《路面工程设计》期末考试作业。
姓名：谢经保学号：022***
一、试从理论基础、设计指标、轴载换算方法、路面结构组合、材料设计参数等方面说明我国现行沥青路面设计方法和美国沥青协会路面设计方法的差异。这两种方法有何优缺点、你认为其缺点应如何改进？
答：我国现行沥青路面设计方法与美国沥青协会路面设计方法（ai法）均属于力学——经验法，有着较多的共通之处；同时，由于经验理论基础、实验技术手段、数据积累、具体地质和材料以及施工条件等方面的差异性，在理论基础、设计指标、轴载换算方法、路面结构组合、材料设计参数等方面存在不同程度的差异，详述如下：
一）理论基础。
我国设计方法：
我国公路沥青路面设计方法采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论，层间接触条件为完全连续；路面材料各向均质同性，材料特性以弹性模量e 和泊松比μ表示。
ai法：以层状弹性体理论为基础，并考虑了沥青混合料的粘弹性特性以及粒料的非线形；把全厚式沥青路面看成三层体系，即沥青混凝土面层、沥青混凝土或乳化沥青基层、路基；深层高强沥青路面认为是四层体系，即沥青混凝土面层、沥青混凝土基层、未处治粒料层、路基；地基在竖向及水平向无限大，其它各层水平方向无限大，各结构层间连续接触；材料以弹性模量和泊松比表征。
二）设计指标。
我国设计方法：
我国设计方法以路面的设计弯沉、沥青路面的底面弯拉应力、基层底面的弯拉应力为设计的控制指标，分别用于控制路面过量塑性变形、沥青层和基层底面的开裂。
1.路面的设计容许弯沉值因路面等级、基层类型、路面材料类型的不同而不同，以路面竣工第一年路基路面结构表面实际回弹弯沉ls应小于或等于该路面容许回弹弯沉值lr来控制。
2.弯拉应力指标用以防止沥青混凝土和整体性材料基层疲劳开裂，要求满足沥青混凝土面层和整体性基层底面的弯拉应力σm应小于或等于材料的容许弯拉应力σr。
3.从指标来看，材料模量采用抗压回弹模量，混合料的抗拉强度由劈裂实验测得；同时考虑气候条件对材料性能的影响，以此确定混合料实验时的状态；根据地区划分、土基类型划分来确定土基的回弹模量。
ai法：ai法有两大主要控制指标：沥青结合料底层的层底水平拉应变εt，用来控制疲劳开裂；地基表面垂直压应变εc，用以控制路面的永久变形。
1.用位于最底层的沥青结合料层（沥青混凝土或乳化沥青处治层）层底水平拉应变εt的指标来防止面层的开裂。
2.通过控制地基表面垂直压应变εc来限制路面产生过量的永久变形，防止结构表面因为路基超载而产生塑性变形破坏；另外沥青处治层的变形大小通过材料的性质来控制。
3.通过交通分析，确定初期的交通量年增长率，算出设计期限内的18000磅等效轴载数（eal）。
4. 考虑路面温度因素，用来确定混合料劲度值。一般的路段以沥青面层1/3深处的温度为沥青层的设计温度，由月平均气温和月平均路面温度计算得到；特殊路段，取气温为路面温度。
在冰冻地区，冰冻时期采用较大的路基模量；在融化时期采用较小的路基模量。对于未处治的粒料基层也是如此。
三）轴载换算方法。
我国设计方法：
轴载换算以等效为原则，即以同一路面结构在不同轴载作用下达到相同的疲劳损坏程度为准。结构设计以双轮组单轴载100kn为标准，按弯沉等效或弯拉应力等效的原则，将不同车型、不同轴载作用次数换算为与标准轴载相当的当量轴载作用次数。具体参数为：
单轮传压面当量直径213mm，双圆圆心间距319.5mm，对于100kn标准轴载，轮胎接地压强为0.7mpa。
换算公式为：
式1-1其中：
n——标准轴载的当量轴次（次/日）
n1——被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）
p——标准轴载（kn）
p1——被换算车型的各级轴载（kn）
c1——轴载系数。
c2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38
ai法：车辆荷载对路面的影响以重复作用的80kn当量轴载产生的双圆荷载表示，荷载圆半径115mm，双轮轮距345mm。对于80kn的车辆轴载，轮胎接地压力为483kpa。
四）路面结构组合。
我国设计方法：
我国沥青路面结构一般由面层、基层、底基层、垫层组成。
1.面层：直接承受车轮荷载反复作用和自然因素影响的结构层，可由一至三层组成。
表面层根据使用要求设置抗滑耐磨、密实稳定的沥青层；中面层、下面层根据公路等级、沥青层厚度、气候条件等选择适当的沥青结构层。
2.基层：设置在面层之下，并与面层一起将车轮荷载的反复作用传布到底基层、垫层、土基，是起主要承重作用的层次。基层材料的强度指标应有较高的要求。
3.底基层：设置在基层之下，与面层、基层一起承受车轮荷载反复作用，是起次要承重作用的层次。底基层材料的强度指标要求可比基层材料略低。
4.垫层：设置在底基层与土基之间的结构层，起排水、隔水、防冻、防污等作用。
ai法：一般分为沥青混凝土面层、沥青混凝土或乳化沥青基层、路基，对深层高强沥青路面分为沥青混凝土面层、沥青混凝土基层、未处治粒料层、路基。
五）材料设计参数。
我国设计方法：
在初步设计阶段选用沿线筑路材料和外购材料进行混合料配合比设计。在选定配合比的基础上，按有关规程规定的实测材料设计参数，论证确定各层材料计算模量和抗拉强度。
以设计弯沉值计算设计路面厚度并对结构层进行层底拉应力验算时，各层材料的模量采用抗压回弹模量，沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验测得劈裂强度。
材料的抗压模量、抗压强度在作为设计值使用之前，应考虑其与龄期的相关关系作充分论证。
ai法：沥青混合料以动态模量（劲度）和泊松比（μ）来表征，考虑了材料的粘弹性。动态模量由回归方程确定，方程考虑了混合料空隙率、粘滞度、温度、沥青用量等因素的作用。
未处治粒料以回弹模量和泊松比（μ）来表征，考虑了材料的非线形。未处治粒料也由回归方程确定，考虑了季节性冰冻地区冻融作用对回弹模量的影响。
土基采用回弹模量mr可由实验室重复加载三轴试验确定或由cbr或r值估计得到。
六）设计思路。
我国设计方法：
1.采集交通量参数，根据公路等级、面层和基层类型以及ne计算设计弯沉值；
2.由气候条件及材料状况进行混合料实验，确定材料模量；
3.依土基类型划分，确定土基回弹模量；
4.初拟路面结构方案，按设计弯沉值计算路面厚度；
5.验算结构层的拉应力，如满足容许的疲劳应力，则可以；有防冻厚度验算要求的还要验算防冻厚度。反之，则应调整材料配比或变更结构层厚度重新验算。
ai法：1.选择材料，求得各层材料特性；
2.根据设计寿命、各层材料模量和气温等环境因素，由计算机程序或根据程序输出的设计图得到路面各层设计厚度。
两者差异表现：
从以上分析我们不难看出，这两种设计方法的主要区别表现在：
1．理论基础上：我国设计方法均考虑各层由均匀、各项同性、无重量的线弹性材料组成，而ai法则认为沥青混合料面层为粘弹性的、未经处治的粒料基层是非线性弹性的。
2.设计指标上：ai设计法以土基顶面压应变和沥青底层层底压应变为主要标准，而我国沥青路面设计方法则以汽车双轮间隙中心路表弯沉及沥青面层或整体性基层层底拉应力为设计指标。
3.材料设计参数上：国外设计方法中多采用材料的动态特性值，如对于沥青混凝土，ai设计法中考虑了材料的粘弹性性质，以动态模量表示，具体数值的确定则考虑了温度、加载频率、粘滞度及空隙率等；我国的设计参数则以静态为主，如沥青混合料的模量值采用低速的不同级别加载卸载方式测定。
4.试验方法上：ai法采用常应变疲劳试验和土基室内重复三轴抗压试验；我国则采用劈裂试验。
5.我国在结构层设计中比国外设计方法多一层垫层。
两种设计方法的不足分析。
一）我国设计方法：
我国的设计方法在以前的设计中应用得较好，且其结构设计和验算可采用多层弹性体系理论编制的专用设计程序进行，使用简单，便于掌握，但在使用过程中也暴露了许多不足：
1.以竣工一年后的实测弯沉值来衡量路面质量不尽合理，因为到时候即使是实测弯沉不能满足设计要求，但已造成事实上的不合格，无法挽救，往往不了了之，应采用动态指标，以便在整个施工过程中及时准确地加以控制。
2.我国沥青路面设计方法以静态荷载为依据，设计指标及所用材料的设计参数多是静载条件下得到的，未能充分反映出材料在汽车动荷载作用下的真实性能。路面结构设计中经常出现不合理现象，而不得不依靠经验修正。
研究发现，在轮载作用过程中，路表弯沉和结构层的变形和应力均有动态的变化，且变化过程与行车速度有关。因而，必须考虑路面材料对动态荷载的响应，以得出更合理的结构层设计。
3.设计指标中的容许弯沉不适应交通量较大的高等级公路，特别是半刚性基层沥青路面的容许弯沉值偏大，标准低，不到使用年限就出现破坏，且与材料参数对应的状态不一致。
4.梁式试件测试沥青混合料和半刚性基层材料的抗弯拉强度和模量，方法复杂、笨重，时间长（试件设计的龄期3－6个月），影响了设计周期。
5.未充分考虑环境因素、路面结构组合等对路面性能的影响。
6.实际运营中超载、重载现象严重，100kn的标准轴载不尽合理。
7.在对高等级道路沥青混凝土面层和整体性材料基层底面进行拉应力验算时，一个公式内同时存在材料两种受力状态的不合理现象，出现设计结构与实践不相符情况。
二）ai法：
ai法的主要理论基础是弹性层状理论，以aashto道路实验数据的成果为依据，同时吸收了其它一些方法的特点，并把第七版和第八版所用的结构使用性能和功能特性（psi）结合起来。在设计中采用了材料的动态弹性模量，与实际较符，但也有一些缺点，表现在：
1.设计中都采用动态荷载所得的动态模量为主要参数，忽视了车速较低时，路面基层呈现流变特性，弯沉值较大的问题。
2.未考虑各项指标的叠加效果，没有一个综合指标。
3.当沥青较薄，交通量小时，设计结果较为保守，所以适用于较厚的混凝土层。
4.仅考虑了温度对材料的影响，而未考虑湿度的影响。
综述。通过以上分析对比，我们可以看出，我国现行沥青路面设计方法由于存在较多的问题，因此，有必要把我国的沥青路面设计方法与国际上发达国家的方法结合起来，集合二者的优点，采用动态标准和动态参数代替相应的静态混合料参数，加快研究路面和各材料在动态荷载作用下的性能，以确定动态参数及设计标准，使我国的沥青路面设计更符合路面实际工作情况，从而使所修建的道路发挥更大的技术经济效应。
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