路面设计原理与方法作业--第一次

1、第一个问题：计算并分析了沥青路面设计中应力指标(剪应力和拉应力)与应变指标之间的关系，并分析了路面结构类型(柔性基层沥青路面、半刚性基层沥青路面和刚性基层沥青路面)与指标类型选择之间的关系。应力与应变指数的关系在沥青路面设计中，首先计算轮隙中心处路面的计算弯沉值ls，该值应小于或等于设计弯沉值ld，并检查轮隙中心或单圈荷载中心处基层底部的拉应力m，该值应小于或等于许用应力 r。应力和应变应满足广义胡克定律：r=1E(r-t-z)t=1E(t-z-r)z=1E(z-r-t)rt=1Grttz=1GtzZr=1GZr根据前三个公式，正应变不仅由相应的正应力引起，而且由三个方向的正应力决定，但它们的

2、权重不同。三种典型路面结构设计选择的指标类型分析柔性基层沥青路面、半刚性基层沥青路面和刚性基层沥青路面的主要区别在于基层材料不同，对路面结构应力的影响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来代表柔性沥青路面、半刚性沥青路面和刚性沥青路面。为便于比较，三种典型结构选用的表层材料和土基材料相同，层间接触条件和各层厚度完全相同，唯一不同的是基层的模量。具体结构设计方案和力学参数如下：柔性路面结构的设计方案和材料参数材料名称厚度/厘米压缩回弹模量/MPa泊松比层间接触SMA-13414000.3完全连续的AC-20612000.3完全连

3、续的AC-2581000.3完全连续的级配碎石402500.35完全连续的土壤基质400.35完全连续的半刚性路面结构设计方案及材料参数材料名称厚度/厘米压缩回弹模量/MPa泊松比层间接触SMA-13414000.3完全连续的AC-20612000.3完全连续的AC-2581000.3完全连续的水稳碎石4020000.2完全连续的土壤基质400.35完全连续的刚性路面结构的设计方案和材料参数材料名称厚度/厘米压缩回弹模量/MPa泊松比层间接触SMA-13414000.3完全连续的AC-20612000.3完全连续的AC-2581000.3完全连续的水泥混凝土40400000.20完全连续的土壤

4、基质400.35完全连续的对阿普比达的上述路面结构进行分析，并对获得的数据进行整理，得出下表路面类型最大拉伸应力最大拉伸应变最大剪应力数值/MPa发生位置值/10-6发生位置数值/MPa发生位置柔性路面0.2131车轮间隙中心表层底部191单轮载荷中心基层底部0.4433车轮间隙中心的路面半刚性路面0.19车轮间隙中心基层底部62.8单轮载荷中心基层底部0.311车轮间隙中心的路面刚性路面0.4649车轮间隙中心基层底部95.65车轮间隙中心的表层底部0.1993车轮间隙中心的路面结果分析：(1)就结构中的最大拉应力而言，柔性路面的拉应力在面层底部最高，而半刚性路面和刚性路面的拉应力在基层底部

5、较高。(2)就结构中的最大拉应变而言，柔性路面沥青层底部的拉应变水平远高于其他两种路面，因此柔性路面必须控制这一指标；半刚性路面和刚性路面主要承受表面压力。(3)从结构内部剪应力的角度来看，三种沥青路面的剪应力水平相对较高，尤其是路面表面。获得的控制指标如下：(1)对于柔性基层沥青路面，面层和底层处于高水平拉伸状态，弯拉(2)对于半刚性基层沥青路面，沥青层主要受压，沥青层底部拉应变水平较高，表层仍处于高剪切状态，而半刚性基层底部承受太多的结构弯曲和拉应力，对基层应力不利，基层底部裂缝容易向上扩展。因此，建议将半刚性基层底部的拉应力和面层的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

6、路面，沥青层被完全压缩，弯拉应力集中在刚性基层底部，表层剪应力进一步降低。因此，建议将刚性基层底部的拉应力作为沥青路面设计的控制指标。参考文献：不同类型基层沥青路面设计指标的控制，长安大学学报，张艳红等(自然科学版)，2010第二个问题：分析了沥青路面抗滑的内涵和要求1.沥青路面的抗滑原理路面防滑的内涵是使车辆在不利的行驶时期(雨天、雪天)或不利的行驶条件(转弯、紧急制动)下，车轮与路面之间有足够的附着力，使车轮能够保持安全行驶，不空转、不打滑。另外，当汽车刹车时，可以缩短汽车的刹车距离，减少交通事故的发生频率。2.沥青路面的防滑要求(1)路面平整度：包括两个方面：路面微观纹理(石材表面纹理)

7、和路面宏观纹理(石材表面凹凸不平的程度)。微观结构的峰值确保集料在潮湿状态下渗透路面上的水膜，去除水分并保持轮胎与路面紧密接触。密度和间距直接影响路面的摩擦力。在工程中，通常采用低速摩擦滑动阻力值和集料磨光值相结合的方法进行评价。路面的宏观结构表征了集料颗粒之间的空隙和路面的排水能力。常用的有铺砂法、激光纹理分析仪法和排水测量法。根据图(a)的分析，可以认为路面的抗滑能力主要是由路面结构在低车速下的微观结构提供的，因为集料表面有能穿透水膜的峰，峰之间的凹槽能及时排出路面的水，从而保证车轮与集料的良好接触，提高路面的抗滑水平；在高速公路上，路面抗滑水平主要取决于宏观结构特征。这是因为没有时间清除

8、路面上的积水，并且在车轮和路面之间形成水膜。此时，有必要借助于结构深度提供的较大通道来确保轮胎和路面之间的良好接触，从而形成较高的抗滑能力。路面结构和车速对轮胎与路面防滑能力相互作用区的影响(2)干湿路面：当路面干燥时，路面的抗滑能力总能满足安全行驶的需要，但当路面因雨天或洒水而潮湿时，其抗滑面能力会明显下降。这可以根据轮胎和路面之间的界面状态来解释。接触面分为三个区域，如图(b)所示，轮胎前表面有连续水膜的区域为第一个区域；在区域2中，水膜由于轮子的挤压而扩散，留下间歇的薄水膜；在3区，水被完全挤出，轮胎和路面之间的精细结构处于干接触状态，这可以提供驾驶所需的防滑能力。因此，为了确保在车辆高

9、速行驶时能够及时排出路面水，一方面，可以增加轮胎胎面花纹沟的深度和数量，另一方面，需要通过路面的粗糙结构来提供足够的排水能力。车速越高或水膜厚度越大，三个区域的接触面积越小(3)沥青面层材料：从沥青材料的角度来看，沥青应硬化快，不沉石，粘结力强，不剥落砾石。粗骨料应为坚硬、耐磨、耐冲击的矿石或碎石。细骨料应干净、干燥、无风化和杂质，并具有适当的颗粒组成。细集料应与沥青有良好的粘结能力。通过对图(c)的分析，我们发现石材的抛光值与摩擦系数之间存在比例关系，因此，在防滑路面上应尽可能选择抛光值较高的石材。FPSV石材抛光值(4)沥青的选择：沥青的质量对路面抗滑性能也有一定的影响。就沥青种类而言，煤

10、沥青路面的摩擦系数较高，其次是石油沥青。如果沥青在路面混合料中的粘度太低，就容易自由流动，形成光滑的路面，危及交通安全；沥青含蜡量过高，温度敏感性差，夏季易溢出，冬季易开裂，与集料粘附性差，集料易松动脱落。当沥青混合料空隙率较大时，由于水和环境因素的存在，沥青往往会从矿料表面剥落，或者沥青过早老化，从而缩短抗滑表层的寿命。因此，重交通道路抗滑表层应使用石油沥青，必要时应改性沥青，以提高某一方面的性能。沥青类型和标签必须结合项目现场的气候和温度条件进行选择。(5)养护措施：沥青裂缝出现后的修补方法应考虑抗滑性。有路肩的道路应避免泥土进入道路，以免污染路面，影响路面的结构深度。(6)施工工艺：为了

11、保证沥青路面在使用中的耐久性，在施工过程中必须将混合料充分压实。否则，在行车的反复碾压作用下，路面将进一步嵌固压实，空隙率将降低，路面结构深度将减小，这将使以前获得的高抗滑能力迅速衰减。同时，在这一过程中很容易造成路面的浸水破坏，这将直接影响路面的耐久性。3.沥青路面防滑性能指标在上表中，测量速度为601公里/小时时的侧向力系数(SFC60)应作为控制指标；当没有侧向力系数测量设备时，可以用动摩擦系数测试仪或摆式摩擦系数测试仪进行测量。速度为60公里/小时时的摩擦系数作为标准测试值。路面的宏观结构深度可以通过铺砂法或激光结构深度计来测量。参考文献：1沥青路面抗滑面研究赵长安大学20022 公路

12、沥青路面设计规范 (JTJD50 - 2006)第三个问题：根据国内外沥青路面的使用历史，分析路面设计方法的分类和特点，哪种设计方法更合理？在沥青路面应用的早期，路面结构很薄，主要由薄的沥青磨耗层和粒料基层及底基层组成，以保护路基不超载。在车辆荷载作用下，沥青路面结构的作用主要是分散车轮荷载引起的集中应力，从而保护地基不过度沉降，保证路面的平整度。20世纪40年代，高速公路上出现了大量的重型卡车，早期的薄结构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，如水泥、石灰、粉煤灰和沥青材料作为稳定基层，高强度沥青混凝土作为70-80厘米厚的结构。一些国家还采用了全厚沥青路面

13、，从而大大提高了沥青路面的整体结构刚度和强度。自20世纪60年代世界发达国家大规模建设高速公路以来，对路面使用质量的要求越来越高，要求沥青路面具有更好的平整度、抗滑性和耐磨性，以保证车辆高速行驶时的平稳、舒适和安全。因此，要求沥青混凝土路面是从一开始就修建的，其主要目的是保护路基土不受车辆的直接作用，通过路面传播到地基土的应力不会引起地基土的过度沉降，这体现在设计思想和设计方法上，主要是为了控制地基土顶面的应力和竖向位移，如1901年马萨诸塞州公路委员会的方法；还有1933年的唐斯修正公式；灰色)；1934年的公式；1940年的金贝克公式等。它们都经过经典土力学的检验，因此可以概括为经典土力学

14、方法。由于经典理论公式不能客观描述路面结构的实际工作状态，设计结果无法验证，人们提出了以保证路面结构承载力为核心，结合力学理论分析的力学-经验方法等经验设计方法。现代沥青路面设计方法主要分类如下：1.经验方法经验方法主要是通过试验道路或使用道路的试验观测，建立路面结构(结构层组合、厚度和材料性能)、荷载(轴向荷载大小和作用次数)与路面性能之间的经验关系。最著名的经验设计方法是案例推理方法和AASHTO方法。1.1案例推理方法的主要内容和特点：CBR值作为路基土和路面材料(主要是粒料)的性能指标。通过对破损或使用良好路面的调查和CBR测量，建立了路基土CBR轮载与路面结构层厚度(以颗粒层总厚度为

15、特征)的经验关系曲线，如图1所示。利用该关系曲线，可以根据设计轮载和路基土的CBR值确定路面层的总厚度。路面各结构层的厚度应根据各层材料的CBR值换算成等效厚度。根据等挠度原理，不同车轮载荷的影响转化为设计车轮载荷的等效影响。特点：该方法设计过程简单，概念清晰，适用于重载低等级路面设计；然而，CBR值只是一个经验指标，不是材料承载力的直接度量，与弹性变形关系不大。然而，路基土应在弹性范围内的应力状态下工作。因此，路面结构设计并不直接关注路基土的抗剪强度，而是更关注路基土的回弹特性(回弹模量)及其在重复荷载作用下的塑性应变。(a)(b)图CBR值与路面厚度的关系41.2 AASHTO方法的主要内

16、容和特点：AASHTO方法建立在AASHO试验路的基础上，通过整理试验路的试验观测数据，得出路面结构、轴载和使用性能之间的经验关系。AASHTO方法提出了现有路面耐久性指数的概念，以反映路面的使用质量。根据等效损伤原理，对不同轴重的影响进行转换。特点：现有路面耐久性指标PSI主要受平整度影响，与裂缝、车辙、修补等损坏关系不大。因此，它是反映路面功能性能的指标，而不是表征路面结构损伤的指标。此外，该方法来源于试验路的数据，只反映了一种路基土和一种环境条件，在其他地区或国家应用时有很大的局限性。然而，AASHO试验路的实测数据得到了很好的整理和保存，为许多力学经验方法的设计指标和参数验证提供了丰富的依据。AASHTO方法提出了轴重