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路面设计原理考试题库解析解析doc

发布时间:2019-06-14 14:58 来源:未知 编辑:admin

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  1、汽车车型如何分类?为什么要限制轴载?在我国路面设计方法中如何考虑轴载? 答:(1)道路上通行的汽车主要分为货车和客车两大类。货车分为整车,牵引式拖车,和牵引式半拖车;客车分为大客车,中客车,小客车。交通调查中,一般将汽车分为八类:大型货车,中型货车,小型货车,大型客车,小型客车、拖挂车,集装箱,大中型拖拉机。汽车按轴型(轮轴的组合型式)分类,大致可以将行驶在道路上的车辆分为三大类:固定车身类、牵引车类、挂车类。 (2) 汽车的重量通过车轮传递给路面,轴重的大小直接关系到路面结构的设计承载能力和结构强度,为了保护路面结构不因超载而破坏,许多国家对汽车的轴载都有限制; (3) 我国路面设计方法中,一般以后轴重100kn作为标准轴载,表示为BZZ—100,低等级公路也可以采用后轴重60kn作为标准轴载,表示为BZZ—60;把不同类型的轴载作用次数换算为标准轴载的作用次数,应遵循两项原则:其一,换算以达到相同的临界状态为标准;其二,对某一交通组成,不论以哪一种标准轴载进行轴载换算,由换算所得的轴载作用次数计算的路面厚度应相同。 路面结构设计和验算使用的交通量是标准轴载累计作用次数。实际计算时,对沥青路面,只将轴载大于25kN的汽车计入;对水泥混凝土路面,只将大于40kN的单轴和80kN的双轴的汽车计入,小汽车,小客车对标准轴载的影响极小,可以忽略不计。 2、双层、三层弹性体系应力、应变位移分析的基本原理及其存在的问题,哪些方法应用这一原理? (1) 基本原理: 在求解弹性层状体系应力与位移时,采用下列四条基本假设: a. 各层都是由均质的各向同性的材料组成,用弹性模量E和泊松比(来表征; b. 假定土基在水平方向和向下的深度方向为无限,其上各弹性层为厚度有限,水平方向为无限; c. 假定路面上表层作用有垂直荷载和水平荷载,认为水平方向的无限远处和最下一层向下的无限深处的应力和位移等于零; d. 各层间接触面上采用完全连续或完全光滑的假定; 根据以上假定,按柱坐标系采用弹性力学中的几何方程,物理方程,平衡微分方程,利用应力函数和汉克尔变换方法,可以解出弹性层状半空间体系中应力和位移分量的一般表达式;然后根据相应的边界条件和层间结合条件,可以确定一般表达式中的待定积分常数。 (2) 存在的问题: 我国多年的研究和实践表明,弹性层状体系理论公式是基本适用的,但是由于路面各层材料的力学性质、路面各层之间的接触情况以及实际荷载情况等与理论假设不完全一致,而且路面材料和土基模量的测定方法也不能充分反映它在结构层中的实际工作状态,造成理论计算值与实际值存在偏差;而且,由不同材料结构层和土基组成的路面结构,在荷载作用下其应力应变关系一般呈非线形特征,且形变随荷载作用时间而变化,同时,应力卸除后常有一部分变形不能恢复。因此,严格地说,柔性路面在力学性质上属于非线形的弹—粘—塑—性体。 (3) 壳牌(SHELL)设计法、前苏联柔性路面设计新法以及我国柔性路面设计法均采用这一原理(三层弹性体系)。 粘弹性体:材料在外力作用下产生变形缓慢增加,撤除外力后变形缓慢回复,这种加-卸荷过程中变形不随外力即时达到平衡而有所滞后的现象称为延迟弹性,也称粘弹性。 3、简要说明下列各种力学模型,以适当的曲线(( — ( )或(( — t)描述它们的特性。 A线形弹性体 B非线形弹性体 C粘弹性体 D弹性塑性体 线形弹性体:应力应变呈直线关系,见图a 非线形弹性体:应力应变呈曲线变化,见图b 弹塑性体:在加载、卸载过程中,有不可恢复的塑性变形,见图c 粘弹性体:应力、应变随时间变化,见图d 4、试分析面层厚度和模量、基层厚度对面层底面拉应力的影响。如何指导设计?(假设层间完全连续) (提示:利用应力—模量、厚度分布曲线) 在垂直荷载作用下,面层底面的径向应力并非都是拉应力。面层较薄而相对刚度较小时,可能出现压应力。面层厚度较厚和相对刚度较大时,便出现拉应力。它随面层的厚度和刚度的增大而增大,特别是面层的刚度很大时,面层底面的拉应力随面层的刚度的增大而急剧增大。 底面最大拉应力的位置,一般在荷载面的中轴处,对于双圆荷载,也是在某一荷载面的中轴处,但在面层很厚时,最大拉应力的位置随着层的增加而移向双圆荷载面的对称轴处。当面层较薄时,其底面也会出现较大的径向拉应力。 5、何为路面的结构损坏和路面的功能损坏?简述其发展过程及其相互之间的联系。 结构性破坏∶整个道面结构或某些组成部分已经不能再承受荷载作用的破坏,如断裂等;一般要彻底翻修。 功能性破坏∶道面结构在使用过程中,在荷载和自然因素的多次循环重复作用而出现的使用品质的逐渐降低,如车辙的加深,平整度和抗滑性能的降低,一般可通过维修而恢复。 特点:不一定同时发生,但都是经逐渐累积而成。 功能性破坏一般可通过维修而恢复; 结构性破坏一般要彻底翻修。 6、试述弹性层状体系的边界条件,层间完全连续和层间完全光滑分别应满足的条件怎样确定?(请分析我国沥青路面设计采用完全连续体系的合理性。请举例说明提高沥青路面层间连续状况的技术措施。) 弹性层状体系的边界条件: 在水平方向无穷远处和垂直方向无限深处的应力和位移都等于0。 在弹性层状体系中,顶面的边界条件: 在第j层和第j+1层之间的结合面上, 若这两层是完全连续,则连续条件:, 若这两层是完全光滑,则光滑条件:, 在地基向下的无限深度和水平方向的无限远处,应力与位移都趋向于0,即 7、试分析轴重的改变、轮胎压力的改变对路面面层强度与结构层总厚度的敏感性。(提示:可利用应力—深度分布曲线) 在刚性路面中,路面厚度随着轮胎压力的增大,轴重的增加而增加,计算表明,轮胎压力增大70kpa,则需增加板厚约0.5cm。 在沥青路面中,垂直应力的大小取决于荷载轮胎压力的大小,轮胎压力对表层的垂直应力影响很大,当深度达90cm(3.6in.)以下时,轮胎压力对垂直应力就没有影响了。因此,为适应高压轮胎的作用,沥青路面上层应采用高质量的材料。轮胎数量对沥青路面体系的垂直应力也有影响,采用双轮比单轮(即轴重减少)可以显著改善路面体系的垂直应力状态。而沥青路面所需的总厚度,受轮胎压力的影响不大。 8、试简述威斯特卡德荷载应力公式阿灵顿试验修正的主要内容,修正后公式的实用性。(第九章3) 1930年美国在阿灵顿进行了混凝土路面足尺试验,通过试验,对应力计算公式进行了修正。 【1】荷载作用于板中 阿灵顿试验发现,实测的板中应力值比板中加载的威斯特卡德应力计算公式计算的结果小。这是因为地基反力同挠度相比更加集中于荷载的周围,并不像温克勒地基假设那样,地基反力和挠度成正比。因此,荷载附近反力增加,板体的挠度和应力就略有降低。布拉德伯利和凯利都提出了板中的板底最大应力修正公式,其结果分别是威斯特卡德公式的87%~91%,72%~82%。 【2】荷载作用于板边 在没有翘曲的情况下,对于常用的轮印,实测应力与理论计算结果很一致;假如a值较大,则实测应力大于理论计算结果;假如a较小,则实测应力小于理论计算结果,但差异很小。在白天有翘曲的情况下,对于常用的轮印,实测应力略大于理论计算结果;在夜晚有翘曲的情况下,对于常用的轮印,实测应力明显大于理论计算结果。凯利提出了修正,修正后的计算公式所得结果比威氏结果大6%~17%。 【3】荷载作用于板角 阿灵顿试验表明,在正常气候条件下,在白天,板角向下翘曲,板与地基保持接触的条件下,实测应力与威斯特卡德理论计算结果完全一致。但在夜间,板角向上翘曲时,实测应力比威斯特卡德理论计算结果高出很多。且大于布拉德伯利提出的修正公式。他的修正公式相当于将原来板角附近的反应模量减少为原有的四分之一,以此提高混凝土路面板的应力。 9、机场道面、道路道面各有什么特点,两者在功能和构造方面有什么主要区别? 各自的设计原理和方法有什么相同点和不同点? (1)机场道面是指在民用航空运输机场飞行区范围内供飞机运行使用的铺筑在跑道,滑行道,站坪,停机坪上的结构物。机场道面是提供适合当地自然环境条件,满足飞行使用要求的道面结构;道路道面主要是满足人、车使用要求的道面结构。 (2)在功能上,由于飞机运行方式对安全使用的要求高,机场道面要求比道路道面具有更好的抗滑性能,更好的稳定性,更好的平整度,快速的排水能力以及耐久性;在构造上,由于飞机荷载重量和轮胎接地压力远大于车辆荷载等原因,所以要求机场道面的厚度更厚,面层材料质量更好,这样才会有更高的承载能力。 (3)相同点:公路路面所用的设计原理同样可以用于机场道面,在水泥混凝土路面设计中,荷载应力都是采用弹性地基上的弹性薄板理论和考虑接缝传荷能力的有限元法计算;在沥青混凝土路面设计中,都是采用弹性层状体系理论分析。 不同点:虽然它们考虑的主要因素基本相同,但每一因素所选定的数值相差很大。飞机的总质量远大于汽车质量,机场道面实际作用的飞机荷载较公路路面的汽车荷载也大得多,同时飞机胎压也远大于汽车胎压,但是机场道面的荷载实际作用次数远小于公路道面的作用次数,一般到达2~8万次,而公路路面的实际作用的标准轴载次数达到100~1700万次。 而且它们设计考虑荷载的方法也不同。公路选择有代表性的汽车后轴作为标准轴载(用BZZ-100表示)Answer: (1) 考虑的主要因素基本相同,但数值相差较大 (2) 机场道面除了强度和刚度、良好的稳定性(高温、低温及水稳定性)、表面平整性、表面抗滑性、耐久性的要求外,还必须表面洁净。 (2)飞机重量远大于汽车 (3)公路荷载的重复次数远大于机场荷载的重复次数(机场为2000~ (4)轮胎压力差别大 (5)设计考虑荷载的方法不同,公路选择有代表性的汽车轴载作为标准轴载,其它轴载的作用次数按照一定的方法换算为该标准轴载的作用次数;而机场道面则选取该机场最重的飞机轮载作为设计标准。 (6)平面布置不同(跑道,联络道,滑行道等) (7)飞机漫行及公路车辙(公路行车的横向位置几乎都是在距离边缘3—4英尺的范围内,而飞机的运行则主要集中在机场跑道中央。) (8)板厚相差较大 10、AASHO当量轴载换算方法、原理及应用前景。 AASHO设计法是以试验路行车试验结果为依据的方法,它将道路试验所得的大量数据,通过统计分析把路面耐用性的变化、荷载大小、荷载重复次数和路面各层的厚度联系起来,得出AASHO设计法中的基本方程式: 从这个基本方程式可以得到在给定的耐用性指数下加权的各种荷载作用总次数(与结构数的关系。把基本方程式写成: log(=log(+G/(= f(,轴重,轴数,G),即在给定的结构(为定值)和给定的耐用性指数(G为定值) 下,(是轴重、轴数的函数。AASHO选定的标准轴载为单轴、轴重为80千牛,这样对不同的轴载,可以算得在给定的耐用性指数下加权的标准轴载作用总次数与其它不同轴载作用总次数的比值/,这个比值称为轴载当量换算系数。有了轴载当量换算系数,就可以把不同轴载作用次数很方便地换算为标准轴载的作用次数。 AASHO轴载当量换算方法建立了不同轴载间的等效关系,使轴载轻、重与交通量多寡对路面的作用建立了合理的关系,解决了过去设计方法中一直未能解决的交通荷载问题。特别是单后轴间的轴载换算关系被许多国家的设计法所采用。AASHO轴载当量换算方法简单可行,应用方便,还考虑了路面耐用性(即工作状态的概念)与轴载作用总次数的关系,至今仍然具有很大的现实意义,对其它国家轴载当量换算法有很大的影响。但是它全部是建立在试验的基础上,强度标准不明确,未能揭示路面结构内部应力应变的关系,这是它的缺陷,如何在其中加入力学的概念和力学的分析方法将是它将来一个重要发展方向。 11、何为飞机漫行?在飞机道面设计方法中如何考虑飞机漫行的影响? 飞机轮载在机场跑道横断面上的随机分布称为飞机漫行。(飞机的漫行程度与道面类型有显著的关系。例如在划有中线标志的滑行道上呈渠化交通状态,机轮轨迹横向分布的标准偏离值为0.6~1.05mEWLF)的概念,我们可以得到不同轴载在时间t之内作用于路面的次数换算为标准车的作用次数()为: 式中:为第j种轴载的作用次数 为第j种轴载的作用频率 为第j种轴载的单位破坏值 12、何为冰冻指数?如何用冰冻指数来预估土基冰冻深度? 土基的冻结在很大程度上取决于气温下降时间的长短。通常习惯上按度日数计量时间与温度,负的一度日表示一日的平均气温为零下一度,而正的一度日表示一日的平均气温为零上一度。在累积度—日图中的最大和最小点之差称为冰冻指数。 在任何冰冻季节,冰冻指数可以用来衡量低于冰点气温的持续时间和大小。在地面以上4.5ft处的气温指数称为空气冰冻指数,在路面下的温度指数称为路面冰冻指数。 冰冻深度可以用以度日为单位的冰冻指数表示,将冰冻深度与冰冻指数建立关系,就可以作为一个要素进行路面设计和评定。冰冻深度可以通过冰冻指数与冰冻深度曲线图查得,这是一些经验方法(如美国的工程师兵团);也可以用公式来估算,提出的公式主要有以下几种: (1) stefan公式∶ k=导热率 F=度日 L=体积热,L=1.434w( (2)Aldrich公式∶ (3) 中国公式∶ a=道路材料系数 b=道路横断面系数 c=道路湿度环境系数 13、试简述壳牌(SHELL)沥青路面设计方法,评述其优缺点及应用前景。 路面模型 假定路面在行车荷载作用下表现为弹性性质,用弹性层状体系理论计算各层的应力和应变,一般以三层连续体系为基础,用弹性模量和泊松比表征路面材料,假定路面材料为均质,各向同性,各层水平方向和土基向下的深度方向为无限。 荷载图式采用标准的双轮荷载,即双圆图式,并以80kN为标准轴载。 设计标准 主要标准:路基顶面的压应变,控制路基顶面的永久变形,防止车辙; 沥青面层层内的水平拉应变,控制沥青面层的开裂。 次要标准:其它有机或无机结合料稳定基层的容许拉应力或拉应变以及路面表面总变形。 再次要标准:沥青层低温缩裂,基层或底基层粒料材料最小模量值的要求。 (3)设计步骤 14、试简述波特兰水泥协会刚性机场道面设计方法,评述其优缺点及应用前景。 方法: (1) 必须调查当地土壤情况,并用承载板试验路基反应模量 (2) 必须知道设计轮载和混凝土弯拉模量和安全系数 (3) 为不同机型提供板内荷载的设计数据 (4) 对混合航空采用疲劳概念,提出在容许荷载下的应力比,应力比小于0.5可承受无限次重复荷载,应力比增大,则容许荷载次数相应减少 (5) 考虑飞机漫行的影响 (6) 确定厚度并验算 优点:设计方法重视工程试验,实用性强 缺点:以威斯特卡德方法计算应力为基础的理论发展缓慢,计算公式的参数和假定有局限。 15、已知弹性半空间体表面位移表达式为: 荷载采用圆形均布荷载,地基采用Kelvin模型,试推导粘弹性半空间体表面位移解。如果荷载为一个移动的均布荷载,请给出任意一点弯沉的求解思路。已知的拉普拉斯逆变换为。 答: 要得到粘弹性问题的解,首先要求出弹性问题的解,然后对解中的模量及荷载求Laplace变换,将粘弹性算子代入,再求Laplace逆变换得到。 1) 弹性半空间体表面(z=0)位移解为: 2) 圆形均布荷载(半径为(,大小为q)p( r ) 的零阶汉克尔积分变换为: 3) Kelvin模型: 4) Laplace变换: 代入: Laplace逆变换: 16、当温度沿一独立长混凝土板的深度均匀变化时,通过描述板底摩擦力沿长度方向的分布状态,推导滑动区的长度计算式。 滑动区长度计算公式∶ 当路面板的温度改变时,体积也随之变化,路面与基层之间的摩擦力对变形起抑制作用,从而引起路面板内部的温度应力。图6-18表示一长度为L的混凝土路面板在温度发生变化时,所产生的位移δ,作用于板底的摩擦应力τ,以及混凝土板体内部应力σ沿板长L的分布。 图6-18 由图6-18可以看出,位移δ的分布,在板的两端最大,因为端部不受任何约束,从端部向板长的中心O点发展,由于累计的摩擦阻力逐渐加大,约束逐渐增大,则位移量逐渐减小,至L1以后,则完全没有位移发生。摩擦阻力的分布与位移的趋势有关,据调查,当位移的趋势至少为1.5mm时摩擦应力才能产生,因此由面板端部至L1的范围以内,τ是均匀分布的。 (6-117) 式中:τ——路面板与基础之间的摩擦应力; ρ——混凝土的密度(单位重); h——路面板的厚度; f——摩擦阻力系数,取值为1.0~2.0,平均取1.5。 根据路面板的位移趋势与承受摩擦阻力的情况,可以将长度为L的路面板分为滑动区(AB、CD)和固定区(BC)。在固定区内面板无位移发生,因而也不产生摩擦阻力。在滑动区,面板产生不同程度的位移,同时存在摩擦阻力。 路面板内应力σ的分布,对于两个不同的区段,可分别计算。在固定区BC以内,面板无位移发生,形似完全固端约束,其温度应力为: (6-118) 式中:Tn——温差,通常可取施工温度与最高(或最低)温度之差。 在滑动区AB、CD以内,板体应力可按下式计算: (6-119) 式中:x——计算位置至端部的距离。 若将L1代入式(6-119),即可得到滑动区内最大的应力(B点、C点)即 (6-120) 由于B点C点的应力与固定区应力是相等的,将式(6-120)代入式(6-118),可以得出滑动区的长度L1。 (6-121) 由式(6-121)可以明显看出,滑动区的范围L1与路面板的长度L无关,并不同人们认为的板越长,滑动的范围越大。滑动区范围的影响因素,除了混凝土本身的物理特性(α,E,ρ)之外,主要决定于Tn与f,所以只要选择适当的施工季节,采用摩擦阻力较大的基层,便可以对滑动区的范围进行控制。 对于端部A点及D点的位移量δA、δD也可以进行如下估算,将完全处于自由无约束状态的路面板,因温度产生的位移,减去约束力所抵消的那部分位移,便可得出δA及δD, (6-122) 由式(6-122)可以看出,路面板两端的最大位移量除了决定于混凝土材料的物理特性之外,主要决定于温差Tn与摩擦系数f。若能对施工温度及最大温差严格控制,并且通过选择基层材料,以增大f值,同样可以控制端部的位移量。位移量同路面的总长度无关。这一结论对于设计长胀缝或无胀缝混凝土路面有现实意义。由式(6-122)还可以看出,为了控制位移,应该选取f值较大的基层材料。早期的混凝土路面结构,采用很厚的砂垫层,结果由于f值很小而产生过大的推移,因此,大部分国家已不再使用。 17、对如图所示的两块板系统,假定其中一块板不受荷载作用,荷载通过接缝处仅传递剪力,接缝传荷能力e=w2/w1,w2为未受荷边的挠度,w1为受荷边的挠度,请用压缩系数法说明板的有限元分析方法,并说明总刚矩阵的形成过程。 如图五块板体系。假定四块边板不受荷载作用,荷载通过接缝处的某种剪力传递形式,由中心板传至边板。假定每块板的尺寸相同,并且划分为相同的矩形单元。为了叙述方便,每块板分为4个单元、9个结点。 采用位移法,每块板的平衡条件可以表达如下: 〔K〕{δ}={P} 式中:(K〕----板和地基的综合刚度矩阵; {δ}----位移向量; {P}----力向量。 对所示的板体,〔K〕是一个27×27的对称矩阵。 为了分析中心板,必须得知边板跨越接缝传来的力。可知沿着每一条缝的力可以用沿着该接缝的位移来表达。求式的逆得到 {δ}=[F]{P} 式中:[F]=[K]-1为板和地基的综合柔度矩阵,由所示的板体可得 以中心板与左侧边板之间的接缝为例,假如除了跨越接缝传来的剪力P1、P2、P3之外,没有任何其它外加荷载施加于左侧边板,则所有的力向量元素除P1、P2、P3之外全部为零。则公式(3-80)压缩为一个3×3的矩阵: 式也可写成通式[F’]{P’}={W’} 求式的逆得边板传给中心板的垂直力向量为 {P’}=[K’]{W’} 下面分两种情况叙述压缩法计算路面应力的有限元法。 (一) 企口缝或骨料锁结 当使用企口缝或骨料锁结传递剪力时,剪力传递效率可以按下式确定: {W’}=e{W} 将式代入可得 {P’}=e[K’]{W} 在已知接缝传递的剪力之后,中心板的平衡条件可以表达如下: [K]{δ}={P}-e[K’]{W} 或 [Kc]{δ}={P} 式中:[Kc]为组合矩阵,其值只要在[K]矩阵中将接缝结点i的垂直力与同一接缝上节点j的垂直位移相关联的元素加上ekij修正项就可得到。 (二) 传力杆 由式可知,传力杆系数 {Wd}={W}-{W’} 则: {W’}={W}-{Wd} 假定C=1/Cw,则有 {Wd}=C{P’} 将式合并得 经整理后可得 上式可简写成 {P’}=[K’]{W} 则中心板的平衡方程为 [K]{δ}={P}-[K’]{W} 可简写成[Kc]{δ}={P} 综合刚度矩阵[Kc]的生成与式相类似,只是压缩柔度矩阵有所不同。 18、若路面板上下温度差为(t,又无其它外力作用,路面变形完全受阻,试推导路面内任一点翘曲应力的一般解。 Answer:在没有其它外力作用下,板横断面上的应力因符合静力平衡条件,即: ……① …… ② 完全自由 ( 约束后的实际应变为: 约束变形为: 19、由于温度梯度和内力引起的弹性曲面方程如下所示。若路面板上下温度差为(t,呈线形分布,又无其它外力作用,路面变形完全受阻,试推导路面中心处翘曲应力表达式。 Answer: 因路面变形完全受阻,可得Z=0( ( ( 20.简述弹性半空间地基刚性路面有限元分析方法中,地基刚度矩阵形成的原理与方法,并列出矩阵各项元素的表达式(提示:参见图式与挠度公式) 将弹性半空间地基上薄板的假定用于刚性路面应力的有限元分析,其地基刚度矩阵的建立,可以采用布辛尼斯克公式。假定在结点i四周的地基反力是均匀分布的,由该反力荷载引起的任意点的挠度可写为: (6-59) 式中: 由集中力引起的其他点n处得挠度为: 式中: 由于弹性半空间体表面各结点处的力对各点的垂直位移都有影响,可以运用矩阵运算,即: 简化后可写成: 式中为地基柔度矩阵。 则: 式中:为地基刚度矩阵,是柔度矩阵的逆矩阵。 将弹性半空间地基的反力视为节点外力,施加于单元节点上则有: 可得到: 此时,地基刚度矩阵的形式为: 21、简述美国AASHTO试验路提出的耐用性指数PSI与路面使用品质的内在联系。 答:现有耐用性指数PSI是根据路面使用性能,对路面作出定量评价的方法。该法分两步着手:a)路面状况观测评级,这是一种定性的观测,它不去判断路面现有状况造成的原因,仅根据路面使用要求,对当时路况给予评级,所以称为路面耐用性评级(PSR)。b)路面质量评定,这是一种定量的评定,其目的就是要确定路面结构的适宜程度,并判定产生该路况的原因,因此要对路面作一定的物理量的量测,把各段的物理量的测定结果和PSR相比较,经过统计分析,使两者结合,得出路面评价指标-路面耐用性指数,因测定的是当时的状况,故称为路面现有耐用性指数。 通过大量的数据回归分析,可以得出PSI与不平整度、裂缝与修补面积、车辙量的一个关系式。从数据分析可知,PSI与不平整度的相关性较好,而裂缝和修补面积,车辙量对PSI的影响不大。 22、总结柔性路面发展的主要特点,在设计方法中近来有一种趋势,即由经验法向理论法过渡,分析其内在原因。 柔性路面从早期的薄型结构到40年代的较厚的结构组合和强度较高的材料,提高了沥青路面的整体结构强度和整体刚度,使用寿命大为延长。而到了60年代,对使用品质和功能的要求更高了(要求沥青路面具有良好的平整度,抗滑性和耐磨性,以保证车辆高速行驶平稳,安全,舒适),甚至超过了对路面结构强度的要求。 柔性路面设计方法的发展是随着交通的发展与路面结构,材料不断地更新而同步发展的。经验设计法是人们通过大量的野外测试,修筑试验路对实际车辆的行驶效果进行系统观察,形成了以车辆荷载作用下确保路面结构承载能力为核心的一种方法,能紧密联系实际。其缺点主要是只能适用于给定的环境,材料和荷载,如果这些条件变化了,那设计也就不可靠了,又必须通过大量的试验提出适用于新情况的新方法。由于经验设计法有这样的地区性和局限性,所以人们致力于研究更有普遍性或适用性的方法。理论法不受经验的限制,任何新材料,新结构组合,只要符合理论分析结果,都可以作为选择评比方案,在技术先进和经济合理的原则下择优使用,因此,理论分析法已成为沥青混凝土路面结构设计方法的发展趋势。 23、简述路面结构非线性分析的基本原理及在路面结构设计中的意义 答:在弹性层状体系理论中,假设路面各层材料是线弹性的,但这假设并不符合实际情况,因为路面材料具有应力应变的非线性特性,因此对路面结构应采取非线性分析的方法。 路面结构非线性分析的基本原理是将局部线性化和经验方法结合起来,也就是说把材料的非线性在一定的应力水平上当作线弹性处理,并通过试验加以修正。这种处理方法在一定程度上反应了路面材料在路面结构中的实际工作状态,但是其应用有一定的局限性。另一方面,由于有限元法可以真实反应路面中每一点的实际应力状态,国内外都特别重视将有限元法和非线性模型相结合的方法。这一方法是在有限元分析中采用一定的非线性模型,通过循环和迭代运算求得解答。 24、请推导隔离式双层混凝土路面板有限元分析的单元刚度矩阵及地基矩阵的形成过程(地基为弹性半空间体) 25、简述用ESWL处理多轮荷载的原理与方法及其发展前景。 当量单轮荷载(ESWL)定义:在一定路面体系的指定位置上,单轮荷载产生预选参量(应力、应变、位移、损坏)的量与多轮荷载在路面结构相同位置处产生相等的量。选用的方法根据轮胎压力按ESWL的接触面积等于多轮荷载的一个轮胎的作用来决定。研究表明,采用基于应力、应变和挠度等不同的准则,确定的ESWL也不同,而不管哪种准则,随着路面厚度和模量比的增加,或随着多轮间距的减少,ESWL也随之增加。 发展前景:由于公路路面和飞机道面作用的车辆和飞机种类不同,对路面的作用也不同。为比较不同类型车辆对路面的相对作用大小,使用当量单轮荷载可以很好地实现。在机场道面的设计中,飞机总质量相同,主起落架形式和轮胎压力不同,对道面的的影响不同,采用当量单轮荷载描述道面承载力,可避免这一缺陷。因此,当量单轮荷载处理多轮荷载在机场道面中将有较好的应用。 26、弹性薄板假定的内容及地基假定的类型,各类地基假定的前提及线、假定接缝混凝土路面的传力杆系数为Cw,请推导接缝混凝土路面有限元分析中总刚度矩阵的形成原理。 图 分析模型 根据有限元理论,对图两板系统,结点力与结点位移之间的平衡方程为: [K]{δ}={F} 由于接缝边界条件的处理仅与挠度项有关,故下式只列出了与挠度有关的项 式中:q1、q2为接缝处传递的剪力,与挠度差Wd及传力杆系数Cw(或弹簧系数Cs)有关: 将q1、q2代入平衡方程式,并将此剪力项叠加到总刚度矩阵中,则平衡方程可转化为 由上式可知,对接缝混凝土路面板,只要在总刚度矩阵中对有关项的刚度系数进行一定的处理,就可生成接缝混凝土路面板的总刚度矩阵。 生成板的总刚度矩阵后,另外一个问题是地基刚度矩阵的叠加。对温克勒地基模型,仍按前述方法,以单元为单位叠加到总刚度矩阵中去。对弹性半空间地基板,则要进行适当的处理。 在形成板的刚度矩阵时,将接缝看成缝宽为零的虚设单元,也就是将两块板分开计算,然后将传力杆系数叠加到适当的位置,在划分地基单元时,如果单元划分采用与板单元一相同的方法,则在接缝两侧的地基就要被分割开来。考虑到地基单元各结点是相互关联的,按上述方法建立的地基柔度矩阵中与接缝相应结点相关联的元素无疑会发生错误。为避免这种错误,在地基处理时,先将接缝不予考虑,即认为结点3、4与结点5、6为同一点,在这种情况下可求得地基刚度矩阵[Ks]。但为了使地基单元划分与板单元划分一致,并可叠加到总刚度矩阵中去,必须将地基刚度矩阵沿接缝处分割开来,使得[Ks]扩展与板的刚度矩阵一致的[Ks′]。这就要求对与接缝有关结点的地基刚度矩阵的元素作一定修改,修改的准则是使修改前后地基对板的影响等效。图中左边数字是节点号,下三角中的数字表示对原地基刚度矩阵的修改系数。 28、半刚性基层材料的特性,半刚性基层材料在刚性、柔性路面结构中的重要作用。 由于无机结合料稳定材料其刚度介于粒料和水泥混凝土之间,常称此为半刚性材料,以此修筑的基层或底基层亦称为半刚性基层。半刚性基层材料的特性包括强度刚度特性、材料参数变异特性疲劳特性、干缩特性、温缩特性。 无机结合料稳定路面的重要特点之一是强度和模量随龄期的增长而不断增长,逐渐具有一定的刚性性质。由于材料的变异性和试验过程的不稳定性,同一种材料不同的试验方法、同一种试验方法不同的材料、同一种试验方法不同龄期试验结果存在差异性。无机结合料稳定材料的抗拉强度远小于其抗压强度,路面结构承受交通荷载的重复作用,因此路面结构设计必须评价材料的抗弯拉疲劳强度。无机结合料稳定材料经拌和压实后,由于蒸发和混合料内部发生水化作用,混合料的水份会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化收缩作用等会引起半刚性材料产生体积收缩。半刚性材料的外观胀缩性是三相在降温过程中相互作用,使半刚性材料产生体积收缩,即为温度收缩。 作用: 29、半刚性基层材料的设计参数与材料的工程特性的关系。 30、已知水泥混凝土材料的疲劳方程为,荷载应力的简化计算式为,,请分析我国水泥混凝土路面轴载换算的基本原理及换算关系。 不同轴载间作用次数的换算依据是等效原则,即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。 把荷载应力公式代入疲劳方程可得出疲劳寿命同轴载、板厚和路面结构刚度的关系式: , 同一路面结构和轴载,作用下,其疲劳寿命均可按上式估计: 两式均遵守统一损坏标准,故(,)和(,)是等效的。上面两式相减可得 若在同一路面结构上进行相同轴数和荷位的轴载间的换算,则,。上式即为: 31、Jeffreys模型为 Maxwell(即弹性元件与粘性元件串联)与粘壶的并联,请推导其广义本构方程。 Jeffreys模型: Maxwell与粘壶的并联。假定为第二号粘壶的应变(其与模型的总应变相同),为弹簧的应变,为第一号粘壶的应变。因: ; 或 ; ; 由:,可得: ; 同理由,可得:; 两边求导可得: 将代入可得: 化简后可得广义本构方程: Burgers模型为 Maxwell(即弹性元件与粘性元件串联)与Kelvin的串联,请推导其广义本构方程。 假定,为Kelvin模型部分的总应变和总应力, 由:,;,, , 合并同类项后可得: 两边同乘以,可得到广义本构方程: 32、对四层体系路面结构,分析底基层和土基模量变化对路表轮隙弯沉、底基层弯拉应力变化有何特征,如何指导沥青路面的设计与施工。 路表弯沉(三层体系) 【1】当各层模量固定时,基层厚度具有较大的影响。 【2】当上、中层厚度不变时,E3/E2的影响较 E2/E1大得多。E3增加0.2相当于E2增加1倍。 面层底面的拉应力 【1】面层厚度较小(h1/(=0.25~0.5)和常用模量(1200MP),面层底面可能处于受压状态。 【2】当h1/(=0.7~2.0时,在E2/E1下,拉应力变化不大。说明面层厚度在7.5~10CM较合理。 【3】基层模量对面层拉应力影响较大,基层的影响较小。 基层底面的拉应力 【1】基层模量的提高,拉应力也提高。 【2】强的土基,对基层的拉应力影响较大。 面层内的剪应力 【1】一般自轴线处的零值起向作用面边缘垂直线】路面表面受剪应力作用时,表面应力最大,但变化很快。 【3】在垂直和水平荷载共同作用下,路面表面受最大剪应力在荷载面边缘处。 33、为什么水泥混凝土路面出现唧泥的概率大于沥青混凝土路面?请问沥青混凝土又为什么会产生唧泥? 唧泥:就是车辆行经接缝时,由缝内喷溅出稀泥浆。主要是由于基层塑性变形与面层板脱离,地面水沿接缝下渗,长期积累在空隙内,然后在轮载作用下,将积水与浸湿的细料混搅成泥浆,再沿接缝喷溅而出。 唧泥指在车辆荷载作用下,基础中的细粒材料从接缝和裂缝处与水一同喷出,致使板体与基础逐步脱空,常在接缝或裂缝附近有污迹存在。水泥砼路面施工过程中,由于现场浇筑砼的水泥浆下渗,使板与基础之间形成一个具有一定抗剪能力的整体材料,但受温度的影响,板要伸缩,反反复复的作用使水平抗剪能力下降。同时,板内温度的非线性分布引起板向上或向下翘曲,加速板与基础之间的分离,再加上车轮荷载的重复作用,使板底基础发生微小的塑性变形,于是水泥砼路面板底与基层之间出现微小空隙,即原始脱空区。由于硬化后的水泥板在环境温度的影响下产生很大的温度应力,为避免板的断裂或拱起,设置了纵缝和横缝。在自然环境下,正是由于纵缝、横缝的存在,大气降水沿缝隙下渗,并积滞在上述脱空区内。 在重载车辆的作用下,车轮驶过板体回弹时形成真空,这种负压进一步将水泵入业已形成的原始空隙中。随着砼板下水的累积,基础材料趋于自由水饱和状态,开始表现为少量的冒水现象。在重载车频繁的作用下,板后方的边缘或角隅先向下弯沉,将脱空区积滞的水挤向前方,而后车轮行驶到板前方时又将水挤向后方。移动荷载引起的动水压力使某些未经处治的细粒料和联结较弱的胶结料受到冲刷,并随着水的挤出而被带出,这些悬浮的液体就形成了唧泥现象。 由于面层开裂,地表水渗透、冲刷及车载冲击作用,使部分集料表面的沥青被水剥落,纵缝反射裂缝,角隅破坏,沥青面层拥包,沥青层剥落,路面沉陷,车辙,坑槽,翻浆等。 半刚性基层沥青路面的典型病害可划分为两大类型: 非结构性损坏和结构性损坏。该类病害主要有桥头跳车、路表裂缝( 包括间距规则的横向裂缝、纵向裂缝及局部网裂) 、路表破损( 包括路面坑槽、松散、磨光等) 、正常车辙等。结构性损害主要有路面局部凹陷龟裂和非正常车辙(结构性辙槽)。水损坏: 松散、坑槽、冻胀、翻浆和唧泥等; 裂缝: 横向裂缝、纵向裂缝和网裂等; 路面变形: 车辙、波浪、拥抱、沉陷等; 路表损坏: 泛油和剥落等。功能性损坏泛油 松散 车辙。结构性损坏水损坏 开裂 剪切 疲劳破坏 沉陷 坑槽 车辙。 柔性基层路面的破坏一般始于面层,由于面层的车辙、开裂,这些破坏从上到下的顺序发展、延伸,其破坏属于功能性破坏。面层破坏形式有车辙、top -down 裂缝和down - top 裂缝,但主要破坏形式最主要的是车辙。 受力特点:半刚性路面的承载能力约为相同厚度柔性路面的1. 37 倍。半刚性路面具有良好的板体作用和大得多的荷载分布能力。因此,半刚性路面下土基顶面的压应力或压应变比柔性路面下的小, 柔性基层沥青路面,沥青层与沥青层之间模量相差较小,而沥青层与级配碎石之间模量相差较大,此时沥青层底的拉应力较大,应选用各结构层间模量逐渐减少的材料组合,受力更合理。 刚性基层的模量比半刚性基层大,层底拉应力有所增加,沥青层的剪应力、沥青层与刚性基层界面之间的剪应力增大。刚性基层上的沥青面层应有适当的沥青层厚度,更应重视提高沥青混合料抗减强度和层间界面的紧密结合,防止层间推移。 35、请问永久性路面各结构层的功能要求?永久性路面结构设计时结构厚度应满足那些基本要求才能满足长寿命路面的基本特征? 永久性路面各层要求为: 表面层:抗车辙、抗磨耗、不透水、抗滑; 磨耗层应具备抗车辙、表面开裂、抗滑,减少水溅、水漂、低噪声等性能。 联结层:高模量、抗车辙、耐久; 基层:高柔性、抗疲劳、耐久、水稳定性好。 欧洲永久性路面设计要求考虑设计标准轴次、荷载和轮胎压力等;而美国永久性路面理念一般不考虑交通量,设计标准为控制沥青层层底弯拉应变小于极限应变值,路基土垂直压应变小于200,所用荷载为道路上行驶的所能预测的最大荷载,并考虑一定超载后的荷载,极限弯拉应变值目前还不统一,一般认为对于非改性沥青为60~70,改性沥青可以提高到l00。 从结构整体上来说, 面层必须有合适的厚度和刚度以抵抗基层材料和路基的变形。同时, 面层也必须有足够的厚度和良好的材料性能以抵抗源于结构层底部的疲劳开裂。Mon ism ith 和Long 建议控制沥青层底的弯拉应变≤60, 基顶压应变≤200。 力学设计的核心是确定路面对气候和荷载的反映。明确路面质量的主要影响因素后,可以通过选择合适的材料和厚度避免各类病害。 36、请说明路面结构承载力的基本内涵。对刚性基层沥青路面、半刚性基层沥青路面、柔性基层沥青路面分析路面的实际承载力? 路面结构承载力,是指路面结构在达到预定的损坏状况之前能承受的行车荷载作用次数,或者能使用的年数。 虽然半刚性路面沥青面层的反射裂缝会多于柔性路面,但柔性路面的承载能力明显小于半刚性路面,沥青面层很容易被压坏,且柔性路面的基层与底基层层在车辆荷载作用下的压密变形大于半刚性路面,所有这些都使得柔性路面的路用性能与使用寿命会明显短于半刚性路面。因此,为满足重载交通的要求,高等级公路应来用半刚性路面. 随着经济的发展,道路交通量剧增,汽车轴载日益重型化,许多早期建设的水泥混凝土路面产生了多种破损现象:结构承载能力不足、行车舒适性差、车速难以提高。在近年来县际和农村公路改建和扩建中,为节约工程投资,有效地利用旧水泥混凝土路面,在其上加铺沥青混凝土,以改善其使用性能,刚性基层沥青路面承载能力较大,能承受重载交通。但加铺的沥青混凝土常出现反射裂缝,进而导致面层的开裂和剥落,表面水下渗,造成路面损坏。 37、06.3什么是路面的微观纹理和宏观纹理?分析在潮湿状态下高速和低速运行状态下的抗滑性与微观和宏观纹理间的关系。 微观纹理主要由石料本身的微观构造、石料颗粒形状及棱角构成,沥青胶浆构造和结合料对其也有一定影响。宏观纹理由路面表层的石料的间隙组成, 受路面表层混合料的集料级配、颗粒形状和棱角等影响。路面微观纹理决定基本摩擦力的大小, 粗糙的路面微观纹理有助于增大摩擦力。 在潮湿状态时,在车辆速度较低时, 路面微观纹理对抗滑性能起决定性作用。但在高速行车时, 宏观纹理和微观纹理同时起作用。 宏观纹理的存在能为轮胎与路面界面上的积水提供排泄空间, 保障轮胎与路面间的接触面积。若宏观纹理不足, 行车速度较高, 积水不能及时排出, 则可能由于动水压力的作用而将车轮抬起, 使轮胎与路面完全或部分失去接触。当轮胎与路面完全失去接触时称为水漂, 即使是部分失去接触, 也会由于减少了附着力而使路面摩擦系数大幅衰减。宏观纹理的第二个重要作用是它有利排水而减少溅水喷雾, 提高能见度。宏观纹理的作用是为路表水提供通道,使轮胎下的路表水能迅速排除,让车轮与路表面接触,保证细纹理构造的抗滑能力发挥作用。车速越高,为迅速排除路表水所需的粗纹理深度就越大。车轮的反复作用会使集料表面逐渐磨光,从而使微观纹理构造逐步丧失,路表摩阻系数随时间而下降,即路面抗滑性能随道路的使用而降低。 38、06.7。沥青路面各结构层(路基,半刚性基层,沥青面层)模量的测定方法,分析各结构层模量取值的建议。 (见5) 对于沥青混合料面层及基层材料,其无侧限抗压回弹模量的测试方法是对室内试件采取重复加载卸载,测试其应力应变关系曲线,选取一定压力下的割线模量为最终测试结果。这种测试结果是在试件无侧限的条件下进行的。 39、06.10.可靠度设计方法的意义,评述现行水泥混凝土路面结构设计方法。 路面结构设计参数的变异性,交通荷载的预估偏差,由于水泥混凝土等筑路材料的非均质性和施工偏差, 以及道路在使用期内的环境和荷载条件的变异, 使混凝土路面结构的设计参数具有一定的不确定性。现行规范为定值设计方法, 对这些参数的不确定性未能加以详尽的考虑, 使设计指标的可检验性下降, 给施工控制和质量检验带来很多困难。新规范采用可靠性设计方法, 计入了设计参数变异性的影响, 并根据实际路面损坏状况调查结果对设计方法与实际情况的不相符偏差做了部分修正。 新规范引入了结构可靠度, 改确定性设计方法为可靠性设计方法, 考虑了结构设计参数变异性的影响, 对设计方法与实际情况之间的不相符偏差做了修正, 这对提高设计和施工质量管理水平均有积极意义。 运用结构可靠性理论分析路面结构可靠度。综合考虑材料性质、路面结构(包括几何尺寸和特性)的不均匀性,这种不均匀性导致路面结构的物理力学性能和使用性能具有不确定性,使路面结构设计更符合实际工程要求。 40、已知沥青路面沥青层疲劳寿命表达式为-沥青层模量,请给出获得以应变为指标的轴载换算方法的基本过程(分别说明理论法和现场测定法两种方法的基本过程)。 41、Why is the shape of load contact area used for the design of flexible pavements different from that of rigid pavements?(Please answer in English) As to the rigid pavement, the Chinese new specifications adopt uniform load together with concentrated load as the design load. But in the mechanistic analysis model, we still use the traditional way. In the mechanics analysis model, we simplify the single-axle dual tire load to unit load which contacts on the critical load position in the middle of the board side. As to the flexible pavement, we equal the single-axle with dual-tire load as the equivalent single-axle dual circle load which acts on the following points A/B/C, and mechanistic checking computations 42、What is meant by the mechanistic-empirical method of pavement design? Is it possible to develop a wholly mechanistic method of pavement design? Why? (Please answer in English) 06.11. Mechanistic-empirical design is a method of designing highway pavements. It combines empirical relationships obtained from the field data with theoretical predictions based on the mechanics of materials. This method relates inputs such as traffic, loadings, soil strenght, climate, etc. to the actual pavement response. Currently, the pavement design method being used by most highway authorities is Empirical Design. In Empirical Design, the pavement is designed based on data obtained from the field only. Mechanistic-empirical method is more accurate than the empirical method because the empirical method only relies on the field performance , while the mechanistic-empirical method combines both the field performance and theoretical prediction models. It is important to adopt Mechanistic-based pavement design procedure because it employs more efficient and sophisticated analytical tools and structural analysis models. (开卷) 1、评述“工程师兵团法(CBR)”机场柔性道面设计方法的历史演变、基本公式、厚度设计、参数确定。 2、评述“SHELL柔性路面设计方法”-历史、原理、参数、设计方法、优缺点。 3、评述“我国沥青路面设计方法”-历史、原理、参数、设计方法、优缺点。 4、评述“波特兰水泥协会法刚性路面设计”; 5、评述“中国公路水泥混凝土路面设计方法” 6、评述“AI柔性路面设计方法”-历史、原理、参数、设计方法、优缺点。 7、简述SHRP沥青胶结料选定的基本过程。 8、简述Superpave沥青混合料组成设计中级配及油石比确定的方法。 - 22 - B A C D

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