1、564/运输工程杂志 ASCE /2003 年 9 月 /10 月 中文 4962 字 公路线形设计中最小土方 量 填挖平衡 方法 A.Burak Goktepe， A.M.ASCE1， 和 A. Hilmi Lav2 摘要 ： 在公路工程中， 经济因素 和其他设计控制因素一样重要 。 因此 ， 公路设计者 应当结合 可能较大增加工程造价的 因素考虑 最小土方量填挖平衡。 实际上 ， 一种 减少土方工程 量的方法 是 考虑填挖平衡时尽量使坡度线和基线相靠近。 然而 ，当平衡沿着道路中线的时候， 这种做法可能 会导致错误的结论。事实上，道路中线地面标高 很少表 示整个横断面的填挖平衡线。特别在山
2、地， 关于横断面的中线标高，地面标高的横向是突变的。这篇文章的目的是 提出一个考虑假想的“加权地面标高”来表示地面标高中的横向变化平均值的方法，而不是道路中线的标高 。因此， 让 坡度线变为加权标高线 （沿着中线的加权地面标高的整合），会使填挖平衡和更少的土方工程量 ，并引起很多有价值有影响的结果。 文章编号 ： 10.1061/ASCE!0733-947X2003!129:5564! 土木工程师数据库主题词 ：土方工程；横断面；公路设计。 引言 没有 单一的一套 几何 学的 标准可以应用公路 设计 。理想的公路几何设计应该满足几个 设计 控制。当 公路的功能分级已经确定时，至少应规定以下 4
3、 点设计控制： 设计速度； 设计车型； ， 交通量； 最大坡度。 当确定了基本的设计控制之后，设计师应该把他们联系到公路设计 所有主要因素，尤其是水平和竖向线形。一般来说，由许多切线和曲线组成的 道路的横纵向线形是连接在一起的。 应该注意的是在这篇文章中叙述 的方法，只处理的一部分依据填挖平衡和最小土方量调整的竖向线形。 因此，横向线形假定是 确定的。也就是说，道路图是确定的。 1 研究生（博士） ， 伊斯坦布尔技术大学土木工程学院 交通 工程， 位于土耳其， 34469伊斯坦布尔 ， Ayazaga Kampusu。 2 副教授， 伊斯坦布尔技术大学 土木工程学院交通工程 ，位于土耳其， 3
4、4469 伊斯坦 布 尔 ， Ayazaga Kampusu 。 E-mail: lavitu.edu.tr 备注 ：讨论持续到 2004.2.1。 个别的讨论必须申请书面文件。为了延长截止日期一个月，书面请求文件必须 由 ASCE 的总编 备案 。文件的原稿 会被提交评审并 可 能在2000.8.2 日 发表 ； 2002.7.31 得到 批准。这篇文章是运输工程杂志的一部分。 Vol. 129,No. 5, September 1, 2003. ASCE, ISSN 0733-947X/2003/5-564571/$18.00. 文献综述 公路线形 是 三维 的 问题。然而 ， 实际上，它
5、可以归结到 2 维的线性 ，也就是，横向和纵向的线形。 世界许多国家的线形设计政策都是基于 2D 线形和设计速度（ Krammes and Garnham 1995） 。 考虑到时间设计速度常用来计算横向半径 、超高率和视距， 横向线形是 确定的 。至于竖向线形，需考虑竖曲线的最小长度和最大坡度。依据上述研究的引用， 11 个发达国家的设计政策都几乎相同。这相当于是说，这些国家的线性设计政策 相同点比不同点多。 就像 Sthapit and Mori（ 1994）描述的，公路线性的另一个重 点 是高土方工程造价对公路项目总造价的贡献。 尤其在横向的 海拔标高是突变的多山地带，最小的土方工程和填
6、挖平衡成为 重点。 大多数最近出版的有关公路线形设计的期刊论文 （ 2D或 3D）主564/运输工程杂志 ASCE /2003 年 9 月 /10 月 要以安全注意事项 （ Hassan et al. 1997； Easa1999； Gibreel et al. 1999； Taiganidis and Kanellaidis 1999） 或计算土方工程量的方法（ Easa 1988, 1991,1998） 为焦点 。 即使有用于计算公路土方量的有限元方法（ Davis 1994），但最近几乎没有关于土方量平衡的文章 出版 。 不过 ， 一些课本 上 有关于土方量和填挖平和的现代方法的章节。这
7、种方法 提供了坡度线尽可能的接近于地平线的确定方案（布鲁斯和克拉克森 1950； 巴特森 和普劳德勒夫1968； 奥格尔斯比 和希克斯 1982；加伯和赫尔 1988； 曼纳林 和齐纳勒什奇 1990；艾比 1992；奥斯特罗斯 1993；帕帕 科斯塔斯和佩威杜洛斯 1993；斯库芬 1993； 班克斯 1998）。 图 1.旧文献 (a)（ 希克森 1959） ,近期文献 (b)（ 斯库芬 1993） 的公路标准平面和剖面图 此外 ， 竖向线形的建立，原始资料也 考虑现有的 沿中线 地面 标高（地平线），以及最小土方量和填挖平衡（ 美国各州公路与运输官员协会 1994； 加州交通部 1995
8、）。 564/运输工程杂志 ASCE /2003 年 9 月 /10 月 公路设计工作量的增加迫使设计者们去使用 计算机辅助设计 或其他电 脑软件。一般 来说，设计软件是联 立工作的，或者他们通过交换图形文件相互联系。 首先，软件通过 三角形网格地形模型 建立一个等高线图，接着，确定横纵向的线形。 和上面提到的传 图 2.（ a）用旧方法设置 横断面 ，（ b）同一 位置加权法设置 横断面 图 3 横断面 平衡详图 统的方法相似，横向线形是首先确定的。 根据横向线形，软件输出并显示了沿着中线的地面标高。 然后坡度线就参考上面提到的进行确定。用设计软件包的一个优势是为选线提供快速的土方量计算。（
9、 班克斯 1998； 网络 cad-网络视图 1999） 。 从旧文献和近期文献获得的公路标准平面图和剖面图 分别 见图 1（ a 和 b） 。我们可以从图形上看出确定纵向线形的方法并没有改变，也就是说，公路的中线被用作主要参考线。 填挖平衡的加权基线法 实际上，地面标高和 横断面 的中心一致，很少表示根据土方量平衡的全部自然的表面标高。例如，就像图 2（ a）所示，横向地面标高的变化将使中线标高产生突变。然而，地面标高和路面标高是互相适应的（引用上述的传统方法）。不过，很明显填挖平衡在横断面上不能平衡，为了达到这个目的，即达到填挖 平衡，路面标高应当转移到沿着 横断面 轴的一个合适的位置上，
10、像图 2（ b）所示。 在图 2（ b），坡度线来确定 横断面 的填挖平衡，即路面板转到另一个位置。图 2（ b）中，“加权地面标高”规定为假定的 横断面填挖平衡的中心标高。比较两个图形，可以得到这样的结论，坡度线定为不仅能平衡 横断面 填挖平衡，又能减少土方量的加权地面标高。 同一 横断面 的精确详述见图 3（在笛卡尔坐标系统中）。 在 图中， y=hw （加权 横断面 线， WCSL）的 直线 平衡了 横断面 的土方量，也就是说， SABMK 和 SNFGJ 的面积和与 SMNEDC 相等 。但，应该注意 这条线也表示路面板（路基层顶部）。 为了一般化这个概念，让 横断面 由 p个挖方段和 q个填方段组成，且这条线应维持整个区域的填挖平衡。线的标高可以表示为： 式中： hw =加权地面标高； S=自然面下的全部区域； L=土方工程宽度。
