高速公路概论课件：线路几何设计-纵断面设计

目

录4.3

高速公路立体交叉设计1、路线纵断面图：沿着公路中线竖直剖切然后展开即为公路的纵断面。2、纵断面图是公路纵断面设计的主要成果，

也是公路设计的重要技术文件之一。把公路的纵断面图与平面图结合起来，就能准确地定出公路的空间位置。4.2.2

高速公路纵断面设计——设计认知3、纵断面设计在路线纵断面图上研究路线线位高度及坡度变化情况的过程。纵断面设计内容：确定公路纵坡坡度及坡长，设置竖曲线。4.2.2高速公路纵断面设计—设计认知4、纵断面设计的主要任务根据汽车的动力特性、公路等级、地形、地物、

水文地质，综合考虑路基稳定、排水以及工程经济性等，

研究纵坡的大小、长短、竖曲线半径以及与平面线形的组合关系，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。4.2.2高速公路纵断面设计—设计认知5、路线纵断面图的构成：纵断面图上由两条主要的线和文字资料两部分构成； (1)地面线：它是根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线，反映了沿着中线地面的起伏变化情况；(2)设计线：路线上各点路基设计高程的连续线，是经过技术上、经济上以及美学上等多方面比较后定出的一条具有规则形状的几何线，反映了公路路线的起伏变化情况；4.2.2高速公路纵断面设计—设计认知纵断面设计线的组成：直线(均坡度线)和竖曲线。其中：★直线(即均坡度线)有上坡和下坡，是用水平长度及纵坡度表示的。纵坡度表征匀坡路段坡度的大小，用高差与水平长度之

i

=

(%)比量度比量度比量度比量度比量度比量度比量度比量度：即，比量度比量度比量度4.2.2高速公路纵断面设计—设计认知转坡点(变坡点)：两相临坡度不同的纵坡线的交点；高差(h)：相临两变坡点间的高程差；坡长(L)：相临两变坡点间的水平距离。4.2.2高速公路纵断面设计—设计认知★竖曲线：采用二次抛物线方程。其方程式为：

x2

=

2py式中：p决定二次抛物线的开口，用R代替，表示竖曲线的半径。竖曲线的表征：竖曲线半径R和竖曲线长度L。4.2.2高速公路纵断面设计—设计认知6、路线纵断面图上的标高：(1)设计标高，即路基设计标高，《规范》规定如下：①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。②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。4.2.2高速公路纵断面设计—设计认知(2)地面高程：中线上地面点高程。(3)路基高度：横断面上设计高程与地面高程之高差。4.2.2高速公路纵断面设计—设计认知1、汽车行驶与公路纵坡的关系(1)汽车在公路上行驶的阻力◆空气阻力◆滚动阻力◆坡度阻力◆惯性阻力4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计(2)汽车行驶的条件◆必要条件：牵引力必须大于或等于各项阻力之和。◆充分条件：牵引力必须小于或等于轮胎与路面之间的附着力。◆充要条件：各阻力之和≤牵引力≤轮胎与路面之间的附着力4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计(3)汽车在坡道上的行驶要求①纵坡度力求平缓；②陡坡宜短，长坡道的纵坡度应加以严格限制；③纵坡度的变化不宜太多，尤其应避免急剧起伏变化，力求纵坡均匀。4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计2、最大纵坡、最小纵坡和坡长限制(1)

最大纵坡最大纵坡是指在纵坡设计时各级道路允许使用的最大坡度值。①确定最大纵坡应考虑的因素(ⅰ)汽车的动力性能；(ⅱ)公路等级；(ⅲ)自然因素。4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计②最大纵坡的确定最大纵坡是公路纵断面设计的重要控制指标。最大纵坡是各级公路纵坡限制值，只有在山岭区路线特别困难时采用。各级公路规定的最大纵坡值如下：4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计③最大纵坡应符合下列规定设计速度为120km/h、100km/h、80km/h的高速公路受地形条件或其他特殊情况限制时，经技术论证、最大纵坡值可增加1%。公路改扩建中，设计速度为40km/h、30km/h、20km/h的利用原有公路的路段，经技术论证经济论证、

最大纵坡值可增加1%。大、中桥不宜大于4%，桥头引道不宜大于5%；位于市镇附近非汽车交通量较大的地段，桥上及桥头引道均不得大于3%；小桥涵纵坡随路线。隧道内纵坡应小于3%，大于0.3%，但短于100m的隧道可不受此限，高速公路、一级公路的中短隧道，当条件受限制时，

最大纵坡可适当加大，但不宜大于4%。4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计(2)最小纵坡为使公路在长路堑低填方以及其它横向排水不畅通的地段，防止积水渗入路基而影响其稳定，规定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。当必须设计水平坡(0%)或小于0.3%的纵坡时，边沟排水设计应与纵坡设计一起综合考虑，其边沟应作纵向排水设计。4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计(3)坡长限制①最大坡长的限制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。4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计②陡坡组合坡长当连续陡坡是由几个不同受限坡度值的坡段组合而成时

，应按不同坡度的坡长限制折算确定；其连续陡坡最短坡长应大于规范规定最小坡长。【示例】：某三级公路如下图示：若第三坡段采用4%的坡度，其坡长最多可设多长？4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计③最小坡长限制最小坡长的限制是从汽车行驶的平顺性的要求考虑；最小坡长通常取设计行车速度9--15s的行程为规定值；《标准》规定，各级公路最短坡长如下表：4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计3、缓和坡段当陡坡长度达到限制坡长时，应安排一段缓坡，用以恢复在陡坡上降低的速度。缓和坡段的作用主要是为了改善汽车在连续陡坡上行驶的紧张状况，避免汽车长时间低速行驶或汽车下坡产生不安全因素。不同等级的公路其缓和坡度不同，对于越岭公路《标准》规定缓和坡段的纵坡应不大于3%，其长度应不得小于最小坡长要求。4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计4、平均纵坡平均纵坡是指一定长度的路段纵向所克服的高差与该路段长度的比。平均纵坡是衡量路线线形设计质量的重要指标之一。平均纵坡与坡道长度有关，还与相对高差有关。《标准》规定二、三、四级公路越岭路线连续上坡

(或下坡)路段，相对高差为200m--500m时，平均纵坡不应大于5.5%；相对高差大于500m时，平均纵坡不应大于5%。并注意任意连续3km路段的平均纵坡不宜大于5.5%

。4.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计5、合成坡度合成坡度是指由路线纵坡与弯道超高横坡或路拱横坡组合而成的坡度，其方向即流水线方向。合成坡度可按矢量关系或勾股定理关系导出：i合

=

i

+i

式中：i合—合成坡度%；i纵—公路平曲线处的纵坡%；i超—公路平曲线处的超高横坡度%

。超2纵24.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计在下述情况的合成坡度必须小于8%：(1)冬季路面有积雪、结冰地区；(2)自然横坡较陡峻的傍山路段；(3)非汽车交通量比率高的路段。各级公路的最小合成坡度不宜小于0.5%。在超高过渡的变化处，合成坡度不应设计成0%。当合成坡度小于0.5%时，则应采取综合排水措施，以保证路面排水畅通。公路合成坡度的最大容许值如下：公路最大合成坡度表3-44.2.2高速公路纵断面设计—纵坡及坡长设计(一)竖曲线设计基本知识1、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，这条连接两纵坡线的曲线叫竖曲线。2、为方便设计和计算，竖曲线的形状一般采用二次抛物线形式。4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计3、转坡角纵断面上相邻两条纵坡线相交形成转坡点，其相交角用转坡角表示。设相邻两纵坡坡度分别为i1和i2，则相邻两坡度的代数差即转坡角为ω=i1-i2，其中i1、i2为本身之值。上坡时i取正值，例如：i1=+3.5%表示是“上坡坡度为3.5%”；下坡时i取负值,例如：i2=-2.5%表示是“下坡坡度为205%”。4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计4、竖曲线的凸、凹及判断：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。4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计▲当i1-i2为正值时，则为凸形竖曲线；4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计▲当i1-i2为负值时，则为凹形竖曲线。4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计5、竖曲线基本方程式我国采用的是二次抛物线形作为竖曲线的常用形式。x

2

=

2

Ry

y

=

若取抛物线参数为竖曲线的半径，则有：4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计x

2

=2

Py其基本方程为：AAPQlA4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计(二)竖曲线要素计算公式LMOEωtB2B1hxxiiBYTXT4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计(三)竖曲线的最小半径1、竖曲线最小半径的确定(1)凸形竖曲线极限最小半径确定考虑因素：缓和冲击；经行时间不宜过短；满足视距的要求。4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计凸、凹形竖曲线都要受到上述缓和冲击、视距及行驶时间三种因素控制。竖曲线极限最小半径是缓和行车冲击和保证行车视距所必须的竖曲线半径的最小值。设计时多采用大于极限最小半径1.5--2.0倍，该值为竖曲线一般最小值。我国按照汽车在竖曲线上以设计速度行驶3s行程时间控制竖曲线最小长度。4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计(2)凹形竖曲线极限最小半径确定考虑因素缓和冲击；前灯照射距离要求；跨线桥下视距要求；经行时间不宜过短。4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计三、竖曲线的设计和计算1、竖曲线设计竖曲线设计，首先应确定合适的半径。在不过分增加工程量的情况下，宜选择大于或等于下表的竖曲线半径；4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计公路竖曲线最小半径和竖曲线最小长度相邻竖曲线衔接时应注意：(1)同向竖曲线：特别是两同向凹形竖曲线间，

如果直坡段接近或达到最小坡长时，宜合并为单曲线或复曲线形式的竖曲线。(2)反向竖曲线：反向竖曲线间应设置一段直线坡段，直线坡段的长度一般不小于设计速度的3秒行程；(3)竖曲线设置应满足排水需要。4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计2、竖曲线计算竖曲线计算的目的是确定设计纵坡上指定桩号的路基

设计标高。计算步骤如下：(1)计算竖曲线的基本要素：竖曲线长：L；切线长：T；外距：E。(2)计算竖曲线起终点的桩号：竖曲线起点的桩号=变坡点的桩号－T竖曲线终点的桩号=变坡点的桩号+T4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计(3)计算竖曲线上任意点切线标高及改正值：切线标高=变坡点的标高±(T

)一x

i；改正值：y=

(4)计算竖曲线上任意点设计标高某桩号在凸形竖曲线的设计标高=该桩号在切线上的设计标高－y某桩号在凹形竖曲线的设计标高=该桩号在切线上的设计标高+y4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计【案例】：某山岭区二级公路，变坡点桩号为K3+030.00，高程为427.68，前坡为上坡，i1=+5%，后坡为下坡，i2=

－4%，竖曲线半径R=2000m。试计算竖曲线诸要素以及桩号为K3+000.00和K3+100.00处的设计标高。4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计1、计算竖曲线要素ω=i1-i2=5%－(－4%)=0.09所以该竖曲线为凸形竖曲线曲线长：L=Rω=2000×0.09

=180m切线长：T=L/2=180/2=90m外

距：

E

=

=

m=2.034.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计2、竖曲线起、终点桩号竖曲线起点桩号=(K3+030.00)－90.00=K2+940.00

竖曲线终点桩号=(K3+030.00)+90.00=K3+120.003、K3+000.00、K3+100.00的切线标高和改正值K3+000.00的切线标高=427.68－(K3+030.00－K3+000.00)×5%=426.18mK3+000.00的改正值

=

一2

=

0.90mK3+100.00的切线标高=427.68－(K3+100.00－K3+0

3.

K

2

=

0.

10m0)m0800.8143404K0(3K3+100.00的改正值=

2

20004.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计4、K3+000.00和K3+100.00的设计标高K3+000.00的设计标高=426.18－0.9=425.28mK3+100.00的设计标高=424.88－0.1=424.78m4.2.2高速公路纵断面设计—竖曲线设计(一)爬坡车道爬坡车道是在陡坡路段正线行车道外侧增设的供载重车行驶的专用车道。1、爬坡车道的设置条件四车道高速公路、四车道一级公路以及二级公路连续上坡路段，符合下列情况之一者，宜在上坡方向行车道右侧设置爬坡车道。4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计2、爬坡车道的设计(1)横断面组成爬坡车道设于上坡方向正线行车道右侧。爬坡车道的宽度为3.5m。爬坡车道的路肩由硬路肩和土路肩组成。爬坡车道的硬路肩宽度一般为1.0m，土路肩宽度以按正线要求设计为宜。4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计(2)横坡度①爬坡车道的行车速度比正线小，为了行车安全起见，高速公路正线超高坡度比爬坡车道的超高坡度小；②超高坡度的旋转轴为爬坡车道内侧边缘线；③若爬坡车道位于直线路段时，其横坡度的大小同正线路拱坡度,采用直线式横坡,坡向向外；④爬坡车道右侧路肩的横坡度大小和坡向,参照正线与右侧路肩之间关系的有关规定确定。4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计(3)爬坡车道起、终点与长度4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计(4)爬坡车道的其他规定①爬坡车道的曲线加宽按一个车道曲线加宽规定执行；②高速公路、一级公路爬坡车道长度大于500米时，应按规定在其右侧设置紧急停车带。(5)爬坡车道的超高坡度规定如下表；超高横坡的旋转轴为爬坡车道内侧边缘线。4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计(二)平纵面线形组合设计公路平面与纵断面的线形组合是指在满足汽车运动学和力学要求的前提下，研究如何满足视觉和心理方面的连续性、舒适感，研究与周围环境的协调和良好的排水条件，以保证汽车行驶的安全、舒适与经济。4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计1、视觉分析(1)视觉分析的意义公路设计除应考虑自然条件、汽车行驶力学的要求外，还要把驾驶员在心理和视觉上的反应作为重要因素考虑。从视觉心理出发，对公路的空间线形及其与周围自然景观和沿线建筑的协调，保持视觉的连续性，使行车具有足够的舒适感和安全感的综合设计称为视觉分析。4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计(2)视觉与车速的动态规律驾驶员的视觉判断能力与车速密切相关，车速越高，

其注意前方越远，而视角逐渐变小。驾驶员的注意力集中和心里紧张程度随车速的增加而增

加，注意力集中点和视野距离随车速提高而增大，

当汽车高速行驶时，驾驶员对前景细节的视觉开始变的模糊不清，而视角随车速逐渐变窄，已不能顾及两侧景象了。由此可见，对于快速公路来说，必须使驾驶员明白无误地了解线形，尽量避免由于判断错误而导致驾驶失误。4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计(3)视觉评价方法所谓线形状况是指公路平面和纵断面线形所组成的立

体形状，在汽车快速行驶中给驾驶员提供的连续不断的

视觉印象。设计者通过公路透视图评价线形组合是否顺势流畅，对易产生判断失误和茫然的地方，必须在设计阶段进行修改。4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计2、公路平、纵线形组合设计(1)

组合原则①应能在视觉上自然地诱导驾驶员的视线，并保持视觉的连续性；②平面与纵断面线形的技术指标应大小均衡，不要悬殊太大，使线形在视觉上和心理上保持协调；③选择组合得当的合成坡度，以利于路面排水和安全行车；④应注意线形与自然环境和景观的配合与协调。4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计(2)

组合方式平纵线形有以下六种组合形式：平直、纵直线：构成具有恒等坡度的直线；平直、纵凹曲线：构成凹下去的直线；平直、纵凸曲线：构成凸起的直线；平曲、纵直线：构成具有恒等坡度的平曲线；

平曲、纵凹曲线：构成凹下去的平曲线；

平曲、纵凸曲线：构成凸起的平曲线。4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计3、线形组合特征及注意问题4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计3、线形组合特征及注意问题4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计3、线形组合特征及注意问题4.2.2高速公路纵断面设计—爬坡车道及纵面线形组合设计3、线形组合特征及注意问题(一)纵断面设计图及绘制●纵断面设计图反映的是路线所经的中心地面起伏情况与设计标高的关系，把它与平面线形结合起来，就能反映出公路路线在空间的位置。●纵断面图的架构采用直角座标，以横坐标表示水平距离，纵坐标表示垂直高程。通常情况下采用的比例尺为：横坐标1∶2000；纵坐标1∶200。4.2.2高速公路纵断面设计—纵断面线形设计1、纵面图的内容(1)桩号里程、地面高程与地面线、设计高程与设计线，施工填挖值、设计线的纵坡度及坡长、平曲线资料、土壤地质情况；(2)竖曲线及其要素；(3)沿线桥涵及人工构造物的位置、结构类型及孔径；(4)与铁路、公路交叉的桩号及路名；(5)沿线跨河流名称、桩号、现有水位及最高洪水位；(6)水准点位置、编号和高程；(7)断链桩位置、

桩号及长短链关系。4.2.2高速公路纵断面设计—纵断面线形设计2、绘制纵断面设计图的步骤(1)按比例在厘米纸上标出与横向、纵向坐标，横向坐标标出百米桩号，纵向坐标标出整十米高程；(2)在坐标系中按水准测量提供的各桩号地面高程与相应的桩号配合点绘各桩号地面点，并将各地面标高点用直线依次连接后就成为纵断面图的地面线；(3)在坐标图上绘出各水准点位置、编号、高程；(4)将桥涵位置绘制在坐标图上，并注明孔数、孔径、结构类型、桩号等；4.2.2高速公路纵断面设计—纵断面线形设计(5)在纵断面设计图下部表内分别注明土壤地质资料、绘出平面直线和平曲线的位置、转向并注明平曲线有关资料；(6)纵坡和竖曲线确定后，将设计线绘出，并注明纵坡度、坡长，在设计线上部适当的位置绘出各竖曲线范围并分别注明各竖曲线的基本要素；(7)填注其它各有关资料或特定需要的资料；(8)清理纵断面设计图并将无用的铅笔字线擦净。4.2.2高速公路纵断面设计—纵断面线形设计(二)纵断面设计要点纵断面设计主要是指纵坡和竖曲线设计。纵断面设计的主要内容是根据公路等级、沿线自然条件和构造物控制标高等，确定路线合适的高程、各坡段的纵坡度和坡长，并设计竖曲线。纵断面设计的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、平面与纵断面组合设计协调、以及填挖经济、平衡。4.2.2高速公路纵断面设计—纵断面线形设计1、关于纵坡极限值的运用(1)纵坡的极限值不可轻易采用，应留有余地；(2)在受限较严的地带，

可有条件使用纵坡极限值；(3)纵坡应力求平缓，但最小纵坡不应低于0.3%。2、关于最小坡长(1)纵坡坡长不宜过短，以不小于设计速度9s的行程为宜；(2)对连续起伏的路段，坡度应尽量小，坡长和竖曲线可取极限坡长的3—

5倍。4.2.2高速公路纵断面设计—纵断面线形设计3、各种地形条件下的纵坡设计(1)平原、微丘地区应注意保证最小填土高度和最小纵坡的要求；(2)山岭、重丘地形坡长不应超过限制长度，纵坡不宜大于6%，注意路基控制高程的要求；(3)越岭线的纵坡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坡段。越岭路线一般不应设置反坡；4.2.2高速公路纵断面设计—纵断面线形设计(4)桥梁的路基设计标高①大、中桥一般应高于该桥设计洪水位(并包括雍水和浪高)至少0.5m。②小桥涵应高于桥涵前雍水水位至少0.5m(不计浪高)。4.2.2高速公路纵断面设计—纵断面线形设计4、关于竖曲线半径的选用竖曲线应选用较大半径为宜。在不过分增加工程数量的情况下，应选用大于或等于一般最小半径的半径值，特殊困难方可用极限最小值。5、关于相邻竖曲线的衔接相邻两个同向凹形或凸形竖曲线，特别是两同向凹形竖曲线间，如直坡段不长应合并为竖一个曲线。对反向竖曲线，最好中间设置一段直坡线，直坡线的长度一般不小于设计速度的3秒行程。当半径比较大时，亦可直接连接。4.2.2高速公路纵断面设计—纵断面线形设计(三)纵坡设计方法与步骤1、准备工作：(1)按比例标注里程桩号和标高，点绘地面线；(2)绘出平面直线与平曲线资料，以及土壤地质说明资料；(3)将桥梁、涵洞、地质土质等与纵断面设计有关的资料在纵断面图纸上标明