7. Сооружения инженерного искусства

Мосты, тоннели, подпорные стены, галереи, эстакады сооружения инженерного искусства. Они должны гармонично сочетаться с природной обстановкой, с дорогой, с автомобилем по пропорциям и контурам.

Принцип согласования по контурам показан па рис. 53. В поперечном профиле дороги (рис. 53, а) определяющими оказываются формы рельефа Р (склоны холмов, выпуклые и вогнутые откосы). Соответственно им назначаются наклоны подпорных стен и ограждений. Но определяющими могут быть и контуры автомобиля А, а производными от них - вертикальные линии перил, ограждений, мачт для светильников, а также поднятые выше автомобиля короткие поперечные линии, например консоли.

53

К поднятым поперечным линиям относятся и перекрытия путепроводов над дорогой, своды тоннелей и нависающие скалы полутоннелей. Дисгармонируют с контурами дороги обратные наклоны О, показанные на рис. 53, а пунктиром. Их следует избегать.

В продольном профиле (рис. 53, б) определяющей является линия движения автомобиля. Поэтому все перила, ограждения, верховые подпорные стены, оптически ведущие световые линии нужно вытягивать по линиям, параллельным проезжей части. Возможны ступенчатые изменения уровня A₀, но совершенно недопустимы наклонные или провисающие линии (0 на рис. 53, б, показанные пунктиром). Они беспокойно режут глаз водителю.

Маскировка несущих деталей конструкции противоречит технической эстетике. Но если эти детали очень велики, что бывает в опорах высоких мостов, полезно учитывать также перспективное искажение их формы. Прямая опора будет казаться сужающейся книзу, если смотреть на нее сверху, или, наоборот, сужающейся кверху, если смотреть на нее из - под моста.

Эстетическое восприятие дорожных объектов зависит от соответствия применяемого материала природному обрамлению дороги. С появлением новых синтетических материалов возникает и новая современная эстетика сооружений.

Рассмотрим вкратце некоторые требования к инженерным сооружениям автомобильной дороги с точки зрения технической эстетики.

Верховые подпорные стены появились с незапамятных времен при террасировании полей на склонах гор. Поля заливались и оплывали, их подпирали набросками валунов, гут же собираемых. Потом стали возводить сухую кладку из привозного камня и, наконец, стали применять цементы. Дороги для вывоза собранного урожая устраивали под защитой таких стен, подпирающих террасы. Это были извилистые сельские дороги.

Статический расчет высоких подпорных стен пока еще не вполне надежно учитывает давление грунта. Нередко стены, простояв лет десять, опрокидываются. Это значит, что за стеной происходит процесс внутреннего разуплотнения породы и что к разуплотненным местам больше поступает влаги. Вертикальные степы на старых дорогах оказываются менее устойчивыми, чем одновозрастные с ними наклонные.

С эстетической точки зрения желательно, чтобы взгляд водителя, скользнув над стеной, увидел природный грунт откоса. Более высокие стены вызывают ощущение коридора.

Подпирая откосы в мягких грунтах, можно применять цементобетон. Если же в выемке обнажается скала, пусть трещиноватая, надо предпочесть стены из каменной кладки. К стенам рекомендуется приживлять неприхотливую растительность (рис. 54).

54

Низовые подпорные стены надежно поддаются расчету. На них опираются насыпи, в грунте которых не действует разуплотнение, а временами действует лишь снижающее угол устойчивости переувлажнение.

Низовые стены появились вначале по берегам рек. Население защищало свои поля стенами от речного размыва, если простая каменная наброска или кустарник оказывались недостаточными. Дороги прокладывали по краям речных террас, опирая их на эти стены.

Часто оказывается достаточным ограничиться низкими стенками у подошвы насыпи. На горных дорогах подпорные стены весьма распространены, причем нередко и двухъярусные, где низовая стена верхнего яруса становится верховой для яруса нижнего. Этим достигается наиболее экономичное прислонение дороги к горному склону.

В горах необходимы ограждения. Посадить их прочно можно только на подпорную стену (рис. 55). Вот почему низовые стены стали поднимать до уровня дороги, а полунасыпи превращать в застенную засыпку.

55

Гармония внешних контуров стен с рельефом ландшафта имеет строгое обоснование. Если на косогорах с наклоном поверхности меньше 36° для поддержания насыпи целесообразно возводить стены из сухой кладки наклоном 3:1, то на крутых склонах наклон их приходится увеличивать до 5:1. При этом сухая кладка допустима только из аккуратно колотого камня или из бетонных блоков. На обрывах круче 72° можно возводить только вертикальные стены и обязательно на цементном растворе. Средневековые азиатские инженеры, вынужденные прокладывать дорогу по отвесным обрывам скальных каньонов, научились использовать в качестве основания каждый выступ скалы. Так появились столбчатые подпорные стены с облегченными сводами.

На малых водохранилищах в холмистой местности и на городских набережных вполне целесообразен полого вогнутый профиль низовых стен. При подъеме воды он способствует расширению акватории и смягчает опасность паводков. Но если на берег действует волновой прибой и надо предотвратить его эродирующий накат, стена должна быть вертикальной.

Материал низовых подпорных стен определяется общим фоном. На подходах набережных к бетонному мосту или плотине вполне уместен цементобетон. Поверхность бетона должна быть надежно защищена от появления белесых или ржавых натеков застенными дренажами. В нескальных горах желательно применять цветной бетон, подобранный по окраске в тон ландшафта. На фоне скалистых гор нужен камень хотя бы только для отделки фасада стен. Хороша циклопическая сборная кладка (рис. 56). Замечания о материале относятся и к верховым стенам.

56

Если низовая стена подмывается водой, камень должен быть защищен от коррозии. Лучшая защита - это "патина" - пленка выветривания минералов, насыщенная микроорганизмами. Она темнит камень и защищает его от выкрашивания. Сдирать эту пленку пескоструйной обработкой - ненужное и вредное мероприятие.

Тоннели известны с античных времен. Они имели явно стратегическое значение и сначала их сооружали под реками. Реку временно отводили в сторону по боковому руслу, а по дну реки возводили каменную или кирпичную трубу, хорошо изолируя стенки битумом. Так был устроен тоннель под рекой Евфрат в древнем Вавилоне. В горах дорожные тоннели стали пробивать значительно позднее.

В настоящее время тоннели, рассекающие горные хребты, играют важную роль в экономике многих стран. Так 2,5-километровый тоннель через Тюя Ашу сократил путь между северной Киргизией и югом этой республики на 350 км. Альпы, некогда разобщавшие Европу, стали кратчайшим путем из Скандинавии к Средиземному морю.

Тоннели позволяют срезать плавной трассой отроги гор, и это весьма ощутимо повышает скорость и комфортабельность движения. Подводные тоннели обеспечивают пропуск морских судов к портам через моря и заливы.

Рациональные пропорции и контуры тоннеля определяются габаритами автомобилей, с одной стороны, и горным давлением - с другой. Чем плотнее заполняет автомобиль сечение тоннеля, тем больше его поршневой эффект, тем лучше вентиляция. А вентиляция в тоннеле - главное условие не только комфортабельности, но и безопасности. На рис. 57 показана степень опасности тоннельного воздуха в зависимости от содержания окиси углерода и времени нахождения в нем человека. Белое поле на графике - условие безопасности, густо заштрихованное - смертельно. Итак, чем тоннель длиннее, чем хуже вентилируется, тем он опаснее.

57

Если автомобиль в тоннеле идет на подъем, то чем больше уклон, тем больше в отработавших газах содержится окиси углерода. Следовательно, надо стремиться располагать тоннель на спуске, примерно 20%, еще лучше 30%. Это значит, что тоннели могут быть только однопутными. В двухпутном тоннеле невозможно движение автомобилей только на спуск и, кроме того, завихрения воздуха между встречными автомобилями крайне затрудняют вентиляцию.

При въезде в двухпутный тоннель водитель испытывает психическое торможение. К опасности столкновения со встречным автомобилем добавляется ощущение стесненности (эффект стены), тревога за идущего по тротуару обходчика. Отсюда вытекает правило: ширина двухпутного тоннеля должна включать проезжую часть, разделительную полосу и запас на преодоление стенового эффекта. Поперечное сечение такого тоннеля получается очень большим, и в нем совершенно бесполезным оказывается пространство выше габарита автомобилей. А чем больше сечение, тем сильнее действует горное давление и тем толще и дороже становится тоннельная обделка.

В старых тоннелях сужали дорожное полотно, и это приводило к необходимости снижать скорость движения по ним. Современный двухпутный тоннель показан на рис. 58.

58

В нем можно отметить следующие недостатки: встречные автомобили вызывают завихрения воздуха и могут столкнуться, их надо разъединить хотя бы продольной столбчатой стенкой; двухпутность не позволяет устроить тоннель на спуске и уменьшить его заражение отработавшими газами; тротуары расположены низко, и пешеходу угрожает опасность попасть под колеса, а удар колеса о бордюр на большой скорости может вызвать опрокидывание автомобиля; ниши, рассчитанные на один автомобиль, слишком коротки, и в случае внезапной неисправности автомобиля его трудно поставить в сторону.

Освещение тоннелей - не всегда просто разрешимая проблема. Адаптация зрения от света к темноте требует времени, измеряемого секундами. Для безболезненного перехода от 100%-ной освещенности вне тоннеля к нулевой нужно приблизительно 22 с. За это время автомобиль на скорости 60 км/ч пройдет 367 м. Тоннели без освещения на входе (рис. 59, а) сильно замедляют движение. Но если тоннель однопутный, можно ехать с полным светом фар, и тогда для адаптации достаточно и 100 м пути. На такое расстояние в тоннель можно вводить дневной свет с помощью системы зеркал, как показано на рис. 59, б.

59

Зеркала отражают дневной свет на проезжую часть и через соседние зеркала в глубь тоннеля. Проезжая часть при этом должна быть осветлена зернистым материалом, мягко распределяющим отраженный от зеркал свет. По мере удаления внутрь тоннеля освещение проезжей части падает. Тоннель с вводом дневного света (рис. 60) не нуждается в проводке электрического тока, не нуждается в капризных регуляторах искусственного света.

60

В тоннель можно вводить свет также с помощью эластичных световодов с прорезями для освещения тоннеля через определенные промежутки. При использовании естественного дневного света в начале световода устраивают большую светоприемную зеркальную воронку.

Выезжающему из тоннеля может мешать прямое попадание солнечных лучей через портал. Чтобы этого избежать, рекомендуется припортальные участки тоннеля трассировать по кривым радиуса, допустимого для данной дороги, и вводить в тоннель дневной свет системой зеркал.

Бесшумность достигается звукоизолирующей штукатуркой. Тротуар рекомендуется поднимать в расширенную среднюю по высоте часть тоннеля с устройством спусков в ниши, которые должны быть достаточно длинными для размещения двух - трех автомобилей. В нишах нужно иметь телефон и аптечку скорой помощи.

Раздельное трассирование для каждого направления движения облегчает вентиляцию, позволяет автомобилям увеличить скорость и идти почти на холостом ходу, заметным образом сокращает толщину обделки, уменьшает объемы выломки. К недостаткам раздельного трассирования надо отнести некоторое удлинение подходов к тоннелям и несколько повышенные затраты на выломку пионерных штолен.

Правильно заложенный и аккуратно пробиваемый тоннель - это одно из средств бережного обращения с ландшафтом. При наличии водопада или даже водоема дешевле и быстрее пробивать тоннель водной струей под давлением 4000 кгс/см².

Иногда обнаруживается стремление вычурно украсить портал тоннеля. Портал должен быть совершенно прост (см. рис. 59). Козырек над порталом предназначен для защиты от снега и обломков породы, а прорези с зеркалами, как уже отмечено, для веуска дневного света.

Закрытые галереи - это устаревший способ защиты дороги от снежных лавин и камнепадов. Нужны прочные консольные навесы, а при большой ширине полувыемки - навесы на столбах (рис. 61). Галереи обычно дороже тоннелей, особенно на крутых склонах, где внешние стены требуют глубокого фундамента.

61

Эстакады - полезный и эстетичный элемент дорог. Их применяют: на пересечениях водных пространств (см. рис. 50); для пропуска местного транспорта и пешеходов (рис. 62, 63); на городских скоростных магистралях; на неустойчивом горном склоне (рис. 64), в который без опасности мощных осовов нельзя врезать выемки, в логах со слабым водонасыщенным основанием, где пригрузка насыпью вызвала бы ее деформацию и смещение; на скалистом дне реки, оба берега которой осложнены оползнями; как элемент пересечения в двух уровнях; на подходах к мостам. Во всех этих случаях применение легкой и сквозной эстакады повышает к тому же эстетичность восприятия дорог.

62

63

64

Мосты на дорогах разнообразны по применяемым материалам и конструкциям, причем можно исторически проследить, как конструкция диктовалась наличием материала, развивалась и совершенствовалась с прогрессом техники его применения.

Можно проследить, как появление новых материалов совершенствовало уже известные конструкции.

Одновременно с этим в ходе технического отбора развивались и представления об эстетике мостов, воспитывались вкусы.

Представление об устойчивости свода появилось у жителей гор, наблюдавших, как весной речка промывала себе тоннель в снежнике. Снежники покрывались осыпями, что предохраняло их от таяния, и до позднего лета жители переходили через речку по снеговому своду. Позже люди научились прорывать примитивными орудиями отверстия в перемычках из рыхлого конгломерата (рис. 65) в. вади пустынь, что позволяло в редкие паводки использовать их как мосты. Эти отверстия стремились делать арочными, зная по опыту об устойчивости таких форм. Еще позже научились строить арочные мосты из камня или кирпича (рис. 66) и, наконец, уже в наше время целые долины стали перекрывать железобетонными или стальными арками (рис. 67). Такова эволюция свода, в исторической основе своей характерная для безлесных областей нашей планеты.

65

66

67

В тропических лесах строительным материалом служили лианы. Из них мосты вязали и подвешивали высоко над рекой между деревьями. На смену лианам пришли прочные стальные тросы, и это позволило, осуществить воздушные конструкции больших мостов для автомобильного движения (рис. 68). Эта вторая эволюция зародилась в тропиках и распространилась по всему миру.

68

Третья эволюция началась в северных лесах. Было просто перебросить через ручей поваленное дерево и переходить по нему. Но если речка была широка, а стволы коротки, балку приходилось выдвигать над балкой еще и еще раз, пока средний пролет не оказывался короче ствола (рис. 69).

69

Так появились балочные и консольно-балочные мосты. В железобетоне они приобрели свою современную техническую элегантность, легкость и прочность.

Непонятное и неудачное по своему назначению и формам не выдерживало испытания временем и дошло до нас лишь как историческая достопримечательность. Таковы, например, мосты - крепости или мосты - базары.

Комфортабельность движения требует предотвращения каких - либо толчков при въездах на мосты, как бы малы они ни были. На уже упоминавшейся уральской дороге это было осуществлено устройством каменных засыпок у малых мостов и над трубами. Благодаря этому неравномерность промораживания грунтов на контакте с бетоном не приводила к образованию порогов морозного пучения и впадин оттаивания.

Сильное раздражение вызывает сужение моста, даже если въезд на него устраивается по кривой.

Еще в средние века классик зодчества Альберти Батиста утверждал, что мост надо строить на всю ширину проезжей части.

В современных условиях скоростного автомобильного движения мост следует еще уширять на величину "бордюрного эффекта", примерно на 0,6 высоты ограждения тротуара от проезжей части. Нелепо и расточительно строить мост с неиспользуемой для движения разделительной полосой. Поэтому раздельное трассирование мостов для встречных путей движения - одно из существенных требований технической эстетики.

Гармоничное вписывание мостов в ландшафт отличается своеобразием. Мостовой переход принадлежит ландшафту, резко отличному от соседних по всем четырем показателям инженерного кодирования. Мост не включается в ландшафт, а доминирует над ним.

Путепроводы, по которым происходит движение автомобилей, подчинены тем же требованиям, которые были высказаны в отношении мостов. Путепроводы на равнинах располагают обычно на вертикальных кривых выпуклого профиля (рис. 70). В этом случае приходится находить правильную меру между экономией затрат на подходах с достаточной видимостью встречных автомобилей.

70

Устраивая путепровод через дорогу, необходимо обеспечивать надежную видимость едущим под ним водителям. При неумелом расположении путепровода над серединой вогнутой кривой пролетное строение и перила прерывают видимость. Путепровод надо располагать примерно в середине спуска.

Правила устройства путепровода над дорогой могут быть сформулированы следующим образом: отказ на основной дороге от разделительной полосы, требующей избыточных затрат на ее перекрытие пролетным строением; раздельное трассирование полос встречного движения под путепроводом; перекрытие всего пути движения единым пролетом без установки опор в пределах дорожного полотна; минимальная толщина пролетного строения и максимальная ажурность перил; светлая окраска низа пролетного строения для уменьшения густоты тени под ним.