Таким образом, водители автомобилей могут при въезде на кривые регулировать скорость нарастания центробежного ускорения путем изменения скорости поворота рулевого колеса. 1 страница
При характерных для автомобильных магистралей больших радиусах кривых в плане, движение по которым происходит с малыми значениями коэффициента поперечной силы, управление автомобилем не накладывает каких-либо строгих ограничений на очертание переходных кривых. Поэтому при назначении параметров переходных кривых, устраиваемых исходя из требований ландшафтного проектирования и сопрягающихся с кривыми больших радиусов, единственным требованием является плавность нарастания центробежного ускорения.
Допущение прямолинейного нарастания центробежного ускорения в пределах переходной кривой при постоянной скорости поворота передних колес и движения автомобиля с постоянной скоростью приводит к общеизвестному уравнению клотоиды (радиоидальная спираль, спираль Корню, спираль Эйлера), приводимому в дорожной литературе в виде R×L=A2 и аппроксимирующим ее с достаточной для практических целей точностью лемнискате Бернулли и кубической параболе. В приведенной формуле А – параметр, от которого зависит длина переходной кривой, L – расстояние от начала переходной кривой, измеряемое по длине кривой (радиоидальная спираль), по хоре (лемниската) или по абсциссе переходной кривой (кубическая парабола); R – величина радиуса в рассматриваемой точке переходной кривой.
Переходные кривые по клотоиде получили широкое применение в практике проектирования автомобильных магистралей в связи с простотой и ясностью ее исходного уравнения.
Все сказанное относится к основной трассе автомобильных магистралей, проходимой автомобилями с практически постоянной скоростью. На кривых малых радиусов, характерных для пересечений в разных уровнях и для съездов с магистралей, движение происходит с изменением скорости. Как показали наблюдения, фактическая траектория движения в этом случае существенно отличается от клотоиды или окружности.
Аналогичное явление наблюдалось и на некоторых развязках Московской кольцевой дороги в первые годы после ее ввода в эксплуатацию. На правоповоротных съездах автомобили систематически заезжали на внутреннюю обочину, не используя значительную часть покрытия. Из-за этого на обочинах пришлось уложить дорожную одежду.
Случаям движения с разгоном или торможением соответствует самостоятельная переходная кривая, называемая тормозной. Ее уравнение выводится из предпосылки, что на протяжении длины кривой скорость изменяется линейно, с постоянным положительным или отрицательным ускорением, а центробежное ускорение увеличивается пропорционально продолжительности проезда.
Минимальную длину переходных кривых, особенно на съездах, определяют исходя из допускаемой скорости изменения центробежного ускорения b. Применяемые в разных странах значения b отличаются друг от друга. В Англии исходят из скорости нарастания центробежного ускорения 0,3 м/с3, в Испании при скоростях более 80 км/ч – 0,4 м/с3, допуская в исключительных случаях при меньших скоростях увеличение ускорения до 0,6 м/с3. Экономическая комиссия ООН для Европы, специалисты Германии и Италии рекомендуют b=0,5м/с3. Такое же значение используют в Англии при расчетах пересечений в разных уровнях.
В настоящее время переходные кривые на автомобильных магистралях превратились из вспомогательного элемента кривых малых радиусов в самостоятельный элемент трассирования, имеющий даже большее значение, чем прямые участки. Вписывание дороги в ландшафт легче всего достигается сочетаниями прямых и кривых участков трассы. Параметры переходных кривых в этом случае определяются не допустимыми скоростями нарастания центробежного ускорения, а условиями зрительного восприятия участка сопряжения основной и переходной кривой в перспективе. Поэтому параметры кривых принимают в зависимости от величины радиуса основной кривой.
Длина переходных кривых (клотоид) для дорог с формулой 2x2 согласно существующим стандартам Беларуси меньше, чем во Франции. С другой стороны, для дорог 1х2 этот показатель в Беларуси больше (табл. 27.18).
Таблица 27.18. Длина переходных кривых, м
| Радиус | |||||||||||||
| Беларусь | |||||||||||||
| Дания (дорога 2x2 полосы) | – | – | – | – | – | – | – | ||||||
| Франция (дорога 2x2 полосы) | – | – | – | – | – | – | – | ||||||
| Франция (дорога 1х2 полосы) | |||||||||||||
| Польша (дорога 1х2 полосы) | – | – | – | – | – |
AASHTO (США) рекомендует производить расчеты длины отгона виража (переходных кривых) многополосных дорог по сравнению с двухполосными следующим образом:
– полотно с 3-полосами движения – 1,2 длины для 2-х полосного полотна;
– полотно с 4-полосами движения – 1,5 длины для 2-х полосного полотна;
– полотно с 6-полосами движения – 2,0 длины для 2-х полосного полотна.
27.9.10. Продольные уклоны
Практика автомобилестроения показывает, что мощность двигателей автомобилей, особенно легковых, с каждым годом возрастает. Современные легковые автомобили, используя предварительный разгон и переходя на пониженную передачу, могут преодолевать на коротких участках значительные продольные уклоны. Подъемы крутизной до 30‰ вообще практически не отражаются на их скорости. Однако грузовые автомобили с прицепами, роль которых в общем объеме автомобильных перевозок возрастает с каждым годом все в большей степени, при преодолении даже сравнительно малых подъемов, существенно снижают скорость. Необходимость ограничения величины продольных уклонов вызывается также соображениями безопасности движения.
Как правило, продольные уклоны на строящихся в послевоенный период автомобильных магистралях редко превышают 40‰. При этом в прошлом веке была характерна тенденция к снижению величины продольных уклонов. Так, например, технические условия Германии 1943 г. на проектирование автомобильных магистралей допускали при расчетной скорости 100 км/ч уклон 65‰. Технические условия 1973 г. на дороги земель Германии предусматривают при той же скорости существенно меньший предельный уклон – 45‰.
Наблюдения показывают, что на спусках возникает большее количество происшествий, чем на подъемах. Это связано отчасти с увеличением на спусках разницы в скоростях самых быстрых и самых медленных автомобилей, а также с влиянием продольного уклона, увеличивающего длину тормозного пути на спусках при необходимости экстренного торможения. В Англии на магистрали М-1 (Лондон–Бирмингем) на спусках с уклонами всего лишь 20‰ происшествий было в 3 раза больше, чем на подъемах той же крутизны. Таким образом, разница в условиях движения на подъеме и спуске начинает сказываться даже при столь малом продольном уклоне. Это обстоятельство следует учитывать при раздельном трассировании проезжих частей для движения в разных направлениях, избегая кажущейся заманчивой возможности проложить дорогу на спусках с большим продольным уклоном.
В некоторых странах ограничивают величину продольных уклонов на спусках. Так, например, в Финляндии принимают их не более 50‰ на городских и 40‰ на загородных участках магистральных дорог.
Максимальные продольные уклоны, применяемые в Беларуси, ниже, чем в Германии и Франции (табл. 27.19). В таблице 27.19 уклоны приведены в промилле (1‰=0,001), хотя в ЕС принята система измерения уклона в процентах (1%=0,01).
Таблица 27.19. Максимальные продольные уклоны, ‰
| Расчетная скорость, км/ч | ||||||||
| Беларусь | ||||||||
| Дания | – | |||||||
| Германия | ||||||||
| Великобритания | – | – | – | – | – | |||
| Франция | ||||||||
| Польша | – | – |
В общем, существенных различий между значениями максимальных продольных уклонов нет, за исключением норм проектирования в Дании, где значение уклона не превышает 50‰ (5%).
Проектирование современных автомобильных магистралей сопрягающимися вертикальными кривыми изменяет условия движения автомобилей, поскольку продольный уклон дороги непрерывно меняется. В этих случаях предельные значения продольных уклонов должны относиться к общим касательным в точках сопряжения вертикальных кривых.
Преодоление подъемов грузовыми автомобилями и особенно автопоездами сопровождается значительным снижением их скорости, которое приводит к уменьшению скорости всего потока автомобилей и часто становится причиной аварий при обгонах.
Не следует применять на автомобильных магистралях продольные уклоны, превышающие величины, при которых необходимо (рассмотренное в следующем параграфе) устройство на подъемах дополнительных полос проезжей части для грузовых автомобилей. Улучшая условия движения легковых автомобилей, оно не изменяет неблагоприятных транспортно-эксплуатационных характеристик дороги для грузовых перевозок.
27.9.11. Дополнительные полосы на подъемах
При большом протяжении участка дороги, идущего на подъем, скорости автомобилей снижаются. Автомобиль с особенно низкими динамическими характеристиками затрудняет движение всего транспортного потока, задерживая все следующие за ним автомобили, и может создать на дороге затор. Весьма эффективным мероприятием по повышению пропускной способности и снижению аварийности является устройство на подъемах дополнительной полосы движения для медленно движущихся автомобилей. Критерием необходимости устройства дополнительной полосы служит величина снижения скорости в верхней части подъема, которая в нормах разных стран колеблется в широких пределах.
В Германии дополнительную полосу считают необходимой, если скорость грузовых автомобилей на вершине подъема снижается до 70 км/ч, в Австрии и Японии – до 50 км/ч, в Венгрии – до 40 км/ч, в Канаде – до 25 км/ч. Необходимость устройства дополнительных полос увязывают также с протяжением участка дороги с тем или иным продольным уклоном. Например, при продольном уклоне 30-80‰ максимальная длина участка меняется от 500 до 150 м. При большей длине этих участков необходимо устраивать дополнительные полосы на подъемах. Перед началом подъема требуется, чтобы дополнительная полоса имела длину, равную половине критической длины, т. е. от 250 до 75 м в зависимости от величины продольного уклона.
Дополнительные полосы должны начинаться до начала подъема, чтобы автомобили успели осуществить перестроение, и продолжаться за его концом достаточно далеко, чтобы автомобили могли снова включиться в транспортный поток. В США считают, что в пределах дополнительной полосы проезжей части за подъемом грузовой автомобиль должен увеличить скорость до 50 км/ч. В Англии дополнительную полосу за переломом продольного профиля продолжают на 150 м.
Дополнительные полосы обычно сопрягают с основной проезжей частью треугольным скосом на протяжении 30-75 м или двумя сопрягающимися обратными кривыми.
В местностях с пересеченным рельефом суммарная длина дополнительных полос бывает значительной. Так, например, в Германии на участке автомобильной магистрали Бад–Герсфельд–Вюрцбург на протяжении 144 км потребовалось построить 31 км дополнительных полос на подъемах. В целях экономии их обычно устраивают вместо укрепленных стояночных полос, от которых на подъемах отказываются (рис. 27.19).
Рис. 27.19. Участок автомобильной магистрали с вогнутой вертикальной кривой (с левой стороны стояночная полоса переходит в дополнительную полосу на подъеме; с правой стороны видны переходно-скоростные полосы примыкания)
Эффективность дополнительных полос на подъемах зависит от дисциплины движения по дороге. Тихоходный автомобиль, своевременно не съехавший со своей полосы движения на дополнительную, создает помехи для движения, пока не преодолеет подъем. Поэтому очень важны правильная разметка проезжей части и указатели для водителей. Хотя дополнительные полосы обычно устраивают с внешней стороны покрытия, правильное расположение дополнительной полосы зависит от соотношения между количеством легковых и тяжелых грузовых автомобилей. В Германии были проведены наблюдения, которые привели к выводу, что устройство дополнительной полосы с внешней стороны проезжей части не приводит к существенной разгрузке основных полос проезжей части. Более эффективно в этом случае уширение проезжей части в сторону разделительной полосы, которая перед этим местом предварительно постепенно уширяется. В этом случае на дополнительную полосу уходят более быстрые автомобили. Иногда в отличие от дополнительных полос для медленных видов транспортных средств эти линии называют быстроходными или обгонными (Fast lane, Overtaking lane).
На основании эксперимента было установлено распределение загрузки полос проезжей части при различном расположении дополнительных полос (табл. 27.20).
Таблица 27.20. Распределение загрузки полос проезжей части
| Расположение дополнительной полосы | Процент проезжающих автомобилей | ||
| Дополнительная полоса | Внутренняя полоса | Внешняя полоса | |
| Внешнее | |||
| Внутреннее |
Данные табл. 27.20 дают возможность рекомендовать более смелое применение уширений с внутренней стороны проезжей части.
27.9.12. Вертикальные кривые
Подобно горизонтальным кривым для плана дорог вертикальные кривые становятся основным элементом продольного профиля современных автомобильных магистралей. Длинные затяжные участки с однообразным уклоном перестают удовлетворять требованиям вписывания дорог в рельеф местности.
В связи с этим характерно стремление проектировщиков применять вертикальные кривые возможно больших, допустимых по условиям вписывания в элементы рельефа радиусов. Для лучшей увязки с формами элементов рельефа широко используют составные коробовые кривые.
В технических условиях некоторых стран имеются прямые указания на то, что при проектировании всегда следует стремиться к увеличению радиусов вертикальных кривых, добиваясь лучшего сочетания дороги с местностью.
Минимальные значения радиусов кривых назначают из условия удовлетворения следующих требований:
а) обеспечения необходимой видимости;
б) ограничения центробежного ускорения величиной, обеспечивающей комфортабельность проезда по дороге и уверенность управления. В Беларуси ускорение на вертикальных кривых не должно превышать 0,5 м/с2. Это значение рекомендовано и в нормах Германии и Австрии. Во Франции для дорог с расчетной скоростью более 80 км/ч допускают вертикальное ускорение равным 0,25 м/с2, в Швейцарии принимают 0,30 м/с2, считая 0,5 м/с2 верхним пределом допустимого ускорения;
в) участки вертикальных кривых должны удовлетворять требованиям зрительной плавности – участок с вогнутой вертикальной кривой не должен создавать впечатление провала, а с выпуклой – некрасивого горба в продольном профиле. Это условие удовлетворяется, если тангенсы вертикальных кривых превышают некоторую минимальную величину, определяемую по эмпирической формуле 
, где Т – тангенс вертикальной кривой, м; V – скорость, км/ч.
г) освещение светом фар вогнутых вертикальных кривых на достаточное расстояние при движении ночью. Радиус вогнутой вертикальной кривой должен обеспечить возможность освещения дороги светом фар на полное расстояние видимости из условия торможения перед препятствием. При расчетах принимают фары расположенными на уровне 0,75 м над проезжей частью, а угол раствора пучка лучей фары в вертикальной плоскости – равным 10.
Минимальный радиус выпуклых кривых, применяемый в Беларуси в целом больше, чем во Франции, но меньше, чем в Германии (табл. 27.21). С другой стороны, минимальный радиус вогнутых кривых обычно меньше применяемых во Франции и Германии (табл. 27.22).
Таблица 27.21. Минимальные радиусы выпуклых кривых, м
| Расчетная скорость, км/ч | ||||||||
| Беларусь | ||||||||
| Дания | – | |||||||
| Германия | ||||||||
| Великобритания | – | – | – | – | – | – | – | |
| Франция | ||||||||
| Польша | – | – |
Таблица 27.22. Минимальные радиусы вогнутых кривых, м
| Расчетная скорость, км/ч | ||||||||
| Беларусь | ||||||||
| Дания | – | |||||||
| Германия | ||||||||
| Франция | ||||||||
| Польша | – | – |
27.9.13. Полосы разгона и торможения
Движение автомобилей по магистральным дорогам происходит с постоянной, малоизменяющейся высокой скоростью, большей чем на примыкающих к ним дорогах. Въезжающие на магистраль с малой скоростью автомобили, непосредственно попадая на полосы для транзитного движения, вносят помехи и создают опасность дорожных происшествий. Столь же опасным является внезапное снижение скорости автомобилей перед поворотом на съезды на пересечениях. Поэтому на пересечениях или примыканиях дорог с автомобильными магистралями обязательно устраивают дополнительные полосы проезжей части, на которых автомобили, покидающие магистраль, могут уменьшить скорость до расчетной на съездах, а въезжающие увеличить скорость и без помех влиться в общий поток движения (полосы для разгона или торможения – переходно-скоростные полосы (ПСП), иногда называемые также «скоростными шлюзами»).
Переходно-скоростная полоса для разгона въезжающих на магистраль автомобилей состоит из трех частей:
а) участка увеличения скорости въезжающих автомобилей до скорости транспортного потока на автомобильной дороге;
б) участка включения в поток движения, который автомобиль проезжает с высокой скоростью в ожидании подходящего интервала между автомобилями в потоке движения на магистрали;
в) участка сопряжения переходно-скоростной полосы с основным покрытием, частично используемого и для смены полосы движения.
Из аналогичных элементов состоят и полосы торможения.
На основе опыта проектирования и эксплуатации автомобильных магистралей используется два планировочных решения ПСП (рис. 27.20).
Параллельный тип (рис. 27.20а) обеспечивает наилучшую возможность изменения скорости движения в соответствии с желанием водителя. Однако он наименее экономичен из-за неиспользуемой части покрытия в начале переходно-скоростной полосы. Вкусам водителей, которые предпочитают осуществлять поворот в виде одного маневра, наиболее удовлетворяет «суживающийся» тип (рис. 27.20в) в виде плавной кривой, очерченной по уравнению тормозной переходной кривой. Однако такая планировка переходно-скоростной полосы наиболее опасна. Отдельные водители могут начать торможение перед съездом, еще находясь на основной полосе проезжей части и подвергаясь опасности наезда идущих сзади автомобилей. На участках въездов при плотном транспортном потоке на основной магистрали водитель, не имея места для выжидания приемлемого интервала в транспортном потоке, вынужден включаться в него в неблагоприятных условиях с риском столкновения. Областью применения переходно-скоростных полос этого типа являются дороги с относительно малой интенсивностью движения. В Канаде, например, они допускаются на съездах при количестве съезжающих автомобилей менее 1000 в час «пик». На въездах допускаются оба типа, если суммарная интенсивность транзитных и въезжающих автомобилей менее 1200 в час.
Рис. 27.20. Планировочные решения ПСП: а – параллельная с постоянной шириной; б – параллельная со скосом; в – плавноотклоняющаяся; г – параллельная с постоянной шириной и скосом;
д – плавнопримыкающая
При большей интенсивности на въездах необходимо устраивать две полосы движения.
В пределах ПСП должно происходить плавное изменение скорости. Длину этой части на полосах снижения скорости рассчитывают на замедление 2-3 м/с2. Во Франции принимают эту величину равной 1,5 м/с2, в Германии – 1,4 м/с2, в Англии в зависимости от скорости въезда – 1,8-2,7 м/с2. Протяжение участков разгона определяют исходя из меньших ускорений. В США их принимают от 0,8 до 1,2 м/с2, в Англии – 0,6 м/с2, в Германии – 1,0 м/с2.
Длина участка включения в поток или выхода из него зависит от интенсивности движения. Чем больше движение по автомобильной магистрали, тем длиннее должна быть переходно-скоростная полоса. Участок сопряжения должен обеспечивать постепенность съезда автомобиля с дополнительной полосы на основную проезжую часть под малым углом примыкания, не превышающим 4-5°. Длину его на тормозных полосах принимают, считая, что он должен проезжаться не менее чем за 3-4 с.
ПСП хорошо выполняют свое назначение только при правильном использовании их водителями, так как у некоторых из них имеется тенденция съезжать с проезжей части автомобильной магистрали непосредственно на примыкание, минуя участок изменения скорости. Поэтому начало ПСП следует четко обозначить разметкой, чтобы оно было понятно водителям. В этом отношении при криволинейных полосах место примыкания менее заметно, чем при прямолинейных. Иногда для лучшей фиксации взгляда водителей на начале переходно-скоростной полосы устраивают небольшой уступ проезжей части. Большое значение имеют линии разметки на покрытии, указывающие сочетанием сплошных линий и пунктира правильные места съезда с дороги.
Длина полос разгона в Беларуси, в целом меньше, чем в странах Западной Европы, что и подтверждается приведенными ниже данными (табл. 27.23). Исходя из относительно низких интенсивностей движения в Беларуси, это в некоторой степени оправдано, но с повышением объемов движения этот показатель следует существенно увеличить в соответствии с требованиями стандартов стран ЕС для обеспечения безопасности.
Таблица 27.23. Длина полосы разгона (при уклоне 0‰), м
| Расчетная скорость, км/ч | ||||
| Беларусь | ||||
| Дания | – | |||
| Великобритания | – | |||
| Франция | ||||
| Польша | – |
27.10. Особенности трассирования автомобильных магистралей
Необходимость обеспечения высоких скоростей движения и пропуска без помех интенсивных транспортных потоков предъявляет более высокие требования к выбору трассы автомобильных магистралей и назначению ее элементов по сравнению с трассой обычных автомобильных дорог.
Отдельные неудачные сочетания элементов плана и профиля дороги, участки с недостаточной видимостью и кривые малых радиусов, сравнительно мало отражающиеся на условиях движения по дорогам низших технических категорий, вызывая снижение скорости транспортных потоков, становятся причиной существенного ухудшения экономических показателей автомобильного транспорта и возникновения дорожных происшествий.
Выбор трассы современной автомобильной магистрали требует от проектировщика пространственного представления о будущей дороге в едином ансамбле с окружающей местностью, что сближает его работу, с работой архитектора. Поэтому в проектировании получили широкое распространение методы оценки вариантов по перспективным изображениям дороги и моделям.
При проектировании современной автомобильной магистрали приходится находить экономически обоснованные комплексные решения, учитывающие требования безопасности движения, удобства управления автомобилем и пользования дорогой, не нарушающие при этом интересов населения придорожной полосы, землепользования и охраны природы.
Удовлетворению этих требований способствует соблюдение следующих взаимно связанных принципов:
а) обеспечение постоянной, оптимальной по величине, эмоциональной напряженности водителей при движении по дороге;
б) обеспечение на всем протяжении дороги постоянной расчетной скорости;
в) проектирование трассы дороги как единой плавной пространственной кривой с взаимно увязанными элементами;
г) увязка дороги и дорожных сооружений с ландшафтом;
д) сохранение окружающей среды, в том числе ценных сельскохозяйственных угодий.
Соблюдение указанных требований при проектировании желательно для дорог всех технических категорий. Приложение их к скоростным автомобильным магистралям не имеет особой специфики, за исключением дополнительных особенностей, связанных с наличием двух проезжих частей и разделительной полосы. Однако только желательные для дорог низших типов принципы ландшафтного проектирования становятся обязательными для дорог магистрального типа с высокими интенсивностями движения.
27.11. Особенности проложения трассы автомобильных магистралей
в районе населенных пунктов
Автомобильные магистрали для дальних сообщений связывают обычно между собой крупные населенные пункты.
Статистика движения установила, что чем крупнее населенный пункт, тем больше объем местного движения на примыкающих к нему участках дорог. Зависимость между численностью населения и объемом транзитного движения по данным наблюдений в США, Франции, ФРГ и Англии свидетельствует о том, что для малых населенных пунктов транзитное движение резко преобладает. Проложение дороги через их территорию создает неудобства как для движения, так и для городского населения. Скорости движения на участках, проходящих через населенные пункты, значительно снижаются. В результате этого экономия во времени, достигнутая при поездке между городами по скоростной автомобильной магистрали, теряется в процессе движения по городу.
В планах дорожного строительства всех стран значительное место уделяется строительству обходов населенных пунктов. В Германии намечено вынести дороги высших категорий из всех населенных пунктов, численность населения которых превышает 9000 чел. Технические условия Чехии предусматривают обязательный обход магистральными дорогами всех пунктов с населением менее 25000 чел.
Поэтому автомобильные магистрали, как правило, прокладывают в обход всех населенных пунктов, по отношению к которым движение по автомобильной магистрали является транзитным. К крупным пунктам с населением 25 тыс. жителей и более магистрали приближают и устраивают подъездные пути, удобно сочетающиеся с транспортной сетью городов и дающие возможность быстро проехать в их центральные районы.