第5章__线形设计(3-4学时)(道路勘测)

道路勘测设计 主讲 孙庆珍系部 土木建筑工程学院 本章主要内容 1 平面线形设计2 纵断面线形设计3 平 纵线形组合设计4 线形设计检验与评价 第五章线形设计 通过本章学习使学生了解道路的功能和道路运输的特点 掌握公路的设计等级和技术标准 掌握城市道路的分类和技术标准 第一节平面线形设计ThePlaneLineDesign 返回 一 平面线形设计的要点TheGeneralPrincipleofPlaneLineDesign 一 平面线形应直捷 连续 顺适 并与地形地物相适应 与周围环境相协调路线首先要与地形相适应 这既是美学问题 也是经济问题和保护生态环境问题 直线 圆曲线和回旋线的选用与合理组合 主要取决于地形 地物等客观条件 片面地强调路线要以直线为主或以曲线为主 或人为规定三者的比例都是错误的 二 行驶力学上的要求是最基本的 视觉和心理上的要求应尽量满足 线路设计首先必须满足汽车正常行驶的要求 确保行驶的安全稳定性 同时 应尽可能满足司机和旅客视觉与心理上的需要 对于高速公路 一级公路及计算行车速度 60km h的公路 应注重立体线形设计 尽量做到线形连续 指标均衡 视觉良好 景观协调 安全舒适 对于计算行车速度 40km h的公路 首先在保证行车安全的前提下 正确运用平面线形各要素的最小值 力求减少工程量和降低工程投资 三 保持平面线形的均衡与连续1 直线与平曲线的组合1 长直线尽头不能接小半径曲线 短直线不能接大半径的平曲线 2 平曲线与平曲线的组合 相邻平曲线之间的设计指标应连续 均衡 避免突变 3 高 低标准之间要有过渡不同标准路段相互衔接的地点 应选在交通量发生变化处 或者驾驶者能够明显判断前方需要改变行车速度的地方 四 回头曲线的设置 注意与纵断面设计相协调 回头曲线是由一个主曲线 两个辅助曲线和主 辅曲线所夹的直线段组合而成的复杂曲线 应避免连续急弯的线形 这种线形给司机造成不便 也给乘客的舒适带来不良的影响 设计时可在曲线间插入足够长的直线或回旋线 只有三 四级公路在自然展线无法争取到需要的距离以克服高差 或因地形 地质条件所限而不能采取自然展线时 方可采用回头曲线 高差较大的山城道路也需要采用回头曲线 五 平曲线应有足够的长度平曲线包括圆曲线和两端的缓和曲线 最小平曲线一般应考虑两个因素 1 驾驶员操作从容 乘客感觉舒适要求的平曲线最小长度 如平曲线太短 汽车在平曲线上行驶时间就短 会给司机操纵带来困难 所以 规范 规定了平曲线最小长度 见表5 0 2 转角小于7度时的平曲线长度路线转角的大小反映了路线的舒顺程度 一般小一些较好 但中间插入的平曲线不宜过短 否则宜使司机产生急转弯的错觉 以致造成驾驶者枉作减速转弯的操作 因此 对于小转角弯道应设置较长的平曲线 其长度应大于表5 1中规定的 一般值 当受地形地物限制时 可减短至表中的 低限值 一 基本型直线 回旋线 圆曲线 回旋线 直线 二 平面线形要素的组合类型TheCombinationTypeofPlaneLine 图5 1 基本型中的回旋线参数 圆曲线半径及最小长度等都应符合有关规定 两回旋线可以相等 也可以根据地形条件设计成不相等的非对称型曲线 从线形的整体协调性来看 有条件时宜将回旋线 圆曲线 回旋线之长度比设计成1 1 1到1 2 1之间 需要满足设置基本型曲线的几何条件 二 S型两个反向圆曲线用两段反向回旋线连接的组合的形式 图5 2 S型两个回旋线参数A1与A2宜相等 当采用不同的参数时 A1与A2之比以小于1 5为宜 不应超过2 0 此外 在S型曲线上 两个反向回旋线之间不设直线 不得已需插入直线时 插入直线的长度应满足下式要求 5 2 S型两圆曲线半径之比不宜过大 一般为式中 R1 大圆半径 m R2 小圆半径 m 三 卵型直线 回旋线 圆曲线 回旋线 圆曲线 回旋线 直线用一个回旋线连接两个同向圆曲线的组合 5 3 卵型上的回旋线参数A不应小于该级公路对其的规定 同时宜在下列界限之内 两圆曲线半径之比宜在下列界限之内两圆曲线的间距 宜在下列界限之内 四 凸型在两个同向回旋线间不插入圆曲线而直接衔接的组合 凸型的回旋线参数应符合该级公路对其的有关规定 连接点的曲率半径应符合圆曲线最小半径的规定 凸型曲线尽管在连接点处曲率是相等的 曲率变化是连续的 但因中间圆曲线长度为零 对驾驶操纵造成一定的不利影响 所以只有在地形地物严格受到限制时 才容许采用凸型 五 复合型 将两个以上的同向回旋线在曲率相等处相互连接的线形 称为复合型 5 5 复合型的两个回旋线参数之比宜为复合型一般很少采用 多出现在互通式立体交叉的匝道线形设计中 六 C型 两同向回旋线在曲率为零处径向连接的组合线形 称为C型 5 6 七 回头型曲线 山区道路为克服高差 在同一坡面上转角接近或大于180度 由主曲线和辅曲线的组合形式称为回头形曲线 见图5 7 两同向回旋线在曲率为零处径相衔接 其连接处的曲率为零 也就是 相当于两基本型的同向曲线间直线长度为零 同样 这种线形对行车不利 因此只有在特殊情况下才使用C型 综上所述 平面线形设计主要采用 基本型 S型和卵型 返回 1 各要素的计算公式1 任意点P的曲率半径2 P点的回旋线长 三 平面线形要素组合计算 3 缓和曲线角4 P点曲率圆的内移值5 P点曲率圆圆心M点的坐标 6 长切线长7 短切线长8 P点的弦偏角9 P点的弦长 2 基本型曲线设计与计算 1 对称形曲线计算 1 单圆曲线 不设缓和曲线 起点 终点 至缓和曲线起点的距离2 内移值3 缓和曲线终点旋转角 4 总切线长5 曲线总长6 外矢距 外距 7 超距 切曲差 D 2T L 其它类型见P136 137 自学 第二节纵断面线形设计 返回 一 纵断面线形设计的要点 纵断面设计的主要内容是确定路线合适的标高 各坡段的纵坡度和坡长 并设计竖曲线 其基本要求是纵坡均匀平顺 起伏和缓 坡长和竖曲线长短适当平面与纵面组合设计协调 以及填挖平衡等 主要注意以下问题 一 关于纵坡极限值的运用纵坡坡度应控制在最大纵坡与最小纵坡之间 最大纵坡在设计时不可轻易采用 并应留有余地 在特殊情况下 如越岭线为争取高度 缩短路线长度或避开艰巨工程等 才可以有条件地采用 一般来讲 纵坡缓些为好 但为了路面和边沟排水 最小纵坡应不低于0 3 0 5 影响行车安全应从下面三方面考虑 1 工程和环境 2 道路通行能力 3 车辆行驶速度 二 关于最短坡长坡长是指纵断面两变坡点之间的上坡距离 坡长应在最短坡长与最大坡长限制之间选取 坡长不宜过短 实践证明 坡长以不小于计算行车速度9S的行程为宜 对连续起伏的路段 坡度应尽量小 坡长和竖曲线应争取到最小极限值的一倍或两倍以上 避免锯齿形的纵断面 但不应超过最大坡长限制 三 关于竖曲线半径的选用竖曲线应选用较大半径为宜 当受限制时 可采用一般最小半径 特殊情况下方可采用极限最小半径 当条件允许时 宜按表5 4的规定进行设计 四 关于相邻竖曲线的衔接相邻两个同向竖曲线 特别是同向凹曲线之间 如直坡段不长应合并为单曲线或复合曲线 这样要求对行车是有利的 相邻反向竖曲线之间 中间最好插入一段直坡段 以使增重与减重和缓过渡 若两竖曲线半径接近最小极限值时 插入的直坡段至少应为计算行车速度3S的行程 但当两竖曲线半径较大时 亦可直接连接 5 12 五 各种地形条件下的纵坡设计1 对于平原地形 注意保证最小填土高度和最小纵坡的要求 2 对于微丘地形 其纵坡应均匀平缓 应避免过分迁就地形而使路线连续起伏 并应注意纵坡的顺适性 不产生突变 3 山岭 重丘地形的沿河线应尽量采用平缓纵坡 坡长不应超过最大坡长限制 坡度不宜大于6 4 越岭线的纵坡应力求均匀 尽量不采用极限或接近极限的坡度 更不宜在连续采用极限长度的陡坡之间夹短的缓和线 5山脊线和山腰线除结合地形在不得已时采用较大纵坡外 在可能条件下纵坡应缓些 二 纵断面线形设计的一般原则 1 应满足纵坡及竖曲线的各项规定 最大纵坡 最小纵坡 坡长限制 最小坡长 竖曲线最小半径及竖曲线最小长度等 以及相关高程控制点和构造物设计对纵断面的要求 2 纵断面线形设计应根据设计速度 在适应地形及环境的原则下 对纵坡大小 长短及前后坡段协调的情况 竖曲线半径及其与平面线形的组合等进行综合研究 反复调整 设计出平顺 连续的纵断面线形 3 平面上直线路段不宜在短距离出现凹凸起伏频繁的纵断面线形 4 连续上坡 或下坡 路段 应符合平均纵坡的规定 并采用运行速度对通形能力与行车安全进行检验 5 长下坡的直坡段端部不应设计小半径的凹形竖曲线或平曲线 以保证行车安全 6 纵断面设计应考虑路面排水的要求 7 在回头曲线路段 路段纵坡有特殊规定 应先定出回头曲线部分的纵坡 再从两端接坡 8 应争取纵向填挖平衡 尽量移挖作填 以节省土石方数量 降低工程造价 三 纵断面线形设计中的高程控制条件 自学 一 路基对纵断面的控制 二 桥涵和通道对路线纵断面的控制 三 隧道对路线纵断面的控制 四 平面交叉对路线纵断面的控制 第三节视觉分析及道路平纵线形组合设计 TheVisionAnalysisandTheDesignofHorizontalandLongitudinalLine 一 视觉分析 TheVisionAnalysis 一 视觉分析的意义道路设计除应考虑自然条件 汽车行驶特性以外 还要驾驶人员在心理和视觉上的反应作为重要因素来考虑 汽车在道路上行驶时 道路的线形 周围的景观 标志以及其它有关信息 几乎都是通过驾驶人员的视觉感受到的 因此 视觉是连接道路与汽车驾驶的重要媒介 视觉分析概念及意义 保证道路空间线形的顺适性 保证道路与周围环境的协调性 保证行车的安全性 保证视觉的连续性 对这些诸多因素的综合设计称为视觉分析 二 视觉与车速的动态规律 驾驶员的注意力集中程度随车速的增加而增加 驾驶员的心理紧张程度随车速的增加而增加 驾驶员的注意力集中点和视距随车速的增大而增大 对一些细节开始变得模糊不清 驾驶员的视角随车速的增大而减小 高速驾驶时一无法顾及两侧景象了 驾驶员的动视觉具有如下特点 1 驾驶过程中 驾驶员不易全面正确感觉车外的情况变化 2 驾驶过程中 驾驶员的空间分辩能力降低 3 高速行驶时 对驾驶员易形成 道路催眠 4 高速行驶时 驾驶员更易出现错觉 导致判断失误增加 三 视觉分析方法 线形状况是汽车快速行驶中 道路的立体形状给驾驶员提供的连续不断的视觉印象 用视觉印象随时间变化的道路动态透视图评价 道路线形是一条立体的 空间曲线 立体线形组合的优劣最后集中反映在汽车的行驶速度上 如果只按平面线形和纵面线形的标准来设计 而不将二者结合起来统筹考虑 最终的设计不一定是好设计 平 纵线形组合设计是指在首先满足汽车运动学和力学要求的前提下 来研究如何满足视觉 心理方面的连续和舒适 与周围环境的协调 以及良好的排水条件 二 道路平 纵线形组合设计 TheDesignofTheHorizontalandVerticalLine 一 平 纵组合设计的原则 1 保持视觉的连续性 应在视觉上自然地引导驾驶员的视线 并保持视觉的连续性 任何使驾驶员感到茫然 迷惑或判断失误的线形都应避免 在视觉上能否自然地引导视线 是衡量平 纵线形组合的最基本问题 2 保持平 纵线形的技术指标大小应均衡 对纵面线形不断起伏 而在平面上却采用高标准的线形是无意义的 反之 在平面上线形迂回前进 弯道较多 而在纵断面设计上采用高标准也同样没有意义 3 选择组合得当的合成坡度 以利于路面排水和行车安全 4 注意与周围环境相配合 如配合得好 可以减轻驾驶员的疲劳和紧张程度 并可起到引导视线的作用 二 线形组合的形式 通过分解立体线形要素 可得出平 纵线形有以下六种组合形式 如图5 21所示 1 平面上为直线 纵面也是直坡线 构成具有恒等坡度的直线 该型组合往往线形单调 枯燥 行车过程中视景缺乏变化 容易使驾驶员产生疲劳和频繁超车 2 平面上为直线 纵面上是凹形竖曲线 构成凹下去的直线 该型组合具有较好的视距条件 能给驾驶员以动的视觉效果 行车条件较好 3 平面上为直线 纵面上是凸形竖曲线 构成凸起的直线 该型组合视距条件差 线形单调 应注意避免 无法避免时应采用较大的竖曲线半径 若与 2 型组合时 应注意克服 驼峰 暗凹 和 浪形 等不良视觉现象出现 4 平面上为曲线 纵面上为直坡线 构成具有恒等坡度的平曲线 该型组合一般说来只要平曲线半径选择适当 纵坡不太陡 即可获得较好的视觉和心理感受 设计时须注意检查合成坡度是否超限 5 平面上为曲线 纵面上为凹形竖曲线 构成凹下去的平曲线 6 平面上为曲线 纵面上为凸形竖曲线一 构成凸起的平曲线 5 6 型组合设计是一种常见的又比较复杂的组合形式 如果平 纵面线形几何要素的大小适宜 位置适当 均衡协调 可以获得视觉舒顺 视线诱导良好的立体线形 相反 则会出现一些不良的后果 设计时应引起特别重视 上述 1 3 型是在垂直平面内的线形类 4 6 型是立体曲线 从视觉 心理分析来看 他们各有优势和不足 三 平曲线与竖曲线的组合 1 平曲线与竖曲线应相互重合 且平曲线应稍长于竖曲线这种组合是使平曲线与竖曲线对应 最好使竖曲线的起点和终点分别放在平曲线的两个缓和曲线内 即所谓的 平包竖 图5 22 2 平曲线与竖曲线大小应保持均衡平曲线与竖曲线其中一方大而平缓 那么另一方就不要形成多而小 一个长的平曲线内有两个以上的竖曲线 或一个大的竖曲线含有两个以上的平曲线 看上去都非常别扭 如图5 23所示 根据德国的统计资料 当平曲线半径小于1000m时 竖曲线半径大约为平曲线半径的10 20倍为好 3 暗 明弯与凸 凹竖曲线暗弯与凸形竖曲线组合 以及明弯与凹形竖曲线组合较为合理 且给人一种平顺舒适的感觉 平曲线与竖曲线重合是一种理想的组合 但由于地形等条件限制 这种组合并不是总能争取得到的 如果平曲线的中点与竖曲线的顶 底 点位置错开距离不超过平曲线长度的四分之一时 效果仍然令人满意 但是 如果错位过大或大小不均衡 就会出现视觉效果很差的线形 应避免的组合 1 要避免使凸形竖曲线的顶部与反向平曲线的拐点重合 否则 宜出现扭曲的外观 会使驾驶员操纵失误 产生交通事故 2 要避免使凹形竖曲线的底部与反向平曲线的拐点重合 否则 也宜出现扭曲的外观 会使路面排水困难 产生积水 3 小半径竖曲线不宜与缓和曲线相重合 对凸形竖曲线引导性差 事故率较高 对凹形竖曲线 路面排水不良 4 计算行车速度在40km h以上的道路 应避免在凸形竖曲线的顶部或凹形竖曲线的底部插入小半径的平曲线 前者引导性差 驾驶员在接近坡顶时才发现平曲线 导致匆忙减速甚至交通事故 后者会出现汽车高速行驶时急转弯 行车不安全 如图5 24所示 将平曲线与竖曲线的组合形象地表示出来 以便于实际应用 竖曲线的起点和终点最好分别放在平曲线的两个缓和曲线段内 其中任一点都不要放在缓和曲线以外的直线上 也不要放在圆曲线段内 有时 若做不到平 竖曲线较好的组合 可把二者拉开相当距离 使平曲线位于直坡段或竖曲线位于直线上 四 直线与纵断面的组合 在平坦地区 宜出现平面的长直线与纵面的直坡线相配合 这对双车道道路超车较为方便 但距离过长时 行车单独乏味 易疲劳 宜发生交通事故 这时 可采用一次变坡的平 纵组合 其中以包括一条凸形竖曲线为最好 而包括一条凹形竖曲线次之 直线中短距离内两次以上变坡是较差的组合 会形成反复凸凹的 驼峰 和 凹陷 看上去既不美观也不连贯 宜使驾驶员的视线中断 因此 只要路线有起伏 就不要一味采用直线 最好使平面曲线随纵坡的变化略加转折 把平曲线与竖曲线合理地组合 五 平 纵线形组合与景观的协调配合 平 纵线形组合设计必须是在充分与自然景观相配合的基础上进行 否则 即使线形组合满足所有规定也不一定是良好设计 特别是高速公路 一级公路 其线形组合设计与自然景观相配合尤为重要 1 应在道路的规划 选线 设计 施工全过程中重视景观要求 如对风景旅游区 自然保护区 名胜古迹区 文物保护区和其它特殊地区等 一般以绕避为主 2 尽量少破坏自然景观 避免深挖高填 比如 对沿线的地貌 树林 池塘 湖泊等要少破坏 对填挖路段 在横断面设计时要使边坡造型和绿化与现有景观相适应 祢补由于填挖对自然景观的破坏 3 应能提供视觉的多样性 力求与周围的风景自然地融为一体 充分利用湖泊 树木 水坝 桥梁 高烟窗 或在路旁设置一些设施 以消除单调感 并使道路与自然密切配合 4 必要时可采用修整 植草皮 种树等措施改善景观 5 有条件时进行综合绿化 第四节线形设计检验与评价 一 线形设计检验与评价的方法 一 道路透视图道路透视图是根据道路的基本设计资料 利用透视原理将道路以三维空间的方式展现 利用透视图判断路线的平纵面线形组合是否连续 道路与周围环境是否协调 立体线形对驾驶员视线的诱导是否良好 也可对视距进行检查 二 沿线耗油量车辆行驶时的燃油消耗量计算如下 燃油消耗量主要与汽车本身的结构 如外形尺寸 质量 发动机类型 传动系等 及汽车的使用特性 如行驶速度 挡位 道路阻力等 有关 从道路的角度 影响燃油消耗量的因素主要是道路使用特性 三 事故率预测模型通过对大量事故资料的统计分析 可以得到道路的各种条件与事故率之间回归模型 这些回归模型可以用来分析道路线形与事故率之间的关系 对线形设计的质量进行分析 四 可能速度法可能速度是指在良好的气候条件和交通条件下 汽车行驶只受道路本身几何条件影响 技术熟练的驾驶员驾驶汽车沿某条道路行驶时可能达到的速度 五 运行速度法运行速度主要用来评价道路线形设计的连续性 采用相邻单元路段间运行速度的变化值进行评价 二 用运行速度评价线形设计的连续性 一 连续性设计的要求1 视觉上的连续