《土木工程概论（第2版）》课件 项目三：公路工程

项目三：公路工程01公路工程概述02公路路线03公路路基04公路路面05公路桥梁与隧道01公路工程概述1.1道路工程的概念道路：通行车辆和行人的工程设施。根据其所处的位置、交通性质、使用特点等可分为：公路：指连接城镇、乡村和工矿基地之间主要供汽车行驶的道路。城市道路：供城市各地区间交通用。专用道路：厂矿道路、农村道路等。1.2道路工程的体系组成精选ppt1.3道路工程的基本概念一、机动车与非机动车设计车辆行驶在道路上的车辆种类繁多，有机动车和非机动车。机动车有摩托车、小汽车、公共汽车、载重汽车、拖挂车和大型集装箱车等。非机动车有自行车、三轮车、板车、兽力车等。规范对各种车辆进行归类，将其尺寸标准化，称“设计车辆”，作为道路设计依据。1.3道路工程的基本概念二、行车速度设计速度：当气候条件良好、交通密度小、车辆行驶只受道路条件的影响时，具有中等驾驶技术的驾驶人员能安全顺适地驾驶车辆的速度。当然，驾驶人员在道路上实际采用的车速不会按设计车速行驶，而是根据沿途的地形条件、道路条件、交通条件以及自身的驾驶技术选择各自的行驶速度。公路等级高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路设计速度（km/h）12010080100806080604030201.3道路工程的基本概念三、交通量交通量：交通量是指在选定时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车道的交通实体数量。年平均日交通量、平均日交通量、高峰小时交通量。年第30位小时交通量与年平均日交通量的比值，称为第30位小时交通量系数，以K表示。我国国家干线公路9个省的10个观测站资料统计得出，K值的分布为11％一15％，平均为13.3％。我国《城市道路设计规范》把系数K又称为设计高峰小时系数，即设计高峰小时交通量与年平均日交通量的比值。K值的分布在9％一14％之间。

K值一般可如下取值：城市道路用11％；公路：平原区用13％，山区用15％。1.3道路工程的基本概念四、通行能力1、通行能力是指在一定的道路、交通、管制条件下，单位时间内，一条车道或道路的某一断面所能通过的最大车辆数。通行能力实质上是道路负荷状况的一种量度，它既反映了道路疏通交通的最大能力，也反映了在规定特性前提下，道路所能承担车辆运行的极限值。一般以辆／h或辆／(车道·h)表示。2、道路设施和交通实体的不同，通行能力可分为机动车道通行能力、非机动车道通行能力和人行道通行能力；3、道路路段通行能力4、平面交叉口通行能力5、立体交叉口通行能力1.4道路的分类与分级一、道路的分类道路按其使用特点可分为：公路、城市道路、专用道路及乡村道路。二、公路与城市道路的分级2003年新《公路工程技术标准》将公路根据功能和适应的交通量分为以下五个等级。高速公路为专供汽车分向、分车道行驶并应全部控制出入的多车道公路。一级公路为供汽车分向、分车道行驶，并可根据需要控制出入的多车道公路。二级公路为供汽车行驶的双车道公路。三级公路为主要供汽车行驶的双车道公路。四级公路为主要供汽车行驶的双车道或单车道公路02公路路线1道路路线设计设计原则：近远期结合；工程量小、造价低、效益好；支援农业；通过地质、水文好的地带；环境保护；利用地形，平、纵、横面结合。道路的组成：路线、路基、路面、附属设施。路线：由直线段和曲线段组成，由于受到自然环境与地物地貌的限制，在平面上有转折，纵面上有起伏。在转折点两侧相邻处，为满足车辆行驶顺适、安全和速度要求，要有一定的曲线连接。1.1路线平面设计一、直线直线的特点(1)路线短捷，缩短里程，行车方向明显(2)线形简单，容易测设(3)从行车安全和线形美观来看,长直线，行车安全性差，往往是发生车祸较多的路段。(4)虽满足两个控制点的要求，难以与地形及周围环境协调。2.最长、最短限制1.1路线平面设计二、圆曲线（曲率为常数）圆曲线的特点任意点曲率半径为常数，曲率也为常数，故测设简单；能较好地适应地形的变化，适用范围较广而灵活；较大半径的长缓圆曲线线形美观、顺适、行车舒适；圆曲线上每一点都在不断改变方向，汽车受到离心力作用，同时汽车比直线段多占用宽度；圆曲线半径较小时，驾驶员视线受到内侧路堑边坡或其他障碍物影响，视距条件差；半径较小，中心角过大，会影响行车安全。2.半径的计算R＝V2/127（μ±ih）式中：V――行车速度（km/h）

μ――横向力系数ih――路拱横坡度1.1路线平面设计行车安全ihmax≤fw

式中：fw――一年中气候恶劣季节路面的横向摩阻系数。驾驶员和乘客以心理上的安全感。对重山区、城市附近、交叉口以及有相当数量非机动车行驶的道路，最大超高还要比一般道路小些。我国《标准》对公路最大超高和城市道路最大超高的规定见下表。补充：1.最大超高ihmax二、圆曲线（曲率为常数）1.1路线平面设计不设超高最小半径(取ihmax＝一0.015，μ＝0.035)二、圆曲线（曲率为常数）补充：2.半径限制1.1路线平面设计（1）曲率连续变化，便于车辆行驶；（2）离心加速度逐渐变化，旅客感觉舒适；（3）超高横坡度逐渐变化，行车更加平稳；（4）与圆曲线配合得当，增加线形美观。设置缓和曲线的目的三、缓和曲线（曲率为变数）直线与曲线连接效果图(a)不设缓和曲线感觉路线扭曲；(b)设置缓和曲线后变得平顺美观

1.1路线平面设计1、平曲线超高（1）圆曲线的全超高（2）超高缓和段2、平曲线加宽（1）圆曲线的全加宽（2）加宽缓和段四、超高与加宽为抵消车辆在曲线路段上行驶时所产生的离心力，在该路段横断面上设置的外侧高于内侧的单向横坡，称之为超高。当汽车行驶在设有超高的弯道上时，汽车自重分力将抵消一部分离心力，从而提高行车的安全性和舒适性。1.1路线平面设计定义：为了行车安全，驾驶人员应能随时看到汽车前面相当远的一段路程，一旦发现前方路面上有障碍物或迎面来车，能及时采取措施，避免相撞，这一必须的最短距离称为行车视距。行车视距是否充分，直接关系到行车的安全与迅速，它是道路使用质量的重要指标之一。五、行车视距视距不足的例子1.2路线纵断面设计通过线路中线的竖向剖面即沿着线路的走向所作的剖面。一、定义1.2路线纵断面设计（1）最大纵坡：是指在纵坡设计时各级道路允许采用的最大坡度值。它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。（2）坡长限制：最大坡长限制、最短坡长限制（平顺性、美观性、易操作性（3）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，其方向为水流线方向。二、一般规定和要求1.2路线纵断面设计纵断面上两相邻不同坡度线的交点称为变坡点。相邻两坡度线的交角用坡度差“ω”表示，坡度角一般较小，可近似地用两坡段坡度的代数差表示，即ω=i1-i2

，式中、分别为两相邻坡段的坡度值，上坡为正，下坡为负。如图。ω为负，变坡点在曲线下方，竖曲线开口向上，称为凹形竖曲线；ω为正，变坡点在曲线上方，竖曲线开口向下，称为凸形竖曲线。定义：纵断面上两个坡段的转折处，为了便于行车，用一段曲线来缓和，称为竖曲线。竖曲线的形式采用抛物线。三、竖曲线设计1.2路线纵断面设计平包纵四、平纵线形搭配1.3路线横断面设计构成

二、三级公路的横断面2路线交叉与道路交通设施路线交叉可以分为：平面交叉、立体交叉2路线交叉与道路交通设施一、平面交叉分流点——同一行驶方向的车辆向不同方向分离行驶的地点；合流点——来自不同行驶方向的车辆以较小的角度，向同一方向汇合行驶的地点；冲突点——来自不同行驶方向的车辆以较大的角度相互交叉的地点。减少或消灭冲突点的办法：交通管制渠化交通设置立交2路线交叉与道路交通设施二、立体交叉主要组成：跨路桥、匝道、外环、内环、入口、出口、加速车道、减速车道、引道类型：按照相交道路跨线构造物型式可分为上跨式和下穿式两类。按交通功能可分为分离式和互通式。分离式大路直走小路过桥互通式喇叭形苜蓿叶形03公路路基1.路基的定义及分类路基是按照一定的路线位置和技术要求修筑的岩土构造物。路基承受由路面传递下来的行车荷载，并承受自然因素的作用。路基的特点：结构形式简单，工程量大；受地质、地形、气象等因素影响极大；施工范围广，作业内容多，技术复杂，质量要求高；投资大，工期长。路基的分类典型的路基横断面分为路堤路基、路堑路基、半路堤路基、半路堑路基、半堤半堑路基及不填不挖路基6种类型。1.路基的定义及分类1.路基的定义及分类高于原地面的填方路基。（填方路段的路基）在结构上分为：（1）上路堤（路面底面以下0.8~1.5m范围的填方部分）（2）下路堤（上路堤以下的填方部分）。按断面形式分：矮路堤、一般路堤、沿河路堤、护脚路堤、挖渠填筑路堤

路堤的特点：设计线高于原地面；排水、通风条

件好；施工质量易控制，可控制对填料选择、干

湿状态、密实程度等可以按要求进行控制。路堤1.路基的定义及分类低于原地面的挖方路基。按断面形式分：全挖路堑、台口式路堑、半山洞路堑

路堤的特点：设计线低于原地面；排水通风条件差；行车视距也差；破坏了原地层天然平衡，受水文地质条件影响较大，要注意边坡稳定性。路堑1.路基的定义及分类在一个断面内，部分为路堤部分为路堑的路基。主要是设置在较陡的山坡上。是比较经济的断面型式，是丘陵或山区公路上的主要横断面形式。填挖结合路基1.路基的定义及分类好？不好？虽然节省土石方，但对排水非常不利，易发生水淹、雪埋等病害，常用于干旱的平原区和丘陵区以及山岭区的山脊线。不填不挖路基2.路基的构造及要求路基由路基宽度、路基高度和路基边坡坡度构成。路基宽度：指两侧路肩外缘之间的宽度，主要为行车道宽度与路肩宽度之和。路基高度：指路基设计标高与地面标高之差。路堤为填筑高度，路堑为开挖深度。路基边坡坡度：指边坡高度与边坡宽度之比，常取H=1，以1：n（路堑）或1：m（路堤）表示坡率。2.路基的构造及要求路基由路基宽度、路基高度和路基边坡坡度构成。2.路基的构造及要求各级公路路基宽度公路等级高速公路、一级公路设计速度（km/h）1201008060车道数864864644路基宽度（m）一般值45.0034.5028.0044.0033.5026.0032.0024.5023.00最小值42.00—26.0041.00—24.50—21.5020.00公路等级二级公路、三级公路、四级公路设计速度（km/h）8060403020车道数22222或1路基宽度（m）一般值12.0010.008.507.506.50(双车道）4.50(单车道)最小值10.008.50———2.路基的构造及要求具有足够的强度和刚度具有足够的整体稳定性具有足够的水温稳定性路基的基本要求路基施工改变了原地面的天然平衡状态，造成挖方路堑边坡可能失稳，陡坡路堤可能沿滑动面整体下滑，软土路面可能产生沉陷等。因此，路基设计应采用有效的技术措施和加固方法，确保路基的整体稳定性。

路基受大气、水文和地质条件等的影响很大。路基应在路面水和地下水等的作用下不致显著降低强度，在冰冻地区不致造成冻融翻浆和强度的急剧下降。04公路路面1.1路面工程发展概况路面工程是道路工程科学派生出来的一个重要分支，它主要研究公路与城市道路以及机场跑道的路面设计原理与方法、路面结构组合、材料性能要求，以及路面结构层的施工、养护、维修和管理的技术。1.2路面材料和结构发展阶段第一阶段，以恢复原有公路和加快建设干线公路为主，以解决通车问题为主第二阶段，以改善路面行驶质量，提高车辆行驶速度，减少养护工作量为主第三阶段，以提高路线和路面等级，改建和新建高等级公路，开始建设高速公路路面等级低，路面施工水平较低，主要采用就地取材方式施工，路面铺筑以当地产粒料、人工砸制碎石、软质石料、碎砖、碎石土为主，路面结构主要是泥结碎石和级配碎石开始推行渣油表面处治路面，以适应交通量的增长，但由于施工工艺和方法影响，路面易变形和破坏开始采用沥青贯入式面层、沥青碎石面层和沥青混凝土面层等高级路面以提高路面使用性能和耐久性应对交通量和车辆轴载的不断增加1.3路面的功能和要求概念路面是道路的重要工程结构物，它铺筑在路基顶面，是用不同材料或混合料分层铺筑而成的供车辆行驶的一种层状结构物。路面结构一般由面层、基层、底基层与垫层组成。路面的基本功能路面的基本功能是为车辆提供快速、安全、舒适和经济的行驶表面，为了满足这些基本功能，路面应具有足够的强度、稳定性、平整度和抗滑性等。路面稳定性既包括了结构稳定性的方面，有涵盖了路面耐久性的含义，即路面在各种外部环境下均应有良好的服务能力。稳定性1.3路面的功能和要求

路面应具有足够的强度以满足车辆安全运行的需要，同时承载能力方面还应有足够的储备以适应交通量增长的客观需求。强度路面的平整度体现了行车舒适性和安全性两个方面的要求，其中，舒适性是衡量路面服务性能的重要指标。平整度路面抗滑性主要从安全的角度上评价路面的适用性能。抗滑性1.3路面的功能和要求路面要求足够的强度和刚度足够的稳定性耐久性表面平整表面抗滑路面强度是指路面抵抗破坏的能力。

行驶在路面上的车辆，产生竖向压力、纵向水平力、振动力和冲击力，以及真空吸力。在这些力的综合作用下，路面会出现断裂、沉陷、波浪和磨损等破坏。因此，要求路面结构及其各组成部分必须具有足够的强度，以抵抗行车作用下所产生的各种应力，避免路面破坏。路面刚度是指路面抵抗变形的能力。

路面结构整体或某一部分刚度不足，即使强度足够，在车辆荷载作用下也会产生过量变形而产生车辙、沉陷和波浪等破坏。因此，路面必须具备足够的刚度，使整个路面结构及其各组成部分的变形量控制在容许范围内。车辙是在行车荷载重复作用下，路面产生永久性变形积累形成的带状凹槽。路面的稳定性是指路面保持其本身结构强度的性能，也就是指在外界各种影响因素作用下路面强度的变化幅度，路面强度的变化越小，则稳定性越好；反之则稳定性越差。1.4路面的结构及组成由于行荷载和自然因素对路面的影响，是随路面深度的增加而逐渐减弱的。因此，对路面材料的强度、抗变形能力和稳定性的要求也随着路面深度的增加而逐渐降低。为了适应这一要求，路面结构通常是分层铺筑的。1.4路面的结构及组成路面结构分层及层位功能：按照使用要求、受力状况、土基支承条件和自然因素影响程度的不同，将路面分成若干层次。通常按各个层位功能的不同，划分为三个层次，即面层、基层和垫层，如图所示。1.4路面的结构及组成面层是直接同行车和大气接触的表面层次，它承受较大的行车荷载的垂直力、水平力和冲击力的作用，同时还受到降水的浸蚀和气温变化的影响。修筑面层所用的材料主要有：水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎（砾）石混合料、砂砾或碎石掺土或不掺土的混合料以及块料等。1.4路面的结构及组成根据现行的《公路工程技术标准》（JTGB01-2003），路面面层的类型及选用如表所示。（按材料分）面层类型适用范围沥青混凝土高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路水泥混凝土高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路沥青贯入、沥青碎石、沥青表面处治三级公路、四级公路砂石路面四级公路注：砂石路面是以砂、石等为骨料，以土、水、灰为结合料，通过一定的配比铺筑而成的路面的统称，包括级配碎（砾）石路面、泥结碎（砾）石路面、水结碎石路面、填隙碎石路面及其它粒料路面。1.4路面的结构及组成基层主要承受由面层传来的车辆荷载的垂直力，并扩散到下面的垫层和土基中去，实际上基层是路面结构中的承重层，它应具有足够的强度和刚度，并具有良好的扩散应力的能力。基层遭受大气因素的影响虽然比面层小，但是仍然有可能经受地下水和通过面层渗入雨水的浸湿，所以基层结构应具有足够的水稳定性。基层表面虽不直接供车辆行驶，但仍然要求有较好的平整度，这是保证面层平整性的基本条件。

修筑基层的材料主要有各种结合料(如石灰、水泥或沥青等)稳定土或稳定碎(砾)石、贫混凝土、天然砂砾、各种碎石或砾石、片石、块石或圆石，各种工业废渣(如煤渣、粉煤灰、矿渣、石灰渣等)和土、砂、石所组成的混合料等。

05公路桥梁与隧道桥梁一般指架设在江河湖海上，使车辆行人等能顺利通行的构筑物。

桥梁工程通常包含两层含义：一是指桥梁建筑的实体，二是指建造桥梁所需的科学知识和技术，包括桥梁的基础理论和研究、桥梁的规划、勘测设计、建造和养护维修等。

1.桥梁工程1.1桥梁的分类桥梁可以从不同的角度进行分类：①按照受力特点的不同划分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、悬索桥、组合结构体系桥。②按照用途的不同分为公路桥、铁路桥、公路铁路两用桥、农桥、人行桥、军用桥等。③按照跨径的大小不同分为小桥、中桥、大桥、特大桥。④按照材料类型的不同分为木桥、钢桥、圬工桥（包括砖、石、混凝土桥）、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥等。1.2桥梁的组成以梁式桥为例，桥梁一般由基础、上部结构、下部结构以及附属设施组成。梁式桥基本组成2.1隧道的概念及特点狭义定义：用以保持地下空间作为交通孔道的工程建筑物。（地面以下修建的用以通过行人、车辆及水、煤气、油等管道的建筑物）广义定义：以某种用途、在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室。2.1隧道的概念及特点地质条件和水文条件决定施工的难易程度。隧道狭长、作业面小、施工速度慢、工期长。受昼夜、季节、气候影响小，可长年稳定施工。施工环境差。大型隐蔽工程，建成后很难更改路线施工现场远离城市，运输不便，物资供应困难。2.2隧道的种类与规模作用：交通隧道、输水隧道、市政隧道、矿山隧道。地质条件：土质隧道和石质隧道埋置深度：浅埋隧道和深埋隧道所处位置：山岭隧道、水下隧道、水底隧道、地铁隧道。隧道长度公路隧道铁路隧道短隧道小于250m小于500m中长隧道250~1000m500~3000m长隧道1000~3000m3000~10000m特长隧道大于3000m大于10000m2.2隧道的种类与规模隧道断面面积隧道小断面小于10m2中等断面10~50m2大断面50~100m2特长断面大于100m2隧道跨度开挖宽度B（m）小跨度隧道B<9中跨度隧道9≤B≤14大跨度隧道14≤B<18特大跨度隧道B≥182.3隧道工程的发展一、隧道施工方法隧道类型施工方法山岭隧道矿山法坚硬岩体隧道工程掘进机法城市地铁浅埋隧道工程由“浅埋明挖法”转为“浅埋暗挖法”“浅埋盖挖法”继而转为“盾构法”地铁车站由“浅埋明挖法”转为“浅埋盖挖法”沉管隧道沉埋法2.3隧道工程的发展二、隧道施工技术技术现状爆破控制技术盾构掘进技术深基坑围护技术水下地基加固技术预注浆加固技术监控量测技术锚杆加固技术喷射混凝土加固技术管棚超前支护技术管段沉埋技术管段浮运技术2.4隧道的构造1支护结构2洞门的构造3明洞的构造4附属设施支护单层衬砌在隧道内架立模板和模板架，然后浇筑混凝土而成。复合衬砌初期支护：帮助围岩获得稳定的基本手段。内层衬砌：用于后期的安全储备，承受后期围岩压力。拼装衬砌提前预制的构件用机械一环接一环拼装而成的衬砌。1支护结构2洞门的构造3明洞的构造4附属设施洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构。洞门的主要作用：①保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定；②把汇集在洞口附近的仰坡、边坡上的地表水，引离隧道，减少洞口土石方开挖量；③作为隧道的标志性建筑物，应与隧道的规模、使用特性以及周围建筑物、地形条件等要相协调，起到装饰洞口的作用。洞门结构的类型：①隧道门、②明洞门棚式明洞门2.4隧道的构造1支护结构2洞门的构造3明洞的构造4附属设施洞门的构造要求：1．仰坡坡脚至洞门端墙顶帽背的水平距离，一般不小于1.5m。2．洞门端墙顶宜高出仰坡坡脚不小于0.5m。3．洞门端墙与仰坡之间水沟沟底至衬砌拱顶外缘的高度，一般不小于1m。4．一般隧道门端墙、翼墙、挡土墙设计为仰斜式墙身时，墙背坡度不宜缓于1:0.3。5.洞门端墙、翼墙和挡土墙截面厚度应满足规范要求。6．洞门端墙、翼墙应根据情况设置伸缩缝和沉降缝。7．洞门翼墙和挡土墙身应设置泄水孔。2.4隧道的构造1支护结构2洞门的构造3明洞的构造4附属设施

明洞：当隧道埋深较浅，上覆岩(土)体较薄，难采用暗挖法时，则应采用明挖法来开挖隧道。作用：在隧道洞口或线路上起到防护的作用。防止边坡上落石、塌方等危机到洞口段。分类：拱式明洞和棚式明洞。柱式拱形明洞门翼墙式拱形明洞门2.4隧道的构造1支护结构2洞门的构造3明洞的构造4附属设施紧急停车带：供车辆紧急停车之用。超过2km以上的隧道需设置2.5m宽，25-40m的紧急停车带，间隔约为750m。超过10km以上的特长隧道，应考虑设置方向转车场，使车辆在发生火灾时避难或避退。