безопасность проезда закругления дороги

БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОЕЗДА ЗАКРУГЛЕНИЯ ДОРОГИ:
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СТРОИТЕЛЬСТВО, ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Д.Д. СЕЛЮКОВ, к.т.н., доцент, г. Минск Совершенствование норм проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог
неразрывно связано с удовлетворением потребностей экономики страны и населения в транспортных
услугах. При оказании транспортных услуг необходимо обеспечить эффективность перевозок и
безопасность движения.
АВАРИЙНОСТЬ И ОПАСНОСТЬ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ЗАКРУГЛЕНИЮ ДОРОГИ Кривые в плане по данным ряда исследователей являются ежегодно местом сосредоточения от 10
до 31,6 % дорожно-транспортных происшествий, причем закругления на спуске дороги опаснее, чем
горизонтальные кривые (рис. 1).
Число ДТП/1 млн. авт.-км пробега
2,5
2
1,5
1
0,5
0
700
1500
2500
3500
более 4000
Радиус закругления, м
Продольный уклон от 0 до 20 %о
Продольный уклон от 20 до 40 %о
Продольный уклон от 40 до 60 %о
Продольный уклон от 60 до 80%о
Рис. 1. Зависимость относительной аварийности от радиуса и продольного уклона закругления на спуске
(по данным Ф. Битцля [2, с. 69, табл. 3.5])
Причина ДТП на закруглении дороги может быть связана с разными факторами. В одних случаях с
недостаточным обоснованием норм проектирования закругления дороги требованиям безопасности
движения. Юридическая ответственность за травматизм в дорожном движении из-за недостатков в
проектировании дорог и содержании дорог в безопасном для движения состоянии в законодательстве
одних стран оговорена, в других – частично, а в третьих странах – отсутствует вовсе1. Включение или не
включение вопросов в законодательство продиктовано необходимостью обеспечения интересов
причастных сторон к безопасности дорожного движения на закруглениях дороги. Законодательство в
Республике Беларусь предусматривает только ответственность за недостатки при строительстве и
содержании автомобильных дорог и улиц в безопасном для движения состоянии.
В других случаях аварийность на закруглении связана с отклонениями от проекта при его выноске.
«В пределах круговой кривой радиус нередко изменяется 5–10 раз», – указывает В.В. Столяров [1, с. 8-9].
Это наблюдается и на дорогах Республики Беларусь. Причиной аварий, в третьих случаях, может стать и
эксплуатационное состояние (сцепные качества и ровность поверхности дорожного покрытия, организация
дорожного движения и др.), не отвечающее требованиям безопасности движения [2, с.70-71; 2–4].
1
См. подраздел «Юридическая ответственность за качество проектирование дорог в соответствии с законодательством». Справочник по
безопасности дорожного движения. Осло–Москва–Хельсинки, 2001.
В-четвертых, в случае превышения сдвигающих сил над удерживающей силой, что вызывает при
определенных условиях скольжение транспортного средства в направлении результирующей силы.
Такими условиями являются: снижение коэффициента сцепления в результате выпотевания битума,
розлива горюче-смазочных материалов, битумной эмульсии и др., или отсутствие ограничения скорости
движения перед закруглением на спуске дороги (рис. 2).
Место опрокидывания автомобиля
и остатки извести
Место начала следов юза (2-я стойка ограждения)
Участок дороги со спуском, кривой в
плане и вертикальной вогнутой кривой
Направление движения автомобиля
Подъем на кривой в плане и
вертикальная вогнутая кривая
перед мостом
Рис. 2. Вид закругления дороги в месте ДТП:
- радиус кривой в плане 330 м, а в техническом паспорте дороги указан радиус 1056 м;
- продольный уклон фактически равен 69 ‰, а в техническом паспорте дороги указан 4 ‰;
- радиус вертикальной вогнутой кривой 625 м, в техническом паспорте дороги не указан;
- дорожный знак 3.24.1 отсутствует на месте и не указан в проекте организации дорожного движения;
- просвет под 3-метровой рейкой на расстоянии 1 м от моста при въезде на мост для левой полосы
наката 9,5 мм и правой 6,5 мм, а при выезде с моста для левой полосы наката – 49 мм, правой – 31 мм
В-пятых, причиной аварий может стать застой дождевой воды слоем различной толщины и площади на
участке отгона виража с нулевым поперечным уклоном и малым продольным уклоном оси дороги, что
вызывает при определенных условиях аквапланирование (рис. 3).
Нулевой поперечный уклон
Направление движения
Контуры границы застоя воды на отгоне виража
а)
Щуп
б)
5,7 мм толщина слоя застоя воды на поверхности дорожного покрытия
Рис. 3. Общий вид отгона виража в месте нулевого поперечного уклона с застоем дождевой воды: а – определение
контуров границы застоя дождевой воды на участке отгона виража; б – определение толщины слоя воды при
помощи измерительного клина дорожной рейки «РДУ–Кондор»
По указанным выше пяти причинам закругление дороги для водителей является опасным участком
движения и становится при определенных условиях местом концентрации ДТП. А это является главным
основанием необходимости пересмотра норм проектирования.
АНАЛИЗ НОРМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗАКРУГЛЕНИЯ ДОРОГИ
Первое упоминание в России о нормах проектирования закругления гужевых дорог относится к 1881 г. О
нормах того времени свидетельствуют правила «О производстве изысканий и составлении проектов
подъездных дорог» в Сборнике правительственных распоряжений по управлению шоссейными и водными
сообщениями с 1834 по 1894 г. [3, с. 211]. В первых нормах проектирования гужевых дорог минимальный
радиус кривой в плане назначали 16 саженей (34,14 м). В технических условиях 1889 г. радиус кривой в
плане при учете специфических требований военного транспорта был увеличен до 20 саженей (42,68 м).
Наибольшее развитие и практическое применение среди подходов по обоснованию минимального
радиуса и других параметров закругления дороги получил технический подход. Он связан с развитием в
стране автомобильной промышленности и движению автомобилей по гужевым дорогам. В 1938 г. А.В.
Макаровым проведены глубокие теоретические и экспериментальные исследования проблемы обеспечения
безопасности движения по кривым в плане [4]. Базируясь на исследованиях Н.Е. Жуковского [5] и
академика Е.А. Чудакова [6, с. 188–222], посвященных боковой устойчивости автомобиля на кривой в плане,
вначале Г.Д. Дубелир [7, 8], а затем А.В. Макаров предложили формулы по определению радиуса кривой в
плане:
R=
v2
g ( μ + iв ) ,
v2
R=
,
g (ϕ 2 + iв )
где
(1)
(2)
R – радиус кривой в плане, м;
v – скорость движения транспортного средства, м/c;
g – ускорение свободного падения, g =9,81 м/с2;
μ – коэффициент поперечной силы, представляющий отношение поперечной силы к весу
транспортного средства;
iв – поперечный уклон виража, доли единицы;
ϕ 2 – коэффициент поперечного сцепления, доли единицы.
Эти формулы применяют до настоящего времени при определении радиуса закругления, причем
независимо от того, размещено ли закругление на спуске, подъеме или горизонтальном участке [9, с. 9-10,
табл.8,10; 10, с. 8-10, табл. 7–9]. Формулы являются уравнениями с тремя неизвестными (R,V,µ+iв или
R,V,φ2+iв). Все решения их представляют плоскость, которая пересекает оси координат в точках R,V,µ+iв или
R,V,φ2+iв. Кроме того, аргументы (V, µ и φ2) в формулах 1 и 2 сами являются функциями, зависящими от
элементов и связей биомеханической функциональной системы: водитель–транспортное средство–условия
дорожного движения (В–ТС–УДД).
Формула 1 отражает в значении µ требуемый коэффициент сцепления, а формула 2 в значении φ2 –
поперечную составляющую фактического общего коэффициента сцепления. Термин «требуемый
коэффициент сцепления» в данном случае применяется в смысле требуемого для качения при любом
режиме нагружения ведущего колеса без проскальзывания. Продольная и поперечная силы действуют на
автомобиль одновременно. Деление на продольную и поперечную составляющие коэффициента сцепления
условно и зависит от величины продольной и поперечной силы, действующей в зоне контакта протектора
шины с опорной поверхностью.
Приборы по измерению поперечной составляющей фактического коэффициента сцепления
отсутствуют. Нормативы регламентируют измерение продольной составляющей коэффициента сцепления
прибором ПКРС-2у только в режиме торможения при скорости 60 км/ч и влажном состоянии покрытия.
При движении на автомобиль всегда действуют боковые силы, которые возникают при маневрировании,
боковом ветре, при прямолинейном движении по полосе «динамического габарита», при нарушении
геометрии ходовой части автомобиля, неравномерности тормозных сил по сторонам, асимметричности
шин, неправильной установке передних колес, при езде колес по выбоинам и др.
Прямая связь взаимодействия в биомеханической системе В–ТС–УДД «транспортного средства» с
«условиями дорожного движения» отражается в требуемом, фактическом и реализуемом коэффициенте
сцепления колеса транспортного средства с опорной поверхностью. Под коэффициентом сцепления мы
понимаем отношение предельной суммы продольных и поперечных сил, действующих в плоскости
контакта колеса транспортного средства с поверхностью дорожного покрытия, к нормальной силе,
передаваемой колесом на покрытие в площади этого контакта, при котором происходит движение колеса с
проскальзыванием в 20 и более процентов. Требуемым коэффициентом сцепления должна обладать
поверхность дорожного покрытия для полной реализации тормозных или тяговых качеств транспортного
средства. Под фактическим коэффициентом сцепления понимают коэффициент сцепления поверхности
дорожного покрытия, которым оно обладает в процессе эксплуатации дороги в конкретное время и в
конкретном месте. Реализуемый коэффициент сцепления – часть общего коэффициента сцепления,
который использует водитель при управлении транспортным средством в конкретных условиях движения.
Каждый элемент закругления дороги (радиус, продольный уклон, уклон виража) совместно влияют
на появление и распределение сил, действующих в зоне контакта колеса с покрытием дороги. Сопоставим
нормативные значения этих параметров согласно СНиП 2.05.02-85 и ТКП 45-3.03-19-2006 (таблица [9,10]).
Ско-
СНиП 2.05.02-85
рость, Наибольший
км/ч продольный
уклон1, ‰
ТКП 45-3.03-19-2006
Минимальный
Уклон
радиус кривой в виража3,
‰
плане2, м
Наибольший
продольный
уклон4, ‰
Уклон виража6, ‰
20
30
40
50
Минимальный радиус кривой в плане5,
м
150
30
1200
30
-
-
-
-
-
140
-
-
-
40
1330
1240
1150
1060
120
40
800
40
40
850
800
750
700
100
50
600
40
50
850
800
750
700
80
60
300
40
60
850
800
750
700
60
70
150
40
70
540
510
480
450
Примечание: При применении меньших радиусов кривых в плане, указанных в ТКП, следует использовать максимальные
уклоны виража, которые соответствуют следующим значениям: 40 ‰ – в северном дорожно-климатическом районе; 45 ‰
– в центральном дорожно-климатическом районе и 50 ‰ – в южном дорожно-климатическом районе;
1
Наибольший продольный уклон [9, с. 10, табл.10];
2
Наименьший радиус кривой в плане основной [9, с. 10, табл.10];
3
Уклон виража в районах с частными гололедами [9, с. 9, табл.8];
4
Наибольший продольный уклон [10, с. 10, табл.9];
5
Минимальный радиус кривой [10, с. 8, табл.7];
6
Уклон виража [10, с. 8, табл. 7].
На основании сопоставления параметров закругления можно установить следующее.
Для скоростей движения 60–100 км/ч радиусы кривой в плане приняты в ТКП больше, чем в СНиП.
Для скоростей движения 60–140 км/ч радиусы кривой в плане в ТКП принимают в сочетании с
уклоном виража, причем с увеличением уклона виража радиус закругления устанавливают меньший.
Разработчики норм регламентируют пользоваться формулой 1, без учета сцепных качеств поверхности
дорожного покрытия на закруглении.
Увеличение центробежной силы в ТКП предложено компенсировать поперечной составляющей
веса на вираже большего уклона. Вираж обеспечивает только перераспределение сил, которые действуют
на автомобиль при движении по закруглению, и психологически воздействует на водителя. «Виражи,
психологически предрасполагая водителя к движению с высокой скоростью, эффективны лишь при сухой
погоде и хорошем содержании дороги», – пишет В.Ф. Бабков [2, с. 176]. Для повышения безопасности
автомобилей по закруглению на спуске дороги необходимо при определении радиуса учитывать реальные
условия движения. Устойчивость автомобиля к скольжению при движении по закруглению на спуске
дороги обеспечивается только силами трения и сцепления, возникающими в зоне контакта колес с
покрытием. Одним из главных условий безопасного движения по закруглению на спуске дороги является
обеспечение сцепных качеств покрытий в любых погодных условиях.
Закругления на спуске, запроектированные по ТКП, более опасны для движения, чем закругления,
запроектированные по СНиП 2.05.02-85. Это обусловлено тем, что уменьшение радиуса кривой в плане и
одновременное увеличение уклона виража приводит к увеличению сдвигающей силы, действующей в зоне
контакта колеса транспортного средства с опорной поверхностью, которая должна быть компенсирована
удерживающей силой, зависящей от сцепных качеств поверхности дорожного покрытия на закруглении.
При определении минимального радиуса кривой в плане по формуле 1 и 2 не учитывают:
− прямые и обратные связи между элементами биомеханической системы В–ТС–УДД;
− продольный уклон дороги на спуске;
− сдвигающие и удерживающие силы, действующие на колеса ведущей оси транспортного средства.
В результате превышения сдвигающих сил над удерживающими силами происходит самопроизвольное
скольжение транспортного средства в направлении результирующей силы.
ИННОВАЦИИ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ЗАКРУГЛЕНИЯ НА СПУСКЕ ДОРОГИ В странах СНГ в нормативных документах по проектированию автомобильных дорог и
автомагистралей не регламентированы требования по ограничению максимального и минимального
продольного уклона при устройстве закругления на спуске дороги. Повышение безопасности движения
достигается за счет исключения самопроизвольного скольжения транспортного средства при движении по
закруглению на спуске дороги и аквапланирования на отгоне виража в поперечнике с нулевым поперечным
уклоном [11].
Для качения колеса без поперечного и продольного проскальзывания по закруглению на спуске
необходимо соблюдать условие: Fуд.=Fсд. Минимальный радиус круговой кривой на спуске предложено
определять, исходя из равенства сдвигающих и удерживающих сил, действующих на транспортное средство
при движении по закруглению, графоаналитическим способом и по формуле (рис. 4):
⎛ V ⎞
0 ,5 G 2 ⎜
⎟
⎝ 3,6 ⎠
R =
2
g ( 0 , 5 G 2 tg β +
где
2
2
⎡
⎛ V ⎞ ⎤
( 0 , 5 G 2 ϕ v cos α cos β ) 2 − ⎢ Gf v cos α + G sin α + kS ⎜
⎟ ⎥ )
⎝ 3 , 6 ⎠ ⎥⎦
⎣⎢
,
G2 – сцепной вес транспортного средства;
V – скорость движения транспортного средства, км/ч;
g – ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/c2;
β – угол наклона к горизонту проезжей части в поперечном направлении;
φv – коэффициент сцепления колеса с поверхностью дорожного покрытия при скорости V;
α – угол наклона к горизонту проезжей части в продольном направлении;
G – вес транспортного средства;
fv – коэффициент сопротивления качению колеса транспортного средства при скорости V;
k – коэффициент обтекаемости транспортного средства;
S – лобовая площадь транспортного средства.
(3)
удерживающая сила, кг, при коэффициенте сцепления 0,35
удерживающая сила,кг, при коэффициенте сцепления 0,45
удерживающая сила, кг, при коэффициенте сцепления 0,5
удерживающая сила,кг, при коэффициенте сцепления 0,6
сдвигающая сила, кг, при R=150 м, вираже 4% и продольном уклоне 7%
сдвигающая сила,кг, при R=300 м, вираже 4%, продольном уклоне 6%
сдвигающая сила,кг, при R=600 м, вираже 4%, продольном уклоне 5%
сдвигающая сила, кг, при R=800 м, вираже 3%, продольном уклоне 4 %
Fсд., Fуд., кг
сдвигающая сила,кг, при R=1200 м, вираже 2%, продольном уклоне 3 %
700
600
500
400
300
200
100
0
30
40
50
60
80
100
120
150
Скорость, км/ч
Рис. 4. Зависимость удерживающей силы от скорости движения ГАЗ-24 и коэффициента сцепления и сдвигающей
силы от скорости движения и радиуса закругления при максимально допустимом продольном уклоне и уклоне
виража для районов с частыми гололедами, согласно СНиП 2.05.02-85
удерживающая сила, кг, при коэффициенте сцепления 0,35
удерживающая сила,кг, при коэффициенте сцепления 0,45
удерживающая сила, кг, при коэффициенте сцепления 0,5
удерживающая сила,кг, при коэффициенте сцепления 0,6
сдвигающая сила, кг, при R=150 м, вираже 4 %
сдвигающая сила, кг, при R=300 м, вираже 4 %
сдвигающая сила, кг, при R=600 м, вираже 4 %
сдвигающая сила, кг, при R=800 м, вираже 3%
Fсд., Fуд., кг
сдвигающая сила, кг, при R=1200 м, вираже 2 %
700
600
500
400
300
200
100
0
30
40
50
60
80
100
120
150
Скорость, км/ч
Рис. 5. Зависимость удерживающей силы от скорости движения ГАЗ-24 и коэффициента сцепления и
сдвигающей силы от скорости движения при нулевом продольном уклоне и уклоне виража для районов с
частыми гололедами, согласно СНиП 2.05.02-85
На основании полученных данных (рис. 4, 5) можно установить следующее:
− сдвигающие силы, действующие на автомобиль при движении со скоростью 100 км/ч и более,
больше удерживающих сил при фактическом коэффициенте сцепления 0,35 и ниже, измеренном
при скорости 60 км/ч и влажном состоянии покрытия;
− при предельно допустимом значении коэффициента сцепления 0,35, регламентируемом СТБ 12912007 [12], безопасность движения с расчетными скоростями на нормативно допускаемых
закруглениях на горизонтальном участке и спуске дороги не гарантирована;
− для обеспечения безопасности движения необходимо ограничивать средствами организации
дорожного движения скорость.
Для повышения безопасности движения по закруглению на спуске с продольным уклоном до 10 ‰ и
исключения аквапланирования на отгоне дополнительного виража2, отгон дополнительного виража на
спуске выполнен на длине Lот. и продольном уклоне внешней кромки покрытия iпр., определены из
следующих выражений:
Lот. = 2 L2ст. − b 2
и iпр. =
2
(аnLст. / 30h
1
(4)
2
) − iпоп
. ,
0,6 2
(5)
Под отгоном дополнительного виража понимают участок перехода от двухскатного поперечного профиля с уклоном для прямолинейного
участка дороги к уклону дополнительного виража.
где
Lст – длина стока3, мм;
b – ширина проезжей части, мм;
а – интенсивность дождя в районе устройства отгона дополнительного виража, мм/мин;
n – коэффициент гидравлической шероховатости поверхности покрытия, n=R0,2/23,9, R –
абсолютная высота выступа шероховатости;
h – толщина слоя воды на дорожном покрытии в сечении с нулевым по перечным уклоном в конце
стока, не вызывающая при движении по ней колес автомобиля аквапланирования и дорожнотранспортного происшествия;
iпоп – нормальный поперечный уклон покрытия в начале или в конце отгона дополнительного
виража.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Предлагаемые инновации в проектировании закругления на спуске дороги относятся к конкретным
научно обоснованным мероприятиям по снижению аварийности на кривых в плане. Нормы проектирования
закругления дороги необходимо корректировать. На закруглениях дорог в процессе эксплуатации нужно
контролировать фактический коэффициент сцепления и вводить ограничение скорости движения в случаях,
когда коэффициент сцепления ниже допустимых значений по условиям безопасности движения.
Литература
1. Столяров В.В. Проектирование автомобильных дорог с учетом теории риска. Саратов, СГТУ, Ч.1,
1994.
2. Бабков В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения. М., «Транспорт», 1982.
3. Кудрявцев А.С. Очерки истории дорожного строительства в СССР (Дооктябрьский период). Т.I. М.,
Дориздат, 1951.
4. Макаров А.В. Основы проектирования закруглений на автомобильных дорогах. В кн.:
Проектирование кривых в плане на автомобильных дорогах. М., Изд.-во Гушосдора НКВД СССР,
1939, с. 7–114.
5. Жуковский Н.Е. К динамике автомобиля – силы инерции автомобиля при его движении под
управлением руля. «Мотор», 1923, №1, с. 6–9.
6. Чудаков Е.А. Тяговый расчет автомобиля. М.–Л., Госиздат, 1930.
7. Дубелир Г.Д. Назначение минимальных радиусов в зависимости от скорости. «Строительство
дорог», 1934, №4, с. 36-37.
8. Дубелир Г.Д., Корнеев Б.Г., Кудрявцев М.Н. Основы проектирования автомобильных дорог/Под
ред. Г.Д. Дубелира. М.–Л. Изд.-во Наркомхоза РСФСР, 1938.
9. СНиП 2.05.02–85. Автомобильные дороги. Госстрой СССР. М., ЦИТП Госстроя СССР, 1986.
10. ТКП 45-3.03-19-2006. Автомобильные дороги. Нормы проектирования. Мн., Минстройархитектура,
2006.
11. Величко Г.В., Лобанов Е.М., Поспелов П.И., Филиппов В.В. CREDO: конструирование плавных
автомобильных дорог с нелинейно меняющейся кривизной. Виражи безопасности. Как
совершенствовать СНиП 2.05.02-85. «Автомобильные дороги», 2002, №4, с. 60–63.
12. СТБ 1291-2007. Автомобильные дороги и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию,
допустимому по условиям обеспечения безопасности движения. Мн., Госстандарт, 2007.
13. Картанбаев Р.С., Остапенко В.П. Причины аварийности на долинных и перевальных участках
горных дорог. Сб. науч. тр. МАДИ, «Обоснование требований к трассе автомобильных дорог в
сложных условиях». М., Изд.-во МАДИ, 1983.
3
Под длиной стока понимают расстояние от высшей к низшей точке стока дождевой воды на поверхности дорожного покрытия на отгоне
дополнительного виража.
14. Селюков Д.Д. Экспертное исследование ДТП на закруглении с дефектом. Вопросы криминологии,
криминалистики и судебной экспертизы. Сб. науч. трудов. Выпуск 1/20. Мн., Право и экономика,
2006.
15. Селюков Д.Д. О рациональном использовании клотоиды в элементах дороги. «Автомобильные
дороги», 1976, №2, с. 22-23.