道路勘测设计4、5.ppt
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道路是为汽车行驶服务的，要满足汽车在道路上行驶安全、迅速、经济、舒适、低公害的要求，就必须从驾驶者、汽车、道路、和交通管理等方面来保证。
在上述因素中，道路的线形设计与汽车行驶特性最为密切。
因此，在道路线形设计时，需要研究汽车在道路上的行驶特性及其对道路设计的具体要求，这是道路线形设计的理论基础。
第二章道路平面设计,道路线形设计要保证：
1、汽车行驶的稳定性即保证安全行车，不翻车、不倒溜、不侧滑，这就需要合理设置纵横坡度、弯道，以及保证车轮与路面的附着力等。
2、尽可能提高车速影响工程费用和运输效率生产力-提高汽车运输周转率运输成本-节约燃料、减少轮胎磨耗，增长保养周期经济-运输成本低3、满足行车舒适视觉上：
美观，线形与自然环境和景观设计相协调，注意沿线植树绿化生理上：
平稳、不颠簸，离心力小心理上：
轻松，有安全感，心情愉快。
现代道路是供汽车行驶的，所以研究汽车行驶规律是道路设计的基本课题，而在路线的平面设计中，主要考察汽车行驶轨迹。
经过大量的观测研究表明，行驶中的汽车轨迹如下：
导向轮与车身纵轴：
1角度为零：
直线2角度为常数：
圆曲线3角度为变数：
缓和曲线现代道路平面线形正是由上述三种基本线形构成的，称为平面线形三要素。
本章主要内容：
1.道路平面设计概述；2.直线、圆曲线、缓和曲线和平面线形组合设计；3.行车视距；4.道路平面设计成果。
本章的学习目的：
1.掌握平面设计指标的推导方法，各平面指标的正确选用；2.掌握平面线形三要素的合理组合，平面线形组合的几何计算与评价；3.掌握道路设计视距类别的选用和指标值的正确使用；4.能绘制道路平面设计图，利用平面设计图来检查设计缺陷、优化设计水平。
第一节道路平面设计概述,一、道路路线相关内容：
1、道路路线：
道路是一条带状的三维空间实体，道路路线即是该空间实体的中心线。
2、路线的平面：
道路中心线在水平面上的投影。
3、路线的纵断面：
即沿中线竖直剖切开并拉直后展开。
4、道路的横断面：
中线上任意一点的法向切面。
5、道路路线设计：
确定路线的空间位置和各组成部分的几何尺寸。
三剖面设计后的检验方法：
组合设计准则、透视图和曲率图。
设计顺序：
先定平面，再设计纵断面和横断面。
研究范围：
道路路线的几何设计。
二、平面线形要素直线：
曲率为零平面线形圆曲线：
曲率为常数缓和曲线：
曲率为变数,道路在遇到地形、地物障碍而转折时，在路线转折处应设置缓和曲线和圆曲线组成的组合曲线来绕越，要求组成的平面线形的曲率是连续的，如下图：
三、平曲线形设计一般原则
（一）平面线形应直捷、连续、顺适，并与地形、地物相适应，与周围环境相协调。
（二）行驶力学上的要求是基本的，视觉和心理上的要求对高速路应尽量满足：
高速公路、一级公路以及设计速度60km/h的公路，应注重立体线形设计，尽量做到线形连续、指标均衡、视觉良好、景观协调、安全舒适。
设计速度40kmh的公路，首先应在保证行车安全的前提下，正确地运用平面线形要素最小值。
1长直线尽头不能接以小半径曲线。
特别是在下坡方向的尽头更要注意。
若由于地形所限小半径曲线难免时，中间应插入中等曲率的过渡性曲线，并使纵坡不要过大。
（三）保持平面线形的均衡与连贯（技术指标的均衡与连续性）,（四）应避免连续急弯的线形这种线形给驾驶者造成不便，给乘客的舒适也带来不良影响。
设计时可在曲线间插入足够长的直线或回旋线。
（三）保持平面线形的均衡与连贯（技术指标的均衡与连续性）,1长直线尽头不能接以小半径曲线。
特别是在下坡方向的尽头更要注意。
若由于地形所限小半径曲线难免时，中间应插入中等曲率的过渡性曲线，并使纵坡不要过大。
2高、低标准之间要有过渡。
（五）平曲线应有足够的长度,汽车在公路的任何线形是行驶的时间均不宜短于3s，以使驾驶操作不显的过分紧张。
（1）平曲线一般最小长度为9s行程；
（2）平曲线极限最小长度为6s行程。
（3）偏角小于7时的平曲线最小长度：
式中：
公路偏角，当2时，按=2计算。
第二节直线,一、直线的特点1、优点：
视觉上：
线形大方、笔直道路给人以短捷、直达的好印象；车辆受力：
简单、方向明确、驾驶操作简易；测设条件：
只需定出两点，就可方便地测定方向和距离；行车视距好，能提供超车条件。
2、缺点行车安全和线形美观：
过长直线线形呆板，行车单调，易使驾驶人员感到心里上疲惫，难以目测车间距离，产生急躁情绪，以致超过规定车速，对向行车产生眩光等，容易导致交通事故的发生。
直线线形大多难以与地形和周围环境相协调。
特别在山区，不仅破坏自然环境，而且造成大填大挖，工程经济性差。
概念：
直线长度指前一曲线终点（HZ或YZ）到后一曲线起点（ZH或ZY）之间的距离。
二、直线的表达式,1.路线方向的表示用直线间的夹角或转角表示（图2-2）概念：
路线的转角即按路线前进方向，直线JD1-JD2延长线与直线JD2-JD3的夹角。
表示：
（y和z）用方位角表示（图2-2）概念：
方位角指路线某一直线方向和正北方向的夹角（正北方向起顺时针旋转到该直线方向的夹角）。
表示：
（=2-1）,2.直线的数学表达式,
（1）两点式：
（2）直线的方向计算（图2-3）路线与x轴的夹角：
如图2-3，路线的方位角按下式计算：
（3）直线L1与L2的一般表达式,三、直线的设计标准,1.直线的最大长度对于设计速度大于或等于60km/h的公路，最大直线长度（以m计）为以汽车按设计车速行驶70s左右的距离控制；一般直线路段的最大长度（以m计）应控制在设计速度的20倍为宜。
公路工程技术标准规定：
直线的最大长度应有所控制，尽量避免使用长直线。
2.直线的最小长度
（1）同向曲线间的直线最小长度（图2-4）概念：
同向曲线指的是两个转向相同的相邻曲线连接以直线而构成的平面线形。
规范推荐：
最短直线长度（以m计）以不小于6V（以km/h计）为宜。
（在车速高V60km/h的路段上尽可能保证）在受到条件限制时，宜在同向曲线间插入大半径曲线或将两曲线作成复曲线、卵形曲线或C形曲线。
注意：
应避免如下图所示线形：
同向曲线间插入短直线，容易把直线和两端的曲线看成为反向曲线或把两个曲线看成是一个曲线，破坏了线形连续性，容易造成驾驶操作失误，设计中尽量避免。
复曲线概念：
两个或两个以上不同半径的单圆曲线在公切点处首尾相接构成的组合曲线（如图2-9）。
用一个回旋线连接两个同向圆曲线的组合。
适用场合：
交点间距受限（交点间距较小）。
卵型,C型,适用场合：
交点间距受限（交点间距较小）。
C型曲线只有在特殊地形条件下方可采用。
同向曲线的两回旋线在曲率为零处径相衔接的线形。
（2）反向曲线间的直线最小长度概念：
反向曲线指的是两个转向相反的相邻曲线中间连接以直线而构成的平面线形。
规范推荐：
最小直线长度（以m计）以不小于2V（以km/h计）为宜。
（在车速高V60km/h的路段上尽可能保证）若两反向曲线已设缓和曲线，在受到限制地点也可以将两反向缓和曲线首尾相接构成S曲线。
S型,两个反向圆曲线用两段回旋线连接的组合。
适用场合：
交点间距受限（交点间距较小）。
四、直线的运用,1.可采用直线的路段1）不受地形、地物限制的平坦地区或山间的开阔谷地；2）市镇及其近郊，或规划方正的农耕区等以直线为主的地区；3）长大桥梁、隧道等构造物路段；4）路线交叉点及其前后；5）双车道公路提供超车的路段。
2.采用长的直线线形时，应采取相应的技术措施并注意下列问题1）纵坡不宜过大；2）与大半径凹形竖曲线组合为宜；3）改善单调的景观；4）长直线或长下坡尽头不宜设小半径平曲线，并注意提高安全措施。
5）汽车运行速度要充分考虑，确保直线段与相邻曲线段上车速之差不超过20km/h。
3.直线与曲线比例关系（弹性关系）公路线形是在已有自然条件的基础上进行布置的，应该注意采用与自然地形条件相适应、相协调的线形，而不是多采用直线或是刻意追求由连续的曲线所构成，不要强求曲线占全线的比例。
第三节圆曲线,一、概述圆曲线主要的线形特征：
1）曲率半径R=常数，易于测设；2）汽车在圆曲线上行驶时受到离心力作用，需设置超高；3）汽车在圆曲线上行驶时，前、后轮轨迹宽度大于在直线上行驶的宽度，故要多占据路面宽度；4）在圆曲线内侧行驶，通视条件差，容易发生交通事故；5）为适应地形条件要求，线形灵活搭配。
二、圆曲线的数学表达式,单圆曲线1）如图2-6所示：
几何关系由下式表示：
2.复曲线概念：
两个或两个以上不同半径的单圆曲线在公切点处首尾相接构成的组合曲线（如图2-9）。
当复曲线的一个曲线半径R1已经确定时，另一曲线半径R2即可求得：
复曲线优点：
由其含义可知，复曲线线形灵活，对地形、地物和环境有更强的适应性，是山区公路上常见的线形。
注意：
选配圆曲线半径时，先考虑受地形、地物条件控制较严格的那一个弯道。
三、圆曲线半径计算公式的推导,1.汽车转向时的受力假定：
汽车在圆曲线上行驶为匀速圆周运动。
受离心力的影响，汽车行驶有两种不稳定的危险：
一是汽车向弯道外侧滑移；二是向外侧倾覆问题。
（1）离心力的计算根据动力学的基本原理，物体做圆周运动产生的离心力为：
（2）作用在汽车上力的分解与合成（图2-10）,汽车在曲线上行驶，受到重力G和离心力C作用，沿着平行于路面的横向力方向X和垂直于路面的竖直力方向Y对G和C进行分解，可得：
（3）横向力系数引进横向力系数目的：
为反映汽车在圆曲线上行驶时的稳定、安全和舒适。
定义：
横向力和垂直力的比值，即单位重量上受到的横向力大小，用表示。
将上式中X、Y带入的计算式可得：
2.汽车转向时横向稳定性分析,
（1）横向滑移稳定分析,根据汽车转弯行驶时的受力特点与力的平衡离心力计算公式为式中：
C离心力（N）；R平曲线半径（m）；v汽车行驶速度（m/s）。
横向力X竖向力Y由于路面横向倾角一般很小，则sintg=ih，cos1，其中ih称为横向超高坡度（简称超高率），所以,横向力系数：
将车速v（m/s）化成V（kmh），则,（1-1）,圆曲线设计时：
横向力系数通常取0.100.17,横向滑移分析为使汽车不产生横向滑移，必须使横向力小于或等于轮胎和路面之间的横向附着力，即XYh由于X=G，YG，则上式可写为：
h（1-3）式中：
h-路面与轮胎之间的横向摩阻系数。
将式（1-3）代人式（1-1）并整理，得,横向摩阻系数h一般取值：
0.30.5,
（2）横向倾覆分析为使汽车不产生倾覆，必须使倾覆力矩小于或等于稳定力矩。
即,因Cih比G小得多，可略去不计，则,（1-2）,将式（1-2）代人式（1-1）并整理，得,（3）横向稳定性的保证,横向滑移h横向倾覆现代汽车在设计制造时重心较低，b2hg，即b/2hg1；而h0.5，所以hb/2hg。
结论：
在道路设计中应首先保证不产生横向滑移，同时也就保证了横向倾覆的稳定性。
3.圆曲线计算公式的建立,
（1）圆曲线半径公式根据：
可得：
注意：
超高横坡度ih的正、负号选用问题，对于双向路拱横坡的路面，在内侧行驶时，取“+”值，在外侧行驶时取“-”值。
当路面为全超高单向断面时，都取“+”值。
（2）横向力系数的取值横向力的存在对行车产生种种不利影响，越大越不利，表现在以下几方面：
（1）危及行车安全（f）。
（2）增加驾驶操纵的困难（横向偏移角50）。
（3）增加燃料消耗和轮胎磨损。
（4）乘客感觉不舒适。
值以不超过0.10为宜，最大不超过0.150.20。
增加驾驶操纵的困难,横向偏移角：
横向力作用下，弹性轮胎会产生横向变形，使轮胎的中间平面与轮迹前进方向形成的一个角度。
行旅不舒适当0.10时，不感到有曲线存在，很平稳；当=0.15时，稍感到有曲线存在，尚平稳；当=0.20时，己感到有曲线存在，稍感不平稳；当=0.35时，感到有曲线存在，不平稳；当0.40时，非常不平稳，有倾倒的危险感。
研究表明：
的舒适界限为0.110.17。
增加燃料消耗和轮胎磨损横向力系数燃料消耗（%）轮胎磨损（%）01001000.101102200.151153000.20120390,（3）关于超高横坡度i的取值,设置超高的目的：
抵消部分离心力的作用。
1）最大超高icmaxfw式中：
fw一年中气候恶劣季节路面的横向摩阻力系数。
我国标准对公路最大超高的规定见表2-2；我国标准对城市道路最大超高规定见表2-3；2）最小超高与反超高,当路面的超高横坡度计算数值小于路拱横坡度时，应设等于公路直线部分正常路拱横坡的最小单向超高。
当经计算不设超高横坡仍能保证行车安全时，可设与原路面横坡度相同的反向超高，即圆曲线部分的路拱横坡与直线段上一致。
四、圆曲线半径选用,标准规定了圆曲线半径在不同情况下的最小值：
1.圆曲线最小半径“极限值”极限最小半径：
一是主要满足行车安全，适当考虑舒适性；二是在地形复杂时不过多增加工程量。
设置全超高情况下，圆曲线半径计算公式如下：
横向力系数和超高横坡i的取值见表2-4.（P40）,例题：
某平原区二级公路，计算行车速度V=80km/h，试问该公路的极限最小半径为多少？
解：
按表2-4可知，横向力系数=0.13，ib=8%根据以上公式，极限最小半径为：
=802/127（0.13+0.08）=239.97m公路工程技术标准规定为250m。
2.圆曲线最小半径“一般值”的确定一般最小半径：
具有较好的安全性和舒适性；横向力系数和超高横坡i的取值见表2-6.（P41）3.不设超高圆曲线半径（反超高）不设超高的最小半径：
即使不设超高也能保证其安全性和舒适性。
取横向力系数=0.0350.040。
路拱横坡横向力系数1.5%0.0352.0%0.0402.0%时0.0400.0502.5%0.0403.0%0.0453.5%0.050,我国标准中所规定的圆曲线最小半径列表见下表：
各级公路的圆曲线最小半径,4.圆曲线的最大半径：
半径过大也无实际意义，故一般宜小于10000m。
以上三种圆曲线半径在具体应用时，应考虑以下几个方面的要求：
（1）一般情况下尽量选用大于或等于一般最小半径，只有受地形限制及其他特殊困难时，才可采用极限最小半径；
（2）桥位处两端设置圆曲线时，一般大于一般最小半径；（3）隧道内必须设置圆曲线时，应大于不设超高的最小半径；（4）长直线或陡坡尽头，不得采用小半径圆曲线；（5）不论偏角大小，均应设置圆曲线；（6）最大半径一般宜小于10000米。
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