Конструкция автомобильных дорог

Изучаемые вопросы:

Элементы конструкции автомобильных дорог

Автомобильную дорогу можно охарактеризовать следующими элементами: планом дороги, продольным и поперечным профилями дороги, конструкциями земляного полотна и дорожной одежды.

План дороги - графическое изображение ее проекций (в пре­делах ширины дорожной полосы) на горизонтальную плоскость, выполненное в уменьшенном масштабе. Ось улицы или дороги, проложенная в натуре на земной по­верхности, называется трассой улицы или дороги. Трасса пред­ставляет собой линию в пространстве, так как имеет не только повороты на земной поверхности, но и подъемы и спуски. Выполненное в определенном масштабе графи­ческое изображение горизонтальной проекции трассы называется планом трассы.

Трассу проектируют в виде плавной линии со взаимной увяз­кой элементов плана, продольного и поперечного профилей между собой и с прилегающей местностью, с оценкой их влияния на условия движения и зрительное восприятие дороги. Для сохранения окружающего ландшафта при проложении до­роги используются принципы ландшафтного проектирования. Ландшафтным проектированием называется проложение дороги на местности, обеспечивающее плавность сопряжения между со­бой элементов трассы и гармоническое сочетание дороги с окру­жающим ландшафтом.

Продольный профиль дороги – это выполненное в определенном масштабе графическое изображение вертикальной проекции оси дороги. Продольный профиль дороги является изображением разреза дороги вертикальной плоскостью, проходящей через ось трассы. Продольный профиль характеризует величину проектных уклонов отдельных участков дороги и расположение её проезжей части относительно естественной поверхности земли. Проектная линия отдельных участков дороги характеризуется продольным уклоном между двумя точками, который определяется отношением разницы высот между началом и окончанием участка дороги к его длине. Величина уклона выражается в процентах, в промилле (тысячных долях) или в относительных единицах. Подъёмы считаются положительными, спуски отрицательными уклонами.

В точ­ках пересечения соседних участков дороги с разными уклонами образу­ются переломы. Различают выпуклые и вогнутые переломы профиля.

При построении продольного профиля дороги или улицы сна­чала вычерчивается линия естественной поверхности земли, ко­торая называется черной линией. Отмет­ки точек проектируемой поверхности называются проектными или красными, а соединяющая их линия проектной или красной ли­нией. Проектная линия показывает положение проектируемой дороги по отношению к поверхности земли. Разность проектных и черных отметок, вычисленная для одной и той же ординаты продольного профиля, называется рабочей отметкой.

Поперечным профилем дороги называется изображение, получен­ное сечением дороги вертикальной плоскостью, перпендикуляр­ной оси дороги. В поперечном профиле дорог вдоль проезжих частей с обеих сторон устраивают грунтовые полосы — обочины. Обочины создают боковой упор для дорожной одежды проез­жей части и используются для временной стоянки автомобилей.

Полоса земли, на которой устраивают проезжую часть и обо­чины, называется земляным полотном. Земляное полотно отделя­ется от прилегающей местности откосами или боковыми канава­ми, которые служат для осушения земляного полотна и отвода поверхностной воды. Важным элементом автомобильной дороги является проезжая часть, которая позволяет беспрепятственно и безопасно двигать­ся транспортным средствам с заданной скоростью.

При поворотах, если радиус круговой кривой ниже нормы, на про­тяжении всего закругления устраивают вираж — круговую кри­вую, имеющую постоянный радиус, а проезжей части и обочи­нам придают общий односкатный поперечный профиль с укло­ном в сторону, обратную действию центробежной силы, — к цен­тру кривой.

Для разделения встречных потоков безрельсовых транспортных средств, отделения транзитных потоков от местного движения и изоляции транспортных и пешеходных потоков устраивают разде­лительные полосы.

Земляное полотно — конструктивная часть дороги, выравнива­ющая неровности рельефа местности, служит основанием для до­рожной одежды. Земляное полотно можно устраивать в насыпях и выемках; к нему относятся устройства и сооружения, предназна­ченные для отвода поверхностных и грунтовых вод. Боковые поверхности земляного полотна, представляющие со­бой наклонные плоскости, называют откосами. Линию пересече­ния поверхности откоса с поверхностью земли для насыпи называ­ют подошвой откоса, а для выемки — верхней бровкой откоса.

Физико-механические и физические свойства грунтов ока­зывают существенное влияние на конструкцию земляного по­лотна, способы производства работ и, в конечном итоге, на стоимость всей автомобильной дороги.

Для возведения земляного полотна используются грунты, которые разделя­ют на четыре основные группы: скальные, добываемые путем разрушения естественных сплошных или трещиноватых скаль­ных массивов; крупнообломочные, залегающие в естествен­ных условиях в виде аллювиальных и делювиальных отложе­ний; песчаные; глинистые.

По своим физико-механическим свойствам грунты, зале­гающие в верхней толще земной коры, подразделяют на: щебенистый грунт, гравелистый грунт, песок, супесь – грунт, глина, суглинок - грунт, растительный грунт. Пригодность грунта для сооружения земляного полотна оп­ределяется его дорожно-строительными свойствами.

Для насыпей применяют грунты, состояние которых под действием природных факторов не изменяется или изменя­ется незначительно, что не влияет на их порочность и устой­чивость в земляном полотне. К таким грунтам относят: скаль­ные неразмягчаемые породы, крупнообломочные, песчаные (кроме мелких и пылеватых), супеси крупные и легкие. Грунты глинистые, мелкие и пылеватые пески, размягчае­мые скальные грунты также пригодны для возведения земля­ного полотна, но при этом необходимо учитывать некоторые ограничения. Кроме грунтов природного происхождения для отсыпки насыпей применяют отходы промышленности: золошлаковые материалы, отвалы горнодобывающей промышленности и др.

Дорожной одеждой называют многослойную конструкцию, уст­раиваемую на проезжей части для удобного и безопасного движе­ния транспортных средств с расчетной скоростью. Слой износа на усовершенствованных покры­тиях капитального типа защищает покрытие от износа. Дорожное покрытие — верхний, наиболее прочный слой до­рожной одежды, непосредственно воспринимающий нагрузку от транспортных средств. Дорожное покрытие может быть одно- и двухслойным. Основание— несущая часть дорожной одежды, устраиваемая из каменных материалов или грунта, укрепленных вяжущим. Основа­ние вместе с дорожным покрытием передает давление от транс­портных средств на расположенные ниже дополнительные слои, а при их отсутствии — непосредственно на грунт земляного полотна. Дополнительные слои располагают между основанием и грун­том земляного полотна. Дополнительный слой оснований может быть дренирующим, выравнивающим, противозаиливающим, морозозащитным. Верхний слой земляного полотна, или подстилающий грунт, представляет собой тщательно уплотненный слой, на котором устраивают дорожную одежду

Все конструкции дорожных одежд принято подразделять по сопротивлению изгибу на жесткие (цементобетонные) и нежест­кие. По конструкции слои дорожной одежды бывают из сыпучих материалов, уплотненных катками и движением транспортных средств, набирающие прочность в результате уплотнения и разви­тия сил трения (расклинки), удерживающих отдельные частицы в слое; из асфальтобетонных и цементобетонных смесей, образую­щих монолит после укладки, уплотнения и твердения; сборные цементобетонные покрытия из плит.

Типы дорожных покрытий регламентированы СНиП 3.06.03— 85 исходя из категории дороги. На дорогах I, II категорий (в ряде случаев III и IV) устраивают усовершенствованные дорожные покрытия капитального типа цементобетонные (монолитные и сборные); асфальтобетонные из смесей, укладываемых в горячем состоянии; мостовые из брус­чатки и мозаики на бетонном или каменном основании; из сме­сей подобранного состава, обработанных битумом, с применением прочного щебня и вязкого битума.

На дорогах III —V категорий при стадийном строительстве и на дорогах II, III категорий устраивают усовершенствованные об­легченные дорожные покрытия: из горячих асфальтобетонных сме­сей, укладываемых в разогретом состоянии (кроме I дорожно-климатической зоны); из холодных асфальтобетонных смесей, укла­дываемых в холодном состоянии; устраиваемые по способу про­питки, полупропитки, смешения на дороге. К усовершенствован­ным облегченным отнесены также дорожные покрытия из проч­ного щебня (не содержащего зерен мельче 5 мм), обработанного битумом (дегтем) в установке, а также способом пропитки или полупропитки; из крупнообломочных материалов (с размером фракций до 40 мм); из песчаных или супесчаных грунтов, обрабо­танных битумной эмульсией с цементом с обязательным устрой­ством поверхностной обработки.

На дорогах IV, V категорий, а при строительстве дорожных одежд в несколько стадий и на дорогах III —V категорий на пер­вой стадии применяют дорожные покрытия переходного типа: ще­беночные, гравийные, шлаковые, не обработанные вяжущим; из грунтов и местных малопрочных каменных материалов, обрабо­танных вяжущими с добавкой или без добавки активных веществ; мостовые из булыжного и колотого камня.

Дорожные покрытия низшего типа устраивают на дорогах V категории и на внутрикарьерных дорогах при стадийном уст­ройстве дорожных одежд и на дорогах IV категории при первой очереди строительства. К дорожным покрытиям низшего типа от­носятся грунты, укрепленные или улучшенные разными местны­ми скелетными материалами, покрытия лежневые, бревенчатые, сплошные и колейные.

Для строительства дорожных одежд автомобильных дорог используются дорожно-строительные материалы, которые в период эксплуатации подвергаются воздействию внешних механических сил и физико-химических факторов окружающей среды. К внешним механическим воздействиям относят ударные и ста­тические нагрузки транспортных средств, механическую ра­боту воды, ветра и другие. Используемые для строительства дорожно-строительные материалы могут быть следующими.

Природные каменные материалы, являясь продуктом ме­ханической переработки горных пород, отличаются от после­дних формой и размерами, а также состоянием поверхности раскола отдельностей. Скальные горные породы с жесткими структурными связя­ми обладают достаточно высокой прочностью и залегают в зем­ной коре в виде массивов или трещиноватых слоев. Обломочные горные породы - рыхлые (сыпучие), состоят из обломков скальных горных пород без прочных связей меж­ду ними и залегают в виде скоплений. В зависимости от назначения и условий, в которых будет работать материал, применяют дробленые материалы (щебень, высевки), а также колотые (бутовый камень, шашку для мо­щения и др.). К природным обломочным горным породам относят валун­ный камень, гравий и песок, которые уже в естественном виде могут быть использованы в строительстве.

Наибольшее применение в дорожном строительстве полу­чили горные породы магматического, осадочного и метамор­фического происхождения. Магматические (изверженные) горные породы по химичес­кому составу характеризуются содержанием, главным обра­зом, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, калия и на­трия. Осадочные горные породы залегают в верхних слоях зем­ной коры. Скальные горные породы осадоч­ного происхождения (известняки, доломиты, гипс, ангидрит, песчаники, конгломераты, брекчии), в отличие от магматичес­ких, в той или иной мере растворимы в воде и снижают свою прочность при водонасыщении, за исключением сцементиро­ванных пород с кремнистым цементом. В дорожном строительстве используют карбонатные (из­вестняки, мел, известняки-ракушечники) и кремнистые (диа­томиты, трепелы, опоки) органогенные осадочные породы. Осадочные породы химического происхождения образова­лись в результате выпадения из растворов химических осад­ков. Наиболее распространенными являются доломиты, магнезиты, известняковые туфы, гипс, ангидрит. Для осадочных пород химического происхождения характерна растворимость в воде и наличие пустот и трещин. К наиболее часто встречающимся в недрах земной коры мета­морфическим породам относят гнейсы, кварциты, мрамор.

К обломочным горным породам или механическим отло­жениям относят продукты выветривания изверженных, мета­морфических или ранее образованных осадочных пород. Раз­личают рыхлые и сцементированные обломочные породы.

По крупности окатанных обломков рыхлые горные породы условно делят на валуны, гальку, гравий, песок.

В дорожном строительстве используют песок природный и дробленый, получаемый путем дробления горных пород. Песок применяют для устройства подстилающих слоев до­рожной одежды, приготовления строительных растворов, цементо- и асфальтобетонов, для устройства дренажей.

Минеральные вяжущие материалы представляют собой обычно порошкообразные вещества, которые после затворения водой способны постепенно переходить из пастообраз­ного состояния в твердое, приобретая свойства камня.

Минеральные вяжущие по характеру твердения делят на две группы:

воздушного твердения, обладающие способностью после затворения водой твердеть в сухой среде (воздушная известь, гипсовые и магнезитовые вяжущие, жидкое стекло);

водного твердения (или гидравлические вяжущие матери­алы), после затворения их водой твердеющие на воздухе и в воде, причем во влажной среде вяжущие приобретают боль­шую прочность.

Представителями этой группы являются це­менты. Гидравлическая известь и романцемент по составу и осо­бенностям процессов твердения занимают как бы промежу­точное место между воздушными и гидравлическими вяжу­щими: после затворения водой, начав твердеть на воздухе, они продолжают твердеть как на воздухе, так и во влажной среде. При дальнейшем твердении во влажной среде они при­обретают большую прочность. В дорожном строительстве известь используют для укреп­ления грунтов, а также в качестве активатора при приготовлении асфальтобетонных смесей.

Портландцемент представляет собой гидравлическое вя­жущее, получаемое тонким помолом цементного клинкера, минеральных добавок и природного гипса. Свойства портландцемента зависят от его минералогичес­кого состава, наличия добавок, а также тонкости помола клин­кера. По этим признакам определяют вид портландцемента (алитовый, белитовый, быстротвердеющий и так далее). По прочности на сжатие портландцементы подразделяют на классы 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

Бетоном называют строительный материал, полученный в результате перемешивания, укладки, уплотнения и затвер­девания рационально рассчитанной смеси щебня (или гра­вия), песка, цемента, воды и добавок. Смесь перечисленных компонентов до затвердевания называют бетонной смесью. Наибольшее распространение в строительстве получил тя­желый бетон. Его применяют для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, пролетных строений и опор мостов, устройства дорожных покрытий и др.

Органические вяжущие материалы. Сырьем для производства органических вяжущих материа­лов являются: нефть, каменный уголь, горючие сланцы. Фрак­ционная разгонка такого сырья дает наряду с ценными про­дуктами - смолообразные остатки. После дополнительной пе­реработки которых получают органические вяжущие.

Битумы бывают природные, нефтяные, сланцевые. Дегти - каменноугольные, торфяные, древесные.

Битумы нефтяные применяются для строительства до­рожных покрытий, гидроизоляционных, кровельных и дру­гих видов работ. В зависимости от назначения нефтепере­рабатывающая промышленность выпускает соответст­вующие по свойствам виды нефтяных битумов. Битумы вязкие применяют в качестве вяжущего материала при строительстве дорожных и аэродромных покрытий. Их из­готавливают из окисленных и неокисленных продуктов пря­мой перегонки нефти или компаундированием этих про­дуктов с экстрактами селективной очистки. Изготовление вязких дорожных нефтяных битумов из крекинг остатков и битумов деасфальтизации без дополнительной перера­ботки не допускается.

Каменноугольные дегти получают в процессе пирогенетической, диструктивной (без или с ограниченным количеством воздуха) перера­ботки каменных и бурых углей. В результате такой перера­ботки получают ряд ценных продуктов, в том числе смолообразные вещества - сырые дегти. В зависимости от вида пере­рабатываемого сырья получают каменноугольные и древес­ные дегти.

По составу и структуре каменноугольные дегти подобны би­тумам, в них входят преимущественно углеводороды арома­тического ряда (производные бензола) и их соединения с кис­лородом, азотом, серой и другими элементами.

Битумными эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость (фаза) в виде мельчайших капель размером 0,1 мкм диспергирована (раздроблена) в другой жидкости (среде), не смешивающейся с ней.

Асфальтобетоном называют материал, который получают после уплотнения асфальтобетонной смеси, приготовленной в смесителях в нагретом состоянии из взятых в определен­ных соотношениях щебня (гравия), песка, минерального по­рошка и битума. Смесь минерального порошка с битумом на­зывают асфальтовым вяжущим. Асфальтобетонные смеси подразделяют на щебеночные, гравийные и песчаные.

Асфальтобетонные смеси в зависимости от вязкости биту­ма и условий применения подразделяют на виды:

горячие - приготовленные с использованием вязких и жид­ких нефтяных и дорожных битумов и применяемые непос­редственно после приготовления с температурой смеси при укладке не ниже 120°С;

холодные - приготавливаемые с использованием жидких нефтяных дорожных битумов, допускаемые к длительному хранению и укладываемые с температурой не ниже 5°С.

Совокупность соору­жений для сбора, задержания, отвода воды от земляного полотна и пропуска ее через полотно составляет систему дорожного водо­отвода. Водой, проникающей в земляное полотно дороги, осуществ­ляется размягчение грунта, сильно снижающее способность зем­ляного полотна к восприятию нагрузок. Для защиты земляного полотна от разрушительного действия поверхностного стока или от капиллярного поднятия грунтовых вод устраивают водоотводные сооружения.

Для отвода поверхностного стока проезжей части и обочинам придают выпуклые очертания. Для ускорения отвода воды от зем­ляного полотна,

устроенного в виде небольшой насыпи, устраи­вают боковые канавы — кюветы. Отвод поверхностных вод, обес­печивающий устойчивость и сохранность земляного полотна ав­томобильных дорог, осуществляется также резервами, нагорны­ми канавами, лотками.

Дренажные устройства предназначены для защиты земляного полотна от действия грунтовых вод и поверхностного стока. Дре­нажные устройства служат для прерывания и преграждения дос­тупа воды к земляному полотну снизу, сбора и отвода поверхно­стного стока с откосов выемки, понижения уровня грунтовых вод в основании земляного полотна, перехвата и отвода грунтовых вод, поступающих к дороге со стороны, а также сброса поверхно­стного стока в местах с необеспеченным отводом.