柔性路面與剛性路面理論與分析方法的發(fā)展概述

./研究生課程論文題目柔性、剛性路面理論與分析方法發(fā)展概述作者XX作者學號學科專業(yè)道路與交通工程所在學院建筑工程學院提交日期二○一五年十一月摘要根據(jù)行車作用下路面的力學特性,可將路面分為柔性與剛性兩種。柔性路面多由瀝青類面層和多層結構組成,比較柔韌具有一定塑性,在長期行車作用下,容易產生較明顯的變形,在柔性路面設計中需要考慮它的極限垂直位移和高溫季節(jié)面層〔采用瀝青面層時〕的穩(wěn)定,同時也要考慮不利季節(jié)面層底面的極限拉延和面層的低溫縮裂。剛性路面主要指水泥混凝土路面,在行車下工作于彈性狀態(tài),沒有明顯的垂直變形。剛性路面設計主要取決于混凝土面層的抗彎強度,同時考慮溫度變化對路面內應力的影響。路面設計從20世紀初就開始研究,已有80多年的歷史,目前,各國使用的設計方法達幾十種。早期偏重于經(jīng)驗法,它是根據(jù)道路試驗結果或按照對道路進行一般觀察的結果而建立的,具有一定的條件性和地區(qū)局限性,但由于方法簡便,能解決實際問題,故仍有很多國家使用。隨著力學和數(shù)學的發(fā)展以與電子計算機的運用,可以按照彈性理論或粘彈性理論計算出多層路面結構內的應力與變形,輔以一定的試驗和調查,逐步建立了力學經(jīng)驗法,它已成為路面結構設計方法的發(fā)展方向,并已開始在美國、蘇聯(lián)、中國等國家應用。關鍵詞：柔性路面,剛性路面,經(jīng)驗法,力學經(jīng)驗法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引言路面理論與分析方法從20世紀初就開始研究,已有110多年的歷史,目前,各國使用的方法達幾十種。根據(jù)行車作用下路面的力學特性,可將路面分為柔性與剛性兩種。下面分別對柔性路面和剛性路面理論與分析方法的發(fā)展情況分別進行概述。2柔性路面理論與分析方法發(fā)展概述自1850年法國首先將巖瀝青應用于道路路面之后,瀝青路面很快發(fā)展成為了現(xiàn)代路面的主要類型。2.1發(fā)展簡史柔性路面設計法始見于1901年美國麻省道路委員會第八次年會上的公式,隨后40年提出了各種設計公式,至1940年戈德貝克公式為止,均屬初期的古典公式,其特點都是以輪載分布到土基上的應力大小為依據(jù)。隨著土質學、土力學的發(fā)展,20世紀40年代后,柔性路面設計轉以經(jīng)驗法為中心,如1940年美國堪薩斯州的三軸法,哈費氏的平板試驗法,1942年O.J.波特的加州承載比<CBR>法,1943年加拿大的麥克勞德法,1947年加州的維姆法,直至1950年美國陸軍工兵部隊發(fā)展的CBR法。而1955年的美國各州公路工作者西部協(xié)會<WASHO>和1962年的美國各州公路工作者協(xié)會<AASHO>的道路試驗,則更是近代經(jīng)驗法的基礎。1943年D.M.伯米斯特發(fā)表了彈性層狀體系理論,為柔性路面設計理論奠定了基礎,到第二次世界大戰(zhàn)結束,隨著電子計算機的發(fā)展和測試技術的進步,把彈性層狀體系理論和WASHO、AASHO試驗路結果相聯(lián)系,提出了完整的設計方法與其電算程序或諾謨圖,成為現(xiàn)代理論法的先聲。繼此,各國競相前進,成為發(fā)展趨勢。近年來,由于大型電子計算機的普與,理論基礎的完善,規(guī)劃科學化、結構典型化、材料規(guī)格化、施工機械化,已有可能從規(guī)劃、設計、施工直至使用作為一個整體,從最佳經(jīng)濟效益出發(fā),走系統(tǒng)設計的方向?？傮w來說,柔性路面設計方法門類繁多,但基本上可分為經(jīng)驗法和理論法兩大類。2.2經(jīng)驗法柔性路面理論以道路試驗與對道路所進行的觀測數(shù)據(jù)為基礎,設計時以不同的交通條件、土基與路面材料室內和現(xiàn)場試驗結果為依據(jù),結合本國實際情況,確定經(jīng)驗公式或設計曲線。經(jīng)驗法中影響最大者為CBR設計法和AASHO設計法。a.CBR設計法加州承載比CBR試驗,為測定土基和粒料基層材料相對強度的試驗法。美國加州公路局1928～1929年進行道路調查,于1942年提出土基CBR值與路面厚度關系曲線,后經(jīng)波特和美國陸軍工兵部隊的共同努力,幾經(jīng)演變,得出如圖的設計曲線,成為許多國家CBR設計法的基礎。b.AASHO設計法1962年提出,以路面使用性能降低的原因為依據(jù),確定交通量與路面厚度的關系。設計參數(shù)有路基支承值、地區(qū)系數(shù)、80千牛標準軸載累計數(shù),根據(jù)不同的臨界狀態(tài)的計算圖查得路面厚度指數(shù),再以適當?shù)牟牧系刃姸认禂?shù)換算為實際厚度確定路面結構。c.典型結構法如德意志聯(lián)邦XX國法,以本國經(jīng)驗為基礎,吸收AASHO成果,結合本國對防凍設計的成就而成。舊路補強設計。以舊路不利季節(jié)的彎沉測定為基礎,根據(jù)補強層材料的試驗路求得其補強效果,以經(jīng)驗公式或經(jīng)驗曲線決定補強厚度。加拿大、中國等國都制訂過這種方法。至于美國地瀝青協(xié)會<A.I.>舊法、英國法、日本法等都是綜合CBR法和AASHO法的結果,或以諾謨圖表示或以公式表示。2.3力學經(jīng)驗法柔性路面體系具有彈－粘－塑性質,對于等級較高的柔性路面,可以認為近似于彈性體。用彈性層狀體系理論進行路面的應力、應變和位移分析。理論假定前提和路面實際的差異所導致的計算結果和實測數(shù)據(jù)的偏離,則在計算中予以修正。由于影響路面工作狀況的因素多、變化大,理論法仍有經(jīng)驗成份。在進行柔性路面設計時,應在充分調查路線的自然、交通、筑路材料資源的基礎上,遵循因地制宜、就地取材、方便施工、利于養(yǎng)護的原則,注意分期修建的技術經(jīng)濟效益,采用薄面強基穩(wěn)土基的技術途徑,進行路基路面組合設計。a.殼牌石油公司法1963年提出,1978年修正,以三層體系〔連續(xù)、滑動、半滑動〕為基礎,后發(fā)展到采用多層體系BISAR程序<見路面力學計算>,參考了WASHO、AASHO道路試驗結果制定,采用雙圓垂直荷載圖式、標準軸載80千牛,特殊情況時考慮水平荷載。設計時控制土基壓應變防止路面永久變形,分別控制層底拉應變或拉應力,防止瀝青面層或水泥土基層的拉裂。有設計手冊可用。b.蘇聯(lián)法1972年制定,以雙層體系〔連續(xù)或滑動〕為基礎,計算中層拉應力時用三層連續(xù)體系近似諾謨圖。采用單圓垂直荷載。設計時控制土基的剪力或路表彎沉值計算總厚度,控制瀝青類面層和無機結合料穩(wěn)定基層層底的拉應力或粒料基層剪應力防止路面開裂。有設計諾謨圖可用。c.美國地瀝青協(xié)會<A.I.>新法1981年利用切夫隆科研公司三層或四層連續(xù)體系的計算程序為基礎,采用雙圓垂直荷載,標準軸載80千牛,設計時控制層底拉應變和土基壓應變。有設計手冊可用。d.中國法1978年制定,雙層連續(xù)體系為基礎,對多層用等效層法計算,采用雙圓垂直荷載,標準軸載60千牛和100千牛。設計時控制路表彎沉值計算厚度。1982年建議以三層體系<連續(xù)或滑動>為基礎,多層用當量換算或n層計算程序,采用雙圓垂直和水平的綜合荷載、標準軸載100千牛。除控制路表彎沉值防止路面整體損壞外,還控制層底拉應力防止路面開裂,并控制瀝青類表層剪應力防止面層推擠滑移。有全套諾謨圖和在袖珍電子計算機上普與使用的設計程序可用。我國現(xiàn)行的《公路瀝青路面設計規(guī)X》〔JTGD50—2011〕采用彈性層狀體系作力學分析基礎理論,以雙源垂直均布荷載作用下的路面整體沉降〔彎沉〕和結構層的層底拉應力作為設計指標,以疲勞效應為基礎,處理軸載標準化轉換與軸載多次重復效應。力學經(jīng)驗法的優(yōu)點在于改進了設計的可靠度,提高了預測各類損壞的能力,并且是根據(jù)有限的野外和室內試驗數(shù)據(jù)進行推算成為可能。由于層狀體系理論假設每一層是均質的并在整個層體中具有同樣的性質,非線性材料的彈性模量值隨應力而變,而且在層體中并不等值,如未處理的粒料基層和底基層等層狀體系變得難以分析。Duncan等于1968年首先應用有限元法分析柔性路面解決了這一問題,使得柔性路面理論變得更加豐富。3剛性路面理論與分析方法發(fā)展概述剛性路面設計即水泥混凝土路面設計,是路面設計的分支之一,包括結構設計和材料組成設計。水泥混凝土具有較大的抗彎拉強度和彈性模量,作為路面材料,其結構設計系根據(jù)交通荷載的使用要求、當?shù)氐淖匀画h(huán)境〔溫度、濕度、土質和水文〕條件和路面本身的工作特性來確定：①路基的處理方案；②墊層和基層等結構層次的選擇和組合；③混凝土面層的厚度；④板的平面尺寸,接縫的布置和構造;⑤配筋。材料組成設計則是根據(jù)混凝土面層的工作環(huán)境和耐疲勞、耐磨、耐凍等使用要求,選擇混合料的組成材料并設計配合比。3.1發(fā)展簡史混凝土面層板厚度的計算公式,最早是由美國C.奧爾德根據(jù)1920～1921年在貝茨試驗路上的研究結果提出。1925年,美國H.M.S.韋斯特加德采用溫克勒地基假設,從理論上推導出混凝土面層板在板中部、板邊緣中部和板角隅三種輪載位置情況下的撓度和應力計算公式。這些公式經(jīng)過阿林頓試驗路的驗證和修正后,得到廣泛應用,目前,仍被大部分國家用作計算荷載應力和確定板厚的依據(jù)。1938年美國A.H.A.霍格、1939年蘇聯(lián)Ο.Я.舍赫捷爾,采用半無限地基上板的模式,分別導出計算無限大板撓度和應力的公式,它們?yōu)樘K聯(lián)和中國等國家所采用。70年代起,美國和中國等一些國家采用有限元法分析矩形面層板的撓度和應力,并編制出實用的計算機程序。決定混凝土面層板平面尺寸的溫度翹曲應力計算公式,也是由韋斯特加德在1927年提出的,并一直沿用至今?；炷谅访娼Y構設計的方法門類繁多,但基本上可分為經(jīng)驗法和力學經(jīng)驗法兩大類。3.2經(jīng)驗法以修建足尺試驗路并對其使用效果進行長期觀測為基礎,通過回歸分析建立路面結構、荷載〔軸載大小和軸數(shù)〕和路面使用性能〔或疲勞損壞狀況〕之間的統(tǒng)計關系；利用這個關系制訂出設計曲線,據(jù)此,按設計使用年限內預計通過的軸載數(shù)和路面體系的結構性能,可確定面層結構所需的厚度。典型的經(jīng)驗設計方法有美國各州公路工作者協(xié)會<AASHO>的暫行方法等。AASHO暫行方法系根據(jù)1956年在加拿大渥太華附近修建,并于1958～1960年進行系統(tǒng)觀測的試驗路測定結果制訂而成。試驗路采用一種"現(xiàn)時耐用性指數(shù)"〔縮稱PSI,見路面質量評定〕的指標表征路面的使用性能,它是路面縱向平整度、裂縫長度和修補面積的函數(shù)。根據(jù)測定結果,建立起路面結構和面層厚度、軸載大小和重復次數(shù)同PSI之間的回歸關系式,以與不同軸載達到相同PSI時的軸載等效換算關系式。此方法規(guī)定路面的設計使用年限為20年,屆期以80千牛〔18千磅〕的單軸標準軸載下路面的PSI達到2.5〔干線道路〕或2.0〔非干線道路〕為臨界標準。各級軸載的設計交通量,按軸載換算公式換算成標準軸載,并按使用年限推算出總作用次數(shù),由此總作用次數(shù)和所選定的路面結構,查諾模圖可確定混凝土面層所需的厚度。經(jīng)驗法的適用X圍受到試驗路的自然、荷載和路面結構等條件的限制；同時,回歸統(tǒng)計關系的建立也既費時又耗資巨大。3.3力學經(jīng)驗法也稱解析法。以結構分析為基礎,應用力學方法分析路面結構在荷載作用下產生的應力和位移,按應力不超過材料所能提供的疲勞強度確定路面所需的結構強度和尺寸。美國波特蘭水泥協(xié)會<PCA>法,蘇聯(lián)法、日本法、中國法等,都屬這類設計方法。路面結構設計的力學經(jīng)驗法中的經(jīng)驗部分是那些方程,計算荷載作用至路面破壞的次數(shù)。這些方程是通過觀察各類軸載產生的應力或應變,以與路面性能的變化來得到的。在目前的路面結構設計中有兩大類破壞判據(jù)被廣泛的應用,其一是與疲勞裂縫相關的破壞判據(jù),另一類是路基引起的路面車轍破壞判據(jù)。實際上,路面的車轍不僅僅是路基的原因。近年來的大量觀測和研究指出,荷載作用下面層和基層壓縮永久變形和剪切流動永久變形都是路面車轍的主要原因。雖然這部分研究成果作為路面設計的破壞判據(jù)目前還不成熟,但是人們已經(jīng)意識到這樣的問題,并且已經(jīng)定性地知道可以通過合理的路面結構設計和材料設計加以解決。如果將疲勞破壞判據(jù)進一步細分的話,還可以有第三類破壞判據(jù),基于路面彎沉的破壞判據(jù)〔我國柔性路面設計體系采用這一類破壞判據(jù)〕。值得說明的是,所有的破壞判據(jù)都屬于基于試驗、觀測和統(tǒng)計分析得到的經(jīng)驗型公式或方程,它們都有特定的使用條件,并不能無限制的推廣使用。a.威斯特卡德法1925年,美國人威斯特卡德根據(jù)稠密液體地基上薄板理論,假定板是均質、彈性、等厚的,導出了剛性路面在板中、板邊和板角三種位置荷載作用下所產生的最大應力和撓度計算公式,并用于設計混凝土板厚度。后來,考慮溫度應力作用使板翹起等情況,對原來的公式進行多次修正。這些修正公式后來被很多國家所采用。b.彈性半空間地基無限大板理論法1938年,美國A.H.A.霍格和霍爾提出了彈性半空間地基上無限大板體理論。翌年,蘇聯(lián)О.Я.舍赫介爾把這理論應用于剛性路面設計,采用彈性模量和泊松比表征地基的力學特征,導出了混凝土板中部在單輪和多輪荷載作用下所產生的應力和撓度計算公式,用于計算板厚,但對板邊和板角受荷時的情況則缺乏理論解答。c.蘇聯(lián)法Н.Н.伊萬諾夫和И.Α.麥德尼科夫分別于20世紀40年代末和50年代初提出了兩套混凝土板邊和板角受荷時所產生的最大應力計算公式,用于設計板厚。計算公式利用了地基反力模量和形變模量之間的換算關系,仍脫離不了文克勒地基假說的缺點。同時這種計算方法由于地基形變模量參數(shù)取值的困難,因此只有蘇聯(lián)等少數(shù)國家采用。d.疲勞理論法1969年,美國波特蘭水泥協(xié)會根據(jù)M.A.麥納疲勞理論制定了剛性路面設計法。設計時,先設定一個混凝土板厚,再根據(jù)地基反力模量和路上行駛不同汽車的軸重等,計算所設定的板厚可否采用。e.有限元法中國于1978年采用有限元法,以分析彈性半空間體地基上有限尺寸板在雙輪組荷載作用下所產生的應力。采用了兩種臨界荷載圖式：一是汽車后軸一側雙輪組作用于橫縫邊緣的中部；一是后軸整個荷載作用于板的中部。通過計算制定了相應于單后軸和雙后軸汽車以與礦山公路用特重汽車在兩種臨界荷載位置時混凝土板所產生的應力