柔性路面与刚性路面理论与分析方法的发展概述

./研究生课程论文题目柔性、刚性路面理论与分析方法发展概述作者XX作者学号学科专业道路与交通工程所在学院建筑工程学院提交日期二○一五年十一月摘要根据行车作用下路面的力学特性,可将路面分为柔性与刚性两种。柔性路面多由沥青类面层和多层结构组成,比较柔韧具有一定塑性,在长期行车作用下,容易产生较明显的变形,在柔性路面设计中需要考虑它的极限垂直位移和高温季节面层〔采用沥青面层时〕的稳定,同时也要考虑不利季节面层底面的极限拉延和面层的低温缩裂。刚性路面主要指水泥混凝土路面,在行车下工作于弹性状态,没有明显的垂直变形。刚性路面设计主要取决于混凝土面层的抗弯强度,同时考虑温度变化对路面内应力的影响。路面设计从20世纪初就开始研究,已有80多年的历史,目前,各国使用的设计方法达几十种。早期偏重于经验法,它是根据道路试验结果或按照对道路进行一般观察的结果而建立的,具有一定的条件性和地区局限性,但由于方法简便,能解决实际问题,故仍有很多国家使用。随着力学和数学的发展以与电子计算机的运用,可以按照弹性理论或粘弹性理论计算出多层路面结构内的应力与变形,辅以一定的试验和调查,逐步建立了力学经验法,它已成为路面结构设计方法的发展方向,并已开始在美国、苏联、中国等国家应用。关键词：柔性路面,刚性路面,经验法,力学经验法AbstractAccordingtothemechanicalcharacteristicsofthepavementundertraffic,theroadsurfacecanbedividedintotwokinds:flexibleandrigid.Flexiblepavementconsistsofmulti-classasphaltsurfacelayerandmulti-layerstructures,anditcanbeflexibleandwithsomeplasticity,alsolikelytoproducemoresignificantdeformationundervehicularloadinlong-term.Flexiblepavementdesigningneedstoconsideritslimitsverticaldisplacementandthestabilityofsurfacelayerinthehotseason<asphaltsurfacelayer>,alsotakingtheundersideofthesurfacelayeroftheadverseseasonaltemperaturelimitdrawingandthesurfacelayerofshrinkagecrackingintoaccount.Themainmeansofrigidpavementcementconcretepavement,roadworkintheelasticstate,withnosignificantverticaldeformation.Rigidpavementdesigndependsmainlyontheflexuralstrengthoftheconcretesurface,takingintoaccounttheeffectsoftemperaturechangeontheinsidesurfacestresses.Pavementdesignfromtheearly20thcenturybegantostudy,morethan80yearsofhistory,thecurrentdesignmethodusedbycountriesofdozens.Earlyemphasisonempiricalmethod,whichisbasedontestresultsorfollowtheroadontheroadtothegeneralobservationoftheresultsestablished,withcertainconditionsandregionallimitations,butbecauseoftheeasyway,tosolvepracticalproblems,sotherearestillmanycountriesuse.Withthedevelopmentanduseofcomputermechanicsandmathematics,inaccordancewiththeelastictheoryorviscoelastictheorytocalculatethestressanddeformationwithinthemultilayerpavementstructure,combinedwithacertaindegreeoftrialandinvestigation,andgraduallyestablishamechanical-empiricalmethod,ithasbecomethedevelopmentdirectionofthepavementdesignmethods,andhavebeguntouseintheUnitedStates,SovietUnion,Chinaandothercountries.Keywords：flexiblepavement,rigidpavement,empiricalmethod,mechanical-empiricalmethod1引言路面理论与分析方法从20世纪初就开始研究,已有110多年的历史,目前,各国使用的方法达几十种。根据行车作用下路面的力学特性,可将路面分为柔性与刚性两种。下面分别对柔性路面和刚性路面理论与分析方法的发展情况分别进行概述。2柔性路面理论与分析方法发展概述自1850年法国首先将岩沥青应用于道路路面之后,沥青路面很快发展成为了现代路面的主要类型。2.1发展简史柔性路面设计法始见于1901年美国麻省道路委员会第八次年会上的公式,随后40年提出了各种设计公式,至1940年戈德贝克公式为止,均属初期的古典公式,其特点都是以轮载分布到土基上的应力大小为依据。随着土质学、土力学的发展,20世纪40年代后,柔性路面设计转以经验法为中心,如1940年美国堪萨斯州的三轴法,哈费氏的平板试验法,1942年O.J.波特的加州承载比<CBR>法,1943年加拿大的麦克劳德法,1947年加州的维姆法,直至1950年美国陆军工兵部队发展的CBR法。而1955年的美国各州公路工作者西部协会<WASHO>和1962年的美国各州公路工作者协会<AASHO>的道路试验,则更是近代经验法的基础。1943年D.M.伯米斯特发表了弹性层状体系理论,为柔性路面设计理论奠定了基础,到第二次世界大战结束,随着电子计算机的发展和测试技术的进步,把弹性层状体系理论和WASHO、AASHO试验路结果相联系,提出了完整的设计方法与其电算程序或诺谟图,成为现代理论法的先声。继此,各国竞相前进,成为发展趋势。近年来,由于大型电子计算机的普与,理论基础的完善,规划科学化、结构典型化、材料规格化、施工机械化,已有可能从规划、设计、施工直至使用作为一个整体,从最佳经济效益出发,走系统设计的方向。总体来说,柔性路面设计方法门类繁多,但基本上可分为经验法和理论法两大类。2.2经验法柔性路面理论以道路试验与对道路所进行的观测数据为基础,设计时以不同的交通条件、土基与路面材料室内和现场试验结果为依据,结合本国实际情况,确定经验公式或设计曲线。经验法中影响最大者为CBR设计法和AASHO设计法。a.CBR设计法加州承载比CBR试验,为测定土基和粒料基层材料相对强度的试验法。美国加州公路局1928～1929年进行道路调查,于1942年提出土基CBR值与路面厚度关系曲线,后经波特和美国陆军工兵部队的共同努力,几经演变,得出如图的设计曲线,成为许多国家CBR设计法的基础。b.AASHO设计法1962年提出,以路面使用性能降低的原因为依据,确定交通量与路面厚度的关系。设计参数有路基支承值、地区系数、80千牛标准轴载累计数,根据不同的临界状态的计算图查得路面厚度指数,再以适当的材料等效强度系数换算为实际厚度确定路面结构。c.典型结构法如德意志联邦XX国法,以本国经验为基础,吸收AASHO成果,结合本国对防冻设计的成就而成。旧路补强设计。以旧路不利季节的弯沉测定为基础,根据补强层材料的试验路求得其补强效果,以经验公式或经验曲线决定补强厚度。加拿大、中国等国都制订过这种方法。至于美国地沥青协会<A.I.>旧法、英国法、日本法等都是综合CBR法和AASHO法的结果,或以诺谟图表示或以公式表示。2.3力学经验法柔性路面体系具有弹－粘－塑性质,对于等级较高的柔性路面,可以认为近似于弹性体。用弹性层状体系理论进行路面的应力、应变和位移分析。理论假定前提和路面实际的差异所导致的计算结果和实测数据的偏离,则在计算中予以修正。由于影响路面工作状况的因素多、变化大,理论法仍有经验成份。在进行柔性路面设计时,应在充分调查路线的自然、交通、筑路材料资源的基础上,遵循因地制宜、就地取材、方便施工、利于养护的原则,注意分期修建的技术经济效益,采用薄面强基稳土基的技术途径,进行路基路面组合设计。a.壳牌石油公司法1963年提出,1978年修正,以三层体系〔连续、滑动、半滑动〕为基础,后发展到采用多层体系BISAR程序<见路面力学计算>,参考了WASHO、AASHO道路试验结果制定,采用双圆垂直荷载图式、标准轴载80千牛,特殊情况时考虑水平荷载。设计时控制土基压应变防止路面永久变形,分别控制层底拉应变或拉应力,防止沥青面层或水泥土基层的拉裂。有设计手册可用。b.苏联法1972年制定,以双层体系〔连续或滑动〕为基础,计算中层拉应力时用三层连续体系近似诺谟图。采用单圆垂直荷载。设计时控制土基的剪力或路表弯沉值计算总厚度,控制沥青类面层和无机结合料稳定基层层底的拉应力或粒料基层剪应力防止路面开裂。有设计诺谟图可用。c.美国地沥青协会<A.I.>新法1981年利用切夫隆科研公司三层或四层连续体系的计算程序为基础,采用双圆垂直荷载,标准轴载80千牛,设计时控制层底拉应变和土基压应变。有设计手册可用。d.中国法1978年制定,双层连续体系为基础,对多层用等效层法计算,采用双圆垂直荷载,标准轴载60千牛和100千牛。设计时控制路表弯沉值计算厚度。1982年建议以三层体系<连续或滑动>为基础,多层用当量换算或n层计算程序,采用双圆垂直和水平的综合荷载、标准轴载100千牛。除控制路表弯沉值防止路面整体损坏外,还控制层底拉应力防止路面开裂,并控制沥青类表层剪应力防止面层推挤滑移。有全套诺谟图和在袖珍电子计算机上普与使用的设计程序可用。我国现行的《公路沥青路面设计规X》〔JTGD50—2011〕采用弹性层状体系作力学分析基础理论,以双源垂直均布荷载作用下的路面整体沉降〔弯沉〕和结构层的层底拉应力作为设计指标,以疲劳效应为基础,处理轴载标准化转换与轴载多次重复效应。力学经验法的优点在于改进了设计的可靠度,提高了预测各类损坏的能力,并且是根据有限的野外和室内试验数据进行推算成为可能。由于层状体系理论假设每一层是均质的并在整个层体中具有同样的性质,非线性材料的弹性模量值随应力而变,而且在层体中并不等值,如未处理的粒料基层和底基层等层状体系变得难以分析。Duncan等于1968年首先应用有限元法分析柔性路面解决了这一问题,使得柔性路面理论变得更加丰富。3刚性路面理论与分析方法发展概述刚性路面设计即水泥混凝土路面设计,是路面设计的分支之一,包括结构设计和材料组成设计。水泥混凝土具有较大的抗弯拉强度和弹性模量,作为路面材料,其结构设计系根据交通荷载的使用要求、当地的自然环境〔温度、湿度、土质和水文〕条件和路面本身的工作特性来确定：①路基的处理方案；②垫层和基层等结构层次的选择和组合；③混凝土面层的厚度；④板的平面尺寸,接缝的布置和构造;⑤配筋。材料组成设计则是根据混凝土面层的工作环境和耐疲劳、耐磨、耐冻等使用要求,选择混合料的组成材料并设计配合比。3.1发展简史混凝土面层板厚度的计算公式,最早是由美国C.奥尔德根据1920～1921年在贝茨试验路上的研究结果提出。1925年,美国H.M.S.韦斯特加德采用温克勒地基假设,从理论上推导出混凝土面层板在板中部、板边缘中部和板角隅三种轮载位置情况下的挠度和应力计算公式。这些公式经过阿林顿试验路的验证和修正后,得到广泛应用,目前,仍被大部分国家用作计算荷载应力和确定板厚的依据。1938年美国A.H.A.霍格、1939年苏联Ο.Я.舍赫捷尔,采用半无限地基上板的模式,分别导出计算无限大板挠度和应力的公式,它们为苏联和中国等国家所采用。70年代起,美国和中国等一些国家采用有限元法分析矩形面层板的挠度和应力,并编制出实用的计算机程序。决定混凝土面层板平面尺寸的温度翘曲应力计算公式,也是由韦斯特加德在1927年提出的,并一直沿用至今。混凝土路面结构设计的方法门类繁多,但基本上可分为经验法和力学经验法两大类。3.2经验法以修建足尺试验路并对其使用效果进行长期观测为基础,通过回归分析建立路面结构、荷载〔轴载大小和轴数〕和路面使用性能〔或疲劳损坏状况〕之间的统计关系；利用这个关系制订出设计曲线,据此,按设计使用年限内预计通过的轴载数和路面体系的结构性能,可确定面层结构所需的厚度。典型的经验设计方法有美国各州公路工作者协会<AASHO>的暂行方法等。AASHO暂行方法系根据1956年在加拿大渥太华附近修建,并于1958～1960年进行系统观测的试验路测定结果制订而成。试验路采用一种"现时耐用性指数"〔缩称PSI,见路面质量评定〕的指标表征路面的使用性能,它是路面纵向平整度、裂缝长度和修补面积的函数。根据测定结果,建立起路面结构和面层厚度、轴载大小和重复次数同PSI之间的回归关系式,以与不同轴载达到相同PSI时的轴载等效换算关系式。此方法规定路面的设计使用年限为20年,届期以80千牛〔18千磅〕的单轴标准轴载下路面的PSI达到2.5〔干线道路〕或2.0〔非干线道路〕为临界标准。各级轴载的设计交通量,按轴载换算公式换算成标准轴载,并按使用年限推算出总作用次数,由此总作用次数和所选定的路面结构,查诺模图可确定混凝土面层所需的厚度。经验法的适用X围受到试验路的自然、荷载和路面结构等条件的限制；同时,回归统计关系的建立也既费时又耗资巨大。3.3力学经验法也称解析法。以结构分析为基础,应用力学方法分析路面结构在荷载作用下产生的应力和位移,按应力不超过材料所能提供的疲劳强度确定路面所需的结构强度和尺寸。美国波特兰水泥协会<PCA>法,苏联法、日本法、中国法等,都属这类设计方法。路面结构设计的力学经验法中的经验部分是那些方程,计算荷载作用至路面破坏的次数。这些方程是通过观察各类轴载产生的应力或应变,以与路面性能的变化来得到的。在目前的路面结构设计中有两大类破坏判据被广泛的应用,其一是与疲劳裂缝相关的破坏判据,另一类是路基引起的路面车辙破坏判据。实际上,路面的车辙不仅仅是路基的原因。近年来的大量观测和研究指出,荷载作用下面层和基层压缩永久变形和剪切流动永久变形都是路面车辙的主要原因。虽然这部分研究成果作为路面设计的破坏判据目前还不成熟,但是人们已经意识到这样的问题,并且已经定性地知道可以通过合理的路面结构设计和材料设计加以解决。如果将疲劳破坏判据进一步细分的话,还可以有第三类破坏判据,基于路面弯沉的破坏判据〔我国柔性路面设计体系采用这一类破坏判据〕。值得说明的是,所有的破坏判据都属于基于试验、观测和统计分析得到的经验型公式或方程,它们都有特定的使用条件,并不能无限制的推广使用。a.威斯特卡德法1925年,美国人威斯特卡德根据稠密液体地基上薄板理论,假定板是均质、弹性、等厚的,导出了刚性路面在板中、板边和板角三种位置荷载作用下所产生的最大应力和挠度计算公式,并用于设计混凝土板厚度。后来,考虑温度应力作用使板翘起等情况,对原来的公式进行多次修正。这些修正公式后来被很多国家所采用。b.弹性半空间地基无限大板理论法1938年,美国A.H.A.霍格和霍尔提出了弹性半空间地基上无限大板体理论。翌年,苏联О.Я.舍赫介尔把这理论应用于刚性路面设计,采用弹性模量和泊松比表征地基的力学特征,导出了混凝土板中部在单轮和多轮荷载作用下所产生的应力和挠度计算公式,用于计算板厚,但对板边和板角受荷时的情况则缺乏理论解答。c.苏联法Н.Н.伊万诺夫和И.Α.麦德尼科夫分别于20世纪40年代末和50年代初提出了两套混凝土板边和板角受荷时所产生的最大应力计算公式,用于设计板厚。计算公式利用了地基反力模量和形变模量之间的换算关系,仍脱离不了文克勒地基假说的缺点。同时这种计算方法由于地基形变模量参数取值的困难,因此只有苏联等少数国家采用。d.疲劳理论法1969年,美国波特兰水泥协会根据M.A.麦纳疲劳理论制定了刚性路面设计法。设计时,先设定一个混凝土板厚,再根据地基反力模量和路上行驶不同汽车的轴重等,计算所设定的板厚可否采用。e.有限元法中国于1978年采用有限元法,以分析弹性半空间体地基上有限尺寸板在双轮组荷载作用下所产生的应力。采用了两种临界荷载图式：一是汽车后轴一侧双轮组作用于横缝边缘的中部；一是后轴整个荷载作用于板的中部。通过计算制定了相应于单后轴和双后轴汽车以与矿山公路用特重汽车在两种临界荷载位置时混凝土板所产生的应力