国内外水泥混凝土路面设计方法比较.docx
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国内外水泥混凝土路面设计方法比较
国内外水泥混凝土路面设计方法比较
学院：
材料科学与工程学院
专业：
材料工程
姓名：
张皓
学号：
2016231006
指导教师：
盛燕萍
国内外水泥混凝土路面设计方法比较
摘要：
世界各国对水泥混凝土路面的设计有着不同的标准与方法，设计过程大都考虑交通荷载、材料特性以及环境条件等因素的影响，而中国由于混凝土路面设计起步较晚，设计方法主要依赖于理论计算，未能充分考虑路面实际使用情况，并且一些水泥混凝土路面确实已经出现不同程度的结构性破坏和功能性缺陷。
该文拟对中国以各方面的设计过程为基础和各国的设计经验为依据的水泥混凝土路面设计方法进行对比，为中国水泥混凝土路面设计方法的完善提供一些可供借鉴的经验。
关键词：
混凝土路面；设计方法；设计标准
Comparedwiththedesignmethodofcementconcretepavementathomeandabroad
Abstract:
thedesignofcementconcretepavementofthecountriesintheworldhavedifferentstandardsandmethods,thedesignprocesstoconsidermostofthetrafficload,materialpropertiesandenvironmentalconditionsandotherfactors,andChinaduetoconcretepavementdesignstartedlate,thedesignmethodmainlydependsonthetheoreticalcalculation,failedtogivefullconsiderationtotheactualuseofcementconcretepavement,andsometheroadhasindeedseenstructuraldamageandfunctionaldefectsindifferentdegrees.ThispaperintendstoChinainallaspectsofthedesignprocessforthedesignexperienceandnationalcomparisonforcementconcretepavementdesignmethodbasedonthedesignmethodofcementconcretepavementChina.Toprovidesomeexperienceforreferencetoperfect.
Keywords:
concretepavement;designmethod;designstandard
0前言
水泥混凝土路面作为一种高级路面结构形式，具有刚度大、承载能力强、耐久性好、稳定性好以及日常维护费用低等优点而得到了广泛的应用。
在公路建设中，由于资源限制，中国沥青的产量和质量，均难以满足修筑高等级路面的需要，因此目前用于公路建设的石油沥青还大量依靠进口；另一方面，中国已经连续20多年位居世界水泥产量的第一位，水泥产能大，分布广，各地均可就近供应的优势更为显著。
在20世纪90年代，根据中国的资源条件现状和公路事业发展的需要，交通部提出“黑色”“白色”并进的路面发展战略，对水泥混凝土路面的发展实施“因地制宜，积极稳定，保证质量，加快发展”方针，迎来了水泥混凝土路面的高速发展。
据交通部统计，截至到2015年底，中国铺装路面总里程已达448.69万km，其中水泥混凝土路面所占比例超过了70%。
可以预见未来随着中国推进农村道路建设，水泥混凝土路面比重还将逐年上升。
然而随着中国经济的发展，道路交通量和车辆轴载的迅速增长，大多数的水泥混凝土路面均出现了不同程度的损坏，这和中国水泥混凝土路面设计理论和方法的不完善有很大关系[1]。
该文通过中国现行水泥混凝土设计方法与国外的设计方法进行对比分析，在今后路面结构设计方法中有所改进，不断提高中国水泥混凝土路面的使用寿命和使用性能。
1中国水泥混凝土路面设计方法存在的问题
近年来，随着中国道路交通流量的迅猛增长和轴载的明显增大，很多水泥混凝土路面在远未达到设计使用寿命时便出现了大量的破损现象，严重影响到路面的功能性与耐久性，并引起了重大的交通事故，带来了很大的经济损失。
究其原因，主要是中国的设计方法和设计理论还不够完善。
目前中国水泥混凝土路面设计中下述问题尚存争议：
（1）设计交通荷载与实际情况有较大差距。
实际使用过程中，中国水泥路面往往未达到设计使用寿命便发生大面积损害，甚至存在大量“早期破坏”现象。
而设计中所使用的计算模型与实际使用过程中复杂的荷载状况有较大差异。
（2）设计指标体系尚不完善。
例如，温度、湿度等环境因素对水泥混凝土路面的影响未能全面考虑；临界荷位的选择也相对单一，仅考虑纵向边缘板中加载的情况；同时，缺少相应的控制指标和病害预测模型。
（3）路面材料设计参数与实际使用性能“相容性”较差，路面材料参数的设定是中国路面设计中的一个薄弱环节，与实际路用性能缺乏相关性；材料的设计参数不能反映结构实际的工作状态，试验室静态测试得到的参数与道路材料在受动车荷载作用下的力学响应有较大出入；很多材料参数控制指标与路用性能没有明确对应关系[2]。
2国内外土基回弹模量设计方法比较
路路基回弹模量是公路路基路面设计的主要参数之一,因其受土质、含水量、压实度、测试方法等诸多因素影响,使其数值的确定比较困难,尽管多年来不少研究者致力于此方面的研究,但目前仍存在不少问题。
如何评价与测定路基的抗变性能力是路面设计方法中一个必不可少的组成部分,纵观国内外路面设计方法,表征路基抗变形能力的方法主要有两种,即建立在温克勒地基模型上的地基反应模量与基于弹性半空间地基的路基回弹模量。
国外刚性路面设计方法中广泛采用地基反应模量,而在柔性路面设计方法中则普遍采用路基回弹模量（动态回弹模量）,并引入相应的季节影响因素。
美国AASHTO设计规范中根据一年或某几个月内路基回弹模量及其相对损失,计算平均的路基有效回弹模量对于碎砾石材料,采用基于室内三轴试验获得的非线性模型和随季节的相对损失计算其有效回弹模量,并引入排水系数修正层位系数。
在AI法中根据土基材料填筑的路基进行回弹模量试验,获得至少6—8个试验值,取小于所有试验值60%、75%或87.5%的模量值作为土基的设计回弹模量对于粒状材料与AASHTO法类似[3]。
FWD作为一种动态检测设备,同路面实际的工作状态和材料的性质是相符的,这对于研究路面的动态特性是有潜力的。
路面在动力荷载和静力荷载作用下的反应是不同的,国外不少设计方法已采用动态设计参数。
在70年代和80车代,丹麦和瑞典首先开始制造并应用FWD,随后美国、英国、日本等先后引进并仿制了这种弯沉仪,同时,关于FWD应用研究工作大量展开,推动了FWD的广泛应用。
目前己有多个国家和地区先后应用FWD,除FWD的制造国外,还有希腊、芬兰、冰岛、葡萄牙、西班牙、土耳其、澳大利亚、荷兰、娜威等国家。
美国联邦公路局经过分析对比,确认FWD是较好的路面承载能力评定设备,并选定FWD作为实施SHRP计划时路面强度评定的重要设备。
目前FWD弯沉仪的应用已步入了规范化、标准化的阶段,己成为当今国际上普遍应用的路面结构强度无破损检测仪器[4]。
在国内,由于高等级公路的不断增多,对于路基的承载力要求也越来越高,不少机构和学者也对土基回弹模量进行了大量研究。
目前国内的路面设计方法采用的是静态设计理论,国外不少设计方法则已采用动态设计参数。
为了使我国沥青路面的设计参数更能反映路面结构的实际工作状况,与国际接轨,有必要系统地进行材料动态性能的研究和动态参数试验。
我国从八十年代中后期开始引进FWD,并进行应用研究。
在十年多的时间内,我国自行研制开发了自己的FWD,在此期间围绕FWD的开发和应用,在大量的理论和试验研究工作中取得了一些成果。
我国的《公路路基路面现场测试规程》中已将列为弯沉检测设备。
进入90年代以来土基回弹模量方面的问题日益突出,不少学者先后进行此方面的研究湖南大学赵明华等结合河南信阳地区进行了土基回弹模量值和野外关系的研究,刘麟德对成都—双流机场路土基回弹模量及弯沉进行了测试,梁锡三等对路基弯沉检验标准进行了研究,侯定一进行了野外路基回弹模量测定仪研究,陈晓光等研究了新疆高等级公路半刚性基层土基强度等级划分,叶燕呼进行了广东省公路路基强度及土基分级研究,唐伯明等进行了FWD与贝克曼弯沉梁对比实验研究,蔡良才等进行了机场刚性道面下土基回弹模量取值方法研究。
石油公司、英国、美国沥青协会、日本道路公团等国外研究机构先后对土基回弹模量与的关系、土基动弹模进行了研究[5]。
3可靠性设计比较
可靠度理论应用于路面的研究较晚,1966年美国加州公路局和地沥青学会在制订路面设计程序时考虑了材料的变异性,引入可靠度概念。
1970年美国联邦公路局和公路研究委员会（FH认叭一HRB）召开的沥青混凝土路面结构设计研究会,将路面结构可靠性问题列为当前路面工程师面临的十大紧迫问题之一,并提出在实际工程中应充分考虑材料和交通荷载的不确定性。
1971年,莱姆（A.C.Lemer）和莫文查德（F.Moavenzadeh）提出了路面可靠性的概念,并提出在路面整个使用期内,应考虑预测路面的可靠性;此外,还介绍了蒙特卡罗法和马尔柯夫模型在路面可靠性中的某些应用。
1972年米歇尔（Mihcael）、达特（I.Daretr）等将可靠性理论引入德克萨斯州沥青路面设计方法中。
1973年,科赫（.RK.Kher）在其博士论文中,建立了一个刚性路面设计系统,将可靠度概念引入AAsHo刚性路面设计暂行指南,他所采用的方法和假设与Darter在柔性路面中情况大致相同。
1979年R.Koibsch等人分析了结构厚度和强度变异性对无机结合料结构层的力学行为的影响,结构厚度和强度均采用正态分布假设[6]。
1983年M.WitZack等人提出刚性机场道面的可靠性设计方法。
1986年美国AASHTO《路面设计指南》对柔性路面和刚性路面都采用可靠度设计。
1986年和1987年,维扎克（M.iWtzack）和周虞堂（uY..TChou）等人分别把可靠度理论引入美国空军机场道路设计法和柔性机场路面CBR法中,建立了基于可靠度的概率设计法,把以前方法中的设计系数DF视为正态分布的随机变量,通过回归分析将wesetrguadr的应力解显式化,采用aTylor级数展开式取线性项近似的方法计算DF的方差,并将可靠度计算结果绘制成“厚度一ESAL次数一可靠度”的曲线诺漠图,使得设计查用非常简便。
丫cThou（周虞堂）在1987年7月举行的“第六届国际沥青路面结构设计会议”上发表了柔性机场路面CBR法的分析[9],他比较了aTy一。
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级数展开取线性近似的“一次幂法”和“Rosenblueth法”两神方差模型的设计计算差异,并提出了实用的设计图表。
在同一次会议上,.lPirck等人还发表了“可靠性概念在路面设计中的应用”一文,对路面工程中应用可靠性理论的研究做了综述,提出了不同等级道路的可靠度指标建议值,1988年lAsheirr等采用蒙特卡罗法对路面性能进行了可靠性分析,并力求考虑计算模型的不确定性。
至此,美国正式开始使用概率设计刚性路面和柔性路面。
在理论研究工作进行的同时,其成果也不断进入实用,如美国1986版《AASHO高速公路路面设计指南》中引入了.Pilrck等提出的可靠度系数,法国的1988版《高速公路设计指南》中也采用由.RK0ibshc等人提出的考虑结构厚度和强度变异性的可靠性系数。
我国在可靠性研究方面起步较晚,198]年,国家建委组织力量编制了我国第一部“建筑结构设计统一标准”,其中引进了概率设计方法,基本采用了CA.Corenfl的“水准一n”设计。
在路面结构设计方面,我国1978年和1986年的公路柔性路面设计方法在确定土基和路面材料的回弹模量的计算值时,采用了概率84.1%的值。
80年代初开始,我国同济大学和西安公路交通大学分别对水泥混凝土路面的可靠性设计进行了研究。
1985年郭忠印对混凝土路面设计方法的可靠度进行了试探性分,他所采用的假设和求解分析方法与R.Kher的基本相同。
随后李硕（1988年）、张国栋（1989年）、侯子义、谈至明（1990年）、姚祖康和黄晓明等先后应用一次二阶矩法、积分法和蒙特卡罗（Monte一Carlo）模拟方法和降次积分法等分析了混凝土路面结构的可靠度[7]。
1991一1993年交通部组织同济大学等许多单位对考虑荷载和温度应力综合疲劳作用的混凝土路面设计方法进行了可靠度分析,期间进行了大规模的调查和测试试验分析,统计分析了路面材料和结构参数以及交通参数的变异性,并检验结构设计方法同实际相吻合的程度,从而使我国的水泥混凝土路面结构设计方法有可能从确定型转变为概率型。
1990年开始,交通部正式立题“水泥混凝土路而结构的可靠性分析”。
1991年4月,交通部正式立题“沥青路面结构的可靠性研究”,该题于1995年9月通过鉴定。
2002年12月4日我国颁布了《公路水泥混凝土路面设计规范（JTGD40一2002）》,新规范采用了可靠度设计方法,以“概率极限状态设计法”取代原设计规范的“定值安全系数设计法”,即在度量路面结构可靠性上由经验方法转变为运用统计数学的方法,从而使路面结构设计更为符合实际情况。
4中国水泥混凝土路面设计方法与美国设计方法的对比
美国AASHTO2002MEPDG充分吸收了水泥混凝土路面研究领域的最新成果，充分考虑了路面结构设计和路面使用性能之间的关联性。
中国水泥混凝土路面设计方法与其进行比较，可以吸取其先进技术来改进中国路面设计方法中存在的不足，以完善和建立满足中国实际情况的水泥混凝土路面设计方法[8]。
4.1设计理论与指标
水泥混凝土路面板与基层和土基相比具有较高的弹性模量和力学强度，然而混凝土的抗弯拉强度远远小于其抗压强度，因此取抗弯拉应力作为设计指标决定水泥混凝土板的尺寸；同时，由于混凝土路面板是整个结构的受力主体，其与基层之间的摩阻力较小，故在力学分析中把水泥混凝土路面结构看作是弹性地基板，用弹性地基板理论进行分析计算。
中国现行水泥混凝土路面设计方法是以弹性半空间地基有限大矩形板薄板理论有限元解作为理论基础，在100kN单轴双轮标准轴载作用于矩形板纵向边缘中部作为临界荷位，采用弹性半空间地基上的薄板理论和有限元法计算标准荷载在该处产生的最大荷载应力与温度综合疲劳弯拉应力为设计指标进行路面板厚度设计。
路面板为防止车轮荷载重复作用和温度梯度综合作用的影响，设计完成后，路面板的综合疲劳弯拉应力应该满足以目标可靠度为依据的极限状态平衡方程式[9]。
AASHTO2002力学经验路面设计DE指南水泥混凝土路面结构设计方法在世界上极具影响力，它是以大量道路实际使用性能观测数据再与力学方法相结合编制的，是一种理论分析与经验相结合的设计方法。
该方法预测路面在时间与交通荷载联合作用下产生的破坏（开裂、错台高度、冲断）等对国际平整度指数的影响，并在可靠性水平下检查预测性能与设计标准的对比验证是否符合要求达到预期稳定性。
此设计理念对世界各国的设计思想均产生了巨大影响。
4.2材料设计参数
美国AASHTO2002MEPDG设计过程中将所需的材料参数分为3大类：
①计算路面响应所需要的材料参数；②路面破坏模型所需要的材料性能；③气候模型所需要的材料参数。
设计通过测定或预测材料性能输入各种模型来估计路面性能。
根据现有的信息和所需的可靠度，分为3个等级水平：
一级是最常用的类别，其输入需要通过室内试验和现场试验直接测试；二级设计是根据其他材料的室内或现场试验，依据材料的相关性进行设计；三级设计需要设计者在没有或者很少有试验的基础上，依据经验准确地估计材料性质的设计参数[10]。
水泥混凝土路面设计中最重要的材料指标是弹性模量与泊松比。
在路面响应分析中，弹性模量对路面弯沉和路面结构内的应力有很大的影响，必须准确地进行计算。
美国AASHTO2002MEPDG推荐的测试获得的弹性模量是采用重复三轴试验、弯沉盆反算和土样物理特性推算得到路基土动态回弹模量。
通过室内试验测定PCC的弹性模量，使用试验数据和模量比，绘制模量增长曲线，预测设计寿命内任意时间的弹性模量。
对于抗弯拉强度、间接拉伸强度，AASHTO2002MEPDG也推荐了相应的试验方法，并根据工程的特点推荐用实测的结果或者经验取值的方法作为输入的设计参数。
材料的回弹模量受到应力状态、温度等影响，中国现行设计方法对材料参数的选择只是简单地根据气候区划和交通量级并参照国内外试验数据给出的经验参考值[11]。
另外，中国路基回弹模量的参考值是静态值，不能精确反映目前在动态轴载重复作用下路基的力学响应，设计参数是材料设计和结构设计中的重要组成部分，依赖经验取值的方法会影响最终的计算结果，建议在实际的设计过程中，为了路面设计的合理性，应以实际工程路面材料的实测值作为设计参数。
4.3交通荷载参数
美国AASHTO2002MEPDG认为当量轴载的方法已经不宜直接作为设计参数输入，在设计规范中，交通荷载主要考虑的是轴载的分布，交通荷载是用轴载谱的方法来描述的。
在设计中需要输入详细的交通资料，包括以下4个方面：
交通量基本信息（双向年平均日货车量、设计方向的车道数、设计车道的货车比例及车辆运行速度等），交通量修正（月修正参数、车辆等级分布、货车小时分布系数和交通增长系数等），轴载分布系数，还有其他常规交通参数（轮迹位置、交通分布的标准偏差、设计车道宽度、每一货车等级各轴型的轴数、车轴构造、轴距和轮胎尺寸及胎压等）。
AASHTO2002MEPDG认为路面结构设计的货车交通分类应更多地与货车的使用相联系，根据不同车辆在交通量中所占的日交通量百分率，将交通分为17个不同分组，而货车轴载又考虑了单轴、双轴、三轴和四轴的满轴载谱的情况。
AASHTO2002MEPDG对路面结构在不同轴载类型和不同重量的荷载下分别进行路面响应计算，然后依据疲劳损坏概念和指标进行计。
中国现行水泥混凝土路面设计方法中交通荷载采用当量轴载作用次数方法，其轴载换算公式是在简支条件下，以混凝土小梁试件的疲劳试验数据为依据而建立的，然而，小梁和路面板的受力状态是不同的，小梁的疲劳方程代替板的疲劳方程是不准确的。
目前中国在当量轴载换算时，由于试验路段较少并且缺少长期、持续的实测轴载数据，在道路设计时仅仅依赖于少量数据进行分析，故造成换算系数取值准确性较差，很难体现道路实际使用情况。
此外，中国现行水泥混凝土设计规范与美国AASHTO2002MEPDG标准轴载取值不相同，AASHTO2002MEPDG的标准轴载相当于单轴轴载18kip，中国标准轴载为单轴双轮组轴载100kN。
并且换算方式也不相同，AASHTO2002MEPDG换算方法中承担相同轴载双轴的换算系数比单轴小很多，而中国的换算程序中，双轴承担荷载需要乘以轴数系数，但计算过程中轴载采用单一轴组轴载进行计算[12]。
4.4临界荷位
水泥混凝土路面产生裂缝在使用过程中是无法避免的，在路面设计中，临界荷位的选取对路面的使用性能与寿命起着极为重要的作用，中国现行JTGD0—2011《公路水泥混凝土路面设计规范》中主要是控制在温度应力和荷载疲劳应力叠加下不出现临界荷载位置处水泥混凝土路面板底－板顶横向开裂为主。
然而，水泥混凝土路面在实际使用时发现出现了较多的纵向裂缝和角隅裂缝。
美国联邦航空管理局（FAA）做过机场道面足尺试验，在试验中发现水泥混凝土路面的破坏形式纵向开裂与板角开裂约占70%。
永久记忆于水泥混凝土路面内部的硬化温度梯度会显著影响路面长期使用性能，甚至在与轴载作用下会改变路面的临界荷位和破坏模式。
Hiller和Ro-esler分析了不同硬化温度梯度水平条件下，水泥混凝土路面的开裂模式。
当气温较高时施工，水泥路面板内将形成正的硬化温度梯度，使得水泥路面在使用过程中容易产生向上的翘曲，甚至还会出现路面板板角与基层脱离的情况，增加板顶位置的拉应力[13]。
中国北方地区水泥混凝土路面大多在炎热的夏季施工，在硬化温度梯度与荷载应力的共同作用下板向上翘曲，路面板表面产生较大拉应力破坏主要表现为板顶开裂与角隅的开裂。
实际调查结果也显示板顶到板底的开裂占了较高比例。
在美国AASHTO水泥混凝土路面设计方法中，考虑了3种破坏模式：
临界应力位置发生在板底、临界应力位置发生在板顶、板角处顶面开裂。
而中国仅考虑了临界应力位置发生在板底，能够考虑更多的破坏模式是中国未来水泥混凝土路面设计方法需要改进的方向之一[14]。
4.5使用性能预测
美国AASHTO2002MEPDG水泥混凝土路面设计方法中还包含有路面性能的预测模型，此模型是以力学－经验法为基础建立的，通过输入交通特性参数、气候特性参数以及材料特性参数，同时根据美国长期路面性能观测结果对模型参数进一步标定，以方便获得更为精准的病害破坏与性能预测。
由此病害预测模型可以预测设计期年限内每个月路面病害（板裂缝率、平均横向接缝错台量）及路面性能（国际平整度指数IRI）的发展，同时再进行敏感性分析及可靠性量化研究，进而得到较为可靠的分析结果，从而控制标准进行结构设计，通过软件运行分析可以预知在设计期末的路面性能状况，并观测其是否符合设计标准[15]。
中国现行JTGD40-2011《公路水泥混凝土路面设计规范》已经提及到了路面错台量，中国研究人员已经开始意识到水泥混凝土路面病害预测的重要性，并且开始收集错台量数据。
但由于中国数据收集起步较晚加之调查路段较少，所累积得到的数据不够全面，路面性能分析与病害预测研究进展缓慢。
结论
国外的路面设计方法是结合力学方法与道路实际使用性能监测数据进行分析获得的研究成果，其成果对后来的路面设计理念起着至关重要的作用。
中国现行水泥混凝土路面结构设计方法仍有很多提高的空间，通过对比分析中国现行水泥混凝土路面设计方法与美国AASHTO2002MEPDG设计方法，美国的一些先进方法理念给了中国路面设计工作者改进国内设计方法很大的启发。
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