路面设计原理与方法作业--第一次

第一题:计算分析沥青路面设计时应力指标（剪应力、拉应力）与应变指标之间的关系，分析路面结构类型（柔性基层沥青路面、半刚性基层沥青路面、刚性基层沥青路面）与指标类型选择的关系。

应力、应变指标间关系

在沥青路面设计中，首先是计算路表轮隙中心处路表计算弯沉值ls应小于或等于设计弯沉值ld，同时验算轮隙中心或单圆荷载中心处的层底拉应力，应小于或等于容许应力。

应力应变应该满足广义胡克定律：

由前三个式子可得，正应变不是仅由对应的正应力引起的，是由三个方向的正应力共同决定的，但它们的权重不同。

三种典型路面结构设计选取的指标类型分析

柔性基层沥青路面、半刚性基层沥青路面、刚性基层沥青路面，它们之间的主要区别在于所选用基层材料不同，对路面结构受力的影响也仅在于基层模量不同。为了简化问题，准确分析路面结构类型与指标类型之间的关系，本文选取了三种典型的路面结构，以代表柔性基层沥青路面、半刚性基层沥青路面、刚性基层沥青路面。为了便于比较，三种典型结构所选用的面层材料、土基材料均相同，层间接触状况及各层厚度也完全相同，唯一的区别在于基层模量。具体的结构设计方案与力学参数如下所示：

材料名称厚度/cm 抗压回弹模量/MPa 泊松比层间接触

SMA-13 4 1400 0.3 完全连续

AC-20 6 1200 0.3 完全连续

AC-25 8 100 0.3 完全连续

级配碎石40 250 0.35 完全连续

土基40 0.35 完全连续

材料名称厚度/cm 抗压回弹模量/MPa 泊松比层间接触

SMA-13 4 1400 0.3 完全连续

AC-20 6 1200 0.3 完全连续

AC-25 8 100 0.3 完全连续

结果分析：

（1）就结构内最大拉应力而言，柔性路面在面层层底拉应力最高，半刚性路面与刚性路面在基层层底的拉应力水平较高。

（2）就结构内最大拉应变来说，柔性路面的沥青层底拉应变水平远高于其它2类路面，因此，柔性路面必须对该指标进行控制；半刚性路面与刚性路面在面层主要是受压状态。

（3）从结构内剪应力的角度来看，3类沥青路面的剪应力水平均较高，尤其是在路面表层。

由此得到的控制指标如下：

（1）对于柔性基层沥青路面，其面层层底处于较高水平的受拉状态，弯拉应力与弯拉应变均较大，此外，柔性基层沥青路面顶部的剪应力水平也较高，面层容易产生剪切破坏。由此，建议采用沥青层底拉应力、沥青层底拉应变、面层剪应力，作为沥青路面设计的控制指标。

（2）对于半刚性基层沥青路面，沥青层以受压为主，沥青层底拉应变水平较高，面层仍处于高剪切状态，而半刚性基层层底承受了太多结构弯拉应力，对基层受力较为不利，极易有基层层底产生裂缝向上扩散。由此，建议采用半刚性基层层底拉应力、面层剪应力，作为沥青路面设计的控制指标。（3）对于刚性基层沥青路面，其沥青层完全受压，弯拉应力集中在刚性基层底部，面层剪应力进一步减小。由此，建议采用刚性基层层底拉应力，作为沥青路面设计的控制指标。

参考文献：不同类型基层沥青沥青路面设计指标的控制张艳红等长安大学学报（自然科学版）2010

第二题:分析沥青路面抗滑的内涵及要求

1.沥青路面抗滑原理

路面抗滑的内涵是使得车辆在不利行驶时期（雨雪天）或不良行驶状况（转弯、紧急制动）时，车轮与路面之间具有足够的附着力，车轮不产生空转或溜滑，能够保持安全行驶。此外，当汽车制动时，能够缩短汽车的制动距离，降低发生交通安全事故的频率。

2.沥青路面抗滑要求

（1）路面表面的粗糙程度：包括两个方面，路表的微观纹理（石料表面的纹理），路表的宏观纹理（面层表面外露的石料凹凸不平的程度）。微观构造的尖峰值保证集料在潮湿状态下穿透路表的水膜、排除水分并保持轮胎与路面的紧密接触，密度与间距直接影响路面的摩擦力。工程中常用低速摩阻力的抗滑值（SRV）和集料的磨光值（PSV）相组合的方法进行评定。路面的宏观构造表征路面集料颗粒之间的空隙和排水能力，常用的是通过铺砂法、激光构造仪法和排水测定法。

对图(a)进行分析，可以认为，在较低的车速时，路面的抗滑能力主要由路面结构的微观构造来提供，因为有集料表面的尖峰可以刺破水膜，同时尖峰之间的凹槽可以将路面水及时排除，从而保证了车轮与集料之间的良好接触，并使面层抗滑水平提高；在车速较高的公路上，路面抗滑水平主要取决于宏观构造的特征，这是由于路面积水来不及排除而在车轮与路面之间形成了一层水膜,此时必须借助于构造深度所提供的较大通道，才可以保证轮胎与路面的良好接触，进而形成较高的抗滑能力。

路面表面构造及车速对抗滑能力的影响轮胎与路面的相互作用区

（2）路面干湿状态：当路面处于干燥状况时,路面的抗滑能力总是能够满足安全行车的需要,但是当路面由于雨天或洒水等原因而表面潮湿时,其抗滑表层能力将明显下降。这可以根据轮胎与路面的界面状态来解释。将接触面分为3个区，如图（b）所示，轮胎前路表面有连续水膜的为1区；2区内由于车轮的挤压作用水膜被扩散，余下间断性的薄水膜；在3区内水被彻底挤走，轮胎与路面之间的细构造之间处于干燥接触状态，可以提供行车所需要的抗滑能力。因此，为了保证车辆在高速行驶时能够及时排除路表水，一方面可以通过增加轮胎胎面凹槽的深度和数量，另一方面需要借助于路面的粗构造提供足够的排水能力。车速越高或水膜厚度越大，则3区的接触面积越少，路面的抗滑水平下降的越快。在路面的粗构造下降到一定程度后，2区或3区有可能消失，从而在轮胎与路面之间形成连续的水膜，由此可能产生车轮在水面上的滑漂现象。

（3）沥青面层材料：从沥青材料讲，应使沥青硬化快，不使石料下沉，具有较高的粘结力，不使碎石剥落。粗集料应选用坚硬，耐磨，抗冲击性好的矿石或破碎砾石。细集料应洁净，干燥，无风化，无杂质，并有适当的颗粒组成，细集料应与沥青有良好的粘结能力。

对图（c）进行分析，我们发现石料磨光值与摩擦系数存在正比关系，因此，抗滑路面应尽量选取磨光值较高的石料。