道路勘测课程设计09062.docx
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道路勘测课程设计09062
第一章概述
1.1工程概况
沪苏浙高速公路江苏段是上海至武威国家重点干线公路的重要组成部分,同时作为苏州规划的“一纵三横”丰字型高速公路主骨架中的第三横,是苏州市东西向对外交通的重要通道之一。
它的建设对完善国家和江苏高速公路网体系,加快构筑沪苏浙地区交通主骨架,加强沿海与中西部地区的经济联系,加速推进长江三角洲地区经济一体化进程,促进沿线区域社会经济和旅游业的发展均具有重要意义。
沪苏浙高速公路江苏段位于江苏省的最南端—苏州吴江市的南部,起点位于吴江市芦墟镇北的苏沪两省市交界处,与上海市正在建设的沪青平高速公路相接,路线总体走向由东向西,在莘塔以南跨越莘塔至芦墟公路及芦周公路,在北厍南草里村南跨越三白荡和规划的苏通大桥至杭州湾跨海大桥公路交叉,在北厍金家浜北和狭港里南跨越松北公路,经北厍南在北富浜北跨越苏同黎一级公路,在北石桥村南侧跨越苏嘉杭高速公路,在小港村南跨越京杭运河及省道227,其后路线转向西南,在古池荡南侧与莞坛公路交叉,在渔业村与条下港之间跨越太浦河,在民字浜村北跨越拟建苏震桃一级公路及震庙公路,在八都北侧跨越八都至七都的八七公路,终点位于吴江市震泽镇八都北的苏浙两省交界处,与浙江省正在建设的申苏浙皖高速公路相接,路线全长49.947公里。
设计总里程为50.224公里,其中,HSZ-1合同段伸入上海境内276.909米,江苏境内总里程为49.947公里。
1.2沿线自然地理概况
(一)地形、地貌
沪苏浙高速公路江苏段全部位于江苏省苏州吴江市境内,所经区域位于长江三角洲太湖湖积平原区,地势低平,自东北向西南缓缓倾斜,南北高差2.0i米左右,水系发达,河道稠密,湖荡星罗棋布,水面积(不包括太湖水面)占全市面积22.07%,属典型的湖荡水网平原区。
(二)气象
沪苏浙高速公路江苏段地处北亚热带季风气候区,四季分明,温和湿润,日照充足,雨量充沛。
吴江市境内,年平均气温15.4℃,其中最冷的一月份日平均气温为2.7℃,最热月的七月份平均气温30.9℃,极端最低气温–10.6℃,极端最高气温38.4℃,年平均日照时数2138小时,无霜期232天。
区域内年平均降水量1041毫米,最大年降水量1339.7毫米。
每年4~10月连续3个月降雨百分率≥100%,且其中一个月≥150%,或连续两个月>100%,并在6~9月中有一个月接近或≥200%为涝害指标,则吴江市出现春涝的概率为8年一遇,出现夏涝的概率为4.5年一遇,出现秋涝的概率为10年一遇。
雨涝是对本项目设计影响最大的灾害天气。
(三)河流水系
拟建项目位于长江下游太湖水系,西承太湖来水,南纳浙北来水,历史上就是太湖洪水走廊,境内河港纵横交错,湖荡星罗棋布。
1.3工程地质及筑路材料
(一)沿线工程地质
路线经过地区地势平坦,全部被第四系松散堆积层所覆盖,第四纪地层主要由全新统、晚更新统地层组成。
自上而下分述如下:
⑴表层粘性土层(Q4a1-1):
分布于地表,呈褐色、灰黄色,软~硬塑状,层厚0.60~2.00米;
⑵冲湖积亚粘土、淤泥质土(Q4a1-1):
灰色~深灰色,含腐殖质,流塑;
冲湖积粘性土(亚粘土、粘土、亚砂土)(Q4a1-1):
黄色、灰黄色,局部呈灰黑色,具层理,夹粉砂,软塑~硬塑;
粉砂(Q4a1-1):
灰黄色为主,多呈透镜体分布,饱和,中密;
冲湖积粘土(亚粘土、粘土、亚砂土、)(Q4a1-1):
以灰色为主,含贝壳碎片,具层理,间夹薄层粉砂,软塑~流塑;
上更新统冲湖积相(Q4mc-1):
由粘性土及粉砂组成,一般粘性土以亚砂土或亚粘土为主,呈灰绿色或绿黄色,含钙质结核,软塑~硬塑,且以硬塑状为主,粉砂多呈灰绿色或灰色,含贝壳碎片及钙质结核,饱和,多呈中密状。
(二)本合同段不良地质分布
沪苏浙高速公路江苏段HSZ-1合同段软土分布较为广泛,局部地段厚度较大,其力学性质较差,其岩性以淤泥质亚粘土及淤泥质粘土为主,局部为淤泥,软塑~流塑状,具有天然含水量大、高压缩性、土的力学强度指标低等特点,工程性质极差,尤其在地震作用及震动荷载的作用下,易产生侧向滑移、不均匀沉降及蠕变等工程地质病害,对路基及构造物的稳定性影响较大。
(三)筑路材料
本合同段的基本地貌单元为湖荡平原区,区内地形起伏较小,地势开阔平坦,沿线多为农作物耕种区。
通过调查,项目区砂、石、石灰等材料缺乏,需从湖州、宜兴、金坛、句容一带外购。
本合同段路面上面层用碎石骨料由句容茅迪实业有限公司和金坛市金磊玄武岩轧石场供应,中、下面层用碎石骨料由湖州市新开元碎石有限公司和长兴县李家巷采石场供应,石灰来自长兴县新华石灰厂,粉煤灰采用长兴电厂和望亭电厂出产的粉煤灰,路基填料来源于沿线设置的取土坑。
第二章建设规模
本项目路线经过地区基本为平原水网区,土地开发强度高。
采用100km/h的设计速度有利于减少对项目所经地区的干扰。
因此,本项目拟定设计行车速度为100km/h。
2.1公路等级的确定
未来年的预测交通量见表2-1,各车型交通量组成百分比见表2-2。
未来年份的断面交通量(单位:
pcu/d)表2-1
桩号
2007
2010
2015
2020
2026
K15+000
10709
12139
18190
26518
35409
各车型交通量占总交通量百分比表2-2
车型
小客车
中型车
大型车
拖挂车
百分比(Pi)
65%
10%
20%
5%
2.1.1单向车道数按式(2-1)计算:
(2-1)
式中:
AADT-设计远景年2026年的路段交通量,按表2-1取;
K-设计小时交通量系数,根据公路所在位置、地区经济、气候特点等确定,K值范围:
近郊公路0.085~0.11;公路0.12~0.15,高速公路0.11~0.15,则K取0.14;
D-交通量分布系数,取D=0.55;
各车型折算系数及折算交通量表2-3
车型
小客车
中型车
大型车
拖挂车
总计
百分比
65%
10%
20%
5%
100%
交通量(pcu/h)
23016
3541
7082
1770
35409
折算系数
1.0
1.5
2.0
3.0
折算交通量(pcu/h)
23016
5312
14164
5310
47802
N=DDHV/一条车道设计通行能力=3681/1400=2.63
所以N=3
由远景设计年限交通量N=47802辆/日,本设计决定按双向六车道高速公路标准设置,全封闭一次建成,交叉口处全部立交,控制出入,设计速度为100km/h。
2.2服务水平分析
高速路段的实际通行能力应按公式:
=
×
×
×
式中:
-------高速公路路段的实际通行能力(veh/h·ln)
----与实际行驶速度相对应的高速公路路段的设计通行能力(pcu/h·ln)
-车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数,取理想状态下的对应值1.0;
-驾驶员条件对通行能力的修正系数,在0.90~1.00范围内取值,计算中1.0
-利用公式
-第i类车交通量占总交通量的百分比。
根据交通调查资料,在交通组成中,各车型所占的比例分别为:
小客车65%,中型车10%,大客车20%,拖挂车5%;
-第i类车的车辆换算系数,取值见表2-4
各汽车代表车型与车辆折算系数表2-4
汽车代表车型
车辆折算系数
说明
小客车
1.0
≤19座的客车和载重量≤2t的货车
中型车
1.5
>19座的客车和载重量>2t~≤7t的货车
大型车
2.0
载重量>7t~≤14t的货车
拖挂车
3.0
载重量>14的货车
高速公路的基本通行能力与设计通行能力表2-5
设计速度(km/h)
120
100
80
基本通行能力(pcu/h/ln)
2200
2100
2000
设计通行能力(pcu/h/ln)
1600
1400
1200
-车道基本通行能力,当设计行车速度为100km/h时
=2100(pcu/h/ln)
=
V/C=1016.652/2100=0.48
-路段平均交通量与路段通行能力的比值
所以该高速公路为二级服务水平
第三章平面设计
3.1概述
道路线形由直线和曲线组成,二者各有特点。
线形组合以保证行车迅速、安全为原则。
线形组合时,应使直线的最大长度和最小长度满足规范要求;同时应提高曲线的质量,根据行车要求和地形条件,选择合适的圆曲线、缓和曲线。
行驶中的汽车其导向轮旋转面与车身纵轴之间有三种关系,即:
角度为零;角度为常数;角度为变数。
与上述状态对应的行驶轨迹为:
曲率为零的线形——直线;曲率为常数的线形——圆曲线;曲率为变数的线形——缓和曲线。
道路平面线形正是由上述三种线形组成,即直线、圆曲线和缓和曲线构成,称之为“平面线形三要素”。
当道路的平面线形受地形、地物等障碍的影响而发生转折时,在转折处就需要设置曲线或组合曲线,曲线一般为圆曲线。
三要素是基本组成,但各要素所占比例及使用频率并无规定。
各要素使用合理、配置得当,均可满足汽车行驶要求。
具体参数则要视地形情况和人的视觉、心理、道路技术等级等条件来确定。
3.2圆曲线
3.2.1圆曲线要素计算
圆曲线要素见图3-1:
图3-1圆曲线要素计算简图
其中T—切线长;
ZY—圆曲线起点(直圆);
QZ—圆曲线中点(曲中);
L—圆曲线长度;
YZ—圆曲线终点(圆直)。
圆曲线上里程桩的编制在已知JD(转点)桩号以后,则
圆曲线起点桩号ZY桩号=JD桩号-T
圆曲线终点桩号YZ桩号=ZY桩号+L
圆曲线中点桩号QZ桩号=YZ桩号-L/2
验算JD桩号=QZ桩号+(2T-L)/2
在平面线形中,圆曲线是最常用的基本线形,它在路线遇到障碍或地形需要改变方向时设置。
各级道路(尤其公路)无论转角大小均应设置圆曲线。
圆曲线能较好地适应地形变化,易与地形、地物、景观等配合协调,圆曲线配合得当,可获得圆滑舒顺的路线。
3.2.2圆曲线半径
选用圆曲线半径时,在地形等条件允许的前提下,应尽量采用大半径曲线,使行车舒适。
但半径过大,使圆曲线太长,对测设和施工都不利。
且过大的半径,其几何性质与直线无多大差异。
因此,《公路路线设计规范》规定,圆曲线最大半径以不超过10000m为宜。
根据汽车转弯时的受力特点,可推导出汽车在弯道上行驶时的转弯半径计算公式。
式中v-计算行车速度,km/h
-横向力系数,
-路拱横坡度。
3.3缓和曲线
3.3.1概述
缓和曲线指在直线与圆曲线之间或者半径相差较大的两个转向相同圆曲线之间设置的一种曲率连续变化的曲线。
缓和曲线要点如下:
1.设置目的:
缓和离心加速度的急骤变化,且使驾驶员容易做到匀顺地操纵方向盘,提高视觉的平顺度,保持线形的连续性。
2.设置位置:
设置在直线与圆曲线间或不同半径的两圆曲线之间
3.缓和曲线的形式:
回旋线、双纽线、抛物线、多心复曲线等。
基本形式:
因回旋线与汽车行驶轨迹相一致,多采用回旋线,回旋线方程为R*L=A2(A为回旋线参数)
缓和曲线特征如下:
1.缓和曲线曲率渐变,设于直线与圆曲线间,其线形符合汽车转弯时的行车轨迹,从而使线形缓和,消除了曲率突变点。
2.由于曲率渐变,使道路线形顺适美观,有良好的视觉效果和心理作用感。
3.在直线和圆曲线间加入缓和曲线后,使平面线形更为灵活,线形自由度提高,更能与地形、地物及环境相适应、协调、配合,使平面线形布置更加灵活、经济、合理。
4.与圆曲线相比,缓和曲线计算及测设均较复杂。
缓和曲线的作用如下:
(1)线形缓和:
在直线上,曲率半径为无穷大,曲率为零,在圆曲线上,曲率为1/R。
若直线与圆曲线径连接,在连接处形成曲率突变点。
这种组合线形视觉效果差,有折点和扭曲现象。
加入缓和曲线,则曲率渐变,线形圆滑,有良好的视觉效果和心理作用感。
(2)行车缓和:
汽车由直线直接驶入圆曲线其离心力发生了突变,使行车舒适感和安全感受到影响。
并且,从司机转弯操纵来看,汽车前轮转向角逐渐变化,其中间需要插入一逐渐变化的缓和曲线,才能保持在车速一定的情况下使汽车前轮的转向角从0至逐渐转向,从而有利于驾驶员操纵方向盘。
超高和加宽缓和:
为适应汽车转弯的特点,公路在圆曲线上设置有超高和加宽。
设置超高和加宽也需要有一个缓和过渡段。
3.3.2缓和曲线要素计算
缓和曲线要素计算的简图如下图3-2。
图3-2缓和曲线计算简图
切线总长
外矢距
曲线总长
超距
缓和曲线上里程桩的编制
直缓点ZH桩号=JD桩号-Th
缓圆点HY桩号=ZH桩号+L
缓直点HZ桩号=HY桩号+(Lh-L)
圆缓点YH桩号=HZ桩号-L
曲中点QZ桩号=YH桩号-(Lh-L)/2
验算JD桩号=QZ桩号+D/2
3.3.3缓和曲线长度的计算
缓和曲线长度计算有如下三种方法:
1.按离心加速度变化率计算
L=0.036V3/R
2.按司机操作反应时间计算
L=0.83V
3.按视觉条件计算
L=R/9~R
设计道路时,应符合规范中规定的缓和曲线最小长度。
3.4曲线上的超高和加宽
为抵消车辆在曲线路段上行驶时所产生的离心力,在该路段横断面上设置的外侧高于内侧的单向横坡,称之为超高。
超高是为了克服离心力,保证行车安全,在曲线段将双面破做成单面破。
超高横坡度计算公式:
i超=V2/127R–u
为保证安全,各等级道路设计超高时应满足最大超高横坡度的要求。
超高混合段:
从直线行路工的双向坡断面,过渡到小半径曲线上具有超高横坡的单向坡断面,要有一个逐渐变化的区段,称为超高缓和段。
超高缓和段的长度计算随超高横坡过渡方式不同而异。
横坡过渡方式有绕路面边线和中线旋转两种。
按下式计算:
Le=b*Δi/ε
加宽:
汽车在曲线路段上行驶时,靠近曲线内侧后轮行驶的曲线半径最小,靠曲线外侧的前轮行驶的曲线半径最大。
为适应汽车在平曲线上行驶时后轮轨迹偏向曲线内侧的需要,在平曲线内侧相应增加的路面、路基宽度称为曲线加宽(又称弯道加宽)。
加宽要点如下:
加宽目的:
避免汽车在弯道上行使时不侵占相邻车道。
加宽条件:
R≤250m曲线路段。
加宽位置:
通常在弯道内侧。
对于R>250m的圆曲线,由于其加宽值甚小,可以不加宽。
3.5路线方案
3.5.1定线
道路选线与定线,就是根据道路的使用任务、性质、公路的等级和技术标准,在规划的起、终点之间结合地形、地质、水文及其他沿线条件,综合考虑平、纵、横三方面因素,选定道路中心线的确切位置,然后进行有关设计工作。
它包括从路线总体设计、路线方案比较、路线布局到具体设计出道路的平面、纵断面和横断面的全过程。
选线与定线是道路路线设计的重要环节。
选定出的路线是否合理将直接影响到道路的质量、工程造价以及道路使用条件、安全性和使用年限。
由于在路线起、终点间,地形、地质、水文、气候的等自然条件以及社会、经济条件复杂多变,可能的路线方案较多,路线平、纵、横三方面又互相影响和制约,以及路线位置对公路的构造物和其他沿线设施影响很大,使选、定线工作变得十分复杂。
为了保证选、定线和勘测设计的质量,提高汽车行驶的舒适性、安全性,降低工程造价,必须各方面综合考虑,由粗到细,由轮廓到具体,逐步深入,分阶段分步骤地加以分析和比较,进行多方案比选后,才能定出最合理的路线。
3.5.2平面设计
平面线形必须与地形、景观、环境等相协调,同时注意线形的连续与均衡性,并同纵断面、横断
面互相配合。
公路平面线形由直线、圆曲线和回旋线三种要素组成,同时,各要素的选择应根据公路
等级、设计速度,充分考虑沿线自然环境和社会环境,做到该直则直,该曲则曲,设计的平面线形舒
顺流畅,采用的指标高低均衡,都应该满足《公路路线设计规范》的要求。
平面线性设计的一般原则:
(一)平面线性应直截、连续、顺适,并与地形、地质相适应,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;
(三)保持平面线形的均衡与连贯;
(四)应避免急弯的线形;
(五)平曲线应有足够的长度。
3.5.3平纵线形的协调
公路立体线形是由公路平面、纵断面及横断面组合而成的。
如果平面线形要素与纵断面线形要素的配合不恰当,即使平、纵面线形各自的指标都很高,也不会得到良好的线形。
公路线形设计最基本的要求是保证汽车行驶的安全性和舒适性,同时使公路与线形、地物等自然环境相协调。
因此,在做平面线形设计时,一定要考虑到纵面线形的问题;同样在做纵面线形设计时,也一定要与平面线形协调配合。
平、纵线形组合设计的原则为“相互对应”,且平曲线稍长于竖曲线,即所谓的“平包竖”。
3.5.4本设计路线方案的选择考虑了以下因素:
(一)平面
1.综合考虑地形和周围地物、建筑物的因素,确定平面控制点,从而决定路线走向,使得控制点间的直线和平曲线长度满足规范技术指标。
本设计中,主线路线走向由5个控制点确定,包括:
主线起点、JD1、JD2、JD3和终点。
路线尽量避开居民区,便于降低施工难度和工程费用;此外,路线与地形上的地物要保证一定的距离,例如路线要远离高压电线塔至少1.5m;为了更经济,不提高成本,减少建筑物的拆迁。
(二)纵断面
1.设计路线要与地形相适应,起伏不宜过大也不宜过小,使得路线满足道路允许采用的最大坡度和最小坡度值;
2.路线穿越丘陵地带,在纵断面设计上需要考虑到填挖方的土量,尽量利用挖方就近作为填方,使得土石方量合理。
同时,路线还跨越了荡,也可以采用桥梁。
(三)设计路线要与周围环境相协调,加强环境保护措施,减少对沿线地区建筑物的破坏和影响居民的生活,完善沿线绿化带和降低噪音。
(四)充分考虑平、纵、横三方面的相互影响,相互配合,以尽量高的标准,尽可能好的线形,尽量合理的土石方量为标准。
3.5.5设计的线形大样
经过以上工作,路线雏形已经明显勾画出来。
根据技术标准地形及路线方案,做到减少工程量,避免高填深挖,同时又尽量缩短路线长度。
在起点和第一个交点处尽量做到少占用田地,尽量饶过高产田,并且留出一定的空隙。
过人口稠密地区时,在现有详细调查资料基础上,进行了多方案比较,尽可能减少房屋的拆迁量。
尽量把线形控制在有利的路线带内进行平、纵、横综合设计,最后定出了道路中线。
设计的线形大致如下图所示:
由图计算出起点、交点、终点的坐标如下:
X
Y
QD
3435273.7012
496162.3732
JD1
3434802.7992
494261.5744
JD2
3434102.0332
492802.6810
JD3
3434226.8857
491904.5868
ZD
34333526.7722
490870.7044
3.6平曲线要素计算
3.6.1缓和曲线1要素计算:
取JD1作为算例,具体计算如下:
图3-3缓和曲线几何要素
取圆曲线半径R1=750m,缓和曲线长度确定如下:
,
,
取
因此曲线的几何要素为:
偏角α=11°44′33.43″,半径R1=800m
切线长
4°17′49.86″
曲线长
主点桩号计算如下:
JD1桩号为K16+958.323,
直缓点桩号:
ZH=JD1-T=K16+816.093
缓圆点桩号:
HY=ZH+L=K16+936.093
曲中点桩号:
QZ=YH-½(Lh-2L)=K16+958.073
圆缓点桩号:
YH=HZ-L=K16+980.053
缓直点桩号:
HZ=HY+(Lh-L)=K17+100.053
3.6.2圆曲线1要素计算:
取JD2作为算例,具体计算如下:
已知:
α12=64°20′35.24″α23=97°54′52.19″取圆曲线半径R2=700m
α=α23-α12=33°34′16.95″
曲线要素计算:
主点桩号计算如下:
ZY=JD2-T2=K18+365.1424
QZ2=ZY+L/2=K18+570.2174
YZ=ZY+L=K18+775.2924
JD2=QZ+½﹙2T-L﹚=K18+576.2924
3.6.3缓和曲线2要素计算:
取JD3作为算例,具体计算如下:
R=750m,α=42°23′50.66″,Ls=110m
JD3点曲线要素计算:
4°12′6.09″
曲线主点桩号计算:
JD3=K19+470.8736
ZH=JD3-T3=K19+124.8236
HY=ZH+L=K19+234.8236
HZ=ZH+(L3-L)=K19+789.8036
YH=HZ-L=K19+679.8036
QZ=YH-½(L3-2L)=K19+457.3136
3.7逐桩坐标计算
1、本设计路段已有地区的平面控制网,因此逐桩坐标计算采用原有坐标系统进行计算。
2、逐桩坐标计算即路线中桩坐标计算,其计算方法、原理、步骤具体如下:
(1)计算交点坐标,其坐标可从地形图上直接量取。
(2)计算各中桩坐标,可先计算直线和曲线主要点坐标,然后计算缓和曲线上每一个中桩的坐标,计算公式如下:
图3-4中桩坐标计算示意图
1.路线坐标与方位角计算
起点坐标ZH(X=3434836.986,Y=494399.57,第1个交点的坐标为JD(X=3434802.7992,Y=494261.5744)
坐标增量:
DX=XJi-XJi-1=﹣34.19
DY=YJi-YJi-1=﹣138.00
交点间距:
S=
=142.17
象限角:
arctan
=76°5′5.84″
则方位角α=180°+76°5′5.84″=256°5′5.84″
同理可得方位角
244°20′35.26″
2.直线上中桩坐标计算
JD1相邻直线的方位角分别为α和
;
则ZH点坐标:
XZH=XJ+T×cos(
+180)=3434837.003
YZH=YJ+T×sin(
+180)=494399.6304
HZ点坐标:
XHZ=XJ+T×cos
=3434741.216
YHZ=YJ+T×sin
=494133.3678
3.单曲线内中桩坐标计算:
缓和曲线上任意点的切线横距:
式中:
-缓和曲线上任意点至ZH(或HZ)点的曲线长度;
LS-缓和曲线长度。
第一缓和曲线(ZH~HY)任意点坐标
X=XZH+
Y=YZH+
式中:
-转角符号,右转为“+”,左转为“﹣”,下同
圆曲线内任意点坐标,由(HY~YH)
X=XHY+
Y=YHY+
式中:
-圆曲线内任意点至HY点的曲线长;
XHY、YHY-HY点坐标,由式(上式)计算而来
由YH~HY
X=XYH+
Y=YYH+
式中:
-圆曲线内任意点至YH点的曲线长度
第二缓和曲线(HZ~YH)内任意点坐标
X=XHZ+
Y=YHZ+
式中:
-第二缓和曲线内任意点至HZ点的曲线长。
第四章横断面设计
4.路基标准横
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