路面結(jié)構(gòu)設(shè)計原理概述-1

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計原理王端宜教授/博導tcdywang@課程要求的基礎(chǔ)知識土和道路材料方面的相關(guān)知識路基和路面的相關(guān)知識結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計方面的知識計算機操作方面的能力主要參考書《路面分析與設(shè)計》黃仰賢著《路面設(shè)計原理》華工道路工程研究所《高等級公路半剛性基層瀝青路面》沙慶林編著《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》交通部《公路水泥混凝土路面施工規(guī)范》交通部課程目標培養(yǎng)路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計方面的基本能力了解影響路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)因素（交通量、材料特性、環(huán)境因素等）掌握路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的各類方法（以力學—經(jīng)驗法為主）培養(yǎng)論文寫作和報告的能力課程主要內(nèi)容路面的類型、路面設(shè)計應(yīng)考慮的因素柔性路面分析：彎沉/應(yīng)力/應(yīng)變剛性路面分析：彎沉/應(yīng)力交通量分析：當量換算系數(shù)材料特性：定義材料特性的主要指標和試驗柔性路面設(shè)計課程主要內(nèi)容剛性路面設(shè)計加鋪層設(shè)計：舊路評價、加鋪層設(shè)計路面結(jié)構(gòu)非確定性分析和可靠度概念設(shè)計路面的概念和方法設(shè)計材料的概念和方法擬安排的課程論文題目路面結(jié)構(gòu)通常受哪些因素影響？比較合理的設(shè)計程序是怎樣的？通過諾模圖的形式定量指出路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，變化幅度，影響因素（荷載、層厚、模量比、層間結(jié)合、環(huán)境變化（水土溫）等）。剛性路面中的應(yīng)力構(gòu)成及影響因素分析。不同設(shè)計體系當量換算原則，比較其合理性和優(yōu)缺點。擬安排的課程論文題目定義材料特性的主要指標有哪些？如何確定？如何比較經(jīng)驗設(shè)計體系和力學經(jīng)驗設(shè)計體系？我國剛性路面設(shè)計的基本程序。舊路評價的主要內(nèi)容，加鋪層設(shè)計思路。一、路面發(fā)展歷史道路是指對公眾開放的，供客貨車輛、行人和牲畜行走的路線。路面是道路上修筑的一個堅硬光滑的表面，是直接承受行駛車輛的作用，是道路工程的重要組成部分，可以使道路更加舒適和耐久。1、古代的道路(石板）

現(xiàn)存的古羅馬道路

中國宋代以來的道路（廣州）羅馬道路的路面結(jié)構(gòu)羅馬道路的路面結(jié)構(gòu)面層：用平滑的多邊形砌塊鋪筑而成，縫隙用石灰砂漿灌注?；鶎樱菏曳€(wěn)定沙礫。下基層：石灰穩(wěn)定碎石。墊層：石灰砂漿粘接的片石墊層。2、泰爾福特（Telford）路面

典型的泰爾福特路面結(jié)構(gòu)泰爾福特路面特點路面結(jié)構(gòu)總厚度約為350-450mm。底層用100mm寬、75-180mm高的大石塊修筑。上面鋪筑兩層最大尺寸為65mm的碎石層，兩層總厚度150-250mm。最上面鋪筑40mm厚的磨耗層?？梢猿袚暮奢d強度大約為88N/mm（沿寬度）。3、麥克丹姆（Macadam）碎石路面路基的上面，鋪筑兩層最大粒徑為75mm的手工碎石，兩層的總厚度為200mm。最上面是50mm厚磨耗層，由最大粒徑25mm的集料鋪筑而成。典型的麥克丹姆路面結(jié)構(gòu)麥克丹姆碎石路面特點強調(diào)使用有棱角的集料代替圓形沙礫。將路基設(shè)計成具有一定的橫向坡度的以利于排水?？梢猿袚暮奢d強度大約為158N/mm（沿寬度）。麥克丹姆路面芯樣Nostonelargerthanwillenteraman’smouthshouldgointoaroad.不能將比人的口大的石料用于筑路。4、瀝青路面的發(fā)展焦油麥克丹姆路面1848年建于諾丁漢姆郊外，1854年法國，1866年美國。焦油含量一般為6%，空隙率為17%。碎石集料2mm的通過率約為20%，磨耗層的厚度約為50mm。瀝青路面的發(fā)展拌合式路面在路床上攤鋪集料；灑布瀝青結(jié)合料；用圓盤耙和犁現(xiàn)場拌和瀝青和集料；碾壓瀝青混合料（壓路機下的路面不出現(xiàn)位移）；在碾壓成型的磨耗層上面撒布細集料并做成封層。瀝青路面的發(fā)展薄層瀝青路面（sheetasphaltpavements）磨耗層：由瀝青和砂拌制而成，厚度40-50mm；聯(lián)結(jié)層：由瀝青和碎石拌成，厚度40mm；基層：水泥混凝土或經(jīng)破碎的舊路面，厚度：輕型交通100mm、重型交通150mm。瀝青路面的發(fā)展Warren瀝青混凝土路面1901-1903年，Warren以HMA(Hot-MixAsphaltMixture)鋪裝材料和工藝過程為主要內(nèi)容申報了專利。專利涉及HMA、瀝青膠結(jié)料、舊路加鋪罩面等技術(shù)。含有6%的瀝青含量，以及通過適宜的集料級配得到的較低的空隙率。瀝青路面的發(fā)展Topeka瀝青混凝土路面（細級配瀝青混合料）1910年美國堪薩斯州托皮卡城（Topeka）的一項法庭裁定認為，瀝青混凝土混合料中采用最大粒徑為12.5mm的集料不侵犯Warren的專利。為了避免專利約束，美國普遍使用最大粒徑1/2英寸（12.7mm）以下的瀝青混合料筑路，形成了以連續(xù)級配和最大密實原則為主體的熱拌瀝青混凝土（HMA)技術(shù)，并一直延續(xù)至今。瀝青路面的發(fā)展Topeka瀝青混凝土路面特點“Topekamix”含約30%的級配碎石（12.5mm篩孔通過量為100%），砂的用量為58-62%（2.00mm-0.075mm），礦粉填料的用量為8-12%（100%通過0.075mm篩孔），瀝青用量為：7.5-9.5%。瀝青路面的發(fā)展Warrenite–Bitulithic瀝青混凝土路面（1910年）結(jié)構(gòu)層厚度為25mm，經(jīng)挑選的礦質(zhì)集料用瀝青裹覆再碾壓進下層的瀝青路面（大石料、小石料、礦粉、瀝青構(gòu)成）。在未經(jīng)壓實的瀝青層上加鋪一個薄的瀝青磨耗層，可以防止下面瀝青層中的大骨料直接接觸壓路機的鋼輪并被壓碎，從而破壞混合料的級配。5、水泥混凝土路面的發(fā)展水泥混凝土作為一項專利技術(shù)（PortlandCementConcrete—PCC）出現(xiàn)于1824年。直到19世紀后期才開始用于道路工程。PortlandCementConcrete？水泥混凝土路面的發(fā)展水泥混凝土路面的起源1889年美國人GeorgeW.Bartholomew提議在美國的俄亥俄州Bellefontaine市修建第一條水泥混凝土路面。1891年，第一條真正的剛性路面開始施工，采用現(xiàn)場拌合，并采用1.5m的方形模板攤鋪。水泥混凝土路面的發(fā)展水泥混凝土路面性能的改進1930年，加氣混凝土的發(fā)展，提高了PCC路面的抗凍能力。30年代后期，在PCC路面與土基間設(shè)置一個不會發(fā)生唧泥和脫空的基層，材料為沙礫、碎石或爐渣。40年代后期，加州開始使用水泥穩(wěn)定粒料基層。水泥混凝土路面的發(fā)展水泥混凝土路面施工工藝的改進1946年，滑模攤鋪機的提出。1955年，自驅(qū)式滑模攤鋪機的開發(fā)，最大攤鋪寬度8m，攤鋪厚度可達250mm。集中拌和代替現(xiàn)場拌和。路面鋸縫工藝的發(fā)展。時期第一階段（50-60年代）典型結(jié)構(gòu)主要特點適應(yīng)當時的工藝水平與經(jīng)濟條件破壞模式土基承載力不足技術(shù)導向通過最小路基高度控制路基濕度狀態(tài)；控制彎沉保證最小剛度6、我國瀝青路面的現(xiàn)狀

時期第二階段（70-80年代）典型結(jié)構(gòu)主要特點改善了土基工作狀態(tài)，明確強基薄面設(shè)計理念破壞模式反射裂縫、疲勞破壞較為嚴重技術(shù)導向半剛性基層向穩(wěn)定粒料過渡、彎沉大小與路面開裂有較好關(guān)系

時期第三階段（80年代）典型結(jié)構(gòu)主要特點減緩了反射裂縫、有較好的排水性破壞模式瀝青層疲勞破壞嚴重技術(shù)導向瀝青碎石向瀝青混凝土發(fā)展基層進入高強度大模量誤區(qū)（路面評價采用強度系數(shù)）

時期第四階段（90年代）典型結(jié)構(gòu)主要特點解決瀝青層疲勞問題破壞模式反射裂縫嚴重、排水問題未解決（水穩(wěn)定性不足）技術(shù)導向追求較高的以平整度、抗滑指標為代表的使用性能要求

時期第五階段（2000年以后）典型結(jié)構(gòu)主要特點通過材料設(shè)計解決路面功能問題；通過組合設(shè)計解決排水與反射裂縫問題破壞模式有待檢驗技術(shù)導向柔性基層備受關(guān)注7、我國水泥混凝土路面的現(xiàn)狀50、60年代修筑數(shù)量很少

70年代大量修建水泥混凝土路面（瀝青供應(yīng)不足）80年代以后得到了較快的發(fā)展南方多雨地區(qū)，城市道路大量修建，修建質(zhì)量不高不注意養(yǎng)護，早期損壞現(xiàn)象嚴重，缺少有效的維修措施，急需有效的養(yǎng)護維修措施二、瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展經(jīng)典經(jīng)驗法現(xiàn)代經(jīng)驗法力學-經(jīng)驗法經(jīng)典理論法經(jīng)典理論法：1901年，美國麻省建立了第一個路面設(shè)計公式，主要以理論公式為主。以輪載分布到土基頂面的應(yīng)力大小為依據(jù)，目的在于防止土基出現(xiàn)剪切破壞，采用的分析根據(jù)是簡單的靜力平衡原理。經(jīng)典經(jīng)驗法：1929年，美國公路管理局提出了土的道路工程分類法（PRA分類法），同年加州道路局開創(chuàng)了路基土與粒料材料加州承載比（CBR）的相對強度試驗法。以解決土基強度為核心的設(shè)計方法，采用路基土分類、承載板試驗、室內(nèi)承載比試驗或三軸試驗確定土基強度，然后根據(jù)經(jīng)驗確定不同強度土基所需要的路面結(jié)構(gòu)厚度?，F(xiàn)代經(jīng)驗法：1946年，AASHO（美國各州道路協(xié)會，今為AASHTO）---開展了足尺試驗，建立了以使用性能為基礎(chǔ)的經(jīng)驗設(shè)計法，提出了PSI（現(xiàn)時服務(wù)能力指數(shù)）標準，將車轍、裂縫、平整度使用指標與路面結(jié)構(gòu)數(shù)（SN）、材料與荷載間建立了設(shè)計模型與諾謨圖，使設(shè)計更為合理。力學--經(jīng)驗法：1943年Burmister發(fā)表了彈性層狀理論，為瀝青路面設(shè)計的理論分析方法奠定了基礎(chǔ)，1963年殼牌石油公司提出SHELL設(shè)計方法。力學--經(jīng)驗法新法：溫度場與濕度場的耦合的粘彈層狀體系理論與可靠度指標；建立材料、結(jié)構(gòu)與工藝一體化設(shè)計系統(tǒng)。力學--經(jīng)驗法由力學和經(jīng)驗兩部分組成，材料和結(jié)構(gòu)的理論研究成果幫助我們掌握其發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律和機理，建立各種合理的計算分析和預(yù)估模型，而通過現(xiàn)場試驗或工程經(jīng)驗的驗證和修正，使所建立的各種模型和各項參數(shù)能得到同實際相吻合的分析結(jié)果。力學-經(jīng)驗法路面結(jié)構(gòu)

使用性能

力學響應(yīng)量

荷載和環(huán)境1、我國瀝青路面設(shè)計方法

的發(fā)展第一階段70-80年代，力學-經(jīng)驗法：以“三個指標”（彎沉、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力）為代表、以“彈性層狀體系”為理論基礎(chǔ)。提出了瀝青路面設(shè)計的三個過程：結(jié)構(gòu)設(shè)計、厚度設(shè)計、材料設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計就是選擇適宜的材料、合理地設(shè)置結(jié)構(gòu)層的空間位置，保證所設(shè)計的路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限內(nèi)能夠有效地承受車輪荷載和自然因素的作用，實現(xiàn)設(shè)計壽命，并提供高質(zhì)量的服務(wù)品質(zhì)，降低維修和養(yǎng)護費用。厚度設(shè)計路面結(jié)構(gòu)層厚度計算是在對交通因素、環(huán)境因素和車輪荷載因素等充分認識的基礎(chǔ)上，運用經(jīng)驗的或理論的方法計算路面各結(jié)構(gòu)層的適宜厚度。材料設(shè)計材料設(shè)計過程應(yīng)該是根據(jù)路面結(jié)構(gòu)對材料的強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，提出適宜的材料種類，規(guī)格和配比。存在的問題先進的設(shè)計理論落后的設(shè)計參數(shù)存在的問題路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時機械套用經(jīng)驗結(jié)構(gòu)（全國一個模式）；厚度計算時，由于參數(shù)輸入具有非常大的隨意性，瀝青路面理論設(shè)計體系的厚度計算在某種意義上成為了數(shù)字“游戲”；材料設(shè)計與路面結(jié)構(gòu)要求相脫節(jié)，不管交通荷載水平、環(huán)境因素差異，統(tǒng)統(tǒng)采用相同的材料設(shè)計評價方法和指標。2、我國瀝青路面設(shè)計方法

的發(fā)展第二階段20世紀80年代中后期，新設(shè)備、新技術(shù)、新材料、新工藝不斷地應(yīng)用，新的名詞不斷涌現(xiàn)（OGFC、SMA、PE、SBS、PG、Superpave等）。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計體系、思想、觀念、方法并沒有發(fā)生大的發(fā)展和變化。道路建設(shè)、養(yǎng)護維修成本高。我國二級公路與高速公路典型路面結(jié)構(gòu)3、我國瀝青路面設(shè)計方法

的發(fā)展第三階段20世紀90年代，開展了瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和可靠度分析的研究。結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則：保證路面使用壽命；符合當?shù)馗咚俟饭こ烫攸c和實際；適應(yīng)施工機械化作業(yè)、加快工程進度；經(jīng)濟合理地利用當?shù)夭牧腺Y源，降低工程造價。瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化實例某高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果優(yōu)化的經(jīng)濟效果：采用優(yōu)化的路面結(jié)構(gòu)方案，每公里可以節(jié)省投資54.57萬元。路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法厚度優(yōu)化模型：結(jié)合現(xiàn)行公路設(shè)計規(guī)范的要求，提出了以容許彎沉和彎拉應(yīng)力為控制指標。造價優(yōu)化模型：使得路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化不是以路面修建的初始投資大小來選擇路面最優(yōu)方案的基礎(chǔ)上，采用了全壽命造價優(yōu)化、使用性能預(yù)測及評價和模糊綜合評判選優(yōu)等新的技術(shù)。將路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和可靠度分析結(jié)合起來，建立可靠性優(yōu)化數(shù)學模型是近年來國內(nèi)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理論研究的一個新的熱點。三、水泥混凝土路面設(shè)計方法的發(fā)展

設(shè)計目標：提供一種壽命周期費用最小的路面結(jié)構(gòu)，使其在設(shè)計基準內(nèi)按規(guī)定的可靠度水平，承受預(yù)期交通荷載的作用，滿足預(yù)定使用性能的要求。水泥混凝土路面設(shè)計方法的發(fā)展

設(shè)計原則：根據(jù)公路交通量及公路的使用任務(wù)、性質(zhì)，并結(jié)合當?shù)貧夂颉⑺?、土質(zhì)、材料、實踐經(jīng)驗以及施工和養(yǎng)護條件等，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，做出符合使用要求并與環(huán)境相適應(yīng)的經(jīng)濟合理的路面設(shè)計，確定所需要的結(jié)構(gòu)層厚度及其它結(jié)構(gòu)參數(shù)。水泥混凝土路面設(shè)計方法的發(fā)展

經(jīng)驗法：通過對試驗路或使用道路的試驗觀測，建立路面結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)層組合、厚度和材料性質(zhì)）、荷載（軸載大小和作用次數(shù)）及路面性能三者之間的經(jīng)驗關(guān)系，利用所建立的關(guān)系設(shè)計路面結(jié)構(gòu)。水泥混凝土路面設(shè)計方法的發(fā)展

力學—經(jīng)驗法：首先分析路面結(jié)構(gòu)在荷載和環(huán)境作用下的力學響應(yīng)量（應(yīng)力、應(yīng)變、位移），在力學響應(yīng)量與材料性質(zhì)和路面性能之間建立性狀模型和性能模型，并通過試驗路標定和經(jīng)驗修正，以此為基礎(chǔ)按使用要求設(shè)計路面結(jié)構(gòu)。水