Part1 路面设计方法与设计要素

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
路面结构的力学响应模型 路基土和路面材料的特性 损坏模式和损坏标准 路面使用性能预估模型
荷载作用 环境影响
荷载、材料和结构变异性及结构设计可靠 度
荷 载
设计方法（配合比、剂量） 材料力学性能 材料路用性能 结构组合设计 结构荷载动力响应 结构破坏模式 结构设计指标与标准 长期使用性能衰变规律
温度 湿度 降雨量
环 境
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 路面的四类设计要素
根据荷载建立土基抗剪强 度与路面厚度关系
土基CBR 与必要的 路面厚度 之间的经 验关系
CBR设计曲线
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
柔性路面的经验设计法
AASHTO设计法
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 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。
柔性路面的经验设计法
CBR设计法
Porter1929提出概念，1942年推出
理论建立依据 1920s典型结构 纯柔性路面破坏 较薄沥青层+（沥青稳定） 级配碎石基层+路基
路基土的侧 向移动
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
CBR法 AASHTO-1972/1986/1993 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。
AI法 Shell法 AASHTO-2002 南非NITRR 英诺丁汉大学 法LCPC 俄 比利时 澳大利亚 我国方法
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） 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）
设计思想
性能预测指标×可靠度=交通预测指标
p
柔性路面结构的受拉和受压
双圆荷载下多层弹性体系图示
各种力学——经验法
机构 Shell AI FHWA NITRR (南非) NTU（英） 路面模型 多层弹性 多层弹性 多层弹性 多层弹性或 粘弹性 多层弹性 多层弹性 多层弹性 损坏模式 疲劳（沥青层、水泥稳定层） 车辙（路基压应变、沥青层） 环境影响 温度 设计方式 设计图表 程序（BISAR）
等效疲劳损伤原理
换算原则
等效疲劳的不同
路面破坏极限
疲劳开裂——沥青层底、无机结合料基层层底、水泥板 块层底 沥青层永久变形 路基顶面永久变形 路面使用性能容许极限(例：路面现时耐用性指数PSI） 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.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。
基于固体地基（弹性半无限空间地基）的解析解法
皮克（Pickett）解法
起源于上世纪60年代的一系列数值解法
有限差分法 有限单元法
第一章 路面结构分析与设计方法评述
§2柔性路面的设计方法
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。
预期交通轴载次数
预期结构性能允许荷载作用次数
正态偏移/ 中位数/保 证率系数
log W18 log Wt18 ZR S0
性能预测总体标准差（含结构预测偏差和 交通预测误差）
性能预测经验方程： 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
log Wt18
log[PSI / (4.2 1.5)] 9.36 log( SN 1) 0.2 2.32 log M R 8.07 5.19 0.4 1094 / ( SN 1)
D2
SN 2 a1D1 a2 m2
（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：
D3
SN 2 a1D1 a2 D2 m2 a3m3
力学—经验法
沥青层 基层 路基
受拉 受压 受拉/受压？
h1 h2 hn-1
A B c c E1 E2 En-1 En=E0
§1荷载
§1.1轴载等效换算
轴载换算的问题
• 换算原则 • 标准轴载
多级轴载和轮组的问题
§1.2轮胎接触形状
接触形状问题 接触压强问题
§1.3车辆动态影响
动态影响的考虑方法
典型半拖挂车车轮布置
§1 荷载
§ 1.1轴载等效换算
换算原则 标准轴载
换算指标 换算系数 换算公式
换算原则
N1 N ห้องสมุดไป่ตู้2
n
c
l1 ld 1 l2 ld 2
N1 P2 N 2 P1
P2 P1
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=1.0~1.16
c值：交通部公路研究所1972~1973全国8省一市调查c≈0.2； 1992~1993 全国54段公路调查，c=0.204；86、97、06版规范都使用0.2
1.18 108 M R 2.32
n
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
1 (1.18 108 M Ri 2.32 ) n i 1
多级轴载的考虑方法
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 按等效破坏原则（拉应力、拉应变、变形…….）进行换 算 n
N1 N 2 C P2 P1
AI认为双轴的一次作用相当单轴两次?? 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（轴数系数分别为2.21和3.35 ）该参 数一直沿用到今天
LCPC ( 法)
比利时
疲劳（沥青层、水泥稳定层） 车辙
疲劳（沥青层、水泥稳定层） 车辙 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
通用设计流程 程序（ALIZE）
设计图表 电算程序
AASHTO2002
多层弹性
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，LCPC——法国桥梁与公路试验中心
设计步骤
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 a1 （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）
换算公式推导
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：
l1 p11 1 P1 l2 p2 2 2 P2
b
设计弯沉表达式：
按轴载换算互推 原则：
ld AN
c
ld 1 A1 N ld 2 A2 N
bc
c1 1 c2 2
§1.2轮胎接触形状
胎壁受压 胎壁受拉 胎压 胎压
接触压力
接触压力
载重汽车通用轮胎
接触压力与胎压的关系
0.4L
SN a1D1 a2 D2m2 a3 D3m3
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
a2 0.249(log E2 ) 0.977
a3 0.227(log E3 ) 0.839
9.确定基层和底基层排水系数m1、m2 a3（粒料底基层，E需考虑 层位应力状态）
设计步骤
9.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：
D1
SN1 a1
（2）取E3作为MR,确定保护底基层所需SN2，计算基层厚度：
疲劳（沥青层） 车辙（路基压应变）
疲劳（沥青层、水泥稳定层） 车辙（路表PSI） 疲劳（沥青层、水泥稳定层） 车辙（路基压应变、粒料层剪切） 疲劳（沥青层） 车辙（路基压应变）
温度 冻融
温度 温度 温度 温度 温度 温度 湿度 冻融
设计图表 程序（DAMA）
程序（VESYS） 电算程序 设计图表 程序（ANPAD）
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
§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
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
威斯特卡德（Westergaard）解法（假定地基完全接触） 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）
由此，97版和06版设计规范都使用 n=4.75
标准轴载
结构响应的敏感性 标准轴载
轴载轴型的代表性
标准轴载
各种设计 方法的标 准轴 轴重 （KN） 胎压(Kpa) 中国
AASHTO （美）
AI （美）
俄
法
日
南非
澳大 利亚
80 750
100 700
80 80 （18kip） （18kip）
A/B*
130 662
98 610
80
552 483 600/500 （80psi） （70psi）
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：我国轴重60~130KN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？
Part1 路面设计方法与设计要素
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
路面设计要素关联
原材料力学要求 原材料性能要求 材料 设 计 结构 交通量 交通增长率 轴载谱 轴载换算标准
路面结构数 有效路基土回弹模量
考虑可靠度的设计方程
log[PSI / (4.2 1.5)] log W18 Z R S0 9.36log(SN 1) 0.2 2.32log M R 8.07 5.19 0.4 1094 / ( SN 1)
PSI 4.2 PSIt