1. Общие сведения об автомобильных дорогах
1.1. Развитие транспорта и техники дорожного строительства
Проектирование автомобильных дорог – учебная дисциплина, рассматривающая принципы технико-экономического обоснования размеров всех элементов дороги на основе комплексного учета ее народнохозяйственного значения, природных условий и требований эффективности, экономичности и безопасности автомобильных перевозок, а также методы выбора направления дороги на местности и составления проекта ее строительства.
Техника строительства автомобильных дорог имеет многовековую историю. Конструкции дорог и методы их сооружения претерпевали значительные изменения на разных этапах развития человеческого общества, совершенствуясь по мере развития производительных сил и изменения производственных отношений, а также накопления опыта и знаний в близких отраслях техники. На первых этапах техника дорожного строительства во многом опиралась на опережавшую ее технику строительства зданий.
Дороги, как и другие пути сообщения, всегда являлись важным элементом в жизни общества. Отношение к ним менялось в зависимости от потребностей в перевозках, их направления, требований к их регулярности и бесперебойности. Нарушения соответствия между количеством груза, возможностями транспортных средств и транспортными качествами пути всегда вызывало прекращение или развертывание дорожного строительства. Требования к дорогам последовательно определяли:
гонец со срочным донесением;
купец с вьюком товаров на спине лошади;
отряды воинов и вооруженных всадников;
боевая двухколесная колесница;
груженая четырехколесная телега;
автомобиль – средство механизированного транспорта.
Зарождение дорог относится к раннему периоду существования человеческого общества, когда люди, объединявшиеся для охоты или рыбной ловли, избирали наиболее удобные и кратчайшие направления, прокладывая по ним пешеходные тропы. От переправы через водотоки по поваленным ветром деревьям постепенно перешли к сознательному устройству переходов из срубленных деревьев. Приручение животных и перевозка грузов вьюками или волоком на привязанных жердях предъявили первые требования к пути – обеспечение необходимых для прохода животных ширины тропы и высоты свободного пространства над ней. На заболоченных низинах начали укладывать настилы из хвороста и жердей, делать наброски камней на подходах к бродам – прототипы современных дорожных одежд.
Появление примерно за 4-5 тыс. лет до нашей эры колеса явилось крупнейшим достижением техники и намного ускорило развитие транспорта, предъявив одновременно новые требования к пути. Возможность перевозить на колесных повозках более тяжелые грузы, чем вьюками, заставила обращать большее внимание на выбор направления дороги, избегать крутых подъемов, обходить заболоченные места, сыпучие пески и другие участки с большим сопротивлением движению. Постепенно шло совершенствование конструкции колеса от грубого диска, сколоченного из брусьев, к колесу с ободом и спицами (рис. 1.1).
Дороги как средство регулярных сообщений и перевозки на дальние расстояния возникли в рабовладельческих государствах древнего мира – Ассирии, Вавилоне, Персии, Римской империи. Для ведения войн, подавления часто вспыхивавших восстаний и вывоза податей требовались дороги, связывающие центр страны и ее окраины. Таким образом, переход от пешеходных и вьючных троп к относительно благоустроенным сухопутным путям сообщения был связан с ростом перевозок и военно-административными потребностями.
Первые дороги с твердыми покрытиями из каменных плит возникли на городских улицах, по которым происходили торжественные религиозные шествия (рис. 1.2).
Высокий уровень техники дорожного строительства был достигнут в Римской империи, которая в период наибольшего своего расцвета занимала территорию современной Западной Европы, балканского полуострова и североафриканского побережья Средиземного моря. Сеть военных римских дорог, созданная за шесть столетий, достигала 90 тыс. км, из которых только 14 тыс. км были расположены в пределах современной Италии (рис. 1.3).
а)
б) |
в) |
Рис. 1.1. Развитие конструкции колес: а – шумерийская боевая повозка на колесах, сколоченных из брусьев (X-XV в. до н.э.); б – боевая ассирийская колесница на колесах со спицами (VII в. до н.э.); в – римская повозка с мозаичного настенного изображения в Остии (конец III века н.э.)
Рис. 1.2. Поперечный профиль дороги к храму в Вавилоне (VI в. до н.э.): 1 – суглинистый грунт; 2 – три слоя кирпича на асфальтовой мастике; 3 – известняковые плиты 105х105х35 см; 4 – тротуар из плит известняка 66х66х20 см; 5 – стены высотой 7 м, покрытые мозаичными картинами
Рис. 1.3. Сеть основных дорог Римской империи в конце III в. н.э.: 1 – границы Римской империи; 2 – магистральные дороги
Если учесть второстепенные грунтовые и гравийные дороги, то протяженность дорожной сети Римской империи можно оценить в 150 тыс. км. Основные римские дороги имели прочные каменные накрытия из гравия, булыжного и тесаного камня, на которые иногда расходовали больше каменных материалов, чем на современные автомобильные магистрали (рис. 1.4). Через многие реки были построены большие каменные арочные мосты. Фрагменты многих из них сохранились в Италии, Франции и Испании. Строительство таких крупных сооружений была возможна только при массовом использовании труда рабов.
Рис. 1.4. Одежды на участке Фламиниевой дороги (220 г. до н.э.): 1 – базальтовые плиты размером 80х40х50 см; 2 – слой гравия 10-15 см; 3 – щебень 15 см; 4 – сцементированный гравий 25 см; 5 – бордюрные камни высотой 45 см; 6 – булыжник; 7 – канава
Римские дороги прокладывали, как правило, по кратчайшему направлению, мало считаясь с естественными препятствиями, допуская на них крутые подъемы, поскольку грузы в основном перемещались вьюками. Из-за несовершенства римских повозок и упряжи (отсутствия поворачивающейся передней оси и хомута) римские дороги строили длинными и прямыми, в 2 раза увеличивая их ширину на крутых поворотах. Ради сохранения прямолинейности дороги иногда прокладывали в глубоких выемках, а вблизи от Неаполя был пробит туннель длиной около 1300 м. На магистральных римских дорогах была развернута служба перевозки государственных служащих, гонцов и важнейших грузов. Для этого через 10-15 км были построены станции, на которых имелись сменные лошади. Меняя лошадей, гонцы проезжали до 150 км в день.
Эксплуатация рабовладельческими государствами завоеванных провинций постепенно истощала их производительные силы. Римская империя, ослабленная восстаниями рабов, в конце V в. н.э. была покорена варварами, обитавшими у ее границ, германскими и славянскими племенами и на ее развалинах возникли десятки мелких государств, в пределах которых хозяйство имело натуральный характер. Магистральные пути сообщения Европы, пересекавшие теперь несколько государств, потеряли свое значение и, оставшись без ухода, разрушались. Аналогичное положение возникло позднее и в древней Руси после распада Киевского государства.
Натуральное хозяйство эпохи феодализма не нуждалось в дальних перевозках и не имело материальной базы для строительства дорог. Поэтому строительство дорог возобновилось только с развитием промышленности на последних этапах существования феодально-крепостнического общества, когда возникла потребность в расширении рынков сбыта и в путях для подвоза сырья.
Требования к транспорту существенно возросли в связи со значительными объемами перевозок угля и сырья, необходимых для развивающейся промышленности. В целях улучшения условий перевозок снова начали строить дороги с твердыми покрытиями. Поэтому конец XVIII и начало XIX вв. во всех странах характеризовались интенсивным дорожным строительством.
Почти тысячелетний период средневековья мало повлиял на совершенствование транспортных средств – лишь у всадников появились стремена, были изобретены хомуты и поворачивающиеся передки у повозок. В XVI–XVII вв. непревзойденными образцами техники дорожного строительства все еще считались римские дороги, участки которых, занесенные грунтом, часто обнаруживали при сельскохозяйственных и строительных работах. Однако методы строительства и конструкции дорог рабовладельческого общества оказались для этого периода непригодными. Стало уже невозможным затрачивать большое количество труда и материалов на строительство дороги. Возникла настоятельная потребность в уменьшении объемов работ и снижении стоимости строительства, в наиболее рациональном использовании каменных материалов для устройства дорожной одежды.
Важным этапом в развитии дорожного строительства явилась разработка конструкций дорожных одежд, названных по именам изобретателей.
Развитие транспорта во всех странах мира пошло по пути интенсивного строительства железных дорог, надолго оттеснивших дороги для конного транспорта на второстепенную роль подъездных путей к железнодорожным станциям и водным пристаням.
Темпы строительства дорог с твердыми одеждами, которые в то время называли «обыкновенными дорогами» или «шоссейными дорогами», были значительно ниже темпов железнодорожного строительства. В 1861–1900 гг. в России ежегодный прирост протяжения шоссейных дорог составлял от 50 до 300 км при ежегодной сдаче в эксплуатацию от 700 до 3000 км железных дорог.
Однако даже при малом объеме дорожного строительства его техника в XIX столетии непрерывно совершенствовалась. Было введено уплотнение рассыпанного по дороге щебня паровыми катками. Была изобретена камнедробилка. От первых щебеночных одежд Мак-Адама, строившихся из щебня одинаковой крупности, постепенно перешли к современным щебеночным покрытиям, последовательно расклиниваемым более мелким щебнем (клинец и высевки), рассыпаемым на поверхность при укатке. Выработанный к середине прошлого столетия тип щебеночных дорожных одежд вполне удовлетворял требованиям конного движения.
Трудоемкость дробления щебня, недостаточное количество катков и необходимость в тщательном уходе за щебеночными покрытиями в процессе эксплуатации способствовали широкому распространению мостовых из крупного камня и щебеночных покрытий на основаниях из крупных камней, поставленных на песок большей стороной – пакеляжа.
Несмотря на низкие транспортные качества мостовых – малую ровность, из-за которой движение повозок с колесами, имевшими железные шины, сопровождалось ударами и тряской, они имели широкое распространение из-за неприхотливости и длительного срока службы при практическом отсутствии содержания.
Развитие железнодорожного строительства не смогло полностью разрешить транспортную проблему. Существовал разрыв между высокой стоимостью перевозки грузов к железнодорожным станциям и пристаням и сравнительно низкими грузовыми тарифами на железнодорожном транспорте. В учебнике «Дорожное дело» проф. Г. Д. Дубелира приводился характерный пример, что в начале прошлого столетия подвоз 1 пуда хлеба из села до железной дороги в Клинском уезде стоил столько же, сколько последующая доставка его из Риги в Англию или из Одессы в Америку.
Поворотным моментом в технике безрельсового транспорта явилось появление автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.
Рассматривавшиеся вначале как предмет роскоши и спорта автомобили вскоре стали средством массовых грузовых и пассажирских перевозок с высокими скоростями. Появление автомобилей вновь повысило значение шоссейных дорог как самостоятельного вида путей сообщения. Это стало особенно ясным в первую мировую войну, когда на западном фронте автомобильный транспорт неоднократно использовался для быстрых перевозок войск.
Автомобилизация предъявила свои требования к дорогам. В первую очередь появление автомобилей отразилось на работе дорожных покрытий. Касательные усилия на ведущих колесах автомобилей нарушали относительно слабую заклинку между щебенками и вызывали быстрый износ щебеночных покрытий. Разрушению способствовало также использование почти до конца 20-х годов на грузовых автомобилях наряду с пневматическими сплошных массивных резиновых шин.
Завихрения воздуха поднимали облака пыли за быстро едущими автомобилями, делая поездки неприятными. Попытки борьбы с пылью на курортных дорогах Средиземноморья и Южного побережья Крыма путем поливки водой были малоэффективны. В поисках более надежных способов обеспыливания начали прибегать к поливке вначале нефтью, а затем промежуточным продуктом ее перегонки – гудроном. Выяснилось, что наряду с обеспыливанием, впитывающиеся в дорогу материалы, обладающие вяжущими свойствами, придают дороге связность и устойчивость против разрушающих воздействий шин. Постепенно был разработан ряд типов дорожных одежд из щебня, связанного органическими вяжущими материалами нефтяного происхождения, называемых теперь усовершенствованными покрытиями.
Период после первой мировой войны характеризовался быстрым развитием автомобильного транспорта, возрастанием скоростей движения и грузоподъемности автомобилей.
Пока автомобильное движение было еще относительно невелико, дорогами одновременно пользовался и конный транспорт. Интересы автомобилей учитывались лишь некоторым приспособлением элементов плана и профиля дорог к требованиям движения автомобилей, в первую очередь устранением резких переломов в продольном профиле и увеличением радиусов кривых в плане. Дороги этого периода называли автогужевыми. Транспортные качества дорог не обеспечивали автомобилям возможности реализовать их динамические качества. Совершенствование конструкций автомобилей диктовало необходимость улучшения дорог, которое, в свою очередь, способствовало дальнейшему совершенствованию автомобилей. Характерным примером в этом отношении является отмеченное в одной из работ акад. Е. А. Чудакова ухудшение проходимости легковых автомобилей американских фирм по мере развития сети дорог с усовершенствованными покрытиями в США.
Рост численности парка автомобилей и помехи, создаваемые для их движения конным транспортом, привели к тому, что в середине 20-х годов, наряду с продолжением строительства дорог для смешанного движения – автогужевых дорог было, начато строительство специализированных дорог, предназначенных только для автомобильных перевозок. Впервые они были построены в 1925 г. в Италии для связи Милана с курортными районами на берегах озер Комо и Маджиоре. Итальянское слово «автострада», означающее в переводе просто «дорога для автомобилей», в советских газетах и журнальных статьях до сих пор неправильно широко используют при описании современных магистральных автомобильных дорог для дальних перевозок с высокими скоростями.
Дальнейшее увеличение автомобильного парка и рост интенсивности движения автомобилей по дорогам сделали необходимым учет в полной мере особенностей движения автомобилей по дорогам. Этому способствовало и формирование теории автомобиля как самостоятельной науки. Ее выводы легли в основу разработки во всех странах «Технических условий на проектирование автомобильных дорог». В СССР первые технические условия, ориентированные на обеспечение безопасного движения с присвоенной для каждой категории дорог расчетной скоростью, были разработаны в 1938 г. под руководством проф. Г. Д. Дубелира. В их основе лежали требования устойчивости автомобиля против заноса и опрокидывания при проезде по криволинейным участкам дороги и обеспечения на дороге видимости, необходимой для своевременной остановки автомобиля перед препятствием на дороге.
В начале 30-х годов в странах с наиболее высокими темпами автомобилизации движение по дорогам настолько возросло, что возникла потребность в строительстве дорог, в полной мере удовлетворявших потребностям дальних автомобильных перевозок с высокими скоростями. Появился новый тип дорог – автомобильные магистрали, на которые не допускаются медленно движущиеся транспортные средства – конные повозки и тракторы, а также пешеходы и велосипедисты. Встречные потоки автомобилей разделены, пересечения в одном уровне исключаются, а въезд автомобилей на дорогу и выезд с нее осуществляются с минимальными помехами для движения. Особенно большое внимание было уделено строительству автомобильных магистралей в США и в Германии. Последняя, готовясь ко второй мировой войне, создавала сеть дорог, которая могла бы обеспечить возможность быстрой переброски войск с одного фронта на другой.
В СССР к строительству первой автомобильной магистрали, связывающей Москву с Минском, приступили в 1936 г.
Великая Отечественная война поставила перед дорожным и автомобильным хозяйствами задачу обеспечения гигантских по своим масштабам боевых операций. По грунтовым дорогам благодаря усиленному эксплуатационному содержанию и укреплению отдельных участков различными местными материалами, строительству деревянных колейных покрытий осуществлялись перевозки с интенсивностью, требовавшей по нормативам мирного времени усовершенствованных покрытий. После войны было продолжено начатое еще до завершения военных действий восстановление разрушенных и строительство новых дорог.
Следует отметить, что при разработке первых норм на проектирование автомобильных дорог еще не были в полной мере известны особенности режимов движения автомобилей в разных дорожных условиях. Чтобы автомобили могли развивать высокие скорости, устраивали длинные прямые участки, а кривые в плане на поворотах дороги делали малых радиусов, обосновывая их расчетом на высокие значения коэффициента сцепления шин с покрытиями. Более того, допускали крутые подъемы в расчете на учет фактического состояния дорожной сети автомобильной промышленностью при конструировании новых марок грузовых автомобилей, что в последствии не оправдалось.
Практика эксплуатации дорог, построенных по первым техническим условиям, показала, что предусматриваемый в них напряженный режим движения (минимальное время реакции водителей, аварийное использование тормозного усилия и т. п.) требует повышенного внимания водителей при проезде сложных участков. Выяснилось, что большинство водителей заметно снижало на них скорость, а невнимательные или склонные к повышенному риску часто попадали в аварийные ситуации. При дальнейшем росте интенсивности движения неудачные участки превратились в места возникновения заторов и сосредоточения дорожно-транспортных происшествий.
Потребовалось уточнить расчетные схемы для обоснования параметров элементов дороги и учесть во входящих в них коэффициентах и параметрах особенности режимов, фактически устанавливающихся на дорогах, поскольку они соответствуют особенностям работы большинства водителей. Поэтому первое десятилетие после окончания второй мировой войны характеризовалось во всех странах массовым изучением режимов движения автомобилей в различных дорожных условиях. Были установлены оптимальные значения воспринимаемых водителями продольных и поперечных ускорений, выдерживаемых расстояний от края дороги и от встречных автомобилей, траекторий движения на кривых и другие показатели. Полученные данные позволили уточнить значения норм на элементы дорог.
Дальнейшее, более глубокое изучение работы водителей выявило влияние на режимы движения не только сил и ускорений, действующих на автомобили в каждый конкретный момент, но и особенностей психологического восприятия водителями всей обстановки на придорожной полосе и обеспечение видимости дороги на больших расстояниях, существенно превышающих расчетную видимость. Было установлено, что при каждом изменении дорожных условий у водителей возникает нервно-эмоциональное напряжение, которое может приводить к ошибочным действиям при управлении автомобилем. Возникла идея обоснования не только значений отдельных элементов дороги, но и их взаимных сочетаний с учетом сохранения у водителей в процессе движения по дороге постоянной оптимальной нервно-эмоциональной напряженности, делающей поездку в автомобиле и управление им приятными и неутомительными.
В результате возник новый раздел теории проектирования дорог, решающий вопросы пространственной плавности и гармоничного сочетания автомобильных дорог с ландшафтом. К дорогам как к сооружениям массового пользования начали предъявлять архитектурные требования.
Рост автомобильных перевозок привел к повышению грузоподъемности автомобилей. Увеличились осевые нагрузки, возросла доля грузовых автомобилей в составе транспортного потока. Это неизбежный процесс, объясняемый неэффективностью перевозок больших объемов грузов на автомобилях малой грузоподъемности, которые требуют большого числа водителей. Однако увеличение давления на колесо требует соответственного увеличения прочности дорожных одежд как на вновь строящихся, так и на используемых дорогах.
Создание методов обоснования требований к элементам дорог нельзя считать завершенным. Теория автомобиля, являющаяся базой для проектирования дорог, все время развивается. Ее достижения неизбежно должны находить отражение в совершенствовании методов проектирования дорог. Однако одновременно должно быть усилено и внимание автомобильной промышленности к учету реальных дорожных условий эксплуатации автомобилей в их конструкции.
Автомобиль и дорога – равноправные составные части автомобильного транспорта и должны совершенствоваться в увязке друг с другом.