国内外典型路面设计方法及规范比较

1、2020/8/29,1,国内外典型路面设计方法及规范比较,长安大学公路学院 王选仓教授,柔性路面设计方法,刚性路面设计方法,2,2020/8/29,1、柔性路面设计方法,典型柔性路面设计方法,理论法 SHELL 法 A I 法 前苏联法 其他设计方法,经验法 AASHTO法 CBR设计法 日本设计法 英国设计法,3,2020/8/29,SHELL设计方法,AI设计方法,AASHTO设计方法,CBR设计方法,港口道路、堆场铺面设计方 法,1,2,3,4,5,1、柔性路面设计方法,6,英国港口及其他工业重型铺面设计方法,4,2020/8/29,2、刚性路面设计方法,5,2020/8/29,1.1

2、SHELL设计方法,路面模型 把路面当作一种多层线形弹性体系，其中各层材料用弹性模量E和泊松比表征。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。,6,2020/8/29,1.1 SHELL设计方法,SHELL设路面模型,7,2020/8/29,1.1 SHELL设计方法,1.路基表面垂直压应变 2 .沥青层底面的水平拉应变,1.水泥稳定类基层底面拉应力（或应变） 2 .路表总变形,1.基层或底基层无结合料材料最小模量 2 .沥青层低温缩裂,两项次要设计标准,其他次要设计标准,两项主要设计标准,

3、设 计 标 准,8,2020/8/29,1.1 SHELL设计方法,路基表面垂直压应变,85% 95%,9,2020/8/29,1.1 SHELL设计方法,沥青层底面的水平拉应变,是否在层底，取决于C系数,C133mm， 出现在层底 C133mm，h1200mm，位于h1下半部分（E2/E10.6） h1200mm，位于h1上半部分,10,2020/8/29,1.1 SHELL设计方法,容许设计标准值 1. (50保证率) 2. 沥青层容许水平拉应变 3.水泥稳定类容许拉应力 4.道路容许永久变形-车辙深度 5.其它 粒料材料Emin 取决于路基模量和粒料基层厚度h2,11,2020/8/29

4、,1.1 SHELL设计方法,荷载与交通,温度与湿度,材料特性,设计 参数,12,2020/8/29,1.1 SHELL设计方法,荷载 80KN 单轴重20KN 接地压力P=0.6MPa =10.5cm d=21cm 速度5060/h 加荷时间 0.02s 轴载换算 拟换算轴载,13,2020/8/29,1.1 SHELL设计方法,温度 建立平均温度（年加权平均气温）与沥青层温度的关系 湿度 取最不利季节参数,14,2020/8/29,1.1 SHELL设计方法,材料特性 路基 松散材料 取决于厚度h2和下面路基模量E3,h2以mm计，2K24,15,2020/8/29,1.1 SHELL设计

5、方法,材料特性 整体材料 沥青混合料 劲度模量 沥青含量，沥青劲度及混合料空隙,16,2020/8/29,车辙 1、影响因素 沥青层厚度 沥青劲度中的粘滞度部分 交通量 沥青层平均压力 实验室得到 应用到路上，加入Cm（动载修正系数）,1.1 SHELL设计方法,17,2020/8/29,2、轴载换算(车辙等效，基于原等效轴次的换算) A比例系数，随沥青混合料及沥青的劲度而变，查下图,1.1 SHELL设计方法,18,2020/8/29,1.1 SHELL设计方法,19,2020/8/29,3、沥青劲度中的粘滞度部分 w标准轴次 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

6、入度指数的函数），查上图。 t车轮通过时间，取t=0.02s,1.1 SHELL设计方法,20,2020/8/29,4、沥青层各分层的平均应力 轮胎压力 第i层上、下面垂直位移差 第i层模量,1.1 SHELL设计方法,21,2020/8/29,4、车辙的计算 动态影响修正系数 因RD发生在高温季节，以Sm代E H1面层厚 总变形,1.1 SHELL设计方法,22,2020/8/29,拟订沥青层厚度,计算沥青层的有效温度,选定材料组成，求出各层模量,计算沥青层底面的水平拉应变,计算路面的试验寿命和使用寿命,1,2,3,4,5,1.1 SHELL设计方法,6,比较调整,设计步骤,23,2020/

7、8/29,优点 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。 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。 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。 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。 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。,1.1 SHELL设计方法,24,2020/8/29,缺点 车辙预估模型无法说明使用改性沥青对减

8、少新建路面车辙的效果。 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。 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。 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 。,1.1 SHELL设计方法,25,2020/8/29,1.2 AI设计方法,AI的发展 1955的第一版1970年8月的第八版，全厚式沥青混凝土路面的经验设计法，主要以AASHTO道路试验、WASHO道路试验和一些英国试验路的数据为依据 。 1981年9月的第九版，提出了以弹性层理论及经验的破坏准则为基础的力学一经验

9、设计方法，可用于设计全厚式沥青路面和深层高强沥青路面。 1983年进行了MS-1修订，提出了专门的设计程序CP-1 DAMA，并研制了能覆盖二个不同温度范围的系列设计图表，然而代表美国很大一部分地区的只有一张图表。 1991年又提出了MS-1第九版的修正版和新的CP-1 DAMA程序，包括了三个不同温度区范围的路面厚度设计。 MS-1(thickness design-asphalt pavement for highways and streets)是美国地沥青学会(AI)出版的公路及城市道路沥青路面厚度设计方法手册。,26,2020/8/29,1.2 AI设计方法,理论基础： 把路面看成多

10、层弹性体系，各层材料以弹性模量和泊松比表征，并考虑了沥青混合料的粘弹性和粒料的非线性等特征。,27,2020/8/29,1.2 AI设计方法,Ei逐月变化,28,2020/8/29,1.2 AI设计方法,设计准则,永久变形准则,疲劳准则,29,2020/8/29,1.2 AI设计方法,设计指标,30,2020/8/29,1.2 AI设计方法,沥青层底面拉应变 N路面开裂时的荷载作用次数 加荷时拉应变 a,b系数，根据疲劳实验得出，修正后用于现场,31,2020/8/29,AI法采用Finn 法 N18KP作用时等效的单轴作用次数 沥青混合料的劲度模量S 空隙率 沥青体积率,1.2 AI设计方法

11、,32,2020/8/29,1.2 AI设计方法,路基表面的垂直压应变,l,m系数，与设计方法有关,33,2020/8/29,1.2 AI设计方法,34,2020/8/29,荷载 采用结构系数 SN=5 耐用指数 Pt=2.5 时情况 Equivalent Axle load ESAL Single 计算或查下表,1.2 AI设计方法,35,2020/8/29,1.2 AI设计方法,36,2020/8/29,温度 沥青层内月平均路面温度 z路面深度（英寸） z=1/3沥青层厚,1.2 AI设计方法,37,2020/8/29,材料特性 AC动态模量 通过200号筛集料的概率，取5% f加载频率

12、Vv空隙率 华氏70时沥青粘度 T温度 Vb沥青用量,1.2 AI设计方法,38,2020/8/29,材料特性 乳化沥青 在温度T，硬化时间t时的模量 未处治粒料劲度模量 K1,K2系数 一般取K1=8000120000，K2=0.5 第一应力不变量 =1/3(1+2+3),1.2 AI设计方法,39,2020/8/29,材料特性 土基劲度模量,1.2 AI设计方法,40,2020/8/29,1.2 AI设计方法,设计步骤,选择材料，求得各层材料特性,依据设计寿命、各层材料模量和气温等环境因素， 采用 DAMA计算,求得路面结构各层的设计厚度,41,2020/8/29,1.2 AI设计方法,4

13、2,2020/8/29,1.2 AI设计方法,评述 AI法吸收了各国有关路面设计方法的重大科研成果，把第七版和第八版所用的结构使用性能和功能特性（PSI）结合起来。在设计中采用了材料的动态弹性模量，与实际较符。 未考虑各项指标的叠加效果，没有一个综合指标，仅考虑了温度对材料的影响，而未考虑湿度的影响，且当沥青较薄，交通量小时，设计结果较为保守，所以适用于较厚的混凝土层。,43,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,AASHO试验路 时间: 50年代 地点: Ottawa, Illinois 5861年 美 伊利诺斯州 6个环道实验 第一环 不行车 第二环 行轻车 三到六 实验路段

14、284段不同结构组合的FP 得264种RP 22辆轻型货车和104辆牵引车与半挂车 在实验路上每天行驶15小时 共做了1114000（一百一十一万四千次）,44,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,AASHO 试验路的主要成果 提出了服务能力PSI的概念 提出了ESAL的概念 提出了结构数(SN) 的概念 提出了简化的设计回归方程,45,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,NCHRP 1-37A 目的：研究新的力学-经验路面设计方法 主要研究单位：ERES，亚利桑那州立大学 研究期限： 1996-2002/2004 配套的研究课题 NCHRP 1-39： 交通数据收

15、集，分析和预测 NCHRP 1-40： 应用 NCHRP 1-41：反射裂缝 NCHRP 1-42：Top-Down 裂缝 NCHRP 9-30A： 沥青混合料模型校正,Top-Down 裂缝,46,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,47,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,AASHTO试验路基本方程式 1972 1986和1993,48,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,49,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,50,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,51,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,以现时服务

16、能力指数PSI为设计标准,设计考虑因素,52,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,可靠度参数,交通,路基土有效回弹模量,使用性能期 和分析期,53,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,2,Click to add Title,选定使用性能期和分析期,计算分析期内标准轴载累计作用次数,选用可靠度参数,确定设计标准,考虑环境的影响,确定路基土的有效回弹模量,确定路面各结构层的层位系数,选用排水系数,制定第一阶段设计方案,确定各结构层厚度,设计步骤,54,2020/8/29,1.3 AASHTO设计方法,现行AASHTO路面设计方法的缺陷,设计方法只适合于和AASHO试验

17、路相同的条件： 一种气候条件，新路的修建 两年观测数据，ESALs不超过2百万 50年代的车辆，材料和施工条件 ESALs的换算标准采用PSI，无法采用ESALs可靠地预测路面的损坏如车辙，疲劳开裂，错台等. AASHO试验路的路基模量是3000 psi，相当于6 psi 应力差. FWD反算模量远大于3000，造成路面加铺厚度太薄.,55,2020/8/29,1.4 CBR设计方法,CBR试验 CBR为测定土基和粒料基层材料相对强度的室内试验法 CBR=试样加载强度标准加载强度100%,56,2020/8/29,1.4 CBR设计方法,CBR设计曲线 通过路况调查得出路面损坏的主要原因 1）

18、由于路面渗水而路基土侧向移动； 2）基层承载力不均造成的不均匀沉降； 3）路基土与地基承载力不足而造成过大的变形。 这些都是与土基和面层材料压实度和抗剪强度不足有关，为了表示其强度大小，开创了CBR试验法，通过建立CBR值、路面厚度、荷载三者之间的关系图从而得到CBR设计曲线。,57,2020/8/29,1.4 CBR设计方法,CBR 初 期 设 计 曲 线,58,2020/8/29,CBR设计法的计算公式 采用圆形均布荷载时 1）美国陆军工兵部队公式 2）贝尔梯公式,1.4 CBR设计方法,59,2020/8/29,CBR设计法的计算公式 采用圆形均布荷载时 3）日本竹下公式,1.4 CBR

19、设计方法,60,2020/8/29,CBR试验法评述 1、CBR试验法是室内有效的试验方法之一 2、 CBR试验法较承载板试验难 3、浸水4d，不能反映实际环境因素,1.4 CBR设计方法,61,2020/8/29,CBR设计曲线评述 1、理论基础保守 2、设计参数中无交通量大小的概念 3、对轮压的大小未予重视 4、无使用标准和损坏标准,1.4 CBR设计方法,62,2020/8/29,CBR设计新法 根据道路等级、交通种类、交通量等综合成交通指数，建立不同交通指数时路面总厚度H与土基CBR值的关系,如下图。,1.4 CBR设计方法,63,2020/8/29,1.4 CBR设计方法,64,20

20、20/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,设计原则,（JTJ 296-96）,65,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,铺面结构：,66,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,我国86年沥青路面设计规范典型结构：,67,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,基层材料 的回弹模量,土基回弹模量,沥青铺面设计使用年限,面层材料 的弹性模量,底基层材料回弹模量,设计参数,荷载,68,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,1.荷载 1、铺面结构上的作用为可变作用，包括各种流动机械荷载、堆货荷载以及温度变形。 2、结构计

21、算应考虑持久状况的承载能力和正常使用两种极限状态。 3、流动机械荷载应取重复作用和一次作用的两种形式；集装箱荷载宜取一次作用的形式。 4、流动机械荷载应采用单轴单侧轮载形式。 5、港区流动机械荷载可分为六级，荷载分级及各级标准荷载计算参数按下表确定。,69,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,70,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,当有多种流动机械作用时，设计标准荷载采用P1级。其计算参数按下表确定。,我国沥青路面设计采用标准荷载BZZ-100，双轮中心距为3=310.65=31.95cm,71,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,

22、荷载换算系数i按下式计算,72,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,2.沥青铺面设计使用年限,73,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,3.回弹模量 土基回弹模量和各层铺面材料回弹模量，按照现行公路柔性路面设计规范中规定的试验方法测定。,74,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,设计步骤： 1、初步拟定路面结构 2、设计参数计算 1）沥青铺面设计使用年限 2）土基及底基层、基层、面层材料回弹模量 3、荷载作用次数计算 1）选取标准荷载 2）计算流动机械年运行次数 流动机械年运行次数的估算方式： A、通过调查分析确定。 B、经验公式估算

23、确定。,75,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,经验公式： Zr装运机械的装运量扩大系数； Wi 计算的装运机械每年分担的货运量数（T或TEU）； 不平稳系数，单条道路或通道取1，多条道路或通道取1.50-1.60； 轮迹重叠系数，用作跨运车通道计算，取2，其他取1； i计算装载量（T或TEU)，为装运机械常用起吊、载重量。装运集装箱时取 1 ，一次装运二箱时取2； nt可以分流的道路、通道条数，用作集装箱堆场通道计算时，取集装箱堆放 条数，用作件杂货堆场通道计算时，取2，用作散货堆场通道计算时，根据 情况确定。,76,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方

24、法,3）计算标准荷载作用次数 计算公式：,i-荷载换算系数； r2-道路铺面宽度折减系数或堆场铺面宽度折减系数； ai被换算的流动机械荷载的轮组系数； ak流动机械标准荷载的轮组系数； Pi被换算的流动机械荷载轮胎接地压强（Mpa）； Pk流动机械标准荷载轮胎接地压强（Mpa）； di被换算的流动机械荷载轮迹当量圆直径D=4Ai/（cm）； dk流动机械标准荷载轮迹当量圆直径D=4Ak/（cm）。,77,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,78,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,79,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,4、试算并判

25、断拟定的各层厚度的可行性 1）铺面表面容许回弹弯沉值L(cm)计算,1道路、堆场等级系数； 2铺面面层类型系数； de考虑多轮叠加影响的等效当量圆直径（cm）,当铺面通行多种流动 机械时可根据流动机械数量比例采用加权平均法或主要流动机械确定de值.,80,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,81,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,2）弯沉综合修正系数1计算,82,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,2）弯沉综合修正系数1计算 我国沥青路面设计规范中确定的弯沉综合修正系数F公式：,83,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设

26、计方法,3）理论弯沉系数2计算 4）多层铺面当量厚度H计算， A 理论计算的当量厚度H理 由理论弯沉系数2，及Eo / Ea值，查双层体系铺面厚度计算诺谟图，得出2H/de值 从而H理= （2H/de）de2,84,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,85,2020/8/29,1.5 港口道路、堆场铺面设计方法,B 多层铺面当量厚度H 若HH理，则所拟定的尺寸可作为铺面设计的结构厚度。,86,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,第2版、第3版（1996年）与第4版（2007年）： 相同： 设计原理相同：以线弹性层状体系理论为基础，以基层层底拉应变

27、做为有效控制约束条件。 差异： 计算方法不同：第二版采用编程迭代的方法确定基层厚度 第三版采用有限元法计算（线弹性单元） 第四版采用更加完善的有线元法计算 靠近系数的确定方法不同：第二版根据轮距确定 第三版根据轮距及有效深度综合确定,87,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,第2版、第3版与第4版： 查表不同：第二版要查多个表 第三版只要查一个表 第四版只要查一个表 内容涵盖的范围不同：第二版仅包括设计方法 第三版除此之外还包括铺面材料的分类，各种基层、 底基层材料的技术规格，施工的工艺等 第四版除包括第三版中内容外，还增加了加铺层设 计，修正了基层设计，给出了三个

28、新建路面设计示 例，更加简便和完善。,88,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,荷载分级数法： 将轮载总重12t，轮压0.8MPa的荷载作为“港区荷载”，其它荷载等效换算为港区荷载PAWL，然后根据PAWL求得荷载分级指数LCI进行结构设计。,89,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,第3版模型：,90,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,第3版设计步骤： 1.根据地基情况（CBR值）确定路基加强层、底基层的厚度；,91,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,2.计算单侧单轮的轮荷载W

29、值(根据工艺专业提的条件结合P14P19公式确定）；,92,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,前叉车 Front Lift Trucks,93,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,式中：W1-前轮重（kg） W2-后轮重（kg） Wc-集装箱重（kg） M-前轴车轮个数（一般2，4，6个） fd-动力修正系数 WT-卡车自身重,94,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,跨运车 Straddle Carriers,95,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,Ui-空载轮载（kg） Wc

30、-集装箱重（kg） M-轮载个数 fd-动力修正系数,承受荷载时轮载Wi计算,96,2020/8/29,3.确定有效计算深度（P13）； 式中： CBR路基CBR值 4.根据轮距及有效计算深度确定靠近系数（P13）；,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,97,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,98,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,5.根据车辆的行驶特性及标书的具体要求确定动力修正系数fd（考虑刹车、转弯、加速、不平整度的综合影响，其中刹车的影响前轮取正，后轮取负）；,刹车 转弯 加速 不平整度,99,2020/8/29,1.

31、6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,6.修正后确定最大轮荷载（考虑破损和动载影响）； 7.将其他轮荷载等效为最大荷载并累加； 8.根据原始资料提供的交通量及7的计算结果计算同种车辆经过同一点的作用次数总和； 9.根据8的结果及最大荷载值查表（P43），确定C10砼基层的厚度；,100,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,101,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,10.根据C10砼与不同材料间的换算系数，确定采用所需材料基层的厚度（P21）。,102,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,计算示例： 荷载：托

32、挂车,103,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,计算单侧轮载的轮荷载W值 W1=7.9T102=39.5KN W2=20T102=100KN W3=18.5T102=92.5KN W4=W3=92.5KN 假设CBR值为5，则有效深度为： 根据轮距及有效计算深度确定靠近系数,104,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,修正后确定最大轮荷载 静载: W1=(39.5+1000.1) 1.3=64.35KN W2=(100+39.50.1) 1.3=135.14KN W3=(92.5+92.50.65) 1.3=198.42KN W4=W3

33、=198.42KN 最大轮载：W3=W4=198.42KN 将其他轮荷载等效为最大荷载并累加 以W3 、W4 为标准进行等效换算。 W1等效为0.015 passes W2 等效为0.237 passes 计算同种车辆经过同一点的作用次数总和 则 198.42 KN.荷载的重复作用次数为=5106 (2+0.015+0.237)=1.126107 passes,105,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,确定C10砼基层的厚度 参照C10贫混凝土基层路面结构设计表, 本项荷载需要520mm厚C10贫混凝土基层。 确定采用所需材料基层的厚度 C10混凝土等强代换为C2

34、0混凝土的系数为0.76。 所以 C20=5200.76=400mm. 路面结构为：,106,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,107,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,第4 版较第3版 第四版采用更加完善的有线元法计算 第四版除包括第三版中内容外，还增加了加铺层设计，修正了基层设计，给出了三个新建路面设计示例，更加简便和完善。,108,2020/8/29,1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,第4版设计步骤： 1、单轮荷载分析 2、确定有效计算深度 3、确定轮载靠近系数 4、计算单侧单轮的轮荷载W 5、计算单轮等效荷载SEWL

35、 6、确定有效计算深度设计年限 7、查表确定各层厚度,109,2020/8/29,2、刚性路面设计方法,110,2020/8/29,2.1 AASHTO设计方法,结构特性影响,可靠度,PSI,环境对PSI影响 冻胀,设计标准,111,2020/8/29,2.1 AASHTO设计方法,服务功能指数 设计期,112,2020/8/29,2.1 AASHTO设计方法,设计方程,113,2020/8/29,2.1 AASHTO设计方法,可靠度水平和总标准差,交通分析,地基设计反应模量,路面排水系数,接缝传荷系数,砼抗弯拉强度和弹性模量,设计参数,114,2020/8/29,2.1 AASHTO设计方法

36、,设计步骤 1、确定各项设计参数 2、确定地基的设计反应模量K 3、面板厚度设计（如下图）,K，EcScJCdPSID K-地基反应模量；Ec-混凝土弹性模量； EC-混凝土平均弯拉强度；J-传荷系数；Cd-排水系数；D-板厚。,115,2020/8/29,2.1 AASHTO设计方法,116,2020/8/29,2.1 AASHTO设计方法,117,2020/8/29,2.1 AASHTO设计方法,评述 1、引进耐久性服务指数PSI，且提出不同道路等级应有不同的设计标准 2、以试验路观测资料为基础，建立了PSI同板厚、地基反应模量K和标准轴载作用次数的关系 3、采用PSI为设计指标，体现了路

37、面使用性能 4、设计参数全面,118,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,设计标准 1、砼板疲劳断裂-纵缝中部,119,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,设计标准 1、砼板疲劳断裂,120,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,设计标准 2、地基和路肩材料侵蚀、冲刷限制板间、接缝、自由边挠度,121,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,设计标准 2、地基和路肩材料侵蚀、冲刷,C2对不设混凝土路肩的路面为0.06， 对有拉杆混凝土路肩的路面为0.94。,122,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,设计标准同时还考虑 1、接缝传荷能力 2、路肩类型 3、 贫

38、砼基层 4、三联轴影响,123,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,124,2020/8/29,1、混凝土弯折模量 28d简支梁三分点加载确定。 2、土基和底基层支承 土基和底基层支承定义为地基反应模量k。采用正常夏季或秋季的k值作为设计所用的合理平均值。,2.2 PCA设计方法,125,2020/8/29,表1 未处理底基层对k值的影响,2.2 PCA设计方法,126,2020/8/29,表2 水泥稳定基层的设计k值,2.2 PCA设计方法,127,2020/8/29,3、设计年限 2040年 4、交通 在PCA设计方法中，需要用到货车的日平均交通量（ADTT）和轴载分布方面的资料。

39、 1）轴载分布 需要用货车交通轴载分布的数据来计算预期设计年限内不同重量的单轴和双轴车辆数。,2.2 PCA设计方法,128,2020/8/29,表3 某工程轴载分布,2.2 PCA设计方法,129,2020/8/29,2）荷载安全系数（LSF） 对于交通不受干扰和货车交通量大的州际公路和其他多 车道公路LSF=1.2 货车交通量中等的公路和主干道，LSF=1.1 货车交通量小的道路和住宅区街道，LSF=1.0 在特殊情况可高达1.3。,2.2 PCA设计方法,130,2020/8/29,设计用表和图 1、疲劳损伤 疲劳损伤是以板边应力为根据的。表中所示的当量应力为板边应力乘以系数0.894。

40、(见表4、5) 表4 不设混凝土路肩面板的当量应力,2.2 PCA设计方法,131,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,132,2020/8/29,表5 设有混凝土路肩面板的当量应力,2.2 PCA设计方法,133,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,当量应力确定以后，可以用当量应力除以设计抗弯拉强度，算出应力比。,134,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,图1 对是否设有混凝土路肩面板的应力比与允许荷载重复作用次数的关系,135,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,2、冲刷损伤 由于冲刷损伤发生在板角，而且受接缝类型的影响，所以将有传力杆的接缝和集料嵌锁型接

41、缝分开，采用不同表格（如表6、7）。,136,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,表6 有传力杆接缝而不设混凝土路肩面板的冲刷系数,137,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,138,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,表7 集料嵌锁型接缝和不设混凝土路肩面板的冲刷系数,139,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,在查得冲刷系数后可由图2得到允许荷载重复作用次数。,140,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,图2 对不设有混凝土路肩面板的冲刷系数与允许荷载重复作用次数的关系,141,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,对于设有混凝土路肩面板的类似

42、用表8、9及图3. 表8 有传力杆接缝和混凝土路肩面板的冲刷系数,142,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,表9 有集料嵌锁型接缝和混凝土路肩面板的冲刷系数,143,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,144,2020/8/29,2.2 PCA设计方法,图3 对设有混凝土路肩面板的冲刷系数与允许荷载重复作用次数的关系,145,2020/8/29,评述 1、PCA设计方法考虑板边中间应力产生的混凝土疲劳和板角挠度产生的地基冲刷。 2、通常在轻型交通作用下，薄层路面设计用疲劳分析控制，而在重型交通作用下，厚层路面设计用冲刷分析控制，对于常规混合轴载重量作用下的路面，单轴荷载易于疲

43、劳开裂，双轴荷载易于产生冲刷破坏。 3、分别考虑每一个荷载组，并根据累积损份量总加起来，反复验证厚度，直至两项损份率均小于1；还考虑了接缝类型及路肩类型影响。,2.2 PCA设计方法,146,2020/8/29,2.3 日本设计方法,采用温克尔地基板的基本理论 混凝土路面板厚，是按轮载应力与温度应力的合成应力进行疲劳计算求解的。混凝土路面板的设计包括对自由边缘，纵缝边缘及板中三部分进行设计计算。,147,2020/8/29,2.3 日本设计方法,1、车轮荷载应力计算 =2.12（1+0.54）p/h2（log10l-0.75log10a-0.18） (自由边缘) =1.59（1+0.54）p/

44、h2（log10l-0.75log10a-0.18） (纵缝边缘) =1.1（1+）p/h2（log10l-0.75log10a-0.268） (板中) 式中：计算点（自由边缘，纵缝边缘，板中）最大抗折应力(kg/cm2) 混凝土泊松比 p 车轮荷载（kg） h 混凝土路面板厚（cm） E 混凝土弹性模量（kg/cm2） l 相对刚度半径=(Eh3/12(1-2)K)1/4 (cm) K 基层承载力系数（kg/cm2）,148,2020/8/29,2.3 日本设计方法,设计时所用的大型车轮载分布按表12。 车轮荷载距板边及板中距离不同时，板边板中应力系数如表13，设计时采用的车轮频度关系见表1

45、4。,149,2020/8/29,2.3 日本设计方法,150,2020/8/29,2.3 日本设计方法,151,2020/8/29,2.3 日本设计方法,2、温度应力计算 t=0.35CW E 式中：t混凝土板底面的温度应力设计值（kg/cm2） CW 翘曲约束系数（表15） 混凝土的膨胀率 混凝土板的温度差（表16） 轮载应力与温度应力组合值见表17。,152,2020/8/29,2.3 日本设计方法,153,2020/8/29,2.3 日本设计方法,154,2020/8/29,2.3 日本设计方法,3、疲劳设计 轮载应力和温度应力合成后的混凝土疲劳应力曲线，以下图为准。,155,2020

46、/8/29,2.3 日本设计方法,评述 PCA设计方法考虑板边中间应力产生的混凝土疲劳和板角挠度产生的地基冲刷。在疲劳准则中未考虑翘曲应力，这点是很有争议的。由于将荷载应力与翘曲应力综合在一起考虑比较复杂，比较合理的是对荷载和翘曲造成的损伤分别考虑，然后组合起来。在冲刷准则中，冲刷准则有利于减少错台、唧泥等现象产生。但是冲刷准则的建立主要是采纳了有特定底基层的AASHTO道路实验结果，可能不适用于底基层类型不同的情况。 通常在轻型交通作用下，薄层路面设计用疲劳分析控制，而在重型交通作用下，厚层路面设计用冲刷分析控制，对于常规混合轴载重量作用下的路面，单轴荷载易于疲劳开裂，双轴荷载易于产生冲刷破

47、坏。 分别考虑每一个荷载组，并根据累积损份量总加起来，反复验证厚度，直至两项损份率均小于1；还考虑了接缝类型及路肩类型影响。,156,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,设计原则,混凝土板的厚度，按荷载弯拉应力不超过容许荷载弯拉应力确定,混凝土面板荷载应力采用温克尔(Winkler)地基上中厚板理论计算。,157,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,基层材料 的回弹模量,土基回弹模量,混凝土铺面设计使用年限,面层材料 的弹性模量,底基层材料回弹模量,设计参数,荷载,158,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,1.荷载 根据工艺荷载条件

48、及重复荷载作用的影响（一般以车后轴荷载）选择标准荷载。,159,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,160,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,161,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,2.设计年限 混凝土铺面设计使用年限宜取30年。 3. 回弹模量 土基回弹模量和各层铺面材料回弹模量，按照现行公路柔性路面设计规范中规定的试验方法测定。,162,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,设计步骤： 1、初步拟定路面结构 2、设计参数计算 3、荷载作用次数计算 1）选取标准荷载 根据工艺荷载条件及重复荷载作用的影响选择

49、2）计算流动机械年运行次数 流动机械年运行次数的估算方式： A、通过调查分析确定。 B、经验公式估算确定。,163,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,经验公式： Zr装运机械的装运量扩大系数； Wi 计算的装运机械每年分担的货运量数（T或TEU）； 不平稳系数，单条道路或通道取1，多条道路或通道取1.50-1.60； 轮迹重叠系数，用作跨运车通道计算，取2，其他取1； i计算装载量（T或TEU)，为装运机械常用起吊、载重量。装运集装箱时取 1 ，一次装运二箱时取2； nt可以分流的道路、通道条数，用作集装箱堆场通道计算时，取集装箱堆放 条数，用作件杂货堆场通道计算时，取2

50、，用作散货堆场通道计算时，根据 情况确定。,164,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,3.计算标准荷载作用次数,165,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,166,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,167,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,4、各层厚度验算 1)流动机械荷载作用情况 A、计算底基（垫）层顶面当量回弹模量 Vo-土基泊松比； Eo-土基回弹模量； Wc-双层体系表面垂直位移系数Wc； 查双层体系表面垂直位移系数Wc诺谟图，得Wc值。,168,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法

51、,169,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,B、计算基层顶面当量回弹模量及地基综合反应模量 查双层体系表面垂直位移系数Wc诺谟图，得Wc值。 地基综合反应模量,170,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,C、计算荷载弯拉应力c,171,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,172,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,173,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,174,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,D、计算容许荷载弯拉应力a,175,2020/8/29,2.4 港口道路、

52、堆场铺面设计方法,176,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,E、判断计算荷载应力c与容许荷载弯拉应力a的是否满足0.95ac1.03a，若满足，初拟板厚可作为设计板厚，否则，重新拟定板厚。,177,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,2)集装箱荷载作用情况 A、计算底基（垫）层顶面当量回弹模量 Vo-土基泊松比； Eo-土基回弹模量； Wc-双层体系表面垂直位移系数Wc； 查双层体系表面垂直位移系数Wc诺谟图，得Wc值。,178,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,B、计算基层顶面当量回弹模量及地基综合反应模量 查双层体系表面垂直位

53、移系数Wc诺谟图，得Wc值。 地基综合反应模量,179,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,C、计算荷载弯拉应力c,180,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,181,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,182,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,D、计算容许荷载弯拉应力a,183,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,184,2020/8/29,2.4 港口道路、堆场铺面设计方法,E、判断计算荷载应力c与容许荷载弯拉应力a的是否满足0.95ac1.03a，若满足，初拟板厚可作为设计板厚，否则，重新拟定板厚。,185,2020/8/29,2.5 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,荷载,186,2020/8/29,轮载分析 X1=2.5m XT=5.5m X2=8.5m 制动系数：fd