路面设计理论与方法详解

第一篇路面设计概念和原理路面的分类按力学性分为：柔性路面…刚度低、强度小、弯沉大，对基层与路基的作用力大。刚性路面…刚度大、强度高、弯沉小，对基层与路基的作用力小。沥青路面（柔性路面）结构类型可分为五类：1.在半刚性基层上设30mm~150mm薄沥青层的结构，称半刚性基层沥青路面(semi-rigidbaseasphaltpavement)；2.在半刚性基层或底基层上，设160mm~260mm厚沥青层的结构，称混合式沥青路面(combination-typeasphaltpavement)；3.水泥混凝土做基层（比如旧水泥混凝土路面或碾压混凝土、贫混凝土、低标号混凝土基层），其上一般设70mm~220mm沥青层厚度，称为刚性基层沥青路面（或复合式路面，compositepavement）；4.采用沥青混合料与无结合料的集料组成的结构，称柔性路面（flexiblepavement)）；5.在路基上或处治了的路基上铺筑约400mm~550mm的全厚式沥青混合料结构层，称全厚式沥青路面（Full-DepthAsphaltPavement）。第一篇路面设计概念和原理第一篇路面设计概念和原理半柔性路面（semi-flexibleasphaltpavement）半柔性路面是将特殊级配的水泥胶浆灌入多孔的开级配沥青混合料的空隙之中而形成的路面，它通过沥青混合料骨料之问的嵌挤作用和灌入的水泥浆共同形成强度。半柔性路面具有优良的高温稳定性、耐疲劳和耐油蚀性，同时具有良好的低温稳定性和抗水害性高速公路和一级公路水泥路面（刚性路面）可分为：水泥混凝土路面（cementconcretepavement）是指用各种水泥混凝土作面层的路面结构，亦称刚性路面，属于高级路面。根据对材料的要求、组成以及施工工艺的不同，水泥混凝土路面分为以下几种：普通水泥混凝土路面（plainconcretepavement）是指除接缝区和局部范围（如角隅和边缘）外，其余部位不配置钢筋的混凝土路面，也叫素混凝土路面。目前，该路面广泛用于公路及城市道路中。碾压混凝土路面（rollercompectedconcrete）是利用沥青混凝土路面摊铺、碾压技术施工的一种水泥混凝土路面。它与普通水泥混凝土路面所用材料基本组成相同，均为水、水泥、砂、碎（砾）石及外掺剂，不同之处是碾压混凝土为用水量很少的特干硬性混凝土，比普通水泥混凝土路面节约水泥10％～30％，且施工速度快，养生时间短，具有很好的社会经济效益。钢纤维混凝土路面（steelfiberreinforcedconcretepavement）是在混凝土中掺入一些低碳钢、不锈钢或碳纤维等纤维，即成为一种均匀而多向配筋的混凝土路面。与普通混凝土路面相比，该种路面的板厚在同等条件下相对较薄，且使用寿命长，养护费用少，国外一致认为它是一种新型路面材料，具有广泛的发展前途，特别是作为旧混凝土路面的罩面尤为适宜。第一篇路面设计概念和原理第一篇路面设计概念和原理钢筋混凝土路面（jointedreinforcedconcretepavement）是指板内配置有纵横向钢筋（或钢丝）网并设接缝的混凝土路面。其中，钢筋网的设置可以控制裂缝缝隙的张开量，把开裂的板拉在一起，使板依靠断裂面上集料的嵌琐作用而保证结构强度。复合式混凝土路面（compositepavement）为面板由两层或两层以上不同材料类型和力学性质的混凝土复合而成，通常下层用当地品质较差的材料来铺筑，而上层用品质较好的材料，以降低造价，该路面也叫双层式或组合式路面。一般下层为碾压混凝土，其厚度取总厚度的2/3，上层为普通混凝土，其厚度一般取总厚度的1/3，并不宜小于8cm。此外，还有水泥混凝土预制块路面（concreteblockpavement）、连续配筋混凝土路面（continuousreinforcedconcretepavement）等水泥混凝土路面。水泥路面（刚性路面）可分为：第一篇路面设计概念和原理设计理论柔性路面采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论、以设计弯沉为路面结构整体刚度的设计指标，计算路面厚度。对于高速、一级、二级公路的沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层应进行层底拉应力的验算。厚度计算采用多层弹性体系理论解的专用设计程序进行。刚性路面采用弹性半空间地基上的小挠度弹性薄板理论和有限元法计算标准轴载在临界荷位处产生的最大应力。设计方法1、经验-力学法通过试验路的行车荷载试验和观测，采集大量路面结构、轴载和作用次数以及路面使用性能指标的数据，经统计分析和整理后，建立使用性能指标同路面结构和荷载参数间的经验关系式。如：AASHTO设计法。2、力学-经验法如：我国沥青路面和水泥路面设计方法，SHELL设计法的沥青路面设计、PCA水泥混凝土路面设计、AI沥青路面设计。第一篇路面设计概念和原理路面设计的任务路面设计的任务是以最低的寿命周期费用提供一种路面结构，它在设计使用期内能按目标可靠度满足预定的使用性能要求。同时，这种路面结构所需的材料、施工技术和资金，符合当地所能提供的条件和经验。路面设计使用期是指新建成改建的路面从开始使用到其使用性能退化到预定的最低标准时的时段。设计使用期以年数或该时段内标准轴载累计作用次数表示。到设计使用期末，路面并非损坏到完全无法使用的程度，而是必需采取重大的改建措施以恢复其使用性能，使之达到与使用要求相适应的水平。设计使用期的选择，涉及技术的合理性和可能性、投资的效益和使用者的费用，可依据路面类型、交通繁重程度、道路等级、资金供应等条件确定。第一篇路面设计概念和原理路面设计的任务路面的全寿命设计方法—路面设计使用期的建设费、运营费、养护费、改造费、用户费等费用总和最低。永久性路面第一篇路面设计概念和原理设计内容路面设计的内容包括结构、构造、材料和表面特性等方面，或者分为以下六部分：(1)行车道路面与路肩铺面的类型选择和结构层组合设计——依据道路等级、当地环境、交通要求、路基支承条件、材料供应、施工和养护技术水平、资金来源等情况，选择路面和铺面类型，设计符合使用性能要求的路面和铺面结构的结构层组合方案。(2)水泥混凝土路面面层的接缝构造和配筋设计——选择和布设接缝的类型和位置，设计接缝构造，确定配筋量和布置钢筋；(3)路面内部排水设计——需设置路面内部排水设施时，选择排水系统的布设方案，确定各项排水设施的构造尺寸和材料规格要求。(4)各结构层材料组成设计——依据对所选材料和混合料的性状要求以及当地自然条件，进行各结构层混合料的组成设计和性质试验。(5)路面表面特性设计——按抗滑、透水或低噪声等使用要求，进行路面上面层的材料组成设计。(6)经济评价和最终方案选择——对各备选方案进行寿命周期费用分析，依据资金筹措情况、目标可靠度以及其它非经济因素，选择费用-效果最佳设计方案。路面结构设计过程1、收集基础资料：交通数据、环境、气候区划、平均温度、最大温度梯度、材料、地质与水文、经济、当地技术水平和设备条件。2、初拟路面结构组合方案：路面结构形式、路肩结构形式、路面排水设计、混凝土板的平面尺寸等。3、各结构层混合料的组成设计、力学实验4、确定设计参数：分析期（设计年限）、目标可靠度、荷载、环境、材料的力学参数（模量、强度）5、结构分析：计算路面厚度、预估路面使用性能6、寿命周期费用分析：考虑路面在使用周期内所有费用的分析法。包括：修建费用、养护费用、改造费用、用户费用。用户费用：车辆运行费用、行车时间费用、交通事故费用、交通延误费用。7、综合各方面的分析和考虑，选择一个最终方案。技术、经济、使用性能等最佳。第二篇路面设计参数第一章交通路面设计使用期内标准轴载的累计作用次数—交通量、轴载大小、交通量年平均增长率、当量轴次。•1.1车辆荷载的特性轴型：单轴、双轴或三轴轮组：单轮组、双轮组标准轴载：我国设计规范选用双轮组单轴载100KN作为标准轴载。其他设计参数为：双轮组轮载为50KN，均布压强0.7MPa,当量圆直径为21.3cm，双轮中心间距31.95cm（1.5倍当量圆直径）。第二篇路面设计参数多轴车第一章交通1.2当量轴次沥青路面设计规范方法（JTGD50-2006）(1）以设计弯沉值ld或沥青混凝土面层底面拉应力为设计指标确定路面厚度时，当量轴次ns为：式中：Pi、ni——i级轴载的重力（KN）和作用次数；（Pi为40－130KN）Ps、ns——标准轴载重力（KN）和作用次数；C1——轴数系数；C1=1+1.2(m-1)（轴距大于3米单独计算）m——轴数；C2——轮组系数；双轮组1.0，单轮组6.4，四轮组0.38。[当单轴Pi为130－200KN时，指数可按4.85计算]isisnPPccn35.421)(第二篇路面设计参数第一章交通1.2轴载换算（当量轴次）（2）以半刚性基层底面拉应力为设计指标（即计算半刚性基层底面拉应力）时，当量轴次为：式中：C1’——轴数系数；C1’=1+2（m-1）(轴距小于3米)C2’——轮组系数；双轮组1.0，单轮组18.5，四轮组0.09。上述换算公式仅适用于单轴载小于130KN，双轴载小于220KN，三轴载小于260KN的情况。isisnPPccn8'2'1)(第二篇路面设计参数第一章交通按荷载应力和温度应力综合疲劳损耗等效原则建立的当量轴次计算式为：式中：——轴－轮型数系数。单轴－双轮组时为1.0、单轴－单轮组时为双轴－双轮时为三轴－双轮组时，上述换算公式仅适用单轴轴载小于130KN，双轴轴载小于280KN的情况。i43.031022.2iiP22.051007.1iiP22.081024.2iiPisiisnPPn16)(第二篇路面设计参数第一章交通1.2轴载换算（当量轴次）公路水泥混凝土路面设计规范1.3累计当量轴次我国公路与城市道路设计时，在设计年限（t年）内设计车道上的标准轴载累计作用次数Ne，按下式计算：365]1)1[(1teNN1)1(365]1)1[(ttteNN式中：第二篇路面设计参数第一章交通——设计使用期内交通量年平均增长率，由调查分析确定。N1、Nt——使用初期（末期）行车道（双向）的日平均标准轴载作用次数（沥青路面），或者使用初期（末期）设计车道的日平均标准轴载作用次数（水泥混凝土路面）（次/日）；不严格分车道行驶的二级及二级以下公路，在交通量小而车道窄时，双向车辆往往跨路中线行驶，轮迹横向分布频率曲线往往呈正态分布。第二篇路面设计参数第一章交通η——车通系数，即方向分配系数和车通分配系数的乘积，按交通状况和车通数通过调查确定.或查表确定。沥青路面设计时，车道系数参照表1确定。车道数（双向）12（分道行驶）2（不分道行驶）468车道系数1.00.50.6-0.70.4-0.50.3-0.40.25-0.35表1车道系数公路等级高速、一级公路二级公路三级公路四级公路设计年限（年）151286第二篇路面设计参数第一章交通水泥路面设计时，轮迹横向分布系数参照表2确定。高速公路、一级公路η=0.17-0.22二级及二级以下公路车道宽度大于7mη=0.34-0.39车道宽度小于7mη=0.54-0.62表2轮迹横向分布系数第二篇路面设计参数第一章交通2.1公路自然区划第二篇路面设计参数第二章环境2.2路面温度状况理论分析模型1）均质半无限体热传导方程由大气进入路面表面的热流，向路面结构的深处传导。对于长度和宽方向比厚度大的路面结构来说，可以近似地假设为仅向深处的一维热传导。由于路面结构层材料的导热性能差别不很大，因而可近似地将路面结构简化为均质半无限体。按上述假设，路面的温度场（路面内不同深度、不同时刻的温度值）可由均质半无限体的一维热传导偏微分方程确定。2）多层体系温度场多层路面体系的温度场，由于各结构层材料具有不同的热特性参数，须为各层分别建立热传导方程。第二篇路面设计参数第二章环境2.3沥青面层温度的估算1）美国沥青协会(AI)法