DESIGN OF ROADS ON APPROACHES TO A MOUNTAIN PASS

Full Text

При прокладке трасс на подходах к перевалу, когда естественный уклон склонов по прямому направлению превышает максимально допустимый строительными нормами для проектируемой дороги, приходится искусственно удлинять («развивать») трассу на горном склоне с использованием серпантин. Серпантина - кривая малого радиуса, описываемая с внешней стороны острого угла, в котором сопрягаются оси прямых участков дороги, применяемые при развитии трассы на крутых горных склонах (рис. 1). Трасса дороги на серпантине состоит из основной кривой АВС, двух обратных (вспомогательных) кривых DF и ЕG и прямых вставок СД и АЕ. Под длиной серпантины следует понимать расстояние от начала закругления G одной вспомогательной кри- DOI: 10.17673/Vestnik.2016.01.7 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) 42 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА И ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА вой до конца закругления F другой вспомогательной кривой этой же серпантины. Прямые вставки СD и АЕ необходимы для размещения добавочных тангенсов основной и вспомогательной кривых. На этом участке происходит переход от уклона виража основной кривой к уклону виража вспомогательной и наоборот. Расстояние между вершинами обратных кривых M и N (рис. 2) называют «шейкой» серпантины. Её размер определяется возможностью размещения на местности полуширины земляного полотна верхней части дороги и полуширины нижней части с откосами между ними (рис.3). Это одно из важнейших условий возможности размещения серпантины на горном склоне при ее проектировании. Различают серпантины первого рода, у которых обратные кривые расположены выпуклостью в разные стороны. Серпантины первого рода могут быть симметричные (см. рис. 1, 2), если они имеют равные радиусы обеих обратных кривых и равные прямые вставки, и не симметричные, если условия симметрии не соблюдаются. У серпантины второго рода обратные кривые направлены выпуклостью в одну сторону. Очертания серпантины необходимо приспосабливать к рельефу местности. Более подробные сведения о серпантинах приведены в [1]. План трассы на серпантине Устройство серпантин допускается на горных дорогах II-V категорий, причем R=30 м принимается на дорогах II-III категорий, R<30 м - только на дорогах IV-V категорий при запрещении движения автопоездов длиной свыше 11 м. Рис. 1. Симметричная серпантина Рис. 3. Поперечный разрез полотна на серпантине в узком месте Рис. 2. Разбивка симметричной серпантины Q 43 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) П.К. Дуюнов Проектирование серпантины заключается в установлении значений отдельных ее элементов и в проверке возможности размещения на местности земляного полотна с откосами и водоотводными канавами. Минимально необходимое расстояние между осями верхней и нижней ветви («шейка» серпантины) должно удовлетворять условию (см. рис. 3): (1) или F2=В+C+Нn+Q. (2) Расстояния F1 или F2 откладывают между осями прямых участков (см. рис. 2). Получают положение точек N и M. Затем приступают к расчету серпантины. Расстояние между концом одной обратной кривой серпантины и началом другой обратной кривой нормируется и должно быть не менее 400 м для дорог II и III категорий, 300 м для дорог IV категории и 200 м для дорог V категории (СНиП 2.05.02-85*. Автомобильные дороги / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986). Анализ проектов горных дорог [2-6], разработанных институтами «Кыргыздортранспроект», «Таджикгипротрансстрой», а также данные натурных обследований, проведенных автором, показали, что подавляющее число обратных кривых на запроектированных и построенных серпантинах имеют радиусы 75-100-125 м. На горных автомобильных дорогах, проложенных в Кыргызской республике и республике Таджикистан (в горах Тянь-Шаня, Памиро-Алая и Памира), серпантины в большинстве своём применены только на высотах 2000-4000 м над уровнем моря. Серпантина является нежелательным элементом горной дороги, и поэтому ее устраивают в исключительных случаях весьма трудного для трассирования дороги рельефа местности. М.Л. Соколов [7] указывал, что применение серпантин при трассировании горных дорог крайне нежелательно, так как на кривых малых радиусов скорость автомобиля, пропускная способность и безопасность движения резко снижаются, повышается утомляемость водителя, да и само устройство серпантины осложняет и повышает стоимость строительства, а также ухудшает видимость в ночное время. С учетом этого проектировщики постоянно искали возможность применить альтернативное закругление, которое бы с успехом выполняло функции серпантины, было проще в исполнении и обладало бы более высокими транспортно-эксплуатационными качествами. Альтернативой серпантине была предложена «петля» (рис. 4). Возможность ее использования при трассировании автомобильных дорог в горной местности упоминалось еще в тридцатые годы прошлого столетия в трудах Л.А. Братцева [8]. Под «петлей» он понимал закругление большого радиуса, устраиваемое в широкой, развалистой долине и служащее для искусственного развития трассы. Однако использовать «петли» с большим радиусом закругления на крутых горных склонах не представляется возможным. В институте «Кыргыздортранспроект» при разработке проектов горных дорог наряду с серпантинами начали использовать «петли», радиус которых не превышал радиус основной кривой серпантины (рис. 4). Конфигурация «петли» зависит исключительно от форм рельефа местности. Рис. 4. Вариант петли: НЗ и КЗ - начало и конец закругления; НКК и ККК - начало и конец круговой кривой Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) 44 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА И ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА В общем случае под «петлей» понимается закругление малых радиусов, состоящее из основной кривой без вспомогательных. Основная кривая может состоять из одной и более кривых. Располагается основная кривая с внутренней стороны переломов трассы. Наименьшее расстояние между противоположными направлениями трассы АВ ≥2R0 (см. рис. 4). Серпантины и «петли» состоят из закруглений малых радиусов. Одно закругление включает в себя две переходные и урезанную круговую кривую. Переходные кривые (ПК) служат для плавного перехода автомобиля с прямолинейного участка на круговую кривую и устраиваются при радиусах кривых до 2000 м включительно на дорогах II-V категорий. Наличие ПК на закруглениях малых радиусов - обязательно. Таким образом, серпантина (см. рис. 1) может состоять из трех урезанных круговых кривых и шести переходных; «петля» при равных углах поворота (см. рис. 4) - из одной урезанной круговой кривой и двух переходных. Определение расчетной длины переходной кривой Автомобильные дороги отнесены к объектам экологической опасности [9-11]. К источникам негативного воздействия на природную среду относят автомобильный транспорт, находящийся на дороге, и автомобильную дорогу как линейное сооружение, требующее отвода земель для своего размещения. От принятых при проектировании величин радиусов кривых в плане, продольных уклонов и длин ПК зависит количество вредных выбросов автомобилями в атмосферу, а также длина трассы на подходах к перевалу и степень вписывания её в рельеф. Из величин геометрических параметров горных дорог особое место занимают ПК, так как практически все закругления в горной местности не обходятся без них. Обследованиями дорог [12-15] установлено, что на 1 км перевального участка приходится до 16-20 переломов трассы, в которые вписаны закругления. Расположить 16-20 закруглений на один км дороги, соблюдая требования нормативных документов к длине ПК, не представляется возможным. Длина круговой кривой тесно увязана геометрически с величиной угла поворота и радиусом, и уменьшить её длину невозможно. Следовательно, расположить до 20 кривых на 1 км трассы можно за счет сокращения длины ПК. Длина ПК L зависит от скорости движения автомобиля V, км/ч, и радиуса кривой R, м. Определяется по формуле , (3) где J - нарастание центробежного ускорения, м/с3. Наибольшую величину нарастания центробежного ускорения в Российской Федерации нормируют из условия комфортабельности и безопасности движения. Для дорог II-V категорий J=1,0 м/с3 [16]. ПК неразрывно связана с отгоном виража. Они устраиваются на одном и том же участке дороги. Отгон виража - это участок, на котором происходит переход от двухскатного профиля проезжей части к односкатному, и наоборот. Определяется из выражения , (4) где В - ширина проезжей части, м; iв - уклон виража; iотг - дополнительный продольный уклон на участке отгона виража. Наиболее распространенной категорией дорог на перевальных участках является IV. Для IV категории дороги В=6,0 м; iв=0,06; iотг - для горной местности принимается равным 20 ‰ (СНиП 2.05.02-85*). Тогда Lотг= 6 0,06 0,02 ⋅ = 18 м. Алгоритм обоснования длины ПК на серпантине рекомендуется следующий: 1. В зависимости от категории дороги по нормативам (СНиП 2.05.02-85*) назначают радиусы основной и вспомогательной кривых серпантины R0 и R1, длины ПК L0 и L1 и расчетные скорости движения V0 и V1. 2. По формулам (3) и (4) определяют длины ПК L и отгонов виражей Lотг для основной и вспомогательной кривых серпантины. 3. При определении длины ПК для вспомогательных кривых следует учитывать, что их радиусы изменяются в пределах 75-125 м [14]. 4. Серпантину следует рассматривать как единое целое. «Узким» местом её является основная кривая. Поэтому независимо от радиуса, скорости движения по вспомогательным кривым близки к скорости движения по основной кривой, а длина ПК вспомогательных кривых должна быть равна длине ПК основной кривой. 45 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) П.К. Дуюнов 5. Длина ПК не должна быть меньше длины отгона виража. Пример: Обосновать длины ПК для R0=20 м и R1=100 м: - по СНиП 2.05.02-85* (табл.14 и 11) - 25/50; - по формуле (3) для расчетных скоростей 20/50 - 9/27; - длина отгона виража - 18/18. Если кривые радиусами 20 и 100 м принадлежат одной серпантине, то за расчетное значение длины ПК следует принять 18/18 м. Продольный профиль. Проектная линия на серпантине При движении автомобиля по кривым малых радиусов возрастают дорожные сопротивления, вызванные увеличением коэффициента сопротивления качению колеса по поверхности покрытия изза бокового увода шин, движением автомобиля по «косому» уклону, а также дополнительным уклоном, возникающим за счет сокращения траектории движения автомобиля, двигающегося по внутренней полосе закругления на подъем. Вопросам исследования величин дополнительных сопротивлений, возникающих на кривых малых радиусов, посвящены работы В.Ф. Бабкова, А.В. Макарова, М.С. Замахаева, Р.Г. Макаряна [17-20] и др. Для компенсации возрастающих сопротивлений движению автомобилей существующие нормативы (СНиП 2.05.02-85*) рекомендуют снижать наибольшие продольные уклоны для радиусов до 50 м на величины, указанные в табл. 12, а в пределах серпантины принимать не более указанных в табл. 14. Проектирование трассы на подходах к перевалу предельными продольными уклонами Iпр и учет их снижения на кривых малых радиусов позволяет получить уменьшенный продольный уклон Iр, который называется «руководящим» [14, 21-23]. Iр=Iпр - ΔI , (5) где ΔI - величина снижения предельного продольного уклона из-за увеличения дорожных сопротивлений на кривых малого радиуса. Проведенная нами обработка проектов горных дорог, разработанных институтами «Кыргыздортранспроект» и «Таджикгипротрансстрой», а также данных натурных обследований по величинам продольных уклонов, радиусам кривых в плане, углам поворота и их количества на 1 км трассы [6, 14, 24-26], позволила установить для дорог, расположенных на высоте 2000-4000 м над уровнем моря, численные значения параметра ΔI с учетом положения горного хребта в системе горного массива и экспозиции склонов (табл. 1). Величина уклона Iр определяет длину трассы и возможность её размещения на подходах к перевалу. Предлагается следующая последовательность нанесения проектной линии в пределах серпантины (рис. 5). 1. В зависимости от категории дороги по СНиП 2.05.02-85* устанавливается предельная величина продольного уклона Iпр, наибольший продольный уклон в пределах серпантины iс, минимальные радиусы вертикальных выпуклых и вогнутых кривых Rв. 2. По выражению (5) с учетом данных табл. 1 определяют величину «руководящего» уклона Iр. Таблица 1 Численные значения параметра ΔI Положение перевалов. Экспозиция склонов ΔI, ‰ Периферийные хребты. Инсоляционные склоны 6,5/13,5 Периферийные хребты. Теневые склоны 3,8/9,6 Внутренние хребты 4,6/8,9 Примечание. Слева от черты - среднестатистическая величина, справа - 95 % обеспеченности. 1 2 Ip Kc ic Ip Ri;Li;β; Ri;Li;β; R0;γ0;β; Рис. 5. Уклоны проектной линии на серпантине Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) 46 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА И ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА 3. Наносят проектную линию таким образом, чтобы в пределах полной длины серпантины Lп уклон был равен iс. Для выполнения этого условия необходимо переломы проектной линии с уклонами iс и Iр расположить на расстоянии тангенса вертикальной кривой Т от начала и конца серпантины (см. рис. 5). Тогда Кс=Lп+ Тв1+ Тв2 . (6) 4. При известных уклонах iс и Iр определяют величины тангенсов Тв1 и Тв2 вертикальных кривых по формуле Тв=Rв (Iр- iс):2. (7) 5. На участках за пределами Кс (см. рис. 5) следует применять уклон Iр. Для сравнения вариантов трасс на подходах к перевалу с серпантинами и «петлями» необходимо выполнить их расчет. Расчет серпантины и петли Исходные данные для расчета серпантины и петли: категория дороги IV; ширина земляного полотна В=10 м; ширина придорожной канавы поверху С=1,75 м; поперечный уклон местности i0=0,3; крутизна откосов m=1,5; наибольший продольный уклон iп=0,09 (СНиП 2.05.02-85*, табл. 10); наибольший продольный уклон в пределах серпантины ic=0,035 (СНиП 2.05.02-85*, табл. 14); величина снижения предельного уклона ΔI =0,0089 (см. табл. 1). Величина «руководящего» уклона Iр=0,09-0,0089=0,0811. Основная кривая: острый угол серпантины α=240; радиус кривой R0=20 м; длина ПК L0=18 м; сдвижка по тангенсу t0=8,94 м; сдвижка по радиусу r0=0,68 м; радиус кривой R0, c учетом сдвижки r0, /0 R =20,68 м; угол между касательными в начале и в конце ПК δ0=25047/. Обратная (вспомогательная) кривая: радиус кривой R1=100 м; длина ПК L1=18 м; сдвижка по тангенсу t1=8,99 м; сдвижка по радиусу r1=0,14 м; / R1 = R1 (величиной сдвижки r1 пренебрегаем); δ1=5009/. Расчет серпантины Расчет серпантины здесь проводится с целью определения её полной длины. Расчетом установлено: ▪длина прямой вставки р (см. рис. 2) р=t0+ t1=8,94+8,99=17,93 м ▪ угол β (см. рис. 2) β=26056/ ▪тангенс обратной кривой Т1=R· tg 100 0,235 23,5 2 β= ⋅ = м ▪расстояние от вершины обратной кривой до начала основной круговой кривой СМ=АN=Т1+р=23,5+17,93=41,43 м ▪расстояние от вершины обратной кривой до центра основной круговой кривой d=46,47 м ▪центральный угол γ (см. рис. 2) γ=1800+2β-α=1800+2·26056/-240=209052/ ▪центральный угол, соответствующий основной круговой кривой серпантины, γ0=γ-2δ0 =209052/-51034/=158018/=158,30 ▪центральный угол, соответствующий обратной круговой кривой, β0=β-2δ1 =26056/-10018/=16038/=16,630 ▪длина основной круговой кривой /0 0 0 3,14 20,68 158,3 57,11 180 180 S = π ⋅ R ⋅γ = ⋅ ⋅ = м ▪длина обратной круговой кривой К1= / 0 1 0 3,14 16,63 100 29,01 180 180 π ⋅ β ⋅ R ⋅γ = ⋅ ⋅ = м ▪полная длина серпантины Lп=2(2L1+K1+L0)+S0=2(2·18+29,01+18)+57,11=223,13 м ▪количество серпантин на 1 км дороги n=1000:(Lп+300)=1000:523,13=1,91, где 300 - расстояние между концом одной и началом другой серпантины. После определения элементов серпантины определяется возможность размещения её на горном склоне. Для этого рассчитывается расстояние Z (см. рис. 2): Z=F+2Б=2 1 sin (sec 1 2 2 ⎡⎢d ⋅ α + R β - ⎤⎥ ⎣ ⎦ = =2[46,47·0,2079+100(1,028-1)]=24,92 м, где Б - биссектриса вспомогательной кривой. Расстояние F1 определяется по формуле (1): F1=Н:i0=6,16:0,3=20,53 м, где Н= (Lп-2Т1)·iс=(223,13-2·23,5)·0,035= 6,16 м. Так как F1<Z, то серпантина может быть размещена на горном склоне. Нанесение проектной линии При Rв=600 м для вертикальных выпуклых и вогнутых кривых (СНиП 2.05.02-85*, табл. 10) 2Тв= 600 (0,0811-0,035)=27,66 м. Длина участка, на который распространяется уклон 0,035, составляет Кс=Lп+2Тв=223,13+27,66=250,79. Превышение между началом и концом участка Кс будет h1=0,035·250,79=8,78 м. 47 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 1 (22) П.К. Дуюнов Превышение на участке (300 - 2Тв) h2=(300 - 2Тв)·Iр=(300 - 27,66)·0,0811= 22,09 м. Полное превышение hп=h1+h2=8,78+22,09=30,87 м. Превышение на 1 км трассы с серпантинами 30,87·1,91= 58,96 м. Потеря высоты из-за устройства серпантин Δh=0,0811·1000 - 58,96=22,14 м. Расчет «петли» Исходные данные - см. расчет серпантины и рис.4: α1=900; α2=900. Расчетом установлено: длина урезанной круговой кривой КК=46,33 м; полная длина кривой Кп от начала закругления (НЗ) до конца закругления (КЗ) Кп=КК+2L0=46,33+2·18=82,33 м. Длина участка, на который распространяется уклон 0,035 (по аналогии с серпантиной), Кс=Кп+2Тв=82,33+27,66=110 м. Количество «петель» на 1 км дороги n1=1000:(Кс+300)=1000:410=2,44. Превышение между началом и концом участка Кс h1=0,035·110=3,85 м. Превышение на участке (300 - 2Тв) h2=(300 - 2Тв)·Iр=(300 - 27,66)·0,0811=22,09 м. Полное превышение hп=h1+h2=3,85+22,09=25,94 м. Превышение на 1 км дороги с «петлями» 25,94·2,44=63,29. Потеря высоты из-за устройства «петель» Δh=0,0811·1000 - 63,29= 17,81 м. Расчет показал, что использование «петель» в данном случае позволяет на протяжении 1 км снизить потерю высоты на (22,14-17,81)=4,33 м или сократить длину трассы на 4,33:0,0811=53,4 м. Это очень важно в сложных рельефных условиях местности. Выводы. 1. Длину переходной кривой на основной кривой рекомендуется назначать расчетом из условия обеспечения безопасной скорости движения, а обратной кривой - по скорости, обеспечиваемой основной кривой. 2. Проектировать трассу на подходах к перевалу следует ориентируясь не на предельный, а на «руководящий» уклон, который меньше предельного на величину снижения. 3. Определена величина снижения предельного продольного уклона на кривых малого радиуса в зависимости от расположения дорог в системе горного массива Средней Азии и экспозиции склонов. 4. Выполнено сравнение вариантов трасс с использованием серпантин и «петель». Установлено, что: •использование «петель» позволяет уменьшить общую длину закругления, требующую смягчения продольного уклона; количество круговых и переходных кривых на закруглении; извилистость; количество циклов перегрузки рессор и других узлов автомобиля; износ шин. •снижается потеря высоты. Уменьшается длина трассы. Повышается возможность размещения её на горном склоне; упрощается разбивка с использованием геодезических приборов; •из-за меньшего количества кривых повышается удобство проезда по дороге и безопасность движения, улучшаются условия работы водителя.

About the authors

Petr Kuz'mich DUYUNOV

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files