第 1 章 总论 1.1概述 1.1.1公路交通的重要性 交通运输系统是国民经济的重要支柱，而公路运输又是这个综合交通运输系统的重要组成部分，它与其他运输方式相比具有机动灵活的特点，因此，许多国家尤其是工业化国家已将公路运输作为主要的交通方式。我国的公路发展也很快，截至2010年底，全国公路网总里程达到398.4万km，而且全国高速公路网规划提出，我国将建成“7918”高速公路网，即7条射线、8条纵线、18条横线的高速公路网，总共8.5万km（图1-1），但就目前情况看，我国的公路与西方国家相比还是落后的，如德国的公路密度为1.9km／km2，而我国只有0.37km／km2； 公路通车里程只有美国的1/7。这说明我国公路交通事业大有可为。 1.1.2道路的分类 为了了解公路在道路体系中的地位，需对道路的分类有所了解。道路是个总称，就其性质和功能可分为如下四大类。 1. 城市道路 联系城镇各组成部分的道路叫做城市道路。城市道路按其在交通系统中的地位、交通功能以及对沿线建筑物的服务功能又分为以下四类（参见我国《城市道路设计规范》，以下简称《规范》，CJJ 37—1990）。 (1) 快速路 快速路是城市中为联系城市各组团的中长距离快速机动车交通服务的道路。快速路对向车道之间应设中间分隔带，其进出口应采用全控制式或部分控制式。快速路之间及其与高速公路、主干路相交时，必须采用立体交叉； 在与次干路交叉时，可采用平面交叉。 快速路两侧不应设置吸引大量车流、人流的公共建筑物的出入口。两侧建筑物的一般出入口应加以控制。 (2) 主干路 主干路为连接城市各主要分区的常速交通道路，以交通功能为主。自行车交通量较大时，宜采用机动车与非机动车分隔形式，如三幅路和四幅路。 道路工程 第1章总论 主干路两侧不应设置吸引大量车流、人流的公共建筑物的进入口。 主干路联系城市的主要工业区、住宅区、港口、车站等货运中心，承担城市的主要客货运交通，是城市内部的交通大动脉。主干路一般设6条车道，或4条机动车道加有分隔带的非机动车道。主干路一般不设立体交叉，而是采用扩宽交叉口引道的办法来提高通行能力。个别流量特大的主干路交叉口，也可设置立体交叉。主干路沿线不宜设置吸引大量人流的公共建筑（特别是交叉口附近），必须设置时，建筑物应后退，让出停车和人流疏散场地。不宜搞成商业街，街坊出入口应尽量设在侧面支路。 (3) 次干路 次干路因与主干路结合组成道路网，起集散交通的作用，兼有服务功能。 次干路是城市中数量较多的一般的交通性道路，配合主干路组成城市干道网，起联系各部分与集散交通的作用。一般不设立体交叉，部分交叉口可以扩大，一般可设4条车道，也可不设单独非机动车道。次干路兼有服务功能，允许两侧布置吸引人流的公共建筑，但应设停车场。 (4) 支路 支路是次干路与街坊路的连接线，用于解决局部地区的交通问题，以服务功能为主。 支路是一个地区内(如居住区内)的道路，是地区通向干道的道路。部分支路用以补充干道网的不足，可以设置公交路线，也可以作为自行车专用道。支路上不宜通行过境交通，只允许通行为地区服务的交通。 2. 公路 在城镇以外(大城市远郊工业点以及其他独立工矿区以外)，联系相邻市县或工矿区的道路称为公路。 根据交通量、公路使用的任务和性质，公路又分为五个等级。 (1) 高速公路： 具有特别重要的政治、经济意义，专为汽车高速分道行驶并全部控制出、入口和全部采用立交分车道行驶的公路，能适应各种汽车折合成小汽车的年平均日交通量(ADT)＞25000~100000辆，是目前最先进的公路。国外比较普遍，如德国ADT＞30000的约占25%。 (2) 一级公路： 为连接重要政治、经济中心通往重点工矿区，供汽车分向、分道行驶，部分控制出、入口，部分多车道立交的公路。一般能适应ADT＝15000~55000辆。 (3) 二级公路： 为连接政治、经济中心或大工矿区的干线公路，或运输繁忙的城郊公路，为双车道公路。ADT＝5000~15000辆。 (4) 三级公路： 为沟通县或县以上城市的一般干线公路，多为双车道公路。ADT＝2000~6000辆。 (5) 四级公路： 为沟通县或镇、乡的支线公路，可为双车道或单车道公路。ADT=400~2000辆。 3. 农村道路 在农村中联系乡、村、居民点的主要道路，因其交通性质、特点、技术标准要求等均与公路不同，属不列等级的道路。 4. 厂矿道路 在工厂、矿区内部的道路以及厂矿与公路、城市道路、车站、港口衔接处的对外公路，因其交通性质、功能与城市道路、公路均不相同，故另设一种厂矿道路。 1.1.3道路的组成 一般情况下，道路由下述部分组成。 (1) 路线： 指道路中线的空间曲线的线形，由平面、纵剖面和横剖面三部分有机地组合成为空间实体。它应满足技术、经济和美学上的综合要求。 (2) 路基： 是道路建筑物的主体，也是路面的支持体，除路基本身外它还包括排水系统和防护工程。 (3) 路面： 路面是道路的行车部分，路面工程的质量对造价和行车安全、快速和舒适有着极为密切的关系。此处所说的路面包括各种不同类型和等级的路面。 (4) 桥梁、涵洞： 指跨越河流、山涧和其他建筑物的交叉建筑物。它包括各种形式的桥梁涵洞、漫水桥等。一般单孔跨径＜5m，多孔跨径之和＜8m的为涵洞，否则称为桥。桥梁是公路上雄伟壮观的建筑物，尤其是立交桥。 (5) 隧洞： 指越穿山体的地下建筑物。隧洞的主要优点是既缩短公路里程又可成为国防上的隐蔽工程。 (6) 公路线路交叉设施： 道路与其他道路或与管线的交叉工程，包括跨线桥、立体交叉桥以及平面交叉设施。 (7) 其他工程及沿线设备： 包括交通标志、道路照明、安全设施(护栏、护柱)、标志牌、里程碑、沿线房屋(如加油站、应急电话、修理站、停车场、饭店、旅馆等)、绿化设施及渡口码头。 1.1.4道路工程的特征 公路交通实际上是由道路与车辆共同实施的，而道路则是公路交通的基础设施，因此研究公路交通的主要任务之一是如何建好和管好道路。 道路是一个三维空间的实体(它是由平面、纵剖面和横剖面来表征的)。它的中心线是一条空间曲线，因此它的最主要特征是分布距离长，据此它有如下特征。 (1) 地质条件复杂，公路沿线可能经过各种地质条件的地区，其中甚至包括一些地质条件非常恶劣的地段。 (2) 地形条件复杂，公路既可能通过平原、丘陵，也可能穿越崇山峻岭、江河、山涧、峡谷等恶劣的地形条件。 (3) 经过地区的气象条件差异较大。 (4) 公路施工线路长，与其他土木建筑工程相比具有更大的流动性和机动性，给施工组织带来许多问题和困难。 (5) 公路是直接为人们的政治活动、经济建设、国防和社会交往服务的，而这种服务是通过车辆来实现的。从这一点看人们与道路联系的中间物是车，也就是说公路的修建涉及人、车、路三者的关系。车的使命和特点是运输，这就必然涉及运动学、动力学和汽车动力特性、交通特性以及汽车与道路的相互作用问题。 上述特点将对道路的设计、建造和管理产生极为重要的影响，因此为了建好和管理好一条道路必须充分认识上述特点。同时从上述特点也可以看出，道路工程是一门涉及多学科的实用科学。 1.1.5本课程的特点与任务 从根本上说，道路与桥梁工程这门课是土木建筑工程方面的专业课，因而具有一般土木建筑方面的特点，其设计包括体形(几何方面)和结构设计两个方面。道路体形设计，主要是研究汽车行驶与公路各个几何元素的关系，以保证在规定的设计速度、预计交通量以及地形和其他自然条件下，达到行驶安全、迅速、经济，乘客舒适以及路容美观的要求。公路结构设计，主要是保证在较少的投资、尽量少的外来材料和合理的养护措施条件下，使道路在自然破坏力和汽车行驶作用力的影响下，在设计年限内保持使用质量。 具体地说，本课程的任务归纳起来就是要解决“四定”和“两计算”的问题。所谓四定就是定(中心)线、定(等)级、定型(式)、定基本尺寸，两计算就是变形计算和强度计算。 1.2道路工程技术标准 像设计和建造其他建筑物一样，道路也必须遵循一定的技术标准，以满足安全、迅速、经济和舒适的要求，也就是达到技术上可行，经济上合理，运用上安全、迅速和舒适的目的。以下分别介绍公路与城市道路的技术标准。 我国现行的《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）主要指标如下，该标准共分9章。 1.2.1公路工程的技术标准 公路设计必须符合交通部标准《公路工程技术标准》(JTG B01—2003，以下简称《标准》)，如表1-1所示。 表1-1各级公路主要技术指标汇总表 道路种类 指标高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路 设计速度 /(km/h)1201008010080608060403020 车道数/条4、6、84、6、84、64、6、84、6422222或1 车道宽度/m3.753.753.753.753.753.503.753.503.503.253.00或3.50 路基宽度（一般值）/m28.00 34.50 45.0026.00 33.50 44.0024.50 32.0026.00 33.50 44.0024.50 32.0023.0012.0010.008.507.506.50 4.50 平曲线半径/m 一般值10007004007004002004002001006530 极限值650400250400250125250125603015 续表 道路种类 指标高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路 停车视距/m2101601101601107511075403020 最大纵坡/%34545656789 最小坡长/m30025020025020015020015012010060 车辆荷载 计算荷载汽车—超20级汽车—超20级 汽车—20级汽车—20级汽车—20级汽车—10级 验算荷载挂车—120级挂车—120级 挂车—100级挂车—100级挂车—100级履带—50级 高速公路、一级公路整体式断面必须设置中间带。中间带由两条左侧路缘带和中央分隔带组成，其各部分宽度应符合表1-2的规定。 表1-2中间带宽度 设计速度/（km/h）1201008060 中央分隔带宽度/m 一般值3.002.002.002.00 最小值2.002.001.001.00 左侧路缘带宽度/m 一般值0.750.750.500.50 最小值0.750.500.500.50 中间带宽度/m 一般值4.503.503.003.00 最小值3.503.002.002.00 注： “一般值”为正常情况下的采用值； “最小值”为条件受限制时可采用的值。 路肩宽度应符合表1-3的规定。 表1-3路肩宽度 设计速度/（km/h） 高速公路、一级公路二级公路、三级公路、四级公路 12010080608060403020 右侧硬 路肩 宽度/m 一般值3.00或 3.503.002.502.501.500.75 最小值3.002.501.501.500.750.25 土路肩 宽度/m 一般值0.750.750.750.500.750.75 最小值0.750.750.750.500.500.50 0.750.500.25（双车道），0.50（单车道） 注： ① “一般值”为正常情况下的采用值； “最小值”为条件受限制时可采用的值。 ② 设计速度为120km/h的四车道高速公路，采用3.50m的右侧硬路肩； 六车道、八车道高速公路，采用3.00m的右侧硬路肩。 1.2.2城市道路的主要技术指标 城市规模的大小是按城市人口规模划分的。我国按市区和近郊区（不包括所属县）的非农业人口总数，把城市的规模划分为四类： ①特大城市，人口在100万以上； ②大城市，人口为50万~100万； ③中等城市，人口为20万~50万； ④小城市，人口为20万以下。 除快速路外，各类道路按照所在城市的规模、设计交通量、地形等分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。特大城市及大城市应采用各类道路中的Ⅰ级标准，中等城市应采用Ⅱ级标准，小城市应采用Ⅲ级标准。 《城市道路设计规范》（CJJ 37—1990）规定的各类各级城市道路的主要技术指标列于表1-4。 表1-4我国城市道路主要技术指标 指标 道路种类级别设计车速/ （km/h）双向机动 车道数/条机动车道 宽度/m分隔带 设置横断面 采用形式 快速路Ⅰ80≥43.75~4.00必须设双、四幅路 主干路 Ⅰ50~60≥43.75应设单、双、三、四幅路 Ⅱ40~503~43.50~3.75应设单、双、三幅路 Ⅲ30~402~43.50~3.75可设单、双、三幅路 次干路 Ⅰ40~502~43.50~3.75可设单、双、三幅路 Ⅱ30~402~43.50~3.75不设单幅路 Ⅲ20~3023.50不设单幅路 支路 Ⅰ30~4023.50不设单幅路 Ⅱ20~3023.25~3.50不设单幅路 Ⅲ2023.00~3.50不设单幅路 1.3城市道路网 城市内道路很多，纵横交织，形成网状结构，这样的网状道路系统称为道路网。道路网是城市总平面图的骨架，各条道路彼此相互配合，把城市的各部分有机地联系起来。城市的道路网是在编制城市规划时拟定的，它从总体考虑； 对每条道路都要提出明确的任务。 图1-2道路网的基本类型 （a） 方格式； （b） 放射环形式 但是除新建城市外，原有城市的道路网都是各地在一定历史条件下逐步形成的，并不是理想的理论上的形式，有的在形成城市的当时可能是合理的，而今天看来并不理想了。在进行城市道路网的规划或调整时，要从当地的具体条件出发，结合规划的基本要求，灵活掌握，不能从形式主义出发。 常用的道路网可归纳成为四种类型： 方格式、放射环形式、自由式、混合式。常见的基本类型是方格式与放射环形式，见图1-2。 1.3.1方格式道路网 方格式道路网又称棋盘式道路网，是道路网中最常见的一种，适用于地形平坦的中小城市或大城市中的个别区域。其优点是街场整齐，便于建筑物布置； 道路定线方便； 交通组织简单便利，不会形成复杂的交叉口，不会造成市中心交通压力过重，且易于识别方向等。方格式道路网的缺点是对角线两点间绕行路程长，非直线系数（即两点间经过道路的实际距离与空间直线距离的比值，又称交通曲度系数）较大，增加了市内两点间的行程，降低了交通工具的使用效能。特别是旧城市的方格式道路网由于道路狭窄和主次干道分工不明确，已不能适应现代汽车交通发展的需要。 图1-3所示为郑州市北区道路网平面图，这是一个典型的方格式道路网。 图1-3郑州市北区道路网 1.3.2放射环形式道路网 放射环形式道路网一般适用于大城市，国外城市多采用这种类型。其优点是中心区与各区以及市区与郊区都有短捷的道路联系，其非直线性系数最小，平均值在1.1左右； 缺点是容易把车流导向市中心，造成市中心交通压力过重，其交通机动性较方格式差。如在小范围内采用放射环形式道路网，会出现很多不规则的街坊，道路错折，交通也不方便。 图1-4放射环形式道路网的改善 （a） 分散市中心； （b） 放射干道终止于环路 为消除放射环形式道路网的缺点，可布置两个或两个以上的市中心，以分散市中心的交通，见图1-4(a)； 也可以根据交通运输的情况，把某些放射性干道分别终止于一环路或二环路，见图1-4(b)，这样即可减轻市中心的负担。 图1-5所示为北京市道路网。旧城区原为方格式道路网，城市发展后，在城市中采用了放射环形式道路网，由多条放射路及多条环路组成。这种形式基本能适应该市的交通运输，不但各区之间联系便捷，而且过境车辆可绕环路通过，减少了对市中心的影响。 图1-5北京市道路网 图1-6自由式道路网 1.3.3自由式道路网 自由式道路网是当城市地形起伏，道路选线结合地形而无一定规则的道路网形式。自由式道路网如能结合地形、考虑城市用地分区及其他工程经济因素，可做到十分经济，自然活泼。但自由式道路网不规则街坊多，影响建筑物的布置，非直线系数大，路线弯曲不易识别方向。我国青岛、重庆等城市的道路网即属于自由式。图1-6所示为自由式道路网平面图。 1.3.4混合式道路网 混合式道路网是结合城市的条件，采用几种类型的道路网组合而成，有的城市是因城市分阶段发展而形成为混合式道路网。这种形式如果规划合理，既可有前述几种类型的优点，也能避免它们的缺点。我国很多城市如北京、上海、武汉、南京、合肥等均属于这种类型。图1-7所示为混合式道路网的示例。 图1-7混合式道路网 1.4道路设计的控制参数 1.4.1道路交通量 交通量是确定公路等级的重要依据之一，同时它也与诸如路面宽度、线形和纵坡等几何指标的确定有密切的关系。 所谓交通量是指单位时间内通过道路上某个横断面车辆的数量。不同路况的交通量是不同的； 不同技术水平的国家，其规定的设计交通量也是不同的，如欧洲规定的高速公路年平均日交通量为40000辆，而我国为大于25000辆。表1-1中双车道公路的设计交通量是一条公路双向行驶24h的交通量。常用的交通量有如下规定指标。 (1) 年平均日交通量（ADT）： 由年总交通量除以365天所得，是用以确定公路等级的重要指标，也是衡量道路交通负荷的主要指标。 (2) 远景交通量： 指一条路线设计使用年限末的交通量。一般一级公路设计使用年限为20年，二级公路为15年，三、四级公路为10年。 (3) 设计小时交通量： 由于公路上的交通量每日甚至每时都在变化，因此在设计公路的几何尺寸时不能用年平均日交通量，需要采用小时(h)交通量。而如果用一年中最大的高峰小时交通量作为设计的依据，会是一种浪费； 但如果采用平均小时交通量则不能满足实际需要。设计中采用的小时交通量应该是一个适中数值。为此，将一年中8760h中每小时交通量按其与年平均日交通量的百分数的大小顺序排列起来并画成曲线(图1-8)，中间较粗的曲线为所有调查地点的平均值，象征着一条公路的交通量的一般变动情况。 图1-8高峰小时交通量与年平均日交通量的关系 分析这些曲线得出的结论是： 设计上采用的每小时交通量以一年中第30个高峰小时最为适宜。理由是： 它的大小比较适中，第30个高峰小时交通量这一点左边的曲线急剧上升，右边的曲线趋向平缓； 从第30个小时与年平均日交通量的关系来看，不管年平均日交通量有多么显著的变化，第30小时高峰交通量对于年平均日交通量的百分数却变动很小。而且当选取第30个小时交通量作为设计交通量，全