2_国内外典型路面设计方法

②松散材料 取决于厚度h2和下面路基模量E3
E2 k2E3
K2 0.2h20.45
h2以mm计，2＜K2＜4
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14
1.1 SHELL设计方法
❖ 材料特性
③整体材料
E 动 5109 101 （ 0N m 2）
❖ ④沥青混合料 劲度模量 →沥青含量，沥青劲度及混合料空隙
SmSb1+2n.5(1CC v v)n
h1
Cmh1
平均
Sm
H1——面层厚
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总变形
R Dh1h2o 21
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1.1 SHELL设计方法
设计步骤
拟订沥青层厚度
▪1
▪2
计算沥青层的有效温度
选定材料组成，求出各层模量
▪3
▪4
计算沥青层底面的水平拉应变
计算路面的试验寿命和使用寿命
▪5
▪6
比较调整
22
1.1 SHELL设计方法
•1981年9月的第九版，提出了以弹性层理论及经验的破坏准则为基础的 力学一经验设计方法，可用于设计全厚式沥青路面和深层高强沥青路面。
•1983年进行了MS-1修订，提出了专门的设计程序CP-1 DAMA，并研 制了能覆盖二个不同温度范围的系列设计图表，然而代表美国很大一部分 地区的只有一张图表。
•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 了三个不同温度区范围的路面厚度设计。
N——18KP作用时等效的单轴作用次数
E ——沥青混合料的劲度模量S
c 10M
V v ——空隙率
V b ——沥青体积率
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M4.84VvVbVb
0.69
31
1.2 AI设计方法
路基表面的垂直压应变
b
N
a
1
c
c
l( 1 N
)m
l,m——系数，与设计方法有关
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1.2 AI设计方法
评述
AI法吸收了各国有关路面设计方法的重大科研成果，把第七版和第八版所用的 结构使用性能和功能特性（PSI）结合起来。在设计中采用了材料的动态弹性模 量，与实际较符。
未考虑各项指标的叠加效果，没有一个综合指标，仅考虑了温度对材料的影响， 而未考虑湿度的影响，且当沥青较薄，交通量小时，设计结果较为保守，所以适 用于较厚的混凝土层。
2_国内外典型路面设计方法
1、柔性路面设计方法
典型柔性路 面设计方法
理论法 SHELL 法
AI法 前苏联法 其他设计方法
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经验法 AASHTO法 CBR设计法
日本设计法 英国设计法
2
1、柔性路面设计方法
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▪1
SHELL设计方法
▪2
AI设计方法
▪3
AASHTO设计方法
▪4
L i 拟换算轴载
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1.1 SHELL设计方法
❖ 温度 ❖ 建立平均温度（年加权平均气温）与沥青层温度的关系
❖ 湿度 ❖ 取最不利季节参数
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1.1 SHELL设计方法
❖ 材料特性
①路基
E 3 1 7 C 0 N m B 2 1 C R 0 M B m 2 N R
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1.1 SHELL设计方法
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1.1 SHELL设计方法
❖ 3、沥青劲度中的粘滞度部分
❖ w——标准轴次
❖ η——沥青粘滞度，取决于沥青的温度和沥青的特性（是温差T-T针入 度和针入度指数的函数），查上图。
❖ t——车轮通过时间，取t=0.02s
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❖ 优点
❖ 在路面力学模型方面，虽然以弹性层状体系理论为基础，但考虑了 材料的非线性和粘弹性特性，在研究过程中曾以非线性层状体系理 论和粘弹性理论来进行对比分析，对理论在设计中的适用性又做了 大量验证工作，在理论上较为完善。
❖ 电算程序功能较为齐全，可计算多种层间接触条件下的任意点的应 力、应变和位移。又能考虑粒状材料的非线性。
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Top-Down 裂缝
1.3 AASHTO设计方法
交通 B
时间约束 A
设计变量
C 可靠度
服务能力 E
D 环境影响
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1.3 AASHTO设计方法
AASHTO试验路基本方程式
19l72oW gt18 9.36 loS gN 10.20 0.4 lo 0 g 4 4..2 21 1 0 p .5 t59 . 14 9 SN 1
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1.1 SHELL设计方法
❖ 车辙
❖ 1、影响因素
▪ 沥青层厚度 ▪ 沥青劲度中的粘滞度部分 ▪ 交通量 ▪ 沥青层平均压力
实验室得到
应用到路上，加入Cm（动载修正系数）
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1.1 SHELL设计方法
2、轴载换算(车辙等效，基于原等效轴次的换算)
A——比例系数，随沥青混合料及沥青的劲度而变，查下图
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1.2 AI设计方法
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设 计 准 则
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1.2 AI设计方法 疲劳准则
永久变形准则
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1.2 AI设计方法
1
沥青层底面 的水平拉应
变εt
2
路基表面 的竖向 应变εc
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设计指标
29
1.2 AI设计方法
沥青层底面拉应变
b
N
a
1
t
19
0
1.1 SHELL设计方法
❖ 4、沥青层各分层的平均应力
❖ 0 ——轮胎压力
❖ i ——第i层上、下面垂直位移差
❖E 1 i ——第i层模量
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1.1 SHELL设计方法
❖ 4、车辙的计算
i
h1i 平均i
E1i
Cm
C m ——动态影响修正系数
因RD发生在高温季节，以Sm代E
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1.3 AASHTO设计方法
❖ AASHO试验路 时间: 50年代 地点: Ottawa, Illinois 58～61年 美 伊利诺斯州 6个环道实验 第一环 不行车
第二环 行轻车 三到六 实验路段
284段不同结构组合的FP 得264种RP 22辆轻型货车和104辆牵引车与半挂车 在实验
CBR设计方法
港口道路、堆场铺面设计方 法
▪5
▪6
英国港口及其他工业重型铺面设计方法
3
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2、刚性路面设计方法
1
AASHTO设计方法
2
PCA设计方法
3
日本设计方法
4 港口道路、堆场铺面设计方法
5
英国港口铺面设计方法
4
1.1 SHELL设计方法
❖ 路面模型
▪ 把路面当作一种多层线形弹性体系，其中各层材料用弹 性模量E和泊松比μ表征。在基本设计方法中，路面结构 假定为层间接触连续的三层体系，下层为路基，中间层 为粒料或水泥稳定类基层和垫层，上层为沥青层，包括 表面层、结合层和下面层。
P 2 0 0 ——通过200号筛集料的概率，取5% f——加载频率 Vv——空隙率
7 0 , F——华氏70时沥青粘度
T——温度 Vb——沥青用量
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1.2 AI设计方法
材料特性
② 乳化沥青 在温度T，硬化时间t时的模量 ③ 未处治粒料劲度模量
Mr k1k2
K1,K2——系数 一般取K1=8000～120000，K2=0.5 θ——第一应力不变量 θ=1/3(σ1+σ2+σ3)
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材料特性
④ 土基劲度模量
1.2 AI设计方法
M r 10CBR(M Nm 2)
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1.2 AI设计方法
设计步骤
选择材料，求得 各层材料特性
依据设计寿命、 各层材料模量和 气温等环境因素，
采用 DAMA计算
求得路面结构各 层的设计厚度
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1.2 AI设计方法
❖ 在荷载图式方面，既有垂直荷载又考虑了汽车在刹车、转弯时的水 平力。
❖ 设计指标方面采用了六项标准，用于控制各种路面破坏现象。 ❖ 设计曲线使用方便，基本不再依赖实验室试验就可进行设计。
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1.1 SHELL设计方法
❖ 缺点
❖ 车辙预估模型无法说明使用改性沥青对减少新建路面车辙的效果。 ❖ 轴载换算以等量的轮胎接触压力为基础，因此无法解释轴载不同，
W18 以18klbf 为标准轴的累计轴数； M R 土基回弹模量； 保证率系数；
估计交通量的标准差；
SN 路面结构数
SN a1D1 a 2 D2m2 a3D3m3
D1、D2、D3 分别为面层、基层、底 基层厚度（ in）
a1、a2、a3 分别为面层、基层、底 基层的结构层系数
m
、
2
m
3
分别为基层、底基层的
排水性系数
pt 经过车辆行驶 N次后，达到的最终耐用 性指数 PSI
pt 经过车辆 N次行 后驶 ，达到的 性最 指P终 数 SI耐用
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1.3 AASHTO设计方法
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1.3 AASHTO设计方法
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1.3 AASHTO设计方法
构型不同而接触压力相同的情况下，路面产生的车辙量不同的现象。 ❖ 在求混合料的劲度时假定沥青劲度等于非弹性部分劲度，未考虑弹
性部分。 ❖ 道路永久变形计算方面原则正确，但计算公式忽视了路基和基层部
分Baidu Nhomakorabea形 。
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1.2 AI设计方法
•AI的发展
•1955的第一版－1970年8月的第八版，全厚式沥青混凝土路面的经验 设计法，主要以AASHTO道路试验、WASHO道路试验和一些英国试验路 的数据为依据 。
以现时服务能力指数PSI为设计标准
设计考虑因素
路面临界 状态指标
设计交通量
土基承载力
地区系数
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1.3 AASHTO设计方法
1.2 AI设计方法
荷载 温度
A
B 沥青混合料动
态模量或回
弹模量
设计参数
C
D
土基回弹模量
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1.2 AI设计方法
荷载
采用结构系数 SN=5 耐用指数 Pt=2.5 时情况
E A L ( 车 辆 数 卡 车 系 数 )
Equivalent Axle load ESAL Single 计算或查下表
1986和1993
lo 4 g .2p t
lo W t1 g8 9 .3l6 oSg N 1 0 .2 0 0 .4 0 4 S .2 1 1 N .1 5 0 5 .19 9 2 .4 3l2 o M g R 8 .0 7
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1.3 AASHTO设计方法
N——路面开裂时的荷载作用次数
——加荷时拉应变 t
a,b——系数，根据疲劳实验得出，修正后用于现场
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1.2 AI设计方法
AI法采用Finn 法
N 1 8 .4 ( c ) 4 .3 2 5 1 0 3 (t) 3 .2 9 1 ( E ) 0 .8 5 4
❖ NCHRP 1-37A 目的：研究新的力学-经验路面设计方法 主要研究单位：ERES，亚利桑那州立大学 研究期限： 2019-2019/2019
❖ 配套的研究课题 NCHRP 1-39： 交通数据收集，分析和预测 NCHRP 1-40： 应用 NCHRP 1-41：反射裂缝 NCHRP 1-42：Top-Down 裂缝 NCHRP 9-30A： 沥青混合料模型校正
•MS-1(thickness design-asphalt pavement for highways and streets)是 美国地沥青学会(AI)出版的公路及城市道路沥青路面厚度设计方法手册。
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1.2 AI设计方法
理论基础：
把路面看成多层弹性体系，各层材料以弹性模量和泊松 比表征，并考虑了沥青混合料的粘弹性和粒料的非线性等特 征。
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1.2 AI设计方法
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1.2 AI设计方法
温度
沥青层内月平均路面温度
M M P T = M M A T 1 +z+ 14 z3 446
z——路面深度（英寸） z=1/3沥青层厚
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1.2 AI设计方法
材料特性
① AC动态模量
E F (P 2 0 0,f,V v, 7 0 ,F ,T ,V b)
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1.1 SHELL设计方法
荷载与交通 温度与湿度 材料特性
设计 参数
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1.1 SHELL设计方法
❖ 荷载
❖ 80KN 单轴重20KN 接地压力P=0.6MPa σ=10.5cm d=21cm 速度50～60㎞/h 加荷时间 0.02s
❖ 轴载换算
F2.4108Li4(8L0i )4
路上每天行驶15小时 共做了1114000（一百一 十一万四千次）
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1.3 AASHTO设计方法
❖ AASHO 试验路的主要成果 提出了服务能力PSI的概念 提出了ESAL的概念 提出了结构数(SN) 的概念 提出了简化的设计回归方程
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1.3 AASHTO设计方法