1141 纵断面设计.doc

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1、授课时间2009年3月25日3，4节授课方式课堂授课授课学时No. 112学时授课题目第11讲：纵断面设计。概述；纵坡及坡长设计。目的与要求：1了解纵断面设计一般要求；2掌握标准对纵坡设计的规定。重点与难点：重 点：1. 标准对纵坡设计的指标规定 难 点：授课内容摘要：第4章 纵断面设计 4.1 概述 4.2 纵坡及坡长设计一般要求；最大纵坡；高原纵坡折减；最小纵坡；坡长限制；平均纵坡；合成坡度。参考文献：1公路工程技术标准JTG B01-20032公路路线设计规范JTG D20-2006 3道路勘测设计. 张雨化主编，人民交通出版社出版教 具课 件PPT课件习 题作 业作业：课后小结：第4章

2、 纵断面设计第11讲：2学时4.1 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。路线纵断面图构成：纵断面图上由两条主要的线及文字资料两部分构成：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；设计线：路线上各点路基设计高程的连续。它是经过技术上、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，反映了道路路线的起伏变化情况。地面高程（标高）：中线

3、上地面点高程。设计高程（标高）：即路基设计高程（标高）。(1)新建公路的路基设计标高：高速公路和一级公路宜采用中央分隔带的外侧边缘标高；二级公路、三级公路、四级公路宜采用路基边缘标高，在设置超高、加宽路段为设超高、加宽前该处边缘标高。（路基未设加宽超高前的路肩边缘的高程）。(2)改建公路的路基设计标高：宜按新建公路的规定执行，也可视具体情况而采用中央分隔带中线或行车道中线标高。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 4.2 纵坡及坡长设计4.2.1 纵坡设计的一般要求 为使纵坡设计经济合理，必须

4、在全面掌握勘测资料基础上，结合选（定）线的纵坡安排意图，经过综合分析、反复比较定出设计纵坡。纵坡设计的一般要求为 1纵坡设计必须满足标准的各项规定。 2为保证车辆能以一定速度安全顺适地行驶，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。越岭线压口附近的纵坡应尽量缓一些。 3纵坡设计应对沿线地于、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。 4一般情况下山岭重丘区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

5、方，降低造价和节省用地。即纵向填挖平衡设计。 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。即包线设计。 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。 4.2.2 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。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。 影响因素：各级道路允许的最大纵坡是根据汽车的动力特性、道路等级、自然条件以及工程

6、、运营经济等因素，通过综合分析，全面考虑，合理确定的。 汽车的动力特性：汽车在规定速度下的爬坡能力。 道路等级：等级高，行驶速度大，要求坡度阻力尽量小。 自然条件：海拔高程、气候（积雪寒冷等）。 应当指出，确定最大纵坡不能只考虑汽车的爬坡性能，还要看汽车在纵坡上行驶时能否快速、安全及经济等。 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计算行车速度计的最大纵坡减小1%。 高速公路受地形条件或其它特殊情况限制时，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

7、纵坡不应大于8%。4.2.3 高原纵坡折减 1高原为什么纵坡要折减？在高海拔地区，困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。若汽车满载情况下，不同海拔高度H对应的海拔荷载修正系数值如表4-4所示。 可见海拔高度对值的影响是相当大的，也就是对纵坡的影响很大。为此，在高原地区除了汽车本身要采用一些措施使得汽油充分燃烧，避免随海拔增高而使功率降低过甚外，在道路纵坡设计中应适当采用较小的坡度。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4-5的规定予以折减，折减后若小于4%，则仍采用

8、4%。4.2.4 理想的最大纵坡和不限长度的最大纵坡 理想的最大纵坡i1：是指设计车型即载重车在油门全开的情况下，持续以V1等速行驶所能克服的坡度。V1取值，对低速路为计算行车速度，高速路为上述载重车的最高速度。根据V1由公式（2-18）计算或从动力特性图上查出D1所以 i1=D1-f i1可称为理想的最大纵坡，因为在具有下大于i1的坡道上载重车能以最高速度行驶，这样，可以指望载重车与小客车、重车与轻车之间的速差最小，因而相互干扰也将最小，道路通行能力将最大。 理想的最大纵坡固然好，但常因地形等条件的制约，这种坡度不是总能争取到的。为此，有必要允许车速由V1降到V2，以获得较大坡度i2，在i2

9、的坡道上，汽车将以V2的速度等速行驶。容许速度V2：不同等级的道路容许速度应不同，其值一般应不小于计算行车速度的1/22/3（高速路取低限，低速路取高限）。 不限长度的最大纵坡i2：与容许速度V2相对应的纵坡i2称为不限长度的最大纵坡，根据V2可得D2，则 i2=D2-f 当汽车在坡度小于或等于不限长度最大纵坡的坡道上行驶时，只要初速度大于容许速度，汽车至多减速到容许速度；当坡度大于下限长度的最大纵坡时，为防止汽车行驶速度低于容许速度，应对其坡长加以限制。 例4-1：根据公式（4-1）和（4-2）计算东风EQ-140载重车装载75%时，各计算行车速度下理想的最大纵坡i1和不限长度的最大纵坡i2

10、。结果如表4-6。4.2.5 最小纵坡 最小纵坡：各级公路在特殊情况下容许使用的最小坡度值。 适用条件：横向排水不畅路段：路堑、桥梁、隧道、设超高的平曲线、路肩设截水墙等。 最小纵坡值：0.3%，一般情况下0.5%为宜。为使道路上行车快速、安全和通畅，希望道路纵坡设计的小一些为好。但是，在长路堑、以及其它横向排水不通畅地段，为保证排水要求，防止积水渗入路基而影响其稳定性，均应设置不小于0.3%的纵坡，一般情况下以下小于0.5%为宜。规范规定：各级公路的长路堑路段，以及其它横向排水不畅的地段，应采用不小于0.3%的纵坡。 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

11、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。4.2.6 坡长限制 内容：最小坡长限制：任何路段 最大坡长：陡坡（5%）路段 （1）最短坡长限制 最短坡长的限制主要是从汽车行驶平顺性的要求考虑的。如果坡长过短，使变坡点增多，汽车行驶在连续起伏地段产生的增重与减重的变化频繁，导致乘客感觉不舒适，车速越高越感突出。从路容美观、相邻两竖曲线的设置和纵面视距等也要求坡长应有一定最短长度。 标准和城规规定，各级道路最短坡长应按表4-7和表4-8选用。在平面交叉口、立体交叉的匝道以及过水路面地段，最短坡长可不受此限。 表 4.2.3

12、 各级公路最小坡长设计速度（km/h）1201008060403020最短坡长（m）30025020015012010060 （2）最大坡长限制 道路纵坡的大小及其坡长对汽车正常行驶影响很大，纵坡越陡，坡长越长，对行车影响也越大。主要表现在：使行车速度显著下降，甚至要换较低排档克服坡度阻力；易使水箱“开锅”，导致汽车爬坡无力，甚至熄火；下坡行驶制动次数频繁，易使制动器发热而失效，甚至造成车祸。 所谓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。 规范规定：各级公路不同纵坡时的最大坡长可按表4.2.5选用。 所谓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

13、低允许速度时所行驶的距离。标准规定的最大坡长见表4.2.5。表 4.2.5 各级公路纵坡长度限制 （m)设计速度（km/h）1201008060403020 坡度%39001000110012004700800900100011001100120056007008009009001000650060070070080075005006008300300400920030010200高速公路、一级公路当连续陡坡由几个不同坡度值的坡段组合而成时，应对纵坡长度受限制的路段采用平均坡度法进行验算。 4.2.7 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，用以恢复在陡坡上降低的速

14、度。同时，从下坡安全考虑，缓坡也是需要的。在缓坡上汽车将以加速行驶，理论上缓坡的长度应适应这个加速过程的需要，但实际设计中很难满足这个要求。标准规定，公路连续上坡或下坡时，应在不大于表3.0.17-2所规定的纵坡长度范围内设置缓和坡段。缓和坡段的纵坡应不大于3，其长度应符合纵坡长度的规定。 缓和坡段：纵坡值：不应大于3% 长 度：不小于最小坡长要求 线 形：宜采用直线。在地形困难路段可采用曲线；注：曲线半径较小时，缓和坡段长度应增加。 回头曲线段不能作为缓和坡段。4.2.8 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路线长度之比，是为了合理运用最大纵坡、坡长及缓和坡长的规定，以保证

15、车辆安全顺利地行驶的限制性指标。公路断面设计，即使完全符合最大纵坡、坡长限制及缓和坡段的规定，还不能保证使用质量。不少路段虽然单一陡坡并不大，甚至也有缓和坡段，但由于平均纵坡较大，上坡使用低速档较久，易致车辆水箱开锅。下坡则因刹车发热、失效而导致事故发生。因此，有必要控制平均纵坡。这样既可保证路线长度的平均纵坡不致过陡，也可以免除局部地段所使用过大的平均纵坡。根据对山区道路行车的实际调查发现，有时虽然道路纵坡设计完全符合最大纵坡、坡长限制及缓和坡长规定，但也不一定能保证行车顺利安全。如对地形困难、高差较大地段，设计者可能文替使用极限长度的最大纵坡及缓和坡长，形成“台阶式”纵断面线形，这是一种合

16、法但不合理的做法，在这种坡道上汽车会较长时间频繁地使用低档行驶，对机件和安全都不利。 标准规定：二、三、四级公路越岭路线的平均纵坡应符合以下规定：（1）越岭路段的相对高差为200m500m时，平均纵坡以接近5.5%为宜。（2）越岭路段的相对高差大于500m时，平均纵坡以接近5%为宜。（3）在任一连续3km路段的平均纵坡不宜大于5.5%。城市道路的平均纵坡按上述规定减少1.0%。对于海拔3000m以上的高原地区，平均纵坡应较规定值减少0.5%1.0%。4.2.9 合成坡度 1.定义：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。合成坡度的计算公式为式中：I合成

17、坡度（%）； ib超高横坡度或路拱横坡度（%）； i路线设计纵坡坡度（%）。 在有平曲线的坡道上，最大坡度既不是纵坡方向，也不是横坡方向，而是两者组合成的流水线方向。将合成坡度控制在一定范围之内，目的是尽可能地避免急弯和陡坡的不利组合，防止因合成坡度过大而引起的横向滑移和行车危险，保证车辆在弯道上安全而顺适地运行。 2合成坡度指标2.1最大允许合成坡度规定值：见表4.2.8（规范表8.5.1）。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%。（1）在冬季路面有积雪结冰的地区；（2）自然横坡较陡峻的傍山路段；（3）非汽车交通比率高

18、的路段。例如：某二级公路，有一平曲线半径为250m，超高横坡取8%，该路段纵坡度为4.8%，则合成坡度为 即该路段设计不合理。 城市道路对合成坡度的规定见表4.2.9。在积雪地区各级道路合成坡度应小于或等于6%。 在设计中可由下式计算平曲线上允许的最大纵坡。式中：iR平曲线上的允许最大纵坡度（%）； Imax最大允许合成坡度（%）； ih意义同前。 当路线的平面和纵坡设计基本完成后，可用式（4-16）或图4-11检查合成坡度I。如果超过最大允许合成坡度时，可减小纵坡或加大平曲线半径以减小横坡，或者两方面同时减小。 在应用最大允许合成坡度时，用规定值如10%来控制合成坡度，并不意味着横坡为10%的弯道上就完全不允许有纵坡，无论是纵坡或是横坡中任何一方采用最大值时，允许另一方采用缓一些的坡度，一般不大于2%为宜。 2.2 最小合成坡度：不宜小于0.5%合成坡度过小也不好，它会导致路面排水不畅，影响行车安全。各级道路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。 3合成坡度指标的控制作用：陡坡与急弯的重合平坡与设超高平曲线的配合问题