国内外路面设计原理与方法综述

1、国内外路面设计原理与方法综述 李安定1 ，田辉黎2 ，于远征3( 1. 交通集团咸旬管理处，陕西 西安 710075; 2. 长安大学，陕西 西安 710064;3. 温州市交通规划设计研究院，浙江 温州325000)摘 要: 简要介绍当前国内外路面设计原理和方法 ( cb 法、aashto 法、shell 法、ai 法及国内方法) ，对其优缺点进行分析比较; 针对现行的设计方法以及在路面实践中遇到的实际问题，通过对国内外路面设计原理和方法的介 绍，指出各种路面设计方法和原理存在的不足，提出一些路面设计方面的建议。关键词: 路面; 设计方法; 综述中图分类号: u416. 2文献标识码: b随

2、着我国高速公路建设深入发展，路面在使用中逐渐暴露出大量的问题，使我们不得不对现有的路面 设计理论、设计方法及设计指标进行反 思。实 际 上， 目前路面大量出现的早期损坏用现行理论和规范难以 做出更深的解释。路面设计方法尽管有了巨大的进步 和完善，但是并未从根本摆脱经典牛顿力学的思维方 法，也就是说其核心还是在确定的初始条件、边界条 件、材料特性及外部作用的基础上求出确定的结构受 力结果，再结合环境因素等作出修正的路面设计，假 定整体可以分割成局部，然后采用隔离法对各局部进 行研究，最后根据线性系统可还原性原理对路面结构 组合进行设计。这种设计方法基于力学分析的范围和 主要受力方式，低估了路面结

3、构的复杂性。对于不同 的路面结构使用性能变化规律认识不够清楚，缺少定 量的研究，因此，必须用发展的眼光对重交通路面的 损坏原因和机理重新进行认识，及时掌握新条件下的 新变化，通过路面的合理化设计来控制路面的主要破 坏型式，从而真正达到路面设计目的。国内外路面设 计方法可分为两大类1，柔性路面设计方法和刚性路 面设计方法，其详细划分如图 1 所示。变和沥青层内的水平拉应变为主要设计指标，以水泥稳定类基层底面拉应力 ( 或 应 变) 和路表总变形为 次要设计标准，以基层或底基层无机结合料材料最小 模量和沥青层低温缩裂为其他次要标准进行设计，设 计参数有荷载与交通、温度与湿度及材料特性。设计 流程为

4、: 拟定沥青层厚度计算沥青层的有效温度选定材料组成求出各层模量计算沥青层 底面的水平拉应变计算路面的试验寿命和使用寿 命比较调整。11. 1典型柔性路面shell 设计法此方法由英荷 shell 石油公司所研究提出，理 论图 1 国内外路面设计方法此方法的优点如下:( 1) 在路面力学模型方面，虽 然 以 弹 性 层 状 体 系理论为 基 础，但考虑了材料的非线性和粘弹性特 性，在研究过程中曾以非线性层状体系理论和粘弹性 理论来进行对比分析，在设计中的适用性又做了大量 验证工作，在理论上较为完善。较完善，有 63 67 78 年 shell 法。此方法把路面当作一种多层线形弹性体系，其中各层材

5、料用弹性模量 e 和泊松比 表征2。在基本设计方法中，路面结构 假定为层间接触连续的三层体系，下层为路基，中间 层为粒料或水泥稳定类基层和垫层，上层为沥青 层， 包括表面层、结合层和下面层，以路基表面垂直压应( 2)电算程序功能较为齐全，可 计 算 多 种 层 间接触条件下的任意点的应力、应变和位移，又能考虑2014 年 11 期( 总第 119 期) 103道路工程粒状材料的非线性。( 3) 在荷载图式方面，既有垂直荷载又考 虑 了 汽车刹车、转弯时的水平力。( 4)设计指标方面采用了六项标准，用 于 控 制各种路面破坏现象。( 5) 设计曲线使用方便，基本不再依赖实 验 室 试验就可进行设

6、计。此方法的缺点如下:( 1) 车辙预估 模型无法说明使用改性沥青对减 少新建路面车辙的效果。图 2 ai 设计方法科研成果，把第七版和第八版所用的结构使用性能和( 2)轴载换算以等量的轮胎接触压力为基础，( psi)功能特性结合起 来。在设计中采用了材料的 因此无法解释轴载不同、构型不同而接触压力相同的情况下，路面产生的车辙量不同的现象。动态弹性模量，与实际较符。( 2) 未考虑各项指标的叠加效果，没 有 一 个 综 合指标，仅考虑了温度对材料的影响，而未考虑湿度 的影响，且当沥青较薄、交通量小时，设计结果较为 保守，所以适用于较厚的混凝土层。1. 3 aashto 设计方法( 3)在求混合

7、 料的劲度时假定沥青劲度等于非 弹性部分劲度，未考虑弹性部分。( 4) 道路永久变形计算方面原则正确，但 计 算 公式忽视了路基和基层部分变形。1. 2ai 设计方法( aashto)美国各州公路及运输工作者协会所1. 2. 1ai 的发展:推荐的方法是以 50 年代后期和 60 年代初在渥太华、伊利诺伊州 进 行 的 aashto 道 路 试 验 得 到 的 大 量 试 验成果为 基 础 的。1984 1985 年，路面设计委员会 和顾问小组根据 nchp 项目 20 7 /24 的研究情况对 指南作了修订和扩大，并于 1986 年出版了现行指南。 aashto 道路试验所得到的经验性能方程

8、，在现 行的指南 中仍作为基本模型，但是进行了修正和扩 大，使其能适用于美国其他地区。应注意的是，初始 方程是在给定的气候条件下，针对某种特定的路面材 料和地基土推导出来的。试验地点气候温和，年降水 量约为 864mm ( 34in ) 。 平 均 冰 冻 深 度 约 为 711mm( 28in) 。地基土属于 a 6 和 a 7，排水条件不良，cb 值为 2 4。设计变 量 为: 设 计 年 限，轴 载，可 靠 度，环 境， 服务能力，有效土基回弹模量，路面结构数。设计考 虑因数: 路面临界状态指标，设计交通量，土基承载 力，地区系数。设计参数为: 路基土有效回弹模量， 可靠度参数，使用性能

9、期和分析期以及交通。设计步 骤: 选定使用性能期和分析期计算分析期内标准 轴载累计作用次数计算分析期内标准轴载累计作 用次数选用可靠度参数确定设计标准考 虑环境的影响确定各结构层厚度制定第一阶 段设计方案选用排水系数确定路面各结构层 的层位系数确定路基土的有效回弹模量。现行 aashto 路面设计方法的缺陷:( 1) 1955 的第一版至 1970 年 8 月的第八版，全厚式沥青混凝土路面的经验设计法，主要以 aashto 道路试验、washo 道路试验和一些英国试验路的数 据为依据。( 2) 1981 年 9 月 的 第 九 版，提 出 了 以 弹 性 层 理 论及经验的破坏准则为基础的力学

10、经验 设 计 方 法， 可用于设计全厚式沥青路面和深层高强沥青路面。( 3) 1983 年进行了 ms 1 修订，提出了专门的 设计程序 cp 1 dama，并研制了能覆盖二个不同温 度范围的系列设计图表，然而代表美国很大一部分地 区的只有一张图表。( 4) 1991 年又提出了 ms 1 第九版的修正版和 新的 cp 1 dama 程 序，包括了三个不同温度 区 范 围的路面厚度设计。( 5) ms 1 ( thickness design asphalt pavementfor highways and streets)( ai)是美国地沥青学会出版的公路及城市道路沥青路面厚度设计方法手册

11、。理论基础: 把路面看成多层弹性体系，各层材料 以弹性模量和泊松比表征，并考虑了沥青混合料的粘 弹性和粒料的非线性等特征。以疲劳准则和永久变形 准则为设计准则; 以沥青层底面水平拉应变和路基表 面的垂直压应变为设计标准; 设计考虑的因素有: 轴 载，环境条件以及材料特性。设计方法如图 2 所示。1. 2. 2( 1)ai 法的优缺点ai 法吸收了各国有关路面设计方法的重大 ( 1)设计方法只适合 于 和 aashto 试 验 路 相 同104 2014 年 11 期( 总第 119 期)的条件: 一种气候条件，新路的修建; 两年观测数据esals 不超过 2 百 万; 50 年 代 的 车 辆

12、，材 料 和 施 工 条件。( 2)( 3) ( 4)1. 4. 5设计参数中无交通量大小的概念;对轮压的大小未予重视; 无使用标准和损坏标准。 cb 设计新法( 2)esals 的换算标准采用 psi，无 法 采 用 es-als 可靠地预测路面的损 坏如车辙疲劳开 裂， 错台等。根据道路等级、交通种类、交通量等综合成交通指数，建 立不同交通指数 时 路 面 总 厚 度 h 与 土 基cb 值的关系。( 3)aasho 试 验 路 的 路 基 模 量 是 3000 psi，相当于 6 psi 应 力 差。fwd 反算模量远大于 3000mpa，造成路面加铺厚度太薄。1. 4 cb 设计方法c

13、alifornia bearing atio，20 年代诞生于美国加州 公路局与 1928 1929 年对道路破坏状况的调查结果 分析3。其核心即为材料参数用 cb 表示。1. 5港口道路、堆场铺面设计方法公路荷载以汽车为主，其规范以汽车标准轴载作为荷载换算标准; 但是港口道路、堆场铺面不仅要考虑一般运 输 机 械 通 行，而且要兼顾重型装卸机械行 驶、作业及堆放重型货物4。荷载集度大、作用图式 复杂这一特点决定了其设计理论和方法的特殊性。1、设计原则:1. 4. 1cb 试验cb 为测定 土 基 和 粒料基层材料相对强度的室 内试验法cb = 试样加载强度 / 标准加载强度 100%( 1)

14、沥青铺面适用于流动机械标准荷 载 为 p1 p4 级的港区道路和堆场铺面的设计。( 2)沥青铺面以双圆垂直均布荷载作用下的弹 性层状体系理论为基础，采用铺面表面容许弯沉值为控制指标的半经验半理论方法进行铺面厚度计算。2、铺面结构: 面层、基层、垫层、土基3、设计参数: 荷 载，土 基 回 弹 模 量，沥 青 铺 面 设计使用年限，基层材料的回弹模量，面层材料的弹 性模量，底基层材料回弹模量。4、设计步骤:1. 4. 2cb 设计曲线通过路况调查得出路面损坏的主要原因:( 1)( 2) ( 3) 变形。由于路面渗水而路基土侧向移动;基层承载力不均造成的不均匀沉降;路 基 土与地基承载力不足而造成

15、过大的 这些都是与土基和面层材料压实度和抗剪强度不足有关，为了表示其强度大小，开创了 cb 试验法， 通过建立 cb 值、路 面 厚 度、荷载三者之间 的 关 系 图从而得到 cb 设计曲线。( 1)( 2)初步拟定路面结构设计参数计算沥青铺面设计使用年限;土基及底基层、基层、面层材料回弹模量。( 3) 荷载作用次数计算选取标准荷载;计算流动机械年运行次数;计算标准荷载作用次数。5、国内外荷载选取的比较( 1) 日本 的 分 类 法，即 根 据港区荷载特点，制 定几类代表性荷载 ( 日本分六类) ，其它各类复杂荷载均以最接近的较大荷载代替。日本的方法在使用上很方便，但存在几个问题:没有考虑累计

16、作用次数的影响;没有考虑双轮荷载实际存在的轮隙的影响;代表荷载的选取比较保守，接地面积一般小于 实际情况。图 3 cb 设计曲线cb 试验法的优缺点:cb 试验法是室内有效的试验方法之一; cb 试验法较野外承载板试验更为容易; 浸水 4d，不能反映实际环境因素。cb 设计曲线的优缺点:1. 4. 3( 1) ( 2) ( 3)1. 4. 4( 2)英国的荷载分级数法，将轮载总重 12t，轮压 0. 8mpa 的荷载作 为 “港 区 荷 载”，其 它 荷 载 等 效换算为港区荷载 pawl，然后根据 pawl 求得荷载分( 1) 理论基础过于保守;2014 年 11 期( 总第 119 期)

17、105道路工程级指数 lci 进行结构设计。英国的方法对港口大吨位、大轮载的情况是否适 合尚待证实，而且荷载换算公式的基础是以道路路面 服务性能为依据的，港区的换算公式采用与公路相同 的换算关系并不十分妥当。( 3) 我国的荷载分级数法，流 动 机 械 荷 载，采 用单轴单侧轮载形式，分为六级。集装箱荷载采用一 次作用形式。建议将港区荷载分为活荷载和静荷载。活荷载是 指各种运输车辆和装卸机械的轮载; 静荷载为各种堆 货荷载和装卸机械的支腿荷载。根据轮重的大小，将 活荷载分为六级，各级均用一个代表荷载作为该级的 设计标准荷载，而其他荷载在设计时统一换算成标准 荷载。静荷载也分为六级，分别有相应的

18、代表荷载作 为标准荷载。准同时还考虑:( 1)( 3)2. 2. 2( 1)接缝传荷能力贫混凝土基层 设计参数混凝 土 弯 折 模 量:( 2)( 4)路肩类型三联轴影响由 28d 简支梁三分点加 载确定。( 2)土基和底基层支承: 土基和底基层 支 承 定义为地基反应模量 k。采用正常夏季或秋季的 k 值作为设计所用的合理平均值。( 3)( 4)设计年限: 20 40 年交通量: 在 pca 设 计 方 法 中，需 要 用 到 货车的日平均交通量( adtt)和轴载分布方面的资料。( 1)轴载分布需要用货车交通轴载分布的数据来计算预期设计年限内不同重量的单轴和双轴车辆数。( 2)荷载安全系数

19、( lsf)2刚性路面设计方法对于交通不受干扰和货车交通量大的州际公路和其他多车道公路 lsf = 1. 2;货车交通量中等的公路和主干道，lsf = 1. 1;货车交通量小的道路和住宅区街道，lsf = 1. 0在特殊情况可高达 1. 3。2. 1aashto 设计方法aashto 设计方法是美国 比较成熟和先进的技 术，基于 试验路的结果和科研成果，属 于 力 学 经 验法，路面结构设计与路用性能的相关性较好5。设计标准评述pca 设 计方法考虑板边中间应力产生的混 2. 1. 12. 2. 3( 1)可靠度，psi，结构特性影响，环境对psi 影响冻胀。凝土疲劳和板角挠度产生的地基冲刷。

20、( 2)通常在轻型交通作用下，薄 层 路 面 设 计 用2. 1. 2设计参数交通分析，地基设计反应模量，可靠度水平和总标准差，接缝传荷系数，路面排水系数，砼抗弯拉强 度和弹性模量。疲劳分析控制，而在重型交通作用下，厚层路面设计用冲刷分析控制，对于常规混合轴载重量作用下的路 面，单轴荷载易于疲劳开裂，双轴荷载易于产生冲刷 破坏。2. 1. 3( 1) ( 2) ( 3)2. 1. 4设计步骤确定各项设计参数; 确定地基的设计反应模量 k; 面板厚度设计。优缺点分析( 3)分别考虑每一个荷载组，并 根 据 累 积 损 份量总加起来，反复验证厚度，直至两项损份率均小于1;还考虑了接缝类型及路肩类型

21、影响。2. 3日本设计方法采用温 克尔地基板的基 本 理 论，混 凝 土 路 面 板( 1) 引进耐久性服务指数 psi，且提出不同道路等级应有不同的设计标准;厚，是按轮载应力与温度应力的合成应力进行疲劳计算求解的。混凝土路面板的设计包括对自由边缘，纵 缝边缘及板中三部分进行设计计算。其评价如下:( 2)以试验路观测资料为基础，建立了psi 同板厚、地基反应模量 k 和标准轴载作用次数的关系;( 3)性能;( 4)采 用 psi 为 设 计 指 标，体现了路面使用 ( 1)pca 设 计方法考虑板边中间应力产生的混 设计参数全面。凝土疲劳和板角挠度产生的地基冲刷。在疲劳准则中未考虑翘曲应力，这

22、点是很有争议的。由于将荷载应 力与翘曲应力综合在一起考虑比较复杂，比较合理的 是对荷载 和翘曲造成的损伤分别考虑，然 后 组 合 起 来。在冲刷准则中，冲刷准则有利于减少错台、唧泥2. 2 pca 设计方法2. 2. 1 设计标准混凝土板疲劳断裂; 纵缝中部，地基和路肩材料 侵蚀、冲刷; 限制板间、接缝、自由边挠度。设计标106 2014 年 11 期( 总第 119 期)等现象产生。但是冲刷准则的建立主要是采纳了有特定底基层 的 aashto 道 路 实 验 结 果，可 能 不 适 用 于 底基层类型不同的情况。分离) 。3. 2改进措施层间条件提出以下建议:( 2)通常在轻型交通作用下，薄

23、 层 路 面 设 计 用( 1)沥青层之间是连续的，所 以 要 求 各 层 必 须疲劳分析控制，而在重型交通作用下，厚层路面设计用冲刷分析控制，对于常规混合轴载重量作用下的路 面，单轴荷载易于疲劳开裂，双轴荷载易于产生冲刷 破坏。( 3) 分别考虑每一个荷载组，并 根 据 累 积 损 份量总加起来，反复验证厚度，直至两项损份率均小于连续施工，喷洒粘层油，层间不得造成污染;( 2) 建议接触条件为滑动，以 此 计 算 路 面 结 构 内部的应力、应变、位移;( 3)断废除;柔性基层沥青路面弯沉作为设计指标应果 ( 4) 对回弹模量提出严格要求，沥 青 混 合 料 的劲度模量建议采用诺莫图方法。1

24、;还考虑了接缝类型及路肩类型影响。3. 3国外路面设计方法的借鉴之处国外沥青路面设计方法可分为经验法和力学经验33. 1我国沥青路面设计规范的探讨我国沥青路面设计规范【6】的缺点( 1) 路面设计时弯沉代表值 ls 考 虑 在 最 不 利 季法两大类。经验法主要通过对试验路或使用道路的试验观测，建立路面结构荷载和路面性能三者间的经验 关系。最著 名 是 aashto 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，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。著名的为壳节温度 为 20 ，否则要进行季节、温 度

25、修 正，路 基回弹模量也是在最不利 季 节 ( 一般为春融季节) 和设 计 方 法 相 比 较 过 于 保 守，国外aashto、 shellshell 设计 方 法 采 用的是年加权平均气温，aashto设计方法采用的是一年中路基回弹模量是变化值。( 2) 最大拉应 力可能不是发生在基层而是在表 面层或者中间层牌( shell)法。下面以 aashto 方法为例说明。我国沥青 路 面 以 路 表弯沉和层底拉应力 ( 拉 应 变) 为设计指标，aashto 设计法以现时服务能力指 数为设计指标7。沥青混合料: 我国沥青路面设计所采用的沥青混 合料的抗压回弹模量是在温度为 20 ( 弯 拉 计

26、算 时 取 15 ) 时，用圆柱体试件在无侧限逐级加载卸载作 用下测得的，由于加载卸载速度慢，测得的是材料的 静态模量。aashto 设计方法采用重复荷载间接拉伸( 3)没 有 考 虑 排 水，相反在高速公路建设 期 间由于中央分隔带渗水，路缘石使得路面易于发生早期破坏。( 4)设计参数 采用的是无机结合料稳定集料完 全在板体状态下的模量，他只反应基层未开裂以前的情况，而开裂几乎是普遍的，使用过程中还会变成小 块甚至碎块。( 5) 采用弯沉作为设计指标有以下几个问题:对相同的结构层组合和材料类型的同一路面结 构，路表的弯沉可以反应路面的抗变形能力，但对不同的路面结构，其路表弯沉大的路面结构并不

27、一定比弯沉小的路面结构承载能力差，使用寿命不一定比弯 沉小的路面结构差，因而不能用弯沉判断路面的承载 能力。采用路表弯沉作为设计指标的基本 观 点 认 为，路面破坏是由变形引起的，路面总变形量达到一定程 度后路面即出现破坏，而路面是一种多层结构，各结 构层具有不同的几何和力学属性，而路表弯沉仅仅是路面结构对荷载作用的一个综合效应或表观的反应。试验( astmd 4123 )测 得 沥 青 混合料的动态回弹 模量。粒料材料: aashto 推荐的粒料基层的模量值在100mpa 300mpa 之间，而粒料底基层的模量一般都 在 50mpa 150mpa 之间。我国粒料材料的静态模 量 取值与 aa

28、shto 的 推 荐 值 基本上在同样的水平，尽 管我国规范的推荐值也考虑了同种材料在不同层位的 不同模 量， 但是区分显然 没有后者的明 显。 而 且 aashto 设 计 指 南 规 定， 当 粒 料 材 料 的 模 量 大 于276mpa 时，其层位系数的计算就不能使用普适的公 式，说明该方法对该类材料模量的推荐是偏低的。因此，在设计指标的选择上我国可以进行修正。 我国采用弯沉、弯拉及剪切指标作为设计指标，这在 力学概念上较为明确。可是力学计算表明，土基顶面 的弯沉和路表弯沉的关系比较复杂，这种关系随土基( 6)设计规定界面是连续的，而 实 际 基 层 与 底基层每个施工层之间，基层与沥青面层之间经常是部分连续甚 至 是 滑 动 的 ( 由于层间污染造成的沥青层 2014 年 11 期( 总第 119 期) 107道路工程回弹模量，路面结构层模量及厚度的变化而变化。当路面结构刚度增大时，土基顶面弯沉占总弯沉的比