路面設(shè)計方法 讀書報告

1、國內(nèi)外典型路面設(shè)計方法目前，國內(nèi)外典型的路面設(shè)計方法分為柔性路面設(shè)計法和剛性路面設(shè)計法。典型的柔性路面設(shè)計方法分為理論法和經(jīng)驗法，其中理論法包括SHELL法、AI法，前蘇聯(lián)法；經(jīng)驗法包括AASHTO法、CBR法、日本設(shè)計法、英國設(shè)計法。典型的剛性路面設(shè)計方法包括AASHTO設(shè)計方法、PCA設(shè)計方法、日本設(shè)計方法、港口道路、堆場鋪面設(shè)計方法、英國港口鋪面設(shè)計方法。下面依次介紹各種設(shè)計方法的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。1 典型柔性路面設(shè)計方法1.1 SHELL設(shè)計方法SHELL設(shè)計方法是把路面當(dāng)作一種多層線形彈性體系，其中各層材料用彈性模量E和泊松比表征。在基本設(shè)計方法中，路面結(jié)構(gòu)假定為層間接觸連續(xù)的三層體系，

2、下層為路基，中間層為粒料或水泥穩(wěn)定類基層和墊層，上層為瀝青層，包括表面層、結(jié)合層和下面層。路面模型見圖1圖1 SHELL設(shè)路面模型SHELL設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)包括兩項主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：路基表面垂直壓應(yīng)變以及瀝青層底面的水平拉應(yīng)變；兩項次要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：水泥穩(wěn)定類基層底面拉應(yīng)力（或應(yīng)變）以及路表總變形；其他次要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：基層或底基層無結(jié)合料材料最小模量、瀝青層低溫縮裂。路基表面垂直壓應(yīng)變的計算85%95%瀝青層底面的水平拉應(yīng)變的計算系數(shù)C決定拉應(yīng)變是否產(chǎn)生在層底C133mm， 出現(xiàn)在層底C133mm，h1200mm，位于h1下半部分（E2/E10.6）h1200mm，位于h1上半部分SHELL法的設(shè)計參數(shù)由荷載與

3、交通、溫度與濕度、材料特性決定，各自的計算方法如下：荷載：80KN 單軸重20KN 接地壓力P=0.6MPa 速度5060/h加荷時間0.02s軸載換算溫度建立平均溫度（年加權(quán)平均氣溫）與瀝青層溫度的關(guān)系，濕度去最不利季節(jié)參數(shù)。材料特性：路基 松散材料 取決于厚度h2和下面路基模量E3h2以mm計，2K24整體材料瀝青混合料 勁度模量 瀝青含量，瀝青勁度及混合料空隙Cv混合料剝落空隙率 Cv=VAVA+VLVA集料體積VL瀝青體積SHELL法的設(shè)計步驟可按以下步驟進(jìn)行：擬定瀝青層厚度計算瀝青層的有效溫度選定材料組成，求出各層模量計算瀝青層底面的水平拉應(yīng)變計算路面的試驗壽命和使用壽命比較調(diào)整SH

4、ELL法有如下優(yōu)點：1在路面力學(xué)模型方面，雖然以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ)，但考慮了材料的非線性和粘彈性特性，在研究過程中曾以非線性層狀體系理論和粘彈性理論來進(jìn)行對比分析，對理論在設(shè)計中的適用性又做了大量驗證工作，在理論上較為完善。2電算程序功能較為齊全，可計算多種層間接觸條件下的任意點的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。又能考慮粒狀材料的非線性。3在荷載圖式方面，既有垂直荷載又考慮了汽車在剎車、轉(zhuǎn)彎時的水平力。設(shè)計指標(biāo)方面采用了六項標(biāo)準(zhǔn)，用于控制各種路面破壞現(xiàn)象。4設(shè)計曲線使用方便，基本不再依賴實驗室試驗就可進(jìn)行設(shè)計。同時，SHELL法也有以下缺點：1車轍預(yù)估模型無法說明使用改性瀝青對減少新建路面車轍的效果。2

5、軸載換算以等量的輪胎接觸壓力為基礎(chǔ)，因此無法解釋軸載不同，構(gòu)型不同而接觸壓力相同的情況下，路面產(chǎn)生的車轍量不同的現(xiàn)象。3在求混合料的勁度時假定瀝青勁度等于非彈性部分勁度，未考慮彈性部分。4道路永久變形計算方面原則正確，但計算公式忽視了路基和基層部分變形 。1.2 AI設(shè)計方法AI設(shè)計法從1955第一版開始直到1970年8月的第八版，全厚式瀝青混凝土路面的經(jīng)驗設(shè)計法，主要以AASHTO道路試驗、WASHO道路試驗和一些英國試驗路的數(shù)據(jù)為依據(jù) 。1981年9月的第九版，提出了以彈性層理論及經(jīng)驗的破壞準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的力學(xué)一經(jīng)驗設(shè)計方法，可用于設(shè)計全厚式瀝青路面和深層高強(qiáng)瀝青路面。1983年進(jìn)行了MS-1

6、修訂，提出了專門的設(shè)計程序CP-1 DAMA，并研制了能覆蓋二個不同溫度范圍的系列設(shè)計圖表，然而代表美國很大一部分地區(qū)的只有一張圖表。1991年又提出了MS-1第九版的修正版和新的CP-1 DAMA程序，包括了三個不同溫度區(qū)范圍的路面厚度設(shè)計。AI法的理論基礎(chǔ)是把路面看成多層彈性體系，各層材料以彈性模量和泊松比表征，并考慮了瀝青混合料的粘彈性和粒料的非線性等特征。設(shè)計準(zhǔn)則有疲勞準(zhǔn)則和永久變形準(zhǔn)則，設(shè)計指標(biāo)則為瀝青層底面的水平拉應(yīng)變t和路基表面的豎向應(yīng)變c。瀝青層底面拉應(yīng)變按下式計算：N路面開裂時的荷載作用次數(shù) 加荷時拉應(yīng)變a,b系數(shù)，根據(jù)疲勞實驗得出，修正后用于現(xiàn)場當(dāng)采用Finn法時N18KP

7、作用時等效的單軸作用次數(shù)E*瀝青混合料的勁度模量SVa空隙率Vb瀝青體積率路基表面的垂直壓應(yīng)變按下式計算：l,m系數(shù)，與設(shè)計方法有關(guān)AI法的設(shè)計參數(shù)包括荷載、溫度、土基回彈模量、瀝青混合料動態(tài)模量或回彈模量。各參數(shù)的確定方法如下：荷載：采用結(jié)構(gòu)系數(shù) SN=5 耐用指數(shù) Pt=2.5 時情況時，計算公式如下溫度：瀝青層內(nèi)月平均路面溫度z路面深度（英寸） z=1/3瀝青層厚材料特性： AC動態(tài)模量 P200通過200號篩集料的概率，取5%f加載頻率Vv空隙率 華氏70時瀝青粘度T溫度Vb瀝青用量 乳化瀝青在溫度T，硬化時間t時的模量 未處治粒料勁度模量K1,K2系數(shù) 一般取K1=800012000

8、0，K2=0.5第一應(yīng)力不變量 =1/3(1+2+3) 土基勁度模量AI法的設(shè)計步驟如下：選擇材料，求得各層材料特性依據(jù)設(shè)計壽命、各層材料模量和氣溫等環(huán)境因素， 采用DAMA計算求得路面結(jié)構(gòu)各層的設(shè)計厚度經(jīng)濟(jì)比較最終設(shè)計AI法吸收了各國有關(guān)路面設(shè)計方法的重大科研成果，把第七版和第八版所用的結(jié)構(gòu)使用性能和功能特性（PSI）結(jié)合起來。在設(shè)計中采用了材料的動態(tài)彈性模量，與實際較符。但是AI法未考慮各項指標(biāo)的疊加效果，沒有一個綜合指標(biāo)，僅考慮了溫度對材料的影響，而未考慮濕度的影響，且當(dāng)瀝青較薄，交通量小時，設(shè)計結(jié)果較為保守，所以適用于較厚的混凝土層。1.3 AASHTO設(shè)計方法 美國各州公路工作者協(xié)會

9、AASHO所推薦的設(shè)計法，是根據(jù)20世紀(jì)50年代末60年代初在渥太華和伊利諾斯州的大規(guī)模試驗路成果得到的，AASHO設(shè)計委員會于1961年先提出暫行設(shè)計指南，現(xiàn)已有1972年修訂、1986年版和1993年版。AASHO 試驗路的主要成果：提出了服務(wù)能力PSI的概念、提出了ESAL的概念、提出了結(jié)構(gòu)數(shù)(SN) 的概念、提出了簡化的設(shè)計回歸方程。設(shè)計變量包括：時間約束、交通、可靠度、環(huán)境影響、服務(wù)能力。AASHTO試驗路基本方程式：19721986和1993SN=a1D1+a2D2m2+a3D3m31. 取E2作為Mg,由圖2確定為了保護(hù)基層所需要的結(jié)構(gòu)數(shù)SN1并用下式計算層1的厚度：D1SN1a

10、12. 取E3作為Mg由圖2確定為了保護(hù)底基層所需的結(jié)構(gòu)層數(shù)SN2，并用下式計算層2的厚度：D2SN2-a2D2a2m23. 根據(jù)路基土回彈模量Mg，由圖2確定結(jié)構(gòu)數(shù)SN3，并用下式計算層3的厚度：D2SN3-a3D3a3m3圖2 厚度選擇AASHTO設(shè)計法的基本步驟如下：選定使用性能期和分析期計算分析期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)選用可靠度參數(shù)確定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)考慮環(huán)境的影響確定路基土的有效回彈模量確定路面各結(jié)構(gòu)層的層位系數(shù)選用排水系數(shù)制定第一階段設(shè)計方案確定各結(jié)構(gòu)層厚度。現(xiàn)行AASHTO路面設(shè)計方法的缺陷主要有以下幾點：設(shè)計方法只適合于和AASHO試驗路相同的條件，一種氣候條件，新路的修建，兩年觀測數(shù)

11、據(jù)，ESALs不超過2百萬，50年代的車輛，材料和施工條件，ESALs的換算標(biāo)準(zhǔn)采用PSI，無法采用ESALs可靠地預(yù)測路面的損壞如車轍，疲勞開裂，錯臺等，AASHO試驗路的路基模量是3000 psi，相當(dāng)于6 psi 應(yīng)力差. FWD反算模量遠(yuǎn)大于3000，造成路面加鋪厚度太薄。1.4 CBR設(shè)計方法CBR設(shè)計法依據(jù)CBR實驗設(shè)計路面，CBR為測定土基和粒料基層材料相對強(qiáng)度的室內(nèi)試驗法。CBR=試樣加載強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)加載強(qiáng)度×100%CBR法通過路況調(diào)查得出路面損壞的主要原因：由于路面滲水而路基土側(cè)向移動；基層承載力不均造成的不均勻沉降；路基土與地基承載力不足而造成過大的變形。這些都是與

12、土基和面層材料壓實度和抗剪強(qiáng)度不足有關(guān)，為了表示其強(qiáng)度大小，開創(chuàng)了CBR試驗法，通過建立CBR值、路面厚度、荷載三者之間的關(guān)系圖從而得到CBR設(shè)計曲線。CBR法采用如下計算公式：采用圓形均布荷載時1） 美國陸軍工兵部隊公式：2） 貝爾梯公式：3） 日本竹下公式CBR法時室內(nèi)有效的實驗方法之一，他較承載板實驗法更難，但是他浸水時間只有四天，不能反映實際環(huán)境因素。CBR設(shè)計曲線理論基礎(chǔ)保守，設(shè)計參數(shù)中無交通量大小的概念，對輪壓的大小未予以重視，沒有使用標(biāo)準(zhǔn)和損壞標(biāo)準(zhǔn)。2 典型剛性路面設(shè)計方法2.1 AASHTO設(shè)計方法AASHTO設(shè)計法的標(biāo)準(zhǔn)包括可靠度、PSI、結(jié)構(gòu)特性、環(huán)境對PSI影響。服務(wù)功能

13、指數(shù)PSI設(shè)計方程：logW18=ZRSO+7.35logD+1-0.06+logPSI4.5-1.51+1.624×107D+18.46+(4.22-0.32pt)logScCdD0.75-1.132215.63JD0.75-18.43Ekk0.25AASHTO設(shè)計參數(shù)包括：交通分析、砼抗彎拉強(qiáng)度和彈性模量、路面排水系數(shù)、接縫傳荷系數(shù)、地基設(shè)計反應(yīng)模量、可靠度水平和總標(biāo)準(zhǔn)差。設(shè)計步驟如下：1、確定各項設(shè)計參數(shù)，2、確定地基的設(shè)計反應(yīng)模量K，3、面板厚度設(shè)計（如下圖）K，EcScJCdPSIDK-地基反應(yīng)模量；Ec-混凝土彈性模量；EC-混凝土平均彎拉強(qiáng)度；J-傳荷系數(shù)；Cd-排水系

14、數(shù)；D-板厚。AASHTO設(shè)計方法引進(jìn)耐久性服務(wù)指數(shù)PSI，且提出不同道路等級應(yīng)有不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以試驗路觀測資料為基礎(chǔ)，建立了PSI同板厚、地基反應(yīng)模量K和標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)的關(guān)系采用PSI為設(shè)計指標(biāo)，體現(xiàn)了路面使用性能，設(shè)計參數(shù)全面。2.2 PCA設(shè)計方法PCA的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾個：1. 混凝土板疲勞斷裂 2. 地基和路肩材料侵蝕、沖刷C2對不設(shè)混凝土路肩的路面為0.06，對有拉桿混凝土路肩的路面為0.94。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)同時還考慮接縫傳荷載能力、路肩類型、貧砼基層、三聯(lián)軸影響。設(shè)計年限一般為2040年。在PCA設(shè)計方法中，需要用到貨車的日平均交通量（ADTT）和軸載分布方面的資料。荷載安全系數(shù)

15、（LSF） 對于交通不受干擾和貨車交通量大的州際公路和其他多車道公路LSF=1.2 貨車交通量中等的公路和主干道，LSF=1.1貨車交通量小的道路和住宅區(qū)街道，LSF=1.0在特殊情況可高達(dá)1.3。PCA設(shè)計方法考慮板邊中間應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土疲勞和板角撓度產(chǎn)生的地基沖刷。通常在輕型交通作用下，薄層路面設(shè)計用疲勞分析控制，而在重型交通作用下，厚層路面設(shè)計用沖刷分析控制，對于常規(guī)混合軸載重量作用下的路面，單軸荷載易于疲勞開裂，雙軸荷載易于產(chǎn)生沖刷破壞。分別考慮每一個荷載組，并根據(jù)累積損份量總加起來，反復(fù)驗證厚度，直至兩項損份率均小于1；還考慮了接縫類型及路肩類型影響。2.3 港口道路、堆場鋪面設(shè)計方

16、法設(shè)計原則為：混凝土板的厚度，按荷載彎拉應(yīng)力不超過容許荷載彎拉應(yīng)力確定；混凝土面板荷載應(yīng)力采用溫克爾(Winkler)地基上中厚板理論計算。設(shè)計參數(shù)包括：荷載、土基回彈模量、混凝土鋪面設(shè)計使用年限、基層材料的回彈模量、面層材料的彈性模量、底基層材料回彈模量?；炷龄伱嬖O(shè)計使用年限宜取30年。土基回彈模量和各層鋪面材料回彈模量，按照現(xiàn)行公路柔性路面設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的試驗方法測定。設(shè)計步驟：1、初步擬定路面結(jié)構(gòu)2、設(shè)計參數(shù)計算3、荷載作用次數(shù)計算 1）選取標(biāo)準(zhǔn)荷載 根據(jù)工藝荷載條件及重復(fù)荷載作用的影響選擇 2）計算流動機(jī)械年運(yùn)行次數(shù) 流動機(jī)械年運(yùn)行次數(shù)的估算方式： A、通過調(diào)查分析確定。 B、經(jīng)驗公

17、式估算確定。Ni=ZiWi/intZr裝運(yùn)機(jī)械的裝運(yùn)量擴(kuò)大系數(shù)； Wi 計算的裝運(yùn)機(jī)械每年分擔(dān)的貨運(yùn)量數(shù)（T或TEU）； 不平穩(wěn)系數(shù)，單條道路或通道取1，多條道路或通道取1.50-1.60； 輪跡重疊系數(shù)，用作跨運(yùn)車通道計算，取2，其他取1； i計算裝載量（T或TEU)，為裝運(yùn)機(jī)械常用起吊、載重量。裝運(yùn)集裝箱時取 1 ，一次裝運(yùn)二箱時取2； nt可以分流的道路、通道條數(shù)，用作集裝箱堆場通道計算時，取集裝箱堆放 條數(shù)，用作件雜貨堆場通道計算時，取2，用作散貨堆場通道計算時，根據(jù) 情況確定。4、各層厚度驗算，流動機(jī)械荷載作用情況和集裝箱荷載作用情況A、計算底基（墊）層頂面當(dāng)量回彈模量Et=(1-V

18、o2)EoWcVo-土基泊松比； Eo-土基回彈模量； Wc-雙層體系表面垂直位移系數(shù)Wc； 查雙層體系表面垂直位移系數(shù)Wc諾謨圖，得Wc值。B、計算基層頂面當(dāng)量回彈模量及地基綜合反應(yīng)模量Et=(1-V12)Et1Wc查雙層體系表面垂直位移系數(shù)Wc諾謨圖，得Wc值。C、計算荷載彎拉應(yīng)力cc=Kd×Kr××bD、計算容許荷載彎拉應(yīng)力aa=K1×K2×K3×K4×fcmE、判斷計算荷載應(yīng)力c與容許荷載彎拉應(yīng)力a的是否滿足0.95ac1.03a，若滿足，初擬板厚可作為設(shè)計板厚，否則，重新擬定板厚。3 鋪面設(shè)計針對瀝青鋪面設(shè)計建議：1、考慮路面結(jié)構(gòu)在多種綜合損壞條件下的設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)；2、考慮瀝青混合料的粘彈性和粒料的非線性；3、設(shè)計中采用材料的動態(tài)彈性模量；4、考慮路面材料對動態(tài)荷載的