Глава 7. Проектирование верха земляного полотна (ВЗП)

7.1. Теоретические аспекты расчета ВЗП

Термин "верх земляного полотна" в "Справочнике по дорожной терминологии" отсутствует. Объясняется это тем, что при "ручном" проектировании местоположение кромок и бровок рассчитывают, как правило, фрагментарно, т.е. лишь на участках уширения проезжей части и отгона виража. При системной автоматизации процесс формирования земляного полотна подразумевает, как один из первых этапов, расчет пространственного положения кромок и бровок на всем протяжении проектируемой дороги. Пять образующих линий (ось, кромки, бровки), которые определяют геометрические параметры проезжей части и обочин (2-5 категории) и составляют понятие верха земляного полотна.

На прямолинейных участках дороги верх земляного полотна имеет, как правило, постоянные геометрические параметры, соответствующие заданной категории дороги. Исключение составляют участки переходно-скоростных полос, карманов автобусных остановок и т.п., которые требуют индивидуального рассмотрения. На криволинейных участках дороги устраивают виражи и уширения проезжей части.

В соответствии с действующими нормами проектирования (СНиП 2.05.02-85, п. 4.18 [22]) "…переход от двускатного профиля дороги к односкатному следует осуществлять на протяжении переходной кривой, а при отсутствии ее (при реконструкции дорог) – на прилегающей к кривой прямом участке, равном длине переходной кривой". При автоматизированном проектировании, когда трассирование выполняется не только прямыми, круговыми кривыми и клотоидами, но и посредством сплайнов и кривых Безье, понятие переходной кривой зачастую отсутствует, и для расчета отгонов виража и уширения проезжей части необходимо рассматривать другие подходы.

Очевидно, что в основу расчета отгона виража можно положить условие, которое содержится в нормах проектирования США и Германии.

Суть его состоит в том, что при назначении уклона виража исходят из условия, что при движении с расчетной скоростью 1/3 (33%) действия центробежной силы должно уравновешиваться за счет виража, а 2/3 (67%) – за счет поперечного сцепления шин с покрытием.

Другой подход, который можно положить в основу схемы отгона виража, это – расчет из условия, что дополнительный продольный уклон наружной кромки проезжей части по отношению к проектному продольному профилю на участках отгона виража не должен превышать:

· для дорог 1, 2 категории – 5 промилле,

· для дорог 3-5 категории – 10 промилле в равнинной местности и 20 промилле в горной местности [22].

Рассмотрим аспекты расчета отгона виража из условия уравновешивания действия центробежной силы за счет виража и поперечного сцепления. Обратимся вновь к существующим нормам проектирования [22]. Поперечный уклон на виражах 2-5 категорий автомобильных дорог назначают в зависимости от радиуса кривой, но не более 60 промилле. В районах с частым гололедом (10 и более дней в году), а к таким районам относится большая часть территории Российской Федерации, предельный поперечный уклон ограничивают величиной 40 промилле.

Таблица 7.1

Радиус, м	Уклон виража, ‰
	основной	с гололедом
2000 1000 800 650 ≤600	20 30 40 50 60	20 30 40 40 40

Какие физико-механические процессы происходят при движении автомобиля массой m по криволинейному участку дороги со скоростью v? На автомобиль действует центробежная сила (C) и, как следствие, возникают проблемы обеспечения условий его управляемости, а также устойчивости автомобиля на опрокидывание и на сдвиг:

Обратим внимание, что в формуле (7.1) центробежная сила при v = const прямо пропорциональна кривизне (r) закругления. Поэтому результаты анализа явлений, имеющих функциональную связь с кривизной, правомерно соотносить как собственно с кривизной, так и с величиной центробежной силы.

Наиболее актуальной проблемой, из изложенных выше, является проблема устойчивости автомобиля на сдвиг. Действие центробежной силы (С), которое может привести к сдвигу автомобиля, уравновешивается составляющей веса автомобиля на наклонную поверхность проезжей части на вираже (mgi) и силой поперечного сцепления шин с покрытием (mgj¢), где j¢ – коэффициент поперечного сцепления. Поделим все составляющие на mg и получим:

Коэффициент поперечного сцепления (j¢) численно равен коэффициенту поперечной силы (m), но имеет противоположное направление (знак). В отечественной литературе принято, что расчетный коэффициент поперечной силы для скорости 120-150 км/ч составляет 0.12 (0.072), для 80-100 км/ч – 0.15 (0.090) и для 60 км/ч – 0.18 (0.108). В скобках приведены значения m с учетом понижающего коэффициента, который зависит от ровности покрытия и наличия на колесах тягового или тормозного усилия. Понижающий коэффициент составляет величину 0.5-0.7. Для расчетов принята величина понижающего коэффициента – 0.6.

Выполним численные эксперименты по формуле 7.2. для пояснения того, в какой мере действующие нормативы отвечают декларированному условию об уравновешивании центробежной силы.

Таблица 7.2

Категория дороги	Минимальный радиус, м	Уклон виража, ‰	i+j¢/%+%
2	800	40	0.4+1.0/29+71
3	600	60	0.6+0.7/46+54
4	300	60	0.6+1.1/35+65

Как видно из табл. 7.2, для дорог 2-4 категории 29-46% действующей центробежной силы уравновешивается за счет виража и 54-71% – за счет поперечного сцепления шин с покрытием. Это вполне сопоставимо с вышеприведенным условием соотношения уравновешивающих сил, как 1/3 и 2/3.

Отгон виража выполняется, как правило, на начальном участке закругления. В зависимости от того, в каких пропорциях сил обеспечивается уравновешивание центробежной силы на участке отгона виража, собственно и вычисляется длина этого отгона.

При движении автомобиля с расчетной скоростью возможны 3 основных метода расчета отгона виража (см. рис. 7.1):

· уклон виража и коэффициент поперечного сцепления (j¢) нарастают прямо пропорционально кривизне закругления;

· поперечное сцепление нарастает прямо пропорционально кривизне закругления до величины j¢_max. Далее действие поперечной силы компенсируется за счет нарастания i_в;

· поперечный уклон виража нарастает прямо пропорционально кривизне закругления до величины i_{в max}. Далее действие поперечной силы компенсируется за счет нарастания j¢.

 

Действующие нормы проектирования [22], регламентирующие, что отгон виража должен осуществляться на протяжении переходной кривой, как раз и реализуют 1-й метод отгона виража.

По методу 2 отгон виража будет выполнен в конце переходной кривой, а по методу 3 – в начале переходной кривой. Следует также заметить (см. рис. 7.1), что вся зона, заключенная между линиями 2 и 3, является зоной возможных решений по отгону виража. В частности, если вычисления будут выполняться не на расчетную, а на фактическую скорость с определенной вероятностью превышения, например 85%, то допустимые решения из условия уравновешивания центробежной силы будут находиться внутри зоны возможных решений.

Эти рассуждения, кажущиеся излишними, не являются таковыми, если речь идет не о новом строительстве, а о реконструкции автомобильных дорог. Фактически отгон виража на существующей дороге может быть выполнен на определенном участке, не совпадающим по длине и местоположению с переходной кривой. Это еще не означает, что его необходимо переустраивать. Проверка этого отгона виража на соответствие зоне возможных решений вполне может дать положительный результат.

Другой подход к расчету длины отгона виража, который обсуждался выше, заложен в нормированном значении дополнительного уклона наружной кромки. Если отгон виража выполняется вокруг оси, что чаще всего и применяется при реконструкции дорог, то длина отгона виража будет несколько короче, чем при отгоне вокруг внутренней кромки.

В табл. 7.3 приведены длины отгонов виражей для минимально допустимых радиусов дорог 2-4 категорий при различных подходах к их расчету.

Таблица 7.3

Категория дороги	Длина отгона виража, м
	по методу 1	по методу 2, 3	вокруг оси	вокруг кромки
2	120	35	44	60
3	120	55	28	42
4	90	32	24	36

Практические расчеты длины отгона виража могут быть организованы следующим образом: выполняется расчет по одному из 3-х методов и производится проверка на допустимый дополнительный уклон наружней кромки; выполняется расчет по допустимому дополнительному уклону и производится проверка на уравновешивание действия центробежной силы

В системе IndorCAD/Road реализованы алгоритмы формирования верха земляного полотна, которые реализуют вышеизложенную логику расчетов.

7.2. Редактор верха земляного полотна

Проектирование верха земляного полотна дороги выполняется в редакторе верха земляного полотна, который открывается командой Верх зем. полотна в меню Окно, либо сочетанием клавиш Ctrl+2. Эта команда становится доступной только, если трасса разбита на поперечники (чтобы разбить трассу, выполните команду Трасса|Разбить…).

В редакторе верха земляного полотна можно выполнять (рис. 7.2):

· формирование проезжих частей и обочин, разделительных полос, бордюров с применением как линейного, так и синусоидального интерполирования;

· моделирование отгонов виражей, виражей, уширений проезжей части на кривых, формирование автобусных карманов и переходно-скоростных полос;

· анализ соответствия виража расчетной скорости автомобиля при заданном коэффициенте поперечной силы;

· локальную псевдо-3D визуализацию формируемого полотна.

Окно редактора верха земляного полотна состоит из следующих элементов.

Строка заголовка

Строка заголовка находится в верхней части окна и содержит пиктограмму IndorCAD/Road, название окна и стандартные кнопки управления размерами основного окна. Щелкнув на пиктограмме, можно получить доступ к системному меню для изменения размера, закрытия или перемещения окна.

 

Панель инструментов

Панель инструментов находится под строкой заголовка и включает кнопки для выбора данных, отображаемых в таблице Данные и на графике распределения сил Силы, а также инструменты для добавления и удаления поперечных профилей.

Рабочая область

Рабочая область расположена в центре окна и разделена на несколько частей.

Таблица данных ВЗП. В области Данные отображается таблица с данными верха земляного полотна по поперечным профилям активной трассы (описание таблицы см. в следующем разделе).

Настройки. В этой группе элементов можно настроить (рис. 7.3) параметры отображения графиков верха земляного полотна и задать расчетную скорость автомобиля и коэффициент поперечной силы. Кроме того, здесь отображаются коэффициенты поперечных сил для левой и правой проезжей части, доли центробежных сил, приходящиеся на вираж для левой и правой проезжей части (знак "минус" показывает то, что уклон проезжей части содействует центробежной силе) и рекомендуемый уклон виража (если он не удовлетворяет расчетной скорости автомобиля при заданном коэффициенте поперечной силы).

 

Объемный вид. В поле Объемный вид отображается изометрическая проекция активной трассы (рис. 7.4). Здесь серым цветом отображается проезжая часть, зеленым – обочины и разделительная полоса, красной полосой выделяется текущий поперечный профиль. С помощью бегунка, расположенного в левой части окна можно регулировать масштаб изображения объемного вида.

Спрямленный план и продольный профиль. Графики спрямленного плана и продольного профиля трассы отображаются в правой верхней части рабочей области (рис. 7.5).

На спрямленном плане трассы красной пунктирной линией отображается ось трассы, зелеными линиями – разделительная полоса, темно-синими – линии кромок, голубыми – линии бровок, темно-синие пунктирные линии отделяют проезжую часть от дополнительной полосы.

На спрямленном продольном профиле трассы красной линией отображается ось трассы, сплошной темно-синей линией – линия правой кромки, пунктирной темно-синей линией – линия левой кромки, сплошной голубой линией – линия правой бровки, пунктирной голубой линией – линия левой бровки.

Горизонтальными линиями серого цвета на графиках отображаются линии пикетов поперечных профилей трассы, красной линией выделяется текущий поперечный профиль. Чтобы линии пикетов в спрямленном плане трассы повторяли форму поперечных профилей, включите режим отображения поперечников в спрямленном плане. Для этого щелкните на кнопке _{\s , расположенной на панели инструментов.}

График распределения сил. График распределения сил, действующих на автомобиль на текущем пикете, отображается в области Силы (рис. 7.6). Этот график предназначен для оценки правильности построения виражей. Здесь верхний прямоугольник голубого цвета показывает значение силы реакции опоры, средний прямоугольник красного цвета – значение центробежной силы, нижний прямоугольник темно-синего цвета – разность сил реакции опоры и центробежной. Кроме того, на этом графике схематично отображается текущий поперечный профиль проектной поверхности с дорожным полотном и поперечный профиль существующей поверхности. Режим отображения поперечного профиля существующей поверхности включается и отключается с помощью кнопки

Строка статуса. Строка статуса находится в нижней части окна. Здесь отображается значение пикета текущего поперечного профиля и название редактируемого элемента.

Инструменты проектирования

Проектирование верха земляного полотна можно осуществлять двумя способами: редактировать значения элементов верха земляного полотна в таблице Данные и настраивать соответствующие параметры в окне Отгоны и виражи.

Таблица данных ВЗП

Таблица Данные содержит следующие значения элементов верха земляного полотна по поперечным профилям, на которые разбита трасса:

· пикет поперечного профиля (ПК+). Если вираж не удовлетворяет расчетной скорости автомобиля при заданном коэффициенте поперечной силы, то рядом со значениями соответствующих пикетов (слева или справа) отображается красная точка;

· радиус кривой закругления трассы на данном пикете (R). Если пикет принадлежит прямолинейному сегменту трассы (радиус равен бесконечности), то соответствующая ячейка таблицы будет иметь значение "---";

· ширина и/или уклон левой обочины (ЛО);

· высота левого внешнего бордюра (БЛ);

· ширина левой дополнительной полосы (ПЧЛ+);

· ширина и/или уклон левой проезжей части (ПЧЛ);

· высота левого внутреннего бордюра (БЛВ);

· ширина и/или уклон левой части разделительной полосы (РПЛ);

· ширина и/или уклон правой части разделительной полосы (РПП);

· высота правого внутреннего бордюра (БПВ);

· ширина и/или уклон правой проезжей части (ПЧП);

· ширина правой дополнительной полосы (ПЧП+);

· высота правого внешнего бордюра (БП);

· ширина и/или уклон правой обочины (ПО).

Для выбора данных таблицы предназначены следующие кнопки панели инструментов:

Показать/скрыть обочину. Включает режим отображения значений ширины и/или уклона левой и правой обочины.

Показать/скрыть проезжую часть. Включает режим отображения значений ширины и/или уклона левой и правой проезжей части.

Показать/скрыть разделительную полосу. Включает режим отображения значений ширины и/или уклона левой и правой проезжей части.

Показать/скрыть бордюр. Включает режим отображения значений высоты левого и правого внешнего бордюра, левого и правого внутреннего бордюра.

Показать/скрыть дополнительную полосу. Включает режим отображения значений ширины левой и правой дополнительной полосы.

Показать/скрыть ширину. Включает режим отображения значений ширины в ячейках таблицы для обочин, проезжей части, разделительных полос.

Показать/скрыть уклон. Включает режим отображения значений уклонов в ячейках таблицы для обочин, проезжей части, разделительных полос.

Чтобы изменить значение элемента верха земляного полотна на некотором пикете, щелкните левой кнопкой мыши на соответствующей ячейке таблицы и введите значение в поле ввода. Внесенные изменения автоматически применяются и отображаются на графиках.

Добавление и удаление поперечных профилей осуществляется с помощью следующих инструментов:

Добавить поперечник

Выполняет построение поперечного профиля на заданном пикете. При выборе этого инструмента откроется диалоговое окно Добавление поперечного профиля (рис. 7.7). Укажите значение пикета, на котором необходимо построить поперечный профиль, и нажмите на кнопку OK. В результате на заданном пикете будет построен поперечный профиль с параметрами, интерполированными по соседним поперечным профилям. Кнопка Отмена позволяет отказаться от добавления поперечного профиля.

Удалить поперечник

Удаляет поперечный профиль на выделенном пикете (выделенным считается пикет редактируемого элемента верха земляного полотна). При этом система запрашивает подтверждение на удаление поперечного профиля на данном пикете.

Отгоны и виражи

Для проектирования отгонов и виражей, разделительных и дополнительных полос и бордюров удобно использовать диалоговое окно Отгоны и Виражи (рис. 7.8).

Чтобы открыть это окно выполните одно из следующих действий:

· выделите в таблице диапазон значений любого элемента верха земляного полотна с помощью мыши, или используя клавишу Shift и стрелки клавиатуры, управляющие перемещением курсора;

· нажмите на кнопку Отгоны/виражи, расположенную на панели инструментов (эта кнопка недоступна, если в таблице выделена только одна ячейка).

 

В верхней части окна отображается список закруглений трассы на выделенном участке. При выборе одного из поворотов соответственно изменяются границы выделенного участка. Ниже отображаются значения начального и конечного пикетов выделенного участка и вид поперечных профилей трассы на данных пикетах. В левом верхнем углу окна указано направление поворота трассы на выделенном участке. Для изменения границ выделенного участка используйте кнопки:

Область Параметры содержит четыре вкладки для проектирования отгонов и виражей (рис. 7.8), разделительных полос (рис. 7.10), дополнительных полос (рис. 7.11) и бордюров (рис. 7.12). Каждая закладка состоит из двух частей для определения соответствующих параметров на начальном и конечном пикетах выделенного участка. Из раскрывающегося списка Закон изменения значений можно выбрать тип интерполяции значений на промежуточных пикетах участка. Возможные варианты: Синусоидальный, Линейный, Нет. Если тип интерполяции не установлен (выбрано значение Нет), то все элементы вкладки не будут доступны для изменения. Чтобы сделать недоступными только определенные элементы вкладки отключите флажки соответствующих опций.

Проектирование отгонов. На вкладке Отгон определяется ширина и уклон обочин и проезжих частей. При нажатии на кнопку , расположенную в нижней части окна, открывается окно с рекомендациями системы об изменении ширины проезжей части (рис. 7.9). Рекомендации делаются на основе установленных значений максимальной длины автопоезда и расчетной скорости в окне Свойства трассы.

Проектирование разделительных полос. На вкладке Разделительные полосы можно задать ширину и уклон левой и правой проезжей части.

Проектирование дополнительных полос. На вкладке Дополнительные полосы определяется ширина левой и правой дополнительной полосы.

 

Проектирование бордюров. На вкладке Бордюры можно установить высоту внутренних и внешних бордюров.

 

Нажмите кнопку Применить, чтобы установленные параметры вступили в силу. Кнопка Закрыть позволяет закрыть окно диалога Отгоны и Виражи и вернуться к диалоговому окну Верх земляного полотна.