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1、道路勘测设计,第三章纵断面设计,第三章 纵断面设计 第一节 概述一、线路纵断面名词解释:1、线路纵断面:公路中线在竖向切面的投影。反映(上坡、下坡、平坡、竖曲线)2、纵断面图:体现线路的起伏,纵坡的大小、填高挖深。3、地面线:通过路中线的原地面标高的连线。4、设计线:路肩边缘标高的连线。5、地面标高:地面线上各点标高。6、设计标高:设计线上各点标高。7、施工高度:设计高-地面高8、填高挖深:设计高地面高填(路堤)设计高地面高挖(路堑)9、坡度/坡长 10、竖曲线:变坡点用圆曲线插入连接。,二、对纵断面设计的基本要求1、符合规程的规定,满足生产的要求。2、平顺性:起伏变化不宜过大、太频繁、变坡不
2、宜太多。纵坡均衡:避免采用极限坡度值,缓和坡配合地形设置,不宜长陡坡夹短缓坡。三面协调:平、纵、横长陡坡尽头不设小半径曲线。陡坡不与急弯重叠。平竖曲线不重叠(平包竖可以)。3、地形、地质、水文、气候综合考虑。如:满足设计洪水位常水位以上0.5M,满足最小填土高度的要求。4、力求填挖平衡,减小工程量,降低造价。5、照顾当地运输的要求。如人力车、休息坡的设置。,第二节、汽车的牵引力和行驶阻力,一、汽车的牵引力内燃机燃烧内能 机械能 有效功率 曲轴产生扭矩M 传动机构(离合器 变速箱 传动轴 驱动桥)驱动轮产生驱动扭矩MK 车轮与路面接触点产生周缘力PK 使路面产生一个大小相等方向相反的推力P,二、
3、汽车的行驶阻力,1、滚动阻力Pf:与汽车重量、滚动阻力系数(路面的平整度、刚度、胎压、车速)有关。2、空气阻力Pw:与空气阻力系数(空气密度、车辆形状、表面光滑度)、汽车正面投影面积、汽车行驶速度有关。3、坡度阻力Pi:与坡度大小、汽车重量有关。4、慣性阻力Pj:与汽车旋转部分的影响系数(车型、变速箱速比)、汽车重量、加速度有关。总阻力:R=Pf+Pw+Pi+Pj,三、汽车的牵引平衡和动力特性(自学)要点:平衡方程式、动力因素、动力特性图及其作用。P15 图2.2.1汽车的动力特性图,四、汽车在公路上的行驶条件(一)、牵引力足以克服全部的行车阻力第一个必要条件 PR加速 PR减速 P=R等速(
4、二)、牵引力小于等于车辆与路面的附着力第二个条件 根据二个必要条件,要求路面:1、平整(降低滚动阻力系数)2、粗糙(增加附着系数)注意:粗糙与光滑对立,但是不等同与不平整和坑洼。问题:1、汽车在公路上行驶的条件。2、何为动力因素,何为动力特性图,动力特性图有何用。3、行驶阻力由哪几部分组成,各部分由何决定。4、何为地面线、地面标高、设计线、设计标高。,第三节 纵坡设计的一般规定,一、最大纵坡1、依据:(1)车型:不同车有不同动力性能,制动性能,爬坡能力,制动效能。因此对最大i要求不同。(2)设计车速:由动力特性图知,v越大,D越小,i越小,爬坡能力越小。因此制定最大i要保证一定的V。(3)自然
5、条件:地形,海拔,气候影响汽车的行驶条件和爬坡能力。2、最大i制定时应考虑以下三个因素(1)汽车上下坡安全行驶。上坡应考虑汽车性能,纵坡大于8%,刹车急增,不安全,因此控制在8%。(2)拖挂车的要求。据调查,拖挂车爬大于8%的坡需用一档7-8%用二档,因此控制在8%以内。(3)人力车,积雪地带,汽车上下坡行驶要求。3、规定:二 三 四 平 重 平 重 平 重最大i 5 7 6 8 6 9另:特殊困难地带可增加1%,海拔2000M以上时不可增加。,二、最小纵坡1、理由:挖方地段为保证排水而避免用水平坡,使边沟适当配合。2、规定:纵坡不宜小于0.3%,三、平均纵坡:二控制点间的纵坡平均值。,1、理
6、由:公路纵坡的设置,即使符合最大纵坡的规定也不能保证使用质量,不少地段虽单一陡坡并不长,但是由于平均纵坡较大,上坡用低档时间长,水箱易沸腾,下坡频繁制动,易出事。2、规定:高差200M i平均近5.5%为宜;任何相连5KM5.5%;困难地段任何相连3KM6%。,四、坡长限制(最大坡长),“缓坡宜长,陡坡宜短”、“三里坡,一里平”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、理由:根据汽车的性能,过长陡坡对行车不利,上坡难,下坡更难,刹车多,易出事,对非机动车辆也不利。2、规定:当纵坡5%时 纵坡 5i6 6i7 7i8 8i9坡长限制 800m 500m 300m 200m另:由几个
7、连续大坡组合时,应按平均坡度验算最大坡长。例:若6.5%用200M,接7.5%可用多少米?,五、最短坡长,1、理由:坡长太短,起伏大,易震荡,不舒适,来不及换档。2、规定:二 三 四最小坡长 平 重 平 重 平 重 200 120 150 100 120 80,六、缓和坡段(休息坡),1、理由:为换档方便 便于在此长度内加速和减速便于停车检修2、规定:当纵坡在5%时,接缓和坡断,其i不大于3%,一般不小于100M,困难地不小于80M。,七、纵坡折减(半径小于50M的曲线上的纵坡),1、理由:设超高后,增加了附加坡度。增加了弯道的阻力,车转弯时将消耗牵引力,使爬坡能力受影响。海拔大于3000M时
8、,空气稀薄,汽车牵引力下降,影响爬坡能力。2、规定:R 15 20 25 30 40 50纵坡折减 4%3%2.5%2%1.5%1%折减后若小于4%,仍用4%.,八、爬坡车道:只在高速公路和一级公路有,为解决通过能力而设置,在其它公路一般不设置。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。问题:1、最大纵坡制定时应考虑哪几个因素。2、何为平均纵坡,有何规定。3、为什么要纵坡折减。,第四节 纵坡设计的原则和方法,一、纵断面设计的原则(一)满足规程的各项规定:最大纵坡;最小纵坡;平均纵坡;最大最小坡长;缓和坡段;纵坡折减。(二)路基最小填土高度1
9、、洪水位以上0.5M。2、潮湿地带,地下水位较高,最小填土0.5M。3、(暗涵)最小填土高度0.5M(三)大中桥尽量设计为平坡(当必须用纵坡时不宜超过4%,位于村镇附近不超过3%)。(四)平面交叉 1、公路与公路:尽量在水平段相交,紧接水平段的纵坡一般3%,困难地段5%。2、铁路与公路:交叉两端应设有13M的水平段的纵坡上。(五)在纵向移挖作填时,争取填挖平衡,减少借方和弃方。1、当山坡坦于1:2.5时,半挖半填。2、当山坡陡于1:1.5时,全挖。3、当地质不良(滑坡),全填。,二、纵坡设计(拉坡)方法,注意三点:1、拉坡由选线人员担任,因其更明了地形情况,可根据选线时预先布置的纵坡来拉。2、
10、陡坡地段要核对横断面,要把控制断面可能填或最少需要挖的尺寸标在纵断图上。3、地质、桥涵人员提供设计资料和意见。,(一)标出高程控制点(直接影响纵坡设计标高的点),据选线记录和野外调查资料,在纵断图上标出沿线各控制点的位置及所需要的标高。1、控制性控制点公路起终点;垭口;桥梁;地质不良地段最小填土标高;灌溉涵洞;沿河线的洪水位;路线交叉点作为控制坡度的依据。2、经济性控制点横断面上各断面的经济中心填挖值,作为拉坡参考。O填挖平衡点(经济点)X控制点 只能上 只能下 挡土墙 点位保留,以便查考,整图上墨时去掉。,(二)试定纵坡,1、据定线意图(如大坡抢占有利地形,平直段可陡,弯曲段应缓)技术指标
11、行车要求(线型平顺,纵坡均衡,三面协调)控制点的要求(技术点,经济点)地面线的情况(纵向填挖平衡,减少工程量)2、以控制点为控制,又要满足大多数的经济点的要求。若二者的矛盾较大,进一步研究控制点能否有所改动的余地,并估计到改动后引起的结果,最后再定坡。3、不能仅从一头向前定坡,要前后照顾,交出变坡点。先画能符合几个控制点的某一段线,再画能符合其它控制点的某一段线,二段线相交得出变坡点。(尽量落在10M的桩上),(三)调整纵坡,比较:所定坡度与野外定线坡度比较,二者基本相符。检查:检查纵坡度;坡长;纵坡折减及与平曲线配合是否适宜。注意:坡长不能太碎,变坡点在10M桩上。1、调整的方法:抬高坡线降
12、低坡线延长坡线缩短坡线 6%加大坡度 5%7.5%减少坡度 6.5%,2、调整原则:调整时应以少脱离控制点,少变动填挖为原则,以便调整后的纵坡与试定的纵坡相符合。,例:200M 68%交三级重丘,困难地带 200M 75%R=30 R=20 R=40,(四)根据横断面重点核对,1、从纵断面图上直接读出填挖高度 检查:重要控制点;填挖较大处;挡土墙2、检查结果,若:填挖过多(图3);坡角交不上地面线(图4);挡土墙工程过大(图5);避免超高加宽后出现挡土墙(图6)则:再调整(五)确定纵坡 用三角板推出纵坡度(取小数点后一位),计算出变坡点标高。,三、注意事项:,1、回头曲线地段先确定此段坡度,然
13、后向二端分定。大中桥(平坡)2、桥头设竖曲线时(图7):3、避免驾驶只能看到近处或远处,而看不到凹出。(图8)4、避免竖曲线顶点设在平曲线起点处,易出事。(图9)5、避免竖曲线顶点设在急弯上。凸形:视力线得不到引导,看不到平曲线的变化,尤其夜间灯射空,造成急弯方向盘。凹形:A;汽车在加速时,急转弯。B:错觉(把上坡看成过大)(图10)C:车身觉察不出下坡,而认为是上坡,过分加速。6、避免将竖曲线顶部设在反向曲线转向处。(图11)因:视线得不到引导,到竖曲线顶部才开始转弯。问题:1、纵坡拉坡设计的步骤。2、高程控制点。3、拉坡设计应注意的事项。,桥二端点到竖曲线的起终点的距离大于10M。曲线 大
14、于10M 桥 大于10M 曲线,(高速时开始转弯),顶点,平曲线,竖曲线,起点,反向转弯处,顶点,竖曲线,平曲线,第五节 竖曲线,在纵坡变坡点处,考虑视距要求和行车的平稳,设置竖曲线予以缓和。一、竖曲线的基本要素 i1 i i2 i 1、变坡角:i=i1-i2 i1,i2带符号,上坡时为“+”,小坡为“-”i为“+”时凸形曲线 i为“-”时凹形曲线 当 i2%时应设竖曲线2、半径R 尽量采用大半径 采用50M的倍数 R最小=500M,3、切线长:T=T1=T2=L/2=R*i/24、曲线长:L=R*i=2T 5、外距:E=T2/2R6、距起点X处的标高 Y=X2/2R 设计时 凸形:设计高=切
15、线高-Y 凹形:设计高=切线高+Y,二、计算实例例1、已知i1=+0.075,i2=-0.09,变坡点桩号0+280,高程215,R=500M,求曲线内0+240,0+260,0+280,0+300,0+320的设计标高。解:i=i1-i2=+0.165 为凸竖曲线 T=R*i/2=500*0.165/2=41ME=T2/2R=412/2*500=1.68起点桩号:K0+028-41=K0+239;终点桩号:K0+028+41=K0+321公式:设计高=切线高-Y,竖曲线最小半径及最小长度,作业:1、已知i1=+0.06,i2=-0.045,变坡点的桩号2+600,高程185,R=700求曲线
16、内每隔10M的设计高。2、已知i1=-0.09,i2=-0.015,变坡点的桩号5+450,高程503.84,R=1500,求曲线内每隔20M的设计高。3、已知i1=-0.09,i2=0.03,变坡点的桩号0+360,高程207.80,R=500 求曲线内每隔10M的设计高。,第六节 纵断面线形及其与平面线形的组合,纵断面线形设计要素:是从汽车动力学出发的最低要素,只宜在工程受限情况下采用。条件允许时应选用比前几节讲的最小值大得多的指标。在技术经济适宜的情况下,还应顾及驾驶员视觉和心理上的要求(保证行车有足够的安全感;舒适感和视觉美感。一、纵断面线形组合1、纵断面线形应适应地形并使其平顺,避免
17、起伏坡。2、纵坡起伏不宜过大或过于频繁,尽力避免采用极限纵坡。缓坡宜长,陡坡宜短 对坡度、坡长、缓和坡段的规定 越岭线将最陡的坡放在山脚,近垭口处纵坡放缓(保视距)连续升、降坡时要避免反坡。3、避免只能看到近处和远处,而看不到中凹处 引起视觉中断和不安。4、避免断背竖曲线(直线太短),宁可改为一个单曲线或复曲线 视线不顺畅,直线好像浮在上面,二、纵断面线形与平面线形的组合,基本原则:1、视觉要自然诱导驾驶员的视线,保证视觉连续性。2、平纵指标应大小均衡,使线形在视觉、心理上保持协调。3、选择组合得当的合成坡度,以利排水和安全。最大合成坡度不宜大于8%最小合成坡度不宜小于0.5%,(一)竖曲线与
18、平曲线的组合,(1)平、竖曲线大半径时,使平、竖曲线重合,并平大于竖。优点:有利于视线诱导;有利于行车的安全;线性舒美。平曲线比凸形竖曲线长度(一端)大20-100M。当平、竖R较小时,不得重叠组合。车速 120 100 80 60 40 30 20平R 1000 700 400 200 100 50 50竖R 15000 10000 5000 2500 2000 1500 1000(2)避免将小半径平曲线起(终)点,放在竖曲线顶部或底部,不宜竖曲线顶部设在反向曲线拐点处。(3)平、竖曲线大小应保持均衡(1:1020)一个长平曲线包含二个竖曲线,或一个长竖曲线包含二个平曲线都不是理想的组合,视
19、觉上别扭,平、竖曲线重合时半径之比为1:10-20。,(4)若组合无法得当,且二者半径都小于界限值,则将平、竖曲线拉开距离(竖曲线设在直线段上,平曲线设在直坡上)。(5)暗弯凸曲线 明弯凹曲线 合理 暗凹 明凸 不宜,(二)纵断面与长直线的组合,1、直坡配合长直线:线形单调,行车疲劳,易超速行驶。2、直线配一个竖曲线较好。3、若直线(不长距离)配二次变坡 三次变坡 形成台阶形(驼峰、暗凹、跳跃)为此:只要路线有起伏,就要避免长直线,最好使平面路线随纵坡变化,略加转折,并把平、竖曲线合理组合尽可能避免驾驶员一眼就看到路线方向,转折二次以上或起伏三次以上。(三)急弯与陡坡的组合 急弯不与陡坡重叠,第七节 纵断面设计成果,本节内容自习,归纳出绘制纵断面图的步骤。问题:1、纵断面线形应注意几个问题。2、竖曲线与平曲线组合应注意几点。3、纵断面与长直线组合应注意几点。,
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