中美洲瀝青混凝土的路面設(shè)計(jì)方法

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摘要：在道路使用實(shí)踐中，柔性瀝青混凝土路面相對(duì)于水泥混凝土路面的優(yōu)越性越來越明顯，瀝青混凝土路面在國(guó)內(nèi)外高速公路建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本項(xiàng)目結(jié)合哥斯達(dá)黎加32號(hào)公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，詳細(xì)介紹AASHTO瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不同參數(shù)的概念，并結(jié)合哥斯達(dá)黎加規(guī)范進(jìn)行取值，最后用力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：AASHTO；瀝青混凝土路面；設(shè)計(jì)參數(shù)；力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法

世界各國(guó)瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)方法大致可以分為兩類：以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)法；以力學(xué)分析為依據(jù)的理論法[1]。以經(jīng)驗(yàn)法為代表的AASHTO設(shè)計(jì)方法，采用可靠度設(shè)計(jì)，考慮了交通荷載的預(yù)測(cè)與使用性能變量的不確定性，結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)而來，在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。

一、柔性路面AASHTO法設(shè)計(jì)介紹

20世紀(jì)50年代末60年代初在渥太華和伊利諾伊州，通過直接修筑試驗(yàn)路，以實(shí)際行車作用下路況變化的實(shí)測(cè)資料為依據(jù)，建立行車作用和路面實(shí)際工作狀態(tài)的函數(shù)關(guān)系：10101810105.194.21.59.3610.22.328.0710940.41rorPSILogLogWZSLogSNLogMSN（1）W18：設(shè)計(jì)年限內(nèi)18kip（80kN）累計(jì)當(dāng)量軸載作用次數(shù)；Zr：給定可靠度R的正態(tài)偏移；S0：標(biāo)準(zhǔn)離差；SN：路面結(jié)構(gòu)數(shù)；△PSI：服務(wù)能力變化值；Mr：基層、底基層材料為動(dòng)態(tài)回彈模量，路基土為有效土基回彈模量。1．PSI服務(wù)能力指數(shù)和∆PSIPSI是道路使用狀況的現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)。道路在使用的過程中，隨著車輛荷載作用次數(shù)的增加，路面的PSI值會(huì)逐步減小。在道路使用初期PSI定義為P0，道路使用年限末期PSI定義為Pt。0PSIPP（2）AASHTO規(guī)定當(dāng)Pt減小到一定值時(shí)，公路就是失去服務(wù)能力，必須進(jìn)行維修或者翻修。2．累計(jì)當(dāng)量軸載作用次數(shù)W18為計(jì)算道路使用年限內(nèi)的累計(jì)當(dāng)量軸載作用次數(shù)，需先對(duì)當(dāng)前交通量包括交通組成部分進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)，然后根據(jù)交通部門提供的數(shù)據(jù)合理預(yù)測(cè)未來年份的交通量。0ESALADTTTfDL365GY（3）其中：ESAL：當(dāng)量單軸荷載；ADT0：設(shè)計(jì)年限開始時(shí)的日均交通量；T：為貨車在ADT中的百分比；Tf：貨車系數(shù)；G：增長(zhǎng)系數(shù)；D：方向分布系數(shù)；L：車道分布系數(shù)；365：一年天數(shù)；Y：設(shè)計(jì)年限；11YrGYr（4）G：增長(zhǎng)系數(shù)；r：年交通量增長(zhǎng)率。累計(jì)當(dāng)量軸載作用次數(shù)是80KN（18kip）標(biāo)準(zhǔn)軸載的重復(fù)作用次數(shù)。若車輛荷載不是標(biāo)準(zhǔn)軸載，需換算成這種標(biāo)準(zhǔn)軸載，即乘以當(dāng)量軸載系數(shù)（EALF）。當(dāng)量軸載系數(shù)定義為涉及的軸載通過一次引起的路面損害與標(biāo)準(zhǔn)軸載通過一次造成的損害的比值。3．可靠度及標(biāo)準(zhǔn)差可靠度是基于概率統(tǒng)計(jì)的方法，即它對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)因素包括交通量、交通疏散的難度和交通服務(wù)能力等給定一個(gè)均值和方差，使它在設(shè)計(jì)周期期間，達(dá)到預(yù)期功能的概率。應(yīng)用可靠度的概念要求選用能反映當(dāng)?shù)貤l件的標(biāo)準(zhǔn)差。4．路面結(jié)構(gòu)層SN在AASHTO設(shè)計(jì)方法中，HMA、基層和底基層的質(zhì)量性能用其結(jié)構(gòu)數(shù)SN表示。iiiSNaDm（5）其中ia：層位系數(shù)；iD：結(jié)構(gòu)層厚度；im：排水系數(shù)；層位系數(shù)ai是單位厚度的路面材料具有的結(jié)構(gòu)功能。AASHTO通過道路試驗(yàn)確定了它與回彈模量之間的關(guān)系，并給出了相應(yīng)的圖表查詢。因此，確定各層材料的回彈模量成為關(guān)鍵。熱拌瀝青混凝土面層、水泥穩(wěn)定碎石基層、粒料基層、粒料底基層的層位系數(shù)取值分別參照《AASHTO1993路面設(shè)計(jì)指南》[2]中圖2.5、圖2.8、圖2.6及圖2.7。對(duì)于路床有效回彈模量，通過現(xiàn)場(chǎng)探坑實(shí)驗(yàn)確定。中美洲路面設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)路床的回彈模量沒有具體要求，廣泛采用的方法是：1,500RMCBR[3]?？梢酝ㄟ^路床的CBR值來確定其回彈模量。這里值得注意的是以上公式的CBR值應(yīng)當(dāng)小于10%。排水系數(shù)mi是根據(jù)實(shí)際的排水質(zhì)量和材料含水量對(duì)層位系數(shù)進(jìn)行修正的值。根據(jù)哥斯達(dá)黎加相關(guān)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，級(jí)配碎石基層與碎石底基層排水系數(shù)均取0.9。上述公式中，存在兩個(gè)SN，一個(gè)是由公式1-1計(jì)算所得SN*，SN*為滿足ESAL最小結(jié)構(gòu)數(shù)，另一個(gè)SN是由公式1-5計(jì)算所得各路面層總的結(jié)構(gòu)數(shù)SNreq，顯然SNreq大于SN*時(shí)才能滿足路面結(jié)構(gòu)厚度要求SNreq。根據(jù)《AASHTO93路面設(shè)計(jì)指南》[2]厚度設(shè)計(jì)方法通常由頂部開始，詳細(xì)步驟如下：①取基層的回彈模量EBE作為路基土的有效回彈模量MR，由式1-1確定所需的結(jié)構(gòu)數(shù)SN1，并用下式計(jì)算面層的厚度：111D*＞SN/a（6）②取墊層的回彈模量EGB作為路基土的有效回彈模量MR，由式（1-1）確定所需的結(jié)構(gòu)數(shù)SN2，并用下式計(jì)算基層的厚度：221122D*＞（SNaD*/）（am）（7）③取路基土有效回彈模量作為MR，由式（1-1）確定所需的路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN3，并用下式計(jì)算墊層的厚度：331122233D*＞(SN-aD*aD*m/）（am）（8）5．力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法驗(yàn)證疲勞開裂、車轍和低溫開裂是柔性路面破壞的三種主要類型。其中疲勞開裂主要由瀝青混凝土層底的拉應(yīng)變和無機(jī)結(jié)合料層底最大拉應(yīng)力控制，實(shí)驗(yàn)證明它們都與荷載重復(fù)作用次數(shù)有關(guān)。車轍是沿輪跡產(chǎn)生的永久變形或者輪轍深度，它主要由土基頂部的豎向變形控制。哥斯達(dá)黎加常年溫度變化不大，不會(huì)出現(xiàn)低溫，因而本項(xiàng)目不考慮低溫開裂情況。（1）無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料層的疲勞開裂美國(guó)公路合作研究組織NCHRP于2006年基于應(yīng)力比（σt/ER）對(duì)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料的疲勞破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)，疲勞開裂方程如下：1122logtccRfcckENk（9）其中：fN—無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料允許荷載重復(fù)作用次數(shù)；t—無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料最大層底拉應(yīng)力；RE—無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料28d斷裂模量；c1k、c2k—全體標(biāo)定系數(shù)，c1k=0.972，c2k=0.0825；c1、c2—地方標(biāo)定系數(shù)，c1=1.0645，c2=0.9003；另外Scullion模型計(jì)算RE：0.57.31.2BEREE（10）其中EBE為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料層的回彈模量；（2）瀝青混合料的疲勞開裂[4]地瀝青協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)方法中，產(chǎn)生疲勞開裂的允許荷載作用次數(shù)Nf，與HMA底部拉應(yīng)變t和HMA模量E的關(guān)系如下：231ffftNfE（11）其中：fN—瀝青混合料允許荷載重復(fù)作用次數(shù)；t—瀝青混合料層底拉應(yīng)變；E—瀝青混合料動(dòng)模量，式中取1f=0.0796，2f=3.291，3f=0.854。（3）路床頂部永久變形[4]永久變形分析也稱為車轍分析，在地瀝青學(xué)會(huì)和殼牌設(shè)計(jì)方法中，限制車轍的允許荷載作用次數(shù)Nd與土基頂部豎向壓應(yīng)變c的關(guān)系如下：54fdcNf（12）其中：dN：永久變形允許荷載作用次數(shù)；c：土基頂部的豎向應(yīng)變；4f、5f：系數(shù)和冪指數(shù)4f：1.365×10-9，5f：4.477。

二、AASHTO法在哥斯達(dá)黎加32號(hào)路改擴(kuò)建項(xiàng)目的應(yīng)用

1．工程概況哥斯達(dá)黎加是位于赤道北緯10°的位置，屬于熱帶氣候，全年溫差變化不大。32號(hào)路是哥國(guó)最繁忙的主要公路，交通量較大，設(shè)計(jì)使用年限為10年。2．服務(wù)能力指數(shù)根據(jù)AASHTO試驗(yàn)，本項(xiàng)目的初始服務(wù)能力指數(shù)為4.2，最終服務(wù)能力指數(shù)取值2.5。3．累計(jì)當(dāng)量軸載作用次數(shù)ESAL根據(jù)哥斯達(dá)黎加交通部MOPT文件DVOP-6152-07和DVOP-5170-07[5]，貨車系數(shù)的取值為：小汽車0.01，輕型貨車0.02，巴士1.71，兩軸卡車0.63，三軸卡車1.28，五軸卡車2.38。依據(jù)哥斯達(dá)黎加交通部門提供的70150路段2014年日均交通及交通組成，設(shè)計(jì)年限10年的單車道當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)ESAL.4．可靠度及標(biāo)準(zhǔn)差依據(jù)AASHTO93設(shè)計(jì)指南，結(jié)合哥斯達(dá)黎加公路等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，此道路等級(jí)為農(nóng)村主干線，可靠度取90%，標(biāo)準(zhǔn)差取0.45，ZR=-1.282。5．路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN和MR本項(xiàng)目采用水泥穩(wěn)定碎石作為基層。路面結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的參數(shù)主要有：面層HMA回彈模量440,000Psi，層位系數(shù)0.44；水泥穩(wěn)定碎石基層，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度4.0MPa，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)回彈模量680,000psi，層位系數(shù)取0.18；粒料基層，CBR=80%，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)回彈模量取28,000psi，層位系數(shù)0.13；粒料底基層CBR=30%，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)回彈模量取15,000psi，層位系數(shù)0.11；地基土CBR值根據(jù)取樣檢測(cè)結(jié)果取3.4%，以MR=1,500×CBR求得土基回彈模量MR為5,100psi。經(jīng)計(jì)算，70150路段確定瀝青混凝土面層厚度D1為11cm，水泥穩(wěn)定碎石基層D2為20cm，粒料基層（CBR=80%）D3為30cm，墊層（CBR=30%）D4為32cm。各個(gè)結(jié)構(gòu)層厚度均滿足規(guī)范中關(guān)于各結(jié)構(gòu)層最小厚度的要求；6．力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法驗(yàn)證用PITRAPAVE程序分別計(jì)算瀝青混凝土面層層底拉應(yīng)變、水泥穩(wěn)定碎石層底最大拉應(yīng)力以及土基頂部的豎向壓應(yīng)變。經(jīng)驗(yàn)算，瀝青面層、水泥穩(wěn)定碎石基層的疲勞損傷及路床頂部永久變形均能滿足設(shè)計(jì)要求。

三、結(jié)語

綜上所述，根據(jù)確定的參數(shù)，依據(jù)公式1-1可以建立W18和路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN關(guān)系，由W18值確定SN。然后由SN和層位系數(shù)關(guān)系可以確定路面各結(jié)構(gòu)層的厚度，最后依據(jù)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)也存在一些理論上的不足，根據(jù)哥斯達(dá)黎加當(dāng)?shù)氐牧?xí)慣，采用貨車系數(shù)計(jì)算當(dāng)量單軸荷載（ESAL），和美標(biāo)采用當(dāng)量軸載系數(shù)（EALF）相比偏小。若根據(jù)當(dāng)量軸載系數(shù)（EALF）計(jì)算，EALF值取決于所用的破壞準(zhǔn)則，與路面的類型、厚度及破壞時(shí)的最終狀況有關(guān)系。大量的變量相互影響。后期應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)交通量觀測(cè)，根據(jù)不同的荷載組計(jì)算EALF；此外用力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法驗(yàn)證路面結(jié)構(gòu)層厚度時(shí)，采用了PITRAPAVE程序，計(jì)算模型中各層材料采用的本構(gòu)模型均為線彈性，這和水泥穩(wěn)定碎石基層、粒料基層材料性質(zhì)有偏差。若條件許可，應(yīng)對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)層進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用不同的本構(gòu)模型進(jìn)行驗(yàn)算。

參考文獻(xiàn)

[1]何振宇，余武軍.AASHTO瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)方法探討[J].交通科技，2014，3：78-81.

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[3]ManualCentroameticanoparaDiseñodePavimentos[S].2002.

[4]YangHuang（2004），PavementAnalysisandDesign，SecondEdition.

[5]哥斯達(dá)黎加交通部MOPT文件DVOP-6152-07和DVOP-5170-07.

作者:胡曉偉 李永斌 單位:中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司 中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司