1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ДОРОГАХ

1.1 Сеть автодорог Республики Беларусь

А/д являются важнейшей частью транспортной системы, которая в значительной степени определяет экономическое, социальное и культурное развитие государств.

А/д РБ делятся на дороги общего пользования и ведомственные. В свою очередь дороги общего пользования подразделяются на республиканские и местные. Ведомственные дороги расположены на территории хозяйственных субъектов.

К республиканским относятся дороги:

1) Включенные в сеть международных (индекс М);

2) Соединяющие г. Минск с административными и промышленными центрами областей и районов (М);

3) Соединяющие административные центры м/у собой (Р).

К местным относятся:

1) Соединяющие административные центры районов с сельскими н.п. (Р);

2) Соединяющие сельские н.п. м/у собой (Н);

3) Соединяющие сельские н.п. с дорогами республиканского значения (Н).

Протяженность сети а/д РБ составляет более 70400 км, в том числе республиканских 15400 км и местных – 55000 км. Республиканские дороги на протяжении 97% имеют усовершенствованные покрытия. На местных дорогах 93% длины занимает твердое покрытие; 7% - грунтовые. На сети имеется 4245 мостов и путепроводов.

Среднесуточная интенсивность движения на республиканских дорогах с индексом М находится в пределах 1500 – 12000 авт./сутки, на основных дорогах с индексом Р – 1000 – 400 авт./сутки, на местных с индексом Н от 10 до 1000 авт./сутки. Количество легкового транспорта в составе потока – 40 – 85%. На транзитных маршрутах доля а/поездов – 5 – 35%. Перевозится грузовым транспортом 1 млрд. тонн груза в год, грузооборот более 20 млрд. т/км.

По территории РБ проходит два транспортных коридора: П и 1Х. Транспортный коридор – полоса сети а/д в направлении движения международных транспортных потоков, включая подъезды к грузообразующим пунктам.

Коридор П – дорога Минск – Брест – М1/Е30.

Коридор 1Х:

Граница РФ – Витебск – Гомель – Новая Гута (М8);

Минск – Гомель (М5);

Минск – Гродно (М6);

Минск – Ошмяны – Граница Литвы (М7);

МКАД - кольцевая (М9).

Основным государственным документом явл. Закон РБ «Об автомобильных дорогах», принятый в 1994г. Республиканским органом государственного управления автодорогами и дорожным хозяйством ял. Комитет по а/дорогам. Финансирование дорожной отрасли осуществляется за счет государственных дорожных фондов.

Цели и задачи сети а/д РБ сформулированы в государственной программе, в которой определены основные приоритеты развития сети:

• Содержание сети а/дорог и поддержания ее надежности на уровне современных требований;

• Обеспечение устойчивыми транспортными связями с дорогами общего пользования 10,5 тыс. н.п. путем ликвидации грунтовых участков местных дорог;

• Улучшение транспортно-эксплуатационного состояния существующих а/д, повышение надежности покрытий;

• Реконструкция наиболее грузонапряженных участков дорог и мостов, строительство объездов городов.

1.2 Подвижной состав на автодорогах

Подвижной состав – это автобусы, легковые и грузовые автомобили, а/поезда и т.д.

Каждая дорога служит десятки лет, а автотранспорт быстро видоизменяется: увеличивается грузоподъемность, габариты, скорость и т.д. Поэтому экономически целесообразно строить дороги с избыточным запасом прочности и для стабильной работы дороги разработаны габариты и стандарты, а также нагрузки от них, которые обязана соблюдать автомобильная промышленность.

На данный момент требования к габаритным размерам следующие:

• Высота – 4 м;

• Ширина – 2,5м;

• Длина – 12 – 20м (одиночные а/ли), 20 – 24м (а/поезда).

Дороги проектируются на нагрузку 100 кН (на одиночную ось) и 180 кН (при двух спаренных осях) для автомобилей группы А и соответственно 60 и 100 кН – группы Б.

Расчеты обеспечиваемых дорогой скоростей ведут на наиболее совершенные и распространенные автомобили массового производства – легкового типа 2Волга» и грузового – типа ЗИЛ.

Мосты на а/дорогах проектируют на большие нагрузки, чем дороги, т.к. при строительстве дорог д.б. предусмотрена возможность провоза отдельных тяжелых грузов.

1.3 Технические категории автодорог

С 26.01.2006 г.введен в действие Технический кодекс установившейся практики (ТКП 45-3.03 -19 – 2006) «Автомобильные дороги», в соответствии с которым проектируются дороги общего пользования. В зависимости от народохозяйственного значения и интенсивности движения а/дороги делятся на V1 категорий.

Класс дороги	Категория дороги	Назначение дороги	Область применения	Расчетная интенсивность движения, ед/сутки
				Республи канские	Местные
А/магистрали	1-а	Для передвижения интенсивных транспортных потоков на большие расстояния без обслуживания прилегающих территорий	Участки основных республиканских дорог протяженностью не менее 150км с долей транзита в транспортном потоке более 50%	Св. 8000	-
Скоростные автомобильные дороги	1-б	Для локального передвижения интенсивных транспортных потоков с высокой скоростью	Республиканские автомобильные дороги на подходах к крупнейшим городам на расстоянии 40 – 50 км, подъезды к аэропортам 1 класса, кольцевые дороги вокруг крупнейших городов	Св. 100000	-
Обычные автомобильные дороги	1-в П Ш 1V V	Дороги общего назначения	Республиканские а/дороги (кроме а/магистралей и скоростных дорог), а также местные а/дороги (кроме а/дорог низких категорий)	Св.10000 >5000до 10000вкл. >2000 до 5000 вкл. >200 до 2000 вкл. До 200 вкл.	- >7000 >3000 до 7000вкл. >400 до 3000вкл. До400вкл.
Автомобильные дороги низших категорий	V1-а V1-б	Обеспечение постоянных подъездов к малым сельским н.п.	Тупиковые дороги с незначительной интенсивностью движения	- -	>25 до 50вкл. До 25вк.

Внутрихозяйственные дороги согласно СНиП 2.05.11-83 делят на 3 категории: 1с, Пс и Шс в зависимости от объема выполняемых на них перевозок:

1с - расчетный объем перевозок в месяц «пик» - более 10 тыс. т нетто;

Пс – менее 10 тыс. т нетто;

Шс – полевые дороги.

За основную характеристику движения при обосновании требований к разным элементам дорог принимают общее количество а/лей, проходящих через некоторое сечение дороги за единицу времени, которое называется интенсивностью движения.

1.4 Классификация дорог

Автодороги классифицируются следующим образом:

• АД общей сети – предназначены для обеспечения безопасного, экономичного и комфортного движения транспортных средств;

• АД магистральная – предназначена для скоростного движения тр. средств, не обслуживающая придорожные территории;

• АД главная;

• АД местная – обеспечивает транспортную доступность к малым н.п. и др. объектам производственного и непроизводственного назначения;

• АД городская;

• АД внутренние: внутриплощадочные; межплощадочные; карьерные; патрульные и т.п.;

• АД кольцевая;

• АД обходная – уч-ток дороги на внешней границе города;

• АД подъездная –проходит вне гл. дороги и обеспечивает подъезды к н.п., др. дорогам и т.д.;АД внутрихозяйственные;

• АД горная.

1.5 Основные транспортно-эксплуатационные показатели автомобильных дорог

Применяемые транспортно-эксплуатационные показатели характеризуются следующими коэффициентами:

- коэффициент службы дороги

где - соответственно фактическая и расчетная скорость движения, км/ч;

- коэффициент проезжаемости

где - соответственно фактическое и расчетное (допустимое) показание толчкомера, см/км;

- коэффициент скользкости дорожного покрытия

где - соответственно фактический и расчетный (допустимый) коэффициент сцеп ления дорожного покрытия;

- коэффициент изношенности дорожного покрытия

где h, H_о – соответственно средний и допустимый износ дорожного покрытия, мм/год;

- коэффициент прочности дорожного покрытия

где Е_ф, Е_р – соответственно фактический и расчетный модуль упругости дорожного покрытия, МПа;

- коэффициент безопасности

где К_без.ф, К_без.р – соответственно фактическое и допустимое значение коэффициента безопасности;

- коэффициент аварийности

где К_ав.ф, К_ав.р – соответственно фактическое и допустимое значение коэффициента аварийности;

- стоимостной коэффициент аварийности

где К_ст.ф, К_ст.р – соответственно фактическое и допустимое значение стоимостного коэффициента аварийности;

- коэффициент обслуживания подвижного состава

где Т_ф, Т_р – соответственно фактическая и расчетная пропускная способность сооружений по обслуживанию транспортных средств (станций технического обслуживания, заправочных, мастерских) в расчете на 1000 км дороги;

- коэффициент обеспечения транспортных средств топливом

где З_ф, З_р – соответственно фактическое и расчетное число сооружений по обеспечению транспортных средств топливом в расчете на 1000 км дороги;

- коэффициент интенсивности движения

где N_ф, N_р – соответственно фактическая и расчетная (для данной категории дороги) интенсивность движения, авт/сут;

- коэффициент загрузки дороги движением

где Z_ф, Z_р – соответственно фактическое и допустимое значение коэффициента загрузки дороги движением;

- коэффициент времени сообщения

где t_ф, t_р – соответственно фактическая и расчетная продолжительность движения на рассматриваемом маршруте, ч;

- коэффициент обеспечения пассажиров автобусов местами для ожидания

где a_ф, a_р – соответственно фактическое и требуемое число павильонов и станций для ожидания пассажирами автобусов на 1000 км дороги;

- коэффициент обслуживания пассажиров дальнего следования

где П_ф, П_р – соответственно фактическое и расчетное число пассажиров, водителей и сопровождающего персонала, проезжающего по дороге в сутки;

- коэффициент обеспечения площадками для стоянок и отдыха

где О_ф, О_р – соответственно фактическая и расчетная пропускная способность в сутки бытовых устройств для принятия пищи и отдыха в расчете на 1000 км дороги;

- коэффициент санитарно-гигиенического обслуживания

где C_ф, C_р – соответственно фактическая и расчетная пропускная способность санитарно-гигиенических устройств (туалетов, душевых) из расчета на 1000 км дороги.

Перечисленные показатели позволяют проводить всестороннюю оценку транспортно-эксплуатационных качеств дорог и разрабатывать мероприятия по их улучшению.

2. ЭЛЕМЕНТЫ А/ДОРОГ

2.1 Элементы плана

Строительству дороги по кратчайшему направлению препятствуют рельеф местности, водные преграды, н.п. и др. препятствия. Существуют контурные и высотные препятствия.

Контурные – болота, заповедники, н.п., озера и т.д.

Высотные – горы, возвышенности, овраги.

Удлинение дороги характеризуется коэффициентом развития линии λ.

λ = L_ф/L_о,

где L_ф – фактическая длина дороги;

L_о –длина дороги по геодезической линии.

Ось дороги, проложенная на карте в горизонталях или непосредственно на местности называется трассой. План – это проекция трассы на горизонтальную плоскость.

В простейшем случае трассирования дороги прямыми и дугами окружности каждое изменение направления трассы определяется углами поворота, в которые вписываются кривые.

Кривые имеют следующие геометрические элементы:

1. угол α ( на профильных схемах – У);

2. радиус R ( на профильных схемах – Р);

3. длина кривой К;

4. тангенс Т;

5. биссектриса Б;

6. домер Д.

Для удобства определения длин кривых и разбивки их на местности используют специальные таблицы. При их отсутствии указанные элементы определяют по формулам:

Т = Rtg α/2; К= R(П α^о/180^о); Б= R(sec α/2 – 1); Д = 2Т – К.

2.2 Элементы продольного профиля

Проекция трассы на вертикальную плоскость называется продольным профилем.

Продольный профиль представляет собой чередование уклонов и площадок или плавную кривую при клотоидном проектировании.

Т.к. естественные уклоны местности превышают допустимые для эффективного использования автомобилей, то для достижения более пологого уклона либо срезается часть грунта на подъемах на возвышенность, либо досыпается в местах перехода через пониженные участки рельефа.

Места, где поверхность дороги расположена ниже поверхности земли, называются выемками, а участки, где дорога проходит выше поверхности земли – насыпями. Разность между отметками земли и отметками дороги называется рабочей отметкой.

Для обеспечения плавности движения и видимости в переломы продольного профиля вписываются вертикальные кривые.

2.3 Элементы поперечного профиля

Полоса местности, выделяемая для расположения на ней дороги, разработки грунта, предназначенного для отсыпки насыпей, постройки вспомогательных сооружений и посадки зеленых насаждений называется дорожной полосой или полосой отвода.

Сечение дороги вертикальной плоскостью, перпендикулярной оси дороги, называется поперечным профилем.

1. Земляное полотно; 5. Резерв;

2. Проезжая часть; 6. Откос;

3. Обочины; 7. Бровка з.п.

4. Краевые или укрепительные полосы;

Расстояние между бровками условно называют шириной земляного полотна. Ширина з.п. регламентируется в зависимости от категории дороги и числа полос движения и представлена в ТКП. Крутизну откосов характеризует коэффициент заложения, который определяется отношением высоты откоса к его горизонтальной проекции – заложению 1:m.

Для благоприятных геологических условий разработаны типовые поперечные профили з.п., которые, как показал опыт эксплуатации, являются прочными и устойчивыми.

Типовые поперечные профили земляного полотна

Тип 1

Тип 1 назначается:

1) в нестесненных условиях, на неплодородных землях и при условии временного отвода под боковые резервы;

2) при высоте насыпи до 3-х м и крутизне откосов 1:4 на дорогах 1 – 3 категорий, а при высоте до 2-х м и крутизне откосов 1:3 на дорогах остальных категорий;

3) резервы назначаются в случае, когда они не нарушают общей планировки местности и грунт м.б. использован для возведения насыпи;

4) дно резерва при ширине его до 10 м проектируется односкатным с поперечным уклоном 0,02, а при ширине более 10 м – двускатным с уклоном к его середине более 0,02.

Тип 2

Тип 2 назначается:

1. в стесненных условиях или при прохождении по ценным угодиям;

2. см. тип 1;

3. на ценных землях допускается увеличение крутизны откосов до предельных значений, приведенных в ТКП с разработкой мероприятий по обеспечению безопасности движения.

Тип 3

Тип 4 (насыпи высотой до 12 м)

Крутизна откосов принимается согласно следующей таблице

Грунты насыпи	Наибольшая крутизна откосов
	при высоте откоса до 6,0м	при высоте откоса до 12,0м
		в нижней части	в верхней части
Глыбы из слабовыветриваемых пород	1:1 ÷ 1:1,3	1:1,3 ÷ 1:1,5	1:1,3 ÷ 1:1,5
Крупнообломочные и песчаные (за исключением мелких и пылеватых песков)	1 : 1,5	1 : 1,5	1 : 1,5
Песчаные мелкие и пылеватые, глинистые и лессовые, золошлаковые смеси непучинистые, слабопучинистые и пучинистые	1:1,75	1:2	1:1,75

Тип 5

(насыпи на косогорах с высотой откоса низовой

стороны до 12 м на склонах с крутизной 1:10 ÷ 1:5)

Тип 6

(насыпи на косогорах с высотой откоса низовой

стороны до 12 м на склонах с крутизной 1:5 ÷ 1:3)

1. Типы 5 и 6 применяются при устройстве насыпей на склонах крутизной от 1:10 до 1:3. Крутизна откосов приведена в таблице ниже.

2. При крутизне склонов от 1:10 до 1:5 под насыпями высотой до 1 м растительный грунт удаляют, при высоте насыпей более 1 м производят рыхление основания. Удаление растительного грунта, нарезку уступов шириной 3 ÷ 5 м и высотой 1 м в пределах косогоров крутизной 1:5 ÷ 1:3 производят независимо от высоты насыпи.

3. На склонах крутизной 1:10 ÷ 1:5 нагорные канавы могут проектироваться без банкетов.

Грунты насыпи	Верховой откос до 3-х м для дорог 1-Ш категорий и до 2-х м – 1V- V1	Верховой откос до 6 м	Низовой откос до 12 м
			в нижней части (0 – 6м)	в верхней части (6 – 12 м)
1. Глыбы из слабовыветриваемых пород	1:4/1:3	1:1 ÷ 1:1,3	1:1,3 ÷ 1:1,5	1:1,3 ÷ 1:1,5
2. Крупнообломочные и песчаные (за исключением мелких и пылеватых)	1:4/1:3	1:1,5	1:1,5	1:1,5
3. Песчаные пылеватые и мелкиеь, глинистые и лессовые	1:4/1:3	1:1,5/1:1,75	1:1,75/1:2	1:1,5/1:1,75

Тип 7

(выемки глубиной до 1 м на снегозаносимых участках)

1). Тпп 7 применяется на начальных участках глубоких выемок.

2). Типы 7А и 7Б применяют с целью предохранения начальных участков выемок от снежных заносов в нестененных условиях и на малоценных угодьях и устраивают либо раскрытыми (7А), либо разделанными под насыпь (7Б).

Тип 8

(выемки глубиной до 1 м на снегозаносимых участках)

1). Тип 8 применяется на начальных участках глубоких выемок.

2). Тип 8 применяется в стесненных условиях или при проложении дороги по ценным угодьям, а также на участках, где отсутствуют снежные заносы.

Тип 9

(выемки глубиной от 1,0 до 5,0 м)

Тип 9 применяется на снегозаносимых участках при глубине выемки от 1,0 до 5,0 м. Ширина полки принимается в зависимости от объема снегопереноса, но не менее 4,0 м. Выемки по типу 9 можно проектировать с уширенной обочиной «с» ≥ 4,0 м (взамен полки). Тип 10

(выемки глубиной до 12 м)

1). Тип 10 применяется в грунтах крупнообломочных, песчаных крупных и средних. Для автодорог I и II категорий конструкция выемок принимается по варианту А.

2). Для дорог IV и VI категорий значение внутреннего откоса выемки принимается 1:3.

3). Крутизна откосов 1:m принимается согласно следующей таблице

Грунты	Крутизна откосов 1:m
Крупнообломочные	1:1 ÷ 1:1,5
Песчаные крупные и средние, глинистые твердой и полутвердой консистенции	1:1,5
Мелкие и пылеватые песчаные, глинистые тугопластичной, мягкопластичной консистенции	1:2 ÷ 1:1,5

Тип 12

(выемки на косогорах крутизной 1:10 ÷ 1:5)

1). Тип 12 применяется на склонах крутизной 1:10 ÷ 1:5.

2). Выемки по варианту А применяются для автодорог I и II категорий, по варианту Б – для всех остальных.

3). Для дорог IV ÷ VI категорий крутизна внутреннего откоса – 1:3.

4) Ширина закюветных полок (12 Б) принимается равной 1 м при глубине выемки до 6 м и 2 м – более 6 м.

5) крутизна откосов 1:m принимается в соответствии со следующей таблицей

Грунты	Крутизна откосов 1:m
Крупнообломочные	1:1 ÷ 1:1,5
Песчаные крупные и средние, глинистые твердой и полутвердой консистенции	1:1,5
Мелкие и пылеватые песчаные, глинистые тугопластичной, мягкопластичной консистенции	1:2

Поперечные профили земляного полотна на болотах

Тип 1 б

(полное выторфовывание, посадка на минеральное дно)

Для дорог с капитальным усовершенствованным и облегченным покрытием m = 0,5 ÷ 1

Тип 9б

(частичное выторфовывание)

Для дорог с переходными и низшими типами покрытий на болотах с устойчивыми торфами m = 0,5 ÷ 1

Тип 4б

(без выторфовывания)

2.4 Дорожные одежды

Дорожная одежда – это твердая монолитная конструкция из материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию климатических факторов и колес транспортных средств, уложенная на поверхность з.п.

В д.о. различают следующие слои:

1. Поверхностная обработка; 2. Мелкозернистый а/б; 3. Крупнозернистый а/б; 4. Щебень, обработанный вяжущим материалом; 5. ПГС; 6. Песок.

Покрытие – верхний, наиболее прочный, обычно водонепроницаемый, относительно тонкий (до 10 см) слой одежды, хорошо сопротивляющийся истирающимся, ударным и сдвигающим нагрузкам от колес, а так же воздействию природных факторов.

Основание – несущая прочная часть д.о., устраиваемая из каменных материалов или грунта, обработанного вяжущим материалом. Оно предназначено для передачи и распределения давления на расположенные ниже дополнительные слои основания или на грунт з.п. и потому должно быть монолитным, устойчивым против сдвига и изгиба. Основание может состоять из одного или нескольких слоев. В последнем случае верхние слои устраивают из более прочных материалов.

Дополнительные слои основания устраиваются из материалов, устойчивых при увлажнении, укладываются м/у основанием покрытия и подстилающим грунтом з.п. на участках с неблагоприятными климатическими и грунтово-гидрологическими характеристиками.

Грунт з.п. (подстилающий грунт, «рабочий слой» з.п.) – это тщательно уплотненные и спланированные слои з.п., на которые укладывается д.о.

Эксплуатационные качества д.о. определяются, в основном, типом покрытия. Покрытия бывают:

• Асфальтобетонные (к/з, м/з, песчаные);

• Цементобетонные (сборные, монолитные);

• Щебень, гравий, обработанные вяжущими материалами;

• Мостовые.

В зависимости от обеспечиваемой степени удобства движения д.о. делятся на усовершенствованные (капитальные и облегченные), переходные и низшие.

2.5 Водопропускные сооружения

Тип водопропускного сооружения зависит от количества воды, притекающей к данному сооружению. Водопропускные сооружения делятся на:

• малые (трубы, лотки, малые мосты отверстием до 25м);

• средние (мосты отверстием от 25 до 50м);

• большие (мосты отверстием более 50 м).

Для малых водопропускных сооружений применяют типовые проекты. Большие и средние подлежат индивидуальному проектированию.

МВС устраиваются при пересечении а/дорогами ручьев, оврагов, балок, по которым стекает вода от дождей и таяния снега. Большую часть МВС на дорогах (95%) составляют трубы. Они не меняют условий движения и могут располагаться при любых сочетаниях плана и профиля. Мосты применяют в тех случаях, когда трубы не могут обеспечить пропуск воды, притекающей к дороге.

Тубы классифицируются:

• по типу отверстия – круглые, прямоугольные, овальные;

• по типу материала – бетонные, железобетонные, из каменной кладки;

• по количеству очков – одноочковые и многоочковые (не более 3 – х очков).

На а/дорогах применяют круглые трубы отверстием 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0м; прямоугольные – отверстием 2х2,5; 2х3,65; 3х2,5; 3х3,65; 4х2,5; 4х3,65.

Трубы нельзя укладывать на постоянных водотоках, где возможны ледоход, корчеход, наледи.

3 ОСНОВЫ ТЯГОВЫХ РАСЧЕТОВ

3.1 Силы сопротивления движению автомобиля

При ускоренном движении автомобиля на подъем на него действую следующие силы сопротивления:

• сопротивление качению (трение качения) – Р_f;

• сопротивление движению на подъем – Р_i;

• сопротивление воздушной среды - Р_ω;

• инерционные силы самого автомобиля и вращающихся масс его механизмов - Р_j.

Р_f и Р_ω действуют на автомобиль всегда при условии его движения.

Сопротивление качению вызывается затратой энергии на деформацию шин и дороги(обжатие шин, удары о неровности покрытия, образование колеи) и определяется по формуле

Р_f = ΣG_if_i,

где G_i – нагрузка на дорогу от отдельных колес, Н;

f_i – соответствующие коэффициенты сопротивления качению.

При движении по деформирующимся грунтовым поверхностям с образованием колеи –

Р_f = ζG_i√Н/D,

Где ζ – коэффициент, зависящий от состояния грунта, равен 0,75 – 1,0;

D – диаметр колеса;

Н – глубина колеи после прохода колеса. Средняя величина коэффициента сопротивления качению –

F_ср = Σ Р_f/G_авт,

где Σ Р_f – суммарное сопротивление качению всех колес автомобиля.

Коэффициент сопротивления качению зависит от ровности покрытия, скорости и эластичности шин. При скоростях менее или равно 50 км/ч коэффициент сопротивления качению можно считать постоянным и равным 0,01. При скоростях близких к расчетным –

f_v = f_o(1 + 4,5*10^-5v²),

где f_o - коэффициент сопротивления качению при скоростях до 50 ка/ч.

Сопротивление воздушной среды вызывается лобовым сопротивлением, трением воздуха о боковую поверхность автомобиля и сопротивлением , создаваемым выступающими частями а/ля (зеркала, номерные знаки и т.д.). Суммарная сила сопротивления воздуха движению а/ля выражается формулой аэродинамики:

Р_ω =(сρωv²)/3,6²,

где с – коэффициент сопротивления среды(безразмерная величина, зависящая от формы тела, движущегося в воздухе);

ρ – плотность воздуха, равная на уровне моря 0,125 Нс²/м⁴;

ω – площадь проекции а/ля на плоскость, перпендикулярную направлению его движения («лобовая» площадь);

v – скорость движения а/ля относительно воздушной среды.

Произведение сρ при тяговых расчетах заменяют коэффициентом сопротивления воздуха К_в, определяемого экспериментально.

ω = 0,8ВН – для легковых а/лей;

ω = 0,9ВН – для грузовых, где В и Н – габаритные ширина и высота а/ля.

Сопротивление движению на подъем с уклоном i

Р_i = F/ L,

где F – работа по преодолению силы тяжести;

L – длина подъема.

F = GH.

Тогда Р_i = GH/ L = Gi.

Сопротивление инерционных сил автомобиля, возникающее при изменении его скорости, слагается из сил инерции поступательного движения и инерционных моментов вращающихся частей автомобиля. При m = G/g и скорости автомобиля v (м/с)

P_j =mdv/dt = G/g dv/dt = Gj,

где dv/dt – ускорение автомобиля;

j = 1/g dv/dt – относительное ускорение.

Наряду с инерцией поступательного движения возникает инерция вращающихся частей автомобиля. Она учитывается поправочным коэффициентом δ_вр, который определяется по примерной зависимости:

δ_вр = 1,04 + ni_к²,

где i_к – передаточное число коробки передач;

n – коэффициент, равный 0,03 ÷ 0,05 – легковые автомобили; 0,05 ÷ 0,07 – грузовые.

3.2 Динамические характеристики автомобилей

Механическая энергия, вырабатываемая двигателем автомобиля, передается на его ведущие колеса. Вращающий момент Мвр вызывает появление пары сил: Рр – тяговое усилие и Рк – окружная сила, стремящаяся сдвинуть верхний слой покрытия в сторону, противоположную движению.

Р_р передается через ведущий мост и рессоры на раму автомобиля и вызывает его движение

Р_р = М_вр/r_к,

где r_к – радиус колеса в зоне контакта с покрытием с учетом обжатия шины

r_к = λ r_о,

где λ – коэффициент деформации шины.

М_вр = М_еi_кi_оη,

где М_е – момент двигателя, Нм;

i_к – передаточное число коробки передач;

i_о – передаточное число главной передачи;

η – к.п.д. автомобиля: 0,8 – для 3-х осных грузовых автомобилей;

0,9 – для 2-х осных грузовых автомобилей;

0,92 – для легковых автомобилей.

Тогда Р_р = (М_еi_кi_о/r_к)η.

Момент двигателя М_е связан с его мощностью N_е (Вт) и частотой вращения коленчатого вала n_е (об/мин) зависимостью

М_е = N_е/ n_е.

Тогда Р_р = (N_еi_кi_о/n_еr_к)η.

Тяговое усилие определяется из условия равенства внешних и внутренних сил (тяговое усилие расходуется на преодоление сил сопротивления движению) и выражается зависимостью

Р_р = Р_f + Р_ω ± Р_j ± Р_i – уравнении е движения автомобиля.

Перенесем сопротивление воздушной среды Р_ω в левую часть и подставим значения остальных сопротивлений:

Р_р – Р_ω = Gf ± Gj ± Gi.

Академиком Е.А. Чудаковым было предложено характеризовать тяговые и динамические качества автомобиля динамическим фактором – отношение разницы силы тяги и силы сопротивления воздушной среды к единице веса автомобиля

D = (Р_р – Р_ω)/G = Gf/G ± Gj/G ± Gi/G.

D = (Р_р – Р_ω)/G = f ± j ± i.

D характеризует запас тягового усилия на единицу веса автомобиля, который может быть израсходован на преодоление дорожных сопротивлений f ± I и ускорение автомобиля j.

График зависимости динамического фактора от скорости движения при полной загрузке называется динамической характеристикой и используется как основной показатель тяговых качеств автомобиля.

3.3 Сцепление шин с поверхностью дороги

Тяговое усилие на колесах, обеспечиваемое мощностью автомобиля, может быть развито только в том случае, если между колесами и покрытием имеется сцепление.

Отношение максимального тягового усилия на колесе р_к к вертикальной нагрузке на покрытие G_к называется коэффициентом сцепления:

φ = р_к/ G_к.

В зависимости от направления сдвигающей силы различают коэффициент продольного сцепления φ_пр и коэффициент поперечного сцепления φ_поп.

Коэффициент продольного сцепления соответствует началу проскальзывания заторможенного или пробуксовыванию движущегося колеса без действия боковой силы. Его применяют при расчете тормозного пути и при оценке возможности трогания

автомобиля с места.

Коэффициент поперечного сцепления возникает под действием боковой силы, когда колесо одновременно вращается и скользит в боковом направлении, φ_поп =(0,5 ÷ 0,85)φ_пр.

Этот коэффициент характеризует устойчивость автомобиля при проезде кривых малых радиусов.

При обосновании геометрических элементов плана в нашей стране φ_пр принимается 0,6 при сухом и чистом покрытии.

Условия сцепления ведущих колес с поверхностью дороги оказывают влияние на динамические возможности автомобиля. Поэтому наряду с динамическими характеристиками по мощности двигателя при тяговых расчетах используют также динамические характеристики по условиям сцепления, получаемые из уравнения движения автомобиля, где сила тяги заменяется на силу тяги по сцеплению

Р_р = G ^׳φ_пр,

где G ^׳ – нагрузка от ведущих колес на дорогу.

G ^׳φ_пр = Gf ± Gj ± Gi + Р_ω.

Динамическая характеристика по сцеплению

D_сц = (G ^׳φ_пр - К_вωv²/13)/G = f ± j ± i.

Эта характеристика обычно наносится на график динамических характеристик по силе тяги.

3.4 Торможение автомобиля

Нормальный эксплуатационный режим торможения соответствует неполной блокировке колес, при которой колесо катится по покрытию с небольшим пробуксовыванием. При аварийном торможении происходит блокировка колес, в результате которой колесо, перестав вращаться, скользит по поверхности покрытия юзом, приводя к нагреванию и плавке шины в зоне контакта с покрытием.

Для характеристики замедления автомобиля при торможении с выключенным сцеплением, когда силой, движущей автомобиль, является его инерция, может быть использовано уравнение движения автомобиля в следующем виде:

δ_вр Gj = Р_т + Р_ω ± Р_i + Р_f,

где Р_ω , Р_i , Р_f – сопротивления движению;

Р_т = γ_тG – тормозная сила, γ_т – коэффициент тормозной силы, зависящий от конструктивных особенностей тормозной системы автомобиля и ее состояния, интенсивности торможения и т.д.

δ_вр Gj = γ_тG + Р_ω + Gf ± Gi.

δ_вр j = γ_т + Р_ω/G + f ± i.

Здесь δ_вр j – отрицательное ускорение при торможении, которое характеризует интенсивность замедления автомобиля. При v < 30 км/ч сопротивление воздуха незначительно и поэтому его влиянием можно пренебречь. Это вносит в расчеты ошибку, не превышающую 5%.

Длина пути, на котором водитель может остановить автомобиль – тормозной путь, является важнейшей характеристикой безопасности движения. Исследования длины тормозного пути показывают, что необходимо учитывать и время реакции водителя, которое зависит от стажа работы, усталости, скорости движения и т.д. При расчете тормозного пути оно принимается равным 1 – 2 с.

Путь, проходимый автомобилей за период полного торможения, рассчитывается по формуле равномерно замедленного движения

v = √2aS_т,

где а – абсолютное значение отрицательного ускорения, равное (γ_т + f ± i)g.

Тогда

S_т = v²/[2 g(γ_т + f ± i)].

При расчетах, связанных с определением геометрических характеристик плана и продольного профиля, исходят из наиболее опасного случая – аварийного торможения, принимая γ_т = φ_пр. Из-за неточности регулировки тормозов, неравномерности распределения усилий между колесами не реализуется полная тормозная сила. Это учитывается коэффициентом эффективности торможения К_э. Поэтому расчетное значение тормозного пути

S_т =К_э v²/[2 g(φ_пр + f ± i)].

Для обеспечения большей безопасности движения расчетный тормозной путь (остановочный путь) принято определять по следующей формуле:

S_т =l₁ + l₂ + l₃ = vt_p/3,6 + К_э v²/[254(φ_пр + f ± i)] + l₃.

где l₁ – путь, пройденный автомобилем за период реакции водителя;

l₂ – тормозной путь автомобиля;

l₃ – зазор безопасности, принимается 3 – 5 м.

3.5 Режимы движения автомобиля на спусках

При расчете скорости движения под уклон по графику динамических характеристик сопротивления от уклона входит в уравнение со знаком «–».

(Р_р – Р_ω)/G = f + j – i, где Р_р – тяговое усилие.

На крутых спусках ускорение очень большое и движение становится очень опасным. Водитель на спуске периодически притормаживает не выключая сцепления или переходит на совместное торможение тормозами и двигателем, включая одну из понижающих передач. В результате этого дополнительно появляется сила сопротивления Р_тд, увеличивающая сопротивление движению. Р_тд определяется по эмпирической формуле

Р_тд = 9,5W_д + 0,25Gv/100,

где W_д – рабочий объем двигателя, л.

Равновесная скорость, которая устанавливается при торможении двигателем, определяется на основе уравнения движения автомобиля:

(– Р_тд + Р_ω)/ G = = f – i.

Эффект торможения двигателем проявляется особенно сильно при включении понижающих передач, обуславливающих при той же скорости более быстрое вращение вала двигателя. Тогда в уравнение по определению Р_тд вместо v подставляется vi_к, где i_к – передаточное число включенной передачи, т.е.

Р_тд = 9,5W_д + 0,25Gvi_к/100.

Наблюдения показывают, что на спусках чаще всего используют следующие режимы движения:

• при i ≤ 20^о/_оо – движение с тяговым усилием на ведущих колесах независимо от протяжения спуска;

• i от 30 до 50^о/_оо – движение с выключенным сцеплением на участках длиной 300 – 500 м, торможение двигателем в нижней части спуска для грузовых автомобилей;

• i > 60^о/_оо – торможение двигателем, а при длине спуска < 1000 м – совместное торможение двигателем и колесными тормозами.

3.6 Особенности тяговых расчетов автопоездов

В равных дорожных условиях производительность автопоезда в 1,5 ÷ 2 раза выше, чем у автомобиля.

Уравнение динамического фактора для автопоезда принимает вид:

(Р_р – Р_ωап)/(G_а + G_пр) = f₁ + jδ_ап ± i,

где Р_ωап – сопротивление воздуха движению автопоезда;

G_а – вес автомобиля;

G_пр – вес прицепов;

f₁ – коэффициент сопротивления качению для автопоезда;

δ_ап – коэффициент учета вращающихся масс автопоезда.

Динамический фактор автопоезда меньше из-за увеличения Р_ωап и f₁.

При проверке на обеспеченность сцепления ведущих колес с покрытием при трогании с места при отсутствии сопротивления воздуха уравнение движения имеет вид:

G ^׳φ_пр /( G_а + G_пр) = f₁ + jδ_ап ± i.

Для повышения безопасности движения современные автомобильные прицепы снабжаются тормозами, управляемыми с автомобиля. Уравнение движения автопоезда при торможении

(–Р_тφ_пр –Р_ωап) /( G_а + G_пр) = f₁ + jδ_ап ± i,

где Р_т – нагрузка на тормозные оси.

Тормозной путь автопоезда больше, интенсивность торможения – ниже.

Поэтому, при проектировании автодорог, где предполагается интенсивное движение автопоездов, нецелесообразно применять большие продольные уклоны, желательно до 30 ÷ 40^о/_оо независимо от категории дороги. При невозможности этого на подъемах устраиваются дополнительные полосы проезжей части.

3.7 Определение расхода топлива автомобилем

Расход топлива зависит от дорожных условий и режимов движения. Для оценки расхода топлива служит график экономической характеристики автомобиля, показывающий расход топлива в л на 100 км пробега автомобиля при различных сопротивлениях и скорости движения. Экономические характеристики могут быть получены аналитически или в результате экспериментов.

Расход топлива при движении автомобиля по заданному участку дороги определяется с использованием графиков динамических и экономических характеристик при помощи следующих построений.

1. Определяется протяженность участков l₁, l₂, l₃, … c равными дорожными сопротивлениями ψ₁, ψ₂, ψ₃, …которые автомобиль может пройти на тех или иных передачах.

2. Для этих участков строят графики дорожных сопротивлений: ψ = f + i – для постоянных скоростей и ψ = f + i+ j- для разгона и торможения.

3. По графику динамических характеристик D_v = f(v) определяют соответствующие скорости движения v₁, v₂, v₃,… автомобиля.

4. По скоростям и значениям дорожных сопротивлений ψ, используя построенные под осью скоростей графики экономических характеристик, определяют соответствующие каждому участку расходы топлива Q₁₀₀ в л на 100 км и на проезд каждого участка

q = (Q₁₀₀/100)l.

От скорости автомобиля на отдельных участках зависит также износ шин. За 100% принимают пробег шин на дорогах с ровным твердым усовершенствованным покрытием. На дорогах с менее ровным покрытием (щебеночное, гравийное) пробег шин снижается на 25 – 30 %, а на дорогах с большим количеством выбоин и других деформаций – на 50 %.

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДОРОГИ В ПЛАНЕ

4.1 Рекомендуемые и наименьшие допустимые радиусы кривых в плане

При проектировании автодорог радиусы кривых в плане определяют по приведенной выше формуле:

R ≥ v²/g(μ ± i),

μ – коэффициент поперечной силы;

i – поперечный уклон дороги;

«+» – наименьший радиус;

«–» – рекомендуемый.

Допустимые максимальные значения коэффициента поперечной силы μ в зависимости от поперечного сцепления шины с поверхностью покрытия и исходя из требований устойчивости автомобиля приведем в таблице.

Показатель	Предельно-допустимые значения μ на покрытии
	сухом, φ= 0,6	мокром, φ= 0,4	покрытом льдом, φ= 0,2
Устойчивость против опрокидывания	0,6	0,6	0,6
Устойчивость против заноса	0,36	0,24	0,12
Комфортность поездки	0,15	0,15	0,15
Экономичность эксплуатации автомобиля	0,10	0,10	0,10

Рекомендуемый радиус – это такой радиус кривой, который обеспечивает удобное движение автомобиля по кривой с расчетной скоростью. Рекомендуется назначать радиусы ≥ 3000 м, т.к. условия движения на таких кривых такие же, как на прямых, при этом не устраиваются переходные кривые.

В зависимости от рельефа местности, наличия различных препятствий и т.д. приходится допускать меньшие значения радиусов, при этом соблюдается условие, обеспечивающее движение автомобиля с расчетной скоростью с запасом устойчивости против заноса или опрокидывания.

Практика показывает, что в большинстве случаев занос автомобиля происходит раньше, чем его опрокидывание, поэтому минимальные радиусы определяют, как правило, по условиям заноса.

Наименьший радиус – это такой радиус кривой, при котором обеспечивается безопасное движение с расчетной скоростью при чистом и увлажненном покрытии, с устройством виражей и уширений ПЧ.

Наименьшие допустимые радиусы кривых в плане определяют по расчету в зависимости от скорости движения и минимальных значений коэффициента поперечной силы μ.

4.2 Виды закруглений плана трассы

Закругления на автомобильных дорогах бывают:

• состоящее из круговой кривой;

• состоящее из круговой кривой и переходных кривых;

• клотоидное;

• серпантины.

При радиусах более 3000 м переходные кривые не устраиваются, только круговая кривая. Расчет такого закругления производят в следующей последовательности:

• определяется угол поворота α;

• назначается рекомендуемый радиус R;

• рассчитываются элементы круговой кривой: К; Т; Д; Б;

• определяется пикетажное значение начала круговой кривой (НКК), соответствующее началу закругления (НЗ) и конца круговой кривой (ККК), соответствующее концу закругления (КЗ).

При движении по кривым малого радиуса (R ≤ 2000 м) в целях безопасности движения и плавного нарастания центробежного ускорения устраивают переходную кривую. Переходная кривая представляет собой кривую переменного радиуса (от ∞ до R), по которой происходит плавный поворот передних колес автомобиля, исключающий боковой толчок при въезде на круговую кривую. Длина переходной кривой определяется по формуле

L = v³/(47RJ),

где v – скорость автомобиля;

R – радиус круговой кривой;

J – скорость нарастания центробежного ускорения.

Расчет закругления с переходными кривыми и круговой вставкой выполняют в следующей последовательности: в зависимости от угла поворота α и радиуса круговой кривой R определяют значения К; Т; Д; Б; в зависимости от радиуса круговой кривой R по таблицам

устанавливаются элементы переходной кривой:

- длина L;

- угол поворота α_min = 2β;

- сдвижка начала круговой кривой t;

-сдвижка круговой кривой р;

• проверяется возможность устройства переходной кривой, α ≥ α_min;

• определяется центральный угол γ и длина сокращенной кривой К₀

γ = α – 2β;

К₀ =πRγ/180;

• рассчитываются элементы закругления:

Т₁ = Т + t; К₁ = К₀ + 2L;

Б₁ = Б + р; Д₁ = 2Т₁ – К₁;

• определяется пикетажное положение основных точек закругления:

НЗ = ВУ – Т₁; НКК = НЗ + L;

КЗ = НЗ + К₁; ККК = КЗ – L.

В настоящее время при проектировании автодорог широко применяется клотоидное закругление - это закругление, состоящее из двух переходных кривых. Расчет клотоидного закругления выполняется с использованием специальных таблиц для проектирования и разбивки клотоидной трассы. Переходные кривые по клотоиде характеризуются: углом поворота трассы α, углом клотоиды β, длиной клотоиды L, тангенсом клотоиды Т, радиусом R, параметром клотоиды А = √(RL).

При трассировании дорог в горной местности широко применяется закругление в виде серпантины. Серпантина – это кривая, описанная с внешней стороны угла поворота между двумя ее направлениями, сходящимися под острым углом.

Основные элементы серпантины: основная кривая с углом γ и радиусом R; вспомогательные кривые с углом β и радиусом r; прямая вставка – m; шейка серпантины - АВ

Серпантины могут быть I рода – симметричные, у которых обратные кривые расположены выпуклостью в разные стороны (см. рисунок) и IIрода – со смещенным центром основной кривой и обратными кривыми , описанными дугами разных радиусов.

Проектирование серпантины заключается в расчете ее элементов и проверке размещения ее на местности.

4.3 Виражи и уширения проезжей части

Вираж – это односкатный поперечный профиль с уклоном проезжей части и обочин к центру кривой. Виражи устраивают на всех кривых с радиусами , меньшими 3000 м на дорогах I категории и 2000 м – на остальных.

Основными элементами виража являются:

• поперечный уклон виража i_в;

• длина отгона виража L_отг – участок, на котором происходит переход от двухскатного профиля к односкатному;

• протяжение односкатного профиля на круговой кривой.

Поперечный уклон проезжей части на виражах

i_в = v/gR – μ,

где μ – коэффициент поперечной силы из условия устойчивости автомобиля против за носа.

Минимальный уклон виража составляет:

• 20 – 30^о/_оо – для кривых с R = 1000 – 3000 м;

• 30 – 40^о/_оо – для кривых с R = 700 – 1000 м;

• 40 – 50^о/_оо – для кривых с R = 600 – 700 м;

• 40^о/_оо – для районов с гололедом;

• 100^о/_оо – для районов, где нет зимы.

Отгон виража устраивается на переходной кривой, если такой нет, то на прямом участке перед круговой кривой.

Переход от двухскатного профиля к односкатному может осуществляться двумя способами:

• поворотом поперечного профиля около оси проезжей части (а);

• поворотом поперечного профиля около внутренней бровки проезжей части (б).

Чтобы условия движения по кривой были аналогичны условиям движения на прямых участках, проезжую часть на кривых малых радиусов необходимо уширять на величину Δ, которая приводится в зависимости от радиуса круговой кривой в ТКП.

4.4 Видимость дороги в плане. Обеспечение видимости в кривых

На прямом горизонтальном участке дороги водитель видит перед собой дорогу на большом расстоянии. На кривых и у переломов продольного профиля видимый участок дороги значительно уменьшается. В таких местах при проектировании должна быть обеспечена расчетная видимость – расстояние перед автомобилем, на котором водитель должен видеть перед собой дорогу, чтобы, заметив препятствие, осознать его опасность и успеть объехать или затормозить и остановиться. В теории проектирования схемы видимости делятся на две основные группы:

• схемы, предусматривающие остановку автомобиля перед препятствием или встречным автомобилем;

• схемы, исходящие из возможности объезда автомобилем препятствия или обгона попутного автомобиля с выездом на полосу встречного движения.

По первой группе схем расчетное расстояние видимости определяется по формуле

S_р = vt_p/3,6 + K_э v²/[254(φ_пр ± i + f)] + l_о, или

S_р = 2{vt_p/3,6 + K_э v²/[254(φ_пр ± i + f)]} + l_о,

где v – скорость движения;

t_p – время реакции водителя (1 – 2 с);

K_э – коэффициент эффективности срабатывания тормозов.

По второй группе схем расчетное расстояние видимости определяется в соответствии со следующим рисунком.

В соответствии с рисунком расчетное расстояние видимости определяется по формуле

S_р = L₁ + L₂ + L₃,

где L₁ – расстояние, которое пройдет обгоняющий автомобиль с момента начала обгона до момента, когда он выедет на полосу встречного движения и поравняется с обгоняемым автомобилем;

L₂ – расстояние, которое пройдет обгоняющий автомобиль после обгона до момента возвращения на свою полосу движения;

L₃ – расстояние, которое пройдет автомобиль по встречной полосе движения за период обгона.

Расчетное расстояние видимости приведено в ТКП в зависимости от расчетной скорости.

Видимость на кривых в плане проверяют для автомобиля, следующего по крайней полосе движения.. Принимается, что глаз водителя расположен посередине полосы движения и на высоте 1,2 м над поверхностью проезжей части. На практике для построения границ срезки препятствий в зоне видимости чаще всего применяют графический метод.

5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДОРОГИ В ПРОДОЛЬНОМ ПРОФИЛЕ

5.1 Нормирование продольных уклонов

Величина продольного уклона влияет на стоимость строительства дороги и на эксплуатационные показатели автомобильного транспорта, такие как скорость движения, расход топлива и использование грузоподъемности автомобилей. Приведем график зависимости строительной стоимости и эксплуатационных расходов от величины уклона.

Строительные затраты; Текущие затраты за срок окупаемости; Приведенные затраты.

Оптимальное значение продольного уклона соответствует минимуму приведенных затрат.

В ТКП установлены следующие максимально-допустимые продольные уклоны при разных расчетных скоростях.

Увеличение продольных уклонов оправдывается лишь в горной местности на участках с особо крутыми склонами, где скорости по всей дороге невелики.

5.2 Вертикальные кривые

Для обеспечения видимости на автодорогах и плавности движения в переломы продольного профиля вписываются вертикальные кривые. Вертикальные кривые на автодорогах описывают по квадратной параболе с уравнением

,

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 автодорогах абсциссу х можно принимать без сколько-нибудь ощутимых погрешностей, равной длине участка кривой l.

Минимальный радиус выпуклой вертикальной кривой назначается из обеспечения видимости на автодорогах.

Пусть h₁ – возвышение глаза водителя над поверхностью дороги;

h₂ – возвышение препятствия, видимость которого должна быть обеспечена;

S_р – расчетное расстояние видимости по первой группе схем.

S_р = l₁ +l₂; ;;;;

;

.

Для случая встречи двух однотипных автомобилей (h₁ = h₂ ) –

.

При расчете на видимость поверхности дороги (h₂ =0)

.

Вогнутые вертикальные кривые неудобны для движения в ночное время, так как свет фар освещает поверхность покрытия на расстоянии, меньшем расчетной видимости. Поэтому минимальный радиус вогнутых кривых назначается из условия обеспечения видимости в ночное время.

При угле распространения пучка лучей фар в вертикальной плоскости α верхняя граница освещенного участка проезжей части возвышается над началом координат на высоту

H = h_ф + S sinα/2,

где h_ф – возвышение центра фары над поверхностью дороги;

S – расчетное расстояние видимости.

; H = h_ф + S_р sinα/2; тогда h_ф + S_р sinα/2 = , откуда

.

В ТКП приводятся рекомендуемые значения этих радиусов.

5.3 Проектирование продольного профиля

5.3.1 Нанесение проектной линии

Проектирование продольного профиля – это установление положения поверхности дороги в отношении поверхности земли. При проектировании должны соблюдаться следующие требования:

• Отвод воды от земляного полотна;

• Отсутствие пилообразности проектной линии:

• Прохождение дороги через контрольные точки.

Возможны два метода нанесения проектной линии: обертывающая и секущая проектировки. По обертывающей проектировке проектная линия по возможности параллельна поверхности земли, при этом необходимо обеспечить нормальный водно-тепловой режим земляного полотна (рисунок а). В условиях холмистого, сильно пересеченного рельефа более

рациональна проектная линия, нанесенная как секущая со срезкой холмов выемками и использованием грунта из них для отсыпки насыпей в пониженных местах (рисунок б).

Нанесение проектной линии на продольном профиле трассы начинают с обозначения контрольных высотных точек и установления необходимых возвышений низа дорожной одежды на разных участках в зависимости от грунтовых и гидрологических условий.

5.3.2 Назначение отметок контрольных точек

Контрольными высотными точками продольного профиля являются пересечения с железными и автомобильными дорогами, а также водотоками.

При пересечении дорог в разных уровнях контрольная отметка проектной линии Н_р

Н_р = Н_п ± Г ± С,

где Н_п – отметка проезжей части по оси пересекаемой дороги или головки рельса желез ной дороги;

Г – автомобильный или железнодорожный габарит;

С – высота пролетного строения путепровода.

Знак "+" в формуле принимается в случае, если проектируемая дорога проходит над существующей дорогой, а знак "–" – под существующей.

При пересечении железных или автомобильных дорог в одном уровне отметка проектной линии равна отметке проезжей части по оси пересекаемой автодороги или отметке головки рельса железной дороги.

При пересечении водотоков контрольная отметка определяется следующим образом:

• при устройстве мостов через реки –

Н_р = РУВВ + Z + C,

где РУВВ – расчетный уровень высокой воды;

Z – расстояние от низа пролетного строения до РУВВ (для несудоходных рек должно обеспечивать пропуск плывущих предметов, для судоходных – судов);

C – высота пролетного строения моста.

• при устройстве труб –

Н_р = Н_з + d + δ + 0,5,

где Н_з – отметка поверхности земля в месте размещения трубы;

d – отверстие трубы в свету;

δ – толщина стенки трубы;

0,5 – толщина засыпки над трубой.

5.3.3 Определение рекомендуемых рабочих отметок насыпей

Рекомендуемую рабочую отметку насыпи h_р устанавливают из двух условий:

1) по обеспечению снегонезаносимости дороги на открытых участках местности I типа по увлажнению;

2) по обеспечению нормального водно-теплового режима земляного полотна на участках II и III типов местности по увлажнению.

По первому условию

где h_с – толщина снежного покрова, принимаемая по заданию, м;

–минимальное возвышение бровки земляного полотна над уровнем cнегового покрова, принимается 0,5–1,2 м .

По второму условию рабочая отметка насыпи:

а) для участка с необеспеченным стоком при отсутствии грунтовых вод (I и II типы местности)

hр = h1 + hдо – сio,

где h₁ – допустимое минимальное возвышение низа дорожной одежды над поверхно стью земли на местности I и II типов;

h_до – толщина дорожной одежды, ориентировочно можно принять для дорог II категории – 85 см, III категории – 75 см, IV категории – 55 см;

с – ширина обочины, м ;

i_о – уклон обочины;

б) для участков с наличием грунтовых вод (III тип местности)

hр = h2 + hдо – сio – hгв,

где h₂ – допустимое минимальное возвышение низа дорожной одежды над уровнем грунтовых вод (УГВ) на местности III типа увлажнения;

h _гв – глубина залегания грунтовых вод от поверхности земли, м.

Типы местности по характеру и степени увлажнения приведены в следующей таблице.

В расчет принимается наибольшая из двух условий рекомендуемая рабочая отметка.

Т а б л и ц а – Типы местности по характеру и степени увлажнения

Тип местности	Источники увлажнения	Характерные признаки
I (сухие места)	Атмосферные осадки	Поверхностный сток обеспечен. Подземные воды не оказывают влияния на увлажнение грунтов. Почвы без признаков заболачивания
II (сырые места)	Кратковременно стоящие (до 30 сут) поверхностные воды; атмосферные осадки	Поверхностный сток не обеспечен. Рельеф местности равнинный. Весной и осенью возможен застой воды на поверхности почвы. Подземные воды не оказывают влияния на увлажнение грунтов. Почвы с признаками заболачивания
III (мокрые места)	Грунтовые или длительно стоящие (более 30 сут) поверхностные воды; атмосферные осадки	Источники увлажнения оказывают влияние на увлажнение почвы и грунтов независимо от условий поверхностного стока. Почвы заболоченные

5.3.4 Примеры проектирования вертикальных кривых

В переломы продольного профиля для обеспечения видимости, улучшения плавности и удобства движения вписывают вертикальные кривые. Вертикальные кривые устраиваются при алгебраической разности сопрягаемых уклонов более 2 ‰ на дорогах I, II категорий, более 5 ‰ – на дорогах III, IV и V категорий с дорожными одеждами усовершенствованного типа и более 20 ‰ – на дорогах IV и V категорий с дорожными одеждами переходного и низшего типов.

Алгебраическая разность сопрягаемых уклонов определяется в соответствии со следующим рисунком, при этом уклоны на подъемах считают со знаком "+", а на спусках – со знаком "–".

Вертикальные кривые можно вписывать по шаблонам. Расчет вертикальных кривых можно производить с помощью таблиц Н.М. Антонова или по следующим формулам:

а) выпуклая

l1 = Rвi1; l2 = Rвi2; Т = К/2; ПК НК = ПК ВУ – Т ; ПК КК = ПК ВУ + Т; ПК ВК (О) = ПК НК + l1; h1 = l1/2Rв; h2 = l2/2Rв; Нвк(О) = Ннк + h1; Нвк(О) = Нкк + h2.

На профильных схемах выпуклая вертикальная кривая изображается следующим образом:

б) вогнутая

Формулы те же, за исключением: Нвк(О) = Ннк – h1; Нвк(О) = Нкк – h2. На профильных схемах:

в) полная выпуклая восходящая

l1 = Rвi1; l2 = 0; Т = К/2; ПК НК = ПК ВУ – Т ; ПК КК = ПК ВУ + Т; ПК ВК (О) = ПК НК + l1; h1 = l1/2Rв; h2 = 0; Нвк(О) = Ннк + h1; Нвк(О) = Нкк.

На профильных схемах эта вертикальная кривая изображается следующим образом:

г) полная выпуклая нисходящая

l1 = 0; l2 = Rвi2; Т = К/2; ПК НК = ПК ВУ – Т ; ПК КК = ПК ВУ + Т; ПК ВК (О) = ПК НК; h1 = 0; h2 = l2/2Rв; Нвк(О) = Ннк; Нвк(О) = Нкк + h2.

На профильных схемах эта вертикальная кривая изображается следующим образом:

д) неполная выпуклая восходящая полуветвь

l1 = Rвi1; l2 = Rвi2; Т = К/2; ПК НК = ПК ВУ – Т ; ПК КК = ПК ВУ + Т; ПК ВК (О) = ПК НК + l1; h1 = l1/2Rв; h2 = l2/2Rв; Нвк(О) = Ннк + h1; Нвк(О) = Нкк + h2.

На профильных схемах эта вертикальная кривая изображается следующим образом:

е) неполная вогнутая полуветвь нисходящая

l1 = Rвi1; l2 = Rвi2; Т = К/2; ПК НК = ПК ВУ – Т ; ПК КК = ПК ВУ + Т; ПК ВК (О) = ПК НК + l1; h1 = l1/2Rв; h2 = l2/2Rв; Нвк(О) = Ннк – h1; Нвк(О) = Нкк – h2.

На профильных схемах эта вертикальная кривая изображается следующим образом:

ж) неполная вогнутая полуветвь восходящая

l1 = Rвi1; l2 = Rвi2; Т = К/2; ПК НК = ПК ВУ – Т ; ПК КК = ПК ВУ + Т; ПК ВК (О) = ПК НК – l1; h1 = l1/2Rв; h2 = l2/2Rв; Нвк(О) = Ннк – h1; Нвк(О) = Нкк – h2.

На профильных схемах эта вертикальная кривая изображается следующим образом:

5.4 Определение объемов земляных работ

Для составления проекта организации строительства, выбора типов дорожных машин и оценки стоимости строительства определяются объемы земляных работ.

Короткий участок насыпи между двумя смежными переломами продольного профиля при отсутствии поперечного уклона местности можно рассматривать как правильное геометрическое тело – призматоид с трапецеидальными основаниями.

Объем элементарного слоя

dV = F dl= (B + mh)hdl, (1)

где B – ширина земляного полотна поверху;

m – коэффициент заложения откосов.

Полный объем призматоида

, (2)

Высота насыпи в рассматриваемом сечении

, (3)

где L – длина призматоида.

Интегрирование с учетом того, что площади концевых сечений составляют:

F₁ = (B + mH₁)H₁ и F₂ = (B + mH₂)H₂

дает выражение

(4)

Если обозначить площадь сечения в середине призматоида через F_ср = (B + mH_ср)H_ср, где H_ср = (H₁+ H₂)/2, то выражение приводится к виду

(5)

При разности отметок H₁ и H₂ менее 1 м можно использовать упрощенные выражения:

; или . (6)

Первое (5) из них дает несколько завышенное, а второе (6) – заниженное значение объемов земляных работ. Эти уравнения одинаково пригодны для определения объемов насыпей и выемок.

Однако при равных рабочих отметках и равной ширине проезжих частей и обочин объемы выемок больше объемов насыпей за счет дополнительного объема, связанного с наличием боковых канав.

Рассмотренные формулы относятся к прямым участкам дороги в плане и профиле. При современных методах трассирования дорог клотоидными кривыми в продольном профиле ось дороги является криволинейной. Кривизна в продольном профиле требует учета, поэтому в местах, где кривизна может вносить существенные искажения в результаты расчетов, целесообразно принимать длины участков, не превышающие 50 м.

6 ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА ДОРОГ

6.1 Прочность и деформация дорожной одежды

Прочность дорожной одежды является наиболее важным показателем транспортно-эксплуатационного состояния дороги, который необходимо оценивать в течение всего срока ее службы.

Прочностные качества дорожной одежды определяются прежде всего сопротивляемостью сжатию подстилающего грунта.

Возможны три случая деформации дорожного покрытия в зависимости от прикладываемой нагрузки:

1. При небольшой нагрузке, когда слои дорожной одежды и земляного полотна хорошо уплотнены, дорожная одежда не разрушается и происходят только упругие деформации.

2. При возрастании нагрузки или временном снижении прочности грунтов основания возникают постепенно накапливающиеся малые деформации. В случае, если их суммарные значение превосходит допустимое, то дорожная одежда разрушается.

3. При очень больших нагрузках или при значительном ослаблении прочности грунта деформации быстро возрастают, в результате чего происходит быстрое и полное разрушение дорожной одежды.

Виды деформаций и разрушений дорожной одежды

1 – чаша прогиба; Зона сжатия дорожной одежды; 3 – зона растяжения; 4 – поверхность среза дорожной одежды; 5 – площадь передачи давления на грунт;

6 – уплотнение грунта в основании д. о.; 7 – направление сжатия грунта; 8 – направление выпирания грунта; 9 – трещины в дорожной одежде; 10 – деформация дорожной одежды.

Под действием нагрузки происходит сжатие и доуплотнение дорожной одежды, а в нижней части – растяжение.

При превышении допустимой нагрузки образуются трещины (9). По периметру зоны контакта шины колеса с покрытием действуют срезывающие напряжения (4), которые могут приводить к пролому дорожной одежды или выкалыванию ее части.

Предельно-допустимые прогибы дорожной одежды

Интенсивность, авт/сутки	Прогиб дорожного покрытия, мм
	капитальные	облегченные	переходные
100 200 500 1000 2000 5000 10000	1,15 1,03 0,92 0,85 0,78 0,73 0,69	1,45 1,27 1,1 - - - -	1,85 1,68 - - - - -

При эксплуатации автодорог деформации протекают скрытно и выявляются не сразу, поэтому необходимо производить профилактический осмотр прочности д.о. для своевременного устранения деформаций и их предупреждения.

Прочность дорожных одежд характеризуется модулем длительной упругости:

Е_у = рD/l_у,

где р – давление колеса на дорожное покрытие;

D – диаметр окружности деформации (диаметр площади круга равновеликого площади контакта с покрытием);

l_у – прогиб дорожного покрытия.

Произведение рD – величина постоянная, поэтому для оценки прочности дорожной одежды достаточно точно определить прогиб l_у.

Наиболее простой способ определения l_у – это прибор прогибометр. Кроме этого, применяется установка динамического нагружения. Работа прибора основана на сбрасывании груза с заданной высоты с одновременным измерением деформации. Для постоянного наблюдения используются автомобили – лаборатории.

По значению прогиба, полученного этими лабораториями, определяют фактический модуль упругости.

Для оценки прочности нежестких дорожных одежд используют следующие показатели:

• максимальный прогиб – l_у;

• радиус кривизны покрытия r и произведение r l_у.

Прочность жестких дорожных одежд оценивают:

• максимальным динамическим прогибом l_у под воздействием падающего груза;

• максимальным радиусом кривизны r под воздействием динамической нагрузки;

• максимальным напряжением σ в бетонной плите

σ = (hE/2r)(1 – μ),

где h – толщина плиты;

E – модуль упругости;

r – радиус кривизны;

μ – коэффициент Пуассона

• жесткостью дорожной одежды S

S = F/l_у,

где F – максимальная ударная сила.

Основной сравнительной характеристикой является статистическая оценка жесткости дорожной одежды.

6.2 Виды деформаций покрытия и разрушений дорожной одежды

При проектировании и строительстве дорог все расчеты выполняются для средних условий, поэтому возможны отклонения различного рода, приводящие к потерн прочности дорожной одежды, деформациям и разрушениям.

Разрушения могут быть вызваны:

• низким качеством выполнения работ;

• гидро- и геологическими условиями;

• применением материалов низкого качества.

Основными видами деформаций и разрушений дорожной одежды являются:

1. деформации и разрушения, вызванные пучинами в осенне-весенний период;

2. потери прочности дорожной одежды, вызванные непрерывным воздействием колес автомобилей и природно-климатическими факторами;

3. просадкой дорожных одежд в виде впадин;

4. сквозные трещины;

5. проломы.

Покрытие является самой верхней частью дорожной одежды, на которую непосредственно действуют колеса автомобилей и природно-климатические факторы. Основными видами разрушений дорожного покрытия являются:

1. износ, стирание толщины покрытия;

2. шелушение;

3. выкрашивание;

4. обламывание кромок;

5. волны;

6. гребенка (под действием тяжелых автомобилей) – частое повторение выступов и впадин;

7. сдвиги – верхнее покрытие сдвигается по отношению к нижнему;

8. вмятины, трещины, выбоины;

9. повреждение кромок швов.

6.3 Влияние состояния дорожного покрытия и погодно-климатических факторов на транспортные качества дорог

6.3.1 Надежность и проезжаемость дорог

Важным обобщающим показателем транспортно-эксплуатационного качества дороги является ее надежность. Надежность – это вероятность обеспечения среднегодовой технической скорости транспортного потока, близкой к оптимальной в течение нормативного срока.

Количественно надежность выражается числом автомобилей в потоке, движущихся со скоростью не ниже оптимальной, отнесенных к общему числу автомобилей.

Надежность автодорог включает надежность всех ее отдельных элементов. В настоящее время наиболее детально разработаны вопросы надежности для дорожной одежды. Основой этого является учет случайных изменений прочностного состояния дорожной одежды.

На рисунке показан пример изменения усиленной дорожной одежды в зависимости от срока эксплуатации. На графике видно резкое уменьшение надежности дороги после 11 -12 лет. Уменьшение надежности начинается после расчетного срока службы tр. Кривая, приведенная на рисунке, получена расчетом

Р = 1 – r_i,

где Р – надежность дорожной одежды по прочности;

r_i – степень деформации дорожной одежды.

Надежность тесно связана с понятием отказа. Отказ – это потеря работоспособности или выход из строя элемента какой-либо системы. Для автодорог отказ – это снижение прочности за период менее предусмотренного расчетом.

В общем случае отказ дорожной одежды – это событие, при котором нарушается возможность транспортного потока выполнять определенную удельную работу (т∙км/ч; т∙км/сутки).

Отказ дорожной одежды может возникнуть при снижении прочности, ровности и сцепных качеств покрытия. В момент необходимости капитального ремонта дорожное покрытие достигает своих предельных технических характеристик, т.е. возникает отказ. Возникающие на дороге отказы устраняются ремонтами или реконструкцией.

Более узким понятием является проезжаемость дороги. Проезжаемость – это возможность проезда одиночных автомобилей различных типов с минимально-допустимой скоростью в различные периоды года.

Условия проезда существенно меняются в течение года.

Дороги I категории обеспечивают практически одинаковые условия движения в любое время года. Ограничение может быть только для специальных сверхтяжелых транспортных средств.

Дороги более низких категорий имеют ограниченную проезжаемость для разных типов автомобилей. На таких дорогах проезжаемость может быть ограничена следующими причинами:

• наличие крутых подъемов;

• наличие кривых малых радиусов в плане;

• проезд транспортных средств, имеющих большие габариты по высоте;

• временное затопление в весенний период, заносы зимой;

• появление пучин.

В общем случае на проезжаемость дорог всех категорий оказывают влияние следующие факторы:

1. состояние и прочность дорожной одежды;

2. состояние проезжей части;

3. погодно-климатические условия.

Опыт эксплуатации дорог с незначительной интенсивностью показывает, что с экономической точки зрения имеет смысл закрывать движение на отдельных дорогах низких категорий в неблагоприятные периоды.

Сведения о проезжаемости дорог необходимы для планирования маршрутов грузовых и пассажирских перевозок. Учет показателей надежности и проезжаемости дорог позволяет дать полную характеристику транспортно-эксплуатационного состояния дороги.

6.3.2 Ровность дороги

Ровность дороги является одним из основных показателей, характеризующих удобство движения и обеспечивающих решающее влияние на скорость и транспортную работу в целом. Плохое состояние покрытия значительно ухудшает условия движения. Это объясняется следующими причинами:

• возникает вибрация для автомобиля и водителя;

• усложняется работа водителя.

Так как ухудшение ровности приводит к повышенной аварийности, то ровность покрытия необходимо контролировать. Существует три группы приборов для измерения ровности:

• упрощенные – рейки различной конструкции;

• профилографы – приборы, измеряющие продольный профиль дорожных покрытий;

• толчкомеры – приборы, основанные на оценке динамического воздействия дороги на автомобиль.

Ровность при строительстве измеряют рейкой, l = 3 м. Максимальный просвет под рейкой допускается не более 5 мм. Наиболее распространен и чаще применяется толчкомер.

Ровность оказывает большое влияние на скорость движения. По данным исследований по мере ухудшения ровности происходит снижение скорости.

Зависимость между скоростью и ровностью описывается следующими уравнениями: vл = 70,0 – 0,016S; vгр = 55,0 – 0,023S, где S – показания толчкомера, см/км, в интервале 5 < S < 8000.

Влияние ровности на аварийность полностью не изучено, однако анализ данных о происшествиях показывает, что с ухудшением ровности растет число ДТП.

Основными причинами происшествий являются: столкновение автомобилей при резком торможении; столкновение автомобилей при заезде на полосу встречного движения при объезде неровностей;

• ослепление водителей отраженным светом фар от поверхности воды, заполняющей неровности.

Разработаны рекомендации, позволяющие по показаниям толчкомера оценить состояние дорожного покрытия дорог I – III категории.

Покрытия	Показания толчкомера, см/км для дорог категорий		Состояние дороги
	I – II	III
а/б а/б а/б а/б ц/б ц/б ц/б ц/б	< 50 50 – 100 100 – 200 > 200 < 50 50 – 100 100 – 200 > 200	< 50 50 – 150 150 – 300 > 300 < 75 75 – 200 200 – 300 > 300	отличное хорошее удовлетворительное неудовлетворительное отличное хорошее удовлетворительное неудовлетворительное

Поддержание ровности дорожного покрытия позволяет существенно снизить расходы на ремонт автомобилей и дорожной одежды.

С другой стороны, при очень высокой ровности покрытия водители склонны к превышению безопасных скоростей. Поэтому в настоящее время наряду с решением проблемы по повышению ровности разрабатываются мероприятия по предупреждению водителей о превышении безопасной скорости. Одним из таких мероприятий является устройство шумовых и трясущих полос.

Создание хорошей ровности тесно связано с обустройством дороги, обеспечивающим оптимальную эмоциональную напряженность водителя.

6.3.3 Скользкость и шероховатость покрытий

Скользкость дорожного покрытия является важнейшей характеристикой состояния автодорог. Критерием скользкости покрытия является коэффициент сцепления. От низкого значения коэффициента сцепления в осенне-весенний период происходит до 70% всех аварий, а в летний – 30%.

Коэффициент сцепления измеряют портативными приборами или динамометрическими тележками. Существенное влияние на коэффициент сцепления оказывают:

• скорость движения;

• рисунок протектора;

• давление в шинах;

• нагрузка на колесо;

• режим торможения;

• тип покрытия, его состояние, температура и шероховатость.

Зависимость коэффициента сцепления от шероховатости выглядит следующим образом.

Шероховатость покрытия определяется высотой и формой элементов микропрофиля поверхности дороги, расстоянием между вершинами выступов и их остротой. Для оценки шероховатости разработаны специальные приборы. Высота выступов шероховатой поверхности должна быть

достаточной для выжимания воды из зоны контакта шины с покрытием.

В 1972 г. Впервые были нормированы при сдаче дороги в эксплуатацию минимально-допустимые значения коэффициента продольного сцепления при условиях: v = 60км/ч, толщина пленки воды – 1 мм, нагрузка на колесо – 3000Н.

Условия движения	Характеристика участка дороги	φ
легкие	прямые и кривые с R>1000 м, i < 30о/оо с элементами поперечного профиля в соответствии с категорией дороги при коэффициенте загрузке < 0,3	0,45
затруднительные	кривые с R от 250 до 1000 м, i до 60о/оо , коэффициент загрузки от 0,3 до 0,5	0,45 ÷ 0,5
опасные	Видимость менее расчетной, уклоны больше расчетных, пересечения и примыкания в одном уровне, коэффициент загрузки > 0,5	0,6

6.3.4 Погодно-климатические факторы и транспортные качества дорог

Транспортно-эксплуатационные качества дорог резко изменяются по сезонам года.

Зимний период: снежные заносы, гололед, туман, низкая температура, короткая продолжительность дня. Весенний и осенний периоды: резкие колебания температур, переходы от дождливой к сухой погоде.

В равнинной местности наиболее неблагоприятны весенний и осенний периоды.

Для расчета скоростей движения в условиях различной видимости рекомендована следующая зависимость:

,

где v₀ – скорость потока при видимости 50 м ( ≈ 14 км/ч);

S – метеорологическая видимость;

а, b – коэффициенты для определения средней скорости.

Существенно меняется в различные сезоны года количество и тяжесть ДТП. На дорогах РБ наблюдается закономерность распределения числа ДТП: меньше всего – зимой; максимальное количество – в конце лета и осенью.

Все эти закономерности необходимо учитывать при разработке мероприятий по повышению транспортно-эксплуатационных качеств дороги.

6.4 Влияние элементов дорог и средств регулирования на режимы движения

автомобилей

6.4.1 Качественное состояние потока автомобилей

С изменением интенсивности движения резко меняется качественное состояние транспортного потока и условия труда водителей. Для характеристики состояния потока используют следующие показатели:

• коэффициент загрузки движения – z;

• коэффициент скорости движения – с;

• коэффициент насыщения движения – ρ;

• уровень удобства движения.

Коэффициент загрузки движения

z = N/P,

где N – интенсивность движения;

P – пропускная способность участка.

Коэффициент загрузки может принимать любые значения от 0 до 1,0.

Коэффициент скорости движения

с= v_z/v_ж,

где v_z – скорость при каком-либо удобстве;

v_ж – желаемая скорость.

Желаемая скорость зависит от расстояния поездки, состояния и квалификации водителя, состояния дорожного покрытия и от геометрического состояния дороги.

Коэффициент насыщения движения

ρ = q_z/q_max,

где q_z – плотность потока при каком-либо уровне удобства,

q_max – максимальная плотность.

Уровень удобства движения

Уровень удобства движения – это определенное качественное состояние потока автомобилей, при котором устанавливаются характерные условия труда водителей, условие комфортабельности, а также аварийности.

Каждый уровень удобства движения характеризуется значением коэффициентов загрузки, скорости и насыщения движения.

Анализ транспортных потоков показал существование 6-и характерных состояний, т.е. 6 уровней удобства движения: А, Б, В, Г, Д и Е.

Уровень удобства А

коэффициент загрузки z ≤ 0,2;

коэффициент скорости с ≥ 0,9;

коэффициент насыщения ρ < 0,1.

Обгоны практически отсутствуют, автомобили практически не взаимодействуют между собой, водитель может выдерживать желаемую скорость, поездка комфортабельна. Поток при уровне А называется свободным.

Уровень удобства Б

коэффициент загрузки z = 0,2 ÷ 0,5;

коэффициент скорости с = 0,7 ÷ 0,9;

коэффициент насыщения ρ = 0,1 ÷ 0,3.

В потоке непрерывно возрастает число быстро движущихся автомобилей, возрастает число обгонов, наблюдается резкое падение скоростей, снижается комфортность поездки. Такой поток называется устойчивым или частично-связанным.

Уровень удобства В

коэффициент загрузки z = 0,5 ÷ 0,7;

коэффициент скорости с = 0,55 ÷ 0,7;

коэффициент насыщения ρ = 0,3 ÷ 0,7.

Характерным является дальнейшее снижение скорости, увеличивается эмоциональная напряженность водителя. Поток состоит из отдельных больших групп. Такой поток называется неустойчивым или связанным.

Уровень удобства Г

коэффициент загрузки z = 0,7 ÷ 0,9;

коэффициент скорости с = 0,4 ÷ 0,55;

коэффициент насыщения ρ = 0,7 ÷ 0,9.

Движение происходит колонной с интервалами внутри ее. Такой поток называется частично насыщенным.

Уровень удобства Д

коэффициент загрузки z = 0,9 ÷ 1;

коэффициент скорости с = 0,2 ÷ 0,4;

коэффициент насыщения ρ = 0,9 ÷ 1.

Движение происходит непрерывной колонной.

Уровень удобства Е

коэффициент загрузки z > 1;

коэффициент скорости с < 0,2;

коэффициент насыщения ρ > 1.

Движение происходит колонной с остановками вследствие состояния потока, близкому к затору. Скорости всех автомобилей близки между собой. Водители и пассажиры испытывают крайние неудобства. Поток при уровнях удобства Д и Е называется насыщенным.

Существенное влияние загрузка дорог оказывает на потери времени в пути. Кроме того исследования показали, что степень загрузки движения оказывает влияние и на расход топлива. Наименьший расход при z = 0,5 ÷ 0,6.

6.4.2 Режим движения потоков автомобилей на горизонтальных участках дорог

На горизонтальных участках дорог основное влияние на режим движения оказывает интенсивность, состав и плотность движения.

С целью установления закономерности снижения скорости при увеличении интенсивности строится следующий график.

1 – ветвь для теоретической кривой для потока высокой плотности; 2 – экспериментальная кривая. Точки перегиба кривой 2 соответствуют границам различного состояния потока автомобилей.

Путем обработки данных наблюдений методом наименьших квадратов с достаточной точностью для практических расчетов кривая «скорость-интенсивность» может быть приближена к прямой линии, удовлетворяющей зависимости

v = v₀ – αN (при 50 < N < 600 авт/ч),

где v₀ – скорость одиночных автомобилей при отсутствии помех со стороны других транспортных средств, зависящий от динамических качеств автомобиля;

α – коэффициент, учитывающий влияние легковых автомобилей на скорость движения потока;

N – интенсивность движения.

Скорости легковых автомобилей v_л снижаются с ростом интенсивности быстрее, чем скорости грузовых v_гр:

v _л = 78,0 – 0,0385N;

v _гр = 54,2 – 0,0122N.

Более интенсивное снижение скоростей легковых автомобилей связано с большим различием в динамических качествах легковых и грузовых автомобилей. Снижение скоростей грузовых автомобилей в основном объясняется влиянием медленно движущихся автомобилей и невозможностью их обгона. При интенсивности движения в двух направлениях более 700 авт/ч разница в скоростях легковых и грузовых автомобилей составляет менее 10 км/ч.

Наблюдения показали, что с увеличением интенсивности движения скорости движущихся друг за другом автомобилей сближаются.

При свободных условиях движения разница в скоростях составляет 20 – 15 км/ч, уменьшаясь до 5 км/ч при интенсивности 900 авт/ч в обоих направлениях.

На основе анализа зависимостей «скорость – интенсивность» получены графики изменения коэффициентов, учитывающих влияние легковых автомобилей на скорость движения потока (α), и скоростей свободного движения при различном составе транспортного потока.

1 – зависимость α от р; 2 – зависимость v0 от р; р – доля легковых автомобилей в потоке. С помощью этих графиков, зная долю легковых автомобилей в потоке, можно определить коэффициент при интенсивности и значение скорости свободного движения,

т.е. можно количественно оценить снижение скорости движения с изменением состава потока.

Большое влияние на скорость движения оказывает плотность. Так, для двухполосных дорог зависимость скорости от плотности описывается следующим уравнением:

где v₀ – скорость движения в свободных условиях, км/ч;

q и q_max – средняя и максимальная плотности потока, авт/км;

β, γ – параметры, зависящие от дорожных условий, например, для участков дорог, расположенных в пределах малых населенных пунктов протяжением 2 км,

β = 1,75; γ = 5.

Зависимость «скорость – плотность» имеет преимущества по сравнению с зависимостью «скорость – интенсивность». Она справедлива для участка дороги, позволяя оценить условия маневрирования на этом участке. В отличие от этого зависимость «скорость – интенсивность» характерна только для определенного сечения дороги.

6.4.3 Влияние элементов дорог на скорость движения

Скорость движения во многом определяется размерами и сочетанием геометрических элементов дорог:

• элементы поперечного профиля;

• элементы продольного профиля;

• радиусы кривых в плане;

• расстояние видимости.

Элементы поперечного профиля

Влияние ширины проезжей части с 2-мя и 3-мя полосами движения и осевой разметкой описывается следующей зависимостью:

v = 58,0 + 1,58в,

где в – ширина проезжей части.

Влияние ширины обочин:

– техническая скорость v_ср = 69,0 + 9,8с – для потока автомобилей;

v_ср = 73,0 + 10,5с – для легкового автомобиля,

где с – ширина обочины;

– мгновенная скорость v = 57,0 + 4,7с – для потока автомобилей;

v = 65,0 + 5,3с – для легкового автомобиля.

Элементы продольного профиля

– крутизна подъемов ;

где v₀ – начальная скорость при въезде на подъем, км/ч;

α – эмпирический коэффициент, зависящий от крутизны уклона;

i– продольный уклон в долях единицы.

– длина подъема по следующему графику:

1 – i = 70о/оо; 2 – i = 50о/оо. Из рисунка видно, что наиболее резкое падение скорости наблюдается на первых 200 – 300 м при уклонах 50о/оо и более и на первых 600 – 800 м при уклонах менее 30о/оо.

Радиусы кривых в плане

– для равнинной местности ;

– для горных дорог v = v₀ + 0,27R – на внешних кривых (дорога огибает выступающий склон косогора);

v = v₀ + 0,51R – на внутренних кривых (дорога вдается в склон косогора).

Расстояние видимости

Влияние расстояния видимости описывается следующими зависимостями:

v = 88,0 – 0,168S – для потока автомобилей;

v = 93,7 – 0,177S– для легкового автомобиля,

где S – расстояние видимости.

Для учета совместного влияния на скорость движения всех элементов дороги и интенсивности движения предложены уравнения, полученные на основе множественной корреляции, одно из которых следующее:

v= lgk + 3,16в – 0,21i – 0,023N – 0,13p – 71,0,

где k – площадь деформаций дорожного покрытия, влияющих на скорость, %;

в – ширина проезжей части, м;

i – продольный уклон, ^о/_оо;

N – интенсивность движения, авт/ч;

p – доля легковых автомобилей, %.

6.4.4 Влияние средств регулирования на скорость движения

Установка на дорогах средств информации водителей и организации движения вызывает изменение скоростного режима.

При исследовании влияния двух основных групп дорожных знаков: предупреждающих и запрещающих было установлено, что наиболее действенное влияние оказывают дополнительный знак «Ограничение скорости 60 км/ч», установленный на одной стойке с предупреждающим «Прочие опасности», и знак «Прочие опасности», установленный в 100 м перед знаком «Опасный поворот».

Большое внимание во всех странах мира уделяется ограничению скорости движения. Основная цель снижения скорости – снижение аварийности движения. При этом, как правило, средняя скорость движения не изменяется, но максимальные скорости снижаются.

Большое влияние на скорости движения оказывает разметка проезжей части и прежде всего размер штрихов и разрывов, оптимальное соотношение которых должно быть не менее 1:3.

Большой эффект дает организация движения с помощью реверсивной полосы на 3-ч полосных дорогах. При этом среднее время сообщения уменьшается ≈ 13%, значительно упорядочивается движение, средняя скорость увеличивается.

Таким образом, различные средства организации движения позволяют устанавливать желаемый и оптимальный режим движения на дорогах.

6.5 Расчет характеристик движения транспортных потоков

6.5.1 Скорости движения одиночных автомобилей

Для оценки принятых проектных решений и эффективности мероприятий по улучшению геометрических элементов дорог и безопасности движения в качестве критерия принимают скорость. Разработаны различные методы расчета скоростей одиночных автомобилей. Эти методы дают возможность рассчитать теоретически максимальные скорости движения одиночного автомобиля в любой точке профиля криволинейного очертания. Общий вид уравнения движения автомобиля по вертикальной кривой:

где А и В – коэффициенты, получаемые при аппроксимации вращающегося момента двигателя;

v – скорость движения автомобиля, м/с;

G – вес автомобиля, Н;

ω – лобовая площадь автомобиля;

k – коэффициент сопротивления воздуха;

f – коэффициент сопротивления качению;

i – продольный уклон дороги;

δ – коэффициент, учитывающий влияние вращающихся частей автомобиля;

g – ускорение свободного падения;

dv/dt – ускорение автомобиля.

Недостаток этих методов – невозможность расчета скоростей на спуске. Последние разработки позволяют получить более точные значения скоростей на вертикальных кривых и кривых в плане.

Максимально возможная скорость на кривых в плане:

где R – радиус кривой в плане, м;

i_в – поперечный уклон виража, ^о/_оо;

γ₂φ₂ – используемая доля коэффициента поперечного сцепления.

Максимальная скорость на вогнутых вертикальных кривых:

где а – центробежное ускорение (0,5 – 0,7 м/с²).

Скорость движения на выпуклых вертикальных кривых определяется с учетом среднего уклона отдельных участков ломаной, которой заменяют вертикальную выпуклую кривую. Скорость в конце участка равна:

где v_н – скорость в начале участка, м/с;

L_р – длина участка ломаной, м;

D – средний динамический фактор для интервала скоростей, Н/Н;

P_f – сопротивление качению;

i_ср – средний уклон на участке в долях единицы.

Средняя скорость движения на дороге определяется по средним скоростям на отдельных ее элементах:

,

где ΣS´ – длина всей дороги;

v´_ср – средняя скорость по отдельным элементам.

Минимальное время движения при максимальной скорости равно:

t_min = ΣS´/ v_ср.

Для более точного определения скоростей было предложено учитывать степень открытия дроссельной заслонки (в %):

Р_др = 0,2 + 16,0ψ – 83,0ψ²,

где ψ – суммарное дорожное сопротивление (ψ = f + i).

Значения скоростей следует проверять по формулам расчета предельно допустимых скоростей на кривых в плане:

,

где μ – коэффициент поперечной силы;

i_п – поперечный уклон в долях единицы.

На кривых в плане при ограниченной видимости:

где S – расстояние видимости, м;

φ – коэффициент продольного сцепления;

i – продольный уклон в долях единицы;

К_э – коэффициент эксплуатационных условий торможения (1,45 – для легковых и 1,8 – для грузовых автомобилей).

На подъемах с уклоном до 20^о/_оо, заканчивающихся горизонтальным участком:

На выпуклом переломе с сопрягающимися уклонами i₁ и i₂:

где l₀ –зазор безопасности.

Кроме этого необходимо учитывать психико-физиологическое воздействие на водителя дорожных условий. Для этого был рекомендован коэффициенты τ_з, учитывающие восприятие водителями дорожных условий:

Условия движения	Значение τз
Конец спуска (уклона >30о/оо) с последующим подъемом Горизонтальная кривая с R≥1000 м Малый мост Большой ( средний) мост	1,2 0,8 0,85 0,7

Для получения графика скоростей, близкого к фактическому, расчет необходимо вести с учетом переменной степени открытия дроссельной заслонки в зависимости от дорожных условий, а затем полученную расчетом скорость умножить на коэффициенты психологического восприятия водителями дорожных условий, т.е.

v_ф = τ_зv_доп.

6.5.2 Скорости движения потоков автомобилей

В условиях высокой интенсивности движения большое значение имеет расчет скоростей потока автомобилей. Для оценки средней скорости потока автомобилей на отдельном элементе дороги применяют формулу

v = νθv₀ – α_лk_лN,

где ν – коэффициент, учитывающий средневзвешенное влияние состояния дорожного покрытия;

θ – коэффициент, учитывающий влияние геометрических элементов дороги;

v₀ – средняя скорость свободного движения однородного потока, состоящего из легковых автомобилей на эталонном участке дороги;

α_л – коэффициент, учитывающий долю легковых автомобилей в составе потока;

k_л – коэффициент, учитывающий наличие дорожной разметки.

Коэффициент, учитывающий средневзвешенное влияние состояния дорожного покрытия, в зависимости от погодных условий определяется по формуле

где m₁, m₂, m₃, m₄ – число дней в году с гололедом, влажным покрытие, снежным покровом и сухим покрытием соответственно, определяется по климатическим справочникам;

g₁, g₂, g₃, g₄ – соответствующие коэффициенты снижения скоростей движения.

Коэффициент, учитывающий влияние геометрических элементов дороги:

Θ = τ₁ τ₂ τ₃,

где τ₁– коэффициент, учитывающий влияние продольного уклона;

τ₂ – коэффициент, учитывающий влияние состава потока;

τ₃ – коэффициент, учитывающий влияние дорожных условий и средств организации движения.

Значения коэффициентов α_л и k_л установлены на основании обработки материалов экспериментов.

6.5.3 Пропускная способность автомобильных дорог

Методика расчета пропускной способности основана на использовании коэффициентов ее снижения. Для определения пропускной способности используют результаты измерения скоростей движения одиночных автомобилей и максимальную плотность потока. Пропускная способность определяется по формуле

P = ωαv_св q_max,

где ω – коэффициент, учитывающий загрузку движением встречной полосы;

α – коэффициент, зависящий от дорожных условий;

v_св – скорость движения одиночного автомобиля на рассматриваемом участке;

q_max – максимальная плотность потока, авт/км.

Коэффициенты снижения пропускной способности определяют по формуле

β = P/ P_max,

где P – пропускная способность на рассматриваемом элементе;

P_max – пропускная способность в особо благоприятных условиях.

Максимальная пропускная способность соответствует следующим дорожным условиям: прямолинейный участок дороги без пересечений, ширина полосы движения – 3,75 м; ширина обочины – 3 м; покрытие сухое с высокой ровностью и шероховатостью; транспортный поток состоит из легковых автомобилей; препятствия, снижающие скорость, отсутствуют; погодные условия – хорошие.

Пропускная способность в конкретных дорожных условиях –

Р = ВР_max,

где В – итоговый коэффициент снижения пропускной способности.

При расчетах рекомендуется исходить из следующих значений максимальной пропускной способности:

- 2200 авт/ч – двухполосные дороги (в оба направления);

- 4000 авт/ч – трехполосные дороги ((в оба направления);

1800 авт/ч – 4 и более полосы движения (по одной полосе).

Приведенные значения Р_max являются средними.

Итоговый коэффициент снижения пропускной способности определяется

В = β₁ β₂ …. Β₁₃,

где β₁ β₂ …. Β₁₃ – частные коэффициенты, которые отражают влияние следующих факторов:

β₁ – ширину полосы движения;

β₂ – наличие бокового препятствия;

β₃ – количество грузовых автомобилей;

β₄ – величину продольного уклона;

β₅ – расстояние видимости;

β₆ – радиуса кривых в плане;

β₇ – скорости;

β₈ – типа пересечения;

β₉ – состояния обочины;

β₁₀ – типа дорожного покрытия;

β₁₁ – типа сооружения для обслуживания проезжающих;

β₁₂ – вида разметки проезжей части;

β₁₃ – вида дорожных знаков.

Пропускная способность в фактическом количестве автомобилей равна

Р_ф = Р(p₁k₁ + p₂k₂ + … + p_nk_n),

где p₁, p₂,… p_n – доля автомобилей отдельных видов или типов в общем транспортном потоке;

k₁ ,k₂ , … k_n – коэффициенты приведения различных типов автомобилей к легковым (ТКП).

Для расчета пропускной способности трехполосных автодорог используется формула

Р = 2,4α α_v α_N v_св q_max,

где α – коэффициент, учитывающий влияние дорожных условий на пропускную способность;

α_v – коэффициент, учитывающий влияние длины перегона между пересечениями на снижение скорости движения;

α_N – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения интенсивности движения по направлениям на степень загруженности средней полосы;

v_св – скорость движения одиночного автомобиля на рассматриваемом участке;

q_max – максимальная плотность потока по одной полосе движения, авт/км.

Пропускная способность полосы движения на мосту, расположенном в плане на прямой, а в профиле на уклоне до 10‰ –

Р_м = 420 + 43Г – 2,285L + 0,257ГL,

где Г и L – габарит и длина моста соответственно, м.

Пропускная способность автодороги в пределах населенного пункта –

Р_нп = (1968,8 –487,5L + 11,2l + 7,5lL)K₁ K₂,

где L – длина участка дороги в пределах населенного пункта, км;

l – расстояние от кромки проезжей части до линии застройки (5 – 25 км);

К₁– коэффициент, учитывающий влияние пешеходного движении (1 – 0,6);

К₂– коэффициент, учитывающий влияние стоянки у пункта обслуживания (1 – 0,6).

Для оперативной оценки пропускной способности на двухполосной дороге используется формула

Р = 413 + 27b – 4,07i + 0,065R + 434,6p_л,

где b – ширина проезжей части;

i – продольный уклон, ‰;

R – радиус кривой в плане;

p_л – доля легковых автомобилей в составе движения в долях единицы.

Результаты определения пропускной способности оформляются в виде линейного графика пропускной способности и уровней загрузки отдельных участков дороги. При этом учитывается, что каждый элемент дороги, вызывающий снижение пропускной способности, имеет зону влияния, в пределах которой происходит изменение режима движения.

Линейные графики пропускной способности и коэффициенты загрузки движения дают объективную характеристику транспортно-эксплуатационного состояния дороги. Поэтому службы эксплуатации должны иметь такие графики, чтобы обоснованно выбирать вид и очередность мероприятий по поддержанию высоких транспортных качеств дороги.