Исследование характеристик поперечного профиля и продольного профиля

Построение плана трассы и определение его характеристик

Чем выше интенсивность движения, тем более совершенными проектируют дороги. Это связано с тем, что если для пропуска движения большой интенсивности построить дорогу с относительно крутыми уклонами и малой шириной проезжей части, то, хотя она и будет стоить дешевле, автомобили на ней не смогут двигаться с высокими скоростями. На такой дороге в течение всего периода эксплуатации автотранспорт будет нести очень большие потери. Двигатели автомобилей будут тратить мощность не на увеличение скорости, а на преодоление подъемов.

Все элементы дороги каждой категории рассчитывают на обеспечение безопасного движения одиночного легкового автомобиля с расчетной скоростью, соответствующей данной категории дороги, при хорошей видимости в сухую погоду или при увлажненной чистой поверхности покрытия.

Исходные данные для расчета элементов плана и продольного профиля дороги принимают в соответствии с таблицей 1.1 по последней цифре шифра студента.

Таблица 1.1 – Расчетные данные для автомобильных дорог разных категорий

Последняя цифра шифра	Категория дороги	Количество полос движения	Расчетная скорость движения, км/ч
			основная	допускаемая
1	2	3	4	5
0	Iа	4	140	120
1	Iа	6	140	120
2	Iб	4	120	100
3	Iб	6	120	100
4	Iв	4	120	100
5	Iв	6	120	100
6	II	2	120	100
7	III	2	100	80
8	IV	2	80	60
9	V	2	60	40
Примечание: Шифром является номер студенческого билета. В зависимости от суммы последней и предпоследней цифр шифра выбирается значение расчетной скорости: от 0 до 10 – основная, от 11 до 18 – допускаемая.

Трассой называется положение геометрической оси дороги в пространстве. План трассы – это проекция трассы на горизонтальную плоскость, которая состоит из прямых участков и кривых различного назначения.

Переломы трассы в плане смягчают, вписывая в углы поворота круговые кривые (рисунок 1.1). Круговые кривые малых радиусов сопрягают с прямыми участками трассы посредством вспомогательных переходных кривых. Наличие переходных кривых следует предусматривать при радиусах круговых кривых в плане 2000 м и менее. В качестве переходной кривой обычно принимают клотоиды или другие кривые с линейным или нелинейным законом изменения кривизны. Особенность переходных кривых заключается в том, что ее радиус постепенно изменяется от  (прямую можно представить как кривую, имеющую радиус ) до  (  – радиус круговой кривой). Устройство переходных кривых обеспечивает плавное вписывание автомобиля на повороте. Значение величины радиуса кривой выбирается в соответствии с таблицей 1.2.

Таблица 1.2 – Значения радиусов круговых кривых

Расчетная скорость, км/ч	140	120	100	80	60	40
Радиус кривой, м
Примечание: В числителе приведены значения для дорог с дорожной одеждой капитального и облегченного типов, в знаменателе – для дорог с дорожной одеждой переходного и низшего типов.

Рисунок 1.1 – Сопряжение прямых участков автодороги круговой кривой

Минимальные длины переходных кривых представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Минимальные длины переходных кривых

В таблице 1.4 студентом выбирается величина наибольшего продольного уклона и наименьший радиус кривизны в продольном профиле.

Таблица 1.4 – Значение наибольшего продольного уклона

Построение плана трассы выполняется по исходным данным, приведенным в задании на курсовую работу. План трассы вычерчивается в масштабе 1:5000 (в 1 см 50 м) на листе формата А3.

Для разбивки круговой кривой на местности необходимо знать положение точек  и  – соответственно начала и конца кривой (рисунок 1.1). Для этого рассчитывают величину , т, е. расстояние от вершины угла поворота до начала или окончания кривой, называемое тангенсом. Из рисунка 1.1 видно, что , м, можно определить по формуле

                                                               ,                                                       (1.1)

где  – величина угла поворота автомобильной дороги.

Предположим, необходимо построить круговую кривую (см. рисунок 1.1) радиусом м, угол поворота трассы . Для нахождения начала круговой кривой (НКК) – точки  и конца круговой кривой (ККК) – точки  необходимо рассчитать тангенс ( ).

По формуле (1.1)  м. После нахождения тангенсов их величину откладывают на схеме. Из точек начала ( ) и конца ( ) кривой восстанавливают перпендикуляры к центру поворота. Пересечение перпендикуляров образует центр поворота  После этого радиусом, равным радиусу поворота , сопрягаются прямолинейные участки автомобильной дороги либо концы переходных кривых. Длины переходных кривых  и  выбирают из таблицы 1.3.

Переходные кривые откладывают на плане трассы без сноса точки начала или конца круговой кривой (данная условность принята для упрощения и применяется только в учебных работах). Круговая кривая по своей длине всегда меньше суммы двух тангенсов, поэтому, чем больше на плане круговых кривых, тем меньше длина трассы. Длина круговой кривой

                                                               .                                                       (1.2)

В нашем случае:

,

в то время как длина двух тангенсов  м.

Биссектрису Б рассчитывают по формуле:

                                                          .                                                  (1.3)

В нашем случае

.

После построения плана трассы он разбивается на пикеты. Расставляются указатели километров (в каждом километре 10 пикетов), обозначаются вершины углов поворота и их центры (обозначаются буквами О с соответствующими индексами), точки начала и конца кривых в плане, характеристики прямолинейных участков и углов поворота.

Далее вдоль трассы наносится ситуация по 100 м в каждую сторону от нее – расположение пересечений дорог, мостов, населенных пунктов, отдельных строений, линий электропередач, лесных массивов, полей и т.д. В качестве исходных данных для нанесения ситуации необходимо использовать карту местности в горизонталях. Масштаб изображения ситуации на плане трассы в поперечном направлении от оси дороги целесообразно принять М 1:5000 (в 1 см 50 м). Пример построения плана трассы приведен на рисунке 1.2.

Далее необходимо произвести расчет коэффициента развития трассы (коэффициент извилистости ) – отношение фактической длины дороги  к кратчайшему расстоянию между ее начальным и конечным пунктами, измеренному по прямой линии, их соединяющей («воздушной линии») .

                                                                           .                                                                         (1.4)

Затем необходимо выбрать по построенному плану автомобильной магистрали фактические (рабочие) отметки земляного полотна дороги. Из-за наличия кривых длина трассы уменьшилась, поэтому километровые столбики и пикетаж необходимо выстраивать исходя из фактической длины трассы. На рисунке 1.3 трасса автомобильной магистрали пересекает горизонтали – линии, обозначающие одинаковую высоту на местности.

В зависимости от направления движения уклоны разделяются на подъемы и спуски. Горизонтальные элементы профиля называются площадками. При проектировании профиля крутизна уклонов отдельных элементов может быть разной, но не должна превышать величины руководящего уклона, принятого в соответствии с расчетной скоростью движения на дороге данной категории (см. таблицу 1.4).

Рисунок 1.2 – План трассы

В качестве примера определения фактических отметок земляного полотна возьмем участок трассы между 3-м и 5-м километрами (рисунок 1.3), например, первый пикет третьего километра имеет высоту над уровнем моря 125 м, а первый пикет четвертого километра – 135 м над уровнем моря. Остальные отметки пикетов интерполируют в данной работе на глаз. Все значения фактических отметок сводят в соответствующую таблицу и включают по тексту пояснительной записки.

Рисунок 1.3 – Пример построения автомобильной дороги в плане на карте местности

На кривых в плане при радиусах 1000 м. и менее предусматривают уширение проезжей части с внутренней стороны за счет обочины (рисунок 1.4). Величина уширения проезжей части на круговой кривой представлена в таблице 1.5.

Таблица 1.5 – Величина уширения проезжей части на круговой кривой

Рисунок 1.4 – План дороги с переходной кривой

Исследование характеристик поперечного профиля и продольного профиля

Поперечный профиль

Основными характеристиками существующего поперечного профиля являются (ширина полосы движения, ширина обочины, ширина разделительной полосы, ширина проезжей части и др.). Основные параметры поперечного профиля дорожного полотна следует принимать по таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Значения основных параметров поперечного профиля для различных категорий дорог

Примеры поперечных профилей с разделительной полосой на дорогах категорий I-а, I-б, I-в представлены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Поперечные профили многополосных дорог:

а) с выпуклой разделительной полосой; б) с вогнутой разделительной полосой:

1 – разделительная полоса; 2 – проезжая часть; 3 – обочина; 4 – укрепительная полоса;

5 – полоса для аварийной остановки; 6 – водоприемный колодец;

7 – водоотводная асбестоцементная трубка.

Величина поперечного уклона проезжей части выбирается по данным таблицы 2.1 в соответствии с категорией дороги и зависит от вида покрытия дорожной одежды, условий стока воды (чем лучше условия стока воды, тем меньшее значение поперечного уклона необходимо). Поперечные уклоны обочин должны быть на 10-15 ‰ больше поперечного уклона проезжей части.

Коэффициент заложения откосов земляного полотна (отношение высоты откоса к его горизонтальной проекции) для поперечных профилей категорий дороги I-а, I-б, I-в, и II – 1:4, а для категорий III, IV и V – 1:3.

На поперечном профиле должны быть указаны размеры и уклоны всех составляющих элементов. Существующий поперечный профиль вычерчивается на листе формата А4 в масштабе 1:100 (1 см – 1м).

Продольный профиль

Продольный профиль транспортной магистрали – это развернутая проекция трассы линии на вертикальную плоскость. Элементами продольного профиля являются горизонтальные и наклонные отрезки дороги, а также вертикальные кривые. Крутизна наклона элемента характеризуется его уклоном, представляющем собой отношение разности высот точек по концам элемента  к горизонтальному расстоянию  между ними, т.е.

                                                                     ,                                                              (2.1)

В зависимости от направления движения уклоны разделяются на подъемы и спуски. Горизонтальные элементы профиля называются площадками.

При нанесении проектной линии необходимо обеспечить:

– плавность продольного профиля, допустимый продольный уклон (таблица 1.4);

– отвод воды от земляного полотна;

– отсутствие пилообразности проектной линии, приводящей к «потерянным подъемам» – спускам с последующим подъемом участков, при проезде которых двигатели автомобилей выполняют бесполезную работу;

– прохождение дороги через контрольные точки, имеющие высотные отметки – примыкания к существующим дорогам в начале и конце трассы, пересечения с дорогами более высоких категорий и с железными дорогами, отметки проезжей части мостов, отметки земляного полотна над уровнем высоких вод в затопляемых местностях и т.п.;

– положение проектной линии должно по возможности обеспечивать баланс земляных работ в смежных насыпях и выемках, т.е. использование продольного перемещения грунта из выемок для отсыпки насыпей;

– следует остерегаться неблагоприятных сочетаний элементов трассы (см. рисунок 2.2);

Рисунок 2.2 – Неблагоприятные сочетания элементов трассы: а – частые переломы продольного профиля в пределах прямых участков в плане; б – чрезмерная извилистость продольного профиля; в – устройство коротких прямых вставок между горизонтальными кривыми, направленными в одну сторону; г – устройство коротких прямых вставок между обратными кривыми в плане; д – короткие вогнутые участки продольного профиля; 1 – продольный профиль; 2 – план трассы (пунктиром показано рекомендуемое проложение трас­сы дороги); 3 – перспективный вид дороги до улучшения плавности трассы; 4 – перспективный вид дороги после улучшения плавности трассы

– следует избегать резких переходов профиля от одних уклонов к другим, особенно уклонов разного знака, в таком переломе, если это возможно, устраивают площадку.

Переломы прямых в продольном профиле допускается не сопрягать вертикальными кривыми при алгебраической разности уклонов (ТКП 45-3.03-19-2006):

− 2 ‰ и менее − на дорогах I-а, I-б, I-в и II категорий;

− 5 ‰ и менее − на дорогах III, IV и V категорий с дорожной одеждой усовершенствованного типа;

− 20 ‰ и менее − на дорогах IV и V категорий с дорожной одеждой переходного и низшего типов.

Алгебраическая разность смежных уклонов определяется по формуле:

                                                                .                                                         (2.2)

В том случае если алгебраическая разность уклонов будет больше значений, описанных выше, то устраиваются выпуклые или вогнутые вертикальные кривые, радиусы которых указаны в таблице 1.4.

Что касается баланса земляных работ, то его можно оценить, суммировав цифры над проектной линией и суммировав под проектной линией трассы – суммы должны быть примерно одинаковы. В курсовой работе допустимо расхождение не более 10 % от объема вынутого или уложенного грунта.

Полученное продольное сечение земной поверхности анализируют и выбирают вариант прокладки трассы на основе изложенных выше принципов и ограничений.

По конечным точкам запроектированного элемента определяют разность высот:

                                                           .                                                   (2.3)

Разность высот , м, относят к длине элемента , м, и получают величину уклона в ‰ («+» – подъем, «–» – спуск):

.

Далее полученное значение уклона округляем до целого числа или одного знака после запятой и обязательно производим дополнительный пересчет и корректировку высоты .

Пример построения продольного профиля автомобильной дороги представлен на рисунке 2.3.

Оценка безопасности движения на кривых в плане методом коэффициентов безопасности

Водители, подъезжая к участку дороги с резким ухудшением дорожных условий, сталкиваются с необходимостью резкого снижения скорости движения автомобиля и зачастую в результате несвоевременных действий попадают в конфликтную ситуацию, которая перерастает в аварию.

Исследуемый метод прогнозирования основан на построении эпюры возможных скоростей движения, развиваемых расчетным автомобилем на исследуемом участке дороги, так называемого графика коэффициентов безопасности. Коэффициент безопасности представляет собой отношение скорости движения на исследуемом участке к скорости движения на предыдущем участке:

                                                                                           ,                                                                                 (3.1)

где  – скорость движения расчетного автомобиля на исследуемом участке;

 – скорость движения на предыдущем участке.

В местах перепада скоростей от большей к меньшей возникает опасность. Чем больше перепад, тем больше опасность. Это объясняется тем, что скорость движения изменяется, как правило, плавно, а условия движения − быстро, ступенчато. Поэтому в местах перепада возникают ситуации, когда условия уже изменились и не соответствуют еще не изменившейся скорости. По величине перепада скоростей прогнозируют аварийность на данном участке. Метод дает удовлетворительные результаты при малых значениях интенсивности движения – на загородных дорогах. Оценка опасности участков производится по следующей классификации:

Рисунок 2.3 – Продольный профиль автомобильной дороги

• при скоростях 85%-й обеспеченности:

для безопасных участков − ;

малоопасных − ;

опасных − ;

очень опасных − ;

• при скоростях 50%-й обеспеченности:

для безопасных участков − ;

малоопасных − ;

опасных − ;

очень опасных − ;

На рисунке 3.1 показан линейный график коэффициентов безопасности для участка дороги. Видно, что в ряде мест имеются значительные перепады скоростей и по величине этих перепадов можно судить об аварийности исследуемого участка.

Рисунок 3.1 − Линейный график коэффициентов безопасности: 1 − допустимая скорость на опасных участках; 2 − фактическая скорость движения; ▲ и ● − места перепада скорости движения в обоих направлениях

Метод линейных графиков коэффициентов безопасности обладает рядом существенных недостатков. К сожалению, все определенные коэффициенты будут касаться только конкретного типа и класса автомобилей, т.е. не учитывают многообразие реального состава транспортного потока. Метод не учитывает взаимодействия внутри транспортного потока, а лишь взаимодействие отдельного автомобиля и дорожных условий. Другая проблема состоит в том, что при расчетах скоростей не принимаются во внимание локальные ограничения скорости посредством требований ПДД (возможность учета недисциплинированности или неопытности водителей). Имеются трудности и в построении графиков на дорогах с криволинейным планом и продольным профилем. Существующая методика не учитывает особенности психофизиологического восприятия водителем дорожных условий. Толком не учитываются участки постепенного снижения скорости движения, которые необходимы для безопасного въезда на перекрестки, узкие мосты, кривые малого радиуса. Также возникают вопросы по чувствительности метода к темпам снижения скорости (например, автомобиль уменьшил скорость движения с 20 до 10 м/с в одних дорожных условиях с замедлением 1 м/с², а в других − с замедлением 4 м/с², но в обоих случаях коэффициент аварийности принимает одинаковое значение, хотя, очевидно, что во втором случае создалась более опасная ситуация, чем в первом).

При проезде опасных мест на дороге транспортный поток трансформируется − изменяет свои характеристики: скорость, дистанция и др. Изменение характеристик транспортного потока при проезде опасных мест связано с постоянным изменением информации об условиях движения, поступающей к водителю, на основании которой он принимает решение об изменении режима и траектории движения. За критерий безопасности движения принимают отношение уровня загрузки движением на предыдущем опасном участке дороги  к уровню загрузки движением на опасном участке :

                                                                   .                                                           (3.2)

Полученный коэффициент назван коэффициентом трансформации транспортного потока [14]:

                                                              .                                                       (3.3)

где  − коэффициент трансформации скорости движения транспортного потока (фактически исходный коэффициент безопасности);

 − коэффициент трансформации дистанции.

Конечно, учет в коэффициенте трансформации транспортного потока восприятия водителем ухудшения условий движения при проезде опасных мест на дороге (это выражается в изменении скорости движения и дистанции) увеличивает по сравнению с исходным методом коэффициентов безопасности количество учитываемых факторов при оценке степени опасности участка дороги, однако отсутствуют необходимые количественные закономерности и методики проведения такой оценки.

Метод линейных графиков коэффициентов безопасности самостоятельно не применяется при оценке проектных решений, а используется дополнительно, совместно с методом прогнозирования по линейным графикам коэффициентов аварийности. В большинстве случаев места зафиксированных аварий совпадают с пиками на графике коэффициентов аварийности и переломами кривой на графике коэффициентов безопасности, что подтверждает эффективность метода. Но методы, к сожалению, годятся лишь для прогно­зирования аварийности на линейных объектах загородных дорог.

Методика измерения мгновенных скоростей. Для проведения измерений выбирается перегон дороги, на котором подыскивается свободная площадка, расположенная в пределах 15-25 м от проезжей части.

После этого необходимо установить исходные данные и определить ориентиры «О» (рисунок 3.2). В качестве ориентиров можно использовать опоры линий электропередач, деревья, а можно самому установить ветку и т.д. После этого измеряются S₀, b₀, b₁. Тогда расстояние проходимое автомобилем внутри створа ориентиров:

                                                                                                            (3.4)

Затем с помощью секундомера выполняются замеры: при въезде автомобиля в створ контролируемого участка секундомер включается, и выключается при выезде из створа контролируемого участка. При этом необходимо стремиться фиксировать скорость каждого отдельно взятого автомобиля (а при движении плотной группы автомобилей скорость измеряется только у лидирующего автомобиля). Количество измерений на участке должно составлять не менее 50.

Рисунок 3.2 – Схема проведения замеров скорости движения автомобилей

Рассчитать значение мгновенной скорости по каждому измерению можно по формуле:

                                                                                                                (3.5)

На листе формата А3 необходимо произвести построение линейного графика коэффициентов безопасности на протяжении 2,5-3 км трассы (обязательно включая кривые в плане). Данный график должен содержать: продольный профиль, ситуацию, кривые в плане, линейные график изменения скорости (в одном направлении), линейный график изменения коэффициента безопасности.