道路勘测设计课程李娜

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1、一、教 材： 道路规划与勘测设计 二、总学时： 56学时 +课程设计 (一周 ) 三、考 核：作业 +考勤笔试 * 课程设计单独记成绩 四、主 讲：李娜 tel: 027-63227110 E_mail: 1.高速公路规划与设计（丛书，人民交通出版社 1998.1） 2.公路工程技术标准（ JTJ01） 3.公路路线设计规范（ JTJ011） 4.城市道路设计规范（ CJJ037） 5.实用公路美学 美 （人民交通出版社， 1981.1） 6.公路勘测设计规范（ JTJ061） 7.现代公路勘测设计实用技术 刘培文（人民交通出版社 1999.5） 8.道路立交工程 王伯惠（人民交通出版社， 2

2、000.） * 道路工程除受力构造物的计算、设计以及地质 水文条件的利用、改造以外的全部 造型设计 称 为道路几何设计，也就是通常指的 平、纵、横 三维定位设计 。 * * 几何设计是一个由粗到细的分阶段的设计过程 * 1. 公路的分级与分类、城市道路的分类与分级 2. 几何设计的基本依据： 设计车速、设计车辆、设计交通量 3. 几何设计的基本内容： 对道路“带状空间体的空间定位（坐标、高程）设计。 为简化设计和便于施工放样，通常将三维问题分解为三个 二维问题，即： 平 面 x-y 纵断面 s-H 横断面 b-H 4. 路线与环境 1 、分级 交通部 1997年颁布的 公路工程技术标准 JTJ

3、001-97将公路根据 使用任务、功能和适应的交通量分为高速公路、一级公路、二级公路、 三级公路、四级公路五个等级。 高速公路：专供汽车分向、分道行驶并全部控致出入的干线，适应各种 汽车折合成小客车的远景设计年限年平均昼夜交通量 25000-100000辆， 全部控制出入。 一级公路：供汽车分向、分道行驶，适应各种汽车折合成小客车的远景 设计年限年平均昼夜交通量 15000-30000辆，部分控制出入。 二级公路：适应各种车辆折合成中型载重车的远景设计年限年平均昼夜 交通量 3000-7500辆。 三级公路：适应各种车辆折合成中型载重车的远景设计年限年平均昼夜 交通量 1000-4000辆。

4、四级公路：适应各种车辆折合成中型载重车的远景设计年限年平均昼夜 交通量，双车道 1500辆以下，单车道 200辆以下。 2、 公路等级的选用 公路等级应根据公路网规划、远景交通量，从全局出发，结 合道路的使用任务、性质综合确定。 （ 1）公路的设计年限 远景设计年限：确定道路横断面车行道和人行道宽度时道路 交通量达到饱和时的年限。 高速公路、一级公路： 20年 二级公路： 15年 三、四级公路： 10年，也可根据实际情况缩短。 路面结构设计年限：路面修成至需要翻修改建的年限。 （ 2）设计路段最小长度 高速公路、一级公路：大于或等于 20公里，特殊 10公里， 其他等级公路：大于或等于 10公

5、里，特殊 5公里。 1、城市道路分类 按照道路在城市道路网中的 地位、交通功能以及沿街建筑的服务功能 分为 四种类型。 快速路 : 解决城市长距离的快速交通。 主干路：以交通功能为主的连接城市各主要分区的干线道路。 次干路：区域性的主要道路，具有区域的集散功能和服务功能。 支 路 ：以服务功能为主，直接与两侧建筑、街坊出入口相接的局部地区 道路。 2、城市道路分级 根据城市的规模、设计交通量和地形类别进行划分：除快速路 外，其他各类道路各分为 、 、 级。一般与城市规模对应。 3、远景设计年限： 快速路和主干路： 20年；次干路： 15年；支路： 1015年。 现代道路主要服务对象 汽车 道路

6、设计前提 满足汽车行驶的要求 汽车行驶总的要求 安全、迅速、经济与舒适 具体说来 : 一要保证汽车行驶的稳定性，即不倒溜、不滑移、不倾覆 二尽可能提高车速，降低运输成本，以提高运输效率 三尽量使乘客和驾驶员感到舒适 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 ,是制定道路线形几 何标准的理论依据。 本章将着重介绍汽车的动力特性及其与道路线形设计的基本关系，同 时介绍有关道路勘测设计的基础知识 为研究汽车在道路上的运动状况，首先分析汽车的驱动原理，掌握沿汽车行 驶方向作用于汽车的各种外力，即牵引力与行驶阻力 汽车在道路上行驶时

7、，必须有足够的驱动力来克服各种行驶 阻力。汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。 燃料和空气在发动机内燃烧，通过活塞、曲轴将热能转化为 机械能，产生有效功率 N，驱使曲轴以每分钟 n的转速旋转，产生 扭矩 M，再经过离合器、变速器、传动轴、主传动器、差速器和 半轴等一系列的变速和传动，将曲轴的扭矩传给驱动轮，产生扭 矩 Mk驱动汽车行驶 牵引力 内燃发动机 产生曲轴扭矩 M 驱动轮扭矩 Mk TTTk V NM V n r M r MT 3600377.0 汽车的牵引力 如图 5-2，把驱动轮上的扭矩 Mk用一对力偶 Ta和 T代替， Ta作用在轮缘上与路面水 平反力 F抗衡， T作用在轮轴上推

8、动汽车前进，称为牵引力，与汽车行驶阻力 R抗衡 TTTk V NM V n r M r MT 3600377.0 分析上式： 如要获得较大的牵引力 T，必须要有较大的总变速比 ，但 增大，则 车速 V就降低，因此，对同一发动机不可能同时获得大的牵引力和高的车 速。 为此，对汽车设置了几个排档，每一排档都具有固定的总变速比 ， 以及该档的最大车速和最小车速。当使用低档时，用较大的 值，获得较 小的牵引力和较高的车速。从前面的 车速 V的计算公式 也可看出牵引力 T 与功率 N之间的关系 ,发动机的有效功率越大，汽车的牵引力越大 r377.0 1000 60r2 nnV 汽车的牵引力 汽车行驶时需

9、要不断克服运动过程中所遇的各种阻力。 这些阻力包括： 空气阻力、道路阻力和惯性阻力 5.1.2 汽车的行驶阻力 汽车在行驶中，由于迎面空气的压力、车后的真空吸力及空气与车身表 面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力。当行驶速度在 100 km /h以上，有时 一半的功率用来克服空气阻力。 汽车在运动时所产生的空气阻力 Rw可以用下式计算 ： 式中： K空气阻力系数 A汽车迎风面积（ m2）， KA也称为汽车流线型因数 V汽车与空气的相对速度（ km/s），可近似地取汽车 的行驶速度 5.1.2.1 空气阻力 15.21 2K AVR w （ 1）滚动阻力 车轮在路面上滚动所产生的阻力，是由轮胎

10、与路面变形引起的。与 路面类型、 轮胎结构及行驶速度 等有关。 滚动阻力与轮胎承受的力成正比，即 式中： Rf滚动阻力 (N) G 汽车的总重力 (N) f滚动阻力系数，见下表 5.1.2.2 道路阻力 Rf =Gf (N) 表 5 1 各类路面滚动阻力系数 f 值 路面 类型 水泥及沥青 混凝土路面 表面平整的 黑色碎石路 面 碎石路面 干燥平整 的土路 潮湿不平 整的土路 f值 0.01 0.02 0.02 0.025 0.03 0.05 0.04 0.05 0.07 0.15 （ 2）坡度阻力 汽车在坡道上行驶时，汽车重量在平行于路面方向有分力，上坡时分力与汽 车前进方向相反，阻碍汽车行

11、驶，而下坡时分力与前进方向相同，推动汽车行驶。 坡度阻力可用下式计算 式中： RI坡度阻力 （ N） G车辆总重力 （ N） 道路纵坡倾角 i道路纵坡度，上坡为正；下坡为负 5.1.2.2 道路阻力 RI=Gsin 当 sintg=i 时 RI=Gi 以上可以看出， 滚动阻力和坡度阻力 均与道路状况有关，且都与汽车的总重 力成正比，将它们统称为道路阻力，以 RR表示 RR=G ( f+I ) （ N） （ 3）惯性阻力 汽车变速行驶时，需要克服其质量变速运动时产生的惯性和惯性力矩称为惯 性阻力，用 RI表示。 汽车的质量分为平移质量和旋转质量（如飞轮、齿轮、传动轴和车轮等）两 部分。变速时平移

12、质量产生惯性力，旋转质量产生惯性力矩。 由于惯性力矩计算比较复杂，为方便计算，一般给平移质量惯性力乘以大于 1 的系数 ，来代替旋转质量惯性力矩的影响。即 式中： RI惯性阻力 （ N） G 车辆总重力 （ N） g 重力加速度 （ m/s2） 惯性力系数（或旋转质量换算系数） 5.1.2.2 道路阻力 汽车的总行驶阻力： R=RW+RR+RI agGR I 5.1.3 汽车的运动方程式和行驶条件 汽车在道路上行驶时，必须有足够的牵引力来克服各种行驶阻力。当牵 引力与各种行驶阻力之代数和相等的时候，称为牵引平衡。其牵引平衡方程式 （也称汽车的运动方程式）为 ： 5.1.3.1汽车的运动方程式

13、T = R = RW+RR+RI 如节流阀部分开启时，对驱动力 T进行修正。修正系数用 U表示，称之为负荷 率 ： r MUT T 一般，负荷率 U=80%90%。将有关公式代入牵引平衡方程式，则汽车的运 动方程式为 ： agGifGK A VrMU T )(15.21 2 5.1.3 汽车的运动方程式和行驶条件 汽车在道路上行驶，必须有足够的牵引力来克服各种行驶阻力 （行使必要条 件） 5.1.3.1汽车的行驶条件 T R 只有足够的牵引力还不能保证汽车正常地行驶。若驱动轮与路面之间的附着 力不够大，车轮将在路面上打滑，不能前进。所以，汽车牵引力的发挥，还要受 轮胎与路面之间附着条件的制约。

14、即汽车行驶的充分条件是驱动力小于或等于轮 胎与路面之间的附着力： （行使充分条件） TGk 式中： 附着系数（可理解为滑动摩擦系数），主要取决于路面的粗糙程度和潮湿泥 泞程度，轮胎的花纹和气压，以及车速和荷载等，见表 5-2（下页） Gk作用在驱动轮的荷载。一般情况下，小汽车为总重的 0.50.65倍，载重车为 总重的 0.650.80倍 5.1.3 汽车的运动方程式和行驶条件 5.1.3.1汽车的行驶条件 根据以上汽车行驶条件的分析，实际工作中对路面提出了一定要求： 宏观上： 要求路面平整而坚实，尽量减小滚动阻力（满足规范平整度要求） 微观上： 要求路面粗糙而不滑，以增大附着力（混凝土路面压

15、纹） 表 5 2 各类路面上附着系数 的平均值 路面类型 路 面 状 况 干燥 潮湿 泥泞 冰滑 水泥混凝土路面 0.7 0.5 / / 沥青混凝土路面 0.6 0.4 / / 过渡式及低级路面 0.5 0.3 0.2 0.1 5.2.1 汽车的动力因数 T = R = RW+RR+RI T - RW = RR + RI 等号左端 (T-RW) 称 : 汽车的后备牵引力，它与汽车的构造和行驶速度有关 等号右端 (RR + RI ): 汽车在道路上行驶时的道路阻力 RR和惯性阻力 RI之和， 主要与道路状况和汽车的行驶状态有关，将右端行驶阻力表达式代入， 变换后 可 得： 汽车的动力性能系指汽车

16、所具有的 加速、上坡、最大速度 等的性能。研究汽 车的动力性能的目的： 为道路纵断面设计提供理论依据 agifG RTD W )( D称为动力因数，即为单位车重具备的牵引潜力。它表征某型汽车在海平面高 程上，满载情况下，每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能 5.2.1 汽车的动力因数 D是关于 V的二次函数，为使用方便，将 D 与 V的函数关系用曲线表示，称为 动力特性图 。利 用该图可直接查出各排档时不同车速对应的动力因 数值 动力因数和动力特性图是按海平面及汽 车满载情况下的标准值计算绘制的。若道路的高程 既不在海平面上汽车也不是满载，则应对动力因素 D进行修正。方法：给 D乘以一个修正

17、系数 ： G K A V r UM G R G TD G TW 15.21 2 agifD )( 为动力因数 D的海拔荷载修正系数，见上面右 式 G G 5.2.1 汽车的动力因数 5.2.1 汽车的动力因数 5.2.2 汽车的行驶状态 对不同排档的 DV曲线， D值都有一定使用范围，档位愈低， D值愈大，而车 速愈低。当汽车的动力因数为 D，道路阻力为 ，汽车的行驶状态有以下三种情况 )( Dga if 5.2.2 汽车的行驶状态 在动力特性图上，与任意的 D=相应等速行驶的 速度称为平衡速度，用 Vp表示。 汽车在道路阻力为 1的坡道上行驶，与 D1=1对 应的平衡速度为 V1。当汽车行驶

18、速度 V V1时减速 行驶，直到 V1为此；当 V V1时加速行驶，直到 V1为止。（图 5-5） 每一排档都存在各自的最大动力因数 Dmax，与之 对应的速度称作临界速度，用 Vk表示。 若汽车以某一排档作等速行驶，当 D2=2时，汽 车可采用 V1或 V2的任一速度行驶。（图 5-6） 临界速度 Vk是汽车稳定行驶的极限速度。一般情 况下汽车都采用大于某一排档的临界速度 Vk作为 行驶速度，以便克服额外阻力而连续行驶 5.2.3 汽车的爬坡能力 汽车的爬坡能力是指汽车能 克服坡度 的能力。 汽车的最大爬坡能力是用 最大爬坡坡度 评定的。最大爬坡度系指汽车在坚硬路 面上用最低档作等速行驶时所

19、能克服的最大坡度 当 a 0时， i=D-f 由于最低档爬坡能力大，坡道倾角 也大，此时 cos 1,sintg=i， 应用下式计算 DImax= f cos+sin 解此三角函数方程式，得 ： 2 22 ImIm Im 1 1a r c s in f ffD axax ax 式中 ： aImax 最低档所能克服的最大坡道倾角； f 滚动阻力系数； DIma 最低档的最大动力因数 5.2.4 汽车的加、减速行程 汽车的加速性能是指汽车在各种使用条件下迅速增加行驶速度的能力 ， 可用加 速度 、 加速时间和行程来评定 。 汽车的加速度愈大 ， 加速时间和行程愈短 ， 汽车的 加速性能愈好 。 由

20、 ds=vdt及加、减速度 a=dv/dt(m/s2)，得 dvavds （ a0） 设初速 V1，终速 V2对上式积分，并将车速 v(m/s)化成 V（ km/h），得 2196.12 1 VV dVaVS 为使用方便，对上式积分，将数据绘制加、减速行程图，以备查用（见下页） V=80 km/h mS 6 1 02 S 汽车的行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，在 外部因素作用下，汽车尚能保持正常行驶状态和方 向，不致失去控制而产生滑移、倾覆等现象的能力。 影响汽车行驶稳定性的主要因素 : 汽车本身结 构参数、驾驶员操作技术以及道路与环境等外部因 素的作用。 = 以下采用力学平衡的原理分析汽车行

21、驶的稳定 性，从而为道路线形设计提供依据。 5.3.1 汽车行驶的纵向稳定性 图 5-8为汽车在直坡道上 低等速上坡行驶受力图 ， 惯 性阻力为零 ， 因车速低可略 去空气阻力和滚动阻力 。 图 中 G为汽车总重力 ， 为坡道 倾角 ， hg为重心高度 ， Z1和 Z 2为作用在前 、 后轮上的法 向反作用力 ， X1和 X 2为作 用在前 、 后轮上的切向反作 用力 ， L为汽车轴距 ， l1和 l2 为汽车重心至前 、 后轴的距 离 ， O点为汽车重心 ， O1和 O2为前 、 后轮与路面接触点 5.3.1.1 纵向倾覆条件分析 产生纵向倾覆的临界状态是汽车前轮法向反作用力 Z1为零 ，

22、此时 ， 汽车可能绕 O2点发生倾覆现象 。 对 O2点取矩 ， 并让 Z1=0， 得 ： gh ltgi 2 00 式中： 0 Z1为零时极限坡道倾角； i 0 Z1为零时道路的纵坡度。 当坡道倾角 0（即道路纵坡 ii 0）时，汽车可能产生纵向倾覆。 5.3.1.2 纵向倒溜条件分析 根据附着条件 ， 驱动轮不产生纵向倒溜的状态是下滑力与附着力平衡 。 即 ： 产生纵向倒溜临界状态时坡道 倾角； i 产生纵向倒溜临界状态时道 路纵坡度 其中对点 O1取矩，可得： 因 hg*tg较小，可略去不计，且 GGLl k1 当坡道倾角 （即道路纵坡 ii）时， 汽车可能产生纵向倒溜。 i的大小主要取

23、 决于驱动轮荷载 Gk与汽车总重力 G的比 值以及附着系数 值 。 5.3.1.2 纵向稳定性的保证 分析式上面两式 ， 一般 l / hg接近 1， 而 远小于 1， 所以 汽车在坡道上行驶时，纵向倒溜现象发生纵向倾覆之前。为保证汽车行驶的纵向稳 定性，纵坡设计应满足不产生纵向倒溜为条件。则汽车行驶时纵向稳定性的条件为 ： gh ltgi 2 00 GGk / g k h l G G 2 即 i V（ km/h） 积分后可得 254 2 2 2 1 VVS 上式中： S 制动距离 （ m） V1 制动初速度 （ km/h） V2 制动终速度 （ km/h） 当制动到汽车停止时 V2=0 VS

24、 2 54 2 1 汽车在运输工作中需要消耗燃料、轮胎及各种配件材料等，其中燃料的消耗量 所占比重最大，而汽车燃料是国家重要的能源物质。因此减少燃料消耗量，对 降低运输成本，提高汽车的行车经济性很有意义 汽车行驶的燃料消耗主要与发动机有关，除此外，还要受到道路的状况、交通 情况、驾驶技术及环境等方面的影响。 通常用下述指标作为评价燃料经济性的评价指标 : 1、每 100km行程燃料消耗 kg数 Qs Qs=100Qt/V（ kg/100km） 2、每 tkm燃料消耗 kg数 QsG QsG=Qs/100Gi= Qt/V Gi（ km/kg） 2、 每 kg燃料所行驶的里程 L L=1/Qs=V

25、/Qt100（ km/kg） 道路工程是一种投资较大的基础设施工程。为了保证勘测设计的科学性、合理性与 可行性，道路勘测设计过程通常按照 由粗到细 的顺序，分阶段地进行。不同的阶段 有不同的工作深度。道路工程项目 一般采用两阶段设计 ，即初步设计和施工图设计， 与之相对应的设计前勘测工作分别为初测和定测。对于技术简单、方案明确的小型 建设项目，也可采用一阶段设计（勘测为一次性定测）。对于技术上复杂而又缺乏 经验的项目， 必要时采用三阶段设计 ，即初步设计、技术设计和施工图设计 初步设计应根据批准的设计任务书（或测设合同）和初测资料编制。 - 一阶段施工图设计应根据批准的设计任务书（或测设合同）

26、和一次定测资 料编制。 - 两阶段设计时，施工图设计应依据批准的初步设计和定测资料编制。 - 三阶段设计时，技术设计应根据批准的初步设计和补充测量资料编制；施 工图设计应根据批准的初步设计、技术设计和定测（或补充定测）资料编制 5.7.1设计车辆 现代道路设计的 主要服务对象是汽车 。汽车的物理特性及其尺寸大小对于道路几 何设计有着决定意义，因此确定有代表性的车辆作为设计依据是非常必要的 所谓设计车辆是指道路几何设计所依据的车辆 汽车的种类很多，但作为道路几何设计依据的汽车 : 公 路 : “小客车、载重车、鞍式列车” 三类； 城市道路 : “小型汽车、普通汽车、铰接车” 三类。 各类汽车外廓

27、尺寸详见后页的表格 由于公路和城市道路在遴选设计车辆方面考虑的因素有所不同，导致设计车辆的外 廓尺寸不尽一致，但都列入了相应的设计规范，均为道路几何设计的依据 5.7.1设计车辆 车辆类型 总长 总宽 总高 前悬 轴距 后悬 小客车 6 1.8 2 0.8 3.8 1.4 载重车 12 2.5 4 14.5 6.5 4 鞍式列车 16 2.5 4 1.2 4+8.8 2 车辆类型 总长 总宽 总高 前悬 轴距 后悬 小型汽车 5 1.8 1.6 1.0 2.7 1.3 普通汽车 12 2.5 4.0 1.5 6.5 4.0 铰接车 18 2.5 4.0 1.7 5.8及 6.7 3.8 表 5

28、 3 公路设计车辆外廓尺寸（ m） 表 5 4 城市道路设计车辆外廓尺寸（ m） 注：表中前悬指车体前缘到前车轴中心的距离 后悬指后轴中心到车体后缘的距离 JTG B0 1-2003 CJ J 37 90 规范 5.7.2 设计车速 表 5 5 各级公路设计车速（ km/h） 设计车速是指道路几何设计依据的车速，即在气候正常、交通密度小、汽车运行 只受道路本身条件（几何线形、路面条件、附属设施等）影响时，一般驾驶员能 保持安全而舒适地行驶的最大行车速度，也称 计算行车速度 公路等级 高速公路 一级 二级 三级 四级 设计车速 120 100 80 60 100 60 80 40 60 30 4

29、0 20 道路 类别 快速 路 主干路 次干路 支路 道路 级别 设计 车速 80、 60 60、 50 50、 40 40、 30 50、 40 40、 30 30、 20 40、 30 30、 20 20 表 5 6 城市道路设计车速（ km/h） 5.7.2 设计车速 JT G B0 1-2003 5.7.3 设计交通量 设计交通量 ：指道路设计年限内预测的能够达到的设计采用最大交通量 在统计或估算交通量时，必然会遇到不同车辆间的换算（或折算）问题。 也就是说，道路交通量的统计或估算，最后都会落脚到某一种单一的 “标准车型” ，所涉及到的车辆都以某一个相对合理的“折算系数” 折 算成标准

30、车辆 。车辆换算的问题较复杂，涉及到的因素很多，要真实和 确切地反映各种车辆之间的换算关系还有待研究。 目前应用情况，车辆换算的方法主要有两种： 一、 以具有代表性的平均车头时距之比作为换算依据； 二、 根据车辆占道面积（静态面积或动态面积）之比作为换算依据。 公路、 城市道路 采用的车辆换算系数参见后面的表 5.7.3 设计交通量 CJJ 3790规范 城市道路 JTG B01-2003 公路 思考题 1、 汽车的牵引力与行驶速度有什么关系？ 2、 汽车在道路上正常行驶的充要条件是什么？ 3、 汽车动力因数公式 中各符号的含义及计算单位是什么？ 怎样利用动力特性图分析汽车的行驶速度？ 4、

31、怎样使用汽车的加减速行程图？ 5、 汽车行驶的稳定性对道路的线形设计可能提出哪些要求？ 6、 道路勘测设计为什么要划分阶段？“技术设计”一般在什么情况下采用？ 7、 谈谈你对合理地进行交通量换算（或折算）的观点 agifD )/( 假设某道路弯道的最大横向力系数控制为 0.10，则： （ 1） 当 R=500m,ih=0.05时 ,允许最大的车速为多少？ （ 2） 当 v=80km/h, ih=-0.02（反超高）时 ,平曲线半径至少多大？ 有的同学采用 的计算方法 , 一般情况下 , 满足行驶舒适条件的要求（ 一般取 0.11到 0.16 之间）高于满足横向滑移条件的要求 h 已知海拔荷载修正系数 0.8，道路滚动系数 f =0.01, （ 1） 若东风 EQ-140型载重汽车满载以 80km/h的速度开始在 3的坡道上爬 行，当坡长为 1000m时，求到达坡顶的车速。 （ 2） 若要求东风 EQ-140型载重汽车满载以 60km/h的车速匀速行驶，道路海 拔高度为 1000m时，道路的最大纵坡不得大于多少？ 本题要查表或图 进行计算，第二小问应重求 ，因为道路海拔高度已给定