b - удаление водителя от внутренней кромки проезжей части;
R - радиус кривой.
Формула (5.2) пригодна и для оценки зрительной плавности участка дороги, не имеющего в закруглении переходной кривой.
Для клотоидной трассы и закругления с переходной кривой:
Р = -0,75S2; (5.4)
q = 0,25S2 - 3bЛA2; (5.5)
Q = (P : 3)3 + (0,5q)2; (5.6)
; (5.7)
2l = у - 0,5S; Sэ = S + 2lк, (5.8)
где S - расстояние от наблюдателя до начала закругления;
bЛ - удаление наблюдателя от ведущей линии;
А - параметр клотоиды;
lk - длина клотоиды от начала кривой до экстремальной точки.
5.2.5. Участок автомагистрали с правильно выбранными сочетаниями элементов плана и продольного профиля воспринимается как зрительно плавный с любого расстояния, если высота глаз водителя над поверхностью рассматриваемой кривой не уменьшается. В связи с этим расстояние, с которого следует оценивать зрительную плавность дороги, особого значения не имеет. В данном случае целесообразно ориентироваться на традиции, сложившиеся в ландшафтном проектировании.
Большая часть рекомендаций по выбору рациональных сочетаний элементов автомагистрали установлена при анализе перспективного изображения дороги с удалением наблюдателя от начала закругления на 50 м. Для такого же удаления рассчитан и график (см. рис. 5.2). Исходя из этого для вычислений по формулам (5.2) - (5.8) рекомендуется S = 50 м.
Радиусы вертикальных вогнутых и выпуклых кривых на автомагистралях имеют большие значения, поэтому на длине 50 м изменение высоты глаз водителя над поверхностью дороги при наличии вертикальных кривых незначительно (менее 0,1 м), что дает возможность во всех случаях использовать критерии зрительной плавности автомагистрали, приведенные в пп. 5.1.8, 5.1.9, 5.2.4.
5.2.6. Зрительная ясность автомагистрали должна быть обеспечена на возможно большем расстоянии. Это в первую очередь относится к участкам с выпуклыми вертикальными кривыми. Согласно требованиям к расстояниям видимости с позиции обеспечения психологической безопасности дороги и оптимального эмоционального напряжения водителя (п. 4.2.7) наименьшее расстояние, с которого должна быть обеспечена зрительная ясность дороги, должно преодолеваться с расчетной скоростью движения не менее чем за 10 с. С этих же позиций видимость направления автомагистрали должна быть обеспечена на расстоянии более 1500 м. При этом следует стремиться, чтобы ограничение видимости направления дороги менее 1500 м в равнинной и слабопересеченной местности по продолжительности не превышало 10 - 15 с при расчетной скорости движения.
5.2.7. Правила выбора параметров геологических элементов дороги и их сочетаний, обеспечивающих зрительную плавность, изложены в книге В.Ф. Бабкова «Ландшафтное проектирование автомобильных дорог» [1] и в ВСН 18-74 Минавтодор РСФСР [11].
5.3. Клотоидное трассирование
5.3.1. На двухполосных автомобильных дорогах переходные кривые выполняют вспомогательную роль - с их помощью сопрягаются прямые и круговые кривые. Длина таких переходных кривых рассчитывается из условия плавного нарастания центробежного ускорения и для кривых радиусом 1000 м не превышает 50 м.
На автомагистралях переходные кривые служат основными элементами трассы, часто заменяя не только прямые, но и круговые кривые. Параметры переходных кривых не рассчитываются, а выбираются с ориентацией на возможности и особенности восприятия водителем и пассажирами перспективного изображения дороги. Эти кривые называют эстетическими и основное условие их выбора - обеспечение зрительной плавности дороги и устранение монотонности движения. Длины переходных кривых на автомагистралях должны превышать длины кривых, рассчитанных только с ориентацией на допустимую скорость нарастания центробежного ускорения.
5.3.2. Для закруглений с радиусами кривизны более 1000 м различия в очертаниях переходных кривых, имеющих уравнение клотоиды, параболы или составленных из дуг окружности, несущественны. Поэтому при трассировании автомагистрали можно использовать любую из переходных кривых, отвечающую условию плавного изменения кривизны линии по всей ее длине. Это обстоятельство позволило развить существующие методы проектирования трассы дороги и применить так называемые сплайн-линии - плавные линии свободных очертаний, укладываемые на плане местности в пределах ширины полосы варьирования с учетом рельефа и охраны среды. Координаты этой линии рассчитывают на ЭВМ, опираясь на заданные характеристики по максимальной кривизне линии и скорости ее нарастания, с использованием цифровой модели местности. Параметры клотоид () выбирают из условия обеспечения безопасности движения, психологической уверенности водителя и обеспечения зрительной плавности дороги.
5.3.3. С точки зрения безопасности движения криволинейная трасса, частным случаем которой является клотоидная трасса, помимо исключения опасности ослепления водителя светом фар встречного автомобиля, имеет еще одно преимущество перед прямолинейной - обеспечение возможности оценки водителем расстояний до встречных и попутных автомобилей и их скоростей движения. Это преимущество обеспечивается наличием в относительном перемещении автомобилей тангенциальной составляющей. Размер этой составляющей определяется кривизной трассы - чем ближе трасса к прямолинейной, тем эта составляющая меньше.
5.3.4. Предельное значение тангенциальной составляющей, обеспечивающее восприятие скорости автомобилей и расстояний на автомагистралях, определяет требования к минимальной кривизне трассы и к максимальным параметрам A клотоид (в метрах):
При различении движения автомобиля Amax ≤ 1200
Для оценки скорости движения попутных автомобилей Aреком = 100 ÷ 1100
Условия восприятия движения автомобилей и расстояний до них при А > 1200 м не отличается от условий на прямолинейной трассе.
5.3.5. Минимальный параметр клотоиды выбирается из условия обеспечения зрительной плавности дороги. Установлено, что зрительная плавность поворота дороги может быть улучшена введением переходной кривой только в случае, если угол между осью абсцисс и касательной к точке сопряжения переходной к круговой кривой превышает 3°. Кроме этого, длина большого тангенса переходной кривой из условия обеспечения зрительной плавности дороги должна быть не менее 100 м. С учетом этих требований минимальные параметры клотоид для разных скоростей движения имеют следующие значения:
Расчетная скорость, км/ч 100 120 140
Минимальный параметр А, м 260 390 517
Для проектирования клотоидной трассы при расчетной скорости движения 120 км/ч рекомендуется A = 390 ÷ 1200 м, а при 140 км/ч - A = 517 ÷ 1200 м.
5.3.6. Клотоидное трассирование предполагает использование не только переходных кривых, но прямых и круговых кривых. При этом необходимо соблюдать следующие условия:
протяженность участков, протрассированных прямыми, не должна превышать 20 % от общей длины дороги, включая и квазипрямые - начальные участки переходных кривых с отклонениями от тангенса менее чем на 0,25 м;
длины прямых и разделяющих их криволинейных участков должны исключать опасность появления монотонных условий движения и должны назначаться: а) для прямых из условия их преодоления со скоростью, соответствующей интенсивности движения 5 %-ной обеспеченности не более чем за 1,5 - 3,5 мин в зависимости от состава транспортного потока, согласно п. 4.2.4; б) для криволинейных участков - преодоление не менее чем за 3 мин с расчетной скоростью движения согласно п. 4.2.6;
общая длина криволинейных участков должна быть не менее 80 % от всей длины дороги, а на долю переходных кривых должно приходиться более 30 % от всей длины дороги;
применение прямых в равнинной степной местности со слабовыраженными формами рельефа логически оправдано, но при этом необходимо ограничивать их длину. В таком рельефе общая протяженность прямых может достигать 50 %. В пересеченном рельефе или при долинном ходе прямые могут быть вообще устранены и заменены переходными или круговыми кривыми радиусом более 4000 м;
при прокладке трассы автомагистрали целесообразно пользоваться гибкими упругими линейками, позволяющими на заданной полосе варьирования получить плавную линию. Эта линия затем должна быть апроксимирована с помощью шаблонов переходными и круговыми кривыми.
5.3.7. При клотоидном трассировании из-за того, что трасса автомагистрали на большем своем протяжении криволинейна, усложняется устройство виража и водоотвода.
С точки зрения технической безопасности движения виражи необходимы на кривых радиусом до 1500 м при скорости 120 км/ч, а при 140 км/ч - до 2000 м. Однако для обеспечения психологической безопасности и зрительной плавности виражи необходимы и при больших радиусах. Практика эксплуатации автомагистралей показывает целесообразность виражей на кривых радиусами до 3000 м. Уклон виража в таких случаях выбирается лишь из условия обеспечения водоотвода.
5.3.8. При клотоидном трассировании вираж следует проектировать лишь на участках с радиусом кривизны менее 3000 м. На остальной части клотоиды применяется двускатный поперечный профиль, поскольку при радиусе кривизны более 3000 м устойчивость автомобиля обеспечивается на обеих сторонах двускатного профиля.
5.3.9. В зависимости от местных условий проложения трассы автомагистрали возможны различные способы устройства виража (см. п. 6.1). Основным остается способ, сохраняющий неизменным положение осей проезжих частей и вращения вокруг них проезжих частей вместе с обочинами. Здесь меняется поперечный профиль разделительной полосы, но с этим приходится мириться, поскольку данный способ позволяет решить водоотвод с внешней проезжей части (лоток устраивается на разделительной полосе), а дополнительные уклоны, вызванные отгоном виража, меньше, чем при других способах.
5.3.10. По соображениям безопасности движения обочинам придается тот же уклон, что и проезжим частям. Грунтовая часть внешней обочины должна иметь круглые очертания с переходом в ее середине к обратному (по сравнению с виражами) уклону. Это необходимо для предотвращения попадания на проезжую часть грязи во время дождя. Данное требование выполняется автоматически при округлении бровки земляного полотна автомагистрали.
5.3.11. Длину отгона виража на автомагистралях выбирают из условия, чтобы дополнительный продольный уклон был не более 3 - 5 ‰. Это обеспечивается на длине отгона 80 - 440 м, а сам участок отгона виража располагается между точкой с радиусом кривизны 4000 - 6000 м и основной кривой.
5.4. Рациональные сочетания элементов плана трассы
5.4.1. Для автомагистралей выбор параметров трассы с ориентацией только на обеспечение технической безопасности движения не гарантирует зрительную ясность и плавность дороги, удобство и безопасность движения. Объяснение этому следует искать не в недостатках действующих норм, а в неудачном выборе и сочетании элементов трассы.
Опытом установлены рациональные сочетания элементов трассы, облегчающие решение задачи обеспечения зрительной ясности и психологической безопасности автомагистрали.
5.4.2. Одно из основных требований, которому должна удовлетворять трасса автомагистрали - обеспечение постоянного скоростного режима транспортного потока. Коэффициент безопасности на автомагистрали должен быть более 0,8. Это требование может удовлетворяться, если радиусы сопрягающихся круговых кривых в плане или параметры сопрягающихся клотоид различаются не более чем в 1,5 раза, т.е. если R1 : R2 ≤ 1 : 1,5 и A1 : A2 ≤ 1 : 1,5.
5.4.3. Опасность для движения по кривым в плане, расположенных после длинных прямых, резко увеличивается, если продолжительность движения по прямой более 1,5 - 3,5 мин (см. п. 4.3). В таких случаях кривая в плане должна быть рассчитана на скорость движения как минимум на 20 км/ч большую, чем расчетная скорость для предшествующего участка:
Расчетная скорость движения, км/ч 100 120 140
Минимальный радиус кривой после прямой длиной более 2 км, м 1500 2000 2500
5.4.4. Между сопрягающимися круговыми кривыми необходимо иметь прямую вставку, достаточную для размещения на ней двух переходных кривых. При этом следует учитывать, что параметры этих переходных кривых значительно превышают минимальные, рассчитанные из условия ограничения нарастания поперечного ускорения, и выбираются с ориентацией на обеспечение зрительной плавности дороги. Рекомендуется выбирать параметр клотоид из условия R : 3 < А < R. Кроме этого, параметр клотоиды должен находиться согласно п. 4.4 в пределах Amin < A < Amax. Если R : 3 < Amin, то принимается A > Amin.
…для размещения двух переходных кривых потребуется прямая вставка, длина которой (в метрах) удовлетворяет условию
2v ≤ Lвст < 10v,
где v - расчетная скорость движения, км/ч.
5.4.5. При использовании переходной кривой в качестве вспомогательного элемента длина должна быть более 1/2 - 2/3 от длины основной круговой кривой, а угол, образованный осью абсцисс к касательной в конце переходной кривой, должен быть более 3°.
5.4.6. При клотоидном трассировании параметры смежных клотоид не должны сильно различаться. Следует стремиться, чтобы сопрягаемые клотоиды имели одинаковые параметры. Если обеспечить это не удается, параметры смежных клотоид выбираются из условия А1 : A2 ≤ 1,5.
5.4.7. Обеспечить зрительную плавность дороги при углах поворота менее 5° очень трудно, поэтому следует избегать поворотов трассы с такими углами. При невозможности устранения такого угла закругление следует проектировать с использованием круговых кривых большого радиуса или двух симметричных переходных кривых:
