剛性道面和柔性道面[谷風書苑]

1、道面設計原理與方法路面類型一般按路面所使用的主要材料劃分，如水泥混凝土路面、瀝青路面、砂石路面等。但在進行路面結(jié)構(gòu)設計時，主要從路面結(jié)構(gòu)的力學特征出發(fā)，將路面劃分為柔性路面和剛性路面。 剛性路面（rigid pavement）指的是剛度較大、抗彎拉強度較高的路面。一般指水泥混凝土路面。水泥混凝土的強度高，與其他筑路材料比較，其抗壓強度、抗彎拉強度和彈性模量較其他各種路面材料要大得多，故呈現(xiàn)出較大的剛性。在行車荷載作用下，水泥混凝土結(jié)構(gòu)層處于板體工作狀態(tài)，豎向彎沉較小，路面結(jié)構(gòu)主要靠水泥混凝土板的抗彎拉強度承受車輛荷載，通過板體的擴散分布作用，傳遞給基礎上的單位壓力較柔性路面要小得多。具有較強的

2、擴散應力能力。另外，用水泥、石灰、粉煤灰等無機結(jié)合料穩(wěn)定土或碎(礫)石來修筑的基層，通常稱為半剛性基層。此類基層初期強度和剛度較小，其強度和剛度隨齡期增長，所以后期體現(xiàn)出剛性路面的特性，但最終強度和剛度仍遠小于剛性路面。用半剛性基層修筑的瀝青類路面稱為半剛性基層瀝青路面，這類路面的設計仍然采用柔性路面理論來設計。 柔性路面（flexible pavement）指的是剛度較小、抗彎拉強度較低，主要靠抗壓、抗剪強度來承受車輛荷載作用的路面。總體結(jié)構(gòu)剛度較小，在行車荷載作用下的彎沉變形較大，路面結(jié)構(gòu)本身抗彎拉強度較低，它通過各結(jié)構(gòu)層將車輛荷載傳遞給土基，使土基承受較大的單位壓力，路基路面結(jié)構(gòu)主要靠抗

3、壓強度和抗剪強度承受車輛荷載的作用。這樣的路面叫柔性路面。柔性路面主要包括各種未經(jīng)處理的粒料基層和各類瀝青面層、碎(礫)石面層或塊石面層組成的路面結(jié)構(gòu)。因瀝青混合料在配合比設計中有空隙率的考慮，高溫環(huán)境下，碎石作為骨架基本不動，其他的細微膨脹由預留的空隙消化，即使多年的路面，空隙完全閉合，膨脹量也可以由瀝青向上發(fā)展消化。更重要的是柔性路面的“柔”，其本身就有一定的低溫抗裂性能，這也是柔性路面優(yōu)勢之一，而且低溫環(huán)境下發(fā)生的部分細微裂縫在高溫環(huán)境下也能自身愈合。 1.剛性路面和柔性路面計算方法分析1.1 柔性路面柔性路面的設計是按照彈性層狀體系理論設計的。彈性層狀理論體系是由兩層或兩層以上厚度方向

4、上不同材料組成的復合彈性體。彈性層狀體系的基本假設如下：（1） 各層材料假定為連續(xù)，均勻，各向同性的彈性材料，并服從胡克定律；（2） 各層平面無限大，垂直方向具有一定的厚度，最下層是半無限體，或不變形剛體；（3） 各層水平無限遠和最下層無限深度，應力和位移分量為零；（4） 層間的結(jié)合狀態(tài)可以是完全連續(xù)的，或者是完全光滑的也可以是介于兩者之間的半接觸狀態(tài)，但層間不出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象；（5） 作用與彈性層狀體系最上層表面的荷載是軸對稱的；（6） 體力忽略不計。 彈性層狀體系彈性層狀體系可以看成是多個有限厚彈性層與彈性半空間組成。N層彈性體系通常指由一個彈性半空間體及其上面N-1層有限厚彈性層組成的體系

5、。有限厚彈性層是彈性層狀體系的組成元件，有兩類常見的模型，給定支承力的有限厚彈性層和給定位移約束的有限厚彈性層。（1）給定支承力的有限厚彈性層問題有限厚彈性層的邊界條件可表示為：z=0 , ra , z = -q(r) = -q0 ra , z = -q(r) = 0 z=h , z = - p(r) zr =- g(r)應用通解式，邊界條件變?yōu)閼脻h克爾變化可得求解A,B,C,D的線性方程組。A+(1-2)B-C+(1+2)D = -(）A-2B+C+2D=0其中 聯(lián)立方程，求出待定系數(shù)A,B,C,D與已知荷載或支承力的表達式，然后代回通解可得到相應的應力和位移分量。（2）給定位移的有限厚彈

6、性層問題當有限厚彈性層位于剛性下臥層上時，則剛性下臥層為位移邊界條件。z=0 , ra , z = -q(r) = -q0 ra , z = -q(r) = 0 zr =0 z=h , w = 0 zr =- g(r) 邊界條件變成 應用漢克爾反變換，變?yōu)槠渲新?lián)立求解得到A,B,C,D，代回通解可得到相應的位移和應力分量大小，此式為剛性下臥層上單層彈性層模型產(chǎn)生的表面位移。（3） 雙層彈性層狀體系 根據(jù)問題的性質(zhì)，當層間連續(xù)接觸時，邊界條件和層間條件如下：z=-h z=0 式中上標代表相應的層位 雙層彈性層狀體系的求解通常可采用分離層法和系數(shù)矩陣法。1.2 剛性路面剛性路面的設計是以彈性地基薄

7、板理論為基礎的。為了簡化分析和計算，引進了一些假設。1.彈性地基假設（1）溫克勒地基模型捷克工程師溫克勒認為，地基反力只與該點的垂直位移有關，且反力大小與垂直位移w成正比，方向相反，即 p=-kw式中，k為常數(shù)，稱作地基反應模量。溫克勒地基模型簡單，沒有考慮地基橫向影響。適宜于工程近似分析，當?shù)鼗枯^大時較為準確。（2）帕斯捷納克地基帕斯捷納克認為考慮橫向力影響后彈性地基可以表示為 式中，k1 ,Gp 為地基反應模量，為拉普拉斯算子。由上式得知，地基反力不但與該點的垂直位移有關，而且與該點的撓度的斜率有關，帕斯捷納克地基有時也被稱為雙參數(shù)地基。（3） 彈性半空間地基彈性半空間地基模型由彈性

8、模量和泊松比共同表征。在漢克爾變換域內(nèi)表現(xiàn)為 式中，分別為垂直位移和地基反力的零階第一類漢克爾變換；E0和0分別為地基彈性模量和泊松比。（4） 彈性層狀地基 彈性層狀地基由彈性層狀體系組成，可以根據(jù)彈性層狀體系理論推導出，其表達式為 式中，和仍為垂直位移和地基反力的零階漢克爾變換。LM為Ei,i，hi(i=0,1,2,3.)的已知函數(shù)。2. 薄板模型的基本假設板是由兩個平行的平面和一個與平面相垂直的柱面所包圍的彈性體。兩個平行平面之間的垂直距離為板厚，通常用h表示。板內(nèi)與兩個平面等距離的面稱為板的中面。進行板的分析時，通常將平面坐標系放在板的中面上。式中，當板厚h與板的平面特征尺寸a相比，h/

9、a1/5，薄板假設將會帶來很大的誤差，應采用中厚板假設。當板的撓度w與板厚h相比，w/h1/5為大撓度?？讼；舴蛱岢龅男隙缺“宓幕炯僭O如下： （1）變形前垂直板中面的法線在變形后仍然垂直于板的中面，這一假設有時也稱為直法線假設，即 （2）垂直于板中面的法線長度變形前后保持不變，即 （3）板內(nèi)平行于中面的各面互不擠壓，即 （4）板在彎曲過程中，板中面無水平位移，也即 上述四個基本假設可將版的三維特征簡化，控制方程降階?？讼；舴虮“寮僭O可以看成是歐拉梁截面中性軸假設的延伸。 根據(jù)薄板理論假設可推導出薄板位移、應變和應力場。 由薄板的假設，可知薄板的位移場： 由此可得薄板的應變場： 由此即可得薄

10、板應力場： 下面可以用平衡關系得到應滿足的板彎方程： 上式為用廣義應力表示的板彎方程，將廣義應力分量代入上式，可得到用板撓度表示的板彎方程 式中：為拉普拉斯算子， 在工程實際中，水泥混凝土路面板是有限尺寸的薄板，而不是無限大的薄板。因此應當考慮薄板的三種邊界條件，固定邊界條件，簡支邊界條件和自由邊界條件。水泥混凝土路面往往是設置在雙層地基上，即在土基上鋪設有一定厚度的基層，然后鋪設水泥混凝土面層。對設有基層的水泥混凝土路面，采用雙層地基上的板的理論，則較為合理。求解雙層彈性地基無限大薄板小撓度問題時，薄板的基本假設，板與地基之間連接的附加假設仍都適用。雙層彈性地基是由有限度的彈性層與彈性板空間體組成的。彈性層與半空間體的接觸面可以是完全連續(xù)的或絕對光滑的。在均質(zhì)彈性半空間體地基上的兩層彈性薄板為彈性地基上的雙層板，按照上下兩層板接觸面的不同假設，分為彈性地基分離式雙層板，彈性基礎結(jié)合式雙層板，以及彈性地基部分結(jié)合式雙層板。前者上下板接觸面被假定為完全光滑，而后兩者被假定為完全連續(xù)或部分連續(xù)。還需要處理的是彈性層狀體系與彈性薄板模型的復合問題。其中有三個方面的工程背景：（1）瀝青路面上加鋪水泥混凝土面層；（2）水泥混凝土路面板上加