道路勘测第四章纵断面设计素材

第四章 纵断面设计,第一节 概 述 定义：沿着道路中线竖向剖面的展开图即为路线纵断面。 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。 任务：研究纵断面线形的几何构成及其大小与长度。 依据：汽车的动力特性、道路等级、当地的自然地理条件以及工程经济性等。,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，反映沿着中线地面的起伏变化情况。 设计线：它是设计人员从技术、经济、美学等方面比较后定出的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。它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。 竖曲线：在直线的坡度转折处为平顺过渡而设置的曲线。竖曲线有凸、凹之分，其大小用半径和水平长度表示。,路线纵断面图构成,规范对路基设计标高的规定,地面标高：中线上地面点高程。 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。,规范对路基设计标高的规定,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。 对于城市道路，设计标高指建成后的行车道中线路面标高或中央分隔带中线标高。 路基高度：横断面上设计高程与地面高程之高差。 路堤：设计高程大于地面高程。 路堑：设计高程小于地面高程。 纵断面设计内容：坡度及坡长、竖曲线,第二节 纵 坡,一、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。 确定最大纵坡的依据： 1.汽车的动力特性：汽车在规定速度下的爬坡能力。 2.道路等级：等级高，行驶速度大，要求坡度阻力尽量小，纵坡就小。 3.自然条件：海拔高程、气候（积雪寒冷等）。 纵坡度大小的优劣： 坡度大：行车困难，上坡速度低，下坡较危险。 山区公路可缩短里程，降低造价。,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小1。 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。 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。,各级公路最大纵坡的规定,表4-1,对桥上及桥头路线的最大纵坡：小桥与涵洞处纵坡应按路线规定采用；大、中桥上纵坡不宜大于4，紧接大、中桥桥头两端的引道纵坡应与桥上纵坡相同。 隧道部分路线纵坡：隧道内纵坡不应大于3，但独立明洞和短于50m的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。 在非机动车交通比例较大路段：平原、微丘区一般不大于23；山岭、重丘区一般不大于45。,各级公路最大纵坡的规定,1高原为什么纵坡要折减？ 在高海拔地区，因空气密度下降而使汽车发动机的功率、汽车的驱动力以及空气阻力降低，导致汽车的爬坡能力下降。另外，汽车水箱中的水易于沸腾而破坏冷却系统。 2规范规定：位于海拔3000m以上的高原地区，各级公路的最大纵坡值应按表4-3的规定予以折减。折减后若小于4%，则仍采用4%。,二、高原纵坡折减,三、理想的最大纵坡和不限长度的最大纵坡,1. 理想的最大纵坡i1：是指设计车型即载重汽车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。 V1取值：对低速路为设计速度，高速路为上述载重汽车的最高速度。,i1=D1-f,i1理想最大纵坡,理想的最大纵坡固然好，但不是总能争取到。因此，有必要允许车速由V1降到V2以获得较大坡度i2。V2称为允许速度。,2.容许速度V2：不同等级的道路容许速度应不同，其值一般应不小于设计速度的1/22/3（高速路取低限，低速路取高限）。 3.不限长度最大纵坡：与允许速度V2相对应的纵坡i2称为不限长度的最大纵坡。 i2=D2-f 4.陡坡、缓坡：大于i1的纵坡称为陡坡；小于i1的纵坡称为缓坡。凡大于i2的纵坡都应限制长度。,最小纵坡：各级公路在特殊情况下容许使用的最小坡度值。 最小纵坡值：0.3%，一般情况下0.5%为宜。 适用条件：横向排水不畅路段：长路堑、桥梁、隧道、设超高的平曲线、路肩设截水墙等。 当必须设计平坡（0%）或小于0.3%的纵坡时，边沟应作纵向排水设计。 在弯道超高横坡渐变段上，为使行车道外侧边缘不出现反坡，设计最小纵坡不宜小于超高允许渐变率。 干旱少雨地区最小纵坡可不受上述限制。,四、最小纵坡,坡长： 坡长是纵断面上相邻两变坡点间的长度。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加以限制。 1最小坡长限制 最小坡长通常规定汽车以设计速度行驶915s的行程为宜。 标准和城规规定了各级道路的最小坡长。见表4-5、4-6。,五、坡长限制,标准规定各级公路最大坡长限制。见表4-7。,2最大坡长限制,城规规定的城市道路最大坡长按表4-8、4-9选用。,高速公路和一级公路纵坡及坡长的选用应充分考虑车辆运行质量的要求。对高速公路，即使纵坡为2%，其坡长也不宜过长。 二、三、四级公路，当连续坡度大于5%时，应在不大于表4-7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4-5所规定的最小坡长要求。,六、缓和坡段,在纵断面设计中，当陡坡的长度达到限制坡长时，应安排一段缓坡，用以恢复陡坡上降低的速度。同时，从下坡安全考虑，缓坡也是需要的。 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。 缓和坡段宜设置在直线或较大半径的平曲线上。在地形困难路段可设置在半径较小的平曲线上，但应增加缓和坡段的长度，使缓和坡段端部的竖曲线位于小半径平曲线之外。,七、平均纵坡,平均纵坡是指在一定长度的路段内，路线在纵向所克服的高差H与该路线长度L之比（连续升坡或降坡路段）。,1.二、三、四级公路越岭路线连续上坡(或下坡)路段，相对高差为200500m时，平均纵坡以接近5.5为宜； 2.相对高差大于500m时，平均纵坡以接近5为宜,并注意任何相连3km路段的平均纵坡不宜大于5.5。,标准关于平均纵坡的规定,1.定义：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度组合而成的坡度，其方向即流水线方向。 合成坡度的计算公式为：,八、合成坡度,式中：I合成坡度（%） 路线设计纵坡坡度（%） 超高横坡度（%）；,2标准关于合成坡度的规定,（2）最小合成坡度： 最小合成坡度不宜小于0.5%。 当合成坡度小于0.5时，应采取综合排水措施，以保证路面排水畅通。,（1）最大合成坡度：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表4-10的规定；在积雪冰冻地区，合成坡度值不应大于8%。,当陡坡与小半径平曲线重合时，在条件许可的情况下，以采用较小的合成坡度为宜。 特别是下述情况，其合成坡度必须小于8%。 在冬季路面有积雪结冰的地区； 自然横坡较陡峻的傍山路段； 非汽车交通比率高的路段。 例如：某二级公路，有一平曲线半径为250m，超高横坡为8%，该路段纵坡度为4.8%，则合成坡度为,3. 合成坡度指标的控制作用 ： 控制陡坡与急弯的重合； 平坡与设超高平曲线的配合问题。,九、纵坡设计的一般要求 1纵坡设计必须满足标准的各项规定。 2纵坡应具有一定的平顺性，起伏不宜过大和过于频繁。 尽量避免采用极限纵坡值。 合理安排缓和坡段，不宜连续采用极限长度的陡坡夹最短长度的缓坡。 连续上坡或下坡路段，应避免设置反坡段。 越岭线哑口附近的纵坡应尽量缓一些。 3纵坡设计应对沿线地面、地下管线、地质、水文、气候和排水等综合考虑，视具体情况加以处理，以保证道路的稳定与通畅 。,4一般情况下纵坡设计应考虑填挖平衡，尽量使挖方运作就近路段填方，以减少借方和废方，降低造价和节省用地。,5平原微丘区地下水埋深较浅，或池塘、湖泊分布较广，纵坡除应满足最小纵坡要求外，还应满足最小填上高度要求，保证路基稳定。 6对连接段纵坡，如大、中桥引道及隧道两端接线等，纵坡应和缓、避免产生突变。交叉处前后的纵坡应平缓一些。 7在实地调查基础上，充分考虑通道、农田水利等方面的要求。,第三节 竖曲线,一、竖曲线的计算公式 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。设计上采用二次抛物线作为竖曲线。,变坡点：相邻两条坡度线的交点。 坡度差：设变坡点相邻两条直坡段坡度分别为i1和i2，规定上坡为正，下坡为负。则相邻两坡度代数差即为坡度差，用表示，即 =i2-i1,凹型竖曲线 0,凸型竖曲线 0,一、竖曲线要素的计算公式,在图示坐标系下，二次抛物线一般方程为:,对竖曲线上任一点P，其切线的斜率（纵坡）为,因为i是介于i1和i2之间，且i1和i2均很小，故i2可略去不计，则：,抛物线上任一点的曲率半径为：,当x=0时，i=i1；则,因为,即,则,i2,竖曲线上任一点竖距h：,竖曲线外距E：,（一）竖曲线最小半径或最小长度的限制因素 1缓和冲击 汽车在竖曲线上行驶时其离心加速度为:,二、竖曲线的最小半径,根据试验，认为离心加速度应限制在0.50.7m/s2比较合适。我国标准规定的凹形竖曲线最小半径值，相当于a=0.278 m/s2。,2时间行程不过短 最短应满足3s行程。,3满足视距的要求： 凸形竖曲线：坡顶视线受阻 凹形竖曲线：下穿立交,（二）凸形竖曲线最小半径和最小长度,凸形竖曲线最小长度应以满足视距要求为主。 按竖曲线长度L和停车视距ST的关系分为两种情况。 1当LST时：,视距长度：,令,最小半径：,2当LST:,凸形竖曲线一般最小半径为极限最小半径的1.52.0倍。 在条件许可时，凸形竖曲线尽量采用大于一般最小半径。 凸形竖曲线最小长度相当于各级道路计算行车速度的3秒行程 。,式4-14计算结果大于式4-13计算结果，将式4-14作为有效控制。 根据缓和冲击、行驶时间及视距要求三个限制因素，计算出凸形竖曲线的最小半径和最小长度如表4-11所示。,凹形竖曲线的最小长度，应满足两种视距的要求:一是保证夜间行车安全，前灯照明应有足够的距离；二是保证跨线桥下行车有足够的视距。,（三）凹形竖曲线最小半径和最小长度,（1）夜间行车前灯照射距离要求 当LST时，,当LST时，,式4-16计算结果大于式4-15计算结果，应以式4-16作为有效控制。,（2）跨线桥下行车视距要求 当LST时，,当LST时，,比较以上两式，应以式4-18作为有效控制。,根据缓和冲击、行驶时间及视距要求三个限制因素，计算出凸形竖曲线的最小半径和最小长度如表4-12所示。,凹形竖曲线一般最小半径为极限最小半径的1.52.0倍。 在条件许可时，凹形竖曲线尽量采用大于一般最小半径。 凹形竖曲线最小长度相当于各级道路计算行车速度的3秒行程 。,例4-3：某山岭区一般二级公路，变坡点桩号为k5+030.00，高程H1=427.68m，i1=+5%，i2=-4%，竖曲线半径R=2000m。 试计算竖曲线诸要素以及桩号为k5+000.00和k5+100.00处的设计高程。,解：1计算竖曲线要素 =i2- i1= - 0.04-0.05= - 0.090，为凸形。 曲线长 L = R=2000×0.09=180m,切线长,外 距,竖曲线起点QD（K5+030.00）- 90 = K4+940.00 竖曲线终点ZD（K5+030.00）+ 90 = K5+120.00,2计算设计高程,K5