东南大学路基路面设计原理与方法博士入学试题参考资料

1、深入了解沥青路面结构组合设计的内容，对沥青面层、基层类型及各自的作用能进行全面的分析。路面设计包括两方面的内容： 路面结构组合设计和厚度设计。 其中结构组合设计是最复 杂的。一个优良的路面结构组合设计方案对设计者提出了以下各方面的要求： 了解路面材 料、当地交通和气候条件以及它们之间的相互作用； 了解路面的使用性能等级以及设计年 限内应该满足的使用性能。沥青路面结构设计的主要内容就是根据当地的交通、 气候条件， 通过对路面材料性能的 把握，设计出在设计年限内具有与道路等级相符合的路面使用性能的沥青混凝土路面。具体的说，当地的交通要与标准轴载 (BZZ-100) 进行换算，并根据车辆横向分布系数

2、、 车道系数等计算出设计年限内标准累计当年轴载作用次数。 关于气候方面要根据公路气候分 区表， 确定当地的气候类型，以决定基层的类型， 垫层的设置与否等问题。 对路面材料的把 握是最为复杂的部分，放在路面的使用性能部分阐述。路面的使用性能可参照采用现时服务指数 PSI(Present Serviceability Index) 的概念来衡 量。它对路面做出了一下要求：强度和刚度；稳定性；耐久性；平整度；抗滑性 能；防噪声。强度和刚度是路面结构设计中最基本的考虑因素。 而判断道路强度和刚度是否符合要求 则需要结合材料力学中的五个强度理论： 最大拉应力理论、 最大拉应变理论、 最大剪应力理 论、莫

3、尔强度理论和能量理论， 在实际设计中则需要针对具体问题进行分析， 以决定使用某 个或某些强度理论，它同样需要结合设计中确定的设计指标来确定。 稳定性问题则考虑的是高温、 低温或者潮湿条件下路面结构的承载能力。 沥青材料在低 温到高温的过程中会经历弹性粘弹性粘性的过程， 在低温容易产生开裂， 在高温和荷载 作用下，会产生车辙，在潮湿条件下，路面排水不良，会造成沥青路面粘结料的剥落。平整度一方面考虑了行车的舒适性和经济性， 另外一方面也考虑了振动荷载对路面结构 的影响。抗滑性能主要从行车的安全性方面考虑。噪声分车内噪声和车外噪声， 对于高速公路和一级公路主要应该考虑车内噪声， 而对于 低等级公路和

4、城市道路，车外噪声是主要的考虑因素。一个合格的路面结构设计应该综合考虑上面每一部分。 沥青面层类型：上面层、中面层和下面层。上面层主要起磨耗作用，应该具有良好的表面性能 (抗滑、平整、低噪声 )，通常采用较 细的集料、 较多的沥青用量，混合料密实不透水， 或者做成多孔隙排水性表面层。 上面层是 车辆荷载直接作用的一层，还要求有较高的强度和稳定性，以满足不同气候特征。下面层又可称作联结层， 起承重作用，可采用较粗的集料，当厚度过大时， 可分层摊铺 碾压， 这时可分别称作中面层和下面层。 下面层较荷载传递给基层， 同时也提供了一定的支 撑。但是沥青面层具体选用几层结构不是固定的， 需根据实际情况而

5、定。 因而可能出现单层、 双层或者三层结构的面层。沥青基层类型：上基层和底基层。基层是铺面结构中的承重部分，它主要承受车辆荷载的竖向力，并把 由面层传下来的应力扩散到垫层或土基，故基层应具有足够的强度和扩散应力的能力。基层受自然因素的影响不如面层强烈， 但是仍应有足够的水稳定性， 以防基层湿软后变形过 大，从而导致面层损坏。有时候基层选用两层，其下面一层就称作底基层。 底基层设置的主要目的是分担承重层作用以减薄上基层的厚度， 对底基层的材料性能要 求比基层低，因而可以采用当地的地方材料，因地制宜，达到资源的合理配置。二深入了解沥青路面、水泥混凝土路面胎压、轴载、轴数等对 路面的影响。 分析超载

6、、超限，并详细了解 WIM 及沥青混凝土路面、 水泥混凝土路面的轴载换算方法，同时能对比国外的方法。我国在高速公路的使用状况上， 也存在着很多问题， 造成了资金和资源的浪费。 究其原 因，存在以下两个方面的问题： 1）超载或超限车辆的预估不足； 2）轴载换算与实际状况存在 偏差。 现就车辆荷载对路面的影响作一些简要的探讨。1）胎压轮胎的充气压力称为轮胎压力， 简称胎压。 在相同荷载作用下， 路面所需厚度随胎压增 大而增加，随主轮轴轮数增多而减小。2）轴载轴载大小对路面影响巨大。以柔性路面设计为例，我国JTJ014 97 公路沥青路面设计规范标准轴载当量作用次数的换算中， N 随各级轴载 P1

7、呈指数增长。当以设计弯沉值为指 标及沥青层层底拉应力验算时， P1 的指数为 4.35；当进行半刚性基层层底拉应力验算时， P1 的指数为 8。可见，小荷载对路面结构的影响微乎其微，而重型荷载的作用可以大大地 缩短路面使用年限。3）轴数车辆总重一定的情况下， 轴数多， 单位轴重小， 整辆车造成的路面的累计疲劳损坏得到 一定的缓和。但是，轴数过多，造成轴间距过小，会在路面内部造成应力叠加。4）超载超限 超载运输是指车辆所装载的货物超过车辆额定载货质量。 越限运输是指运输车辆超过路 面结构规定的限值。 超载但不超限的车辆对路面的使用寿命有一定的影响， 超载超限的车辆 对路面的使用寿命有很大的影响，

8、 有的甚至超过路面结构的极限承载力， 使路面结构出现结 构性破坏， 产生严重的安全事故。 对超载条件下路面结构的设计问题。 公路设计技术人员十 分重视，日前我国交通部已经颁布并实施了公路超限运输管理条理。5）WIM 系统原理WIM系统是对行驶中的车辆进行动态称重的系统。在我国，WIM系统俗称动态汽车衡。此技术主要用在路面管理系统中的数据采集， 根据轴载和交通量的数据来进行路面设计和路 面养护措施的选取， 大大节约了交通调查的资金， 同时数据也更加符合车辆对路面作用的真 实状态。 WIM 系统是公路计重收费系统中的重要组成部分，是进行公路运输贸易结算、制 止超限运输现象发生并在智能交通管理中引入

9、信息化管理技术的重要计量器具。6）我国沥青混凝土路面、水泥混凝土路面轴载换算方法 沥青混凝土路面按 JTJ01497 公路沥青路面设计规范第 3.0.3 条规定： 路面设计以双轮组单轴载 100kN 为标准轴载，以BZZ-100表示；其轮胎接地压强采用0.7MPa，单轮传压面当量直径 d采用21.3cm，两轮中心距为1.5d。当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于25kN的各级轴载P1的作用次数n 1,均应按以下公式换算成标准轴载P的当量作用次数N：4.35PNCG ni Po其中：Cl为轴数系数；C2为轮组系数。当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50kN各级轴载P

10、的作用次数，均应按如下公式换算成标准轴载的当量作用次数N1 :P 8N1C1C2ni o其中：C1为轴数系数；C2为轮组系数，单轮组为18.5，双组为1.0，四轮组为0.09。之后按双圆均布荷载作用下的弹性半空间体上的多层弹体系理论来计算结构层厚度或进行层底弯拉应力验算。其中主要公式为：设计年限内一个车道上累计当量轴次：t11365路面设计弯沉值Ld600Ne 0 Ac A A, 0.01mm。Ls路表弯沉值1000 空E。F 0.01mmNe N1层底最大拉应力m P m。水泥混凝土路面按JTG D40 2002公路水泥混凝土路面设计规范第条规定：路面设计以100kN的单轴双轮组荷载为标准轴

11、载，不同轴一轮型和轴载的作用次数，换算为标准轴载的作用次数。16NsiNi100其中：i为轴一轮型系数。i 1o之后按温克勒地基上的薄板理论以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳弯拉应力 进行验算。其中主要公式为：r pr trfr其中：Pr为行车荷载疲劳应力；tr为温度梯度疲劳应力。7）国外相应问题研究现状沥青混凝土路面国外的沥青路面设计方法，可分为经验法和力学一经验法两大类。经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构、荷载和路面性能三者间的经验关系。最为著名的经验设计方法有美国加州承载比 （CBR）法和美国各州公路和运输 工作者协会（AASHTO）柔性路面设计法。力学一经验法

12、首先分析路面结构在荷载和环境作用下的力学响应 (应力、应变、位移 )， 利用在力学响应与路面性能 (各种损坏模式 )之间建立的性能模型，按设计要求设计路面结 构。最著名的是美国沥青协会 (AI)法和壳牌石油公司柔性路面设计(Shell)法。目前的路面设计方法实际上就是设计路面厚度， 一般考虑以下两个内容： 1)路面总厚度 的控制，所采用的控制指标是路基顶面的压应变；2)面层厚度的控制，在基于力学的设计方法中采用面层底面的弯拉疲劳应变作为控制指标。实际上面层厚度的确定一般是按照经验进行的。上述方法均未能做到按照使用性能设计路面结构， 更不能控制路面性能衰变的全过程。 AASHTO 法以 PSI

13、为设计指标，控制了路面使用末期的 PSI 值，但未控制路面 PSI 的变化 过程。 AI 法、 Shell 法以多项指标分别控制设计，未考虑各指标的叠加效应，即没有一个综 合的评价指标。我国沥青路面设计采用的是力学一经验法。其路面模型借鉴了SHELL 的理论设计法，把路面作为一种多层弹性体系。 对比国内外现有设计方法， 我国的设计理论还有待改进， 如：(1) 材料的回弹模量。我国采用的都是静态的模量值，如路基土的回弹模量、沥青混合 料的回弹模量。由于路面受到车辆动荷载作用，所以动态模量能更切合实际。(2) 我国的专用设计程序计算的是多层弹性层状连续体系的精确解，但实际上，层间接 触并不一定是完

14、全连续的，可以考虑从完全连续到完全光滑的层间接触条件。(3) 我国设计理念是假定沥青层厚度，以基层作为承重层设计其厚度，认为路面破坏就 意味着基层破坏。但实际上也未尽然，也存在基层完整、 面层破坏现象，因此应该以沥青层 作为承受拉应力的主要承重层考虑，计算沥青层厚度。(4) 我国采用的弯沉作为设计指标，它反映了材料和结构的弹性部分，在力学概念上较为明确。 但力学计算表明， 土基顶面的弯沉和路表弯沉的关系比较复杂， 对于不同的路面结 构路表弯沉不能明确反映土基顶面的工作状态。另外， 对于高等级公路， 随着交通量的日益加大也会引起路面车辙， 而车辙是材料的塑性变形累积， 显然仅用设计回弹弯沉不能有

15、效地 控制路表车辙，故可以将路基顶面垂直压应变作为一项设计控制指标。(5) 不少研究表明我国沥青面层底面拉应力验算指标在设计中不起控制作用，因此可以 采用面层底部的最大拉应变作为设计指标来控制疲劳开裂。(6) 虽然我国规定了以不利季节的土基模量作为设计值，沥青面层材料参数的取值也规 定了温度条件，但对于土基干湿变化和路面温度变化大的地区，就显得无能为力了，因此， 对于环境因素可更加明确、细化，诸如用 AI 和 SHELL 等设计法来处理。(7) 目前的这些设计方法都没有详细考虑经济因素。基于使用性能和寿命周期费用分析的、包括新建和改建沥青路面结构设计在内的全寿命路面结构厚度优化设计方法，将是以

16、后路面设计方法发展的重要方向。水泥混凝土路面迄今为止， 世界各国研究发展了多种混凝土路面设计方法。 按照力学分析与经验推断的 主辅情况，路面结构设计方法可以分为两大类型：经验一力学法和力学一经验法。1) 经验一力学法，通过修筑试验路，进行行车荷载试验和观测，采集路面结构、轴载和作用次数以及路面使用性能指标的数据， 并经过统计分析整理， 建立使用性能指标同路面结 构和荷载参数的经验关系式。 同时，进行试验路面结构的力学分析， 建立力学指标同路面结 构和荷载参数间的经验关系式。 综合两方面关系式来建立设计模型，用以预估性能参数， 推求路面的使用寿命及确定路面结构尺寸。 AASHTO 水泥混凝土路面

17、设计方法就是该种方法 的一个典型。2) 力学一经验法， 将路面结构模型化为理想的结构图式，并将行车荷载和环境因素作用典型化，采用弹性层状体系或弹性地基板等结构分析理论和解析法或有限元法等计算方法， 建立荷载作用和环境作用与路面结构的应力和位移反应之间的计算模型和公式，来分析各结 构层设计变量对使用性能指标影响程度的手段， 并检验路面是否达到或超过预定使用性能指 标。美国波特兰水泥协会 (PCA) 设计方法、美国陆军的机场刚性道面设计方法及我国的水泥 混凝土路面设计方法，都采用此类方法。此外， 按照设计参数和指标为确定型或概率型， 路面结构设计方法也可分为： 确定型设 计法和概率型设计法。1)确

18、定型设计法，是一种传统的水泥混凝土路面设计方法，即输入定值的材料参数、结 构参数、交通参数及环境参数等，通过结构计算得到在设计使用期内满足要求的面层厚度。 我国旧规范采用这种方法。2)概率型设计法， 引入可靠度的概念， 将材料和结构参数的变异性及交通荷载参数的变 异性引入结构设计方法， 可以估计设计方法的总方差及各项变量的不确定性所占的比重， 并 使设计结果同施工质量管理和控制水平相关联，从而可以更确切地选定路面结构的相关参 数，有针对性地提出改善主要设计参数变异性的设计或施工措施。 我国新规范采用该种方法。我国规范在总结我国已有研究成果和借鉴 AASHTO 可靠度设计方法的基础上形成了 “概

19、率型极限状态设计法 ”，引入可靠度的概念， 考虑不确定因素的影响，并对调查显示的路 面设计方法与路面实际情况不相符的偏差做了部分修正，从而使路面结构设计更加符合实际， 并使设计同施工质量管理和控制水平紧密结合起来， 进而提高我国混凝 土路面施工及管理水平， 改善混凝土路面的使用性能。 尽管规范的设计方法取得了很大改进， 但仍然存在不足， 诸如设计方法的逐步改进和结构可靠度分析的逐步完善等。 因此在今后发 展中期望能够实现理论方法与实际相结合， 形成更为完善的设计方法， 使混凝土路面的技术 水平提高到新的层次。三能分析沥青混凝土路面、 水泥混凝土路面的主要病害及其原 因，分析沥青混凝土路面、 水

20、泥混凝土路面设计指标与标准与路面主 要病害的关系沥青路面各种病害的成因比较复杂， 由于环境、地点、气候条件的不同，病害的情况不 一。现将沥青路面的几种病害与防治方法介绍如下：1. 泛油它大多是由于混合料中沥青用量偏多， 沥青稠度太低等原因引起， 但有时也可能由于低 温季节施工，表面嵌缝料散失过多，待气温变暖之后，在行车作用下矿料下挤，沥青上泛， 表面形成油层而引起泛油。 沥青表面处治和沥青贯入式路面最容易产生此类病害。 可以根据 泛油的轻重程度，采取铺撒较粗粒径的矿料予以处治。2. 波浪它是路面上形成有规则的低洼和凸起变形。 波浪的产生， 主要是由于沥青洒布不均形成 油垄，沥青多处矿料厚，沥青

21、少处矿料薄，再经过行车不断撞击而造成高低不平。交叉口， 停车站， 陡坡路段行车水平丽作用较大的地方， 最容易产生波浪变形。 波浪变形处治较为困 难，轻微的波浪可以在热季采用强制压平的处理方法， 严重的波浪则需用热拌沥青混合料填 平3. 拥包在行车水平力作用下， 沥青面层材料的抗剪强度不足则易产生推挤拥包。 这类病害大多 是由于所用的沥青稠度偏低，用量偏多， 或因混合料中矿料级配不好， 细料偏多而产生。此 外，面层较薄，以及面层和基层的粘结较差，也易产生推挤，拥包。这种病害一般只能采取 铲平的方法来处治。4. 滑溜 沥青路面滑溜主要是由于行车作用造成， 矿料磨光， 沥青面层中多余的沥青在行车荷载

22、 重复作用下泛油，也易形成表面滑溜。这类病害通常多采用加铺防滑封面来处治。5. 裂缝 沥青路面裂缝的形式有纵向裂缝、横向裂缝、龟裂与网裂几种。 沥青路面沿路线纵向产生开裂的原因， 一种是因填土未压实， 路基产生不均匀沉降或冻 胀作用造成的； 另一种是沥青混合料摊铺事件过长， 或接缝处理不当， 接缝处压实未达到要 求，在形成作用下形成纵向裂缝。冬季气温下降， 沥青路面或基层收缩而产生的裂缝， 一般为与道路中线垂直的横缝。 土 基敢缩或冻胀产生的裂缝，亦以横缝居多。路面整体强度不足，沥青面层老化，往往形成闭合图形的龟裂、网裂。 对较小的横缝和纵缝， 一般用灌入热沥青材料加以封闭处理。 对较大的裂缝

23、， 则用填塞 沥青石屑混合料的方法处理。 对于大面积的龟裂、 网裂，通常采用加铺封层或沥青表面处治。 网裂，龟裂严重的路段，则应进行补强或彻底翻修。6. 坑槽沥青路面产生坑槽的原因是面层的龟裂、 网裂未及时养护逐渐形成坑槽。 基层局部强度 不足，在行车作用下也易形成坑槽。坑槽的处治方法是将坑槽范围挖成矩形，槽壁应垂直， 在四周涂刷热沥青后，从基层到面层用与原结构相同的材料填补，并予夯实。7. 松散 松散大多发生在沥青路面使用的初期。松散的原因是采用的沥青稠度偏低，粘结力差， 用量偏少； 或所用的矿料过湿、 铺撒不匀；或所有嵌缝材料不合规格而未能被沥青粘牢。基 层湿软，则应清除松散的沥青面层后，

24、重新压实，待基层干燥后再铺面层。8. 啃边在行车作用和自然因素影响下， 沥青路面边缘不断缺损， 参差不齐，路面宽度减少，这 种现象称为啃边。产生的原因是路面过窄，行车压到边缘而造成缺损， 边缘强度不足， 路肩 太高或太低， 雨水冲刷路面边缘都会造成啃边。 对啃边病害的处治方法是设置路缘石、 加宽 路面、加固路肩。有条件时设法加宽路面基层到面层宽度外20-30cm 。水泥混凝土路面的使用性能在行车和自然因素的不断作用下逐渐变坏， 以至出现各种类 型的损坏现象， 大体分为接缝破坏和混凝土面板损坏两个方面， 损坏性质也可以分为功能性 损坏与结构性损坏两个范畴。接缝的破坏（ 1）挤碎 出现于横向裂缝（

25、主要是胀缝）两侧数十厘米宽度内。这是由于胀缝内的滑动传力杆位置不正确， 或滑动端的滑动功能失效， 或施工时胀缝内局部有混凝土搭连， 或胀 缝内落入坚硬的杂屑等原因， 阻碍的板的伸长， 使混凝土在膨胀时收到较高的挤压赢利， 当 其超过混凝土的抗剪强度时，板即发生剪切挤碎。（ 2）拱起 混凝土面板在受膨胀而受阻时， 某一接缝两侧的板突然向上拱起。 这是由于 板收缩时裂缝张开， 填缝料失效， 坚硬碎屑等不可压缩的材料塞满缝隙， 使板在膨胀时产生 较大的热压应力，从而出现纵向压曲失稳。（ 3）错台 横向接缝两侧路面板出现的竖向相对位移。 当胀缝下部嵌缝板与上部缝隙未 能对齐， 或胀缝两侧混凝土壁面不垂

26、直， 使缝旁两板在伸胀挤压过程中， 会上下错开而形成 错台。 地面水通过接缝渗入基础使其软化，或者接缝传荷能力不足，或传力效果降低时，都 会导致错台的产生。 当交通量或基础承载力在横向各幅板上分布不均匀， 各幅板沉陷不一致 时，纵缝也会产生错台现象。（ 4）唧泥 汽车行经接缝时，由缝内溅出稀泥浆的现象。在轮载的频繁作用下，基层由 于塑性变形累积而同面层板脱空， 地面水沿接缝下渗而积聚在脱空的空隙内； 在轮载的作用 下积水变成压水而同基层内浸湿的细料混搅成泥浆，并沿接缝缝隙喷溅出来。唧泥的出现， 使面板边缘部分失去支撑，因而往往在离接缝 1.5-1.8m 以内导致横向裂缝。此外， 纵缝两侧的横缝

27、前后搓开、 纵缝缝隙拉宽、 填缝料丧失和脱落的功能也都属于接 缝的破坏。混凝土板本身的破坏混凝土板的破坏主要是断裂和裂缝。 面板由于所受内应力超过了混凝土的强度而出现横 向或纵向以及板角的断裂和裂缝， 其原因是多方面的： 板太薄或轮载太重； 行车荷载的渠化 作用（荷载次数超过允许值） ；板的平面尺寸太大，使温度翘曲应力过大；地基过量塑性变 形使板底脱空失去支撑； 养生期间收缩应力过大； 又有材料或施工质量不良， 混凝土未能达 到设计要求等等。断裂裂缝破坏了板的结构整体性，使板丧失应有的承载能力。因而， 断裂 裂缝可视为混凝土面层结构破坏的临界状态。我国新建公路沥青路面设计采用双圆垂直均布荷载作

28、用下的弹性层状了连续体系理论， 高速公路、 一级公路、二级公路的路面结构， 以路表回弹弯沉值、 沥青混凝土层的层底拉应 力及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标， 三级公路、 四级公路的路面机构以路表面设计 弯沉值为设计指标。弯沉指标应用存在的问题设计弯沉值的计数公式l d =600N e -0.2AcAsAbld 设计弯沉值（ 0.01mm ）Ne 设计年限内一个车道累计当量轴次（次/车道）A c 公路等级系数，高速公路、级公路为1.0,二级公路为1.1，三、四级公路为1.2。As 面层类型系数，沥青混凝土 为 1.0 ，热拌合沥青碎石、沥青灌入式路面（含上拌下贯式路面） 、沥青表面处治为 1

29、.1 。 A b 路面结构类型系数,半刚性基层沥青路面为1.0,柔性基层沥青路面为 1.6。弯沉指标的非唯一性 由设计弯沉值的计数公式可知,对于相同的结构层组合和材料类型的同一种 路面结构,路表弯沉值的大小可以反映出路面结构的抗变形能力,路表弯沉值小的路面结构具有较大的承载能力和较长的使用寿命。 因而, 可依据相同的破坏标准判断其承载能力 （标准轴载重复作用次数 ） 。但对于不同种类的路面结构,路表弯沉的大小就不存在可比性即 路表弯沉值大的路面结构其承载能力或使用寿命不一定会比路表弯沉值小的路面结构差；反之亦然。 因而不能仅依据弯沉指标值来判断出路面结构的承载能力,或者比较出不同路面结构的承载

30、能力的高低。路表弯沉指标与路面破坏类型不一致路面结构的损坏, 可能是由于某一组成结构或整个结构的过量塑性变形, 也可能起因于 结构层内某处的应力或应变量超出了该处材料的疲劳强度或疲劳应变值。重复荷载和环境因素的继续作用, 使塑性变形不断积累,或者使破坏点不断延伸、扩展,路面结构便随之出现了不同形态的破坏,继而反映到路表,表现出较大的变形。而路表弯沉值（总变形量 ） 仅是路面结构对作用荷载的一个综合的或表观的响应量。 由不同结构层组合和材料类型组成的 路面结构, 在荷载和环境因素的作用下, 具有不同的应力和应变场。 破坏点可能出现在不同 的位置, 其延伸和扩展可能采用不同的方式, 路面结构的破坏

31、可能表现出不同的形态, 破坏时的路表弯沉可能具有不同的量值。对于沥青路面，破坏点可能出现在沥青面层的底面(由于该处的弯拉应变超出了材料的疲劳应变 ) ，而后裂缝不断扩展并反映到路表 ;破坏点也可 能出现在沥青面层内部，由于剪切变形的发展和积累 , 路表出现影响行车安全的车辙变形。 这两种不同损坏形态， 都可以定义为路面结构破坏的临界状态， 但它们具有不同的路表弯沉 量。由此可以看出，路表弯沉值与路面的损坏状态并无很好的对应关系。四分析国内外主要设计方法，如 Shell、AI 、 AASHTO2002 、PCA 。具体了解经验设计方法、 力学经验设计方法、 优化设计方法的特点。能进行设计指标、设

32、计理论、设计标准来源等的对比分析经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测 , 建立路面结构、 荷载和路面性能三者 间的经验关系。最为著名的经验设计方法有美国加州承载比 (CBR) 法和美国各州公路和运 输工作者协会 (AASHTO) 柔性路面设计法。CBR 法是以 CBR 值作为路基土和路面材料 (主要是粒料 ) 的性质指标 ,通过对已损坏或 使用良好的路面的调查和 CBR 测定, 建立起路基土 CBR - 轮载- 路面结构层厚度 3 者之间 的经验关系。 利用此关系曲线 , 可以按设计轮载和路基土 CBR 值确定所需的路面层总厚度。 路面各结构层的厚度 , 按各层材料的 CBR 值进行当量

33、厚度换算。不同轮载的作用按等弯沉 的原则换算为设计轮载的当量作用。此方法设计过程简单、概念明确,适用于重载、低等级的路面设计 ,所提出的 CBR 指标已作为路面材料的一种参数指标得到了广泛应用。 如日本的 路面设计经验法 (TA 法 ) 就是以 CBR 法为基础制定的。AASHTO 法是在 1958 1962 年间 AASHO 试验路的基础上建立的。 整理试验路的试 验观测数据得到了路面结构 - 轴载 - 使用性能三者间的经验关系式。 路面结构中的路基土采 用回弹模量表征其性质 ,路面结构层按各层材料性质的不同转换为用一个结构数( SN) 表征。AASHTO 方法提出了现时服务能力指数 ( P

34、SI) 的概念 ,以反映路面的服务质量。 PSI 是一个 由评分小组进行主观评定后得到的指标 , 它与路面实际状况 ( 坡度变化、裂缝面积、车辙深 度、修补面积 ) 之间建立经验关系式 ,提出了轴载换算的概念和公式,考虑了结构的可靠度和排水条件的影响 ,这些思想对后来世界各国的设计思想产生了很大的影响。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(应力、应变、位移 ) , 利用在力学响应与与路面性能 ( 各种损坏模式 ) 之间建立的性能模型 ,按设计要求设计路面结 构。最著名的是美国沥青协会 (AI) 法和壳牌石油公司柔性路面设计 (Shell) 法。Shell 设计方法是由英、

35、荷壳牌石油公司研究所研究、发展和完善起来的设计方法。在 该设计方法中 ,路面结构分为 3 层,即路基、基层和沥青层 ,各层材料以动态模量 P 劲度表征 , 以厚度、模量和泊松比表示路面特征。混合料的粘弹性性质以其劲度模量体现,其值取决于沥青含量、沥青劲度和沥青混合料的空隙率。路基模量受应力影响,路基动态模量可以通过现场的动态弯沉试验在道路实际湿度条件和荷载条件下测定 ,也可在室内通过三轴仪测定。 当有困难时 ,也可根据 CBR 或承载板试验结合工程经验选择。 无机结合料基层模量依赖于它 的受力状态 ,其值取决于路基模量和基层厚度。环境因素的影响以温度对沥青混合料材料特 性的影响来表征。此方法中

36、交通荷载以标准双轮轴载次数为代表,设计年限内的累计轴次即为设计寿命。临界荷位的应力应变由计算机程序 BISAR 计算。标准轴载为单轴双轮,轴重80 kN ,单轮轴载为20 kN ,双圆接地半径 R = 105 mm ,轮际间距315 mm。在计算中，沥青层、 无机结合料基层及路基的泊松比都为 0. 35 ,计算应力与应变的最不利位置都取 2 处,即沥青 层底部和路基顶部的轮中心下及轮际中心下。 Shell 设计法考虑了 2 项主要设计标准和 2 项 次要设计标准。2项主要设计标准是控制疲劳开裂的沥青层底面的容许水平拉应变& fat和控制永久变形的路基顶面的容许竖向压应变 Z。控制标准分别如下式

37、：Nf =I (0. 856Vbitbit + S -m0ix. 36 ) /rI5Nf4= ( a/r )4式中，N f 为累计标准荷载作用次数 ；Vbit为结合料的体积比 ；Smix为沥青的劲度模量。可靠度为 50 %时, a 取 0. 028 ; 可靠度为 85 %时, a 取 0. 021 ;可靠度为 95 %时, a 取 0.018。2 项次要标准是水泥稳定类材料底面的弯拉应力和路表面的永久变形。 水泥稳定类材料 底面的弯拉应力采用下式控制 :升2 =升1(1-0. 75lgN f )式中，J?为容许弯拉应力；为材料的极限弯拉强度。由于 沥青层具有粘弹性特性 ,因此会产生永久变形。为

38、了控制所设计的路面结构在使用中不出现 过大车辙 ,即高速公路不超过 10 mm ,普通道路不高于 30 mm ,SPDM 建立了基于静态蠕变试 验的车辙预估模型 - 沥青层厚度、沥青层平均应力、沥青混合料劲度模量的函数。沥青层永 久变形公式如下式 :hi - i = Cm *h i . i *( Z * So )/Sm - i式中，Z为应力分布系数；So为轴载压应力，标准轴载80 kN的为6氷05 Pa ; Sm - i为i 层沥青混合料的单轴静态蠕变劲度模量 ； Cm 为动态修正系数 ,反映动态轮辙试验及静态蠕 变试验的差异 ，同混合料类型有关。将各层的永久变形相加即为沥青层的永久变形，沥青

39、层永久变形同基层与路基变形之和即为车辙。AI 设计法也把路面看成多层弹性体系 ，材料特性主要包括土基、 粒料基层和沥青层的回 弹模量和泊松比。路基土的泊松比假设为0. 45 ，其它材料的泊松比假设为0. 35。路基土的回弹模量的确定可由室内重复三轴抗压试验确定，或根据其与 CBR(或R)的关系式估计而得；粒料材料的回弹模量与应力水平相关 ，其值可根据多变量回归的预测方程计算 ；热拌沥青混合 料的动态模量由室内 60 种不同的沥青混合料试验得到的计算公式确定。 环境的影响通过面 层温度对沥青混合料劲度值的影响来体现，以面层厚 1P3 深处的温度作为沥青层的设计温度由月平均气温和路面温度的关系式计

40、算得到。沥青混凝土面层、沥青混凝土(全厚式 ) 或乳化沥青基层采用 3 层弹性层状连续体系 ，当其下还有粒料基层时 ，采用 4 层弹性层状连续 体系。荷载模型为双圆垂直荷载 ，不考虑水平荷载 ，以 80 kN 单轴荷载为标准轴载 ，单圆当量圆 半径为S = 11.43 cm两轮中心间距为3 S力学计算须计算各层沥青层底、路基土顶面以下单 圆中心点 ，单圆内侧边缘、双圆间隙中心点3 个点的最大应力、应变值。 AI 法采用的设计标准与Shell法相同,即控制疲劳开裂的沥青层底部的水平拉应变0和控制永久变形的土基表面的竖向压应变 z。(1) 疲劳准则AI 法建立了标准混合料 (沥青体积为 11 %

41、，空隙率为 5 %) 的疲劳方程 ，该方程考虑了实 验室与野外条件的差异。- 3. 2913 - 0. 854Nf = 0. 001 15 (0)| E |3式中，Nf为控制疲劳开裂的允许荷载重复作用次数;| E I为沥青混合料的动量，MPa。AASHO 道路试验所选路段的观察表明 ,应用上式所得到的疲劳开裂占总面积的 20 %。对于 非标准混合料 ,根据试验室的疲劳试验结果 ,上式可表示为 :- 3. 291 3 - 0. 854Nf = 0. 001 15 （ ee）| E | C式中, C 是沥青混合料空隙率 Va 和沥青体积率 Vb 的函数。Mc = 10M = 4. 84 Vb/(

42、Va + Vb ) - 0. 687 5 （2）永久变形准则根据 AASHO 试验数据整理结果得出 ,控制永久变形的允许荷载重复作用次数可用Nd =1.36510 - 9 （ e z-）4. 477计算。SHELL和Al设计法是公认的力学-经验法的典型代表很多国家都借鉴了 SHELL 法和 AI 法的研究成果。如澳大利亚的沥青混合料疲劳方程采用的就是 Shell 1978 年提出的室内疲劳试验关系式,预估野外疲劳寿命时 ,乘以修正系数 5 ;日本的疲劳破坏标准采用的是 Al 的破坏标准。但这 2 种方法都没有考虑湿度对路面设计的影响 ,也没有考虑低温断裂问题。世界上很多国家 面设计都有自己的力

43、学 - 经验法 ,且大部分的力学 标准的。现在 AASHTO 正在研究制定的采用力学 考虑疲劳开裂、永久变形、低温断裂和不平整度 程是在 Al 疲劳方程的基础上根据不同开裂方式（如澳大利亚、日本、南非、法国等） 的路- 经验法都是以裂缝和永久变形作为设计- 经验法的新设计指南 AASHTO 200X 将4 种损坏模型。其中沥青混合料的疲劳方 （自上向下和自下向上开裂 ） 进行修正得到（ 车辙 ） ,这将使的。永久变形是分别考虑各结构层永久变形的总和而得到路表面的永久变形 以后的路面设计更加完善。我国沥青路面设计采用的是力学 - 经验法。其路面模型借鉴了 SHELL 的理论设计法把路面作为一种多

44、层弹性体系。材料特性以弹性模量和泊松比表征,土基回弹模量可根据现场实测法、 查表法、 室内试验法或换算法求得。 各层材料统一采用圆柱体试件测定抗压回弹 模量和劈裂模量。弯沉指标计算时，沥青混合料用20 C抗压回弹模量；层底弯拉应力计算采用15 C抗拉强度与弯拉回弹模量，也可以采用劈裂强度与抗压回弹模量。交通荷载双轮组单轴载 100 kN 为标准轴载。 轮胎接地压强 0. 70 MPa ，单轮当量圆直径 d 为 21. 3cm ，两轮中心距 为1. 5 d 。路表弯沉计算时须计算双圆均布荷载的轮隙中心点的弯沉。验算沥青混凝土层和半刚性材料层的底部拉应力时 ，须计算单圆荷载中心、轮隙中心处拉应力并

45、取其较大值。设 计标准是以 2004 规范规定的设计弯沉和层底拉应力为设计标准。 设计弯沉是表征路面整体 刚度大小的指标 ，是路面厚度计算的主要依据。其计算式为 :ld =600N e-0.2AcAsAb；Ac 、 As 、 Ab 分别为公路等级其中， Ne 为设计年限内一个车道上的累计当量轴次 系数、面层类型系数和基层类型系数。路面结构层容许拉应力 （T R是指路面结构在行车荷载重复作用下达到疲劳临界状态时容许的最大拉应力。其计算式为 :R = S /K S其中，S为沥青混凝土或半刚性材料在规定条件下（沥青混凝土 :15 C;水泥稳定类材料:90 d 龄期；二灰稳定类、石灰稳定类材料:180

46、 d 龄期） 的极限抗拉强度 ，MPa ； Ks 为抗拉0. 2强度结构系数，沥青混凝土面层 Ks = 0. 09N e/Ac ;无机结合料稳定集料类0. 11 0. 11Ks =0. 35N e/Ac ; 无机结合料稳定细粒土类 Ks =0145N e/Ac 。对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面,还应进行防冻层厚度验算。我国路面设计方法虽然比以前有了很大的改进 ,但仍存在不足 :(1) 不少分析和实践证明 ,我国的设计指标和相关参数在半刚性基层沥青路面设计计算 中起不到控制作用。如不少半刚性路面即使在出现损坏后,实测弯沉也远小于设计弯沉。而我们在进行计算时也经常会发现沥青面层底面的应力一般

47、为压应力,故层底拉应力验算就形同虚设。(2) 没有考虑控制车辙的土基顶面压应变与重复荷载作用次数之间的关系。(3) 没有考虑控制沥青面层和半刚性基层的疲劳开裂的拉应变与荷载作用次数的关系。(4) 在温度急剧变化地区 ,由于温度应力超过沥青层抗拉强度而引起低温缩裂问题规范 中也没有考虑。3 结论与建议对比国内外现有设计方法 ,我国的设计理论还有待改进 ,如 :(1) 材料的回弹模量。 我国采用的都是静态的模量值 ,如路基土的回弹模量、 沥青混合料 的回弹模量。由于路面受到车辆动荷载作用,所以动态模量能更切合实际。(2) 我国的专用设计程序计算的是多层弹性层状连续体系的精确解,但实际上 ,层间接触

48、并不一定是完全连续的 ,可以考虑从完全连续到完全光滑的层间接触条件。(3) 我国设计理念是假定沥青层厚度 ,以基层作为承重层设计其厚度 ,认为路面破坏就意 味着基层破坏。但实际上也未尽然 ,也存在基层完整、面层破坏现象 ,因此应该以沥青层作为 承受拉应力的主要承重层考虑 ,计算沥青层厚度。(4) 我国采用的弯沉作为设计指标 ,它反映了材料和结构的弹性部分 ,在力学概念上较为 明确。但力学计算表明 ,土基顶面的弯沉和路表弯沉的关系比较复杂,对于不同的路面结构路表弯沉不能明确反映土基顶面的工作状态。另外,对于高等级公路 ,随着交通量的日益加大也会引起路面车辙 ,而车辙是材料的塑性变形累积 ,显然仅

49、用设计回弹弯沉不能有效地控制路表 车辙 ,故可以将路基顶面垂直压应变作为一项设计控制指标。(5) 不少研究表明我国沥青面层底面拉应力验算指标在设计中不起控制作用,因此可以采用面层底部的最大拉应变作为设计指标来控制疲劳开裂。(6) 虽然我国规定了以不利季节的土基模量作为设计值,沥青面层材料参数的取值也规定了温度条件 ,但对于土基干湿变化和路面温度变化大的地区,就显得无能为力了 ,因此 ,对于环境因素可更加明确、细化 ,诸如用 AI 和 SHELL 等设计法来处理。(7) 目前的这些设计方法都没有详细考虑经济因素。 基于使用性能和寿命周期费用分析 的、包括新建和改建沥青路面结构设计在内的全寿命路面

50、结构厚度优化设计方法,将是以后路面设计方法发展的重要方向。五深入了解路面有限元方法，包括弹性有限元方法、塑性有限元方法、粘弹性有限元方法、非线性有限有方法。有限元法是一种近似的计算方法， 这种方法的实质就是将一个固体连续介质分割成若干 个有限的离散元素， 并组成集合体。 在每个元素内，假设位移场或应力场， 应用变分原理建 立代数方程组， 以节点处的广义位移或广义应力为未知量进行求解。 根据未知量的不同类型， 有限元法可分为位移法、力法以及混合法。位移法就是利用最小势能原理或虚功原理， 将求解的问题转化为一个变分问题， 再经过 离散化得到有限元计算格式， 这种方法就称为位移法， 位移法从直观上讲

51、就是以位移分量为 基本未知量的方法。 另一种方法是力法， 力法是以最小余能原理或余虚功原理为基础的， 它 的基本未知量是应力各分量。 此外， 还有一种以位移分量和应力分量同时作为基本未知量的 方法，这种方法称为混合法。采用有限元法中的位移分析弹性地基板的解题过程如下：结构理想化， 即把结构物抽象为相当的力学模型， 水泥混凝土路面板可以理想化为弹性 地基上的薄板弯曲问题。结构离散化， 即用假想的线把结构划分为有限个单元， 各单元相互间仅在边界上的节点 相连接。规定单元的位移模式， 并用基本未知数节点位移来表示， 该位移模式能唯一地确定单元 的应变和应力状态，且能满足结构连续性条件。推导各有限单元

52、的刚度矩阵。推导各有限单元的地基刚度矩阵。 荷载与约束处理，把作用在边界上的外荷载，按照静力等效原则为相应节点上的力系F ，并根据结构受力与平衡情况，确定各边界条件与对称条件。把各有限单元的刚度矩阵组成结构总刚度矩阵，并列出整个结构的平衡方程为：K F选择适当的计算方法，解此线性方程组，求得各单元节点位移 。 由各节点位移 ，求解各单元的内力，在薄板弯曲问题中，即求由应力合成的内力矩非线性有限元分析（路面设计原理 P128）在有限元分析过程中， 如果采用弹性层状体系理论中将路面材料视为线弹性材料来进行 处理的话， 便称为弹性有限元方法。 路面材料具有应力应变的非线性特性， 在小应变时呈现 出线

53、弹性性质， 而当应变较大时非线性特性会较为明显。 非线性问题主要有两种： 一是材料 特性引起的非线性， 即材料非线性； 一是结构的大变形引起的非线性， 即几何非线性。 在路 面结构中，影响较大的是材料非线性。采用弹塑性非线性描述材料性质的有使得有限元的整体平衡方程称为非线 通常采用数值方法求得其近似解。 常材料非线性又可分为弹性非线性和弹塑性非线性， 限元方法称为塑性有限元法。 由于应力应变的非线性， 性方程组， 要求解出此方程组的解析解是十分困难的， 用的方法一般有迭代法和增量法以及增量迭代法三种。（一）迭代法迭代法是将荷载一次全部施加于结构， 在应力应变关系上用一系列的直线来逼近实际曲 线

54、，逐步修正弹性常数， 使最后解得的应力应变与试验测得的曲线一致。 迭代法可分为割线 迭代、余量迭代等。（二）增量法 增量法是将全荷载分为若干级微小增量，逐级用有限元法进行计算。对于每一级增量， 在计算时假定材料性质不变，作线性有限元计算， 解得位移， 应变和应力的增量。 而各级荷 载之间，材料性质变化，刚度矩阵变化，反映了非线性的应力-应变关系。这种方法实际上是用分段直线来逼近曲线。增量法有基本增量法，中点增量法以及增量迭代法。1. 基本增量法各级荷载下的材料性质是由刚度矩阵 D 来体现的。并且它决定于应力状态。基本增量 法是根据每级的初始应力来确定刚度矩阵 D 的。2. 中点增量法 基本增量

55、法由于使用初始应力求 D ，每级荷载都有一定的误差，而中点增量法可以使 结果有所改善。（三）增量迭代法 为了提高非线性分析的精度， 可以把总荷载分为若干级增量， 对每一荷载增量， 进行若 干级迭代， 使其收敛于真实解， 这就是增量迭代法。 其中迭代的方法可以用前面所讲的任一 一种迭代法， 也可以反复使用中点增量法， 直到前后两次的计算结果相当接近。 增量迭代法， 计算的时间较长，从理论上来说，解得的结果最精确。由于沥青混合料中所含沥青具有依赖于温度和加载时间的粘弹性性状， 沥青路面在荷载 作用下的变形也具有随温度和荷载作用时间而变的特性。 因此在有限元过程中通常在材料特 性的描述中采用各种粘弹

56、性模型来描述材料的粘弹性性质， 这种方法称之为粘弹性有限元方 法。六了解沥青混凝土路面、 水泥混凝土路面的主要设计参数的来 历，能进行具体的实验与分析。沥青混凝土路面： 抗剪强度 当面层厚度较薄刚度较低时， 传给土基的应力较大， 有可能出现因土基承载力不足而引 起的剪切破坏。 在面层较厚但刚度较低时， 如果收到较大的水平力， 就有可能因抗剪强度不 足而出现面层推移等破坏。抗剪强度为材料受剪切时的极限或最大应力。由摩尔-库仑强度理论可知，抗剪强度由两部分组成， 一部分是摩阻力， 同作用在剪切面上的法向应力成正比； 另一部分是与法向应 力无关的粘结力，即c tg其中：C-材料的粘结力-材料的摩阻角

57、； -作用在剪切面上的法向应力。由于三轴试验接近实际受力状况， 目前大多采用这种方法确定材料的 C 和 值。进行三 轴压缩试验， 完成两个或两个以上不同侧压力下取得的三轴试验资料， 绘出摩尔圆和相应的 包络线，可以确定适当的粘结力和摩阻角。抗拉强度车辆制动时， 车轮后侧的路面将受到很大的径向应力； 面层温度随气温骤降， 其收缩受 下卧层的摩阻约束时， 也会产生较大的拉应力。 当面层材料的抗拉强度不足以抵抗上述荷载 或非荷载应力时， 面层将会出现断裂。 材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供。 其大小可采用直接拉伸试验或间接拉升试验所测到的应力-应变曲线决定。直接拉伸试验， 是将混合料做成圆柱形试件， 其两端用环氧树脂粘于金属盖帽上， 通过 安置在试件上的变形传感器，测定试件在各级拉应力下的应变值。间接拉伸试验，