【中交创联·交小哇】从古老的道路到永久路面--道路结构设计的

发布时间: 2022-08-18 06:09:28 来源:鼎盛网站下载安卓版 作者:鼎盛网站下载APP

  原标题:【中交创联·交小哇】从古老的道路到永久路面--道路结构设计的演变

  从古代到20世纪20年代,路面结构都是根据经验设计的。石头铺成的街道起源于6000年前的美索不达米亚(现在的伊拉克),后来罗马人建造了更精细的用厚厚的碎石基层用于排水的石头道路。

  第一条碎石路于1848年在诺丁汉(英国)附近使用煤气化的废物煤焦油建造。不久之后,类似的“沥青混凝土碎石”项目在巴黎(1854年)和华盛顿特区(1871年)相继出现。从1875年到1900年,特立尼达湖沥青在世界范围内广泛被用作混合料中的粘合剂。直到今天,它有时仍被用作沥青添加剂。1910年,西雅图市指定使用“天然沥青或加州石油沥青”铺设路面。

  从19世纪80年代开始,沥青粘合剂在加利福尼亚州生产,后来在德克萨斯州生产。到1907年,从原油中提炼出来的沥青的使用量超过了天然沥青的使用量。

  对于不太重要的城市和县级路面,“什么有效就用什么”的概念在某种程度上至今仍在实践中。

  计算应力和应变的第一次尝试是针对土坝和地基的土壤强度的岩土工程问题。然而,直到18世纪末,才发展出土基设计的理论基础。1717年,法国工程师Henri Gautier认识到土壤的“自然坡度”,后来被称为土壤的“休止角”,并制定了一种初步的土壤分类。

  在1773年,工程师Charles Coulomb在军事壁垒中观察到明显的滑移面,并建议出于设计目的,滑移面上的最大剪应力(τ)是土壤凝聚力c和摩擦力σ_tanΦ的总和,其中σ_是滑动面上的法向应力,Φ_是土壤的摩擦角。通过将库仑理论与克里斯蒂安·奥托·莫尔的应力状态相结合,该理论被称为莫尔-库仑理论。

  到1885年,Joseph Boussinesq发展了他最初的关于应力、应变和挠度的理论,该理论是由施加到弹性半空间(可以整合为圆形载荷区域)上的集中载荷引起的。直到1943年Donald Burmister提出了他的分层理论,Boussinesq的方案是唯一可用的解决方案。

  加州承载比(CBR)程序由加州公路局的OJ Porter于1929年首次开发。它是最古老的路面设计程序之一。这是一个经验程序,将所需的路面厚度与路基的浸水CBR值联系起来。CBR值定义为相对于标准碎石对路基土壤的渗透阻力。美国陆军工程兵团进一步开发了该方法,并在二战期间和之后广泛用于机场和其他路面。该方法适用于CBR值依次较高的多层材料,只要达到一定的最小层厚即可。

  直到20世纪30年代年代,柔性路面都是根据基于经验的标准或目录设计的。一旦交通负荷和交通量显著增加,就需要更加协调一致地努力将路面性能与路面厚度、材料、路基、交通和环境因素联系起来。因此,开始进行全面的道路测试,包括材料、层厚和车轮载荷的不同组合的测试部分。

  • Bates Road测试(IL),建于1920年,有63个测试路段,比较沥青和混凝土:引入了Chloe轮廓仪来测量代表粗糙度的坡度变化。

  • 斯托克顿机场测试(CA)于1948年由OJ Porter为USACE进行,使用加速路面测试来验证Boussinesq对不同飞机齿轮和路面结构下土壤压力的计算。

  • WASHO Road测试(ID),建于1953年,用于确定重型卡车交通对柔性路面的影响:引入了Benkelman Beam(贝克曼梁)和ESAL(等效当量轴载作用次数)概念。

  • AASHO Road测试(IL),于1958年推出,共有836个分段,位于六个测试环道中,全部采用不同的材料和结构层厚度。该综合项目是20世纪最大的路面研究,其成果在今天的路面设计中仍然具有重要意义。

  • San Diego测试路(CA),建于1966年,有17个测试路段,比较全深度与传统路面结构。

  • Westtrack (NV),建于1995年,有35个试验段,用于研究材料差异的影响,并验证SHRP预测模型和III级配合比设计程序。

  • 长期路面性能(LTPP),一般和特殊路面研究(GPS和SPS),在现有道路上进行了2180个测试路段(1989-2011),为考虑到许多设计参数的路面性能提供了一个非常大的数据库。

  • NCAT测试环道(AL),于2000年首次建造,有46个测试路段,用于测试试验性沥青路面。加速重型卡车交通在两年内应用,之后三年周期的第三年用于性能评估以及下一个三年周期的性能评估、施工和仪表。

  宾夕法尼亚州立大学(20世纪70年代)、MN/Road(1994-2014年)和俄亥俄SHRP(1995-2016年)建造了其他测试道路。

  加速装载设施由以下机构建造:FHWA (VA)、FAA (NJ)、US ACE (NH)、Indiana (IN)、UC/Berkeley/Davis (CA) 和世界各地的其他机构。在早期测试产生大量经验数据的情况下,最近的路面测试已用于测量应力和应变,以帮助拟合经验主义和机械/分析设计方法之间的差距。所有这些昂贵且耗时的路面研究的结果在全世界共享。

  沥青研究所的“厚度设计——公路和街道的沥青路面”手册 MS-1(1955 年第一版)到 MS-1(第八版)应用了这些经验测试的结果。MS-1,第 9 版 (1999),基于多层程序DAMA。早在20世纪60年代初,沥青研究所工程师就得出结论,与集料基层相比粘合沥青层对路面强度的贡献要大得多。这导致沥青研究所注册了“深层强度Deep Strength (1965)”、“深层提升Deep-Lift”和“全深度Full-Depth (1968)”商标。

  后来进行了许多改进,例如粘弹性(Kelvin-Maxwell和Burgers模型)、温度和湿度影响、车轮配置和负载位置数量。

  到20世纪50年代后期,对通过更多力学/分析方法进行路面设计的需求和兴趣带来了“第一次国际沥青路面设计会议”(1962年)。

  第一次会议由 Fred N. Finn (AI) 构思并得到 Jess E. Buchanan(AI 总裁)的支持,将国际路面工程界聚集在一起,并推动了路面结构设计力学/分析工具的发展。由“国际沥青路面协会”(ISAP)组织的十次此类会议相继举行。

  1963年,雪佛龙公司提出了多层系统的第一个计算机解决方案 (CHEV5L),随后是 BISAR(壳牌国际)程序。壳牌沥青路面设计方法于1977年在“第四届国际沥青路面结构设计会议”上提出。

  对于单轮载荷,临界应变位置位于载荷下方的中心。对于复杂的车轮配置,例如飞机,关键应变位置可能位于车轮组件足迹内的其他位置,具体取决于路面结构。

  在接下来的几十年中,计算机能力的快速发展导致许多路面设计程序被开发出来,对交通、气候、材料、路基、施工质量、可靠性等以及路面性能数据进行了不断改进。

  问题仍然存在:这些程序中有多少使用相同的核心力学算法?除了这里列出的少数程序外,多年来还开发了更多程序。

  基本输入参数是;E* 模量、泊松比、每一层的层厚、交通荷载和频率,以及材料疲劳特性。气候/环境条件、非线性(粘弹性)行为、动态载荷和可靠性是进一步改进的示例。

  尽管多层程序可以为假设的理想条件提供合理的应力和应变近似值,而有限元程序可以提供更准确的解决方案,尤其是在需要考虑异质、各向异性结构、粘弹性和复杂边界条件(如裂纹不连续性)时。轴对称和三维模型都可用,后者需要更多的计算机时间和能力。

  有限元概念的发展最早是由 Alexander Hrennikoff 于1941年和 Richard Courant于1943年提出的。1956年,Ray Clough(加州大学伯克利分校的教授)与人合著了第一篇关于有限元的论文,首先使用了“有限元”这个术语,并开发了最早的有限元程序之一(为波音和贝尔航空航天公司)。加州大学伯克利分校的第二位教授Edward Wilson在1960年代开发了一个有限元程序,该程序已广泛用于土木、机械和航空工程。

  在有限元程序中,结构是用离散元素的网格建模的,由每个元素中心的节点表示。每个节点都分配有单个元素的材料属性(E*、泊松比等),而平衡方程则表示节点之间的相互作用。已知所有节点的位移,然后计算所有单元之间的应力和应变。网格越细,单元数越多,结构模拟的精度就越好。因此,有限元分析需要使用大容量计算机。

  有限元分析用于路面分析,尤其是路面材料非线性响应特性的例子是ILLIPAVE、ABAQUS和FENLAP等。有限元方法由于其复杂性、大量的平衡方程和需要计算机运行时间而较少使用。

  在精心设计的抗车辙路面中,自上而下的开裂很可能是由车轮载荷(轮胎)边缘处的重复剪切应力引起的。有限元程序可以帮助确定这些剪切应力在轮胎边缘的程度。

  多层和有限元程序都用于力学计算路面中的关键响应(应力、应变、变形)。结合对性能的经验性现场观察(来自道路测试和加速装载设施的车辙、开裂),它们产生了所谓的:“力学-经验设计方法”。

  直到最近,路面结构设计的重点集中在限制垂直路基压缩应变和结合层底部的水平拉伸应变上。结合层下升程的疲劳特性结合拉伸应变和载荷重复次数来控制结合层的“自下而上开裂”。

  随着交通负荷和交通量的增加,新的路面和覆盖层设计导致路面更厚,以避免这种自下而上的裂缝。

  在20世纪90年代中期,路面工程师开始注意到这些较厚路面的表面开裂从顶部开始,向下延伸不超过大约4英寸,而大于8到9英寸的沥青厚度并没有显著提高路面性能。

  这种现象需要重新思考路面设计概念。不仅可以根据需要进行常见的表面铣刨和更换,而且还可以通过将最低结合沥青层中的应变限制在所谓的耐久性极限以下来避免自下而上的开裂。它开始了永久路面设计的概念。

  因此,路面设计变得不是更厚,而是更智能。现在,路面结构中的各个沥青层被设计成不同的混合物,以适应每个沥青层将承受的不同应力和应变。

  耐力极限(ε/ε max)是指混合料与负载重复次数无关。因此,结构设计变得仅取决于单个最重车轮载荷的大小。

  NCHRP项目9-44与国际研讨会一起将疲劳耐力极限(FEL)定义为“在无限次循环中没有累积损伤的应变水平”。

  大量研究项目得出的结论是,耐久性极限保守的介于70微应变(1970年,Monismith等人)和125微应变(更典型)之间,所有这些都取决于研究中考虑的混合料。壳牌国际公司在20世纪60年代的研究表明,提高沥青混合料的抗疲劳性是在较高的粘合剂和较低的空隙率下实现的。

  (3) 3-4英寸(75-100毫米)的表面混合层,由于老化或环境开裂,可根据需要定期更换,无需更换或修复路面的中间层和底层

  然后,路面结构设计会改变中间抗车辙的厚度,以将底部(三英寸)提升层的水平拉伸应变保持在耐久性极限以下。

  1996年,Caltrans 宣布了一项新政策,更多地关注长寿命路面设计。第一个这样的项目是由加州交通局、工业界和学术界共同开发的永久性路面。2002年在洛杉矶县I-710的南部开始建设。在全州范围内又有七个这样的长寿命项目,其中第八个在2021年完成建设。这些项目都涉及与性能相关的规范和配合比设计测试要求。除了第一个项目外,所有项目都使用了 25% RAP的中间层来增加刚度。

  路面设计是一个复杂的问题,经过复杂和改进,计算的解决方案仍然是近似值。在不了解基础理论和合并改进的情况下使用特定软件包可能会导致错误的设计建议。对特定项目使用两种或三种设计方法会产生不同的结果,之后应使用工程判断来确定最终的结构设计建议。