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第一章
道路工程
第一单元
流量分析
道路设计过程有许多输入。这些输入包括：交通量估计、环境因素和路面结构所有组成部分材料特性评估，包括材料变异性估计和对环境因素的响应。另一个考虑因素是选择给定设施所需的设计可靠性程度。考虑到投资的相对规模和未来维护的成本，高速公路在设计估算中可能需要比二级公路更高的可靠性。本单元详细讨论交通设计输入。其中包括一个可用信息的汇总，以帮助机械经验设计程序的潜在用户或开发人员。
交通
机械经验方法要求将交通输入转化为路面所受复杂荷载过程的简化表示。但也有可能，在设计中考虑以下七个交通因素：①轮胎和车轴配置；②接触压力；③车速；④各重量类别的预期荷载数量；⑤白天和全年的交通分布；⑥多车道公路的跨车道交通分布；⑦特定车道内交通的横向分布。
最理想的解决方案是为设计的特定公路提供这些数据。或者，如果无法获得特定公路的数据，则可能必须使用国家、州或地方交通调查中包含的交通数据。这将在随后讨论。
为了估计特定交通造成的损害，有必要确定在可能受到损害的层的某个临界点上开发的交通重复和应力应用的对应关系。因此，必须确定多车道设施车道间交通的横向布置和分布。
货车车道分布
设计车道内的车辆通道数量与某些临界点的荷载重复次数之间的对应关系取决于使用车道的车辆跟踪。塔拉金表示，卡车的平均中心位置在0以内。12英尺宽车道中心2英尺处，约75%的观察卡车保持在车道中心1英尺范围内的横向位置。他还指出，在这种模式下，在轻微的弯道上，光线的差别是存在的，在两车道和四车道的公路上，光线的位置是大致相同的。
福特伊斯和帕卡德研究了典型卡车车轮横向位置的变化。图1-1显示了这种横向分布。如果本图所示的平滑曲线被假定为代表轮轨中心周围负载区域中心的正态分布，则约9英寸的标准偏差“将产生曲线尾部所示的频率分布。”
对于沥青混凝土路面，分析表明，从轮胎外侧到外侧，沥青混凝土层下侧的应力水平相对恒定。如果我们现在假设典型的双胎间距为14英寸。轮胎的中心到中心以及每个轮胎的有效载荷半径为4英寸，我们可以看到在11英寸内双轮胎的每个通道中，车轮路径*的中心都在 其最大值附近拉紧。在轮轨中心。假设基于Fordyce和Packard曲线的横向位置正态分布，这表明大约80%的所有通道将在轮轨中心处产生这种应变水平。由于二维假设a-bove可被视为最小间距，因此可以合理地假设，这样的荷载作用下的每个通道将在临界位置产生接近最大的应变。剩余的车轮荷载通道将在设计车道的关键位置产生较小的应变水平。
从这一论点可以看出，对于沥青路面，在设计车道上的车轮荷载通道和车轮路径中心处的荷载重复之间使用一对一关系并不是过于保守。对于这种类型的路面，对横向位置变化进行更复杂的处理似乎是不合理的，至少当考虑到从将要使用的交通量估计中可以预期的精度时。
然而，接缝混凝土路面的情况大不相同。现场实测数据和分析结果表明，临界疲劳位置在板坯边缘。这是当板完全支撑时横向裂纹开始的地方（当接缝处出现严重的支撑损失时，角部断裂或对角线裂纹可能在横向裂纹之前首先出现）。另一个潜在的临界位置在横缝处的轮轨上。然而，疲劳损伤研究表明，这很少是临界疲劳点。
卡车车轮的横向分布近似为正态分布，标准偏差约为10英寸。对于设计，临界（边缘）应力的重复次数约为板边缘6英寸范围内卡车车轮荷载的比例。从平板边缘到卡车双轮胎外侧的平均距离应根据对当地类似波特兰水泥混凝土高速公路路面上卡车交通的目视观察进行估算。然后，使用正态分布可以很容易地计算出边缘6英寸范围内的车轮载荷比例。
在缺乏局部特定数据的情况下，可以使用以下一般指导线估计从板边到双卡车轮胎外侧的平均距离。在路肩未铺筑的公路上，8英尺宽的车道平均距离板边缘24英寸。然而，相当多的证据表明，在有铺砌路肩且没有横向障碍物的公路上，卡车行驶到靠近板边缘的地方，平均距离在12到21英寸之间。1956年，美国公路局对两车道混凝土公路上横向卡车分布的研究表明，平均距离为11英寸，然而埃默里1975年对乡村四车道州际公路上卡车交通的研究显示，平均距离为16到18英寸。
车速
为了确定路面部分材料的刚度特性，需要估算车速。加载时间对沥青混合料的刚度特性有重要影响。巴克斯代尔、布朗和麦克莱恩提供了一些指导方针，以说明估算或实验室评估与车速相关的刚性特性所需的加载时间。
McLean的结果说明了垂直压缩应力和水平应力的等效方波载荷脉冲的加载时间随深度的变化。巴克斯代尔的结果被叠加起来进行比较。应该指出的是，两者之间的差异在一定程度上是由于巴克斯代尔的计算是基于三角形荷载形状，而不是麦克莱恩使用的方形荷载形状。尽管存在差异，但结果在相对较近的范围内，并很好地指示了实验室测试中应使用的加载时间。
Notes
[1] This unit discusses traffic design inputs ...这一单兀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设计程序开发者的有用信息。
[2] To estimate damage attributable to specific traffic, it is necessary to hellip;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。
[3] If the smooth curves shown in this figure are assumed to...如果如图中所示的光滑曲线
是描述行车轨迹中心中央负载面积的正态分布，那么大约九英寸的标准偏移也服从图示
曲线的频数分布。
[4] In the absence of locally specific data, an estimate of...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。
练习
- 设计过程的输入是什么？选择一个来解释它如何影响设计过程。
- 路面设计中应考虑哪些交通因素？你认为哪个最重要，为什么？
- 接缝混凝土路面的两个关键疲劳位置在哪里？
第二单元
土壤和颗粒材料
土壤是天然材料，比用于路面结构的人工混合料具有更多的可变特性，无论是粘结的还是未粘结的。路基的机械性能，无论是路堑还是填方，对路面的设计都有着重要的影响，因为后者本质上是为了保护前者免受过度的应力的影响。
基层和底基层中使用的颗粒材料的成分在一定程度上受到控制，但现行英国规范的性质是，例如，不使用密度检查，机械性能可能有很大变化。在许多国家，更严格的控制受到影响，特别是在颗粒基层仅覆盖有中等厚度沥青材料的地方，因此其性能是路面性能的控制因素。
鉴于土壤和颗粒材料的可变性，它们的机械性能不如沥青材料以预测形式表现出来并不奇怪。同样，一般的行为模式和影响它们的重要变量已经确定，这些将在下面进行回顾。
非线性
沥青材料的刚度或弹性模量主要取决于温度和加载时间。由于沥青材料在动态条件下基本上是线性弹性的，除了刚度有所降低的高应力水平外，应力水平并没有作为路面设计的一个特别重要的变量进行讨论。这种行为在很大程度上是沥青粘合剂性能的函数。另一方面，未结合的骨料和土壤通常在其孔隙空间中含有水，其影响是相当不同的，因为它不能像双黏结剂那样直接提供抗剪切变形的能力。这类材料与沥青材料在响应上最重要的区别在于，土壤和颗粒材料具有明显的非线性。它们的应力-应变曲线确实是曲线，由此产生的弹性模量与应力非常相关。
土壤和颗粒材料的非线性可以用图1-2中的曲线简单地表示。考虑一个重复荷载三轴试验，在该试验中，在不同的静态围压应力下，一系列的规格，甚至一个试样（如果应力不太高）承受不同程度的重复偏应力。式（1-1）表明，作为割线模量的弹性模量（Er）将同时受到去应力（q）和围压应力（a3）的影响。
图1-2土壤和颗粒材料非线性的一般表示
一般来说，模量取决于剪切应力（q/2）和平均法向应力（与围压有关的应力）
这两种基本类型的应力的相对影响在很大程度上取决于材料和试验条件，这些将在以下章节中讨论。
粘性土弹性模量的应力依赖性的非线性如图1-3所示。这些试验对具有不同固结应力历史的饱和粉质粘土样品进行，从正常固结到超固结比为20关系式为
式中=初始有效围压；gr=循环偏应力；K和n=取决于土壤类型的常数。
图1-3饱和粉质粘土弹性模量与应力的关系
在反复荷载作用下，永久应变的发展不仅取决于所施加的偏应力（q），而且还取决于土的应力历史。粉质粘土在正常固结和严重超固结时的对比行为。压实的、部分饱和的土壤表现出与正常固结情况相当相似的特性。
一些研究者报告了一个临界偏应力（qr）或应力区，即材料最终会失效的区域，低于该区域样品不会失效。此外，反复加载下的破坏剪应力约为常规静态不排水试验条件下的70%。
对于严重超固结粘土，未达到明确的破坏条件，但应变水平约为正常固结情况下的两倍。
路面设计过程需要有关永久应变和施加应力的详细信息，以便在另一个单元中概述详细的变形预测程序。蠕变试验和沥青材料的蠕变试验一样，为更容易获得此类数据提供了潜在的帮助。海德和布朗的研究表明，通过蠕变试验可以合理地预测重复加载条件下的永久应变率。
或者，Monismith等人提出了一个框架，如果可以使用重复加载设施，则可以使用该框架。结果表明，给定循环次数后的永久应变（ep）与偏应力之间存在双曲线方程关系
其中I和m是常数，取决于土壤类型，可能是吸力或有效应力。此外，在重复加载过程中，永久应变的积累遵循一个简单的指数规律
其中N是应力应用的数量，A和b可以通过实验确定。
设计良好的路面下的路基应力可能很低，因此，不太可能出现破坏问题。
永久应变也可以很小，式（1-4）的关系给出了一种从较高应力和应变水平下的试验数据预测此类应变的方法，这种方法更加可靠。
粒状材料
弹性应变
在本讨论中，颗粒材料包括用于基层和底基层施工的未粘结骨料和非粘性土壤。对于粘性土，加载频率对弹性应变没有影响，在合理的加载次数后，在亚破坏条件下，应变平衡水平会发展。
颗粒材料的非线性通常由结果来表示。这显示了一个定义良好的表单关系
Where theta;= 三轴试验的主应力之和为 sigma;１＋２sigma;３＝ｑ＋３sigma;３
Ｋ１，Ｋｓ＝主要取决于材料的常数
最近的研究表明，弹性行为比公式（1-5）所示的要复杂得多，但在远离失效的条件下，这个公式似乎是合适的。它已被纳入使用有限元或分层系统的路面结构非线性分析程序中。根据公式（1-1），颗粒材料的弹性模量强烈依赖于法向应力，但相对独立于剪应力水平。
泊松比取决于主应力比或平均法向应力（p=0/3）的比值，其关系由有效应力而非总应力的使用得到了更好的定义。其大小随qj p的增大而增大，但其值为0.3被认为适用于简单的设计计算。
弹性模量和泊松比的应力相关方程的精确形式取决于骨料级配、密度、颗粒形状、纹理和水分条件。通常，较高密度产生较高的弹性模量，圆形骨料对法向应力的依赖性大于角形骨料。
水分在颗粒材料中的作用尚未明确定义，但它似乎仅限于通过吸力或孔隙压力对有效应力的影响。有效应力方面的结果表明，含水量对本构方程影响不大。
由于能够达到的密度取决于支撑材料的刚度，所以路面中颗粒材料的可能反应是复杂的。尽管如此，由于拉伸应力在该区域的发展趋势，其非线性和缺乏拉伸强度导致朝向层底的模量非常低或为零。颗粒材料和路基土的各种组合的波传播试验表明，就设计目的而言，两层之间的模数比约为2.5适用于线弹性分析。这反映了颗粒层的有效模量及其对其他层的影响。它不适合用于计算颗粒层本身的应力和应变，为此，应进行非线性分析，这一点将在本单元的末尾讨论。由于能够达到的密度取决于支撑材料的刚度，所以路面中颗粒材料的可能反应是复杂的。尽管如此，由于拉伸应力在该区域的发展趋势，其非线性和缺乏拉伸强度导致朝向层底的模量非常低或为零。颗粒材料和路基土的各种组合的波传播试验表明，就设计目的而言，两层之间的模数比约为2.5适用于线弹性分析。这反映了颗粒层的有效模量及其对其他层的影响。它不适合用于计算颗粒层本身的应力和应变，为此，应进行非线性分析，这一点将在本单元的末尾讨论。
永久应变
永久应变说明了充分排水的重要性，在排水试验中，平衡应变在大约104次循环后发展，除非应力水平接近失效状态。对于不推荐用于道路施工的级配不良的单粒径材料，即使经过大量循环，永久应变仍会继续累积。这个平衡应变的值取决于/的比值，由于允许排水，实际上是有效应力。如果前者等同于后者的平均值，则两个静态循环的围压应力都会得到类似的结果。
巴克斯代尔测试了一系列颗粒材料和集料-土壤混合物，从中可以明显看出，如果需要低变形，细料的百分比不应超过提供高密度所需的百分比。他还确定了上述类型的双曲线应力应变曲线对粘性土的有效性。为了在路面环境中比较他的材料，巴克斯代尔使用了“车辙指数”，其定义为颗粒层上下半部分中心的永久应变之和乘以。这些数字是基于在路面结构非线性分析所指示的应力条件下，在重复荷载三轴试验中次重复荷载后的应变。标准类型
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