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道路工程
1.8.3.4.1 一、绪论
一、绪论

柔性路面设计方法的发展,是随着交通的发展以及路面结构、材料不断地革新而同步发展的。由于柔性路面结构从一开始建造,其主要目的就是为保护路基,使之不经受车辆的直接作用,通过路面传播至路基的应力被扩散而不会造成路基过大的沉降,这一点反映在设计思想及设计方法上,主要是控制土基顶面应力及垂直位移量,如1901年的美国麻省道路委员会的方法,1933年的唐氏修正公式,1934年的葛莱式公式,1940年的哥尔德贝克公式等。都是运用古典土力学公式来验算因路面结构的存在使土基所承受的荷载应力降低的程度,柔性路面经验设计法的提出是由于古典理论公式已无法客观地描述路面结构的实际工作状态,设计结果也无法验证。因此人们通过大量的野外测试,修筑实验路对实际车辆行驶效果进行系统观察,形成了以车辆荷载作用下确保路面结构状态良好为核心的经验设计法。如美国公路局的分类指数法(1945年),加拿大马克里奥设计法(1946年),美国陆军工程兵部队的CBR设计法(1945年),美国AASHTO设计法(1961年),以及以上述方法为基础改进的各国的经验设计法等。经验设计法的完善为现代公路柔性路面设计提供了可靠的保证,特别是在设计极限标准,路面结构的工作状态,车辆荷载作用与重复加载效应等方面所积累的成果,使得柔性路面设计方法进入一个新的阶段。

现代理论分析设计法是以波米斯特1943年发表的双层体系理论解析解为起点的。鉴于经验设计法有一定的地区性和局限性,因此人们致力于研究更有普遍性或实用性的方法。生产的需要和科学技术的发展,特别是数学和计算技术的发展,推动了理论分析的逐步完善。在波米斯特1943年的论著发表之后,他于1945年又提出了三层弹性体系理论。1948年福克斯和汉克给出了数值解,1951年阿堪姆和福克斯等人,1962年皮蒂发表了三层体系实用图表。我国道路工作者自60年代以后在双层体系、三层体系数值解方面开展了大量卓有成效的研究工作。这些理论研究成果为理论解析设计法奠定了坚实的基础。理论分析法不受经验的限制,任何新材料、新结构组合,只要符合理论分析的结果,均可提出作为比选方案,在技术先进、经济合理的原则之下择优选用。现在已有一些国家和地区建立了以层状体系理论为基础的柔性路面结构设计方法,其中较为完善的有英荷壳牌石油公司、美国地沥青学会、中国、前苏联、比利时等国的方法。其他还有许多国家采纳了此方法,或者正在研究阶段。总之,理论分析法已成为柔性路面结构设计方法的发展趋势。

我国柔性路面设计方法经过几十年的工程实践和长期的科研工作,经历了一个不断完善、不断适应新的交通特点要求的过程,从我国颁布的路面设计规范的历史,可以大概了解设计理论和方法的发展过程。1951年交通部颁布了《公路工程设计准则(草案)》,1954年正式颁布了《公路工程设计准则》。这个准则分为路线和桥梁两篇,路面设计被列为路线部分的第五章。1958年交通部首次颁布《路面设计规范(草案)》。1966年对1958年的规范进行了修订,但未正式出版。从1968年以后,国内有关科研、设计部门及高等院校,在路面测试手段、设计理论与方法、设计参数等方面,进行了广泛的研究,获得了大量的数据,初步提出了一套适合新建路面设计和旧路补强的设计方法。在1976年开展全国性测试调研工作的基础上,把全国资料汇总、分析,编制了1978年《公路柔性路面设计规范(内部试行)》。该规范以双层弹性体系理论为基础,以路面容许弯沉值作为控制路面整体刚度的指标,按双圆载作用下的双层弹性体系理论公式,计算路面结构层厚度;对三层、多层路面结构,采用等效层法当量换算成双层结构;经统计回归分析,汇总提出了经验补强公式;制定了公路自然区划图,及与其相应的供新建路面和旧路补强设计的计算参数,如土基回弹模量和材料回弹模量等。1978年的规范是在大量调查国内沥青表面处治路面的基础上,适当参考部分城市高等级路面的资料编写而成的。因此,它适应了当时大量修建三级公路表面处治路面的需要。但用于高速公路和一级、二级公路路面设计,尚感不足。1986年交通部颁布的《公路柔性路面设计规范》的主要特点是:①采用三层或多层弹性体系理论公式代替双层弹性体系理论公式计算路面结构层厚度,仍以容许弯沉值作为路面整体刚度的控制指标;②对于高速公路,一级公路的路面设计增加了抗弯拉应力验算;③将标准车改为标准轴载,平均日交通量改为设计年限内设计车道上累积当量轴次。1995年颁布的《公路沥青路面设计规范》是在1986年的《公路柔性路面设计规范》的基础上修改、更正的。它的修改、更正主要表现在以下几个方面:①取消BZZ-60轴载标准,修改轴载换算公式;②容许弯沉值改为设计弯沉值;③根据疲劳试验结果调整了沥青路面和半刚性基层材料的抗拉强度结构系数;④无论以设计弯沉值还是以容许拉应力计算,均采用多层弹性体系层间完全连续接触条件的解析解,并编制了专用计算机设计程序,替代了旧规范的查图法;⑤材料回弹模量用圆柱体试件,按无侧限压缩试验测得抗压回弹模量,材料抗拉强度用劈裂试验测得抗拉强度;⑥在试验路资料的基础上,结合试算和现有公路的验证,调整了弯沉综合修正系数;⑦提出了按道路冻深和考虑路面材料热物性的抗冻厚度计算方法;⑧新规范修正了现行设计方法在容许弯沉值、容许拉应力、弯沉综合修正系数、设计参数等方面的不足,在理论计算体系上更加完善,且更适用于半刚性基层沥青路面的特点;在设计参数的测试上更加简便,有利于设计,施工质量的管理与监理;计算结果更加符合实际,且具有一定安全度。在材料设计和结构设计方面的内容更加充实。