, Зв— тормозные пути заднего и переднего автомобилей; Кз, Кп —
коэффициенты эксплуатационного состояния тормозов заднего н переднего авто-
мобилей; v — скорость автомобиля, км/ч.
' Безопасное расстояние между автомобилями
(6.2)
где 4 — некоторый запас расстояния между остановившимися автомобилями.
Длина участка, приходящегося на один автомобиль на доро-
ге, £=5+4 (где Ц — длина автомобиля).
Количество автомобилей, прошедших через рассматриваемое
сечение дороги в одном направлении за час (в авт/ч), т. е. про-
пускная способность полосы движения при скорости о (в км/ч),
lOOOv
lOOOv
v , р2 (К3 - Кд)
3,6 + 254 (<р ± « +/)
(6.3)
105
В целях лучшего учета режимов движения различные авторы
предлагают те или иные допущения о режиме торможения и со-
стоянии тормозов переднего и заднего автомобилей.
Наиболее распространено предположение о мгновенной оста-i
новке переднего автомобиля (Кп=0), что можно себе предста-
вить как падение с грузового автомобиля какого-либо предмета,
наезд на который представляет опасность для следующего за ним
автомобиля.
В этом случае
IQOOv
Ksv2
(6.4)
3,6
Математическое исследование уравнения (6.4) показывает,
что 'оно имеет максимум пропускной способности в пределах
1100-1-1600 авт/ч, соответствующий скорости движения 20—
40 км/ч.
При дальнейшем возрастании скорости пропускная способность
медленно снижается (рис. 6.6).
• Второе допущение исходит из предпосылки об одинаковом со-
хстоянии’ и режиме торможения переднего и заднего автомобилей
(ЙГэ=Кп). В этом случае
1000v
-------------
~ + /з+*4
где v — скорость, км/ч.
(6.5)
Согласно уравнению (6.5) пропускная способность дорог воз-
.Рис. 6.6. Теоретическая пропускная
способность полосы движения при
разных значениях коэффициента сцеп-
ления:
/-по уравненвю (6.4); 2 —по уравнению
(6.5)
растает с увеличением скорости и
не зависит от коэффициента сцеп-
ления. Это предположение может
осуществиться только в будущем
при введении автоматического уп-
равления движением.
Уравнения (6.4) и (6.5), исхо-
дящие из схемы упорядоченного
движения по одной полосе проез-
жей части, не отражают реальных
условий движения по дороге раз-^
нотипных автомобилей с разными
скоростями и обгонами, создаю-
щими помехи для движения во
встречном направлении.
С увеличением интенсивности
движения взаимные помехи авто-
мобилей возрастают и средние
106
Рис. 6.7. Зависимость средней скоро-
сти движения по дороге от интенсив-
ности движения:
1 — одна легковые автомобили; 2 — сме-
шанный транспортный поток, типичный для
дорог СССР
скорости потока снижаются (рис. 6.7), подчиняясь для дорог с дву-
мя полосами движения при смешанном составе движения эмпири-
ческой зависимости
v — vq.— aN,
(6.6)
где Vo — скорость движения одиночного автомобиля при отсутствии помех,
км/ч, которая зависит от дорожных и погодных условий; N— суммарная интен-
сивность движения в обоих направлениях, авт/ч; а — коэффициент снижения ско-
рости, который зависит от состава движения. По данным проф. В. В. Сильянова,
для дорожных условий СССР а=0,016 при 20% легковых автомобилей в со-
ставе транспортного потока, 0,0112 — при 50% и 0,008—прн 80% легковых авто-
мобилей.
Это накладывает ограничение на использование уравнения
(6.4), поскольку средняя скорость^ потока автомобилей, которой
соответствует определяемая пропускная способность, должна од-
новременно удовлетворять и уравнению (6.6). Поэтому, как сле-
дует из рис. 6.8, пропускная способность дороги с двумя поло-
сами движения должна соответствовать точке пересечения прямой
и кривой, выражаемых уравнениями (6.4) и (6.8) на графике за-
висимости скорости от пропускной способности.
Поскольку скорости движения по дорогам зависят от степени
их технического совершенства, пропускные способности дорог раз-
ных категорий определяются точками пересечения с кривой, вы-
ражаемой уравнением (6.6), прямых, соответствующих значениям
скорости t>o движений по этим дорогам одиночных автомобилей
(рис. 6.9).
Если интенсивность возрастает по сравнению с пропускной
способностью, найденной описанным способом, условия, движения
ухудшаются. Вначале сокращаются расстояния запаса между ав-
томобилями /з, а затем расстояния между автомобилями стано-
вятся меньше длины тормозного пути, повышается напряжен-
ность работы водителей. В результате кривая теоретической про-
пускной способности как бы смещается на графике вправо в тем
большей степени, чем больше превышает фактическая интенсив-
ность движения пропускную способность, соответствующую нор-
мальным условиям движения (см. рис. 6.9).
Скорость при этом заметно снижается (t>№<t>wi), а при суще-
ственном превышении теоретической пропускной способности воз-
никают заторы.
107
Рис. 6.8. Зависимость пропускной спо-
собности дороги от скорости движе-
ния транспортного потока:
1 — зависимость скорости транспортного
потока от интенсивности; 2 — пропускная
способность, рассчитанная по интервалам
между автомобилями при разных скоро-
стях движейиа; 3 —типичная пропускная
способность полосы; 4—скорость при ти-
пичной пропускной способности
Рис. 6.9. Пропускная способность до-
рог разных категорий в зависимости
от режимов движения:
1 — теоретическая пропускная способность
при нормальных условиях движения; 2 —
то же при усложненных условиях движе-
ния; II — IV — скорости движения одиноч-
ных автомобилей на дорогах И—IV ка-
тегорий
При разработке норм на проектирование дорог пропускную
способность полосы движения оценивали, используя в уравнении
(6.5) установленные путем наблюдений кривые зависимости сред*
ней скорости транспортного потока и интервалов между автомо-
билями от скорости. Полученные значения пропускной способно-
сти, представляющие практическую типичную пропускную
способность, приведены в табл. 6.1. Они соответствуют состоянию
дороги, принятому при разработке Строительных норм и правил
на автомобильные дороги — ровная, слегка увлажненная шеро-
ховатая поверхность покрытия с коэффициентом сцепления
<Рпр=0,6 при обеспеченной видимости. При ухудшении погодных
условий и на участках дорог, не удовлетворяющих требованиям
СНиПа, пропускная способность снижается.
Таблица 6.1
Категория
дороги
Средняя практическая пропускная способность
одной полосы движения при рельефе, авт/ч
равнинном
пересеченном
горном
II
III
IV
V
1200
1000
850
650
1100
900
800
550
1000
800
650
400
108
Поэтому значения, приведенные в табл. 6.1, служат лишь для
самой общей ориентировки. Практические методы определения
пропускной способности конкретных участков дорог изложены в
гл. 24 (см. ч. 2 настоящего учебника).
6.5. Загрузка дорог движением
и пропускная способность полосы движения
Типичная пропускная способность полосы движения характе-
ризует максимальную интенсивность движения при частично свя-
занном режиме транспортного потока с некоторым снижением
скорости по сравнению со скоростью одиночных автомобилей.
В зависимости от интенсивности движения по дороге изменя-
ются количество взаимных помех для автомобилей и режимы их
движения. Чем меньшая интенсивность по одной полосе проезжей
части предусматривается при проектировании дороги, тем боль-
шие удобства будут обеспечены для пользующихся дорогой.
Загрузку автомобилями полос движения характеризуют коэф-
фициентом загрузки z, который представляет собой отношение
фактической интенсивности движения N# к практической типич-
ной пропускной способности полосы движения. Различают четы-
ре характерных состояния транспортного потока (табл. 6.2).
Таблица 6.2
Уровень удобства движения Интенсивность движения, авт/ч, на полосе Состоя- ние транс- портного потока ь Условии движения автомобилей Коэффици- ент загруз- ки г Скорость потока по отношению к скорости одиночного автомобиля Условий работы водителя
А 360 Сво- бодный Взаимные помехи отсутствуют Менее 0,2 0,9—1,0 Легкие
Б 900 Ча- стично связан- ный Образование групп автомобилей, частые обгоны 0,2—0,45 0,7—0,9 Нор- г мальные
В 1200 Свя- занный Г ру пп ы автом об н- лей увеличиваются. Между ними сохраня- ются интервалы. Ус- ловия обгона ослож- няются 0,45—0,70 0,55—0,7 За- труднен- ные
Г 1600 ч Насы- щенный Образуется сплош- ной поток автомоби- лей, скорость значи- тельно снижается. На участках осложнения дорожных условий возможны заторы 0,7—1,0 t 0,4—0,55 Напря- женные
109
Расчетный коэффициент загрузки дороги движением при сда-
че в эксплуатацию, предусматриваемый при ее проектировании,
не должен превышать 0,45—0,55 от ее практической пропускной
способности с тем, чтобы к моменту окончания расчетного срока
и возникновения потребности в реконструкции дороги он не пре-
вышал 0,65—0,75. Тем самым создается резерв пропускной спо-
собности на случай внеплановых интенсивных перевозок, а также
сезонных и суточных пиков интенсивности движения.
В отдельных случаях, когда первостепенное значение имеют
быстрота и надежность автомобильных сообщений, например на
подъездах к крупным международным аэропортам, исходят из
меньшей :используемой доли пропускной способности. На грузовой
дороге, которая в течение всего срока службы будет работать
практически при одной загрузке, например, при доставке руды
из карьера на обогатительную фабрику, допустимо с самого на-
чала предусматривать связанные режимы движения, для которых
z может составить 0,5—0,6. Соответственно коэффициенту загруз-
ки Назначают число полос движения на проезжей части.
Строительные нормы и правила на проектирование дорог об-
щего пользования (СНиП 2.05.02-85) предусматривают на доро-
гах II—IV категорий две полосы движения. Для обгона исполь-
зуются полосы встречного движения. При назначении числа полос
на многополосных автомобильных магистралях, а также выявле-
нии мест устройства дополнительных полос движения (на подъе-
мах, у пересечений и Др.) определяют общее число полос дви-
жения
Nt
п = ----,
*АГпр
где N — интенсивность движения, авт/ч, приведенная к легковым автомоби-
лям; е—коэффициент сезоиирй неравномерности движения; z— коэффициент за-
грузки, соответствующий необходимому для данной дороги уровню удобства;
Nnj> —' типичная пропускная способность дороги данной категории.
Новые дороги с тремя полосами движения в СССР не строят,
так как преимущественное использование третьей полосы для об-
гона создает повышенную опасность столкновения автомобилей.
Уширение проезжей части до трех полос движения иногда вы-
полняют в процессе капитальных ремонтов при сильно возросшей
интенсивности движения как временное мероприятие, с увеличе-
нием впоследствии до четырех полос движения.
6.6, Технические условия на проектирование
Закономерности теории автомобилей позволяют обосновать
требования к плану и профилю автомобильных дорог примени-
тельно к движению каждого определенного типа автомобиля. Од-
ПО
нако, как уже подчеркивалось выше, по дорогам происходит дви-
жение транспортных потоков автомобилей разных типов, с
разной нагрузкой и различной степенью износа, управляемых во-
дителями, отличающимися друг от друга по психологическим осо-
бенностям и квалификации. Поэтому для практического руковод-
ства при проектировании дорог разрабатывают нормы на элементы
дороги — технические условия, основанные на тяговых расчетах,
исходящих из некоторых осредненных условий движения автомо-
билей по дороге. При этом учитывают перспективы развития ав-
томобильного транспорта, определяя тем самым иа ряд лет вперед
техническую политику в области дорожного строительства.
Нормы учитывают не только динамические качества современ-
ных автомобилей, но и материальные возможности страны, а так-
же опыт эксплуатации построенных дорог, показывающий, в какой
степени ранее принятые решения удовлетворяют требованиям дви-
жения. Большое значение для уточнения норм имеют также ма-
териалы исследования причин дорбжно-транспортных происше-
ствий, вызванных дорожными условиями, в частности неудачным
сочетанием элементов дороги в плане и профиле.
С 1 января 1986 г. проектирование дорог ведут, на основе
•Строительных норм и правил «Автомобильные дороТи» (СНиП
2.05.02-85), утвержденных Государственным комитетом СССР по
делам строительства.
Наиболее сложный и принципиальный вопрос при разработке
технических нормативов на проектирование дорог — выбор расчет-
ной скорости. Движение с высокими скоростями требует спе-
циально подготовленного пути. Чем выше расчетная скорость дви-
жения по дороге, тем меньше должны быть по дороге продольные
уклоны, больше радиусы кривых в плане и продольном Профиле,
совершеннее покрытие. Это всегда связано с возрастанием объе-
мов земляных работ, особенно в сложных условиях рельефа. Со-
ответственно резко увеличивается стоимость строительства дорог
по мере повышения их категории.
Принцип подхода к техническим условиям на дорожное строи-
тельство может быть пояснен схемой, показанной на рис. 5.1.
Строительные расходы, отнесенные к стоимости 1 т-км перевозки
грузой за период окупаемости затрат, тем меньше, чем выше ин-
тенсивность движения и меньше скорость, обеспечиваемая при
постройке дороги. Транспортные расходы на перевозки, наоборот,
тем меньше, чем выше расчетная сксфОсть. На графике видно,
что минимум суммарных расходов при каждой интенсивности
соответствует определенной, наиболее эффективной расчетной ско-
рости.
До последнего времени при нормировании расчетных скоростей
и сравнении вариантов проложения дорог на первое место наря-
ду со стоимостью строительства ставилось повышение эффектив-
ности. перевозочной работы автомобильного транспорта — увеличе-
111
нйе скорости. Но высокие скорости связаны с ростом числа до-
рожно-транспортных происшествий и повышением расхода топлива.
В условиях необходимости экономии нефти как ценного сырьй'для
химической промышленности в ряде случаев оптимальными будут
являться перевозки с экономичной скоростью, при которой расход
топлива наименьший. Поэтому в последние годы наблюдается тен-
денция к снижению расчетных скоростей на дорогах высших кате-
горий.
Не следует считать разработку технических условий закончен-
ной. Природные условия СССР весьма разнообразны. В процессе
дальнейшего развития теории проектирования дорог, несомненно,
будут разработаны самостоятельные технические условия на проек-
тирование применительно к характерным естественно-историческим
районам СССР. Объединяющим элементом этих региональных тех-
нических условий будет служить постоянная расчетная скорость
для дорог разных категорий, обеспечиваемая в течение достаточно
длительного периода года.
В ряде районов при назначении ширины проезжей части, осо-
бенно на дорогах низших категорий, необходимо учитывать движе-
ние специальных типов сельскохозяйственных и транспортных ма-
щин. Дли районов с ярко выраженным сезонным распределением
перевозок в течение года найдут применение различные методы
определения расчетной интенсивности движения. Уточнение данных
о водно-тепловом режиме земляного полотна и дорожных одежд
даст возможность конкретизировать их конструкции применительно
к характерным природным районам.
В своей практической деятельности инженер должен ясно пред-
ставлять себе, что требования любых норм и технических условий
отражают уровень наших знаний периода их составления. Их
нельзя рассматрйвать как непреложные законы математики или
физики, отступление от которых всегда приводит к ошибкам. Тща-
тельно анализируя местные природные условия, закономерности
движения, особенности новых типов транспортных средств, свой-
ства местных материалов и т. д., инженер в случае необходимости
обязан предложить на рассмотрение органов, утверждающих
проекты дорог, обоснованные собственные решения, отличающиеся
от нормативных.
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ДОРОГ
Глава 7
ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ ДОРОГИ ПРИРОДНЫХ «АКТОРОВ
7.1. Природные факторы
Работа автомобильной дороги зависит от воздействия на Яее
многочисленных природных геофизических факторов, из которых
наиболее сильное влияние оказывают климат и гидрологические
условия, а также рельеф и почвенно-геологическое строение мест-
ности.
Влияние отдельных природных факторов яа дорогу часто труд-
но выделить, так как, помимо своего непосредственного воздейст-
вия на условия строительства или эксплуатации дороги, каждый
из них находится во взаимосвязи с другими, ослабляя или усили-
вая их действие. Поэтому при общей оценке природных условий
района проложения трассы дороги их необходимо рассматривать в
комплексе применительно к отдельным природно-географическим
зонам, характеризующимся определенными, сочетаниями природ-
ных факторов. Следует учитывать перспективы изменения при-
родных условий под влиянием производственной деятельности
человека. Так, например, искусственное орошение часто повышает
уровень грунтовых вод и создает более мягкий микроклимат, вы-
рубка лесов приводит к осушению местности и др.
Рельеф местности обусловливает применяемые при выборе
трассы продольные уклоны, необходимость развития линии по
склонам, обхода заболоченных и затапливаемых мест. От рельефа
местности зависит количество воды, притекающей к малым мо-
стам и трубам. Водный и температурный режимы земляного по-
лотна в горной и сильно пересеченной местностях зависят от
экспозиции склонов, по которым проложена дорога. Во время
строительства дороги особенности рельефа приходится учитывать
при выборе способов производства земляных работ и при
назначении путей перемещения нагруженных транспортных
средств.
113
Условия рельефа отражаются в процессе эксплуатации дороги
«а стоимости автомобильных перевозок. Крутые подъемы могут
вызывать необходимость снижения нагрузок на транспортные
средства и повышенный расход топлива. Движение по участкам
дорог с большими уклонами опасно при скользком покрытии, осо-
бенно при гололедице.
Особенности рельефа неразрывно связаны с геологическим
строением поверхностных слоев земной коры и должны рассмат-
риваться в динамике их развития. Наименее устойчивые формы
рельефа — песчаные холмы, сланцевые обнажения, крутые грун-
товые склоны, на которых уничтожен растительный покров,— на-
столько подвержены процессам эрозии, что они подлежат учету
при проектировании дорог. Основные элементы рельефа можно
классифицировать следующим образом:
равнины—участки суши со слабо расчлененным рельефом,
отличающиеся сравнительно малыми колебаниями относительных
высот отдельных точек. При общей ровности поверхности в от-
дельных местах возможны местные повышения или понижения
(холмы, котловины, овраги и балки);
холмы — возвышенности, не превышающие 200 м над уровнем
их подошвы, плавно переходящие в равнину;
горы —более высокие возвышенности, обладающие резко очер-
ченной подошвой. Переходя одна в другую, горные возвышенности
вытянутой формой образуют горные хребты. 1
Нормативная литература по проектированию дорог рассматри-
вает элементы рельефа с точки зрения трудности проложения
трассы и частоты применения предельных продольных уклонов и
кривых малых радиусов. К трудной категории относят пересечен-
ную местность, прорезанную часто чередующимися глубокими до-
линами с разницей отметок долин и водоразделов более 50 м
на расстоянии не более 0,5 км, с боковыми глубокими балками
и оврагами, в отдельных случаях с неустойчивыми склонами.
Трудными участками горной местности считают участки перева-
лов дерез горные хребты и горные ущелья со сложными, сильно
изрезанными или недостаточно устойчивыми склонами.
Применительно к проектированию дорог могут быть выделены
пять категорий рельефа (табл. 7.1).
Чем более сложен рельеф местности, тем большие продольные
уклоны приходится допускать при трассировании дороги, тем бо-
лее извилистой она получается:
Категория сложности рельефа 1 2 3 4 5
Коэффициент удлинения трас-
сы ...................1,1 1.1—1,15 1,15—«1,25 1,25—1,4 1,5
Средние объемы земляных работ на дорогах разных категорий
при разной сложности рельефа приведены в табл. 7.2.
114
Таблица 7.t
Кате-
гория
слож-
ности
Наименование
рельефа
Характеристика рельефа
1
2
3
4
5
Равнинный
Слабохолми-
стый
Сильно пере-
сеченный
Гористый
Горный
Равиииы с широкими водоразделами, пологими скло-
нами речных долин
Местность с отдельными невысокими холмами и кот-
ловинами, пологими водоразделами, расчлененная ред-
кими оврагами и балками
Сильно холмистая местность с пересеченным релье-
фом, узкими извилистыми водоразделами и большим
числом лощин и оврагов. Предгорья и нижние части
склонов гор. Места с густо расположенными сопками
Склоны гор и предгорий с сильно расчлененным рель-
ефом, узкими ущельями и долинами горных рек, боль-
шой крутизной склонов и русл водотоков
Чередующиеся хребты, извилистые горные ущелья с
очень крутыми обрывистыми, сильно изрезанными гор-
ными склонами. Перевальные участки горных хребтов
Геологические условия характеризуют степень устойчивости
горных пород в районе проложения трассы (рис. 7.1). При неус-
тойчивых поверхностных напластованиях (оползни, осыпи и кар-
стовые полости) в проектах приходится переносить трассу на
другие, более устойчивые участки, а при невозможности этого —
предусматривать специальные мероприятия по обеспечению
устойчивости земляного полотна и дорожных сооружений.
Геологические данные позволяют выявить наличие местных до-
рожно-строительных материалов (камня, песка, гравия), которым
следует отдавать предпочтение перед привозными материалами
для использования в дорожных одеждах.
При выборе направления трассы приходится учитывать грун-
товые условия, от которых зависит конструкция земляного полот-,
на й требования к отводу воды от дороги. Участки неблагоприят-
ных грунтов — сыпучих, развеваемых ветром грунтов, засоленных
и заболоченных — стремятся обходить.
Климатические условия оказывают особенно большое влияние
на условия эксплуатации дорог. К ним относятся амплитуда и
скорость колебания температуры,;максимуму и^минимумы темпе-
ратуры, количество осадков и испарение, направление и скорости
ветров, мощность снегового покрова, глубина промерзания. Кли-
матические условия часто ограничивают продолжительность строи-
тельного сезона или требуют применения специальных способов
производства работ, удорожающих и осложняющих их выпол-
нение.
Снегопады и метели могут прерывать движение по дороге.
Объем снега, приносимого к дороге, зависит от ее расположения
115
Таблица 7.2
Категория дороги к Средине объемы земляных работ, тыс. м* на 1 км, при рельефе
равнинном СИЛЬНО пересеченном горном
I 60—90 90—120
II 25—50 50—70 70—130
III 15—30 30—50 50—100
IV ТО—.20 20—40 40-70
V 5—15 15—30 30—50
по отношению к господствующим в зимний период ветрам и раз-
мера бассейна снегосбора. Гололед, уменьшая 'коэффициент сцеп-
ления пневматической шины с покрытием, создает опасность до-
рожно-транспортных происшествий. В замерзшем земляном
полотне возникают процессы перераспределения влаги и образо-
вания ледяных прослоек, которые, оттаивая весной, вызывают пе-
реувлажнение грунта и снижение прочности дорожной одежДы.
Рис. 7.1. Проложение трассы дороги с учетом сложности геологических условий
местности (по проф. Б. М. Гумеискому):
/ — торф хорошо разложившийся, средней плотности; 2 — озерные илистые отложения, ма-
лоустойчивые под нагрузкой; 3 — гравий; 4 — нокровная супесь; 5 — моренные суглинки;
о —плотные слоистые глииы (девонскне отложення); 7 — известняк; 8 — способ указания
пород, залегающих под повдовнымн; 9 — среднезеринстый песок; 10— места зондирования
болот и толщина слоя торфа; И — места выхода грунтовых вод в виде источника; 12 —
глубина залегания грунтовых вод; 13 — глубина залегания напорных вод; 14 — оползневые
участки
116
16
fffnunii /
7/////Л
ЛЛААЛЛ 3
—0—0- 4
Рис. 7.2. График климатических характеристик района проложения дороги:
/ —> осадки дождевые; 2 — осадки снеговые; 3 — периоды распутицы на грунтовых дорогах;^
4 — температура; 5 — продолжительность светового периода дня; 6 — высота снегового по-
крова; 7—* глубина промерзания; 3 — период производства земляных работ и устройства
оснований; Р —постройка малых мостов и труб; 10 — постройка асфальтобетонных покры-
тий; 11 — постройка усовершенствованных облегченных покрытий; 12 — постройка цементо-
бетонных покрытий; 13 — разработка притрассовых карьеров
Для сопоставления климатических условий района проложения
дороги в отдельные периоды года строят график климатических
характеристик |(рис. 7.2), на котором отмечают годовое изменение
температуры, количество выпадающих осадков, глубину промер-
зания и высоту снегового покрова и другие характеристики, ко-
торые могут оказаться полезными при конструировании элементов
дороги и организации строительства. Для планирования числа ра-
бочих смен и расчета искусственного освещения строительных
площадок на графике показывают продолжительность светлого
периода суток. Зная температуры, при которых возможно про-
ведение тех или иных дорожных работ, на графике климатиче-
ских характеристик отмечают периоды, когда эти работы могут
выполняться. При этом следует учитывать, что с ростом механи-
зации строительства и переходом на индустриальные методы его
выполнения, а также при применении новых дорожных конструк-
ций и усовершенствовании технологии производства работ влияние
климатических факторов снижается. Многие работы, например
сосредоточенные земляные, и устройство каменные оснований до-
рожных одежд теперь с успехом выполняют зимой.
Гидрологические и гидрогеологические условия характеризуют-
ся количеством выпадающих осадков, условиями стока и испа-
рения воды, толщиной снегового покрова и интенсивностью весен-
него таяния, глубиной залегания грунтовых вод и особенностями
их режима, режимом рек и ручьев. Все. эти условия подлежат
учету при проектировании водоотвода и при выборе конструкции
земляного полотна.
При оценке влияния природных факторов на условия строи-
тельства и последующей работы автомобильной дороги следует
учитывать обратную зависимость — изменение природных условий:
в результате постройки дороги. Так, например, вырубка расти-
тельности на полосе отвода и расчистка придорожной полосы спо-
собствуют ее осушению, более глубокому промерзанию грунта зи-
мой и более быстрому оттаиванию весной. Пересечение болота
насыпью, сжимающей торф, может прервать просачивание грун-
товых вод и изменить процесс заболачивания.
7.2. Источники увлажнения земляного полотна
Насыщение земляного полотна дороги влагой — крайне опас-
ное явление, так как при этом сильно снижается прочность до-
рожной одежды и устойчивость откосов насыпей и выемок. Вода
может. попадать в земляное полотно двумя путями:, просачиваясь-
с поверхности и поднимаясь по капиллярам и в виде паров и пле-
нок от уровня грунтовых вод.
Выпадающая дождевая вода частично стекает по поверхности
земли, а частично просачивается вглубь, скапливаясь над водо-
118
непроницаемыми слоями в порах вышележащего грунта. Поверх-
ность образовавшейся таким образом грунтовой воды, заполняю-
щей поры нижней части водопроницаемого слоя, представляет
собой смягченную копию рельефа местности; Уровень грунтовой
воды приподнимается под холмами и слегка снижается под
долинами.
В местах, где уровень грунтовых вод выходит на поверхность
земли, образуются ключи или болота. В этом месте уровень
грунтовых вод понижается. На грунтовом профиле в плоскости
направления течения воды поверхность грунтовых вод обра-
зует кривую депрессии, которая тем круче, чем менее водопро-
ницаем грунт.
Промежутки между грунтовыми частицами имеют малые раз-
меры и образуют тонкие каналы неправильной формы и перемен-
ного сечения — капилляры. По этим капиллярам вода распростра-
няется в окружающий грунт под действием молекулярных сил от
уровня грунтовых вод и из мест застоев на поверхности грунта.
Таким образом, над уровнем грунтовых вод и в поверхностном
слое грунта после дождей могут иметься две зоны капиллярной
воды: поднимающаяся от уровня грунтовых вод и так называемая
подвешенная, не связанная с уровнем грунтовых вод, а образу-
ющаяся у дневной поверхности мелкозернистых грунтов после вы-
падения атмосферных осадков.
Уровень, которого достигает вода, перемещаясь от источников
увлажнения по капиллярам в грунте, зависит от крупности грун-
товых частиц и степени уплотнения грунта. В песках высота ка-
пиллярного поднятия невелика (менее 30—50 см), а в пылеватых
грунтах может достигать нескольких метров.
Слой грунта выше уровня капиллярного поднятия содержит
воду в виде тончайших пленок, измеряемых долями микрометра
(связанная вода), а также в виде водяных паров, содержащихся
в воздухе, который находится в порах между частицами.
Отдельные виды грунтовой воды в земляном полотне не оста-
ются в течение года в статическом равновесии. Под влиянием
притока воды извне, а также при .изменении температуры' и ат-
мосферного давления происходят колебания уровня грунтовых вод
и уровня капиллярного поднятия, а также перемещение водяных
паров и пленочной влаги из мест с более высокой ^температурой
в места с более низкой температурой.
Таким образом, источниками увлажнения земляного полотна
являются: выпадающие осадки, приток воды от дождей и таяния
снега со склонов местности, капиллярное поднятие от уровня
грунтовых вод» конденсация водяных паров из воздуха и переме-
щение пленочной влаги по поверхности грунтовых частиц.
В зависимости от климатического района, местных условий и
времени года обычно преобладают те или иные причины увл; ж-
нения земляного полотна.
119
7.3. Водный режим земляного полотна
Количество влаги W, находящееся в земляном полотне, не
остается в течение года постоянным и изменяется за определен-
ный промежуток времени согласно уравнению водного баланса
W = (4 + В + С) — (D + Е + Л),
где А — осадки, выпадающие на земляное полотно; В — просачивание воды,
притекающей с прилегающей к дороге местности; С — приток воды от уровня
грунтовых вод по капиллярам, а также в результате пленочного и парообразного
перемещения влаги; D — сток воды с земляного полотна; Е — испарение влаги с
поверхности грунта; F — просачивание воды из земляного полотна в глубинные
слои грунта.
На изменения водного режима земляного полотна, помимо ат-
мосферных осадков, значительное влияние оказывают колебания
температуры в течение года, создающие в теле земляного полотна
температурные градиенты, под влиянием которых содержащаяся
в грунте вода перемещается из более теплых мест к более хо-
лодным.
В годовом цикле изменения влажности грунтов земляного по-
лотна, по предложению проф. А. Я. Тулаева, различают следую-
щие периоды: I — первоначальное накопление влаги осенью в ре-
зультате просачивания в грунт дождевых осадков; II —
промерзание земляного полотна и зимнее перераспределение
влаги; III — оттаивание земляного полотна и весеннее переувлаж-
нение грунта; IV — летнее просыхание земляного полотна.
Водный режим существенно зависит от местных климатиче-
ских условий, поскольку влияние факторов, входящих в уравне-
ние водного баланса, по-разному проявляется в разных климати-
ческих зонах.
На рис. 7.3 показано изменение роли источников увлажнения
земляного полотна при передвижении с северо-запада на юго-вос-
ток европейской части СССР. В связи с увеличением глубины
залегания уровня грунтовых вод, уменьшением количества выпа-
дающих осадков и ростом испарения по мере приближения к югу
водный режим земляного полотна становится все более и более-
благоприятным. При этом одновременно с уменьшением интен-
сивности увлажнения снижается и влияние зимних температурных
перемещений влаги. Поэтому в южных засушливых зонах роль
грунтовых вод в изменениях водного баланса снижается, а роль
парообразного перемещения влаги возрастает. Важнейшими ис-
точниками увлажнения земляного полотна в степной зоне являют-
ся атмосферные осадки и конденсация водяных паров в порах
грунта. В более северных зонах в увлажнений земляного полотна
соответственно, возрастает роль капиллярного поднятия из грун-
товых вод, расположенных вблизи от поверхности грунта, и умень-
шается роль испарения влаги.
120
климатические
условия
Ландшафтная
зона
Тундра
At
Вечная
мерзлота
Лесостепь
Осадка В
Лес_______
Осадки I
верховодка
редкая
1000 |
800^ *1»*
?0^1
о
/о
20
Источники
увлажнения
земляного
полотна и
почвенный
разрез
Характерный
тип почв
Л?
100
158 iT:
zwfe
см
Тундровая
характерное Весеннее
состояние грунта
Относительная
влажность
В
У8В
УГВ
дом
см
лесная
см
Подзолистая'
текучее
40
А
В
вг
степь
: Осддки ш
flj
50]_
шот В
лжи
см
чернозем
мягкоппас-
тичное
0,75-1,0
Твервопластич-
ное
0,5'0,75
Сухая степь
Осадки
*1
50Й*ll
СМ
серозем
твердое
<0,5
£
50 *§5
Рис. 7.3. Изменение климатических факторов и источников увлажнения земляно-
го полотна в пределах европейской территории СССР. Влажность выражена в
долях предела текучести:
/ испарение; 2 — осадки; 3 — уровень грунтовых вод; I — частые пучины; II — возможные
пучины; III — увеличенная влажность из-за конденсации паров; Д, В, Ct G— характерные
почвенные горизонты (Д—гумусовый и элювиальный; В — аллювиальный; С — почвообра-
зуюгцне породы; G — оглеенный)
По мере приближения к югу консистенция грунтов в весенний
период в основании дорожной одежды становится все более плот-
ной, влажность, выраженная в долях предела текучести,— мень-
шей, а продолжительность переувлажнения сокращается.
7.4. Зимнее перераспределение влаги в земляном полотне
и процесс пучинообрвзования
Для дорог, построенных в северных районах страны с дождли-
вой осенью и морозными зимами, характерны процессы зимнего
пёрераспределения влаги в земляном полотне, приводящие к на-
коплению влаги в верхних слоях грунта.
В процессе замерзания в теле земляного полотна создается
разность температур в пределах от 4—6°С выше нуля у уровня
грунтовых вод до отрицательных температур в промерзшем верх-
нем слое грунта. Под влиянием разности температур влага начи-
нает перемещаться от теплого грунта к границе промерзания.
121
Существует несколько путей перемещения воды в промерзающем
грунте:
перемещение влаги по пленкам, обволакивающим грунтовые
частицы, от более теплых частиц к более холодным, которые обла-
дают большей поверхностной энергией; •-
путем конденсации на поверхности охлажденных грунтовых ча-
стиц водяных паров, приносимых содержащимся в грунте возду-
хом из нижних теплых слоев при конвекционной циркуляции в
порах грунта. Парообразное перемещение влаги прекращается при
влажности грунта, близкой к капиллярной влагоемкости, Когда
капилляры начинают замыкаться кольцами менисков воды;
по тонким капиллярам, из которых незамерзающая вода вса-
сывается в мерзлую часть грунта к центрам кристаллизации.
В пределах промерзшей толщи грунта вода в капиллярах за-
мерзает при температуре минус 0,2°С. При понижении температу-
ры ниже 0°С вода, замерзая, образует в отдельных крупных порах
кристаллы льда.
Молекулы воды в поверхностных слоях водных пленок на грун-
товых частицах, соприкасающихся с кристаллами льда, при пони-
жении температуры начинают подтягиваться к кристаллам льда,
включаясь в их кристаллическую решетку. В мелкозернистых
грунтах эти кристаллы постепенно увеличиваются в объеме, при-
тягивая к себе влагу из окружающего грунта и из расположен-
ных ниже незамерзших слоев грунта. Возникающая всасывающая
сила, природа которой в полной мере еще не изучена, заставляет
воду по системе пленод и тонких капилляров передвигаться из
незамерзших слоев' к центрам замерзания, вызывая накопление
в грунте прослоек льда. Перемещение влаги протекает интенсивно
при температурах от 0 до минус З’С. При более низких темпера-
турах большая часть рыхло связанной пленочной воды замерзает
и перемещение влаги в грунте практически прекращается.
Количество воды, подтянутой к растущим ледяным кристал-
лам, бывает тем большим, чем дольше продолжается процесс по-
степенного промерзания грунта, т. е. чем более длительный период
времени температура какого-либо слоя грунта находится в пре-
делах'от 0 до минус 3°С. При быстром промерзании грунта коли-
чество влаги, которое успевает подойти к каждому центру кри-
сталлизации, невелико, так как по мере опускания границы
промёрзания в грунте возникают новые центры кристаллизации,
к которым направляется поток влаги. Горизонты накопления ле-
дяных прослоек обычно соответствуют периодам оттепелей, когда
границы промерзания удерживаются на одном уровне.
Растущие ледяные кристаллы, заполняя поры, имеющиеся в
грунте, образуют ледяные прослойки, которые раздвигают грун-
товые частицы и вызывают поднятие (пучение) грунта (рис. 7.4),
приводящее к появлению взбугриваний. При весеннем оттаивании
грунта сопротивление оттаявшего сильно увлажненного грунта.
122
Рис. 7.4. Увеличение глубины промерзания и вспучивания грунта в течение зим-
него периода:
1 — вспучивание покрытия; 2 — промерзание грунта земляного полотна; 3 — линзы льда; 4 —
оттаивание грунта; 5 -ч дорожная одежда; $ — грунт земляного полотна
земляного полотна нагрузкам резко снижается. На дорогах, где
дорожная одежда имеет недостаточную прочность, возникаютха-
рактерные деформации, связанные с проломами дорожной одежды
(весенние пучины).
Сопротивление, оказываемое весом расположенных выше слоев
грунта, затрудняет накопление льда и противодействует образо-
ванию ледяных прослоек. Поэтому с увеличением глубины про-
мерзания интенсивность образования в грунте ледяных кристал-
лов уменьшается. Глубину, на. которой кристаллы практически
перестают образовываться, называют критической глубиной про-
мерзания. г
Процесс перемещения влаги и ее накопление в мерзлом грунте
наиболее интенсивно протекает в пылеватых грунтах с большим
содержанием частиц размером от 0,05 до 0,002 мм. В этих грунтах
поверхность грунтовых зерен достаточно развита, чтобы обеспе-
чить подтягивание к центрам кристаллизации большого количества
пленочной воды. Поры грунта также достаточно крупны, чтобы в
них происходило и парообразное перемещение влаги.
В грунтах с большим содержанием глинистых частиц вода пе-
ремещается замедленно, поскольку в тончайших порах глинистых
грунтов вязкость связанной воды очень велика, а микроструктура
грунтов создает значительные сопротивления для перемещения
влаги. 7
Характеристикой интенсивности процесса зимцего влагонакоп-
ления в грунте может служить коэффициент пучения Каг который
выражает отношение высоты поднятия поверхности грунта к глу-
бине промерзания. По данным проф. Н. А. Пузакова, при благо-
приятных грунтово-гидрологических условияхКа=2-7-3%. В небла-
ь
123
гоприятных случаях, например при близком к поверхности грунта
стоянии уровня грунтовых вод, Кп может достигать 15—20%. Для
определения общего количества влаги, накопившейся в земляном
полотне за зимний период при различных источниках увлажнения
земляного полотна, разработан ряд методов (проф. И. А. Золотарь,
проф. В. М. Сиденко и др.). Наиболее простой из них, с достаточ-
ной точностью удовлетворяющий требованиям расчетов водного
режима земляного полотна автомобильных дорог, предложен проф.
Н. А. Пузаковым.
Рассмотрим процессы зимнего влагонакопления в охлаждаемом
сверху столбике грунта с площадью сечения, равной единице.
В зависимости от источников увлажнение земляного полотна
может происходить по одной из трех схем.
1. Сухие местности с обеспеченным стоком поверхностных вод,
глубоким залеганием уровня грунтовых вод и относительно малым
количеством осадков.
Накопление влаги в верхних слоях земляного полотна происхо-
дит в этом случае путем ее парообразного перемещения, конденса-
ции и перераспределения пленочной влаги в зоне отрицательных
температур. Многочисленные наблюдения за промерзанием грун-
тов показывают, что, несмотря на колебания температуры воздуха,
в течение зимы глубина распространения определенной отрица-
тельной температуры в грунте с достаточной точностью может
быть выражена эмпирической зависимостью
(7.1}
где От — коэффициент, зависящий от рассматриваемой температуры и кли-
матических условий местности, см2/сут; t — продолжительность промерзания, сут.
. Средние значения коэффициента ат для изотермы 0°С, разгра-
ничивающей талый и замерзающий грунты, колеблются для евро-
пейской территории СССР в пределах от 50 до 150 см2/сут (рис.
7.5).
Для изотермы —3СС, при которой адсорбированная вода прак-
тически утрачивает подвижность, значение а_звс составляет в за-
висимости от типа грунта от 0,1 а-i °с до 0,85 a_i ОС-
Мощность -мерзлой зоны, в пределах которой происходит пере-
мещение влаги через t дней после начала промерзания, согласно
рис. 7.6, а и формуле (7.1) составляет
= "о °с з °с ~ (V ао °с — V з °с) V2Z (7-2)1
Лабораторные опыты показали, что количество незамерзшей
воды на изотерме 0°С близко к молекулярной влагоемкости 1Г0, а
ца изотерме —3°С — к утроенной гигроскопичности грунта -
Величйны 1Г0 и V7i должны быть выражены в долях объема, зани-
маемого в грунте водой.
Таким образом, разность 1Г0—Wi характеризует количество
рыхло связанной воды, которая может перемещаться под влияни*
124
Рис. 7Л. Карта изолиний климатического параметра оо<>с:
1 — граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 — то же островного про-
мерзания
ем температурных градиентов. Распространяя общие закономер-
ности механики грунтов на случай перемещения пленочной влаги,
принимают, что аналогично гравитационной фильтрации воды
через грунт скорость пленочного перемещения воды может быть
выражена зависимостью, сходной с формулой Дарси:
(7.3)
ти грунта, зиачение-
ьку в уравнении (7.3)
ос
где k*— коэффициент молекулярной влагопрово
которого может быть определено опытным путем.
градиент влажности выражен в относительных объемах, а ие в приведенных
высотах слоя воды, коэффициент молекулярной влагопроводимости имеет раз-
мерность см2/сут; L — путь перемещения влаги — расстояние между нзотерма-
ми, см;
— условный градиент притока влаги.
125
Рис. 7.6. Схемы к определению количества влаги, поступающей в зону промер*
заиня:
а — изменение во времени мощности зоны пучения грунта; б — средний путь перемещения
незамерзающей влагн; в — путь перемещения в зоне капиллярного перемещения
В период от начала промерзания до достижения критической
глубины Акр, ниже которой давление грунта препятствует возник-
иовеиию линз льда, средний путь перемещения незамерзшей пле-
ночной влаги (рис. 7.6,6)
Значения Лкр для центральных районов европейской террито-
рии СССР приведены в табл. 7.3.
Учитывая выражение (7.2), скорость перемещения влаги
V2/Кр (/% вс “ /а-з *с)
(7.5)
Допуская распределение температур в мерзлом слое по линей-
ному закону, получаем, что количество влаги (в см3/см2), посту-
пившее за; полный период промерзания грунта /Кр,
(7.6)
2. Районы с достаточным количеством осадков и затрудненным
стоком воды от земляного полотна.
За осенние месяцы верхний слой грунта насыщается влагой и в
нем. создается столб подвешенной капиллярной воды со средней
влажностью, превышающей 0,6 от предела текучести грунта.
Увлажнение грунта в зоне отрицательных температур происхо-
дит в результате подтягивания капиллярно-подвешенной и пленоч-
ной воды. На уровне нулевой изотермы грунт имеет влажность,
равную молекулярной влагоемкости Количество перемещаю-
126
Таблица 7.3
Грунты , Критическая глубина промерзания ^кр» СИ Коэффициент влагопроводимости. см2/сут бГ 1 «й h 1 о h
молекулярной Т“*
Глины 120—160 1,20 17,0 0,18 0,12
Суглинки 120—160 1,10 10,0 0,13 0,14
Пылеватые суглии- 140 1,20 •— __ 0,14
ки
Пылеватые супеси 120—130 2,80 7,1; 0,10 0,31
Супеси 120 1,70 6,6 0,05 0,17
Пылеватые пески 80 1,65 * 1 ' 0,16
щейся влаги определяют аналогично предыдущему случаю, с
учетом того, что влажность грунта изменяется от начальной
капиллярной влажности до молекулярной влагоем кости
По мере промерзания весь подвешенный столб капиллярной
воды подтягивается кверху. Таким образом, вО втором расчетном
случае учитывают перемещение воды в зоне положительных темпе-
ратур. Наблюдения показали, что в этом случае путь фильтрация
воды изменяется пропорционально корню квадратному из продол-
жительности промерзания /кр:
Д = (7.7).
где kK — коэффициент капиллярной влагопроводимости грунта, см2/сут.
Средний за время /кр путь фильтрации
12*^кр' (7.8)
4W
Следовательно, условный градиент притока капиллярной вла
ги в этом случае
2 (ТГК - IFq)
(7.9)
Скорость притока капиллярной влаги
W'k-W'o
vK — 2Z?K
(7.10).
12&к6ср
_
Приток капиллярной влаги в мерзлую зону
*кр
J vKdt = 2£к
О
У2/кр =1,15 (WK - W^V k^.
(7.П)
127
3. В местностях с близким от поверхности стоянием уровня
грунтовых вод (постоянно сырые места) осеняя влажность грун-
та может быть принята равной капиллярной влагоемкости грунта.
Путь подтягивания воды к замерзшему слою сокращается по мере
роста глубины .промерзания (рис. 7.6, в)
L = Н kgp —Н — 2а0 «Q^Kp, (7.12)
где Н — глубина уровня грунтовых вод от поверхности грунта.
Аналогично предыдущему
= 2*к
1ГК-Го
(н-V 2а0*Кр )
(7.13)
Приток воды в зону промерзания
Q3= = X
J во
о
О °С1Кр
Уравнение (7.13) отражает процесс перемещения влаги лишь
при h^p<ZH. При hKV—H знаменатель становится равным нулю и
скорость получается бесконечно большой. Поэтому формула (7.13)
применима лишь до ЛКр<0,75 Н. Для больших глубин проф.
_М. Б. Корсунский предложил пользоваться эмпирической форму-
лой
2*к (Гк - Го)
0,125/У ехр [2,8 (1 — Лкр)/7/] '
(7.15)
Зная количество воды, поступившей в промерзающую зону за
определенное время, можно, допуская, что вся вода замерзает, оп-
ределить для всех случаев увлажнения соответствующую высоту
пучения
/пуч = 1,1(?. (7.16)
Средние значения входящих в формулы коэффициентов молеку-
лярной и капиллярной влагопроводнмости для разных грунтов по
данным Н. А, Пузакова, приведены в табл. 7.3.
7.5. Дорожно-климатическое районирование СССР
Разнообразие климатических, почвенно-грунтовых и гидрологи-
ческих условий на обширной территории СССР не позволяет про-
128
ектировать земляное полотно и дорожную одежду во всех клима-
тических зонах СССР по единым правилам.
Построенная автомобильная дорога, подвергаясь воздействию
климатических факторов, участвует во всех естественно-историче-
ских процессах, протекающих в поверхностных слоях земной
коры. Поэтому в основу деления территории СССР на дорожно-
климатические зоны положено естественно-историческое райониро-
вание, которое делит территорию СССР на ряд зон, отличающихся
общностью климата, гидрологических и геоморфологических усло-
вий. Следствием относительного постоянства в пределах каждой
зоны тепла и влаги являются примерно однородные типы почв и
растительности.
Предусматриваемое при проектировании дорог возвышение ни-
за дорожной одежды над источниками увлажнения и очистка доро-
ги от снега в процессе эксплуатации, увеличивающая глубину
промерзания земляного полотна, несколько меняют водно-тепло-
вой режим земляного полотна по сравнению с прилегающей мест-
ностью. Поэтому границы дорожно-климатических зон не совпада-
ют точно с границами естественно-исторического районирования.
Однако сопоставление карты дорожного районирования со схе-
мой распространения почвенных типов (рис. 7.7) и с картой ланд-
шафтных зон на территории СССР (рис. 7.8) показывает, что зоны
дорожного районирования примерно соответствуют границам поч-
венных и ландшафтно-географических зон.
По дорожно-клнматическим условиям территория СССР разде-
лена на пять зон:
I — зона распространения многолетнемерзлых грунтов (вечной
мерзлоты); расположена севернее линии Мончегорск — Поной —
Несь — Усинск — Игрим — устье Подкаменной Тунгуски —
Канск — Туран — Горно-Алтайск—- госграница СССР — Благове-
щенск — Биробиджан — Николаевск-на-Амуре. Эта зона включает
в себя географические зоны тундры, лесотундры и северо-восточ-
ную часть лесной зоны; характеризуется переувлажнением верх-
них слоев грунта. Просачиванию воды вглубь препятствует распо-
ложенный вблизи от поверхности грунта мерздый грунт. Испаре-
ние незначительно в связи с кратковременностью теплого периода
года.
Так как исключительно сильно проявляется зависимость глуби-
ны залегания вечномерзлого слоя от растительного покрова, рель-
ефа и экспозиции склонов по отношению к странам света, типовых
рекомендаций по конструкциям земляного полотна и-дорожной
одежды для I дорожно-кл им этической зоны не йает^й В I зоне
выделяют три подзоны, различающиеся по температуре вечномерз-
лых грунтов и влажности сезонно оттаивающего слоя;
II — зона избыточного увлажнения; ограничивается с юга ли-
нией Львов — Житомир — Тула — Горький — Устинов — Кыш-
тым — Томск — Канск и далее на участке Благовещенск.— Биро-
5-977 129
30 35 40 46 60 56 80 88 70
11 ........ .....I 4. nilH.ll. I
Рве. 7.7. Дорожно-климатические эоны и почвы европейской части СССР:
7—тундровые; 2—подзолистые и заболоченные; 3— горно-лесные Подзолистые; 4~
дерновые перегнойно-карбонатные вперемешку с подзолистыми; 5—серые лесные и
лесостепные; 6—черноземные; 7— каштановые и солонцы; 8—бурые солонцы и разве*
ваемые пески; у—буроземы; 10—красноземы, желтоземы и субтропические золистые
(I — к — дорожно-климатические эоны)
биджан — Николаевск-на-Амуре до государственной границы с
КНР. В нее входят также Сахалин и южная часть Камчатки. По-
ложение южной границы зоны в пределах европейской части тер-
ритории СССР примерно соответствует северной границе серых
лесных почв и лесной ландшафтной зоны. Характеризуется избы-
точным увлажнением грунта вследствие значительного количества
выпадающих осадков, малой испаряемости и высокого расположе-
ния уровня грунтовых вод. Коэффициент увлажнения по проф.
Г. Н. Высоцкому (отношение выпадающих за год осадков к
испарению за тот же период) для II зоны превышает 1. Зона ха-
рактеризуется таежными и смешанными лесами и почвами подзо-
листого типа.
В отличие от остальных зон II дорожио-климатическая зона
включает значительную часть территории СССР с сильно разли-
чающимися по климатическим условиям районами. Несомненно,
что по мере накопления опыта службы автомобильных дорог в
ней придется выделить несколько самостоятельных зон на основе
точного учета географических закономерностей распределения
природных факторов, влияющих на работу дорожных одежд в раз-
ные периоды года. Пока в ией выделяют лишь северную и южную
подзоны, различающиеся по влажности грунтов земляного полотна
в период весеннего протаивания грунтов. Граница между ними
проходит через Барановичи — Рославль — Клин — Андропов —
Котлас — Березники — Ивдель;
III — зона значительного увлажнения в отдельные годы; огра-
ничивается с юга линией Кишинев — Кировоград—Белгород —
Куйбышев — Магнитогорск — Омск—Бийск — Туран. При оценке
необходимого возвышения бровки земляного полотна под источни-
ками увлажнения к ней относят также Кубань и западную часть
Северного Кавказа. Южная граница зоны соответствует северной
границе распространения черноземных почв. По почвенным типам
III зона располагается в пределах оподзоленных почв лесостепи и
выщелоченных черноземов; грунтовые воды залегают глубоко. Зо-
на характеризуется значительным увлажнением весной и осенью.
В отдельные годы коэффициент увлажнения для разных районов
зоны составляет 1—0,6;
IV — зона недостаточного увлажнения; охватывает обширные
территории, покрытые черноземами, а в южной части — каштано-
выми почвами. В нее входят также Черноморское побережье и
степи Северного Кавказа. В северной части зона относится к лесо-
степи, на правобережье Днепра распространены смешанные леса,
южная часть левобережья представляет собой с^гепь. Зона харак-
теризуется умеренной влажностью верхних слоёв^гр^нта вслед-
ствие значительной испаряемости и небольшого количества
осадков.
Коэффициент увлажнения составляет 0,6—0,3. Грунтовые воды
расположены на большой глубине;
5* 131
тундра; 2 — тайга; 9 — смешанный лес; 4 — лесостепь; 5 — степь; 6 — полупустыня; 7 — пустыня; 8 — субтропики; 9 —* горные районы;
10 широколиственные смешанные леса; 1 — V — дорожно-клнматическне зоны
V — засушливая зона; расположена юго-восточнее линии
Джульфа — Степанакерт — Буйнакск — Кизляр — Волгоград и да-
лее южнее на 200 км линии Уральск — Актюбинск — Караганда до
северного побережья оз. Балхаш. Зона характеризуется незначи-
тельным увлажнением грунтов вследствие сильной испаряемости.
Коэффициент увлажнения не превышает 0,3—0,12, однако в весен-
ний период на участках искусственного орошения и на участках с
высоким уровнем грунтовых вод и засоленными грунтами земля-
ное полотно может переувлажняться. Границы V дорожно-клима-
тической зоны примерно совпадают с ландшафтной зоной сухих
степей и полупустынь, которые характеризуются распространением
бурых и каштановых почв с включением части солонцов и солон-
чаков.
В европейской части СССР условия промерзания грунтов более
благоприятны в западной части выделенных климатических зон,
чем в восточной, где климат более континентален, количество осад-
ков меньше, а скорость промерзания выше. Границу между запад-
ными и восточными частями зон условно принимают по рекам Се-
верной Двине и Волге.
Горные районы Кавказа и Средней Азии не охватываются
дорожно-климатическим районированием. Подчинение расположе-
ния почв и растительности в этих районах вертикальной зонально-
сти, распространение скальных и каменистых грунтов, а также рез-
кая зависимость условий увлажнения от высоты над уровнем моря
и экспозиции склонов относительно стран света не дают возмож-
ности дать общую дорожно-климатическую характеристику этих
районов.
Границы дорожно-климатических зон не являются четко очер-
ченными. В пограничных районах, примерно в пределах 100—
150 км к северу и югу, отдельные участки дорог при проектирова-
нии следует относить к той или иной зоне на основе анализа мест-
ных условий — рельефа, почвенного покрова и экспозиции с учетом
опыта службы дорог, построенных в аналогичных условиях.
7.6. Оценка гидрологических и гидрогеологических
условий местности
Дорожно-климатическое районирование дает лишь общую
характеристику географического района. Особенности проложения
трассы дороги могут в пределах каждой зоны существенно изме-
нять условия работы грунта в земляном полотне, что учитывается
введением понятия о гидрологической группе местности.
Участки трассы по условиям увлажнения и обеспеченности от-
вода воды от дороги могут быть разделены на Три типа:
1. Сухие места без избыточного увлажнения с обеспеченным
поверхностным водоотводом (поперечный уклон придорожной по-
133
лосы более 2%0) без признаков заболачивания. Грунтовое воды
не влияют на увлажнение верхней толщи грунтов.
2. Сырые места с избыточным увлажнением в отдельные пери-
оды года. Поверхностный сток не обеспечен. На поверхности вес-
ной и осенью образуются в отдельных местах застои воды, хотя
грунтовые воды не оказывают существенного влияния на увлажне-
ние поверхностных слоев грунта. К этому типу относятся участки с
признаками поверхностного заболачивания и участки с затруднен-
ным стоком при слабопроницаемых почвах (западины и блюдца на
широких водораздельных плато, низины, равнины, котловины и
нижняя часть затяжных залесенных склонов).
3. Мокрые места с постоянным избыточным увлажнением. Верх-
няя толща грунтов постоянно увлажнена стоящими близко от по-
верхности грунтовыми водами или застаивающимися на длитель-
ное' время (более 30 сут) поверхностными водами. Почвы торфя-
ные, оглеенные, с признаками заболачивания. К этому же типу
местности относят солончаки и постоянно орошаемые территории
засушливой зоны.
При отнесении участка проложения трассы к тому или иному
типу гидрологических условий руководствуются оценкой по релье-
фу местности, условиям притока и отвода воды, положению уровня
грунтовых вод и признакам заболоченности н ог леей и я грунта.
Хорошей характеристикой грунтовых и гидрогеологических усло-
вий на глубину до 8—10 м часто является растительность, посколь-
ку отдельные виды растений встречаются только при определен-
. ных сочетаниях почв и гидрогеологических условий.
Резкое изменение растительности обычно связано с изменением
условий увлажнения. Используя имеющиеся справочники «расте-
ний-индикаторов», можно при изысканиях судить о видах подсти-
лающих грунтов и глубине подземных вод. Признаком близости
грунтовых вод служит появление влаголюбивой растительности
среди более сухолюбивой, свежесть растений, сочность их листвы,
густота дернового покрова.
7.7. Требования к возвышению бровки земляного полотна
над поверхностью грунта и регулирование
водного режима земляного полотна
Земляное полотно воспринимает все давление транспортных
средств, передающееся через дорожную одежду. Поскольку сопро-
тивление грунта сильно меняется при колебаниях его влажности,
для надежной работы дорожной одежды необходимо, чтобы было
обеспечено постоянство водного режима земляного полотна в те-
чение всего года. Для этого должно быть предотвращено проника-
ние воды в земляное полотно по капиллярам и в результате про-
134
цессов зимнее миграции влаги от
уровня грунтовых вод и из мест
застоев поверхностных вод при
необеспеченном водоотводе.
Источники увлажнения верх-
них слоев земляного полотна и
продолжительность их действия
зависят от гидрологических усло-
вий и климата. В северных райо-
нах избыточного увлажнения и
в заболоченных районах около
дороги почти все время находится
вода. В южных засушливых райо-
нах застои воды бывают кратко-
временными, так как вода быст-
ро испаряется. Поэтому необхо-
димое возвышение бровки земля-
ного полотна над источниками
увлажнения в разных дорожно-
климатических зонах неодинако-
во. Изложенные выше методы
расчета количества воды, посту-
пающей в верхние слои земляно-
го полотна во время промерза-
ния, дают принципиальную воз-
можность рассчитать наиболее
рациональное из экономических
соображений возвышение бровки
земляного полотна.
Принципиальные основы этой
методики заключаются в следую-
щем.
Сопротивление грунта иагруз-
Рис. 7.9. Влияние влажности грунто-
вого основания на его модуль дефор-
мации и относительную стоимость до-
рожной одежды:
/ — модуль деформации; 2 — отяосителъ*
ная стоимость; влажность выражена в до-
лях влажности, соответствующе* наиболее
неблагоприятной степени увлажнения за
расчетный срок службы дорожной одежды
Рис. 7.10. Схема к определению воз-
вышения бровки земляного полотна
над источниками увлажнения:
а—глубина зимнего промерзания
кам зависит от его влажности (рис. 7.9). Чем большее количество
влаги проникнет в верхние слои земляного полотна в зимний и ве-
сенне-осенний периоды, тем сильнее снижается прочность грунта,
а следовательно, требуется более толстая дорожная одежда (см.
п. 15.3).
Количество влаги, которое может поступить в зону промерза-
ния земляного полотна при наиболее сложных условиях увлажне-
ния (рис. 7.10), может быть определено по уравнению (7.14).
Чем' выше насыпь, тем больше путь перемещения волы, прони-
кающей в промерзающую зону, и, следовательно, меньше весенняя
влажность. При этом уменьшается стоимость дородной одежды,
но увеличиваются затраты на сооружение земляного полотна. Наи-
более рациональна высота насыпи, при которой стоимость построй-
ки дороги является наименьшей. Определенные на таких соображе-
1ЯК
ний оптимальные возвышения бровки земляного полотна даны в
табл. 7.4.
Необходимое возвышение земляного полотна обусловлено так-
же высотой снежного покрова. Чтобы не происходило заносов до-
роги во время метелей, земляное полотно должно возвышаться над
снеговым покровом. Считается, что в открытой местности возвыше-
ние бровки земляного полотна над уровнем снегового покрова,
определенным по данным метеорологических станций, при вероят-
ности превышения 5%, должно быть не менее:
Категория дороги ............I II III IV V
Ширина земляного полотна, м . . .28,5—
27,5 15 12 10 8
Возвышение бровки, м ...... 1,2 0,7 0,6 0,5 0,4
При невозможности поднять бровку земляного полотна до ука-
занной высоты, например, когда отметка дороги определяется
уровнем пересекаемых в одном уровне железной и автомобильной
дорог или отметками застройки при проходе через населенный
пункт, постоянство водного режима верхней части земляного по-
лотна может быть обеспечено устройством внутри земляного полот-
на изолирующих прослоек, прерывающих перемещение влаги, при
обеспечении отвода воды от дождей и таяния снега. Это создает
благоприятный водный режим верхней части земляного полотна,
хотя грунт, расположенный ниже прослойки, будет при этом оста-
ваться переувлажненным.
Изолирующие прослойки бывают двух видов (рис. 7.11):
прерывающие все виды перемещений влаги — капиллярное,
пленочное и парообразное (рис. 7.11, а). Их устраивают из син-
тетических нетканых материалов (геотекстиля), обработанных ор-
ганическими вяжущими ^материалами для придания водонепрони-
Та блица 7.4
Грунт насыпи Наименьшее возвышение, поверхности покрытия над уровнем грунтовых вод, м, в дорожно-клнматнческих зонах
II III IV у
Песок мелкий, супесь лег- кая 1,1/0,9 0,9/0,7 0,75/0,55 0,5/0,3
Песок пылеватый, супесь пылеватая 1,5/1,2 1,2/1,0 1,1/0,8 0,8/0,5
Супесь легкая, суглинок тяжелый, глины 2,2/1,6 1,8/1,4 1,5/1,1 1,1/0,8
Супесь тяжелая пылева- тая, суглинки легкие и тяже- лые пылеватые 2,4/1,8 2,1/1,5 1,8/1,3 1,2/0,8
Примечание. В числителе — наименьшее допустимое возвышение поверхности до-
рожной одежды над уровнем грунтовых или длительно застаивающихся (более чем 30 сут)
Поверхностных вод; в знаменателе — то же над поверхностью земли иа участках с необес-
печенным водоотводом или над уровнем кратковременно стоящих поверхностных вод.
136
Рис. 7.11. Прослойки земляного полотна:
1 — щебень; 2 — крупнозернистая прослойка; 3 — протнвозаиливающие прослойки; 4 — уро-
вень грунтовых вод; 5 — слой грунта, обработанного органическими вяжущими материала-
ми, или прослойки водонепроницаемых синтетических материалов; 6 —< возвышение над го-
ризонтом поверхностных вод не менее ОД м
цаемости Ранее для этой цели использовали также грунт (3—
3 см), обработанный битумом или другими гидрофобными матери-
алами, полиэтиленрвую пленку, толь;
прерывающие только капиллярное поднятие (рис. 7.11, б). Их
устраивают из крупнозернистых, хорошо фильтрующих материа-
лов (гравия, щебня или гравелистого песка). Толщина этих про-
слоек обычно не менее 15—20 см и должна превышать высоту ка-
пиллярного поднятия. Чтобы не происходило заиливания материа-
ла прослоек вымываемыми водой более мелкими частицами грун-
та, прослойки необходимо изолировать сверху и снизу слоями
обыкновенного (водопроницаемого) геотекстиля или по крайней
мере слоями грунта с частицами промежуточной крупности (су-
песь,- мелкий гравий), задерживающими мелкие частицы.
Водонепроницаемые прослойки наиболее целесообразны в IV и
V дорожно-климатических зонах, где грунтовые воды расположе-
ны глубоко и увлажнение земляного полотна происходит в резуль-
тате парообразного перемещения. Капилляропрерывающие про-
слойки устраивают преимущественно в пределах II и III зон.
Разновидностью водонепроницаемых прослоек из геотекстиля
является сгрунт в обойме» — слой уплотненного грунта оптималь-
ного состава, помещаемый непосредственно под дорожной одеж-
1 Геотекстиль (синтетический текстильный материал) — новый дорожно-
строительный материал, подучающий широкое распространение. Его изготовля-
ют из синтетических волокон в виде рулонов полотна двух типов: нетканого,
имеющего спутанно-волокнистую беспорядочную структуру нитей, и тканого в
виде переплетенных перпендикулярных нитей (утка и основы). Материалы до-
статочно устойчивы к агрессивным воздействиям и могут служить в грунте, не
теряя существенно прочности не менее 15—20 лет. Толщина геотекстили разных
марок составляет 4-—7 мм, плотность 120—6(Юэ^й1 2, сопротивлеиие иа разрыв
50-—600 Н/см. В зависимости от назначения имеются сорта хорошо водопрони-
цаемые, обладающие высоким сопротивлением разрыву, и водонепроницаемые,
пропитанные битумом.
137
дой. Полностью изолированный со всех сторон водонепроницаемым
геотекстилем от воздействия влаги он весь год сохраняет свое со-
противление нагрузкам, являясь полноценным несущим конструк-
тивным слоем дорожной одежды.
Верх изолирующих и капилляропрерывающих прослоек дол-
жен быть расположен от поверхности дорожной одежды на следу-
ющей глубине:
Дорожно-климатическая зона ... II III IV V
Глубина расположения верха про-
слойки, м ......... . 0,90 0,80 0,75 0,65
Расстояние между низом прослоек и наивысшим уровнем грун-
товых вод или расчетным уровнем длительно стоящих поверхност-
ных вод Следует назначать не менее 20 см.
Глава 8
ДОРОЖНЫЙ водоотвод
8.1. Система сооружений поверхностного
и подземного водоотводов и принципы их проектирований
Система дорожного водоотвода состоит из ряда сооружений и
отдельных конструктивных мероприятий, предназначенных для пе-
рехвата и отвода воды, поступающей к земляному полотну, или
для преграждения доступа воды в верхнюю часть земляного полот-
на. Целью ее устройства является предотвращение переувлажне-
ния земляного полотна, обеспечение постоянного безопасного режи-
ма влажности грунтовых оснований дорожных одежд.
Для того чтобы отвести поверхностную воду, выпадающую на
дорогу в виде осадков и притекающую к ней, придают выпуклое
очертание поперечному профилю земляного полотна и дорожной
одежды, планируют и укрепляют обочины; для отвода воды вдоль
дороги устраивают боковые водоотводные канавы или исполь-
зуют для этого резервы у дорожных насыпей; устраивают нагор-
ные канавы, перехватывающие воду, которая стекает по склонам
местности к дороге.
Для обеспечения стока воды с покрытия поперечный уклон про-
езжей части, направленный от середины к обочинам, должен быть
тем больше, чем меньше ровность поверхности покрытия, так как
вода, испытывая сопротивление стеканию, может застаиваться в
неровностях поверхности и просачиваться в покрытие. Однако тре-
бования удобства движения автомобилей вынуждают ограничи-
вать крутизну поперечного уклона возможно меньшим значением,
достаточным для обеспечения стока воды. Принимаемые в завя-
138
Таблица 8.1
Покрытия
Асфальтобетонные н цементобетониые
Гравийные н щебеночные, обработанные органнче*
скнми вяжущими материалами, мозаиковые, брусча-
тые в клинкерные мостовые
Гравийные, щебеночные
Мостовые из булыжного или колотого камня, грун-
товые, укрепленные местными материалами
Поперечный уклон
покрытая, %•
наименьший
наибольший
15
20
25
30
20
25
30
40
симости от типа покрытия поперечные уклоны дорожных одежд
приведены в табл. 8.1.
Обочинам придают больший поперечный уклон, чем покрытию,
так как на их поверхности при эксплуатации могут появляться
неровности, вызванные заездом автомобилей, а застои воды даже
на укрепленной обочине приводят к переувлажнению земляного
полотна. В зависимости от типа грунта земляного полотна и типов
покрытий обочины устраивают с уклоном на 10—20%0 больше, чем
покрытие, т. е. обычно около 40 % 0.
Поперечный профиль проезжей части обычно очерчивается по
параболе или по двум наклонным прямым, сопряженным в средней
части круговой вставкой длиной 2 м. При параболическом очерта-
нии поверхности дороги поперечный уклон по ее оси равен нулю и
достигает наибольшего значения (60 % о) у бровок земляного по-
лотна. Стрелка параболы равна 1,5% ширины земляного полотна.
Обочины на дорогах I, II категорий планируют, уплотняют и
укрепляют на ширину 0,75 м от проезжей частн бетонными пли-
тами, щебеночными и гравийными материалами с обработкой их
вяжущими. На остальной части ширины обочину укрепляют щеб-
нем, гравием или грунтом, обработанным вяжущими материалами,
а на дорогах с малой интенсивностью движения засевают низко-
рослыми травами для создания дернового покрова. В пределах на-
селенных пунктов поверхность обочины необходимо на всю ширину
укреплять гравием, щебнем, шлаком, местными слабыми каменны-
ми материалами или обрабатывать вяжущими материалами.
Если обочины не укреплены или вдоль покрытия не уложены
краевые полосы, условия работы краев покрытия резко ухудшают-
ся, что часто вызывает их обламывание. ?
Боковые канавы (кюветы) устраиваютввыемках и у насыпей
высотой до 1—1,2 м. Эти канавы служат для отвода воды, стекаю-
щей во время дождя н таяния снега с поверхности дороги и приле-
гающей к ней местности. Боковые канавы способствуют также осу-
шению верхней части земляного полотна в связи с испарением вла-
139
Рнс. 8.1. Поперечные сечения боко-
вых канав
Рнс. 8.2. Схема малого бассейна:
/ *— общий водораздел; 2 — местные водо-
разделы
ги с внутренних откосов боковых канав. Однако положительное
действие боковых канав сказывается лишь при быстром отводе из
них воды.
При водонепроницаемых грунтах и малоудовлетворительных
условиях поверхностного стока боковым канавам придают трапе-
цеидальное сечение с шириной по дну 0,4 м и глубиной обычно
0,7—0,8 м (до 1—1,2 м как максимум), считая от бровки насыпи.
Откосам каиав в выемках придают крутизну 1 : 1,5, а у насыпей
внутренний откос канав имеет крутизну 1 : 3 (рис. 8.1, а).
Если земляное полотно возводят в сухих местах с обеспечен-
ным быстрым стоком поверхностных вод, а грунтовые воды распо-
ложены глубоко, боковые канавы устраивают треугольного сече-
ния глубиной не менее 0,3 м от поверхности земли (рис. 8.1, б).
Крутизна откосов таких канав 1 :3 и меиее обеспечивает автомо-
билям возможность безопасного съезда с насыпи. В водопроница-
емых песчаных, щебенистых и гравелистых грунтах, обеспечиваю-
щих быстрое впитывание воды в любое время года, канавы не де-
лают.
В выемках, расположенных в гравелистых, щебенистых грунтах
илн легковыветривающнхся скальных породах, устраивают трапе-
цеидальные канавы глубиной не менее 0,3 м с откосами 1:1.
В прочном скальном грунте делают треугольные лотки глубиной
не менее 0,3 м с внутренним откосом 1:3 и внешним 1:1—1:0,5
Глубину канав в равнинной местности назначают по опыту экс-
плуатации в указанных выше пределах, проверяя в случаях необ-
ходимости при значительном притоке воды с окружающей местно-
сти достаточность пропускной способности канав гидравлическими
расчетами. При этом глубину канав назначают так, чтобы низ вы-
хода дренажного слоя дорожной одежды на откос (или дренажных
воронок) возвышался над диом канавы не менее чем на 20 см. При
помощи боковых водоотводных и нагорных канав поверхностные
воды отводятся в пониженные места (лога, тальвеги) и пропуска-
ются через дорогу, для чего в логах строят водопропускные трубы-
под насыпями и малые мосты (см. п. 9.1).
НО
Рис. 8.3. Графики притока воды во времени:
а — к кюветам; б, в — ливневых н талых вод к малым мостам н трубам; г — ливневых н
талых вод со значительных площадей
Если приток воды слишком большой, водоотводные канавы или
резервы могут переполняться и не будут выполнять своих функций
по осушению земляного полотна. В связи с этим вода из боковых
канав и резервов, расположенных с нагорной стороны, сбрасыва-
ется иа низовую сторону дороги перепускными трубами, располага-
емыми ие реже чем через 500 м вдоль дороги на спуске к тальвегу.
Поверхностные воды притекают к рассматриваемому участку
дороги с некоторой площади, называемой водосбором (бассейном).
Бассейн оконтурен водоразделом, т. е. линией, от которой сток во-
ды происходит в обе стороны (рис. 8.2). Площадь бассейна делит-/
ся на две части: с площади а вода притекает по тальвегу непосред-
ственно к водопропускному сооружению (мосту, трубе) и по водо-
отводным канавам не проходит; с площадок б, а также с поверх-
ности дороги вода притекает сначала к канавам или к резервам, а
по ийм либо к перепускным трубам (если длина спуска дороги к
тальвегу велика), либо к водопропускному сооружению на таль-
веге.
Водораздел, окаймляющий весь бассейн, легко устанавливает-
ся по карте в горизонталях. Водоразделы, окаймляющие площад-
ки б, которые питают канавы, проводятся в виде наклонных линий,
перпендикулярных к горизонталям на плане бассейна.
Определение возможного секундного притока воды к водоотвод-
ным канавам и водопропускным сооружениям рассмотрено в п.9.2.
Из двух возможных видов стока (ливневых и талых вод) наиболее
опасным для каиав и резервов всегда является ливневый. Особен-
ность стока с очень малых площадок (к которым относятся н пло-
щадки б на рис. 8.2) — постоянный расход в течение весьма дли-
тельного времеии. К водопропускным сооружениям (мостам и тру-
бам) вода притекает с достаточно больших площадей, и график
притока как ливневых, так и талых вод меняется, что отражается
на длительности пика паводка (рис. 8.3). При этом ливневые воды
притекают по почти треугольному гигрографу, а талые — чаще
всего по трапецеидальному, но с верхииЧ^рриованием, значительно
меньшим нижнего; при весьма значительных площадях бассейнов
141
и талые воды притекают к дорожным водопропускным сооружени-
ям по почти треугольным гидрографам.
При проектировании водботводных канав, являющихся элемен-
тами земляного полотна, исходят из вероятностей превышения рас-
четных расходов воды, приведенных в табл. 8.2 (вероятность пре-
вышения можно обозначать буквами ВП).
Для того чтобы быстро отвести воду, боковым канавам прида-
ют продольный уклон, который не должен быть менее 5%о в I—III
дорожно-климатических зонах и 3%0 — в IV и V зонах. Если это
требование удовлетворить нельзя, рабочую отметку насыпи необхо-
димо настолько увеличить, чтобы низ дорожной одежды возвышал-
ся над уровнем длительного стояния вод на высоту, требуемую
табл. 7.4. На участках дорог с большими продольными уклонами
боковые канавы укрепляют по гидравлическому расчету исходя из
количества воды, притекающей с дороги и прилегающей местно-
сти.
Нагорные канавы служат для перехвата воды, стекающей по
косогору к дороге, и для отвода этой воды к ближайшим искусст-
венным сооружениям, в резервы и пониженные места рельефа
(рис. 8.4). Нагорным канавам придают трапецеидальное попереч-
ное сечение, размеры которого всегда приходится обосновывать
гидравлическим расчетом. При расчете длинных канав учитывают
увеличение бассейна вдоль канавы по мере удаления от водоразде-
ла. Поэтому сечение нагорных канав обычно подбирают по отдель-
ным участкам по мере возрастания площади водосборных бассей-
нов. Нагорные канавы трассируют на местности с таким продоль-
ным уклоном, при котором вода не размывала бы грунт.
Во избежание сплывов или оползания откосов выемки из-за пе-
реувлажнения грунта, которое может возникнуть в результате слу-
чайного засорения нагорной канавы, расстояние от края выемки до
канавы должно быть не менее 5 м. На косогорах с откосом круче
Рис. 8.4. Нагорные канавы:
а — у насыпи; б — у, выемкн; / — насыпь;
2 — нагорная канава; 3 —> откос выемки
Рис. 8.5. Выпуск воды из иагориых
каиав и кюветов в резервы:
1 —* нагорная канава; 2 — резерв; 3 — вы-
емка; 4 — насыпь
142
Таблица &2
Категория дорог Вероятность превышения расчетных расходов, %. Для
водоотводных каиав водоотводных сооружений с поверхности мостов п дорог
I Я II 2 1
III 3 2
IV, V 4 3
1 :5 грунт из нагорных канав используют для устройства невысо-
кого валика (банкета) между выемкой и канавой. Банкет повы-
шает безопасность дороги от затопления при переполнении нагор-
ной канавы.
В местах перехода дороги из выемки в насыпь канавы отводят
с нагорной стороны в резерв, а с низовой выводят на поверхность
грунта в сторону выемки (рис. 8.5). Для стока воды дно резерва
по окончании земляных работ тщательно планируют с уклоном
20 % о от насыпи. Резервам, ширина которых превышает 6 м, при-
дают вогнутый профиль с уклоном к середине. При продольном
уклоне резерва менее 5%о для лучшего отвода воды в середине
резерва делают канаву шириной по дну 0,4 м. Канавы, отводящие
воду из резервов, должны быть укреплены против размыва.
По боковым кюветам и нагорным канавам вода стекает со ско-
ростью, зависящей от их продольного уклона, поперечного профи-
ля канавы, глубины потока и степени шероховатости стенок кана-
вы. При скорости течения, меньшей 0,4—0,5 м/с, канава засоряет-
ся и в ней возникает застой воды. Поэтому не допускается уклон
водоотводных канав менее 2%о-
При слишком большой скорости течения грунт начинает размы-
ваться, в связи с чем дно и откосы канав необходимо укреплять
против размыва. Откосы канав укрепляют сплошной одериовкой,
дно — щебнем, грунтом, обработанным органическими вяжущими
материалами, одиночным мощением и каменной кладкой на це-
ментном растворе. Часто применяют бетонные укрепления. Укреп-
ления канав назначают по гидравлическому расчету (рис. 8.6).
Для боковых каиав в тех случаях, когда ихвечение назначают не
по гидравлическому расчету, тип укрепления принимают ориенти-
ровочно в зависимости от продольного уклона иа основе много-
летней практики (табл. 8.3).
На больших уклонах дну канав придают ступенчатый продоль-
ный профиль, устраивая перепады из сборных железобетонных эле-
ментов, бетона, укладываемого на месте, каменной кладки (рис.
8.7), а на дорогах местного значения — из плетней с гравийной
засыпкой. Прилегающие к перепаду участки дна канавы укрепля-
143
Рис. 8.6. Укрепления кюветов и нагорных каиав типовыми бетонными плитами:
1 — бетонная плита; 2 — песчано-гравийнан подготовка под плиты; 3 — продольные швы, за-
делываемые мастикой; 4 —> поперечные швы
ют мощением. Между перепадами дну канавы придают уклон, не
требующий укрепления или соответствующий принятому типу ук-
репления.
В степных районах, равнинной местности, застойных местах,
когда нельзя отвести воду от дороги по боковым водоотводным ка-
навам в естественные понижения местности или к водопропускным
сооружениям, устраивают в стороне от дороги испарительные бас-
сейны. Эти бассейны представляют собой котлованы, вокруг кото-
рых делают земляные валики для того, чтобы преградить доступ
воды, поступающей со стороны, не из канав. Иногда вместо специ-
альных испарительных бассейнов можно использовать резервы,
которые в этом случае располагают на большем расстоянии от до-
роги, чем обычно.
Расчет испарительных бассейнов сводится к подбору такой их
площади, чтобы количество влаги, притекающей к бассейну во вре-
мя дождя, успевало испариться за период между дождями. Испа-
рительные бассейны разрешается устраивать лишь в местах, где
климатические условия (небольшое количество осадков, высокая
среднегодовая температура воздуха и сильные ветры) спосо'бству-
вуют высокой испаряемости. В северных и центральных районах
европейской части СССР, характеризующихся водонепроницаемы-
Таблица 8.3
Продольные уклоны канав, %в,
и грунтах
Тип укрепления
супесчаных
суглинистых
Без укреплении
Одериовка, засев травой
Мощение, бетонные плиты
Перепады и лотки
До 10
10—30
30—50
50
До 20
20—30
30—50
50
144
требуется дополнительный отвод
Рис. 8.7. Перепады в кюветах:
а — из камня; б — из бетона; в — из же-
лезобетонных элементов; I — мощение; 2 —
бетон млн бутобетон; 3 — железобетонные
элементы
ми грунтами, они способству-
ют заболачиванию местности и
неприменимы.
Для испарительных бассейнов
земли. Если за ними повседневно
не ухаживать, то бассейны зарас-
тают сорняками и становятся ис-
точниками засорения прилегаю-
щих полей. Поэтому на участках
с затрудненным водоотводом це-
лесообразнее проектировать зем-
ляное полотно в насыпях с таким
возвышением бровки, чтобы вооб-
ще избежать необходимости уст-
ройства канав и испарительных
бассейнов.
В случае когда грунтовые во-
ды залегают высоко, а построить
насыпь такой большой высоты,
чтобы исключить капиллярное
смачивание низа дорожной одеж-
ды, не представляется возмож-
ным, прибегают к понижению
грунтовых вод, устраивая для это-
го дренажи.
Дренажи (рис. 8.8) устраива-
ют в виде заложенных в грунт труб (закрытый дренаж) или за-
глубленных в водоносный слой грунта канав, заполненных круп-
ным дренирующим материалом (открытый дренаж). Закрытый дре-
наж (или дренажная прорезь) состоит из уложенной в грунте дре-
ны— трубы (асбоцементной, керамиковой или бетонной), вода в ко-
торую поступает через открытые стыки звеньев. Чтобы труба не
засорялась грунтом, стыки окружают пористо!) засыпкой (фильт-
ром), крупность которой уменьшается по направлению к стенкам
траншеи. Пористая засыпка собирает притекающую из грунта во-
ду, которая стекает далее по трубе (дрене). Возможно также обер-
тывание стыков дренажных труб геотекстилем, пропускающим воду,
но не частицы грунта.
. Дренажи можно использовать как для понижения уровня грун-
товых вод, так и для полного перехвата грунтовой воды, притека-
ющей к дороге со стороны. Чаще всего последние применяются на
откосах выемок, перерезающих водоносные пласты (см.
п. 8.3). Осушающее (понижающее) действие дренажей заключа-
ется в том, что при заглублении в грунт ниже уровня грунтовых вод
труба быстро отводит воду, просачивающуюся из прилегающей ча-
сти грунта, в результате чего образуется осушенная зона.
145
К системе дорожного водоотвода можно отнести также подсти-
лающий (дренирующий) слой дополнительного основания дорож-
кой одежды,: устраиваемый из песка, гравия и других крупнозер-
нистых материалов, который собирает воду, проникающую в осно-
вание дорожной одежды через обочииы, а также трещины и швы в
покрытиях. Вода из песчаного слоя отводится в резервы или в бо-
ковые канавы, для чего Этот слой выводится па откосы насыпи по
всей длине дороги. В весенний период в дренирующий слой посту-
пает также вода, выделяющаяся из верхних слоев земляного по-
лотна ири таяний ледяных прослоек, которые образовались на пу-
чинистых участках в процессе зимнего влагонакопления.
Дренирующие песчаные слои устраивают в лесной и лесостеп-
ной зонах при йылеватых Грунтах с избыточным увлажнением в
период оттаивания, а в других зонах — в местах с постоянным из-
быточным увлажнением. В зависимости от ширины проезжей части
и климатического района строительства песчаные материалы для
устройства дренирующего слоя должны в уплотненном состоянии
иметь коэффициент фильтрации от 3 до 10 м/сут.
Рис. 8.8. Схема закрытого дренажа:
о —с каменным заполнением; б —с дренажной трубой; 1 — утрамбованная глина; 2—два
слоя дерна (корнями вверх) или грунт, обработанный битумом толщиной 3 см; 3 — песок;
4 —мелкий гравий или • щебень; 5 — крупный гравий или щебень; б — щебень, втрамбован-
ный и грунт; 7 —»керамическая иля асбоцементная труба; 8 — крньая депрессии; 9 — водо-
упор
146
Рис. 8.9. Дренажные воровки:
а —разрез по полотну дороги; б, в— примыкания воронки к песчаному слою при малых
и больших уклонах; 1 — прослойка дерна илн мха; 2 —• щебень или гравий; 3 — дорожная
одежда
В благоприятных гидрогеологических условиях сплошной вы-
вод песчаного слоя на откосы насыпи иногда заменяют устрой-
ством так называемых дренажных воронок, заполненных хорошо
дренирующим материалом (одноразмерным щебнем, галькой раз-
мером 40—60 мм и Др ), по которым вода просачивается на откос
земляного полотна. Дренажным воронкам придают сечение 0,4 X
Х0,2 м и располагают нх через 4 -6 м в шахматном порядке
(рис. 8.9).
Долгое время дренажные воронки были основным способом от-
вода воды из песчаного основания. Однако пропускная способность
дренажных воронок невелика, и для отвода воДы, заполнившей по-
ры песчаного основания, требуется значительное время. Обочины,
покрытые зимой более толстым слоем снега,^ем проезжая часть,
начинают оттаивать позже, чем грунт под проезжей частью. В ре-
зультате этого в наиболее ответственный для службы дороги пери-
од весеннего оттаивания воронки находятся n ;р. шем состоя-
нии и не могут отводить воду, выделяющуюся при оттаивании грун-
та земляного-полотна и скапливающуюся в пзсчаном основании
под проезжей частью. Поэтому в местах с менее благоприятными
грунтово-гидрологическими условиями отказываются от примене-
ния дренажных воронок. Воду из дренирующего слоя отводят по-
перечными и продольными дренажными трубками из асбоцемент-
147
ных или керамических (гончар*
ных) труб (рис. 8.10), предохра-
няя их зимой от проникания мо-
розного воздуха снаружи. Расче-
ты необходимой толщины песча-
ного основания изложены в гл. 16.
8.2. Проектирование
дорожных канав
Дорожные канавы рассчитыва-
ют по уравнению равномерного
движения жидкости. Если длина
канавы невелика, то расчет про-
изводят по одному значению рас-
хода, фактически собирающемуся
только к замыкающему сечению
расчетного участка. При большой
длине канавы или при большой
площади, с которой стекает вода,
целесообразно делить канаву на
участки по длине и рассчитывать
каждой участок на свою величи-
Рис. 8.10. Дренажные трубы для осу-
шения песчаного основания:
а — продольная дрена; б — поперечная дре-
на; в — поперечная дрена в плане; 1 —
обочина; 2— дорожная одежда; 3—песча-
ное основание; 4 — продольная трубчатая
дрена
ну расхода (см. п. 8.1).
Площадь, с которой вода стекает в низовую канаву, определя-
ется половиной ширины дороги и длиной участка; к верховой ка-
наве вода стекает не только с половины ширины дороги, но и с
пространства до нагорной канавы, а при ее отсутствии (если при-
ток к ней, невелик)— с некоторой площади, контуры которой мо-
гут быть..найДены по плану в горизонталях (см. рис. 8.2). Для рас-
чета более опасного ливневого стока к канавам используется фор-
мула полного стока
Qnc — 87,5#qac.K,
(8.1)
где а«е — интенсивность ливня часовой продолжительности, определяемая
, по табл. 9.3, мм/мин; при этом ливневой район находят по карте (см. рис. 9.2);
F—площадь водосбора, км’, обычно определяемая по карте масштаба
1 :25 000 — I : 50 000.
Тип укрепления канав выбирают на основании результатов гид-
равлического расчета.
Обычно при уклоне дна до 5—1О%о канаву устраивают без
укрепления. При больших уклонах чаще всего принимают типы
.укреплений, указанные в табл. 8.4. Кроме того, применяют также
глинобетон или обрабатывают грунт вяжущими материалами.
ОдерновКу плашмя и реже в стенку применяют для укрепления
откосов. Дно укрепляют одериовкой только при ширине канавы
более 1,0 м.
148
Таблица 8.4
Тип укрепления Допускаемая скорость, м/с Тип укрепления Допускаемая скорость, м/с
Засев травой Одерновка плашмя > в стенку Одиночное мощение на щебне камнем 15—25 си Двойное мощение камнем 15— 25 см 0,8 1,0 1,8 2,5—3,5 3,5-4,5 Укрепленный грунт толщиной, см: 5 ю Бетон низких марок Бетонные плиты Перепады 1,0 & Более 5
Примечание. Скорости в левой части таблицы приведены для оцевки существую-
щих водоотводных сооружений.
При ширине менее 1,0 м на дно укладывают щебень, крупный
гравий, доменный шлак и утрамбовывают. Толщина слоя щебня
8—10 см (см. рис. 8.6).
Дерн (для укрепления одериовкой плашмя) должен быть све-
жий, луговой, плотный. Торфяной и болотистый дерн непригоден.
Запрещается применять дернины поломанные, с нарушенной кор-
невой системой. Размер штучных дернин должен быть не менее
20x25 см, толщина — 6—8 см. Дернины укладывают с перевязкой
швов. При укреплении одериовкой в стенку (с обязательным пере-
крытием всех швов) каждая дернина должна перекрывать сосед-
нюю с каждой стороны не менее чем на 6—8 см. В засушливых
районах и в особо сухих местах одерновка плашмя и в стенку не
допускается, так как дерн засыхает и не приживается.
Для мощения применяют камень чаще всего высотой 12—14,
14—16 и 16—18 см. При песчаных и супесчаных грунтах обязатель-
на укладка между грунтом и каменным мощением слоя глины
толщиной 10—15 см. Мостят по слою сена, мха, соломы или щебня.
Камни укладывают плотно, тычком, с тщательным заполнением
промежутков щебня и утрамбовкой. Укладка отдельных камней
плашмя не допускается. j
Глинобетон для укреплений готовят из ^мягкой жирной глины
с щебнем из природного камня или кирпича 'Толщина глииобетон-
ного укрепления должна составлять 25 см в районах с умеренным
климатом и 15 см в южных районах. Допускаемые скорости тече-
ния воды для глинобетонных укреплений принимают, как для плот-
ной твердой породы.
Из слоя глинобетона можно успешно устраивать основания для
одиночной мостовой при супесчаных н песчаных грунтах укрепляе-
мого русла.
Укрепление грунтом, обработанным методом смешения с вяжу-
щими материалами (парафинистой нефтью, мазутом, нефтяными
149
остатками, жидким оитумом, дегтем и др.), целесоооразно при
строительстве дорог на песчаных и супесчаных грунтах. Слой грун-
та, обработанного органическими вяжущими материалами, должен
иметь толщину от 5 до 10 см.
Укрепление одерновкой н мощением очень трудоемко. В послед-
нее время все более широкое распространение получают _ типы
укрепления нли приемы, поддающиеся механизации. К их числу
относится засев трав по подготовленному грунту вместо одерновки.
При больших скоростях течения для укрепления дна канав можно
применять залнвку тощим бетоном (на низких марках цемента) по
подготовленному Щебеночному слою.
Особенно широко применяется бетонная облицовка в виде бе-
тонных плит размерами 50X50X8 см (размеры плит установлены
в типовых- проектах).
Выбор типа'укрепления канавы зависит от скорости протекания
воды (см. табл. 8.4), назначения канавы и наличия местных мате-
риалов.
Более точно допускаемые скорости течения назначаются с уче-
том глубины потока.
Однако для проектирования сооружений дорожного водоотвода
достаточно применения осредненных значений допускаемых ско-
ростей для Каждого нз типов укреплений.
Скорость течения воды обычно определяют по формуле Шези —
Маннинга
v = n~W'3i1'2.
Так называемое гидравлически нанвыгоднейшее сечение не при-
меняется прн проектировании дорожных канав, так как этот прин-
цип расчета приводит, как правилр, к глубоким (и узким по дну>
сечениям н высокой скорости протекания воды.
8.3. Расчет дренажа
Дренаж устраивают для перехвата или понижения уровня
грунтовых вод. Целесообразно дрены располагать под боковыми
канавами, где они доступны для ремонта в случае заиления.
Перехватывающий, экранирующий дренаж устраивают обычно
в откосах выемок, если выемка перерезает водоносный слой до
водоупора (рис. 8.11). В этом случае приток воды на 1 м длины
Дрены вычисляется по данным обследования водоносного слоя
q = KhiB, (8.2)
где К — коэффициент фильтрации, определяемый испытанием образцов грун-
та (табл. 8.5); h — глубина воды в слое; ta— уклон водоносного слоя.
ISO
На длине I собирается расход
воды, подлежащий отводу,
Q = ql^Khliw (8.3)
Для пропуска такого количест-
ва воды необходима труба, раз-
мер которой может быть найден
из равенства
= (8.4)
где 1д — уклон дренажной трубы;
Ад — расходная характеристика дренаж-
ной трубы, м37с. вычисляемая по формуле
(для асбоцементных и гончарных труб)
Кд—24d8/3; d~ диаметр трубы, м.
Скорость течения воды в тру-
бе должна быть не очень высокой,
но и не слишком малой (во из-
бежание заиления). Рекомендует-
ся, чтобы фактическая скорость
течения была не меньше 0,6 м/с и
не превышала допускаемой ско-
рости для фильтрующей обсыпки
дрены. Скорость течения в круг-
лой дренажной трубе может быть
подсчитана по формуле
Рис. 8.11. Экранирующий дренаж:
а — общая схема расположения дренажа;
б — детали конструкции дренажа; 1 —
дери; 2 — утрамбованный глинистый грунт;
3 — два слоя дерна и грунт, обработанный
битумом; 4— песок; 5—водоносный слой Г
6 — кривая депрессии; 7 — водоупор; 8 ~~
мелкий щебень или гравий; 9 — крупный
щебень или гравий; /0 —щебень, втрамбо-
ванный в грунт; И — дренажная труба;
12 —1 экран из мятой глины
1
(8.5)
где — скоростная характеристика
трубы, равная 30,4 ^2/3.
При строительстве дорог в
местности с высокими грунтовы-
ми водами можно так высоко под-
нять бровку насыпи и проезжую
часть, что понижения грунтовых
вод не потребуется. Однако иногда положение бровки насыпи бы-
вает заданным и изменить его невозможно. В этом случае единст-
венный способ предохранить основание дорожной одежды от пере-
увлажнения— понизить грунтовые воды под земляным полотном.
Для этого боковые дрены должны бь^ть заложены на глубину,
обеспечивающую заданное понижение уровня грунтовых вод.
Если при этом дрены лягут на водоупор (рис. 8.12, а), то мож-
но ограничиться устройством одной верховой дрены (со стороны
притока воды), расчет которой полностью совпадает с изложен -
Таблица 8.5
Грунты К, м/с tg a. %• Грунты К, м/с tg a, %0
Крупные и гра- велистые пески ю-2 1,5-3 Суглинки 10-’— ю-7 25—50
Мелкие пески io-*— Ю-3 3—10 Глииы Тяжелые глииы 10"7 10~т 50—80 80—100»
Супеси оо 1 1 10—25- Торфы 10“3— 10-4 10—70
ним выше. За дреной пространство будет постепенно осушено.
Такие дрены называются совершенными. При глубоком залегании
водоупора устраивают две'дрены, располагая их симметрично па
обе стороны дороги, и оставляют их висячими, несовершенными
(рис. 8.12,б).
Для определения необходимой глубины заложения несовершен-
ных дрен строят кривые депрессии (понижения) грунтовых вод,,
рассчитывают приток воды к дренам и их сечение (последнее ана-
логично приведенному выше).
Каждая из дрен осушает некоторое пространство, предельная
ширина которого, отсчитываемая в одну сторону от дрены, назы-
вается радиусом действия дренажа:
R = H tga, (8.6)
где tg а—тангенс угла наклона хорды, стягивающей кривую депрессии (см.
табл. 8.5), зависящий от свойств грунта водоносного пласта,
Форма кривой депрессии представляет собой параболу второй
степени (рис. 8.13) с уравнением изменения глубины вдоль по-
тока:
h = nV 1—х//?. (8.7)
fl)
fflW Ж M W W Ш 777
УГВ
7777777777777777777777777777777777777
I
6}
77777777777777777777777777777777777
Рис. 8.12. Закрытые дрены:
a совершенные; б *— несовершенные
152
При х=б, т. е. в наибольшем
удалении от дрены, h=,H и пони-
жения нет. При x—iR й=0 и кри-
вая депрессии снижается на глу-
бину Н.
Зная расстояние между двумя
дренами L, получаем расчетное
уравнение понижения уровня во-
ды в середине дороги
. < 1
Рис. 8.13. Схема к расчету подкю-
ветиого висячего дренажа
5 = Я-Л = Я(1-Уг£/2/?). (8.8)
' Порядок расчета висячего дренажа:
1) по условию неподтопляемости дренажного слоя дорожной
одежды капиллярными водами назначается понижение уровня воды
посередине дороги S;
2) по известному значению S = H—h и расстоянию между двумя
соседними висячими дренами L определяют глубину заложения
дрены ниже уровня воды Н, решая для этого квадратное уравнение,
следующее из зависимости (8.8),
При известном понижении S необходимая глубина заложения
дрены
Я = $:($///);
3) приток отводимой воды на единицу длины дрены определя-
ется через коэффициент фильтрации К (двусторонний приток к
каждой дрене)
dh
2q=2Kh—----, (8.10)
dx
а с учетом выражений (8.6) и (8.7)
2? = К-^- =KHtga. (8.11)
На всю длину дрены расход притока грунтовых вод
Q = KlrH tg а. (8.12)
Коэффициент фильтрации грунтов, в которых происходит пони-,
жение грунтовых вод, определяют непосредственным испытанием
полевых образцов грунта, взятых без нарушения их структуры. =
Возможно также определение коэффициента фильтрации
методом «пробных откачек и нагнетаний* в полевых условиях.
Для ориентировочных расчетов можно пользоваться данными
табл. 8.5.
153
Глава 9
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МАЛЫХ МОСТОВ И ТРУБ
9.1. Общие данные
Малые водоотводные сооружения устраивают в местах пересе-
чения автомобильной дороги с ручьями, оврагами или балками, по
которым стекает вода от дождей или таяния снега. Количество
водопропускных сооружений зависит от климатических условий и
рельефа, а стоимость их составляет 8—15% общей стоимости авто-
мобильной дороги с усовершенствованным покрытием. Поэтому*
правильный выбор типа и рациональное проектирование водопро-
пускных сооружений, позволяющие индустриализировать их устрой-
ство, имеют большое значение для снижения стоимости строитель-
ства автомобильной дороги'.
Количество искусственных сооружений на 1 км дороги зависит
главным образом от рельефа местности (табл. 9.1}.
К основным видам водопропускных сооружений относят малые
мосты и трубы. Меньшее распространение имеют другие типы со-
оружений, пропускающих воду переливом через земляное полот-
но,— лотки. Лотки, укрепляемые мощением, допускается применять
на дорогах низших категорий (IV и V) при пересечении периоди-
чески действующих водотоков, с глубиной перелива не более
0,15—0,20 м.
Применявшиеся некоторое время фильтрующие водопропуск-
ные сооружения в виде наброски крупных камней, через которую
просачивается вода, не оправдали себя в эксплуатации и могут ис-
пользоваться только как временные и на второстепенных дорогах,
в' Местах, где стекающая вода не содержит наносов, заиливающих
промежутки между камнями.
Большую Часть водопропускных сооружений (более 95%),
строящихся иа автомобильных и железных дорогах, составляют
трубы. Они не меняют условий движения автомобилей, поскольку
их можно располагать при любых сочетаниях плана и профиля до-
роги. Трубы не стесняют проезжую часть и обочины, а также не
Таблица 9.1
Районы строительства дороги ' * Среднее количество > сооружений иа 1 км Районы строительства дороги Среднее количество сооружений иа 1 км
Пустыни и полупустыни Болотистые районы Равнины Средиехолмистый рельеф 0,3 1 0,5—1 0J—1,2 Сильно пересеченный рельеф Горные районы Районы искусственно- го орошения 1 —1,5 1,5—2 3
154
требуют изменения типа дорожного покрытия. Кроме того, трубы
строят полностью сборными, нз железобетонных и бетонных эле-
ментов небольшдй массы, что позволяет пользоваться кранами ма-
лой грузоподъемности.
Устройство мостов предъявляет более высокие требования к
продольному профилю дорог. Расположение мостов на вертикаль-
ных н горизонтальных кривых или на больших продольных укло-
нах вызывает усложнение их конструкции. На мостах иногда при-
ходится применять иной тип покрытия, чем на подходах; значи-
тельная высота насыпи, например, при пересечении глубоких
оврагов вынуждает строить даже при малых расходах воды мосты с
большой длиной поверху, что приводит к значительному удорожа-
нию сооружения; вызывает затруднения и косое пересечение водо-
токов мостами.
Все указанные обстоятельства позволяют рассматривать трубы
как основной тип малых водопропускных сооружений на постоян-
ных и периодически действующих водотоках. Мосты применяют
только в тех случаях, когда трубы не могут обеспечить пропуск
всей воды, притекающей к дороге.
В современном дорожном строительстве наибольшее распро-
странение находят железобетонные. мосты и трубы стандартных
типов нз сборных элементов, заранее изготовленных на централи-
зованных базах. Основным типом железобетонных труб являются
так называемые унифицированные трубы (круглые и прямоуголь-
ные), применяемые как для автомобильных, так и для железных
дорог.
В горной местности на дорогах низших категорий иногда
устраивают трубы на месте работ из каменной кладки насухо.
Для увеличения пропускной способности сооружения без повы-
шения высоты насыпи устраивают многоочковые трубы из уложен-
ных рядом нескольких труб. Наблюдения показали, что в этих слу-
чаях расход равномерно распределяется между трубами. Однако
трубы с числом очков более четырех неэкономичны. В этих случаях
следует переходить к мостам.
При пропуске расчетных паводков трубы должны работать, как
правило, в безнапорном режиме, когда на всем протяжении соору-
жения поток соприкасается по свободной поверхностнее воздухом.
Как исключение на автомобильных, а иногда и на городских доро-
гах допускается полунапорный или напорный режим (с^атоплен-
ным входом в сооружение) при условии принятия конструктивных
мер, обеспечивающих устойчивость труб и земляного полотна про-
тив фильтрации воды.
При безнапорном режиме протекания воды возвышение высшей
точки внутренней поверхности трубы над уровнем воды должно'
обеспечивать пропуск плывущих случайных предметов и составлять
в круглых и сводчатых трубах высотой до 3 м не менее */ч высоты
трубы в свету, а высотой более 3 м — не менее 0,75 м; в прямо-
155
угольных трубах высотой до 3 м — не менее ’/в высоты трубы в
свету, а высотой более 3 м — не менее 0,5 м.
На автомобильных и городских дорогах используют трубы от*
верстием не менее 0,75 м (в кюветах на съездах с дороги — не ме-
нее 0,5 м). В целях удобства эксплуатации рекомендуется приме-
нять при длине менее 20 м трубы отверстием не менее 1,0 м, а при
большей длине — отверстием не менее 1,25 м. Трубы нельзя укла-
дывать на постоянных водотоках, где возможны наледи и ледоход.
Не допускаются также-трубы и при пересечении водотоков, несу-
щих карчи.
»
9.2. Определение объемов и расходов ливневых вод
на малых водосборах
Количество воды, притекающей к сооружению с малого водосбо-
ра, поддается теоретическим расчетам, изучаемым в курсе гидроло-
гии, в ходе которых неизбежны различные допущения (условности)
и погрешности. Наиболее трудно учесть ход дождя во вре-
мени, ход снеготаяния и впитывания воды в почву. Поэтому расхо-
ды и объемы воды с малых бассейнов вычисляют по нормам сто-
ка, т. е. ,с одинаковой схематизацией для всех водосборов и со стан-
дартной оценкой метеорологических факторов стока в определенных
географических районах. Проверкой норм стока является сопостав-
ление расчетных значений стока с наблюдаемыми. Как правило,
таких наблюдавшихся значений стока оказывается немного, при
этом наибольшие затруднения вызывает оценка вероятности их
превышения еще большим стоком.
. Обычно считают, что вероятность превышения объемов и рас-
ходов стока та же, что и основных стокообразующих факторов,
т. е. ливиец и .снеготаяния, вызывающих сток. На этом основании
по результатам длительных наблюдений за осадками и снеготая-
нием на метеостанциях, дающих возможность оценить вероятность
больших и выдающихся ливней и интенсивностей снеготаяния, а
также по значениям расходов воды, установленным по следам про-
хода паводков на местности, можно составить региональные (по-
районные) нормы стока, которые являются обычно более надеж-
ными.
При .отсутствии данных для составления региональных норм
пользуются всесоюзными нормами стока. Общепризнанными для
всех видов инженерного проектирования в СССР в настоящее вре-
мя являются нормы стока талых вод. Расчеты ливневого стока в
проектных организациях различных ведомств выполняют по раз-
ным нормам.
Ливневые воды притекают к сооружениям по почти треуголь-
ному гидрографу. Максимальный расход, определяемый формулой
(9.1), наблюдается очень краткое время. Поэтому расчетный рас-
156
ход в сооружении оказывается меньшим, чем максимальный-расход
притока к нему, в связи с аккумуляцией части объема стока в пру*
ду перед сооружением. Учет аккумуляции подробно рассмотрен
в п. 9.5.
Гидрологические расчеты в СССР производят в соответствии со
СНиП.2.01.14-83 «Определение расчетных гидрологических харак-
теристик». Однако приведенный в этом документе расчет ливнево-г
го стока неполон (отсутствует определение объема стока, необхо-
димого для учета аккумуляции). В связи с этим для проек-
тирования малых водопропускных сооружений в транспортном
строительстве расчет, рекомендованный в СНиП 2.01.14-83, не обя-
зателен.
Принцип расчета стока с малых водосборов, так называемый
метод предельных интенсивностей, использованный в СНиПе, мо-
жет быть реализован и в других модификациях, наиболее подходя-
щих для расчета транспортных сооружений. Одним из таких спо-
собов является расчет, разработанный МАДИ и Союздорпроектом.
В основе расчета лежит общая формула ливневого стока
<?л = 16,7араСЧРаТ, (9.1 >
где Драсч — расчетная интенсивность ливня той же вероятности превышения,
что и искомый расход, мм/мин, зависящий от продолжительности ливня; F—пло- .
щадь водосбора, км2, определяемая по карте в горизонталях; а — коэффициент
стока, формально зависящий от вида грунтов на поверхности водосбора
(табл. 9.2); <р — коэффициент редукции, учитывающий неполноту стока, тем
большую, чем больше водосбор.
Учитывая задержку проникания воды в грунт при сильных лив-
нях, т. е. фактические условия образования ливневого стока, коэф-
фициент стока а рекомендуется принимать равным 1.
По данным Союздорпроекта, для площадей до 100 км2 коэффи-
циент редукции может быть подсчитан по формуле
Т =1/{Go7, (9.2>
при этом для F^0,l км2 qp=l.
Связь интенсивности ливня а с его продолжительностью t (в
мин) обычно принимается в виде
а = КлА2/3, (9.3У
где К» — климатический коэффициент; /Сл=<Хчае-602/3.
Вводя в расчет интенсивность ливня часовой продолжительно-
сти (эти ливни хорошо изучены), получаем
а = (бО/О’^ае, (9.4>
где Дч.с — средняя интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мии;
Принцип предельных интенсивностей заключается в том, что
за расчетную, самую опасную продолжительность ливня принима-
ют
ют время добегания воды от наи-
более удаленной точки бассейна
до дороги (рис. 9.1):
^расч — (9-5)
где L — длина бассейна, км; идоб —
скорость добегания, км/ мин.
Следовательно,
/60уло6 \2/3 _
Ярасч — [г / Лчас — Л /®час*
(9.6)
Рис. 9.1. Геометрические элементы Безразмерная величина, стоя-
бассейна щая в скобках, представляет со-
бой коэффициент перехода от ин-
тенсивности ливня часовой продолжительности к расчетной. Зна-
чения интенсивности часового ливня приведены в табл. 9.3. Номер
ливневого района устанавливается по карте-схеме (рис. 9.2). (Таб-
лица и карта разработаны Б. Ф. Перевозниковым в Союздорпро-
екте.)
Скорость добегания может быть определена по данным Д. Л. Со-
коловского, который показал, что главным фактором, определяю-
щим скорость, является уклон бассейна /. При обработка этих дан-
ных в МАДИ получено, что для обычных задернованных поверх-
ностей бассейна скорость равна (рис. 9.3)
3,5/1/4(м/с), или vxo6 — 0,2/(км/мин). (9.7)
Для гладких поверхностей (дорожные одежды, асфальтирован-
ные дворовые территории в городах и пр.).
vw6 ~ 10/1/4(м/с), или Удоб = 0,6/1/4 (км/мии). (9.8)
Таблица 9.2
Внд и характер поверхности Коэффициент а при площадях водосбора, км2
0— 1 1 - 10 10—100 •
Асфальт, бетон, скала без трещин Жирная глнна, такыры Суглинки, подзолистые почвы, тундро- вые и болотные почвы Чернозем, каштановые почвы, лёсс, карбонатные почвы Супеси, стенные почвы Песчаные, гравелистые рыхлые каме- нистые почвы 1.0’ 0,7—0,95 0,6—0,9 0,55—0,75 0,3—0,55 0,2 1,0 0,65—0,95 0,55—0,8 0,45—0,7 0,2—0,5 0.15 1,0 0,65—0,9 0,5—0,75 0,35—0,65 0,2—0,45 0,10
158
50 в0 70 ВО tOO 120 140 1Б0 1вО 170 1вО
л
Рнс. 94. Карта-схема ливневых районов СССР
Таблица 9.3
Районы Интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин. при вероятности превышения, %
10 5 4 3 2 1 0,3 0,1
1 0,27 0,27 0,29 0,32 0,34 0,40 0,49 0,57
2 0,29 ! 0,36 0,39 0,42 0,45 0,50 0,61 0,75
3; 0,29 0,41 0,47 0,52 0,58 0,70 0,95 1,15
4 0,45 0,59 0,64 0,69 0,74 0,90 1,14 1,32
6 0,46 0,62 0,69 0,75 0,82 0,97 1,26 1,48
6 0,49 0,65 0,73 0,81 0,89 1,01 1,46 1,79
7 0,54 0,74 0,82 0,89 0,97 1,15 1,50 1,99
8. 0,79 0,98 1,07 1,15 1.24 1,41 1,78 2,07
9 0,81 1,02 1,11 1,20 1,28 1,48 1,83 2,14
10 0,82 1Л1 1,23 1,35 1,46 1,74 2,25 2,65
Значения переходных коэффициентов Kt= (60цДОб/£)2/3 опреде-
лены для задернованных поверхностей бассейнов (табл. 9.4). При
продолжительности ливня 5 мин и менее коэффициент Kt достигает
предельного значения (К7=5,24). Этому соответствует так назы-
ваемый полный сток с коротких бассейнов, на которых устанавли-
вается длительное течение воды с постоянным расходом Qnc в за-
мыкающем створе.
Для бассейнов с гладкими поверхностями табличные значения
удваиваются, но и они не могут быть более 5,24, что отвечает пол-
ному стоку.
. Таким образом, расчетная формула расхода ливневого стока
после подстановки зависимости (9.6) в (9.1) получает вид
= ’ (9.9)
а формула расхода полного стока (при /^ = 5,24 и <р=1)
Qnc “ 87 »5лчас^. (9.10)
Объем ливневого стока определяется как произведение слоя
стока Лл на коэффициент редукции и площадь водосбора F. При
;этом принимают а=1 (см. выше)
Лл — арасчТ^расч — ^С/^час
гДоб
(9.П)
Рис. 9.3. Связь скорости стекания с
уклоном бассейна:
/—задернованная поверхность бассейна;
2 —- гладкая укрепленная поверхность
160
Таблица 9.4
Значения К* при уклоне бассейна I
1, 0,0001 0,001 0,01 од 03 0,5 0,7
0,15 471 Полный сток 574
0.30 2,57 3,86
0,50 1,84 2,76 3,93 5,05
0,75 1,41 2,08 2,97 4,50 4,90 5,18
1,0 1,16 1.71 2,53 3,74 4,18 4,50
1,25 ьоо Ь49 270 3,24 3,60 3,90 4,23 4,46
Г,50 0,88 1,30 1,93 2,82 3,15 ЗЛО 3,70 3,90
1J5 0,80 1,18 1,75 2,58 2,84 3,06 333 3,52
2,0 0,73 1,07 1,59 2,35 2,64 2,85 2,44 3,09 3,27
2,5 0,63 0,92 1,37 2,02 2,26 2,65 2,80
3,0 0,56 0,82 1.21 1,79 2,0 2,16 2 Д4 2,49
3,5 0,50 0,74 1.Ю 1,62 1,81 1,96 2,12 231
4,0 0Л6 0,68 1.0 1,48 1,65 1,78 1,94 2,11
4,5 0,42 0,62 0,93 1,37 1,53 1,65 1,78 1,95
5,0 0,40 0,58 ' 0,86 177 1,42 1,54 1,67 1,82
6,0 0,35 0,52 0,76 1,13 1,26 136 1,48 1,61
6,5 0,33 0,49 0,73 1.07 170 1,29 1,40 1,53
7,0 0,32 0,47 0,69 1,02 1,14 1,23 133 1,45
8,0 0,29 0,43 0,63 0,93 1,04 1,12 1,22 1,33
9,0 - 0,27 0,39 0,58 0,86 0,96 1,04 1,13 1.23 1,14
10,0 075 0,37 0,54 0,80 0,90 0,97 1,06
H,o 0,23 0,34 0,51 0,75 0,84 0,91 0,98 1,07
12,0 0,22 0,32 0,48 0,71 0,79 0,86 0,98 0,99
13^0 0'21 0,31 0,46 0,67 0,75 0,81 0,88 0,96
14'0 0>0 0,29 0,43 0,64 0,72 0,79 0,84 0,91
16,0 20,0 0,19 0,16 0,28 0,23 0,41 0,34 0,61 0,50 0,68 0,56 0,74 0,61 0,80 0,66 0,87 0,72
Тогда
объем ливневого
стока
60 000 <Хцас
(9.12)
Малые водопропускные сооружения рассчитывают обычно иа
пропуск лишь части расчетного ливневого расхода. На пропуск
полного ливневого расхода их следует рассчитывать только в слу-
чае полного стока, т. е. при продолжительности расчетного ливня
5 мин и менее (см. табл. 9.4), когда переходный коэффициент Kt
достигает максимального значения 5,24.
9.3. Расчет стока талых вод с малых водосборов
На основании СНиП 2.01.14-83 «Определение расчетных гидро-
логических характеристик», распространяющихся на проектирова-
ние всех видов сооружений (в том числе малых мостов и труб),
6—977 161
Таблица 9.5
Природная зона (район)
Зоны тундры и лесная
Ьнропейская территория СССР и Восточная Си- 0,17
бирь
3 шадная Сибирь 0,25
Ло для малых
бассейнов;
0,010
0,013
Лесостепная и степнан зоны
Европейская территория СССР (без Северного 0,25 0,02
Кавказа) Северный Кавказ 0,25 0,030
Западная Сибирь 0,25 0,030
Зона засушливых степей н полупустынь
Западный н Центральный Казахстан
0,35 j
0,060
расчетный максимальный расход талых вод для любых бассейнов
определяется по редукционной формуле
MpF
=77+17 М2’ (9,13)
где Лр — расчетный слой суммарного стока, мм, той же вероятности превы-.
шейнн, что н искомый максимальный расход; F—площадь водосбора, км3; —
коэффициент дружности половодья, определяемый для равнинных рек по
табл. 9.5, для горных рек с весенне-летним половодьем — по табл. 9.6; п — по-
казатель степени; для равнинных водосборов он принимается по табл. 9.5, а для
горных водосборов с уклонами более 0,05 n=0,15; 61, 62 — коэффициенты, учи-
тывающие снижение расхода на бассейнах, зарегулированных озерами, залесен-
ных и заболоченных.
Таблица 9.6
Географический район
Средняя высота бассейна
над уровнем моря, м
Урал
Карпаты
Алтай
До 500
Более 500
До 1000
1000—2000
Более 2000
Северо-восток ССС^
Камчатка
Северный Сахалин
Южный Сахалин
0,0025
0,0018
0,0045
0,0025
0,0015
0,0010
0,0030
0,0010
0,0014
0,0020
Примечание. Для бгссейиов рек Центрального Алтая (гасушливые Чуйсийе степи)
Jfeo-0,0007.
162
Таблица 9.7
F. рк. ₽=S (целые числа) 3 (десятые доли)
0 2 4 6 8
1
2
3
4
5
6
7
1
0,76
0,62
0,52
0,44
азе
0,32
0,94
0,73
0,60
0,50
0,43
037
0,31
0,88
0,70
0,58
0*48
0,42
036
030
0,84
0,67
0,56
0,47
0,40
034
озо
0,80
0,64
0,54
0,46
039
0,33
0,29
Примечание. Fa и Fe — площади леса и болот на бассейне.
Значения 6f
Озериость, %...................2—5 5—10 10—15 более 15
«1 ............................... 0,9 0,8 0,75 0,7
Значения б, Принимают по табл. 9.7.
Расчет слоя стока половодья заданной вероятности превыше-
ния производится по трем параметрам: среднему многолетнему
слою стока R, коэффициенту вариации Cvh и коэффициенту асим-
метрии Csh слоя стока. Высоту среднего слоя стока для бассейнов
с площадью более 100 км3 на европейской территории СССР и бо-
лее 1000 км2 иа азиатской территории СССР определяют непосред-
ственно по карте (рис. 9.4). Для меиыцих бассейнов к значениям,
снятым с карты, вводят поправочные коэффициенты 1,1 при хол-
мистом рельефе и глинистых почвах и 0,9 при плоском рельефе и
песчаных почвах. При особо больших потерях стока (сосновые ле-
са на песках, значительное распространение туфогенных пород
и др.) вводят коэффициенты 0,5. В засушливых районах и в полу-
пустынной зоне Западной Сибири и Казахстана для площадей во-
досборов менее 3000 км2 к значениям высоты слоя, снятым с кар-
ты, вводят поправочные коэффициенты по табл. 9.8.
При наличии более 2% озериости бассейнов средние слои стока,
снятые с карты, уменьшаются введением коэффициентов бь
Таблица 9.8
Средний слой стока, снятый с карты, мм Поправочные коэффициенты прн площ£д> водосбора, км2
менее 10 100 500 1000 3000
Менее 10 3,5 2,3 1,6 1,6 1,0
От 10 до 15 2,5 1,6 1,4 1,2 1,0
> 15 > 30 1,5 1,3 1.2 1,1 1,0
6*
163
18 ВО 48 MM SO MlM ISO MI M8
Рис. 9.4. Карта средних сдоев, стока талых вод
4
у
Рис, 9,5, Карта коэффициентов вариации слоев стока талых вод
Рис. 9.6. Кривые модульных коэффициентов слоев стока
Коэффициент вариации Со* принимают по карте изолиний
{рис. 9.5), причем для бассейнов с площадью менее 200 км2 его
значения умножают на следующие коэффициенты:
Площадь бассейна, км3 . . 0—50 51—100 101—150 151—200
Коэффициенты . . . , . 1,25 1,20 11,15 1,05
Коэффициент асимметрии С*ь для равнинных водосборов при-
нимают равным 2СоЛ. Для северо-запада н северо-востока СССР,
где в формировании максимального стока участвуют дождевые
осадки, Для горных !водосборов CSk—(3-i-4)C„h.
Ординаты кривых вероятности превышения для определения
расчетного значения слоя стока половодья hp находят по таблицам
или по рис. 9.6, где даны отношения АР:Я—Кр при гамма-парамет-
рнческом законе распределения.
• Расчетный слой стока
Ар = КрА. (9.14)
Коэффициенты 6 для малых вддосборов, особенно прн учете
озерйости в слое стока, можно принимать равными 1, так как раз-
мещение озер на малых бассейнах — редкое явление, а лес на не-
значительных площадях может быть полностью сведен после
строительства автомобильной дороги/
9.4. Расчет отверстий труб
В зависимости от глубины подтопления и типа входного ого-
ловка в трубад могут устанавливаться следующие режимы проте-
кания:
166
безнапорный режим, если подпор меньше высоты трубы на вхо-
де либо превышает ее не более чем на 20%; на всем протяжении
трубы водный поток имеет свободную поверхность (рис. 9.7, а);
полунапорный режим, возникающий прн оголовках обычных
типов (портальных, раструбных) в тех случаях, когда подпор пре-
вышает высоту трубы на входе более чем на 20%; на входе труба
работает полным сечением, а на всем остальном протяжении поток
имеет свободную поверхность (рис. 9.7, б);
напорный режим, устанавливающийся при специальных вход-
ных оголовках обтекаемой формы и при подтоплении верха трубы
на входе более чем на 20% (рис. 9.7, в); на большей части длины
труба работает полным сечением н лишь у выхода поток может
отрываться от потолка трубы.
Прн значительном подтоплении входа в трубу напорный режим
может возникать периодически и при оголовках обычных типов.
Однако из-за прорывов воздуха через образующуюся у входного
отверстия воронку, протекание воды в этом случае часто переходит
на полунапорный режим.
В связи с невысокой точностью определения притока воды к
сооружению можно при расчете отверстий сооружений ограничить-
ся упрощенными расчетами. Приближенные расчетные формулы
пропускной способности труб соответствуют трем режимам проте-
кания воды в трубах:
а) безнапорный режим (аналогия — водослив с широким поро-
гом)
<2с = %«>сУ2«'(Я-Ас) , (9.15)
где Qc — расход воды, проходящей в сооружении; <ос — площадь сжатого
сечения в трубе, вычисляемая прн глубине Лс=0,5 Я; фб— коэффициент ско-
рости.
Рнс. 9.7. Режимы работы труб:
а — безнапорный; б — полунапорный; в
напорный
Рис. 9.8. Вспомогательные графики
для расчета круглых труб
1674
Зная, что глубина в сжатом сечении меньше критической и при-
близительно равна ftc=0,9ftK, можно записать:
<'c = vK/0,9; Ac = 0,9v2/g = 0,73v2/g.
Далее, зная связь между глубинами Н и Лс, выражаемую фор-
мулой
v2
Н = АС +----~Г- (916)
2gtf
получаем при обычном фб—0,82-^0,85 (для всех оголовков, кроме
обтекаемого, обеспечивающего протекание по напорному режиму)
V2
И = Лс +----я 2ЛС. (9.17)
2g^
Тогда
Qe = W<ecK gH. (918)
Для прямоугольных сечений юс=0,5АЯ
Qc = 0,5%/gM3/2 = .MMf3/2, (9.19)
или
Qc= 1,|56Я3/2, (9-20)
что соответствует коэффициенту расхода водослива т=0,30.
Для круглых поперечных сечений площадь ©с может быть опре-
делена при помощи графика (рис. 9.8), где даны величины <Oc/d2=
d) и/?/d=f(ftc, d). I
Формулы (9.19) и (9.20) могут быть использованы также для
расчета отверстий малых мостов (см. ниже);
б) полуиапорный режим (аналогия — истечение из-под щита)
(?с = ?п*“т У 2g (Я — Ас) , (9.21)
где Ас=0,6 Л,; Ат.— высота входа в трубу.
При обычных значениях фп=0,85 и 8=0,6
Qc = 0,5o>Ty 2g (Я - О.бАт). (9.22)
Полная площадь сечения входа <от легко вычисляется для пря-
моугольного и круглого сечений;
в) напорный режим (аналогия — истечение из трубопровода)
<?с = ?я“го У 2g[(W-AT0)-/(zw-z)], (9.23)
где Што. Ато — площадь сечения и высота основного протяжения трубы; <ра —
коэффициент скорости; ,фи=0,95 (для обтекаемого оголовка); I, i—длина и
уклон трубы; iw — уклон трения.
Для того чтобы установился полуиапорный или напорный ре-
жим, уклон трубы i должен находиться в определенном соотноше-
168
Рис. 9.9. Графики пропускной способности типовых труб:
а — круглых; б — прямоугольных (цифры на кривых — отверстия труб, м)
нии с уклоном трения iw, при котором расход Qc проходит, цели-
ком заполняя поперечное сечение трубы, но без превышения атмо-
сферного давления в верхней точке.
Полуиапорный режим и атмосферное давление в сжатом сече-
нии у входа устанавливаются при заполненном входе в трубу и
уклоне трубы i>iw (где iw=Qc2/Ko2).
Расходная характеристика целиком заполненной трубы Ко—
=a>Cy~R подсчитывается в зависимости от ее очертания; для
круглых труб Ko=24d8/3.
Эта проверка на незаполняемость поперечного сечення обяза-
тельна и для безнапорных труб (с незатопленным входом в соору-
жение), длина которых обычно велика по сравнению с их высотой.
Напорный режим и работа трубы полным сечением практически
на всем протяжении при отсутствии подтопления выхода гаранти-
руются при i^iw. Прн этом если i<iw, то глубина воды перед на-
порной трубой, как это следует из формулы (9.23), составляет
Q2
// = Лт0 + 4-1 (i^) — Г).
ЯгтХ,
При t=tw наступает переход от напорного режима к полуна-
порцому. При i>iw напорный режим срывается. Глубина воды
перед трубой в этом последнем случае определяется формулой
(9.21).
На основе расчетных формул пропускной способности труб при
разных режимах протекания воды составляют расчетные таблицы
илн графики пропускной способности типовых труб (трубы строят
только типовые). Такие таблицы или графики приводятся в типо-
вых проектах, в том числе для так называемых унифицированных
труб (рис. 9.9), нашедших широкое применение в строительстве.
169
9.5. Учет аккумуляции ливневых вод
перед малыми водопропускными сооружениями
При назначении отверстий труб необходимо учитывать аккуму-
ляцию ливневых вод в пруду перед сооружением. При этом заранее
нельзя назвать степень снижения расчетного расхода, так как глу-
бина воды перед сооружением (глубина пруда) еще неизвестна.
Это осложняет расчет и заставляет выполнять его либо путем пос-
ледовательных приближений, либо графоаналитическим приемом,
изложенным ниже.
Малые искусственные сооружения почти всегда сильно стесня-
ют поток и изменяют его бытовой режим. В результате временного
накопления перед сооружением части паводка гидрограф притока
трайсформируется в более растянутый во времени гидрограф сбро-
са, что приводит к снижению расчетного сбросного расхода ливне;
вых вод в сооружении Qc по сравнению с наибольшим секундным
притоком с бассейна Qn (рис. 9.10, а). Объем накопившейся воды
1ГПр при общем объеме стока IF зависит от гидрографа притока,
отверстия сооружения и рельефа участка местности, в пределах
которого образуется временный водоем.
Расход воды в отверстии сооружения определяется высотой
пЬдпора воды, над входным лотком. При узких, ярко выраженных
логах с большим уклоном этот подпор даже в течение ливневого
паводка обычно достигает размеров, обеспечивающих практическое
равенство расхода воды в отверстии наибольшему секундному при-
току, Объем воды, накопившейся перед сооружением, по сравнению
с объемом всего паводка оказывается незначительным и практиче-
ски не влияет на расход в сооружении. При определении отверстия
сооружения в таких случаях в качестве расчетного расхода может
приниматься наибольший расход водотока заданной вероятности
превышения. Также без учета аккумуляции следует производить
расчет малых сооружений на пропуск паводков от таяния снега,
всегда растянутых во времени (рис. 9.10, б).
•При развалистых или слабо выраженных логах с малыми укло-
нами образование подпора^ перед сооружением сопряжено с под-
топлением значительных По площади участков и накоплением
перед полотном дороги больших объемов ливневых вод. Последние
составляют уже существенную часть общего объема паводка. Под-
пор воды перед. сооружением возрастает медленно и обычно не
успевает достичь размера, обеспечивающего равенство сброса наи-
больщему секундному притоку паводка. Расход воды в отверстии
сооружения оказывается часто во много раз меньшим расчетного
расхода бассейна. В таких случаях аккумуляция воды должна учи-
тываться при определении отверстия сооружения для пропуска
ливневого стока.
Из сказанного следует, что без расчета аккумуляции нельзя
установить, какой вид стока более опасен для сооружения. Так,
170
Рис. 9.10. Трансформация гидрографа
притока воды к сооружению в гидро-
граф сбросных расходов:
а —ливневый сток; б —сток талых вод
Рис. 9.11. Схема к определению объе-
ма пруда
несмотря иа то что наибольший приток талых вод меньше, чем
ливневых, т. е. QT<lQa, опасным может оказаться сток талых вод,
если Qr>Qc<Qa- В связи с этим после определения максимальных
расходов различного происхождения следует произвести расчет
отверстия сооружения иа пропуск талых вод при Qc=Qt и ливне-
вых вод с учетом аккумуляции, т. е. при Qc<Qa, так, как указано
ниже. Большее из двух полученных отверстий сооружения должно
быть принято для дальнейшего проектирования.
Часть площади гидрографа притока, расположенная выше кри-
вой сбросных расходов (см. рис. 9.10, а), представляет собой объем
накопления воды перед сооружением. Отношение между объемом
накопления и суммарным притоком с бассейна W определяет сте-
пень трансформации паводка и может служить показателем регу-
лирующей способности емкости лога перед сооружением.
Зависимость (Гпр=/(Я) может быть выражена кривой, по-
строенной по плану в горизонталях участка местности перед со-
оружением. Принимая, что склоны бассейна имеют однообразные
уклоны и могут быть упрощенно представлены в виде двух пло-
скостей, пересекающихся по линии лога, эту зависимость можно
выразить аналитически (рис. 9.11)
1ГПР= mij~— Нз = аНз, (9.24)
6/л
где ть m2, и — крутизна склонов лога и его уклон.
Принимая по Д. И. Кочерину треугольную форму гидрографов
притока и сбросных расходов, получим (см. рис. 9.10)
/ ^пр \ / а//з \
Рс = <Ц1--^-]=<Ц1--jp-1- (9.25)
При использовании таблиц расходов учет аккумуляции может
быть выполнен только подбором. При использовании графиков
171
Рис. 9.12. Схема графика для расчета Рис. 9.13. Прямые коэффициентов
отверстий труб с учетом аккумуляции трансформации:
ливневых вод /_по д и Кочврииу. ш_по
О. В. Андрееву
можно выполнить расчет графоаналитическим приемом О. А. Рас*
сказова, заключающимся в том, что график (см. рис. 9.9) перестраи-
вают в новую систему координат (Qc и Я3), на котором уравнение
(9.25) выражается прямой линией (рис. 9.12). Для построения
прямой ^аккумуляции достаточно соединить по линейке точки с
координатами рл (на оси Qc) и W/a (на оси Я3). Пересечения пря-
мой аккумуляции с кривыми пропускной способности труб дают
искомые решения непосредственно без подбора. Каждой точке пе-
ресечения соответствует сбросный расход Qc и определенное значе-
ние подпора Я.
Выполняя при помощи ЭЦВМ построение гидрографов притока
и сброса по балансу объемов стока и интервалам времени,
А. А. Курганович получил более точное решение, чем по уравнению
(9.25).
Результаты расчетов на ЭЦВМ представлены в табл. 9.9.
Расчет выполняется непосредственно по уравнению
Qc = W (9.26)
где Хр — коэффициент трансформации, ио выражаемый более сложной функ-
цией, чем по формуле (9.25).
Использование табл. 9.9 и формулы (9.26) в расчетах возмож-
но следующим образом: задают предельный подпор перед соору-
жением Я, затем вычисляют объем пруда 1Гпр и, зная объем стока
W, находят по табл. 9.9 значение Хр. Такой расчет удобен для оп-
ределения отверстий мостов (см. п. 9.6). При расчете отверстий
труб эта последовательность расчета, очевидно, используется с
трудом, так как задать глубину воды Я, не зная сбросного расхо-
да Qc, ие представляется возможным.
Основываясь на результатах массовых расчетов А. А. Кургано-
вича на ЭЦВМ (см. табл. 9.9), можно уточнить учет аккумуляции
172
при назначении отверстий труб.
Эти расчеты показали, что факти-
ческое (криволинейное) очерта-
ние линии сбросных расходов по
сравнению с прямой Д. И. Коче-
рина приводит к большему сниже-
нию расчетного расхода. При этом
прямая Д. И. Кочерина на гра-
фике заменена О. В. Андреевым
двумя отрезками прямых (рис.
9.13), один из которых охватыва-
0 6^0,338 O.SIQ Я Яс
Рис. 9.14. Схема к уточненному рас-
чету отверстий труб с учетом акку-
муляции ливневых вод
допускается более чем в
ет всю зону снижения сбросных
расходов, разрешаемую правила-
ми проектирования мостов и труб
СНиП 2.05.03-84, но которым
уменьшение расхода
в сооружения не
3 раза.
Два отрезка прямых выражают уравнениями:
для зоны Хр от 1,0 до 0,33
(9.27)
для неиспользуемой зоны Лр<0,33
(9.28)
При использовании этих уравнений построения прямой аккуму-
ляции на графике рис. 9.12 заменяются построениями ломаной ли-
нии, приведенными на рнс. 9.14. Эффект учета аккумуляции оказы-
вается прн этом возросшим по сравнению с использованием фор-
мулы (9.25).
Таблица 9.9
мир/к - ^р“Рс/Рл Квр/Г Ьр-О.Юа
км3 F>10 KW* км* Л>10 т*
о . , 1.0 1,0 0,50 озо 0Д5
0,06 0,57 0.97 0»
то л» 0Я0 OJBBk
О,1в Л 0J82 0.82 o,e® 0Д4
одю 0,73 0,73 0,70 0Д7 : 0Д1
0,26 0,62 0,62 0.75- -од* 0,18-
ОМ ОДЗ 035 0,80 0.11 0,13
0,35 0,49 0,50 0,85 0,10 0,12
0,40 0,45 0,45 0,90 0,08 0,09
0,43 0,35 0,40 0,95 0,04 0,05
' 1,0 о 0
173
9,6. Расчет отверстий малых мостов
и определение высоты сооружений
Расчет отверстий малых мостов (рис. 9.15) обычно следует
производить по схеме свободного истечения, пользуясь формулой
(9.20), которая легко преобразуется к виду
Qc
1,35/73/2’
(9.29)
Зная, что Я=2Лс=1,45рс2/£, принимают такую последователь-
ность расчета:
задают скорость ис по желательному типу укрепления русла
под мостом, пользуясь табл. 8.4;
вычисляют иапор Я;
вычисляют объем пруда й7пр=аЯ3;
находят коэффициент по табл. 9.9.
Тогда без каких-либо последовательных приближений н с уче-
том аккумуляции воды перед насыпью
Qc = ^pQa или Qc = Qf
Принимая для осуществления типовой проект
стаем Ьо, следует пересчитать напор
/ Qc \2/3 = ( Qc \2/3
\ бдМ J \ l,35io J
моста с отвер-
(9.30)
Задавая скорость ос, следует учитывать, что она будет наблю-
даться в потоке лишь на очень коротком протяжении в зоне глуби-
ны Лс, в связи с чем табличные скорости (см. табл. 8.4) можно по-
вышать приблизительно на 10%.
При очень глубоком потоке воды в отводящем русле отверстие
моста рассчитывают по схеме несвободного истечения, наступаю-
щего после того, как прыжок, возникновение которого возможно в
сжатом сечении, будет надежно затоплен бытовым уровнем, т. е.
при условии, что бытовая глубина ч
Лб > 1.3*к = 1,45*с = 0,73/7', (9.31)
Рис., 9.15. Схемы протекания воды под малым мостом:
а — свободное протекание; б — несвободное протекание
174
Рис. 9.16. Схемы определения высоты иасыпи у водопропускных сооружений (а)
и высоты малого моста (б)
так как Лс=0,9Лк. Здесь Я' рассчитывают по формуле
«' = l,45v’/g. (9.32)
При несвободном истечении необходимое отверстие моста
* = <?с/Лв«с. (9.33)
где he—бытовая глубина, подбираемая при расходе Qo<Qa по уравнению
равномерного движения для сечения бытового лога при известных шероховато-
сти и уклоне лога, подобно тому, как подбирается глубина воды в канаве.
Сбросной расход Qc рассчитывают по формуле (9.27) с вычис-
лением объема пруда по ожидаемой глубине воды перед сооруже-
нием
vl
Н'=--Лб +--------. (9.34)
2g<tl
Отметка насыпи у труб назначается не менее чем на 1 м выше
пси .ртого уровня воды при полунапориом и напорном режимами
на 0,5 м — при безнапорном. Над верхом трубы Отметка насыпи
должна быть выше, не меиее чем на толщину дорожной одежды.
Это обеспечивает необходимую засыпку над трубой и неподтопляе-
мость дорожной одежды при длительном стоянии воды перед со-
оружением (рис. 9.16).
Высота моста
ям = 0,88// + д + лкои, (9.35)
где 0,88 — коэффициент, учитывающий некоторое снижение уровня при вхо-
де потока под мост; Д==0,50 и — возвышение низа пролетного строения над
уровнем воды; при наличии карчехода Д=1,0 и; Лков — конструктивная высота
пролетвых строений моста.
Бровка насыпи у моста также должна быть поднята над под-
пертым уровнем воды, не менее чем на толщину дорожной
одежды.
Длина моста поверху назначается исходя из крутизны откоса
.конусов и высоты верха моста над дном лотка. При этом следует
175
учитывать, что необходимое отверстие моста, рассчитанное по фор-
муле (9.29), отсчитывается по свободной поверхности потока, а
при несвободном протекании — по средней линии (т. е. на глуби-
не 0,5Лб).
1
9.7. Расчет размывов и укреплений русел
за малыми мостами и трубами
Опыт эксплуатации малых искусственных сооружений показы-t
вает, что в подавляющем большинстве случаев их повреждения!
связаны с воздействием потока воды, и размывы обычно начина?
ются на выходных участках. Скорости на выходе из сооружения
достигают 5—6 м/с, в то время как допускаемые скорости для
грунтов отводящих русел составляют всего 0,7—1,0 м/с.
Вытекающий поток воды находится чаще всего в бурном со-
стоянии и обладает большой кинетической энергией, которая вызы-
вает размыв русла за сооружением. В большинстве случаев русло
нижнего бьефа за водопропускными сооружениями имеет большую
ширину, чем ширина отверстия водопропускного сооружения. Ха-
рактер пространственного движения потока в очень широком ниж-
нем бьефе зависит от глубины воды в нем и параметров потока на
выходе из сооружения.
В зависимости от бытовой глубины потока в укрепленном отво-
дящем русле возможны три формы сопряжения потока, выходящего
из водопропускного сооружения, с бытовым потоком в широком.'
нижнем бьефе, когда Bpycna>8bCoop-
1. Сопряжение по типу затопленной струн. Этот вид сопряжения
наблюдается, когда струя, вытекающая из сооружения, будет пол-
ностью затоплена (рис. 9.17, а). В нижнем бьефе происходит ра-
стекание струи в массе воды; при этом наблюдается постепенное
уменьшение скоростей течения вдоль потока.
2. Сопряжение по типу сбойного течения. Этот вид сопряжения
наблюдается при глубине нижнего бьефа, несколько меньшей глу-
бины, сопряженной с глубиной на выходе из сооружения. Сбойно-
му течению присущи некоторые опасные свойства (рис. 9.17, б).
Поток, выходящий из сооружения в нижний бьеф, движется
сначала без растекания в стороны. С боковых сторон поток грани-
чит с водоворотными зонами, ко-
торые могут даже сжимать тран-
зитный поток. При снижении глу-
бины нижнего бьефа до глубины,,
сопряженной с глубиной на выхо-
де из сооружения, происходит
свал потока в одну сторону, и со-
пряжение бьефов осуществляется
в форме пространственного гид-
равлического прыжка, а динами-
Рис. 9.17. Сопряжение потоков в от-
водящем русле за сооружением
176
Рис, 9.18. Схема продольного разре-
за укрепления за водопропускным со-
оружением
ческа я ось потока искривляется. При этом транзитная струя на-
мекает с большой скоростью на боковые стенки отводящего русла^
Уменьшение скоростей в транзитной струе и выравнивание их по
сечению отводящего русла происходит очень медленно.
В результате этого требуется укрепление не только дна, но и.
стенок отводящего русла на значительном протяжении.
3. Сопряжение по типу свободного растекания бурного потока..
Растекание бурного потока в очень широких иижних бьефах харак-
теризуется следующими особенностями. Поток, выходящий из от-
верстия, попадает в отводящее русло, глубина в котором меньше,
чем глубина на выходе из сооружения. Под действием силы тяже-
сти происходит растекание потока в стороны (по направлению к
берегам). Это растекание происходит до тех пор, пока глубина
бурно растекающегося потока не станет равна глубине, взаимной с
бытовой глубиной. Под взаимными (или сопряженными) имеются
в виду глубины, связанные уравнением гидравлического прыжка.
В результате этого область растекания бурного потока, сопрягаю-
щаяся с бытовым потоком и водными массами нижнего бьефа по-
средством косых гидравлических прыжков, принимает в плане ха-
рактерную форму «лепестка» (рис. 9.17, в).
Растекание бурного потока в
узких нижних бьефах характери-
зуется следующими особенностя-
ми. Поток, выходящий из соору-
жения, растекается в стороны и
окаймляется водоворотными зо-
нами. В местах набегания край-
них струек потока на боковые
стенки отводящего русла, т. е. в
сечении полного растекания, про-
исходит внезапное увеличение
глубин и образование косых гид-
равлических прыжков. Эти косые
гидравлические прыжки распро-
страняются вниз по течению. Ес-
ли бытовой поток находится в
спокойном состоянии, в отводя-
щем русле наблюдается обычный
гидравлический прыжок. С увели-
чением бытовой глубины прямой
гидравлический прыжок придви-
Рис. 9.19. План укрепления русла за
сооружением
177
гается ближе к своему предельному положению в сечении полного
растекания. Если глубина нижнего бьефа больше глубины, при
которой прямой гидравлический прыжок располагается в сечении
полного растекания, то происходит прорыв водных масс в одну из
водоворотных зон и переход к сбойному течению.
Для предотвращения размывов выходных участков следует за-
щищать лог на определенной длине. Защита от размыва заключа-
ется в правильном выборе типа и размеров укрепления, которое
назначают исходя из условия допущения размыва, безопасного для
устойчивости как укрепленного участка русла, так и самого соору-
жения. -
Назначение типа укрепления по скорости на выходе из трубы
справедливо только для спокойных потоков (первый тип сопряже-
ния) .
; При растекании бурных потоков скорости получаются значи-
тельно большими, чем выходные; скорость может увеличиться,
примерно в 1,5 раза.
выходные участки не укрепляют только в тех редких случаях,
когда скорости на выходе из сооружения весьма малы и не могут
нарушить устойчивость как русла, так и самого сооружения.
Опыт проектирования защитных устройств у малых водопро-
пускных сооружений показывает,^что нецелесообразно устраивать
весьма длинные укрепления отводящих русл, за которыми нет раз-
рыва. Значительно экономичнее устраивать короткие укрепления,
заканчиваемые предохранительными (погребенными) откосами,
иад которыми и располагаются ямы размывов, безопасные для
укрепления и сооружения (рис. 9.18), если низ откоса заложен
ниже дна ямы. Глубина зало|жения предохранительного откоса
зависит как от гидравлических характеристик потока, так и от
длины укрепления. Для быстрого определения глубины размыва
за укрейленйями при наиболее часто встречающемся свободном
растекании можно воспользоваться следующими данными теорети-
ческого расчета:
/дар tg а
,ь
ЬР!Н ...
О 1 2 3 \ 4 5 8 10
1,55 0,98 0,78 0,65 0,59 0,54 0,45 0,40
Здесь а—угол растекания, определяемый типом выходного рголовка, но не
больший чем 45? (см. рис. 9.17, в); b — отверстие сооружения;, Др/Я — относи-
тельные глубины размыва (в долях глубины воды перед сооружением) в. зави-
симости от относительной длины укрепления lw.
Из приведенных данных следует, что при отсутствии укрепления
за сооружением развивается размыв Дра;1,5Я. Устройство укреп-
ления длиннее (Зч-4) b нецелесообразно. Очертание укрепления в
плане показано на рис. 9.19.
178
Возможен и более точный расчет размывов с учетом типа сопря-
жения. Эти расчеты излагаются в специальной литературе. В осно-
ве этих расчетов, с одной стороны, лежит учет сопротивляемости,
грунта размыву, а с другой — обязательная гидравлическая струк-
тура потока, связанная с размещением прыжка непосредственно в.
конце укрепления, т. е. над размывом.
В горных условиях часто оказывается необходимым ие только
укрепление русел в связи с концентрацией потока воды для пропу-
ска в узких трубах или под мостами, но и применение специальных
сооружений для сопряжения бьефов — быстротоков, перепадов с
водобойными колодцами и без них и т. д. Расчет этих сооружений,,
называемых косогорными, излагается в специальной справочной
литературе.
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ
ПРОЛОЖЕНИЕ ТРАССЫ ДОРОГИ НА МЕСТНОСТИ
Глава 10
ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ ТРАССЫ
10.1. Учет интенсивности и объема грузопотоков
при выборе направления трассы
При проектировании автомобильных дорог встречаются два
принципиально отличных случая выбора направления трассы.
1. Проектирование больших автомобильных магистралей или
дорог высших категорий, когда общее направление дороги и основ-
ные промежуточные пункты назначаются из общегосударственных
административных, культурных и оборонных соображений. Эти до-
роги используются преимущественно для дальних и межобластных
автомобильных перевозок. Обслуживание местных грузопотоков,
возникающих от приближения магистральной дороги к небольшим
промышленным предприятиям и населенным пунктам, играет вто-
ростепенную роль в назначении ее трассы, и эти пункты, как пра-
вило, обходятся.
2. Проектирование сетей дорог промышленных и сельскохозяй-
ственных районов, связывающих между собой ряд пунктов возник-
новения и потребления грузов, а также прдектирование подъездных
путей от промышленных предприятий, совхозов, рудников и других
мест образования потоков грузов, тяготеющих к существующим
дорогам, станциям железных дорог и речным пристаням. В этом
случае начертание сети дорог или направление подъездных путей
определяется преимущественно потребностями обслуживания ме-
стных грузопотоков. Трассы дорог должны быть выбран^ таким
образом в отношении обслуживаемых населенных пунктов й дру-
гих грузообразующих точек, чтобы объем транспортной работы при
выполнении перевозок был наименьшим, а пассажирские сообще-
ния удобны для пользующихся дорогой.
При необходимости связать Два населенных пункта естественно
строительство дороги по соединяющей их прямой линии (воздуш-
ной линии). Однако при большом числе взаимно тяготеющих насе-
ленных пунктов невозможно построить сеть дорог, непосредственно
соединяющих каждый населенный пункт со всеми другими (рис.
180
10,1, а) по кратчайшему направлению. Создание такой сети было
бы не оправдано экономически н привело бы к бесхозяйственному
изъятию больших земельных площадей из сельскохозяйственного
производства. Поэтому при проектировании начертания дорожной
сети должно быть найдено такое компромиссное решение, в кото-
ром удовлетворение требований автомобильного транспорта к эф-
фективности автомобильных перевозок сочеталось бы с экономией
затрат на строительство, включая и стоимость земли, отведенной
под дорогу.
В соответствии с принятой в настоящее время методикой срав-
нения вариантов за критерий оптимальности начертания дорожной
сети принимают минимум приведенных строительных и эксплуата-
ционных затрат. Предложен ряд математических методов отбора
из ряда возможных вариантов начертания дорожных сетей наивы-
годнейшего варианта, удовлетворяющего критерию оптимальности.
В настоящее время еще нельзя с полной определенностью выска-
заться о преимуществах какого-либо из них.
Проектирование начертания дорожной сети ведут, не учитывая
влияния рельефа и ситуации местности, получая таким образом сеть
воздушных линий, которая дает основную ориентировку для выбо-
рке. 10.1. Дорожиаи сеть района:
, схема транспортных связей; б — мини-
мальная по протяженности сеть дорог» свя-
зывающая груэообраэующне точки; в —
сеть дорог» уточненная путем установле-
ния рациональных мест примыканий и раз-
ветвлений
181
ра направления отдельных дорог при изысканиях на местности.
Влияние рельефа подлежит учету лишь при наличии непреодоли-
мых препятствий — горных хребтов, больших озер и заболоченных
массивов. Горные перевалы и места обхода являются в этом слу-
чае точками обязательного транзитного прохода всех грузопото-
ков. Неизбежные отклонения трассы от найденных воздушных ли-
ний, вызванных местными топографическими условиями, нередко
выдвигаются в качестве аргумента против широкого использования
технико-экономических методов обоснования начертания дорожной
сети. Однако влияние таких отклонений не следует переоценивать.
Для практических целей удобен метод проф. Я. В. Хомяка, при
котором проектирование сети выполняют в несколько этапов:
1) выбор основной схемы связей между корреспондирующими
грузообразующими пунктами, которая удовлетворяет требованию
наименьшей суммарной протяженности. Это обеспечивает мини-1
мальные затраты на строительство;
2) уточнение первоначально намеченной сети путем введения
дополнительных звеньев для удовлетворения критерия минимума
приведенных дорожно-транспортных затрат на перевозки;
3) окончательная корректировка намеченной сети путем уточ-
нения мест примыкания и разветвлений дорог.
Решение задачи начинают с построения кратчайшей связываю-
щей сети дорог, т. е. такой сети воздушных линий, которые соеди-
няют все грузообразующие и грузопоглощающие точки при наи-
меньшей приведенной длине сети. Для отбора звеньев в кратчай-
шую связывающую сеть используется показатель Z/Q, который
представляет собой длину участка дороги, приходящуюся на 1 т
перевозимого груза. Этот показатель назван приведенным расстоя-
нием. В принципе имеется возможность приближенного учета при
проектировании сети особенностей рельефа введением в значение I
поправочного коэффициента на удлинение трассы.
Рассмотрим построение сети дорог на примере, заимствованном
из работы проф. Я. В. Хомяка.
Расчеты ведутся на основе составляемых < по данным технико-
экономических изысканий таблиц грузовых перевозок. Приведена
часть такой таблицы (табл. 10.1).
Таблица 10.1
Перевозки, тыс. т, в пункты назначения
Пункт отправ- ления 1 2 3 4 5 5 7 5 9 /о 11 И т. д.
1 560 700 950 150 80 85 30 45 20 10
2 560 80 10 —— 40 15 10 60
3 700 80 400 10 5
4 950 400 10 5,
и т. д. 4
182
Таблица 10.2
Характеристики перевозок в точку 1 Грузообразующне точки
/ 2 3 4 5 6 7 24
Расстояние от точ- ки /, км X' 20,4 26,3 13,0 16,8 13,2 8,2 34,1
Объем перевози- мых грузов Q, тыс. т 560 700 950 150 80 8,5 50
Приведенное рас- стояние 0,036 0,038 0,014 0,112 0,165 0,096 0,683
Начиная построение, выбирают на схеме транспортных связей
точку, к которой тяготеют наиболее интенсивные грузопотоки. Для
случая, представленного иа рис. 10.1, а, таковой является точка 1
станции железной дороги, к которой тяготеет большинство других
точек. Для них вычисляют приведенные расстояния до всех других
точек (табл. 10.2)'. На первом этапе расчета в рассматриваемом
примере получилось, что наиболее близкой к точке 1 является точ-
ка 4. Поэтому линия 1—4 образует первое звено отыскиваемой
кратчайшей связывающей сети (рис. 10.1, б). В дальнейших расче-
тах точки 1 и 4 больше не рассматриваются и учитываются только
грузы, поступающие из них в другие точки.
Для точки 4 (табл. 10.3) наименьшим является приведенное
расстояние до точки 3. Поэтому линия 3—4 включается в сеть до-
рог. При подсчете расстояний учитывалось, что грузы, перевозимые
в точку 3 из точки 1, после установления первого звена сети 1—4'
должны обязательно пройти через точку 4 и, следовательно, на
Таблица 10.3
Характеристика перевозок в точку 4 Грузообразующне точки
/ 2 $ 4 5 6 7 24
Расстояние от точки 4, км 13,0 12,8 15,3 16,9 19,8 17,2 22,7
Объем перевозимых грузов Q, тыс. т 950 10 400 —“ —“ 300
Кратчайшее рас- стояние до связую- щей сети, км 12,8 15,3 16,8 13,2 8,2 22,7
Точки примыкания 4 4 1 / 1 4
Суммарный объем перевозимых грузов, тыс. т 570 1100 150 80 85 350
Приведенные рас- стояния X 0,022 0,014 0,112 0,165 0,096 0 065
183
Таблица 10.4
Характеристика перевозок
А , > в точку 3
Грузообразующие точки
2 3 4 5 6 24
Расстояние от точки 3, км
Объем перевозимых гру-
зов Q, тыс. т
Кратчайшее расстояние до
связующей сети, км
Точки примыкания
Суммарный объем перево-
зимых грузов, тыс. т
Приведенное расстояние
Примечание. Для упрощения в табл. 10.2 и 10.3 графы для точек 3—23. а ж
табл. 10.4 графы для точек 7—23 опущены, так как на первом этапе расчета они не ока-
зывают влияния на результаты.
участке 4—3 объем грузовых перевозок будет равен сумме перево-
зок между точками 1—3 и 3—4, т. е. 1100 тыс. т. Аналогично из.
точки 2 в точку 4 поступает 570 тыс. т, в том числе 560 тыс. т, на-
правляющихся в точку 1. При рассмотрении далее точки 3 (табл.
10.4), связанной направлением 3—4—1 с точками 1 и 4, к объемам
приходящих в иее грузов необходимо прибавлять грузы, следую-
щие из рассматриваемых точек и в точки / и 4. Поэтому, напри-
мер, из точки 5 поступает в точку 3 150+10=160 тыс. т. При оп-
ределении приведенного расстояния из точки 2 до фрагмента сети
3—4—1 учитывают грузы, поступающие из нее во всё эти точки,
т. е. 650 тыс. т. Минимальное приведенное расстояние получается
до точки 24, и в сеть включается линия 3—24.
Аналогичные подсчеты, выполненные для точки 24, приводят к
выводу, что для нее минимальное приведенное расстояние 0,016
соответствует точке 14. Однако по конфигурации сети очевидно,
что вместо нее более рациональная связь 3—14, которая и вводит-
ся в схему, хотя приведенное расстояние в этом случае получается
несколько большим (0,025). Оставшиеся неохваченными точки при-
вязывают к полученному магистральному ходу повторным рассмот-
рением точек 1,4 н 3.
Найденная описанным построением схема кратчайшей связы-
вающей сети дорог (см. рис. 10.1, б) еще не в полной мере удовлет-
воряет требованию минимума дорожно-транспортных расходов на
перевозки.
Так, например, пункты 1 и 2, между которыми происходят зна-
чительные перевозки, связаны только окружным путем через пункт
4, что будет вызывать перепробег автомобилей. Для улучшения
запроектированной сети в нее вводят на основе логических сообра-
жений дополнительные звенья, если приведенная стоимость пере-
184
Рис. 10.2. Схемы к технико-экономическому обоснованию выбора направления
трассы дорогн:
<а — определение точки примыкания подъездного пути к дороге более высокой категории;
б— нахождение точки соединения дорог, связывающих три пункта; в — определение места
разветвления дорогн; г — нахождение направления магистрального пути, обслуживающего
несколько грузообраэующих пунктов
возок по намеченной сети, учитывающая транспортные и строи-
тельные расходы (см. ч. 2, п. 24.1) выше, чем в случае введения
дополнительного звена, непосредственно связывающего точки. Эта
дополнительная сеть автомобильных дорог показана на рис. 10,1, в
пунктиром.
На первых этапах построения дорожной сети ее участки сопря-
гались в грузообразующих точках, что во многих случаях вызыва-
ло бы перепробег автомобилей. Поэтому дорожная сеть должна
быть уточнена путем нахождения оптимальных мест примыкания
и разветвления дорог (см. рис. 10,1, в). В зависимости от назначе-
ния дорожной сети критериями оптимальности могут быть приве-
денная стоимость строительства, минимум работы или затрат вре-
мени на перевозки.
Приходится решать следующие задачи.
1. Нахождение точки примыкания подъездного
пути к дороге более высокой категории (рис. 10.2, а).
Пусть интенсивность движения из пункта А в пункт В равна
Nb, а в пункт С равна Nc- Определим угол примыкания из условия
затрат времени на перевозки. Скорости движения по магистраль-
ной дороге Ом, по подъездному пути vn зависят от типа проезжей
части и категории дорог, определяемых интенсивностями движения.
185
Затраты времени на перевозки составят
T = ----(tfB+tfc) + (£-x-m)—- + (m + x)—(10.1)
vn VM VM
Значение угла примыкания а, соответствующее минимуму про-
должительности перевозок, может быть найдено приравниванием
нулю первой производной dTjdx, что приводит к выражению
М*в~*с)
C0Sa= “М^в+^с) • (10,2>
В рассмотренном примере (см. рис. 10,1, в) уточнение мест
примыкания дорог привело к появлению дополнительных узловых
точек 27, 28, 29, 30, 31, 32. Введение точки 30 позволило ограни-
читься дорогой 16—30 вместо двух дорог 4—16 и 16—15.
2. Нахождение точки соединения до-рог, связы-
вающих три пункта.
При соединении дорогами трех пунктов для сокращения протя-
женности дорожной сети целесообразно проектировать сеть дорог
как подъездные пути от грузообразующих пунктов к некоторой
точке внутри треугольника, образованного тремя пунктами (рис.
10.2, б). Такой случай в рассматриваемом примере встретился при
нахождении точки 32 в треугольнике 5—18—22.
Для нахождения положения точки соединения дорог немецким
инж. Лаунгардтом в 1882 г. был предложен точный математиче-
ский метод определения углов, образуемых этими дорогами, при
которых удовлетворялось бы минимальное значение принятого для
оценки критерия. Однако, поскольку речь идет о сети воздушных
линий, неизбежно корректируемых при трассировании на местно-
сти, целесообразнее использовать более простой приближенный
метод, заключающийся в том, что из каждого грузообразующего
пункта отыскивается направление подъездного пути к дороге, со-
единяющей два остальных пункта. с
Пересекаясь, подъездные пути образуют так называемый «тре-
угольник погрешностей», в котором при трассировании с учетом
местных условий выбирают положение точки соединения дорог.
3. Определение места разветвления дороги.
Если дороги, соединяющие два пункта, объем перевозок между
которыми мал, с третьим, образуют между собой малый угол, целе-
сообразно вначале строить объединенную дорогу, разветвляющую-
ся на некотором расстоянии (рис. 10.2, в). Очевидно, что эту зада-
чу можно рассматривать как определение такого положения маги-
стрального участка АО, при котором направления ответвлений в
точки В и С удовлетворяют требованиям к углам примыкания,
установленным выше. Положение места разветвления дорог на Пла-
не определяют, отложив из какой-либо точки прямой, вычерченной
186
на прозрачной бумаге, линии под углами а> и аг, и находят такое
ее положение, чтобы линии прошли через точки А, В и С.
4. Нахождение направления магистрального
подъездного пути, обслуживающего несколько
грузообразующих пунктов (рис. 10.2, а).
Если несколько населенных пунктов и промышленных предприя-
тий тяготеют к одному пункту, например станции железной дороги,
пристани или к крупному перерабатывающему промышленному
предприятию, а между собой имеют малые транспортные связи, за-
ведомо нецелесообразно строить из каждого пункта самостоятель-
ный подъездной путь. Правильнее провести общий магистральный
подъездной путь АВ с ответвлениями от него к отдельным пунк-
там.
Положение магистрального подъездного пути находят графиче-
ским способом построения силового многоугольника. Интенсивность
движения или объем перевозимых грузов между каждой из грузо-
образующих точек и центром рассматривается как вектор, на-
правленный по прямой, соединяющей эти точки. Замыкающая си-
лового многоугольника является равнодействующей, показывающей
направление основной магистрали.
Примыкания отдельных подъездных путей к магистральному
решаются описанным выше способом.
10.2. Учет местных условий при выборе
направления трассы
В задании на проектирование дороги бывают указаны началь-
ная, конечная и промежуточные точки, через которые должна быть
проведена трасса проектируемой дороги. Эти точки, называемые
опорными пунктами, могут представлять собой промышленные,
политико-административные или культурные центры, транспортные
узлы. При попытке трассировать дорогу по прямым, соединяющим
опорные пункты, пришлось бы столкнуться с многочисленными
препятствиями, преодоление которых технически и экономически
менее целесообразно, чем обход с небольшим отклонением от пря-
мой линии.
Различают контурные и высотные препятствия. К первым отно-
сятся излучины рек, населенные пункты, озера и болота, места с
неблагоприятными почвенными и геологическими условиями, запо-
ведники; ко вторым — горные хребты, отдельные возвышенности,
глубокие и широкие котловины.
Отклонение трассы от воздушной линии вызывается также не-
обходимостью прохождения дороги через контрольные точки. К их
числу относятся согласованные места пересечений с железными
и автомобильными дорогами, места пересечения больших водото-
187
в
Рис. 10.3. Варианты воздушной линии между опорными пунктами
ков, удобные для строительства мостов, горные седловины, а так-
же используемые участки существующих дорог.
Осмотр местности или анализ местных условий по аэрофото-
снимкам или по карте крупного, масштаба в горизонталях позво-
ляет наметить ряд точек, через которые может пройти трасса доро-
ги, обходя препятствия. Соединение этих точек между собой дает
ряд вариантов воздушных линий, достаточно хорошо характеризую-
щих возможные направления трассы дороги.
На рис. 10.3 показано несколько возможных вариантов воздуш-
ной линии между опорными пунктами. На участке АВ число воз-
можных вариантов определяется необходимостью обхода озера и
использованием седловин а и б. Заслуживает внимания возмож-
ность отклонения трассы для пересечения железной дороги на уча-
стке, где она проходит выемкой для устройства путепровода. Фик-
сированные точки обхода озера вне вызывают необходимость даль-
нейшего отклонения северного варианта трассы (сплошная линия
на рисунке). Малые водотоки, впадающие в озеро, не создают.за-
труднений в выборе места перехода, так как могут быть пересечены
под углом нлн их русло может быть спрямлено. Пересечение сле-
дующего крупного препятствия — большой реки — по условиям
выбора места мостового перехода возможно в точках д, е и ж. Рас-
положение этих точек указывает на целесообразность проложения
северного варианта трассы в обход промежуточного пункта В с
устройством к нему подъездного пути.
У южного варианта (пунктир на рисунке) приток реки и забо-
лоченные участки в его верховье делают более выгодными прибли-
жение к пункту В, а от него в точку ж в обход излучины реки. Для
дорог высших категорий должен быть рассмотрен также вариант
пересечения болота г — з, сокращающий длину дороги. Дальней-
188
шее направление обоих вариантов определяется границами запо-
ведника (точки и я к), пересечение которого дорогой недопустимо.
Соблюдение технических требований к элементам плана и про-
филя неизбежно приводит к дальнейшим небольшим отклонениям
трассы от воздушной линии. Однако сравнение продольных профи-
лей, построенных по планам в горизонталях на основе воздушных
линий, позволяет оценить варианты по транспортным н строитель-
ным характеристикам и выбрать из них основной. Наложение сети
воздушных линий на геологическую й почвенные карты также дает
возможность оценить геологические условия каждого из вариантов.
При выборе места проложения дороги следует избегать исполь-
зования ценных сельскохозяйственных угодий. Принятый в СССР
в 1968 г. Закон «Основы земельного законодательства Союза ССР
н союзных республик» указывает, что для всех видов строительст-
ва, в том числе постройки железных и автомобильных дорог, необ-
ходимо использовать земли несельскохозяйственного назначения:
или непригодные для сельского хозяйства, либо сельскохозяйствен-
ные угодья худшего качества, преимущественно не покрытые ле-
сом, либо площади, занятые кустарниками или малоценными на-
саждениями. Не следует прокладывать дороги по территориям.
заповедников, в лесопарках, в непосредственной близости к памят-
никам архитектуры и истории, в берегозащитных полосах, через
отдельные рощи в безлесных степных районах и т. д.
Потери сельскохозяйственного производства и землепользова-
телей, связанные с изъятием ценных земель, подлежат возмещению-
строительной организацией, что необходимо учитывать при техни-
ко-экономическом обосновании выбора трассы.
Выбор трассы дороги предопределяет ее протяженность, распо-
ложение всех капитальных дорожных сооружений, стоимость вы-
полнения строительных работ н, самое главное, показатели работы,
автомобильного транспорта в течение последующей многолетней*
эксплуат'ации дороги. Не отклоняясь существенно от намеченного -
по технико-экономическим соображениям направления дороги, сле-
дует располагать ее на местности таким образом, чтобы воздейст-
вие на дороги природных условий наименее осложняло строитель-
ство и последующую ее эксплуатацию.
При этом, рассматривая влияние на дорогу топографических,,
геологических, гидрологических и метеорологических условий, не-
обходимо учитывать и все те изменения, которые могут возникнуть
в результате созидательной деятельности человека в прилегающей
к дороге местности — постройка водохранилищ, осушение болот,,
проведение ирригационных работ, лесонасаждения и т. д.
Современные методы механизированного ведения земляных ра-
бот позволяют строить устойчивое земляное полотно в самых раз-
нообразных грунтовых условиях, но высокая стоимость этих работ
заставляет в большинстве случаев отдавать предпочтение вариан-
там обхода участков с неблагоприятными гидрогеологическими ус-
18»
ловиями, если это не связано с чрезмерным удлинением трассы
дороги.
Из метеорологических условий при выборе трассы следует учи-
тывать направление господствующих ветров, от которого зависит
заносимость дороги снегом, а в песчаных пустынях — песком. Всег-
да предпочтительнее проложить трассу так, чтобы бассейны, с ко-
торых приносится на дорогу снег во время поземок, имели бы
меньшие площади и были покрыты задерживающей снег расти-
тельностью.
Гидрологический режим пересекаемых водотоков влияет на вы-
бор места их пересечения и необходимые размеры мостов, а в неко-
торых случаях определяет возможность трассирования дороги по
долинам рек. Большие расходы воды на пересекаемых водотоках,
вызывающие необходимость постройки крупных дорогостоящих ис-
тсусственных сооружений, часто делают целесообразным смещение,
трассы ближе к водоразделу.
Большое значение для работы дороги имеет ее расположение по
отношению к странам света. Количество солнечного тепла, погло-
щаемое склонами разной экспозиции, меняется в очень большой
степени. Южные склоны раньше очищаются от снега и быстрее
просыхает, чем северные. На них интенсивнее протекают процес-
сы выветривания и эрозии. По подсчетам проф. Б. Н. Веденисова,
южный откос выемки при высоте солнца над горизонтом 30° акку-
мулирует в 14 раз больше тепловой солнечной энергии, чем север-
ный. Часто правильный выбор! склона долины может существен-
но улучшить работу строящейс^ дороги. В лесисто-болотистой мест-
ности для лучшего осушения Земляного полотна дороги целесооб-
разно приближать к северной! стороне просеки, устраивая полосу
•отвода несимметричной.
10.3. Учет снегозаносимости при проложении трассы
Половина территории СССР более чем на 5 месяцев в году по-
крывается снегом. При ветрах со скоростью более 3—5 м/с снеговой
покров начинает сдуваться и переносится в приземном слое возду-
ха (поземка). При этом до 90% снега перемещается непосредст-
венна у поверхности снеговых отложений в пределах нижних 10 см.
Если перенос происходит при снегопаде, возникает низовая метель.
Если на пути воздушного потока, переносящего cnef (снеговет-
фового потока), встречается возвышающееся препятствие, напри-
мер дорожная насыпь, условия движения воздушных струй меня-
ются. На некоторой высоте над поверхностью земли изменение рель-
ефа не отражается на скорости ветра. В нижних слоях поток воз-
духа должен, обтекая препятствие на своем пути, пройти через
меньщее сечение. При этом скорость снеговетрового потока возрас-
тает, но в непосредственной близости от препятствия образуются
зоны затишья — аэродинамическая тень, в которой откладывается
190
Рис. 10.4. Схемы образовании снеговых отложений при обтекании земляного по-
лотна сиеговетровым потоком:
а —насыпь; б— мелкая выемка; в —глубокая выемка; г—полка на наветренном косогоре^
д — полка на подветренном косогоре; 1 — снеговетровой поток; 2 — эона отложения снегам
3 — зона выдувания снега
*
большая часть переносимого снега. Приближенно можно считать
ее ограниченной откосом с заложением 1: 7—1: 10. Над понижени-
ями местности воздушный поток расширяется, скорость его снижа-
ется и часть снега выпадает, заполняя понижение.
Земляное полотно автомобильных дорог является заметным
препятствием для движения снеговетрового потока. Отлагающееся
около него значительное количество снега, образуя заносы, затруд-
няет, а иногда и полностью прерывает движение. Заносимость до-
рог зависит от их поперечного профиля и количества снега, при-
носимого к дороге с окружающей местности.
Образование снеговых отложений около насыпей, выемок и на
косогорных участках дорог (рис. 10.4) связано с образованием зон
затишья около откосов и завихрений у резко выраженных перело-
мов откосов. Если к дороге за зиму приносится меньше снега, чем
может отложиться в пределах зоны аэродинамических теней у от-
косов насыпей или на откосах выемок, участок дороги можно счи-
тать незаносимым. Однако этот вывод справедлив только при ус-
ловии, что снеговые валы, образующиеся по краям дороги, удаля-
ются своевременно при очистке дороги путем отбрасывания ротор-
ными снегоочистителями на придорожную полосу. В противном,
случае они образуют препятствия, у которых возникают новые от-
ложения снега.
Количество приносимого к дороге снега зависит от объема вы-
падающего снега, силы ветра, площади, с которой снег может сме-
191
таться ветром, и от наличия на его пути задерживающих препятст-
вий (растительность, неровности поверхности земли). В сильно ме-
телевых степных и тундровых районах допускают возможность сду-
вания к дороге всего выпавшего снега, крЪме задерживаемого пре-
пятствиями; в лесных и лесостепных районах принимают, что к до-
роге сносится половина выпадающего снега.
Количество выпадающего снега устанавливают по данным ме-
теостанций или по картам среднемноголетней высоты снегового по-
жрова, скорость и направление ветра — по данным метеорологиче-
ских справочников.
св
Л)
юв
100 Г
СЗ С
0,5
О
' б)
0
100
100
о
о
200
Приносимый ветром
хнег, мЗ/м
Схематический
профиль мест-
ности
-Сметаемый ветром
снег, мЗ/м
.Удерживаемый пре-
пятствиями снег,
м3/ м
Z00 400 ООО 000 1000
Длина снегосборного бассейна, м
юз
1км
V/ /// /// ///
ZOO " I
Рис. 10.5. Схема для определении количества снега, приносимого к дороге:
•л — план снегосборного бассейна; б — схема к определению сносимого н задерживаемого
снега; 1 — опушка леса; 5 — границы аэродинамической теин
Д92
Максимальное количество принесенного к дороге снега (м3 на
1 м дороги) в первом приближении можно определить:
Q = (KhL — J sin а,
где к — снег, сносимый со снегосборного бассейна, в долях от объема
выпавшего снега; h — толщина снегового покрова, м; L — длина сиегосборного
бассейна, м; а—угол между направлением зимних ветров и дороги, принимае-
мый по розе зимних ветров; ^q— количество снега, удерживаемого неровностя-
ми поверхности сиегосборного бассейна; учитываются только неровности, превы-
шающие-толщииу остающегося несметеииым слоя снега.
Если приносимый снег будет задержан перед дорогой, ее можно
считать незаносимой.
Расчет количества снега, приносимого к дороге (рис. 10.5), ве-
дется методом последовательного подсчета баланса снега с учетом
размера снегосноса и задержания препятствиями.
При прочих равных условиях трассу дороги желательно прокла-
дывать так, чтобы площадь снегосборных бассейнов с учетом розы
ветров во время месяцев с наибольшим количеством метелей была
наименьшей, т. е. чтобы к дороге приносилось меньше снега. Целе-
сообразно приближать трассу к подветренным опушкам леса, ов-
рагам, населенным пунктам, зарослям кустарников и другим мес-
там, где откладывается снег. В лесных просеках отлагается только
выпадающий снег. Мало заносятся участки дорог, составляющие с
направлением господствующих ветров угол менее 30°.
Следует избегать прокладывать дорогу по пониженным местам,
которые всегда сильно заносятся снегом. Пересекать их лучше по
кратчайшему направлению.
Участки дорог, проложенные в выемках и по полкам вдоль косо-
горов, всегда сильно заносятся снегом. Несколько менее заносимы
в тех же условиях насыпи и полувыемки-полунасыпи. Чтобы умень-
шить заносимость, следует по возможности приближать дорогу на
подветренных склонах к верхней части косогора, поскольку верх-
няя граница снежных отложений располагается обычно в преде-
лах 5—10 м выше подошвы откоса. На надветренных склонах луч-
ше прокладывать трассу в нижней части или даже по долине в
80—100 м от подошвы склона.
10.4. Пересечение водотоков
Трассы автомобильных дорог пересекают большое число посто-
янных и периодически действующих водотоков.
Мосты и трубы на автомобильных дорогах следует располагать
таким образом, чтобы при обеспечении беспрепятственного пропус-
ка высоких вод и соблюдении требований экономичности построй-
ки и удобства движения автомобилей не нарушать плавности трас-
сы. Несмотря на то что наиболее экономичным и целесообразным
7—977 193
Рис. 10.6. Мосты на кривых:
а — мост на кривой в плане; б ~ мост на
вертикальной кривой
в отношении пропуска воды явля-
ется перпендикулярное пересече-
ние дорогой водотоков, современ-
ные технические условия проек-
тирования дорог не ставят ника-
ких ограничений для малых и
средних мостов и труб под насы-
пями, подчиняя их расположение
требованиям плавности трассы и
допуская их устройство при лю-
бых сочетаниях элементов плана
и профиля. При косом пересече-
нии лога трубы целесообразно
располагать по оси лога под уг-
лом к трассе. Если ось водотока и
ось долины непараллельны, реко-
мендуется проектировать спрям-
ление русла, что дает возмож-
ность вести все работы по пост-
ройке искусственного сооружения
в котловане, вырытом на сухом
месте.
Чем выше категория дороги,
тем более оправдан отказ от из-
менения трассы дороги ради пер-
194
пендикулярного пересечения водотока. Поэтому на современных
автомобильных дорогах высшей категории для обеспечения плавно-
сти трассы в холмистой и горной местностях широкое применение
находят большие мосты на кривых в плане и продольном профиле
(рис. 10 6), несмотря на неизбежное осложнение конструкции этих
сооружений и процесса строительства. Высокая стоимость совре-
менных автомобильных дорог и большие потери автомобильного
транспорта от перепробегов и снижения скорости при неудобных
въездах заставили рассматривать мосты, даже сравнительно боль-
ших пролетов, как элементы дороги, которые не должны выделять-
ся из ее общего направления и вносить какие-либо изменения в
режимы движения транспортного потока.
Конструкции мостов, строящихся на кривых, должны удовлетво-
рять всем требованиям к плану и поперечному профилю криволи-
нейных участков дороги в отношении устройства виражей, ушире-
ний, введения переходных кривых и т. п.
При пересечении больших водотоков постройка косого моста
значительно увеличивает стоимость мостового перехода и сопряже-
на с необходимостью устройства регуляционных сооружений Стои-
мость 1 м моста через большую реку во много раз больше стоимо-
сти 1 м дороги. Большой мост как капитальное инженерное соору-
жение необходимо строить на участке реки, наиболее удобном для
пропуска высоких вод. Это обеспечивает устойчивость и неразмы-
ваемость русла и позволяет удовлетворить требования судоходства.
Удобство перехода с большим мостом, с точки зрения требова-
ний автомобильного движения, обеспечивается главным образом
устройством плавных в плане и продольном профиле проходов
к мосту.
Выбор места перехода через большие водотоки обычно бывает
связан с неизбежным отклонением от воздушной линии и поэтому
место мостового перехода через большие реки следует рассматри-
вать как контрольную точку трассы (см. ч. 2, главы 18—21).
10.5. Преодоление подъемов и развитие линии на склонах
При преодолении речных долин и подъеме к седловинам через
невысокие гряды холмов встречаются участки, уклоны которых пре-
вышают предельно допустимые по техническим условиям. В таких
местах возможны два способа проложения трассы (рис. 10.7). Пер-
вый заключается в прямом подъеме по косогору предельным укло-
ном с устройством высокой насыпи внизу и глубокой выемки на-
верху. Второй — с отклонением от воздушной линии в сторону и
проходом по косогору с тем же уклоном, но при малых объемах
земляных работ. При этом происходит удлинение трассы. Пробег
автомобилей увеличивается, и экономия, полученная во время стро-
7
195
Рнс. 10.7. Варианты проложения трассы по косогору:
а — план; б — продольные профили
ительства дороги, с течением времени поглощается возросшими из-
держками на эксплуатацию автомобилей.
Для дорог низших категорий с одеждами переходных типов и
малой интенсивностью движения вариант проложения по склону
наиболее целесообразен. Наоборот, для дорог высоких категорий
преимущества, достигаемые от сокращения трассы, несомненны, и
к развитию линии прибегают только там, где глубина выемки или
высота насыпи становится недопустимой по техническим сообра-
жениям.
Совершенно неправильным должно считаться встречающееся
иногда на дорогах в слабохолмистой и пересеченной местности
преодоление склонов по кратчайшему расстоянию с использовани-
ем максимальных, а иногда допускаемых в исключительных слу-
чаях уклонов. Затяжные крутые подъемы трудно преодолимы для
тихоходных большегрузных автомобилей и автопоездов, а на участ-
ках спусков при скользкой поверхности покрытия часто возникают
аварии автомобилей, развивших слишком большие скорости. Одни
такой участок на дороге с высокими техническими параметрами рез-
ко ухудшает ее транспортные качества.
При необходимости преодоления на коротком протяжении боль-
шой разности отметок приходится прибегать к искусственному раз-
витию линии по склону. Необходимая длина трассы на косогорном
участке
L = Н Л доп» z
где Я—преодолеваемая разность отметок, м; 1ДОц— допускаемый продоль-
ный уклон, выраженный в десятичных дробях.
На косогорах и участках со сложным рельефом, где при про-
ложении дороги необходимо выдержать заданный уклон, направ-
ление трассы предварительно намечают по крупномасштабным пла-
нам в горизонталях. Зону проложения вариантов трассы выбирают,
учитывая наличие высотных и плановых препятствий и анализи-
руя инженерно-геологические условия местности, в первую очередь
опасность оползней.
Точное место проложения трассы на плане в горизонталях оп-
ределяют последовательными засечками циркулем расстояний меж-
ду смежными горизонталями, соответствующих продольному ук-
лону, принятому при трассировании. При сечении горизонталей че-
рез h (в метрах) и принятом продольном уклоне i (в тысячных)
расстояние между смежными горизонталями должно составлять
t-h/i (метров).
Положение линии заданного уклона находят, последовательно
откладывая циркулем отрезок I между горизонталями (рис. 10.8).
При этом максимально стремятся выдержать заранее намеченное
направление трассы. Получаемую ломаную линию спрямляют на
отдельных участках, вписывая в образующиеся углы круговые и
переходные кривые, пользуясь для этого вырезанными в масшта-
197
Рис. 10.8. Прием трассирования дороги заданным уклоном по плану в горизон-
талях:
1 — линия заданного уклона; 2 трасса, спрямляющая линию заданного уклона
бе карты прозрачными шаблонами» или на ЭВМ, вводя в н£е ко-
ординаты засечек на горизонталях и используя программы для впи-
сывания клотоид или сплайнов. Так как первоначально намеченная
ломаная линия равных уклонов при этом спрямляется и уклон воз-
растает, при трассировании принимают уклон на 10—^5%о меньше
заданного.
Трасса, проложенная по косогору, часто меняет свое направле-
ние. Положение вершин углов поворота определяется в основном
рельефом местности, но зависит также и от необходимости разме-
щения смежных кривых в плане. Поэтому в процессе трассирова-
ния по плану в горизонталях необходимо все время проверять воз-
можность размещения переходных кривых и отгонов виражей.
Наиболее характерные случаи сочетания смежных кривых пока-
заны на рис. 10.9.
Рис. 10.9. Расположение смежных кривых:
а — обратные кривые; б — непосредственное сопряжение односторонних круговых кривых
прн одинаковых уклонах виража; в — односторонние кривые прн разных уклонах виражей
(пунктиром показано более удачное решение с заменой двух углов одним углом поворота);
г — замена круговой кривой малого радиуса непосредственно сопрягающимися в точке А
переходными кривыми
198
10.6. Проложение трассы дороги вблизи
от населенных пунктов
Обслуживание автомобильными дорогами как местных, так и
транзитных перевозок вызывает необходимость связи этих дорог
с промежуточными населенными пунктами. При этом возникают
задачи пропуска транзитного движения и обеспечения удобной свя-
зи дороги с разными районами города.
Вопрос о проложении трассы дорог I—III категорий вблизи на-
селенных пунктов всегда лучше решать в пользу обхода с устрой-
ством подъездного пути. Пропуск транзитного движения через на-
селенный пункт затрудняет местное уличное движение. Дорога с
интенсивным движением разрезает населенный пункт на изолиро-
ванные части, затрудняя его хозяйственную жизнь. Возрастает
опасность дорожно-транспортных происшествий с пешеходами, уси-
ливается уличный шум и увеличивается загрязнение воздуха отра-
ботавшими газами автомобильных двигателей. Скорость автомоби-
лей, следующих транзитом, в пределах населенного пункта значи-
тельно снижается; содержание дороги, особенно снегоочистка, за-
трудняется.
Дороги I—III категорий следует, как правило, прокладывать
в обход населенных пунктов с устройством подъезда к ним. Рассто-
яние от дороги до линии застройки по генеральному плану раз-
вития населенного пункта должно быть не менее 200 м.
Постройку в пределах населенного пункта дороги с преимущест-
венно транзитным движением всегда необходимо рассматривать как
временное мероприятие. Одновременно следует предусмотреть ва-
риант обхода города транзитным движением, который должен бьгп»
осуществлен при возрастании интенсивности движения.
Города с населением в несколько сотен тысяч человек обычно
являются узлами пересечения нескольких, магистралей. Наряду с
проблемой пропуска транзитного движения, минуя городскую чер-
ту, в больших населенных пунктах возникает не менее сложный
вопрос о вводе в город потоков интенсивного движения из приго-
родов. Относительная роль транзитного движения тем меньше, чем
больше население города. Обобщение данных наблюдений, прове-
денных в ряде стран, приводит к следующей зависимости доли тран-
зитных автомобилей в общем потоке движения NTP (в % от чис-
ленности жителей в населенных пунктах :
tfTp==115-181gl7.
I
При вводе трассы в крупный населенный пункт в зависимости
от его планировки, начертания существующей транспортной сети,
расположения промышленных предприятий, административно-по-
литических и культурно-хозяйственных соображений возможны пе-
ресечения по главным улицам, пересечения с проходом по окраинам
199
и примыкание по касательной к границам планировочной террито-
рии. Для городов с населением до 300—500 тыс. чел. наиболее це-
лесообразно последнее решение, сочетающее удобство сообщения
с городом с устранением неудобств для жителей от транзитного
движения.
В населенных пунктах, являющихся транспортными узлами, в
которых пересекается несколько автомобильных дорог, для устра-
нения транзитного движения устраивают обходные (кольцевые) до-
роги. Трассу кольцевой дороги обычно прокладывают в непосред-
ственной близости от границ городской планировочной территории.
В этом случае кольцевые дороги не только улучшают условия тран-
зитного движения, но и облегчают внутригородские перевозки меж-
ду окраинами города, разгружая его центральные районы и отвле-
кая с радиальных магистралей города приблизительно 2/3 перевозок
с длиной пробега около четверти длины кольца. Кольцевая дорога
соединяется с городской уличной сетью выходящими из города ав-
томобильными магистралями.
По этому принципу запроектирована кольцевая автомобильная
дорога вокруг Москвы.
В больших городах, а также в промышленных застроенных рай-
онах, включающих комплексы жилых зданий и заводских соору-
жений, которые отстоят на 10—20 км от центральных кварталов го-
рода, перевозки пассажиров и грузов сопряжены со значительными
затратами времени. Для улучшения связи центральных районов
с окраинами в ряде городов США и Японии построены магистраль-
ные городские дороги (скоростные вводы), на которых транспорт-
ные потоки, поступающие с примыкающих к городу автомобиль-
ных магистралей, а также следующие из одного района в другой
или из окраин к центру, изолируют от местного внутригородского
движения. На иих возможно безостановочное движение со скоро-
стями, составляющими обычно из-за трудности проложения трас-
сы в городских условиях 60—80 км/ч. Эти городские автомобиль-
ные магистрали прокладывают по эстакадам над улицами и
вдоль рек, в выемках, тоннелях и по осушенным руслам рек
(рис. 10.10).
. Стоимость их очень высока, а строительство связано со сносом
значительного количества строений и созданием сложных инженер-
ных сооружений для развязки движения в разных уровнях.
Генеральный план развития Москвы предусматривает создание
системы городских дорог большой пропускной способности, входя-
щих в единую систему городских улиц и транспортных магистра-
лей. В ней исторически сложившаяся радиально-кольцевая уличная
сеть будет сочетаться с системой городских скоростных дорог, про-
кладываемых по хордовым направлениям примерно в 5 км от цент-
ра города, которые будут проходить по полосам отвода железных
дорог, в тоннелях и выемках большой глубины.
200
Рис. 10.10. Конструктивные решения скоростных городских дорог:
° - 7
Г лава 11
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ
11.1. Нанесение проектной линии
При проектировании дороги необходимо предусмотреть продоль-
ные уклоны на ней, не превышающие допускаемые, возвышение ее
поверхности над источниками увлажнения (грунтовыми водами и
местами застоя поверхностных вод), необходимое для создания бла-
гоприятного водно-теплового режима грунтового основания, а так-
же возвышение земляного полотна над уровнем снегового покрова,
обеспечивающее незаиосимость дороги снегом.
Установление положения поверхности дороги в продольном про-
филе по отношению к поверхности земли называют проектировани-
ем продольного профиля, или нанесением проектной линии.
При нанесении проектной линии необходимо обеспечить:
плавность продольного профиля, допустимый продольный уклон,
достаточную видимость, позволяющие автомобилям развивать вы-
сокие скорости; ч
отвод воды от земляного полотна;
отсутствие пилообразности проектной линии, приводящей к
«потерянным подъемам» — спускам с последующим подъемом участ-
ков, при проезде которых двигатели автомобилей выполняют бес-
полезную работу;
прохождение дороги через контрольные точки, имеющие высот-
ные отметки — примыкания к существующим дорогам в начале и
конце трассы, пересечения с дорогами более высоких категорий и
с железными дорогами, отметки проезжей части мостов, отметки
земляного полотна над уровнем высоких вод в затопляемых мест-
ностях идр. 1
Возможны два метода проложения проектной линии: “обертыва-
ющая и секущая проектировки (рис. 11.1).
При обертывающей проектировке проектная линия по возмож-
ности параллельна поверхности земли, отступая от этого правила
Рис. 11.1. Проложение проектной линии:
/ — по обертывающей; 2 — по секущей
202
лишь на пересечениях пониженных мест рельефа и при близком
расположении переломов продольного профиля поверхности земли.
В условиях равнинного и слабохолмистого рельефов обертывающая
проектировка позволяет получить хорошо осушаемое земляное по-
лотно.
В условиях холмистого, сильно пересеченного рельефа при про-
ектировании проектной линии как обертывающей продольный про-
филь дороги получается неспокойным (/ и h на рис. 11.1), Движе-
ние автомобиля по дороге превращается в непрерывное преодоле-
ние подъемов с последующим спуском в долины и сопряжено с пе-
рерасходом топлива и снижением скорости перевозок.
В этом случае при интенсивном движении и благоприятных грун-
тово-геологических условиях более рациональна проектная линия,
нанесенная как секущая (2 и 1'2 на рис. 11.1) со срезкой холмов
выемками и использованием грунта из них для отсыпки насыпей
в пониженных местах. Положение проектной линии должно по воз-
можности обеспечивать баланс земляных работ в смежных насы-
пях и выемках, т. е. использование продольного перемещения грун-
та из выемок для отсыпки насыпей. Такое проложение проектной
линии наиболее характерно для железных дорог и автомобильных
дорог высоких категорий.
Обертывающая проектировка раньше обычно сочеталась с воз-
ведением насыпей из придорожных резервов, что позволяло умень-
шить стоимость земляных работ из-за малой дальности перемеще-
ния грунта. В настоящее время при ограничении отвода пахотных
земель под дороги такой способ, как правило, невозможен, и зем-
ляное полотно возводят из грунта, перевозимого на большие рас-
стояния из специально закладываемых на неудобных землях грун-
товых карьеров.
11.2. Последовательность проектирования
продольного профиля
Нанесение проектной линии на продольном профиле трассы на-
чинают с обозначения контрольных высотных точек и установления
необходимых возвышений низа дорожной одежды на разных участ-
ках в зависимости от грунтовых и гидрологических условий. Пос-
ле этого намечают начерно положение проектной линии, пользуясь
вычерченными в масштабе продольного профиля шаблонами, кото-
рые показывают наклон на профиле линий, имеющих различные
продольные уклоны, и вертикальные кривые разных радиусов. При
проложении проектной линии по секущей следует стремиться к
компенсации объемов смежных насыпей и выемок. Так как при рав-
ных значениях рабочих отметок поперечное сечение выемки полу-
чается большим, чем сечение насыпи, необходимо располагать про-
203
ектную линию таким образом, чтобы площадь участков выемок
на продольном прюфиле была на 25—30% меньше площади на*
сыпей.
Рабочие отметки не должны превышать более чем на 20—30 см
минимальные отметки, требуемые по местным грунтовым и гидроло-
гическим условиям.
Намечая положение проектной линии, следует избегать частых
ее переломов, соответствующих микрорельефу местности. Особен-
но нежелательны участки с частой сменой подъемов и спусков (пи-
лообразный продольный профиль). Вместе с тем не следует искус-
ственно вводить длинные участки с постоянным уклоном, для уст-
ройства которых потребовалось бы выполнение излишних земля-
ных работ. Более целесообразно в таких местах прокладывать про-
ектную линию в виде обертывающих вертикальных кривых весьма
больших радиусов (100 000—200 000 м), параллельных естествен-
ной поверхности земли.
Для окончательного нанесения проектной линии в настоящее
время наибольшее распространение получил метод проектирования
продольного профиля вертикальными кривыми, сопрягающи-
мися непосредственно друг с другом или при помощи прямых
вставок. • '
Заслуга внедрения этого метода в СССР принадлежит Н. М. Ан-
тонову. Реже используют метод нанесения пректной линии сопряга-
ющимися прямыми участками проектной линии с последующим
вписыванием в их переломы вертикальных кривых и вычислением
поправок к рабочим отметкам, найденным по тангенсам. Первый
метод более удобен для сильно пересеченного холмистого рельефа,
когда на большей части своей протяженности дорога состоит из
сопрягающихся вертикальных кривых, второй — для равнинного
рельефа, когда переломы проектной линии редки.
204
1
Рис. 11.3. Шаблон для прямолинейных участков продольного профиля («тре-
угольник уклонов»):
1 — рабочая сторона треугольника; 2 — лучи-уклоны; 3 — вертикальная шкала
При проектировании проектной линии вертикальными кривыми
на вычерченный иа миллиметровой бумаге профиль местности на-
кладывают прозрачные шаблоны вертикальных кривых разных ра-
диусов, вырезанные в масштабах продольного профиля (1 : 5000 и
1:500 в равнинной местности и 1: 2000 и 1:200 в горной местности).
По периметру шаблона (рис. 11.2) штрихами отмечены точки, соот-
ветствующие местам касания прямых, имеющих различные укло-
ны, равные целому числу тысячных. Для правильного ориентиро-
вания при работе на миллиметровой бумаге на шаблонах имеются
также горизонтальные и вертикальные линии. Участки проектной
линии в виде прямых намечают при помощи треугольника уклонов
(рис. 11.3), на котором для учета различия в вертикальном и гори-
зонтальном масштабах продольных профилей с 10-кратным увели-
чением нанесены линии, имеющие различные уклоны.
В намеченную начерно от руки проектную линию вписывают вер-
тикальные кривые, подбирая радиусы кривых и продольные уклоны
таким образом, чтобы найти положение наиболее плавной проект-
ной линии, не требующей излишних земляных работ. В сложных
случаях намечают несколько вариантов, из которых путем срав-
нения выбирают наилучший.
Второй этап проектирования заключается в точной взаимной
увязке концов элементов проектной линии — определении коорди-
нат вершин всех вертикальных кривых, точек сопряжения смежных
криволинейных и прямолинейных участков, уклонов, прямых, со-
прягающих вертикальные кривые, и др. Расчеты ведут, последова-
205
Рис. Г! .4. Задачи, решаемые при нанесении проектной линии с постоянным укло-
ном:
а — определение места выхода на поверхность линии, имеющей заданный продольный
уклон; б — нахождение точки перевода из выемки' в насыпь иа прямом участке продоль-
ного профйля; в — то же иа участке вертикальной кривой; / — линия продольного профиля;
2 — линия поверхности земли
тельно переходя от одного элемента к другому, используя вспомо-
гательные таблицы ’.
В сложных условиях рельефа при чередующихся больших вы-
емках и насыпях для нахождения лучшего положения проектной
линии сравнивают несколько вариантов «цепей» из нескольких вза-
имно сопрягающихся элементов.
При проектировании бея шаблонов прямыми участками, наме-
тив начерно положение проектной линии, вычисляют проектные от-
метки на переломах продольного профиля и уточняют уклоны, из-
меняя рабочие отметки таким образом, чтобы уклон проектной ли-
нии выражался в целых тысячных. Увязав уклоны и отметки на
переломах проектной линии, определяют промежуточные проектные
и рабочие отметки и вписывают вертикальные кривые^ Если полу-
чающиеся рабочие отметки неударны и, например, в промежуточ-
ных точках не соблюдается необходимое возвышение низа дорож-
ной одежды над уровнем источников увлажнения или дорога на
значительной протяженности проходит в мелкой выемке, изменяют
продольный уклон и начальные рабочие отметки.
В процессе нанесения проектной линии приходится решать сле-
дующие частные задачи.
1. Определять место выхода на поверхность проектной линии,
имеющей заданный продольный уклон i (рис. 11.4, а).
Вначале вычисляют продольный уклон io поверхности грунта на
. участке, где, судя по продольному профилю, проектная линия вы-
ходит на поверхность. Затем находят фиктивную отметку Л на про-
должении этого уклона в точке А, откуда начинается подъем. При-
бавляя к этой отметке требуемое возвышение низа дорожной одеж-
1 Проектирование и разбивка вертикальных кривых на автомобильных до-
рогах/Н. М. Антонов, Н. А. Боровков, Н. Н. Бычков, Ю. Н. Фриц. М.: Транс-
порт, 1968. 200 с.
206
ды в наиболее низком месте ее поперечного профиля в точке В оп-
ределяют протяженность участка с подъемом:
2. Находить точки перехода из выемки в насыпь (рис. 11.4, б).
Расстояние I от начала участка, на котором проектная линия
переходит из выемки в насыпь (или наоборот), определяют из по-
добия треугольников АВО и OCD:
Я2 Нл /11ПЧ
где H2t Bi — рабочие отметки в начале и конце участка, м; L — протяжен-
ность участка, в пределах которого проектная линия и поверхность земли имеют
постоянные уклоны, м.
Из формулы (11.2) получаем ,
(11.3)
При нанесении линии по вертикальной кривой точка пересече-
ния с поверхностью земли (рис. 11.4, в) может быть найдена путем
совместного решения уравнения вертикальной кривой y=1?!2R и
уравнения линии поверхности земли в продольном профиле j/=a—
—hl (где io — уклон поверхности земли). Отсюда получаем иско-
мую зависимость
t = Ao ± XЯ2«о - 2Ra. (11.4)
Развитие счетно-вычислительной техники создало возможность
проектирования продольного профиля автомобильных дорог на
электронных вычислительных машинах. Проектные организации
ведут проектирование продольного профиля, используя программы,
позволяющие определять на ЭВМ положение проектной линии,
удовлетворяющее заданному критерию оптимальности (минимуму
земляных работ/ наибольшей средней скорости расчетного автомо-
биля и др.) при удовлетворении нормативных требований Строи-
тельных норм и правил. Машинам задается профиль поверхности
земли, отметки строго фиксированных точек (пересечение с же-
лёзиыми дорогами), точек, у которых фиксирована отметка, кото-
рая может быть только увеличена (проезжая часть мостов) или
уменьшена (проезжая часть под путепроводами). Машины выда-
ют отметки проектной линии, удовлетворяющие заданным требо-
ваниям к ее элементам — радиусам вертикальных кривых, продоль-
ным уклонам и др. В этом, случае творческая роль проектировщи-
ка сводится к первоначальной наметке очертания продольного про-
филя, оптимизация которого выполняется машиной по заданному
критерию.
207
11.3. Назначение контрольных точек
при нанесении проектной линии
Отметки проектной линии над контрольными высотными точка-
ми должны быть назначены до начала проектирования продольно-
го профиля. Возвышения поверхности дорожного покрытия в наи-
более низком месте поперечного профиля в местах длительных за-
стоев поверхностной воды и высокого уровня грунтовых вод назна-
чают согласно п. 7.7.
В открытых местах, где возможны значительные снежные за-
носы, для облегчения зимнего содержания при эксплуатации доро-
ги, рекомендуется принимать возвышение бровки земляного полот-
на на 0,4—1,2 м выше поверхности снегового покрова (см. п. 7.7).
Наиболее сложно назначать отметки и наносить проектную ли-
нию на участках у искусственных сооружений. Положение проект-
ной линии должно обеспечивать незатопляемость подходов, а так-
же возвышение низа пролетного строения над поверхностью воды,
необходимое для беспрепятственной работы сооружения в период
пропуска высоких вод.
Возвышение искусственного сооружения над пониженным мес-
том русла слагается из суммы следующих величин:
глубины протекающей воды у с учетом подпора у входа в со-
оружение;
просвета между уровнем подпертой воды и низом пролетного
строения 2; у малых искусственных сооружений просвет должен
обеспечивать безопасный пропуск плывущих предметов и неподтоп-
ление пролетного строения при паводках, уровень которых превы-
шает расчетный, а на судоходных реках — пропуск судов;
высоты пролетного строения, а для труб — также и толщины
грунтовой засыпки над трубой вместе с толщиной стенки трубы.
На поймах высоту насыпи назначают исходя из расположения
подпертого уровня. На больших реках, где при паводках залива-
ются большие пространства и возможно образование волн, отметку
бровки насыпи следует назначать из расчета возвышения над уров-
нем волны (см. ч. 2, п. 21.2).
Насыпи на подходах проектируют на паводки с более редкой
повторяемостью, чем повторяемость расчетного паводка, что объяс-
няется тем, что мосты менее долговечны, чем насыпи на подходах.
На дорогах IV и V категорий допускается проектировать затопля-
емые насыпи, которые должны быть при этом тщательно укрепле-
ны во избежание размыва.
При проектировании малых и средних искусственных сооруже-
ний для обеспечения плавности проектной линии используют сде-
дующие приемы.
1. Расположение моста на продольном уклоне (рис. 11.5, а).
Если тип покрытия на мосту такой же, как и на подходах, то мак-
симальный продольный уклон моста должен быть таким же, как и
208
Рнс. 11.5. Примеры нанесения проектной линии у малых мостов
на подходах. При устройстве деревянных настилов продольный ук-
лон проезжей части моста не должен превышать 20%о при продоль-
ной укладке досок и 30%о при поперечной. Малые мосты, располо-
женные иа участках с большими продольными уклонами, иногда
смещают к одному из берегов долины, устраивая искусственное рус-
ло водотока. Участок с продольным уклоном, на котором распо-
ложен мост, должен быть продолжен на некоторое расстояние по
обе стороны моста.
2. Расположение моста на вертикальной кривой, позволяющее
устранить переломы проектной линии около моста, неизбежные при
устройстве моста на горизонтальной площадке (рис. 11.5, б).
3. Углубление русла под мостом. Необходимость в таком реше-
нии появляется при пересечении слабо выраженных тальвегов в
равнинной местности, в которых бытовая глубина протекания воды
не превышает 20—30 см. Весь расход или большая его часть про-
пускается под мостом в канаве. Для углубления русла необходи-
мо, чтобы уклон у лога давал возможность придать канаве такой
209
Рис. 11.6. Примеры нанесения проектной линии над трубами
продольный уклон, при котором русло не заиливалось бы, а кана-
ву можно было бы вывести на поверхность вблизи моста.
4. Снижение рабочей отметки искусственных сооружений. Это
решение достигается увеличением отверстия моста, что обеспечива-
ет уменьшение расчетной скорости и глубины протекания воды, а
также высоты подпертого горизонта, или заменой одной трубы боль-
шого диаметра несколькими меньшими трубами, имеющими равную
суммарную пропускную способность.
При проектировании насыпей на переходах через узкие и глу-
бокие овраги рабочая отметка в месте устройства искусственного
сооружения, определяемая по соображениям равенства объемов1
насыпей и выемок, обычно оказывается больше, чем минимальная
высота насыпи, необходимая из условия пропуска высоких вод.
Поскольку высокие мосты устраивают с конусами и длина их по
иастилу значительно возрастает с увеличением высоты, на пере-
ходах через узкие и глубокие овраги наиболее целесообразно ук-
ладывать трубы, если отсутствует опасность их закупоривания се-
левыми выносами или предметами, приносимыми ливневым стоком
(рис. 11.6). ' . \
На пересечениях через большие судоходные реки возвышение
проезжей части моста над подходами неизбежно, так как иначе на- ;
сыпи получились бы очень высокими. В этом случае проектная ли-
ния должна обеспечивать плавность въезда на мост. Для этого
уклон подходов к мосту принимают не более 30%, а между концом
подъема и началом моста вводят горизонтальную площадку, доста- '
точную для размещения тангенсов вертикальных кривых. На боль-
210
ших мостах с пойменными пролетами дополнительное возвыше-
ние, необходимое для судоходной части, может быть достигнуто
устройством пойменных пролетов на продольном уклоне.
Положение проектной линии должно обеспечивать также непре-
рывность продольного отвода воды по боковым канавам и резер-
вам. На всей протяженности каждого участка канавы — от водо-
раздела до выхода к искусственному сооружению или до места сбро-
са воды из каиав — необходимо, чтобы уклон канавы был направ-
лен в одну сторону. Он должен быть достаточен для свободного
стока воды без застоев. Для этого дорожным канавам, зарастаю-
щим травой и работающим лишь периодически, следует придавать-
уклон не менее 5%о. Только в исключительных случаях, при осо-
бенно трудных для водоотвода равнинных условиях, допускается
снижение продольного уклона до 3%о. Необходимо использовать,
каждую возможность отвода воды из канав в пониженные места
в сторону от дороги, устраивая в соответствующих местах отвод-
ные русла с уклоном не менее 2%о.
На отдельных коротких горизонтальных площадках, главным
образом на водоразделах, для отвода воды можно предусматривать
углубленные боковые канавы, не параллельные бровке дороги и
имеющие минимальный уклон, необходимый для стока воды. По
мере удаления от водораздела глубина канав увеличивается. По-
этому следует избегать дополнительного углубления канав более
чем на 0,6 м сверх их нормальной глубины, принятой по грунтовым
и гидрологическим условиям, так как даже при заложении откосов
1:1,5 канава глубиной 1—1,2 м имеет ширину поверху 3,5—4,0 м.
При поперечном уклоне местности во избежание переполне-
ния верховой придорожной канавы в пониженных местах продоль-
, кого профиля периодически устанавливают безрасчетные трубы для
перепуска воды из верховой канавы в низовую. Желательно, что-
бы отвод воды от боковых канав в сторону или в искусственное
сооружение осуществлялся не реже чем через 500 м.
11.4. Объемы насыпей и выемок
Для составления проекта организации работ, выбора типов до-
рожных машин и оценки стоимости строительства должны быть оп-
ределены объемы земляных работ, которые требуется выполнить
при возведении земляного полотна на отдельных участках и дороге
в целом. Объемы земляных работ подсчитывают на основании вы-
писанных на продольном профиле рабочих отметок.
Короткий участок насыпи между двумя смежными переломам!
продольного профиля при отсутствии поперечного уклона местно-
сти может рассматриваться как правильное геометрическое тело —
призматоид с трапецеидальными основаниями (рис. 11.7).
211
Рис. 11.7. Схема к определению объ-
емов насыпей и выемок при горизон-
тальной поверхности грунта
Рис. 11.8. Различие в объемах насы-
пей и выемок при одинаковых рабо-
чих отметках
Для определения объема призматоида выделим вертикальный
элементарный слой толщиной dl на расстоянии I от одного из кон-
цов. Рабочая отметка в этом месте равна h.
Объем элементарного слоя
dV = Fdl = (В + mh) hdl, (11.5)
где В — ширина земляного полотна поверху; т — коэффициент заложения
откосов.
Полный объем призматоида
L
7пр = J(B + mh) hdl.
. о
(11.6)
Высота насыпи в рассматриваемой точке
Л = Я!
Hi-Ht
L
I,
где L — длина призматоида.
Подстановка в уравнение (11.6) значения h й его интегрирова-
ние в пределах от 0 до L приводят к довольно громоздкому мно-
гочлену. Преобразование его с учетом, что площади концевых се-
чений составляют:
Fl = (В 4- тН\) Н\ и F2 = (В 4- mHi)H2,
(11.7)
дает выражение
т (Hi - Н2у
Если обозначить площадь сечения в середине призматоида че-
рез Fcv—(B-{-mHc9)HcV (где Яср = (Я,1+Я2)/2). то выражение при-
водится к виду
' <Н.8>
212
В выражениях (11.7) и (11.8)
вторые члены малы по сравнению
с первыми членами. Поэтому их
необходимо учитывать лишь при
разнице отметок Н\ и Нз более
1 м. При меньшей разнице смеж-
ных отметок для определения зем-
ляных работ можно использовать
упрощенные выражения:
Vnp —
Рис. 11.9. Неучитываемые объемы
при подсчете земляных работ на
(11.9) участках вертикальных кривых:
1 ~ неучитываемая площадь в продольном
(11.10) профиле; 2 — неучитываемая площадь в
поперечном сечении
Первое из них дает несколько завышенное, а второе — зани-
женное значение объемов земляных работ. Уравнения (11.9) и
(11.10) одинаково пригодны для определения объемов насыпей и
выемок.
Однако при равных рабочих отметках и равной ширине проез-
жих частей и обочин объемы выемок больше объемов насыпей
за счет дополнительного объема, связанного с наличием боковых
канав (рис. 11.8).
Рассмотренные формулы относятся к прямым участкам дороги
в плане и профиле.
При современных методах трассирования дорог клотоидными
кривыми в плане и вертикальными кривыми в продольном профи-
ле (см. п. 12.4) ось дороги является криволинейной.
Кривизна дороги в плане в равнинной местности не отражается
на объемах земляных работ. Согласно теореме Гюльдена объем те-
ла вращения равен произведению площади его сечения на длину
траектории центра тяжести.
При отсутствии поперечного уклона местности центр тяжести
земляного полотна расположен на его оси, по которой ведется из-
мерение длины трассы.
В связи с плавностью изменения радиусов кривизны клотоид
больших параметров можно считать, что кривизна остается посто-
янной в пределах коротких участков, для которых ведется подсчет
земляных работ.
Кривизна в продольном профиле требует учета (рис. 11.9). Ее
игнорирование при большой длине участка между сечениями мо-
жет вносить существенные погрешности.
Пока еще не разработаны удобные таблицы для введения попра-
вок.
Поэтому в местах, где кривизна может вносить существенные
искажения в результаты расчетов, целесообразно принимать длины
участков, не превышающие 50 м.
213
11.5. Подсчет объемов земляных работ
Для подсчетов объемов земляных работ проектные организации
используют специальные таблицы1, составленные для различной
ширины земляного полотна по уравнению (11.10). Обычно в таб-
лицах приводятся значения объемов земляного полотна для раз-
ных значений суммы рабочих отметок #i+#2 при разной длине
участка L, Для удобства подсчетов объем боковых канав вклю-
чают в объем выемок. При подсчете насыпей объем боковых канав
учитывают дополнительно по специальным таблицам.
В настоящее время подсчет объемов земляных работ в проектных
организациях ведут на ЭВМ, дающих возможность ускорить рас-
четы и избежать ошибок, частых при ручном подсчете.
Поперечный уклон местности менее 100%о мало влияет на объем
работ и при подсчете не принимается во внимание. На косогорных
участках земляные работы определяют по уравнению (11.9). Для
подсчета должны быть вычерчены поперечные профили земляного
полотна в характерных точках (рис. 11.10). Площади выемок и на-
сыпной части измеряют обводкой планиметром или путем разбивки
сложного сечения на простейшие фигуры.
Мосты длиной по настилу менее 4 м и трубы при подсчете объе-
мов земляных работ для упрощения не учитывают, т. е. считают
их как бы заполненными землей.
Для более точного учета объема земляных работ, которые не-
обходимо выполнить при постройке дороги, к объемам, вычислен-
ным по формулам, необходимо вводить поправки, учитывающие:
влияние разности смежных отметок, если она превышает 1 м; до-
полнительные объемы земляных работ по удалению растительного
грунта, по отсыпке конусов у искусственных сооружений; объемы,
занимаемые в готовой дороге дорожной одеждой (так называемую
Рис. 11.10. Поперечные профили зем-
ляного полотна на косогоре
поправку на устройство дорож-
ной одежды); различие в сте-
пени уплотнения грунта в усло-
виях естественного залегания
и в насыпях после искусствен-
ного уплотнения; просадки на-
сыпей в слабые основания
(торф, рыхлые грунты). Кроме
того, на дополнительные и не
учтенные в проекте работы вво-
дят поправочный коэффициент
1,05—1,10 на общий объем зем-
ляных работ.
1 М ит ин Н. А. Таблицы для
подсчета объемов земляного полотна
автомобильных дорог. М.; Транспорт,
1977.
214
S)
Рис. 11.11. Схема к Учету поправки на устройство дорожной одежды:
а — з насыпях присыпаются обочины; б — в выемках отрывается корыто
При введении поправки на устройство дорожной одежды учи-
тывают способы отсыпки обочин. Эту поправку при подсчете объе-
мов насыпи вводят с отрицательным знаком, так как земляные ра-
боты уменьшаются <на объем, занимаемый дорожной одеждой
(рис. 11.11, а). В выемках поправка яа устройство дорожной одеж-
ды, наоборот, увеличивает объем земляных работ, поэтому вво-
дится с положительным знаком (рис. 11.11, б).
Введение поправок на искусственное .уплотнение грунта в на-
сыпях связано с тем, что требуемая плотность грунта в земляном
полотне, обеспечивающая его прочность и устойчивость, должна
быть больше плотности грунта в условиях естественного залегания.
Поэтому объемы насыпей, как правило, меньше объемов тех резер-
вов, из которых'их отсыпают. Значение поправочного коэффициен-
та может быть установлено путем сопоставления плотности грунта
в условиях естественного залегания с плотностью грунта, которую
необходимо обеспечить в земляном полотне.
Просадки насыпей на участках, расположенных на слабых,
уплотняющихся под насыпью или выжимаемых из-под нее грунтах,
вычисляют прн помощи методов, изложенных в разделе об устой-
чивости земляного полотна.
Если грунты на отдельных участках дороги или даже в преде-
лах одного поперечного .профиля различны по трудности разра-
ботки, объемы земляных работ подсчитывают отдельно для каждой
категории грунта.
Это же относится к участкам с неблагоприятными грунтовыми
и гидрологическими условиями, где верхнюю часть земляного по-
лотна отсыпают из привозных песчаных грунтов.
11.6. Установление дальности возки грунта
В условиях пересеченного рельефа при чередующихся насыпях
и выемках земляное полотно можно возводить несколькими мето-
дами: отсыпать насыпи из грунта, получаемого при разработке вые-
мок (продольная возка); брать грунт для насыпей из расположен-
ных в стороне карьеров или в резервах, а грунт из выемок отвозить
в сторону — в понижения местности или в отвалы (поперечная
возка).
215
Рис. 11.12. Построение графика распределения земляных масс:
а — продольный профиль; б — график распределения земляных масс
Для каждого конкретного случая наиболее выгоден тот метод,,
который -связан с меньшим занятием ценных земель, меньшим объ-
емом транспортных работ и наиболее эффективным использованием
землеройных машин. Вопрос о способе возки определяется местны-
ми хозяйственными и природными условиями, рельефом местности,,
наличием подъездных путей, грунтовыми и гидрологическими ус-
ловиями.
Возможность поперечной возки исключается на ценных земель-
ных угодьях, участках сильно засоленных грунтов, на пересечениях
болот и в пределах населенных пунктов. Продольную возку невоз-
можно применить, если разрабатываемый грунт в выемке непри-
годен для укладки в насыпь или на пути возки нет переправы че-
рез реки или болота.
При составлении проекта организации земляных работ для ус-
тановления участков смежных насыпей и выемок с равными объ-
емами и определения средних дальностей возки может быть при-
менен метод построения графика распределения земляных масс.
Его строят путем последовательного алгебраического суммирова-
ния по ходу трассы объемов насыпей и выемок по данным ведомо-
стей подсчета объемов земляных работ. Объемы выемок, служащие
источниками получения грунта, принимаются со знаком <+», а объ-
емы насыпей, для возведения которых расходуется этот грунт, — со
знаком «—». *
Последовательную сумму объемов откладывают по ординатам
против пикетов и промежуточных точек спрямленной трассы, слу-
жащей осью абсцисс (рис. 11.12).
216
Рис. 1.1.13. Схема к определению сред-
ней дальности возки
Кривые распределения земля-
ных масс имеют следующие осо-
бенности:
восходящие участки кривой со-
ответствуют выемкам, а нисходя-
щие—насыпям. Максимумы и
минимумы кривой располагаются
над точками перехода из выемки
в насыпь и наоборот;
любая ордината кривой пред-
ставляет собой алгебраическую
сумму насыпей и выемок от нача-
ла кривой до рассматриваемого
сечения;
разность двух ординат AV рав-
на объему земляных работ меж-
ду рассматриваемыми сечениями
AL на дороге;
всякая горизонтальная линия NM, пересекающая кривую объе-
мов, отсекает участок, на котором объем насыпи равен объему вы-
емки. Эта линия называется равнообъемной, или распределяющей;
средняя дальность возки грунта в пределах участка кривой, от-
секаемого распределяющей линией, равна частному от деления от-
сеченной площади на ее максимальную высоту LCp=u>/V.
Это свойство кривой может быть доказано следующим образом.
Выделим на продольном профиле — на участке выемки — элемен-
тарный объем dV, который согласно рис. 11.13 перемещен на рас-
стояние I в насыпь. Принимая упрощенно, что транспортные сред-
ства двигаются по прямой линии, находим, что работа, затраченная
на перемещение рассматриваемого объема грунта,
dU = fldV,
где f — сопротивление движению транспортных средств,
Произведение IdV изображается на кривой распределения за-
штрихованной элементарной полоской высотой dV и длиной /.
Суммарная работа перемещения грунта из всего участка выем-
ки в насыпь
v
U = f \ IdV ~ f<n. (11.11)
&
Интеграл выражает площадь со всей отсеченной части кривой.
Если же исходить из условной средней дальности возки грунта ZCp,
то работа перевозки составит
U = fVlC9, (11.12)
откуда, приравнивая два выражения для U, получаем
/ср = ш/У.
217
График распределения земляных масс в условиях пересеченного
рельефа может быть использован для выбора дорожных машин.
Зная среднюю дальность возки, при которой землеройная машина
используется наиболее эффективно, ее откладывают на кривой рас-
пределения земляных масс.
Данные анализа кривой распределения земляных масс следует
рассматривать лишь как ориентировочные, не отражающие пол-
ностью действительных условий перемещения грунта. Во-первых,,
при анализе кривой допускают, что грунт перемещают строго по
прямой линии между центрами тяжести перемещаемых объемов.
Между тем фактическая дальность возки с учетом разворотов, воз-
можности движения только по участкам не круче определенных
уклонов, влияния расположения въездов на насыпи может сущест-
венно превышать это расстояние. В зависимости от состояния по-
верхности грунта сопротивление движению может также сильно
меняться. Во-вторых, условия работы землеройных машин и транс-
портных средств, а также обеспечение водоотвода из выемок в про-
цессе работы могут препятствовать перемещению грунта из выемки
в насыпь, если выемка расположена ниже по уклону дороги по от-
ношению к насыпи. При работе экскаваторов может оказаться по-
лезной проходка пионерной траншеи на всю длину выемки за пре-
делы рациональной дальности возки применяемых транспортных
средств.
Существенные коррективы в решения, найденные по графику
распределение земляных масс, может вносить также учет качества
грунтов, разрабатываемых в выемках и резервах.
Глава 12
УЧЕТ ТРЕБОВАНИЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ
И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ДОРОГ
* Л
12.1. Требования удобства и безопасности движения
при проектировании трассы дороги
Изложенные в главах 4 и 5 требования к элементам плана и
продольного профиля автомобильных дорог исходили из условий
движения по отдельным, рассматривавшимся изолированно от
смежных элементам дороги. Фактически каждая дорога является
сочетанием участков с различными элементами в плане и продоль-
ном профиле. Скорость на разных участках дороги не остается оди-
наковой, При изменении продольных уклонов на коротких участ-
ках автомобили не успевают развить скорость, соответствующую
расчету по динамическим характеристикам. Имеются места, где
скорость ограничивается правилами дорожного движения. НеДО-
218
пустимы участки/вызывающие необходимость снижения скорости
по условиям безопасности движения (места с ограниченной види-
мостью дороги перед автомобилем, сочетание крутых спусков с по-
воротами в плане и др.).
Рациональное сочетание между собой смежных участков дороги
не может быть правильно решено без учета особенностей восприя-
тия водителями условий движения по дороге.
Рассмотренные выше методы обоснования требований к элемен-
там плана и профиля автомобильных дорог относятся к наиболее
трудным участкам дороги и предусматривают напряженный режим
управления автомобилем при возникновении сложной обстановки —
полное использование тормозного усилия, минимальная продолжи-
тельность реакции водителя и т. д. Наблюдения за фактическими
скоростями движения автомобилей по дорогам показывают, что
большинство водителей предпочитают более спокойный режим дви-
жения со скоростями, меньшими, чем предусмотрены расчетом.
На дорогах, технические нормативы которых не удовлетворяют
их представлениям о необходимых условиях движения, водители
как бы корректируют решения проектировщиков, заезжая при про-
езде кривых малых радиусов на полосу встречного движения для
увеличения радиуса поворота или проезжая кривые со скоростями
ниже расчетных для уменьшения возникающей центробежной си-
лы. Этим они приводят траекторию автомобиля к удобным для
себя значениям коэффициента поперечной силы, скоростям нарас-
тания продольного и поперечного ускорений и т. д. Чтобы дорога
удовлетворяла требованиям удобства движения, ее элементы не
должны затруднять управление автомобилем, а направление трас-
сы должно быть совершенно ясным для водителей.
Водитель оценивает условия движения преимущественно по-
средством своего зрения. Дополнительными источниками инфор-
мации являются передающиеся на его организм ускорения при
проезде по кривым или неровным участкам дороги.
В процессе движения взгляд водителя скачкообразно перебра-
сывается с одного объекта на дороге и придорожной полосе на
другой, как бы выделяя опорные точки, вырисовывающие простран-
ственный коридор, по которому он ведет автомобиль (рис. 12.1). Та-
кими опорными точками для взгляда обычно являются края про-
езжей части и земляного полотна, параллельные дороге ряды
придорожных насаждений, продольный шов бетонного покрытия
и т. д.
При малых скоростях движения водитель имеет возможность
обозревать и прилегающую к дороге местность. При движении с
постепенно увеличивающейся скоростью водитель вынужден за пос-
тоянный промежуток времени охватывать все большее и большее
количество опорных точек. Между тем возможности каждого че-
ловека заметить, различить и оценить те или иные события ограни-
21$
Рис. 12.1. Перемещение взгляда водителя при проезде кривых в плайе на гор-
ных дорогах (по опытам В. П. Варлашкииа):
а — выпуклая кривая; б — вогнутая кривая; номера точек соответствуют последовательности
сосредоточения взгляда водителя; диаметры кружков — относительной его продолжитель-
ности
чены. Возрастание скорости приводит к тому, что взгляд водителя,
непроизвольно для него, охватывает все меньшую ширину придо-
рожной полосы и сосредоточивается на большем удалении от ав-
томобиля (рис. 12.2).
При малой интенсивности движения водители регулируют коли-
чество поступающей к иим информации непроизвольным измене-
нием скорости, снижая ее, если число факторов, которые необхо-
димо учесть при управлении автомобилем, возрастает. Наоборот,
в условиях однообразной местности (степь, однородная лесная про-
сека) поступающее к водителю количество информации иногда бы-
вает недостаточным для поддержания его активности. Это приво-
дит к возникновению своеобразного полусонного состояния, при ко-
тором внимательность водителей ослабевает, продолжительность
их реакции увеличивается и иногда самое незначительное неожи-
данное осложнение условий движения может стать причиной дорож-
но-транспортного происшествия.
Изменение условий проезда различных участков дороги немед-
ленно отражается на нервно-психическом состоянии и степени эмо-
циональной напряженности водителей.
На рис. 12.3 показан пример записи некоторых физиологичес-
ких показателей водителя при проезде кривой радиусом 250 м. Ско-
рость въезда превышала необходимую для спокойного и уверен-
ного проезда кривой. Возбуждение водителя проявилось в немед-
ленном повышении частоты пульса и в изменении электропровод-
ности кожи (кожно-гальванической реакции), характеризующей
эмоциональную напряженность. Притормаживание автомобиля и
снижение скорости до 40 км/ч привело к возвращению психофизи-
220
ологических показателей к их
первоначальным значениям, ха-
рактерным для спокойной уверен-
ной работы.
При проезде дороги с часто и
резко меняющимися параметрами
элементов трассы подобные вне-
запные возрастания эмоциональ-
ной напряженности повторяются
неоднократно (рис. 12.4). Внешне
они протекают незаметно. Одна-
ко, накапливаясь, эмоциональная
напряженность снижает способ-
ность водителей быстро реагиро-
вать на изменение обстановки
движения, следствием чего могут
быть ошибки, приводящие к до-
рожно-транспортным происшест-
виям. Отсюда вытекает требова-
ние предусматривать при трасси-
ровании такое сочетание элемен-
тов трассы между собой и с эле-
ментами окружающего ландшаф-
та, чтобы обеспечивалась . опти-
мальная эмоциональная напря-
женность водителей. Дорога не
должна быть ни монотонно одно-
образной, усыпляющей водителей,
ни резко изменяющейся по значе-
нию допустимых скоростей на
смежных элементах трассы. В ча-
стности, одной из причин сниже-
ния внимательности водителей яв-
ляются длинные прямые участки
дороги, которые в открытой рав-
нинной местности не должны пре-
вышать 1,5—4 км.
Наблюдения показали, что для
безопасности и удобства движе-
ния необходимо, чтобы изменения
скорости, обеспечиваемой геомет-
рическими элементами на смеж-
ных участках, не были велики.
Анализ данных статистики дорож-
но-транспортных происшетвий
показывает, что объективной ха-
рактеристикой условий движения
Рис. 12.2. Точки сосредоточения взгля-
да водителя при проезде по одному
участку дороги с разными скоростя-
ми (по опытам Е. М. Лобанова):
а — скорость 20 км/ч; б — скорость 80 км/ч;
а—-зоны, охватываемые взглядом (цифры
иа сетке координат характеризуют откло-
нения точек от взгляда водителя, направ-
ленного вдоль дороги, град)
Рис. 12.3. Осциллограмма, показы-
вающая изменение нервно-психиче-
ской напряженности водители при
проезде кривой малого радиуса:
1 — время; 2 — момент въезда на кривую;
3 — отметки момента проезда середины
кривой; 4 — частота пульса; 5—амплиту-
да кожно-га льванн ческой реакции; 6 —
скорость движения автомобиля
221
Кривые в плане
^Я-бОО,
УКЛОН, 7-
Неровность покрытия
Ограничение видимости
Расстояние, м
Рис. 12.4. Изменения нервно-психической напряженности водителя при проезде
по участку дороги с меняющимися параметрами элементов плана и профиля:
J — изменение кожио-гальваиической реакции (КГР); 2 — изменение коэффициента безопасно-
сти; 3 — неровное покрытие; ограничение видимости
является график коэффициентов безопасности Кбез, которые пред-
ставляют собой отношение удобной и безопасной скорости оДОп про-
езда по какому-либо участку дороги (кривая в плане, мост) к мак-
симально возможной скорости въезда на него с предшествующего
участка Увх (рис. 12.5),
Дорога может считаться удачно запроектированной, если зна-
ченья Кбез>0,8. Участки с Кбез<0,4 очень опасны для движения,
при ЛГбез=0,6--0,8 — относительно опасны. Проезд участков дорог с.
малыми значениями коэффициентов безопасности всегда сопровож-
дается повышением нервно-эмоциональной напряженности води-
теля, что хорошо видно из рис. 12.4. Поэтому график коэффи-
Рис. 12.5. Схема к определению ко-
эффициента безопасности:
1 — график изменения скорости; 2 — крива и
: малого радиуса
322
циентов безопасности, построенных по эпюре скоростей, которая
определена расчетом или путем наблюдений за транспортными
потоками на существующей дороге, может рассматриваться как ха-
рактеристика удачности проложения трассы.
12.2. Требования охраны окружающей среды
при выборе направления трассы
и других проектных решениях
При выборе направления трассы необходимо учитывать требо-
вания защиты окружающей среды. Постройка дороги вносит боль-
шие изменения в экологическое равновесие природы и хозяйствен-
ную жизнь района ее проложения.
Изъятие земель под постройку дороги и нарушение границ уго-
дий может нарушить рациональную систему севооборотов и прине-
сти большой экономический ущерб сельскому хозяйству. Иногда
при постройке автомобильных магистралей с интенсивным движе-
нием приходится делать перепланировку земельных угодий хо-
зяйств, расположенных с разных сторон дороги, чтобы устранить
необходимость переезда сельскохозяйственных машин через доро-
гу. Проложение дороги поденным плодородным землям опасно тем,
что сметаемая ветром пыль с дорог низших категорий снижает уро-
жайность на прилегающих полях. При сгорании антидетонацион-
ных добавок к бензину выделяются опасные для здоровья соедине-
ния свинца, которые оседают на придорожной полосе и,
накапливаясь в почве, могут попадать в пищу с сельскохозяйствен-
ными продуктами.
Смываемые дождями с проезжей части масла и продукты изно-
са шин и особенно применяемые для борьбы с гололедом гигроско-
пические соли угнетают растительность придорожной полосы и,
попадая, в конце концов, в водотоки, вызывают их загрязнение.
Это необходимо учитывать при проложении дорог вблизи водоемов
и в пределах водоохранных зон, где в замкнутой системе дорожно-
го водоотвода предусматривают водоочистительные отстойники.
Прорезая большие лесные массивы просеками, дороги меняют
условия жизни населяющих их животных. Неожиданно выбежав-
*шее на дорогу животное часто становится причиной тяжелого
дорожно-транспортного происшествия. В ряде случаев дорогу в
лесных массивах приходится ограждать высокими изгородями, а
для животных устраивать под насыпями специальные проходы.
Следует обходить трассой заповедники и заказники, зоны, от-
несенные к памятникам природы и культуры. По возможности же-
лательно вдоль рек, рзер и других водоемов прокладывать дороги
за пределами водоохранных зон.
Непродуманно проводимые при постройке дороги земляные
работы могут нарушить красоту природных ландшафтов располо-
223
Рис. 12.6. Различные приемы маскировки больших обнаженных откосов и выра-
ботанных карьеров посадками растительности
женными в неудачных местах грунтовыми карьерами и резервами,
обнажением склонов при устройстве земляного полотна в полуна-
сыпях-полувыемках при прокладке трассы по косогору (рис. 12.6,
а). При невозможности избежать этих работ следует прибегать к
маскировке неудачных обезображенных строительством мест по-
садками растительности (рис. 12.6, б).
Подрезка склонов и перегрузка их насыпями может вызвать
активизацию оползневых процессов. При прокладке дорог вдоль
косогора дорожные канаву, перехватывая стекающую поверхност-
ную воду, вызывают засыхание деревьев с низовой стороны склона.
На пересечениях болот насыпи, уплотняя торф, прерывают про-
сачивание грунтовой воды, вызывают развитие заболачивания.
Дорога привлекает к себе большое количество людей. Поэтому
при ее проектировании следует предусмотреть возможности обоз-
рения открывающихся природных ландшафтов и достопримеча-
тельных мест. В то же время сосредоточение в отдельных местах
дороги, например на стоянках и площадках отдыха, многочислен-
ных посетителей, если не обеспечить в этих местах создания необ-
ходимых удобств и удовлетворения санитарно-гигиенических требо-
ваний, неизбежно приведет к порче и загрязнению придорожной
полосы.
При проходе дороги вблизи от населенных пунктов и особенно
при использовании улиц автомобильное движение является источ-
ником загрязнения воздуха отработавшими газами двигателей,
шума и вибрации, которые распространяются до прилегающих к
дорогам строений, отражаются на здоровье и работоспособности
населения. Колебания зданий при проезде автомобилей делают
невозможным размещение около дороги некоторых видов произ-
водств и лабораторий, требующих повышенной точности.
Санитарные нормы допустимого шума и Строительные нормы и
правила II-12-77 «Защита от шума» ограничивают уровни шума на
территории старых жилых кварталов 50—60 дБА, курортов — 40—
50 дБА.
.224
Интенсивность транспортного шума зависит от многих обстоя-
тельств — интенсивности, состава и скорости движения, типов шин,
ровности дорожных покрытий и др. В среднем у бровки земляного
полотна в 7,5 м от оси ближайшей полосы движения уровень шу-
ма (в дБА)
Д = 50 4-8,8 IgAT,
где N — интенсивность движения, авт/ч.
Методы расчета снижения уровней шума от движения автомо-
билем на разных расстояниях от его источников исходят из пред-
посылки, что затухание энергии происходит в соответствии с фор-
мулой
где Ln — уровень шума на расстоянии Rn от источника звука; й — уровень
шума на расстоянии Яь
Наиболее рациональный способ предотвращения влияния транс-
портного шума — проложение дороги на таком расстоянии от заст-
ройки, при котором он не превышает допустимых норм. При невоз-
можности этого автомобильные магистрали с интенсивным движе-
нием располагают в выемках и тоннелях, устанавливают вдоль
дороги звукопоглощающие ограждения из пористых материалов,
отсыпают ограждающие земляные валы (рис. 12.7). Идея всех за-
щитных мероприятий — создание за ними звуковой тени или погло-
щение звука. Для надлежащего экранирования высота барьера
должна быть не* менее 4—4,5 м. Придорожные насаждения относи-
тельно малоэффективны и снижают шум в среднем на 0,15 дБА на
1 м ширины полосы.
Учет требований охраны природы при проектировании дорог не
должен ограничиваться только мерами по ее защите. Продуманная
постройка дороги может существенно улучшить местность осуше-
нием болот, созданием водохранилищ, закреплением песков, повы-
шением устойчивости склонов, предохранением почв от эрозии и
др. Использование для земляного полотна и дорожных одежд шла-
ков, зол ТЭЦ и других побочных продуктов промышленности дает
возможность ликвидировать накопившиеся за много лет их отвалы.
Учет требований охраны окружающей среды неизбежно ослож-
няет и удорожает дорожное строительство. Однако забота и внима-
ние, уделяемые этому вопросу в СССР, делают эти дополнительные
затраты вполне оправданными.
12.3. Обеспечение пространственной плавности трвссы
Движение автомобилей с постоянной или практически не меня-
ющейся скоростью на всей протяженности дороги может быть
обеспечено только при проложении трассы дороги как плавной
8—977 225
Рис, 12.7. Мероприятия по защите прилегающей местности от шума, вызываемо-
го движением по дороге:
а — растительные насаждения; б —защитный вал: в —установка звукопоглощающих ограж*
девий; 9 — проложение дорогн в выемке; д—’выемка с подпорной стенкой; е —проложение
дорогн в галерее; де — проложение дорога эстакадой; / — граница акустической теин; 2 —
звукопоглощающие растительные насаждения; 3 — декоративные иосадки; 4 — звукопогло-
щающее ограждение
a)
Рис, Г2.8. Искажение вида дороги в перспективе:
а —кривая малого радиуса воспринимается как крутой излом; б —увеличение радиуса кри-
вой способствует зрительной плавкости дороги; в —1 влияние продольного, уклона (горизон-
тальный участок за длинным спуском кажется подъемом, а небольшой подъем — очень кру-
тым); /— фактическое соотношение уклонов; 2 —кажущееся соотношение
пространственной линци с учетом особенностей зрительного вос-
приятия дороги водителями.
Назначая элементы дороги, необходимо принимать во внимание
то, что водители видят расположенные впереди участки дороги
искаженными'в перспективе, под очень малым углом зрения. Кру-
говые кривые представляются им сплющенными, длина кривых
уменьшенной, а крутизна поворота возросшей (рис. 12.8). Поворот
дороги в плане на несколько градусов, искажаясь в перспективе,
кажется круче на 15—20° и более.
Короткая кривая между длинными прямыми воспринимается
как резкий изгиб трассы, а сравнительно пологие прямые участки
дорог, расположенные за длинными спусками, — крутыми подъе-
мами.
Эти кажущиеся нарушения плавности дороги отражаются на
избираемых водителями режимах движения и вызывают необосно-
ванное снижение скорости в местах, где параметры элементов пла-
на и профиля обеспечивают возможность проезда с более высокими
скоростями. В таких случаях иногда говорят о возникновении до-
полнительного «психологического» или «зрительного» сопротивле-
ния движению.
Пространственная плавность трассы, устраняющая эти зритель-
ные обманы и внушающая водителям уверенность в управлении,
обеспечивается прежде всего применением таких значений пара-
метров элементов плана и профиля, которые полностью исключают
искажение вида дороги в перспективе, а также устранением несо-
ответствий в расположении элементов трассы в плане и профиле,
вызывающих ее кажущиеся изломы и неспокойный, неплавный вид
в пространстве.
8* 227
На основании анализа зрительной плавности построенных дорог
выработаны следующие рекомендации по сочетанию элементов
трассы.
1. Количество переломов в плане и профиле должно быть по
возможности одинаковым.
Нарушение этого правила приводит к неудачным сочетаниям,,
в большинстве случаев характеризующимся повышенной опасно-
стью дорожно-транспортных происшествий. Типичным примером
являются частые переломы продольного профиля на длинных пря-
мых в плане, обычно вызванные стремлением наносить обертываю-
Рис. 12.9. Неблагопри-
ятные сочетания эле-
ментов трассы:
а — частые переломы
продольного профиля в
пределах прямых участ-
ков в плайе; б—«чрез-
мерная извилистость про-
дольного профиля; л
устройство коротких пря-
мых вставок между го-
ризонтальными кривыми,,
направленными в одну
сторону; г — устройство
коротких прямых вста-
вок между обратныСмв
кривыми в плайе; д —
короткие вогнутые участ-
ки продольного профиля;
1 — продольный профиль;
2 — план трассы (пункти-
ром показано рекомен-
дуемое проложение трас-
сы дороги); 3— перспек-
тивный вид дороги до
улучшениия плавности
трассы; 4 — перспектив-
ный внд дороги после
улучшения плавности
трассы #
228
щую проектную линию в целях сокращения объема земляных ра-
бот, что создает волнистую поверхность дороги (рис. 12.9, а). Особо
неудачен случай, когда повороты дороги в разные стороны распо-
ложены в вогнутых кривых.
Обеспечение видимости увеличением рабочих отметок насыпей
(рис. 12.9, б) не всегда улучшает положение, так как извилистость
дороги, ранее в какой-то мере оправдывавшаяся спуском дороги на
дно долины по склонам, после подъема дороги на насыпь представ-
ляется едущим логически неоправданной рельефом и ситуацией
местности.
2. Длины прямых и кривых участков дороги в плане должны
соответствовать друг другу.
Следует избегать коротких кривых в плане, расположенных
между длинными прямыми, которые кажутся издалека водителю
резким переломом дороги и вызывают снижение скорости (ом. рис.
12.8). Повороты дороги на малые углы смягчают вписыванием кри-
вых больших радиусов не менее указанных:
Угол поворота, град 1 2 3 4 5 6 7—8
Радиус кривой, м . „ 30000 20 000 10000 6000 5000 3000 2500
3. Прямые участки должны иметь ограниченную длину (см.
п. 12.5).
4. Недопустимы короткие прямые вставки между направленны-
ми в одну сторону кривыми, которые также воспринимаются как
неприятный для взгляда излом дороги. Такие вставки следует за-
менять кривыми больших радиусов, проектируя подобные участки
как трехзвеиные коробовые кривые (рис. 12.9, в). Для устранения
коротких прямых вставок между обратными кривыми увеличивают
радиусы кривых так, чтобы они непосредственно сопрягались друг
с другом (рис. 12.9, г). Радиусы смежных кривых должны разли-
чаться не более чем в 1,5 раза.
* 5. Для достижения наилучшей плавности трассы следует по
возможности совмещать вертикальные и горизонтальные кривые.
Желательно, чтобы длина горизонтальной кривой несколько превы-
шала длину вертикальной кривой. Смещения вершин совпадающих
вертикальных и горизонтальных кривых допустимы не более чем
на */« длины наименьшей из кривых. Радиус вогнутых вертикаль-
ных кривых должен не менее чем в 6 раз превышать радиус совпа-
дающих с ними кривых в плане.
Недопустимы сопряжения концов кривых в плане с началом
выпуклых или вогнутых вертикальных кривых, расположенных на
последующих прямых участках. В первом случае для автомобилей,
едущих со стороны вертикальной кривой, неясно дальнейшее на-
правление дороги. Во втором случае создаются участки ограничен-
ной видимости ночью при свете фар.
6. Для обеспечения иа дороге видимости на большом расстоя-
нии следует избегать сочетаний элементов трассы, образующих в
229
продольном профиле «провал», в результате которого для водите-
' ля остается неопределенным дальнейшее направление дороги. К
числу таких сочетаний относятся: короткие вогнутые участки про-
дольного профиля, расположенные в пределах длинных прямых
или кривых в плане большого радиуса, воспринимаемые как кар-
маны или просадки (рис. 12.9, д); выпуклые вертикальные кривые
малых радиусов на прямых участках, в частности иа пересечениях
дорог в разных уровнях; прямые участки, как бы упирающиеся в
небосвод иа вершине выпуклых кривых малого радиуса («дорога в
никуда»).
Пространственную плавность трассы часто проверяют построе-
нием перспективных изображений, используя для этого методы
начертательной геометрии (рис. 12.10). Затем вносят при необходи-
мости исправления в план и профиль для достижения их плавно-
сти. В настоящее время для этой цели используют электронные
вычислительные машины, в которые вводят координаты плана,
продольного и поперечного профилей трассы. Плавность трассы
анализируют по изображению перспективы дороги на экране- гра-
фического дисплея, производя необходимые исправления прямо иа
экране с помощью специального устройства — светового пера. Эта
корректировка автоматически вводится в ЭВМ, которая пересчиты-
вает координаты трассы, а графопостроитель вычерчивает перспек-
тивное изображение. В зависимости от избранной точки стояния
наблюдателя («точка зрения») перспективные изображения доро-
ги могут вычерчиваться при виде дороги с каждого пикета или с
Высотные
-отметки
Расстояние
I $ § I t
Ik 100 \ 100 \ 100 \~00 \ 100 I 80 so Ъо. 1O0 Isol
Пикеты 10 15 16 17 10 13 Z0 Z1 22
Точки, трассы 115 15 6 7 8
6)
Рис. 12.10. Построение перспективно-
го изображения участка дороги ме*
тодом прямоугольных координат:
а — плав; б —продольный профиль; в —
перспектива; т. с. — точка стояния; т» з,
точка зрения
230
Рис. 12.11. Пример перспективы дороги, построенной на электронной вычисли-
тельной машине
расположенной в стороне возвышенности. Программы позволяют
учесть рельеф придорожной полосы и выявить закрытые им участ-
ки дороги (рис. 12.11).
Для сложных участков дороги, например пересечений в разных
уровнях, иногда изготовляют уменьшенные модели.
Для обеспечения пространственной плавности трассы большое
значение имеет соблюдение принципов зрительного ориентирования
водителей — такое взаимное сочетание элемеитов дорогн и придо-
рожной t полосы, которое делает для водителя понятным направле-
ние дороги за пределами фактической' видимости. При движении
взгляд водителя скользит впереди автомобиля по поверхности до-
роги, следуя направляющим ориентирам, которыми являются
хорошо различимые линии, параллельные пути движения: кромки
покрытия, разделительные полосы на автомобильных магистралях,
линии разметки покрытия, полосы придорожных насаждений,
ограждения дороги и др. Расположение этих ориентиров должно
создавать систему опорных точек, проследив направление которых,
глаз водителя как бы продолжает для себя дальнейшее положение
дороги.
Из средств-зрительиого ориентирования наиболее эффективны-
ми являются сопряжения плана и профиля, придорожные насаж-
дения и специально устанавливаемые по краям обочин сигнальные
столбики.
На рис. 12.12 показано, как увеличение радиуса кривой в плане
делает для водителя понятным изменение направления дороги за
переломом продольного профиля.
12.4. Трассирование дорог клотоидами и сплайнами
Наибольшая плавность трассы достигается при проложении ее
в виде кривых непрерывно изменяющейся кривизны, гармонично
вписанных в ландшафт. Такой способ трассирования, ранее приме-
231
Рис. 12.12. Улучшение ориентирования водителя в дорожных условиях:
а —вид дороги, построенной без учета принципов зрительного ориентирования; б — обозна-
чение поворота увеличением длины кривой, начинающейся за Переломом продольного про-
филя; / —I продольный профиль; 2 — план
нявшийся преимущественно для автомобильных магистралей и до-
рог высших категорий, в последнее время получил широкое распро-
странение и для дорог более низких категорий. Пока еще наиболее
часто применяют клотоидные трассы, состоящие в основном из со-
прягающихся круговых кривых и переходных кривых больших па-
раметров. Прямые вставки невелики, а иногда вообще отсутствуют
(рис. 12.13).
В клотоидной трассе переходная кривая из вспомогательного
элемента кривых малых радиусов становится самостоятельным
элементом трассирования, равноправным с круговыми кривыми и
часто вытесняющим прямые участки. Принцип трассирования ме-.
няется. Вместо ходов по прямым'между углами поворота и после-
дующего вписывания между ними круговых кривых по горизонта-
лям местности укладывают круговые кривые больших радиусов и
сопрягают их переходными кривыми (рис. 12.14). Переходные кри-
вые применяют во всех случаях сопряжения элементов трассы
автомобильной дороги (рис. 12.15).
Переходные кривые назначают большой длины, обеспечивая
тем самым отсутствие зрительных искажений вида дороги при
взгляде на впереди расположенные участки. Они существенно пре-
вышают длины, необходимые из условия плавности нЗрастания
центробежного ускорения (см. п. 4.4).
Для обеспечения зрительной плавности при вписывании пере-
ходной кривой угол поворота трассы автомобильной дороги должен
составлять не менее 3°, а длина переходной кривой — не менее
длины круговой кривой. Параметр радиоидной спирали с уравнени-
ем RL—A2 должен быть в пределах от 0,4 R до 1,4 R.
При сопряжении переходными кривыми обратных S-образных
кривых желательно, чтобы обе переходные кривые имели одннако-
232
вый параметр А, а между радиу-
сами сопрягаемых кривых удовле-
творялось соотношение
Для сопряжения переходными
кривыми круговых кривых, на-
правленных в одну сторону, ре-
комендуется соотношение 0,5/?i <
<Л<Я2.
Непосредственное сопряжение
круговых кривых допускается
лишь при Rx<2R2.
Принципы клотоидного трасси-
рования были разработаны и во-
шли в практику до начала исполь-
зования ЭВМ при проектировании
дорог. Они были приспособлены
для трассировании по планам ме-
стности вручную с использовани-
ем прозрачных шаблонов и вспо-
могательных таблиц. ,
Первые программы Э$М так-
же предусматривали клоТоидное
трассирование.
Однако элементы рельефа име-
ют более сложное очертание, чем
дуги окружностей и длинные кло-
тоиды, используемые при клото-
идном трассировании.
В настоящее время в крупных
проектных организациях пере-
ходят на проектирование трассы
дороги методом сплайн-функций,
обеспечивающим лучшее согласо-
вание дороги с ландшафтом.
Трассу дороги прокладывают
по намеченным на плане конт-
рольным точкам в виде непрерыв-
ной плавной линии, описываемой
по отдельным участкам уравнени-
ем полиномов, чаще всего куби-
ческих.
Программы ЭВМ обеспечива-
ют закономерное, удовлетворяю-
щее заданному критерию нараста-
ния центробежного ускорения при
переходе автомобиля с одного эле-
мента трассы на другой.
Рис. 12.13. Дорога,
протрассированная
клотоидами:
j — участки круговых кривых; 2 — участки
клотоид
233
Рис. 12 14. Разница в принципах трассирования автомобильных дорог:
а — трасса, протрассированная обычным методом; 4 б — клотоидная трасса; /—прямые пи-
нии; 2 —круговые кривые, вписанные в-углы прямых4линий; 3—прямой участок трассы;
4—*круговые кривые, вписанные в элементы рельефа; 5 — переходные кривые. сопрягак>
щне круговые кривые
Плавные трассы обычно проектируют по планам в горизонталях
или по аэрофотоснимкам. Вначале на карте масштаба 1:2000 или
1:5000 намечают по условиям рельефа и ситуации контрольные
точки, через которые нужно провести трассу, чтобы удовлетворить
принципам ландшафтного проектирования. Затем на карту «укла-
дывают гибкую линейку (рис. 12.16) и. придав ей плавные изгибы,
наносят в первом приближении трассу, проходящую через намечен-
ные точки.
Рис. 12.15. Различные способы сочетания переходных кривых:
а — сопряжение переходных кривых без вставки круговой кривой; б — сопряжение обрат-
ных кривых; 0 — сопряжение двух круговых кривых, направленных в одну сторону, одной
кривой; е—-то же двумя переходными кривыми
234
Рис. 12.16. Выбор направления клотоидной трассы на плайе в горизонталях при
помощи гибкой линейки
При этом в целях рационального согласования кривых в про-
дольном профиле и в плане углы поворотов стараются разместить
на линиях водоразделов и дне долин. Полученную трассу рас-
сматривают как магистральный ход, уточняемый в процессе раз-
бивки пикетажа и определения геометрических элементов дороги
в плане.
При ручном проектировании клотоидной трассы используют на-
боры шаблонов круговых и переходных кривых, изготовленные в
масштабе плана (рис. 12.17). Вначале подбирают круговые кривые,
отмечая их начало и конец и записывая на плане их радиусы. При-
меряя далее шаблоны клотоидных кривых разных параметров,
подбирают по имеющимся на них пометкам радиусов круговых
кривых необходимые параметры. Пикетаж трассы определяют рас-
четом, используя таблицы для переходных кривых больших пара-
метров.
Выполнение этой трудоемкой работы в проектных организациях
облегчается использованием ЭВМ. Разработан ряд программ, отли-
чающихся по идее алгоритмов. Один из них, основанные на
методе опорных элементов, исходят из точно вычерченных с по-
мощью шаблонов на планах в горизонталях или на фотосхемах
трасс.
235
Рис, 12.17, Шаблоны для нанесения клотоидиой трассы/
В машину вводят данные о координатах фиксированных эле-
ментов— прямых участках, центрах круговых кривых и их радиу-
сах, о полуфиксированных элементах, которые могут смещаться в.
определенных пределах. Машина увязывает эти элементы между
собой при помощи клотоид, прямых или окружностей, определяя
параметры соединяющих элементов и выдавая координаты для
разбивки трассы.
При методе сплайнов производится математическое осреднение
введенного в машину большого числа точек трассы, намеченной по
шаблонам или просто от руки. При этом одни контрольные точки
236
фиксируются точно, около других могут быть заданы возможные
зоны смещения. Машинд подбирает окончательное положение трас-
сы исходя из требований минимальной суммы квадратов»отклоне-
ний проектируемой трассы от первоначально намеченных«точек
ее прохождения.
К трассе предъявляются дополнительные критерии оптими-
зации, например скорость нарастания центробежного ускорения
я др.
12.S. Трассирование дороги в увязке
с окружающим ландшафтом
Современная автомобильная дорога — капитальное сооружение,
рассчитанное на многие годы, которым ежедневно пользуются ты-
сячи людей. Поэтому к дорогам, как ко всем сооружениям массо-
вого пользования, должны предъявляться высокие эстетические
требования в отношении их внешнего оформления, выполняемого
в увязке с окружающим природным ландшафтом и архитектурой
сооружений, расположенных вдоль дороги.
Это достигается в первую очередь согласованием трассы дороги
с рельефом окружающей местности и формами ландшафта. Плав-
ное включение дороги в окружающую местность повышает удобст-
во движения, помогает лучше раскрыть перед едущими красоту
природы, а также устранить вызванные проложением дороги нару-
шения закономерностей природного ландшафта. Такие дороги наи-
более безопасны для движения, не утомительны для водителей и
пассажиров и поэтому имеют лучшие транспортно-эксплуатацион-
ные показатели.
Согласование дороги с ландшафтом должно основываться на
соответствии элементов дороги элементам ландшафта (рельефу,
водным пространствам, лесным массивам, сельскохозяйственным
угодьям, населенным пунктам, ранее построенным инженерным со-
оружениям и т. д.) и проложении трассы с учетом закономерностей
их сочетания.
Дорога хорошо сочетается с ландшафтом, если она проложена
по граничной зоне его элементов (у подножья холмов, по опушкам
лесов, по террасам речных долин) или вдоль естественной (обыч-
но искривленной) оси ландшафта, например водотока, идущего по
долине, без резких нарушений сложившихся форм логически не-
оправданными пересечениями (рис. 12.18). При этом необходимо
ориентироваться на имеющиеся в каждом ландшафте основные
характеризующие его элементы. Дорога должна следовать круп-
ным определяющим линиям ландшафта, не считаясь со множест-
вом малых и мельчайших складок местности, пересечения которых
237
Рис. 12,18. Дорога с клотоидной трассой, проложенная по граничной зоне эле-
ментов ландшафта
могут быть сглажены устройством пологих откосов земляного по-
лотна.
Несоблюдение этого правила приводит к нарушению простран-
ственной плавности трассы.
В степных районах не возникает каких-либо ограничений в про-
ложении дороги в плане и продольном профиле. Часто возможны
прямые участки дорог протяженностью до нескольких десятков
километров. Однако движение по длинным прямым участкам в
однообразной открытой равнинной местности для водителей грузо-
вых автомобилей сопряжено с повышенной утомляемостью и сни-
жением внимательности.
Водители легковых автомобилей, наоборот, теряют контроль над
скоростью. В ночное время на длинных прямых участках повыша-
ется опасность ослепления водителей светом фар встречных авто-
мобилей.
Все это приводит к увеличению числа дорожно-транспортных
происшествий.
Целесообразно, чтобы длина прямых на дорогах I категории не
превышала 3,5—5 км. Это не требует искусственного искривления
238
трассы, так как даже в степях с равнинным рельефом при деталь-
ном изучении обычно обнаруживается много причин, оправдываю-
щих введение углов поворота. К их числу относятся неблагоприят-
ные грунтовые условия — участки поверхностного заболачивания
и пятна избыточного засоления, места с необеспеченным стоком,
лесные массивы и рощи в малолесных районах, мелкие элементы
рельефа, не находящие отражения на картах в горизонталях, но
влияющие на условия водоотвода, ценные сельскохозяйственные
угодья, населенные пункты, понижения местности, над которыми в
безветренные летние ночи образуются туманы, ухудшающие ви-
димость.
Допустимая длина прямых участков связана также с окружаю-
щей местностью. Всякие выделяющиеся элементы привлекают к
себе внимание водителей и способе гвуют повышению их сосредото-
ченности. В связи с этим всегда оправдывается направление доро-
ги на хорошо заметный издалека ориентир, выделяющийся на об-
щем фоне местности, — холмы, высокие здания и заводские соору-
жения, терриконы каменноугольных шахт.
При отсутствии на местности естественных ориентиров их мож-
но создавать искусственно в виде групп деревьев на придорожной
полосе.
Ландшафт лесостепи характеризуется более развитыми, чем в
степях, формами рельефа, наличием долин водотоков — заросших
балок (на севере), действующих оврагов (на юге). Для лесов ха-
рактерно островное расположение.
Элементы рельефа не создают существенных препятствий для
трассирования, так как за малыми исключениями дороги можно
прокладывать по любому направлению, удовлетворяя требованиям
технических условий.
В южной части лесостепей и в степной зоне большое значение
приобретает сохранение существующих лесов и даже отдельных
групп деревьев. Целесообразно обходить дорогой даже небольшие
рощи, прокладывая дорогу вдоль их опушки. При неизбежности
пересечения лучше, чтобы дорога. входила в лес на кривой (рис.
12.19).
Перед входом в лес следует сажать постепенно сгущающиеся
группы деревьев, чтобы уменьшить внезапную ветровую нагруз-
ку на автомобиль, выезжающий из леса.
При пересечении лесов на прямых участках некрасивы как стро-
го симметричное разрезание леса, так и отделение от леса узкой
полосы.
Холмистый ландшафт складывается из крупных элементов
рельефа. Для сокращения объемов земляных работ целесообразно
проложение трассы в виде плавной извилистей линии, вписанной в
рельеф и расположенной в переходной зоне между крупными эле-
ментами ландшафта.
239
Чем выше категория дороги и шире земляное полотно, тем- с
более крупными элементами рельефа должна увязываться доро-
га. Влияние пересекаемых дорогой небольших впадин и отрогов
холмов следует устранять планировочными работами и плавным
сопряжением земляного полотна с прилегающей местностью путем
устройства обтекаемых откосов. Нарушение принципа сочетания
элементов плана и профиля между собой и с элементами ландшаф-
та в условиях холмистого ландшафта резко бросается в глаза, по-
скольку с возвышенных участков дорога обычно бывает открыта
для обзора на большом протяжении.
В горной местности высотные элементы ландшафта настолько
преобладают, что всякое неподчинение им дороги бывает сопряже-
но с большими скальными работами и устройством дорогостоящих
инженерных сооружений.
Согласование с ландшафтом для горных дорог сводится к оги-
банию элементов горного рельефа с отклонением от них по возмож-
ности на мейьшее расстояние, необходимое для соблюдения мини-
мальных требований к элементам плана и профиля в трудных ус-
ловиях рельефа.
Построенная дорога приобретает организующую роль в форми-
ровании нового ландшафта горной местности. Инженерные соору-
Рис. 12,19. Пересечение дорогами лесных участков:
а — нерекомендуемое прямое пересечение; б — правильное пересечение по кривой.
240
Рис. 12.20. Обтекаемые поперечные профили земляного полотна:
а — невысокая насыпь с лотком вместо боковой канавы; б — невысокая насыпь с пологим»
откосами; в “ насыпь высокой до 2 м;'г — высокая насыпь с переменной крутизной отко-
сов; д ~ выемка с лотками и округленными кром/ами откосов
жения (серпантины, подпорные стены, мосты) и специальные со-
оружения (тоннели, противолавинные и противоселевые галереи),
выделяясь на однообразной поверхности склонов, сосредоточи-
вают на себе внимание и поэтому определяют характер ланд-
шафта.
Гармоническое сочетание дороги с ландшафтом достигается кон-
трастом между геометрически правильными элементами земляного
полотна и трассы дороги и бессистемной хаотичностью горного
ландшафта.
В согласовании горных дорог с ландшафтом большое значение
приобретает оформление откосов и обнажений, получающихся
при устройстве земляного полотна на полке.
Во всех ландшафтах важным элементом согласования дороги с
окружающей местностью является земляное полотно. Принцип
увязки Дороги с ландшафтом требует, чтобы дорога не выделялась
резко на общем фоне местности. Поэтому при ландшафтном про-
ектировании земляному полотну придают поперечный профиль с
241
округленными очертаниями пологих поперечных откосов, плав-
но переходящих в поверхность окружающих элементов рель-
ефа. Вместо глубоких канав устраивают широкие^ мелкие
лотки.. ' /
При пологих обтекаемых откосах повышается безопасность
движения, поскольку при отсутствии боковых канав автомобиль,
потерявший управление, может съехать по пологому откосу с на-
сыпи на прилегающую полосу отвода; обеспечивается Также луч-
шее обтекание земляного полотна снеговетровым потоком, и снег
переносится через автомобильную дорогу, не откладываясь на про-
езжей части.
Общими чертами различных конструкций обтекаемого земля-
ного полотна являются:
пологое заложение откосов насыпей. Коэффициент заложения
откосов, принимают тем большим, чем ниже насыпь. У малых на-
сыпей откосы делают с заложением до 1 : 5—1 : 6;
устройство насыпей с ломаными откосами, крутизна которых
уменьшается через 1—1,5 м по высоте по мере приближения к по-
дошве. Откосы выемок чаще всего устраивают с постоянной кру-
тизной заложения (рис. 12.20);
. плавное сопряжение откосов выемок и подошвы насыпей с при-
легающей поверхностью грунта по круговым кривым радиусом
5—10 м;
устройство более пологих откосов у начала выемок, где рабо-
чие отметки меньше, чем посередине.
Для расчленения однообразного вида длинных выемок автомо-
бильных дорог используют посадки декоративных групп деревьев
и кустарников на Откосах.
Глава 13
ПЕРЕСЕЧЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
13.1. Пересечения дорог в одном уровне
Участки пересечения автомобильных дорог в одном уровне
между собой или с железными дорогами более загружены, чем
остальная их протяженность, поскольку интенсивность движения
по пересечению равна сумме интенсивностей по пересекающимся
дорогам.
Условия движения по пересечениям для автомобилей, следую-
щих по прямым направлениям, осложняются помехами, создавае-
мыми маневрами поворота отдельных автомобилей.
242
Возможные траектории дви-
жения автомобилей на пересече-
нии в одном уровне (рис. 13.1) об-
разуют 16 точек пересечений, 8 то-
чек разветвлений и 8 точек слия-
ния потоков. В этих точках, назы-
ваемых конфликтными,, возможны
столкновения автомобилей. Чем
выше интенсивность движения по
пересекающимся дорогам и чем
больше доля автомобилей, совер-
шающих маневры правого и осо-
бенно левого поворотов, тем вы-
ше опасность возникновения до-
рожно-транспортных происшест-
вий.
Пересечения дорог в одном
уровне как наиболее опасные
участки следует располагать в
Рис. 13.L Места пересечения и слия-
ния потоков движении иа пересече-
нии в одном уровне:
1 — точки разделения потоков движения;
2 — точки слиянии потоков движения; 3 —
точки пересечения потоков движения
местах с хорошо обеспеченной видимостью, иа прямых, желательно
в пониженных местах продольного профиля. В одном уровне раз-
решается устраивать пересечения дорог II категории с дорогами IV
и V категорий, а также дорог III, IV и V категорий между собой,
и примыкания дорог с канализированным движением:
* островки, нанесенные на покрытии краской; 3 — дополни*
полоса для правого поворота на главной дороге; 3^—»
Рис. 13.2. Пересечения
— разделительная полоса; _ _________ _ ____
Гчэмм£иПавтомобилей, ожидающих левого*поворо™: 4 — литГи
треугольные островки; 7 —' каплевидные островки
243
если перспективная суммарная интенсивность движения на пере-
сечении не превышает 8000 приведенных авт./сут.
Наиболее эффективным мероприятием по улучшению условий
движения в одном уровне является канализирование движения —
выделение для каждого направления движения самостоятельной
полосы на проезжей части. Его можно осуществить: устройством
направляющих островков, возвышающихся или изображённых на
покрытии краской; выделением дополнительных полос для ожида-
ния автомобилями возможности осуществления левых поворотов
без помех для автомобилей, следующих в прямом направлении;
устройством на проезжей части дополнительных полос для плав-
ного изменения скорости поворачивающих автомобилей.
Основным конструктивным решением для четкого выделения
потоков движения и разделения конфликтных точек являются кап-
левидные вытянутые («обтекаемые») островки. Они хорошо выяв-
ляют планировочное решение пересечений и облегчают плавное
огибание островка по кривой большого радиуса при левом поворо-
те (рис. 13.2).
Для выбора типа пересечений используют график, который ус-
танавливает рациональную область использования каждого типа
пересечений с учетом минимальных потерь автомобильного транс-
порта от ожидания возможности проезда (рис. 13.3).
В районах с непродолжительным снеговым покровом островки
устраивают возвышающимися на 10—15 см над проезжей частью,
обозначая их скошенный бордюр черно-белыми полосами. В рай-
онах с длительной зимой и обильными снегопадами, где возвыша-
ющиеся островки затрудняют механизированное удаление снега с
покрытия, островки наносят на покрытие краской.
Очертание островков и планировка съездов должны соответст-
вовать траектории движения автомобилей (рнс. 13.4).
При проектировании плана пересечения дорог используют ком-
плекты прозрачных лекал.
Рис. 13.3. График для выбора схемы
пересечения:
ЛГгл, ^вт— интенсивности движении по
главной и второстепенной дорогам; / —
простые необорудованные пересечения;
II — частично канализированные пересече-
нии с направляющими островками на вто-
ростепенной дороге; III —* канализирован-
ные пересечения с направляющими остров-
ками на второстепенной и главной доро-
гах и переходно-скоростными полосами на
главной дороге; /V — кольцевые нересече-
ння; УА — кольцевые пересечения, обеспе-
чивающие лучшие условия движения по
наиболее загруженному направлению; Vg—
кольцевые пересечения с малым централь-
ным островком; V в~ кольцевы е пересеч е-
ння как первый этап стадийного строитель-
ства, которые затем - будут * рекон-
струированы в пересечения в разных уров-
нях; V р— пересечения в разных уровнях
244
Ось главной дороги
Аереходно-скоростноя полоса
Rj- ZR2
Rj x2Rj
Ш
и треугольного
Рнс» 13.4. Разбивка каплевидного
островков:
I —возвышающийся островок; 2 — полосы разметки, на-
меченные на покрытии краской
Л1
У
Ширину проезжей части между островками принимают в зави-
симости от радиуса кривой на съезде:
Радиус кривой, м ... 10 15 20 30 40 50 60
Ширина полосы движе-
ния, м.............5,2 5,0 4,8 4,7 4,5 .. 4,5 4,2
При выборе и привязке типовых проектов пересечений в одном
уровне необходимо учитывать состав и интенсивность движения
потоков, следующих по разным направлениям. Желательно, что-
бы при планировке пересечений соблюдались следующие рекомен-
дации:
соответствие угла пересечения лучшим условиям видимости
(примыкание под углом не менее 60—75°);
обеспечение преимущественных условий движения транспорт-
ным потокам с наибольшей интенсивностью;
удаление по возможности друг от друга точек пересечения по-
токов движения на площади пересечения путем устройства разде-
ляющих их островков;
245
Рис. 13.5. Схемы простейших пересе-
чений в одном уровне:
а — обычное пересечение; б —* несиммет-
ричное пересечение с повышенной пропуск-
ной способностью
выделение части площади пересечения, не используемой пото-
ками автомобилей в резервные зоны. Избыточная ширина полос
движения нарушает его четкость;
при большой доле автомобилей, совершающих левый поворот,
устройство дополнительной полосы, на которой они под прикры-
тием островка могли бы дожидаться возможности поворота, не
препятствуя движению автомобилей, следующих в прямом направ-
лении;
размещение направляющих островков на пересечениях и при-
мыканиях таким образом, чтобы в каждый момент времени води-
телю предоставлялось для выбора не более двух направлений дви-
жения: прямое и поворот.
Пропускная способность простейших пересечений в одном уров-
не зависит от радиуса кривых, сопрягающих дороги. В СССР при-
нимают радиус по внутренней кромке проезжей части (рис.
13.5, а) от 15 м для дорог IV и V категорий до 25 м для дорог I и
II категорий.
В Англии имеют распространение несимметричные пересечения
в одном уровне, которые обладают повышенной пропускной спо-
собностью. Они имеют большую ширину на участках въезда, чем
на полосах выезда (рис. 13.5,6). Из-за улучшения условий вклю-
чения в транспортный поток совершающих поворот автомобилей
их пропускная способность возрастает примерно на 30%.
13.2. Кольцевые пересечения в одном уровне
Наиболее безопасным типом пересечения в одном уровне явля-
ется кольцевое с большим радиусом центрального островка, прн
котором все маневры автомобилей сводятся к включению в поток
и выходу из него (рнс. 13 6). Транспортные средства, прибываю-
щие к пересечению по всем дорогам, сливаясь в один поток, оги-
бают островок, расположенный в центре пересечения. Размеры
кольца назначают такими, чтобы обеспечивалась заданная ско-
рость движения по нему, а участки кольца между пересекающи-
мися дорогами имели длину, обеспечивающую возможность сво-
бодной перегруппировки автомобилей, вливания их в кольцевой
поток и выхода в нужном направлении.
246
Рис. 13.6. Кольцевое пересечение в одном уровне
Движение автомобилей по кольцу в одном направлении обес-
печивает четкую организацию и придает ему упорядоченность.
Однако кольцевые пересечения занимают большую площадь, а в
связи с непрерывно происходящими на них перегруппировками
.автомобилей скорость движения существенно снижается по срав-
нению со скоростью ца подходах.
Расчетная скорость движения по кольцевой проезжей части за-
висит от диаметра центрального островка:
Диаметр центрального островка, м . « ^15
Скорость, км/ч . 20
30
25
>60
30
Поэтому широкое распространение имеют пересечения со сред-
ними (25—60 м) диаметрами центрального островка, на которых
траектории движения пересекаются под острыми углами, и с ма-
лыми (< 15 м) диаметрами островков, предназначенными для то-
го, чтобы вынудить водителей, огибая островок, снижать скорость
движения до безопасного значения.
Для разделения встречных потоков движения на примыканиях
дорог к островку устраивают направляющие треугольные остров-
ки (см. рис. 13.6). Их планировка и радиусы кривых на сопряже-
ниях примыканий к кольцу должны обеспечивать плавное сни-
жение скорости при въезде и выезде с кольца. Рекомендуются
следующие значения радиусов сопряжений (меньшие значения со-
ответствуют расположению в стесненных условиях):
Диаметр центрального островка, м . . 15 30 >60
Радиусы примыкания, м 20/15 30/20 50/35
247
Необходимое число полос движения на проезжей части кольце*
вого пересечения и их ширину назначают в зависимости от диа-
метра центрального островка:
Диаметр островка, м . ... .
Число полос движения иа кольце
Ширина полосы движения, м « .
- 20 40 60 80 100
< 2 2 3 3 3
. 6 6 5,5 5,0 4,5
Долгое время кольцевые пересечения не находили применения
на дорогах СССР. Их устраивали почти исключительно на город-
ских площадях и на примыканиях магистралей к городам. В по-
следние годы точка зрения изменилась и кольцевые пересечения до-
пускаются на дорогах всех категорий наравне с пересечениями и
разных уровнях, иногда как первый этап их стадийного строитель-
ства.
Тип кольцевого пересечения зависит от интенсивностей движе-
ния на пересекающихся дорогах (см. рис. 13.3). На дорогах высших
категорий рекомендуются пересечения с малыми центральны-
ми островками (Z><25 м) и увеличенным числом полос на въез-
дах.
При суммарных интенсивностях движения от 5 тыс. до 9 тыс.
авт./сут устраивают пересечения со средними островками (В =
=354-60 м), а при числе пересекающихся дорог более 5 — с боль-
шими островками.
При различии интенсивностей движения более чем в 3 раза мо-
гут создаваться лучшие условия для движения по главному иаправ-
лению путем устройства вытянутого островка.
13.3. Переходно-скоростные полосы
Проезд пересечений осуществляется с меиыпей скоростью, чем
примыкающих к ним участков дорог. Непосредственный въезд ав-
томобиля на пересечение с высокой скоростью, равно как и выезд
с пересечения иа основную дорогу медленно движущихся автомо-
билей, создавали бы опасность дорожно-транспортных происшест-
вий. Чтобы избежать этого на участках дорог, примыкающих к пе-
ресечению, устраивают дополнительные полосы проезжей части,
отделяемые от основной проезжей части разграничительными ли-
ниями, наносимыми краской, а иногда и грунтовыми разделительны-
ми полосами. Дополнительные полосы дают возможность автомоби-
лям, поворачивающим с основной дороги на примыкающую, забла-
говременно, без помех для автомобилей, следующих в прямом на-
правлении, снизить скорость, а автомобилям, въезжающим на маги-
стральную дорогу, наоборот, разогнаться до скорости едущих по>
ней автомобилей.
248
Эти дополнительные полосы м
движения называют полосами---------
разгона и ускорения, или переход-
мо-скоростными полосами. $
Строительные нормы и правя- —==^-
ла предусматривают устройство
переходно-скоростных полос обя-
зательно на съездах пересечений н ₽ис- 13.7. Планировка переходао-ско-
примыканий в одном уровне на ростных полос •
дорогах I—III категорий, если на
дороге I категория по съезду проезжает более 50 приведенных
авт./сут, а на дорогах II и III категорий — более 200 приведенных
авт./сут. На пересечениях и примыканиях в разных уровнях на
дорогах I—III категорий переходно-скоростные полосы обяза-
тельны.
Длину переходно-скоростных полос L (в метрах) назначают из
условия изменения скорости автомобилей на основной дороге
до скорости при выполнении маневра поворота v2»20 км/ч:
принимая на основе наблюдений ускорение а автомобиля при раз-
гоне 0,8—1,2 м/с2, при замедлении—1,75—2,5 м/с2. Практически в
зависимости от категории дороги и продольного уклона на участке
пересечения длина рабочей части переходно-скоростных полос со-:
ставляет от 30 до 230 м.
Переходно-скоростные полосы по планировке бывают двух ти-
пов: постоянной ширины, параллельные основной проезжей части
(рис. 13.7, а); плавно примыкающие к проезжей части с постепен-
ным уменьшением'ширины (рис. 13.7, б).
Переходно-скоростные полосы первого типа устраивают на до-
рогах высших категорий, поскольку они обеспечивают наилучшую
возможность изменения скорости. В этом случае полоса разгона со-
стоит из двух частей: участка изменения скорости и включения в
поток движения (автомобиль на этом участке разгоняется до ско-
рости транспортного потока и движется в ожидании интервала
между автомобилями, который может быть использован для вклю-
чения в поток); участка постепенного уменьшения ширины иа со-
пряжении переходно-скоростной полосы с покрытием основной про-
езжей части.
Второй тип переходно-скоростных полос пригоден для дорог .с
меньшей интенсивностью движения, когда вероятность включения
в транспортный поток на основной дороге без выжидания интервала
достаточно велика. Ширину полос разгона и торможения принима-
ют равной ширине полос движения на основной дороге.
249
13.4. Простейшие пересечения и примыкания дорог
в разных уровнях
На дорогах с высокой интенсивностью движения обеспечение
бесперебойности и безопасности движения требует устранения по-
мех для транспортных потоков на пересечениях с другими дорогами
путем постройки транспортных развязок в разных уровнях. Такие
развязки устраивают на пересечениях дорог 1 категории с дорога-
ми всех категорий, дорог 16 и II категорий между собой и на при-
мыканиях к ним, а также на пересечениях дорог II и III категорий
между собой и дорог III категории между собой, если суммарная
перспективная интенсивность движения превышает 8000 приведен-
ных автомобилей в сутки.
При устройстве пересечений в разных уровнях достигаются сле-
дующие преимущества: устройство путепровода через одну нз пе-
ресекающихся дорог позволяет легко пропустить потоки движения
по обеим дорогам в прямом направлении без снижения скорости
из-за помех от поворачивающих автомобилей; обеспечивается более
четкая организация движения пересекающихся транспортных пото-
ков по сравнению с пересечениями в одном уровне; резко повыша-
ется безопасность движения, особенно при осуществлении левых
поворотов. Однако пересечения в разных уровнях значительно уве-
личивает стоимость строительства дороги.
На пересечениях в разных уровнях одна из основных пересека-
ющихся магистралей проходит над, другой по путепроводу. Правые
повороты осуществляются беспрепятственно по так называемым
правоповоротным съездам, на которых помехи прн движении могут
возникать при включении поворачивающих автомобилей в транс-
портный поток по пересекаемой дороге? Основные трудности, по-
рождающие разнообразие схем пересечений в разных уровнях, вы-
зываются сложностью организации левых поворотов, которые мож-
но осуществлять одним нз трех способов, показанных на рис. 13.8.
Рис. 13.8'. Схемы осуществления левых поворотов на пересечениях в разных уров-
нях:
а—при помощи правого поворота иа 270е после проезда моста: б—по распределительному
кольцу; в — по специальным левоповоротвым съездам
250
Рис. 13.9. Пересечение по типу «клеверный лист*
Пересечения в разных уровнях также снижают пропускную спо-
собность дороги, хотя и в меньшей степени, чем пересечения в од-
ном уровне, из-за помех, создаваемых выезжающими и въезжающи-
ми автомобилями. Поэтому въезды на дорогу должны быть распо-
ложены на дорогах 1а категории не чаще чем через 10 км, на до-
рогах 16 и II категорий — через 5 км и на дорогах III категории —
через 2 км.
Наиболее простым и распространенным в настоящее время ти-
пом пересечений в разных уровнях является «клеверный лист»
{рис. 13.9), в котором повороты налево осуществляются по лево-
поворотным петлям путем поворота направо на 270° после проезда
моста.
Недостатком пересечений по
типу «клеверного листа» являет-
ся значительное удлинение пути
пробега автомобилей, поворачи-
вающих налево, по сравнению с
необходимым для автомобилей,
сворачивающих направо (рис.
13.10, а). Однако и для правопо-
воротных петель из-за размеще-
ния внутри них петель левопово-
ротных съездов приходится зна-
чительно удлинять пути съездов.
Поэтому пересечения по схеме
Рнс. 13.10. Схема пересечения по типу
«клеверного листа»:
а — общая схема: б — переплетение пово-
рачивающих трансп >ртвых потоков под
мостом; т — конфликтная точка
261
Рнс. 13.11. Схема пересечения линейного типа
«клеверного листа* занимают значительную площадь, причем замк-
нутые между их съездами земельные участки трудно рационально
использовать.
Пересечения по типу «клеверного листа* имеют ограниченную
пропускную способность из-за происходящих переплетений пото-
ков автомобилей в точке т (рис. 13.10, б). Переплетение возникает
в пределах путепровода и под ним на участках примыкания лево-
поворотных петель, где одни автомобили входят в транспортный
поток, а другие выходят из него. Так как эти маневры создают по-
мехи транзитному потоку движения, то при большой доле повора-
чивающих автомобилей на пересечениях устраивают дополнитель-
ные полосы проезжей части. По достижении суммарной интенсив-
ностью пересекающихся потоков автомобилей предельного
значения 600—700 авт/ч, когда создаются настолько значительные
взаимные помехи, что пропускная способность пересечений исчер-
пывается н перед съездами возникают очереди автомобилей, при-
ходится вводить светофорное регулирование.
Рнс. 13Л2. Схема пересечения по ти-
пу распределительного кольца
Рис. 13.13. Схема пересечения по ти-
пу ромба
252
Рис. 13.14. Общий вид пересечения по типу упрощенного распределительного
кольца
Рис 13.15. Общий вид пересечения по типу неполного «клеверного листа»
S) I вариант И Вариант
Рис. 13.16. Анализ схемы пересечений по типу неполного «клеверного листа» ме-
тодом суммирования интенсивностей движения в конфликтных точках:
а — интенсивности движения по разным направлениям, авт./сут; б — сравниваемые схемы
пересечения; в, г—схемы интенсивности движения по элементам съездов
При пересечении дорог под острым углом, когда трудно вписать
левоповоротные петли, применяют более сложную линейную схе-
му, требующую постройки двух мостов (рис. 13.11).
Пересечение с распределительным кольцом (рис. 13.12) обеспе-
чивает большие удобства для автомобилей, меняющих направление
движения, так как кольцо имеет больший радиус, чем «левопово-
Рис. 13.17. Схемы примыкания по ти-
пу «трубы» (а) н «треугольника» (б)
ротные съезды на пересечении по
типу «клеверного листа». Однако
стоимость этого пересечения зна-
чительно выше в связи с необхо-
димостью постройки пяти путе-
проводов и выполнения больших
объемов земляных работ, посколь-
ку кольцо располагается в высо-
кой насыпи.
Движение по кольцу сопро-
254
На пересечениях дорог I—III категорий с дорогами более низ-
ких категорий для снижения строительных расходов часто устраи-
вают пересечения по упрощенной схеме, на которых автомобили,
поворачивающие иа дорогу высокой категории или съезжающие с
нее, осуществляют на второстепенной дороге левые повороты с пе-
ресечением встречных потоков движения.
Примером их являются пересечения по типу ромба (рис. 13.13)
или неполного распределительного кольца |рис. 13.14), а также пе-
ресечения по типу неполного «клеверного листа» (рис. 13.15), на
которых обеспечиваются беспрепятственные и безопасные условия
движения только для дорог с наибольшей интенсивностью движе-
ния. Съезды с этих дорог устраивают обязательно. С второстепен-
ной дороги, если интенсивность потока движения, поступающего с
нее на магистраль, невелика, съезды в отдельных направлениях не’
устраивают. Немногочисленные автомобили, которым нужно по-
пасть на магистраль, пользуются въездом для автомобилей, следу-
ющих в противоположном направлении, пересекая поток встречного
движения.
Надежность получаемых таким образом планировочных реше-
ний во многом зависит от обоснованности перспективных интенсив-
ностей движения по разным направлениям, установленных при
экономических изысканиях.
25fr
При выборе схемы неполного пересечения в разных уровнях, до-
пускающей пересечения в отдельных точках транспортных потоков,
из всех возможных вариантов предпочтение следует отдать схеме,
прн которой возникает меньше помех для движения, а степень его
безопасности выше. Для этой цели на основе эпюры интенсивностей
движения по разным направлениям намечают несколько вариантов
схем, пересечения, для которых строят эпюры интенсивностей дви-
жения.
Опасность дорожно-транспортных происшествий и взаимных
помех для движения оценивают суммой интенсивностей пересекаю-
щихся потоков.
Чем меньше эта сумма, тем рациональнее схема пересечения
(рис. 13.16).
Примыкания к автомобильным магистралям устраивают чаще
всего по схеме «трубы» или «треугольника» (рис. 13.17 и 13.18).
Применяемые на пересечениях в разных уровнях типы путепро-
водов не должны ограничивать видимости дороги. В наиболее удач-
лых конструкциях путепроводов отсутствует промежуточная опо-
ра на разделительной полосе.
13.5. Требования к элементам пересечений
в разных уровнях
Пересечения дорог в разных уровнях — сложные и дорогостоя-
щие сооружения, выбор схемы которых требует тщательного техни-
ко-экономического обоснования. Пересечения в разных уровнях
занимают большую площадь, а суммарная длина их съездов и пе-
реходно-скоростных полос иногда достигает 2—2,5 км. Поэтому,
чтобы уменьшить размеры пересечений, обычно допускают сниже-
ние скорости для автомобилей, осуществляющих лёвые повороты.
Значения радиусов кривых на съездах определяются условиями
удобства и безопасности проезда. Это подразумевает соблюдение
следующих условий:
допустимое из удобства движения значение коэффициента по-
перечной силы ц/=0,15-j-0,17;
удобство вписывания в петлю съезда автомобилей с прицепами;
удобство управления автомобилем при вписывании автомобилей
*в кривую во время входа с прямого участка на полосы съездов.
Въезд, сопровождающийся необходимостью крутого поворота с ос-
новной полосы движения, создает затруднения при управлении ав-
томобилем и опасность съезда автомобиля с полосы проезжей части
даже при небольшом превышении расчетной скорости.
Различие между расчетной скоростью движения на съездах и
средней скоростью транспортного потока на основной дороге не
должно быть слишком большим.
256
Таблица 13.1
Характеристики пересечения Значения параметров дли категорий дорог
I II Ш
Расчетная скорость иа съездах, км/ч: левой оворотиых >50 >50 >40
правоповоротных >60 >60 >50
Продольный уклон иа съездах, %0 <40 <40 <40
Наименьшие радиусы кривых в плайе иа съездах, м; левоповоротных типа «клеверный 60 60 50
лист» правоповоротных 150 150 100
Наименьшие радиусы вертикальных кривых на пересечениях, м: выпуклых 2500 2500 1500
вогнутых 1500 1500 .1300
Рекомендуются расчетные скорости на въездах и съездах, при-
веденные в табл. 13.1. Радиусы вертикальных кривых на съездах
должны рассчитываться на скорости, допускаемые на элементах в
плане. Съезды на пересечениях устраивают однопутными, но с уве-
личенной шириной проезжей части для пропуска автопоездов.
На левоповоротных петлях пересечений вне зависимости от их
планировки ширину проезжей части принимают равной 5,5 м, на
правоповоротных съездах — 5 м. Ширина обочин с внутренней сто-
роны кривых на съездах должна быть не менее 1,5 м, а с внешней
стороны — 3 м. Обочины на всю ширину должны иметь твердое
покрытие и отделяться от проезжей части краевыми полосами.
13.6. Сложные пересечения разных уровнях
На автомобильных магистралях с высокой интенсивностью дви-
жения, особенно при большой доле автомобилей, совершающих ле-
вые повороты^ в результате перепробегов автомобилей по левопо-
воротным петлям и происходящего при этом значительного сниже-
ния скорости суммарные потери автомобильного транспорта
становятся весьма ощутимыми. В таких случаях проектируют пере-
сечения с такими левоповоротными съездами, которые обеспечивают
возможность левых поворотов по кратчайшему направлению без
снижения скорости. Однако это связано с необходимостью осущест-
вления сложных и дорогостоящих сооружений в трех или четырех
уровнях (рис. 13.19). Их устраивают на автомобильных магистра-
лях, суммарная интенсивность движения по которым составляет не-
сколько сотен тысяч автомобилей в сутки. Как правило, схемы та-
ких пересечений представляют одинаковые удобства для движения
во всех направлениях и предполагают таким образом, что интен-
9-977 267
Рнс. 13.19. Четырехъярусное пересечение левоповоротного типа
сивности движения во всех направлениях одинаковы, а дороги рав-
нозначны по категориям.
На практике такие случаи сравнительно редки. Обычно интен-
сивности движения на съездах в разных направлениях существен-
но отличаются друг от друга. Это дает возможность снижать стои-
мость постройки пересечений путем индивидуального проектирова-
ния их схемы, обеспечивая большее удобство наиболее напряжен-
ным направлениям и меньшее для съездов, которыми пользуются
мало автомобилей.
258
Рис. 13.20. Классификация левоповоротных съездов пересечений в разных
уровнях
При выборе схемы пересечения дорог в разных уровнях стремят-
ся обеспечить следующие условия:
преимущественное удобство движения для основных транспорт-
ных потоков по интенсивности и значимости. Съезды с этих дорог
предусматривают обязательно;
безопасность и плавность разделения транспортных потоков;
отсутствие переплетения потоков движения на полосах проез-
жей части, предназначенных для автомобилей, следующих транзи-
том. Медленные грузовые автомобили, едущие по правой полосе
движения, при перестроении для съезда с дороги не должны пере-
секать путь движения более быстрых;
выполнение маневров слияния потоков движения не на основ-
ных, а на дополнительных полосах проезжей части. Точки разделе-
ния на основных полосах хотя и нежелательны, но создают меньше
помех для движения.
Возможны несколько типов размещения левоповоротных съездов
по отношению к геометрическому центру пересечения (внутреннее,
с обходом слева и внешнее, с огибанием справа) и к проезжей части
Для одностороннего движения — правосторонние и левосторонние
ответвления и примыкания (рис. 13.20). Левосторонние ответвления
9* 259
неудобны н опасны в условиях эксплуатации, так как идущие на
поворот грузовые автомобили пересекают полосу движения более
быстрых легковых автомобилей, следующих в прямом направлении.
Восемь типов начертания левоповоротцых съездов в сочетании с ле-
воповоротными петлями дают возможность составить большое ко-
личество, различных схем пересечений, многие из которых еще не
были осуществлены на практике.
В связи с многообразием возможных схем компоновки пересече-
ний в разных уровнях может быть использована буквенная система
их обозначения путем последовательного описания способов при-
мыкания левоповоротных съездов по четвертям окружности, начи-
ная с первой. Ответвления и примыкания справа обозначаются бук-
вой П, слева — Л; левоповоротная петля — буквой К. Внешний
Рис, 13.21, Примеры сложных пересечений
260
обход центра пересечения указы- м
вается буквой (П) внутренний —
(Л). Симметричные пересечения
можно обозначать сокращенно.
«Клеверный лист» записывается
как КККК, или 4К, а пересечение |
прямого левоповоротного типа —
4ПП (Л).
Пересечение, показанное на
рис. 13.19, может быть обозначе-
но как 4ПП (П).
На рис. 13.21 дано несколько
примеров сложных развязок, в
которых пересечения всех транс- Рнс. 13.22. Расположение съездов:,
портных ПОТОКОВ Происходят В а — рекомендуемое; б — нерекомендуемое
двух уровнях. Это связано с необ- ’
ходимостью отвода больших площадей земли и постройки восьми-
девяти мостов.
Схема пересечения так называемого турбинного типа (рис.
13.21, а) имеет девять путепроводов.
Схема пересечения (рис. 13.21, б) частично использует идею
распределительного кольца. Неудачно ответвление всех съездов от
левой полосы проезжей части. Этот недостаток частично устранен
на схеме рис. 13.21, в.
Схемы рнс. 13.21, г, д включают левоповоротные петли на двух
малозагруженных движением направлениях.
Схема рнс. 13.21, е представляет наибольшие удобства левопо-
воротным потокам движения. Радиусы левоповоротных и правопо-
воротных съездов равны между собой.
Схемы рис. 13.21, ж, з, и дают примеры схем пересечений с
внутренним обходом центра съездами.
Проектирование сложных пересечений в разных уровнях начи-
нается с вычерчивания эпюры интенсивностей движения по раз-
ным направлениям. На ее основе намечают варианты схем пересе-
чения, стремясь создать наиболее благоприятные условия для
проезда пересечения наиболее интенсивным поворачивающим
транспортным потоком. Необходимо учитывать конфигурацию тер-
ритории, которая может быть использована для постройки пересе-
чения. В ряде случаев она определяет выбор схемы пересечения.
Следующим этапом является определение элементов из условия
проезда с заданной расчетной скоростью и взаимная увязка их
плана и профиля, необходимая для ограничения продольных укло-
нов максимальным допустимым значениям 4О%о и размещения
путепроводов.
Схемы пересечений должны быть логичными с точки зрения на-
правления движения транспортных потоков. Наименее интенсив-
ная часть разделяющихся потоков должна отклоняться вправо,
261
транзитная — продолжать путь без изменения. Изменение направ-
ления движения должно быть плавным, места изменения должны
быть видны издалека.
Необходимо, чтобы расположение съездов было простым и по-
нятным для водителей. Наиболее рациональны пересечения, у ко-
торых ответвления совмещаются вместе. Такое решение облегчает
ориентировку водителей на пересечении, так как куда бы они ни
поворачивали, поворот начинается в одном месте (рис. 13.22). Это
упрощает перестроение автомобилей и расстановку указательных
знаков.
Желательно, чтобы на одной дороге большой протяженности
соблюдалось единообразие типов пересечений и во всяком случае'
одинаковая последовательность выполнения маневров поворота.
13.7. Пересечения автомобильных дорог
с железными дорогами
Пересечения в одном уровне автомобильных дорог с железными
дорогами являются очень опасными местами. Места их согласовы-
ваются с МПС. Пересечения следует^ устраивать вне пределов стан-
ций и маневровых путей, на прямых участках пересекающихся до-
рог, под углом не менее 60°.'
Пересечения дорог I—III категорий с железными дорогами сле-
дует проектировать в разных уровнях. На дорогах IV н V катего-
рий такие пересечения устраивают только при наличии трамвайно-
го н троллейбусного движения, на участках железных дорог с дви-
жением более 120 поездов/сут, при пересечении трех и более желез-
нодорожных путей, а также если железная дорога проходит в вы-
емке или не могут быть удовлетворены требования к видимости.
Рис. 13.23. Требования к видимости иа пересечениях автомобильных и железных
дорог:
/—'Линия, ограничивающая зону видимости переезда машинистом локомотива; 2-,то Йе
водителем автомобиля; £ — срезки для обеспечении видимости
262
На переездах через железную дорогу безусловное предпочтение
отдается движению поездов. Поэтому технико-экономическое обос-
нование целесообразности устройства пересечения с железной до-
рогой в разных уровнях сводится к учету потерь от простоев авто-
мобилей во время закрытия переезда и от снижения скорости транс-
портного потока на участках переезда.
Трасса дороги в районе пересечения должна удовлетворять тре-
бованиям к плавности, а на пересечениях в разных уровнях про-
дольный уклон подходов к путепроводу не должен превышать 40 % о-
Пересечения в одном уровне располагают на горизонтальном уча-
стке или на продольном уклоне, равном поперечному уклону вира-
жа железнодорожного пути при пересечении на кривой. Нельзя от-
водить воду от дороги в водоотводную систему железной дороги.
На подходах к путепроводам через железную дорогу предусмат-
ривают пешеходные и велосипедные (раздельные или совмещен-
ные) дорожки.
На переездах в одном уровне водитель должен видеть проез-
жую часть на переезде с расстояния не меньше расчетного рас-
стояния видимости. С этого расстояния он должен увидеть прибли-
жающийся поезд, когда тот находится не ближе 400 м от переезда.
Машинист должен видеть середину переезда с расстояния не ме-
нее 1 км (рис. 13.23). В случае необходимости должны быть уст-
роены срезки видимости.
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
И ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
Глава 14
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
14.1. Требования к устойчивости земляного полотна
Для нормальной эксплуатации автомобильных дорог необходи-
мо, чтобы ровность покрытий оставалась неизменной в течение все-
го периода эксплуатации дороги. Это может быть достигнуто толь-
ко при прочном и устойчивом земляном полотне, не дающем проса-
док и не подвержеииом процессам пучинообразования. Под проч-
ностью земляного полотна понимается его способность сохранять,
ие деформируясь при действии внешних сил и природных факто-
ров, приданные ему при строительстве форму и размеры; под устой-
чивостью— сохранение предусмотренного проектом положения в
пространстве без смещений и просадок.
При возведении земляного полотна часто нарушаются условия
равновесия поверхностных слоев земной коры. Прорезание наклон-
ных пластов грунта при устройстве выемок может вызвать ополза-
ние их откосов. Насыпи, отсыпанные на косогоре, могут смещаться
вниз по склону. Торфяные и водонасыщенные илистые основания
могут выжиматься из-под насыпи в сторону или медленно сжи-
маться под весом насыпи, отдавая насыщающую их воду. Кроме
сдвигов или перемещений насыпей как целого массива, возможны
деформации самой насыпи, вызываемые, например, уплотнением
насыпного грунта под влиянием природных воздействий, собствен-
ного веса и напряжений от проезжающих автомобилей (рис. 14.1).
Деформации от уплотнения грунта возможны не только в насы-
пях, ио также и в выемках и на участках с нулевыми отметками,
если материковый грунт в условиях естественного залегания недо-
статочно плотен (рис. 14.2). Потеря устойчивости земляного полот-
на может проявляться также в изменении приданной ему при по-
стройке правильной формы в результате оползания или бокового
выпучивания откосов.
Многолетний опыт дорожного и железнодорожного строитель-
ства позволил выработать конструкции устойчивого земляного по-
264
лотиа для благоприятных геологических условий — так называемые
типовые поперечные профили земляного полотна1 (см. п. 2.3). Од-
нако при неблагоприятных иижеиерно-геологических условиях ра-
боты земляного полотна, использовании для его возведения Специ-
альных рабочих процессов (гидромеханизации, взрывных методов),
а также при введении в конструкцию земляного полотна элементов,
существенно изменяющих его водно-тепловой режим и т. п., пре-
ходится разрабатывать индивидуальные проекты, обеспечивающие
устойчивость земляного полотна. Это относится к случаям построй-
ки высоких насыпей и глубоких выемок (более 12 м), возведения
насыпей на подтопляемых участках или из переувлажненных грун-
тов, на крутых косогорах, на слабых и неустойчивых основаниях, а
также выемок в переувлажненных грунтах и при наличии водонос-
ных слоев.
Методы расчета устойчивого земляного полотна основаны на за-
кономерностях механики грунтов. При этом приходится учитывать
сложные особенности работы земляного полотна.
1 Типовые конструкции и детали зданий и сооружений. Серия 3.503-32. Зем-
ляное полотно автомобильных дорог общей сети Союза ССР. Миитраисстрой
СССР, 1975.
Рис. 14.1. Виды деформаций иасыпей:
л —осадка от уплотнения грунта в теле
насыпи; б — деформация осадки от расте-
кания переувлажненного грунта; в — опол-
зание откоса насыпи; г — сползание насы-
пи по косогору; д — осадка со сжатием
грунта основания; е — осадка, а иногда бо-
ковое смещение, из-за выжимания слабо-
го основания; ж —смещение из-за ополза-
ния склона
Рис. 14.2. Виды деформаций выемок:
а — оползание откоса выемки в однород-
ном грунте; б — то же при слоистом на-
пластовании; в — выжимание слабого
грунта иа дне выемки под действием ве-
са откоса
265
Работа грунта в земляном полотне автомобильных дорог про-
текает в условиях переменной степени увлажнения и меняющихся
во времени температур, в результате чего сопротивление грунта
нагрузкам неодинаково в различные Периоды года, а в связи с
переменностью погодных условий и в разные годы. Таким обра-
зом, прочность земляного полотна непостоянна и его устойчивость
необходимо оценивать применительно к периодам наиболее небла-
, гоприятного состояния грунтов.
Расчеты устойчивости земляного полотна по необходимости
всегда связаны со схематизацией представления о механизме де-
формаций и с допущением однородности грунтов по свойствам в
пределах отдельных слоев. Поэтому при проектировании дорог на-
ряду с расчетами устойчивости земляного полотна никогда не сле-
дует пренебрегать возможностью учета опыта службы находивше-
гося в длительной эксплуатации земляного полотна автомобильных
и железных дорог, проходящих поблизости от проектируемой до-
роги.
Степень устойчивости земляного полотна против сползания,
просадки и других деформаций характеризуют коэффициентом ус-
тойчивости, который представляет собой отношение сил или их
моментов, удерживающих насыпь, к силам или моментам, сдвига-
ющим насыпь. Устойчивость слабых грунтов под нагрузкой от на-
сыпей иногда оценивают <коэффициентом безопасности» — отно-
шением максимальной выдерживаемой нагрузки к фактически
приложенной.
Расчеты устойчивости дорожных насыпей ведут., на собственный
вес грунта и дорожной одежды. Нагрузка от автомобилей являет-
ся дополнительной. Ее обычно учитывают, заменяя эквивалентным
сЛоем грунта установленные по полосам движения на проезжей
части и на обочинах колонны автомобилей или гусеничных нагру-
зок. В сейсмических районах учитывают влияние ускорений от
подземных толчков.
Коэффициент устойчивости запроектированного земляного по-
лотна («коэффициент безопасности») должен быть более 1.
Расчеты устойчивости грунтов в сооружениях, возведенных из
грунтов, и в основаниях сооружений должны основываться на на-
дежных значениях характеристик прочности грунтов, которые мо-
гут быть получены только путем их непосредственного определе-
ния в полевых условиях или испытания образцов с ненарушенной
структурой в лаборатории.
Характеристики грунтов, входящие в расчеты деформации и ус-
тойчивости оснований (модули упругости и деформации, коэффи-
циент Пуассона, угол внутреннего трения, сцепление), следует оп-
ределять с учетом напряженного состояния в условиях залегания,
а также возможного изменения его и водного режима в процессе
строительства и эксплуатации. Использование средних значений
характеристик различных типов грунтов, таблицы которых приво-
266
Влажность, в/о
Рис. 14.3. Пример графика расчетного
состояния грунта
дятся в нормах, допустимо лишь
для ориентировочной оценки
прочности или устойчивости со-
оружений на стадии разработки
вариантов.
Расчетное состояние грунта,
наиболее характерное для работы
его в сооружении, необходимо ус-
танавливать в каждом отдельном
случае на основе анализа назна-
чения сооружения и местных гео-
физических условий, учитывая,
что в результате возведения соо-
ружений или земляных работ мо-
гут существенно измениться усло-
вия залегания грунтов и их вод-
но-тепловой режим.
Характеристики прочности
грунта^. например сцепление с,
угол внутреннего трения р, модуль деформации Е, плотность грун-
та б, существенно зависят от влажности грунта и степени его уплот-
нения. Поэтому по предложению проф. Г. М. Шахунянца для точ-
ного учета свойств грунта в расчетах устойчивости сооружений по-
лезно строить по материалам лабораторных испытаний грунтов
графики различных характеристик при разной влажности и плот-
ности скелета грунта (рис. 14.3).
Испытания следует выполнять при состоянии грунта, соответ-
ствующем его работе в сооружении в наиболее опасные для ус-
тойчивости периоды, а схема деформирования грунта в приборе
должна соответствовать условиям его работы. Так, например, при
расчетах глубоких дренажных устройств водопроницаемость струк-
турных грунтов следует изучать на образцах с ненарушенной
структурой. Учет фильтрации воды через насыпь-плотину придо-
рожного водохранилища, отсыпанную из того же грунта, следует
вести на основе испытаний образцов, уплотненных до оптималь-
ной плотности после предварительного нарушения естественного
сложения.
Расчетные значения характеристик грунтов определяют мето-
дами математической статистики на основе испытаний достаточно
большого количества образцов с тем, чтобы получить устойчивые
средние значения. Число испытаний должно быть, тем большим,
чем ответственнее проектируемое сооружение. Расчетные значения
характеристик определяют
Лрасч = Лср ± у jy '
где Дер — среднее арифметическое значение показателя прочности по резуль-
татам параллельных испытаний; о — среднее квадратичное отклонение; N — чис-
267
др испытанных образцов; ^—коэффициент Стыодента, принимаемый в зависи-
мости от степени ответственности сооружения, характеризуемой коэффициентом
надежности а, и от количества испытанных образцов.
Для дорог I категории а=0,95, III категории <х=0,80 и IV и V
категорий у<х=0,70. Значения коэффициента Стыодента для на-
дежности <х=0,95 меняются от 4,3 при V=3 до 2,05 при V=30.
. Знаки < + » и «—» в формуле принимают таким образом, чтобы
это приводило к меньшим значениям коэффициентов устойчивости.
Разделение грунтовой толщи на характерные слои и установле-
ние для них расчетных характеристик требуют большого внимания
при инженерно-геологических обследованиях.
Обычно различают два случая грунтовых напластований:
сравнительно однородные слои с незначительными колебаниями
свойств. В этом случае при расчетах можно использовать средние
значения характеристики грунтов;
наличие в грунтах слоев, резко отличающихся от смежных сло-
ев, свойства которых определяют деформации массива. Последнее
характерно, например, для оползней консеквентного типа и насы-
пей на сапропелевых болотах, покрытых растительным ковром
спдавины. В пределах каждого слоя пользуются осредненными зна-
чениями характеристик.
. Отдельные грунтовые слои, различающиеся по свойствам, вы-
деляют, строя график зависимости характеристик грунта, приме-
няемых в расчете, или его физических характеристик (плотность,
влажность и др.) от глубины взятия образцов для испытаний.
Группировки точек позволяют выделять характерные напластова-
ние,. За однородные могут быть приняты слои, в пределах которых
коэффициент пористости изменяется не более чем на 0,2, а влаж-
ность глинистых грунтов в пределах естественного залегания — не
более чем на 8%.
14.2. Расположение грунтов в земляном полотне
Применительно к использованию для устройства земляного по-
лотна различают несколько видов грунтов.
Крупнообломочные скальные грунты — обломки скальных по-
род, получаемые при искусственной разработке или залегающие в
естественных условиях в виде аллювиальных или делювиальных
отложений.
Различают глыбовые (валунные) и щебенистые (галечнико-
вые) грунты. Эти грунты являются хорошим материалом для воз-
ведения насыпей, поскольку они устойчивы против воздействия те-
кущей воды и не поглощают влагу. Проникание воды в промежут-
ки между обломками разрушенной скальной породы, если она не
268
является слабой и быстровыветривающейся, не влияет существен-
но на прочность и устойчивость земляного полотна. Однако исполь-
зование крупнообломочных скальных грунтов встречает затрудне-
ния из-за трудности их уплотнения. Между скальной отсыпкой и
дорожной- одеждой должен быть устроен переходный грунтовой
слой толщиной 0,5 м.
Близки по свойствам к каменистым грунтам отходы промыш-
ленности — кислые и нейтральные металлургические шлаки, хоро-
шо обожженные горелые породы отвалов каменноугольных шахт,
которые без ограничений допускаются для отсыпки насыпей.
Гравийные и песчаные грунты водопроницаемы и не склонны к
накоплению влаги при промерзании. Насыщение водой мало влия-
ет на устойчивость этих грунтов в земляном* полотне. Песчаные
грунты (за исключением мелких пылеватых песков) представляют
собой наилучший материал для насыпей, возводимых в неблаго-
приятных гидрологических условиях—на заболоченных участках
и на поймах рек. Грунты, имеющие коэффициент фильтрации бо-
лее 0,5 м/сут, относят к дренирующим.
Супесчаные грунты обладают связностью в сухом состоянии,
при увлажнении они сохраняют сопротивление нагрузкам, доста-
точное для устойчивости земляного полотна. Насыпи из супесча-
ных грунтов можно устраивать как в сухих, так и в переувлажнен-
ных местах.
Пылеватые супесчаные грунты, содержащие более 50% частиц
диаметром мельче 0,25 мм, мейее устойчивы в переувлажненном
состоянии. При промерзании они склонны к накоплению влаги и
пучению.
Пылеватые суглинки и тяжелые пылеватые супеси, содержащие
большое количество фракций размером 2,0—0,05 мм, особенно
подвержены процессам зимнего влагонакопления и пучинообразо-
вания. В откосах земляного полотна эти грунты легко размывают-
ся и приходят в текучее состояние. Поэтому на дорогах с усовер-
шенствованными капитальными типами покрытий верхнюю часть
земляного полотна из пылеватых грунтов и пылеватых суглинков
в неблагоприятных гидрологических условиях заменяют устойчи-
выми грунтами (рис. 14.4).
Суглинистые грунты являются хорошим материалом для земля-
ного полотна. Они хорошо сопротивляются размыву и устойчивы
в откосах. В пойменных суглинистых насыпях при спаде высоких
вод обратное движение воды, ранее проникшей в насыпь, может
вызвать гидродинамическое давление, приводящее к обрушению
откосов.
Глинистые грунты обладают значительной связностью и очень
малой водопроницаемостью, в связи с чем они медленно насыща-
ются водой и столь же медленно просыхают. Эти грунты применя-
ют, если их влажность в условиях естественного залегания не пре-
вышает оптимальную, для отсыпки насыпей в сухих местах и в ме-
269
Рис. 14.4, Замена неустойчивых грун-
тор:
а — в насыпях; б — в выемках; 1 — моро-
зоустойчивый грунт; 2 —«присыпные обочи-
ны из устойчивого грунта; 3 —* возвышение
> низа мороэоэащитного слоя над\уровием
воды в канаве не менее 0»2 м; Л —не ме-
нее 0,8 м
стах, увлажняемых на короткое время. В переувлажненном состо-
яний глинистые грунты переходят в мягкопластнчное и текучее со-
стояние и липки.
Торфы, образующиеся при отмирании болотной растительности,,
характеризуются значительной сжимаемостью и влагоемкостью.
Использование их в земляном полотне не допускается, за исклю-
чением случаев укладки сильно волокнистых торфов в нижнюк>
часть насыпи на пересечениях торфяных болот на дорогах с пере-
ходными и низшими типами покрытий.
Илистые грунты, сапропели и органо-минеральные в условиях
естественного залегания отличаются значительной влажностью и
малым сопротивлением сдвигу. Высохшие грунты при повторном,
увлажнении быстро теряют связность и могут приходить в плывун-
ное состояние. Допускается при условия ряда ограничений остав-
лять их в основаниях насыпей с обязательной проверкой устойчи-
вости.
Содержание в грунтах растворимых солей и органических ве-
ществ (засоленные н заторфованные грунты и отчасти черноземы)
вызывает существенное изменение их физико-механических свойств.
Особенности проектирования земляного полотна из таких грунтов,
рассматриваются в разделе о проектировании дорог в сложных гео-
физических условиях.
Существует ряд горных пород и отходов промышленности, ра-
нее не допускавшихся в насыпи из-за опасения нх распада, измене-
ний объема или перехода в текучее состояние даже при сезонных
изменениях водно-теплового режима земляного полотна. К их чис-
лу относятся -горные породы, образовавшиеся в результате уплот-
нения и цементации* глинистых грунтов, нольдиевые глины, аргил-
литы, мергели, сланцевое глины, а также меловые грунты, алевро-
литы, топливные шлаки, золы ТЭЦ и т. п.
В последние годы в строительстве все чаще начинают применять
грунты искусственного («техногенного») пронсхождення — земли-
стые отходы производства — шлаки, золы ТЭЦ н установок для*
сжигания бытовых отходов, формовочные земли, отходы обогати-
тельных фабрик с малым содержанием органических включений,,
цементную пыль и другие материалы. Многие ‘из этих материалов
по зерновому составу близки к грунтам, а некоторые обладают вя-
жущими свойствами. Использование их в дорожных насыпях имеет*
большое значение с точки зрения охраны окружающей среды, по-
270
Ж 2?/' 22/3n?'
Рис. 14.5. Размещение в земляном полотне водонепроницаемого н водопроницае-
мого грунтов (точками показан водопроницаемые грунт, штриховкой — водоне-
проницаемый)
скольку отвалы этих материалов занимают большие площади, а со-
держащиеся в них растворимые соединения загрязняют поверхно-
стные и грунтовые воды.
В настоящее время доказано, что при рациональном располо-
жении в теле земляного полотна, обеспечивающем стабильндсть
водного режима и защиту от доступа к ним влаги, практически все
эти материалы можно использовать в земляном полотне, сконструи-
рованном по индивидуальным проектам. ’ .
При использовании для постройки насыпей грунтов различного
состава и свойств необходимо соблюдать определенные правила
размещения их в теле насыпи, обеспечивающие устойчивость зем-
ляного полотна (рис. 14.5):
верхний слой земляного полотна («рабочий слой»), на который
передается давление от проезжающих транспортных средств, до
глубины 1,2 м от поверхности цементобетонных и 1 м асфальтобе-
тонных покрытий во II дорожно-климатической зоне и соответст-
венно на 1 и 0,8 м в III зоне должен состоять из грунтов, не подвер-
женных пучению или слабопучинистых грунтов. В IV и V зонах он
.должен быть отсыпан из непросадочных и ненабухающих грунтов
на глубину 1 и 0,8 м соответственно для цементобетонных и ас-
фальтобетонных покрытий;
разнородные грунты следует размещать в теле насыпи горизон-
тальными слоями. Менее водопроницаемые грунты располагают в
нижних слоях, хорошо дренирующие — в верхних. Исключением яв-
ляются случаи, когда дренирующий грунт предназначен для пре-
рывания капиллярного поднятия воды в насыпь нз переувлажнен-
ного основания;
поверхностям слоев водонепроницаемых грунтов необходимо
придавать двухскатный поперечный профиль с уклоном 20—4О%о,
что способствует стоку из насыпн просачивающейся воды; из слоев
водопроницаемых грунтов должен быть обеспечен вывод воды на
откосы;
грунты и промышленные отходы, подверженные изменениям
объема или теряющие устойчивость при увлажнении, следует рас-
271
полагать в средней по высоте части насыпей, перемежая их от-
дельными тонкими прослойками песка или фильтрующих нетканых
синтетических материалов — геотекстиля. Насыпи в виде замкну-
того ядра из одного грунта, прикрытого сверху и с боков другим
грунтом, допускаются лишь при уширении земляного полотна при
реконструкции дорог. Не разрешается уширение водонепроницае-
мым грунтом насыпей, построенных из дренирующего грунта;
воспрещается бессистемная, случайная отсыпка различных по
свойствам грунтов. При такой отсыпке в теле насыпи могут обра-
зоваться линзы, в которых может скапливаться вода или наклонные
поверхности, по которым при увлажнении возможно оползание.
14.3. Требовании к степени уплотнения грунтов
земляного полотна
Чтобы в теле насыпи не возникало просадок от уплотнения под
действием собственного веса, давления проезжающих автомобилей
и попеременного увлажнения и просыхания, пористость грунта
должна соответствовать напряжениям, действующим внутри насыпи
(рис. 14.6). Напряжения от собственного веса грунта возрастают
пропорционально глубине расположения рассматриваемого слоя от
поверхности покрытия. Внешняя нагрузка создает напряжения, за-
тухающие ца некоторой глубине от поверхности. При невысоких на-
сыпях напряжения от транспортных нагрузок распространяются в
подстилающий грунт и могут вызывать его уплотнение и просадку
насыпи (рис. 14.7). В нижней части подталкиваемых водой насы-
пей могут действовать капиллярное давление, а также напряжения»
развивающиеся при усадке грунта во время его просыхания после
спада высоких вод.
Для определения необходимой степени уплотнения грунтов вы-
соту насыпи разделяют на несколько зон. Требуемая степень уп-
лотнения грунта в каждой из зон назначается в соответствии с дей-
ствующими в ее пределах напряжениями и водно-тепловым режи-
мом грунта.
Требования к уплотнению грунтов земляного полотна нормиру-
ют по значению плотности скелета грунтов бп, которую выражают
в долях от максимальной стандартной плотности бтах> соответст-
вующей так называемому стандартному уплотнению, выполняемо-
му в лаборатории при оптимальной влажности грунта. Отношение
бп/dmax называют коэффициентом уплотнения.
Оптимальной влажностью называют влажность, при которой не-
обходимое уплотнение грунта может быть достигнуто при меньшей
работе на уплотнение по сравнению с другими влажностями. Эта
влажность близка к среднему значению влажности грунта в резер-
вах в период выполнения земляных работ во II и III дорожно-кли-
матических зонах СССР.
272
к
Рис. 14.6. Распределение верти-
кальных сжимающих напряже-
ний в насыпях:
Рис. 14.7. Зависимости для определения глуби-
ны, иа которую должен быть уплотнен rpywt
подстилающий высокую насыпь:
/ — внешняя нагрузка; 2 —> напря-
жения от внешней нагрузки; 3 —
напряжения от собственного веса
грунта; 4 — суммарная эпюра на-
пряжений
а — изменение напряжений и коэффициента по-
ристости е по глубине; б — компрессионная крива*
подстилающего грунта; —коэффициент пористости,
соответствующий давлению иасыии; е?— коэффициент
пористости подстилающего грунта; / — напряжение
от собственного веса грунта; 2 — напряжение от вес*
насыпи; 3 — суммарное напряжение в Грунте
В верхнем слое насыпи («рабочий слой>) толщиной до 1,5 м и
пределах зоны сезонного промерзания в выемках и основаниях низ-<
ких насыпей до глубины 1,2 м действуют статические и динамичен
ские напряжения от проезжающих автомобилей, а также интенсив-
но протекают процессы увлажнения и просыхания грунта в кругло-
годичном цикле изменения водного режима земляного полотна.
Уплотнение грунтов в этой зоне должно соответствовать для связ-
ных грунтов давлению внутренних сил, вызывающих усадку, а для
супесей, легких суглинков и песков — напряжениям от автомобилей.
Грунты, чрезмерно уплотненные в период строительства, в клима-
тических районах, где в зимний период происходят интенсивные
процессы миграции влаги и накопления ледяных линз, после не-
скольких лет эксплуатации претерпевают некоторое разрыхление,
поэтому их при строительстве уплотняют сильнее.
В средних слоях насыпей на расстоянии до 6 м от бровки при
отсутствии подтопления и ниже слоя сезонного промерзания в вы-
емках водный режим грунта относительно постоянен, а напряже-
ния от внешней нагрузки и собственного веса грунта меньше, чем
в рабочем слое. В пределах этой зоны может быть допущена не-
сколько меньшая степень уплотнения грунта, чем в верхних слоя;.
Для нижних слоев насыпей на глубине от бровки более 6 м, где
грунт при кратковременных подтапливаниях может подвергаться
капиллярному увлажнению и последующему просыханию, к степе-
ни уплотнения грунтов предъявляются требования, близкие к тре-
бованиям к верхним слоям насыпей.
В насыпях на участках, подтапливаемых водой длительное вре-
мя, нижние слои, постоянно расположенные ниже уровня води, ра-
ботают в условиях сжатия под влиянием веса вышерасположенных
273
Таблица 14.1
Элементы земляного иолотна Глубина расположения слоя, м Наименьший коэффициент уплотнения грунта в разных климатических зонах
I II, ш IV. V
Рабочий слой иасы- ли Неподтапливаемая часть иасыпи Подтапливаемая -часть иасыпи Рабочий слой выем- ки ниже зоны сезон- ного промерзания До 1,5 От 145 до 6 Более 6 От 13 до 6 Более 6 До 13 > 0,8 0,98—0,96 1,0—0,98 0,98-0,95/0,95 0,95/0,90 0,95/0,90 0,95/0,95 0,98/0,95 0,95-0,92/0,90
0,95—0,93 0,95—0,93 0,98—0,95 0,95/0,95 0,98/0,95 0,98—0,95
0,93 0,95/0,93 0,96—0,95
0,95—0,93 0,96/0,95 0,95 0,98/0,95 0,95/0,95—0,92
Примечание. В числителе даны значения уплотнения грунтов при устройстве
-одежд капитального тниа, в знаменателе — облегченного. Ббльшне значения относятся к
цементобетоиным иокрытням и одеждам с цементогрунтовыми основаниями.
слоев насыпи и внешней нагрузки. В них устанавливается степень
уплотнения, соответствующая компрессионной зависимости.
В связи с различием в условиях работы грунтов в разных слоях
насыпи в разных климатических зонах и в зависимости от типа ук-
ладываемой на нее дорожной одежды требования к коэффициенту
уплотнения насыпей меняются (табл. 14.1).
14.8).
(141)
поверх-
14.4. Устойчивость земляного полотна на косогорах
Насыпь, возведенная на косогоре, может сползти вниз, если на-
правленная параллельно косогору составляющая ее веса окажется
больше силы трения, удерживающей насыпь на месте (рис.
Согласно рис. 14.8 удерживающая сила
/? = Q/cosa,
. где Q — вес насыпи; f — коэффициент трения насыпного грунта по
ности косогора; а — уклон наклона косогора.
Сила, сдвигающая насыпь, f=Qsin«.
Отсюда коэффициент устойчивости насыпи против сдвига
______________________R _ Qf cos а__f_
у ~ F ~ Q sin а — I
где I — поперечный уклон косогора.
Мероприятия по повышению устойчивости насыпей на косогорах
сводятся к увеличению значения коэффициента трения f. При по-
274
(14.2)
перечном уклоне местности от . - .. . ч.-х
1: 10 до 1:5 из-под насыпи обя- У;
зательно удаляют дерн. При
поперечном уклоне ^местности
от 1:5 до 1:3 иа поверхности
косогора устрагивают уступы L
высотой 0,5 м. р g Силы, действующие иа иа-
Разделка косогора ступени- сыпь иа косогоре
ми преследует цель заменить
недостаточное сопротивление
скольжению грунта по поверхности косогора более высоким сопро-
тивлением срезу насыпного грунта 5 цо той же поверхности. Прк
этом предполагается, что грунт косогора настолько прочей, что
срез может произойти только по сечению насыпного грунта. На ко-
согорах, сложенных из песков или слабосвязных щебенистых грун-
тов, устройство уступов не достигает цели. В подобных случаях, д
также при уклоне местности более 1:3, для обеспечения устой-
чивости насыпи необходимо возводить подпорные стены или отсы-
пать контрбанкеты.
Если насыпь возведена на наклонных напластованиях, залегаю-
щих на устойчивых горных породах, подстилающий грунт в резуль-
тате нагрузки от веса насыпи может оползти. Аналогичное явление
может наблюдаться при подрезании откосом выемки наклонных
слоев грунта.
По предложенному проф. Г. М. Шахунянцем методу проверка
устойчивости сводится к выделению в оползающей части массива
в соответствии с очертаниями поверхности скольжения вертикаль-
ных отсеков (рис. 14.9) таким образом, чтобы основание отсека
можно было принять прямолинейным, и к оценке устойчивости
каждого из отсеков под влиянием собственного веса и передающе-
гося давления смежных отсеков. При этом каждый отсек рассмат-
ривается как затвердевший массив.
Давление, передающееся от t-ro отсека на нижерасположенный
(<’+ 1)-й отсек,
F/» F/—1 cos (а/ — а/_i) + Qi sin а — Q/ cos а/ tg у — cLif (14.3)
где ^<-1 — давление, передающееся от отсека, расположенного выше; Qi —
вес отсека и приходящаяся на него сила давления иасыпи; —длина поверх-
ности скольжения; ф— угол внутреннего трения сползающего грунта; с — сцеп-
ление грунта.
Если для вышерасположенной секции сила Л-i имеет отрица-
тельное значение, то ее в расчет не вводят.
Коэффициент устойчивости каждого отсека
Qi cos о/ tg у + cLj
Fl— 1 cos (а/ — «z—i) + Q sin а/
(14.4)
275
Рис. 14.9. Схема к определению устойчивости грунта против сползания по плот-
ным подстилающим породам:
а — разбивка иа отсеки; б — условия равновесия одного отсека
Последовательно рассматривая условия устойчивости группы
отсеков, можно определить места наиболее вероятного возникнове-
ния трещин разрыва, соответствующие границам отсеков со значе-
ниями Ку? , меньшими 1, и мест образования бугров выпирания у
нижних границ тех же отсеков.
14.5. Устойчивость земляного полотно
нв слабых основаниях
К слабым относят грунты, которые теряют устойчивость поД
действием собственного веса в откосах выемок типового попереч-
ного профиля и под давлением насыпей в их основаниях, а также
претерпевают значительные и медленно протекающие осадки. К их
числу относят грунты, имеющие при угле внутреннего трения ср,
близком к нулю, сопротивление сдвигу, измеренное в условиях ес-
тественного залегания прибором вращательного среза, не более
0,075 МПа, и модуль деформации Е^5 МПа.
Насыпи, возведенные на слабых основаниях (торфах, сапропе-
лях, илах, мокрых солончаках, лёссовых грунтах, переувлажненных
глинистых грунтах, иольдневых глинах и др.), могут значительно
проседать из-за уплотнения грунта основания и его выжимания в
стороны из-под насыпи. Деформации чаще всего происходят в пе-
риод строительства или вскоре после возведения насыйи, но в не-
которых случаях могут возникать и во время последующей эксплу-
атации, например при длительной стоянке тяжелых нагрузок на на-
сыпях, отсыпанных на болоте, или в результате застоя воды около
насыпей на просадочных.грунтах.
Зависимость между давлением на грунт и его просадкой в об-
щем виде выражается кривой, представленной на рис. 14.10. На этой
кривой могут быть выделены участки, характеризующие разные фа-
зы процесса деформации. В пределах участка ОА зависимость меж-
ду нагрузкой и деформацией близка к прямолинейной, здесь проис-
276
ходит преимущественно сжатие подстилающего грунта. При даль-
нейшем возрастании нагрузки в отдельных точках подстилающего
грунта касательные напряжения начинают превышать его сопротив-
ление сдвигу. В этих местах возникают пластические деформации
(деформации сдвига). По мере возрастания давления число таких
мест увеличивается, осадка насыпи растет и начинается выжимание
из-под нее грунта, сопровождающееся образованием бугров по бо-
кам насыпи и ее просадкой.
При проектировании насыпей на слабых основаниях в завися-
мости от назначения насыпей предусматривают работу оснований
в следующих фазах:
в первой фазе деформаций— насыпи на дорогах с капитальны-
ми цементобетонными и асфальтобетонными покрытиями (расчет
на полное отсутствие сдвигов в основании) ;
в начальном периоде второй фазы — деформации насыпей на до-
рогах с покрытиями облегченных типов (ограничение распростра-
нения сдвигов заданным значением);
в конечном периоде второй фазы — струенаправляющие и регу-
ляционные сооружения, дороги местного значения с покрытиями пе-
реходных типов (условия, близкие к предельному равновесию).
Напряжения в грунте основания, вызываемые нагрузкой от на-
сыпей, определяют по формулам теории упругости для бесконечной
гибкой полосы, загруженной в поперечном сечении по закону тра-
пеции. Это не вносит существенной погрешности в результаты рас-
четов, так как в этом случае напряжения очень мало отличаются от
напряжений в случае приложения такой же нагрузки к гибкой пло-
щадке равной ширины с соотношением сторон 1:10.
Рис. 14,10. Зависимость между нагрузкой и деформацией:
«г — кривая зависимости между нагрузкой и деформацией; б — деформации насыпей иа
слабом грунте, соответствующие разным фазам информации; /—1-я фаза (уплотнение);
2 —2-я фаза (уплотнение и боковые сдвиги); 3 — 3-и фаза (резкая просадка, вызываемая
«боковым выпиранием грунта основания) (стрелками показано преимущественное направле-
ние перемещения грунта при деформации)
277
Рис. 14.11. Схема к определению на-
пряжений в грунте от веса дорожной
насыпи
Расчет на полное отсутствие
сдвигов в основании требует, что-
бы наибольшее касательное на-
пряжение под нагрузкой от насы-
пи не превышало сопротивления
грунта сдвигу.
При этом принимают, что со-
противление грунта на глубине z
от подошвы насыпи
где у — плотность грунта основания с
учетом взвешивающего действия грунто-
вой воды; — сцепление; <р« — угол
внутреннего трення.
Значения cw назначают в зависимости от влажности грунта ос-
нования: при быстром загружении — при влажности в условиях ес-
тественного залегания, при медленном загружении — при влажно-
сти, соответствующей закончившемуся процессу уплотнения под ве-
сом насыпи. Значения <pw принимают в зависимости от скорости
приложения нагрузки. При мгновенном приложении нагрузки q)w=^
=0.
В запас прочности иногда пренебрегают влиянием угла внутрен-
него трения, который у слабых грунтов относительно невелик,-т. е_
при проектированни стремятся обеспечить соотношение ттах<Сю-
Максимальные касательные напряжения под насыпью
ла г "2^3
(14.5>
Для точек, расположенных на осн насыпи, где максимальные
касательные напряжения имеют наибольшее значение, зависимость
упрощается:
ттах = —— In
ла
г2 + (д -! 6)2
«2+ 42
(14.6)
Значения входящих в формулу членов показаны на рнс. 14.11.
Углы а должны быть выражены в радианах.
При встречающихся на практике высотах насыпей и колебаниях
крутизны их откосов величины максимальных касательных напря-
жений изменяются в пределах от ттах=0,27р до ттах=0,ЗЗр (где
р— давление насыпи на грунт). Поэтому можно считать, что на-
сыпь устойчива против образования сдвигов в основании при соблю-
дении условия p^3cw.
Случай допущения частичного развития в грунте пластических
деформаций наиболее сложен. Еще отсутствует общепризнанная
точка зрения на допустимую глубину распространения зон пласти-
ческих деформаций в толщу слабого грунта, а точные методы рас-
278
Рис. 14.12. График значений коэффициента 0 ери <р«0 (а) н при ф—50 (б)
Значения отношение Зв/6: 7 — 10,0; 2 — 3,0; 3 — 1,0; 4 — 0.6; 5 — ОД
чета напряжений при упругопластических деформациях грунта под
насыпями еще не разработаны.
Если исходить из принятого в фундаментостроении решения о
допустимости распространения пластической зоны на глубину, рав-
ную четверти ширины иасыпи понизу и заменить трапецеидальную
эпюру .нагрузки равновеликой по площади прямоугольной с основа-
нием В, то допустимое давление на грунт с плотностью б
( B cw ctg <р \ яб
Рим — I л + . I —
\ 4 о J rt
ctgT_T_ —
(14.7)
При быстрой отсыпке насыпей на водонасыщенное слабое осно-
вание предельная допустимая нагрузка по В. Д. Казарновскому
определяется минимальным значением, вычисленным для разных
относительных глубин г/6,
„ _ С”4 + У* tg ?иач
Рит — д ' 1 •
где сВач, фвач — сцепление и угол внутреннего трения грунта основания при
влажности в условиях естественного залегания; у —средняя плотность грунта
основания; 0—функция <рВач, формы эпюры нагоузки 2afb и относительной глу-
бины z/b.
Примеры графиков для определения 0 для фнач"0 и 5° приве-
дены на рис. 14.12.
Если грунты оснований деформируются в условиях третьей фа-
зы, выжимание из-под насыпи однородного грунта, залегающего на
значительную глубину, происходит с образованием в нем криволи-
нейных поверхностей скольжения (рис. 14.13). Просадка насыпи
279
Рис. 14.13. Схема к определению
устойчивости насыпей на слабых ос-
нованиях:
а — схема осадки иасыпи с выжиманием
грунтов основания и образования валов-
взбугриваиия; б — теоретическая схема
образования призм выпирания по
Л. Праидтлю; в — пластическое течение
грунта, сжимаемого между двумя жестки-
ми плитами; г — схема к расчету устойчи-
вости насыпи иа тонком слое слабого
грунта по Л. К. Юргенсону; / — вал вы-
пирания; 2 — первоначальная поверхность
грунта; 3 — призма выпирания; 4 — зоны
пластических сдвигов; 5 — уплотненный
клин вдавливания
может происходить как с двусторонним, так и с односторонним вы-
пиранием подстилающего грунта.
При возведении насыпи на слабых основаниях, мощность кото-
рых велика по сравнению с шириной ее понизу, давление от на-
сыпи, вызывающее боковое выпирание однородного грунта, может
быть определено по формулам механики грунтов, рассматриваю-
щим устойчивость грунтов в основаниях из условия предельного
равновесия.
Предельное давление от насыпи, превышение которого вызыва-
ет выжимание из-под нее гранта, по формуле Прандтля с поправ-
кой Тейлора на влияние собственного веса грунта составляет
1 4- sin <р
р = (8А + cw ctg <р) -;-exp л tg <р — cw ctg <р, (14.8>
1 — sin
где б — плотность грунта; Д — глубина погружения насыпи в грунт; с» —
сцепление грунта; (р — угол внутреннего трения.
Если давление насыпи на грунт р\ превышает предельное зна-
чение давления на грунт, при Д = 0 возникает боковое выжимание^
прекращающееся после достижения осадкой такого значения, при
котором давление Pi = p.
Метод расчета по условиям предельного равновесия применим
для случаев, когда толщина слоя деформируемого грунта под на-
сыпью составляет не менее чем 1,5 ширины насыпи понизу. При-
меньшей толщине деформируемого слоя для оценки предельного
значения давления на грунт должен быть применен метод оценки
сопротивления выдавливанию тонких слоев слабого грунта (рис.
14.13,в), разработанный акад. Л. К- Юргенсоном. Этот метод осно-
вывается на анализе пластического течения слоя материала, сжи-
маемого между двумя параллельными жесткими поверхностями.
Сопротивление выдавливанию слабых оснований под насыпями
с параболическим очертанием подошвы принимают в 2 раза мень-
шим.
280
Предельная нагрузка на грунт, вызывающая его выжимание из-
лод насыпи с горизонтальным основанием, например возведенных
на накатнике из бревен, по Л. К- Юргенсону составляет
р = сВ[Н, (14.9)
где с—сцепление грунта; В — ширина насыпи понизу; И — толщина слоя
слабого грунта.
Для повышения устойчивости насыпей против выпирания ела*
бых грунтов в основании предусматривают ряд мероприятий:
уменьшение собственного веса насыпи, что достигается возведе-
нием ее из легких материалов (керамзита, котельного шлака или
торфа), сооружением ячеистой насыпи из тощего бетона на легком
щебне, в котором устроены воздушные прослойки путем закладки
поперек насыпи пластиковых труб, или уменьшением высоты насы-
пи с устройством в ней гидроизоляционных прослоек;
увеличение коэффициента заложения откосов до 1:5—1: 10, что
снижает касательные напряжения в грунте основания;
отсыпка рядом с насыпью вдоль ее откосов берм, вес которых
противодействует выжиманию боковых призм подстилающего грун-
та. Размеры берм могут быть рассчитаны по уравнению (14.8) ис-
ходя из нагрузки ф=ОД, обеспечивающей устойчивость;
прокладка дороги на эстакаде и передача веса насыпи на плот-
ный подстилающий грунт через свайное основание;
отсыпка насыпи на жесткий настил, равномерно распределяю-
щий давление насыпи на большую площадь и препятствующий не-
равномерному погружению насыпи в грунт с максимумом в сере-
дине. Считают, что при этом прочность основания увеличивается на
10—20%. Некоторое повышение жесткости нижней части насыпи и
противодействие неравномерному погружению грунта насыпи в
подстилающий грунт достигается также устройством под насыпью
прослойки из' нескольких слоев прочного синтетического материа-
ла — геотекстиля. Сопротивление заведенных в тело насыпи на до-
статочное расстояние концов полос геотекстиля препятствует ббра-
зованию выпуклого очертания подошвы насыпи, способствующей
ее погружению в слабое основание с выжиманием грунта в сто-
роны;
уменьшение толщины слоя слабого грунта путем удаления его
верхней части на основе расчета по уравнению (14.7);
предварительное (до отсыпки) осушение основания в случае
возможности отвода воды в сторону или с применением иглофиль-
тров. Этим повышаются сцепление и внутреннее трение грунта,
а уплотнение основания под действием собственного веса проте-
кает более быстро;
постепенное замедленное возведение насыпи с учетом нара-
стания прочности слабого грунта по мере его уплотнения с вы-
жиманием воды весом насыпи. Эффективным средством ускоре-
ния осадки является устройство вертикальных дрен.
281
Целесообразность применения того или иного способа должна
быть основана экономическим сравнением с наиболее распростра-
ненным и испытанным решением — удалением слабого грунта и
отсыпкой иасыпи иа расположенный ниже плотный грунт. Если
насыпь иа слабом основании устойчива против выпирания, должна
быть рассчитана ее осадка для оценки дополнительных объемов
земляных работ, необходимых для компенсации сжатия.
14.6. Определение осадки насыпей
Расчет осадки насыпей от сжатия подстилающего грунта сво-
дится к суммированию деформаций отдельных слоев от верти-
кальных напряжений. При слабых грунтах происходит и частич-
ное выдавливание грунта в сторону, создающее дополнительную
осадку, ио способы точного учета этого явления еще не разра-
ботаны.
Вертикальное нормальное напряжение от веса дорожной иа-
сыпи в подстилающем грунте (см. рис. 14.11):
* I
р
9g-—--[a(aj+ a2+ as)+ i(aj + as) +л (аг — as)J. . (14.10>
ла
При расчетах осадки насыпей сжатие грунтового основания
вычисляют в пределах ограниченного по глубине слоя грунта
(активной зоны), условно принимая, что сжатие грунта прекра-
щается на глубине, иа которой напряжения, вызываемые весом
иасыпи, становятся менее 0,2 от давления собственного веса
грунтового основания 6Z. При сильно деформируемых грунтах
целесообразнее принимать az—0,1 бх.
При подсчете давления от собственного веса грунта для слоев,
расположенных ниже уровня грунтовых вод, а также в зоне пол-
ного капиллярного водонасыщеиия грунта ниже уровня менисков,
учитывается взвешивающее действие воды. В этом случае плот-
ность грунта приближенно принимают равной 1 г/см3.
Осадку определяют суммированием деформаций отдельных
слоев грунта, в пределах которых иапряжеииое состояние и харак-
теристики деформации грунта (модуль деформации, параметры
компрессионной зависимости) могут быть приняты постоянными.
При этом фактическая эпюра распределения давления заменяется
ступенчатой (рис. 14.14). Толщина выделяемых слоев ие должна
превышать 0,4 ширины иасыпи понизу.
Сжимаемость сравнительно плотных грунтов характеризуют
модулем деформации, значение которого определяют испытанием
пробными нагрузками. В этом случае сжатие выделенного слоя
толщиной Л
ЛА
282
Рис. 14.14. Расчетная схема вычисле-
ния осадки от сжатия грунта под на-
сыпью:
1 — геологический разрез; 2 — крйвая на-
пряжений от собственного веса грунта; 3 —•
кривая напряжений от веса иаСйпи; 4 —
замена кривой напряжений сТуПенчатой
эпюрой; 5 —»эпюра относительного сжа-
тия грунта; Н — первоначальная толщина
сжимаемой толщи; Hi — толщина сжимае-
мой толщи, уточненная с учетом Уплотне-
нии расположенных ниже слоев грунта
составляет
а общая осадка дорожной иасыпи
/=л
z
(Н.П)
Если относительное сжатие нижнего слоя превышает, 0,1%
(1 мм иа 1 и толщины грунта), расчёт продолжают, учитывая
деформацию иижерасполойсеиных слоев грунта.
При вычислении осадок иасыпей на сильно деформируемых
грунтах, например на торфяниках или рыхлых грунтах, отсыпан-
ных при вертикальной планировке местности, приходится учиты-
вать нелинейность их деформаций, используя определяемые при
испытании параметры уравнения компрессионной кривой по проф.
Н. Н. Иванову, имеющий в единицах СИ вид
2,3
»2 = «0---1>.
Л
(14,12)
где в2 — коэффициент пористости при давлении рг, МПа; во — коэффициент
пористости при давлении р=0,1, МПа; Л—коэффициент, характеризующий
сжимаемость грунта и ие зависящий от нагрузки.
Для,песков и супесей ео=О,44-О,5 и Л=254-75, для суглинков
«о>О,65 и Д= 104-15. У торфов в зависимости от их коэффициен-
тов разжиженности значения во составляют от 4 до 75, а 4 — от
Ю до 4.
Сжатие слоя грунта толщиной Я при возрастании иагрузкй с
Pi до р2 составляет
(14.13)
Если основание состоит из нескольких слоев, различающихся
по деформируемости, или если мощность основания такова, что
283
необходимо учитывать затухание напряжений по глубине, общая
осадка вычисляется суммированием сжатий слоев:
4=и 2,31g —
А VI PU
(14.14)
Для насыпей, отсыпанных на торфяном основании, необходимо
учитывать возможность упругих колебаний насыпей при проезде
автомобилей.
Эти колебания могут вызвать образование трещин в покрытиях
и их быстрое разрушение.
Считается, что упругая деформация оставленного под на-
сыпью слоя торфа не должна превышать 0,5 см. Для этого отно-
шение толщины насыпного слоя грунта к толщине оставленного
под насыпью слоя слабого грунта Н должно быть: не менее 2
(при Н=\ м); 0,5 (при Н—& м) для одежд капитального и облег-
ченного типов и соответственно 1,2 и 0,4 — для одежд переходного
типа.
14.7. Расчет скорости осадки насыпей
Уплотнение водонасыщенных грунтов под насыпью протекает
замедленно. Скорость деформации зависит от коэффициента филь-
трации грунта, которая может колебаться в широких пределах.
Так, например, для торфов в зависимости от их состава и сте-
пени разложенности коэффициент фильтрации составляет от
1 • Ю-3 до 1 • 10-7 см/с.
Скорость осадки сооружений на торфяных и илистых основа-
ниях может быть определена по формулам теории уплотнения во
времени водонасыщенных грунтов (теории фильтрационной кон-
солидации). Эта теория в ее простейших формулировках рас-
сматривает замедленное во времени сжатие водонасыщенного
грунта, происходящее в результате выжимания воды давлением
внешней нагрузки. При этом предполагается, что напряжения в
сжимаемом слое постоянны по глубине, а нагрузка передается
через большую площадку, меньшая из сторон которой в 3—4 раза
превышает толщину сжимаемого слоя. Вода выжимается по крат-
чайшему расстоянию в вертикальном направлении и удаляется
через песчаное дно Или песчаную насыпь *. Осадка через время
1 Указанная схема расчета не применима для расчета уплотнения оснований
при водонепроницаемых Насыпях и дне болота, когда фильтрация происходит
в поперечном направлении. В этом случае необходимо использовать более слож-
ные закономерности механики груятов, разработанные проф. В. А. Флориным
(см. Основы механики грунтов, т. П. М.: Госстройиздат, 1962).
284
t после приложения нагрузки, которое считается мгновенным,
выражается зависимостью
А^ = А
г во
0,75Л(1 + »ср) Ю—8
= А,^верт. (14.16)
где Дм — полная величина осадки после ее прекращения; k — среднее зйа-
чеиие коэффициента фильтрации в интервале изменения давления от бытового*
до р, см/с; t — продолжительность действия нагрузки, годы; ftp — расчетная тол-
щина сжимаемого слоя, см (если выжимаемая вода удаляется через окну по*
верхиость сжимаемого слоя — песчаная насыпь, глинистое дно болота,—(расчет-
ная толщина ftp равна полной толщине сжимаемого слоя Я; если вода может
выходять с двух поверхностей — песчаные насыпь и дно болота,— расчетная тол*
щииа ftp—Я/2); еСр — среднее значение коэффициента пористости грунта до и
после приложения нагрузки; а —параметр уравнения спрямленной компрессной*
ной кривой (аСр—Л — ар); бв — плотность воды, принимаемая равной единице,
которая введена в формулу для соблюдения размерности; ивврт— степень кон-
солидации — доля общей осадки, протекшая за время t.
Для облегчения расчетов в курсах механики грунтов приво-
дятся вспомогательные таблицы значений С/Верт-
Если водонасыщенное основание состоит из ряда слоев, хотя
и обладающих различной водопроницаемостью, но близких по
свойствам, например из различных видов торфа, в формулу (14.15)
вводят осредненное значение коэффициента фильтрации:
Я1 н2
^2
Нп
kn
(14.16)
где Яь Н2, Нп — толщина отдельных слоев; S# — общая толщина;
k2t ...» kn — коэффициенты фильтрации слоев в вертикальном направлении.
Скорость осадки может быть оценена также по результатам
расчета на основе лабораторных испытаний образцов грунта с
ненарушенной структурой.
В соответствии с теорией консолидации грунтовой массы, если
осадка образца толщиной h (см) за t (сут) составляет q (.%) от
полной его осадки, то время, за которое будет достигнута такая
же относительная осадка слоя толщиной Н в натуре, определится
из соотношения
(14.17)
Если из расчета видно, что осадка насыпи не успеет прекра-
титься за период строительства до начала укладки покрытия,
для ускорения этого процесса в зависимости от местных условий
можно применить один из следующих приемов:
увеличить глубину выторфовывания, что уменьшит толщину
сжимаемого слоя;
осушить болото, что приведет к уплотнению торфа силами
капиллярного давления и увеличению коэффициентов трения и
сцепления;
285
Рнс. 14.15. График для расчета степе-
ни консолидации от воздействия вер-
тикальных дрен:
1 — вертикальное выжимание воды; 2 — го-
ризонт вл ьиое выжимание воды
применить способ перегруз-
ки, который заключается в том,
что вначале отсыпают высокую
насыпь с крутыми откосами
или укладывают на нее допол-
нительный слой грунта. Увели-
чение давления насыпи на
грунт вызывает в этом случае
более быстрое протекание осад-
ки. Перед укладкой покрытия
насыпь разравнивают до про-
ектной отметки;
устроить вертикальный дре-
наж в виде буровых скважин,
засыпанных крупнозернистым песком, или лент пористых материа-
лов, расположенных в плане через 1,5—3 м, в шахматном порядке
или по квадратной сетке. На сильно разложившихся торфах или
илах дренажи могут ускорить осадку насыпей в 20—25 раз. Вер-
тикальные дрены получили широкое распространение при мощно-
сти слабых оснований более 5—6 м;
устроить под земляным полотном продольные дренажные пес-
чаные прорези на расстоянии 1,8—2,4 м, что возможно при тол-
щине торфа, поддающейся разработке экскаваторами (Я<4 м).
При этом необходимо, чтобы грунт основания мог сохранять
вертикальные стенки в период до заполнения выкопанных тран-
шей песком.
В теории расчета скорости сжатия водонасыщенных грунтов
при устройстве песчаных дрен и дренажных прорезей исходят из
тех же предпосылок, что и в рассмотренной выше теории уплот-
нения водонасыщенных грунтов, но учитывают и дополнительное
уплотнение грунта основания в результате выжимания воды в
дрены по горизонтальному направлению. В формулу соответствен-
но подставляют значения коэффициента фильтрации в горизон-
тальном направлении &ГОр, значение которого для торфов больше,
чем коэффициент фильтрации Лверт в вертикальном направлении.
Полная суммарная степень консолидации (в %) выражается
прн устройстве вертикальных дрен зависимостью
бгПОлн = 100 - 0,01(100-£ZBePT)(100-tfrop). (14.18)
Значения £7ГОр и t/верт принимают по вспомогательным графи-
кам (рис. 14.15) в зависимости от отношения расстояния между
дренами к их диаметру (n—lld). По оси абсцисс вспомогательных
графиков отложены вспомогательные отвлеченные величины (фак-
торы времени), равные:
для горизонтальной фильтрации
^гор(1—*оИ
г---------SS—; <м1’>
«I
286
для вертикальной фильтрации
^верт (1 4" *о)
Гве',т=х'
где в, —плотность воды.
(14.20>
Аналогичные графики имеются и для расчета дренажных про-
резей.
14.8. Устойчивость откосов земляного полотна
Для установления предельного очертания устойчивого откоса1
в связном грунте, имеющем угол внутреннего трения <р и сцепле-
ние с, представим себе грунтовый массив, ограниченный сверху
горизонтальной, а сбоку вертикальной поверхностями. Разделим:
мысленно возможную призму обрушения вертикальными сечения-
ми на ряд составляющих призм равной ширины и рассмотрим
условия равновесия одной из них (рис. 14.16). При этом допустим,
что каждая отдельная призма сохраняет равновесие независимо
от смежных с нею, т. е. силы бокового давления и трения по-
граням вертикальных сечений отсутствуют.
Выделенная призма (рис. 14.16, а) стремится сместиться по
поверхности обрушения под действием касательной составляющей:
силы веса:
Т = Q sin а.
Силы сопротивления сдвигу слагаются из сил внутреннего тре-
ния и сцепления:
л I
Qcosatgy + c------,
cos a
где с — сцепление; <р — угол внутреннего трення.
Рис. 14.16. Схемы к определению поверхности устойчивого откоса:
о —* устойчивость выделенной отдельной призмы грунта; б — изменение крутизны наклона
поверхности скольжения в смежных нризМах; а—* построение устойчивого откоса в много-
слойных грунтах методом нроф. Н. Н. Масловв; / — природный откос в однородном грун-
те; 2 ^.расчетный откос при введении коэффициенте запаса; 3 —сглаженный расчетный
откос
28Г
Условие предельного равновесия, соответствующее равенству
«двигающих и удерживающих сил:
cl
Q sin а = Q cos a tg ® -h-, (14,21)
cos а
ДеЛя обе части равенства на Qcosa и учитывая, что Q^lhb (где
Л — плотность грунта), получаем
tg а = tg ? 4- Д . (14.22)
- Полученная зависимость показывает, что верхняя часть откосов
в связных грунтах может быть устойчива при большой крутизне,
а в нижней части высокие откосы должны быть пологими, с углом
наклона, приближающимся к углу внутреннего трения (рис. 14.16,
б). Эта идея была развита проф. Н. М. Масловым в метод проек-
тирования устойчивых откосов в разнородных грунтах, названный
им методом Fp. Метод исходит из предпосылок, что в момент обру-
шения в грунте действует гидростатическое распределение давле-
ния (коэффициент бокового давления £=1), а угол устойчивости
откоса для любого грунта равен углу сдвига ф при давлении на
грунт р, т. е.
tg<p=tgT+ —.
Р
Для построения профиля устойчивого откоса (рис. 14.16, в) вы-
деляют по высоте ряд слоев в соответствии со слагающими его на-
пластованиями; для подошвы каждого из них определяют давле-
ние от собственного веса грунта:
ph == ЭДЛ.
Расчетные углы сдвига находят по выражению
*g 4' = -^-pg ? + “')• (14.23)
Аз \ Ph /
где Кз — необходимый коэффициент запаса. При К3 = 1 получается оперта-'
нне откоса в состоянии предельного равновесия.
Очертание откоса назначают в соответствии с найденными зна-
чениями ф, начиная с подошвы откоса.
На практике для приближения формы откоса к очертанию ус-
тойчивого откоса применяют переменную крутизну его на разных
участках по высоте или, сохраняя постоянную крутизну, вводят бер-
мы (рис. 14.17). Бермы уменьшают скорость стекания по откосу
дождевых и талых вод, предотвращая его размывание. Они облег-
чают также ремонт и содержание откосов, позволяя осматривать
их, подвозить и складывать материалы для ремонта.
288
Рнс. 14.17. Поперечные профили высоких насыпей:
а — с переменной крутизной откосов; б — с введением берм; / — берма
Наблюдения показали, что откосы насыпей обрушиваются по
поверхностям, которые без существенных искажений могут быть
приняты как круглоцилиндрические. Для проверки устойчивости
откосов задаются положением ряда поверхностей скольжения и оп-
ределяют коэффициенты устойчивости сползающих частей откосов
насыпи. Поверхность скольжения проводят через подошву откоса,
не заглубляя в подстилающий грунт, если насыпь возведена на
плотном основании. Если основание под насыпью мягкое водона-
сыщенное и малосвязное (ф<8°), должны быть исследованы так-,
же Кривые, захватывающие основание и выходящие за подошву на-
сыпи.
Метод круглоцилиндрических поверхностей может быть исполь-
зован также и при слоистых напластованиях, если их отдельные
слои относительно мало отличаются друг от друга и расположены
горизонтально или с уклоном от дороги. В выражение для коэффи-
циента устойчивости в пределах каждого отсека вводят значения
<р и с, соответствующие свойствам грунта, пересекаемого поверх-
ностью скольжения, или направлению действия срезывающего уси-
лия (например, сланцеватых пород, у которых сопротивления сдви-
гу вдоль и поперек для поверхностей скольжения различны).
При малой разности в свойствах грунтов и небольшой толщи-
не слоев в расчетные формулы вводят средневзвешенные значения
сцепления и углов внутреннего трения:
С1Л1 + CjAj + ... + Оцкц
Aj + Aj + ... + Ац
(14.24)
Если какой-либо из пересекаемых слоев обладает пониженным
сопротивлением сдвигу или его сопротивление сдвигу в разных на-
правлениях неодинаково, должен быть рассмотрен вариант сокра-
10—977 289
щения кривой обрушения в преде-
лах слабого слоя (рис. 14.18). По-
верхность скольжения, обладаю-
щую наименьшим коэффициентом
устойчивости, при проверке устой-
чивости откосов определяют мето-
дом последовательных -попыток.
Ряс. 14.18. Вмлеяие яопрашж в ачер-
тажяе кржво* скольжения для учета
неоднородности грунтовых напласто-
ваний:
а—лря плгаа слабых гружтов; б —иря
яшчм ошышх гружтож; Z — факте-
«я wnwgwncib скакыкеш; 11 — яераа-
II я та яса яастъ момртаос 1я скожыкепи:
Z—'слабы! гружг; X — скалшы* груат
Рас. 14.19. Схема к опрсделеякю ко-
рффацнет устойчивости сползающе-
го откоса
задаваясь рядом таких поверхно-
стей. Для оценки устойчивости
массива для каждой поверхности
скольжения выделяют в оползаю-
щем массиве полосу толщиной 1 м
и рассекают ее вертикальными
сечеияями на ряд призм шириной
3—5 м (рнс. 14.19).
Одинаковая толщина призм
не обязательна.
Если насыпь состоит нз слоев,
резко различающихся по меха-
ническим свойствам, то жела-
тельно, чтобы вертикальные гра-
ницы призм проходили через точ-
ки пересечения кривых скольже-
ния с границами слоев. В расчет
вводят характеристики сопротив-
ления сдвигу, соответствующие
участкам кривой скольжения, а
вес призм определяют с учетом
толщины слоев разнородных грун-
тов.
Коэффициент устойчивости для
всего откоса может быть найден
нз соотношения сумм моментов
сил, удерживающих и сдвигаю-
щих выделенные призмы относи-
тельно оси поверхности скольже-
ния:
i=«
2 (Qtgycoea + cl)R
f =1
2 QRtAaa
i=i
При суммировании учитываются знаки моментов. Нр согласно
рис. 14.19 для каждой из выделенных призм:
R см а—*у; R sin а = х.
Рис. 14.20. Схема образования тре- Рис. 14.21. Графическое построение
щины в верхней части оползающего для нахождения центров поверхио-
откоса: стей скольжения, имеющих наймет»-
Т - доп»; L -ртет. до. крио. ши* «®ФФи1Иент устойчивости:
скоаьжошя /, 2* 2, 4—«жрнвые скольжевт; У. 3*.
/' — центры хршык сжожьжешп; Ду—-ко-
эффициент устойчжвоста
Отсюда формуле может быть придан вид
S Qytxv + RcL
Ку =<=l -7=д-----------. (14.25)
2 <?*
i=i
В формуле (14;25) L—'Zl — длина поверхности скольжения, при
определении которой учитывают, что обрушение откосов обычно
начинается с образования в верхней части откоса трещины. Эту
трещину следует учитывать при выделении отсеков и определении
длины поверхности скольжения (рис. 14.20), принимая ее глубину,
равной (по Терцага)
2ctg(45° + y/2)
в
Ц4.26)
Вес отсеков, расположенных слева от вертикали, проходящей
через центр поверхности скольжения, повышает значения коэффи-
циента устойчивости. На этом основывается положительный эффект
устройства пригружающих контрфорсов у подошвы склонов, под-
верженных оползанию.
Степень надежности проверки устойчивости откосов зависит от
того, насколько точно соответствует поверхность обрушения, для
которой было определено минимальное значение коэффициента ус-
тойчивости, фактической наиболее опасной поверхности.
Для установления центра наиболее опасных кривых скольжения
на основе большого опыта поверочных расчетов был предложен ряд
Ю* 291
Таблица 14.2
X х« о х S X <88 S 5 И X в Углы, град оэффнцнент ложен ня коса 'ОЛ 1 клона *коса Oi Углы, град
а 3 а 3
« о >> х § г- >» X О
1:0,58
1:1
1 : 1,5
1:2
60°
45°
33°40'
26°34'
40
37
35
35
18°26'
14°03'
1Г19'
35
36
37
эмпирических методов. Однако степень точности этих расчетов
проверена в недостаточной степени и ни одному из них нельзя от-
дать явного предпочтения, тем более что получаемые результаты
близки друг к другу.
Наибольшим распространением в практике дорожных органи-
заций пользуется метод Терцаги — Феллениуса, в котором принято,
что центры кривых скольжения, соответствующих наименьшему ко-
эффициенту устойчивости, располагаются вблизи от прямой линии
АВ. Эту линию находят при помощи построения, показанного на
рис. 14.21. Значения углов аир, необходимые для построения ли-
нии АВ, в зависимости от угла наклона откоса си приведены в
табл. 14.2. При ломаных откосах или при откосах с расположенны-
ми посередине бермами исходят из угла наклона спрямленного
среднего откоса.
Чтобы найти положение наиболее опасной кривой скольжения
откоса (см. рис. 14.21), вначале намечают несколько возможных
положений кривых скольжения. Например, может быть намечено
семейство кривых, проходящих через подошву откоса и выходящих
на поверхность насыпи в 0,25 и 0,75 ее ширины поверху от бровки
насыпи. Центр каждой кривой располагается в пересечении перпен-
дикуляра, восстановленного из середины хорды, стягивающей кон-
цы намеченной кривой скольжения, с прямой Феллениуса. Для
каждой кривой определяют коэффициент устойчивости. Для нахож-
дения центра наиболее опасной кривой скольжения, используя ли-
нию АВ как ось абсцисс, строят вспомогательный график коэффи-
циентов устойчивости, откладывая их значения из центра кривых
скольжения. Соединяя полученные точки плавной кривой, находят
минимальное значение коэффициента устойчивости К? . .
Метод круглоцилиидрических поверхностей не дает возможности
сразу запроектировать откос с заданным заранее коэффициентом
устойчивости. Лишь постепенно изменяя поперечный профиль на-
сыпи или выемки, можно путем последовательных попыток прибли-
зиться к желаемому коэффициенту устойчивости. В настоящее вре-
мя разработаны программы для электронно-вычислительных ма-
шин, которые, выполняя расчеты для большого числа центров кри-
292
Рис. 14.22. Схема классификации грунтовых откосов по Н. Н. Маслову:
1 — кривая депрессии; 2 просачивание воды; 3 — выклинивание источников
«
вых скольжения, позволяют более обоснованно найти минимальное
значение коэффициента устойчивости.
Устойчивость откосов насыпей и выемок и оползневых склонов
меняется в течение года. Наименьшее значение коэффициента ус-
тойчивости соответствует осени и весне, когда переувлажнение грун-
та становится основной причиной возникающих обрушений откосов
и подвижек оползней.
Вода, проникающая в земляное полотно во время дождливых
периодов, снеготаяния и половодья, снижает коэффициент устой-
чивости, так как увеличивается вес поверхностных слоев грунта, ув-
лажненных дождевыми осадками; уменьшается коэффициент сцеп-
ления водонасыщенного грунта; в нижней части насыпи, пропитан-
ной паводковыми водами, проявляется взвешивающее действие во-
ды; в пойменных насыпях в результате просачивания воды, насы-
щающей грунт, возникает гидродинамическое давление D в сторо-
ну откоса при спаде высокой воды.
В зависимости от гидрогеологических условий и наличия вы-
клинивающихся водоносных горизонтов проф. Н. Н. Маслов делит
все склоны на шесть групп (рис. 14.22, а—е): безводные, затоплен-
ные, несущие грунтовые потоки, дренируемые водотоками, под-
верженные инфильтрации, несущие расчлененные грунтовые по-
токи.
Прн расчетах устойчивости откосов, из которых выклиниваются
водоносные горизонты, учитывают наличие гидродинамического дав-
ления, снижающего коэффициент устойчивости на 5—10% и более.
Гидродинамическое давление принимают равным произведению гид-
равлического градиента (отношение потери напора к длине пути
фильтрации) на объем грунта, на который оио действует.
293
Ряс. 14.23. Схема для расчета устой-
чивости откосов пойменной насыпн:
1 — cjrxot rpjnrr; 3 —ось исыпк; 3 —>во-
дмасыщепшЯ грунт
Расчет устойчивости откосов,
иа которые воздействует гидро-
динамическое давление, можно
вести методами Терца г и — Фел-
лениуса и Г. М. Шахуиянца,
прикладывая гидродинамическое
давление к центру тяжести вы-
деленных откосов.
При проверке откосов поймен-
ных насыпей расчет ведут на
критический горизонт воды, соот-
ветствующий минимальному ко-
эффициенту устойчивости, опре-
деляемый nd проф. К. С. Орду-
янцу, при помощи построения,
показанного на рис. 14.23. Для упрощения расчетов К. С. Ордуянц
предложил принимать выделяемые отсеки как бы затвердевшими
и считать силы гидродинамического давления действующими по
поверхности скольжения, а также рассматривать не отдельные
блоки, а сразу весь насыщенный водой массив грунта. Сделанные
допущения направлены в запас надежности. В этом случае фор-
мула для определения коэффициента устойчивости пойменных на-
сыпей имеет вид
Ку = — р . (U-27)
где С|, £( — сцепление сухого грунта я длина сухой частя кривой скольже-
ния; Ct и Ц — сцепление и длина кривой скольжения водонасыщенного грунта;
границу между сухим и водонасыщенным грунтами принимают по уровню пол-
но* влагоемкое» грунта; каииллирно увлажненная часть насыпи считается су-
хой; ф — угол внутреннего трения, обычно принимаемый одинаковым дня сухого
в водоиасыщенного грунтов; UN — сум(ма удерживающих сил; ST—сумма сдви-
гающих сил; — гидродинамическое давление просачивающейся воды иа
насыщенную водой часть выделенного отсека, площадь которой равна ®. Точка
приложения гидродинамического давления расположена в центре тяжести за-
штрихованной части отсека; / — гидравлический градиент, принимаемый равным
тангенсу угла наклона хорды, стягивающей кривую депрессии (см. выше
табл. 8.5). '
Плотность 'водонасыщенного грунта
(»с — 1)(100 — л)
, ИЛИ #» = (Y - 1) (I - л), (14.28)
А
где бс — плотность сухого грунта; п — пористость грунта, %; у— плотность
скелета грунта.
Влияние подтопления пойменных насыпей проявляется по-раз-
иому в зависимости от типа грунта. Для песчаных насыпей, грунт
которых обладает высоким коэффициентом фильтрации, следует
учитывать только взвешивающее действие воды, так как уровень
воды в насыпн следует за изменением уровня воды на пойме. Гли-
нистые пойменные насыпи, обладая малой водопроницаемостью,
за период паводка не успевают полностью увлажниться, поэтому
их рассчитывают, как обычные сухие насыпн. При расчете насы-
пей, отсыпанных нз суглинистых и супесчаных грунтов, необходи-
мо учитывать влияние всех указанных факторов.
Глава 15
КОНСТРУИРОВАНИЕ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
15.1. Конструктивные слои дорожной одежды
Для обеспечения круглогодичного движения автомобилей на
проезжей части дорогн устраивают дорожную одежду, которая
представляет собой уложенную на поверхность земляного полотна
твердую монолитную конструкцию из материалов, хорошо сопро-
тивляющихся воздействию климатических факторов и колес транс-
портных средств.
Напряжения, возникающие в дорожной одежде при проезде ав-
томобилей, затухают с глубиной (рис. 15.1). Это позволяет проек-
тировать дорожную одежду многослойной, используя в отдельных
ее слоях материалы различной прочности в соответствии с дейст-
вующими усилиями и интенсивностью влияния природных факто-
ров.
В дорожной одежде различают следующие слои (рис. 15.2):
"ис. 15.1. Напряжения от колес автомобилей в многослойной дорожной одежде:
а эпюра вертикальных напряжения б — эпюра горизонтальных напряжений ох; 1 —
Покрытие; 2 — основание; 3— дополнительный слой основан**; 4 — иодстиламицнй грунт;
5 — напряжения в дорожной одежде; б — напряжен** * однородном грунте
295
Покрытие Слой износа
Иж основной слой покрытия
Основание Верхний слой основания
Нижний слой основания
\* * * * .* ’«'А Дополнительный слой основания
Грунт земляного полотна
[подстилающий грунт)
Рис. 15.2. Конструктивные слои до-
рожных одежд:
1 — поверхностная обработка; 2 — мелко-
зернистый асфальтобетон; 3 — крупнозер-
нистый асфальтобетон; 4 — щебень, обра-
ботанный вяжущими материалами; 5 — • ще-
бень; 6 — песок
покрытие — верхний, наиболее
прочный, обычно водонепроница-
емый, относительно тонкий слой
одежды, хорошо сопротивляю-
щийся истирающим, ударным и
сдвигающим нагрузкам от колес,
а также воздействию природных
факторов. Поскольку покрытие
устраивают из наиболее дорого-
стоящих материалов, ему прида-
ют минимальную допустимую
толщину. Покрытие обеспечивает
необходимые эксплуатационные
качества дороги (ровность по-
верхности, высокий коэффициент
сцепления с шиной). В конструк-
ции покрытия, помимо основного
слоя, обеспечивающего необходи-
мые качества, предусматривается
запасной слой (слой износа), не входящий в расчетную толщину
и подлежащий периодическому восстановлению в процессе эксп-
луатации дороги. Поверх покрытий, не обладающих достаточной
водонепроницаемостью и сопротивлением истиранию, устраивают
тонкие защитные слои (слои поверхностной обработки) путем
розлива органических вяжущих материалов с засыпкой одномер-
ным мелким щебнем. Поверхностную обработку применяют также
для повышения шероховатости гладких покрытий в процессе
эксплуатации;
основание — несущая прочная часть одежды, устраиваемая иэ
каменных материалов или грунта, обработанного вяжущими мате-
риалами. Оно предназначено для передачи и распределения давле-
ния на расположенные ниже дополнительные слои одежды или на
грунт земляного полотна (подстилающий грунт) и потому должно
быть монолитным, устойчивым против сдвига и изгиба. Основание
не подвергается непосредственному воздействию колес автомоби-
лей, а влияние погодных факторов передается на него в несколько
смягченном виде. Поэтому для его устройства можно использовать
материалы меньшей прочности, чем в покрытии и в слое износа.
Широкое использование для его устройства должны находить
местные материалы — прочные отходы промышленности, слабые
каменные материалы, обработанные вяжущими.
Основание может состоять из одного или нескольких слоев.
В последнем случае верхние слои основания устраивают из более
прочных материалов. Изолированное при устройстве усовершенст-
вованных покрытий от воздействия поверхностной влаги основание
может увлажняться в результате перемещения влаги снизу вверх
из земляного полотна в период зимнего промерзания. Поэтому в
296
северных районах страны к материалам для устройства основания
предъявляются требования в отношении морозоустойчивости;
дополнительные слои основания из материалов, устойчивых при:
увлажнении, укладывают между основанием покрытия и подсти-
лающим грунтом земляного полотна на участках с неблагоприят-
ными климатическими и грунтово-гидрологическими условиями.
В местах, где земляное полотно сложено из пылеватых, суглини-
стых и глинистых грунтов, в которых могут развиваться процессы
зимнего влагонакопления и пучения, вводят дополнительный слой
из пористых материалов (песка, гравия или щебия), который на-
зывают дренирующим, противопучинным или морозозащитным. Та-
кой слой предназначен для отвода избыточной воды из верхних,
слоев земляного полотна, осушения дорожной одежды, предотвра-
щения значительного вспучивания покрытия и повышения проч-
ности грунта земляного полотна;
грунт земляного полотна (подстилающий грунт, «рабочий слой>
земляного полотна)—тщательно уплотненные и спланированные
верхние слои земляного полотна, на которые укладывают слои до-
рожной одежды. На подстилающий грунт передается все давление
от транспортных нагрузок, поэтому он является весьма ответствен-
ным элементом конструкции дорожной одежды. Прочность дорож-
ной одежды может быть обеспечена лишь на однородном, хорошо
уплотненном, не подверженном пучению земляном полотне при
обеспеченном водоотводе. Повышение сопротивления грунта зем-
ляного полотна внешним нагрузкам, его осушение и постоянство
водного режима являются наиболее надежными способами увели-
чения прочности дорожной одежды и снижения ее стоимости. Ни-
какое увеличение толщины слоев каменных материалов ше может
обеспечить прочность и ровность дорожной одежды, укладываемой
на слабом недоуплотненном или переувлажненном грунтовом ос-
новании.
15.2. Основные типы дорожных одежд
Эксплуатационные качества дорожных одежд — допускаемая
скорость и удобство движения — определяются в основном покры-
тиями, которые могут быть разделены на следующие основные кон-
структивные типы.
Асфальтобетонные покрытия — наиболее совершенный тип до-
рожных покрытий. Их устраивают в один или два слоя иа прочном
основании. Распространенные еще несколько лет назад многослой-
ные асфальтобетонные покрытия больше не строят.
Асфальтобетон представляет собой Искусственный строительный
материал, который получается при уплотнении в горячем состоянии
смеси, состоящей из подобранного по крупности малопористого
каменного остова — щебня или гравия и песка, связанных между
собой смесью тонкого минерального порошка с битумом, вводимым
29Г
Рве. 153. Схема расположения швов бетонного покрытая:
1 — шо» расамрсавя; 2 —шов сжапш; 3— продааышй шов; 4 —-штыря
в зависимости от состава асфальтобетонной смеси в количестве от
3,5 до 9%. Различают асфальтобетоны крупнозернистые (фракции
.щебня до 40 мм), мелкозернистые (до 20 мм) и песчаные (из час-
тиц не крупнее 5 мм). Особенностью асфальтобетонов является за-
висимость их свойств от температуры.
Асфальтобетон образует ровную, удобную для движения по-
верхность, смягчающую удары колес. Если для его приготовления
применяют щебень твердых неполнрующнхея горных пород, он при
износе сохраняет высокое значение коэффициента сцепления. Со-
ответствующим подбором состава каменного остова можно полу-
чить материал, образующий дорожиоё покрытие повышенной ше-
роховатости.
Цементобетонные покрытия обладают большой монолитностью
и высоким сопротивлением нагрузкам. Их строят в виде отдельных
плит размерами в плане 34-4 на 64-7 м при толщине от 18 до
24 см. Плиты отделяются друг от друга швами, необходимыми для
компенсации изменений их длины при колебаниях температуры
(рис. 15.3). Различают швы расширения, сокращающиеся при уд-
линении плит, н швы сжатия, расширяющиеся при укорочении
плнт. Для обеспечения совместной работы плит и сохранения их
взаимного положения в швы вводят стальные стержни — штыри,
которые обеспечивают возможность изменения длины плит и пере-
дают с одной плиты на другую вертикальные нагрузки и частично
изгибающие моменты (рис. 15.4). Свойства цементобетонных по-
крытий не меняются при колебаниях температуры в отличие от ас-
фальтобетонных, прочность н жесткость которых снижаются в
жаркую погоду. При правильном подборе состава бетонной смеси
и соблюдении технологических правил строительства износ цемен-
тобетониых покрытий незначителен, и они более долговечны, чем
другие виды дорожных покрытий.
Строительство цементобетонных покрытий полностью механи-
зировано. Современные высокопроизводительные укладчики обе-
298
спечивают постройку бетонных покрытий со скоростью 800—1000 м
в день. Однако при этом для обеспечения хорошего качества по-
крытия до ввода его в эксплуатацию требуется длительный и тща-
тельный уход за свежеуложениым бетоном, пока он не приобрета-
ет необходимую прочность.
Недостатком бетонных покрытий является наличие швов, через
которые трудно предотвратить проникание влаги в основание. По-
сле нескольких лет эксплуатации в результате обламывания кро-
мок швов при переезде через швы начинают ощущаться толчки ко-
лес. Опыт эксплуатации бетонных покрытий при интенсивном дви-
жении тяжелых автомобилей показал, что, несмотря иа высокую
прочность самих бетонных плит, под них необходимы прочные ос-
нования. При непосредственной укладке бетона на грунт или на
тонкую песчаную прослойку в' грунте под плитами, упруго проги-
бающимися при проездах автомобилей, образуются полости. Плиты
теряют контакт с грунтом, а затем в них появляются трещины.
Поэтому на дорогах с высокой интенсивностью движения бетонные
покрытия укладывают на прочные основания из щебня или грун-
та, укреплённого цементом или битумом. Поверх оснований, укреп-
ленных цементом, устраивают для снижения трения «выравниваю-
щий слой> — тонкую прослойку из песка (3—5 см), обработанного
органическими вяжущими.
Отмеченные недостатки, а также необходимость применения
для цементобетона более качественных каменных материалов, чем
для асфальтобетона, привели во всем мире в течение последних
Ряс. 15.4. Конструкция швее
бетонных нокрытнй:
а “ поперечный шов расширения;
б — поперечный шов сжатая; а —
продолыш* шов; / — штырь$ 2 —
монтажный каркас кз тонкой юма-
туры для закрепления штыре* на
месте про бетонировании; 3 — об-
мазка битумом; 4 — заполиекие шва
кзолирукмцмм материалом; 5 — де-
ревянная прокладка; 4 — надевае-
мый па штырь колпачок длиной б—
8 см; 7 — заиолнение зазора в кол-
пачке оннлкамп или войлоком; в —
искусственный пюв; 9— место раз-
рыва пакты но слабому сечению
29»
15—20 лет к относительному уменьшению протяженности дорог с
цементобетонными покрытиями по сравнению с дорогами, имею-
щими асфальтобетонные покрытия. Однако в последние годы в свя-
зи с временным ростом цен на нефтяные продукты и необходимо-
стью сбережения нефти как ценного невозобновляемого сырья длят
химической промышленности произошел пересмотр отношения к
строительству бетонных покрытий.
Неоднократно делались попытки строительства сборных бетон-
ных покрытий. Бетонные плиты можно готовить на заводах забла-
говременно при строгом соблюдении технологических правил и ре-
жимов ухода за бетоном. Строительные работы сводятся к монта-
жу покрытия на подготовленном основании и их можно выполнять
в течение всего года, открывая движение немедленно после уклад-
ки. В конструкции бетонных плит для временных дорог можно
предусматривать возможность их перекладки и повторного исполь-
зования.
Современные конструкции сборных бетонных покрытий имеют
крупные недостатки, которые препятствуют их широкому исполь-
зованию. Темпы укладки плит сборных покрытий низки. Стыки
сборных плит не обеспечивают передачи усилий и моментов с пли-
ты на плиту. Через швы происходит выжимание разжиженного пес-
ка и подстилающего грунта, которое можно предотвратить только
прокладкой под плитами полос геотекстиля. Трудно обеспечить ров-
ность сборного покрытия, необходимую для движения с высокими
скоростями, изоляцию стыков для предотвращения проникания во-
ды и избежать просадок плит в процессе эксплуатации. Не решен
вопрос о конструкции плит и их укладке на криволинейных участ-
ках дороги, велик расход арматуры в связи с необходимостью обес-
печения прочности плит при монтаже и перевозке. Таким образом^
прогрессивная идея еще не доведена до возможности широкой реа-
лизации в строительстве и ставит большие задачи перед исследова-
телями. Основной областью использования сборных бетонных
покрытий пока еще являются временные подъездные пути на стро-
ительных площадках и дороги на лесозаготовках, а также дороги
промышленного значения в местностях, где отсутствуют каменные
материалы. Примером может служить строительство дорог в забо-
лоченных районах нефтяных и газовых месторождений Западной
Сибири. Бетонные плиты сборных покрытий вначале укладывают
непосредственно на песчаный грунт земляного полотна, а через год
после прекращения осадки насыпей перекладывают, устраивая под
ними основание, укрепленное цементом, и омоноличивают, свари-
вая выпущенные петли арматуры.
Покрытия из щебня и гравия, обработанные органическими вя-
жущими материалами, хорошо сопротивляются разрушающему дей-
ствию движения автомобилей благодаря прочному соединению ка-
менных частиц, вводимым вяжущим. Такие одежды водостойки.
300
Разные способы введения вяжущего в процессе строительства
определяют различия в структуре получающихся покрытий.
Смешение на дороге осуществляют путем перемешивания авто-
грейдерами рассыпанного по дороге слоя щебня или гравия, после
поливки из гудронаторов жидким битумом, дегтем или эмульсией
из расчета от 3 до 7% массы каменного материала в зависимости от
содержания мелких частиц.
Пропитка — введение эмульсий или разогретых вязких битумов
и дегтей в покрытие путем розлива по поверхности не полностью
укатанного слоя щебня одинаковой крупности. Расход вяжущего при-
мерно 1 л битума иа 1 м2 площади на 1 см глубины покрытия. Пос-
ле проникания битума в глубь россыпи поверхность покрытия засы-
пают мелким щебнем и уплотняют тяжелыми дорожными катками,
вдавливающими его в поры между крупными щебенками. Устойчи-
вость покрытий по типу пропитки обеспечивается главным образом
заклинкой щебня, создаваемой в процессе укатки. Недостатком это-
го типа покрытий является относительно большой расход .вяжущих
материалов. Вяжущее, просачивающееся По пустотам россыпи ка-
менных материалов, не проникает в точки контакта между щебен-
ками, где его действие было бы особенно эффективно, а образуют
сгустки в этих пустотах.
Поверхностная обработка — тонкий защитный слой, создаваемый
на поверхности дорожной одежды путем розлива 2—2,5 л/м2 битума
с последующей засыпкой очень мелким щебнем и прикаткой. В за-
висимости от количества розливов битума й засыпок щебнем раз-
личают одиночную и двойную поверхностные обработки. Поверх-
ностная обработка повышает сопротивление покрытия износу и де-
лает его водонепроницаемым, в результате чего во влажные перио-
ды года покрытие остается сухим и имеет повышенный модуль
деформации. Обычно в запас прочности слой поверхностной обра-
ботки в расчетах толщины дорожных одежд не учитывают, так как
при использовании щебня твердых пород увеличивается коэффи-
циент сцепления и значительно повышается безопасность движе-
ния. Поверхностные обработки покрытий часто выполняют как ме-
роприятие для повышения безопасности движения.
Щебеночные покрытия обладают малым сопротивлением изно-
су при проезде автомобилей, так как касательные усилия, возника-
ющие в зоне контакта пневматических шин с покрытием, наруша-
ют эффект укатки. Поэтому как самостоятельный тип щебеночные
покрытия применяют лишь при малой интенсивности движения.
Щебеночные покрытия и основания устраивают в несколько сло-
ев из щебенок примерно одинаковых размеров. Прочность щебе-
ночных покрытий обеспечивается заклинкой, создаваемой при укат-
ке. При устройстве покрытия в поры поверхности основного слоя
Щебня крупностью 50—75 мм, прикатанного самоходными дорож-
ными катками с поливкой водой для уменьшения трения между ще-
бенками, заклинивают укаткой более мелкий щебень (клинец)—
301
размером 15—25 мм. На последнем этапе постройки более мелкие
поры, оставшиеся после укатки клинца, заклинивают каменной ме-
лочью размером 5—15 мм. Щебеночные основания под усовершенст-
вованные покрытия не расклинивают. Решающим фактором в
устойчивости щебеночных покрытий и оснований служит внутрен-
нее трение между щебенками, а также связывающее действие ка-
менной пыли, которая появляется прн истирании щебенок во вре-
мя укатки.
В покрытиях из естественного гравия или из искусственно по-
добранных по крупности гравийных смесей прочность обеспечива-
ется подбором скелета но принципу оптимальной смеси, в которой
поры между крупными частицами заполнены более мелкими час-
тицами, и смесь обладает минимальной пористостью. Связность-
обеспечивается мелкими частицами пыли и глины, входящими в со-
став гравийного материала. В сырое время года прочность покры-
тий снижается.
Основания из гравия просты в строительстве и достаточно проч-
ны и устойчивы, если в их составе не содержатся избытки мелко-
зернистых примесей, придающих смеси пластичность в периоды ув-
лажнения. По типу гравийных строят покрытия из местных мало-
прочных материалов и побочных продуктов промышленности
(слабых известняков, доменных и топочных шлаков, болотной же-
лезной руды, отсортированных горелых сланцевых пород из отва-
лов каменноугольных шахт и др.).
Мостовые — покрытия и основания, устроенные из отдельных»
установленных вплотную друг к другу естественных или искусствен-
ных камней.
Усовершенствованные мостовые, устраиваемые из брусчатки
или клинкера, отличаются ровной поверхностью. Мостовые из гру-
бого колотого или валунного камня (булыжные мостовые) иногда
используют на дорогах II и III категорий как покрытия времен-
ного типа или как основания под более совершенные типы покры-
тий^ а на дорогах более низких категорий — как самостоятельный
тип покрытий. Близки к булыжным мостовым основания из пакё-
ляжа — камней, укладываемых большим основанием (постелью)
вниз. Заполнение и расклинивание щебнем промежутков между
камнями создает относительно Монолитное основание.
Крупней
м недостатком булыжных мостовых и пакеляжных
оснований является необходимость их укладки (мощения) вручную,
дорогостоящей и не соответствующей современным требованиям
механизированного скоростного строительства. Поэтому строитель-
ство мостовых на дорогах практически прекращено.
Дорожные покрытия и основания из укрепленных грунтов име-
ют большие перспективы развития из-за отсутствия во многих рай-
онах страны естественных каменных материалов. Грунты, обра-
ботанные цементом, приобретают прочность и устойчивость против
воздействия влажности, что позволяет использовать их как мате-
риал для конструктивных слоев дорожных одежд. Основания и»
Та блажа 15.1
Тиы одежды Предельжая ' л . мтеясмйюсть Шдлясть Освомше жиды покрытяА двжжежжя, иржмежеямя нт]сут (категории дорог)
Усоаер-
шенствоваа-
иые:
МИИ- талыше Цементобетонные монолитные I >3000 1 I—111, 1с Из асфальтобетонных смесей! ] I, И, 1с марки I (горячих и теплых) I ] Из асфальтобетонных смесей I 1 П1, 1с марки II (горячих) | 1 Мостовые из брусчатки и мозаи-1 1 Городские улиц» км I 1 и дороги
облег- ченные Из асфальтобетонных смесей] ^4000 1 III, Пс марки II (теплых), дегтебетонных] | смесей марки I (горячих) 1 1 Из асфальтобетонных смесей | <3000 ] III марки I (холодных), дегтебетон-1 | иых марок I я II (горячих) я мар-1 1 кн I (холодных мелкозернистых) 1 [ Из асфальтобетонных смесей] <1500 | IV марки III (горячих и теплых),] ] марки II (холодных), из деггебе-] I тонных марки II (холодных) н ] 1 мелкозернистой песчаной смеси 1 ] Из каменных материалов, обра-1 2000—3090 ] III, IV, Пс ботанных органическими вяжущи-] I мн в установке или методом про-1 1 нитки, из черного щебня, уложен-1 1 кого методом заклинки, из норн-1 1 стых асфальтобетонных смесей или | | нрочного щебня с двойной поверх-1 1 костной обработкой I 1
Переход- ные Щебеночные по методу заклнн-1 300—500 ] IV, V, Пс, Шс ки II Грунты я малопрочные каменные] 500 I Шс материалы, обработанные вяжу- ] 1 щнмн | | Мостовые из булыжного и коло-1 500 I IV, V, Пс, И 1с того камня | |
Низшее Щебеночно-гравийные смеси и ] 100 J V, Шс малопрочные каменные материалы | 1 и шлаки | ] Грунты, укрепленные местными] 100 | V, Шс вяжущими материалами 1 1
Цементогрунта давно уже находят широкое применение. Построен-
ные в опытном порядке покрытия из цементогрунта с поверхност-
ной обработкой достаточно успешно работают иа дорогах с малой
интенсивностью движения.
Одежды из местных грунтов, улучшенных добавками песка,
гравня и других зернистых материалов, применяют на дорогах ни-
зовой сети. Введение в глинистые грунты скелетных добавок увели-
ЗШ
чнвает сопротивление внешним нагрузкам при увлажнении. Прида-
ние связности пескам достигается введением суглинка или глины.
Естественные грунтовые дороги по существу не имеют дорож-
ной одежды. Материалом проезжей части служат поверхностные
слои земляного полотна, уплотненные проездом. При связных грун-
тах эти дороги могут обеспечить лишь движение небольшой интен-
сивности в сухое время года. Интенсивное движение по грунтовым
дорогам в летнее время затрудняется образованием пыли. В дожд-
ливые периоды грунтовые дороги становятся скользкими. Сцепле-
ние шин с поверхностью дороги резко снижается, и колеса автомо-
билей буксуют. При большом увлажнении дороги образуются глу-
бокие колеи.
Усовершенствованные напитаяыше покрытия
Покрытия переходных типов
Низшие типы покрытий
3(И
В зависимости от обеспечиваемой степени удобства движения
дорожные одежды делятся иа усовершенствованные (капитальные
и облегченные), переходные и низшие. Решающим фактором при
отнесении дорожных покрытий к тому или иному классу является
быстрота накопления в них деформаций и обеспечиваемая скорость
движения автомобилей. Классификация дорожных одежд и покры-
тий, область их применения и предельные интенсивности движе-
ния грузовых автомобилей на две полосы движения в сутки при-
ведены в табл. 15.1.
Примеры некоторых распространенных конструкций дорожных
одежд разных типов показаны на рис. 15.5.
Усовершенствованные покрытия капитальных и облегченных ти-
пов укладывают на прочное основание.
Покрытия переходных и низших типов укладывают непосред-
ственно на грунт, за исключением щебеночных покрытий, под кото-
рые следует устраивать основание из грунтов, укрепленных вяжу-
щими материалами, из шлаков и других местных материалов. В I,
II и III дорожно-климатических зонах при неблагоприятных усло-
виях увлажнения местности на земляном полотне из связных, под-
верженных пучению грунтов, всегда устраивают дренирующие пес-
чаные основания.
15.3. Общие принципы конструирования дорожных одежд
Дорожная одежда является самой дорогостоящей частью авто-
мобильной дороги. Затраты на ее устройство иногда достигают
Рис. 15.5. Примеры конструкций дорожных одежд:
а ~ цементобетонное покрытие на каменном основании; б — асфальтобетонное покрытие на
гравийном основании; в — двухслойное асфальтобетонное покрытие на бетонном основания
(применяется на городских улицах); г — асфальтобетонное покрытие на основании нз щеб-
ня, обработанного в установке органическими вяжущими, я грунта, укрепленного битумом
или цементом; д — асфальтобетонное покрытие иа гравнййом основании; е — покрытие нз
щебня, обработанного органическими вяжущими, на щебеночном основании; ж — покрытие
нз щебня, обработанного органическим вяжущим, на основании из цемеитогрунта по-
крытие нз щебня, обработанного органическим вяжущим, ня Щебеночном основании; и —
покрытие нз гравийной смесн, обработанной органическим вяжущим, на гравийном основа-
нии; к — покрытие нз щебня, укрепленного 6% цемента, на основании из щебни, укреплен-
ного 4% цемента; л — покрытие нз грунта, обработанного неорганическими вяжущими ма-
териалами; м — щебеночное покрытие; я — гравийное покрытие; о — покрытие из гравия,
обработанного малыми дозами вяжущих материалов; л — бу лыжи ан мостовая; р—покры-
тие из оптимальной грунтовой смесн; с — покрытие нз грунта, укрепленного добавками
Щебня, гравия или шлака; 1 — цементобетон; 2 — прослойка нз песка, обработанного орга-
ническими вяжущими материалами; 3 — щебеночный слой; 4 — дополнительный (морозо-
^?ЩЯТ|ШЙк~~7тепирукущнй) слой основания нз пе^я. гвавня, шлака нлн" Мицшиуе1ой*ппгых
местных каменных маТЩУИйлив, ТОЛЩИНА КОТброго назначаете и по расчету; * —мелкозерни-
стый нл'и песчаный асфаЛКТОбетон; 6 —крупиЪзерйй^ый йористыйГ^АгфаЛЪтобетои; 7 — ще-
бень, обработанный органическими вяжущими методом пропнткн; 8 4?".
Щебень, обработанный органическими вяжущими материалами в установке; 10 — гравийная
смесь с добавками щебня, обработанная органическими вяжущими в установке; 11—це-
меитогрунт; 12 — щебеночное покрытие, обработанное органическими вяжущими методом
пропитки с последующей поверхностной обработкой; 13 — щебень, укрепленный добавками
Цемента (верхний слой 6%, ннжний 4%); 14—Грунт, укрепленный добавками органических
или неорганических вяжущих; 15 — гравийные покрытия нз некондиционных каменных ма-
териалов, укрепленных Малыми дозами цемента (на покрытии двойная поверхностная об-
работка); М —булыжная мостовая; /7 —грунт, укрепленный песчано- глинисты мн добавка-
ми; 18 — грунт, укрепленный шлаком, щебнем, гравием или дресвой
11—977
305
60% общей стоимости строительства. Подвергаясь непосредствен-
ному воздействию транспортных нагрузок и природных факторов,
дорожные одежды работают в более тяжелых условиях, чем другие
сооружения на дороге. Поэтому к назначению конструкции дорож-
ных одежд следует подходить особенно внимательно, сочетая стрем-
ление к обеспечению прочности с всемерным снижением стоимости
строительства и уменьшением количества применяемых материалов.
В . связи с тем что грунтово-гидрологические условия меняются по
протяженности дороги и не удается полностью устранить влияние
их изменения при нанесении проектной линии и проектировании
земляного полотна, варианты дорожных одежд должны разраба-
тываться применительно к участкам с аналогичными условиями
грунтов, увлажнения, интенсивности движения и обеспеченност
строительными материалами. При этом наиболее рациональный ме- <
тод конструирования дорожных одежд — обеспечение равнопроч-
ного по всей протяженности дороги земляного полотна, что дает
возможность применять на всей протяженности дороги постоянную:
конструкцию каменной части одежды.
Проектирование дорожных одежд состоит из двух последова-
тельно выполняемых этапов: конструирования и расчета, которые
взаимосвязаны и не должны противопоставляться друг другу. Под-
мена одного из них другим не может гарантировать получения ус-
тойчивой, экономичной и удобной в эксплуатации дорожной
одежды.
В зависимости от работы при воздействии нагрузок все дорож-
ные одежды условно делят на две группы: жесткие и нежесткие.
Нежесткими называют одежды, обладающие малым сопротив-
лением изгибу. К ним относятся практически все типы одежд, кро-
ме цементобетонных, а также асфальтобетонных покрытий и мос-
товых на цементобетонных основаниях. Сопротивление большин-
ства конструктивных слоев нежестких одежд растягивающим на-
пряжениям очень мало, а у некоторых вообще отсутствует. Моду-;
ли упругости материалов этих слоев зависят от температуры иг
влажности. Роль этих слоев сводится к распределению давления
колес на большую площадь подстилающего грунта и к снижению
передающихся на подстилающие грунты удельных нагрузок.
Жесткие одежды имеют один или несколько слоев, обладающих
сравнительно большим сопротивлением изгибу и модулями упру-
гости, практически не меняющимися при изменениях температуры
и влажности. Жесткие одежды работают по принципу плит на уп-
ругом основании, распределяя давление от внешней нагрузки на'
площадь грунта, значительно ббльшую, чем нежесткие.
Конструирование дорожной одежды заключается в назначении
типа покрытия, в выборе для нее наиболее подходящих материалов
исходя из местных ресурсов и соображений организации работ, в .
целесообразном назначении размеров отдельных слоев и разме-
щении их по глубине. Так как невозможно сразу наметить опти-<
306
мальную для данных условий конструкцию, обычно разрабатыва-
ют несколько вариантов дорожной одежды, из которых на основе
технико-экономического анализа выбирают наилучший.
Конструирование дорожной одежды — наиболее творческая
часть проектирования. Оно должно основываться на четких пред-
ставлениях о напряженном состоянии и механизме деформации кон-
структивных слоев и дорожных одежд в целом, на учете работы раз-
личных типов одежды в разных климатических условиях и особенно-
стей воздействия на них движения по дороге и природных факторов.
Наметив конструкцию одежды исходя из наличия материалов
и учитывая возможности строящих организаций, вначале назнача-
ют толщину тех ее слоев, размеры которых определяются не столь-
ко прочностью одежды, сколько другими факторами (обеспечение
отвода воды, предотвращение пучинообразования, сопротивление
износу и т. д.), или же принимаются в связи с их высокой стои-
мостью минимально необходимой толщины с тем, чтобы общая
прочность одежды обеспечивалась за счет слоев из более дешевых
местных материалов.
В конструкции одежды на дорогах низших категорий необхо-
димо предусматривать возможность постепенного (стадийного) ее
усиления укладкой сверху слоев более прочных материалов по ме-
ре возрастания интенсивности или изменения состава движения.
Верхние слои земляного полотна рассматривают как составной
конструктивный элемент одежды, к прочности и однородности со-
противления нагрузкам которого предъявляются достаточно Высо-
кие требования. При этом должны предусматриваться мероприя-
тия по обеспечению стабильности водного режима этих слоев и пре-
дохранения их от переувлажнения.
Расчет дорожной одежды заключается в обосновании необходи-
мой толщины и устойчивости как всей дорожной одежды в целом,
так и отдельных ее слоев. Он сводится к обеспечению равнопроч-
ности всех сравниваемых вариантов одежды и соответствия их за-
данным условиям движения.
Одним из основных требований при назначении вариантов до-
рожных одежд является учет в каждом конкретном случае интен-
сивности движения и местных грунтовых, гидрологических и кли-
матических условий, влияющих на службу дорожных одежд. Так,
например, щебеночные и гравийные покрытия, не обработанные ор-
ганическими вяжущими материалами, лучше работают во влаж-
ном, умеренном климате и относительно быстро разрушаются в ус-
ловиях сухого климата на юге. Во влажном климате севера, где
широко распространены процессы пучинообразования, необходимо
вводить в конструкцию дорожной одежды специальные противо-
пучинные (морозозащитные) слои, которые совершенно излишни
в южных районах страны. Определение толщины противопучинного
слоя является обязательным элементом расчета дорожных одежд
в районах страны с большими глубинами промерзания. Климати-
ческие условия влияют на выбор типов дорожной одежды также
U* 307
в связи с ограничением продолжительности строительного сезона
для производства работ с использованием органических вяжущих
материалов. В засушливых районах применение цементобетонных
покрытий осложняется трудностями снабжения строительства во-
дой и организации ухода за бетоном.
Одно из основных требований при выборе конструкции дорож-
ной одежды — максимальное использование местных материалов.
Эта задача имеет большое значение, так как многие обширные рай-
оны СССР (Нечерноземье, Левобережье Украины, Поволжье, За-
падная Сибирь, Северный Казахстан) бедны прочными каменными
материалами. Дорожное строительство в этих районах связано с
использованием привозного камня, доставляемого за сотни кило-
метров по железным дорогам. Уменьшение дальности возки мате-
риалов путем рационального использования местных ресурсов —
отсортированных каменных материалов из притрассовых карьеров
и побочных продуктов промышленности (шлаков, пустых пород
шахт и др.)—дает возможность снизить стоимость строительства
дорог.
При отсутствии местных каменных материалов следует устраи-
вать основание из грунтов, укрепленных вяжущими. В последние
годы в строительстве находят широкое применение золы уноса
ТЭЦ, металлургические шлаки, обладающие цементирующими свой-
ствами, каменные породы из отвалов рудников и каменноугольных
шахт и многие другие побочные продукты промышленности. В свя-
зи со значительной неоднородностью этих материалов в отвалах не*
обходима тщательная их сортировка перед укладкой в дорожную
одежду. Многие местные слабые каменные материалы требуют
предварительной обработки малыми дозами цемента или органи-
ческих вяжущих для повышения морозоустойчивости. Вообще чем
слабее и неоднороднее местные материалы, тем большего внимания
требуют конструирование и .постройка дорожных одежд.
При конструировании дорожных одежд необходимо учитывать
технологические особенности их строительства, отдавая предпочте-
ние вариантам конструкций, осуществление которых требует наи^
меньших материальных ресурсов и затрат энергии и не связано <£
необходимостью применения ручного труда. Преимуществом об-
ладают конструкции, наиболее простые при постройке, допускаю-
щие индустриализацию заготовительных работ на базах и полную
механизацию строительных работ.
Большое значение имеет возможность пропуска автомобилей в
процессе строительства по уплотненным слоям дорожной одежды.
Количество конструктивных слоев дорожной одежды не следует
увеличивать без явной необходимости, так как это, как правило,,
бывает связано с осложнением технологического процесса, приво-
дящим к возрастанию стоимости строительства.
При конструировании дорожных одежд, которые предполага-
ется впоследствии по мере возрастания интенсивности движениям
308
подвергать усилению, необходимую прочность обеспечивают за счет
слоев, которые в дальнейшем будут играть роль основания покры-
тия. Вначале на этих слоях устраивают тонкослойные покрытия
или просто слои износа, возобновляемые по мере надобности.
Дорожная одежда должна быть предохранена от поступления
и накопления в ней влаги. Водопроницаемость отдельных конструк-
тивных слоев должна возрастать книзу, а из нижнего пористого
слоя, если земляное полотно отсыпано из водонепроницаемых грун-
тов, необходимо обеспечить отвод воды. Поступление влаги из зем-
ляного полотна должно быть предотвращено возвышением низа
дорожной одежды над возможными источниками увлажнения или
укладкой прослоек из водонепроницаемого синтетического матери-
ала— геотекстиля. Для уменьшения притока поверхностных вод
в основание дорожной одежды предусматривают устройство крае-
вых полос, прикромочиых дреи и укрепление обочин.
Материалы в конструкции дорожной одежды располагают по
убывающей прочности в соответствии с затуханием по глубине на-
пряжений от временной нагрузки. Следует учитывать жесткость и
коэффициент температурного расширения смежных слоев одежды,
так как при большом их различии в одежде возникают трещины.
Наиболее целесообразно, чтобы отношение модулей упругости
смежных слоев из слабосвязных материалов не превышало 5—-6.
Ни в одном из слоев не должно возникать пластических смещений
при действии расчетных нагрузок. Поскольку сдвигающие напря-
жения в одежде убывают с глубиной (см. рис. 15.1), по мере уда-
ления от поверхности можно укладывать материалы, обладающие
все меньшей прочностью и связностью.
Верхние слои, основания, в которых возникают значительные
напряжения сжатия и сдвига от тяжелых автомобилей, устраивают
из материалов, обладающих достаточной прочностью при всех ко-
лебаниях температуры и влажности (подобранные по крупности
щебеночные или щебеночно-гравийные смеси, обработанные вяз-
ким битумом илн дегтем; щебень или гравий, укрепленный це-
ментом). В нижних слоях оснований следует в максимальной сте-
пени использовать местные каменные материалы, которые в случа-
ях необходимости сортируют, дробят и укрепляют малыми дозами
вяжущих, а также укрепленные грунты.
Привозимые издалека каменные материалы укладывают слоя-
ми минимальной толщины, обеспечивающей возможность форми-
рования из них монолитного конструктивного слоя, надежного в ус-
ловиях эксплуатации. Отдельные слои дорожной одежды ие
должны быть тоньше минимальных значений, при которых еще обес-
печивается их конструктивная прочность и однородность. Так,
например, для асфальтобетона минимальная толщина покрытия
составляет от 3 см для песчаных и холодных смесей до 6—7 см для
крупнозернистых. Для щебеночных и гравийных материалов, об-
работанных вяжущими, она равна 8 см, для тех же материалов,
309
Таблица 15.2
Покрытия или дорожные условия Коэффициент сопротивления движению Относительные транспорты©-эксплуатационные характеристики
Техническая скорость Расход топлива Износ шин J Межре- монтный пробег Суммарные эксплуата- ционные расходы
Асфальтобенные 0,015 1 1 1 1 1
Цементобетонные 0,015 1 1,02 1,35 1 1
Щебеночные, обра- ботанные органически- ми вяжущими 0,025 0,96 1,05 1,25 0,9 1,30
Щебеночные 0,035 0,75 1,1'1 1,30 0,8 1,45
Гравийные 0,35 0,80 1.12 1,40 0,90 1,60
Булыжные мостовые 0,05 0,60 1,20 0,75 1,80
Грунтовые профи- лированные в сухую погоду Г ру нтовые просе- лочные 0,05— 0,06 0,65 1,03 0,70 0,60 2,00
0,07 0,40 4 1,61 1,60 0,50
но "не обработанных, — 8 см при укладке на прочном (каменном
или из укрепленных грунтов) основании И 15 см на песчаном осно-
вании.
Как видно нз табл. 15.2 и рис. 15.5, при одинаковых интенсив-
ностях движения могут быть применены разные типы дорожных
одежд. Из нескольких возможных вариантов дорожных одежд прн<
разработке проекта выбирают наиболее целесообразный. При этом
учитывают требования автомобильного движения, природные усло-
вия, наличие местных строительных материалов, удобство органи-
зации строительных работ, последующие эксплуатационные затра-
ты и др. Варианты сравнивают для равнопрочных конструкций, раз-
меры которых предварительно должны быть обоснованы расчетом.
В соответствии с принятой в настоящее время методикой срав-
нения вариантов (см. ч. 2, гл. 24) наиболее выгодным типомдорож-
ной одежды является тот, который обеспечивает в течение задан-
ного срока окупаемости строительных затрат наименьшую, отне-
сенную к 1 т-км перевозок, сумму транспортных расходов и расхо-
дов на строительство и эксплуатацию дороги — автомобильную н
дорожную составляющие себестоимости перевозок.
Автомобильная составляющая себестоимости перевозок склады-
вается из расходов на топливо, смазочные материалы и шины, из
заработной платы водителей, из расходов на ремонт и обслужи*
вание автомобилей, а также из стоимости амортизации автомоби-
ля. Значительная часть этих расходов зависит от типа и состояния
пдкрытия (см. табл. 15.2).
Дорожная составляющая себестоимости транспортных расходов
310
складывается из отнесенных к 1 ткм расходов организаций на
строительство, текущий и капитальный ремонты и содержание до-
рог. Обычно дорожиая составляющая перевозок не превышает 10—
15% полной себестоимости перевозок.
15.4. Характеристики прочности грунтов
и материалов конструктивных слоев дорожных одежд
Надежные результаты расчетов толщины дорожных одежд мо-
гут быть Получены только при использовании достоверных значе-
ний параметров, характеризующих материалы конструктивных сло-
ев одежды и подстилающего грунта. При проектировании новых
дорог обычно пользуются приводимыми в нормативных документах
таблицами расчетных значений модулей упругости грунтов и мате-
риалов конструктивных слоев дорожной одежды. При разработке
проектов реконструкции дорог, когда возникает вопрос об усиле-
нии изношенной существующей дорожной одежды, ее модули упру-
гости определяют экспериментально, измеряя прогиб под колесом
тяжелого грузового автомобиля и вычисляя по нему модули так
называемым методом обратного перерасчета, используя формулы
для расчета дорожных одежд по измеренным прогибам (см. ч. 2,
п. 27.8). Этот метод является также основным при накоплении дан-
ных для нормирования расчетных параметров грунтов.
В связи с тем что для грунтов нет прямой пропорциональности
между давлением и деформацией, модуль упругости изменяется при
различных значениях погружения штампа. Малым деформациям
соответствуют несколько большие значения модулей.
Для каждого типа дорожной одежды существует свое критиче-
ское значение прогиба. Для жестких" одежд оно в 3—4 раза мень-
ше, чем для нежестких. Поэтому, строго говоря, условиям работы
каждого типа одежд соответствует свое индивидуальное значение
модуля упругости подстилающего грунта. Наиболее значительно
модуль упругости грунта изменяется при очень малых деформа-
циях, характерных для прогиба монолитных цементобетониых
одежд. В интервале больших деформаций, соответствующих раз-
рушающим прогибам для дорожных одежд, обладающих малым
сопротивлением изгибу (нежесткие одежды), изменения модуля уп-
ругости сравнительно невелики. При расчетах в запас надежности
для всех типов дорожных одежд как жестких, так и нежестких при-
нимают одинаковые значения модулей упругости.
Водно-тепловой режим земляного полотна изменяется в течение
года. Соответственно изменяются в течение года и модули упругости
и деформации грунта основания (рис. 15.6). Чем меньше вероят-
ность переувлажнения грунта в основании дорожной одежды, тем
выше принимают их расчетные значения.
Особенно сильно значения модуля упругости снижаются во вре-
мя весеннего переувлажнения. К этому периоду относятся расчет-
311
ные значения модуля упругости»
приводимые в инструкциях по
расчету нежестких одежд. В су-
хое время года, а также зимой,
когда грунт находится в замерз-
шем состоянии, модуль грунта
много выше табличных значений,
что следует учитывать при оцен-
ке возможности пропуска по до-
роге тяжелых нагрузок в соответ-
ствующие сезоны года.
В результате изучения водно-
Рис. 15.6. Изменение модуля упруго-
сти грунта в течение года:
1 — талый грунт; 2 — мерзлый грунт; 3 —
переувлажненный грунт во время весенне-
го оттаивания; 1?отн — относительные зна-
чения модуля упругости; h — глубина
теплового режима земляного пог
лотна автомобильных дорог в
разных районах страны были
установлены характерные влаж-
ности верхних слоев земляного
полотна под дорожной одеждой
для разных характерных типов
местности по условиям увлажнения. В качестве примера в табл.
15.3 приведены влажности грунтов для П и IV дорожно-климати-
ческих зон.
Введение в конструкцию дорожной одежды гидроизолирующих
прослоек, морозозащитных слоев, устройство прикромочных дрен,
укрепление обочин и повышение отметок земляного полотна над
источниками увлажнения улучшает водный режим подстилающего
грунта. В этих случаях при расчете дорожных одежд приведенные
выше средние влажности грунта уменьшают на 0,03—0,05.
Т а б л н ц а 15.3
Подзоны II дорожно- климатиче- ской зоны Тнп местности по условиям увлажнения Среднее значение влажности, в долях от 1ГТ, для грунтов
легких суглинков пылеватых песков легких суглинков н тяжелых глин пылеватых супесей, тяжелых супесей и суглинков
И! 1 0,60 0,62 0,65 0,70
2 0,63 0,65 0,68 0,73
3 0,65 0,67 0J0 0,75
СМ ч 1 0,57 0,59 0,62 0,67
2 0,60 0,62 0,65 0,70
3 0,62 0,64 0,67 0,72
IV 1 0,53 0,55 0,57 0,64
2—3 0,57 0,58 0,60 0,64
Примечание. — влажность границы текучести.
312
Таблица 15.4
Супесь £, МПа 70 60 56 53 49 45 43 42 41 40
легкая Ф, град 37 36 36 36 35 35 34 34 33 33
С, МПа 0,015 0,014 0,014 0,013 0,012 0*011 0,010 0,009 0,008 0,007
Пылева- Г, МПа 108 90 72 54 46 38 32 27 26 25 '
тая супесь, Ф, град 32 27 24 21 13 15 13 11 10 9
тяжелая пылеватая супесь, су- глинок лег- кий пыле- ватый С, МПа 0,045 0,036 0,030 0,024 0,016 0,013 0,010 0,008 0,005 0,004
Примечание. Значения модулей упругости н угла внутреннего трения крупнозер-
нистых грунтов не зависят от влажности н составляют для крупного веска 130 МПа н
42й, для песка средней крупности — 120 МПа и 40°, для мелкого песка — 100 МПа и 38* и
для мелкого пылеватого песка — 75 МПа н 33е. Легкая супесь имеет модуль упругости
65 МПа н угол внутреннего трения 40°. Сцепление перечисленных грунтов равно 0,005 МПа.
В табл. 15.4 приведены расчетные значения параметров наибо-
лее устойчивого грунта (супеси) и наиболее неблагоприятных пу-
чинистых грунтов земляного полотна.
Модули упругости материалов конструктивных слоев дорожных
одежд зависят от прочности составляющих их каменных материа-
лов, количества вводимого вяжущего и способа постройки.
Для материалов с органическим вяжущим модуль упругости и
сцепление зависят от температуры, до которой они могут нагре-
ваться в жаркие дни, и, кроме того, как для всех анизотропных
материалов, от вида испытываемой деформации и продолжитель-
ности ее действия. Считается, что дорожные одежды на проезжей
части подвергаются нагрузкам продолжительностью 0,1 с, а на сто-
янках— более 10 мйн. Поэтому для асфальтобетона при расчете
на общий прогиб покрытия и на растяжение используют разные
значения модулей упругости.
Некоторые средние значения расчетных характеристик материа-
лов конструктивных слоев приведены в табл. 15.5.
Правильно сконструированная и рассчитанная дорожная одеж-
да должна обеспечивать пропуск расчетных нагрузок и интенсивно-
сти в течение расчетного срока между капитальными ремонтами.
Однако в процессе строительства земляного полотна и дорожных
одежд неизбежны незначительные отклонения от нормативных
требований к степени уплотнения грунта и прочности асфальтобе-
тона, а также от средних погодно-климатических условий района
313
Таблица 15.5
Материалы конструктивного слоя
Модуль
упругости,
МПа
Среднее
сойротнвленне
растяжению
при изгибе,
МПа
Плотный асфальтобетон
Щебень, обработанный в установках биту-
мом, уложенный по способу заклинки
Щебеночный слой, построенный способом
пропнткн
Щебень, уложенный по способу заклинки
Каменные мостовые, пакеляж
Крупнообломочные грунты н гравийные сме-
си оптимального состава, укрепленные вязким
битумом
То же, укрепленные цементом
Побочные продукты промышленности, укреп-
ленные цементом
Супеси тяжелые н пылеватые, суглинки лег-
кие, укрепленные минеральными вяжущими
Грунт, укрепленный жидким битумом:
супесь непылеватая
супесь пылеватая, суглинки
Грунт, укрепленный золой уноса
а) 200—400
б) 300—4400
в) 1500—6000
600—900
400— 600
250—450
400-500
250-350
250—700
180—600
120—500
150—200
80—150
200
1,6—3,2
0,35—0,30
0,18—0,40
0,09—0,30
0,07—0,22
0,02—0,035
0,02—0,035
0,4
Примечания. 1. Модуль упругости для плотного асфальтобетона указан: а — при
расчете на общий прогиб одежды и на сдвиг при разных температурах покрытий, при
кратковременных нагрузках; б — при длительном статическом действии нагрузки (на сто-
янке); в — при расчетах на изгиб.
2. Угол внутреннего трения для грунтов, укрепленных жидким битумом, составляет: для
иепылеватых супесей 25—35°; для пылеватых супесей н суглинков 15—25®.
строительства. При неблагоприятных сочетаниях этих факторов в
отдельные периоды прочность дорожных одежд может оказаться
меньшей, чем требуется по условиям движения и нагрузки.
Поэтому при расчетах для обеспечения запаса надежности в зна-
чения расчетной влажности грунтов и модулей упругости асфаль-
тобетона (параметры, наиболее подверженные влиянию погодных
факторов), вводятся коэффициенты, обеспечивающие «уровень про-
ектной надежности», которым называют отношение прочности до-
рожной одежды в период возможного ее наибольшего ослабления
к расчетной прочности.
Расчетные значения характеристики грунтов и покрытий при-
нимают:
влажности и прочности
VF’p » W (I
среднее сопротивление асфальтобетона или дегтебетона растя-
жению при изгибе
314
Таблица 15.6
i— т нп одежды и покрытия Категория дороги
Капитального Г типа с усовершенствованным по- I. II 0,95
крытием \ III 0,9
Облегченного! типа с усовершенствованным по- II 0,9
крытнем III, IV 0х85
Переходного грпа IV, V 0,60
Здесь W н средние значении характеристик, приведенные в табл. 15.3 и
15.5; vw, Уя — коэффициенты вариации параметров, принимаемые равными 0,1;
Кт — коэффициент снижения прочности асфальтобетонов от воздействии природ-
ных факторов. В зависим остн от марки бетона н района строительства прини-
мается равным 0,8\—1 для плотных бетонов н 0,7—0,9 дли бетонов на гравийных
материалах и щебйе осадочных пород; для дегтебетонов Кт “0,7; Ку— коэффи-
циент усталости, зависящий от интенсивности движения и типа асфальтобетона,
меняющийся в пределах от 0,8—0,9 до 1,8—2,4. Для интенсивности 1000 авт./сут
Лу=1; t— коэффициент нормированного отклонении, принимаемый в зависимо-
сти от заданного уровня проектной надежности Кн:
Кн . . . 0,60 0,85 0,9 0,95
t . . . . 0,26 1,06 1,32 1,71
Уровень надежности принимают в зависимости от категории до-
рог, капитальности одежды и типа покрытия согласно табл. 15.6.
Глава 16
РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
16.1. Нагрузка на дорожную одежду
Давление колес автомобилей на дорожную одежду является ос-
новной нагрузкой, из которой исходят при расчете дорожных одежд.
Современные автомобили имеют пневматические шины с внут-
ренним давлением воздуха от 0,15 до 0,7 МПа. Различают шины
низкого давления с давлением воздуха 0,175—0,55 МПа и шины
высокого давления с давлением воздуха 0,5—0,7 МПа.
Нагрузка от колеса передается на поверхность дороги через
площадь
^жРО
(16.1)
где GK — статическая нагрузка от колеса на покрытие, Н; ро— давление воз-
духа в шине, Па; — коэффициент, учитывающий влияние жесткости боковых
стенок шин, равный в среднем 1,1.
315
При движении давление колеса на покрытие повышается в ре-
зультате влияния ряда факторов: нагревания шины и увеличения
в ней внутреннего давления воздуха; увеличения жесткости шины
от влияния растягивающей покрышку центробежной силы: кратко-
временности контакта с покрытием каждого участка шины, в ре-
зультате чего шина не успевает обжаться до размера, соответству-
ющего статическому приложению фактически действующей нагруз-
ки, т. е. как бы становится более жесткой. /
Кроме того, поверхность дороги всегда имеет неровности в ви-
де волн разной длины (от 1 до 20 м и более), при движении по ко-
торым возникают колебания автомобиля. Давление/ колес на по-
крытие то возрастает, то уменьшается по сравнению do средним зна-
чением. /
Исследование колебаний подвески автомобилей/ при движении
по дороге, неровности на покрытии которой характеризуются за-
кономерностями математической теории случайны^ функций, дают
возможность определить силовое взаимодействие дороги и автомо-
биля *. >
Результаты теоретического анализа и опытные данные привели
к выводу, что при скорости до 80 км/ч среднее значение давления
на покрытие возрастает примерно прямо пропорционально скорос-
ти, а далее остается практически постоянным.
Из-за проявления вязкости грунтов н материалов некоторых
конструктивных слоев деформации дорожных одежд протекают за-
медленно. Полный прогиб одежды, соответствующий приложен-
ной нагрузке, достигается лишь по прошествии нескольких минут.
При кратковременном воздействии на дорогу катящегося колеса в
результате замедленности протекания, деформации и инерционного
сопротивления дорожная одежда прогибается меньше, чем прн ста-
тическом приложении равной нагрузки. Поэтому можно считать, что
в этом случае динамический коэффициент для грунтового основа-
ния менее единицы.
При неровной поверхности динамический коэффициент для грун-
тового основания превышает единицу, но меньше коэффициента,
измеренного по непосредственному ударному воздействию колеса
на поверхность дороги. Динамический коэффициент тем выше, чем
более неровно покрытие. При расчетах дорожных одежд его при-
нимают 1,3.
В СССР за расчетную нагрузку для дорожных одежд всех ти-
пов на загородных участках дорог принимают осевые автомобиль-
ные нагрузки 60 и 100 кН (6 и 10 тс). За рубежом во многих стра-
нах расчеты ведут на осевые нагрузки в 100 и 130 кН.
Данные о расчетных нагрузках приведены в табл. 16.1.
1 Динамика системы дорога — шииа — автомобиль — водитель/А. А. Хачату-
ров, В. Л. Афанасьев, В. С. Васильев и др. М.: Машиностроение, 1976. 536 с„
316
Таблица 16.1
Транспортные средства . Наименьшая статическая нагрузка на ось, кН Нормируемая нагрузка от колеса, кН Среднее давление, МПа Расчетный диаметр колеса, см
неподвиж- ного движуще- гося неподвиж- ного движуще- гося
1 Автомобили: группы А 100 50 65 0,6 33 37
группы Б 60 30 39 0,5 28 32
Автобусы: группы А 110 55 72 0,6 34 39
группы Б 70 35 46 о,5 30 34
Нагрузки от Автомобилей группы А используют при расчетах
одежд на дорогах I—III, 1с и Пс категорий. Предусмотрен постепен-
ный переход на расчет на эту нагрузку одежд и вновь строящихся
дорог IV категории. В дальнейшем в процессе капитальных ремон-
тов одежды на дорогах IV категории будут усиливаться под на-
грузку 100 кН. Дороги V категории, если по ним не предусматри-
вается проезд большегрузных автомобилей, рассчитываются на осе-
вую нагрузку 60 кН.
16.2. Прочность нежестких дорожных одежд
Деформация нежестких дорожных одежд является результатом
проявления ряда процессов (рис. 16.1), протекающих одновремен-
на или следующих друг за другом:
грунтовое основание дорожной одежды сжимается под нагруз-
кой в пределах активной зоны, вследствие чего происходит прогиб
дорожной одежды по некоторой криволинейной поверхности с об-
разованием так называемой чаши прогиба глубиной Д. Чем боль-
шую толщину и жесткость имеет дорожная одежда, тем на боль-
шую площадь распределяется давление внешней нагрузки и, сле-
довательно, тем меньше напряжения, передающиеся на грунт;
под нагрузкой происходит сжатие материала дорожной одеж-
ды, а в нижней части изогнувшихся конструктивных слоев — рас-
тяжение. При превышении растягивающими напряжениями пре-
дела прочности материала в покрытии или основании образуются
трещины. По периметру участка контакта нагрузки с покрытием
действуют срезывающие напряжения, которые при больших нагруз-
ках вызывают пролом дорожной одежды, иногда с выкалыванием
317
а сжатия одеж-
4 — поверхность*
ежесткях до-
есом автомо-
Рис. 16.1. Схема образования чаши
прогиба н разрушения
рожных одежд под к
бнля:
1 — чаша прогиба; 2 — зо
ды; 3 — зона растяженк
среза одежды; S — площадь передачи дав-
ления на грунт; 6 — уплотнение грунта в*
основании; 7 — направление сжатия грун-
та; 5 — выпнравне грунта; 9 — трещины в*
одежде; Д — осадка дорожной одежды
ее части, находящейся под нагрузкой, в виде расширяющегося кни-
зу усеченного конуса;
в основаниях из несвязных и малосвязиых материалов (гравия^
песка, щебня) и в подстилающем грунте при превышении касатель-
ными напряжениями сопротивления сдвигу могут/возникать зоны
пластического течения с выжиманием грунта из Перенапряженной
зоны, развитие которых приводит к потере прочности одежды.
Относительная роль каждой из указанных деформаций в раз-
рушении дорожных одежд различна в конструкциях из разных
материалов и меняется в зависимости от характера приложения и
длительности действия нагрузки, а также влажности и температу-
ры конструктивных слоев одежды.
Чем тоньше одежда и меньше она отличается по жесткости^т
грунта, тем более вероятно ее разрушение от выкалывания под-
штампового конуса.
При многократном приложении к нежесткой дорожной одежде
Рис. 16.2. Закономерности накопления
.деформаций дорожных одежд при
многократных нагружениях:
/ — остаточные деформации; 2 — полная
деформация
различных нагрузок, передаю-
щихся через одинаковые площад-
ки (штампы), кривая нарастания
прогиба покрытия по мере загру-
жений в зависимости от размера
нагрузки может соответствовать
одной из кривых, показанных на
рис. 16.2. Если нагрузки соответ-
ствуют расчетной прочности до*
рожной одежды, а ее слой и грунт
земляного полотна хорошо уплот-
нены, дорожная одежда испыты-
вает только упругие прогибы.
Лишь в первый период после сда-
чи дороги в эксплуатацию, пока
происходит окончательное фор-
мирование, некоторые дорожные
одежды могут испытывать оста-
318
точные реформации, связанные с дополнительным уплотнением,
которые в дальнейшем прекращаются, и одежда затем испытывает
только упругие деформации (линия /). Происходящее в процессе
- эксплуатации дороги незначительное накопление деформаций свя-
зано с процессами старения и износа материала конструктивных
слоев одежпы.
При проезде нагрузок, превышающих расчетные или при вре-
менном снижении прочности грунтов основания в весенний или
осенний периоды возникают постепенно накапливающиеся малые
пластический деформации (линия II). Если их суммарное значение
за период ослабления одежды превысит некоторое допустимое зна-
чение, одежда разрушится (линия III).
Таким образом, прочность одежды зависит от предельного до-
пустимого прсгиба и количества приложений нагрузки за период
ослабления. При очень больших нагрузках или при значительном
снижении прочности грунта осадки, вначале накапливающиеся за-
медлемио, в дальнейшем начинают быстро возрастать и происходит
полное разрушение одежды.
В зависимости от требований, предъявляемых к дороге, расчет
толщины дорожной одежды можно вести из условия достижения
заданного значения деформации.
Считается, что дорожные одежды с покрытиями капитальных
типов должны работать в стадии упругих деформаций с обеспече-
нием достаточного запаса прочности и в наиболее неблагоприятные
периоды года, ког^а грунт имеет наименьшую прочность. На доро-
гах с покрытиями^ усовершенствованных облегченных типов до-
рожные одежды также рассчитывают на работу без допущения воз-
можности накопления пластических деформаций, но с меньшими
запасами прочности, чем при покрытиях капитальных типов.
Одежды с покрытиями переходных типов, восстановление ров-
ности которых легко осуществимо, рассчитывают, допуская неко-
торое накопление деформаций под действием движения. Это дает
возможность снижения толщины дорожной одежды.
Принятый в СССР метод расчета нежестких дорожных одежд
является итогом многолетней работы большого коллектива ученых,
начатой под руководством проф. Н. Н. Иванова. Значительный
вклад в создание этого метода внесли профессора А. М. Кривис-
ский и М. Б. Корсунский.
В связи со сложностью процессов, протекающих в деформиру-
емой дорожной одежде, за обобщенный показатель ее прочности
при расчете принимается комплексная характеристика — допуска-
емый упругий прогиб. Конструкцию дорожной одежды, удовлетво-
ряющую этому основному требованию/дополнительно проверяет по
следующим критериям: устойчивости несвязных слоев против воз-
никновения сдвигов, допустимому значению растягивающих напря-
жений в слоях связных материалов, допустимому значению зимне-
го вспучивания, обеспечению отвода воды из пористых слоев,
319
16.3. Расчет толщины дорожных одежд
по предельному допустимому упругому прогибу
С точки зрения строительной механики дорожные одежды пред-
ставляют собой многослойные системы, состоящие из слоев разной
жесткости, лежащих иа уп^угоизотропном полупространстве —
грунтовом массиве. /
Передача давления, осадка и сжатие отдельных слоев многослой-
ных систем зависят от толщины отдельных слоев, соотношения их
модулей упругости и коэффициентов Пуассона, возможности сме-
щения слоя по слою в процессе деформации. Для неоднородных
нелинейно деформируемых материалов, к которым относятся кон-
структивные слои дорожных одежд (асфальтобетощ уплотненный
щебень и т. п.), еще не найдено теоретических решений, позволяю-
щих рассчитать напряжения, передающиеся на груштовое основа-
ние. Поэтому с некоторой долей условности при расчетах дорож-
ных одежд исходят из закономерностей распределения напряжений
в многослойных системах, разработанных в теории упругости. При-
менимость этих схем к дорожным одеждам обосновывается тем,
что при малых прогибах они работают как линейно деформируемые
многослойные системы. А
Задачи о напряженном состоянии многослойных систем реше-
ны лишь для некоторых частных случаев. Трудность задачи возрас-
тает с увеличением числа рассматриваемых слоев и поэтому боль-
шинство решений относится к двухслойным системам, у которых
верхний слой имеет больший модуль упругости, чем нижний.
Решения обычно даются в виде таблиц напряжений и верти-
кальных перемещений двух- и трехслойных систем под действием
вертикальной нагрузки, равномерно распределенной по круглой
площадке (рис. 16.3). Таблицы дают значения смещений поверх-
ности полупространства и напряжений в слоях для разных соотно-
шений модулей упругости EjEz, толщин слоев и диаметра площад-
ки, через которую передается нагрузка, h/D при разных коэффи-
циентах Пуассона.
Конструкции применяемых дорожных одежд весьма разнооб-
разны. Для обеспечения их равнопрочности и возможности сопос-
тавления разных вариантов по прочности их оценивают эквивалент-
ным модулем упругости — общим модулем упругости — модулем та-
кого однородного полупространства, которое при приложении рас-
четной нагрузки имеет такую же деформацию, как многослойная до-
рожная одежда (рис. 16.4).
Для двухслойной системы эквивалентный модуль упругости (об-
щий модуль упругости) выражается зависимостью
1,05-0,1
£(>бщ —
~ _ з
1,35ft9'
— arctg——
Я ftg
(16.2>
320
Рис. 16.3. Схема двухслойной системы
для р асчетр толщины дорожных
одежд
где Ei — модуль упругости верхнего слоя; £2—модуль упругости нижнего
слоя; h — толщина верхнего слоя; D — диаметр круглой площадки, через кото-
рую передается ^давление? 2Л|Л£1/6£обш —«эквивалентный слой» ма-
териала нижнегЬ слоя с модулем упругости £2» при замене которым верхнего
слоя рассматриваемой двухслойной системы h ее напрнженное состояние ие из-
менится. \
Понятие оа эквивалентном слое проще всего может быть полу-
чено из следующей упрощенной расчетной схемы. Пусть на линей-
но деформируемом полупространстве лежат две бесконечные пли-
ты толщинами к и h2 из разных материалов с модулями упругости
Е\ и Е2. Очевидно, что если прочность плит одинакова, их прогибы
при равных нагрузках равны. Для этого должны быть одинаковы
их цилиндрические жесткости:
«г*?
2 ‘ ---от- = const,
12(1 —1»;)
где Ei — модуль упругости; hi — толщина плиты; — коэффициент Пуас-
сона.
Приравняв выражения жесткостей для двух плит и допустив,
что pi — иг, получим эквивалентную толщину слоя с модулей £1
fti = hi^Ei/Ei. (16.3)
В зависимости от сделанных при выводе допущений в форму-
лах, предложенных разными авторами, выражения для эквива-
лентных слоев различаются. В частности, в соответствии с данны-
ми экспериментов М. Б. Корсунский предлагает принимать при оп-
ределении растягивающих напряжений в нежестких одеждах, рабо-
тающих в условиях упругих деформаций,
з<-----
h\ = 1 tlh2^ Е2/Е\* (16.4)
Модуль упругости эквивалентного дорожной одежде однород-
ного полупространства, при котором деформации от расчетной иа-
Рнс. 16.4. Схема к определению по-
нятия об общем (эквивалентном) мо-
дуле упругости многослойной систе-
мы:
а — многослойная система после деформа-
ции (пунктиром показано первоначальное
положение слоев); б — эквивалентное од-
нородное пространство
321
грузки не превышают заданного значения, может быть определен
ло формуле Буссинеска для просадки поверхности упругоизотроп-
ного полупространства от нагрузки, равномерно распределенной по
кругу, 7
(1 — и2) /
= — z " / (16.5)
где р— давление колеса автомобиля; D — диаметр круга, Iравновеликого
следу колеса; р — коэффициент Пуассона; I — допустимая восстанавливающая-
ся деформация, принимаемая прн расчетах с учетом намечаемой конструкции
дорожной одежды и интенсивности движения. Г
Значения допустимого относительного упругого прогиба дорож-
ных одежд 1/D при определении требуемого суммарного модуля
упругости принимают для дорог с высокой интенсивностью движе-
ния в пределах 0,0025—0,0030, при более легком движении —
0,0035—0,0040, При расчетах облегченных усовершенстованных до-
рожных одежд эти значения допускается увеличивать, но не более
чем в 1,5 раза. /
При назначении общего (эквивалентного) модуля упругости для
расчета толщины нежестких дорожных одежд необходимо учиты-
вать, что под воздействием многократно прилагаемых нагрузок и
температурных колебаний в дорожных одеждах возникают явления
усталости. Зерна минеральных материалов истираются и дробятся,
трение и сцепление между ними уменьшаются, а органические вя-
жущие материалы, которыми они связаны, под влиянием процес-
са старения становятся хрупкими. Наблюдения на дорогах и лабо-
раторные испытания моделей показали, что одежды, имевшие зна-
чительную прочность при расчете на однократное приложение
нагрузки, разрушались после многократных воздействий нагрузок,
меньших расчетной. Чем больше число приложений нагрузки, тем
интенсивнее снижается прочность дорожной одежды, подчиняясь
эмпирической зависимости вида
^общ.ст ^экв.ст
£о6^= Кт = a + blgN ' (166)
где — общий (эквивалентный) модуль упругости „ дорожной одежды
при воздействии W (автУсут) по одной полосе; £общ. ст— общий (эквивалент-
ный) модуль только что построенной дороги, рассчитанный из условия статиче-
ского действия нагрузки; Кии — коэффициент, учитывающий интенсивность дви-
жения; а, b — параметры, характеризующие естественное старение одежды и
интеисивиость накопления в ней деформации, значение которых для современных
составов движения колеблется в сравнительно узких пределах.
Требуемые значения эквивалентного (общего) модуля упру-
гости многослойных нежестких дорожных одежд были установле-
ны на основе многочисленных экспериментов в СССР и за рубе-
жом по испытаниям дорожных одежд пробными нагрузками и ана-
лиза причин их разрушений в условиях эксплуатации.
322
Рис. 16.5. Номограмма для определения требуемого суммарного модуля упруго*
сти при расчетах по упругим деформациям
Для назначения требуемых расчетных значений модулей пред-
ложена номограмма (рис. 16.5). Интенсивность Движения, приве-
денного к расчетным нагрузкам от автомобилей групп А и Б, сле-
дует принимать на одну полосу движения на последний год расчет-
ного срока службы покрытия, который при расчете толщины дорож-
ных одежд принимают равным 10 годам. Поскольку по дорогам
происходит движение разных автомобилей, при расчетах их при-
водят к эквивалентному по воздействию на дорожную одежду ко-
личеству расчетных автомобилей.
Пусть необходимо найти коэффициент для перехода от автомо-
биля, колесо которого имеет давление pi и диаметр отпечатка Du
к автомобилю с соответствующими показателями р2 и D$.
Согласно уравнению (16.4) при движении этих автомобилей
требуются эквивалентные модули упругости дорожной одежды:
^ТР1 — --
PiDlCl —
^тр2 — ^Сця2^ —
Р2Р2 (1 — И2)
где Е— эквивалентный модуль упругости, необходимый по категории до-
роги.
Отсюда
£тр! __ Р2&2
£тр2 Р1&1
323
Таблица 16.2
Марка транспортногЬ средства или прицепа Грузо- подъемность, т ‘ Статическая нагрузка от заднего колеса, кН Коэффициент приведения к расчетным/нагрузкам
« Группа А / Группа Б
ГАЗ-53А 4.0 28,0 0,08 0,74
ЗИЛ-130 5,0 34,8 0,20 / 1,94
МАЗ-500А 8,0 50,0 1.04 !
КамАЗ-5320 8,0 27,3 0,27 ; 2,25
ЛиАЗ-677 41,6 0,53
«Икарус-250» 47,9 0.91 , 1 '
КрАЗ-258Б1 12,0 43,7 2,34 f 1 '
ГКБ-817 5,5 20,1 0,04 0,34
МАЗ-8926 8,0 30,0 0,21 2,0
ИЛИ
PiDi а+ big 1УЬ
p2D2 а+ blgN2’
откуда после преобразования
lgAri==^L(lgjy2+4)_ *
PiDi \ ь ) ь
Значения а и b были определены по данным обобщения резуль-
татов наблюдений за службой различных дорожных одежд в ус-
ловиях эксплуатации и специальных опытов по испытаниям дорож-
ных одежд. В связи с относительно малыми колебаниями их зна-
чений для современных транспортных потоков проф. Н. Н. Иванов
предложил пользоваться приближенной зависимостью
lgJVi = .£2£L(lgJV2+1)—1.
Pi^i
В действующей Инструкции по проектированию дорожных
одежд нежесткого типа (ВСН 46—83) Минтрансстроя СССР пре-
дусмотрен более простой способ приведения смешанных транспорт-
ных потоков к расчетным автомобилям:
п
№расч.экв = # yEj i >
где к — коэффициент, учитывающий распределение движения по ширине про*
езжей части. Его значение для наиболее загруженной полосы движения состав*
ляет при двух полосах движения 0,55, при трех — 0,50 и при четырех—0,35;
п — число различных марок транспортных средств в транспортном потоке; & —
коэффициенты приведения воздействия на дорогу разных транспортных средств
(табл. 16.2); #— перспективное число проездов в сутки в обоих направлениях
транспортных средств каждой марки.
Фактически иа прогиб дорожных одежд влияет и нагрузка от
соседних колес, так как волны прогиба покрытия часто перекрыва-
324
Таблица 16.3
Категория
дороги
Расчетная
приведенная интенсивность
иа одну полосу, еЖ./сут
Минимальный модуль упругости, МПа,
для покрытий
(усовершенство-
ванных
облегченных
Группа А
Группа Б
переходных
I 500 230 II" — II" —
II 250 •м» 220 180 II" —
III 70 180 160
IV «мм* 70 — 125 65
V 50 — 100 50
ются (рис. 16.6). Это обстоятельство приходится учитывать при
расчетах дорожных одежд на пропуск трейлеров и трехосных авто-
мобилей. На рис. 16.7 показано, как суммируются эпюры напря-
жений в грунте от разных колес.
По проф. М. Б. Корсунскому, отношение прогиба от смежного
колеса Дг к прогибу от расчетного колеса До выражается зависи-
мостью
А, 1
= “Г =----------—---------------------г; • (16.7)
Г Ал ( 2г 2,5/.______\2
14-0,67 ^”2)" £экй/£гр I
где г — расстояние между центрами площадей отпечатков колес; h — экви-
валентная толщина покрытия н основание (не включая песчаных свай); Ем»—*
эквивалентный модуль покрытия и основания; ЕГр — модуль упругости подсти-
лающего грунта.
Прогиб покрытия от совместного влияния двух колес
-А = (1 ч- х2) До. (16.8)
Определенные с учетом этого обстоятельства значения коэф-
фициентов приведения к расчетным нагрузкам для разных автомо-
билей указаны в табл. 16.2. При приведении автомобили с прице-
пами принимают за два автомобиля с соответствующими нагрузка-
ми на ось, а автопоезда считают за несколько автомобилей в соот-
ветствии с числом осей в поезде.
Рис. 16.6. Способ учета влияния смежных колес при расчете толщины дорожной
одежды:
/ — прогиб от колеса /; 2 —< прогиб от колеса II; 3 —суммарный прогиб от двух колес
325
Чтобы гарантировать для дорог каждой категории некоторую
соответствующую возможным условиям работы при случайных пре*
вышениях расчетной интенсивности минимальную прочность, най-
денные расчетом значения требуемого общего модуля упругости
дорожной одежды должны быть увеличены до значений, приведен-
ных в табл. 16.3.
При расчете толщины дорожной одежды теоретическое значе-
ние модуля упругости намечаемой конструкции дорожной одежды
определяют по номограммам, составленным на основе решения о
напряжениях и деформациях в двухслойной системе (рис. 16.8 и
16.9). Они связывают значение модулей упругости верхнего и ниж-
г
Рис. 16.7. Эпюра вертикальных напряжений в песчаном подстилающем слое на
глубине 25 и 35 см и иа глубине 50 см в грунте под асфальтобетонным покрыти-
ем на цементогруитоВом основании при проезде автомобиля КрАЗ«255Б со ско-
ростью 50 км/ч
326
Рнс 16.8. Номограмма для определения модуля упругости верхнего слоя двух-
слойной системы (цифрами иа кривых показано отношение EJEctm — модуля
упругости инжнего слоя Е2 к эквивалентному модулю двухслойной системы
£обхц)
него слоев Et и относительную толщину верхнего слоя h/D и об-
щий модуль упругости на поверхности двухслойной системы ЕОбщ.
Зная четыре из этих величин, можно найти любую пятую.
При расчетах можно пользоваться и одной номограммой, при-
веденной на рис. 16.8, но в этом случае при определении суммарного
модуля слоев, лежащих ниже покрытия, приходится действовать ме-
тодом последовательных приближений. При этом необходимо, зада-
ваясь значением — суммарного модуля упругости конструктивных
слоев, расположенных ниже покрытия (Е2=£Общ(М|.г), —'добиться
совпадения точек пересечения с перпендикуляром к оси абсцисс в
точке, соответствующей отношению h/D кривой Е2/Ео^ и перпен-
дикуляра к оси ординат из точки Е2/Е\.
327
Рис. 16.9. Номограмма дли определения общего модуля упругости двухслойной
системы £о«1ц (цифрами на кривых показано отношение
Рассмотрим последовательность расчета на примере трехслой-
ной дорожной одежды (рис. 16.10). Толщина ее верхнего слоя из
наиболее дорогого материала принята по конструктивным сообра-
жениям минимальной, равной ha. Толщина нижнего морозозащит-
ного слоя, назначаемая из условия обеспечения отвода воды и пре-
дотвращения пучения, равна hu.
Задача расчета сводится к определению необходимой толщины
слоя основания ho.
1. Исходя из известных модулей упругости грунта Егр и материа-
ла морозозащитного слоя £м и его толщины ftM находим эквивалент-
ный модуль системы «нижний слой — подстилающий грунт» Eo«mM —
В данном случае принимаем £гр=Ег, Ем=Еь Для этого на оси ор-
динат (см. рис. 16.9) откладываем отношение Е^Е^Егр/Еж, а на
828
X с •
777777/7^^
Ег
1 Ф.Ф*
\|/ ^^<g-iW-rp * ’
Рнс. 16.10. Последовательность расчета толщины нежесткой дорожной одежды:
а — схема одежды и расчетные величины; б — последовательность расчетов; 1 — 3 — этапы
расчета
оси абсцисс — отношение hM/D (где D — диаметр круга, эквива-
лентного площади контакта шины расчетного автомобиля с по-
крытием).
Восстанавливая перпендикуляры из найденных на осях коорди-
нат точек, определяем по точке их пересечения на системе линий на
поле номограммы отношение^р/^обшм-гр, из которого находим иско-
мый эквивалентный модуль.
2. Исходя из известных значений общего модуля упругости всей
дорожной одежды ЕОбщ> модуля упругости покрытия Еп, прини-
маемого за Еь и конструктивно принятой толщины покрытия Лп оп-
ределяем суммарный модуль слоев дорожной одежды, располо-
женных под покрытием — системы «основание — морозозащитный
слой — грунт» Еобщо.м.гр> принимаемый за Е\.
Для этого откладываем на оси абсцисс (рнс. 16.9) отношение
hnID и восстанавливаем из этой точки перпендикуляр до пересе-
чения с линией на поле номограммы, соответствующей отношению
Еобщ/Ei — Еобщ/Ед.
Проводя из точки пересечения перпендикуляр к осн ординат,
получаем отношение Е’г/^^^обшо-м-гр/^п’ из которого находим
ИСКОМЫЙ МОДУЛЬ Е*общ0-. г0.
3. Зная общие модули foemo.^ и /?общм.гр и модуль слоя осно-
вания дорожной одежды Ео, находим по номограмме (см.
рис. 16.8), пользуясь шкалой ординат £,2/£,1=£,ОбЩ|11 7£0 и линией
на поле номограммы £’0бщ/^1=^общ0.м.гр/£’о> искомое отношение
Eqcb/D.
Последовательность расчетов показана иа рис. 16.10.
Как видно нз предыдущего изложения, последовательность расположения
конструктивных слоев и толщина некоторых из них прн расчетах дорожных
329
Рис. 16.1 L Схемы к методу конструи-
рования и расчета дорожных одежд
ХАДИ:
а схема слоев с изменяющимся по глу-
бине модулем упругости; б — размещение
слоев при конструировании дорожной
одежды
одежд назначаются проектировщиком. Поэтому определяемые расчетом толщи-
ны остальных слоев в какой-то степени зависят от удачностн этих решений*
Проф. А. К. Бируля (Харьковский автомобильно-дорожный институт) предло-
жил метод конструирования и расчета равнопрочных дорожных одежд из раз-
ных материалов, основанный на предпосылке о необходимости заковомерного
изменении * модулей упругости конструктивных слоев дорожных одежд с глу-
биной.
При этом необходимый общий модуль одежды принимается согласно изло-
женному выше в этом параграфе.
Изменение модуля упругости конструктивных слоев дорожной одежды дол-
жно соответствовать закономерности, выражаемой формулой проф. Б. И. Когана
Ег = Ео ехр —?
(16.9)
где Ео—модуль упругости подстилающего грунта; Н — толщина дорожной
одежды; z — координата рассматриваемой точки в системе координат, показан-
ной иа рис. 16.11; ₽— коэффициент, характеризующий интенсивность изменения
модуля упругости по глубине.
Значение р определяют из услоиии, что на поверхности подстилающего грун-
ту модуль упругости должен быть равен модулю упругости Ео, а на поверхно-
сти покрытия — модулю упругости его материала Ев. Подставляя в уравнение
Е '
'(16.9) z== —Я, получаем, что Ев=Еое₽, откуда £ = 1п .
Осадка дорожной одежды при дей-
ствии нагрузки, равномерно распреде-
ленной по круглой площадке радиусом
Я, при описанном распределении напря-
жений по проф. Б. И. Когану выража-
ется зависимостью
2/М?
(16.10)
Рис, 16.12. График дли определения
толщины дорожной одежды
где ai=EB/EO6m — коэффициент при-
ведения многослойной системы к одно-
родному полупространству; ЕОбщ — рзо
четный общий модуль упругости дорож-
ной одежды.
Общую толщину слоев дорожной
одежды определяют по графику (рис.
16.12) иа основе отношений R/Н и
Ев/Ео.
330
О 200 WO 600
б.мла
Е'МЛа
ППГПк Т7777п ESS3* Е223-?.
Рис. 16.13. Примеры конструкций дорожных одежд, рассчитанных по методу
ХАДИ:
/ — двухслойный асфальтобетон; 2 — щебень, обработанный органическими вяжущими в
установке; 3 — сортированный по крупности щебень; 4 — подобранная щебеночная смесь,
-обработанная органическими вяжущими; 5 — грунт, укрепленный добавками щебня и обра-
ботанный вяжущими; 6 — не сортированный по крупности щебень; 7 — грунт, укрепленный
добавками щебня; 8 — грунт, обработанный органическими вяжущими; Р — грунт, укрен-
ленный малыми добавками щебня
Построив теоретическую эпюру распределения модуля упругости по глубине
(см. рис. 16.11. б), размещают на ней слон разных материалов таким образом,
чтобы в середине толщины каждого слоя значение модуля равнялось модулю
этого материала. Площадь ступенчатой эпюры модулей дорожной одежды дол-
жна равняться площади, ограниченной теоретической кривой. На рис. 16.13 при-
ведены три варианта дорожной одежды с общим модулем £общ=® 218 МПа при
суммарной толщине 75 см.
16.4. Проверив несвязных слоев дорожной одежды
на устойчивость против сдвига
При действии расчетной нагрузки в слоях дорожной одежды,
не обладающих большой связностью, не должно возникать явлений
сдвига, приводящих к деформациям дорожных одежд. Условия ус-
тойчивости против возникновения сдвигов в некоторой точке конст-
руктивного слоя из несвязных материалов выражаются зависи-
мостью Кулона.
Tmax < ИЛИ Tmax — ntgf < С, (16.11)
где ттах— максимальное касательное напряжение; с—нормальная состав-
ляющая напряжений к площадке, по которой действуют максимальные касатель-
ные напряжения; <р — угол внутреннего трения несвязного материала; с —сцеп-
ление.
Левую часть преобразованного выражения тюах—<rtg<p=7=TaKT на-
зывают активным напряжением сдвига.
331
Наибольшее значение активное напряжение сдвига имеет обыч-
но под центром нагруженной площадки, на контакте между слоя-
ми или несколько ниже.
Активное напряжение сопротивления сдвигу от временной на-
грузки, соответствующее согласно критерию прочности Мора ус-
ловию предельного равновесия в наиболее напряженной точке под-
стилающего одежду грунта под центром отпечатка колеса, выра-
жается зависимостью
такт = —-— [(я, — Оз) — («1 + ®з) sin <р], (16.12}
2 COS ср
где <Ji, аз — максимальное н минимальное главные напряжения в данной точ-
ке, определяемые после приведения дорожной одежды к эквивалентной двух-
слойной; <р — угол внутреннего трення.
На активное напряжение сдвига оказывает также влияние соб-
ственный вес слоев дорожной одежды, расположенных выше рас-
сматриваемого. Для учета этого фактора вводится поправка тв-
В зависимости от угла внутреннего трения и толщины одежды она
может быть как положительной, так и отрицательной.
Таким образом, за критерий устойчивости одежды против сдви-
га принимается окончательное условие
Такт шах ~ (Такт £ Т'в) < Тдоп — » (16.13)*
где Тдоп — допускаемое напряжение сдвига в грунте; с — сцепление в грун-
те активной зоны земляного полотна в расчетный период; ku k2t Л3— частные
коэффициенты запаса; k\—снижение сцепления с при кратковременном импуль-
сивном приложении подвижной нагрузки 0,6 прн кратковременных нагруз-
ках, ^—0,9 прн длительном действии, нагрузок с малой повторностью нагруже-
ния); k2 — коэффициент запаса, учитывающий нарушение технологии строитель-
ства, особо неблагоприятные условия погоды. В зависимости от интенсивности
движения он меняется от 1,23 прн проезде менее 50 авт./сут до 0,55 при
5000 авт./сут; — коэффициент, учитывающий особенности работы разных грун-
тов в конструкции дорожной одежды. Для песков в зависимости от нх крупно-
сти Л3=3,04-7,0; для глинистых грунтов Л3=1,5.
На рис. 16.14 представлена номограмма для определения актив-
ного напряжения сдвига такт от единичной нагрузки (р=1) для
случая совместной работы слоев в зоне контакта. Для учета влия-
ния веса дорожной одежды дана вспомогательная номограмма
(рис, 16.15). Коэффициенты Пуассона ц приняты для материалов
дорожной одежды 0,25 и грунта 0,35.
Проверку на устойчивость конструктивного слоя на сопротив-
ление сдвигу ведут следующим образом:
определяют средний расчетный модуль упругости слоев, рас-
положенных выше проверяемого, по приближенной формуле
(рис. 16.16)
£Л + £2А2 + . •.
£СР =----77" ' (16.14>
«1 4- Й2 • • •
где £j, £з, ... — расчетные модули упругости конструктивных слоев, толщи-
на которых соответственно равна hu fe, ... .
332
Рис. 16.14. Номограмма для расчета двухслойных дорожных одежд прн свобод-
ном смещении слоев в плоскости контакта (прн h/D—0-?4)
Расчеты показали, что напряженное состояние, вычисленное ис-
ходя из этой предпосылки, обычно близко к рассчитанному по точ-
ным способам;
вычисляют допустимое сопротивление сдвигу ТДОц по уравнению*
(16.13).
лення активных напряжений сдвига
от собственного веса одежды,
Егр, Сгр, У гр
Рнс. 16,16. Схема определения слоев:
прн определении среднего модуля
упругости
333:
Находят по номограмме (см. рнс. 16.11) максимальное удельное
активное напряжение сдвига Такт в проверяемом слое исходя нз из-
вестных отношений 'Eh/D и Еср/Егр и угла внутреннего трення ф и
вводят к нему поправку на влияние веса дорожной одежды (см.
рнс. 16.15).
Сопоставляя активное сопротивление сдвигу с вычисленным по
«формуле (16.11) допускаемым, судят о том, правильно лн назна-
чена конструкция одежды.
Если расчет указывает на возможность появления пластических
сдвигов, необходимо изменить толщину или жесткость вышележа-
щих слоев нлн использовать в проверяемом слое материал с боль-
шим сопротивлением сдвигу.
Оценку устойчивости слоев нз слабосвязных гравийных и пес-
чаных материалов, нз материалов и грунтов, укрепленных жидким
вяжущим, рассчитывают аналогичным методом*. Прн этом коэф-
фициент k$ принимают равным 1,5.
16.5. Проверка на растягивающие и сдвигающие напряжения
в связных слоях дорожной одежды
Прн прогибе дорожной одежды в ее отдельных слоях могут воз-
никать растягивающие напряжения, приводящие к образованию
тр(ещин.
Для определения напряжений в связном слое, лежащем на
упругом полупространстве, д-ром техн, наук М. Б. Корсунским
предложена формула
4Kiph
(16.15)
. где р — давление от расчетного автомобиля, МПа, в которое вводят коэф-
фициент динамичности 1,15; Ki — коэффициент запаса иа динамичность воздей-
ствии нагрузки н неоднородность условий работы дорожных одежд, равный 1,3;
h — толщина покрытия; h3 = 1,\h ^х/£об.осн —эквивалентная толщина по-
крытия (см. п*. 16.3); £i — модуль упругости покрытия; £Об. осн— общий (экви-
валентный) модуль упругости конструктивных слоев, подстилающих покрытие:
Р — диаметр круга, равновеликого площади контакта колеса автомобили с по-
крытием.
Для расчетов по формуле (16.15) имеется номограмма
(рис. 16.17), которая связывает относительную толщину покрытия
А/D, отношение модуля упругости материала покрытия к общему
модулю на поверхности подстилающего покрытие основания
^1/£об.осн С максимальным растягивающим напряжением прн изги-
бе в материале покрытия о'т от распределенной по круглой пло-
щадке нагрузки, равной 1 МПа.
В запас прочности номограмма исходит нз наиболее опасного
случая, когда отсутствует сцепление покрытия с основанием.
334
Проверку проводят следую-
щим образом:
находят общий модуль упру-
гости Еоб.осн конструктивных сло-
ев одежды, подстилающих покры-
тие по номограмме (см. рнс. 16.9);
используя номограмму (см.
рнс. 16.17), находят для извест-
ных h/D и fi/foG.ocH максималь-
ное растягивающее напряжение
о/ от единичной нагрузки. Пол-
ное напряжение ог=о/рК (где
К — коэффициент, учитывающий
особенности передачи давления
на покрытие). Прн спаренных
колесах К=0,85, прн одиночных
К=1.
Если напряжения превышают
допустимые по табл. 15.5, следует
увеличить толщину покрытия нли
повысить жесткость основания.
Прн проверке растягивающих
напряжений в промежуточном
слое предварительно по номо-
грамме вычисляют средний мо-
дуль упругости для вышележа-
щих слоев дорожной одежды, а
Рис. 16.17. Номограмма для опреде-
ления растягивающих напряжений на
нижней поверхности слоев, работаю-
щих на изгиб, прн давлении колеса
на покрытие 6,1 МПа
расположенные ниже слои приводят к эквивалентному полупрост-
ранству.
Асфальтобетонные покрытия также проверяют на сдвиг по ме-
тодике, аналогичной описанной (см. п. 16.4), с использованием спе-
циальных номограмм.
Следует иметь в виду, что изменение в результате одной из про-
верок толщины какого-либо из слоев вызывает необходимость конт-
рольного перерасчета одежды в целом.
16.6. Расчет толщины дорожных одежд из условия
предупреждения деформаций при промерзании
В северных и центральных районах Советского Союза, для ко-
торых характерно избыточное увлажнение и глубокое зимнее про-
мерзание, должна быть обеспечена устойчивость дорожных одежд
для всех типов против нарушения ровности прн неравномерном
вспучивании грунтов земляного полотна. Проверку проводить из-
лишне, если земляное полотно на всю глубину промерзания состо-
ит нз непучнннстых и слабопучнннстых грунтов или толщина до-
рожной одежды превышает 2/з глубины промерзания.
33»
Ряс. 16.1®. Схема к определению пре-
дельно допустимого коэффициента пу-
чения
Процессы зимней миграции
влаги, рассмотренные в п. 7.4,
приводят к накоплению и замер-
занию воды в Опорах грунта,, вы-
зывая неравномерные поднятия
покрытия и нарушение его ров-
ности, а в бетонных покрытиях
появление трещин и ступеней
между плитами. При весеннем
оттаивании грунта может проис-
ходить разрушение покрытия при
проездах тяжелых автомобилей.
Расчеты дорожных одежд с
учетом деформаций вспучивания
основаны иа теории зимнего вла-
гонакопления в земляном полот-*
не. Определенное расчетом вспу-
чивание грунта земляного полот-
на и морозозащитного слоя дол-
жно быть меньше вспучивания,
допускаемого покрытием.
Максимальное, без разрушения неравномерное вспучивание не-
жестких дорожных одежд определяют исходя из простейшего до-
пущения, что вспучившийся участок образует цилиндрическую по*
верхность. При допустимом удлинении материала покрытия вдоп
минимальный радиус кривизны вспучивания дорожной одежды мо-
жет быть определен из схемы на рис. 16.18.
Из подобия треугольников CDE и АВО
Д£
Я/2
Z/2.
Ы. .. t п
откуда, учитывая, что ——=ежт, а (пред мало по сравнению с R,
Ъ f Лг
' ^**оп
где Н—общая толщина каменных слоев дорожной одежды, см.
(16.16)
Неравномерное вспучивание захватывает только часть общей,
ширины проезжей части L/m.
По данным наблюдений за процессом зимнего пучения на доро-
гах т—2 при относительно благоприятных гидрогеологических ус-
ловиях и т=1,5 на участках дорог, проходящих по косогорам, при
высоком уровне грунтовых вод.
Из геометрических соображений
fnp^=l/4R(L/m^.
. Подставляя в это выражение значение R из уравнения (16.16),
получаем предельное значение неравномерного вспучивания покры-
336
тия, после которого может наступить его разрушение,
Для асфальтобетона едоп=0,0010.
Расчетную высоту пучения определяют для каждого участка до-
роги, отличающегося по гидрогеологическим условиям от.смежвиАт.
Для 1-го типа местности по условиям увлажнения пучение
Ют только при пылеватых грунтах.
При проверке дорожных одежд иа устойчивость противШ^^*
кого пучейия считают, что допустимое неравномерное вспу^^Ц
/доп <ие должно превышать 0,2—0,6 предельного для дорожной одеж-
ды н составляет для II и III дорожно-климатических зон
Покрытия гдоп, СМ
Цементобетонные монолитные . . 3
Асфальтобетонные н сборные цементобетонные ... 4
Усовершенствованные облегченные ........ 6
Переходных типов .............. 10
Согласно п. 7.4 пучение зависит от количества Q воды, нахо-
дящейся в толще промерзшего слоя, и составляет
/пУЧ в 1Q*
Значение Q может быть определено по формулам Н. А. Пузано-
ва (см. п. 7.4).
В местах с глубоким залеганием грунтовых вод (1-й и 2-й тйпы
местности по условиям увлажнения) значение /пуч можно опреде-
лить по упрощенной формуле
/пуч = К«*прОМ» (16.18)
где Зпром — максимальная глубина промерзания в районе проложения доро-
ги, которую можцо принимать по приведенным в Строительных нормах и пра-
вилах нормативным картам глубин промерзания дли закладки фундаментов со-
оружений, увеличивая ее на 0,5 м для учета большей глубины промерзания до-
роги, очищаемой от снега, по сравнению с прилегающей местностью. Она также
может быть определена по формуле Н. А Пузакова (см. п. 7.4):
^пром ~ V' (16.19)
а — климатический коэффициент, отражающий скорость промерзания грунта (см.
100ЦуКп
п, 7.4); Хп =-------коэффициент пучения грунта, значение которого при
’а •
а =100 приведено в табл. 16.4; Т -* продолжительность промерзания, cyt; ₽—
коэффициент, учитывающий гидрогеологические условия местности (для сырых
участков с необеспеченным водоотводом 0=*1,5, для сухих участков ₽==1); у —
коэффициент, учитывающий тип земляного полотна (для пасылей с рабочей от-
меткой >1 м у=1, для малых насыпей и выемок у=1,5).
Если определенное расчетом пучение превышает допустимое, в
дорожную одежду должен быть введен дополнительный слой из не
12—977 337
Таблица 16.4
Грунты Коэффициент пучендн К_ /00 при а-«100 % г Критическая глубина промерзания, см
Глииы, суглинки, супеси 2 80
Суглинки тяжелые пылеватые 3,5 120
Пылеватые легкие суглинки и супеси 3 120—130
Супеси тяжелые пылеватые 5 lSO-r-140
» легкие, пески пылеватые I 120—160
подверженных пучению (морозоустойчивых) материалов (песка,
гравия, щебня, шлака) или проложен теплоизоляционный слой.
Этот слой должен как бы заменить часть промерзающего грунта,
дающую избыточную высоту пучения.
Ее толщина определится из условия
, _ *nP°M^n ^ИзбКд
/доп ~ loo 100 ’
ЮОЛоп
откуда гиз6 = znpoM --. (16.20)
Ап
Поскольку материалы дорожной одежды и морозозащитных
слоев отличаются по теплопроводности от грунта земляного полот-
на, для определения необходимой толщины морозозащитного слоя
следует найти ее значение, эквивалентное избыточной толщине про-
мерзающего слоя в отношении распространения тепла.
Если не учитывать скрытую теплоту замерзания грунтовой во-
ды, то по формуле толщин, эквивалентных по теплопередаче слоев
двух разных материалов [см. ч. 2, формула (28.14)]
где li, lj—коэффициенты теплопроводности материалов дорожной одежды
и земляного полотна, Вт/(м*К). Они составляют 1,74 ^для цементобетона, 1,4—
1,0 для асфальтобетона, 1,9 для гравии и щебня, 0,46 дли топочного шлака, 1,9—
2,2 для песка, 1,8—2 для супеси, 1,6—2 для суглинков и глииы. Для грунтов
меньшие значения относится к положительным, большие — к отрицательным тем-
пературам. Грунты находятся во влажном состоянии.
Необходимая суммарная толщийа дорожной одежды и моро-
зозащитного слоя (в см) составляет
^мор “ ^нзб V ^1/^-2e -г (16.21)
При высоком стоянии уровня грунтовых вод на глубине h от по-
верхности (3-й тип местности по условиям увлажнения) пучение
может быть иайдеио из выражения ^цуч=1,1ч, где количество на-
338
капливающейся в земляном полотне влаги может быть определе-
но по предложенной Н. А. Пузановым зависимости (7.14).__________
Учитывая в ней, что глубина промерзания znp0. = Т^2ао«с7’, и,
обозначив через I произведение 2АК(И7К—HZ©), зависящее только от
свойств грунта, то уравнению (7.14) можно придать вид
./луч Г.В 1^ Д, ~ ^пром^ V» (16.22)
®0вС \ ** г.в ^пром /
где Яг. в — глубина уровня грунтовых вод от поверхности проезжей части.
Коэффициент <р = 0,7 введен на основе опыта для учета неравно-
мерности образования прослоек льда на разных глубинах зоны
промерзания. Для супесей I ориентировочно равно 50, для глины*—
300.
Необходимая суммарная толщина каменной части покрытия и
морозозащитного слоя по аналогии с уравнением (16.19), учитывая,
что ^доп — Хп^дром/ЮО, определится из выражения
Н Мор —
100 (/иуч / доп)
К*
(16.23)
У
где Xi, 12 — коэффициенты теплопроводности дорожной одежды и грунта.
16.7. Расчет толщины дренирующих слоев дорожной одежды
В зимний период в связи с процессами миграции влаги из ниж-
них теплых слоев грунта к границе промерзания в морозозащит-
ном слое дорожной одежды и подстилающем грунте накапливается
вода, образующая ледяные линзы и прослойки. На участках с не-
благоприятными гидрогеологическими условиями ее количество (см.
уравнение (7.11).] может быть относительно большим.
Весной грунт под темной проезжей частью оттаивает быстрее,
чем на обочинах, покрытых снегом. Вода, накопившаяся в грунте
за зиму в результате процессов зимнего перемещения влаги, вы-
жимается вверх в песчаное основание. Поверхность мерзлого грун-
та приобретает вогнутое очертание, образуя так называемый дон-
ник, в котором скапливается выделяющаяся при оттаивании ледя-
ных линз грунтовая вода, лишенная возможности просачиваться
вниз (рис. 16.19).
При проезде автомобилей в переувлажненном подстилающем
грунте возникают гидродинамические напоры, сопротивление грун-
та сдвигу снижается, что может явиться причиной разрушения до-
рожных одежд. Поэтому в конструкции дорожной одежды должна
быть предусмотрена возможность своевременного отвода выделив-
шейся воды через дренирующие слои из хорошо фильтрующих ма-
териалов— песка, щебня и отгрохоченного гравия, имеющих ко-
эффициент фильтрации не менее 1 м/сут.
12* 339
12 3 Рис. 16.19. Неравномерное оттаива-
у' нне землиного полотна:
~ оттаявший грунт; 2 — переувлажнен-
ны® оттаявший грунт; 3 — мерзлый грунт
Методика расчета толщины дренирующих слоев предложена
проф. А. Я. Тулаевым. Она исходит из наиболее сложного весен-
него периода их работы, когда основание под серединой проезжей
части оттаяло, а у краев еще находится в мерзлом состоянии, и во-
доотводные устройства не работают.
Количество воды, поступающей в основание дорожной одежды
в период оттаивания, складывается из воды, выделяющейся при
оттаивании грунта под проезжей частью и обочинами, а также воды,
просачивающейся в поверхностные слои грунта через трещины и
швы покрытия и обочины во время весенних дождей. Скорость от-
таивания грунта земляного полотна под проезжей частью во II
и III дорожно-климатических зонах может достигать 5 см в день.
Скорость оттаивания обочин меньше и составляет в среднем 3 см.
В результате отвод воды из донника задерживается на 3—6 дней в
зависимости от климатического района. Поэтому конструкция дре-
нирующего слоя должна обеспечивать размещение в порах песка
йсей воды, накапливающейся за этот период.
Оттаявший грунт земляного полотна может удержать количе-
ство воды, равное примерно 0,75 от влажности границы текучести.
Поэтому избыток выделившейся воды отжимается вверх в песча-
ное основание. Поскольку трудно установить количество воды, вы-
деляющейся на каждом конкретном участке и поступающей через
дорожную одежду и обочины, при расчетах пользуются установлен-
ными* из наблюдений средними значениями суммарного среднесу-
точного притока воды в основание q [в л/(м2-сут)]. Приток воды
(в литрах) в пористое основание дорожной одежды с 1 м2 проезжей
части за сутки указан в табл. 16.5.
При расчетах песчаных оснований в среднесуточный приток во-
ды вводят поправочные коэффициенты, учитывающие неравномер-
ность оттаивания и выпадения дождей kn и снижение фильтраци-
онной способности песка в результате загрязнения в процессе служ-
бы дороги (коэффициент гидрологического запаса) Аг- В зависи-
мости от грунта, климатической зоны и типа увлажнения значение
kn составляет 1,3—1,7. Коэффициент kr для непылеватых грунтов
раНен 1, для пылеватых— 1,1—1,3.
'На начальном этапе проектирования дорожной одежды толщину
песчаного основания назначают конструктивно или по соображе-
ниям морозоустойчивости. Затем ее проверяют на размещение В по-
рах воды, поступающей за период от начала оттаивания до начала
работы отводящих дренажных устройств, и на возможность ее от-
вода через песчаный слой. При этом следует учитывать, что полное
заполнение пор может быть допущено только в нижней части пес-
3|0
Таблица 16.5
Дорожно- климатическая зона * Тип местности по характеру увлажнения Объем воды, поступающей в основание
Супесь легкая непылеватая, песок пылеватый Суглинок непылеватый, глина Суглинок пылеватый Сунесь пылеватая
И 1 15/2,5 20/2 35/3 80/3,5
2 25/3 50/3 80/4 130/4,5
3 60/3,5 90/4 130/4,5 180/5
III 1 10/1,5 10/1,5 15/2 30/3
2 15/2 25/2 30/2,5 40/3
а 3 25/2,5 40/2,5 50/3,5 60/4
IV и V 3 20/2 20/2 30/2,5 40/3
Примечание. В числителе приведены общий объем Q (в л/м2) за весь период ве-
сеннего оттаивания, в знаменателе — удельный объем q [в л/(м2 - сут)].
чаного слоя. В верхней его части песок должен находиться только
в состоянии капиллярного водонасыщения, так как иначе при ди-
намических воздействвях проезжающих автомобилей в песчаном
слое возможны тиксотропные явления. Поэтому должна быть пре-
дусмотрена запасная толщина песчаного основания АДОп, в преде-
лах которой может находиться только капиллярная влага. Так как
она распределена по высоте неравномерно, считают, что поры до-
полнительной части песчаного слоя заполнены в среднем на 0,7
их объема.
Приток воды с учетом возможной неравномерности ее поступ-
ления и запаса на заиливание [в м3/(м2-сут)]
q$ = qknkT/\N№.
Влага, содержащаяся в дополнительном слое к началу оттаива-
ния, учитывается при определении рабочей части песчаного слоя.
Таким образом, толщина песчаного слоя должна быть не менее
I Г TqknkT
1 — Т зим L п
(16.24)
+ ^доп (1 — Тк) >
где Т — число дней между началом оттаивания грунта под дорожной одеж-
дой и оттаиванием обочин и началом отвода воды из основания дренажными
устройствами; п—коэффициент пористости песчаного слоя; <рЭям — коэффициент
заполнении водой пор в материале песчаного слои к началу весеннего оттаива-
ния, составляющий для дорог во II дорожио-климатической зоне в зависимости
от пористости песка и толщины дренирующего слоя 0,3—-0,7. Меньшие значения
относится к большим значениям толщины слоя и пористости; <рк—коэффициент
заполнения капиллярной водой дополнительного слоя песчаного основания, обыч-
но принимаемый, учитывая неравномерность заполнения пор по высоте, рав-
ным 0,7.
341
Рис. 16.20. Схемы к расчетам дрени-
рующих слоев дорожной одежды:
а —* по методу осушения; б —• по методу
накопления
Должна быть проверена до-
статочность пропускной способ-
ности песчаного основания для
отвода поступающей в него воды
из оттаивающего грунта земляно-
го полотна q (л/(м2-сут)].
Фильтрация воды по наклон-
ному дну корыта происходит как
в полностью насыщенном водой
слое, так и в зоне капиллярного
насыщения (рис. 16.20). В запас
надежности перемещение в зоне
капиллярного насыщения водой
не учитывается. Для расчета
пропускной способности песчано-
го основания при отводе посту-
пающей в него из подстилающего
грунта воды можно использовать уравнение Дарси, которое для
плоской задачи при наклонном водоупоре и равномерном движе-
нии воды с переменным расходом, нарастающим по длине х, имеет
вид
(16.25)
Q = kh i —--
\ dx
где Q — пропускная способность полосы дренирующего слоя шириной 1 м,
м3/сут; k—‘коэффициент фильтрации песка, м/сут; i—уклон водоупора, доли
единицы; h — переменней толщина слоя воды в песке.
Общий приток воды на полосу шириной 1 м
где q — удельный приток воды, поступающей в расчетный период года в
дренирующий слой нз расчета на 1 м2, мэ/сут; х — расстояние от оси дорогн.
Приравнивая выражения для Q, получаем дифференциальное
уравнение
— xdx = ihdx — hdh. (16.26)
к
Интегрирование его в пределах для х от 0 до L и для h от hi
до Яг приводит к выражению, которое дает возможность опреде-
лить необходимый коэффициент фильтрации песка или, наоборот,
проверить исходя из коэффициента фильтрации песка, имеющегося
в районе строительства, достаточность намеченной толщины пес-
чаного основания:
.2 i.2
tf /2Л1 + Ло \
L4 _ i 1 ~ 12 L + —1—-------. (16.27)
2* k 3 / 2 ' '
Глубину фильтрационного потока Аг у Дрены обычно принимают
равной 0,05 м.
Z.2= i
342
16.8. Методы расчета толщины дорожных одежд,
применяемые за рубежом
Весьма сложный вопрос о расчете толщины дорожных одежд
еще не получил общепризнанного решения, и обоснование необхо-
димой толщины слоев в разных странах ведут различными мето-
дами. В отличие от СССР, где на первое место ставится разработ-
ка теоретической стороны вопроса, за рубежом находят еще широ-
кое распространение полуэмпирические методы, которые основыва-
ются на учете практики и опытов по испытаниям прочности дорож-
ных одежд пропуском тяжелых автомобилей.
Многочисленные методы расчета толщины нежестких дорожных
одежд, применяемые за рубежом, могут быть сведены к следую-
щим трем группам.
1. Аналогично методике, принятой в СССР, при расчете толщи-
ны дорожных одежд исходят из допустимого прогиба дорожной
одежды, который определяют, используя зависимости теории упру-
гости для многослойных систем и учитывая на основе опытов раз-
ными способами влияние интенсивности движения.
Иногда многослойные одежды приводят к двухслойным, прини-
мая средневзвешенные модули упругости всех слоев с учетом их
толщины.
2. Использование графиков эквивалентных толщин дорожных
одежд, составленных на основе учета службы построенных дорог
и специальных экспериментов на опытных участках. В зависимости
от суточной интенсивности движения или общего числа автомоби-
лей, которые должны пройти по дороге за межремонтный период,
определяют приведенную толщину дорожной одежды. Необходимую
толщину отдельных слоев подбирают с учетом коэффициентов при-
ведения слоев из разных материалов к эквивалентной толщине. В
ряде случаев опыты, проводившиеся для построения таких графи-
ков, были очень обширными и выполнялись на специально постро-
енных испытательных полигонах с длительными проездами колонн
тяжелых автомобилей до полного разрушения дорожных одежд
(испытания, организованные Американской ассоциацией сотруд-
ников дорожных организаций штатов — AASHO, так называемые
«опыты Эйшо»).
Известны также графики Корпуса инженерных войск США,
Управления гражданской авиации США, фирмы «Шелл», Асфаль-
тового института США и др.
3. Использование альбомов типовых конструкций равнопрочных
дорожных одежд для разных интенсивностей движения при усло-
вии обязательного и строго контролируемого обеспечения строите-
лями заданной прочности земляного полотна, проверяемой перед
началом укладки дорожной одежды (Япония, ФРГ, Франция).
Для характеристики прочности грунтов широко используется
особый показатель CBR («Си-би-ар», сокращенное California Веа-
343
ring Ratio — калифорнийское число несущей способности). Его оп-
ределяют путем вдавливания цилиндрического штампа в образец
грунта или другого материала конструктивных слоев, уплотненного
fe цилиндрической форме высотой и диаметром 20 см. Штамп диа-
метром 5 см вдавливают со скоростью 1,25 мм/мин на глубину
2,5 см. Измеренное давление, деленное на 100, принимают за харак-
теристику прочности грунта. Чаще всего грунт увлажняют путем
капиллярного насыщения водой в течение 4 сут. В некоторых стра-
нах, особенно с жарким климатом, варьируют методику увлажне-
’ ния образцов грунтов. Это испытание, по сути являющееся опреде-
лением модуля деформаций в лабораторных условиях прн постоян-
ной для всех материалов глубине вдавливания штампа, дает
условную характеристику прочности, которая может существенно
отличаться от аналогичных показателей грунта в основании дорож-
ной одежды.
Глава 17
РАСЧЕТ ЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД И ОСНОВАНИЙ
17.1. Особенности работы жестких дорожных одежд
К жестким дорожным одеждам относят цементобетонные1 и же-
лезобетонные покрытия и основания, которые хорошо сопротивля-
ются растягивающим напряжения^, возникающим при их прогибах
под нагрузкой от автомобилей. Распределяя давление колес авто-
мобиля на большую площадь, бетонные покрытия передают срав-
нительно малое давление на подстилающий грунт. Несмотря на это,
прочность бетонных покрытий во многом зависит от однородности
сопротивления грунта по всей площади основания плиты. Неравно-
мерное уплотнение песчаного слоя или грунта земляного полотну
приводит к тому, что из-за неравномерных просадок грунта часть
плиты, находящаяся на весу, работает без поддержки грунтового
основания, в результате чего напряжения в ней возрастают по срав-
нению с расчетными.
Прн расчете толщины бетонных покрытий приходится учиты-
вать ряд факторов, связанных с особенностями работы самих по-
крытий, а также со свойствами бетона как строительного материа-
ла. Помимо напряжений от проезжающих автомобилей, в бетонных
плитах возникают температурные напряжения, вызываемые про-
тиводействием веса плит и их взаимной заклинки короблению
под влиянием разности температур нижней и верхней поверхно-
стей.
Поэтому толщину бетонных покрытий рассчитывают на сумму
напряжений от температурных колебаний и внешней нагрузки та-
1 Цемеитобетонные покрытия в дальнейшем будем называть бетонными.
344
Таблица 17.1
Конструктивные слон Проектные классы бетона по прочности Модуль МП»
Растяжение нрн нагибе Сжатие
Однословные покрытия, верхний слой двухслойных Нижний слой двухслойных Рн5О/Ри45 Рн40/Рн35 В30/В27.5 В22Д/В20 33/3I1 29/26,5
Примечание. В числителе приведена прочность бетой* для дорог I в II катего-
рий, в знаменателе — для III категории.
ким образом, чтобы при заданной интенсивности движения и рас-
четных нагрузках за срок службы покрытия в них возникали лишь
единичные трещины.
Кроме того, при назначении допускаемых напряжений в бето-
не необходимо считатьтся с тем, что от величины зависит интен-
сивность развития при повторных нагрузках усталостных явлений,
в бетоне, в конце концов приводящих к возникновению трещин
в плитах.
Для бетонных покрытий и оснований рекомендуются дорожные
бетоны, прочность которых соответствует данным, приведенным в
табл. 17.1 (ГОСТ 26633—85).
Расчетные нагрузки для бетонных покрытий и оснований при-
нимают такие же, как и при расчете нежестких дорожных одежд.
Для покрытий вводится динамический коэффициент 1,25.
17.2. Расчет плит иа действие внешней нагрузки
.1 ‘ "
Для расчета жестких дорожных покрытий и оснований поДДей-
ствием внешних нагрузок используют теорию балок и плит иа уп-
ругом основании. В ее создание значительный вклад внесли акад.
А. Н. Крылов, профессора М. И. Горбунов-Посадов, Б. Н. Жемоч-
кин, В. А. Киселев, Б. Г. Коренев, И. А. Медников, А. П. Синицын,
О. Я. Шехтер и другие советские исследователи. .'
Предложенные многочисленные методы расчета толщины бе-
тонных плит исходят из общего дифференциального уравнения,свя-
зывающего прогиб плиты под нагрузкой и осадку поверхности ос-
нования. Решения разных авторов различаются в связи с тем, что
принимаются разные виды функции, характеризующей Отпор
грунта.
Наибольшее распространение получили гипотеза коэффициента
постели Фусса — Винклера, согласно которой реактивное давление
основания на плиту пропорционально ее осадке В рассматриваемой
345
точке, т. е. p=*ky, и гипотеза линейно деформируемого полупрост-
ранства, характеризуемого модулем упругости. _ /
Еще не накоплено достаточно данных, чтобы отдать преиму-
щество тому или иному методу, тем более, что при правильном на-
значении характеристик прочности грунта результаты расчетов раз-
ными методами бывают весьма близки и выбор расчетной формулы
часто определяется удобством пользования ею.
В связи с этим различны и выражения для характеристик жест-
кости бетонных плит, используемые в методах расчета, предложен-
ных разными авторами.
При расчетах толщины бетонных покрытий возможны три рас-
четные схемы приложения нагрузки от колеса на прямоугольную
плиту: в центре плиты, на угол и на край плиты.
Наибольшие напряжения в плите бетонных покрытий возникают
при действии нагрузки на край. Однако в ряде случаев толщину
рассчитывают на случай приложения нагрузки в центральной час-
ти плиты, а моменты, возникающие при угловом или краевом при-
ложении нагрузок, определяют путем введения основанных на
опыте или полученных теоретически поправочных коэффициентов.
Плиты, лежащие на упругом основании, по проф. М. И. Горбу-
нову-Посадову могут быть разделены по жесткости на три кате-
гории в зависимости от значения показателя:
3£гр (1 ц.^) Гд
£«>№(1-^) ’
(17.1)
где ЯГр, Цгр — модуль упругости и коэффициент Пуассона грунтового осно-
вания; ре— то же бетонной плиты; Н — толщина плиты; Го — радиус круг-
лой плиты нлн половина наименьшей стороны прямоугольной плиты.
Рнс. 17Л. График для определения
категории плит по жесткости:
£«-20 000 МПа; Ц«-0,16; Цгр-0,Э5; £Рр -
модуль упругости грунтового основания;
/ — плиты, бесконечные в плане; // — пли-
ты конечной жесткости; /// — плиты абсо-
лютно жесткие
Рнс. 17.2. Замена нагрузки, равномер-
но распределенной цо площади, со-
средоточенными силами
346
Если основание под плитой состоит из нескольких слоев, отли-
чающихся по свойствам, то вместо Егр принимают эквивалентный
модуль упругости основания.
При $<0,5 плиту считают абсолютно жесткой, т. е. считают, что
все ее точки оседают под нагрузкой на одинаковую глубину, и реак-
ция основания распределяется как под жестким штампом.
При В,5^$^ 10 плиты относят к категории имеющих конечную
жесткость, что типично для сборных покрытий, а при 10— к бес-
конечным в плайе, т. е. таким, у которых нагрузки по периметру и
способы закрепления краев не влияют на изгибающие моменты, ре-
акции основания и прогибы в средней части (рис. 17.1).
Для напряжений от нагрузки, передающейся на край покрытия
через половину круглого штампа, используется формула Уэстергар-
да, которая в переработке Н. Н. Иванова, заменившего коэффици-
ент постели модулем упругости грунта, имеет вид:
<> = 2,12(1 4-0,5410 £ fig + V 1g -f-- 0,13) . (17.2)
Для решений по этой формуле, которой лроф. И. А. Медников
придал вид
разработаны таблицы значений коэффициентов аз, которые зависят
от отношений Н/R и £б/£гр (табл. 17.2). В табл. 17.2 даны также
значения коэффициента <х3 в аналогичной формуле для определения
напряжений от нагрузки, приложенной к углу плиты.
Для случая приложения нагрузки 9 средней части плиты доста-
точно больших размеров, когда волна прогиба не достигает краев,
обычно применяют теоретическое решение для бесконечной плиты
на упругом основании, предложенное О. Я. Шехтер. При действии
на бетонную плиту сосредоточенной силы или нагрузки, равномерно
распределенной по круглой площадке, в плите возникают радиаль-
ные и кольцевые моменты. Значение этих моментов зависит от раз-
Таблнца 17.2
Значения аз для отношений HIR •^б/^гр Значения а5 для отношений Я/Д
2 1,6 М 0,8 0,5 2 1,6 0,8 0,5
1000 2,51 2,29 2,00 1,60 1,19 1000 2,26 2,13 1,95 1,66 1,34
500 2,26 2,03 1,75 139 0,98 500 2,11 1,97 1,75 1,49 1,14
200 1,97 1,73 1,49 из 0,69 200 1,92 1,76 1,57 1,28 0,87
100 lt73 1,54 1,29 0,92 0,50 100 1,76 1,62 1,41 1,08 0,69
347
мера нагрузки и жесткости плиты, характеризуемой параметром
1 3/ 6£rp(i-F6)2 1 // б£гр
Н Г £б(1 -Мг ~ н V Е6 '
(17.3)
Выражение упрощено потому, что корень кубический из отно-
шения членов, содержащих цв и Цгр, близок к единице.
Изгибающие моменты, действующие на полосу шириной, рав-
ной едииице, вычисляют по формулам:
а) от нагрузки, равномерно распределенной ло кругу радиу-
сом R:
радиальный момент
•Мрм —
СР(1+Р-б)
2яаР
(17.4)
б) от сосредоточенной силы:
радиальный момент
Л^рах = (Л + МбВ)
кольцевой момент
, Л1кМ = (В + Н5Л)Р, (17.5)
где Р — сосредоточенная нагрузка нлн равнодействующая равномерно рас-
пределенного давления, Н; |л«—коэффициент Пуассона.Для бетона; С—коэф-
фициент, зависящий от произведения а/?; А, В — параметры, зависящие от про-
изведения аг; г — расстояние от точки приложения сосредоточенной силы до точ-
ки, в которой определяется напряжение, си.
В формуле (17.4) Р=»рл/?2 (где р — интенсивность равномерно
распределенной нагрузки).
Значения параметров А, В, С приведены в табл. 17.3
При расчете моментов от колесной нагрузки используют форму-
лу для нагрузки, распределенной по равновеликой круглой пло-
щадке.
Таблица 173
аг и aR Значения параметров [ аг в aR Зиачевяя параметров
А в с 1 А в с
0,06 $ 0,091 1,4 0,038 —0,017
0,1 0,232 0,153 0,147 1,6 0,031 —0,019 0,309
од 0,178 0,099 0,230 1,8 0,025 —0,019
0,3 0Д47 0,068 0,275 2,0 0,021 —0,020 0,263
0,4 0,124 0,647 0,313 2,2 0,017 —0,019
0,6 0,093 0,021 0,362 2,4 0,014 —0,108
0,8 0,075 0,004 0,367 2,6 0,012 —0,017
1,0 0,058 ——0,006 0,364 2,8 0,010 —0,016
1Д 0,047 —0,013 0,353 3,0 0,008 —0,014
348
При конструирований дорож-
ных покрытий и оснований их час-
то приходится рассчитывать на
действие нагрузки от дорожных
катков, многоколесных трейлеров
или гусеничных повозок, когда
нельзя применить формулу для
круглого штампа. В этих случаях
используют метод суммирования
напряжений от ряда сосредото-
ченных сил. Давление, распреде-
ленное по площади контакта на-
грузки с покрытием, заменяют
рядом сосредоточенных сил, при-
Рнс. 17.3. Схема к определению сум-
марного момента при действии иа
плиту нескольких нагрузок
ложенных к центрам тяжести вы-
деленных площадок (рис. 17.2). Изгибающий момент в точке, где
должны быть определены напряжения, действующие на полосу
покрытия шириной, равной единице, вычисляют как геометриче-
скую сумму изгибающих радиальных и кольцевых моментов от
всех сосредоточенных сил.
При определении составляющих моментов от разных сил при-
ходится учитывать проекции не только самих изгибающих момен-
тов, но и полос покрытия, на которые оии действуют (рйс. 17.3).
Пусть на полосу покрытия AAi шириной 1 действует изгибающий
момент Af. Проекция этого момента иа направление BBt, располо-
женное под углом а, равна Afcosa, причем ширина полосы, к ко-
торой он приложен, возрастает до размера l/cosa.* Поэтому рас-
четный момент на полосу шириной, равной единице, в направле-
нии AAi равен
М cos a :------» М cos2 a.
cos a
В связи с этим формула для определения суммарного момента
имеет вид
А1ИЗГ — -Мрак cos2 ft 4- sin2 a, (17.6)
где a — угол, образованный осью, в направлении которой рассматриваются
моменты, и линией, соединяющей точку приложения силы с точкой, в которой
определяются напряжения.
При углах а, ие превышающих 20°, без особой погрешности мож-
но ограничиваться только суммированием радиальных изгибающих
моментов без учета их проекции.
При расчете малых плит сборных бетонных покрытий, обычно
имеющих шестигранную или прямоугольую форму, обычно исполь-
зуют методы расчета плит, относящихся к категории конечно жест-
ких. Расчет ведут применительно к равновеликой по площади
круглой плите, загруженной в центре; с использованием таблиц
349
Таблица 17.4
<0,06
0.5
—0,056
—0,066
10
—0,074
—0,080
—0,108
Таблица 17.5
Значения Мв при и Л/г Значения Л4В при s
<0,5 >0,5 <0,5 >0,5
0,005
0,01
0,02
0,03
0,04
0,532
0,468
0,403
0,366
0,339
0,571
0,507
0,443
0,405
0,378
0,05
0,075
0,10
0,15
0,318
0,280
0,254
0,215
0,358
0,320
0,293
0,255
для расчета круглых плит на упругом основании, составленных
д-ром техн, наук М. И. Горбуновым-Посадовым *.
Моменты в центре конечно жестких и бесконечно жестких плит
от нагрузки, распределенной по круглой площадке в центре круг-
лой плиты радиусом г:
Мг = МКол = (Мк + Мв)Р, (17.7)
где P=npR*— равнодействующая нагрузки, равномерно распределенной по
кругу радиусом R; А4д, Afa — параметры, зависящие от показателя жесткости:
плиты s и от отношения R/r, значения которых приаедеиы в табл. 17.4 и 17.5.
17.3. Расчет жестких дорожных одежд
на температурные напряжения
Температурные напряжения возникают в жестких дорожных
одеждах от сопротивления трения плиты о грунт ее перемещению
при изменении длины плиты в результате нагревания или охлаж-
дения, а также от того, что при неравномерном распределении тем-
пературы по толщине плиты не могут коробиться из-за взаимной
заклинки и противодействия их собственного веса. Конструктивные
мероприятия по уменьшению температурных напряжений сводятся
к ограничению размеров плит до значений, при которых эти на-
пряжения невелики, и к снижению трения плит по основанию.
1 Гор бу и о в-П ос ад ов М. И. Расчет конструкций на упругом осно-
ваиии, М.: Стройиздат, 1953.
350
Рис. 17.4. Схема к определению длины плиты:
а — эозипкпоэеиие сил трения ио подошве плиты; б — эпюра сопротивления грунта сдвигу
По длине плиты; в — изменение сопротивления сдвигу ио мере нарастании деформация
При укладке бетонной смеси в результате энергичного уплот-
нения отдельные щебенки вдавливаются в оснований, и нижняя
поверхность бетонной одежды получается шероховатой. При темпе-
ратурном сжатии или расширении плиты можно считать, что центр
ее остается на месте, а края перемещаются на величину AL=077-/2
{где р — коэффициент температурного удлинения; Т — изменение
средней температуры плиты). Деформация постепенно нарастает от
середины плиты к краям. Для возможности перемещения плите не-
обходимо преодолеть сопротивление грунта по поверхности контак-
та- плиты с грунтом.
Сопротивление грунта зависит от деформаци сдвига и возраста-
ет до некоторого предела по параболическому закону (рис. 17.4).
Можно Принять, что по концам плиты сопротивление грунта
сдвигу достигает предельного возможного значения
Tmax = />tgf + С, (17.8)
где р—давление плиты на грунт, ранее Ну, МПа; -у —удельный нес плиты,
Н/м3; Н— толщина плиты, м; <р — угол внутреннего трения; с—сцепление грун-
та, МПа.
Поскольку наибольшие напряжения в бетоне возникают в пери-
оды сильного нагревания или охлаждения плит покрытия, значения
с и <р следует принимать применительно к маловлажному состоя-
нию грунта.
По свойствам параболы среднее значение сопротивления по пло-
щади соприкасания с грунтом
Тер “ 0,7ти1ах» (17.9)
и, следовательно, суммарное сопротивление грунта сдвигу плиты
F == тсрВД = 0,7В£т|пах, (17.10)
где В — ширина плиты.
Наиболее опасен случай укорочения плиты, когда в бетоне воз-
никают растягивающие напряжения. Сопротивление сдвигу прило-
361
жено к нижней поверхности плиты вйецентренно, и наибольшие рас-
тягивающие напряжения составляют
Учитывая, что расстояние от точки приложения силы до оси
плиты е=Я/2, получаем, что наибольшее значение растягивающих
напряжений составляет
_ J,4£ттах
’ вн н
(17.12)
откуда
L --- 1/У°Х0П . (17.13)
1 »4ттах
Сопротивление бетонных плит сдвигу неоднократно определяли
ряд исследователей. По опытам проф. Б. С. Раева-Богословского
и проф. Г. И. Глушкова коэффициент максимального сопротивле-
ния сдвигу составляет при песчаных основаниях 0,85—1,15, при суг-
линистых грунтах—1,6—1,8, при прослойках из битумированной
бумаги — 1,1—1,6, при щебеночном основании—2Д
Неравномерное распределение температуры по толщине бетон-
ной плиты возникает при нагреве ее поверхности солнечными луча-
ми и при охлаждении ночью. Разница температур верхней и ниж-
ней поверхностей плиты может достигать 15—20°С. Более нагретая
поверхность испытывает большее удлинение, в результате чего пли-
та коробится, образуя криволинейную поверхность. При нагрева-
нии верхней поверхности плита стремится выпучиться средней
частью вверх, а при охлаждении образует вогнутую поверхность с
приподнятыми краями.
Поскольку свободному короблению препятствуют собственный
вес плит и их взаимная заклинка, из-за расширения при нагревании
и замыкания швов при изгибе, а также наличия соединительных
штырей в плитах возникают дополнительные температурные напря-
жения.
По Уэстергарду температурные напряжения, возникающие в
плитах бетонных покрытий в результате противодействия их ко-
роблению, составляют:
на краю плиты
= СхЕб^ к СХЫ; (17.14)
в середине плиты:
17 * max ~ 2(1 —рь2) (С* + ** (С* + Ai’
Е J (1715)
’«mla = 2(1—р^) + в + Л<*
352
Здесь а — коэффициент линейного
расширения бетона; Ес, рв —модуль уп-
ругости н коэффициент Пуассона бе-
тона; Сх, Су — параметры снижения на-
пряжений от частого коробления, кото-
рые зависят от размеров плиты в плане
и характеристики ее жесткости; А/=
=фЯ— расчетный перепад температу-
ры, град; Н — толщина плиты, см; 0 —
температурный градиент, гр ад/см, ко-
торый принимают в умеренном климате
0,5 и в континентальном 0,75.
Значения Сх и Су даны на
рис. 17.5 в долях отношений раз-
меров прямоугольной плиты L и
В к характеристике жесткости
плиты — радиусу относительной
жесткости
7 = 0,6А yf Еб/Еобщ,
где Еобщ — общий модуль упругости
основания бетонной плиты.
Рис. 17.5. Значения коэффициентов
Сх и Су для определения напряже-
ний в плитах при невозможности ко-
робления
Расчеты по формуле Уэстергарда показывают, что температур-
ные напряжения необходимо учитывать при размерах бетонных
плит в плане более 4X4 м. Плиты со стороной более 10 м могут раз-
рушаться от действия одних температурных напряжений даже при
отсутствии временной нагрузки. Сумма напряжений от внешней
нагрузки и температуры не должна превышать значения, при кото-
ром за расчетный период работы в бетоне плиты разовьются уста-
лостные явления и начнется интенсивное развитие трещины.
17.4. Определение толщины бетонных покрытий
При расчете бетонных покрытий вначале задаются их конструк-
цией и определяют растягивающие напряжения в бетоне для не-
скольких значений толщины плиты по формуле:
<j = 6SAf///2.
Затем, строя кривую зависимости растягивающих напряжений
от толщины плиты, находят графическим построением необходимую
толщину плиты исходя из допускаемых напряжений, которые при-
нимают
аДОП “ КбКвКоКуКри, (17.16)
где Кб — коэффициент условий работы бетоиа в дорожном покрытий, учи-
тывающий конструктивные особенности- дорожных плит, сезонные колебаний
прочности грунтового основании, коробление плиты. Значения его изменяются
от 0,80—0,85 при плитах толщиной 20 см до 0,65 йри плитах толщиной 24 см;
Кв — коэффициент, учитывающий нарастание прочности бетоиа (Кв == 1,15); Ко —
коэффициент неоднородности бетона в результате технологических особенностей
изготовления и расслоения при перевозке и укладке (Ко=0,7); Ку — коэффици-
ент нарастания усталости.
353
Усталостные явления в бетоне нарастают в результате постепен-
ного накопления микродеформаций и появления трещин, хотя дей-
ствующие напряжения при этом могут быть существенно ниже вре-
менного сопротивления бетона на разрыв. Снижению прочности
'бетона способствует также неравномерность уплотнения грунтово-
го основания в результате сосредоточения проходов колес по по-
лосам наката. Коэффициент усталости зависит от интенсивности
движения. Его определяют по эмпирической формуле Ку—
= 1,08 (JV)-0'0*3 (где N — суммарное количество проходов нагрузки
ло полосе движения за период до капитального ремонта). Значе-
ние коэффициента усталости находится в пределах 0,6—0,75.
При расчетах длины плит считают, что на восприятие темпера-
турных напряжений может быть передано от 0,10 до 0,15 /?ри.
Разнотипное движение по дороге для расчета должно быть
приведено к расчетным автомобилям. Для этого должны быть най-
дены для одинаковой толщины покрытия предельно допустимое
число циклов ЛГ] проездов осей с нагрузкой на ось Pi и число про-
ходов Nz с нагрузкой Р2 на ось. Используют формулу (17.23), учи-
тывая только напряжения от внешней нагрузки
lg Np = (К8ЛРИ -Ср) У° •. (17.17)
^ри (Кг — К1)
Вместо <Гр подставляют формулу напряжений в плите, напри-
мер формулу (17.2),
»р = 2,12(1-Ь0,54н) ^lg ~ 4-~ Ig —0,13^ .
Обычно принимают Кг=2,6 и Ki==0,5 при Af0= 10е.
• Отношение числа проходов осей ЛГ1 и N2 при одинаковой толщи-
не покрытия дает коэффициент fk=N2/Nu а эквивалентное заданно-
му составу движения число проходов расчетной нагрузки
, (17Я8)
1
Имеется другой предложенный Союздориии метод расчета бетонных покры-
тий, исходящий из учета их работоспособности. При этом напряжения от вре-
менной нагрузки от проезжающих автомобилей оР складываются с температура
ными напряжениями от. Количество выдерживаемых покрытием до ббразования
трещин циклов загружения зависит от «предела выносливости» — отношения
возникающих в бетоне напряжений и временного сопротивления иа разрыв.
Предел выносливости определяется «характеристикой цикла напряжений —
отношением минимального значения напряжения от (при действии только тем-
пературных напряжений) к максимальному значению (ор+от), когда к ним до-
бавляются напряжения от внешней нагрузки, т. е.
р ~ <JT/ffp 4- (17.19)
Задача расчета бетонных покрытий сводится к подбору такой толщины и
длины плит, чтобы предел выносливости бетона был превзойден и в плитах йа-
.354
чали бы возникать трещины только пос-
ле истечения срока службы бетонного
покрытия до капитального ремонта.
Исходными данными для расчета
служат расчетные нагрузки, интенсив-
ность движения и климатические данные
о продолжительности периода, когда
грунт находится в оттаявшем состоянии,
и о числе солнечных дней, когда проис-
ходит нагревание покрытий.
Заданаясь рядом толщин покрытий,
для каждой нз них определяют напря-
жения от проезда автомобилей и нерав-
номерного нагревания. Исходя из най-
денных напряжений вычисляют количе-
ство выдерживаемых циклов приложения
нагрузки. Та толщина плиты, при которой
количество выдерживаемых циклов
приложений нагрузок немногим превы-
Рис. 17.6. Схема к определению ко-
эффициентов запаса прочности бетон-
ных покрытий для промежуточных
значений р
шает их число в условиях эксплуатации
дороги, принимается за расчетную. Таким образом, при расчете бетонных по-
крытий исходят по сути не из постоянных допускаемых напряжений в бетоне,
а из выдерживаемого ими числа приложений нагрузки.
Экспериментально установлено, что между растягивающими напряжениями
в бетоне и числом приложений вызывающих их нагрузок, после которого в бе-
тонной конструкции появляются трещины, имеется зависимость, приближенно вы-
ражаемая иа графике с логарифмической шкалой иа оси абсцисс прямой линией
(рис. 17.6), имеющей уравнение
lg N
Ig^o
(17.20}
Здесь буквой К=о//?рЖ обозначены «коэффициенты запаса прочности по-
крытия» (коэффициенты выносливости). Коэффициент К? характеризует одно-
кратное воздействие нагрузки. Прямая линия иа графике аппроксимирует фак-
тически криволинейный график зависимости К от 1g таким образом, чтобы
иаилучшее совпадение было в области большого числа приложений нагрузки.
Наличие температурных напряжений снижает допустимое количество циклон
приложении временной нагрузки к покрытию. При отсутствии температурных на-
пряжений, когда между бетонными плитами имеются открытие швы, а темпера-
туры их верхней и нижией поверхностей одинаковы, ро=О и коэффициент вы-
носливости Ki соответствует пределу выносливости при большом числе прибли-
жений внешней нагрузки.
Когда действуют длительное время только температурные напряжения (р==
~1), они ие должны превышать «длительной прочности бетона», учитывающей
постепенное снижение его временного сопротивления из-за накопления в бетоне
пластических деформаций. Соответствующее этому состоянию значение К при-
нимают равным 0,8 и зависимость коэффициента выносливости выразится на
графике линией АВ. Для прямой лини# AD, соответствующей некоторому про-
межуточному значению р, значение коэффициента запаса прочности КР| прн N*
приложениях нагрузки определится согласно рис. 17.6 как сумма отрезков С£+
4-DC:
= СЕ 4- DC == СЕ 4- (BE -СЕ)? = КХ+ (0,8 - Ki) Р- (17.21)
Коэффициент запаса прочности Кх, соответствующий N приложениям на-
грузки, определится из уравнения (17.20)
Kn, =>К2- (К2 - «,.) = к2 —
1g АГ,
1g *о
[К2_К1_(О,8-/С1)р].
(17.22)
355
(Т <Тр + вт
Учитывая, что = “Т----- получаем после преобразований вы*
°ри ^ри
ражен не для определения расчетного числа приложений нагрузки
1g JV,«(К2ЛРЯ - («р+«,) J г<аг • < 1723>
Г Яри [а 2 — К\—(0,8—Ki) р]
Эквивалентное количество циклов проходов при отсутствии температурных
напряжений может быть получено приравниванием правых частей выражений
{17.21) и (17.22), откуда
lg Nр=0~
PC2-Ki-(Q,s-*i)pigAq
К2-К1
(17.24)
Для наилучшего совпадении прямой АВ с аппроксимируемой ею кривой при-
нимают /G=2,6 и JG=0,4.
Поскольку температура бетонных плит меняется в течение года в зависимо-
сти от погодных условий и времени суток, расчеты по уравнению (17J3) прово-
дит раздельно для выделенных периодов, во время которых температуру покры-
тий и интенсивность движения можно считать постоянными. Для этого по кли-
матическим справочникам или данным метеорологических станций устанавлива-
ют, учитывая средние температуры воздуха, продолжительность светлого периода
суток и число дней с низкой облачностью, а также дни, во времи которых по-
крытие находится в нагретом солнцем состоянии. Зимине периоды с мерзлым
подстилающим грунтом из рассмотрения исключаются.
Для каждой нз намеченных толщин плиты и для каждого из выделенных ин-
тервалов температур определяют фактическое число проходов автомобилей и до-
пустимое число проходов по уравнению (17.23). По найденным значениям числа
проходов вычисляются их отношении ^факт/^расч. Если сумма этих отношений
меньше 1, толщина покрытия избыточна, если больше — недостаточна. Необхо-
димая толщина покрытия определяется графически по построенной кривой зави-
симости между толщиной плит и суммой отношений интенсивностей.
17.5. Расчет бетонных покрытий на укрепленных
основаниях
Значительное различие в деформационных и упругих свойствах
бетонных плит и песчаных или грунтовых оснований приводит к
образованию под бетонными плитами полостей, возникновению тре-
щин в плитах и разрушению покрытий. Поэтому в настоящее вре-
мя на дорогах с интенсивным движебйем бетонные покрытия
укладывают на прочные основания из щебня или укрепленных
грунтов. Укрепление оснований повышаёт прочность бетонных
покрытий не столько в результате распределения давления пли-
ты на большую площадь грунта земляного полотна, сколько пре-
дотвращает размокание грунта от воды, проникающей через швы
и трещины покрытия.
Расчет толщины бетонных покрытий на укрепленных основани-
ях сводится к учету значения эквивалентного модуля подстилаю-
щей их слоистой системы. Бетонная плита, образуя чашу прогиба,
356
распределяет давление покрытия
на большую площадь основания
/рис. 17.7).
Рис. 17.7. Схема к определению тол-
щины укрепленных оснований под бе-
тонные покрытия:
/ — бетонное нокрытне; 2 — укрепленное
основание; 3 — грунт земляного полотна
Поскольку давление на основа-
ние распределяется неравномер- ’
но, заменяем фактическую эпюру
равновеликой цилиндрической
эпюрой. В качестве приближения
в запас прочности при расчете
примем, что давление на укреп-
ленное основание соответствует
равномерно распределенному по
площадке диаметром D давлению,
равному максимальному давление под плитой а, которое (по
О. Я. Шехтер) для плит на упругом основании
(17.25)
где Р— суммарная, нагрузка на плиту; а — параметр жесткости плиты (см.
уравнение (17.2)].
ПОСКОЛЬКУ ТО />== 1 ЛЯ
Расчет толщины бетонных плит ведется методом последова-
тельных приближений. Вначале, задаваясь общим модулем упру-
гости слоистого основания £Обпи определяют толщину бетонной пли-
ты Я и диаметр площадки D, передающей давление на основание.
Затем рассчитывают толщину верхнего слоя основания, используя
уравнение (16.2).
Если полученная конструкция покрытия и основания оказыва-
ется неудачной, ее улучшают путем постепенной замены толщины
слоев, добиваясь приемлемых по конструктивным и технологиче-
ским соображениям толщин бетонной плиты и верхнего укреплен-
ного слоя основания.
17.6. Усиление существующих бетонных покрытий
При реконструкции существующих дорог, а также при построй-
ке асфальтобетонных покрытий на бетонных основаниях возникает
необходимость определения толщины укладываемого дополнитель-
ного слоя бетона или учета прочности назначаемого по конструк-
тивным соображениям асфальтобетонного покрытия при расчете
толщины бетонного основания.
Пусть Н — толщина монолитного бетонного покрытия, необхо-
димая для пропуска расчетных нагрузок; йь Е\ — толщина и модуль
упругости существующего бетонного покрытия, имеющего меньшую
прочность; Й2—необходимая толщина слоя усиления, модуль уп-
ругости которого при сдаче дороги в эксплуатацию равен Е2-
357
Если допустить, что верхний слой работает совместно с ниж-
ним, то из условия равнопрочности жесткость наращиваемого ело»
должна быть равна жесткости заменяемого им -верхнего слоя мо-
нолитного покрытия (рис. 17.8), т. е. E/=const. Отсюда, учиты-
вая уравнение (16.6), необходимая толщина слоя усиления бетоиа
“ (Н—^i) V* E\jE2
или толщина бетонного основания под асфальтобетонное покрытие
ТОЛЩИНОЙ Ласф
h\ — Н— ^асф ^*асф/
Поскольку старые покрытия обычно имеют трещины и поверх-
ностные деформации для учета их понизившейся прочности при
расчетах слоя наращивания, в зависимости от степени развитости
деформаций принимают вместо фактической уменьшенную толщи-
ну покрытий 0,6—0,8Л.
Вывод формул (17.22) и (17.23) предусматривает монолитную
совместную работу двухслойных одежд. Поскольку при строитель-
стве это не всегда удается обеспечить, иногда при расчете бетон-
ных оснований ограничиваются учетом особенностей передачи дав-
ления через слой асфальтобетона.
Рнс. 17.8. Схема к определению тол-
щины наращиваемого слоя бетона при
усилении существующих бетонных по-
крытий
’
Ж /// /// 22'72/72/
Так как слой асфальтобетона распределяет давление на бетон*
ное основание по площади большей/ чем расчетный отпечаток ко*
леса, приближенно принимают, что давление распределяется в слое
асфальтобетона под углом 38°. Тогда расчетный радиус площадки.
передающей давление, Ярасч — Л4-0,8ЯаСф,
а расчетное давление Ррасч = Р (Я/Ярасч)2-
Если слой нового бетона укладывают по разделяющей прослой-
ке, то принимают, что изгибающий момент от внешней нагрузки
распределяется пропорционально жесткостям обеих плит, опре-
деляя его из системы уравнений:
,, , ,, Meet* £»ерхАмрх
•™изг = Algepx Л1ИИЖ; — = — ,
/Пииж СИИЖДНИЖ
358
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Автомобильные дорогн. Прнмеры проектнровання/Под ред. В. С< Порожня-
кова. Мл Транспорт, 1983. 304 с.
Автомобильные дорогн: Проектирование н стронтельство/Под ред. В. Ф. Баб-
кова, В. К. Некрасова н Г. Щнлияиова. Мл Транспорт, 1983. 240 с.
Автомобильные транспортные средства/Под ред. Д. П. Великанова. Мл
Транспорт, 1977. 326 с.
Бабков В. Ф. Автомобильные дорогн. М.: Транспорт, 1983. 280 с.
Бабков В. Ф. Дорожные условия н безопасность движения. Мл Транс-
порт, 1982. 288 с.
Бабков В. Ф. Ландшафтное проектирование автомобильных дорог. М.:
Транспорт, 1980. 190 с.
Бабков В. Ф. Современные автомобильные магистрали. Мл Транспорт,
1974. 280 с.
Бабков В. Ф., Безрук В. М. Основы грунтоведения н механики грун-
тов. М.: Высшая школа, 1986. 239 с.
Б е ля тынскнй А. А., Таранов А. М. Определение видимости прн
проектировании автомобильных дорог. Киев: Будгвельннк, 1983.' 96 с.
Бортницкий П. И., Задорожный В, И. Тягово-скоростные каче-
ства автомобилей. Киев: Внща школа, 1978. 176 с.
Гохман В. А., Внзгалов В. М., Поляков М. П. Пересечения и
примыкания автомобильных дорог. М.: Высшая школа, 1977. 310 с<
Жесткие покрытия аэродромов и автомобильных дорог/Под ред. Г. И. Глуш-
кова. Мл Транспорт, 1987. 255 с.
Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого тира., ВСН
46-83/Минтрансстрой СССР. Мл. Транспорт, 1985. 157 с.
Левнцкнй Е. Ф., Чернигов В. А. Бетонные покрытия автомобиль-
ных дорог. Мл Транспорт, 1980. 288 с.
Лобанов Е. М. Проектирование дорог и организация движения с уче-
том психофизиологии водителя. Мл Транспорт. 1980. 312 с.
Маслов Н. Н. Основы инженерной геологии н механики грунтов. Мл
Высшая школа, 1982. 511 с.
Орнатский Н. П. Автомобильные дорогн н охрана природы. Мл Транс-
порт, 1982. 176 с.
Проектирование оптимальных нежестких дорожных одежд/Под ред. А. Я- Ту-
лаева. Мл Транспорт, 1977. 117 с.
Рувинскнй В. И. Оптимальные конструкции земляного полотна. Мл
Транспорт, 1982. 165 с.
Руководство по проектированию земляного полотна автомобильных дорог
«а слабых грунтах/Мннтрансстрой СССР. Мл Транспорт, 1978. 140 с.
Сардаров А. С. Архитектура автомобильных дорог. Мл Транспорт, 1986.
200 с.
Сиденко В. М., Батраков О. Т., Покутнев Ю. А. Дорожные
одежды с парогидроизоляцнонными слоями. Мл Транспорт, 1980. 118 с.
Снльянов В. В. Теория транспортных потоков в проектировании дорог
н организации движения. Мл Транспорт, 1977. 303 с.
Синтетические текстильные материалы в транспортном строительстве/Под
ред. В. Д. Казарновского. Мл Транспорт, 1984. 160 с.
Тулаев А. Я. Конструкции н расчет дренажных устройств. Мл Транс-
порт, 1980. 192 с.
Хомяк Я. В., Скорченко В. Ф. Автомобильные дорогн и окружаю-
щая среда. Киев: В ища школа, 1983. 160 с.
Хомяк Я. В. Организация дорожного движения. Киев: Вища школа, 1986.
272 с.
Хомяк Я. В. Проектирование сетей автомобильных дорог. Мл Транспорт,
1983.207 с,
Цытовнч Н. А. Механика грунтов, Мл Высшая школа, 1983. 288 с.
359
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Автомобили:
внешние скоростные характеристи-
ки 41
габаритные размеры, нагрузки 13,
14
грузонапряженность 17
движение по криволинейному про-
дольному профилю 50—53
------кривым в плане 63, 64
— на спусках — см. Торможение на
спусках
расчётные 14
режимы движения 98—100. См.
также Транспортный поток
сопротивление движению 34—30
тормоза 53 w
тяговые расчеты 39—43. См. также
Динвмнческне характеристики
уравнение движения 41
устойчивость — см. Устойчивость
автомобиля
Автомобильные магистрали 7
Автопоезда:
габаритные размеры |4
двяженне на кривых 76
тяговые расчеты 58—60
Аквапланнрованне 44, 45
Аккумуляция ливневых вод 170^173
Активное напряжение сдвига 331—
334 J
Б
Банкет 31, 32, 34
Бассейн — см. Водосбор
— испарительный 144, 145
— снегосборный 19S, 193
Бетонные покрытия 298, 299. См.
также Жесткие дорожные одежды
Берма 289
Боковой увод шнн 67, 68
Боковые канавы (кюветы) 29, 139—
142
Бровка земляного полотна 29. См.
также Возвышение бровки
В
Вертикальные кривые 25, 89—92
Видимость на дороге:
360
боковая 84
из условия обгона 81—83
на кривых в плане 70, 71, 84—87* ’
----вогнутых 91, 92
расчетная 81
Вираж 77—81
Влажность грунта:
оптимальная 272
расчетная 312
Водный режим земляного полотна
120, 121, 134—138
Водоотвод:
поверхностный 138—144, 211
подзем ный 145—148. См. также
Дренажи
Водосбор 140, 141, 156—158, 161—
166
Водопропускные сооружения — см.
Мосты. Трубы
Возвышение бровки земляного полот-
на 134, 135
— поверхности покрытия 136
Воздушная линия 22, 187, 188
Время реакции водителя 54, 55
Выемки 23
— объемы 211—213
— поперечные профили 32, 33
Г
Геологические условия проложения
трассы 115
Геотекстиль 137
Гибкая линейка 235
Гидрологические условия 118
------оценка 133, 134
Глубина промерзания 123, 126—128»
337, 338
— критическая 338
Горная дорога 8
Городские дороги 200, 201
График распределения земляных масс
216—218
Грузонапряженность 17
Грунт в обойме 137
Грунтовые дорогн 304
Грунтовый профиль 27, 28. См. также
Продольный профиль
Грунты:
виды 268—270
земляного полотна (подстилающие)
297
размещение в насыпн 271, 272
расчетное состояние 267, 268
слабые 276
уплотнение 272, 273
характеристики прочности 311—313
Д
Дальность возкн грунта 215, 218
Деформации грунтов основания 277—
280
— земляного полотна 265
Динамические характеристики автомо-
билей:
по силе тягн 41, 42, 43, 48
— сцеплению 46, 47
Динамический фактор автомобиля
42, 43, 48
---автопоезда 59
Дороги ведомственные 12
. — общей сети 12
Дорожиая полоса — см. Полоса от-
вода
Дорожно-клнматнческие зоны 129—
133
Дорожные одежды:
деформации — см. Прогиб
жесткие 306. См. также Жесткие
дорожные одежды
конструирование 306—311
конструктивные слон 295, 269, 304,
305
материалы 314
нежесткие 306. См. также Нежест-
кие дорожные одежды
области применения 303
расчет 306—311
суммарная толщина 338, 339
типы 297, 304, 305
Дрена песчаная 286
Дренаж 145, 146
— висячий (несовершенный) 152,
153
— совершенный 153
— перехватывающий 150—152
Дренажная воронка 147, 148
— прорезь 286
— труба 147, 148
Дренирующий слой 146, 339—342
Ж
Жесткие дорожные одежды — см.
также Бетонные покрытия:
методы расчета 345—350
определение толщины 353—354
---методом Союздорннн 354—
356
расчет на температурные напряже-
ния 350—353
----укрепленных основаниях 356,
357
усиление существующих покрытий
358, 359
Жесткость плиты 346, 347, 348, 350
Загрузка дорог движением 109, ПО.
См. также Коэффициент загрузки
Защита от шума 224—226
Земляное полотно:
деформации 265
индивидуальные проекты 265
зимнее перераспределение влаги
121—128. См. также Пучинообра-
зование прочность 264
типовые поперечные профили 28—
32, 265
увлажнение 118, 119, 124—128. См.
также- Водный режим земляного
полотна
устойчивость 264, 265, 266
— на косогорах 274—276
----слабых основаниях 276—282
— откосов 287—295
Земляные работы, объемы 116, 211—
215
И
Износ шнн 62, 63
Изолирующие прослойки 136—138
Интенсивность движения 15, 106, 107
----расчетная 19
----среднегодовая суточная 16
---- часовая 17
----эквивалентная приведенная 17
Испарительный бассейн 144, 145
К
Кавальеры 29, 33, 34
Канавы боковые (кюветы) 139^—142
— нагорные 142—144
— проектирование 148—150
— укрепление 148—150
Категории дорог — см. Классифика-
ция дорог
— рельефа 115
Классификация дорог:
внутрихозяйственных совхозов и
колхозов 19
общей сети 18, 19
Климатические характеристики 115—
117, 118
Климатический параметр 124, 125
361
Клотоида 73—75. См. также Трасса
клотоиднаи
Кожно-гальваннческая реакция 220—
2122
Консолидация грунта 286
Конфликтные точки 243
Коэффициент:.
безопасности 222
влагопроводимостн грунта 127
загрузки дороги движением 109, ПО
заложении откосов 30
надежности — см. Уровень проект-
Ной надежности
поперечной силы 64, 67—69
пористости 273, 285
приведения 15
— к расчетным нагрузкам 323—325
пучения 123, 336, 337
развития трассы 22
редукции 157
сопротивления воздуха 38
— движению 310
— качению 36, 49, 52, 54
стока 157, 158
сцеплении поперечного 44
— продольного 43—46, 65
теплопроводности 338
уплотнения грунтов 272, 274
устойчивости земляного полотна 266
------на косогорах 275
—> откосов 290, 291
— пойменных насыпей 294
фильтрации 150—153
Краевые полосы 29
Кривая скольжения грунта 291, 292
Кривые:
вертикальные 25, 89—92
в плане круговые 63, 64'
----удобство проезда 66, 67
переходные 71—75
элементы 23
Кюветы — см. Канавы боковые
Л
Ландшафт 238, 241
— горный 240, 241
— лесостепной 239
— степной 238, 239
— холмистый 239, 240
Ландшафтное проектирование:
земляного полотна 241, 242
проложение трассы 237—241
Ландшафтное районирование 129, 132
Левоповоротные съезды 259, 260
Ливневые районы, карта-схема 159
Ливневый сток 148, 156—161
----аккумуляция 170—173
Линия поверхности земли 25
М
Модуль Упругости материалов 311—
314
----минимальный 325
----общий (эквивалентный) 320»
321
Морозозащнтный слой 338, 339
Мостовые 302
Мосты малые 154—156
---- расчет отверстий 176, 177
------размывов 174—176
------ укреплений 177—179
— расположение на дороге 193—
195
Н
Нагрузки на дорогу 13
— расчетные 316, 317
Напряжения в дорожной одежде 295
— вертикальные 326
— касательные 331—334
— растягивающие 334, 335
Насыпи 24. См. также Землиное по*
лотно:
возвышение бровки 134—136
иа слабых основаниях 276—282
объем 211—213
осадка 282—287
откосы 30—31, 287—292
пойменные 294—295
поперечный профиль — см. Попереч-
ный профиль
степень уплотнении 274
Нежесткие дорожные одежды:
деформации 317, 318. См. также
Прогиб
•— при промерзании 335—339
методы расчета, применяемые за ру-
бежом 343, 344
проверка на растягивающие и сдви-
гающие напряжения 334, 335
---- устойчивость против сдвига
331—333
расчетные нагрузки 315—317
расчет по методу ХАДИ 329—331
----предельному допустимому уп-
ругому прогибу 320—329
Нервно-психическая напряженность
водители 220—222
«Нулевые> отметки 24
О
Обочииы 29, 95
Обходные дороги 199, 200
Осадки насыпей 282—287
Освещенность дороги фарами 70, 71
Основание дорожной одежды 296
Островки направляющие 243—246
362
— центральные 247, 248
Опорные пункты 189
Отгон виража 80, 81
Откосы 29
— выемок. 33
— классификация 293
— насыпей 30
пойменных 294, 295
— устойчивость 287—293
Охрана окружающей среды 223—225
П
Перепады 143, 145
Пересечения в одном уровне:
выбор схемы 244—‘246
канализированные 243
кольцевые 246—248
несимметричные 246
с железными-дорогами 262, 263
Пересечения в разных уровнях:
выбор схемы 250, 254, 259
«клеверный лист», 251, 253, 254
линейного типа 252
по типу «ромба», 252, 255
с распределительным кольцом 252,
253, 254
требовании к элементам 256, 257
Переходно-скоростные полосы 248,
249
Перспективное изображение дороги
230, 231
План трассы 22
Плотность транспортного потока 102,
103
Поверхностная обработка 301
Покрытии 29, -296
— асфальтобетонные 297, 298
— гравийные 302
— из укрепленных грунтов 302, 303
------щебня, гравия, обработанных
вяжущими 300, 301
— область применения 303
— цементобетонные — см. Бетонные
покрытия
— щебеночные 301, 302
Полоса отвода 29
Поперечные профили земляного полот-
на:
на косогорах 214
обтекаемые 241
типовые в выемках 31, 32
----насыпих 30, 31
— на виражах 78, 79
Поперечный уклон 138, 139
—:— на виражах 77—81
элементы 28, 29
Почвенные зоны 130
Приведенное расстояние 182
Примыкания 255, 256
Приток воды суточный 341
Прогиб 317—319, 324—326
— допустимый упругий 319, 320,
322
Продольный профиль 23, 24
----криволинейный 50—53
----масштабы 25
----образец оформления 26, 27
----проектирование 202—207. См.
также Проектная линия
Продольный уклон 23
---- канав 144
----максимальный, преодолевае-
мый автомобилем 47—50
---------автопоездом 60
----на отгоне виража 81
----нормирование 87—89
----предельная длина подъема 89
Проезжая часть 29
------определение ширины 93—95
Проектнаи линия 25, 202—205
----обеспечение водоотвода 211
---- проектирование вертикальны-
ми кривыми 204, 205
------над трубами 210
------прямых участков 205, 206
------с использованием ЭВМ 207
------у мостов 208, 209
Проложение трассы — см. также
Трасса дороги:
вблизи населенных пунктов 199, 200
в увязке с ландшафтом 237—241
обеспечение удобства и безопасно-
сти движения 218, 222
пересечение водотоков 193—195
по косогору 195—198
с учетом местных условий 187—190
----охраны окружающей среды
223-225
----природных условий 113—117
----снегозаноснмостн 190—193
Промерзание грунта 121—128
Пропитка 301
Пропускнаи способность дорог 104—
108
----максимальная теоретическая
104—106
----полосы движения 105
----практическая типичная 105,
108
Прослойки — см. Изолирующие про*
слойки ।
Пучение 122—128, 336
— допустимое 337
Р
Рабочая отметка 24
Радиус кривой:
вертикальной 91
в плане 64
363
----из условия освещенности 70,
71
----наименьший 69
Развитие линии на склонах 195—198
Разделительная полоса 29
Расстояние видимости:
боковой 84
из условия обгона 81—83
Расход топлива автомобилем 60—62
Резервы 29, 30
Рельеф местности:
влииние иа дорогу 113—116
категории сложности 114, 115
С
Себестоимость перевозок 310, 311
Сеть дорог 11—13
----начертание 180—187
Сдвижка кривой 75
Скорость движения:
по выпуклому криволинейному про-
филю &2
равновесная 47, 49
распределение в потоке 102
расчетная 20, 21
средняя потока 106, 107
Снеговые отложения 190—193
СдпротивлфШё"Движеиию:
воздушной среды 36, 37
движению наЛюдъем 38
инерционных сил 38, 39
качению 35
Сплайны — см. Трасса сплайновая
Срезка видимости 85—87
Сток талых вод 161—165. См, также
Ливневый сток
Сцепление — см. Коэффициент сцепле-
ния
Т
Типы местности по характеру увлаж-
нения 133, 134, 312 341
Торможение автомобиля 53—57
----иа спусках 57, 58
Тормозная кривая 72
Тормозной путь 54—57
Транспортный поток 98
----плотность 102
— режимы движения 100—103
. —теории движения 103, 104
Трасса 22
— клотондная 23, 232—237
— обеспечение пространственной
плавности 225—231
— план 22
— проложение— см* Проложение
трассы
— сплайновая 23, 237
Трубы водопропускные 154—156
------пропускная способность 169
------расположение на дороге 193,
194
------расчет отверстий 166—169
------режимы работы 166—168
------укрепления 177—179
------унифицированные 155, 169
Тнговые расчеты 39—43
У
Увлажнение земляного полотна — ели
Земляное полотно
Угол поворота трассы 23
Укрепительные полосы — см. Краевые
полосы
Укрепление канав — см. Канавы
Уравнение движения автомобиля 41,
51
----автопоезда 59
Уравнение переходной кривой 72. Сли
также Клотоида. Тормозная кривая
Уровень проектной надежности 314,
315
— удобства движения 99, 100, 109
Усиление бетонных покрытий 358, 359
Устойчивость автомобиля:
против заноса 65
— опрокидывания 66
Ушнренне проезжей части:
на кривых
— подъеме 95, 96
Ф
Фелленнус, прямая 291, 292
IU
Шаблоны для проектирования:
вертикальных кривых 204
клотондной трассы 236
првмолннейных участков 205
Шум — см. Защита от шума
Э
ЭВМ:
определение объемов земляных ра-
бот 214
построение перспективного изобра-
жения 231
проектирование продольного профи-
ля 207
— плана трассы 235, 236
Экономические характеристики двига-
телей 60, 61
Экономичность автомобильных пере»
возок 67
364
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ . . ............................................ 10
ТРЕБОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ К ЭЛЕМЕНТАМ
ДОРОГИ В ПЛАНЕ И ПРОФИЛЕ...................................... 10
Глава 1. Общие понятия о дорогах.............................. 10
- 1.1. Роль автомобильных дорог в транспортной системе народного хо-
зяйства ................................................ . 10
1.2. Сеть автомобильных дорог......................... „ . 11
1.3. Подвижной состав на автомобильных дорогах ........ 13
1.4. Характеристики движения по автомобильным дорогам 14
1.5. Классификация автомобильных дорог . .................... 18
Глава 2. Элементы автомобильной дороги........................ 21
2.1. Элементы плана дорогн...............*................... 21
2.2. Элементы продольного профиля дорогн .................... 23
2.3. Поперечные профили дороги .............................. 29
Глава 3. Основы расчетов движения автомобилей по дорогам ... 34
3.1. Движение автомобиля по дороге. Сопротивление движению авто-
мобиля ..........................................................34
3.2. Динамические характеристики автомобиля................ ш „ 39
33. Сцепление шин с поверхностью дорогн • . . * , , • « « * « 43
3.4. Продольные уклоны, преодолеваемые автомобилями ...... 47
3.5. Особенности движения автомобилей по криволинейному продоль-
ному профилю ............................................ . . . 50
З.б. Торможение автомобиля..................• 53
3.7. Особенности торможения автомобилей на затяжных спусках й , 57
3.8. Особенности тяговых расчетов автопоездов , . й « . , , » . 58
3.9. Расход топлива и износ шин в зависимости от дорожных условий 60
Глава 4. Проектирование кривых в плайе................................ 63
4.1. Особенности движении автомобиля по кривом ........ 63
4.2. Коэффициент поперечной силы ................................... 64
4.3. Назначение радиусов кривых в плане.............................. 68
4.4. Переходные кривые............................... . . . , 71
4.5. Уширение проезжей части на кривых ........................... . 75
4.6. Виражи .................................................... . 77
4.7. Требования к видимости на дорогах..................... » « 81
4.8. Обеспечение видимости на кривых в плане . й *................... 84
Глава 5. Требования к элементам дороги в продольном и попереч-
ном профилях...............................................- . 87
5.1. Нормирование продольных уклонов на дорогах...................... 87
5.2. Вертикальные кривые . . .............................. 89
5.3. Ширина проезжей части и обочин ................................ 92
5.4. Полоса отвода................. « ....................... 96
Глава 6. Закономерности движения транспортных потоков .... 98
6.1. Режимы движения автомобилей й й • 98
6.2. Характеристики режимов движения потоков автомобилей . . . 100
368
€.3. Теории транспортных потоков.............................. 103
6.4. Пропускная способность дорогн............................. 104
6.5. Загрузка дорог движением и пропускная способность полосы дви-
жения ............................./ • \...................... 109
6.6. Технические условии на проектирование ) « . . . ........... НО
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ..................................................
УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВА-
НИИ ДОРОГ........................................................ из
Глава 7. Влияние иа работу дороги природных факторов........... 113
7.1. Природные факторы........................................ ИЗ
7.2. Источники увлажнения земляного полотна.....................118
7.3. Водный режим земляного полотна . ......................... 120
7.4. Зимнее перераспределение влаги в земляном полотне и процесс
пучинообразования........................................... < 121
7.5. Дорожио-климатическое районирование СССР.................. 128
7.6. Оценка гидрологических и гидрогеологических условий местности 133
7.7. Требования к возвышению бровки земляного полотна над поверх-
ностью грунта и регулирование водного режима земляного полотна 134
Глава 8. Дорожный водоотвод.................................... 138
8.1. Система сооружений поверхностного и подземного водоотводов и
принципы их проектирования................................. 138
8.2. Проектирование дорожных канав..............................148
8.3. Расчет дренажа.......................................... 150
Глава 9. Гидравлический расчет малых мостов и труб...............154
9.1. Общие данные .................... *........................154
9.2. Определение объемов и расходов ливневых иод на малых водо-
сборах .........................................................156
9.3. Расчет стока талых вод с малых водосборов .................161
9.4. Расчет отверстий труб......................................166
9.5. Учет аккумуляции ливневых вод перед малыми водопропускными
сооружениями................................-...................170
... 9.6. Расчет отверстии малых мостов и определение нысоты сооружений 174
9.7. Расчет размывов и укреплений русел за малыми мостами и тру-
бами . . .1. . .g.. 176
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ............................................ . . . 180
ПРОЛОЖЕНИЕ ТРАССЫ ДОРОГИ НА МЕСТНОСТИ........................... 180
Глава 10. Основные правила выбора направления трассы............. 180
10.1. Учет интенсивности н объема грузопотоков при выборе направле-
ния трассы........................... ...................... . 180
10.2. Учет местных условий при выборе направления трассы .... 187
10.3. Учет снегозаноснмостн при проложении трассы........... . 190
10.4. Пересечение водотоков .............................. • . 193
10.5. Преодоление подъемов и развитие линии иа склонах...........195
10.6. Проложение трассы дорогн вблизи от населенных пунктов . . . 199
Глава 11. Проектирование продольного профиля.....................202
11.1. Нанесение проектной линии .................................202
11.2. Последовательность проектирования продольного профиля , . . 203
11.3. Назначение контрольных точек при нанесении проектной линии . 208
11.4. Объемы насыпей и выемок.................................. 211
11.5. Подсчет объемов земляных работ............... , , . , \ 214
11.6. Установление дальности возкн грунта.................... « 215
366
12.4.
Глава 12. Учет требований безопасности двмженип и охр
ды при проектировании дорог...........................
12-1- Требования удобства и безопасности движения при пр
нии трассы дороги ............................. < . . ;
12.2. Требования охраны окружающей среды при выборе иац
трасСы и других проектных решениях ......................
12.3. Обеспечение пространственной плавности трассы . . .
12.4. Трассирование дорог клотоидами и сплайнами ....
12.5. Трассирование дороги н увязке с окружающим ландшафтом
Глава 13. Пересечения автомобильных дорог...................
13.1. Пересечения дорог в одном уровне « .
13.2. Кольцевые пересечения в одном уровне
13.3. Переходно-скоростные полосы ....
13.4. Простейшие пересечения и примыкания дорог в разных уровнях
13.5. Требования к элементам пересечений в разных уровнях . . .
13.6. Сложные пересечения н разных уровнях.......................
13.7. Пересечения автомобильных дорог с железными дорогами . •
w
t
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ.......................... \
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ДОРОЖНЫХ
ОДЕЖД ................................... ,
Глава 14. Проектирование земляного полотна.....................
14.1. Требования к устойчивости земляного полотна...............
14.2. Расположение грунтов в земляном полотне .................
14.3. Требования к степени уплотнения грунтов земляного полотна .
14.4. Устойчивость земляного полотна на косогорах..............
14.5. Устойчивость земляного полотна на слабых основаниях ...
14.6. Определение осадки насыпей . . . . ......................... 282
14.7. Расчет скорости осадки насыпей........................... - 284
14.8. Устойчивость откосов земляного полотна ... ...... # 287
Глава 15. Конструирование дорожных одежд....................; . / 295*
в _ < ’
15.1. Конструктивные слои дорожной одежды . . . . . . . . .я 295-
15.2. Основные типы дорожных одежд . ........................... 297
15.3. Общие принципы конструировании дорожных одежд . . . . .
15.4. Характеристики прочности грунтов и материалов конструктивных
слоев дорожных одежд ............................................811
Глава 16. Расчет нежестких дорожных одежд . .... ... . 315+
Z 1 "ч
16.1. Нагрузка на дорожную одежду............. 315
16.2. Прочность нежестких дорожных одежд ........ 317
16.3. Расчет толщины дорожных одежд по предельному допустимой^ ?
упругому прогибу . ........................................ . 320*
16.4. Проверка несвязных слоев дорожной одежды иа устойчивость
тив сдвига ... • • • • » м • ' • г» , 331
16.5. Проверка иа растягивающие и сдвигающие напряжения в связных
слоях дорожной одежды......................... 334
16.6. Расчет толщины дорожных одежд из условия предупреждения де- .
формаций при промерзании ............................ . . 335
16.7. Расчет толщины дренирующих слоев дорожной одежды . . . < 339*
16.8. Методы расчета толщины дорожных одежд, применяемые за рУ*
367
Глава 17. Расчет жестких дорожных одежд и оснований............
17.1. Особенности работы жестких дорожных одежд................
17.?. Расчет плит иа действие внешней нагрузки.................
17.3. Расчет жестких дорожных одежд на температурные напряжения
17.4. Определение толщины бетонных покрытий................ »
17.5. Расчет бетонных покрытий на укрепленных основаниях . . . .
J7.6. Усиление существующих бетонных покрытий .................
Список рекомендуемой литературы . .............................
Предметный указатель............................................
Учебник
Валерий Федорович Бабков, Олег Владимирович Андреев
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Часть 1
Предметный указатель составлен Л. П. Топольницкой
Переплет художника В. Я. Сергутина
Технический редактор Р. А. Иванова
Корректор-вычнтчнк И. М, Лукина
Корректор В. А. Луценко
ИБ № 3331
Сдано в набор 17.02.37. Подписано в печать 03.06.87. Т-13724
Формат 60X88'/te. Бум. тип. № 2. Гарнитура литературная. Офсетная печать.
Усл. печ. л. 22,54. Усл. кр.-отт. 22,54, Уч.-изд. л. 25.7.
Тираж 22 000 экз. Заказ 977. Цена 1 р. 30 к.
Изд, № 1-1-1/15 № 3227.
Ордена «Знак Почета» издательство «ТРАНСПОРТ»,
103064, Москва, Басманный туп., 6а
Московская типография №8 Союзролиграфпрома
Прн Государственном комитете СССР
По делам издательств, полиграфии и книжной торговли,
101898, Москва, Центр, Хохловский пер., 7.
з|