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一级公路设计与计算毕业设计

重庆大学网络教育学院毕业设计 某一级公路设计与计算（设计时速80km）
1、方案比选
1.1设计资料
该路段所在地区处属于东部温润季冻区，气候温暖。夏冬温差较大，路面设计应注意高温稳定性和低温抗裂性；最大冻深为1.91m，设计路面的总厚度时要考虑这个因素，保证最小防冻厚度。主风向为西南风。
（1）沿线的工程地质及水文地质情况
沿线山体稳定，无不良地质状况，山坡上1米以下是碎石土，山顶多有碎落现象，在碎落带地区设置碎落台，以堆积碎落岩屑和土石，便于养护时清理。山坡地下水3米以下，洼地地下水1.5米以下。
（2）沿线的植被及土壤分布情况。
多丘陵和山地，山岗处树木较多，农田处有灌木区，农田多旱地。沿线多粘质土，山坡上1米以下是碎石土。
（3）道路建筑材料及分布情况
沿线有丰富的砂砾，有小型采石场和石灰厂，水泥和沥青均需外购。故设计混凝土路面与沥青路面均可，基层和垫层材料应该注意就地取材，节约工程费用。
（4）交通量资料：
① 近期交通量
车型
数量
车辆折算系数
三菱FR415
250
1.5
五十铃NPR595G
140
1.5
江淮HF140A
100
1.5
江淮HF150
200
2.0
东风KM340
350
1.5
东风SP9135B
120
3.0
五十铃EXR181L
110
3.0

② 交通增长率：7 % 。
③ 道路必经点: 无要求。
④ 其它：无。
1.2主要技术标准和设计规范
（1）主要技术标准
本项目为公路一级，设计速度为80km/h。
设计荷载等级：公路-Ⅱ级。
场地位于抗震设防烈度小于六度区，地震动峰值加速度0.05g，不需进行抗震设防。
（2）设计规范
《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）
《公路路线设计规范》（JTG D20-2006）
《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）
《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）
1.3平原选线原则
根据道路使用任务和性质，综合考虑路线区域国民经济发展情况与远景规划，正确处理好近期与远景的关系，在总体规划的知道下，合理选择方案。
认真领会任务书的精神，深入现场，多跑、多看、多问、多比较，深入调查当地的地形、气候、土壤、水文等自然情况，以利于选择有价值的方案进行比较。
充分利用有利地形、地势，尽量回避不利地带，正确运用技术标准，从性车的安全、畅通和施工养护的经济、方便着眼，对路线与地形的配合加以研究，做好路线平、纵、横三方面的结合，力求平面短捷舒顺，纵断面平缓、均匀，横断面稳定、经济。
   平原地区河道密布、沟塘众多，在交通工程建设中，特别是一级公路建设中，桥涵构造物及沟塘软基处理增多，使得工程造价大大增加，在一级公路中，桥涵构造物和沟塘处理费用要占总造价的一半以上，因此所选路线直接影响着工程的总造价，在选线时要作认真的比较，绕避沟塘和减少中小桥涵的数量、合理选择大桥桥位可使桥长缩短，交角变小，但这样往往又会使路线变小，对一些方案的路线，进行估算比较后选择造价较低的路线，有时在个别地段，由于地形限制，要达到一级路的要求需要增加相当大的费用，例如沿河路线要跨越该河时，由于该河较宽且为等级航道，如果达到一级公路技术标准，要么使大桥角度斜穿河道，要么在桥头设匝道，大桥大角斜穿河道相应就增加了桥长和跨径，角度越大增加越大，所需要的费用也就越多；在桥头设置匝道，由于是等级航道，通航净空较大，桥头较高，要使匝道部分平曲线，竖曲线达到一级路要求，匝道将会很长，也就是说大大增加了路线长度，增加了费用，为了减少费用，在这些地段的路线常采用规范规定的极限值，甚至在极个别情况下，采用低于规范极限值的标准，这样虽使个别地段标准有所降低却省了数目可观的费用，同时通过交通工程的设计如设置急速标记、减速车道、加速车道等，弥补线形的不足，使路线线形总体能达到设计要求。
1.4纸上选线
充分利用土地资源，减少拆迁，就地取材，带动沿线城镇及地方经济的发展。平原地区多数是鱼米之乡，土地肥沃，水资源丰富，但是人口密集，特别是耕地尤为紧张能，人均耕地0.5~1.0亩，修一条高等级公路要占用许多土地，在选线时，要考虑到尽可能少占耕地，不破坏农田水系，常用的方法是利用河堤，利用河堤好处较多，除了节省耕地，不破坏水系外，还有以下一些好处：①利用老路，这个地区以前的低等级公路大多数在河堤上建筑的，长期的自重作用和车辆荷载作用使路基沉陷趋于稳定，在路基处理时可以节省费用；②可以减少拆迁，由于有老路的存在，沿线的拆迁量减少；③由于河堤较高，可以节约土地用量，减少耕地的开挖，接生了耕地；④可以带动沿线经济的发展，河网地区城镇、乡村多倚河而建，各乡镇间距距离较小，大多不超过10km，多为一些低等级砂石路相连且人口较多，每个乡镇达到4~8万人，当道路等级提高后，可以带动沿线许多行业的发展，特别是旅游业，由于交通的便利，经济发展大为加快；⑤有利于公路网路建设，利用老的低等级公路网进行技术改建，提高技术标准，改造成新型的高等级网络，可以加快路网建设的速度。
2、平面设计
2.1本段主要技术指标
序号
指标名称
规范值
序号
指标名称
规范值
1
公路等级
一级公路
5
停车视距
110
2
设计车速
80
6
不设超高最小平曲线半径
2500
3
平曲线一般最小半径
400
7
汽车荷载等级
公路-Ⅱ级
4
平曲线极限最小半径
250

2.2平曲线设计
考虑到自然地理特征，由于设计为一级公路，要充分考虑线路的线性要求，保持线性的连续性，让司机和乘客在生理和心理上有安全感和舒适感，同时考虑到经济因素，尽量使工程量最小，造价最低。经反复比选，最后确定路线起点K0+000--K2+337.06，平曲线线性如下图。

2.3平曲线要素计算
考虑到自然地理特征，由于设计为一级公路，要充分考虑线路的线性要求，保持线性的连续性，让司机和乘客在生理和心理上有安全感和舒适感，同时考虑到经济因素，尽量使工程量最小，造价最低。经反复比选，最后确定路线起点K0+000--K2+337.06。
JD1曲线参数计算

取圆曲线半径R=1500m，转角α=24°44′14″

2.4缓和曲线要素计算
JD2曲线参数计算

取R=360m，转角α=63°40′49″ls1=ls2=60.25m
根据公式：

切线长
曲线长
外距
计算得曲线参数表如下表：

3、 纵断面设计
沿着道路中线竖直剖切然后展开得到的断面即为路线纵断面。纵断面设计的主要任务就是根据汽车的动力特性、道路等级、当地的自然地理条件以及工程经济性等，确定起伏空间线的位置，以便达到行车安全迅速、运输经济合理以及乘客感觉舒适的目的。
3.1 纵坡及坡长设计
3.1.1概述
沿着道路中线竖直剖切然后展开即为路线纵断面。由于自然因素的影响以及经济性的要求，路线纵断面总是一条有起伏的空间线。 纵断面设计根据地形、地质、水文、地物，综合考虑平面、横断面而设。设计纵坡连续、协调、充分利用旧路。
纵断面是道路纵断面设计的主要成果，也是道路设计的重要技术文件之一，见纵断面设计图。
在纵断面图上有两条主要的线：一条是地面线，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；另一条是设计线，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。纵断面设计线是由直线和长度影响着汽车的行驶速度和运输的经济以及行车的安全，它们的一些临界值的确定和必要的限制，是以通行的汽车类型及行驶性能来决定的。
在直线的坡度转折处为平顺过渡要设置竖曲线，按坡度转折形式的不同，竖曲线有凹有凸，其大小用半径和水平长度表示。
3.1.2最大纵坡
最大纵坡是指在纵坡设计时各级道路允许采用的最大坡度值。它是道路纵断面设计的重要控制指标。本次设计一级公路设计速度为60km/h，最大纵坡取4%，本设计最大坡度为4%，符合设计要求。
3.1.3最小纵坡
挖方路段以及其他横向排水不良的路段所规定的纵坡最小值称为最小纵坡。在长路堑以及其他横向排水不利地段，为了防止积水渗入路基而影响其稳定性，各级公路均应设置不小于0.3％的最小纵坡，一般情况不小于0.5％。当必须设计平坡或纵坡小于0.3％的路段时，边沟应作纵向排水设计，本设计最小坡度为0.8%符合要求。
3.1.4坡长限制
（1）最小坡长限制
最小坡长的限制主要是从汽车行驶平顺性和布设竖曲线的要求考虑的。60km/h时规定最小为150m。
（2）最长坡长限制
所谓最大坡长限制是指控制汽车在坡道上行驶时，当车速下降到最低允许速度时所行驶的距离。《规范》规定的最大坡长如表5.1所示。
本次设计中设计坡度4%时坡长为900m，设计坡度为0.8%时坡长为1528m，均符
合设计要求。
设计速度/(km/h)
120
100
80
60
40
30
20

坡
度
/
％
3
900
1000
1100
1200
－
－
－
4
700
800
900
1000
1100
1100
1200
5
－
600
700
800
900
900
1000
6
－
－
500
600
700
700
800
7
－
－
－
－
500
500
600
8
－
－
－
－
300
300
400
9
－
－
－
－
－
200
300
10
－
－
－
－
－
－
200
表5.1 各级公路最长坡长
3.1.5缓和坡段
当连续纵坡大于坡长限制时，应在不大于表5.1所规定长度处设缓和坡段，用以恢复在陡坡上降低的速度和保证安全。《标准》规定缓和坡段的纵坡度应不大于3％，其长度应不小于该级公路相应的最短坡长。在必须设置缓和坡段而地形又困难的地段，可将缓和坡段设置于半径较小的平曲线上，但应适当增加缓和坡段的长度。此时缓和坡段的长度应予增加，所增加的长度为该平曲线的半径值。
3.1.6平均纵坡
平均纵坡是指由若干坡段组成的路段所克服的高差与路现长度之比，是衡量线形质量的重要指标，目的是为了合理运用最大纵坡、坡长及缓和坡长的规定，以保证车辆安全顺利地行驶的限制性指标。本公路的相对高差小于200m，顾可以不考虑平均纵坡。
3.1.7合成坡度
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，其方向即为流水线方向。合成坡度的计算公式为：

式中 ， I――合成坡度，％；
――超高横坡或路拱横坡，％；
――路线设计纵坡坡度，％。
一级公路最大允许合成坡度值的规定为小于10.5％
本次设计中最大合成坡度为：，
6.4％＜10.5％，符合设计要求。
各级公路最小合成纵坡不宜小于0.5％。当合成纵坡小于0.5％时，应采用综合排水措施，以保证路面排水畅通。
3.2 道路平纵组合
3.2.1平纵组合的设计原则
（1）应在视觉上能自然地引导驾驶员的视线，并保证视觉的连续性。
（2）注意保持平纵线形的技术指标大小应均衡。
（3）选择组合得当的合成坡度，以利于路面排水和行车安全。
（4）注意与道路周围的环境的配合。
3.2.2平曲线与竖曲线的组合
（1）平曲线与竖曲线应相互重合，且平曲线应稍长于竖曲线。最好是使竖曲线的起终点分别放在平曲线的两个缓和曲线内，即所谓的“平包竖”。
（2）平曲线与竖曲线的大小应保持均衡。
（3）暗弯与凸形竖曲线及明弯与凹形竖曲线的组合。

3.3 纵断面设计方法及步骤
纵断面上两个坡段的转折处，为了便于行车的方便用一段曲线来缓和，称为竖曲线。竖曲线的形式可采用抛物线型或圆曲线型。由于在纵断面上只计水平距离和垂直高度，斜线不计角度而计坡度，因此，竖曲线的切线长与曲线长是其在水平面上的投影，切线支距是竖直的高程差，相邻两坡度线的交角用坡度差表示。

3.3.1竖曲线最小半径
设计车速为时，凸形竖曲线极限最小半径为1400m，一般值为2000m；凹形竖曲线极限最小半径为1000m，一般值为1500m。竖曲线最小长度为50m。见表5.2：
表5.2 竖曲线最小半径与竖曲线长度
设计速度(km/h)
120
100
80
60
40
30
20
凸形竖曲线最小半径
(m)
一般值
17 000
10 000
4 500
2 000
700
400
200
极限值
11 000
6 500
3 000
1 400
450
250
100
凹形竖曲线最小半径
(m)
一般值
6 000
4 500
3 000
1 500
700
400
200
极限值
4 000
3 000
2 000
1 000
450
250
100
竖曲线长度
(m)
一般值
250
210
170
120
90
60
50
最小值
100
85
70
50
35
25
20
本设计中竖曲线为凸型，半径为6000m，符合要求。
总之，无论是凸形竖曲线还是凹形竖曲线都要受到以上三种因素的限制。在进行设计时，必须明确那一种限制因素最为不利，这样才能最为有效的控制。
3.3.2纵断面设计要点及计算
（1）纵坡极限值的运用：一般来讲，纵坡缓一些为好，但为了路面和边沟排水，最小纵坡不应低于0.3％～0.5％。
（2）最短坡长：坡长是指纵断面上两变坡点之间的距离。坡长不宜过短，一般以不小于计算行车速度9s的行程为宜。
（3）纵坡的设计：本设计地形为山岭重丘地形，所以其纵坡应均匀平缓，注意保证最小纵坡的要求。
（4）竖曲线半径的选用：竖曲线半径应以较大为宜，当受到限制时可采用一般最小值，特殊困难方可采用极限最小值。
在xoy坐标系中，如图5.1所示，设变坡点相邻两纵坡坡度分别为，他们的代数差用表示，即＝ －，当为“＋”时，表示为凹形竖曲线，为“－”时，为凸形竖曲线。

本设计中的竖曲线要素计算如下：
图5.1竖曲线要素示意图
曲线长L=Rw=286.2m
切线长T=L/2=143.1m
外距E=T²÷2R=1.706m

3.3.3纵断面设计步骤
（1）根据所给的平面图，结合当地的地形、地物的实际情况，设计出一条既符合规范的，又省土石方的设计线；
（2）结合坡长限制和半径限制，合理的定出竖曲线半径；
（3）计算出有关的竖曲线要素值；
（4）绘制纵断面图，并注明各要素值。
3.3.4纵断面图的绘制
纵断面图在CAD图里面包括上下两部分内容。上部分在本图里面主要包括地面线和设计线，以及纵断面各要素的数据。下部分主要包括填挖高度、里程桩号、地面高程、设计高程、坡长坡度说明、平曲线说明。
4、 道路横断面的组成
4.1路幅的构成
路幅是指公路路基顶面两路肩外侧边缘之间的部分。道路的分隔方式有两种，一种是用分隔带分隔（整体式断面），一种是将上下行车道分别放在不同的平面上加以分隔（分离式断面）。本设计为整体式断面。
4.2路幅布置类型
路幅布置类型包括单幅双车道、双幅多车道、单车道三种。设计时根据设计要求合理采用路幅形式。本设计为双幅四车道。
5、行车道及路肩、路拱
5.1行车道宽度的确定
行车道是道路上供各种车辆行驶部分的总称,它包括快车道和慢车道,在一般公路和城市道路上还有非机动车道.行车道的宽度要根据车辆总宽﹑设计交通量﹑交通组成和汽车行驶速度确定。本次设计单车道宽3.5m。
5.2平曲线加宽及其过渡
加宽值的计算
汽车行驶在曲线上,各轮迹半径不同,其中以后内轮轨迹半径最小,且偏向曲线内侧,故曲线内侧应增加路面宽度,以确保曲线上行车的顺适与安全。
四级公路和山岭、重丘区的三级公路采用第一类加宽值；其余的各级公路采用第三类加宽值。对不经常通行集装箱运输半挂车的公路，可采用第二类加宽值。
对于R＞250m的圆曲线，由于其加宽值比较小，可以不加宽。
对于本次工程来说，半径都大于250m，不设置加宽。故不需计算加宽。
5.3路肩
各级公路都要设置路肩。路肩对于一条道路来说有很重要的作用。从构造上来说，路肩分为土路肩和硬路肩。硬路肩是经过了铺装的路肩。为了使路肩能汇集路面积水，在路肩边缘应设置路缘石。土路肩是指不经过任何铺装的路肩，它其保护路面和路基的作用，并能提供侧向余宽。路肩的最小宽度为0.5m。本设计路肩为1.0m宽的土路肩和7m的硬路肩。
5.4路拱及超高
（1）路拱及路肩的横坡度
　　为了利于路面横向排水，将路面做成由中央向两侧倾斜的拱形，称路拱。其倾斜大小以百分率表示。对于不同类型的路面由于其表面的平整度和透水性不同，再考虑当地的自然条件选用不同的路拱坡度。
　土路肩的排水性远低于路面，其横坡度较路面宜增大1.0％～2.0％，硬路肩视具体情况（材料、宽度）可与路面同一横坡，也可稍大于路面。
本设计中采用的是沥青混凝土路面，路拱坡度采用2％。
　（2）超高
　　为抵消车辆在曲线路段上行驶时所产生的离心力，将路面做成外侧高于内侧的单向横坡的形式，这就是曲线上的超高。合理地设置超高，可以全部或部分地抵消离心力，提高汽车行驶在曲线上的稳定性和舒适性。
　　超高横坡度由直线段的双坡路拱，过渡到与圆曲线半径相适应的单向横坡的路段，称作超高缓和段或超高过渡段。
高横坡度的计算确定
超高横坡度可由平曲线最小半径公式：

得出

　　对此，我国现行的《公路工程技术标准》中规定：凡半径小于不设超高的最小半径的平曲线均应设置超高。超高的横坡度按设计速度、半径大小，结合路面类型、自然条件和车辆组成等情况确定。高速公路、一级公路的超高横坡度不应大于10％，其他各级公路不应大于8％。
　　在本设计中，由上面的计算得知当圆曲线半径大于1500m时，可以不设置超高。
②超高的过度
超高的过渡分为无中间带道路和有中间带道路的过渡，本设计采用的有中间带道路的超高过渡方式。
本设计为绕中线旋转:先将外侧车道绕路中线旋转,待达到与内侧车道构成单向横坡度后,整个断面绕中线旋转,直至超高横坡度。超高值计算见附表。
5.5公路横断面设计
路面横断面的形式是随着道路的等级的不同而有所，可选择不同的形式，通常分为槽式横断面和全铺式横断面。对于槽式横断面它与全铺式横断面的最大一个不同点是槽式横断面中路面结构层是等厚的，而全铺式中是非等厚的。本次设计所采用的是槽式横断面。
5.6公路横断面设计要求
　　横断面设计，必须结合地形、地质、水文等条件，本着节约用地的原则，选用合理的断面形式，以满足行车顺适、工程经济、路基稳定且便于施工和养护的要求。　
5.7路基标准横断面
　　在具体设计每个横断面之前，先确定路基的标准横断面（或称“典型横断面”）。在标准横断面图中，一般要包括：路堤、路堑、半堤半堑、砌石路基等，断面中的边坡坡率、边沟尺寸、挡墙断面等，必须按现行《公路路基设计规范》的规定处理。对于高填、深挖、特殊地质、浸水路堤等应单独设计。路基标准横断面见路基标准横断面图。
6、 路基土石方计算及调配
6.1土石方数量计算
平均断面法:若相邻两断面均为填方或均为挖方且面积大小相近,则可假定两断面之间为一棱柱体,其体积的计算公式为:

其中, V---体积,即土石方数量(m3)；
F1、F2 ---分别为相邻两断面的面积(m2)；
L---相邻断面之间的距离(m)。
6.2路基土石方调配
土石方调配的目的是为确定填方用土的来源、挖方弃土的去向，以及计价土石方的数量和运量等。通过调配合理地解决路段土石方平衡与利用问题，使从路堑挖出的土石方，在经济合理的调运条件下移挖作填，达到填方有所“取”，挖方有所“用”，避免不必要的路外借土和弃土，以减少占用耕地和降低公路造价。
（1）土石方调配方法
　　土石方调配方法有多种，如累积曲线法、调配图法及土石方计算表调配法等，目前生产上多采用土石方计算表调配法，该法不需绘制累积曲线与调配图，直接可在土石方表上进行调配，其优点是方法简捷，调配清晰，精度符合要求。具体调配步骤是：
　 ①土石方调配是在土石方数量计算与复核完毕的基础上进行的，调配前应将可能影响运输调配的桥涵位置、陡坡、大沟等注在表旁，供调配时参考。
　　②弄清各桩号间路基填挖方情况并作横向平衡，明确利用、填缺与挖余数量。
　　③在作纵向调配前，应根据施工方法及可能采取的运输方式定出合理的经济运距，供土石方调配时参考。
　 ④根据填缺挖余分布的情况，结合路线纵坡和自然条件，本着技术经济和支农的原则，具体拟定调配方案。方法是逐桩逐段地将毗邻路段的挖余就近纵向调运到填缺内加以利用，并把具体调运方向和数量用箭头标明在纵向利用调配栏中。
　　⑤经过纵向调配，如果仍有填缺或挖余，则应会同当地政府协商确定借土或弃土地点，然后将借土或弃土的数量和运距分别填注到借方或弃方栏内。
　　⑥土石方调配后，应按下式进行复核检查：
　　横向调配+纵向调配+借方＝填方
横向调配+纵向调配+弃方＝挖方
　　挖方+借方=填方+弃方
检查一般是逐页进行复核的，如有跨页调配，须将其数量考虑在内，通过复核可以发现调配与计算过程有无错误。经过核证无误后，即可分别计算计价土石方数量、运量和运距等，为编制施工预算提供土石方工程数量。

致 谢
本论文是在导师隋媛媛老师的潜心指导下完成的，在此首先感隋李老师对设计过程中的建议和耐心指导，使我在理论运用和实际设计能力等各方面取得了长足的进步。老师广博的知识、严谨的治学作风、对科学工作的献身精神和健康向上的人生态度使我终生受益匪浅。
感谢我各位同事的关心、帮助及其和我有益的讨论。
总而言之，在这几年中年中，我感谢我的老师、同事和朋友的关心和支持，使我在工作中、学习中、实践中生长。

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