路面设计原理资料

Uuu 一、Shell 设计法

把路面当作一种三层线形弹性体系，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。 设计参数：荷载与交通、温度与湿度、材料特性

1 Shell 法设计标准考虑哪些指标？如何确定之？（3个层次6个指标）

两项主要标准：

1 路基表面垂直压应变z ε

把路基的永久变形限制在足够的数值内，根据AASHTO 试验路，考虑可靠度和路面服务性能指数PSI,取PSI=2.5标准荷载作用下，路基容许的垂直压应变z ε按下式计算：

85% z ε=20.252.110N

--⨯⨯ 95% z ε=20.25

1.810N --⨯⨯ 2 沥青层内的水平拉应变rl ε

水平拉应变的最大值取决于层间模量比与沥青层的材料有关，是否在层底，取决于C 系数 211

()E C h mm E = C ≤133mm 时，max rl ε出现在层底

C>133mm 时，1h ≤200mm ，位于1h 下半部（E2/E1≥0.6）

2h >200mm ，位于1h 上半部

两项次要标准：

1） 任何整体基层内容许拉应力（或应变）

水泥稳定类 容许拉应力

(10.075log )r s N σσ=- s σ为极限强度

2） 路表总变形。

采用车辙深度作为面层容许的的永久变形的标准，以验算根据变形的标准设计路面的永久变形是否超过其设计使用期内规定界限，对高速公路为10mm,一般公路30mm 。

其他次要标准：

1） 基层或底基层无结合料材料最小模量（取决于路基模量和粒料基层厚度h 2）

2） 沥青层低温缩裂

2 车辙计算。

在本设计方法中，采用车辙深度作为面层容许的永久变形的标准，以验算根据应变标准设计的路面的永久变形是否超过其设计使用期限内的规定界限——对于高速公路取10mm ，对于一般道路则为30mm 。

25

.0rl

-⨯=N C ε

1车辙影响因素：①沥青层厚度 ②沥青劲度中的粘滞度部分 ③交通量 ④沥青层平均压力 2 轴载换算

W 1.4W A =总等效 A ——比例系数，随b S 及m S 而变

3沥青劲度中的粘滞度部分

在计算永久变形时假设沥青混合料的永久变形是沥青劲度的粘滞度部分（或非弹性部分） b,T,t 3S w t ηη

=⋅∑ 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）

t ——车轮通过时间，取t=0.02s

4 沥青层各分层的平均应力i σ⋅平均

各分层的平均应力取决于轮胎压力和许多参数，即轮胎接触面积的半径和层次厚度间的泊松比，各层次其下层的模量比。

平均应力与轮胎压力0σ之间的关系由比例系数Z 得出，对于第i 分层，规定为：

i

i 1i i 001i h Z E δσσσ⋅==平均 0σ——轮胎压力；i δ——第i 层上、下面垂直位移差；1i E ——第i 层模量

5 车辙的计算

根据上述分析，永久变形的计算公式得出如下：

1i i i m 1i

h C E δδ=⋅平均 m C 为动态影响修正系数。 对沥青层而言，永久变形往往出现在高温季节，所以上述中的E 1,i 必须以沥青混合料的劲度模量m S 代替。此外尚须考虑静态和动态之间的区别。于是车辙深度成为：

1m 1m h C h S σ∆=平均 1h 为面层厚

总变形 12o RD h h δ=∆+∆+∆

3 Shell 法优缺点：

优点：

1）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。

2）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。

3）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。

4）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。

5）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。

缺点：

1)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。

2)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，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。

3)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。

4)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变形。

二、路基参数

1试述路基强度参数Eo、K、CBR的概念与区别及E0、CBR的主要影响因素。

1土基回弹模量E O：

（1）表示土基在弹性变形阶段内，在垂直荷载作用下，抵抗竖向变形的能力，如果垂直荷载为定值，土基回弹模量值愈大则产生的垂直位移就愈小；如果竖向位移是定值，回弹模量值愈大，则土基承受外荷载作用的能力就愈大，因此，路面设计中采用回弹模量作为土基抗压强度的指标。

（2）影响因素：湿度（含水量或饱和度）、干密度、土的类型、加荷频率和加荷循环次数等。现场承载板和室内承载板试验研究发现含水量和压实度对路基回弹模量有较大影响，其中又以含水量的影响最为显著。

a．含水量对路基回弹模量的影响

影响土基回弹模量的最关键因素是含水量。含水量对路基回弹模量影响很大，研究表明，从饱水条件到疏干条件，回弹模量增大3~5倍。对有代表性的土质进行现场承载板和室内承载板试验研究，发现含水量每增加1个百分点，E0平均降低11.2%，路基路面的排水设计非常重要。大量试验表明，凡是压实不足的土，不论其初始密实度如何，饱水后都会趋于同一含水量和同一密实度。稠度与回弹模回弹模量随着稠度的增加而迅速提高。 E0＝

0.001K2.3654 （R＝0.9999，n=9）

b．压实度对路基回弹模量的影响

提高路基压实度，是提高路基强度的重要方式。压实土的压缩性主要取决于它的密度和加荷时的含水量。压实土的抗剪强度性状也取决于受剪时的密度和含水量。E0随着K的增加而提高，K越大，E0也越大，K增加得越大，E0的提高幅度也越大。

2地基反应模量K

地基反应模量是表征温克勒地基的变形特性。其基本假定是：地基上任一点的弯沉l，仅与作用于该点的压力p成正比，而与相邻点处的压力无关。压力与弯沉值关系的比例常数K称为地基反应模量，即：K=p/l。可以利用承载板试验确定。

3 加州承载比CBR：

（1）加州承载比CBR是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百分数表示CBR值。

（2）影响因素：

（1）在标准的试验方法和相同的试验条件下，对塑性指数相同的土体而言，影响CBR值的主要因素是土体中矿物类型及其含量的多少，其次为粘粒组颗粒曲线分布情况及粘粉比m。粘粉比m越大，CBR 值越小。

（2）粒径。粒径越大则浸水对其影响越小，即对浸水越不敏感。