公路路面设计

 

　　对路面结构组合和断面几何尺寸等的综合设计。路面一般是由面层、基层和垫层组成的层状结构（见公路路面），各层具有不同功能。公路路面设计首先应根据功能进行结构组合设计，然后进行各层厚度设计。公路路面设计的任务是要求在设计交通荷载和具体的自然条件下设计出在路面使用年限内能够保证要求行车质量的路面结构，同时在造价、养护和车辆运营三方面达到最佳的经济效益。 
刚性路面设计 　主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构设计。水泥混凝土具有较大的抗弯拉强度和弹性模量。较典型的刚性路面设计方法有如下6种。 
　　威斯特卡德法 　1925年，美国人威斯特卡德根据稠密液体地基上薄板理论，假定板是均质、弹性、等厚的，导出了刚性路面在板中、板边和板角三种位置荷载作用下所产生的最大应力和挠度计算公式，并用于设计混凝土板厚度。后来,考虑温度应力作用使板翘起等情况,对原来的公式进行多次修正。这些修正公式后来被很多国家所采用。 
　　弹性半空间地基无限大板理论法 　1938年，美国A.H.A.霍格和霍尔提出了弹性半空间地基上无限大板体理论。翌年，苏联О.Я.舍赫介尔把这理论应用于刚性路面设计，采用弹性模量和泊松比表征地基的力学特征，导出了混凝土板中部在单轮和多轮荷载作用下所产生的应力和挠度计算公式，用于计算板厚，但对板边和板角受荷时的情况则缺乏理论解答。 
　　苏联Н.Н.伊万诺夫和И.Α.麦德尼科夫分别于20世纪40年代末和50年代初提出了两套混凝土板边和板角受荷时所产生的最大应力计算公式,用于设计板厚。计算公式利用了地基反力模量和形变模量之间的换算关系，仍脱离不了文克勒地基假说的缺点。同时这种计算方法由于地基形变模量参数取值的困难，因此只有苏联等少数国家采用。 
　　AASTHO法 　1962年，美国各州公路工作者协会根据在伊利诺州北部渥太华附近修筑大型试验路的研究成果，提出刚性路面设计图，适用于路面寿命终了时的服务性指数2.0和2.5时的板厚。 
　　疲劳理论法 　1969年，美国波特兰水泥协会根据M.A.麦纳疲劳理论制定了刚性路面设计法。设计时，先设定一个混凝土板厚，再根据地基反力模量和路上行驶不同汽车的轴重等，计算所设定的板厚可否采用。 
　　有限元法 　中国于1978年采用有限元法，以分析弹性半空间体地基上有限尺寸板在双轮组荷载作用下所产生的应力。采用了两种临界荷载图式：一是汽车后轴一侧双轮组作用于横缝边缘的中部；一是后轴整个荷载作用于板的中部。通过计算制定了相应于单后轴和双后轴汽车以及矿山公路用特重汽车在两种临界荷载位置时混凝土板所产生的应力计算图。对弹性半空间地基上混凝土板在温度坡差作用下所产生的翘曲应力，也用有限元法进行分析计算，并绘制了翘曲应力系数曲线图，以用于设计工作。 
　　旧混凝土路面的加层罩面设计 　按新、旧混凝土层间结合程度的不同，可用结合法、部分结合法和隔离法公式计算罩面厚度。 
　　①　结合法：将旧路面凿毛或涂上水泥浆或环氧树脂，再加铺罩面层。可用下式计算罩面厚度。

　　②部分结合法：将旧路面清洗后,即加铺罩面层,可用下式计算罩面厚度。

　　③隔离法：在旧路面上铺一层油毡或2～3厘米厚的砂或沥青砂，再加铺罩面层，其厚度可用下式计算。

以上各式中h₁为加铺罩面层厚度; h₂为旧混凝土板厚度；h 为根据设计荷载和地基强度计算出的单层混凝土板总厚度；c为表征旧路面损坏情况的系数,良好的为1.0,初现角裂但无进展的为0.75，少量破碎的为0.50，完全破碎的为0.35；m为罩面层配筋系数，无筋的为1.0，配筋率愈大，m值则愈小，可由专门的曲线查得。 
　　当计算得的h₁小于8厘米时，则用8厘米；大于13厘米时，则应增大配筋率。 
柔性路面设计 　大致可分为理论法和经验法。 
　　理论法 　按路面工作特性制定力学计算模式和极限状态指标，分析各结构层计算点在车轮荷载作用下的应力、应变和位移，使它同材料在一定的水、温状况下能耐疲劳的抗力或容许变形相平衡，以设计路面结构。 
　　柔性路面体系具有弹－粘－塑性质，对于等级较高的柔性路面，可以认为近似于弹性体。用弹性层状体系理论进行路面的应力、应变和位移分析。理论假定前提和路面实际的差异所导致的计算结果和实测数据的偏离，则在计算中予以修正。由于影响路面工作状况的因素多、变化大，理论法仍有经验成份。在进行柔性路面设计时，应在充分调查路线的自然、交通、筑路材料资源的基础上，遵循因地制宜、就地取材、方便施工、利于养护的原则，注意分期修建的技术经济效益，采用薄面强基稳土基的技术途径，进行路基路面组合设计。 
　　经验法 　根据试验路和现有道路的实际行车性能表现的分析研究，制订出确定路面厚度的经验公式或图表，并相应规定各结构层材料的技术要求。目前各国比较流行的方法有地沥青协会设计法、美国各州公路工作者协会法和加州承载比法等。 
　　地沥青协会设计法是根据换算的单轴重 18000磅的设计标准车交通量和土基加州承载比 (CBR)值或阻抗值查图得沥青混凝土层总厚度，将其中一部分层厚乘以换算系数得出等代的基层厚度。美国各州公路工作者协会法是按土基支承值、换算成单轴重 18000磅的设计标准车的作用次数（按天计）和地区因素，查图得路面结构数，再按经验公式确定各结构层厚度。加州承载比法是根据土基 CBR值和最大轮重查工兵团的图或其他地区自行制订的图得出路面总厚度。此外，英国1975年修订的29号柔性路面设计指南则按土基及结构层CBR值,累计设计标准车交通量查图，分别确定面层和基层厚度。法国和联邦德国则根据交通组成和交通量进行分类，制成了路面结构一览表和标准结构。 
　　当现有路面需要补强时，绝大多数都用设计标准车测定老路弯沉值，也有加测曲率半径作为补强设计的指标，按弹性层状体系理论图式或经验图式，根据设计指标的容许值、设计交通量以及补强层材料性能确定补强层厚度。 
参考书目 
E.J.Yoder，M.W.Witczak， Principles of PavementDesign，2nd Edition，John Wiley & Sons，Inc，New York,London,Sydney,Toronto,1975. 
　M.Sargious，　Pavements　and　Surfacings　for Highways and Airports,Applied Science Publishers ltd,London,1975.