第二章道路勘测设计的主要依据及工作内容.ppt

道路勘测设计 四川大学建环学院 第二章道路勘测设计依据及工作任务 本章主要内容 共1次 一 道路勘测设计依据二 道路勘测设计任务 道路勘测设计 既要要考虑并满足道路的使用对象 载运工具的运行特性要求 要规划和设计出科学合理 经济可行的不同等级和类型的道路 必须做到以下几点 工程设施的几何设计要能容纳车辆在体积尺寸和通行能力方面的使用要求 工程设施的结构设计则要能经受住车辆质量的重复作用等 考虑社会经济发展对车流量的和道路服务水平的要求 一 道路规划设计的依据 1 设计车辆的分类及正常行驶要求 2设计车速 计算行车速度 3交通量 1 设计车辆的分类及正常行驶要求 1 车辆类型 2 车辆的重量 3 汽车的平衡方程式和行驶条件 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 5 汽车燃安油经济性 汽车可分为客车和货车两大类 客车包括小客车 轿车 面包车 公共汽车 小型 中型和铰接式 等 货车可进一步分为卡车 轻型 中型和重型 和组合式货车 各种拖挂式货车 两类 各类汽车的外廓尺寸由总长度 宽度和高度组成 它们影响到对道路的车道宽度 净空和转弯半径等方面的要求 影响道路几何设计和结构设计的其它尺寸参数还有 车身前缘到前轴的长度 前悬距离 车身后缘到后轴的长度 后悬距离 前后轴中心距 轴距 双轴中心距 三轴中心距 轮中心距等 1 车辆类型 轴距 后悬 前悬 1 小客车小客车为二轴 四轮车辆 可坐2 6人 主要作为个人交通工具 按重量和尺寸大小 可分为小型 中型和重型三种 其重量变动于6 8 18kN范围内 车身长度在3 5 5 6m之间 前后轴的中心距变动于2 3 3 1m之间 车身后缘到后轴的长度 后悬距离 为0 6 1 5m之间 车身宽度为1 6 2 0m 高度为1 15 1 65m之间 2 面包车面包车通常由小客车或轻型卡车的底盘改装而成 可乘坐6 15人 1 车辆类型 3 公共汽车小型公共汽车通常有15 25个座位 供短途运输用 其车身长约为5 5 7 6m 宽为2 0 2 5m 中型公共汽车可为二轴或三轴 车身长9 12m 宽2 4 2 6m 约有45个座位 把半挂车固定地联结在二轴中型公共汽车上 便组成铰接式公共汽车 其长度约为16 18m 宽度为2 6m 包括站立乘客在内约可容纳100人以上 1 车辆类型 4 卡车卡车系指载货区和动力设备装在共同的车架上不能分开的货车 卡车包括二轴四轮 轻型卡车 二轴六轮 三轴 双后轴 和四轴 三后轴 卡车四种 轻型卡车的总重量 般小于45kN 二轴六轮卡车的总重量大都在45 180kN范围内 而三轴和四轴卡车的总重量可高达260 300kN 5 组合式货车组合式货车由牵引车或卡车同一个或多个挂车组合而成 可总称为拖挂车 牵引车和挂车通过铰接方式联结时 彼此可相对转动 因而也可称为铰接车 组合式货车的总重量一般可达到400 500kN 通常用于长途运输 挂车有两种 后端有一个轴或多个轴但前端无轴的半挂式 其前端放在牵引车的后端上 并把一部分重量传给前面牵引车 前后各有一个轴或多个轴的全挂式 由卡车或带半挂车的牵引车拖带 但不把重量转给前面 1 车辆类型 路上行驶着不同类型的车辆 各具不同的尺寸 对道路的几何尺寸分别提出不同的要求 道路几何设计时 通常选择一些车辆作为设计车辆 这些车辆的尺寸和行驶特性要求将对设计起控制作用 设计车辆的选择依据是道路的功能等级和使用该道路的车辆组成 轿车和卡车一般是道路设计选用的最小的车辆 大多数公路设计时应考虑选择一种半挂式组合货车作为设计车辆 特别在弯道处设有路缘石或分隔带时 我国公路工程技术标准和城市道路设计规范为三种类型的车辆 小客车 卡车和半挂车 铰接车 分别规定了设计车辆的外廓尺寸 作为设计时的控制指标 表列出了有关的规定值 此外 还限定了路上行驶车辆的总长度不得超过20m 总高度不得超过4 3m 宽度不得超过3m 1 车辆类型 注 括号外数值公路的设计车辆外廓尺寸 括号内数值为城市道路的设计车辆外廓尺寸 公路和城市道路设计用的设计车辆外廓尺寸 m 1 车辆类型 2 车辆的重量 车辆的重量通过车轴和车轮传递给道路和桥梁结构物 汽车前轴的轴型都为单轴 后轴的轴型可采用单轴 双联轴或三联轴 前轴两侧的车轮都由单轮胎组成 而后轴两侧的轮胎可由单轮胎或双轮胎组成 车辆重量大小 主要影响到对道路和桥梁的结构承载能力的要求 重量特性主要由车辆总重和轴重以及轴型和轮型表征 车辆总重或轴重越大 对道路和桥梁结构承载能力的要求越高 同时 在使用过程中对道路和桥梁的损坏越严重 因而 所建工程的造价 投资 和工程的运营 维护 费用便越高 为了兼顾道路建设和运营部门及道路使用者双方的利益和便利 对道路上行驶车辆的总重和轴重的最高值进行定量限制 2 车辆的重量 各国对道路上行驶车辆的最大轴重和总重有不同的限定 单轴最大允许轴重变动于80 130kN 双联轴最大允许轴重变动于140 210kN 三联轴最大允许轴重变动于180 270kN 卡车的最大允许总重变动于240 400kN 半挂式和全挂式货车的最大允许总重变动于360 500kN 我国公路部门规定 单轴最大允许轴重为60kN 单轮 或100kN 双轮 双联轴最大允许轴重为100kN 单轮 或180kN 双轮 三联轴最大允许轴重为120kN 单轮 或220kN 双轮 卡车和单拖挂货车的最大允许总重为400kN 双拖挂或三拖挂货车的最大允许总重为460kN 路面设计标准轴载为双轮组单轴100KN 备注 单双轮仅指某轴的一侧 2 车辆的重量 a 汽车的行驶阻力 汽车在道路上行驶时须克服各种阻力 如滚动阻力 空气阻力 坡度阻力 弯道阻力和惯性阻力等 这些阻力一方面与道路的特性有关 如路面平整程度 坡度 弯道曲率半径等 另一方面则随车辆的运行特性而变 如车辆总重 行驶速度 速度变化速率 车身迎风面积和外廓线形等 3 汽车的平衡方程式和行驶条件 1 空气阻力 Rw 汽车行驶时的空气阻力包括车辆迎风面处的空气直接作用 空气越过车辆表面 包括车底 的摩阻力以及车后的局部真空吸附力 3 汽车的平衡方程式和行驶条件 2 滚动阻力 Rf 汽车在道路上行驶时的滚动阻力来源于轮胎表面于路面之间的摩阻滑移 轮胎橡胶在接触表面处的弯曲变形 车轮滚过路表面突出的石子或不平整的破碎路面 车辆从道路的低洼处爬出 推动车轮通过砂 雪或泥地 在轮 轴和组合器轴承处以及变速齿轮中的内部摩阻等 3 汽车的平衡方程式和行驶条件 3 坡度阻力 Ri 汽车在坡道上行驶时 车辆受到其重量平行于坡面的分力的作用 以上均与道路状况有关 且与总重力成正比 表示为道路阻力 3 汽车的平衡方程式和行驶条件 4 惯性阻力 RI 汽车行驶速度变化 加速或减速 时 车辆受到运动惯性阻力的作用 此惯性阻力是车辆重量及加速或减速速率的函数 3 汽车的平衡方程式和行驶条件 式中 Rm为车辆总行驶阻力 kg 在车辆下坡或减速行驶时 式中的坡度阻力或惯性阻力为负值 由上述各项阻力的关系式可以看出 除空气阻力外 其它各项阻力均与车辆的总质量成正比 而除了坡度阻力和惯性阻力外 其它各项阻力还与车辆的行驶速度或速度平方成正比 车辆总质量和行驶速度是影响行驶阻力大小的两项最主要的因素 综合上述各项阻力 车辆在路上的总行驶阻力为 3 汽车的平衡方程式和行驶条件 T R 匀速 T R 加速 T R 减速 考虑到部分开启 使用负荷率U修正 并带入有 b 汽车行驶平衡方程及行驶条件 平衡方程 3 汽车的平衡方程式和行驶条件 驱动轮荷载 附着力系数 条件一 驱动力大于等于总阻力 条件二 驱动力小于等于附着力 3 汽车的平衡方程式和行驶条件 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 1 汽车的纵向稳定性 条件 匀速 惯性阻力为0 低速 忽略空气阻力和滚动阻力 倾覆 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 滑移 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 稳定性保证 发生纵向倾覆前 先发生滑移 原因是 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 2 汽车的横向稳定性 曲线上 原因 离心力的原因 部分靠超高产生的重力分量抵消 其余靠横向摩擦力抵消 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 横向力系数 超高的概念 横向坡度 2 汽车的横向稳定性 曲线上 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 倾覆 2 汽车的横向稳定性 曲线上 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 滑移 2 汽车的横向稳定性 曲线上 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 稳定性保证 发生横向倾覆前 先发生滑移 2 汽车的横向稳定性 曲线上 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 3 汽车的纵横组合稳定性 上坡速度降低 耗费增加 而下坡存在合成坡度 比较危险 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 施加制动力P 方向与前进方向相反 略去风阻力 汽车启动力 4 制动性能 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 制动到停止 制动距离 制动性能使用制动距离来评价 路面与轮胎之间的附着系数 道路阻力系数f i 4 汽车的行驶稳定性和制动性能 5 汽车燃安油经济性 燃油消耗随行驶速度而变化 呈两端高中间低的规律 即低速和高速行驶时油耗大 中速行驶时油耗相对较低 随着路段纵坡的增大 由于需消耗部分功率以克服坡度阻力 燃油消耗迅速增加 而在弯道上行驶时 由于需克服弯道阻力 燃油消耗相应增大 转弯角度越大 油耗增加得越多 并且 行驶速度越高 油耗的增长率越大 此外 随着路面不平整程度的增加 由于滚动阻力的增加 燃油消耗增大 综合上述因素的影响 汽车的燃油消耗量可采用下述一般关系式表示 2设计车速 计算行车速度 设计速度 是公路设计时确定几何线形的基本要素 它是在气象条件良好 车辆行驶只受公路本身条件影响 驾驶人员技术中等以及车辆能够安全顺适行驶条件下的的行车速度 设计速度是公路设计时确定其几何线形的最关键参数 我国从20世纪50年代起引入了设计车速的概念作为路线设计的基础指标 根据车辆动力性能和地形条件确定了不同等级公路的设计速度指标 各级公路按地形条件的差别从20km h到120km h设计速度一经选定 公路的所有相关要素如视距 超高 纵坡竖曲线半径等指标均与其配合以获得均衡设计 目前基于设计速度的路线设计方法已被所有设计人员所掌握 2设计车速 计算行车速度 但是经过多年来的实践设计与管理人员发现这种设计方法本身存在一定的缺陷 现有路段观测结果表明设计速度的设计方法不能保证线形标准的一致性 实际的行驶速度总是随公路线形 车辆动力性能及驾驶员特性等各种条件的改变而变化 只要条件允许驾驶者总是倾向于采用较高的速度行驶 从公路使用者安全角度的考虑在进行公路路线设计时不能简单地以设计速度来控制公路线形指标 因为车辆是连续行驶的需要以动态的观点来考虑车辆进入曲线时的运行速度 所选择的设计速度要与车辆运行速度相适应从而提高公路的安全性 2设计车速 计算行车速度 V 设计车速 Km h E 出口Y 设计年限 V 设计车速 Km h E 出口Y 设计年限 2设计车速 计算行车速度 3交通量 1 交通量的时间变化和空间分布 2 设计交通量 3 交通量的折算 4 交通密度与车间距 5 通行能力与服务水平 6 各级公路应能适应的年平均日交通量 3交通量 交通量 为单位时段内通过道路上某断面的车辆数 它是表征交通流特性的重要参数之一 也是衡量道路设施生产率的一项主要指标 按照所取时段单位的不同 交通量可表述为 1 小时交通量 HT 单位小时内的车辆数 辆 小时 2 年平均日交通量 AADT 在一年内每日交通量的平均数 辆 天 即一年内通过的车辆总数除以365天 3 平均日交通量 ADT 在少于一年的时段内的每日交通量的平均数 辆 天 即该时间段内通过的车辆总数除以时段天数 1 交通量的时间变化和空间分布 交通量是交通需求同交通流相互作用的结果 随着经济和社会活动对交通需求的变化 交通量也相应地随时间发生变化 这种变化表现为 1 月变化 在一年内的不同月份 各月的平均日交通量随着交通需求的变化而围绕年平均日交通量波动 这种波动与道路的类型 或功能 季节 节日等因素有关 例如 城市道路的月变化小于公路的月变化 而具有旅游或休闲功能的公路的月变化大于其它功能的公路的月变化 北方地区冬季的月平均日交通量低于夏季 春运期间的月平均日交通量高于其它月份 3交通量 2 日变化 一周内不同日子的日交通量围绕周平均日交通量波动 由于工作和休闲的不同需求 城市道路在双休日的日交通量要比工作日的小很多 但近郊道路的情况可能正好相反 双休日的日交通量由于居民出游会比工作日的日交通量高出很多 3 小时变化 在一天内各个小时的交通量出现波动 夜晚的小时交通量往往比白昼的交通量小很多 工作日的上下班高峰时段 城市道路的小时交通量要比其它时段大很多 而公路上一般不会出现早高峰时段 3交通量 2 设计交通量 交通量大小是确定道路设施规模 容量 的主要依据之一 道路规划设计时 通常依据运输需求预估年平均日交通量 但如果按年平均日交通量确定道路设施所需的容量 由于交通量的月变化和日变化 年内有很长时间出现交通量超出年平均日交通量的情况 所设计的设施将会有许多时间发生因容量不足而产生的交通拥堵 因而 设计时通常按照小时交通量 特别是年内的高峰小时交通量确定设施的容量 3交通量 把一年内第30位的小时交通量作为设计小时交通量 DHV 或者 也可以按所设计道路的类型 功能 在第20位和第50位小时交通量的范围内选取合适的小时交通量作为设计小时交通量 式中 DHVt 设计年t的设计小时交通量 AADTt 设计年t的年平均日交通量 AADT1 起始年的年平均日交通量 k 设计小时交通量与年平均日交通量或平均日交通量的比值 kD 交通量方向分布系数 kL 交通量车道分布系数 交通量年增长率 t 设计年限 设计小时交通量与设计年限的年平均日交通量或平均日交通量之间的关系可通过下式表述 3交通量设计交通量 设计小时交通量与年平均日交通量或平均日交通量的比值k 随道路的类型 功能 而变化 旅游道路的k值最高 公路其次 郊区道路和城市道路的k值依次递降 此外 k值随年平均日交通量的增加而下降 并随路网密度的增加而降低 主要公路第30位的k值变动于12 18 范围内 平均值一般为5 城市道路第30位的k值变动于7 18 平均值约为11 3交通量 2 设计交通量 交通量换算采用小客车为标准车型确定公路等级的各汽车代表车型和车辆折算系数 3 交通量的折算 3交通量 4 交通密度与车间距 交通密度 在某一时段内一定路段长度上的车辆数 辆 公里 它是表征交通流特性的主要参数之一 用以度量交通流的拥挤程度 交通密度低时 车辆行驶很少受到交通流中其它车辆的影响 交通流处于自由流 或稳态流 状态 随着交通密度的增长 车辆行驶越来越多地受到交通流中其它车辆的影响 交通流逐渐变得不稳定 进入强迫流状态 因而 交通密度是判别交通流所处状态和拥挤程度的指标 常用的简便方法是在获得平均交通流量和速度的基础上 利用下述交通流三要素的关系式 通过计算得到 3交通量 式中 q 交通流量 辆 小时 v 平均行驶速度 公里 小时 D 交通密度 辆 公里 4 交通密度与车间距 3交通量 交通密度的倒数 即为该路段长度上各车辆之间的平均间距 此间距统一以各车辆的前保险杠 车头 为测量点 称作车头间距 如果各车辆间的平均间距以平均时间差来表示 则可称作车头时距 车头时距是交通流率的倒数 可以得到车头时距与车头间距的转换关系式 式中 ss 平均车头间距 m 辆 st 平均车头时距 s 辆 va 平均行驶速度 m s 3交通量 车头间距或车头时距表述了车辆在交通流中的纵向分布 在估计交通延误及车辆或行人横向穿越时的可利用间隙 为交通信号系统配时及研究车辆交汇时提供了依据 车辆在路上并不会按照相等的车头间距或车头时距行驶 相继车辆间的间距或时距通常都是随机分布的 某些常见的交通条件下 可采用泊松分布表述 车头时距为连续两车通过同一点的时间间隔 车头间距为连续两车之间的距离 3交通量 5 通行能力与服务水平 在高速公路 城市快速路和多车道公路基本路段上行驶的车辆 呈现连续的流动状态 称作不间断流 低交通流量时 交通密度小 行驶速度高 随着交通流量的增加 交通密度提高 而行程速度下降 当交通流量增长到某一数值后 交通流由稳定流状态转向非稳定流状态 车辆开始停停走走 并进一步发展成强迫流状态 这时 交通密度继续增长 而交通流量和行程速度不断下降 交通流量达最大值的这一点称作通行能力 相应的行程速度和交通密度称作临界速度和临界密度 在理想条件下不间断流的通行能力为 高速公路 城市快速路和多车道公路基本路段 2000辆小客车 小时 车道 3交通量 5 通行能力与服务水平 从规划设计的角度通行能力分为基本通行能力和设计通行能力两种 每车道的基本通行能力 C 3600 t t为平均车头时距 s 辆 设计通行能力是满足服务水平时 可以承受的最大车辆数 可以用可能通行能力乘V C得到 可能通行能力是指指基本通行能力由于多种因素干扰修正后的通行能力 V为理想状态下一定服务水平下最大服务交通量 V C小 服务水平高 V C大 服务水平低 3交通量 道路的服务水平是指用户在使用道路时所感受到的交通流运行状况 它反映了道路的使用质量 理想的服务水平指标最好包含行驶速度 行程时间 交通中断 延误时间 舒适 便利 安全等方面 5 通行能力与服务水平 3交通量 3交通量 3交通量 6 各级公路应能适应的年平均日交通量 高速公路一级公路应按单向单车道的设计小时交通量考虑 为与我国一直沿用的适应 交通量指标标准仍沿用高速公路的年平均日交通量 AADT CD N K D 3交通量 AADT预测年的年平均日交通量CD每车道设计通行能力N单向车道数D方向分布系数根据公路所在位置和功能值范围为50 50 40 60 亦可根据当地的交通量观测资料作适当调整K设计小时交通量系数根据公路所在位置地区经济气候特点等确定值范围近郊公路0 0850 11公路