Проектирование продольного профиля автомобильной дороги

Продольный профиль является одним из основных проектных до­кументов, который показывает: линию фактической поверхности земли и линию проектируемой поверхности дорожного покрытия по оси дороги.

Продольным профилем дороги называют развернутую в плоско­сти чертежа проекцию оси дороги на вертикальную плоскость, изо­браженную в уменьшенном масштабе.

Продольный профиль должен быть вычерчен на миллиметровой бумаге или на чистой бумаге в два цвета (черный и красный) с таблицей-сеткой (боковиком).

Следует помнить, что в правом нижнем углу на листе вычерчивается типовой угловой штамп. Размеры листа должны быть кратными формату А4 и достаточными для размещения всего продольного профиля.

Продольный профиль вычерчивают на миллиметровой бумаге в масштабах [3]

горизонтальный 1:5 000

вертикальный  1:500

грунтовый разрез 1:100

Отношение масштабов горизонтального к вертикальному во всех случаях принимают 1:10. Построение профиля начинают с сетки. Наименование граф сетки указаны в чертеже (Приложение 10).

Нанесение грунтового профиля

Грунтово-геологический разрез наносят на продольный профиль по данным геолого-почвенных обследований. Разрез характеризуется шурфами, шурфо-скважинами, скважинами, закладываемыми при технических изысканиях в характерных местах.

Шурф - столбообразная вертикальная или наклонная выработка (малого сечения и небольшой глубины), предназначенная для обследования почвенно-грунтовых слоев и разведки полезных ископаемых при инженерных изысканиях или производства взрывных работ в промышленных каменных карьерах. 

Шурфы длиной 1,0-2,5 м закладывают на всех характерных элементах рельефа (верхняя, средняя и нижняя части склона, плато, понижение) и в местах смены растительного покрова. Как правило, шурфы следует закладывать не реже чем через 500-700 м.     

Скважина - столбообразная вертикальная или наклонная выработка (малого круглого сечения большой глубины), предназначенная для обследования почвенно-грунтовых слоев, уровня грунтовых вод и разведки полезных ископаемых при инженерных изысканиях или производства взрывных работ в промышленных каменных карьерах. Скважины закладывают в местах проектирования искусственных сооружений – до материковых пород, в выемках на 2 м ниже предполагаемого дна выемки, под высокими насыпями и т.д.

При небольшой глубине до 3-4 м предпочтительно закладывать шурфо-скважину. 

Для нанесения грунтового профиля вычерчивают линию на 2 см ниже и параллельно профилю поверхности земли. Шурфы на профиле показывают колонкой шириной 6 мм с штриховкой каждой геологической разности условными обозначениями (прил. 5), скважина - 2 мм. Вертикальный масштаб 1:50. Если глубина скважины не размещается в пределах грунтового разреза, ее показывают с разрывом.        

 Между горизонтами прямыми линиями очерчивают границы грунтов, с указанием их наименования и категории по трудности разработки. Низ шурфов и скважин соединяют пунктирной линией. Шурфы и скважины нумеруют раздельно и с правой стороны указывают глубины каждого грунтово-почвенного горизонта от поверхности земли. 

При учебном курсовом проектировании грунтово-геологический разрез наносят, исходя из почвенно-геологической характеристики района проектирования, согласно заданию на проектирование и указаний руководителя проекта.

К числу основных исходных данных, необходимых для нанесения проектной линии на продольном профиле относятся:

 - максимально допустимый продольный уклон;

- минимальные радиусы вертикальных выпуклых и вогнутых кривых;

- контрольные (фиксированные) отметки;

- руководящая (рекомендуемая) рабочая отметка.

К контрольным относят отметки:

а) бровок насыпей около моста;

б) бровок земляного полотна над трубами; 

в) настилов путепроводов при пересечении железных и автомобильных дорог в разных уровнях, определенные из условий соблюдения габаритных размеров и размещения конструктивной высоты пролетного строения путепровода; 

г) головок рельсов и оси проезжей части железных и автомобильных дорог (пересекаемых в одном уровне) более высокой категории, чем проектируемая дорога; 

д) оси дорожных покрытий в населенных пунктах; 

е) въездов во дворы и входов в строения.

Ниже отметок контрольных точек, в трех последних случаях, указанных в пунктах «г», «д» и «е», и выше их, нельзя наносить проектную линию, исключением является случай углубления русла. Среди исходных данных для проектирования земляного полотна в продольном профиле очень важное значение имеет правильный выбор величины рекомендуемой рабочей отметки.

Определение величины рекомендуемой рабочей отметки

При проектировании продольного профиля в равнинной и слабохолмистой местности в первую очередь следует обеспечить оптимальные условия для последующей эксплуатации дороги. Этим целям лучше всего отвечают насыпи с достаточным возвышением бровки земляного полотна.  

Рекомендуемую рабочую отметку насыпи назначают в зависимости от почвенно-грунтовых, гидрологических и климатических условий. Возвышение бровки над поверхностью земли должно быть достаточным для обеспечения просыхания грунта земляного полотна в климатических условиях района проложения дороги. 

Главными факторами, влияющими на величину рекомендуемой рабочей отметки, являются:

- тип местности по характеру и степени увлажнения поверхностными и грунтовыми водами;

- климатическая зона;

- род грунта;

- средняя многолетняя толщина снежного покрова;

- предполагаемая толщина дорожной одежды;

- категория дороги. 

Последний фактор в значительной степени влияет на отклонения от рекомендуемой рабочей отметки. Чем выше категория дороги, тем большими могут быть отклонения (в большую сторону). 

Различают следующие типы местности по характеру и степени увлажнения:

1-й тип – сухие места без избыточного увлажнения (поверхностный сток обеспечен);

2-й тип – сырые места с избыточным увлажнением в отдельные периоды года;

3-й тип – мокрые места с постоянным избыточным увлажнением.

Климатическую зону определяют по карте дорожно-климатического районирования территории России. 

 Минимальную высоту насыпей определяют с учетом требований:

 1) минимального допустимого превышения дна корыта над поверхностью земли и над расчетным уровнем грунтовых и поверхностных вод;

2) предохранения дороги от заносов и удобства снегоборьбы. 

Из этих двух определений в расчет принимается большая высота. При проектировании дороги 1-го типа высота насыпи должна быть не менее толщины дорожной одежды, с расположением низа дорожной одежды не ниже поверхности земли с обеспечением надежного отвода воды от земляного полотна и основания проезжей части.

 Возвышение низа дорожной одежды над расчетным уровнем грунтовых вод или длительно стоящих (более 20 суток) поверхностных вод на сырых и мокрых местах, т. е. 2-го и 3-го типов местности, не должно быть менее указанного (табл. 5 и 6). 

 Расчетный уровень грунтовых вод принимают на верхней линии высшей зоны оглеения почвенных грунтов или высшему установленному уровню грунтовых вод, когда последний превышает горизонт оглеения. 

При учебном проектировании по топографическим картам глубину залегания грунтовых вод и другие данные о гидрологических и дорожно-климатических условиях района проложения трассы указывают в задании или условие принимается по данным энциклопедического словаря, при установлении величины руководящей рабочей отметки необходимо знать толщину дорожной одежды, которой предварительно можно задаться. 

 

Таблица 5 - Наименьшее возвышение низа дорожной одежды над расчетным уровнем грунтовых вод или уровнем длительного (более 20 суток) стояния поверхностных вод

 

В проекте рекомендуемая рабочая отметка (руководящая) определяется по трем условиям:

1. По незаносимости дороги снегом (по формуле 10):

 

Нрек =Нсн +∆

(10)

 

Нсн- толщина снежного покрова, устанавливается по СП 34.13330;

∆-запас над снежным покровом устанавливается в зависимости от категории автомобильной дороги по СП 34.13330.

2. По возвышению поверхности покрытия над грунтовыми водами (по формуле 11):

 

Нрек = Нугв -hугв – bоб × iоб

(11)

 

Н_угв – это требуемое возвышение поверхности покрытия дороги над УГВ, устанавливается по СП 34.13330 в зависимости от вида грунта и дорожно-климатической зоны (по числителю);

h_угв -глубина залегания грунтовых вод (УГВ) на участке проектируемой трассы (по заданию);

b_об - ширина обочины, м;         

i_об – поперечный уклон обочин, в тысячных.

 3. По возвышению дорожного покрытия над уровнем поверхностных вод (по формуле 12).

 

Нрек = Нупв + hупв – bоб × iоб

(12)

 

Н_упв – требуемое возвышение поверхности покрытия дороги над уровнем поверхностных вод (УПВ) на участке проектируемой трассы, устанавливается по СП 34.13330в зависимости от грунта (по знаменателю). 

h_упв -глубина поверхностных вод на участке проектируемой трассы, определяется в период проведения изыскательских работ.

Проектная линия в разных условиях рельефа

Продольный профиль проектируют в виде плавной линии, состоящей из прямолинейных участков и вертикальных кривых. Проектирование продольного профиля заключается в нанесении проектной линии и вычислении проектных и рабочих отметок точек. 

Проектировать нужно с учетом обеспечения:

 а) устойчивости земляного полотна и дорожной одежды в течение круглого года при любых изменениях температуры и погодных условий;

б) наименьшей строительной стоимости дороги; 

в) удобства и безопасности движения автомобилей с наименьшей стоимостью перевозок.   

Таблица 6 - Наименьшее возвышение низа дорожной одежды над поверхностью земли на участках с необеспеченным поверхностным стоком

Обеспечение всех этих условий представляет сложную задачу и требует комплексного решения. Положение проектной линии находят, рассматривая наиболее рациональные варианты.

Ввиду большого разнообразия природных условий нельзя дать заранее установленные решения по проектированию продольного профиля. Отметки проектной линии – это обычно отметки бровки земляного полотна проектируемой дороги.

При проектировании подзорного или бортового профиля (в населенных пунктах или на промышленных площадках) проектные отметки относят к дну лотка.

При проектировании реконструкции дорог и при проектировании городских дорог проектная отметка относится к оси дороги. 

На продольный профиль можно наносить проектную линию по обертывающей и по секущей. Во всех случаях проектирования нужно добиваться, чтобы дорога вписывалась в местность не нарушая ландшафта; необходимо также, по возможности, избегать устройства высоких насыпей и глубоких выемок, особенно для дорог низших технических категорий (IV, V категория). 

Обертывающая проектная линия обычно предпочтительнее секущей, так как при этом не только объемы работ меньше, но и земляное полотно в небольших насыпях более устойчиво, уклон откосов может быть принят 1:3 и положе, что способствует безопасности движения. Водоотвод может быть обеспечен планировкой придорожной полосы. Однако в пересеченной местности при обертывающей проектировке могут возникнуть места, где видимость обеспечена на меньшее расстояние, что затрудняет обгон и снижает безопасность при движении на высоких скоростях.

Поэтому при проектировании скоростных магистралей и магистральных дорог II категории чаще применяют проектирование секущей линии, а при проектировании дорог местного значения большей частью применяют обертывающую линию. 

Проектирование по обертывающей заключается в том, что проектную линию наносят, следуя основным изгибам поверхности земли, с соблюдением рекомендуемых рабочих отметок и уклонов, но не выше максимально допустимых для дороги данной категории. Такое земляное полотно будет наиболее устойчиво под действием местных природных факторов, и потребует минимума земляных работ. Кроме того, проектированием по обертывающей создаются наиболее благоприятные условия для механизированного возведения земляного полотна.

Метод проектирования по обертывающей применим только в особо благоприятных грунтовых и гидрологических условиях (например, в южных степных районах). Для дорог низшей категории (IV, V категорий) в этих условиях проектную линию следует вести в насыпях высотой 0,3-0,5 м. 

При проектировании по обертывающей отклонение проектной линии от рекомендуемой рабочей отметки допускают:

1) в местах пересечения с железными дорогами в одном уровне, где согласно требованиям СП 34.13330, проектная линия должна пройти горизонтально на уровне головок рельса, а длина горизонтальной площадки должна быть такой, чтобы расстояние от крайнего рельса до начала вертикальной кривой, сопрягающей площадку со смежным уклонном, было не менее 10м при расположении переезда насыпи и 20 м – выемке;

2) в местах пересечения с автомобильной дорогой высшей категории в одном уровне. Проектная линия пересекающей дороги должна быть проведена с продольным уклоном, равным поперечному уклону проезжей части пересекаемой дороги; при этом должна быть обеспеченна видимость поверхности дороги по установленным нормам и в соответствии с категориями пересекающихся дорог;

3) на участках местности, изрезанной оврагами, ложбинами, небольшими возвышениями;

4) на подходах к искусственным сооружениям;

5) при пересечении влажных и заболоченных впадин, где для предохранения полотна от грунтовых и поверхностных вод проектируют повышенную насыпь.

В условиях равнинного и слабохолмистого рельефа проектирование по обертывающей в сочетании с трассированием в плане и вписываем в элементы рельефы позволяет получить хорошо осушаемое земляное полотно. При таком смягчения продольного уклона и уменьшения объема земляных работ земляное полотно проектируют в выемках.

В равнинной местности с затяжными площадками, при пересечении болот, имеющих поверхность, близкую к горизонтальной, проектную линию наносят горизонтально, а рабочую отметку назначают с учетом предохранения полотна от действия воды.

При нулевых отметках и малых насыпях длинные горизонтальные участки проектировать не рекомендуется. Если уклоны поверхности земли не превосходят назначенные предельные для данной дороги, проектную линию можно наносить параллельно поверхности земли, вписываясь в рельеф местности.

По возможности следует избегать в продольном профиле частых переломов проектной линии, т.е. не проектировать пилообразный профиль. Наилучшим является продольный профиль с пологими, достаточно длинными уклонами.

Расстояние между переломами проектной линии продольного профиля называют шагом проектирования. В пересеченной местности плавность проектной линии обеспечивают выбором такого шага проектирования, который позволяет разместить тангенсы чередующихся вертикальных кривых с радиусами не менее минимальных, установленных требованиями СП 34.13330 для категории проектируемой дороги.  

При наличии косогорности, которая может быть установлена по горизонталям топографической карты (если трасса проходит параллельно или под углом к густо расположенным горизонталям), положение проектной линии, рабочие отметки определяют по поперечникам обычно с приблизительным равенством объемов полувыемки и насыпи). Можно также определять и по равенству их площадей. 

В условиях холмистого, сильно пересеченного рельефа более рационально наносить проектную линию по секущей, с чередующимися выемками и насыпями. При проектировании по секущей взаимное расположение насыпей и выемок устанавливают из условий наилучшего распределения земляных масс, устойчивости земляного полотна, а также с учетом наиболее эффективного производства строительных работ. Так как при равных рабочих отметках площадь поперечного сечения выемки значительно превышает площадь сечения насыпи, проектную линию необходимо нанести вначале ориентировочно так, чтобы при оценке на глаз площадь участка выемки в продольном профиле была примерно на 25-30% меньше площади чередующейся насыпи. Объемы насыпей и выемок примерно будут равновелики.

Для обеспечения водоотвода проектную линию в выемке наносят с уклоном не менее 5‰ (лучше не менее 10‰), проектирование горизонтальных участков в выемках не допускается. Не рекомендуется пропускать воду из кюветов или кюветов-резервов насыпи по кюветам выемки, за исключением коротких выемок длиной до 100 м.

На уклонах перед выемкой желательно предусмотреть водосборные канавы. Переломы проектной линии в продольном профиле при алгебраической разности уклона 5‰ и более на дорогах I и II категорий, 10‰ и более на дорогах III категории и 20‰ на дорогах IV и V категорий следует сопрягать вертикальными кривыми, радиусы которых принимаются согласно СП 34.13330. Необходимо избегать резких переломов профиля от одних уклонов к другим, а также применения кривых малого радиуса между длинными прямыми и короткими прямыми вставками между смежными кривыми большого радиуса. Применения кривых малых радиусов в конце затяжных спусков, не следует допускать.

В горной и пересеченной местности на участках кривых в плане с малыми радиусами небольшие продольные уклоны уменьшают по сравнению с нормами.

При современной механизации земляных работ к увеличению продольных уклонов против норм следует прибегать в исключительных случаях и при надлежащем технико-экономическом обосновании. Для ясно выраженного грузового направления нужно применять меньшие подъемы, обеспечивающие безопасность движения и устойчивость откосов земляного полотна.

На дорогах горной местности при затяжных продольных уклонах величиной более 60‰ через каждые 2-3 км рекомендуется предусматривать места с уменьшенными продольными уклонами (до 20‰ и менее), Участки или площадки для остановок располагают у источников воды и в живописных местах.

 

Проектная линия на пересечении водотоков

При проектировании участков дорог со сложными дорогостоящими и искусственными сооружениями (мосты, путепроводы, виадуки, эстакады и т.п.) места расположения сооружений и проложений дороги на местности выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов. Согласно СП 34.13330 малые и средние мосты, а также трубы под насыпями разрешается располагать при любых сочетаниях элементах профиля и плана. 

Продольные уклоны на мостах, у которых проезжая часть такая же как на дорогах могут быть назначены те же, какие приняты для данной категории дороги; исключение представляют деревянные настилы, продольный уклон на которых следует ограничить 20‰ при продольной укладке досок и 30‰ при поперечной укладке досок.         

Над трубами расположение проектной линии может быть любое, главное в данном случае – соблюдение требуемой минимальной отметки бровки насыпи (контрольной отметки). При очень пологих склонах лога для понижения бровки насыпи трубу рекомендуется заглубить, если уклон лога ниже сооружения позволит отвести воду по водоотводной канаве. Величина заглубления определяется условиями проектирования продольного профиля, но не должна быть более половины высоты трубы. 

Отметки бровки насыпей у мостов и над трубами определяют расчетом, и они являются контрольными (фиксированными) точками при нанесении проектной линии. Положение проектной линии на подходах к искусственным сооружениям должно обеспечивать их незатопляемость. На поймах высоту насыпи назначают с учетом уровня подпертого горизонта. 

На больших реках, где при паводках заливаются большие пространства и возможно образование волны, отметку бровки насыпи следует назначать из расчета возвышения над уровнем волны.

На судоходных реках возвышение принимается от расчетного судоходного габарита в зависимости от класса внутреннего водного пути в соответствии с нормами проектирования подмостовых габаритов на судоходных и сплавных реках и основными требованиями к расположению мостов.

Возвышение проезжей части над подходами неизбежно, так как иначе насыпи получились бы очень высокими. Для плавности въезда на мост уклон подходов принимают не более 30‰, а между концом подъема и началом моста вводят горизонтальную площадку, достаточную для размещения тангенсов вертикальных кривых.         

При пересечении дорог в разных уровнях высота насыпи у путепроводов и отметка его проезжей части определяется высотой габарита, установленного для пересекаемой дороги, и конструктивной высоты пролетного строения. Согласно СП 46.13330 «Мосты и трубы», высота габарита в зависимости от материала и типа подвижного состава при пересечениях принимаются на железной дороге - 6,5 - 7,0 м, автомобильной - 4,5 м, на скотопрогонах – 2,5 м.

 

Проектирование вертикальных кривых

 Для обеспечения плавности движения и видимости в продольном профиле на переломах проектной линии необходимо предусматривать вертикальные кривые. Вертикальные кривые должны вписываться в местах переломов проектной линии в продольном профиле при алгебраической разности уклонов 5‰  и более на дорогах I, II и III категорий и 10‰ и более на дорогах IV и V категорий.

 С целью повышения плавности движения, радиусы вертикальных кривых нужно принимать возможно большими. При малой разности сопрягаемых уклонов величины вертикальных радиусов кривых нужно увеличивать с таким расчетом, чтобы длины вертикальных кривых были не менее 20 м, а величины биссектрисы – не менее 5 мм.

Элементы вертикальных кривых определяют (в м) по специальным таблицам, опубликованные Н.М. Антоновым, и формулам (13 – 15):

 

 тангенс     

(13)

                                                  

длина кривой             

 

К = 2Т

(14)

 

биссектриса  

Б =

(15)

 

                   

где R – принятый радиус вертикальной кривой, м;   

i₁ – i₂ – выраженная разность уклонов, выраженных в тысячных.

 

 

 

 

Рисунок 1 -  Вертикальные кривые

Уклоны на подъемах считают со знаком плюс, а на спусках – со знаком минус.

При одноименных уклонах проектной линии алгебраическая разность на спусках (рис. 1, а) и подъемах (рис. 2, б) равна разности смежных уклонов, т.е.:

в первом случае i ₁ – (- i ₂) = i ₂ - i ₁;           

во втором случае i ₁ – (+ i ₂) = i ₁ – i ₂

При разноименных уклонах алгебраическая разность их для вогнутых (рис.1, в) и выпуклы (рис.1, г) кривых равна сумме смежных уклонов проектной линии.

В настоящее время применяют два метода проектирования продольного профиля, которые заключаются в нанесении: 

1) сопрягающихся прямых участков проектной линии с последующим вписыванием в их переломы вертикальных кривых и вычислением поправок к рабочим отметкам, найденным по тангенсам; 

2) вертикальных кривых, сопрягающихся друг с другом или, имеющих прямые вставки, при этом сразу вычисляют отметками проектной линии (метод опубликованный Н.М. Антоновым. В связи с резким увеличением (в 2,5 раза) минимальных радиусов вертикальных кривых первый метод имеет ограниченное применение — только в равнинной, реже в слабохолмистой местности. Второй метод применяется во всех проектных организациях. 

При проектировании по тангенсам (касательным) вертикальные кривые в продольном профиле не разбивают, а проектные отметки и уклоны вычисляют для тангенсов, вертикальных кривых без учета устройства вертикальных кривых. Вертикальные кривые имеют восходящие и нисходящие ветви (рис.2). 

 

 

Рисунок 2 - Виды вертикальных кривых: а – выпуклая; б – вогнутая

 

По восходящей ветви все касательные имеют положительный уклон, а по нисходящей ветви - отрицательный. В точке вертикальной кривой, глее восходящая ветвь, переходит в нисходящую (на выпуклых кривых) или наоборот (на вогнутых) – касательная горизонтальна и уклон ее равен нулю.

Оформление продольного профиля

Все линии построения (непроектные) продольного профиля, ординаты продольного профиля, линия поверхности земли, грунтовой разрез, линия сетки – вычерчивают черной тушью (по указанию руководителя проекта), проектная линия и все линии других проектных данных – жирной или красной тушью).

Размеры (по высоте) цифр отметок земли по оси на пикетах, по бровке земляного полотна на переломах обычно составляют 3 мм, всех промежуточных – 2 мм, цифр километража – 5 мм, рабочих отметок – 2 мм. При большой густоте плюсовые отметки располагают в шахматном порядке в промежутках между пикетными отметками или делают выноски.

Рабочие отметки с точностью до 1 см надписывают на расстоянии 0,5 см от проектной линии. Отметки оси земли, полученные интерполяцией, заключают в скобки. Пикетаж в продольном профиле дают нарастающим числом с нумерацией между километрами от 0 до 9. На коротких участках можно давать нумерацию пикетажа сквозную.

Все над профильные надписи: искусственные сооружения, репера, съезды и переезды, нагорные канавы, водосборы должны быть изображены в условных знаках и подписаны красным цветом.

У проектируемых водопропускных сооружений (мостов, труб) указывают уровень ГПВ и ГВВ (ГПВ - горизонт паводковых вод), (ГВВ – горизонт высоких вод), диамерты и размеры сооружения тоже красным цветом.  

В конце профиля помещают штамп.

При вычерчивании продольного профиля курсового проекта используют два цвета (черный и красный):

красным цветом оформляют рабочие отметки, проектную линию, вертикальные кривые и их элементы, искусственные сооружения, развернутый план трассы, проектные уклоны, проектные отметки, длины прямых и кривых, километровые знаки, проектные отметки кюветов и их уклоны, обозначения НК и КК, тип принятых поперечных профилей земляного полотна; 

все остальные данные наносят черным цветом.