土木工程专业英语 课件 教学PPT 作者 戴俊 第29单元

第29单元课文公路安全设计确定适当的设计速度是规划和开发任何公路工程项目的初始步骤之一。

设计速度的选择是关键的，因为几乎所有道路和路边设计及与工程有关的运作标准都受到设计速度的影响。

对新建设项目或改造、回复和加铺面（3R）工程，设计速度应该满足驾驶人员对公路类型和特点的期望值。

此外，对3R工程，设计速度应该反映实际的运行速度，不必是法定的速度极限。

以其说道路条件明显艰难时驾驶员更容易接受速度下限，还不如说他们没有这样做的明显理由。

大多数情况下，驾驶员调节他们的达到生理和交通极限。

当然，在针对选择的速度，提供几何与路边设计不切实际时，可能会有例外。

针对这样的情况，应该想出一种方法，向驾驶员警告驾驶条件，如：在进入急拐弯的水平曲线前，使用带有速度劝告牌的拐弯警示标记。

在设计长距离公路时，希望假定设计速度不变。

地形和自然条件控制变化可能强制在工程范围内的某些路段和终点改变速度。

当出现这种情况时，遵循积极指导原理，应该使用过渡设计，如缓慢变薄的简化路面或路肩宽度，还应采用交通控制装置，改变驾驶员的驾驶速度。

最优竖曲线的准则是允许有一个美学上的舒适和驾驶的方便。

更重要的是安全，竖曲线要提供大的视距，以便驾驶员能够看到前方道路。

然而，对所有竖曲线均满足这样的准则或许是不实际的。

应该对每个位置进行分析，以保证其附近不存在或没有潜在的危险条件。

当不得不使用或留有最小的或非标准的竖曲线时，如对3R工程那样，设计者应该考虑增加超高或采用更宽、更便于横过的净空带，以降低这些曲线的影响。

所选超高应该符合所在位置的物理限制，并适应冰雪条件下使用。

尽管在决定水平和垂直线形时停车视距通常能够满足，但在高速公路设计中，特别是针对复杂和预料不到的特征，应该考虑决策视距准则。

一旦存在信息接收、决策、或控制动作中出现错误的可能性，驾驶员就需要决策视距。

复杂的变道、左侧出口变道、断面改变、车道变窄及收费站等高速公路中经常看到的关键位置的例子。

在这些位置以上各种错误均有可能出现，提供决策视距是人们所希望的。

纵向缓坡与最小横坡和大半径曲线段的结合趋于使水经过很长的排水路径才能达到道路边缘。

这种现象在全拱路段和平曲线的超高路段等区域是值得注意的，并将导致过厚的水膜，即便小雨时也如此。

厚的水膜增加打滑的潜在性。

入口控制是公路安全、高效运转的最重要因素。

全入口控制的效益在州际系统事故研究中得到了证明。

这项研究发现，州际公路上撞车、受伤和死亡率比洲际公路出现前的传统公路上的事故率高30~70%。

在不可能进行全入口控制的非高速公路上，入口管理，特别是在交叉点，对道路的安全和高效常常是必要的。

入口管理是控制来自临近道路交通量的做法，这通过对公路系统中的入口位置、数量、间距及入口设计、中央通道及交通信号进行管理来实现。

入口管理是加强安全性和改善大交通量系统的运转所必须的，在这些地方，存在或预计存在交通冲突点。

良好的路面必须经得住气候的影响，驾驶平稳，不产生过多的轮胎磨损和噪声，耐磨损、耐磨光，排水性能好，提供良好的抗滑性。

这些性能所达到的程度影响公路的安全性。

路面的抗滑特性是特别重要的。

路面表面与车辆轮胎的相互作用是控制车速和停车的关键。

一个典型客运车辆轮胎与路面的接触面积只有人手掌近似大小。

因而，车辆与路面的总接触面积很小。

几乎所有干燥的路面都能提供足够的交通安全运行的摩擦力；然而，当路面抗滑性能较差时，路面上小到0.02mm的水膜都可能减小轮胎与路面之间的摩擦多大75%。

仅需0.2mm/h 的降雨量，就很容易出现这种程度的水膜。

因此，必须对路面进行合理设计和适当维护，以使水流出路面，并在使用寿命内路面维持足够的摩擦表面。

每年，大约60%的致命性交通事故只涉及单一车辆，对于乡村的交通事故，这一比例甚至会更高。

这些事故的70%涉及到车辆驰离车道，并造成翻车或碰上固定物体。

车辆驰离道路的原因有多种；大部分是无意识的，或原于驾驶员的错误，如：超速行驶、驾驶中打瞌睡、疲劳驾驶、注意力分散、不顾后果的行为、因为饮酒、吸毒引起的技能降低、或这些因素的组合。

某些驰离道路是有意识的，如：避让错误行驶的车辆或避让洒落到路面的遗弃物。

无论什么原因，驰离道路的驾驶员常常是开始了潜在的危险之旅。

净空带的概念，即：相近车道的区域，其内无固定的障碍物，坡、路面允许行驶错误的车辆回到正确车道。

重要的是净空带提供了更安全的道路边缘。

1974年“与公路安全有关的公路设计与运营实践”中相关这一概念的最初指导要求9m的净空带（由行车道边缘起算）。

以后的经验使得这一最初的指导得到了大大细化，净空带范围根据设计车速、日平均交通量及特别重要的几何要素的不同而变化。

几何要素包括：水平曲线是否存在及弯曲的程度，路堤或路堑的位置、平行坡的数量、是否存在来自邻近车道或道路交叉坡、以及其坡度。

理想的情况是，净空带应该具有不会引起车辆翻车和不含有任何固定物的边破。

尽管1:3的坡度在技术上可被客运车辆跨越，但它具有边缘的安全价值。

错误驾驶而试图恢复对其车辆控制的驾驶员常常不能在1:3的坡上成功驾驶或刹车。

当其他的特征，如：分隔装置、树、或侵蚀沟处于边坡上或边坡临近时，1:3的边坡变成潜在的危险。

在路堤段，近期设计的一个特点是，在净空带范围内（或如果可能，超出净空范围）设置有至少1:4或更平的坡。

在不易受到危害的净空带范围之外区域重新布置路边硬件更受欢迎。

在不可能的地方，采用分隔设计作为这样的硬件能够提供必要的路边宽容。

不受到这些处理影响的固定物体应该通过适当的设计和安装交通屏障或吸能撞车缓冲器加以保护。

不能采取这些任何一种方法处理的障碍物应该肯定地通过一种或多种批准的技术加以标记，以提醒司乘人员。

选自：AASHTO. “公路安全设计与运营指导”，1997第30单元课文路面设计柔性路面设计中，路面结构通常认为是一个多层的弹性系统，每层材料以各自的特定物理性质为特征，物理性质可能包括：弹性模量、回弹模量和泊松比。

通常假定，路基层在水平和垂直方向是无限的，而其它层在垂直方向有限，水平方向无限。

轮载施加引起应力分布，这可用图30.1所示表示。

图30.1 载荷扩散原理a) 载荷扩散差；b) 载荷扩散好最大垂直应力是压应力，直接出现在轮载下方，并随离地表深度的增加而减小。

最大水平应力也出现在轮载的正下方，但可能是拉应力，也可能是压应力。

当载荷与路面刚度在一定范围内时，在中性轴上方出现水平压应力，而在中性轴下方出现拉应力。

路面结构中的温度分布也对应力大小产生影响。

因而，路面设计一般以应力准则为基础，将水平与垂直应力限制在将会引起过多裂缝和过度永久变形的应力水平以下，准则应按施加重复载荷的情况考虑，因为积累交通载荷重复次数对路面裂纹和永久变形的发展具有重要意义。

柔性路面的设计基本涉及到确定道路表面和基层材料的强度特性，然后确定垫层（如果有）、基层和面层（应该铺在天然土上）的各自厚度。

设计的厚度应该足以预防裂缝和永久变形超出一定极限，这一极限按要求的载荷极限特性考虑，可能确定为18,000~1000,000,000道路设计寿命中预计路面要承受的单轴载荷重复次数。

要求能够求解高度复杂的多层系统的计算机解，加之最近材料评价的进步，已经导致了几种完全或部分以理论分析为基础的设计方法的产生。

更为普遍采用的设计方法有沥青学会的方法、美国州公路与运输机构协会（AASHTO）的方法，以及加利福利亚的方法。

刚性路面中的应力原于几个因素，包括：交通轮载的作用、温度变化引起的混凝土胀缩、支撑混凝土路面垫层或路基的屈服，以及体积变化等。

如：交通轮载将导致弯曲应力，它与交通车轮相对于路面边缘的位置有关；而胀缩可能导致拉应力或压应力，这与混凝土面层中温度变化的范围有关。

导致混凝土中应力的这些不同因素已经使得应力的理论确定相当复杂，因而需要做简化假设。

刚性路面维持一种跨越路基材料中的不规则的类似梁作用的能力，建议弯曲理论是分析这类路面的基本方法。

因而，支撑在弹性基础上的梁理论可以用来分析路面受外部载荷时的路面中的应力。

由于温度梯度变化，路面板边缘白天向下弯，夜间向上弯的趋势，受面板本身重量阻止。

这种阻力趋于使面板保持在其原来位置，因而在路面中引起应力，白天分别在面板顶部和底部产生压应力和拉应力；而夜间在顶部产生拉应力，底部产生压应力。

一定条件下，这些弯曲应力可能具有足以引起路面破裂的量值。

这样的应力还可能降低路面下方某些部位的路基支撑，进而导致由于不均匀支撑，这些部位的交通载荷作用可能产生很大的路面中的应力增量。

混凝土路面中设置有不同类型的接缝，以限制温度变化引起的应力，并便于路面相邻两部分在施工存在时间差（如：一天工作的结束与第二天工作开始之间的时间差）时的适当弯曲。

这些接缝可以分为四种基本类型：膨胀缝、收缩缝、铰接缝和施工缝。

混凝土路面收到升温时，将膨胀，导致板长增加。

当温度足够高时，如果板足够长，且没有采取措施适应增加的长度，板将翘曲或“向上弯”。

因而，通常要横跨道路，按规定的间距设置膨胀缝，以为板的膨胀提供足够空间。

当混凝土路面经历温度降低时，如果路面板能自由运动，板将收缩。

预防这种收缩运动将在混凝土路面中导致拉应力。

因而，要按有规律的间距，横跨路面宽度设置施工缝，以释放预防收缩引起的部分拉应力。

铰接缝主要用来减少沿公路路面中线的开裂。

施工缝横跨路面宽度设置，以在不同时间浇注的混凝土之间提供适当过渡。

如：施工缝通常用在一天浇注的末端，为第二天浇注的开始提供适当接合。

尼古拉斯J. 戈博“交通与公路工程”，1999第31单元课文路面公路路面分两类：刚性路面和柔性路面。

刚性路面的磨耗层通常用波兰特水泥混凝土建造，以便其在下层支撑材料中的任何不规则上方起类似梁的作用。

另一方面，柔性路面的抗磨表面通常用沥青材料制作，因此即便出现小的不规则，柔性面层也保持与支撑材料接触。

柔性路面通常由此沥青表面层、下铺的一层颗粒材料和一层粗细骨料适当配比的材料层组成。

交通载荷由磨耗层通过骨料的相互咬合、颗粒材料的摩擦效应及细骨料的粘结力传给支撑材料层。

柔性路面进一步细分为三小类：高级路面、中等路面、低级路面。

高级路面具有足以支撑预计交通载荷而不会由于疲劳出现明显的损坏，且不易受气候条件影响的磨耗层。

中等路面具有的磨耗层为：从经活化面层到质量仅低于高级路面的磨耗层的范围。

低级路面主要用于低成本的道路，具有的磨耗层为从未经活化面层到松散的天然材料，再到表面活化土的范围。

柔性路面的组成包括路基或施工好的路基，垫层，基层和面层（图31.1）。

路面的性能取决于每一组成的满意性能，这要求对每一组成部分性质分别进行适当评估。

图31.1 道路横断面基本结构路基通常是沿着路面水平轴线方向铺设的天然材料，用作路面结构的基础。

路基可以由一层取自选择性的地点，经压缩达到规定指标的土组成。