土基回弹模量变化的路面设计方法--0.doc

土基回弹模量变化的路面设计方法路面设计方法的发展是随着交通的发展与路面结构、材料不断地更新同步发展的。建立沥青混凝土路面结构的主要目的就是为保护路基土，使之经受车辆的直接作用，通过路面传播至土基的应力被扩散而不会造成土基过大的沉降，这一点反映在设计思想及设计方法上，主要是控制土基顶面应力及垂直位移量。对于水泥混凝土路面结构，其混凝土面板的刚度大，板体性强，具有良好的扩散荷载能力，传到土基顶面的荷载应力很小，一般情况下不会超过0.07MPa，因此，对水泥混凝土面层下的土基不要求强度高或承载力大。但是，由于混凝土是脆性材料，对土基变形的适应能力较差，因而更重要的是要求土基提供稳定而均匀的支承。在实践中，常常出现的路面损坏现象，大部分都是由于土基强度不足，稳定性变差，在外荷载作用下产生的过量变形所致，土基变形包括塑性变形和弹性变形两部分，这两类变形都将导致路面结构的不同程度和不同形式的破坏。因此，设计和构筑一个坚实、均匀，稳定的土基，提高土基的抗变形能力，是保证公路路面结构具有良好使用品质与经济效益的根本措施。根据我国公路水泥混凝土路面设计规范(JTJ D40-2002)的水泥混凝土路面设计方法与公路沥青路面设计规范(JTJ 014-97)的沥青路面设计方法，路面结构设计中路基力学性能参数都是采用路基回弹模量，因此，路基回弹模量是我国路面设计的重要力学参数，它的确定直接影响到其它参数的选择与结构设计的结果，由于土基的受力特性是由构成土基的物理性质与土受力时的非线性决定的，所以土基的应力应变关系呈非线性，它的弹性模量是一个条件变量，是随应力应变关系改变而变化的，为了使设计方法不复杂化，必须根据土基在路面结构中的实际工作状态对其非线性性质作用相应的修正或简化处理。正由于土基回弹模量是土基弹性模量的简化与修正，再加上受土基物理性质的影响，环境因素的影响，所以土基回弹模量是一个关于土的类型、含水量、压实度以及荷载类型、作用时间等的复杂函数，使其数值的确定比较困难，尽管多年来不少研究者致力于此方面的研究，但目前仍存在不少问题。1国内外路面设计理论与方法的研究1.1国外典型沥青混凝土路面设计方法及土基回弹模量的选取国外公路路面设计方法可分为经验法、力学经验法，不同的路面设计方法表征路基强度的指标也不尽相同。1.1.1经验法经验法主要是通过对试验路或使用道路的试验观测，建立路面结构（结构层组合、厚度和材料性质）、荷载（轴载大小和作用次数）和路面性能三者间的经验公式。以经验法为代表的沥青混凝土路面的设计方法有美国各州公路和运输工作者协会（AASHTO）法和美国加州承载比(CBR)法。1.1.2力学经验法力学经验法首先分析路面结构在荷载和环境作用下的力学反应量（应力、应变、位移），利用力学反应量与路面性能（各种损坏模式）之间建立的性能模型，按设计要求设计路面结构。从20世纪60年代初开始，各国科技人员致力于研制和实施沥青路面的力学经验设计法，其中以力学经验法为代表的沥青混凝土路面的设计方法有壳牌（SHELL）设计法和美国地沥青学会（TAI）设计法。1.2我国沥青混凝土路面设计方法及土基回弹模量的选取我国沥青混凝土路面设计方法自建国以来开展了长期系统的研究，共提出过1958、1966、1978、1986、1997年五个版本，目前研究工作仍在继续深入开展之中。我国沥青混凝土路面设计方法的总体系统是以理论解析为基础的，1966年以前的方法以布辛尼斯均质弹性半空间体系位移解析解为基础，以整体形变模量为设计指标，通过当量层等价换算方法形成了整个设计系统，并通过大规模调查形成了设计参数系列。1966年至1978年的设计方法以双层体系，双圆荷载作用下的结构垂直位移解析解为基础，以轮隙弯沉为设计指标，通过调查研究和引用国内为资料形成了容许弯沉、车辆换算及参数设计系列。1997年颁布的沥青混凝土路面设计规范，又有进一步的改善，主要特点是以多层体系，双圆荷载图式，水平、垂直荷载综合效应下的应力、位移解析解为基础，以轮隙弯沉及层底拉应力以及面层抗剪强度设计为设计指标。1997年版的公路沥青路面设计规范仍采用1986年版的沥青混凝土面层或整体性材料基层的弯拉应力验算指标，但将材料的了抗弯拉强度改为劈裂强度。而路面弯沉仍是主要设计指标，但以设计弯沉替代容许弯沉，并对弯沉公式中的系数作了修正，增加了基层类型系数。容许弯沉是路面处于临界破坏状态时的弯沉值，而设计弯沉则是该路面在使用初期时的弯沉值。依据使用期间弯沉值变化规律的观测数据（观测期最长为8年），规范采用竣工后第一年不利季节的弯沉值作为设计弯沉值，以开发交通46年的路面弯沉值作为容许弯沉值，两者相比后近似地取设计弯沉值比容许弯沉小20%。在各版本的设计规范中，在路面设计指标上都是以路表弯沉作为主要指标，路表弯沉是路面整体结构（包括路基）在荷载作用下的竖向位移量，它反映了路面整体结构的抗变形能力，即路面整体结构的总刚度。而在国外典型沥青路面设计中是用沥青层底水平拉应变和土基压应变两项指标来进行路面结构设计。从国内外沥青路面设计控制指标上来看，对于不同的路面结构路表弯沉不能反应土基顶面工作应力状态，土基回弹模量是表征土基强度的，是路面结构设计的主要参数，它对路表弯沉的影响是很明显的，由于路表弯沉大部分都是由土基强度引起的，在对不同土基模量的路面结构设计中仅以路表弯沉为指标来判断路面结构的稳定性是不全面的，即路表弯沉和土基顶面压应变对路面控制设计的不完全一致性。目前沥青路面结构厚度设计与分析仍采用弹性层状体系理论，而这一理论的前提是假定路面材料各向同性，即只承认一个弹性模量。对于土基计算参数，我国工程技术人员根据长期经验积累和我国实际情况，采用了土基回弹模量这一概念，并制定了相应的现场和室内试验方法及资料整理方法。对于新建道路的土基回弹模量的取值问题，可以参照现行公路沥青路面设计规范推荐的方法取值（即根据土基的临界高度和土的平均稠度查表求得土基回弹模量值），也可以参照新线附近类似的已有道路的土基上随机选定足够的试验点，使用直径30.4cm的承载板，按规定的试验方法进行现场测试。1.3国外典型水泥混凝土路面设计方法 美国是世界各国中水泥混凝土路面使用得最多的国家之一。全国140万km的高级路面中，水泥混凝土路面的里程约为20万km。美国对水泥混凝土路面设计理论与方法的研究极为重视，从1919年开始进行系统的研究，著名的威斯特卡德教授于1925年最早提出了用于水泥混凝土路面应力分析德弹性地基板德解析解。直到1936年，经过17年的深入研究，形成了较为完整的设计方法，这个方法至今仍然是美国和其它一些国家设计方法的基础。美国对于水泥混凝土路面的道路现场试验极为重视，着重研究不同厚度、不同接缝构造的水泥混凝土路面的荷载应力与翘曲应力，其中有名的试验路有阿灵顿试验路、贝茨试验路和渥太华附近铺设的AASHO试验路。1.4我国水泥混凝土路面设计方法1.4.1我国水泥混凝土路面设计方法发展状况 我国对水泥混凝土模量荷载应力的分析，通过1966年路面设计规范中规定的方法，采用半无限地基上无限大板的解析解和威士特卡德德板边和板角公式。1976年，中山大学力学教研室用有限元位移法解算了文克勒地基上9块铰接板的飞机轮载应力。为修订刚性路面设计规范，1978年起由交通部公路规划设计院组织全国各有关单位开展勒荷载应力方面的研究工作。姚祖康于1978年分别提出勒采用有限元位移法和假设应力杂交法分析两种地基上四边自由板的挠度和应力的报告；随后，姚祖康和王秉刚应用有限元位移法的程序计算和编绘了供汽车荷载使用的应力计算用图。朱照宏也于同年提出了半无限地基上无限大板的反力、挠度和应力的数值解，以及双层弹性地基上无限大板挠度和应力的解析解，并开展了双层地基板有限元分析的研究工作。 1.4.2水泥混凝土板下地基的刚度指标 地基的刚度指标是水泥混凝土路面设计中一项重要的设计参数。选用何种指标表征地基的刚度，主要取决于基本理论对地基采用何种假设，在水泥混凝土路面设计理论中，目前常见的有两种地基假设：一种为文克勒假设，另一种为弹性半空间体假设。前者对地基刚度用地基反应模量表示，后者则用弹性模量和泊松比表示。 1.5小结 土基回弹模量是路面设计的主要力学参数，它的确定直接影响到其它参数的选择与结构设计的结果，各国路面设计方法中对土基回弹模量值的选取也不尽相同。 参考文献1. 姚祖康.路面.人民交通出版社.1999年7月2. 武和平.高等级公路路面结构设计方法.人民交通出版社.2000年1月3. 邓学钧.路面设计原理与方法.人民交通出版社.2001年10月4. 黄卫.高等级水泥混凝土路面设计理论与方法.科学出版社.2000年1月5. 周铭雪.路基含水量对弯沉值的影响.中南公路工程.2003年3月6. 黄卫.柔性路面弯沉和路基压应变指标分析.岩土工程学报.1998年5月7. 王新岐.天津市土基回弹模量值的合理确定.天津市政设计.2002年3月8. 中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范（TJT014-97）.北京：人民交通出版社.1997.109. 中华人民共和国交通部.公路路基现场测试规程（TJT059-95）.北京：人民交通出版社.1995.1010. 中华人民共和国交通部.公路土工试验规程（TJT051-93）.北京：人民交通出版社.199311.中华人民共和国交通部.公路土工试验规程（TJT051-93）.北京：人民交通出版社.199312.林绣贤.柔性路面结构设计方法.北京：人民交通出版社.198813.沙庆林.公路压实与压实标准（第三版）.199814.戴惠民.季东区公路基垫层材料与路基强度变化规律探讨.东北公路.2000年15.姚祖康.对我国沥青路面现行设计指标的综述.公路.2003年2月16.姚祖康.对国外沥青路面设计指标的评述.公路.2002年3月17.AASHTO.AASHTO Guide for Design of Pavement Structures Washington D.C.:AASHTO,199318.Mossazadehet Jan.Predicition of Subgrade Mo