第三章-道路勘测设计PPT课件

第三章纵断面设计韩尚宇 第三章纵断面设计 内容提要纵断面的概念和线形组成要素 最大纵坡和最小纵坡 坡长限制和缓和坡段 平均纵坡和合成坡度 竖曲线要素计算及竖曲线最小半径 视觉分析和平 纵线形组合设计要点 纵断面设计方法 步骤及设计成果 第一节概述 路线纵断面定义沿中线竖直剖切再行展开的断面 它是一条有起伏的空间线 纵断面图上有两条主要的线 一条是地面线 它是根据中线上各桩点的高程而点绘出的一条不规则折线 反映沿着中线地面的起伏变化情况 一条是设计线 它是一条具有规则形状的几何线 反映了道路路线的起伏变化情况 纵断面设计线由直线和竖曲线组成 直线 即均匀坡度线 有上坡和下坡 用坡度和水平长度表示 直线的坡度和长度影响着汽车的行驶速度和运输费用以及行车的安全 相关临界值的确定和必要的限制 是以通行的汽车类型及行驶性能来决定的 竖曲线是在线路纵断面上 以变坡点为交点 连接两相邻坡段的曲线 竖曲线有凸形和凹形两种 纵断面设计线 直坡段 坡度 两变坡高差 平距 上坡为正下坡为负平坡为0 坡长 水平距离 竖曲线段 凸型竖曲线凹型竖曲线 半径R长度L 水平距离 竖距h切线长T 路基设计标高定义 路线纵断面图上的设计标高是路基设计标高 规范 对路基设计标高的规定 新建公路的路基设计标高 高速公路和一级公路采用中央分隔带的外侧边缘标高 二 三 四级公路采用路基边缘标高 在设置超高 加宽地段为设超高 加宽前该处边缘标高 改建公路的路基设计标高 一般按新建公路的规定办理 也可视具体情况而采用行车道中线处的标高 第二节汽车的动力特性与纵坡 一 汽车的动力因素和最大纵坡汽车在道路上行驶时 必须有足够的驱动力来克服各种形式的阻力 该驱动力来源于汽车的内燃发动机 一 汽车的驱动力发动机轴扭矩M驱动轮扭矩Mk 汽车的驱动力 二 汽车的行驶阻力空气阻力汽车在行驶中 由于迎面空气质点的压力 车后的真空吸力以及空气质点与车身表面的摩擦力 会阻碍汽车前进 这些力总称为空气阻力 由空气动力学的研究和试验可知 汽车在空气介质中运动时所产生的空气阻力可以用下式计算 道路阻力RR N 由弹性轮胎变形和道路路面类型 以及道路纵坡度而产生的阻力 主要包括滚动阻力和坡度阻力 RR G f i f 滚动阻力系数 它与路面类型 轮胎结构和行驶速度等有关 一般应由试验确定 在一定类型的轮胎和一定车速范围内 可视为只和路面状况有关的常数 i 道路纵坡度 上坡为正 下坡为负 惯性阻力RI N 汽车的质量可分解为平移质量和旋转质量 如飞轮 齿轮 传动轴和车轮等 两部分 汽车变速行驶时 需要克服其质量变速运动时产生的惯性力和惯性力矩称为惯性阻力 用RI表示RI G g a 惯性力系数主要与飞轮的转动惯量 车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关 汽车的总行驶阻力R 三 汽车行驶条件汽车在道路上行驶时 必须有足够的驱动力来克服各种行驶阻力 当驱动力与各种行驶阻力之代数和相等的时侯 称为驱动平衡 驱动平衡方程式 也称汽车的运动方程式 为 T R Rw RR RI驱动力T为节流阀全开的情况 如果节流阀部分开启时 要对驱动力T进行修正 修正系数用U表示 称之为负荷率 一般负荷率U 80 90 必要条件驱动力大于或等于各种行驶阻力 驱动条件 即 T R充分条件驱动力小于或等于轮胎于路面之间的附着力 即 T Gk 四 汽车的动因数动力因数D 表征某类型汽车在海平面高程上 满载情况下 每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能 五 汽车的行驶状态式中 道路阻力系数 汽车的行驶状态有以下三种情况 加速行驶等速行驶减速行驶 六 理想最大纵坡和不限长度的最大纵坡理想最大纵坡是指设计车型在油门全开的情况下 持续以理想速度V1等速行驶所能克服的坡度 理想速度V1取值 对小客车为设计速度 对载重汽车为最大行驶速度 七 最大纵坡最大纵坡在纵坡设计时各级道路允许采用的最大坡度值 是道路纵断面设计的重要控制指标 在地形起伏较大地区 直接影响路线的长短 使用质量 运输成本及造价 各级公路最大纵坡城市道路最大纵坡约相当于公路按设计速度计的最大纵坡减1 规范 对最大纵坡的规定 高速公路受地形条件或其它特殊情况限制时 经技术 经济论证 最大纵坡可增加1 位于海拔2000m以上或严寒冰冻地区 四级公路山岭 重丘区的最大纵坡不应大于8 设计速度小于或等于80km h 位于海拔3000m以上的高原地区 各级公路的最大纵坡值应按规定予以折减 折减后若小于4 则仍采用4 高原纵坡折减值 二 汽车的加减速行程和坡长限制坡长 纵断面上相邻两变坡点间的长度 最大坡长限制是指控制汽车在坡道上行驶 当车速下降到最低容许速度时所行驶的距离 坡长限制 主要是对较陡纵坡的最大长度和一般纵坡的最小长度 最大坡长限制汽车在陡坡上将减速行驶 初速度为v1 终速度不得低于v2 陡坡长度应适应减速过程 在缓坡上汽车加速行驶 初速度为v1 终速度为v2 缓坡的长度应适应加速过程的需要 各级公路纵坡长度限制 m 城市道路纵坡长度限制 m 城市道路纵坡长度限制 m 缓和坡段在纵断面设计中 当陡坡的长度达到限制坡长时 按坡度设置的较小纵坡路段称为缓和坡段 缓和坡段的作用是恢复汽车在较大纵坡上降低的速度 减少下坡制动次数 保证行车安全 确保道路通行质量 标准 规定缓和坡段的纵坡应不大于3 其长度应不小于最小坡长 最小坡长限制最小坡长通常规定汽车以设计速度行驶9s 15s的行程为宜 在高速路上 9s已满足行车及几何线形布设的要求 在低速路上 为满足行车和布线的要求方可取大值 城市道路最小坡长 m 各级公路最小坡长 m 三 最小纵坡 平均纵坡和合成坡度最小纵坡在挖方路段 设置边沟的低填方路段和其他横向排水不畅的路段 为了保证排水 防止水渗入路基而影响路基的稳定性 应设置不小于0 3 的纵坡 一般情况下以采用不小于0 5 为宜 对于干旱地区 以及横向排水良好 不产生路面积水的路段 也可不受此最小纵坡的限制 高速公路的路面排水一般采用集中排水的方式 其直坡段或半径大于不设超高最小半径的路堤路段的最小纵坡仍应不小于0 3 在弯道超高渐变段上 当行车道外侧边缘的纵坡与超高附加坡度 即超高渐弯率p 方向相反时 设计最小纵坡不宜小于 p 0 3 平均纵坡平均纵坡是指在一定长度路段内 路线在纵向所克服的高差值与该路段的距离之比 用百分率 表示 它是衡量纵面线形质量的一个重要指标 为了保证纵坡均衡匀顺 确保行车安全和舒适 合理运用最大纵坡 坡长限制和缓和坡段的规定 标准 规定 二级 三级 四级公路越岭路线相对高差为200m 500m时 平均纵坡以接近5 5 为宜 越岭路段相对高差大于500m时 平均纵坡不应大于5 0 且任何相连3km路段的平均纵坡不应大于5 5 高速公路 一级公路的平均纵坡尚无明确规定 但从现场调查和交通安全考虑 当平均纵坡为2 3 4 5 时 路段长度不宜超过15km 4km 3km 2 5km 合成坡度合成坡度是指在设有超高的平曲线上 路线纵坡与超高横坡的矢量和 由于合成坡度的坡度值比原路线纵坡大 汽车在设有超高的坡道上行驶时 不仅要受坡度阻力的影响 而且还要受离心力的影响 尤其是当纵坡大而平曲线半径小时 合成坡度大 由于合成坡度的影响而使汽车重心发生偏移 给汽车行驶带来危险 我国 标准 规定 在设有超高的平曲线上 超高与纵坡的合成坡度值不得超过教材表3 16的规定 在积雪或冰冻地区 合成坡度值不应大于8 为了保证路面排水 各级公路的最小合成坡度不宜小于0 5 例题 某二级公路 设计速度为80km h 有一平曲线半径为250m 超高横坡取8 路段纵坡度为4 8 试分析路段坡度设置的合理性 解 路段的合成坡度为由于合成坡度值为9 33 大于规范规定的9 0 故该路段得坡度设置不合理 第三节竖曲线 竖曲线定义 在道路纵坡的变坡处设置的竖向曲线作用 行车平顺要求变坡点处用曲线圆滑连接视距 舒适需要主要解决凸形竖曲线处视距不良的问题路容美观要求使路容不产生突变点 和缓 平顺 逐渐过渡 线形形式竖曲线的线形有圆曲线 抛物线的形式 一 竖曲线要素的计算公式一般规定变坡点相邻两直坡段坡度分别为i1和i2 上坡为 下坡为 它们的代数差用 坡度角 i2 i1 表示 为 时 凹形竖曲线 为 时 凸形竖曲线 抛物线公式推导二次抛物线方程确定 坐标原点在竖曲线起点 在竖曲线上任一点P 其斜率 一阶导数 为 抛物线上任一点的曲率半径二阶导数为 由上述推导可得 抛物线线形要素推导 竖曲线高程 标高 计算起点 终点 桩号 变坡点桩号 T起点高程 变坡点高程 T i 凸 凹 终点高程 变坡点高程 T i 凸 凹 计算设竖曲线后各桩号处的设计高程x 任意点桩号 起点桩号 设计高程 切线高程 h 凸 凹 二 竖曲线的最小半径缓和冲击汽车行驶在竖曲线上时 产生径向离心力 这个力在凹形竖曲线上是增重 在凸形竖曲线上是减重 这种增重与减重达到某种程度时 旅客就有不舒适的感觉 同时对汽车的悬挂系统也有不利影响 所以确定竖曲线半径时 对离心加速度应加以控制 时间行程不过短汽车从直坡道行驶到竖曲线上 尽管竖曲线半径较大 但当坡角很小时 竖曲线长度也很短 长度过短 驾驶员易产生变坡很急的错觉 旅客也会感到不舒 因此 汽车在竖曲线上的行程时间最短应满足3s 满足视距的要求竖曲线上可能存在的视距问题 若凸形竖曲线半径太小 会阻挡驾驶员的视线 在变坡点后形成视觉盲区 起伏较大地区的道路 在夜间行车时 若凹形竖曲线半径过小 前灯照射距离近 影响行车速度和安全 高速公路及城市道路跨线桥 门式交通标志及广告宣传牌等 如果它们正好处在凹形竖曲线上方 可能会影响驾驶员的视线 计算条件规定驾驶员的视线高即目高 障碍物高即物高 则 3 凸形竖曲线的最小半径和最小长度凸型竖曲线最小长度应以满足视距要求为主 当 3 凸形竖曲线的最小半径和最小长度 当 凸型竖曲线最小半径和最小长度 4 凹形竖曲线最小半径和最小长度夜间行车前灯照射距离要求当 夜间行车前灯照射距离要求当 跨线桥下行车视距要求当 跨线桥下行车视距要求当 凹型竖曲线最小半径 标准 规定 一般最小半径约为极限最小半径的1 5 2 0倍 例题 某山岭区二级公路 变坡点桩号K5 030 高程427 68m 竖曲线半径R 2000m 试计算竖曲线诸要素以及桩号K5 000和K5 100处的设计高程 解 1 计算竖曲线要素 2 计算设计高程 练习题 某道路一变坡点桩号K1 256 387 高程1854 236米 前坡i1 5 4 后坡i2 3 5 设置的竖曲线半径R 5000米 求K1 240 K1 260处的设计标高 解 计算切线高程 切线长 竖曲线起点桩号K1 256 387 22 5 K1 233 887 竖曲线止点桩号K1 256 387 22 5 K1 278 887 待求桩号至竖曲线起止点的桩号差K1 240 x K1 240 K1 233 887 6 113K1 260 x K1 278 887 K1 260 18 887 待求桩号处的切线高程K1 240H1 1854 236 22 5 6 113 0 054 1853 351K1 260H1 1854 236 22 5 18 887 0 035 1854 362 2 计算设计高程 待求桩号处纵距 改正值 K1 240 K1 260 待求桩号处的设计高程K1 240H 1853 351 0 004 1853 347米K1 260H 1854 362 0 036 1854 326米 第五章第二节纵断面设计方法 一 纵断面设计要点纵断面设计的主要内容 根据道路等级 沿线自然条件和构造物控制标高等 确定路线合适的标高 各坡段的纵坡度和坡长 并设计竖曲线基本要求纵坡均匀平顺 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 以及填挖经济 平衡 纵坡极限值的运用设计时极限值不可轻易采用 应留有余地 纵坡缓些为好 但为了路面和边沟排水 最小纵坡不应最短坡长坡长不宜过短 以不小于设计速度9秒的行程为宜 对连续起伏的路段 坡度应尽量小 一般应争取到规定值的1 2倍 低于0 3 0 5 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值 特殊困难方可用极限最小值 各种地形条件下的纵坡设计平原微丘区 主要是如何保证最小填土高度和最小纵坡的问题 丘陵区应注意平纵配合 不要过分迁就地形 纵坡应顺适不产生突变 沿河线 尽量采用平缓纵坡 坡长不应超过限制长度 纵坡不宜大于6 注意路基控制标高的要求 山岭重丘区越岭线 必须用平均纵坡控制 纵坡力求均匀 避免极限纵坡 台阶式和反坡 山脊线 山腰线 线位受限较严 除结合地形不得已采用较大纵坡外 尽量采用较缓纵坡 关于相邻竖曲线的衔接相邻两同向凹形或凸形竖曲线 特别是同向凹形竖曲线之间 宜合并成一个单竖曲线或复竖曲线 相邻两个反向竖曲线之间 好插入一段直坡为好 特别是半径比较小时 更应这样处理 以便于增重与减重间和缓过渡 一般直坡段不应小于3S行程 二 纵断面设计的一般原则应满足纵坡及竖曲线的各项规定 最大 小纵坡 坡长限制 最小坡长 竖曲线最小半径和最小长度 以及高程控制点和构造物设计的要求 纵断面设计应根据设计速度 在适应地形和环境的原则下 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考虑 反复调整 设计出平顺 连续的线形来 短距离范围内凹凸起伏不能太频繁 连续上 或下 坡路段 应符合平均纵坡的规定 用运行速度对通行能力和行车安全进行检验 长下坡直坡段端部不应接小半径凹曲线或平曲线 相邻坡段坡差小时应设较大半径的竖曲线 避免使用半径小 长度短的凸曲线 应充分考虑排水要求 不用平坡或很小的纵坡 同时不应片面追求大半径竖曲线 在回头曲线路段 路线纵坡有特殊规定 应先定出回头曲线部分的纵坡 再从两端接坡 在回头曲线的主曲线内不宜设竖曲线 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纵断面线形设计应考虑洪水位 地下水位 特殊地质路段 桥涵通道净空高度 隧道等对纵断面线形设计高程的特殊要求 路基对纵断面的控制 洪水位和地下水位对路基填土高度的要求 路基设计高程应高出设计洪水位 壅水或浪高 0 5m以上 路基应保持在干燥 中湿状态 路槽底距地下水或地表积水的高度要大于或等于干燥 中湿状态所对应的路基临界高度 特殊地区和不良地质地区路基对纵断面的控制 软土 泥沼地区宜修路堤 尽量避免修筑路堑 高度在1 2m 临界高 冰冻 盐渍土地区宜采用路堤 风沙地区以低路堤为主 高度0 3 1 0m 雪灾地区避免浅 长路堑和低路堤 路堤最小高度应比当地最大积雪深度高出0 3 0 5m 二 桥涵 通道对纵断面的控制 桥涵 通道要求的最低路基设计高程桥涵要求的最低路堤设计高程由水文条件 净空高度和桥涵构造决定 跨线桥和通道要求的最低路基设计高程由净空高度和跨线构造物 或通道 的构造决定 公路永久性桥涵设计洪水频率桥梁最低设计高程应满足 Hmin H1 H桥 h面当桥下净空或路基高程不够时 提高路基标高减少桥梁上部结构的建筑高度加大桥跨降低壅水或改用多孔小跨径的桥涵 降低结构高度 桥上及桥头路线的纵坡要求 大 中桥桥上纵坡不宜大于4 引道纵坡应同桥上 其长度不宜小于3s行程 大 中桥上不宜设竖曲线 桥头如要设 其起止点应距桥头10m以外 小桥涵纵坡同路线 避免 驼峰式 纵坡 b 三 隧道对纵断面的控制 隧道部分路线的纵坡隧道内纵坡不应大于3 但短于100m的隧道不受此限 隧道内的纵坡可设置成单向坡 地下水发育的隧道及特长和长隧道可用人字坡紧接隧道洞口的路线纵坡应与隧道内纵坡相同 其长度不宜小于3s 隧道内路线纵断面设计应注意的问题在需设机械通风的隧道内 纵坡宜缓一些 宜将隧道内纵坡的上坡方向与常年风向一致 以利通风连续上坡的长隧道 宜将纵坡设计成先缓后陡的折线纵坡 四 平面交