Lesson 1 土木工程中的各種業務土木工程是一個意味著工程師必須要經過專門的大學教育的職業。許多政府管轄部門還有（一套）認證程序，這一程序要求工科畢業生在他們能積極地開始（從事）他們的事業之前，通過（認證）考試, 這種考試類似于律師職業里的律師考試一樣。 大學里, 工科課程中著重強調數學、物理, 和化學,尤其在開始的二到三年。在工科所有分支中，數學非常重要, 因此它被著重地強調。今天, 數學包括統計學中的課程主要涉及集合, 分類, 和使用數字數據, 或信息。統計數學的一個重要方面是概率, 它涉及當有改變問題的結果的不同的因素, 或變量時，可能會發生什么。例如，在承擔橋梁的建設之前, 運用統計研究來預計未來橋梁期望承受的交通量. 在橋梁的設計中，(各種)變量如作用在基礎上的水壓, 碰撞, 不同的風力的作用, 以及許多其它因素必須考慮。 由于在解決這些問題涉及大量的計算, 現在幾乎所有工科課程中都包括計算機編程。當然,計算機能比人類以更快的速度和準確性解決許多問題。但如果不給計算機清楚和準確指令和信息，換句話說，一個好程序，它也是無用的。 雖然，在工科課程中，對技術科目著重強調，但當前的趨勢還是要求學生學習社會科學和語言藝術的課程。工程和社會間的關系變得更加緊密; 因此,再一次充分說明, 工程師負責（承擔）的工程在許多不同和重要的方面影響社會,這些方面是他們所知道的。并且，工程師需要一種很肯定（自信）語言表達方式來準備報告，這個報告要清楚明了，且在多數情況下, 是令人信服的。參與研究的工程師要能為科學出版物詳細描述他們的發現。 最后兩年的工科課程計劃包括學生專業領域的學科。為準備使學生成為一名土木工程師, 這些專業課程可能會涉及諸如大地測量、土力學，或水力學。 學生在大學中的最后一年前常常就開始了頻繁的工程師招聘。近年來，許多不同的公司和政府機構為爭奪工程師而競爭。在今天這個重視科學技術的社會，受過技術訓練的人當然是受歡迎的。年輕工程師也許選擇進入環境或衛生工程領域工作, 例如, 在環境問題方面創造的許多機會; 或他們也許選擇專門的高速公路工程的建筑公司; 或他們也許喜歡與政府機構當中處理水資源的機構之一共事。的確, 選擇很多且多樣。 當年輕工程師最后開始了真正的實踐, 必須要運用到大學中學到的理論知識。最初，他或她可能會被分配到與工程隊合作。從而, 他們會得到在職的培訓，這個培訓將向管理人員證明他們將理論轉化為實踐的能力。 土木工程師可能在研究、設計、施工管理、養護或者甚至銷售或管理單位工作。每一個工作領域都涉及不同的職責，不同的著重點以及運用不同的工程理論和經驗。 研究是科學和工程實踐的當中最重要的一個方面。研究員通常作為一個團隊的成員與其它科學家和工程師一起合作。他或她經常受雇于政府或企業提供經費的實驗室。與土木工程相關的研究領域包括土力學和土壤加固技術, 并且還包括新結構材料的開發和實驗。 土木工程項目幾乎是唯一（獨一）的; 就是說，每個工程有它自己的難題和設計特點。所以, 在設計工作開始以前，要仔細的研究每個項目。研究包括勘測工程位置的地形和地基特點。它還包括考慮可能的比選方案, 譬如一個混凝土重力式壩或填土的土石壩。經濟因素與在每個可能的比選方案有關，也必須斟酌。今天, 研究通常包括項目的環境影響的考慮。許多工程師, 通常在一起工作組成一個團隊，這個團隊包括測量員、土力學方面的專家和設計施工方面的專家，來參與制定這些可行性研究。 許多土木工程師在設計領域工作,他們中的許多人是這個行業的佼佼者。正如我們所見，土木工程師研究許多不同的結構, 因此工程師專門研究一類結構是通常的做法（一般的慣例）。在建筑設計中, 工程師經常作為建筑或結構公司的顧問。水壩、橋梁、給水系統, 和其它大項目通常；聘用幾位系統工程師（總工程師） ，他們的工作是協助負責整個項目。在許多情況下, 也需要（涉及）其它學科的工程師。例如,在水壩項目中, 電子和機械工程師負責發電站及其設備的設計。在其它情況下, 土木工程師被分配到其它領域的項目上工作; 例如,在空間項目中, 需要土木工程師設計和施工諸如發射臺和火箭存貯設施這樣的結構。 在幾乎所有土木工程項目中，施工是復雜的過程。它包括項目的進度安排和設備的使用以及材料，以便使得造價盡可能降低。必須考慮安全因素，因為施工很危險。許多土木工程師因此專門研究施工階段。Lesson2ModernBuildingandStructural(現代建筑與建筑材料)許多古代修建的大型建筑物現仍存在著，而且仍在使用。其中有羅馬的萬神廟和大圓形競技場，伊斯坦布爾的圣索非亞教堂，法國和英國的哥特式教堂，和帶有巨大的穹窿頂的文藝復興式教堂，象佛羅倫薩的大教堂和羅馬的圣彼得大教堂。它們都是些厚石墻的龐大建筑。這種厚石墻能抵抗建筑物本身巨大重量所形成的推力。推力是建筑物各部分作用于其它部分的壓力。這些大型建筑物并非數學和物理知識的結晶。它們都是依據經驗和觀察而建造起來的，往往是反復試驗出來的結果。它們能留存下來的原因之一是因為它們建造得強度很大多數情況下超出所需要的強度。可是古代的工程師也失敗過。例如在羅馬，大部分人民都住在公寓中，這種公寓通常是一排排的有十層高的公寓大樓。其中有許多建造得很差，并且有時會倒塌，使許多人喪生。但是，現在的工程師具備許多有利條件，不僅有經驗資料，而且有科學數據供他預先做詳細計算。一個現代工程師當他設計一座建筑物時，他要考慮這座建筑物所有組成材料的總重量，這就是所謂的靜荷載，即建筑物自身的重量。他還必須考慮動荷載，即在建筑物投入使用時它要承受的人，車輛，設備、機器等等的重量。對于象橋梁這種需要承擔高速汽車交通的構筑物，他必須考慮到沖力，即動荷載將借以作用于結構物的那種力。他還必須確定出安全系數，即附加的承載能力，以使建筑物的承載能力比上述三個因素結合起來還要強些。現代工程師還必須了解建筑物所用材料經常承受的各種應力。其中包括壓力和拉力這兩種相反的力。在壓力下，材料被壓緊或推攏到一起，在拉力下，材料象一個橡皮筋那樣被拉開或拉長。IntheFig.2.1,thetopsurfaceisconcave,orbentinward,andthematerialinitisIntension.Whenasawcutseasilythroughapieceofwood,thewoodisintension,butwhenthesawbeginstobind,thewoodisincompressionbecausethefibersinitarebeingpushedtighter.除了拉力和壓力之外，還有一種稱為剪力的力在起作用，我們給它下定義為，使材料沿應力線斷裂的趨勢。剪力可能發生在垂直面上，但它也可能沿著梁的水平軸線中性面作用，中性面上既沒有拉力也沒有壓力。總的說來，有三種力作用于建筑物，垂直的那些向上或向下作用的力，水平的那些側向作用的力，以及那些使建筑物發生旋轉或轉動的力。成一個角度作用的力是水平力和垂直力的合力。因為土木工程師設計的建筑物總是力求使它們靜止或穩定，因此這些力必須保持平衡。例如，各垂直力必須波此相等。假如一個梁支承上面的一個荷載，梁本身必須有足夠的強度去抗衡這個重量。水平力也必須彼此相等，才能不出現過多的向右或向左的推力。并且，那些可能使構筑物發生轉動的力必須由向反方向推動的力去抵銷。現代最引人注目的工程事故之一1940年塔科馬海峽大橋的倒塌，就是由于沒有非常仔細地考慮這些因素中的最后一個因素。在一場暴風雨中，當每小時高達65公里的強勁狂風沖擊這座橋時，狂風引起了沿著橋面方向的波動；同時還產生了一種使路面塌落的橫向運動。幸虧工程師們從錯誤中汲取了教訓，所以現在的通常做法是將按比例縮小的橋梁模型放在風洞中檢驗它們的空氣動力學抵抗力。 早期的主要建筑材料是木材和圬工材料磚，石、或瓦，以及類似材料。磚行或磚層之間，用灰漿或瀝青(一種象焦油的物質)，或者別的粘結劑粘結在一起。希臘人和羅馬人有時還用鐵條或鐵夾子去加固建筑物。例如，雅典的帕提依神廟的圓柱上就有原來安裝鐵棍的鉆孔，現在鐵棍已經銹蝕竟盡。羅馬人還使用一種叫白榴火山灰的天然水泥，這是用火山灰制成，在水中能變得和石頭一樣堅硬。 近代的兩種最重要的建筑材料，鋼材和水泥，都是十九世紀才采用的。直到那時為止，鋼(基本上是鐵和少量碳的合金)一直是要經過很復雜的工藝過程才能制成的，這就使鋼只限于用在制劍刃這類特殊的用途上 。1856年發明貝色麥法以后，人們才能以低價大量地使用鋼。鋼的極大優點是它的抗拉強度，即：在特定程度拉力就象我們已經知道的那種會把許多種材料拉斷的力的作用下，它的強度不會降低。新的合金進一步增強了鋼的強度，并且還消除了它所存在的一些問題，如疲勞。疲勞是指在應力連續變化的情況下強度降低的趨勢。 現代的水泥叫做波特蘭水泥，是1824年發明的。是石灰石和粘土的混合物，將它加熱，然后磨成粉末。在建筑現場或靠近現場的地方，將它摻上砂子、骨料(小石子、碎石或礫石)和水，就制成混凝土。不同的配料比例能制成不同強度和重量的混凝土。混凝土的適用性很強，它可以灌注，可以用泵抽送，甚至可噴注成各種各樣的形狀。而且，鋼有很大的抗拉強度，混凝土卻有很大的抗壓強度。因而，這兩種材料可以互相補充。 它們還可以在其它方面互相補充：它們具有幾乎相同的收縮率和膨脹率。因而它們可以在同時存在著壓與拉力兩種因素的情況下共同起作用。在受拉的混凝土梁或結構中埋置進鋼筋，就制成鋼筋混凝土。凝土和鋼還形成一種很強的粘結力一種將它們連結起來的力使鋼不能在混凝土中滑動。還有另一個優點就是鋼在混凝土中不銹蝕。酸會腐蝕鋼，而混凝土卻具有與酸相反的堿性化學反應。 預應力混凝土是鋼筋混凝土的一種改進形式。鋼筋被彎成各種形狀以使它具有所需要的受拉強度。然后，通常采用先張法或后張法對混凝土預加應力。預應力混凝土使特殊形狀的建筑物有了發展的可能，象某些現代的體育館，他們的大空間沒有任何擋住視線的支承物。這種比較新的結構方法的使用正在持續地發展著。 當前的趨向是發展輕質材料。例如，鋁的重量比鋼輕得多，但是卻有許多與之相同的性能。鋁梁巳被用于橋梁結構和一些建筑物的框架。 目前正在試圖生產強度更高、耐久性更好、而且重量更輕的混凝土。有一種用聚合物(塑料中用的長鏈化合物)作為部分配料的方法。這種方法有助于使混凝土的重量降低到一定的程度。Lesson4 預應力混凝土 混凝土的抗壓性能強而抗拉性能弱:它的抗拉強度僅僅是它抗壓強度的8%-14%不等。鑒于它這么低的抗拉承載力，撓曲裂縫就會出現在在荷載作用的初期。為了減小或阻止這種裂縫的開展，在結構桿件縱向施加一個軸心或偏心的壓力。這個力(預應力)通過消除或大大減少在工況荷載下，跨中或支座的控制截面處產生的拉應力，阻止了(該處)裂縫的開展，因此提高了該截面的(抵抗)彎曲，剪切和扭轉的承載能力。然后，這個截面(特性)表現為彈性，并且，當所有荷載作用在結構上時，混凝土截面的全部深度(全截面)受壓，這樣有效的利用了混凝土全部的抗壓性能。 這樣施加的一個縱向力叫做預應力，也就是說，在橫(豎)向重力恒載和活載或短暫的水平活載(風，地震)作用之前，給沿結構桿件跨度方向的截面預加的應力，這樣一個壓縮力。相關的預應力的形式，包括它的大小，主要取決于被修建結構物的形式，桿件跨度，和想要得到的長細比。因為這個預應力是被應用到縱向或者平行于桿件的軸向，所以這個相關的預應力原理被普遍的稱為長線預加應力法。 用于液體容器箱，管道，和壓力反應堆容器的環向預應力結構，本質上遵循著和長線型預應力結構相同的基本原理。環向(預應力)箍筋，或者圓柱或球形結構的”環向”應力，抵消由內部包含物質(產生的)壓力所引起的曲線表面外部纖維所引起的拉應力。 Figure 4.1 illustrates,in a basic fashion,theprestressing action in both types of structural systems and the resuling stress response .In a),individual concrete blocks act together as a beam due to the large compressive pretressing force P.Although it minght appear that the blocks will slip and vertically simulate shear slip failure,in fact they will not because of the longitudinal force P.Simiarly,the wooden staves in c) might appear to be capable of separating as a result of the high internal radial pressure exerted on them.But again,because of the compressive prestress imposed by the metal bands as a form of circular prestressing,they will remain in place. 從上述討論的可知，在預應力(混凝土)結構的桿件中恒久預應力是在全部恒載和活載加載之前產生的，其目的是為了消除或大大減少由這些荷載產生的靜拉應力。對于鋼筋混凝土結構來說，假定混凝土的抗拉強度是可以忽略的。這是因為由彎矩產生的拉應力被鋼筋(和混凝土)產生的黏結力所抵消。因此，在鋼筋混凝土結構中，一但桿件在使用荷載下達到它的極限狀態時，撓度和裂縫是不可恢復的。 在鋼筋混凝土構件中的鋼筋沒有完全發揮它的全部作用，而預應力鋼筋正好相反。在預應力構件中的（要求產生）預應力筋給構件積極的產生一個預加荷載，相應的對其撓度和裂縫有一個很高的控制。一但混凝土的撓曲抗拉強度被超越，預應力混凝土構件就會像一個非預應力混凝土構件一樣工作。 在相同的跨度和荷載條件下，預應力構件（截面）的高度比相應的非預應力構件的高度小。總的來說，預應力混凝土構件（截面）高度常常是相應的非預應力構件（截面）高度的6580%。因此，預應力混凝土構件需要較少的混凝土，并且大概是2035%的鋼筋（相對于非預應力構件）。不幸的是，在預應力構件中，所需材料重量上的節省是和其所需材料高質量的花費相平衡（抵消）的。同時，還沒有考慮（工藝）設備的使用，施加預應力自身導致一個額外的花費：因為預應力構件的幾何截面常常由翼緣和薄的腹板組成，所以模板是非常復雜的。 盡管這么多附加的花費，如果制造大量的預制混凝土構件，至少在預應力構件和非預應力構件的最初成本是相差不大的。并且，因為需要更少的維護，鑒于對混凝土更高質量的控制所使得結構所獲得的一個更長的生命周期，以及對于上部結構其輕質效果積累所產生的更輕的基礎的效應，其間接的長期節省是非常實際的。 一旦鋼筋混凝土梁的跨度超過7090英尺（21.327.4m），梁（上）的恒定重量變的非常的大，從而導致更大的構件尺寸，并且因此產生更大的長期撓度和裂縫。因此，對于大跨度結構來說，鑒于拱形結構在施工上昂貴的花費和不好完成并且由于它們長期經受的嚴重的收縮和徐變，預應力結構被強制使用。例如分段拼裝式橋和斜拉橋這種大跨度結構只能通過預應力這種技術被建造。 在歐洲，長線預加應力法得到了持續的發展，尤其是在法國，通過Eugene Freyssinet在1926-28年提出的克服預應力損失的天才辦法，這種方法是通過使用高強和高韌性鋼筋得到的。在1940年，他發明了現在眾所周知的和公認的Freyssinet(預應力)體系 。 英國的P. W. Abeles 在20世紀30到60年代發明并且發展了部分預應力(結構)的概念。德國的F. Leonhardt ，俄羅斯的V.Mikhailov和美國的 T. Y. Lin 也對預應力混凝土設計的藝術的科技作出了很大貢獻。在這點上， Lin的荷載平衡法尤其值得一提,因為它相當大的簡化了設計程序，尤其在連續結構上。這些20世紀的發展導致了預應力在全世界，尤其是在美國的廣泛應用。 今天，預應力混凝土(結構)被用在建筑，地下構造物，電視塔，漂浮存儲器和海上結構物，發電站，核反應堆容器和橋梁體系的眾多形式上，其中包括分段拼裝式橋和斜拉橋。它們展示了預應力概念的通用性和包容性。所有這些結構發展和建設的成功是主要由于材料技術的進步，尤其是預應力鋼筋，并且對估計預應力短期和長期損失值的知識的積累.Lesson5PhilosophyofStructuralDesign(結構設計原理)一個結構工程項目可分為三個階段:規劃、設計、施工。結構設計包括決定結構最合適的比例以及確定組成結構的構件和細部的具體尺寸。這是一個結構工程項目的最高技術和計算階段，但是，如果沒有工程項目的規劃和施工階段充分配合的話，設計將不能-也不會被實施。一個成功的設計者總是會充分意識到在結構初步設計(規劃)中的各種考慮，并且，同樣的也會充分意識到在結構后續施工中所要面臨的各種問題。專門的，任何結構物的結構設計首先包括荷載以及其他結構所必須承受的設計條件的確立，并且因此，這些條件必須被考慮到設計中。然后需要進行總內力(軸力，剪力，彎矩，和扭矩)，應力強度，應變，撓度，和反作用力的分析(或計算)，它們是由于荷載，溫度，干縮，徐變或其它設計條件所引起的。最后是結構構件以及連接件截面尺寸和材料的確定，使得結構能充分抵抗由上述設計條件所引起的作用效應。用于判斷(結構設計)是否非常合適的標準將導致一個由積累的知識(原理，學術領域，模型試驗，實踐經驗)，直覺，判斷所反映的期望的行為。對于絕大多數土木工程結構來說，例如橋梁和建筑，過去通常的設計方法是基于結構所受荷載或其他設計條件所產生的應力與材料自身的容許應力強度相比較(容許應力法)。這種傳統的設計原理叫做彈性設計，因為容許應力強度(值)的選擇與材料應力應變的屈服點相一致，而并非超過結構的最高應力點。當然，當需要考慮由于疲勞，縱向彎曲(平面外失穩)，脆性斷裂，以及關于結構允許撓度等因素而產生失效的可能性，容許應力值的選擇同樣要被修正。根據結構的形式和相關條件，對于在假定設計條件下，在實際結構的分析計算模型中所計算出的應力強度可能或者不能與在真實情況中實際結構所產生的應力強度值相一致。它們相一致的程度是不重要的，只要這個計算出的應力強度值能根據先前的經驗被解釋。(結構的)工作條件和容許應力強度的選擇為抵抗(結構)實效提供了安全的富余。這種富余程度大小的選擇依賴于關于荷載，分析，設計，材料，和施工的不確定的程度，以及失效的結果。例如，如果對于一個具有33000psi屈服強的的結構鋼材被用于抵抗20000psi的容許應力強度時，防止張拉屈服的安全系數是33000/20000，或者1.65。在容許應力法中，有一個重要的缺陷就是它不能對各種類型的結構以及(結構的)各個部分提供統一的過載能力。結果，今天對于基于結構極限強度和適用性的設計理論有了一個迅速的成長趨勢，同時，老的容許應力法作為備用的設計方法來做參考。這個新的設計方法目前在鋼筋混凝土規范中叫強度設計(法)，在鋼結構規范中叫塑性設計(法)。當我們給予基于強度理論一個合適的比例參數(安全系數)時，如果在適當的荷載因素下預期的工況荷載首先增大(1)，荷載增大量依賴于荷載的不確定性，在結構生命期中變化的可能性，并且鑒于荷載的組合目的，這個可能性，頻率，作用持續時間也是一個特殊組合。在鋼筋混凝土結構設計的這種方法中，由于材料強度，制作工藝，截面尺寸等一些小的誤差引起承載能力折剪系數使得結構構件的理論承載能力降低。根據結構的控制條件，即增長的荷載將(1)引起疲勞，縱向彎曲，或脆性斷裂破壞，或者(2)僅僅引起內部一個截面(或者同時幾個截面)的屈服，或者(3)引起結構的彈塑性位移，或者(4)引起結構的整體傾覆，所以，結構是要相稱的。后一種設計方法的支持者證明這種設計方法是一種更實用的設計方法，因為它能更精確的提供結構超越在預期工作條件下的強度增量。這個改進的結果是由非彈性和非線性效應能夠被解釋所產生的，這個效應對結構最終工作狀況的接近是很有意義的。在最近幾十年，在許多杰出的工程師中間，不僅僅是安全系數法的不合適與不切實際，更有甚者，在基于這個設計原理下的結構設計導致大量的工程實例是過于保守的并且因此造成浪費，同時有時還會帶來一些具有高失效概率的冒險設計，關于這方面問題的討論在不斷增長的。他們討論，對于結構的安全與失效來說，沒有什么事情是可以確定的，它僅僅是一個概率事件因此，他們覺得應該用統計學的方法來研究荷載效應變量和結構抗力變量并且估計結構安全性與適用性的概率。然而，對于每一個單獨的結構設計來說，它又是不實用的。但是，在框定設計規則與規范中，他是實用的。對于建筑條例和技術規程來說明確地闡述這個變量以及它所相應產生的概率來說，這是非常有意義的。Lesson8 公路定線 定線的基本原則是車行道要素如曲率和坡度相互組合，在滿足設計規范和安全的標準的要求的同時提供滿足設計通行能力并且平穩的交通體系。道路同時也要考慮對歷史遺跡和對其他用地活動的最小影響。在一條公路定線被最終通過以前環境影響的研究在大多情況下時被要求的。 公路定線過程包括四個步驟： l 已有信息研究 l 勘測設計 l 初步定線 l 最終定線 已有信息研究 在任何公路定線研究中，第一步都是對所建道路所在地區所有數據的研究這一步通常先于現場或圖像調查在室內開始。所有數據被收集和研究。這些數據可以從已有的工程報告、地圖、航拍照片和一個或多個政府的交通、農業、地質、水力和礦業部門所有的報表，所要收集的數據類型和數量要依據所建道路的類型。但是通常情況下所獲得的數據要有地區的以下幾個特征： l 工程，包括地形、地質、氣候和交通量。 l 社會和人口，包括土地使用和區域類型。 l 環境，包括野生動物類型，娛樂場所，歷史遺跡和考古發現，以及可能面臨的空氣，噪音和水污染。 l 經濟，包括建筑，農業，商業和工業活動的單位花費趨勢 從這些獲得的數據中做出的最初分析會指出有些方面是否因為上述的一兩個特征而不再作進一步的考慮。例如，如果發現有歷史遺跡和重大發現位于路線可能通過的區域時，則應立即確定通過那片區域的任何路線都不該作進一步的考慮。在完成這一步的研究后，工程人員就可以選出路線穿越的大概區域。 道路勘測 工程這一步的研究是找出幾條可行的路線，每一條在有限的幾百英尺的寬度界限內。一旦考慮農村道路，則在地圖或照片上很少或沒有信息可獲得。因此航拍照片被廣泛的用于獲取需要的信息。用立體鏡檢查航拍照片確定可行路線要考慮以下因素。 l 地形和土質情況 l 可供使用的到工業地區和居民區的路線 l 和其他交通設施如河流，鐵道及其他公路的交叉狀況 l 直接路線 兩終點間的控制點決定每條可行路線，例如，一座無可選擇的唯一的橋就是最基本的控制點。找出這些可行路線然后標繪在詳細準確的基本地圖上 。 初步定線 在這一步的研究中，在與建立的控制點盡可能近的位置設置可行路線，并且決定每條路線的最初水平和豎直線形。初步線形用于評價可供選擇的路線經濟和環境的可行性。 每條可選路線的經濟評價是開展決定建設公路的必要資源投資將來的影響。 這種評價采用效益費用比的方法。通常考慮的因素包括，道路使用者的花費，建設花費，養護費用，和使用者利益和一些不利包括由于居民 ，商業區混亂等的不利影響。可行路線的經濟評價結果可以提供有指導價值的信息。例如，這些結果會提供一個關于如果一個具體的路線選定經濟財力是得還是失的一個信息，這些信息同時還會幫助政策制定人在決測是否應該修，如果修，該修什么類型 在任何地方建公路都會對周圍帶來很大影響，一條公路也是當地環境的組成部分而且應該被這樣考慮。環境包括，植物，動物，人類群體同時包括社會的，物理的，自然的和人為的變動，這些變動是與一種維持平衡和維持不同群體間生活方式的方法相互關聯的在給定的區域內建造公路可能會導致一個或多個變量的很大改變，這些改變反過來可以打破平衡并導致對環境產生非常不利的影響。這些影響也許會導致動物和人類數量的減少。其實質是環境影響任何所選線的整體評估。 最終定線 最終定線是詳細設計可選路線，在這個階段決定最終的平面和縱面線形和最終的結構和排水溝的位置。最簡便被用的方法就是首先道路直線部分的交點然后在兩直線之間設平面曲線。通常這是一個反復試驗的過程，直到在工程師看來得到了最好的線形同時考慮了工程和美學因素。樣條曲線規和曲線模板可以在這一過程中被使用。樣條曲線規是一個易彎曲的可塑的可以彎曲成不同形狀并用來畫出不同曲線的工具，利用它可以選出最合適的線形。曲線模板是給有圓曲線，三心復曲線和不同曲率和不同標準規模的螺旋線的透明板。樣條曲線規首先被用于獲得手繪光滑的曲線來滿足縱坡，橫斷面，曲率，和排水。這條手繪曲線然后用標準模板調整成一條跟確定的曲線。 近來，計算機技術極大地提高了定線過程的效率，因為設計的公路可以顯示在屏幕上，從而使設計者有了駕駛者的視野，既可以看到平面線形又可以看到縱面線形。設計者因此可以改動平面線和縱面線中兩者或其一直到獲取最好的線形。Lesson9線形設計豎直曲線和水平曲線的布置組成了高速公路的線形，豎曲線包括直的縱坡線和連接縱坡線的拋物線.平曲線包括直線段和連接它們并改變方向的圓曲線段.線形的設計主要依賴于高速公路設計速度的選擇，與自然地形相符合的線形造價最小。通常這種情況是不可能的，然而，因為設計師必須遵循一定的設計標準，而這些標準也許并不能適應地形。重要的是既定部分的線形必須遵循一致的標準來避免高速路在豎直和水平定線時產生突變，同樣，豎曲線和平曲線在設計是要相互補充協調，這樣才能設計出一條安全的和更有吸引力的高速公路。為了達到這一點，一個應該考慮的因素是適當地保持直線坡度和平曲線曲率的平衡，處理好平曲線和豎曲線間的相互位置。例如，在較大半徑的陡坡上設置平曲線是一種較差的設計，同理，如果在一個明顯的凸形豎曲線的頂部或附近設置小半徑平曲線，或在明顯的凹形豎曲線底部或附近設置小半徑平曲線，這將導致這里是一個危險部分。因而在初步設計階段把豎曲線和平曲線的協調綜合考慮是很重要的。 高速公路的豎向線形是有被稱之為縱坡或切線的直線部分和與之相連的豎曲線組成，因而豎向線形的設計包括直線部分合適坡度的選擇和豎曲線的設計。路線所穿越區域的地形對豎向線形設計有極其重要的影響。坡度對重交通路線的影響必須被考慮，如果是陡坡或長坡會使重交通車輛的車速降低很快，注意到陡坡不僅影響重車的性能還影響轎車的性能，為了限制坡度對車輛的影響，任何高速路的最大坡度都應明智選擇。高速公路的最大坡度取決于設計速度和設計車輛，普遍認為4%-5%的坡度對小客車的影響不大或沒有影響，除非是重量與功率比比較高的車，例如那些小型車和微型車。當坡度大于5%時，客車在上坡時速度進一步降低在下坡時進一步增加，坡度對卡車的影響大于對客車的影響，廣泛的研究結果表明，卡車在下坡時速度增加5%，而在上坡時減小接近7%，這取決于坡度比例和坡長。最大坡度的確立依據是高速公路上的設計車輛的操作性能，最大坡度的變化范圍從設計時速70英里時的5%到設計時速為30英里時的7%-12%,這取決于高速公路的類型。另一方面，當坡長不足500英尺時，且下坡方向為單向路線時，最大縱坡或許可以提高1%-2%，特別是在交通量較低的鄉村道路。 最小縱坡取決于排水條件，零坡度的道路被用在有足夠橫坡足以排盡路表水的路段，當路面有限定時，縱坡應能排盡縱向流動的路表水，在這種情況下習慣上選用最小0.5%的坡度，有時，在有合適路拱和硬地的高等級路面建設中，這個坡度可能會被減小到0.3%。 豎曲線通常用于直線縱坡間的逐漸過渡以利于車輛平順的通過高速路，這些豎曲線通常是拋物線形的，豎曲線的最小長度的選定取決于所選拋物線的特性，豎曲線分凸形和凹形豎曲線。 豎曲線的設計應滿足的主要標準有：能提供最小的停車視距，要有充足的排水，行車舒適，外觀良好。凸形豎曲線僅需滿足第一條標準，而凹形豎曲線四條標準都要滿足。 水平線形有直線和平曲線組成，平曲線通常是被分割的圓曲線，他有一定的半徑可使車輛平順的通過。因此，水平線性的設計必須確定最小半徑，曲線長度，以及計算從切線到曲線的平面支距，以有助于曲線的定線，在有些情況下，為了避免直線段的曲率半徑無限大到圓曲線段曲率半徑為一定值之間的突變，通常需要在他們之間插入一段曲率半徑逐漸變化的曲線，這種曲線稱之為回旋線或緩和曲線。有四種類型的水平曲線：簡單曲線，復曲線，反向曲線，回旋線。 簡單曲線是圓弧的一段,然而復曲線由兩條或兩條以上的轉向相同的連續曲線組成，任何兩條曲線都有一個相同的切點，這些曲線可用來獲取較理想的水平線形，特別是在立體交叉處，交叉匝道，特殊地形區情況下的高速公路，為了避免線形的突變，任何兩條依次相連的簡單曲線組成的復曲線半徑不宜相差過大，。美國公路學會建議，在交叉路口復曲線半徑的最大半徑和最小半徑之比不能超過2：1，在這里司機可以適應曲率和速度的突變,讓人滿意的立體交叉道的最大比率為15:1.雖然2:1也被使用。為使大曲率曲線與急彎曲線間平緩過度，并使曲線半徑的減小有一個合理的漸變率，每條曲線的長度不能太短。 反向曲線通常是由兩條半徑相等且具有同一切點轉向相反的簡單曲線組成，他們經常用于高速路的線形改變。 反向曲線很少被推薦使用是因為突變的線形是司機感到很難在同一車到駕駛，如果有必要設計反向線形，合理的設計是由簡單曲線組成，中間插入一段有足夠長度的直線以達到全超高。作為一種選擇，簡單曲線或許被等效長度的回旋線隔開。 緩和曲線設置在直線段與圓曲線段之間或兩個不同半徑的圓曲線之間，緩和曲線的作用是在車輛進入或離開圓曲線時為車輛提供一個逐漸增加或降低的向心力，設置直線段與圓曲線之間的緩和曲線的曲率由直線段末端的0變化到圓曲線段的接點時與圓曲線同樣的曲率，當要設置兩個圓曲線時，緩和曲線的曲率從與一個圓曲線相同的曲率變化到與第二個圓曲線相同的曲率。Lesson10 立體交叉與互通式立體交叉 路口的平面交叉可以通過立體分離結構消除，使過往交通在不同高度通行而沒有相互干擾，這種分離的優點是避免了交叉沖突，節省時間和提高了交通通行的安全性。 立體分離和立交可能被采用在（1）作為高速公路的一部分緩解大交通量（2）消除瓶頸（3）減少事故（4）受地形限制其他設計不可行時（5）車流量很大，采用平面交叉會超過合理尺寸（6）當用路在平面交叉口減少耽擱的利益超過了升級費用。 立交橋是一個立體分離式交叉口，車輛可沿一個方向行駛通過相連的道路改變方向，這些相連的道路被稱為匝道。 英國采用許多立交橋和匝道的類型和形式，它們有：T型和Y型立交橋，單象限立交橋，菱形立交橋，單點立交橋部分苜蓿葉立交橋和全苜蓿葉立交橋，定向式立交。 圖10.1展示了在三路叉口立交的典型設計，通過提供大轉彎半徑，立交的幾何尺寸可以被改變成特定的形式，去適應選址的地形。已發現喇叭形立交適合正交或傾斜的十字路口。圖10.1a）顯示了通過提供一個半直接式匝道支持左轉。圖10.1b)表明了一個十字路口的轉彎到哪兒都采用這種方式。 圖10.1描述了一個單象限立交橋的例子，這種結構能方便減少靠近兩條主干線交叉處的沖突，然而，低速設計使他不能滿足自由道路的條件。這種形式的立交適合沒有太多車的小交通量位置，如公園道路立交。 菱形立交可適用城鄉使用。主要的交通流立體分離，而進入和駛離次要交通流的轉彎運行與次要交通流上的直行交通分流和合流運行。只有小交通流直行有交叉。在農村地區，這通常是可以接受的，由于在小交通流中式輕型車輛。在城市地區，交叉口通常要求信號控制，防止嚴重干擾匝道交通和交通路口主要干道大街。交叉路應該這樣設計：設置的信號不能降低主要街道的通行能力。為了達到這個目的，在交流區域擴大主干道可能是必要的。在設計匝道時，必須仔細考慮保證等候離開匝道的車輛將不會阻塞主要車流的直行車道。 菱形立交的一個缺點是可能存在非法錯路轉彎，這會導致嚴重事故。如果交叉口的幾何特征導致這些轉彎，設計者可以采用渠化交通 ，附加標志和地面標識。 【有種更新型的叫單象限立交橋。所有直行和左轉車流都集中到一個單一的信號交叉口，來替代像尋常其他立交上可以找到的兩個分離交叉口。這樣設計的優點是：所有交叉車流可以被單一信號所服務，通過這個交叉口至多需要停一次。單象限立交橋的支持者們宣布：它可以提供改良過的車流更安全的操作，相比其他的立體交叉結構，可以減少對路權的需求。單象限立交橋要求交叉路的司機非常依賴引導指示，路面標線，車道用途標志。為了安全駕駛通過交叉口區域。設計者們將需要特別留意，以確保交叉口設施的完善。】 有時可采用部分苜蓿葉式和全苜蓿葉式立交橋來代替菱形立交橋。車輛可以在交叉口之前或之后離開主要車流方向，這依賴于各個象限的分布。對于菱形立交而言，次要道路平面交叉優先存在，非法轉彎的可能性被降低。對任意方向的主要道路提供駛入匝道，次要道路的左轉交通就被消除。 更為常見的立交時全苜蓿葉式立交，它可以被用于非正式設計，可以消除所有車輛方向包括主要車流和次要車流的平面交叉。匝道可以是單向車道，雙向分離車道，雙向無分隔車道。盡量消除所有平面交叉，但是苜蓿葉式立交也有缺點（1）設計布局需要很大的地面空間（2）減速車輛希望使出直行車道必須與進入直行車道的加速車輛相交。使用集合分離車道可以克服這兩個缺點。集合分離車道有一定的操作布置優勢。當高速行駛時，大量設施時一個緊張的司機可以根據大量的設施采取一個決定。第二個決定，例如，高速的設施繼續向南或繼續向北。 定向式立交被用于一條高速公路并入或交叉另一條高速公路。這種立交與眾不同的特點是采用高速通過，采用大半徑曲線或匝道。定向式立交對土地的需求很大。以防在轉彎時運動空間過小。設計速度應減小和支路通過一個圈產生效果達到目的。 現在，定向立交的實踐與左手出入口匝道有關的實踐操作問題。大多數司機希望高速的出口和入口都在右邊。當這些期望受得不到滿足時，混亂，不穩定，事故就會發生。 10-1i圖的設計是一個定向式立交，這種立交使得希望右轉的駕駛者向右轉，希望左轉的向左轉。一個駕駛員當他接近第一個出口時，必須作出決定（1）他打算從這個出口離開高速（2）或者他的目的是向右（東）或者向左（西）。面對這樣的立交配置司機可能在右邊車道上決定他必須向西才能達到他的目的。他為了從左邊出口出去要面對通過幾條車道的高速交通。 設計圖10.1j是一個在北行的司機在很短時間內作出決定首選地單一出口。司機到右邊出口，然后決定是否繼續向右還是向左。或者以較低速度減少擁擠在出口匝道lesson11 路面 高速公路路面分為兩大類：剛性和柔性。一個剛性路面磨損表面通常是波特蘭水泥混凝土建造的，其受力與梁類似，承受支撐材料以下的任何變形。對柔性路面磨損表面另一方面，通常是瀝青材料建造，使他們在與基本材料保持聯系，即使輕微的變形發生。柔性路面通常包括一個顆粒物質層和一個合適的粗，細料瀝青混合料面層隱伏。交通負荷是由面層到底層輔助材料移送通過聚合聯鎖，粒狀物料的摩擦作用，以及優良的材料凝聚力。柔性路面進一步分為三組：高級，中級和低級。高級路面的磨耗層能有效承擔預期的車輛荷載，而不出現明顯疲勞，并且不容易受到天氣影響。中間型路面有穿，從表面處理到那些范圍只是表面質量低于高型路面。低型路面，主要用于低成本的道路，并穿著表面未經處理的范圍，從松散的天然材料，表面處理地球。 一個柔性路面路基的組件包括路基或準備路基，底基層，基礎和面層。對路面性能取決于每個組件，它需要對每一個組件的屬性適當的評價分別令人滿意的表現。 路基通常是天然物質沿人行道水平對齊位于作為路面結構的基礎。路基可能還包括一個選擇借用材料層，以及壓縮到規定的規格。它可能需要處理路基材料達到一定的強度為正在興建的路面類型所需的屬性。 位于正上方的路基，底基層組成部分包括一個優質的材料一般是用于路基建設。為底基層材料的要求通常給出的層次，塑料的特性來看，和力量。當路基材料的質量滿足了底基層材料的要求，底基層組成部分可以省略。在適當的情況下，底基層材料尚不齊備，現有的材料可與其它材料處理，以實現必要的屬性。這種對待土工程特性，以改善他們的過程被稱為穩定。 基礎道路直接放置路基之上，如果路基道路不使用，它被直接放在路塹上。路面層通常由粒狀材料，如碎石，壓碎或未粉碎的爐渣或沙礫及沙子。為基層材料的規格通常包括更嚴格的要求，特別是關于他們的可塑性，層次較底基層材料的，和力量。材料不具備所需的性質，可作為基礎材料，如果他們得到適當的波特蘭水泥，瀝青或石灰穩定。在某些情況下，高品質的基礎道路材料也可能被視為與瀝青或水泥改善重型路面的剛度特性。 表面層是公路鋪砌層上的一層同是它是在基礎面層上迅速鋪筑的。柔性路面的表面層是有礦物骨料和瀝青混合料組成的。它應該能夠承受高的輪胎壓力，能夠抵抗車輛的摩擦力，提供良好的抗滑表面，并且阻止表面水滲入下臥層。路面磨耗層的厚度有3英寸甚至到6英寸的，這有路面交通量所決定。柔性路面的表面層性能的體現是有使用的瀝青混凝料配合比設計所決定的。 剛性高速公路路面通常由波特蘭粘結水泥建造。剛性路面有一些允許結構承擔一個類似梁的功能通過下層材料微小形變的撓曲力。因此，微小形變可能不被水泥路面所反映。合理設計和建造的剛性路面，有較長的壽命，并且維護費用也比柔性路面便宜。高速公路水泥路面的厚度通常為613英寸。剛性路面公路建設通常攜帶沉重的交通負荷，盡管他們被用于住宅和地方道路。 被用與剛性路面的硅酸鹽水泥混泥土通常有硅酸鹽水泥，粗骨料，細骨料和水組成。型鋼混凝土桿可能會或可能不會使用，有在建路面類型決定。 剛性路面的公路被分為三個基本類型：素混凝土路面，鋼筋混凝土路面，和連續配筋的路面。各種類型路面的定義通過鋼筋的用量聯系起來。 素混泥土路面沒有用于荷載傳遞的溫度鋼筋或傳力桿。然而，鋼拉桿常常被用來提供一個在縱向接縫的鉸鏈影響，并防止這些接縫的開裂。普素混泥土路面主要被用在低交通量或當水泥穩定土被用在基層。接縫被布置在比其他類型混泥土路面相對更短的距離（10到20英尺）以減小開裂規模。有時，素混泥土路面的橫向接縫做成傾斜4到5英尺（平面上），這樣，在某一時刻，只有一個車輪通過接縫。這樣有助于提供一個平順的行車。 只有鋼筋混泥土路面具有傳力桿用于接縫傳遞交通荷載，用這種接縫接縫間隔可以更長，從30到100英尺。溫度鋼筋被用在整個路面板，所用多少有板的長度決定。拉桿也常被用于縱向接縫。 連續配筋的路面沒有橫向接縫，除當一些特殊位置必須布置施工縫或膨脹接頭外，如在橋梁上。這些路面有一個相對較高的配筋率，通常有不低于百分之0.6的截面板。它們也包括拉桿穿過縱向接縫。Lesson13道路和機場的排水 適當的排水系統的規定在道路和和機場的位置和幾何構思上是一個很重要的因素。排水設施在任何道路、街道、機場都應該有效的使水流從路面排到設計合理的渠道中。不適當的排水最終會導致構造物的要種破壞。總之，交通會由于人行道積水變得緩慢也會導致事故的發生。水滑現象、濺水和噴霧導致的可見度降低都會導致事故的發生。工程資金在排水設施的分配就體現了它的重要性。大概25%的工程資金被分配到涵洞、橋梁、河道、溝渠等的沖刷控制和排水設施上。 高速公路的排水設施 主要的一方面涉及到高速公路設計者提供的排水設施的尺寸。例如：足夠大的過水孔徑要能排出預計的水流。不合適的結構尺寸會導致積水，這會使高速公路由于路堤長時間的浸泡致使鄰近部分的失敗。 排水設施的兩大種類分為主要設施和次要設施。主要設施的的凈跨徑大于20尺，而次要設施的跨徑小于等于20尺。主要設施常應用于大橋、多孔涵洞也常用這種設施。次要設施時常應用于小橋和涵洞中。 最主要的是挑選主要設施的跨度和縱向凈空值。橋板必須位于高水位線以上，但其在高水位線以上的凈空值必須允許河道中最大的船通過而不與橋板發生碰撞。凈空高度、尺寸、橋墩見的空隙取決于河流在最大水流是可能出現的冰塊擁塞和漂浮圓木燈漂浮物來確定的。 河道兩岸的檢查可以確定高水位線的位置。因為它和侵蝕和漂浮物堆積有關。由于居住在河流附近的居民他們經歷過多年的洪峰期。因為他們可以在確定高水位線的位置方面提供一些信息。通過河流上安裝多年的位標也能為高水位線位置的確定提供一些信息。 像短跨徑橋和涵洞這一類次要設施經常是用于高速公路的排水設施。盡管這種排水設施對于排出最嚴重的洪水是不合適的。但它必須滿足在正常使用年限內可能出現的水流狀況的排泄。必須規定避免由于浮冰以及水流很急的河道中沖下得巨石而引起的堵塞。 涵洞可能由多種材料和不同尺寸建成。涵洞常用材料有混凝土（鋼筋混凝土和素混凝土）、波紋鋼、波紋鋁其他材料常用于涵洞內部。以防止侵蝕和沖刷或減少水的阻力。例如：瀝青混凝土常用于波紋金屬涵洞常用的尺寸常有圓形、金屬（箱型）、管拱、橢圓、拱形。 城市暴風雨排水 在城市和郊區地帶，徑流水是通過雨水溝渠和其附屬部分所組成的排水設施來控制的。這個區域排水問題的增長主要有兩個方面：這些區域的自然防滲使得徑流速度非常快；沒有足夠的自然水流空間。所以說，在暴風雨形成自然徑流之前我們要把它收集到一個管道系統中然后轉移到合理區域是很重要的。這些收集運輸的系統也增長了一些問題。所有的水必須被有效的收集，不能有積水，這樣排除自然積水。通過加大流速盡快的使徑流達到最大流量。同時，短時間的峰