第一章平面线形设计
公路是一条三维空间的实体。它由桥梁、路面、路基、涵洞、隧道和沿线设施所组成的线形构造物。对路段平面线形设计，是道路最基础的，也是最重要的设计阶段，此阶段的设计将决定后面的道路构造物设计，排水设计，土石方数量，路面工程及其他结构物，对汽车行驶的安全、舒适、经济以及公路的通行等都产生很大的影响。因此，路线线形设计必须在结合汽车动力学，司机视觉和心理的要求，必须与地物环境相协调，与沿线的土地利用，自然资源开发和社会经济等相适应。合理利用地形，正确选用标准，确保路线线形的均衡性，处理好远期和近期的关系，总体与局部的关系，充分考虑农业等方面的要求，既要使工程量小，投资少，又要考虑施工养护管理、经济效益、交通运营等方面的利弊得失。选用较合理的技术标准，以提高道路的使用质量，严格按照规范做到技术上可取、经济上合理。
1.1平面线性的约束条件
1.1.1平面线形设计的原则
平面线性设计含有很多设计要素，包括圆曲线设计，缓和曲线设计和直线设计。不论哪个要素的设计都必须符合平面线形设计的原则。平面设计原则总结如下：
(1) 平面线形须直捷、连续、顺畅，并和地形相适应，与周边自然环境相协调。
(2) 设计时不仅要考虑车辆行驶力学，还应考虑驾驶员以及乘客视觉上和心里上的感受。
(3) 为了尽可能的使车辆可以匀速行驶不能出现各种技术指标突然。
(4) 应避免连续急弯的线形。这不仅增加了驾驶的难度更影响乘客乘车的舒适性。设计时我们可以在两个圆曲线中加入直线或者缓和曲线保证车辆行驶的安全性和舒适性。
(5) 如果道路中平曲线过短会使驾驶者来不及控制发生交通意外，所以设计中我们要保证平曲线具有一定的长度避免车祸的发生，我们以平曲线的最小长度为指标。
1.1.2 平面线形设计各要素
如上所述，平面线形设计的要素有三个，分别是直线、圆曲线和缓和曲线。这三条线就构成了公路平面线形，在实际公路中直线是常见的也是最方便驾驶员操作的，但是由于公路是带状构造物，几十上百公里甚至几千公里，全部的直线是不合实际也不利于安全驾驶，在特殊地段和必要地段公路需要转弯，在转弯处就需要圆滑过渡，若是过渡太急可能会造成交通事故等危险。在这个时候圆曲线和缓和曲线就帮助公路在转弯处圆滑转弯，使公路更加通畅安全。
1.1.
2.1直线
直线是公路线性的主要组成部分，在直线段，司机的视野开阔，才能加快速度，直线是公路交通速度的保证，试想一下若是一条公路到处弯弯扭扭，
行驶速度如何加快，运输能力又如何体现呢。虽说这样但是公路的直线长度也不能太大，因为直线段太长会增加驾驶的危险性，以为长时间的直线驾驶会使驾驶员出现疲劳，当突然转弯时会出现反映不及时，这样反而容易出现危险。
但是在转弯处以及两个转弯之间，直线长度就要满足最小值要求，只是因为直线长度过小会造成驾驶员视觉反弯的错觉，出现错误反应和操作。为了公路行驶的安全，直线的最小长度，同向曲线的最小长度，当设计速度大于60km/h时，同向曲线间的最小长度以不小于行车速度（以km/h计）的6倍为宜。反向曲线间的最小长度以不小于行车速度的2倍为宜。
1.1.
2.2 圆曲线
圆曲线指的是道路平面走向改变方向或竖向改变坡度时所设置的连接两相邻直线段的圆弧形曲线。由单独一个圆曲线组成的曲线称为单曲线；由两个或两个以上同一方向圆曲线构成的曲线称为复曲线。转向相同的两相邻曲线连同其间的直线段所组成的曲线称为同向曲线；转向相反的两相邻曲线连同其间的直线段所组成的曲线称为反向曲线。
圆曲线最小半径需要满足汽车行驶的安全性和舒适性，由二者共同控制。规定圆曲线最小半径的实际上就是确保轮胎与路面的摩阻力能客服车辆在弯道上产生的离心力等，之所以对圆曲线的最小半径做出一定的限制就是为了保证车辆过弯时的安全不至于脱离弯道，也就是平常说的圆滑过渡。
圆曲线的最小半径和公路的设计时速、公路的横坡度及横向力系数有关。由公式（u为设计速度单位km/h，为横向力系数，为路面横坡，无超高时是路拱横坡，有超高时是超高横坡）。
圆曲线最小半径计算中所用的数据和限制，详见下表：
设计速度（km/h）1201008060403020一般值（m）100
7004002001006530极限值（m）650400250125603015
不设超高的最小半径(m)
路拱
≤2.0%
550
400
250
150
600350150
路拱＞
2.0%
750
525
335
190
800450200
设计速度120 100 80 60 40 30 20
横向力系
数0.10 0.12 0.13 0.15 0.15 0.16 0.1
7
超高值（%）6 6 6 6 6 6 6 8 8 8 8 8 8 8
10 10 10 10 10 10 10
1.1.
2.3 缓和曲线
缓和曲线指的是平面线形中，设置在直线与圆曲线，圆曲线与圆曲线中间的曲率连续变化的曲线。缓和曲线也是道路平面线形要素之一，它是设置在直线与圆曲线之间或半径相差较大的两个转向相同的圆曲线之间的一种曲率连续变化的曲线。《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）规定，除了四级路可以不设缓和曲线外，其余各级公路都应设置。在现代高速公路上，有时候为了满足需要缓和曲线所占的比例甚至比直线或者圆曲线还要多，它充当了平面线性的主要部分。
缓和曲线设置的目的：由于曲率的逐渐变化，汽车方向也逐渐变化回降低过弯难度保证车辆安全形势同时路线也更顺畅，缓和行车方向的突变和离心力的突然产生；使离心加速度逐渐变化，避免突然产生侧向的冲力，使乘客更舒适；并缓和超高，作为超高变化的过渡段，减少行车来回摆动，使其平稳行驶。
为了保证圆曲线与直线段的缓和过渡，也为了驾驶的安全性和操作的简便性，我们也需要对缓和曲线的最小长度加以限制。查看资料可知缓和曲线最小长度（u 为设计速度km/h ，v 为设计速度m/s ，t 为汽车在缓和曲线上最短行驶时间s ，一般t=3s ）
设计速度（km/h ） 120 100 80 60 40 30
20 最小长度（m ） 100 85 70 50 35 25
20
1.1.
2.4 平曲线要求
平曲线是指道路转弯处的曲线，因此它由圆曲线和缓和曲线共同组成。平曲线负责连接两直线，使车辆能够从一根直线安全、平稳地行驶到另一根直线。也就是说平曲线就是平面线形设计中圆曲线和缓和曲线的组合。
同样为了车辆更容易控制，提高行车的舒适性和满足行车视距的要求，必须对平曲线的最小长度加以控制。
表格 1–4 平曲线的最小长度
1.2 平面线形设计
的设计步
骤
1.2.1 平面线形设计的资料
根据任务书所给的设计资料，本次设计为平原微丘区一级公路设计，公路的平面路线图共七段设计速度（km/h ）
120 100 80 60 40 平曲线最小长度(m) 一般值
600 500 400 300 200 极限值 200 170 140 100 70
QD~JD1,JD1~JD2,JD2~JD3,JD3~JD4,JD4~JD5,JD5~JD6,JD6~ZD,分别长为839.5m，965.2m，977.2m，955.1m，764.1m，724.1m，752.1m。六条线路的夹角分别为151°，159°，156°，139°，125°，136°。
任务书所给资料中一级公路的设计时速为80km/h，由规范可知，设计年限是20年。因为是在平原微丘区，所以地质环境、水文环境和气候环境都不会恶劣，在设计中除特殊段需要特殊考虑，大多都是普通处理措施。
1.2.2平面线形的数据确定
上文所述，平面线形设计中就是直线、圆曲线和缓和曲线三个要素。在设计前先确定它们的相关数据，有利于设计的完成。
圆曲线半径大小由计算做参考。查表资料知u=80km/h，=0.13，
i=0.02（路面采用2%横坡），计算得最小半径R=458m 满足公路圆曲线最小半径一般值要求400m。我在实际设计中情况允许下适当的增大了，这样更加有利行车安全，下文有详细介绍。
对于缓和曲线的长度计算用到了公式。根据设计资料u=80，t=3 =66.67 不满足缓和曲线最小长度要求，故取最小为80m。和圆曲线一样，在实际设计中情况允许下可以适当的增大。
1.3平面线性设计成果
1.3.1公路逐桩坐标确定
根据任务书所给设计的线形图，我用纬地软件首先确定公路的走向和逐桩坐标，坐标从K0+000到K5+886.469。详见附图1－1 一级公路路线图。1.3.2公路平曲线设计
公路的逐桩坐标确定后，根据上述的数据在纬地软件上进行平曲线设计，设计过程中要注意数据的限制和相关处理。
Ⅰ.在JD1处综合考虑后选用直线—缓和曲线—圆曲线—缓和曲线—直线的形式
设计取R为600m 前后缓和曲线半径为90m得到JD1处的平曲线，长度为394.0m满足平曲线最小长度140m的要求。
Ⅱ. J同J一样，设计取R为550m 取前后缓和曲线半径为90m，得到JD2处的平曲线，长度为297.9m符合平曲线最小长度要求，两拐点间直线长度为614.4m，符合反向曲线间直线最小长度2u即160m的要求。
III. JD3设计取R为550m 取前后缓和曲线半径为90m，得到JD3处的平曲线，长度为312.9m符合平曲线最小长度要求，两拐点间直线长度为668.7m满足同向曲线间直线最小长度6u的要求。
IV. JD4 设计取R为600m 取前后缓和曲线半径为100m，得到JD4处的平曲线，长度为526.4m符合平曲线最小长度要求，两拐点间直线长度为524.1m满足反向曲线间最小直线长度2u的要求。
V. JD5处拐角大圆曲线半径过大会导致相邻拐点间直线长度过短，试取R为450m，取前后缓和曲线长度为80m得到JD5处的平曲线，长度为513.8m 满足平曲线最小长度要求，两拐点间直线长度为215.4m满足反向曲线间最小
直线长度2u的要求。
VI. JD6同JD5情况类似，取R为500m，取前后缓和曲线长度为90m 得到JD6处的平曲线，长度为475.0m满足平曲线最小长度要求，两拐点间的直线长度为200.5m满足反向曲线间最小长度要求。
1.3.3平面线形设计的表格及图纸
平面线形设计完成后，绘制出了设计公路的路线图，路线图包括了里程桩号、圆曲线半径及长度、缓和曲线长度及公路的布局。详见附图1 一级公路路线图。路线图是直观表现公路情况，详细的数据是用表格记录。平面线形设计后，制出公路线性的直线、曲线及转角表和逐桩坐标表。详见附表1 直曲表和附表2 逐桩坐标表。
第二章纵断面设计
沿着公路中线竖直方向剖切然后再展开得到的图形即为路线纵断面。由于受到周边环境、地形地物的影响以及经济性要求，路线纵断面总是一条连绵起伏的空间线。纵断面线形设计主要任务是确定纵断面中线形的尺寸、几何位子等等，具体内容包括纵坡设计和竖曲线设计两项。纵断面设计应根据道路的等级、修建道路的目的并且要充分结合周边环境、地形地物等特点，考虑路基排水等的要求，对纵坡的大小、长短、前后纵坡情况、竖曲线半径大小以及与平曲线线形组合关系进行设计。
2.1 纵断面设计约束条件
与平面线形设计一样，纵断面设计主要也是公路的线形设计，纵断面设计是公路在不同高程上定点定线，纵断面设计主要注意的是公路的纵坡，在考虑纵坡之后还要考虑施工的填挖方工程量，具体设计原则如下。
2.1.1纵断面设计的原则
1．纵面线形应与地形相适应，线形不能有断开的现象而且是一条圆顺的线从而保
证行驶安全。
2．在尽可能使挖填平衡的基础上做到纵坡圆滑、平顺，有起有伏，变化和缓同时坡长和竖曲线的长度也要做到合理。
3．平面与纵断面组合设计应满足：
4．视觉要连续，道路能自然而然的引导视线。
5．平曲线与竖曲线应相互重合，最好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”。
6．平、纵线形的技术指标大小应均衡，避免产生不必要的浪费。
7．合成坡度要合理，为的是有利于路面的排水以及行车的安全。
8．与道路两旁的自然景色相互协调相互配合，这样不会使驾驶员在长时间驾车时感到太累，同时也能自然的引导驾驶员的视线。
2.1.2公路纵坡
纵坡指的是路线纵断面上同一坡段两点间的高差与其水平距离之比，以百分率表示。
2.1.2.1公路纵坡的限制
道路纵断面上的坡度线，一般由许多折线组成，当车辆遇到折线的时候，因为高差自然会产生颠簸，当线形凸起的时候，会影响驾驶员的视野，满足不了行车视距的要求，危害车辆行驶安全；当线形凹下去的时候，车辆行驶方向突然改变，不仅降低了行车的舒适性，严重时会产生失重或超重现象，由于猛然增加的向下的离心力作用，很容易破坏车架下的弹簧而发生车毁人亡等交通事故。
汽车在陡坡上行驶，行驶速度严重降低如果此时坡长又很长的情况下必然引起汽车水箱中的水温度过高，汽车可能发生熄火等情况，还有在过陡的坡度上汽车很容易打滑影响行车安全。
由于公路纵坡的大小对公路的通行能力及驾驶的安全性影响很大，所以国家规定了公路的最大纵坡。制定最大纵坡的依据有车辆类型、设计速度和自然条件，《标准》规定的最大纵坡如下表：
有利于公路的纵向排水。若是公路太过平坦，容易造成路面雨水排水不畅，从而伤害公路，规定，一般公路的最小纵坡为0.3%。
2.1.2.2纵坡的设计原则
1 纵坡设计必须满足《标准》的有关规定。
2 纵坡应当圆缓，避免陡坡、反坡的情况。
3 纵面线形应连续、平顺并重视纵面线形的组合，纵面线形组合应注意以下几点：