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1、s G G s 力学一经验路 面设计 指南 ME P DG 简介 陈 兴 伟 路易 斯安 那州 交 通与 发展 部 巴吞 鲁 日 美 国 摘要 主要介绍美 国力学 一经验路面设计指南 ME P D G 的背 景 设 计 主要步 骤 输 入参数 材 料特性 柔性 路 面分 析和性 能 预测及 ME P D G推广应用 可为道路工程人员参 考和借鉴 关键 词 力学 一经验路 面设 计 设计参 数 材料特性 路面性能 1 力 学 一经验 路面 设计 指 南 ME P D G 的背 景 美 国各 州 公 路 和 运 输 官 员 协 会 AAS HT o 的 路 面 经验 设计 方 法 分 1 9 7
2、2 1 9 8 6和 1 9 9 3版 本 数 十 年 来一 直 是美 国路 面设 计 的主 流方法 该 方法 采 用 2 0世 纪 5 O年 代末 由美 国伊 利 诺 伊 州 的试 验 路 数 据 建 立 的 路 面结 构 一轴 载 一使 用性 能三 者 间经验 关 系进 行 路 面 结构 设计 口 由于路 面设计 经 验法 存在 经 验数 据 的 地 域局 限性 等 问 题 AAS HT O 一 直 在 促 进 研 究 新 的路 面设 计 方法 1 9 9 6年 3月 美 国 AAS HTO路 面联 合 工 作小 组 J o i n t T a s k F o r c e o n P a
3、v e me n t s 联 合 美 国 国 家合 作 公路 研究 项 目 NCHRP 及 联 邦 公 路 管理 局 FHWA 在加 利福 尼亚 州 召开 了 路 面设 计研 讨会 会 上 提 出 了到 2 0 0 2年 推 出 AAS HT O 力 学 一经 验 路 面设 计 指 南 的 目标 当 时 称 为 2 0 0 2版 路 面 设 计 指 南 随 后 Nc HR P于 1 9 9 6年开 始资助 了 NC HR P 0 1 3 7 一 期 研 究 项 目 并 于 1 9 9 8年 起 资 助 了 NC HR P 0 1 3 7 A 期 研 究 项 目来 发 展 力 学 一 经 验 路
4、 面设 计 指 南 到 2 0 0 4年 3月 NCHRP 0 1 3 7 A研 究 小 组公 布 了力 学 一经 验路 面设 计指 南 缩 写 为 ME P D G 研究 报 告 同 年 7月 ME P D G 设 计 软 件 0 7版 开 始 试 用 ME DP G基 于 力学 一经 验原 理 为柔 性 路 面 刚 性路 面 及 复 合路 面 的设 计 提 供 了统 一 的基 础 并 采 用 共 同 的 交通 路 基 环 境 及 可 靠 度设 计 参 数 不 但 能 预测 多 种 路面性能 还在材料 路 面结构设计 施工 气候 交通 及路 面 管 理 系 统 之 间建 立 了 联 系 2
5、j 此 后 NC HR P 仍 然不 断 立项 对 ME P DG及 其 软件 进 行 完 善 和 改 进 NC HR P 0 1 4 0 A 项 目由 4家 咨询 公 司从 2 0 0 4年 底 开始对 ME P DG及其 软件 进 行 了两年 的独 立评 估 该 研 究 的部 分建议 被 NCHR P 0 1 4 0 D研 究 小 组 采 纳 收稿 日期 2 O 1 1 0 7 1 6 并 在 2 0 0 5年 1 1月 发行 的 0 8版 2 0 0 6年 7月 发行 的 0 9版及 2 0 0 7年 4月 发 行 的 1 0版 ME P D G 软件 中 得 以体 现 NCHR P 0
6、 1 4 0 B项 目从 2 0 0 5年起 着 手 制定 ME P DG用 户手册 及 地方性 标 定指南 5 2 0 0 7 年 AAs HTO批准 ME P D G成为暂行路 面设计指南 2 0 0 9年 9月 NC HR P 0 1 4 O D 研 究 小 组 推 出 了 ME P D G 1 1版 软 件 该 软 件 可 免费 试 用 到 2 0 1 1年 9 月 3 0日后将 停 止使 用 原 因是 AAS HT O 于 2 0 1 1年 4月 颁布 了进 一 步 升 级 和 完 善 后 的 收 费 版 AAS HTO 路 面设 计软 件 D ARwi n ME 相 比 ME P
7、D G1 1版 D ARwi n ME软 件 在 以 下 方 面进 行 了改进 6 1 提 高 了运 算 速度 2 更新 了工 程模 块 输入 默认 值 3 提 供 了 国际单 位制 S I 版 本 4 考虑 了公 路交 通 容 量 限制 5 新 增 了气 候 数 据 错 误 检查 及处 理功 能 6 新 增 了批处 理 功能 7 新增 了 多项 目编辑 功能 8 新增 了项 目比较 功能 9 新增 了 输人 参 数错 误检 查 功 能 1 0 新 增 了敏感 度 分 析 及 报 告生 成 功能 1 1 新增 了厚 度 设 计优 化 功 能 原 ME P D G 软件 只 能分析 已知层 厚度
8、 的路 面 结构 1 2 新 增 了现有 路 面 结 构 反 算 功 能 1 3 新 增 了数 据 库 功 能 1 4 新 增 了 XL M 文 件 格 式 功 能 1 5 新 增 了路 面 结 构 响应输 出功 能 1 6 改 进 报 告 生 成 P D F及 E x c e 1 等 此外 用户还可 以根据当地需求付费对该软件进 行部 分 升级或 用 户化 改进 2 ME P D G主 要设 计步 骤及 设计 输入 参数 ME P D G主要分三个设计步骤 2 j 第一 步是 建立 分析所需 的输入值 建立基础分析 路面材料特性及交 通数据 第二步是结构 一性能分析 经过迭代分析 得 出满
9、足性 能要 求 的 路 面结 构 第 三 步是 不 同设 计 方 案 的工程分析及寿命周期分析 N o 3 2 0 1 1上踢 姥 1 s一 一 ME P D G 的设计 输 入 参 数 主要 有 交 通 资 料 气 候 资料 以及 路 面结构 和材 料参 数 这 些设 计参 数 分 三个 等级 的输 入l 2 最 高 等级 为一级 输入 主要 用 于 重交 通 路 面设 计 一级 输入 的参 数要 通过试 验 室或 现场 试 验 现场 交通 轴载测 定 以及 现 场无 损 试 验 等 方 法 获 取 二 级输入是中等精度参数输入 适用于当一级输入参数 条件不具备的时候 三级输入相对而言其精确
10、度也最 低 采 用地 区典 型平 均值作 为 输入参 数 2 1 交通 资料 输入 ME P DG跟 以往路 面设 计方 法 重要 区别 之 一 是 交 通 资料 的输 入 以往 路 面设 计法 通 常都将 交通 荷 载换 算成当量单轴轴载 E S AI 而 ME P DG要求有详尽 地交通资料输入 即 基 本交通信息 双 向年平均 日货 车量 设 计方 向车道数 设计 车 道货 车 比例 及行 车速 度 等 交 通量 调整 系 数 月调 整 系 数 车 辆 等 级 分 布 小 时分布 系数 及交 通 增 长 率 等 轴 载 谱 及 其 它 交 通 信 息 平 均车 轴数 轴构 造 轴 距及
11、轮胎 气压 等 2 ME P D G 对 交 通 等 级 的 分 级 采 用 货 车 交 通 分 级 法 即根 据不 同车辆在 交通 量 中所 占的 比例 将 交 通 分 为 1 7 个等级 而货车轴载则分 为单轴 双轴 三轴及 四轴 四种 类 型 ME P DG 对 路 面 结 构 在 不 同 轴 载 类 型 不 同重量 的荷 载下 分别 进行路 面 响应计 算 然 后根 据 Mi n e r 定律 对路 面损 坏进 行 累计 ME P D G交 通 资料 的一级 输入 主 要针 对 高 交通 量 道路 除 轮胎 接触 压力 轮胎 间距 以及 轴 间距 这 些 信息 可采 用默 认值 或 用
12、 户 输 入值 外 大 部 分 数 据要 求 按 项 目进行 采集 二 级 输 入 要求 采 集 交 通 量 及 车 辆 等级 数 据 但 各州 或 区域 的轴 载谱 可 以用 于 预 计 设 计周 期 内的交通 荷 载 三 级 输 入 采用 各 交 通 等 级 的 默认 轴 载 谱进 行设 计 2 2气 候资 料输 入 ME P D G另 一个 特征 是有 效地 考 虑 了气 候 环境 条 件对 路面 材料 特 性 的 影 响 ME P D G 自带 了北 美 8 0 0 多个气象站长达数 十年 的气象数据 气温 降雨量 风 速 日照率 相对 湿 度等 在 美 国 如果 所 选 的工 程 附
13、近没有气象站资料 ME P D G可 以根据工程所处 的 经度 纬度以及地下水水位信息 由周边多达六个软件 自带气象站数据 自动生成所需的气候资料输入文件 2 3 路面 结构及 材 料参数 输 入 ME P D G要求输入预设的路面结构 以及各层材料 0 8 0 2 2 8 2上 么堍 N D 3 2 0 1 1 的设 计 参 数 道 路 材 料 包 含 沥 青 混 合 料 水 泥 混 合 料 稳 定 基 层 材料 粒 状 基 层 材料 路基 材 料 及 地 下 岩 石层等 道路材料 的性能参数主要包含 道路 响应计 算 所需 参数 材 料模 量 泊 松 比等 性 能转换 方 程 所需 参 数
14、 抗 拉 强度 蠕 变 柔 度及 断裂 模 量 等 以 及 环境 模 型所需材料参数 路表短波吸收率 温度传导系数及粒 状 材料 塑性 指数 等 j ME P D G 软件 自带 了各 种道 路 材料参数的默认值 各地可根据当地所用材料及已有 参 数进 行调 整 表 1为 ME P D G 提供 的化 学 固结 材料 参 数 的推荐 值 表 1 ME P D G提供的化学 固结材料参数 的推荐值 化学 同结 弹性模量 典型 弹性模 抗拉 泊松 比 材料 范 围 MP a 量值 MP a 强度 k P a 贫混凝 土 l O 3 4 2 1 7 2 3 7 1 3 7 9 0 3 l O 3 0
15、 1 0 2 水泥稳定粒料 4 8 2 6 1 0 3 4 2 6 8 9 5 1 3 7 9 0 1 0 2 开级配水 泥稳定 粒料 5 1 7 1 1 3 7 9 0 1 O 2 水 泥土 3 4 5 6 8 9 5 3 4 4 7 6 8 9 O 1 5 0 3 5 石 灰 一水 泥一粉煤 灰 3 4 4 7 1 3 7 9 0 1 O 3 4 2 1 0 3 4 0 1 0 1 5 石灰 稳定土 2 0 7 4 1 4 3 1 O 1 7 2 O 1 5 0 2 3 MEP DG材 料特 性 3 1 沥 青混 合料 特性 在 ME P D G 中 沥 青 混合 料 的主 要材 料 特
16、性 是 与 时 间一温 度相 关 联 的动 态模 量 E 动 态模 量 由参 考 温度 7 0 F 2 1 1 下 的 主 曲线 决定 动态模 量 主 曲线 可 由下述 S i g mo i d a l 方 程 表示 2 l o g E 一 1 l o g t 一l o g 一l o g E a T 2 式 中 E 为 沥 青 混 合料 动态 模 量 p s i t 为 参 考 温 度 下 的荷 载 时 间 最 小 动 态模 量 p s i a 为最 大动 态 模量 p s i 与7 为 描述 s i g mo i d a l 方 程形 状 的参 数 t 为所感 兴趣 温度 下 的荷载 时 间 a T 为与 温 度有 关 的 变 换 系数 T为所 感兴 趣 的温度 F 对于一级输入 上述方程式 1 和 2 中的参数 由 试 验室 数 据 确 定 对 于二 级 和 三 级输 人 S i g mo i d a l 方 程 式可 由下 述公 式表示 l 2 l o g E 一 3 7 5 0 0 6 3 0 0 2 9 3 2 p 2 o 0 一 0 0 0 2 84 1 p 4 0 0 5
