1、Part1 路面设计方法与设计要素第一章 路面结构分析与设计方法评述l 1刚性路面的设计方法 混凝土弯拉应力是主要甚至唯一的设计要素基于悬臂梁假设的解析解法（板角荷载应力l哥尔德贝克（Goldbeck）、欧尔德(Older) 解法基于稠密液体地基（winkler地基）的解析解法l威斯特卡德（Westergaard）解法（假定地基完全接触）l波特兰水泥协会（PCA）解法（假定地基不完全接触，对威氏解经验修正）基于固体地基（弹性半无限空间地基）的解析解法l皮克（Pickett）解法起源于上世纪60年代的一系列数值解法l有限差分法l有限单元法第一章 路面结构分析与设计方法评述l 2柔性路面的设计方法
2、 经验法通过对试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构（结构组合、厚度、材料性质）、荷载（轴载大小、作用次数）和路面性能三者之间的经验关系。l CBR法l AASHTO-1972/1986/1993l 德RStO 01 力学-经验法首先分析路面结构在荷载和环境作用下的力学响应量（应力、应变、位移），利用力学响应量与路面性能（各种损坏模式）之间建立的使用性能模型，按设计要求设计路面结构。l AI法l Shell法l AASHTO-2002l 南非NITRRl 英诺丁汉大学l 法LCPCl 俄l 比利时l 澳大利亚l 我国方法柔性路面的经验设计法lPorter1929提出概念，1942年推出理论建
3、立依据由于基层承载力不一的不均匀下沉因基层本身承载力不够而变形过大与路面与路基材料的压实度和抗剪强度相关用抗剪指标（CBR）表征路基土承载能力采用典型（固定）路面结构组合根据荷载建立土基抗剪强度与路面厚度关系纯柔性路面破坏1920s典型结构路基土的侧向移动较薄沥青层+（沥青稳定）级配碎石基层+路基CBR设计法设计法土基CBR与必要的路面厚度之间的经验关系按土力学计算不同轮重在土中产生的剪力曲线，标示剪应力对应的CBR值CBR设计曲线AASHTO设计法设计法l AASHTO依据渥太华和伊利诺伊州道路试验成果基础建立。1962提出成果报告：1）得出了路面耐用性指数与路面工作状态间的关系，并根据不同
4、道路等级对路面的使用状况要求，提出了路面设计标准。2）建立了路面设计方法的基本方程，提出了不同设计标准的路面厚度计算列线图和不同路面材料的结构数（SN）。 3)导出了不同车型轴载与数量间等效关系的轴载换算公式。l 不断修订使其适于不同环境、结构和交通状（1961、1972、1972、1986、1993修订扩大）l 设计法特点：依据试验的经验法引入可靠度概念设计指标为现时耐用性指数PSI（Present Serviceability Index）柔性路面的经验设计法l 设计思想性能预测指标可靠度=交通预测指标18180loglogtRWWZS正态偏移/中位数/保证率系数性能预测总体标准差（含结构
5、预测偏差和交通预测误差）预期结构性能允许荷载作用次数预期交通轴载次数185.19log/ (4.21.5)log9.36log(1)0.22.32log8.070.41094 / (1)tRPSIWSNMSN 路面结构数 使用期末的耐用性指数衰减设定的沥青路面初始PSI和工作年限末允许的PSI有效路基土回弹模量性能预测经验方程：4.2tPSIPSI11222333SNa Da D ma D m82.3282.32111.1810(1.1810)nRRiiMMn基于AASHO道路试验，初始PSI为4.2（柔性路面）/4.5（刚性路面）；最终允许最低PSI对主要公路建议为2.5，次要为2.0（可采
6、用更高的值） MRi 季节/各月份模量，通过与土的温、湿状况相关的公式或根据弯沉试验测试确定考虑可靠度的设计方程1805.19log/(4.2 1.5)log9.36log(1)0.22.32log8.070.4 1094/(1)RRPSIWZ SSNMSN设计步骤1.按FHWA可靠度规定确定标准正态偏移ZR；2.选择能代表当地条件的S0（AASHO试验路为刚性路面0.35，柔性路面0.45）；3.按AASHTO法确定W18；4.考虑需要大修、重新罩面和重建之间所允许的最低指数确定PSI;5.由季节模量MRi换算有效路基土模量MR（实际通过计算平均相对损伤数后查图）；6.查图计算结构数SN设计
7、步骤7.结构组合设计，确定结构层材料参数和组合关系。（HMA和稳定处理类基层材料参数可用重复荷载间接拉伸试验（ASTM D-4123），其他材料可以用回弹模量试验方法（AASHTO T274） ）；8.按材料参数确定结构系数9.确定基层和底基层排水系数m1、m2a1 （沥青面层）a2（未处理和稳定处理基层，未处理基层材料E的确定需考虑层位应力状态）220.249(log)0.977aE330.227(log)0.839aEa3（粒料底基层，E需考虑层位应力状态）设计步骤111SNDa9.确定各层厚度（1）取E2作为MR,确定保护基层所需SN1，计算面层厚度：（2）取E3作为MR,确定保护底基层
8、所需SN2，计算基层厚度：211222SNa DDa m（3）根据有效路基土回弹模量MR,确定保护路基所需SN3，计算底基层厚度：211222333SNa Da D mDa m力学经验法沥青层基层路基受拉受压受拉/受压？柔性路面结构的受拉和受压B(c)ccpEn=E0rAAE1E2En-1hn-1h2h1B双圆荷载下多层弹性体系图示机构路面模型损坏模式环境影响设计方式Shell多层弹性疲劳（沥青层、水泥稳定层）车辙（路基压应变、沥青层）温度设计图表程序（BISAR）AI多层弹性疲劳（沥青层）车辙（路基压应变）温度冻融设计图表程序（DAMA）FHWA多层弹性疲劳（沥青层、水泥稳定层）车辙（路表P
9、SI）温度程序（VESYS）NITRR(南非)多层弹性或粘弹性疲劳（沥青层、水泥稳定层）车辙（路基压应变、粒料层剪切）温度电算程序NTU（英）多层弹性疲劳（沥青层）车辙（路基压应变）温度设计图表程序（ANPAD）LCPC(法)多层弹性疲劳（沥青层、水泥稳定层）车辙温度通用设计流程程序（ALIZE）比利时多层弹性疲劳（沥青层、水泥稳定层）车辙温度设计图表电算程序AASHTO-2002多层弹性疲劳（沥青层、水泥稳定层）车辙（沥青层、粒料层、路基）低温缩裂平整度温度湿度冻融电算程序Shelll壳牌石油公司，AI美国沥青学会，FHWA美国联邦公路局，NITRR南非国家运输与道路研究所，NTU诺丁汉大学
10、，LCPC法国桥梁与公路试验中心各种力学经验法交通环境路基路面材料特性设计可靠度初拟路面结构损坏分析疲劳永久变形低温开裂反射裂缝相应损坏标准合适？选定路面结构和材料要求力学经验设计法框图力学经验法的核心问题l路面结构的力学响应模型l路基土和路面材料的特性l损坏模式和损坏标准l路面使用性能预估模型荷载作用环境影响l荷载、材料和结构变异性及结构设计可靠度Part1 路面设计方法与设计要素l 第二章 路面的四类设计要素1 荷载（轴载等效换算、轮胎接触形状、行车速度）2 环境（温度、湿度）3 材料参数（弹性、粘弹性、温度变形系数）4 破坏极限（破坏模式）四类要素是制约路面设计的关键控制因素路面设计要素
11、关联路面设计要素关联设设计计荷荷载载环环境境材料材料结构结构交通量交通量交通增长率交通增长率轴载谱轴载谱轴载换算标准轴载换算标准温度温度湿度湿度降雨量降雨量设计方法（配合比、剂量）设计方法（配合比、剂量）材料力学性能材料力学性能材料路用性能材料路用性能结构组合设计结构组合设计结构荷载动力响应结构荷载动力响应结构破坏模式结构破坏模式结构设计指标与标准结构设计指标与标准长期使用性能衰变规律长期使用性能衰变规律原材料力学要求原材料力学要求原材料性能要求原材料性能要求路面设计是结合荷载与环境对路面的影响，通过特定的分析技巧，选择并运用适当的材料，建立满足使用要求的合理结构的过程第一章 路面的四类设计要
12、素l1荷载1.1轴载等效换算l轴载换算的问题 换算原则 标准轴载l多级轴载和轮组的问题1.2轮胎接触形状l接触形状问题l接触压强问题1.3车辆动态影响l动态影响的考虑方法典型半拖挂车车轮布置1 荷载l 1.1轴载等效换算换算原则换算原则标准轴载标准轴载换算指标换算指标换算系数换算系数换算公式换算公式换算原则等效疲劳损伤原理等效疲劳损伤原理换算原则l 等效疲劳的不同路面破坏极限l疲劳开裂沥青层底、无机结合料基层层底、水泥板块层底l沥青层永久变形l路基顶面永久变形l路面使用性能容许极限(例：路面现时耐用性指数PSI）l表面弯沉两个互推原则1.不同荷载在同一结构上作用不同次数后，达到同一极限状态；2
13、.对某一交通组成，无论采用何种轴载标准进行换算，用换算后的轴载次数设计或计算的路面结构相同。换算公式推导l 以我国现行沥青路面表面弯沉指标为例不同轴重弹性层状体系下弯沉比：cdlAN设计弯沉表达式：1211112222ccdcdlANNlA NN11 11122222PPblplp1112222211PP PPb cnddllNllN按轴载换算互推原则：b值：林秀贤研究结果（72种典型结构）b=0.87；交通部公路科学研究所研究结果b=0.93；长安大学研究结果b=1.01.16c值：交通部公路研究所19721973全国8省一市调查c0.2； 19921993全国54段公路调查，c=0.204
14、；86、97、06版规范都使用0.2由此，97版和06版设计规范都使用 n=4.75结构响应的敏感性结构响应的敏感性轴载轴型的代表性轴载轴型的代表性标准轴载标准轴载标准轴载标准轴载各种设计方法的标准轴中国中国AASHTO（美）（美）AI（美）（美）俄俄法法日日南非南非澳大澳大利亚利亚轴重轴重（KN）10080（18kip）80（18kip）A/B*130988080胎压胎压(Kpa)700552（80psi）483（70psi）600/500662610750轴轮型轴轮型单轴双轮*A组（适于高等级道路）：载货汽车100、公共汽车110；B组（适于普通等级）：载货汽车60、公共汽车70统计表明：
15、我国轴重60130KN轴载只占24%，载重货车超载率近50%，我们应该提高标准轴载么？多级轴载的考虑方法l 多后轴汽车的轴距一般都在120 135cm，轴距与轮压半径比平均约为12，必须解决其应力、应变或变形在两轴间的干扰问题l 按等效破坏原则（拉应力、拉应变、变形.）进行换算l AI认为双轴的一次作用相当单轴两次?l 加拿大亚伯达省交通运输部（埃德蒙顿市）全面研究结果总重135kN双轴/181kN三轴等效于80kN单轴（轴数系数分别为2.12和3.41）1993年我国林秀贤引用亚伯达省研究实测回归关系，换算到单轴100kN,得到总重117kN双轴/132kN三轴等效于100kN单轴（轴数系数
16、分别为2.21和3.35 ）该参数一直沿用到今天1221P PnNNC1.2轮胎接触形状高压轮胎实际接触形状高压轮胎实际接触形状胎壁受压胎壁受压胎压胎压接触压力接触压力胎壁受拉胎壁受拉胎压胎压接触压力接触压力接触压力与胎压的关系接触压力与胎压的关系载重汽车通用轮胎载重汽车通用轮胎高压轮胎简化接触形状高压轮胎简化接触形状0.3L0.4L轮胎接触面积问题分析用简化形状刚性路面用刚性路面用（PCA1966）0.3L0.4L刚性路面用刚性路面用（PCA1984-）0.6L0.8712L0.577L刚性路面用刚性路面用（VESYS1978）d沥青路面（多层弹性体系）用沥青路面（多层弹性体系）用（我国、（
17、我国、AI等）等）/pP A1.3车辆动态影响轮载动态作用随车速提高而变大，但其偏其偏离静荷载的机会是均等离静荷载的机会是均等的的动态作用对粘弹性材料有显著影响但是按动态影响分析路面太复杂目前的各国设计体系中一般采用静态荷载粘弹性材料参数试验的加载速率与行车速度匹配粘弹性材料参数随加载速率而变路面结构动力学成为研究热点2环境l温度对沥青层的影响对混凝土板的影响对路基影响l湿度对路面材料影响对路基影响对刚性路面结构影响l温度湿度协同冰冻3材料参数l 一般性质 按弹性体系分析时，需要土基和每一层的弹性模量弹性模量和泊松比泊松比（泊松比对路面响应较小，可以合理假设）； 若材料弹性模量随荷载作用时间变
18、化，应选用荷载作用时间和车速相当的的回弹荷载作用时间和车速相当的的回弹模量模量，作为重复荷载作用下的弹性模量； 材料作为非线弹性体时候，必须给定回弹模量与应力状态之间的本构方程回弹模量与应力状态之间的本构方程。l 柔性路面 HMAHMA层作为线性粘弹性体时，必须给定蠕变柔量层作为线性粘弹性体时，必须给定蠕变柔量，该值是不同荷载作用时间下模量的倒数。如果蠕变试验温度与路面设计温度不同，还必须给定标示沥青混合料对温度敏感程度的时间时间温度换算系数温度换算系数； 如果按照疲劳开裂进行设计，必须给定沥青混合料的疲劳性质沥青混合料的疲劳性质（疲劳方程）； 如果按照各层永久变形累计起来形成的车辙深度进行设
19、计，则必须给定每层的永每层的永久变形参数久变形参数； 如果以其他破坏形式，如低温开裂作为设计依据，必须给定响应的性质，如在冬季设计温度时的沥青或沥青混合料劲度模量沥青或沥青混合料劲度模量。l 刚性路面 对液体地基上的刚性路面，必须给定地基反应模量地基反应模量K K； 为考虑温度翘曲作用，必须给定混凝土的热膨胀系数混凝土的热膨胀系数； 必须给定混凝土的抗弯拉强度和疲劳性质混凝土的抗弯拉强度和疲劳性质； 如果以其他破坏作为设计依据，必须给定相应的特性。如因传力杆承受的应力过大产生错台，则应给定传力杆的直径和间距。4破坏极限l柔性路面疲劳开裂永久变形l沥青层l粒料层l路基l刚性路面疲劳开裂柔性路面破坏极限l疲劳开裂横向、纵向、网状，那种是疲劳开裂？横向裂缝：低温缩裂（自上而下）、反射开裂（自下而上）、温度疲劳（自上而下）纵向裂缝：结构疲劳损伤（可能来自于面层也可能来自于基层），路基不均匀沉降也是主因网状裂缝：结构疲劳损伤，是纵向裂缝的进一步发展，基层水稳定性不好、排水不良、低温硬脆也是起因柔性路面破坏极限l永久变形哪儿引起的？结构型、流动型、压密型、磨耗型刚性路面破坏极限l疲劳开裂横裂板角断裂
