《路面设计方法》ppt课件

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1、2019/1/15,1,交流材料之一,AASHTO 路面结构设计和典型结构,2019/1/15,2,1.1 现行AASHTO路面设计方法的发展,1. AASHTO路面设计指南,AASHO试验路 时间: 50年代 地点: Ottawa, Illinois AASHO 试验路的主要成果 提出了服务能力PSI的概念 提出了ESAL的概念 提出了结构数(SN) 的概念 提出了简化的设计回归方程,2019/1/15,3,AASHTO 柔性路面设计公式,1972,1986和1993,2019/1/15,4,AASHTO设计方法的应用现状,数据来源：美国联邦公路局M-E路面设计讲座,2019/1/15,5,

2、1.2 现行AASHTO路面设计方法的缺陷,设计方法只适合于和AASHO试验路相同的条件： 一种气候条件，新路的修建 两年观测数据，ESALs不超过2百万 50年代的车辆，材料和施工条件 ESALs的换算标准采用PSI，无法采用ESALs可靠地预测路面的损坏如车辙，疲劳开裂，错台等.,2019/1/15,6,2.1 2002 路面设计指南的提出,2. 2002 路面设计指南,NCHRP 1-37A 目的：研究新的力学-经验路面设计方法 主要研究单位：ERES，亚利桑那州立大学 研究期限： 1996-2002/2004 配套的研究课题 NCHRP 1-39： 交通数据收集，分析和预测 NCHRP

3、 1-40： 应用 NCHRP 1-41：反射裂缝 NCHRP 1-42：Top-Down 裂缝 NCHRP 9-30A： 沥青混合料模型校正,Top-Down 裂缝,2019/1/15,7,NCHRP 1-37A最终成果 超过1000页的研究报告 2002 路面设计分析软件,2019/1/15,8,FHWA新指南推广 2002 Design Guide M-E Design Guide NCHRP 1-37A Guide 参加的14个州,2019/1/15,9,2.2 AASHTO 1993和2002 路面设计指南的差异,1993指南：单一的水平 2002 指南： 按数据精度分成三种水平 水

4、平一 具体项目，实测，精度最高 水平二 按公式定，相当于1993的精度水平 水平三 地区平均值，精度最差,(1)设计输入参数水平,2019/1/15,10,1993指南：季节性路基模量和排水参数 2002 指南：EICM产生公路气候有关的参数，如热参数，风速，大气温度，地下水位，太阳辐射，降水量，路面厚度 预测每小时路面温度变化 预测含水量变化和冻融变化 对材料模量进行修正,(2)气候参数,注： EICM 是 Enhanced Integrated Climatic Model 的缩写,2019/1/15,11,1993指南： ESALs (按服务能力换算) 2002 指南： 轴载谱数据 货车

5、 分类 ：FHWA 13中413类 交通 量 ： AADT，AADTT, 增长率 交通分布：每月，每小时，卡车类型 轴载特征：轮压，轴距，类型，轴重及分布 轮迹侧向：分布,(3) 交通设计参数,2019/1/15,12,参数输入水平： 水平一 按具体路面的WIM数据计算,水平二 根据地区平均数据或路面附近的交通量确定,水平三 地区平均值,2019/1/15,13,1993指南：回弹模量和地基反应模量 2002 指南： 沥青路面：统一的非线性回弹模量模型 水泥路面：每月按相同路表弯沉换算成K 路基和碎砾石材料：随气候变化的回弹模量 材料分类： AASHTO：筛分，液限，朔性指数 USCS： 颗粒

6、尺寸分布，液限，塑性指数,(4) 路基和非结合材料设计参数,2019/1/15,14,参数输入三种水平 水平一 实测(按EICM变化) 水平二 季节性变化按经验公式计算 CBR值 R-值 其它材料参数 水平三 按材料分类(AASHTO或USCS) 或经验值的年平均，无变化,2019/1/15,15,1993指南：结构层系数，排水系数，和间接劈裂试验回弹模量 2002 指南： 动态模量和泊松比 水平一 实测 水平二 根据室内试验公式按沥青混合料参数 (级配，孔空隙类，沥青用量，沥青结合料性能) 水平三 经验值或按模型根据沥青标准定,(5) 沥青混合料设计参数,2019/1/15,16,1993指

7、南：弹性模量，28天抗弯和抗拉强度 2002 指南：弹性模量，7，14，28和90天抗弯强度和抗拉强度，泊松比，热胀系数，热导系数，收缩系数，热比值单位重量，混合料类型 水平一 室内实测 水平二 试验公式计算 水平三 经验值,(6) 水泥混凝土材料设计参数,2019/1/15,17,1993指南：总可靠度和总标准差 2002 指南： 不同的路面损坏类型可采用不同的可靠度 采用概率设计方法或Monte Carlo模拟 精度取决于路面损坏预测模型 实测和预测变异性 经过LTPP数据的校正,(7) 路面设计可靠度,2019/1/15,18,2.3 2002 路面设计指南的使用性能标准,末期IRI：

8、172 英寸/英里 路面Top-Down 裂缝(纵向)： 1000英尺/英里 路面Bottom-Up 裂缝(龟裂)：25% 路面温度裂缝： 1000 英尺/英里 稳定材料疲劳裂缝： 25% 路面总永久变形： 0.75 英寸 沥青层永久变形： 0.25 英寸,(1) 沥青路面,2019/1/15,19,末期IRI： 172 英寸/英里 横向裂缝(开裂板%)： 15 接缝错台： 0.12 英寸,(2) 有接缝的水泥混凝土路面(JPCP),(3) 连续配筋水泥混凝土路面(CRCP),有关JPCP的使用性能指标 PUNCHOUT,2019/1/15,20,2.4 2002 路面设计指南优点,把路面结构

9、设计同材料的选择和施工结合起来考虑 路面损坏分析是材料性能，温度，水和荷载的相互作用结果 提供更精确的设计 提高路面的寿命 提供费用-效益更合理的设计 具有特殊的分析能力，如不同的损坏，特殊荷载，路面损坏调查评价等,2019/1/15,21,软件工作正常，所预测的路面损坏变化趋势合理 提供了一个路面结构分析和设计的有效工具，前提是要充分了解设计参数对路面损坏和性能的影响程度 选择合理的设计输入水平对路面损坏预测影响大 对路面维修设计来说，准确的评价现场路况对路面损坏预测影响大 沥青路面温度裂缝对沥青结合料和混合料性能非常敏感 沥青路面纵缝(Top-Down) 的预测同实际相差较大 有关的损坏模

10、型必须按当地情况校正,3. 2002路面设计分析软件评价,2019/1/15,22,软件安装 安装2002 DG 主程序: 点 击 “Setup.exe” 安装2002 DGEICM程序: Climatic Database InstallerSetup.exe,3. 2002路面设计分析软件,(1) 软件安装,主程序,EICM,2019/1/15,23,第一步： 建立一个新设计项目 点击File-New, “Create New Project” 出现 在“Project Name” 键入项目名称 点击”OK“,File,2019/1/15,24,第二步： 输入设计参数 有关设计项目的一般参

11、数 具体的交通，气候，材料，结构设计参数,没数据,输入完毕,有数据待修改,2019/1/15,25,第三步： 运行计算分析 水泥路面基于有限元方法 沥青路面基于弹性层状体系 各种路面损坏预测经验模型,等待进行,分析完毕,正在进行,2019/1/15,26,4.1 典型路面结构考虑的因素,4. 典型路面结构,交通量： ESALs 当地路面技术和经验 当地路面材料 当地路基和气候条件,2019/1/15,27,4.2 各州典型路面结构,(1) 印第安那州典型路面结构,全厚式沥青路面,ESALs=1030百万,9.5mm 沥青面层,19.0mm 沥青连接层,25.0mm 沥青基层,C25.0mm 沥

12、青连接层,25.0mm 沥青基层,处理后的路基,采用AASHTO设计指南,C 表示开级配,2019/1/15,28,ESALs=110百万,2019/1/15,29,ESALs1百万,一般沥青路面,ESALs1百万,2019/1/15,30,ESALs30百万,水泥路面,ESALs30百万,沥青路肩,水泥混凝土路肩,#8表示粗矿料 #53表示密级配矿料,2019/1/15,31,(2) 弗吉尼亚典型路面结构,沥青路面,水泥路面,采用AASHTO设计指南,2019/1/15,32,(3) 加利福尼亚典型路面结构,水泥混凝土面层,沥青或贫水泥混凝土基层,碎石底基层,路基,水泥路面,设计根据： TI

13、(交通指数) 土基R-值,不采用AASHTO设计指南,2019/1/15,33,全厚式沥青路面,设计根据： TI(交通指数) 和砾石当量值,一般沥青路面,2019/1/15,34,(4) 伊利诺伊典型路面结构,公路水泥路面,力学方法 改进的AASHTO设计指南,城市道路水泥路面,2019/1/15,35,次干线,全厚式沥青路面,主干线,2019/1/15,36,(5) 亚利桑那典型路面结构,一般沥青路面,全厚式沥青路面,2019/1/15,37,5.1 永久性路面的提出背景,5. 永久性(Perpetual)沥青路面设计,永久性沥青路面定义 全厚式 沥青路面 深强(Deep-Strength)

14、沥青路面(中厚基层+较厚面层) 使用寿命可达50年的沥青路面 由美国AP联盟(Asphalt Pavement Alliance)提出 基本结构 沥青层(底基层，连接层，面层) 碎石或石灰稳定层(视路基强度定) 路基,2019/1/15,38,永久性沥青路面的优点 沥青路面寿命可达50年 路面平整，噪音低，摩擦系数高 成本效益高 路面的养护维修仅限于面层 沥青面层可再循环 减少疲劳开裂和车辙损坏 最大限度地减少自然资源的使用 采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开裂，车辙和温度开裂,2019/1/15,39,设计原理 力学方法 设计过程 类似于其它结构设计方法 选择控制点 验算控制标准 (由

15、下至上设计),永久性路面设计过程,2019/1/15,40,疲劳开裂 控制点位置：面层底面 控制标准：拉应变8英寸,(1) 设计标准的确定,永久性变形 控制点位置： 路基顶面 控制标准：压应变 200,永久性路面设计控制点,5.2 永久性设计路面标准和材料要求,路基,2019/1/15,41,底基层厚度要求,路基顶面底基层厚度要求(资料来源：APA),路基强度要求 Illinoi经验：CBR6。或则 路基上铺石灰稳定层或碎石层,(2) 永久性路面基础要求,2019/1/15,42,(3) 沥青层混合料要求,沥青面层(1.53 英寸) 沥青面层厚度8英寸 碎石骨料 温度稳定性好(改性沥青和纤维如

16、SMA，OGFC) 混合料压实后空隙率4%6% 面层可循环再生 沥青混合料连接层(47 英寸) SuperPave混合料 抗车辙：高强，稳定，耐久 沥青混合料底基层 (34 英寸) SuperPave混合料 防疲劳开裂： 高强，有柔性,2019/1/15,43,(1) 加利福尼亚 (I-710),5.3 永久性路面典型结构,新修路面,旧水泥路面加铺,注： AR 标准是RTFO的Aged Residue的 缩写，表示粘度，单位是poises.,2019/1/15,44,(2) 伊利诺伊(I-70),旧水泥路面加铺,2019/1/15,45,(3) 德克 萨 斯 (I-35),3“沥青层，0.75-英寸碎石，PG 76-22,3”SMA，0.75-英寸碎石，PG 76-22,8“沥青连接层， 1-英寸碎石， PG 70-22,路基,2“沥青基层， 0.5-英寸碎石， PG 64-22,8“稳定底基层,新修路面,2019/1/15,46,设计软件 软件名称：PerRoad 2.4 软件开发： David Timm, NCAT，Auburn大学,(1) 设计软件安