公路是建筑在大地表面上供各种车辆行驶的空间线状结构物。它的组成包括几何线形、路基路面、桥梁隧道、排水系统、防护工程、附属设施等。

除交叉口以外的公路路段（又称主线）的几何线形分为平面线形、纵断面线形、横断面线形三方面进行设计。

1. 平面线形（Horizontal Alignment）

将公路的中心线投影在大地水平面上所得线形称为平面线形，它由直线和曲线组成，其中，曲线包括圆曲线及缓和曲线。

1）直线

两点之间用直线连接时，距离最短，视线最好，这是直线的优点。但是，直线过长不利于行车安全，驾驶员容易思想麻痹，产生单调疲劳，且容易出现超速行驶，所以对直线长度有所限制。一般规定，在公路上直线行驶的最长时间为70 s左右，或者说直线的最长距离Smax（m）为

Smax=20v

式中：v——计算行车速度（km/h）。

例如，高速公路v=120 km/h，则Smax=20×120=2 400（km）。

考虑直线不容易与周围地形相配合，所以在现代高等级公路设计中，直线部分所占的比例越来越少。据统计，国外高速公路直线只占30%左右，其余70%都是平顺圆滑，与周围环境相协调的空间曲线，以使公路达到最佳的视觉效果。

2）圆曲线

平面曲线中最简单的是圆曲线，设其半径为R，弧长为S，则其曲线的转角α（等于其中心角）为

单位弧长的转角称为曲率K（rad/m），即

将弧度用度表示为

例如，设半径R=100 m，其曲率为

即在半径为100 m的弯道驶过1 m距离，切线方向转过0.573°。显然，半径越小，曲率越大，方向变化越快，车辆越可能产生横向失稳。

为了确保行车安全及乘客的舒适性，圆曲线半径不能太小，所以在《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中对最小半径做了规定。根据车辆在弯道上横向受力的平衡条件，可得最小半径Rmin（m）为

式中：v——计算行车速度（km/h）；

μ——横向力系数；

i——路面外侧超高的横向坡度。 考虑乘客的舒适性，要求横向力系数μ≤0.15，而且μ越小，转弯时越平稳舒适。针对各级公路不同的计算行车速度，选取相应的μ和i，代入式（2-10），便得各级公路相应的圆曲线最小半径。例如，高速公路v=120 km/h，取最大横向力系数μ=0.08，最大超高横向坡度i=0.1，代入式（2-10）得极限最小半径：

标准中规定高速公路极限最小半径为650 m，见表2-11。

3）缓和曲线

在直线与圆曲线之间还应插入缓和曲线，原因如下：

（1）直线段曲率为零，曲率半径为无穷大，而圆曲线的曲率半径R为常数。从直线到圆曲线（或相反）需要有一段曲率和曲率半径逐渐变化的路段，使离心力逐渐变化，满足舒适性的要求。

（2）从直线到圆曲线（或相反），车辆前轮需要转过相当的角度，此时驾驶员转动转向盘需要逐步进行，与此相对应的车轮轨迹的曲率是逐渐变化的。

（3）在圆曲线上，路面需要横向外侧超高，而直线段不需要超高，因此，在直线与圆曲线之间需要有超高的过渡段。

以上三点都说明在直线和圆曲线之间需要有一段过渡曲线，这就是缓和曲线。这样平面曲线的基本形式应为直线—缓和曲线—圆曲线—缓和曲线—直线，如图2-15所示。

图2-15　平面曲线线形

《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）规定各级公路的缓和曲线一律采用回旋线，因为它比较简单、实用。

如果圆曲线的半径很大，超过《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）规定的不设超高的最小半径时，也可以不需要缓和曲线。

2. 纵断面线形（Vertical Alignment）

沿公路中线作竖直剖面，并将此空间曲面展成平面，便得到公路的纵断面。纵断面由直线和曲线（称为竖曲线）组成。

1）最大纵向坡度

纵断面上直线斜率称为纵向坡度i，即

式中：h——两点间高度差；

d——两点间水平距离。

纵向坡度大，有利于克服高差，并可使山区路线缩短，工程量减少。但是，纵向坡度太大会影响车辆的加速性能及爬坡能力，且下坡时制动距离不能保证，甚至产生侧滑现象。因此，对于纵向坡度必须加以限制。各级公路的最大纵向坡度如表2-11所示。

对于纵坡长度也要有一定限制，既不能太长，也不能太短。《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中对各级公路的最大坡长和最小坡长都有具体规定。当二、三、四级公路连续纵向坡度大于5%时，应在最大坡长处设置缓和坡段。缓和坡段的坡度应不大于3%，长度不小于100 m，但四级公路可减至60 m。

2）竖曲线

在纵坡变化的地方不能突然俯仰，必须逐步过渡，这就需要设置竖曲线。竖曲线一般采用圆曲线，也可采用抛物线。

设纵向坡度由i1变为i2，则变坡角ω的弧度近似为

纵向坡度i以上坡为正，下坡为负，故变坡角ω也为代数量。当ω＞0时，竖曲线向上凸称为凸曲线，如图2-16（a）所示。反之，当ω＜0时，竖曲线向下凹，称为凹曲线，如图2-16（b）所示。

图2-16　凸、凹两种竖曲线

（a）凸曲线；（b）凹曲线

竖曲线的最小半径主要取决于停车视距的需要。对于凸形竖曲线［图2-17（a）］，其最小半径R+为

式中：ST——停车视距（见表2-11）；

d1——驾驶员视线高度（m）；(www.daowen.com)

d2——障碍物或危险物的最低高度（m）。

通常，取d1=1.2 m，d2=0.1 m，则

图2-17　凸曲线与凹曲线的视距保证

对于凹形竖曲线［图2-17（b）］根据车辆前灯光束与竖曲线相交的视距，可得最小半径为R-为

式中：h——前车灯离地高度；

δ——前灯边界光束的放射角。

通常，取h=0.75 m，δ=1°，则

3. 横断面线形（Cross-Sectional Design）

公路横断面由车行道、路肩、中间分隔带、边坡、边沟等组成。对于高速公路和一级公路，还设有变速车道、爬坡车道、紧急停车带及路上设施等。二、三级公路只有双车道，不能分道单向行驶，中间不设分隔带。四级公路为单车道，当路基宽度只有4.5 m时需要设置错车道。

1）路基、路面及车行道宽度

公路横断面线形如图2-18所示。

车行道宽度b等于车道的宽度乘车道数。车道的宽度根据车速不同分为两种情况，当计算行车速度v＞60 km/h时，车道宽度采用3.5～3.75 m；当v≤60 km/h时，采用3.0～3.5 m。

路面宽度包括车行道、路缘带、硬路肩及变速车道、爬坡车道、紧急停车带等，但对于二级以下的一般公路，路面宽度也就是车行道宽度。

一般公路的路基宽度B等于车行道与两侧路肩宽度之和，但对于高速公路和一级公路，还应包括中间分隔带、变速车道、爬坡车道、紧急停车带的宽度等。

图2-18　公路横断面线形

2）弯道的外侧超高

在直线路段为了横向排水，将路面铺筑成中间高两侧低，形成路拱。向两侧倾斜的路拱坡度一般为1%～2%。当车辆行驶在弯道路段时，如果路面仍然向两侧倾斜，弯道外侧的路面向外倾斜，则重力横向分力的方向与离心力方向一致，加大了侧翻与侧滑的危险性。为了利用重力的横向分力抵消离心力的作用，弯道上的路面需整体向内侧倾斜，这就是外侧超高。超高横向坡度的大小主要取决于计算行车速度和弯道的曲率半径，这三者的关系应满足式（2-10），将它移项整理即得超高横向坡度i为

式中：v——计算行车速度（km/h）；

R——弯道的曲率半径（m）；

μ——横向力系数，μ≤0.15。

由于车辆速度并不一定等于计算行车速度，有时甚至在弯道上临时停车，因此，超高横向坡度不能太大。《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）规定：积雪冰冻地区不能超过6%；其他地区高速公路和一级公路不超过10%，其他各级公路不超过8%。

3）弯道的内侧加宽

弯道路段不仅需要外侧超高，而且需要内侧加宽，这是因为前轮转向，后轮不能转向，使前后轮在弯道上的轨迹不重合，所需要宽度比直线行驶时要宽一些，如图2-19所示。

图2-19　平曲线上的弯道加宽

单车道需增加的宽度e1为

双车道需增加的宽度e为

式中：R——弯道的曲率半径（m）；

l0——汽车的轴距加前悬（m）。

由式（2-18）可见，内侧加宽主要决定于弯道的曲率半径。《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中对半径小于250 m的弯道的加宽做了具体规定。当半径大于250 m时，可以不必加宽，利用路宽的富余部分就够了。

4. 行车视距

行车视距包括停车视距、会车视距及超车视距，其中主要的是停车视距。

1）停车视距

当驾驶员突然发现前方路上有障碍不能绕过，而能安全地停止在障碍物前所需的距离，称为停车视距。停车视距ST由三部分组成，如图2-20所示。

式中：S1——驾驶员知觉反应时间内车辆行驶的距离（m）；

S2——驾驶员开始制动到完全停车过程中车辆行驶的距离（m）；

S3——车辆停止位置距障碍物的安全距离，通常取5 m左右。

图2-20　停车视距

各级公路的停车视距如表2-11所示。

2）会车视距

会车视距是指两辆对向行驶汽车，能在同一车道上及时制动而不碰撞所需的最小距离，它近似地等于一辆汽车停车视距的两倍。所以，在《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中规定：高速公路、一级公路应满足停车视距的要求；其他各级公路一般应满足会车视距的要求，会车视距的长度不应小于停车视距的两倍。

3）超车视距

《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中规定：对向行驶的双车道公路，应根据需要并结合地形，在适当的距离内设置具有超车视距的路段。超车视距是为了超越前车，借用对向车道而不至于与对向来车相撞所需的最小距离。高速公路和一级公路由于单向行驶，不存在超车视距问题。其他各级公路的超车视距如表2-11所示。

5. 平面视距的保证

车辆在平曲线或交叉口上转弯时，曲线内侧的树木、建筑物及路埑边坡等可能会妨碍驾驶员所需要的视距。图2-21所示内侧车道的行车轨迹上，从A到B的曲线弧长等于视距，它的中点到AB连线的最大距离Z称为横净距。行车轨迹上不同的AB段有不同的横净距，依次把各段横净距的内端点连起来称为横净距的包络线。横净距包络线内高于 1.2 m 的障碍物必须清除，以确保行车视距。

图2-21　弯道平面视距障碍的清除