路面设计原理与方法作业--第一次VIP

第一题:计算分析沥青路面设计时应力指标（剪应力、拉应力）与应变指标之间的关系，分析路面结构类型（柔性基层沥青路面、半刚性基层沥青路面、刚性基层沥青路面）与指标类型选择的关系。应力、应变指标间关系在沥青路面设计中，首先是计算路表轮隙中心处路表计算弯沉值ls应小于或等于设计弯沉值ld，同时验算轮隙中心或单圆荷载中心处的层底拉应力m，m应小于或等于容许应力R。应力应变应该满足广义胡克定律：r=1E(r-t-z)t=1E(t-z-r)z=1E(z-r-t)rt=1Grttz=1Gtzzr=1Gzr由前三个式子可得，正应变不是仅由对应的正应力引起的，是由三个方向的正应力共同决定的，但它们的权重不同。三种典型路面结构设计选取的指标类型分析柔性基层沥青路面、半刚性基层沥青路面、刚性基层沥青路面，它们之间的主要区别在于所选用基层材料不同，对路面结构受力的影响也仅在于基层模量不同。为了简化问题，准确分析路面结构类型与指标类型之间的关系，本文选取了三种典型的路面结构，以代表柔性基层沥青路面、半刚性基层沥青路面、刚性基层沥青路面。为了便于比较，三种典型结构所选用的面层材料、土基材料均相同，层间接触状况及各层厚度也完全相同，唯一的区别在于基层模量。具体的结构设计方案与力学参数如下所示：柔性路面结构设计方案及材料参数材料名称厚度/cm抗压回弹模量/MPa泊松比层间接触SMA-13414000.3完全连续AC-20612000.3完全连续AC-2581000.3完全连续级配碎石402500.35完全连续土基400.35完全连续半刚性路面结构设计方案及材料参数材料名称厚度/cm抗压回弹模量/MPa泊松比层间接触SMA-13414000.3完全连续AC-20612000.3完全连续AC-2581000.3完全连续水稳碎石4020000.2完全连续土基400.35完全连续刚性路面结构设计方案及材料参数材料名称厚度/cm抗压回弹模量/MPa泊松比层间接触SMA-13414000.3完全连续AC-20612000.3完全连续AC-2581000.3完全连续水泥砼40400000.20完全连续土基400.35完全连续在Apbidat中对以上路面结构进行分析，将得到的数据进行整理，得到下表路面类型最大拉应力最大拉应变最大剪应力数值/MPa出现位置数值/10-6出现位置数值/MPa出现位置柔性路面0.2131轮隙中心面层层底191单轮荷载中心的基层底部0.4433轮隙中心路面表面半刚性路面0.19轮隙中心基层层底62.8单轮荷载中心的基层底部0.311轮隙中心路面表面刚性路面0.4649轮隙中心基层层底95.65轮隙中心中面层底部0.1993轮隙中心路面表面结果分析：（1）就结构内最大拉应力而言，柔性路面在面层层底拉应力最高，半刚性路面与刚性路面在基层层底的拉应力水平较高。（2）就结构内最大拉应变来说，柔性路面的沥青层底拉应变水平远高于其它2类路面，因此，柔性路面必须对该指标进行控制；半刚性路面与刚性路面在面层主要是受压状态。（3）从结构内剪应力的角度来看，3类沥青路面的剪应力水平均较高，尤其是在路面表层。由此得到的控制指标如下：（1）对于柔性基层沥青路面，其面层层底处于较高水平的受拉状态，弯拉应力与弯拉应变均较大，此外，柔性基层沥青路面顶部的剪应力水平也较高，面层容易产生剪切破坏。由此，建议采用沥青层底拉应力、沥青层底拉应变、面层剪应力，作为沥青路面设计的控制指标。（2）对于半刚性基层沥青路面，沥青层以受压为主，沥青层底拉应变水平较高，面层仍处于高剪切状态，而半刚性基层层底承受了太多结构弯拉应力，对基层受力较为不利，极易有基层层底产生裂缝向上扩散。由此，建议采用半刚性基层层底拉应力、面层剪应力，作为沥青路面设计的控制指标。（3）对于刚性基层沥青路面，其沥青层完全受压，弯拉应力集中在刚性基层底部，面层剪应力进一步减小。由此，建议采用刚性基层层底拉应力，作为沥青路面设计的控制指标。参考文献：不同类型基层沥青沥青路面设计指标的控制 张艳红等 长安大学学报（自然科学版）2010第二题:分析沥青路面抗滑的内涵及要求1.沥青路面抗滑原理路面抗滑的内涵是使得车辆在不利行驶时期（雨雪天）或不良行驶状况（转弯、紧急制动）时，车轮与路面之间具有足够的附着力，车轮不产生空转或溜滑，能够保持安全行驶。此外，当汽车制动时，能够缩短汽车的制动距离，降低发生交通安全事故的频率。2.沥青路面抗滑要求（1）路面表面的粗糙程度：包括两个方面，路表的微观纹理（石料表面的纹理），路表的宏观纹理（面层表面外露的石料凹凸不平的程度）。微观构造的尖峰值保证集料在潮湿状态下穿透路表的水膜、排除水分并保持轮胎与路面的紧密接触，密度与间距直接影响路面的摩擦力。工程中常用低速摩阻力的抗滑值（SRV）和集料的磨光值（PSV）相组合的方法进行评定。路面的宏观构造表征路面集料颗粒之间的空隙和排水能力，常用的是通过铺砂法、激光构造仪法和排水测定法。对图(a)进行分析，可以认为，在较低的车速时，路面的抗滑能力主要由路面结构的微观构造来提供，因为有集料表面的尖峰可以刺破水膜，同时尖峰之间的凹槽可以将路面水及时排除，从而保证了车轮与集料之间的良好接触，并使面层抗滑水平提高；在车速较高的公路上，路面抗滑水平主要取决于宏观构造的特征，这是由于路面积水来不及排除而在车轮与路面之间形成了一层水膜,此时必须借助于构造深度所提供的较大通道，才可以保证轮胎与路面的良好接触，进而形成较高的抗滑能力。路面表面构造及车速对抗滑能力的影响 轮胎与路面的相互作用区（2）路面干湿状态：当路面处于干燥状况时,路面的抗滑能力总是能够满足安全行车的需要,但是当路面由于雨天或洒水等原因而表面潮湿时,其抗滑表层能力将明显下降。这可以根据轮胎与路面的界面状态来解释。将接触面分为3个区，如图（b）所示，轮胎前路表面有连续水膜的为1区；2区内由于车轮的挤压作用水膜被扩散，余下间断性的薄水膜；在3区内水被彻底挤走，轮胎与路面之间的细构造之间处于干燥接触状态，可以提供行车所需要的抗滑能力。因此，为了保证车辆在高速行驶时能够及时排除路表水，一方面可以通过增加轮胎胎面凹槽的深度和数量，另一方面需要借助于路面的粗构造提供足够的排水能力。车速越高或水膜厚度越大，则3区的接触面积越少，路面的抗滑水平下降的越快。在路面的粗构造下降到一定程度后，2区或3区有可能消失，从而在轮胎与路面之间形成连续的水膜，由此可能产生车轮在水面上的滑漂现象。（3）沥青面层材料：从沥青材料讲，应使沥青硬化快，不使石料下沉，具有较高的粘结力，不使碎石剥落。粗集料应选用坚硬，耐磨，抗冲击性好的矿石或破碎砾石。细集料应洁净，干燥，无风化，无杂质，并有适当的颗粒组成，细集料应与沥青有良好的粘结能力。 对图（c）进行分析，我们发现石料磨光值与摩擦系数存在正比关系，因此，抗滑路面应尽量选取磨光值较高的石料。 FPSV石料磨光值（4）沥青选用：沥青的品质对路面抗滑也有一定影响。就沥青种类而言，煤沥青路面摩擦系数较高，石油沥青次之。路面混合料中如果沥青的粘度太低，就会容易自由流动而形成光面，危及交通安全；沥青的含腊量太高，则其温度敏感性较差，夏季容易泛油，冬季容易开裂，并且与骨料的粘结力差，骨料容易松动脱落。当沥青混合料中的空隙率比较大时，常由于水的存在和环境因素的作用而导致沥青从矿料表面剥落，或是沥青过早老化，从而使抗滑表层的寿命缩短,因此,抗滑表层应使用重交通道路石油沥青，必要情况下应考虑对沥青进行改性，以提高某一方面的性能，选用沥青种类和标号一定要结合工程所在地的气候温度状况。（5）养护措施：沥青出现裂缝后采取的修补方式应考虑抗滑性。设置土路肩的道路，应避免泥土进入路中污染路面，影响路面的构造深度。（6）施工技术：为保证沥青路面在使用过程中具有较好的耐久性，必须保证混合料在施工过程中的充分压实。否则，在行车的反复碾压作用下，路面进一步嵌挤密实，空隙率降低，路面构造深度减少，就会使原先获得的较高的抗滑能力迅速衰减，同时在此过程中容易造成路面的浸水破坏，直接影响路面的耐久性。3.沥青路面抗滑性能指标在上表中，应采用测定速度为601km/h 时的横向力系数(SFC60)作为控制指标；没有横向力系数测定设备时，可用动态摩擦系数测试仪（DFT）或摆式摩擦系数测定仪测量。用DFT 测量时以速度为60km/h 时的摩擦系数为标准测试值。路面宏观构造深度可用铺砂法或激光构造深度仪测定。参考文献：1 沥青路面抗滑表层研究 赵战利 长安大学 2002 2 公路沥青路面设计规范(JTJD50-2006)第三题：结合国内外沥青路面使用历程，分析路面设计方法分类及特点，哪种设计方法更为合理？在沥青路面应用的早期，路面结构很薄，主要是由较薄的沥青磨耗层和用以保护路基不超载的粒料基层和底基层所组成，在车辆荷载作用之下，沥青路面结构的功能主要是扩散车轮荷载引起的集中应力，以保护土基不致产生过多的沉降，确保路面表面的平整性。20世纪40年代，重型载重汽车大量出现在公路上，早期的薄型结构已无法承受交通量的增长，沥青混凝土开始采用较厚的结构组合和强度较高的材料，如采用水泥、石灰、粉煤灰、沥青材料作稳定处理的基层，采用高强度的沥青混凝土组成7080cm厚的结构，有的国家还采用全厚式沥青路面，从而大大提高了沥青路面的整体结构刚度与整体强度，使用寿命也大为延长。自20世纪60年代世界发达国家大规模兴建高速公路以来，对路面的使用品质的要求更高了，要求沥青路面具有更好的平整度和抗滑与耐磨性，以保证车辆高速行驶平稳、舒适、安全。因此对路面使用品质与功能的要求，甚至超过了对路面结构强度的要求。沥青混凝土路面从一开始建造，其主要目的就是为了保护路基土，使之不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，如1901年美国麻省道路委员会的方法；还有1933年的唐氏（Downs）修正公式；1934年的葛莱式公式（Gray）；1940年的Gold beck公式等。它们都是运用古典土力学进行验算，故可以将它们归纳为古典土力学法。由于古典理论公式无法客观描述路面结构的实际工作状态，设计结果也无法验证，人们又陆续提出了了以确保路面结构承载能力为核心的经验设计法，结合力学理论分析的力学经验法等，现代沥青路面设计方法主要分类如下：1.经验法经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测，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关系。最为著名的经验设计方法有CBR法和AASHTO法。1.1 CBR 法的主要内容及特点：以CBR 值作为路基土和路面材料（主要是粒料）的性质指标。通过对已损坏或使用良好的路面的调查和CBR 测定，建立起路基土CBR 轮载路面结构层厚度（以粒料层总厚度表征）三者间的经验关系曲线，如图1所示。利用此关系曲线，可以按设计轮载和路基土CBR 值确定所需的路面层总厚度。路面各结构层次的厚度， 按各层材料的CBR 值进行当量厚度换算。不同轮载的作用按等弯沉的原则换算为设计轮载的当量作用。特点：此方法设计过程简单，概念明确，适用于重载、低等级的路面设计；但CBR 值仅是一种经验性的指标，并不是材料承载力的直接度量指标，它与弹性变形量的关系很小。而路基土应工作在弹性范围内的应力状态下，因而，路面结构设计对路基土的抗剪强度并无直接兴趣，更关心的是路基土的回弹性质（回弹模量）及其在重复荷载作用下的塑性应变。(a)(b)图1 CBR值与路面厚度关系41.2 AASHTO法的主要内容及特点：AASHTO法是在AASHO试验路的基础上建立的，整理试验路的试验观测数据，得到的路面结构-轴载-使用性能三者间的经验关系式。AASHTO 方法提出了现有路面耐用性指数（PSI）的概念，以反映路面的服务质量。不同轴载的作用，按等效损坏的原则进行转换。特点：现有路面耐用性指数PSI，主要受平整度的影响，与裂缝、车辙、修补等损坏的关系很小。因此，这是一项反映路面功能性能的指标，而不是表征路面结构性损坏的指标。此外，这个方法源于一条试验路的数据，仅反映一种路基土和一种环境条件，推广应用于其它地区或国家时便存在着很大的局限性。但AASHO试验路的测定数据得到了良好的整理和保存，为许多力学经验法的设计指标和参数验证提供了丰富的依据。AASHTO 法提出了轴载换算的概念和公式，考虑了结构的可靠度和排水条件的影响，这些思想对后来世界各国的设计思想产生了很大的影响。2.力学经验法力学-经验法利用在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，主要设计方法如下图所示，其中著名的有AI法和Shell 法。2.1Shell法的主要内容及特点Shell法是由英、荷壳牌石油公司研究所研究、发展和完善起来的。在该设计方法中，混合料的粘弹性性质以其劲度模量体现，其值取决于沥青含量、沥青劲度和沥青混合料的空隙率。路基模量受应力影响，路基动态模量可以通过现场的动态弯沉试验在道路实际湿度条件和荷载条件下测定，也可在室内通过三轴仪测定。交通荷载以标准双轮轴载次数为代表，设计年限内的累计轴次即为设计寿命。临界荷位的应力应变由计算机程序BISAR 计算。它所采用的路面模型如右图所示：路面结构分为三层，即路基、基层和沥青层，各层的特性用弹性模量E、泊松比及厚度来反映。Shell 设计法考虑了控制疲劳开裂的沥青层底面的容许水平拉应变fat和控制永久变形的路基顶面的容许竖向压应变Z两项主要设计标准，前者控制开裂，后者控制路面的变形。2.2 AI设计法的主要内容及特点AI 设计法也把路面看成多层弹性体系，材料特性主要包括土基、粒料基层和沥青层的回弹模量和泊松比。路基土的回弹模量的确定可由室内重复三轴抗压试验确定，或根据其与CBR 的关系式估计而得；粒料材料的回弹模量与应力水平相关，其值可根据多变量回归的预测方程计算；热拌沥青混合料的动态模量由室内60 种不同的沥青混合料试验得到的计算公式确定。环境的影响通过面层温度对沥青混合料劲度值的影响来体现，以面层厚1/3 深处的温度作为沥青层的设计温度，由月平均气温和路面温度的关系式计算得到。AI法采用的设计标准与Shell 法相同， 即控制疲劳开裂的沥青层底部的水平拉应变和控制永久变形的土基表面的竖向压应变z。具体设计流程如右图所示。3.基于性能的设计方法superpave设计法SUPERPAVE 的指导思想是按照路面的使用性能进行路面和材料的设计， 以达到路面抗车辙、抗疲劳、抗低温的目的，并同时考虑老化、水损坏以及粘附性损失。SUPERPAVE 的路面设计模型包括材料性能模型、环境影响模型（EEM）、路面反应模型、路面损坏模型4个基本部分。为使实验室测得的材料特性指标能够反映在路面中的实际使用性能，SHRP 计划提出了一些新的试验方法，或规范了已有的试验方法，最终形成了适用于SUPERPAVE的沥青混合料规范、集料规范和试验系统。SUPERPAVE 的环境影响模型实际上只是指路面的温度模型，该模型有两方面的作用：一是估计路面的最高、最低温度以选择合适的结合料；另一个作用是计算路面不同深度的温度，作为混合料的试验温度。路面反应模型用于计算路面各层在交通荷载作用下和环境影响下的应力与应变。对于新建路面有低温开裂、疲劳开裂和永久变形（车辙）三个损坏预测模型。SUPERPAVE 的路面非荷载开裂模型即低温开裂模型中假设混合料为低温粘弹性，利用了流变力学中的一维Maxwell 本构方程。低温开裂扩展模型应用Paris 规则得出。对于路面的疲劳开裂和永久变形， 所用的反应模型以二维非线性有限元程序为基础，并且采用四接点平面单元和轴对称分析，以减少迭代次数。4.我国的沥青路面设计方法我国沥青路面设计采用的是力学-经验法。其路面模型借鉴了SHELL的理论设计法，把路面作为一种多层弹性体系。材料特性以弹性模量和泊松比表征，土基回弹模量可根据现场实测法、查表法、室内试验法或换算法求得。各层材料统一采用圆柱体试件测定抗压回弹模量和劈裂模量。弯沉指标计算时，沥青混合料用20抗压回弹模量；层底弯拉应力计算采用15抗拉强度与弯拉回弹模量，也可以采用劈裂强度与抗压回弹模量。交通荷载以双轮组单轴载100 kN 为标准轴载。轮胎接地压强0.70 MPa， 单轮当量圆直径d为21.3cm，两轮中心距为1.5。路表弯沉计算时须计算双圆均布荷载的轮隙中心点的弯沉。验算沥青混凝土层和半刚性材料层的底部拉应力时，须计算单圆荷载中心、轮隙中心处拉应力并取其较大值。设计标准是以2004 规范规定的设计弯沉和层底拉应力为设计标准。设计弯沉是表征路面整体刚度大小的指标，是路面厚度计算的主要依据。其路面结构层容许拉应力R是指路面结构在行车荷载重复作用下达到疲劳临界状态时容许的最大拉应力。总结：在沥青路面应用的早期，出现的主要的沥青路面的设计方法主要是古典土力学法，其主要设计目的就是为了保护路基土，使之不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