公路纵断面设计

1、题 目： 第三章 公路纵断面设计教学目的与要求：结合汽车动力性能，掌握纵坡设计的一般原则和要求，熟悉纵坡设计方法、竖曲线设计、平纵组合，熟悉纵断面设计成果。内容与时间分配：共8课时第一二课时：纵坡设计的一般规定与要求第三四课时：竖曲线设计第 五 课时：平、纵面线形组合设计第六七课时：纵断面设计方法第 八 课时：纵断面设计成果及成果展示重点与难点：重点：1纵坡设计的一般原则2平纵组合的原则难点：纵坡设计的一般原则教具准备： 图表示例教学方式：讲授法课后复习及预习：复习：1、纵坡设计的一般规定与要求2、平、纵面线形组合设计3、纵断面设计方法预习：1、横断面设计的一般规定2、影响横断面设计

2、的因素3、排水的目的及方法作业1、 最大坡长的计算方法2、 公路纵坡设计应考虑哪些技术指标的限定要求3、 P85 6第三章 纵断面设计第一节 概 述通过公路中线的竖向剖面称为路线纵断面图。在纵断面图上，通过路中线的原地面上各桩点的高程，称为地面标高，相邻地面标高的起伏折线的连线，称为地面线。设计公路的路基边缘相邻标高的连线，称为设计线，设计线上表示路基边缘各点的标高，称为设计标高。在同一横断面上设计标高与地面标高之差，称为施工高度。当设计线在地面线以上时，路基构成填方路堤；当设计线在地面线以下时，路基构成挖方路堑。施工高度的大小直接反映了路堤的高度和路堑的深度。公路纵断面设计线由直线和竖曲线两

3、种线形要素所组成第二节 纵坡设计的一般规定与要求一、纵坡设计的一般要求1纵坡设计必须满足公路工程技术标准中的各项规定。2为保证汽车能以一定的车速安全舒顺地行驶，纵坡应具有定的平顺性，起伏不宜过大及过于频繁。尽量避免采用极限纵坡值缓和坡段应自然地配合地形设置，在连续采用极限长度的陡坡之间，不宜插入最短的缓和坡段，以争取较均匀的纵坡。垭口附近的纵坡应尽量放缓一些。连续上坡或下坡路段，应避免设置反坡。3纵坡设计时，应对沿线的地形、地质、水文、气候等自然条件综合考虑，根据不同的具体情况妥善处理，以保证公路的畅通和稳定。4地下水位较高的平原微丘区和潮湿地带的路段，应满足最小填土高度的要求，以保证路基稳定

4、。5纵坡设计在一般情况下应考虑填挖平衡，并尽量利用挖方运作就近路段填方，减少借方和废方，以降低工程造价。6纵坡设计时，应照顾当地民间运输工具、农业机械、农田水利等方面的特殊要求。二、最大纵坡与最小纵坡(一)最大纵坡最大纵坡是指各级公路容许采用的最大坡度值，它是公路纵断面设计的重要控制指标。1确定最大纵坡应考虑的因素(1) 汽车的动力特性：要根据公路上主要行驶车辆的牵引性能确定。在一定的行驶速度条件下确定(2) 公路等级愈高，要求行车速度愈快，但从汽车的动力特性可知其爬坡能力愈低，因此不同等级的公路有不同的最大纵坡值。(3)自然因素：公路所经地区的地形、气候、海拔高度等自然因素，对汽车行驶条件和

5、爬坡能力也有很大的影响。2最大纵坡的确定最大纵坡的确定主要取决于汽车的动力性能、公路等级和自然因素，但另一方面还必须保证行车安全。高速公路受地形条件或其他特殊情况限制时经技术经济论证合理最大纵坡可增加1。在非汽车交通比例较大的路段，可根据具体情况将纵坡适当放缓，平原、微丘区一般不大于23；山岭、重丘区一般不大于45。小桥涵处的纵坡可按表1-3-1的限值设计，但大、中桥上的纵坡不宜大于4，桥头引道纵坡不大于5；位于城镇附近非汽车交通量较大的路段，桥上及桥头引道纵坡均不得大于3；紧接大、中桥桥头两端的桥头引道纵坡应与桥上纵坡一致。隧道内的纵坡不应大于3，并不小于0.3；独立的明洞和长度小于50m的

6、隧道其纵坡不受此限；紧接隧道洞口的路线纵坡应与隧道内纵坡相同。3高原地区纵坡折减公路工程技术标准规定在海拔3000m以上的高原地区，各级公路的最大纵坡值应按表1-3-2的规定予以折减，最大纵坡折减后若小于4，则仍采用4。(二)最小纵坡公路工程技术标准规定，在各级公路的长路堑路段，以及其他横向排水不畅的路段，均应采用不小于0.3的纵坡，否则应对其边沟作纵向排水设计。干旱地区以及横向排水良好的路段，其最小纵坡可不受上述限制。三、坡长限制与缓和坡段(一)坡长限制与缓和坡段坡长限制包括最小坡长和最大坡长两个方面的内容。1最小坡长限制最小坡长的限制是从汽车行驶平顺性、乘客的舒适性、纵面视距和相邻两竖曲线

7、的布置等方面考虑的。我国综合考虑了计算行车速度和地形条件等情况，规定最小坡长如表1-3-3所示。2最大坡长限制最大坡长限制是指比较大的纵坡对正常行车的影响。所以我国公路工程技术标准规定，各级公路不同纵坡时的最大坡长可按表1-3-4选用。高速公路、一级公路当连续陡坡由几个不同坡度值的坡段组合而成时，应对纵坡长度受限制的路段采用平均坡度法进行验算。二、三、四级公路当连续纵坡大于5时，对纵坡长度应加以限制，以利提高车速和行驶安全。在实际纵坡设计中，当大于5的坡长还未达到其规定的限制坡长时，可变化坡度(应为连续上坡或连续下坡)，但其长度应按坡长限制的规定进行折算。例如：某三级山岭区公路的第一坡段纵坡为

8、8.0，长度为120m，即占坡长限制值的25，若相邻坡段的纵坡为7.0，则其坡长不应超过500×35300m。也就是说8.0的纵坡设计了长度120m以后，还可接着设计坡度为7.0的300m坡长，此时坡长限制值已用完。(二)缓和坡段我国公路工程技术标准规定，对于二、三、四级公路当连续纵坡大干5.0时，应在不大于表1-3-4所规定的长度处设置缓和坡段。缓和坡段的纵坡应不大于3；其长度应符合表1-3-3的规定。四、平均纵坡平均纵坡是指一定长度路段的高差与水平距离之比，以百分率()表示。它是衡量纵断面线形设计质量的一个重要限制性指标。我国公路工程技术标准规定为了合理运用最大纵坡、坡长和缓和坡

9、段，以利汽车安全顺利行驶，二、三、四级公路越岭线的平均纵坡一船以接近5.5(相对高差为200500m)和5(相对高差大于500m)为宜，并注意任何相连3km路段的平均纵坡不宜大于5.5。五、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或路面横坡组合而成的最大坡度。其方向为流水方向，又称流水线坡度。合成坡度的计算公式为式中：i合合成坡度，；I纵路线纵坡度；I横超高横坡度或路面横坡度，。汽车在有合成坡度的路段行驶时，如果合成坡度过大，由于离心力的作用，可能引起汽车向合成坡度方向的倾斜和侧向滑移，给汽车行驶带来危险。因此，应将合成坡度控制在一定的范围之内。我国公路工程技术

10、标准规定各级公路的最大容许合成坡度值如表1-3-5所示。六、爬坡车道爬坡车道是指在陡坡路段正线行车道右侧设置的专供载货汽车行驶的专用车道。公路工程技术标准规定，高速公路和一级公路，当纵坡大于4%时，可设置爬坡车道其宽度一般为3.5m。公路路线设计规范(JTJ011-94)中规定，高速公路和一级公路，在其纵坡长度受限制的路段，应对载货汽车上坡行驶速度的降低值和设计通行能力进行验算，符合下列情况之一者，在上坡方向行车道的右侧设置爬坡车道；1沿上坡方向载货汽车的行驶速度降低到表1-3-6的容许最低速度以下时，可设置爬坡车道；2上坡路段的设计通行能力小于设计小时交通量时，应设置爬坡车道。设计爬坡车道时

11、，应综合考虑爬坡车道与主线线形设计的关系，其起、终点应设在通视良好、便于辨认和过渡顺适的地点。长而连续的爬坡车道，其右侧应按规定设置应急停车带。第三节 竖曲线设计纵断面上相邻两条纵坡线相交的转折处，为了行车平顺用一段曲线来缓和，称为竖曲线。在纵坡设计时由于纵断面上只反映水平距离和竖直高度，因此竖曲线的切线长与弧长是其在水平面上的投影，切线支距是竖直的高程差，相邻两条纵坡线相交角用转坡角表示。当竖曲线转坡点在曲线上方时为凸形竖曲线，反之为凹形竖曲线：一、竖曲线要素计算公式如图1-3-6所示，设转坡处相邻两纵坡度分别为i1和i2，转坡角以w表示，则转坡角w为式中符号意义同前。从以上两种情况的计算公

12、式可知，式(1-3-12)计算结果明显大于式(1-3-10)，因此是凸形竖曲线上满足视距要求的计算公式。(二)按行程时间求竖曲线最小长度和半径汽车从直坡段驶入竖曲线时，当竖曲线的转坡角很小，即使半径较大，如果其竖曲线长度过短，汽车倏忽而过，冲击力大，旅客会感到不舒适，太短的竖曲线长度从视觉上也会感到线形突然转折。因此，应限制汽车在竖曲线上的行程时间不宜过短以此来控制竖曲线的最小长度和半径，即式中：v计算行车速度，km/h；t汽车在竖曲线上行程时间，一般取t3s。(三)按径向离心力求坚曲线最小长度和半径汽车在竖曲线上行驶时，产生径向离心力。这个力在凸形竖曲线上是减少重力在凹形竖曲线上是增加重力，

13、如果这种离心力达到某种程度时，旅客就会有不舒适的感觉，同时对汽车的悬挂系统也有不利影响。因此，应对径向离心力加以控制。汽车在竖曲线上行驶时其径向离心力为式中：F径向离心力，N；G汽车的总重力，N；g重力加速度，m/s2；V计算行车速度，km/h；v车速，m/s；R竖曲线半径，m。为保证车辆在竖曲线上行驶的安全和舒适，根据试验得知，一般应将F/G控制在0.025以内，则得竖曲线最小半径为：根据汽车在凸形竖曲线上行驶的视距要求，行程时间及径向离心力三种影响因素，分别计算出凸形竖曲线的最小长度和半径，取其中较大者作为确定依据。各级公路的竖曲线最小长度和半径规定如表l-3-9所示。三、凹形竖曲线的最小

14、长度与半径确定凹形竖曲线的最小长度与半径的影响因素(即视距的要求、行程时间和径向离心力)与凸形竖曲线基本相同，主要异同点是：1凹形竖曲线的径向离心力和行程时间的计算公式与凸形竖曲线完全相同，但凹形竖曲线与凸形竖曲线所产生的径向离心力，前者是增重作用，后者是减重作用，当这种径向离心力增大到一定程度时，都会使乘客感到不适。具体可参见凸形竖曲线。2凸形竖曲线最不利的情况是以满足视距要求作为主要控制因素的，而凹形竖曲线最不利的情况是以径向离心力产生的冲击力不应过大作为主要控制因素，因为这种冲击力在相同的条件下对凹形竖曲线更为严重。3在公路等级和地形条件相同的条件下，凸形竖曲线的最小半径值较之凹形竖曲线

15、的最小半径值为高，这主要是凸形竖曲线的视距要求更高所致，将其取得大一些才更为合理，见表1-3-10。4凹形竖曲线的视距是以保证夜间行车安全，前灯照明应有足够的距离来确定最小长度和半径的，如图1-3-11所示。设车前灯高度为h，车前灯光束扩散角为，则按竖曲线长度L与停车视距s停分两种情况。四、竖曲线的设计与计算1竖曲线设计竖曲线设计，首先要合理地确定半径。如表1-3-9所示，表中规定的一般最小半径约为极限最小半径的1.52.0倍。因此，当条件许可时应尽量采用大于一般最小半径，只有当地形受到限制或其他特殊困难时，才采用极限最小半径。对行车速度较高的公路，为了使公路的线形获得理想的视觉效果，还须从视

16、觉观点确定最小半径值，如表1-3-10所示。竖曲线半径选择主要考虑以下因素：(1)同向竖曲线间，特别是同向凹形竖曲线之间，如果直线坡段不长，应合并为单曲线或复曲线，以避免出现断背曲线。(2)反向竖曲线之间，为使汽车的增重与减重之间有一过渡段，应尽量在中间设置一段直线坡段，以利汽车行驶的过渡。直线坡段的长度一般以不小于3.0s的行程时间为宜。当插人直线段有困难时，也可直接连接。(3)在不过分增加土石方数量情况下，为使行车舒适，应尽量采用较大半径。(4)根据竖曲线范围内的纵断面地面线起伏情况和标高控制要求，尽量考虑土石方填挖平衡，确定合适的外距值，按外距控制选择半径。(5)夜间行车交通量较大的路段

17、，选择半径时应适当加大，使汽车前灯有较长的照射距离。2竖曲线计算竖曲线计算的目的是确定设计纵披上指定桩号的路基设计标高。其要点是首先根据转坡点处的地面线与相邻设计直线坡段情况，按上述竖曲线设计中的有关规定和要求，合理地选定竖曲线半径。其次，根据转坡点相邻纵坡度i1、i2和已确定的半径R，计算出竖曲线的基本要素w、L、T、E及竖曲线起、终点桩号。第三，分别计算出指定桩号的切线设计标高，指定桩号至竖曲线起(或终)点间的平距l和指定桩号的竖距h。则指定校号的路基设计标高为凸形竖曲线：路基设计标高切线设计标高h凹形竖曲线：路基设计标高切线设计标高+h第四节 平、纵面线形组合设计一、平、纵面线形组合原则

18、公路平、纵面线形组合应遵循以下设计原则：1应在视觉上能自然地诱导驾驶员的视线，并保持视觉的连续性。2平面、纵断面线形的技术指标应大小均衡，避免出现平面高标准纵断面低标准，或与此相反的情况，使线形在视觉上，心理上保持协调。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平、纵面线形组合应注意与周围环境相配合，充分利用公路周围的地貌、地形、天然树林、建筑物等，尽量保持自然景观的连续，以消除景观单调感，使公路与大自然融为一体。二、平曲线与竖曲线组合1平曲线与竖曲线相互重合，使平曲线稍长于竖曲线，并将竖曲线的起、终点分别放在平曲线的两个缓和曲线的中间，这是平、纵面最好的组合，如图1-3-13所示

19、，如果做不到平曲线与竖曲线较好的组合，而两者的半径均较小时(一般指平曲线半径小于般最小半径值)，宁可把平曲线、竖曲线错开相当距离，使竖曲线位于平面的直线上，但如果平曲线与竖曲线半径都很大，则平、竖曲线的位置可不受上述限制。2平面曲线与竖曲线的大小应保持均衡。如果其中一方大而平缓时，则另一方也要与之相适应，不能变化过多。一个平曲线内含有两个以上的竖曲线或与此相反的情况，总给人一种不舒服的感觉。平曲线与竖曲线重合时，如果平曲线不大于1000m，当竖曲线半径为平曲线半径的1020倍时，可在视觉上获得满意的效果。3在下列情况下，平曲线与竖曲线应避免组合(1)计算车速大于或等于40km/h的公路，凸形竖

20、曲线的顶部和凹形竖曲线的底部，应避免插入小半径平曲线；凸形竖曲线的顶部，不得与反向平曲线的拐点重合。如果在凸形竖曲线的顶部设有小半径的平曲线，驾驶员须驶近坡顶才能发现平曲线会导致制动并急转方向盘而易发行车危险；在凹形竖曲线的底部设有小半径平曲线，会因汽车高速下坡时急转弯，同样可能发生行车危险。凸形竖曲线的顶部，不得与反向平曲线的拐点重合。主要是因为这样的组合除存在上述所列情况外，还因组合后的扭曲使线形很不美观。(3) 小半径竖曲线不宜与缓和曲线相互重叠。三、平面与纵坡的组合平、纵面线形的组合，是通过设计者对立体线形要素所形成的想像来分析判断的，必要时还应绘制透视图进行分析研究。各种直线和曲线组

21、合的立体线形要素如图1-3-14所示。第五节 纵断面设计方法一、纵断面设计要点纵断面设计首先涉及的内容是纵断面线形布置，它包括不同地形条件下的设计标高控制，各坡段的纵坡设计和转坡点位置确定等。(一)各种地形条件下的标高控制所谓设计标高的控制，是指在纵坡设计时将路线安排走在哪一个高度上最为合适。1在平原区，地形平坦，河沟纵横交错，地面水源多，地下水位较高，因此，路线设计标高主要由保证路基稳定的最小填土高度所控制。2在丘陵地区，地面有一定的高差，除局部地段外路线在纵断面上克服高差不很困难。因此，设计标高的选定，主要由土石方平衡和降低工程造价所控制。3在山岭地区，地形变化频繁，地面自然坡度大，布线有

22、一定的困难。因此，设计标高主要由纵坡度和坡长所控制，但也要从土石方尽量平衡及路基防护工程经济性等方面考虑，力求降低工程造价。4沿溪(河)路段，为保证路基安全稳定，路基一般应高出规定洪水频率的计算水位加雍水高、波浪侵袭高和0.5m以上。此外，纵断面设计标高的控制，还应考虑公路的起终点、交叉口、垭口、隧道、桥梁、排泄涵洞、地质不良地段等方面的要求。有时这些地物和人工造物对设计标高控制往往起着决定性的作用。(二)各种地形条件下的纵坡设计对不同地形的纵坡设计，要在初步拟定设计标高控制的基础上以求纵坡设计合理。1平原、微丘地形的纵坡应均匀、平缓，并注意保证路基最小填土高度和最小排水纵坡的要求；2丘陵地形

23、的纵坡应避免过分迁就地形而使路线起伏过大；3山岭、重丘地形的沿河线，应尽量采用平缓的纵坡，坡长不宜过短，纵坡度不宜过大高等级的公路更应注意不宜采用陡坡；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，更不宜连续采用极限长度的陡坡之间夹短距离缓和坡段的纵坡线形。越岭线不应设置反坡，以免浪费高程；5山脊线和山腰线，除结合地形不得已时采用较大的纵坡外，在般情况下应采用平缓的纵坡。(三)转坡点位置的确定转坡点是两条相邻设计纵坡线的交点，两转坡点之间的水平距离称为坡长。转坡点位置的确定，直接影响到纵坡度的大小，坡长，平、纵面组合，土石方填挖平衡和公路的使用质量。因此，在确定转坡点位置时，要尽量

24、使填挖工程量最小和线形最理想外，还应使最大纵坡、最小纵坡、坡长限制、缓和坡段满足有关规定的要求，同时还要处理好平、纵面线形的相互配合和协调。此外，为方便设计和计算，转坡点的位置一般应设在10m的整数桩号处。二、纵断面设计方法与步骤(一)淮备工作(二)纵坡设计1标注控制点控制点是指影响纵坡设计的高程控制点。如路线的起终点、垭口、桥涵、地质不良地段、最准，又能满足控制点要求，而且土石方工程量又较省，则这样的设计纵坡是最理想的，关键是要反复比较，统盘考虑，抓住主要矛盾。3调整纵坡试定纵坡之后，首先将所定的坡度与定线时所考虑的坡度进行比较，两者应基本相符若有较大差异，应全面分析，找出原因，决定取舍。然

25、后检查纵坡度、坡长、合成坡度等是否符合公路工程技术标准规定，平、纵面组合是否合理，若有问题应进行调整。调整纵坡的方法一般有抬高、降低、延长、缩短坡线和加大、减小纵坡度等。调整时应以少脱离控制点，尽量减少填挖量，与自然条件协调为原则，使调整后的纵坡与试定纵坡基本相符。以避免因纵坡调整产生填挖不合理等现象。4与横断面进行核对根据已调整的纵坡线，选择有控制意义的重点横断面，如高填深挖、挡土墙、重要桥涵等横断面，在纵断面面上直接估读出填挖高度，对照相应的横断面图进行认真的核对和检查。若出现填挖工程量过大、填方坡脚落空以及挡土墙工程量过大等情况，应再次调整纵坡线，直到满足要求为止。5确定纵坡纵坡线经调整核对无误后，即可确定纵坡。方法是从起点开始，核纵坡度和坡长分别计算出各转坡点的设计标高。公路的起终点设计标高是根据接线的需要事先确定的。转坡点设计标高确定后，公路纵坡