路面结构设计原理概述―1

路面结构设计原理王端宜教授/博导[e-mail]课程要求的基础知识Ø土和道路材料方面的相关知识Ø路基和路面的相关知识Ø结构分析和设计方面的知识Ø计算机操作方面的能力主要参考书Ø《路面分析与设计》黄仰贤著Ø《路面设计原理》华工道路工程研究所Ø《高等级公路半刚性基层沥青路面》沙庆林编著Ø《公路沥青路面设计规范》交通部Ø《公路水泥混凝土路面施工规范》交通部课程目标Ø培养路面结构分析和设计方面的基本能力Ø了解影响路面结构设计的相关因素（交通量、材料特性、环境因素等）Ø掌握路面结构设计的各类方法（以力学—经验法为主）Ø培养论文写作和报告的能力课程主要内容Ø路面的类型、路面设计应考虑的因素Ø柔性路面分析：弯沉/应力/应变Ø刚性路面分析：弯沉/应力Ø交通量分析：当量换算系数Ø材料特性：定义材料特性的主要指标和试验Ø柔性路面设计课程主要内容Ø刚性路面设计Ø加铺层设计：旧路评价、加铺层设计Ø路面结构非确定性分析和可靠度概念Ø设计路面的概念和方法Ø设计材料的概念和方法拟安排的课程论文题目Ø路面结构通常受哪些因素影响？比较合理的设计程序是怎样的？Ø通过诺模图的形式定量指出路面结构的受力状态，变化幅度，影响因素（荷载、层厚、模量比、层间结合、环境变化（水土温）等）。Ø刚性路面中的应力构成及影响因素分析。Ø不同设计体系当量换算原则，比较其合理性和优缺点。拟安排的课程论文题目Ø定义材料特性的主要指标有哪些？如何确定？Ø如何比较经验设计体系和力学经验设计体系？Ø我国刚性路面设计的基本程序。Ø旧路评价的主要内容，加铺层设计思路。一、路面发展历史Ø道路是指对公众开放的，供客货车辆、行人和牲畜行走的路线。Ø路面是道路上修筑的一个坚硬光滑的表面，是直接承受行驶车辆的作用，是道路工程的重要组成部分，可以使道路更加舒适和耐久。1、古代的道路(石板）现存的古罗马道路中国宋代以来的道路（广州）罗马道路的路面结构罗马道路的路面结构Ø面层：用平滑的多边形砌块铺筑而成，缝隙用石灰砂浆灌注。Ø基层：石灰稳定沙砾。Ø下基层：石灰稳定碎石。Ø垫层：石灰砂浆粘接的片石垫层。2、泰尔福特（Telford）路面典型的泰尔福特路面结构泰尔福特路面特点Ø路面结构总厚度约为350-450mm。Ø底层用100mm宽、75-180mm高的大石块修筑。Ø上面铺筑两层最大尺寸为65mm的碎石层，两层总厚度150-250mm。Ø最上面铺筑40mm厚的磨耗层。Ø可以承担的荷载强度大约为88N/mm（沿宽度）。3、麦克丹姆（Macadam）碎石路面Ø路基的上面，铺筑两层最大粒径为75mm的手工碎石，两层的总厚度为200mm。Ø最上面是50mm厚磨耗层，由最大粒径25mm的集料铺筑而成。典型的麦克丹姆路面结构麦克丹姆碎石路面特点Ø强调使用有棱角的集料代替圆形沙砾。Ø将路基设计成具有一定的横向坡度的以利于排水。Ø可以承担的荷载强度大约为158N/mm（沿宽度）。麦克丹姆路面芯样Nostonelargerthanwillenteraman’smouthshouldgointoaroad.不能将比人的口大的石料用于筑路。4、沥青路面的发展焦油麦克丹姆路面Ø1848年建于诺丁汉姆郊外，1854年法国，1866年美国。Ø焦油含量一般为6%，空隙率为17%。Ø碎石集料2mm的通过率约为20%，磨耗层的厚度约为50mm。沥青路面的发展拌合式路面Ø在路床上摊铺集料；Ø洒布沥青结合料；Ø用圆盘耙和犁现场拌和沥青和集料；Ø碾压沥青混合料（压路机下的路面不出现位移）；Ø在碾压成型的磨耗层上面撒布细集料并做成封层。沥青路面的发展薄层沥青路面（sheetasphaltpavements）Ø磨耗层：由沥青和砂拌制而成，厚度40-50mm；Ø联结层：由沥青和碎石拌成，厚度40mm；Ø基层：水泥混凝土或经破碎的旧路面，厚度：轻型交通100mm、重型交通150mm。沥青路面的发展Warren沥青混凝土路面Ø1901-1903年，Warren以HMA(Hot-MixAsphaltMixture)铺装材料和工艺过程为主要内容申报了专利。Ø专利涉及HMA、沥青胶结料、旧路加铺罩面等技术。Ø含有6%的沥青含量，以及通过适宜的集料级配得到的较低的空隙率。沥青路面的发展Topeka沥青混凝土路面（细级配沥青混合料）Ø1910年美国堪萨斯州托皮卡城（Topeka）的一项法庭裁定认为，沥青混凝土混合料中采用最大粒径为12.5mm的集料不侵犯Warren的专利。Ø为了避免专利约束，美国普遍使用最大粒径1/2英寸（12.7mm）以下的沥青混合料筑路，形成了以连续级配和最大密实原则为主体的热拌沥青混凝土（HMA)技术，并一直延续至今。沥青路面的发展Topeka沥青混凝土路面特点“Topekamix”含约30%的级配碎石（12.5mm筛孔通过量为100%），砂的用量为58-62%（2.00mm-0.075mm），矿粉填料的用量为8-12%（100%通过0.075mm筛孔），沥青用量为：7.5-9.5%。沥青路面的发展Warrenite–Bitulithic沥青混凝土路面（1910年）Ø结构层厚度为25mm，经挑选的矿质集料用沥青裹覆再碾压进下层的沥青路面（大石料、小石料、矿粉、沥青构成）。Ø在未经压实的沥青层上加铺一个薄的沥青磨耗层，可以防止下面沥青层中的大骨料直接接触压路机的钢轮并被压碎，从而破坏混合料的级配。5、水泥混凝土路面的发展Ø水泥混凝土作为一项专利技术（PortlandCementConcrete—PCC）出现于1824年。Ø直到19世纪后期才开始用于道路工程。PortlandCementConcrete？水泥混凝土路面的发展水泥混凝土路面的起源•1889年美国人GeorgeW.Bartholomew提议在美国的俄亥俄州Bellefontaine市修建第一条水泥混凝土路面。•1891年，第一条真正的刚性路面开始施工，采用现场拌合，并采用1.5m的方形模板摊铺。水泥混凝土路面的发展水泥混凝土路面性能的改进Ø1930年，加气混凝土的发展，提高了PCC路面的抗冻能力。Ø30年代后期，在PCC路面与土基间设置一个不会发生唧泥和脱空的基层，材料为沙砾、碎石或炉渣。Ø40年代后期，加州开始使用水泥稳定粒料基层。水泥混凝土路面的发展水泥混凝土路面施工工艺的改进Ø1946年，滑模摊铺机的提出。Ø1955年，自驱式滑模摊铺机的开发，最大摊铺宽度8m，摊铺厚度可达250mm。Ø集中拌和代替现场拌和。Ø路面锯缝工艺的发展。时期第一阶段（50-60年代）典型结构主要特点适应当时的工艺水平与经济条件破坏模式土基承载力不足技术导向通过最小路基高度控制路基湿度状态；控制弯沉保证最小刚度6、我国沥青路面的现状时期第二阶段（70-80年代）典型结构主要特点改善了土基工作状态，明确强基薄面设计理念破坏模式反射裂缝、疲劳破坏较为严重技术导向半刚性基层向稳定粒料过渡、弯沉大小与路面开裂有较好关系时期第三阶段（80年代）典型结构主要特点减缓了反射裂缝、有较好的排水性破坏模式沥青层疲劳破坏严重技术导向沥青碎石向沥青混凝土发展基层进入高强度大模量误区（路面评价采用强度系数）时期第四阶段（90年代）典型结构主要特点解决沥青层疲劳问题破坏模式反射裂缝严重、排水问题未解决（水稳定性不足）技术导向追求较高的以平整度、抗滑指标为代表的使用性能要求时期第五阶段（2000年以后）典型结构主要特点通过材料设计解决路面功能问题；通过组合设计解决排水与反射裂缝问题破坏模式有待检验技术导向柔性基层备受关注7、我国水泥混凝土路面的现状Ø50、60年代修筑数量很少Ø70年代大量修建水泥混凝土路面（沥青供应不足）Ø80年代以后得到了较快的发展Ø南方多雨地区，城市道路大量修建，修建质量不高Ø不注意养护，早期损坏现象严重，缺少有效的维修措施，急需有效的养护维修措施二、沥青路面结构设计方法的发展经典经验法现代经验法力学-经验法经典理论法›经典理论法：1901年，美国麻省建立了第一个路面设计公式，主要以理论公式为主。以轮载分布到土基顶面的应力大小为依据，目的在于防止土基出现剪切破坏，采用的分析根据是简单的静力平衡原理。›经典经验法：1929年，美国公路管理局提出了土的道路工程分类法（PRA分类法），同年加州道路局开创了路基土与粒料材料加州承载比（CBR）的相对强度试验法。以解决土基强度为核心的设计方法，采用路基土分类、承载板试验、室内承载比试验或三轴试验确定土基强度，然后根据经验确定不同强度土基所需要的路面结构厚度。›现代经验法：1946年，AASHO（美国各州道路协会，今为AASHTO）---开展了足尺试验，建立了以使用性能为基础的经验设计法，提出了PSI（现时服务能力指数）标准，将车辙、裂缝、平整度使用指标与路面结构数（SN）、材料与荷载间建立了设计模型与诺谟图，使设计更为合理。›力学--经验法：1943年Burmister发表了弹性层状理论，为沥青路面设计的理论分析方法奠定了基础，1963年壳牌石油公司提出SHELL设计方法。›力学--经验法新法：温度场与湿度场的耦合的粘弹层状体系理论与可靠度指标；建立材料、结构与工艺一体化设计系统。›力学--经验法由力学和经验两部分组成，材料和结构的理论研究成果帮助我们掌握其发展的内在规律和机理，建立各种合理的计算分析和预估模型，而通过现场试验或工程经验的验证和修正，使所建立的各种模型和各项参数能得到同实际相吻合的分析结果。力学-经验法路面结构使用性能力学响应量荷载和环境1、我国沥青路面设计方法的发展第一阶段Ø70-80年代，力学-经验法：以“三个指标”（弯沉、拉应力、剪应力）为代表、以“弹性层状体系”为理论基础。Ø提出了沥青路面设计的三个过程：结构设计、厚度设计、材料设计。结构设计就是选择适宜的材料、合理地设置结构层的空间位置，保证所设计的路面结构在设计使用年限内能够有效地承受车轮荷载和自然因素的作用，实现设计寿命，并提供高质量的服务品质，降低维修和养护费用。厚度设计路面结构层厚度计算是在对交通因素、环境因素和车轮荷载因素等充分认识的基础上，运用经验的或理论的方法计算路面各结构层的适宜厚度。材料设计材料设计过程应该是根据路面结构对材料的强度、刚度和稳定性的要求，提出适宜的材料种类，规格和配比。存在的问题存在的问题Ø路面结构设计时机械套用经验结构（全国一个模式）；Ø厚度计算时，由于参数输入具有非常大的随意性，沥青路面理论设计体系的厚度计算在某种意义上成为了数字“游戏”；Ø材料设计与路面结构要求相脱节，不管交通荷载水平、环境因素差异，统统采用相同的材料设计评价方法和指标。2、我国沥青路面设计方法的发展第二阶段Ø20世纪80年代中后期，新设备、新技术、新材料、新工艺不断地应用，新的名词不断涌现（OGFC、SMA、PE、SBS、PG、Superpave等）。Ø路面结构设计体系、思想、观念、方法并没有发生大的发展和变化。Ø道路建设、养护维修成本高。我国二级公路与高速公路典型路面结构3、我国沥青路面设计方法的发展第三阶段Ø20世纪90年代，开展了沥青路面结构优化设计和可靠度分析的研究。Ø结构优化原则：u保证路面使用寿命；u符合当地高速公路工程特点和实际；u适应施工机械化作业、加快工程进度；u经济合理地利用当地材料资源，降低工程造价。沥青路面结构优化实例某高速公路沥青路面结构优化设计结果优化的经济效果：采用优化的路面结构方案，每公里可以节省投资54.57万元。路面结构优化方法Ø厚度优化模型：结合现行公路设计规范的要求，提出了以容许弯沉和弯拉应力为控制指标。Ø造价优化模型：使得路面结构优化不是以路面修建的初始投资大小来选择路面最优方案的基础上，采用了全寿命造价优化、使用性能预测及评价和模糊综合评判选优等新的技术。将路面结构优化设计和可靠度分析结合起来，建立可靠性优化数学模型是近年来国内路面结构设计理论研究的一个新的热点。三、水泥混凝土路面设计方法的发展设计目标：提供一种寿命周期费用最小的路面结构，使其在设计基准内按规定的可靠度水平，承受预期交通荷载的作用，满足预定使用