Part1路面設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)要素課件

Part1路面設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)要素Part1路面設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)要素1第一章路面結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法評述§1剛性路面的設(shè)計(jì)方法——混凝土彎拉應(yīng)力是主要甚至唯一的設(shè)計(jì)要素基于懸臂梁假設(shè)的解析解法（板角荷載應(yīng)力哥爾德貝克（Goldbeck）、歐爾德(Older)解法基于稠密液體地基（winkler地基）的解析解法威斯特卡德（Westergaard）解法（假定地基完全接觸）波特蘭水泥協(xié)會(huì)（PCA）解法（假定地基不完全接觸，對威氏解經(jīng)驗(yàn)修正）基于固體地基（彈性半無限空間地基）的解析解法皮克（Pickett）解法起源于上世紀(jì)60年代的一系列數(shù)值解法有限差分法有限單元法第一章路面結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法評述§1剛性路面的設(shè)計(jì)方法2第一章路面結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法評述§2柔性路面的設(shè)計(jì)方法經(jīng)驗(yàn)法——通過對試驗(yàn)路或使用道路的實(shí)驗(yàn)觀測，建立路面結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)組合、厚度、材料性質(zhì)）、荷載（軸載大小、作用次數(shù)）和路面性能三者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。CBR法AASHTO-1972/1986/1993德RStO01力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法——首先分析路面結(jié)構(gòu)在荷載和環(huán)境作用下的力學(xué)響應(yīng)量（應(yīng)力、應(yīng)變、位移），利用力學(xué)響應(yīng)量與路面性能（各種損壞模式）之間建立的使用性能模型，按設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)。AI法Shell法AASHTO-2002南非NITRR英諾丁漢大學(xué)法LCPC俄比利時(shí)澳大利亞我國方法第一章路面結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法評述§2柔性路面的設(shè)計(jì)方法3柔性路面的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法Porter1929提出概念，1942年推出理論建立依據(jù)由于基層承載力不一的不均勻下沉因基層本身承載力不夠而變形過大與路面與路基材料的壓實(shí)度和抗剪強(qiáng)度相關(guān)用抗剪指標(biāo)（CBR）表征路基土承載能力采用典型（固定）路面結(jié)構(gòu)組合根據(jù)荷載建立土基抗剪強(qiáng)度與路面厚度關(guān)系純?nèi)嵝月访嫫茐?920s典型結(jié)構(gòu)路基土的側(cè)向移動(dòng)較薄瀝青層+（瀝青穩(wěn)定）級配碎石基層+路基CBR設(shè)計(jì)法柔性路面的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法Porter1929提出概念，1942年4土基CBR與必要的路面厚度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系按土力學(xué)計(jì)算不同輪重在土中產(chǎn)生的剪力曲線，標(biāo)示剪應(yīng)力對應(yīng)的CBR值CBR設(shè)計(jì)曲線土基CBR與必要的路面厚度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系按土力學(xué)計(jì)算不同輪重5AASHTO設(shè)計(jì)法AASHTO依據(jù)渥太華和伊利諾伊州道路試驗(yàn)成果基礎(chǔ)建立。1962提出成果報(bào)告：1）得出了路面耐用性指數(shù)與路面工作狀態(tài)間的關(guān)系，并根據(jù)不同道路等級對路面的使用狀況要求，提出了路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。2）建立了路面設(shè)計(jì)方法的基本方程，提出了不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的路面厚度計(jì)算列線圖和不同路面材料的結(jié)構(gòu)數(shù)（SN）。3)導(dǎo)出了不同車型軸載與數(shù)量間等效關(guān)系的軸載換算公式。不斷修訂使其適于不同環(huán)境、結(jié)構(gòu)和交通狀（1961、1972、1972、1986、1993修訂擴(kuò)大）設(shè)計(jì)法特點(diǎn)：依據(jù)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)法引入可靠度概念設(shè)計(jì)指標(biāo)為現(xiàn)時(shí)耐用性指數(shù)PSI（Present

Serviceability

Index）柔性路面的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法AASHTO設(shè)計(jì)法AASHTO依據(jù)渥太華和伊利諾伊州道路試驗(yàn)6設(shè)計(jì)思想性能預(yù)測指標(biāo)×可靠度=交通預(yù)測指標(biāo)正態(tài)偏移/中位數(shù)/保證率系數(shù)性能預(yù)測總體標(biāo)準(zhǔn)差（含結(jié)構(gòu)預(yù)測偏差和交通預(yù)測誤差）預(yù)期結(jié)構(gòu)性能允許荷載作用次數(shù)預(yù)期交通軸載次數(shù)設(shè)計(jì)思想正態(tài)偏移/中位數(shù)/保證率系數(shù)性能預(yù)測總體標(biāo)準(zhǔn)差（含結(jié)7路面結(jié)構(gòu)數(shù)使用期末的耐用性指數(shù)衰減設(shè)定的瀝青路面初始PSI和工作年限末允許的PSI有效路基土回彈模量性能預(yù)測經(jīng)驗(yàn)方程：基于AASHO道路試驗(yàn)，初始PSI為4.2（柔性路面）/4.5（剛性路面）；最終允許最低PSI對主要公路建議為2.5，次要為2.0（可采用更高的值）

MRi—季節(jié)/各月份模量，通過與土的溫、濕狀況相關(guān)的公式或根據(jù)彎沉試驗(yàn)測試確定考慮可靠度的設(shè)計(jì)方程路面結(jié)構(gòu)數(shù)使用期末的耐用性指數(shù)衰減設(shè)定的瀝青路面初始PS8設(shè)計(jì)步驟1.按FHWA可靠度規(guī)定確定標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏移ZR；2.選擇能代表當(dāng)?shù)貤l件的S0（AASHO試驗(yàn)路為剛性路面0.35，柔性路面0.45）；3.按AASHTO法確定W18；4.考慮需要大修、重新罩面和重建之間所允許的最低指數(shù)確定△PSI;5.由季節(jié)模量MRi換算有效路基土模量MR（實(shí)際通過計(jì)算平均相對損傷數(shù)后查圖）；6.查圖計(jì)算結(jié)構(gòu)數(shù)SN設(shè)計(jì)步驟1.按FHWA可靠度規(guī)定確定標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏移ZR；9設(shè)計(jì)步驟7.結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，確定結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)和組合關(guān)系。（HMA和穩(wěn)定處理類基層材料參數(shù)可用重復(fù)荷載間接拉伸試驗(yàn)（ASTMD-4123），其他材料可以用回彈模量試驗(yàn)方法（AASHTOT274））；8.按材料參數(shù)確定結(jié)構(gòu)系數(shù)9.確定基層和底基層排水系數(shù)m1、m2a1（瀝青面層）a2（未處理和穩(wěn)定處理基層，未處理基層材料E的確定需考慮層位應(yīng)力狀態(tài)）a3（粒料底基層，E需考慮層位應(yīng)力狀態(tài)）設(shè)計(jì)步驟7.結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，確定結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)和組合關(guān)系。（H10設(shè)計(jì)步驟9.確定各層厚度（1）取E2作為MR,確定保護(hù)基層所需SN1，計(jì)算面層厚度：（2）取E3作為MR,確定保護(hù)底基層所需SN2，計(jì)算基層厚度：（3）根據(jù)有效路基土回彈模量MR,確定保護(hù)路基所需SN3，計(jì)算底基層厚度：設(shè)計(jì)步驟9.確定各層厚度（1）取E2作為MR,確定保護(hù)基層所11力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法瀝青層基層路基受拉受壓受拉/受壓？柔性路面結(jié)構(gòu)的受拉和受壓雙圓荷載下多層彈性體系圖示力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法瀝青層基層路基受拉受壓受拉/受壓？柔性路面結(jié)構(gòu)的12機(jī)構(gòu)路面模型損壞模式環(huán)境影響設(shè)計(jì)方式Shell多層彈性疲勞（瀝青層、水泥穩(wěn)定層）車轍（路基壓應(yīng)變、瀝青層）溫度設(shè)計(jì)圖表程序（BISAR）AI多層彈性疲勞（瀝青層）車轍（路基壓應(yīng)變）溫度凍融設(shè)計(jì)圖表程序（DAMA）FHWA多層彈性疲勞（瀝青層、水泥穩(wěn)定層）車轍（路表PSI）溫度程序（VESYS）NITRR(南非)多層彈性或粘彈性疲勞（瀝青層、水泥穩(wěn)定層）車轍（路基壓應(yīng)變、粒料層剪切）溫度電算程序NTU（英）多層彈性疲勞（瀝青層）車轍（路基壓應(yīng)變）溫度設(shè)計(jì)圖表程序（ANPAD）LCPC(法)多層彈性疲勞（瀝青層、水泥穩(wěn)定層）車轍溫度通用設(shè)計(jì)流程程序（ALIZE）比利時(shí)多層彈性疲勞（瀝青層、水泥穩(wěn)定層）車轍溫度設(shè)計(jì)圖表電算程序AASHTO-2002多層彈性疲勞（瀝青層、水泥穩(wěn)定層）車轍（瀝青層、粒料層、路基）低溫縮裂平整度溫度濕度凍融電算程序Shelll——?dú)づ剖凸?，AI——美國瀝青學(xué)會(huì)，F(xiàn)HWA——美國聯(lián)邦公路局，NITRR——南非國家運(yùn)輸與道路研究所，NTU——諾丁漢大學(xué)，LCPC——法國橋梁與公路試驗(yàn)中心各種力學(xué)——經(jīng)驗(yàn)法機(jī)構(gòu)路面模型損壞模式環(huán)境影響設(shè)計(jì)方式Shell多層彈性疲勞（13交通環(huán)境路基路面材料特性設(shè)計(jì)可靠度初擬路面結(jié)構(gòu)損壞分析疲勞永久變形低溫開裂反射裂縫相應(yīng)損壞標(biāo)準(zhǔn)合適？選定路面結(jié)構(gòu)和材料要求力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法框圖交通環(huán)境路基路面材料特性設(shè)計(jì)可靠度初擬路面結(jié)構(gòu)損壞分析疲勞永14力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法的核心問題路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)模型路基土和路面材料的特性損壞模式和損壞標(biāo)準(zhǔn)路面使用性能預(yù)估模型荷載作用環(huán)境影響荷載、材料和結(jié)構(gòu)變異性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法的核心問題路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)模型15Part1路面設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)要素第二章路面的四類設(shè)計(jì)要素§1荷載（軸載等效換算、輪胎接觸形狀、行車速度）§2環(huán)境（溫度、濕度）§3材料參數(shù)（彈性、粘彈性、溫度變形系數(shù)）§4破壞極限（破壞模式）四類要素是制約路面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制因素Part1路面設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)要素第二章路面的四類設(shè)計(jì)要16路面設(shè)計(jì)要素關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)荷載環(huán)境材料結(jié)構(gòu)交通量交通增長率軸載譜軸載換算標(biāo)準(zhǔn)溫度濕度降雨量設(shè)計(jì)方法（配合比、劑量）材料力學(xué)性能材料路用性能結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)荷載動(dòng)力響應(yīng)結(jié)構(gòu)破壞模式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)長期使用性能衰變規(guī)律原材料力學(xué)要求原材料性能要求路面設(shè)計(jì)是結(jié)合荷載與環(huán)境對路面的影響，通過特定的分析技巧，選擇并運(yùn)用適當(dāng)?shù)牟牧?，建立滿足使用要求的合理結(jié)構(gòu)的過程路面設(shè)計(jì)要素關(guān)聯(lián)設(shè)荷載環(huán)境材料結(jié)構(gòu)交通量溫度設(shè)計(jì)方法（配合比17第一章路面的四類設(shè)計(jì)要素§1荷載§1.1軸載等效換算軸載換算的問題換算原則標(biāo)準(zhǔn)軸載多級軸載和輪組的問題§1.2輪胎接觸形狀接觸形狀問題接觸壓強(qiáng)問題§1.3車輛動(dòng)態(tài)影響動(dòng)態(tài)影響的考慮方法典型半拖掛車車輪布置第一章路面的四類設(shè)計(jì)要素§1荷載典型半拖掛車車輪布置18§1荷載§1.1軸載等效換算換算原則標(biāo)準(zhǔn)軸載換算指標(biāo)換算系數(shù)換算公式§1荷載§1.1軸載等效換算換算原則標(biāo)準(zhǔn)軸載換算指標(biāo)換算19換算原則等效疲勞損傷原理換算原則等效疲勞損傷原理20換算原則等效疲勞的不同路面破壞極限疲勞開裂——瀝青層底、無機(jī)結(jié)合料基層層底、水泥板塊層底瀝青層永久變形路基頂面永久變形路面使用性能容許極限(例：路面現(xiàn)時(shí)耐用性指數(shù)PSI）表面彎沉兩個(gè)互推原則1.不同荷載在同一結(jié)構(gòu)上作用不同次數(shù)后，達(dá)到同一極限狀態(tài)；2.對某一交通組成，無論采用何種軸載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算，用換算后的軸載次數(shù)設(shè)計(jì)或計(jì)算的路面結(jié)構(gòu)相同。換算原則等效疲勞的不同兩個(gè)互推原則21換算公式推導(dǎo)以我國現(xiàn)行瀝青路面表面彎沉指標(biāo)為例不同軸重彈性層狀體系下彎沉比：設(shè)計(jì)彎沉表達(dá)式：按軸載換算互推原則：b值：林秀賢研究結(jié)果（72種典型結(jié)構(gòu)）b=0.87；交通部公路科學(xué)研究所研究結(jié)果b=0.93；長安大學(xué)研究結(jié)果b=1.0~1.16c值：交通部公路研究所1972~1973全國8省一市調(diào)查c≈0.2；1992~1993全國54段公路調(diào)查，c=0.204；86、97、06版規(guī)范都使用0.2由此，97版和06版設(shè)計(jì)規(guī)范都使用n=4.75換算公式推導(dǎo)以我國現(xiàn)行瀝青路面表面彎沉指標(biāo)為例不同軸重彈性層22結(jié)構(gòu)響應(yīng)的敏感性軸載軸型的代表性標(biāo)準(zhǔn)軸載標(biāo)準(zhǔn)軸載結(jié)構(gòu)響應(yīng)的敏感性軸載軸型的代表性標(biāo)準(zhǔn)軸載標(biāo)準(zhǔn)軸載23標(biāo)準(zhǔn)軸載各種設(shè)計(jì)方法的標(biāo)準(zhǔn)軸中國AASHTO（美）AI（美）俄法日南非澳大利亞軸重（KN）10080（18kip）80（18kip）A/B*130988080胎壓(Kpa)700552（80psi）483（70psi）600/500662610750軸輪型單軸雙輪*A組（適于高等級道路）：載貨汽車100、公共汽車110；B組（適于普通等級）：載貨汽車60、公共汽車70統(tǒng)計(jì)表明：我國軸重60~130KN軸載只占24%，載重貨車超載率近50%，我們應(yīng)該提高標(biāo)準(zhǔn)軸載么？標(biāo)準(zhǔn)軸載各種設(shè)計(jì)方法的標(biāo)準(zhǔn)軸中國AASHTOAI俄法日南非澳24多級軸載的考慮方法多后軸汽車的軸距一般都在120~135cm，軸距與輪壓半徑比平均約為12，必須解決其應(yīng)力、應(yīng)變或變形在兩軸間的干擾問題按等效破壞原則（拉應(yīng)力、拉應(yīng)變、變形…….）進(jìn)行換算AI認(rèn)為雙軸的一次作用相當(dāng)單軸兩次??加拿大亞伯達(dá)省交通運(yùn)輸部（埃德蒙頓市）全面研究結(jié)果總重135kN雙軸/181kN三軸等效于80kN單軸（軸數(shù)系數(shù)分別為2.12和3.41）1993年我國林秀賢引用亞伯達(dá)省研究實(shí)測回歸關(guān)系，換算到單軸100kN,得到總重117kN雙軸/132kN三軸等效于100kN單軸（軸數(shù)系數(shù)分別為2.21和3.35）該參數(shù)一直沿用到今天多級軸載的考慮方法多后軸汽車的軸距一般都在120~135c25§1.2輪胎接觸形狀高壓輪胎實(shí)際接觸形狀接觸壓力與胎壓的關(guān)系載重汽車通用輪胎高壓輪胎簡化接觸形狀§1.2輪胎接觸形狀高壓輪胎實(shí)際接觸形狀接觸壓力與胎壓的關(guān)系26輪胎接觸面積問題分析用簡化形狀剛性路面用（PCA1966）剛性路面用（PCA1984-）剛性路面用（VESYS1978）瀝青路面（多層彈性體系）用（我國、AI等）輪胎接觸面積問題分析用簡化形狀剛性路面用（PCA1966）剛27§1.3車輛動(dòng)態(tài)影響輪載動(dòng)態(tài)作用隨車速提高而變大，但其偏離靜荷載的機(jī)會(huì)是均等的動(dòng)態(tài)作用對粘彈性材料有顯著影響但是按動(dòng)態(tài)影響分析路面太復(fù)雜目前的各國設(shè)計(jì)體系中一般采用靜態(tài)荷載粘彈性材料參數(shù)試驗(yàn)的加載速率與行車速度匹配粘彈性材料參數(shù)隨加載速率而變路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)成為研究熱點(diǎn)§1.3車輛動(dòng)態(tài)影響輪載動(dòng)態(tài)作用隨車速提高而變大，但其偏離靜28§2環(huán)境溫度對瀝青層的影響對混凝土板的影響對路基影響濕度對路面材料影響對路基影響對剛性路面結(jié)構(gòu)影響溫度—濕度協(xié)同冰凍§2環(huán)境溫度29§3材料參數(shù)一般性質(zhì)按彈性體系分析時(shí)，需要土基和每一層的彈性模量和泊松比（泊松比對路面響應(yīng)較小，可以合理假設(shè)）；若材料彈性模量隨荷載作用時(shí)間變化，應(yīng)選用荷載作用時(shí)間和車速相當(dāng)?shù)牡幕貜椖Ａ?，作為重?fù)荷載作用下的彈性模量；材料作為非線彈性體時(shí)候，必須給定回彈模量與應(yīng)力狀態(tài)之間的本構(gòu)方程。柔性路面HMA層作為線性粘彈性體時(shí)，必須給定蠕變?nèi)崃?，該值是不同荷載作用時(shí)間下模量的倒數(shù)。如果蠕變試驗(yàn)溫度與路面設(shè)計(jì)溫度不同，還必須給定標(biāo)示瀝青混合料對溫度敏感程度的時(shí)間—溫度換算系數(shù)；