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第一节道路主要技术指标的论证和确定
道路作为一条三维空间的实体,是由路基、路面、桥梁、涵洞、隧道和沿线设施所组成的带状构造物。
公路的路线位置受社会经济、自然地理和技术条件等因素的制约。
我们设计的任务就是在调查研究、掌握大量材料的基础上,设计出一条有一定技术标准、满足行车要求、工程费用最省的路线。
1.1.1道路等级的确定
道路等级的确定应根据公路网的规划,从全局出发,按照公路的使用任务、功能和远景交通量综合确定。
1.1.1.1交通量计算及公路等级的选用
设计原始资料
交通资料:
据调查,近期(起始年)交通组成及数量如下:
小汽车:
3000(辆/日,年平均,下同)
载重汽车:
2200
其中载重汽车:
东风EQ140:
30%
解放CA10B:
20%
黄河JN150:
50%
预测年平均增长率:
各种机动车:
8%
初定设计年限:
20年
根据调查的交通资料可计算出设计年限的远景交通量,计算如下:
起始年交通组成表
汽车
型号
交通量(辆/日)
总重
(KN)
载重
前轴重
后轴重
轴
数
后轴
轮组数
解放CA10B
660
80.25
40.00
19.40
60.85
1
双轮组
东风EQ140
440
92.90
50.00
23.70
69.20
黄河JN150
1100
150.60
82.60
49.00
101.60
小汽车
3000
前后轴载均小于25KN,忽略不计。
预测年平均增长率:
根据最新的交通部部标准:
《公路工程技术标准》JTGB01-2003.(2004年3月1日起实施),以将“小客车”定为各级公路交通量换算和通行能力分析的标准车型。
各种汽车以小客车为标准进行交通量折算,其折算系数规定为:
小汽车=1.0(<
=19座的客车和载重<
=2t的货车)
中型车=1.5(>
19座的客车和载重>
2t~<
=7t的货车)
大型车=2.0(载重>
7t~<
=14t的货车)
拖挂车=3.0(载重>
14t的货车)
根据以上规定,解放CA10B,东风EQ140属于中型车,取折算系数为1.5;
黄河JN150大宇7t,属于大型车,取折算系数为2.0。
故各种汽车折合成小客车的远景设计年限平均昼夜交通量Nd为:
起始年平均日交通辆N0=3000×
1.0+(660+440)×
1.5+1100×
2.0=6850(辆/日)
考虑到交通量较大,假定为高速或一级公路,则设计年限为20年,并考虑到施工期3年
Nα=N0(1+i)(n-1)=6850×
(1+8%)(20+3-1)=37240辆/日
(2)等级确定
①分析:
a.一般的规定:
四车道一级公路一般能适应按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为15000-30000辆/日;
六车道一级公路一般能适应按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为25000-55000辆/日;
四车道高速公路一般能适应按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为25000-55000辆/日;
六车道高速公路一般能适应按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为45000-80000辆/日。
b.四车道高速公路的一般交通量是25000-55000辆/日,该设计的计算结果则是37240辆/日。
因此,修建四车道高速公路,设计时速100km/h。
②结论:
最终确定该公路的等级为平原微丘区高速公路。
1.1.2主要技术指标的论证和确定
1.1.2.1行车速度
设计所在地地区为平原微丘区,该路设计为高速公路,且为干线公路,故选用行车速度V=100km/h
1.1.2.2最小半径的确定
当汽车在弯道上行使时,会受到离心力的作用,为保证汽车行驶安全,曲线上的路面做成外侧高,内侧低的单向横坡形式,即超高。
此时水平分力可以抵消离心力的作用。
X=F×
cosα-G×
sinα
Y=F×
sinα+G×
cosα
由于α较小,故可视为sinα=tgα=ih,cosα=1;
所以,X=F-G×
ih=G(v2/gR-ih)
设μ=X/G=v2/gR-ih=V2/127R-ih,该是表达了横向力系数与车速、平曲线半径及超高之间的关系,μ值愈大,汽车在平曲线上的稳定性愈大。
式中:
R--平曲线半径(m);
μ--横向力系数;
V--行车速度(KM/h);
v--行车速度(m/s);
ih--横向超高系数。
不产生横向倾覆的最小平曲线半径R≥V2/[127(b/2hg+Ih)];
不产生横向滑移的最小平曲线半径R≥V2/[127(φh+ih)]
汽车在平曲线上行使时的横向稳定性主要取决于横向力系数μ值得大小。
现代汽车在设计制造时重心较低,一般b≈2hg,而φh<
0.5,所以φh<
b/2hg。
依旧是汽车在平曲线上行使时,在发生横向倾覆之前先产生横向滑移现象,为此,设计中只要保证不产生横向滑移,也就保证了横向倾覆稳定性。
即半径满足R≥V2/[127(φh+ih)]即可。
1.1.2.3缓和曲线
缓和曲线是道路平面线形要素之一,它曲率连续变化,便于车辆遵循,离心加速度逐渐变化,乘客感觉舒适,可增加视觉美观。
当平曲线半径小于不设超高的最小半径时,应设缓和曲线。
缓和曲线采用回旋曲线。
缓和曲线的长度从以下几个方面考虑确定:
a.驾驶操作从容,旅客感觉舒适
lsmin=0.0214V3/R*αs=0.0214*1003/700*0.4=85m
b.超高渐变率适中
由于在缓和曲线上设置有超高渐变段,如果缓和曲线太短会因路面急剧的由双坡变为单坡而形成一种扭曲的面,对行车和路容均不利。
按规范规定的适中的超高渐变率,导出缓和段最小长度。
lsmin=BΔi/p=85m
c.行驶时间不过短
车在缓和曲线上的行驶时间不应少于3秒,即缓和曲线不应短于85m。
综合考虑,缓和曲线尽量不要短于90m左右,至少不应断于规范给定的85米的要求。
1.1.2.4.主要技术指标
根据《公路工程技术标准》,平原微丘区高速公路各项指标为:
计算行车速度
100㎞/h
路基宽度
26.00m
平曲线一般最小半径
700m
极限最小半径
400m
不设超高的最小半径
4000m
缓和曲线最小长度
85m
最大纵坡
4%
最小坡长
250m
最大允许合成坡
10%
凸曲线最小半径(极限值)
10000(6500)m
凹曲线最小半径(极限值)
4500(3000)m
竖曲线最小长度
缓和坡段的纵坡
<
=3%
直线段最小长度
同向曲线段间
6V=600
反向曲线段间
2V=200
平曲线最大超高值
=10%
选线是在道路规划起终点之间选定一条技术上可行,经济上合理,又能符合使用要求的道路中心线的工作。
1.2平面线形设计
1.2.1.平面线形的设计步骤:
平面线形的设计主要是确定交点位置、曲线半径、缓和曲线的长度等。
确定过程中:
应保证平面线形连续顺适,保持各平面线形指标的协调、均衡,而且要与地形相适应和满足行驶力上的要求。
(1)路线的交点主要确定路线的具体走向位置,因此其位置的确定非常重要。
必要时应做相应的比较方案进行比选,保证方案可行、经济、合理、工程量小。
(2)曲线和缓和曲线长度的确定
首先在满足曲线及缓和的最小长度的前提下,初步拟定其长度,然后平曲线半径及缓和曲线长度可以根据切线公式①或外距公式②反算
①
②
在初步设计时可忽略p,并近似取q=Ls/2,由①、②即可得:
③
④
在确定R,Ls以后就计算各曲线要素,推算各主点里程及交点的里程桩号。
最后由平面设计的成果可以得到直线曲线及转交表。
(3)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
(4)公路平面线形是由直线、圆曲线和缓和曲线构成。
直线作为使用最广泛的平面线性,在设计中我们首先考虑使用。
该地区的该新建二级公路,所经区域既有平原区,也有山区,本设计在平原区主要采用了较高的技术指标以争取较好的线形。
同时应注意同向曲线间的直线最小长度应不小于6V,即600米;
反向曲线间的直线最小长度应不小于2V,即200米。
1.2.2平面设计中的基本原则
在路线的平面设计中所要掌握的基本原则有:
平面线形应直捷、连续、顺适,并与地形、地物相适应,与周围环境相协调;
本设计地区部分地势开阔,处于平原微丘区,路线直捷顺适,在平面线形三要素中直线所占比例较大。
在设计路线中间地段,地势有较大起伏,路线多弯,曲线所占比例较大。
路线与地形相适应,既是美学问题,也是经济问题和保护生态环境的问题,这一点对于处于旅游区的地区来说特别重要。
直线、圆曲线、缓和曲线的选用与合理组合取决于地形、地物等具体条件,片面强调路线要以直线为主或以曲线为主,或人为规定三者的比例都是错误的。
(1)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:
高速公路、一级公路以及计算行车速度≥60Km/h的公路,应注重立体线形设计,尽量做到线形连续、指标均衡、视觉良好、景观协调、安全舒适,计算行车速度越高,线形设计所考虑的因素越应周全。
本路线计算行车速度为100Km/h,在设计中已经考虑到平面线形与纵断面设计相适应,尽量做到了“平包竖”。
(3)保持平面线形的均衡与连贯;
为使一条公路上的车辆尽量以均匀的速度行驶,应注意各线形要素保持连续性而不出现技术指标的突变。
在长直线尽头不能接以小半径曲线,高低标准之间要有过渡。
本设计中未曾出现长直线以及高低标准的过渡。
(4)避免连续急弯的线形;
连续急弯的线形给驾驶者造成不便,给乘客的舒适也带来不良影响。
在设计中可在曲线间插入足够的直线或回旋线。
(5)平曲线应有足够的长度;
平曲线太短,汽车在曲线上行驶时间过短会使驾驶操纵来不及调整。
缓和曲线的长度不能小于该级公路对其最小长度的规定;
中间圆曲线的长度也最好有大于3s的行程,当条件受限制时,可将缓和曲线在曲率相等处直接连接,此时圆曲线长度为0。
路线转角过小,即使设置了较大的半径也容易把曲线长看成比实际的要短,造成急转弯的错觉。
这种倾向转角越小越显著,以致造成驾驶者枉作减速转弯的操作。
一般认为,θ≤7°
应属小转角弯道。
在本设计中平曲线长度都已符合规范规定,也不存在小偏角问题。
1.2.3线形设计
路线的平面设计所确定的几何元素是以设计行车速度为主要依据的。
本路段平面线形采用S型,线形指标高。
按直线——回旋线——圆曲线——回旋线——直线的顺序组合。
为了实现行连续,协调,回旋曲线——圆曲线——回旋线之比尽量符合1:
1:
1,最小缓和曲线长度85m.
设计路线共有2个交点,为提高公路使用性能,在圆曲线半径的选择过程中尽量选取较大的半径。
当地形限制较严时方可采用极限。
在本设计中未曾采用极限最小半径,并且远大于一般最小半径。
本设计中偏角均大于7°
,不存在小偏角问题。
1.3.1纵断面的设计主要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,在变化起伏的空间线中选取合适的组合、搭配,以便达到行车安全迅速、运输经济合理及乘客感觉舒适的目的。
1.2.2最大纵坡
根据公路工程技术标准(JTGB01-2003)规定,高速公路(平原微丘区)的最大纵坡,应不大于5%,在长路堑路段,以及其他横向排水不畅的路段,均应采用不小于0.3%的纵坡。
纵坡的长度不小于150米。
当坡度为3%时,最大坡长为1200米;
当坡度为4%时,最大坡长为1000米;
当坡度为5%时,最大坡长为800米,当坡度为6%时,最大坡长为600米。
当连续纵坡大于6%时,应在不大于上述长度处设置缓和坡段,缓和坡段的纵坡应不大于3%,且其长度不小于150米。
平均纵坡一般以接近5.5%为宜,且任何相连3Km路段的平均纵坡不宜大于5.5%。
制定最大纵坡时不仅从设计车型的爬坡能力考虑,还要考虑汽车在纵坡上能否快速,安全及行车的经济性。
设计时尽可能选用小于规定最大纵坡的坡值。
1.2.3最小纵坡
在长路堑地段。
设置边沟的低填方地段以及其他横向排水不畅地段,为满足排水要求,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,并做好纵、横断面的排水设计。
1.3.4坡长
高速公路平原微丘区最小坡长为150m。
1.3.5合成坡度
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的运行。
在设有超高的平曲线上,超高与纵坡的合成坡度值不得超过10.0%。
当路线的平面和纵坡设计基本完成后,应检查合成坡度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。
1.3.6纵面设计经计算机反复电算优化,挖填基本合理,纵坡均匀平缓,利于排水。
竖曲线半径尽量采用较大值。
本路段共设有变坡点2处,平均每公里变坡0.437次。
平纵面组合基本顺适,方向明确,组合合理。
1.3.7纵断面设计步骤:
变坡点的确定主要依据公路工程技术规范的规定,比如:
最大纵坡、最大及最小坡长的限制、填挖工程量、经济点、施工要求以及路基稳定需要等来确定。
最终确定边坡点高程、桩号、坡长、坡度以及竖曲线半径、长度等。
传统做法如下:
(1).准备工作,从地形图上依据平面线形读取高程数据,然后在厘米图纸上点绘地面线。
(2).标注控制点,控制点是指影响纵坡设计的标高控制点。
本设计路段的标高控制点主要为:
涵洞的路基控制标高、净空要求等。
(3).试坡,在一标出控制点的纵断面图上,根据技术指标选线意图,结合地面起伏变化,本着以“控制点”为依据的原则,在这些点间进行穿插和取直,试定出若干条直坡线。
初步定出变坡点,变坡点应选在整10米桩上。
(4).调整,将所定坡度对照技术标准检查设计的最大最小纵坡坡长等是否满足平纵配合。
(5).定坡,经调整后,逐段把直坡线的坡度值、变坡点桩号高程确定下来,坡度值由两相邻变坡点的高差和坡长之比求得。
(6).设置竖曲线
根据设计要求、公路现状,确定公路线路走向的基本原则是:
1)路线走向既要符合当地开发发展总体规划,又要与沿乡镇规划紧密结合,合理衔接.
2)避让村镇、干渠及高压干线等,尽可能减少拆迁民房等建筑物.
3)新建线路选择应尽可能避免和减少破坏现有水利灌溉系统.
4)坚持技术标准,尽可能缩短行车里程.
根据以上原则定出了如图最佳路线。
本设计是平原微丘区的一条高速公路,纵观整个地形图,起始处地势较高,往后逐步降低。
地势除了起始处较高以为,其它地方地势相对平缓。
在路段中段和末段,选线上主要考虑绕避村庄和厂房,但考虑到做为高速公路,不是封闭公路,也不能离村庄太远,这样可以方便人民群众出行,加强村村庄和外界联系。
对于公路沿线存在大量砖厂,可绕避则绕避,但也不必强求,砖厂的价值也不是很大。
对于公路沿线存在大量鱼塘和水库,则应尽可能避免,尤其是水库,是农业水利设施,应该做为公路选线的控制点加以绕避,鱼塘还存在软基处理的问题,所以也该尽可能避免。
路线的选择上还应该注意少占用农田,与农田水利相结合,减少拆迁,但又能离村庄太远,方便村民生活。
本设计顺应地势,巧妙的利用地形,在前段穿越山地,经过一个垭口,既少占了农田又有利于填挖平衡,整个路段的纵断面设计考虑平纵组合,填挖平衡和行车舒适,尽量采用较高的标准进行拉坡设计。
比选方案主要在后段采用下线,穿越另外一个山头,这样虽然对农田占用更少,但是填挖过大,并且对村庄影响较大,拆迁过多。
通过平面和纵断面上的综合考虑,最后确定本设计的最终方案。
路基应根据其使用要求和当地自然条件,并结合施工方案进行设计,既有足够的强度和稳定性,又要经济合理。
影响路基强度和稳定的地面水和地下水,必须采取拦截或排出路基以外的措施,并结合路面排水,综合排水设计,形成完整的排水系统。
修筑路基取土和弃土时,应符合环保要求,以适当处理,减少弃土侵占耕地,防止水土流失和瘀塞河道。
公路横断面是中线上各点的法向切面,它是由横断面设计线和地面线所构成的,包括路面、路肩、边沟、边坡等。
公路横断面的组成和各部分的尺寸要根据设计交通量、交通组成、设计速度、地形条件等因素确定。
在保证必要的通行能力和交通安全与畅通的前提下,尽量做到用地省、投资少,使道路发挥其最大的经济效益与社会效益。
路基横断面应根据公路等级、技术标准,充分考虑公路所在地的地形、地质、水文、填挖等具体情况选用。
路基横断面的典型形式,可归纳为填方路基﹙路堤﹚、挖方路基﹙路堑﹚和填挖结合等三种类型。
路堤是指全部用岩土填筑而成的路基,路堑是指全部在原地面开挖而成的路基,此两者是路基的基本类型。
当由于原地面横坡大,且路基较宽,需一侧开挖而另一侧填筑时,为挖填结合路基,也称半填半挖路基。
在平原微丘的地区路线上,尤其是本路线经过大片稻田时,填方路基是路基横断面的主要形式。
本公路采用单幅双车道,混合交通,只要各行其道、视距良好,车速一般不受影响,但当交通量很大时,受大型车、非机动车影响。
由于本公路上圆曲线半径均大于250m,可以不加宽。
土路肩主要保护路面和路基,提供侧向余宽。
为迅速排出路面和路肩上的降水,将路面和路肩做成有一定横坡的斜面。
为消除曲线上的离心力,曲线采取绕内边线旋转超高方式。
公路用地取路堤两侧排水沟外缘以外,或路堑坡顶截水沟外沿以外不少于2m的土地范围。
2.1.1填方路基
填方高度小于1.0~1.5m者,属于矮路堤。
设计时要特别注意控制最小填土高度,力求不低于按自然区划和土质等所规定的临界高度,使路基处于干燥或中湿状态。
矮路堤的高度,往往接近或小于应力作用区深度,除填方本身要求高质量以外,地基往往需加特殊处置和加固,路基排水亦极为重要。
填方高度在1.5~12.0m范围内,一般情况下属于正常的路堤,可以按常规设计,采用规定的横断面尺寸,不做特殊处治。
①填料选择
填方路基应采用级配较好的粗粒土作为填料。
砾(角砾)类土、砂类土应优先选做路填料,土质较差的细粒土可填于路堤底部。
用不同填料填筑路基时,应分层填筑,每一水平层均应采用同类填料。
路基填料最小强度和最大粒径要求见下表:
项目分类
路面底面以下深度(cm)
填料最小强度(CBR)(%)
填料最大粒径
填方路基
上路床
0~30
8
10
下路床
30~80
5
上路堤
80~150
4
15
下路堤
150以下
3
零填及路堑路床
8
②压实
填方路基应分层铺筑,均匀压实。
路基压实度(重型)应符合下表的规定
项目分类
压实度(%)
填方
路基
≥95
≥93
≥90
③填方路基的基底,应视不同情况分别予以处理。
基底土密实、地面横坡缓于1:
5时,路堤可直接修筑在天然地面上,地表有树根草皮和腐殖土应予清除。
路堤基底范围内由于地表水和地下水影响路基稳定时,应采取拦截、引排等措施,或在路堤底部修筑不易风化的片石、块石或砂砾等透水性材料。
路堤基底为耕地和土质松散时,应在填筑前进行压实。
水稻田、湖塘等地段的路基,应视具体情况采取排水、清淤、晾晒、换填、掺灰及其它土加固措施进行处理。
当为软土地基时,应按特殊路基处理。
④路堤边坡
因无锡地区土质属粘性土,故路堤边坡坡度采用
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