Проектирование участка реконструкции автомобильной дороги ПК 420+00 - ПК 474+00 осуществляется на основании [1] с учетом региональных физико-географических и современных экономических особенностей Республики Беларусь.

Так как легковые автомобили составляют по наблюдениям 48%, категория проектируемой автомобильной дороги устанавливается в зависимости от расчетной интенсивности движения в транспортных единицах (1, стр.4, таблица 2, прим.1

Существующая интенсивность движения, расчетная интенсивность движения на 2021 год и расчетная интенсивность движения на 2033 год приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Расчетная интенсивность движения автомобилей в транспортных единицах.

Согласно (1, стр.1, табл.1, п.4б) проектируемая автодорога относятся к III технической категории.

Основные параметры поперечного профиля согласно (1, стр.6, табл.54): число полос движения - 2, ширина полосы движения - 3,5м, ширина проезжей части - 7 м, ширина обочин - 2,5 м, наименьшая ширина укрепленной полосы обочины - 0,5 м, ширина земляного полотна - 12 м.

При реконструкции автомобильной дороги, трассу следует проектировать с учетом принципов ландшафтного проектирования, как плавную пространственную линию с взаимной увязкой элементов плана и профиля между собой и с окружающим ландшафтом, с оценкой их зрительного восприятия [1. стр.9, п5.3.1].

Допустимые нормы проектирования согласно (1, стр.10, табл.9) приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Допустимые нормы проектирования

Сопряжение прямых участков с кривыми в плане радиусом 2000м и менее проектируются с переходными кривыми и устройством виража (1, стр.10, п.5.3.11).

Переломы проектной линии продольного профиля автомобильной дороги при алгебраической разности уклонов 5 ‰ и более сопрягаются вертикальными кривыми (1, стр.10, п.5.3.5).

Земляное полотно проектируется, исходя из условий устойчивости и стабильности его геометрической формы, прочности дорожной одежды, независимо от изменяющегося температурного и водного режима.

На пересечениях с постоянно действующими водотоками, для предохранения полотна от переувлажнения поверхностными водами и размывами устраиваются водопропускные трубы, рассчитанные на пропуск большего из расходов дождевого паводка с вероятностью превышения 3% или весеннего половодья с вероятностью 3 % (1, стр.23, п.7.6.5).

Продольные уклоны дороги на подходах к пересечениям и примыканиям на протяжении расстояния видимости для остановки автомобиля не превышают 40 % (1, стр.12, п.6.1.2).

3.1 План и продольный профиль

3.1.1 Проектирование плана трассы автомобильной дороги

3.1.2 Проектирование продольного профиля

Рекомендуемая рабочая отметка насыпи по первому условию в связи с отсутствием грунтовых вод не определяется.

Высоту насыпи на участках дорог, проходящих по открытой местности, по условию снегонезаносимости во время метелей следует определять по формуле:

h_рек = h_{сн 5%} + , (3.16)

где h_{сн 5%} - расчетная высота снегового покрова в месте, где возводится насыпь, с вероятностью превышения 5% м (по данным метеорологических справочников);

- возвышение бровки насыпи над расчетным уровнем снегового покрова, необходимое для ее незаносимости, м. [1]

При h_{сн 5%} =0,46 м; =0,5 м

h_рек=0,46 + 0,50 + 0,07 +0,06 =1,09 м

Для проектирования продольного профиля принимается рекомендуемая рабочая отметка насыпи =1,09 м.

3.1.2.2 Определение отметок контрольных точек

Контрольными точками продольного профиля являются пересечения с железными и автомобильными дорогами, а так же пересечения с водотоками.

В данном курсовом проекте не указаны высотные отметки существующих дорог, следовательно, определению подлежат только отметки точек над водопропускными сооружениями. На всем протяжении проектируемой автодороги в качестве водопропускных сооружений запроектировано 3 круглых одноочковых железобетонных трубы. Контрольные отметки над трубами рассчитаем по формуле

, (3.17)

где H_{з -} отметка земли в месте расположения трубы, м;

- толщина свода трубы, м;

d - диаметр трубы, м;

h_зас - толщина засыпки, h_зас=0,5 м.

Результаты определения контрольных точек сведены в таблицу 3.4.

При пересечении с автомобильной дорогой контрольные точки равны отметке бровки земляного полотна существующей автомобильной дорогой.

Таблица 3.4 - Определение контрольных точек

3.1.2.3 Нанесение проектной линии

Проектную линию можно наносить двумя способами: по секущей и по обертывающей. По обертывающей проектирование осуществляется для равнинной и слабопересеченной местности. В этом случае проектная линия наносится следуя основным изгибам поверхности земли с соблюдением рекомендуемых рабочих отметок и уклонов не выше максимально допустимых для дороги данной категории. В условиях холмистого сильно пересеченного рельефа проектная линия наносится по секущей с примерным балансом земли для смежных участков.

В дипломном проекте проектная линия нанесена по обертывающей.

При разности уклонов i20‰ вписываются вертикальные кривые.

Пример расчета вертикальных кривых:

кривая на ПК437+60

I₁=20‰; I₂=24‰;

i=20+24=44 ‰.

При R=7000 м. L₁=60 мh ₁=0,9 м, L₂=80 мh ₂=3,46 м

Длину кривой определяют по формуле:

К= L₁ + L₂, (3.18)

где

L₁, L₂ - длины кривых, м;

К=60+80=140 м.

Тангенс вертикальной кривой определяют по формуле:

Т_в=, (3.19)

Т_в= 140/2 = 70 м.

Вычисляем отметки начала и конца кривой:

Н_нк=Н_пк437-0,02·60=160,83-1,2=159,63 м;

Н_кк=Н_пк438+0,024·40=165,15+0,68=164,25 м.

Определяем положение вершины кривой:

ПК_нк+ L₁ = (ПК425+72) +51=ПК426+23;

ПК_кк - L₂ = (ПК427+20) - 97=ПК426+23;

Определяем отметку вершины кривой:

Слева - Н_вк^сл=Н_ик+h₁=164,83+0,25=165,08 м;

Справа - Н_вк^спр=Н_кк+h₂=164,25+0,83=165,08м.

3.1.2.4 Проектирование кюветов

Кюветы устраиваются для продольного отвода воды в выемках, на нулевых местах и на участках с насыпями, где высота насыпи меньше глубины кювета.

Глубину кювета принимаем в зависимости от вида грунта, конструкции дорожной одежды и продольного профиля.

Проектирование кюветов предусматривают проектирование продольного профиля дна кювета и назначение укрепления кювета. Применяют следующие типы укрепления в зависимости от продольного уклона:

1 засев трав с плакировкой при уклоне до 20‰;

2 одерновка откосов и укрепление дна гравием (щебнем) при продольных уклонах дна до 30‰;

3 мощение откосов и дна камнем, бетонными плитами при уклонах 30-50‰.

Начало и концы кюветов, тип укреплений дна, а также продольный профиль представляются на чертежах продольных профилей.

3.1.2.5 Нанесение геологического профиля

Для нанесения геологического профиля используются данные, полученные при бурении скважин и проходке шурфов. Эти данные приведены в задании на дипломный проект. Глубина скважин - до 5 метров, они бурятся вблизи водопропускных сооружений с целью получения более детальной информации о характере залегающих здесь грунтов. Шурфы устраиваются глубиной 1-2 метра на расстоянии 200-300 метров друг от друга. В колонке шурфов и скважин условными обозначениями показаны виды грунтов, а так же глубина их залегания.

Геологический профиль приведен на продольном профиле (лист 2).

3.2 Земляное полотно

3.2.1 Проектирование поперечных профилей земляного полотна

На основании величины рабочих отметок и типовых поперечных профилей с учетом рельефа местности, почвенно-грунтовых, геологических и климатических условий назначены следующие типы поперечных профилей земляного полотна:

I - насыпь до 2м с заложением откосов 1: 3 (по существующей насыпи):

ПК 420 + 00 - ПК 421 + 08 ПК 458 + 60 - ПК 459 + 10

ПК 429 + 65 - ПК 431 + 20 ПК 459 + 50 - ПК 467 + 20

ПК 431 + 80 - ПК 432 + 50 ПК 469 + 50 - ПК 470 + 10

ПК 433 + 20 - ПК 438 + 20 ПК 470 + 80 - ПК 471 + 60

ПК 438 + 70 - ПК 447 + 60 ПК 470 + 80 - ПК 471 + 60

ПК 438 + 70 - ПК 447 + 60

II - насыпь высотой до 1м с кюветами и с заложением откосов 1: 3 (по существующей насыпи):

ПК 421 + 08 - ПК 429 + 65 ПК 458 + 28 - ПК 458 + 60

ПК 431 + 20 - ПК 431 + 80 ПК 459 + 10 - ПК 459 + 50

ПК 432 + 50 - ПК 433 + 20 ПК 467 + 20 - ПК 469 + 50

ПК 438 + 20 - ПК 438 + 70 ПК 470 + 10 - ПК 470 + 80

ПК 447 + 60 - ПК 452 + 10 ПК 471 + 60 - ПК 473 + 00

Поперечный профиль земляного полотна представлен на листе №3.

Растительный слой из-под подошвы земляного полотна срезается. Оставшийся грунт используется для улучшения прилегающих угодий. Откосы укрепляются засевом трав на слое растительного грунта.

3.2.2 Определение объемов земляных работ.

Подсчет объемов земляных работ выполнен на ЭВМ и представлен в приложении А.

Общий объем земляных работ составляет 82 685 м³.

При определении объемов земляных работ учтены поправки на устройство дорожной одежды и устройство кюветов.

3.3 Искусственные сооружения

3.3.1 Проектирование водопропускных сооружений

Земляное полотно автомобильных дорог, пересекая русла водотоков и склоны водосборов, подвергается воздействию поверхностных вод. Для защиты земляного полотна автомобильных дорог от воздействия поверхностных вод проектируются водоотводы продольный и поперечный. Продольный водоотвод предназначен для отвода воды, притекающей к автомобильной дороге с верховой стороны по склону. Сооружениями продольного водоотвода являются в дипломном проекте кюветы.

Поперечный водоотвод проектируется с помощью водопропускных сооружений - труб. В дипломном проекте во всех пониженных местах рельефа местности расположены малые водопропускные сооружения. Поскольку площади водосборов незначительные, по трассе размещены железобетонные трубы.

3.3.2 Расчет стока

Расход определяется по двум видам стока: ливневому и снеговому. Ливневой сток определяется по упрощенной формуле профессора Е.В. Болдакова

, (3.20)

где - геоморфологический коэффициент, зависящий от рельефа местности, (3, стр.38);

h - слой стока, зависящий от ливневого района, категории почв по впитываемости и вероятности превышения [3, стр.8, т.3.1];

z - потери слоя стока, обусловленные смачиванием растительности и заполнением впадин микрорельефа, мм, [3, стр.9, т.3.2];

F - площадь бассейна, км²;

k - коэффициент шероховатости лога и склонов, [3, стр.9, т.3.3-3.5];

- коэффициент учета неравномерности выпадения осадков на бассейне, зависящий от длины бассейна, [3, стр.9, т.3.6];

- коэффициент уменьшения расхода воды при наличии на бассейне озер и болот, [3, стр.10, т.3.7].

Пример расчета ливневого стока для искусственного сооружения на:

ПК 427 +60

При i=7‰, =0,027; категория почв III, h=24мм; z=10 мм; F=0,31 км²; k=1,3; =1; =1

м³/с

ПК 429+65

При i=5‰, =0,024; категория почв III, h=34 мм; z=10 мм; F=0,22 км²; k=1,4; =1; =1

м³/с

ПК 458+28

При i=7‰, =0,027; категория почв III, h=34 мм; z=10 мм; F=0,44 км²; k=1,4; =1; =1

м³/с

Расчет ливневого стока по варианту проектируемой автодороги сведен в таблицу 3.5

Таблица 3.5 - Расчеты ливневого стока

Величину стока от снеготаяния определяем по формуле

, (3.21)

где - объем снегового стока, тыс. м³;

- время наступления пика паводков, ч.

Объем снегового стока определяем по формуле:

, (3.22)

где

h_сн - слой дневного снегового стока (при р=2%, h_сн=51 мм);

- коэффициент, учитывающий экспозицию бассейна, [3, стр.12, т.3.8];

- коэффициент, учитывающий неравномерность таяния снега, зависящий от размеров бассейна (3, стр.12, т.3.9).

Время наступления пика паводков определяем по формуле:

, (3.23)

где - скорость продвижения пика паводка, мин на 1 км лога, (3, стр.39);

L₀ - расстояние от центра тяжести бассейна до сооружения, км.

Расчеты стока от снеготаяния для водопропускных сооружений:

ПК 427+60

При =26мин; L₀ =0,02км; h_сн =33мм; F=0,31 км²; =1,0; =1,0.

=0,05·26·0,02=0,03 мин

=33·0,31·1,0·1,0=10,23 тыс. м³

м³/с

ПК 429+65

При =25мин; L₀ =0,01км; h_сн =33мм; F=0,22 км²; =1,0; =1,0.

=0,05х25·0,01=0,01 мин

=33х0,22·1,0х1,0=7,26 тыс. м³

м³/с

ПК 458+28

При =22мин; L₀ =0,04км; h_сн =51мм; F=0,55 км²; =1,0; =1,0.

=0,05х22х0,04=0,04 мин

=51х0,24х1,0х1,0=28,05 тыс. м³

м³/с

Результаты расчета сведем в таблицу 3.6

Таблица 3.6 - Определение расхода от снеготаяния

Вывод: За расчетный принимаем наибольший расход, т.е. ливневый, так как его значения наибольшие во всех рассмотренных примерах.

3.3.3 Выбор типов и отверстий малых водопропускных сооружений.

Трубы на основании [3, стр.22, рис.4.2 и прилож. В, стр.40] проектируются на безнапорный режим протекания воды. При безнапорном режиме протекания поток в трубе имеет свободную поверхность на всем протяжении трубы.

Отверстия малых водопропускных сооружений подбираются из вышеприведенных расчетов, а также графиков пропускной способности труб

ПК 427+60 круглая железобетонная труба Ш 0,8 м;

ПК 429+65 круглая железобетонная труба Ш 0,8 м;

ПК 458+28 круглая железобетонная труба Ш 1,4 м;

Гидравлические характеристики труб представим в таблице 3.7

Таблица 3.7 - Гидравлические характеристики типовых труб

3.3.4 Определение длины трубы

Наименьшая длина трубы и соответственно ее стоимость достигается при пересечении водотока под прямым углом автомобильной дороги.

Длина трубы определяется по формуле:

, (3.23)

где В - ширина земляного полотна, м;

Н_нас - высота насыпи, определяемая по продольному профилю, м;

i_тр = 0,007‰ уклон трубы, [3. стр.24, табл.4.2];

m - откос насыпи;

L_верх, L_{низ -} длина трубы с верховой и низовой стороны соответственно, м

Определим длину трубы на ПК 427+60

При В = 12 м; Н_нас = 2,33 м; i_тр = 7 ‰; m = 1,5 м

м

Полученная длина трубы округляется до целых чисел. Так как производится удлинение трубы, принимаются звенья длиной 3 м, входное и выходное звено. Следовательно, длина трубы фактическая будет:

L_тр=L+ (М₁+М₂) (3.24)

где - М₁ и М₂ длина входного и выходного оголовков равных 1,47м [3. стр.23, табл.4.1];

L_тр =3 · 6 + (1,47 + 1,47) = 19,94 м

При определении фактической длины трубы надо учесть ширину стыков, используя формулу:

h_cт = n · b_ст (3.25)

где n - количество стыков, шт;

b_{ст -} ширина стыка, м. При n =7 шт, b_ст = 0,01 м

h_cт = 7 · 0,01= 0,07 м

Тогда фактическая длина трубы с учетом ширины стыков:

L_ф = L_ф + h_{cт (}3.26)

L_ф =19,94 + 0,07 = 20,01 м

Аналогично определим длину трубы на ПК 429+65

При В = 12 м; Н_нас = 1,65 м; i_тр = 7 ‰; m =1,5 м

м

Принимаются три звена по 5 м, входное и выходное звенья по 1,47 м

L_ф = 5·3+ (1,47+1,47) +0,04=17,98 м

ПК 458+28

При В = 12 м; Н_нас = 2,44 м; i_тр = 7 ‰; m = 1,5 м

м

Принимаются звенья по 5 м, входное и выходное звенья по 2,74 м

L_ф = 5·3+ (2,74+2,74) +0,04=20,62 м

3.3.5 Определение отметок дна трубы

Строительный подъём на основании из песков мелких принимается по длине трубы:

, (3.27)

Отметку трубы на входе Н₃ и на выходе Н₅ можно определить по формулам:

, (3.28)

, (3.29)

где Н_о = Н_{4 -} отметка по оси трубы.

Отметку бровки земляного полотна Н₂ можно определить по формуле:

, (3.30)

где С - ширина обочины, м

i_0, i_{пч -} уклон обочины и проезжей части, м

Отметку по оси Н₄ трубы определим по формуле:

, (3.31)

Определим отметки на ПК 427+60

При Н_нас=2,33 м; Н₁=164,22, i₀=40‰, С=2,5м, В/2=12/2=6м, i_пч = 20‰, L_верх =9,36 м; L_низ = 9,68 м; i_тр = 0,007

Н₂ = 164,22- (2,5·0,04+ (12/2-2) ·0,020) =164,22- (0,1+0,08) =164,04 м;

Н₄ = 164,22 - 2,33=161,89 м;

Н₃ = 161,89 - 0,005+9,36·0,007=161,95 м;

Н₅ = 161,89 - 0,005-9,68·0,007 = 161,82 м;

Определим отметки на ПК 429+65

При Н_нас = 1,65 м; Н₁ = 163,72, i₀=40‰, i_пч = 20‰, С=2,5м, В=12м, L_верх =8,35 м; L_низ = 8,64 м; i_тр = 0,007

Н₂ = 163,72- (2,5·0,04+ (12/2-2) ·0,020) = 163,72- (0,1+0,08) =163,54 м;

Н₄ = 163,72-1,65=162,07 м;

Н₃ = 162,07-0,007+8,35·0,007=161,12 м;

Н₅ = 162,07-0,007-8,64·0,007 = 162,01 м;

Определим отметки на ПК 458+28

При Н_нас=2,44м; Н₁ = 136,77, i₀=40‰, i_пч = 20‰, С=2,0м, В=10м, L_верх =9,52м; L_низ = 9,86м; i_тр = 0,007

Н₂ = 136,77- (2,5·0,04+ (12/2-2) ·0,020) =136,77- (0,1+0,08) =136,59 м;

Н₄ = 136,77-2,44=134,33 м;

Н₃ = 134,33-0,005+9,52·0,007 = 134,39 м;

Н₅ = 134,33 - 0,005-9,86·0,007 = 134,21 м;

3.3.6 Проектирование укрепления русла

Для предотвращения разлива, выходных участков следует предусматривать мероприятия по укреплению лога на определённой длине. Особенно тщательно должно быть укреплено русло на выходе из трубы, так как выходной поток обладает значительными скоростями и при растекании, может вызвать подмыв оголовков и звеньев трубы. Скорость за сооружением увеличивается против скорости в трубе примерно в 1,5 раза. Тип укрепления зависит от скорости течения воды на выходе и от имеющихся в районе проектирования материалов. Так при наличии на месте камня (булыжника или рваного) предусматривают укрепление мощением; у входного оголовка - одиночное мощение на щебне, у выходного - в зависимости от величины максимальной скорости в зоне растекания; при V_max 3,5 м/с-двойное мощение на щебне, при V_max3,5 м/с - двойное мощение на щебне промытым цементом раствором. Значения скоростей на выходе трубы приведены в таблице. При отсутствии местного камня укрепляют монолитным бетоном марки 200 или сборными бетонными плитами. Так как в районе проектирования участка автомобильной дороги отсутствуют природные материалы, то принимается тип укрепления бетонными плитами размером 0,75х 0,75 и 1,00·1,00м.

Размеры укрепления на выходе и входе приняты по [3. стр.25].

Высота на входе в сооружение назначается из расчета входной отметки труб. Длина укрепления принимается равной 0,4l, где l-длина выходного укрепления, м. Высота укрепления откоса входного оголовка принимается выше уровня воды на 0,25 м.

3.4 Проектирование дорожной одежды

3.4.1 Исходные данные

3.4.4 Расчёт дорожной одежды по упругому прогибу

Расчёт дорожной одежды по упругому прогибу производим снизу вверх, определяя общий модуль упругости конструкций дорожных одежд с использованием графика [2, стр.16,рис.6.2]. Согласно (2, стр.11, табл.6.1) коэффициент надежности для автодороги IV технической категории К_н=0.85, коэффициент прочности К_пр=0.80.

Общий модуль упругости Еⁱ_общ определяется с использованием соотношений:

, (3.34)

, (3.35)

где h_i - толщина i-го слоя, см;

Д - диаметр круга, эквивалентного площади контакта шины расчётного автомобиля с покрытием, см;

Еⁱ⁺¹_общ - общий модуль упругости на поверхности i-го слоя, МПа;

Е_i - модуль упругости i-го слоя, МПа.

Произведём расчёт прочности дорожной одежды по упругому прогибу для I варианта конструкции дорожной одежды.

Общий модуль упругости на поверхности 2-го слоя:

при h₂ = 18 см; Д = 37 см; Е^гр_общ = 100 МПа; Е₂ = 300 МПа

h₂/Д=18/37=0,49; Е^гр_общ/Е₂=100/300=0,33.

По номограмме находим (2, стр.16,рис.6.2)

Е²_общ/Е₂=0,5; Е²_общ=0,5·300=150МПа.

Общий модуль упругости на поверхности 1-го слоя:

При h₂ = 8 см; Д = 37 см; Е^гр_общ = 150 МПа; Е₁ = 800 МПа

h₁/Д=8/37=0,22

Е^гр_общ/Е₂=150/800=0, 19

По номограмме находим:

Е²_общ/Е₁=0,24

Е¹_общ=0,24·800=192 МПа

Коэффициент прочности по упругому прогибу, для I-го варианта конструкции дорожной одежды, равный Е_общ / Е_тр = 192/180 = 1,06 больше минимального требуемого значения К^тр_пр = 0,80.

Произведём расчёт прочности дорожной одежды по упругому прогибу для II варианта конструкции дорожной одежды:

Общий модуль упругости на поверхности 3-го слоя:

При h₃ = 24см; Д = 37 см; Е^гр_общ = 100 МПа; Е₃ = 220 МПа

h₁/Д=24/37=0,64

Е^гр_общ/Е₃=100/220=0,45

По номограмме находим: Е⁴_общ/Е₃=0,73; Е³_общ=0,73·220=160 МПа

Общий модуль упругости на поверхности 2-го слоя:

При h₂ = 8 см; Д = 37 см; Е³_общ = 139 МПа; Е₂ = 1400 МПа

Е³_общ/Е₂=139/1400=0,1,

По номограмме находим:

Е²_общ/Е₂=0,15

Е²_общ=0,15·1400=210 МПа.

Общий модуль упругости на поверхности 1-го слоя:

при h₁ = 4 см; Д = 37 см; Е²_общ = 168 МПа; Е₁ = 2400 МПа

;

Е²_общ/Е₁=168/2400=0,07.

По номограмме находим:

Е¹_общ/Е₁=0,08;

Е¹_общ=0,08·2400=192 МПа.

Коэффициент прочности по упругому прогибу для II-го варианта конструкции дорожной одежды равный Е_общ / Е_тр = 192/180 = 1,06 больше минимального требуемого значения К^тр_пр = 0,80.

Таким образом, оба варианта конструкции дорожной одежды удовлетворяют требованиям прочности дорожной одежды по упругому прогибу.

3.4.5 Расчёт сопротивления растяжению при изгибе

В монолитных слоях дорожной одежды (слой № 1 - вариант I и слой № 1, №2 - вариант II) возникающие напряжения под действием повторных кратковременных нагрузок не должны вызывать нарушения структуры, то есть должно быть обеспечено условие [2, стр.17, п.6.20]

, (3.36)

где R_доп - допускаемое растягивающее напряжение в рассматриваемом слое покрытия, МПа;