公路路面設計

公路路面設計是對路面結構組合和斷面幾何尺寸等的綜合設計。公路路面設計的任務是要求在設計交通荷載和具體的自然條件下設計出在路面使用年限內能夠保證要求行車質量的路面結構，同時在造價、養護和車輛運營三方面達到最佳的經濟效益。

基本介紹

• 中文名：公路路面設計
• 簡介：對路面結構組合斷面幾何尺寸設計
• 參考書目：Principles of PavementDesign
• 相關人物：威斯特卡德等

簡介

對路面結構組合和斷面幾何尺寸等的綜合設計。路面一般是由面層、基層和墊層組成的層狀結構（見公路路面），各層具有不同功能。公路路面設計首先應根據功能進行結構組合設計，然後進行各層厚度設計。公路路面設計的任務是要求在設計交通荷載和具體的自然條件下設計出在路面使用年限內能夠保證要求行車質量的路面結構，同時在造價、養護和車輛運營三方面達到最佳的經濟效益。

剛性路面設計主要指用水泥混凝土作面層或基層的路面結構設計。水泥混凝土具有較大的抗彎拉強度和彈性模量。較典型的剛性路面設計方法有如下6種。

威斯特卡德法1925年，美國人威斯特卡德根據稠密液體地基上薄板理論，假定板是均質、彈性、等厚的，導出了剛性路面在板中、板邊和板角三種位置荷載作用下所產生的最大應力和撓度計算公式，並用於設計混凝土板厚度。後來,考慮溫度應力作用使板翹起等情況,對原來的公式進行多次修正。這些修正公式後來被很多國家所採用。

彈性半空間地基無限大板理論法1938年，美國A.H.A.霍格和霍爾提出了彈性半空間地基上無限大板體理論。翌年，蘇聯О.Я.舍赫介爾把這理論套用於剛性路面設計，採用彈性模量和泊松比表征地基的力學特徵，導出了混凝土板中部在單輪和多輪荷載作用下所產生的應力和撓度計算公式，用於計算板厚，但對板邊和板角受荷時的情況則缺乏理論解答。

蘇聯Н.Н.伊萬諾夫和И.Α.麥德尼科夫分別於20世紀40年代末和50年代初提出了兩套混凝土板邊和板角受荷時所產生的最大應力計算公式,用於設計板厚。計算公式利用了地基反力模量和形變模量之間的換算關係，仍脫離不了文克勒地基假說的缺點。同時這種計算方法由於地基形變模量參數取值的困難，因此只有蘇聯等少數國家採用。

AASTHO法1962年，美國各州公路工作者協會根據在伊利諾州北部渥太華附近修築大型試驗路的研究成果，提出剛性路面設計圖，適用於路面壽命終了時的服務性指數2.0和2.5時的板厚。

疲勞理論法1969年，美國波特蘭水泥協會根據M.A.麥納疲勞理論制定了剛性路面設計法。設計時，先設定一個混凝土板厚，再根據地基反力模量和路上行駛不同汽車的軸重等，計算所設定的板厚可否採用。

有限元法中國於1978年採用有限元法，以分析彈性半空間體地基上有限尺寸板在雙輪組荷載作用下所產生的應力。採用了兩種臨界荷載圖式：一是汽車後軸一側雙輪組作用於橫縫邊緣的中部；一是後軸整個荷載作用於板的中部。通過計算制定了相應於單後軸和雙後軸汽車以及礦山公路用特重汽車在兩種臨界荷載位置時混凝土板所產生的應力計算圖。對彈性半空間地基上混凝土板在溫度坡差作用下所產生的翹曲應力，也用有限元法進行分析計算，並繪製了翹曲應力係數曲線圖，以用於設計工作。

舊混凝土路面的加層罩面設計按新、舊混凝土層間結合程度的不同，可用結合法、部分結合法和隔離法公式計算罩面厚度。

①結合法：將舊路面鑿毛或塗上水泥漿或環氧樹脂，再加鋪罩面層。可用下式計算罩面厚度。

以上各式中h1為加鋪罩面層厚度; h2為舊混凝土板厚度；h 為根據設計荷載和地基強度計算出的單層混凝土板總厚度；c為表征舊路面損壞情況的係數,良好的為1.0,初現角裂但無進展的為0.75，少量破碎的為0.50，完全破碎的為0.35；m為罩面層配筋係數，無筋的為1.0，配筋率愈大，m值則愈小，可由專門的曲線查得。

當計算得的h1小於8厘米時，則用8厘米；大於13厘米時，則應增大配筋率。

柔性路面設計大致可分為理論法和經驗法。

理論法按路面工作特性制定力學計算模式和極限狀態指標，分析各結構層計算點在車輪荷載作用下的應力、應變和位移，使它同材料在一定的水、溫狀況下能耐疲勞的抗力或容許變形相平衡，以設計路面結構。

柔性路面體系具有彈－粘－塑性質，對於等級較高的柔性路面，可以認為近似於彈性體。用彈性層狀體系理論進行路面的應力、應變和位移分析。理論假定前提和路面實際的差異所導致的計算結果和實測數據的偏離，則在計算中予以修正。由於影響路面工作狀況的因素多、變化大，理論法仍有經驗成份。在進行柔性路面設計時，應在充分調查路線的自然、交通、築路材料資源的基礎上，遵循因地制宜、就地取材、方便施工、利於養護的原則，注意分期修建的技術經濟效益，採用薄面強基穩土基的技術途徑，進行路基路面組合設計。

經驗法根據試驗路和現有道路的實際行車性能表現的分析研究，制訂出確定路面厚度的經驗公式或圖表，並相應規定各結構層材料的技術要求。目前各國比較流行的方法有地瀝青協會設計法、美國各州公路工作者協會法和加州承載比法等。

地瀝青協會設計法是根據換算的單軸重 18000磅的設計標準車交通量和土基加州承載比 (CBR)值或阻抗值查圖得瀝青混凝土層總厚度，將其中一部分層厚乘以換算係數得出等代的基層厚度。美國各州公路工作者協會法是按土基支承值、換算成單軸重 18000磅的設計標準車的作用次數（按天計）和地區因素，查圖得路面結構數，再按經驗公式確定各結構層厚度。加州承載比法是根據土基 CBR值和最大輪重查工兵團的圖或其他地區自行制訂的圖得出路面總厚度。此外，英國1975年修訂的29號柔性路面設計指南則按土基及結構層CBR值,累計設計標準車交通量查圖，分別確定面層和基層厚度。法國和聯邦德國則根據交通組成和交通量進行分類，製成了路面結構一覽表和標準結構。

當現有路面需要補強時，絕大多數都用設計標準車測定老路彎沉值，也有加測曲率半徑作為補強設計的指標，按彈性層狀體系理論圖式或經驗圖式，根據設計指標的容許值、設計交通量以及補強層材料性能確定補強層厚度。

參考書目

E.J.Yoder，M.W.Witczak， Principles of PavementDesign，2nd Edition，John Wiley & Sons，Inc，New York,London,Sydney,Toronto,1975.

M.Sargious，PavementsandSurfacingsfor Highways and Airports,Applied Science Publishers ltd,London,1975.