Земляное полотно - важный элемент автомобильной дороги, отпора, на которой базируется дорожная одежда.
Все вышесказанное относительно проведения трассы дороги в плане, продольном и поперечном профилях характеризует форму и размеры земляного полотна.
От формы и размеров земляного полотна зависит его объем, т. е. объем земляных работ, связанных с сооружением земляного полотна.
Для определения объема земляного полотна, имеющего форму геометрической пространственной фигуры, необходимо знать длину данного элемента земляного полотна и площадь поперечного сечения полотна в конечных точках этого же элемента.
Рассматривая земляное полотно в форме насыпи (рис. 25), площадь его поперечного сечения можно представить в виде трапеции, опирающейся большим основанием на поверхность земли (предполагается, что последняя лишена значительного поперечного уклона); известны ширина трапеции по верху (по нормам технической классификации для данной категории дороги) и ее высота (рабочая отметка).
Устройство покрытия дороги
Этих данных недостаточно для определения площади трапеции. Необходимо дополнительно выяснить величину нижнего основания трапеции - ширину насыпи по низу.
Ширина насыпи по низу складывается из следующих частей:
1) ширины насыпи по верху (нормативная величина В);
2) горизонтального заложения левого откоса;
3) горизонтального заложения правого откоса.
Рис. 25. Пространственная геометрическая фигура, характеризующая часть земляного полотна дороги (в виде насыпи)
Величина горизонтального заложения откоса в свою очередь зависит от высоты насыпи (рабочей отметки) и коэффициента крутизны откоса. Коэффициент крутизны откоса указывает, во сколько раз горизонтальное заложение откоса больше его высоты.
Таким образом, когда установлен коэффициент крутизны откоса (а он обычно задается одинаковым как для левого, так и для правого откосов) и известна рабочая отметка Н данной точки, можно определить горизонтальное заложение откоса - оно равно кН, где к - коэффициент крутизны откоса.
В большинстве случаев насыпи устраиваются с полуторными откосами, у которых высота относится к заложению, как 1:1,5. У таких насыпей, следовательно, коэффициент крутизны к =1,5 и заложение в полтора раза больше высоты. Насыпи с крутизной откосов менее полуторной, например с «одиночными» откосами (1:1), не обладают достаточной устойчивостью и поэтому устраиваются редко. Насыпи с крутизной откосов более полуторной обладают повышенной устойчивостью, но менее экономны, чем полуторные (требуют производства земляных работ в большем объеме).
«Двойные» откосы обычно применяются при устройстве очень высоких насыпей, когда крутизна 1:2 придается откосам в нижней части насыпи (до высоты 6-8 м); верхушка насыпи устраивается с полуторными откосами.
«Тройные» откосы (1:3) иногда применяются при постройке дорог высших категорий с низкими насыпями (высотой до 1 м), поскольку насыпи с такими откосами становятся менее опасными при заносе автомобилей.
После того как горизонтальное заложение откоса определено, можно определить и всю ширину насыпи по низу, так называемую подошву насыпи В'=В+2кН м.
Отсюда искомая площадь поперечного сечения насыпи, определяемая как площадь трапеции, равна:
Чтобы определить объем некоторого элемента насыпи в пределах между отстоящими друг от друга на расстоянии L двумя соседними точками трассы, для которых известны рабочие отметки H1 и H2, необходимо определить площади поперечного сечения F1 и F2 для каждой из этих точек.
После определения этих площадей по предыдущей формуле (В и к- заранее заданные величины) они суммируются и сумма делится пополам; получившаяся полусумма представляет собой некоторую среднюю площадь поперечного сечения для данного отрезка насыпи Fср.
Когда Fср определена, остается ввести в расчет длину L рассматриваемого отрезка насыпи, и искомый объем насыпи может быть приближенно подсчитан по формуле
т. е. объем данного элемента земляного полотна в пределах между двумя смежными поперечными сечениями для точек с известными рабочими отметками приближенно равен произведению полусуммы площадей этих поперечных сечений на расстояние между ними.
После определения объема земляного полотна между двумя точками трассы (допустим, ПК0 и ПК1) определяют объем земляного полотна на следующем участке трассы (допустим, ПК1 и ПК2) и т. д. Отдельные элементные объёмы определяются для всей данной насыпи в пределах между нулевой точкой - началом насыпи и другой нулевой
Рис. 26. Продольный профиль и пространственное изображение участка дороги с земляным полотном, представляющим собой законченную насыпь: а) продольный профиль; б) пространственное изображение; в) то же пространственное изображение, разложенное на составные элементы (в пределах отдельных пикетов)
точкой - ее концом; сложив полученные элементные объемы, получают общий объем насыпи (рис. 26).
Аналогично ведется подсчет объемов выемок. Весь ход подсчета объемов земляного полотна может быть оформлен в виде табл. 6.
Подсчет объема земляных работ по вышеприведенной форме является приближенным и для уточнения нуждается во внесении поправок, которые отыскиваются в специальных таблицах. Кроме того, такой подсчет действителен только при отсутствии значительного поперечного уклона местности.
Подсчет объема выемок принципиально не отличается от подсчета объема насыпей. Однако из рассмотрения площади поперечного сечения выемки вытекает, что вместо номинальной ширины В в таблице подсчетов необходимо учитывать величину Вв, которая образуется в результате добавления к нормативной ширине В ширины двух кюветов, являющихся непременным элементом земляного полотна, имеющего форму выемки.
Что касается крутизны откосов выемок, то наиболее часто встречающимися являются полуторные откосы, в особенности на дорогах, расположенных в средних географических широтах.
На дорогах, проходящих в горных районах (в скалистых породах), выемкам придают значительно более крутые уклоны, вплоть до отвесных.
Мелкие выемки в целях борьбы со снежными заносами иногда устраиваются «раскрытыми», с очень пологими уклонами (вплоть до 1 : 10).
При подсчете объема земляных работ особое значение имеет определение местонахождения нулевых точек, в которых начинаются и оканчиваются насыпи и выемки.
Поскольку эти точки образуются в результате пересечения красной и черной линий, то и местонахождение нулевых точек отыскивается из подобия треугольников, образуемых обеими пересекающимися линиями.
При проведении трассы дороги по косогору (вдоль горизонталей) земляное полотно приобретает своеобразные формы (рис. 27).
Наиболее экономной формой земляного полотна при трассировании дороги по косогору является полунасыпь-полувыемка. Для устойчивости насыпи, устраиваемой на крутом косогоре, ее основание делают ступенчатым.
В процессе проектирования автомобильной дороги обычно составляется по пикетам график распределения земляных масс, необходимый в процессе постройки дороги.
Рис. 27. Поперечные профили земляного полотна
дороги, протрассированной на косогоре: а) в виде насыпи; б) полунасыпь-полувыемка; в) в виде выемки
При составлении графика (рис. 28) вверх и вниз от пикетной линии откладывают в произвольном масштабе поэлементные объемы земляных работ, взятые из ведомости подсчета объемов (вверх откладываются выемки, вниз - насыпи).
После построения графика на нем выделяют зоны продольного перемещения земляных масс, основываясь на том, чтобы грунт, вынутый при устройстве выемок (если позволяет его качество), мог быть использован также и для устройства близлежащих насыпей.
Рис. 28. График распределения земляных масс по пикетам,
(В верхней части рисунка показан продольный профиль участка, для которого составлен график.)
На взятом для примера участке дороги длиной 500 м общий объем земляных работ подсчитан в размере 5126 м3.
Составив для этого участка график распределения земляных масс, на нем можно выделить две зоны продольного перемещения.
Первая зона. Выемка ПК 1+51- ПК 2+52 в полном объеме (1041 м3) разрабатывается в насыпь ПК 0-ПК+51. Полный объем насыпи (1284 м3) превосходит объем выемки на 243 м3, поэтому недостающее количество земляных масс, очевидно, не удастся взять путем продольного перемещения и, следовательно, границу первой зоны продольного перемещения нужно определить, отступив на некоторое расстояние от точки ПК 0.
243 : х = (850 - 243): (100 - х)
следовательно,
Таким образом, окончательно первая зона продольного перемещения земляных масс определяется в следующих границах:
ПКО+29--ПК2 + 52.
Вторая зона. Из выемки ПК 3+63-ПК 5 разрабатывается в насыпь ПК 2+52-ПК 3+63 788 м3 грунта, что обеспечивает отсыпку этой насыпи в полном объеме. Но разрабатываемая выемка имеет полный объем 2013 м3 и, таким образом, превосходит объем близлежащей насыпи на 1225 м3. Поскольку это количество земляных масс не придется разрабатывать из выемки в насыпь, то и расстояние, соответствующее объему 1225 м3, не будет входить в зону продольного перемещения.
Из объема 1225 м3 явно не войдут в расстояние, включаемое в зону продольного перемещения, 777 м3, являющиеся частью объема выемки в пределах от ПК 4+50 до ПК 5.
Что касается остальных 448 м3, приходящихся на участок выемки ПК 4-ПК 4+50, то здесь будет иметь место следующая пропорция:
448: х = (1040 - 448): (50 - х),
откуда х = 22.
Таким образом, вторая зона продольного перемещения земляных масс определяется в следующих границах:
ПК2 + 52--ПК4 + 28.
Вне зоны продольного перемещения на рассматриваемом участке остаются две зоны поперечного перемещения, поэтому при сооружении земляного полотна на данном участке придется закладывать резервы и устраивать кавальеры (рис. 29).
В пределах первой зоны поперечного перемещения (на рис. 28 обозначено стрелкой), расположенной на участке ПК 0-ПК 0+29, т. е. на расстоянии 29 м, очевидно, придется заложить резерв, чтобы восполнить недостаток в грунте, необходимом для отсыпки насыпи на этом участке.
В пределах второй зоны поперечного перемещения (на рис. 28 обозначено стрелкой), расположенной на участке ПК 4+28-ПК 5,
Рис. 29. Поперечные профили земляного полотна в условиях поперечного перемещения земляных масс:
а) насыпь с резервом; б) выемка с кавальером
т. е. на расстоянии 72 м, очевидно, придется устроить кавальер, необходимый для того, чтобы использовать лишний грунт из выемки, разрабатываемый на данном участке и не требующийся для устройства насыпи.
Если теперь просуммировать все объемы земляных масс, соответствующие каждой из выявленных четырех зон, то получим:
Нетрудно видеть, что объем подлежащих перемещению земляных масс отличается на величину 1829 м3 отобщего объема земляных работ на участке (5126 м3), причем величина 1829 м3 соответствует сумме 1041+788, т. е. является суммарным объемом земляных масс, подлежащих перемещению в обеих зонах продольного перемещения. Применение способа продольного перемещения, давая возможность как бы дважды использовать каждый разрабатываемый кубометр земли, позволило в данном случае сократить рабочую кубатуру до величины, которая составляет только 64% от геометрического объема земляного полотна.
Дальнейший анализ зон продольного перемещения показывает, что средние расстояния перемещения земляных масс в данном примере составляют 90-110 м(среднее расстояние перемещения можно считать примерно равным половине длины соответствующей зоны продольного перемещения).
Для того чтобы определить расстояние перемещения в зонах поперечного перемещения, необходимо оперировать поперечными профилями и знать конфигурацию резервов и кавальеров (закладываются они по обе стороны от оси дороги или по одну сторону). Резервы обычно устраиваются не глубже 1,0-1,5 м. Бермы устраиваются шириною 2-4 м.
