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第一章 道路工程

第一单元 交通分析

道路设计过程中有很多投入，这些投入包括：对交通的估计，环境方面的考虑，对路面结构所有成分的材料属性的评价，其中包括材料的变化性和对环境的反应。另外一方面的考虑是对给定设施的设计可靠性程度的选择。在于投资和未来养护方面费用差不多的二级公路相比较时，高速公路可能在设计评估时需要一个更高的可靠性程度。这一单元具体讨论与交通相关的设计参数。其中包括对未来用户和力学经验中路面程序开发者的有用信息。

交通

机械性的经验方法要求交通投入变形成为从属于复杂的道路装载过程的一个简单化代表。这种方法是可能的，在考虑到下列七个设计过程中的交通因素：①车轴配置的疲劳性②接触压力③车辆速度④各种载重量车型的预期装载数量⑤每一天的交通分配量和贯穿全年的交通分配量⑥多车道高速公路的线路交通分配量⑦特殊交通线路的横向交通分配量。

最理想的解决方案是这些数据可用于特定的公路设计。另外交通数据中包含国家、州，如果某条特定高速公路的数据不可获取，可能要利用到当地的交通调查。这随后将会讨论。

要估计某类交通荷载造成的损伤，需要建立重复交通荷载与可能损坏结构层、临界点所受应力之间的相互关系。因此，多线路设施的横向位置和分布必须要确定。

货车的车道分配

设计线路内的车辆通道数与一些临界点负荷重复数的一致性取决于车辆在行驶道路上的轨迹。Taragin指出平均车中心坐落在与12英尺宽的车道中心的0.2英尺距离以内，所观测到的货车有百分之七十五保持在车道中心的一英尺内的横向距离。他还指出这种模式下在细曲线上会发生较小的差异，而双车道或四车道与这种模式大致相同。

Fordyce and Packard已经在一个典型货车上研究过车轮横向位置的变化。

对沥青混凝土路面的应力分析表明，在沥青混凝土层下部的压力水平是相对常数在其上面的部分到轮胎外表面。如果我们现在假设一个典型的从一个轮胎中心到另一个轮胎中心的双胎间距是14，每一个轮胎都有一个有效的负载半径为4，我们可以看到对于双胎间距在11以内的来说，每一段的轨迹中心都接近最大值。假设基于福代斯和帕卡德曲线的横向位置的正态分布，这表明对所有通道百分之80将在这个在车轮的中心路径应变水平的效果。假设这样的负载将导致每一个通道接近最大应变的临界位置是合理的。车轮荷载通道的其余部分将导致在设计车道的关键位置的一些较小的应变水平。

从这个论点可以看出，在设计车道的车轮荷载通道方面和负载重复的沥青路面的车轮路径之间使用一对一的关系并不是过分保守的。横向位置变化的更复杂的处理方式似乎不适合这种类型的路面，至少在考虑到准确性可以从交通估计中预期到的时候会用到。

然而到了混凝土路面情形又有了很大不同。大量的现场数据和分析结果表明，临界疲劳位置是在路边。这是由于横向裂纹发生的地方路面是完全可以支撑的。（当一个严重的损失发生在接缝处的拐角处或斜裂缝，可能会出现在横裂前先发生）。另一位潜在的关键位置是在车轮路径的横向接缝处。然而，疲劳损坏的研究表明，那几乎不是疲劳临界点。

货车车轮横向分布与正常分布约有10英寸左右的标准偏差。对于设计来说，在路边6英寸以内的地方， 重复的临界（边缘）的压力的数量大致与卡车车轮负荷相均衡。从路边到外部的卡车双轮胎的平均距离可以从当地相类似的波特兰水泥混凝土高速路面的可视化结果估计而得。在路边6英寸以内的车轮载荷比例可以很容易的由正太分布计算。

当没有当地的具体资料时，可以参照下面一般的方法估计从路面边缘到轮胎外侧的平均距离。在未铺砌路肩的高速公路上，8英尺宽平均来说是距离路边24英寸处。然而大量证据表明在有路肩和没有大量横向障碍物的高速公路上，货车的行驶更接近路的边缘，平均距离为12英寸到21英寸之间。1956公共道路局的一份关于双车道的混凝土公路上货车的横向分布研究表明，平均距离为11英寸，然而1975年Emery的一份关于乡下四车道的州际高速公路上货车交通研究表明，平均距离为16到18英寸。

车辆速度

要定义路面部分材料的刚度特性，对车辆速度的估计是必须要有的。装载时间对沥青路面的刚度特性有重要影响。Barksdale，Brown，and McLean已经提供了一些指引在把估计装载所需要的时间或者刚度特性的实验评估与车辆速度联系起来。McLean的结果说明等效为方波负载脉冲的装载时间作为垂直压缩和水平应力的深度函数。Barksdale的结果被用来作为叠加比较。值得注意的是，两人之间的差异是由于部分的事实，Barksdale的计算都是基于一个三角形荷载形状，而被用来比较的McLean的结果是基于方形的荷载形状。

第二单元

土壤和颗粒材料

在用于路面结构的材料中，无论是绑定的或者未绑定的，土壤作为天然材料具有比人造混合材料更可变的特性。不管是路堑还是路堤，路基的力学性质都与路而的设计有着重要的关系，因为本质上要求后铺材料防比土基承受过大的压力。

用在基层和底基层的颗粒材料有些成分进行了一定程度的控制，但目前英国的规格的性质是这样的密度检查，例如，不使用机械性能的广泛变化是可能的。更严格的控制在许多国家都受到影响，尤其是在粒状基地只覆盖一个适度的沥青材料的厚度，其表现是路面性能的控制因素。鉴于土壤和颗粒材料的变异性，它们的力学性能并不是很方便，其特征在于预测形式为沥青材料，这并不令人惊讶。一般的行为模式和影响他们的重要变量已经确定，这些都在下面。

非线性

沥青材料的刚度或弹性模量被证明主要取决于温度和加载时间。应力水平并没有作为一个变量被讨论，特别是对路面设计的重要性而言，因为沥青材料在动态条件下基本上是线性弹性的，除了在高应力水平时，刚度有一些减少。沥青粘合剂的这种表现是非常符合函数性质的。另一方面，松散的聚集体和土壤通常在孔隙空间含水，它的影响是相当不同的，因为它不能直接提供抗剪变形，如沥青粘合剂。这种类型的材料和沥青的反应最重要的区别是，土壤和粒状材料是显着的非线性。它们的应力-应变曲线确实是曲线，而由此产生的弹性模量却是应力。

第三单元

路基结构

公路路基是路面的支撑结构及其特殊垫层的缓冲。在挖方路段，路基是指位于基层和选择使用材料层以下的原状土。在填方路段，路基建造于原地而之上，填筑材料来自于附近的挖方路段或取土坑。

1980以前，大家的注意力主要集中在路面或其他磨损过程中，很少有人注意到组成路基的材料，或者它们的放置和压实的方式。在此之后不久，车辆速度的提高提出了更高的标准和等级要求，这反过来又意味着更深的削减和更高的填充。大约一段时间，车辆的重量和数量开始增加，这对道路表面施加了越来越大的车轮载荷。在许多情况下，导致巷道的沉降甚至完全失效。这种故障的研究表明，故障奠定在路基，而不是在路面。这反过来又导致对路基土壤的性质调查和在服务条件下的性能。

路堤设计中存在两个问题。首先是要获得一个路堤基础，使之能足够承载路堤荷载而不至于失效或者不适当的解决。其次考虑的是路基必须是内部稳定的，即路基内的斜坡破坏不能发生。

一个稳定坚实的路基设计与施工，是视地基对路堤的承载能力而定的。由于路堤基础是自然而不是人为的。还需要注意的是，许多路基地基都处于低的地形，一般由劣质材料组成。因此，脆弱的路基基础是相当普遍的。必须要指出的是问题主要产生于路堤的自重，而不是施加于路堤上的活载。

当面对潜在的脆弱地基材料时，有可替代材料的话要进行评估。一个是避免不良地基材料通过现场或路由选择。另一种选择是去除劣质材料，并将其替换为合格的、控制的填充材料。这种更换可能是充分的深度或仅部分的深度，取决于劣质材料的深度和对路堤施加的荷载。第三种替换方案是通过路堤的重量来代替劣质材料：在施工过程中发生的一个重要部分。第四种替换方案是是提高在原位性能的基础材料。这是一个在建设或者施工前的活动，可能包括①通过排水永久降低水位，这将产生有效应力增加导致强度增加；②所推荐地基材料的现场压实；③所推荐材料的灌浆；④所推荐材料的加固，可能的话通过追加费用来加快加固，垂直沙井，或追加沙井的费用；⑤最小化的强度和减少路堤重量的地基的压缩性要求；⑥在地基材料脆弱的区域建桥；⑦通过养护程序抵消后构造的运动。

路堤和切坡设计存在一定的差异。一个非常重要的区别是，路堤的材料性质可以被控制到一个比较高的程度。然而，相对于切的斜坡，边坡将由天然材料，从而可能是没有均匀的和各向异性的。这种自然沉积的各向异性将会导致对结果稳定性分析的信心降低。

在分析边坡稳定性时，有必要验算最危险滑动而上的应力并且把它与土体在滑动而的阻力做比较。临界滑动面是由试验决定的，压力是由大量定义的临界面的静力平衡所确定的，并且沿着这表面的土壤阻抗是由试验确定或者评估的。

在相对均匀和各向同性的材料中，地下水不存在，并且孔隙压力可以表示为材料假定失效面上的一个重力的百分比，通过使用稳定性图可以很容易算出失效的安全系数。

一旦选定了边坡的分析方法，对路堤及路堑边坡分析的基本区别是输入或剪切强度数据。在切坡到达最大深度后其临界时间正常来说是比较短的。如果这时边坡是坚固的，那么由于不断巩固和孔隙水压力减少的缘故，它会随着时间的推移更加坚固。因此，用于坚固性分析的剪切参数应在不排水实验的基础上来确定。如果在这些试验过程中测量孔隙水压力，稳定性分析可以在有效应力的基础上进行。路堤完成后，有时会出现压实路堤的关键时期。在路基完成后，压实土处于峰值强度。然而，随着时间的推移，环境会对路堤土壤产生影响，造成其强度减弱。对于路堤边坡的长期稳定性分析来说，抗剪强度应该由模拟固结排水的环境实验来确定；中间体的稳定性应该由模拟固结不排水的环境实验来确定；结构尾部稳定性的相关安全因素应该由具有合适填充材料的压实样品进行固结不排水实验确定。

第四单元

道路设计

路面结构的功能是把所施加的车轮荷载分散到大面积的天然地基上。如果车辆行驶在自然土壤本身，剪切破坏会在大多数土壤的轮径上发生，并且会形成车辙。土壤的抗剪强度通常不足以支撑荷载。在公路和机场路面结构中，除了其荷载分布函数外，还必须提供一个水平、安全的行驶面。

路面被归类为“刚性的”或“柔性的”，这取决于他们如何分配表面负荷。柔性路面是由在底层和基层的较薄的磨损表面组成，他们取决于压实的地基。相反，刚性路面是由波特兰水泥混凝土组成，在路基和路面之间可能没有一个基层。柔性路而的厚度包括压实路基以上的所有部分。这样，底基层、基层和磨耗层构成了路面。在刚性路面的情况下，基础专用的混凝土，被称为路面。在某些情况下，波特兰水泥混凝土作为柔性型面的一个基础部分。

这两种路面类型（柔性的或者刚性的）的本质区别是它们在路基上面的分布方式。刚性路面，由于其刚性和高弹性模量，往往分布在一个相对较宽的区域的土壤，因此，一个主要部分的结构能力是由路面本身提供。刚性路面设计中考虑的主要因素是混凝土的结构强度。因此，路基强度小的变化对路面结构承载力的影响不大。

刚性路面下使用的基础路线有很多形式，包括①对泵的控制；②对冻结作用的控制；③排水；④对路基的收缩和膨胀的控制；⑤考察施工。基础路线将给路面带来一些结构上的能力；然而，其贡献的承载能力是比较小的。

柔性路面的承载能力是由层状体系的荷载分布特性所引起的。柔性路面由一系列的层组成，在表面的最高质量的材料。因此，柔性路而的强度来自于各厚层叠加从而把荷载分散到路基，而不是靠路而板体的抗弯作用。路面的厚度设计受路基强度的影响。

柔性路面的路基一般由廉价的，可以从当地获得的材料组成，而基本层是由高质量的加工材料组成。在大多数情况下，基本层包括碎石，在某些情况下，可能含有沥青。

基础层的建设超出了磨损表面的边缘一些距离。这么做是为了使得路面边缘的荷载能得到底层的支撑。如果底层是由不连贯的物质组成，那么施加在路面上的荷载有可能因为路面边缘得不到底层的支撑而造成损坏。基础层通常在路面边缘的基础上再向外延伸1英寸，在特殊情况下它们可以向外延伸更大的距离。

路面设计主要由路面铺层设计和路面结构设计两部分组成。

路而结构的设计从根本上不同于桥梁和建筑结构的设计，因为目前还没有可用的力学设计方法。

很多设计方法是自然经验或者半经验性，是与地貌相联系的。因此，对设计数据进行任意假设是非常有必要的。例如，当柔性路面设计由加利福尼亚承载比（CBR）的方法，土壤样品以标准方式进行压实，然后允许在水中浸泡四天。浸泡周期的目的是模拟路基在高水位和低水位下的情况，当土壤处于最薄弱的状态时，就进行了符号标记。

气候的一些影响很难评估。在大多数情况下，考虑到霜冻和降雨是可能的；但是它们的效果在其他情况下不能被确切的估计到，因为气候条件必须从统计的角度来研究，很难预测到气候条件的严重程度对整个路面预期寿命的影响。

总载荷对柔性路面的厚度有影响。轮胎压力在很大程度上不控制路的厚度，但是他们明显的影响路面和基础的要求。总荷载也会影响刚性路面的厚度，轮胎压力在较小程度上影响路面的厚度。

重复的荷载对于这两种类型的路面都有一个直接的影响。对于比较高的重复来说，重型路面是必须的。土壤类型对柔性路面厚度的影响比刚性路面厚度的影响更大。

对于这两种类型的路面来说，不同的地方有不同的设计理念。刚性路面的路面厚度在6和10英寸之间变化，这取决于将会在路面上流通的交通量的重量。柔性路面设计中所涉及的原则包括对路基土的试验和

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