国内外水泥混凝土路面设计方法比较

国内外水泥混凝土路面设计方法比较学院：材料科学与工程学院专业：材料工程姓名：张皓学号：2016231006指导教师：盛燕萍国内外水泥混凝土路面设计方法比较摘要：世界各国对水泥混凝土路面的设计有着不同的标准与方法，设计过程大都考虑交通荷载、材料特性以及环境条件等因素的影响，而中国由于混凝土路面设计起步较晚，设计方法主要依赖于理论计算，未能充分考虑路面实际使用情况，并且一些水泥混凝土路面确实已经出现不同程度的结构性破坏和功能性缺陷。该文拟对中国以各方面的设计过程为基础和各国的设计经验为依据的水泥混凝土路面设计方法进行对比，为中国水泥混凝土路面设计方法的完善提供一些可供借鉴的经验。关键词：混凝土路面；设计方法；设计标准ComparedwiththedesignmethodofcementconcretepavementathomeandabroadAbstract:thedesignofcementconcretepavementofthecountriesintheworldhavedifferentstandardsandmethods,thedesignprocesstoconsidermostofthetrafficload,materialpropertiesandenvironmentalconditionsandotherfactors,andChinaduetoconcretepavementdesignstartedlate,thedesignmethodmainlydependsonthetheoreticalcalculation,failedtogivefullconsiderationtotheactualuseofcementconcretepavement,andsometheroadhasindeedseenstructuraldamageandfunctionaldefectsindifferentdegrees.ThispaperintendstoChinainallaspectsofthedesignprocessforthedesignexperienceandnationalcomparisonforcementconcretepavementdesignmethodbasedonthedesignmethodofcementconcretepavementChina.Toprovidesomeexperienceforreferencetoperfect.Keywords:concretepavement;designmethod;designstandard0前言水泥混凝土路面作为一种高级路面结构形式，具有刚度大、承载能力强、耐久性好、稳定性好以及日常维护费用低等优点而得到了广泛的应用。在公路建设中，由于资源限制，中国沥青的产量和质量，均难以满足修筑高等级路面的需要，因此目前用于公路建设的石油沥青还大量依靠进口；另一方面，中国已经连续20多年位居世界水泥产量的第一位，水泥产能大，分布广，各地均可就近供应的优势更为显著。在20世纪90年代，根据中国的资源条件现状和公路事业发展的需要，交通部提出“黑色”“白色”并进的路面发展战略，对水泥混凝土路面的发展实施“因地制宜，积极稳定，保证质量，加快发展”方针，迎来了水泥混凝土路面的高速发展。据交通部统计，截至到2015年底，中国铺装路面总里程已达448.69万km，其中水泥混凝土路面所占比例超过了70%。可以预见未来随着中国推进农村道路建设，水泥混凝土路面比重还将逐年上升。然而随着中国经济的发展，道路交通量和车辆轴载的迅速增长，大多数的水泥混凝土路面均出现了不同程度的损坏，这和中国水泥混凝土路面设计理论和方法的不完善有很大关系[1]。该文通过中国现行水泥混凝土设计方法与国外的设计方法进行对比分析，在今后路面结构设计方法中有所改进，不断提高中国水泥混凝土路面的使用寿命和使用性能。1中国水泥混凝土路面设计方法存在的问题近年来，随着中国道路交通流量的迅猛增长和轴载的明显增大，很多水泥混凝土路面在远未达到设计使用寿命时便出现了大量的破损现象，严重影响到路面的功能性与耐久性，并引起了重大的交通事故，带来了很大的经济损失。究其原因，主要是中国的设计方法和设计理论还不够完善。目前中国水泥混凝土路面设计中下述问题尚存争议：（1）设计交通荷载与实际情况有较大差距。实际使用过程中，中国水泥路面往往未达到设计使用寿命便发生大面积损害，甚至存在大量“早期破坏”现象。而设计中所使用的计算模型与实际使用过程中复杂的荷载状况有较大差异。（2）设计指标体系尚不完善。例如，温度、湿度等环境因素对水泥混凝土路面的影响未能全面考虑；临界荷位的选择也相对单一，仅考虑纵向边缘板中加载的情况；同时，缺少相应的控制指标和病害预测模型。（3）路面材料设计参数与实际使用性能“相容性”较差，路面材料参数的设定是中国路面设计中的一个薄弱环节，与实际路用性能缺乏相关性；材料的设计参数不能反映结构实际的工作状态，试验室静态测试得到的参数与道路材料在受动车荷载作用下的力学响应有较大出入；很多材料参数控制指标与路用性能没有明确对应关系[2]。2国内外土基回弹模量设计方法比较路路基回弹模量是公路路基路面设计的主要参数之一,因其受土质、含水量、压实度、测试方法等诸多因素影响,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。如何评价与测定路基的抗变性能力是路面设计方法中一个必不可少的组成部分,纵观国内外路面设计方法,表征路基抗变形能力的方法主要有两种,即建立在温克勒地基模型上的地基反应模量与基于弹性半空间地基的路基回弹模量。国外刚性路面设计方法中广泛采用地基反应模量,而在柔性路面设计方法中则普遍采用路基回弹模量（动态回弹模量）,并引入相应的季节影响因素。美国AASHTO设计规范中根据一年或某几个月内路基回弹模量及其相对损失,计算平均的路基有效回弹模量对于碎砾石材料,采用基于室内三轴试验获得的非线性模型和随季节的相对损失计算其有效回弹模量,并引入排水系数修正层位系数。在AI法中根据土基材料填筑的路基进行回弹模量试验,获得至少6—8个试验值,取小于所有试验值60%、75%或87.5%的模量值作为土基的设计回弹模量对于粒状材料与AASHTO法类似[3]。FWD作为一种动态检测设备,同路面实际的工作状态和材料的性质是相符的,这对于研究路面的动态特性是有潜力的。路面在动力荷载和静力荷载作用下的反应是不同的,国外不少设计方法已采用动态设计参数。在70年代和80车代,丹麦和瑞典首先开始制造并应用FWD,随后美国、英国、日本等先后引进并仿制了这种弯沉仪,同时,关于FWD应用研究工作大量展开,推动了FWD的广泛应用。目前己有多个国家和地区先后应用FWD,除FWD的制造国外,还有希腊、芬兰、冰岛、葡萄牙、西班牙、土耳其、澳大利亚、荷兰、娜威等国家。美国联邦公路局经过分析对比,确认FWD是较好的路面承载能力评定设备,并选定FWD作为实施SHRP计划时路面强度评定的重要设备。目前FWD弯沉仪的应用已步入了规范化、标准化的阶段,己成为当今国际上普遍应用的路面结构强度无破损检测仪器[4]。在国内,由于高等级公路的不断增多,对于路基的承载力要求也越来越高,不少机构和学者也对土基回弹模量进行了大量研究。目前国内的路面设计方法采用的是静态设计理论,国外不少设计方法则已采用动态设计参数。为了使我国沥青路面的设计参数更能反映路面结构的实际工作状况,与国际接轨,有必要系统地进行材料动态性能的研究和动态参数试验。我国从八十年代中后期开始引进FWD,并进行应用研究。在十年多的时间内,我国自行研制开发了自己的FWD,在此期间围绕FWD的开发和应用,在大量的理论和试验研究工作中取得了一些成果。我国的《公路路基路面现场测试规程》中已将列为弯沉检测设备。进入90年代以来土基回弹模量方面的问题日益突出,不少学者先后进行此方面的研究湖南大学赵明华等结合河南信阳地区进行了土基回弹模量值和野外关系的研究,刘麟德对成都—双流机场路土基回弹模量及弯沉进行了测试,梁锡三等对路基弯沉检验标准进行了研究,侯定一进行了野外路基回弹模量测定仪研究,陈晓光等研究了新疆高等级公路半刚性基层土基强度等级划分,叶燕呼进行了广东省公路路基强度及土基分级研究,唐伯明等进行了FWD与贝克曼弯沉梁对比实验研究,蔡良才等进行了机场刚性道面下土基回弹模量取值方法研究。石油公司、英国、美国沥青协会、日本道路公团等国外研究机构先后对土基回弹模量与的关系、土基动弹模进行了研究[5]。3可靠性设计比较可靠度理论应用于路面的研究较晚,1966年美国加州公路局和地沥青学会在制订路面设计程序时考虑了材料的变异性,引入可靠度概念。1970年美国联邦公路局和公路研究委员会(FH认叭一HRB)召开的沥青混凝土路面结构设计研究会,将路面结构可靠性问题列为当前路面工程师面临的十大紧迫问题之一,并提出在实际工程中应充分考虑材料和交通荷载的不确定性。1971年,莱姆(A.C.Lemer)和莫文查德(F.Moavenzadeh)提出了路面可靠性的概念,并提出在路面整个使用期内,应考虑预测路面的可靠性;此外,还介绍了蒙特卡罗法和马尔柯夫模型在路面可靠性中的某些应用。1972年米歇尔(Mihcael)、达特(I.Daretr)等将可靠性理论引入德克萨斯州沥青路面设计方法中。1973年,科赫(.RK.Kher)在其博士论文中,建立了一个刚性路面设计系统,将可靠度概念引入AAsHo刚性路面设计暂行指南,他所采用的方法和假设与Darter在柔性路面中情况大致相同。1979年R.Koibsch等人分析了结构厚度和强度变异性对无机结合料结构层的力学行为的影响,结构厚度和强度均采用正态分布假设[6]。1983年M.WitZack等人提出刚性机场道面的可靠性设计方法。1986年美国AASHTO《路面设计指南》对柔性路面和刚性路面都采用可靠度设计。1986年和1987年,维扎克(M.iWtzack)和周虞堂(uY..TChou)等人分别把可靠度理论引入美国空军机场道路设计法和柔性机场路面CBR法中,建立了基于可靠度的概率设计法,把以前方法中的设计系数DF视为正态分布的随机变量,通过回归分析将wesetrguadr的应力解显式化,采用aTylor级数展开式取线性项近似的方法计算DF的方差,并将可靠度计算结果绘制成“厚度一ESAL次数一可靠度”的曲线诺漠图,使得设计查用非常简便。丫cThou(周虞堂)在1987年7月举行的“第六届国际沥青路面结构设计会议”上发表了柔性机场路面CBR法的分析[9],他比较了aTy一。:级数展开取线性近似的“一次幂法”和“Rosenblueth法”两神方差模型的设计计算差异,并提出了实用的设计图表。在同一次会议上,.lPirck等人还发表了“可靠性概念在路面设计中的应用”一文,对路面工程中应用可靠性理论的研究做了综述,提出了不同等级道路的可靠度指标建议值,1988年lAsheirr等采用蒙特卡罗法对路面性能进行了可靠性分析,并力求考虑计算模型的不确定性。至此,美国正式开始使用概率设计刚性路面和柔性路面。在理论研究工作进行的同时,其成果也不断进入实用,如美国1986版《AASHO高速公路路面设计指南》中引入了.Pilrck等提出的可靠度系数,法国的1988版《高速公路设计指南》中也采用由.RK0ibshc等人提出的考虑结构厚度和强度变异性的可靠性系数。我国在可靠性研究方面起步较晚,198]年,国家建委组织力量编制了我国第一部“建筑结构设计统一标准”,其中引进了概率设计方法,基本采用了CA.Corenfl的“水准一n”设计。在路面结构设计方面,我国1978年和1986年的公路柔性路面设计方法在确定土基和路面材料的回弹模量的计算值时,采用了概率84.1%的值。80年代初开始,我国同济大学和西安公路交通大学分别对水泥混凝土路面的可靠性设计进行了研究。1985年郭忠印对混凝土路面设计方