冯德成 沥青路面结构设计的理论问题与分析

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1、1 沥青路面沥青路面结构结构设计的理设计的理论问论问题与分题与分析析 冯德成冯德成 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院交通科学与工程学院 3 3 1 1 13 13 2 1设计理设计理论的发展论的发展回顾回顾 3沥青沥青路面层路面层状弹状弹性体系性体系的分析的分析 2层状弹层状弹性体系理性体系理论的问论的问题题 4结论与结论与建议建议 沥沥青路面青路面结构设计结构设计的理论的理论问题与分问题与分析析 3 第一第一阶段阶段：古典理论设计阶段古典理论设计阶段-静力平衡静力平衡 路面的破坏路面的破坏，只是只是薄薄层路面下层路面下土基的土基的破坏破坏，极限破坏极限破坏状态状态。 路面起着

2、传路面起着传递递、扩扩散散应力的作应力的作用用，同同时改善时改善行行驶条件驶条件 应用古典理应用古典理论论扩扩散角方式散角方式 45 h 2h P 1 设设计理计理论的发展论的发展回顾回顾 4 （1）麻省公式（Massachusetts Rule） qhP 2 )2( q P h 2 1 q土基承载力强度 h碎石面层厚度 h h 45 P 1 设设计理计理论的发展论的发展回顾回顾 5 （2）方法的改进 唐氏公式 （Downs） 轮载在路面层内的传布应具有与垂直方向成某一分布角的圆锥 形，所以传到路基顶面时，压力应均布于一个圆形的面积上而不应是正方形，但仍假定汽 车轮载为集中荷载。 qhP 22

3、 tan q P h tan 564. 0 h 2r P 当分布角为45时： q P h564. 0 1 设设计理计理论的发展论的发展回顾回顾 6 赫格邦尼公式 认为轮载不是集中荷载，而应是条形均布荷载，其条形长度B决定于轮宽。应力传布角仍 假定为45。 葛莱氏公式 假定轮载为圆形均布荷载，并设轮载接地圆形面积的半径为a a。 苟德培公式 假定轮载接地面积为椭圆形。 （Harger and Bomey） （Gray） （Goldbeck） P h a+h 45 1 设设计理计理论的发展论的发展回顾回顾 7 反映了基反映了基于轮胎于轮胎发发展的荷载展的荷载形式的形式的变变化化 -1-0.8-0.

4、6-0.4-0.200.20.40.60.81 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 m=1 m=0.8 m=0.7 m=0.6 m=1.1 m=1.5 m=2.0 r/ p(r)/p 高次抛物面荷载高次抛物面荷载 1 设设计理计理论的发展论的发展回顾回顾 8 美国米其林公司提出了宽轮胎的应用研究工作 9 Tensile Strain at the bottom of HMA Section F 0 100 200 300 400 -270-170-7030130230 Distance to Tire Center (mm) Calculated Tensile Strain (Micro

5、) Longitudinal Strain Transverse Strain Section B 0 50 100 -270-180-90090180270 Distance to Tire Center Tire (mm) Calculated Tensile Strain (Micro) Longitudinal Strain Transverse Strain 10 Tensile Strain at the bottom of HMA Section F 0 100 200 300 400 500 -200-1000100200 Distance to Tire Center (mm

6、) Calculated Tensile Strain (Micro) Longitudinal Strain Transverse Strain Section B 0 50 100 -200-1000100200 Disstance to Tire Center (mm) Calculated Tensile Strain (Micro) Longitudinal Strain Transverse Strain 11 第二第二阶段阶段：土力学土力学&经验法经验法：土基承载力土基承载力 路面的破坏路面的破坏，依然依然是是薄层路面薄层路面下土基下土基的破坏的破坏 路面起着传路面起着传递递、扩

7、扩散散应力的作应力的作用用，同同时改善时改善行行驶条件驶条件 重点在于解重点在于解决土基决土基的的承载力承载力、力学性力学性质评价质评价问问题题 代表性成果代表性成果CBR方法及方法及CBR试验试验 理论上理论上土力学土力学方方法法布辛氏公布辛氏公式式 布布辛尼斯辛尼斯克克 （Joseph Boussinesq ） 1 1 设计理论的发展回顾设计理论的发展回顾 12 p r Z 0 aa P Z 2/3 2 z 1 1 1 z a p 2/3 2 3 1 1 z a a z p )cos1( 3 p 均均匀地匀地基土受基土受圆形均圆形均布荷布荷重时重时，在荷重在荷重中心轴中心轴下的应下的应力力

8、：可可根据布根据布辛尼斯辛尼斯克克 理理论计算论计算 1 设设计理计理论的发展论的发展回顾回顾 13 今今把把它以简它以简单的近单的近似式表示似式表示： 2 3z 1 1 cos1 z a p 如如按按CBR法法，面面层从路层从路表向深表向深处的处的CBR值值慢慢慢地减慢地减小小，假假定其减定其减小的比小的比例与上例与上式式 相相同同，则则如下图如下图，在路在路表时接表时接地压力地压力p相相当于当于CBR0，在深在深度度z处地处地应力应应力应相当于相当于 CBRz。 CBR（） Z 0 z CBR0（p） p z 0 z CBR CBR 2 1 1 z a 据此据此：（常常数数）k p 0z

9、z CBRCBR 1 设设计理计理论的发展论的发展回顾回顾 14 第三第三阶段阶段：力学经验法力学经验法-层状弹性体系理论层状弹性体系理论，疲劳设计准则疲劳设计准则 第二阶段解第二阶段解决了土决了土基基承载力问承载力问题题，但但路面结路面结构构出现开裂出现开裂、车辙车辙破坏破坏 1 1 设计理论的发展回顾设计理论的发展回顾 前前苏联方法苏联方法破坏准破坏准则则主要是主要是结结构层塑构层塑性变形性变形或或弹性应力弹性应力、应变应变特性特性 最终发展为最终发展为以以弯沉弯沉、永久变形永久变形以及以及面面层剪应层剪应力力为主的指为主的指标体系标体系 我国规范体我国规范体系只保系只保留留了了弯沉弯沉指

10、指标标，具具有明显有明显的的局限性局限性。 15 1962年在第年在第一届沥一届沥青青路面结构路面结构设计国设计国际会议际会议上上 壳牌公司提壳牌公司提出力学出力学经验法设经验法设计沥青计沥青路面的路面的构构想想 大约在大约在20世纪的世纪的60年年代代本世本世纪初纪初 1 1 设计理论的发展回顾设计理论的发展回顾 力学经验设计法多破坏准则、多指标体系阶段 16 以三层弹性以三层弹性体系代体系代表表路面结构路面结构 计算双圆形计算双圆形均布垂均布垂直直荷载下结荷载下结构内各构内各个特征个特征点点的应力的应力、变形和变形和位移值位移值 采用沥青面采用沥青面层的层的疲疲劳劳开裂开裂、路路基土和基土

11、和粒料层粒料层的的过量过量永久永久变形变形作作为沥青为沥青 路面的路面的主主要破坏要破坏模式模式 设计指标选设计指标选用面层用面层底底面在荷载面在荷载重复作重复作用下的用下的拉拉应变和路应变和路基顶面基顶面的压应的压应 变变。 W.(Pim) Visser 【维瑟维瑟】 G.M.Dormon 【多蒙多蒙】 1 1 设计理论的发展回顾设计理论的发展回顾 17 求解层状弹求解层状弹性空间性空间体体系中应力系中应力和位移和位移分量的分量的方方法较多法较多，主要有主要有如下几如下几 种种：其目其目的为了的为了满足解满足解析析解的要求解的要求。 位移函数法 积分变换解法 传递矩阵法 洛甫解法 苏斯威尔解

12、法 郭大智解法 钟阳解法 钟阳解法 1 设设计理计理论的发展论的发展回顾回顾 18 1设计理设计理论的发展论的发展回顾回顾 3沥青沥青路面层路面层状弹状弹性体系性体系的分析的分析 2层状弹层状弹性体系理性体系理论的问论的问题题 4结论与结论与建议建议 沥沥青路面青路面结构设计结构设计的理论的理论问题与分问题与分析析 19 适用于普通应力水平下的结构分析与设计适用于普通应力水平下的结构分析与设计 高应力比高应力比、长持时作用下沥青层与土基的力学分析可发展各向长持时作用下沥青层与土基的力学分析可发展各向 异性理论异性理论 现阶段采用材料弹性或黏弹性现阶段采用材料弹性或黏弹性、塑性等力学参数进行材料

13、评价塑性等力学参数进行材料评价 与近似分析较为现实与近似分析较为现实 关于理想弹性关于理想弹性、完全均匀和各向同性的假设完全均匀和各向同性的假设 理想弹性理想弹性 完全均匀完全均匀 各向同性各向同性 适用于任一瞬时弹性力学响应分析适用于任一瞬时弹性力学响应分析 是其他非线性力学分析的理论与逻辑起点是其他非线性力学分析的理论与逻辑起点 对沥青混合料对沥青混合料、粒料材料粒料材料、土基应完善非线性力学方法土基应完善非线性力学方法 适用于路基路面的结构分析与设计适用于路基路面的结构分析与设计 材料行为的机理分析应发展多相介质力学或复合材料力学材料行为的机理分析应发展多相介质力学或复合材料力学 内部存

14、在缺陷的结构分析应发展断裂内部存在缺陷的结构分析应发展断裂、损伤等力学方法损伤等力学方法 2 2 层状弹性体系理论的问题层状弹性体系理论的问题 20 适用于一般路基路面的结构设计适用于一般路基路面的结构设计 路基动力分析中应考虑结构自重的影响路基动力分析中应考虑结构自重的影响 环境与荷载等多场耦合分析下应考虑初应力效应环境与荷载等多场耦合分析下应考虑初应力效应 物质充满整个空间物质充满整个空间 不考虑原子结构不考虑原子结构 更不考虑分子运动更不考虑分子运动 应用连续函数进行应用连续函数进行 分析分析 宏观唯象力学方法宏观唯象力学方法 关于自然应力等于零的假设关于自然应力等于零的假设 真实应力真实应力初应力初应力荷载应力荷载应力 未知量未知量增量增量 关于关于连续性的假设连续性的假设 适用于分析完好结构的力学适用于分析完好结构的力学 响应响应。 特殊结构物分析采用非连续特殊结构物分析采用非连续 力学方法模拟实际力学方法模拟实际 2 2 层状弹性体系理论的问题层状弹性体系理论的问题 21 关于微小变形和微小位移的假设关于微小变形和微小位移的假设 位位移移物体原来的物体原来的尺寸尺寸 形变和转角形变和转角 1 lx l