秦皇岛山岭区三级公路设计.doc

课程设计题 目：秦皇岛山岭区三级公路设计 学 院：建筑工程与力学学院 班 级：10级道路与桥梁工程 姓 名： 程 顺 学 号： 100107010093 指导教师： 茹 洪 忠 2013年6月22日19 目录1.设计资料21.1.设计概况21.1.1.课题名称：山岭区三级公路路线设计21.1.2.设计要点21.1.3.路线起讫点21.1.4.工程设计依据21.2.设计目的和要求21.3.平纵横线形要素标准21.3.1.控制要素:21.3.2.平面设计技术指标31.3.3.纵断面设计技术指标31.3.4.路基横断面技术指标31.4.注意事项32.道路选线42.1.纸上定线42.2.选线原则43.平面设计43.1.平面线形设计要求43.2.直线的设计53.3.直线的运用53.3.1.在长直线上要注意下列几个问题：53.3.2.直线的长度规定53.4.圆曲线53.4.1.圆曲线的几何要素53.4.2.汽车在圆曲线上的行驶特性63.4.3.圆曲线的半径和长度63.5.缓和曲线63.5.1.缓和曲线的线性特征63.5.2.缓和曲线的长度及其标准73.5.3.有缓和曲线的道路平曲线几何要素73.6.平面曲线组合设计84.纵断面设计84.1.纵坡及坡长设计94.1.1.坡度设计94.1.2.最大纵坡94.1.3.最小纵坡94.1.4.合成坡度94.1.5.坡长设计104.1.6.竖曲线104.1.7.竖曲线的最小半径和长度104.2.竖曲线设计104.3.道路的平、纵线形组合设计124.3.1.平、纵组合的设计原则124.4.纵断面设计要点和方法124.4.1.纵断面设计要点124.4.2.纵坡设计应注意的问题135.横断面设计135.1.横断面的组成135.2.行车道宽度135.3.曲线的超高、加宽于视距保证135.3.1.曲线超高135.3.2.曲线加宽165.4.视距保证175.5.路基土石方数量计算及调配175.5.1.横断面的计算175.5.2.土石方的计算175.5.3.平均运距176.参考文献181. 设计资料 1.1. 设计概况1.1.1. 课题名称：山岭区三级公路路线设计1.1.2. 设计要点工程概况：设计公路为为山区某三级公路，分车道行驶,地势较平坦。设计车速为40Km/h。地形图比例尺1：20001.1.3. 路线起讫点起点桩号：k0+000 X= 193.9221 Y=731.3201 高程：48.689 m终点桩号：k1+153.475 X= 1159.519 Y=1045.062 高程：48.689 m1.1.4. 工程设计依据公路路线设计规范（JTG D20-2006）公路工程技术标准（JTG B01-2003）道路勘测设计 人民交通出版社交通工程人民交通出版社1.2. 设计目的和要求 通过本次课程设计，达到以下教学目的：（1）掌握路线线型设计的一半过程及设计内容；（2）掌握路线平面线型的纸上定线方法及线型计算方法；（3）掌握路线纵断面设计及计算方法；（4）提高综合运用所学知识分析、解决问题的能力；（5）掌握道路平面、纵断面、横断面的绘图方法及土石方数量计算方法。1.3. 平纵横线形要素标准1.3.1. 控制要素: （1）服务水平：三级服务水平 （2）设计时速：40km/h1.3.2. 平面设计技术指标(1) 直线的最大长度20v（800m）,同向曲线间直线的最小长度为6v（240m）， 反向曲线间的直线的最小长度为2v（80m），（2）圆曲线最小半径：一般最小半径：100m，极限最小半径：60m，不设超高的最小半径(路拱大于2%时为800m，路拱小于2%时为600m)（3）缓和曲线的最小长度一般为50m，最小为40m（4）平曲线最小长度一般为350m，极限值为70m（5）圆曲线的最大超高为8%（6）S形曲线的两个回旋线的半径宜相等1.3.3. 纵断面设计技术指标（1）最大纵坡度为7%，最小坡长为（一般值为160m，最小值为120m），最大坡长为（坡度为4%时为1100m，坡度为5%时为900m，坡度为6%时为700m，），且当纵坡坡度小于或等于3%时，最大坡长没有限制。最大合成坡度为10.0%（2）凸型竖曲线最小半径（一般值为700m，极小值为450m），最小长度（一般值为90m，极限值为35m）。（3）停车视距为40m，会车视距为80m，超车视距为200m1.3.4. 路基横断面技术指标行车道宽度：23.5m，硬路肩宽度：20.75m，路基总宽度：8.5m，视距保证：停车视距为75m。路拱及土路肩横坡度：路拱横坡度取2%。 1.4. 注意事项 1.路基施工应严格按规范进行，对能作为填方用土的挖方应尽量移挖作填，尽量减少取、弃土场地。2.取、弃土场地应选择荒山、山地处，不得随意乱弃，堵塞河道，且要做好防护，绿化工作，以免造成水土流失。3.土基填筑前应进行清表、清淤，耕地填前夯实工作，做好填前排水。4.排水：挖方路段路面雨水通过路肩进入边沟，填方路段路面雨水经坡面散排至排水沟。5.山岭区选线，不是顺山沿水，就是横越山岭，选线时尽量不要穿过等高线密集的地方，这样可以降低挖(填)方量，选择适当的地方转弯。2. 道路选线道路选线，就是个根据道路的使用任务、性质、公路的等级和技术标准，从规划的起、终点之间结合地形、地质、水文及其他沿线条件，综合考虑平、纵、横三方面因素，在实地或纸上选定道路中线的确切位置，然后进行有关的测量和设计工作。我们本次选线为纸上定线.2.1. 纸上定线在纸上定线中，因使所设计路线尽量与等高线平行，绕开等高线密集的陡坡地区。在定线时，直线距离不能太长，一般以20V（V是设计车速）为最大长度。2.2. 选线原则路线设计受到地形、水文、气候等自然因素的影响，还受到到很多社会、经济等上的因素。本次为丘陵区选线，等级为三级公路，我们要注意以下几点:1.使填、挖方平衡。2路线的坡度做好控制，在0.3%7%为宜3.多种方案，从中选择最优方案。4.做到少占耕地，与农田基本建设相协调。5.根据设计标准合理布局线路，路线设计要保证行车安全、舒适。6.选择坡度较缓的地形，有利于施工。7.对水文地质差的地方尽量绕行。8.在地形图要设计两个弯道，在弯道设计时，除考虑曲线要素外，还要注意弯道内侧是否有物体阻碍司机的视线，为满足视距要求，要对其横净距进行计算，具体方法在横断面设计时在详细说明。3. 平面设计路线的平面线形是由指直线、圆曲线和缓和曲线组成的平面线形，平面设计就是将直线、圆曲线和缓和曲线等合理的组合起来，确定路线平面位置和各部分的几何尺寸的工作。3.1. 平面线形设计要求在路线的平面设计中，我们主要考察的是汽车的行的行驶轨迹，所以轨迹在几何性质上有以下特征：1.曲线是连续和平滑的，轨迹上任何一点不出现破折。2.曲率的变化是连续的，轨迹上任何一点不出现两个曲率的值3.曲率的变化率是连续的，轨迹上任何一点不出现两个曲率变化率的值。3.2. 直线的设计直线是平面曲线的要素之一，也是运用最为广泛的，能给人以短捷、直达的印象。但是在直线上高速行驶，容易使驾驶员产生疲劳，造成交通事故，因此，在运用直线时，必须慎重，不宜过长。3.3. 直线的运用3.3.1. 在长直线上要注意下列几个问题：1.长直线上纵坡不宜过大，易导致高速度。2.长直线与大半径结合最好。3.长直线两测加标志物，改善单调景观。3.3.2. 直线的长度规定直线的长度不宜过长，也不能太短，根据公路路线设计规范（JTJ011-94）推荐行驶的最短距离为行驶速度V的6倍，最长距离一般规定为行驶速度V的20倍。有反向曲线时，根据公路路线设计规范(JTJ011-94)规定反向曲线间最小的直线长度以不小于行驶是速度的2倍为宜。3.4. 圆曲线各级公路不论转角大小均应该设平曲线，而圆曲线是平曲线中主要的组成成分。路线平面设计线形中常用的单曲线、复曲线及回头曲线等，一般都包含了圆曲线。圆曲线具有易与地形相适应、可循行好、行线形美观、易于测设等优点，使用十分普遍。3.4.1. 圆曲线的几何要素T=Rtan/2L=R/180 E=R(sec/21)D=2TLT切线长（m）L曲线长（m）E外距（m）D校正数或称超距（m）R圆曲线半径（m）转角（）3.4.2. 汽车在圆曲线上的行驶特性行驶在曲线上的汽车由于受到离心力的作用其稳定性手到影响，而离心力的大小有与曲线的半径有密切的关系，半径越小越不利，所以在选择平曲线上时应尽量采用较大的值，只有在地形或者其他条件受影响时才可用较小的半径。为了行车的安全与舒适，公路工程技术标准.（JTGB01-2003）规定了圆曲线半径在不同的情况下的最小值。R=V2/127(i)V=行驶车速（km/h） i=超高横坡度在指定车速V下，最小Rmin决定于容许的最大横坡度max和该曲线的最大超高icmax。3.4.3. 圆曲线的半径和长度在半径的选用中，尽量选用较大的半径，极限最小半径尽可能不用，但是半径不是越大越好，还要视所设的路线而定，根据公路路线设计规范(JTJ011-94)规定圆曲线的半径最大不宜超过10000m。在三级公路中，设计速度V=40km/h,在一般最小半径中R100m,在极限最小半径中R50m，在设计中根据地形的情况自行选择合适的半径,所以在设计的三级公路中JD1的R1取200m，JD2的R2取60m，都符合要求。3.5. 缓和曲线缓和曲线是道路平面设计的要素之一，它是设置在直线与圆曲线之间或半径相差较大的两个转向相同的圆曲线之间的一种曲率连续变化的曲线,公路工程技术标准规定，除四级公路不要求设缓和曲线，其余的等级的公路都应该设置缓和曲线。3.5.1. 缓和曲线的线性特征回旋线是公路路线设计中最常用的的一种缓和曲线。回旋线的基本公式RLS=A2R=回旋线所连续的圆曲线半径LS=回旋线型的缓和曲线长度3.5.2. 缓和曲线的长度及其标准 缓和曲线的最小长度公式：LS(min)=0.036V3/R 在三级公路中，R1=200,V=40km/h,代入得: LS(min)=0.036*403200 =11.52mR2=60,V=40km/h,代入公式得LS(min)=0.036*40360=38.4m 各级公路缓和曲线最小值设计速度(km/h)1201008060403020缓和曲线最小长度/m100857060403020所以在三级公路设计中，缓和曲线了LS都取40m满足要求。3.5.3. 有缓和曲线的道路平曲线几何要素道路平面曲线的几何元素公式如下：T=(R+p)tan/2 + qL=R/180 + LS=R(2)/180 + 2LSE=(R+p)/cos/2 R=90LS/Rq=LS/2 L3S/(240*R2 )p=L2S/24R LS4/(2384R3)3.5.4. 有缓和曲线的道路平曲线几何要素手算部分在所设计的三级公路中 计算：JD1: = 135348.9左 R=250 LS =70 40 时为非对称曲线计算=90LS/R=90*70/250/3.14=8.02q1= 34.9771333q2=19.9957333p1=0.8160221p2=0.26659794T1=63.25687T2=48.20851L=185.636738JD2 = 662939.4右 R=60 LS =40 时为对称曲线计算= 19.10828q= 19.92593p=1.10614T=59.985L=109.6326E=8.89611JD3 = 311010.5右 R=100 LS =40 时为对称曲线计算= 11.46497q= 19.97333p= 0.665593T= 48.051L= 94.40119E= 3.03549JD4 = 574910.8左 R=105 LS =40 时为对称曲线计算= 10.91902q= 19.97581p= 0.633993T= 78.315L= 145.9642E= 12.531计算结果和软件计算结果相差不大，在允许范围之内，3.6. 平面曲线组合设计平面线形应值捷、连续、顺适，并与地形、地物相适应，与周围环境相协调。长直线的尽头不能和小半径的曲线相接，在公路弯道一般情况下，由两端曲线和一段圆曲线组成。缓和曲线的长度不能小于所设计等级公路的最小长度的规定；中间圆曲线的长度也宜大于3s的行程。下表为各级公路平曲线的最小长度设计速度 km/h1201008060403020一般值1000850700500350250200最小值200170140100705040所求的弯道的平曲线长度均能都满足要求最小值70。4. 纵断面设计纵断面设计的主要任务就是根据汽车的动力特性、道路等级、当地的自然地理条件以及工程经济性等，研究空间的线形几何构成的大小及长度，以便达到行车安全迅速、运输经济合理及乘客感觉舒适的目的。纵断面是由两条主要的线，一是地面线，根据中线个点的高程而绘出的不规则的折线；一条是设计线，是反映道路线的起伏情况，器标高为设计标高。三级公路的标高采用路基边缘标高，在设置超高、加宽地段为设超高、加宽前该处边缘标高。纵断面设计线是由直线和竖曲线组成，直线的坡度和长度会影响行车的速度和安全，竖曲线有凹有凸，主要解决公路线形在纵断面上的位置、形状和尺寸问题。4.1. 纵坡及坡长设计4.1.1. 坡度设计是纵坡设计经济合理，结合选线的纵坡安排意图，经过综合分析、反复比较定出纵坡。纵坡设计要满足以下要求：1.纵坡要有一定的平顺性，起伏不宜过大和过于频繁。2.纵坡要考虑地质、水文、气候、排水等因素。3.纵坡要考虑填挖平衡，就近填方。4.考虑交通枢纽、农田水利等因素。4.1.2. 最大纵坡是道路所允许的最大坡度值，是纵断面设计的重要指标。设计速度km/h1201008060403020最大纵坡%3456789在设计速度为40km/h的三级公路上，最大纵坡为7%。软件设计时最大纵坡为3.298%，满足要求4.1.3. 最小纵坡纵坡小能有利于汽车的行驶，但是同时还要考虑到路面排水的功效，说以纵坡不宜太小，要满足排水要求，防止积水渗入路基而影响其稳定性，所以纵坡的设计以不小于0.3%为最小纵坡，一般要大于0.5%为宜。在特殊地形上纵坡小于0.3%是，边沟要做纵向的排水设计在超高横坡度渐变段上，为使行车外侧边缘不出现反坡，设计最小的纵坡不宜小于超高的允许渐变率。设计时最小纵坡为0838%，满足最小纵坡要求4.1.4. 合成坡度是由路线纵坡与弯道超高横坡或路拱横坡组合而成的。根据公路工程技术标准三级公路在V=40km/h时的最大合成坡度为10%，最小合成坡度不宜小于0.5%。4.1.5. 坡长设计三级公路在40km/h的最短坡长为120米。设计时最短坡长为153.47米根据公路工程及技术标准在三级公路越岭路线的平均纵坡一般接近5.5%和5%为宜。4.1.6. 竖曲线在汽车行驶过程中，为了缓和因车辆动力变化而引起的冲击和视距保证，必须插入竖曲线。竖曲线一般是由圆曲线和二次抛物线两种。4.1.7. 竖曲线的最小半径和长度在纵断面设计中，有三个因素决定最小半径。1.缓和冲击汽车在行驶过程中，产生了加速度，从而产生了离心力，让乘客感觉不舒服R=V2/13a,加速度a一般在0.50.7m/s2.2.时间行程不过短在竖曲线上行驶，行驶路程太短，会让乘客感觉不舒服，所以最短距离要满足。Lmin=V/1.2，设计速度为40km/h的最小长度为35m.3.满足视距要求汽车在凸曲线上行驶，半径太小，会阻挡司机视线。在凸曲线上设计车速为40km/h最小半径为700m。4.2. 竖曲线设计在纵断面的变坡点上，由于坡度的改变形成了坡度角=i2i1当为“+”时表示凹曲线，当为“”时为凸曲线。在总多面设计中，有3个变坡点，所以有4个坡度，i1=1.81% i2=0.84%i3=3.30% i4=-3.15%所以经过计算1=i2i1=-0.97% 2=i3i2=4.14% 3=i4i3=0.15%;所以第一个为凸曲线，第二个为凸曲线，第三个为凹曲线，分别选择半径R1=3800m,R2=3400m,R3=14000m,都满足竖曲线半径的要求。三个变坡点的桩号分别为K0+310 、K0+710 、K1+000.三个变坡点的高程：H1=43.84，H2=47.19，H3=37.63在进行竖曲线要素计算竖曲线长度： L=R竖曲线切线长： T= L/2=R/2竖曲线上任一点竖距; h=x2/2R x为计算点桩号与竖曲线起终点桩号差 竖曲线外距：E=T2/2R竖曲线起终点桩号=变坡点桩号 T竖曲线起点高程H起=H0 Ti竖曲线终点桩号=变坡点桩号 + T竖曲线终点高程H终=H0 Ti以上两式中的凸竖曲线用“”，凹竖曲线用“+”。4.2.1. 竖曲线设计手算部分以半径R1=3800m R2=3400m , R3=14000m 1=-0.97% 2=4.14% 3=0.15%; L1=R11=3800*0.97%=36.86 L2=140.76 L2=21T1=L1/2=36.86/2=18.43 T2=70.38 T2=10.5E1=T12/2R=18.437600=0.045 E2=0.728 E2=0.0039算的竖曲线要素如下：变坡点变坡点桩号凹凸性RTE变坡点高程1K0+310凸380018.430.04543.842K0+710凸300070.380.72847.193K1+000凹140000.7280.003937.63竖曲线上的任何一点的竖距h，竖曲线上的一点里程桩号K0+300该竖曲线的起点桩号为K0+310T=K0+291.57竖曲线起点高程=43.84-18.43*0.0181=43.51（m）竖曲线的终点桩号=(K0+310) + T=K0+328.43竖曲线终点高程=43.84+18.43*0.0084=43.99（m）竖曲线上的任何一点的竖距h，竖曲线上的一点里程桩号K0+300x=300291.57=8.43m h=x2/2R=8.4327600=0.0094m切线高程=43.84-(310-300)*0.0181=.43.66m或者=43.51+（300-291.57）*0.0181设计高程=43.66-0.0094=43.65m在桩号为K0+320处：横距x=328.43-320=8.43m h=x2/2R=44.624000=0.0094m切线高程=43.84+（320-310)*0.0084=.43.92m设计高程=43.92-0.0094=43.91m 4.3. 道路的平、纵线形组合设计4.3.1. 平、纵组合的设计原则1）平曲线与竖曲线应该相互重合，且平曲线要长于竖曲线，就是所说的“平包纵”。 2）平曲线与竖曲线大小应保持平衡。3）暗弯与凸形曲线结合，明弯和凹形曲线组合才合理。4）要避免使凸曲线的顶部或者凹曲线的底部与反向平曲线的拐点重合。5）小半径竖曲线不宜与缓和曲线相重合。4.4. 纵断面设计要点和方法4.4.1. 纵断面设计要点要求从断面均匀平顺、起伏缓和、坡长和竖曲线长短适当、平面组合设计协调以及填挖经济、平衡。考虑到排水的因素，所以为了路面和边沟的排水，最下纵坡不应低于0.3%0.5%.在关于纵坡的长度上，纵坡的长度不宜过短，以不小于设计速度9s的行程为宜。竖曲线的半径选用较大的为宜，在受限制时可用最小值。4.4.2. 纵坡设计应注意的问题在纵坡的设计小于0.3%时，对道路的排水不利，所以在道路的两侧可以设置锯齿形的沟进行排水。5. 横断面设计道路的横断面是指中线上各个点的法相切面，是由横断面设计和地面线组成。5.1. 横断面的组成1）路幅是指公路路基顶面的两路肩外侧之间的部分。三级公路在设计速度为40km/h时的路基宽度为8.5m。2）路拱是为了有利于路面的横向排水，将路得中央做成相亮泽倾斜的拱形。路拱对排水有利但是路拱对于行车不利，在设计时不能太大。在水泥混凝土路面、沥青混凝土路面一般取1.02.0%，为了有利排水，在这里去路拱ig=2.0%。路肩是为了保护车道的主要稳定，供车辆紧急停止，在道路的两侧。在三级公路设计中只有土路肩，宽度为0.75m。在路肩上也有为了有利于排水而设置的路肩横坡度，在这里选用3%.5.2. 行车道宽度行车道宽度是根据车辆宽度、设计交通量、交通组成和汽车行驶速度分别来确定。参考数据：在设计速度为40km/m的时候，车道宽度取3.5m.5.3. 曲线的超高、加宽于视距保证5.3.1. 曲线超高为了抵消在曲线段上的离心力，将路面设计成为外侧高内侧低的单向横坡度，就是超高。在这里我们根据超高表来确定，在设计速度为40km/h的三级公路上，超高横坡度的选择如下表：V40km/m600390390270270200200150150120120909060超高%234567891）超高的过度一般绕内线旋转由于内侧的不降低，有利于纵向排水，所以在新建的公路中一般都以绕内线旋转的方法。利用绕内边线旋转超高值计算公式：超高位置计算公式注xx0圆曲线上外缘1计算结果均为与设计高之高差2.临界断面距缓和段起点3.x距离处的加宽值：中线内缘过度段上外缘或（）中线内缘参考数据：a=0.75 b=3.5 ic1=5% ic2=8% ig=2% ij=3% LC=405.3.2. 路基加宽手算部分路基加宽值随半径的变化而变化在JD1 R=200时，BJ1=1.0在JD2 R=60时， BJ2=2.5 对超高进行计算：圆曲线的超高，以桩号K0+240为例外缘hc=0.75*0.03 + (0.75+7)*0.05=0.41中线hc=0.75*0.03 + 3.5*0.05=0.2内缘hc=0.75*0.03 (0.75+0.6)*0.05=0.045缓和曲线上的超高，以桩号K0+200为例X0=0.020.05*40=24 X=200 180=20所以xx0 BJX=xBj/LC=0.5外缘=20*0.4140=0.205中线=0.75*0.03 + 3.5*0.05=0.0925内缘=0.75*0.03（0.5+0.75）*0.02=-0.0025对在平曲线上的各个桩号的超高值计算如下表：JD1内缘中线外缘K0+180(ZH)00.09250+200-0.00250.09250.205+220(HY)-0.0650.20.41+240-0.0650.20.41+260-0.0650.20.41+280-0.065 0.20.41+300-0.0650.20.41+309.12(YH)-0.0650.20.41+320-0.0220.150.3+340-0.00350.09250.094+349.12(HZ)00.09250JD2K1+133.92(ZH)00.09250+150-0.0340.1350.26+170-0.190.30.063+173.92(HY)-0.240.30.64+190-0.240.30.64+210-0.240.30.64+230-0.240.30.64+250-0.240.30.64+257.7(YH)-0.240.30.64+270-0.1150.0.220.445+290-0.0020.09250.12+297.7(HZ)00.092505.3.3. 曲线加宽为了适应汽车在平曲线上行驶时候的后轮轨迹偏向曲线内测的需要，在平曲线的内侧增加路面、路基的宽度。但是对于R250m的圆曲线不用设计加宽。在圆曲线上为全加宽。参考数据：在JD1 R=200时，BJ1=1 在JD2 R=60时， BJ2=2.5加宽值公式： bx=LXb/L以圆曲线上的桩号K0+200为例,在JD1上，所以BJ1=1。LX=200-180=20 L=40Bx=20*140=0.5在K0+200桩号处的加宽为0.75m圆曲线上加宽值桩号加宽值/mK0+180(ZH)0K0+2000.5K0+220(HY)1+2401+2601+2801+3001K0+309.12(YH)1.+3200.728+3400.228K0+349.12(HZ)0.05K1+133.92(ZH)0+1501+1702.23K1+173.92(HY)2.5+1902.5+2102.5+2302.5+2502.5K1+257.7(YH)2.5+2701.73+2900.48K1+297.7(HZ)05.4. 视距保证在弯道部分，可能有建筑物挡住司机的视线，所以在设计路线时候要考虑到在弯道内侧的建筑物和障碍是否遮挡了视线，即考虑横净距h。参考数据：S=80m L=163.78m R=60 B=8.5参考公式：h=RS(1cos/2) =180S/RS RS=RB/2+1.5 过程：RS=604.25+1.5=57.2