AASHTO柔性路面設計法在廠礦道路結構設計中的應用

汪 娟

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223)

瀝青路面設計方法主要分為經驗法和力學—經驗法2類。力學—經驗法應用力學原理分析路面結構在荷載和環(huán)境作用下的力學響應量(應力、應變、位移)，建立力學響應量與路面使用性能之間的關系模型，路面設計按使用要求，運用關系模型完成結構設計。經驗法通過實際觀測試驗路段或使用道路，建立車輛荷載、路面結構和路面使用性能三者之間的關系，主要代表方法為美國加州承載比(CBR)法和AASHTO法[1]。

我國瀝青路面設計方法采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性體系理論，以路表面回彈彎沉和瀝青混凝土層彎拉應力、半剛性材料層彎拉應力為設計指標進行路面結構厚度設計[2]。我國瀝青路面設計規(guī)范存在的主要問題為：設計指標單一；設計指標不可控；理論驗算假定條件不準確；路面材料涉及參數(shù)與實際路用性能缺乏關聯(lián)性等[3]。美國AASHTO瀝青路面結構設計方法是世界上最具影響力的設計方法之一。相比其他一些發(fā)達國家，該設計標準并不是很高[4]。

在2011年度《美國工程新聞記錄》(Engineering News-Record，ENR)全球最大225家國際承包商榜單中，有50家中國內地企業(yè)入圍，完成海外工程營業(yè)額569.73億美元，比2010年增加了12.61%；企業(yè)平均營業(yè)額比2010年增長了21.68%。中國工程公司國際化經營戰(zhàn)略對設計水平的國際化提出了較高要求。引入國際通用的路面設計方法進行廠礦道路設計是我國工程公司國際化發(fā)展的要求。

1 AASHTO瀝青路面結構設計方法

AASHTO瀝青路面設計法采用耐用性指數(shù)(PSI)作為設計指標，取值為0～5，可通過對路面的使用性能進行客觀測量或主觀評價的方法確定[5]。采用單軸軸重(equivalent single axle load，ESAL)18 kip(18 kip≈80 kN) 作為標準軸載。該方法是在大量試驗路段資料的基礎上總結出來的，是一種以經驗為主，以理論分析為輔的設計方法，其表達式為

(1)

表1 設計車道ESAL分配系數(shù)

式中 W18為設計年限設計路段內累計18 kip ESAL當量軸次，106次,W18=DD×DL×W18′，其中 W18′為設計年限內道路雙向累計18 kip ESAL當量軸次，106次；DD為道路單向ESAL分配系數(shù)，當雙向荷載分布不均時，DD=0.3～0.7，當雙向荷載均衡分布時DD=0.5；DL為設計車道累計18 kip當量軸次ESAL分配系數(shù)，見表1[5]；對于基層、底基層，MR為動態(tài)回彈模量；對土基層，MR為有效回彈模量；S0為交通量或使用性能預估的總標準差；ZR為對應設計可靠度R的正態(tài)偏移；△PSI為耐用性指數(shù)減少量，為初始耐用性指數(shù)P0與最終耐用性指數(shù)Pt的差值；SN為路面的結構數(shù)，是材料模量、層位厚度、排水性能的函數(shù)，SN的計算式為

SN=a1D1+a2D2m2+a3D3m3，

(2)

式中 a1、a2、a3分別為面層、基層和底基層材料的層位系數(shù)(Layer coefficient)，取決于材料的類型；D1、D2、D3為面層、基層和底基層的層厚度，inch， 1 inch≈25.4 mm；m2、m3分別為粒料基層和粒料底基層的排水系數(shù)，瀝青混合料及穩(wěn)定處理材料不考慮排水系數(shù)。

為便于計算，根據式(1)繪制諾謨圖，見圖1。

圖1 諾謨圖

2 應用

AASHTO設計方法在廠礦瀝青道路設計中的應用可以分為2種方式。

1)擬定道路各結構層材料，計算各結構層厚度

已知MR和道路結構層各層材料的彈性模量，根據W18和△PSI，計算各結構層厚度。計算方法為：將土基有效回彈模量代入式(1)求得總結構數(shù)；將基層動態(tài)回彈模量代入式(1)求得面層結構數(shù)；將底基層動態(tài)回彈模量代入式(1)求得面層基層結構數(shù)之和，這樣就可分別求得各層結構數(shù)。將各層結構數(shù)代入式(2)即可求各層厚度[3]。

AASHTO方法多使用柔性基層，而目前我國路面多半以半剛性基層、底基層為主，這些材料彈性模量較大，當代入AASHTO的性能方程求解面層結構數(shù)時，往往使得面層厚度小于最小的施工厚度，因此面層厚度還需參考施工最小厚度要求最終確定[6]。

2)擬定道路結構層材料及厚度，驗算設計是否滿足要求

已知某段具體道路的類型、設計使用年限及MR，根據當?shù)亟涷炦x定道路筑路材料及各結構層厚度，采用AASHTO方法驗算厚度是否合理。計算方法為：將MR代入式(1)求得設計總結構數(shù)SND；將筑路材料對應的層位系數(shù)及各層厚度代入公式(2)計算選定道路的實際總結構數(shù)SNR。

若后者大于前者，道路結構層設計可滿足要求；否則，更改所設計的道路結構，更改筑路材料或增加結構層厚度，重新演算直至滿足設計要求為止。

以上2種情況的共同點是均需要確定MR，W18，△PSI。不同點是前者需要確定道路材料的動態(tài)模量。

值得注意的是，AASHTO設計方法諾莫圖中MR的單位為ksi。在實際應用中，若MR的單位為MPa，則需先將單位換算成ksi。具體的換算關系為：1 MPa≈145.038 psi≈0.145 ksi。

在實際工程應用中，廠礦道路形式多采用當?shù)爻Ｓ眯问?。AASHTO設計方法常用于既定經驗設計的驗算。下文將結合工程實際做法，對如何使用AASHTO道路設計方法進行廠礦道路設計驗算做詳細論述。

3 計算實例

表2 車型技術指標

某化工廠年產80萬t尿素及4 776 t副產品。20%的尿素和全部副產品靠汽車運輸出廠。用于產品運輸?shù)能囆蜑镠30，H18，用于檢修的車型為H30，年進廠檢修車輛數(shù)為90輛。車型技術指標見表2。車型軸載圖見圖2。

圖2 車型軸載圖

該化工廠擬采用瀝青道路，設計使用年限為20 a。路面為雙向雙車道，道路結構層自上而下分別為：100 mm瀝青面層，即D1=3.93 inch；200 mm碎石基層，即D2=7.87 inch；200 mm碎石底基層，即D3=7.87 inch。已測得柔性路面路基CBR=7.14。由于各層材料彈性模量未知，且道路結構已確定，采用AASHTO瀝青道路設計法進行驗算。

1) 計算W18

該道路設計為雙向雙車道，按最不利情況DD=1，DL=100%來計算，則

W18= W18′.

由于使用年限載貨車型交通量(車次)=(運輸量/載質量)×2×設計年限，使用年限檢修車型交通量(車次)=進廠檢修車輛數(shù)×2×設計年限，則設計年限內H30空重車交通量(車次)為

設計年限內H18空重車交通量(車次)為

由于工廠的特殊性，產能固定，因此運輸量固定，不考慮交通量的增長。

W18′的計算結果如表3所示。由表3可得，W18= W18′≈2.5×106.

表3 W18′的計算

2)確定路基有效回彈模量MR

AASHTO設計方法用的是土基的有效回彈模量MR。文獻[5]提出其與加州承載比的關系為

MR= 1 500×CBR，

因此，土基的有效回彈模量為MR=10 710 psi ≈10.7 ksi。

3)確定R

不同路面設計推薦的可靠性水平，可見表4[5]。根據本例中道路等級，選擇R=80%。

4)確定標準偏差

表4 瀝青路面可靠性水平

根據AASHTO的規(guī)定，柔性路面的標準差S0為0.45。

5)計算ΔPSI

ΔPSI=P0-Pt.

對于柔性路面，P0=4.2；對于剛性路面P0=4.5。對于大交通量道路，Pt=2.5；對于低交通量道路，Pt= 2.0。則

ΔPSI=P0-Pt=1.7。

6)確定設計結構數(shù)SND

根據圖1，作圖連線確定SND=3.3。

7)確定擬建道路的材料的層位系數(shù)

目前，沒有標準的方法確定材料的層系數(shù)，不同材料可根據不同方法進行確定[7-8]。AASHTO道路試驗中所采用的道路材料的平均值為[5]：瀝青混凝土面層層系數(shù)為0.44；碎石基層層系數(shù)為0.14；沙礫底基層層系數(shù)為0.11。AASHTO法在給出推薦意見的同時，建議使用者根據不同的條件確定。材料的層系數(shù)是材料回彈模量的函數(shù)，且AASHTO法中所要求的回彈模量是動力測試的結果。美國土木工程手冊中，對道路材料的層系數(shù)做了更詳細的規(guī)定。

本設計道路依次為瀝青面層、碎石基層、碎石底基層，則a1=0.44，a2=0.14，a3=0.14。

8)計算實際結構數(shù)

將 D1=3.93、 D2=7.87、D3=7.87、a1=0.44、a2=0.14、a3=0.14代入式(2)計算設計道路的實際結構數(shù)SNR=3.94。

9) 比較實際結構數(shù)SNR及設計結構數(shù)SND

SNR>SND，因此該化工廠道路結構層設計可滿足要求。

4 結語

通過工程實例詳細論述了用AASHTO道路設計方法對所選定的道路材料及結構是否滿足要求進行驗算的方法。AASHTO設計法是歐美國家比較成熟和先進的技術，引進該方法對我國廠礦瀝青路面設計與國際接軌具有積極的意義。但其中的計算公式、參數(shù)的取值和約定具有較強的經驗性，且美國無論路面結構、車輛組成及環(huán)境影響均有特定性，因此，該方法在廠礦道路結構設計中的應用還有待更多的工程實踐的驗證。

參考文獻：

[1]鄧學軍. 路基路面工程[M].北京：人民交通出版社, 2000：377.

[2]中華人民共和國交通部. JTG D50—2006 公路瀝青路面設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社, 2006.

[3]楊永順, 高雪池. 引進和吸收國外瀝青路面設計方法的必要性和可行性[J].華東公路, 2006(3): 3-7.

[4]曾夢瀾, 劉濤, Aaron D Mwanza. 瀝青路面JTJ014與AASHTO設計方法比較[J].中南公路工程, 2004(4 ): 19.

[5]American Association of State Highway and Transportation Officials. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures[K]. Washington, D.C.: American Association of State Highway and Transportation Officials, 1993.

[6]王永勝, 孔永建. AASHTO 瀝青路面結構設計方法在我國的適應性研究[J].北方交通大學學報, 2004,28(4): 58-62.

[7]Hossain M, Habib A, Lat orella T M. Structural Layer Coefficients of Crumb Rubber-Modified Asphalt Concrete Mixtures[J].Journal of the Transportation Research Board, 1997(01) :62-70.

[8]Poloruto M. Procedure for Use of Falling Weight Deflectometer to Determine AASHTO Layer Coefficients[J].Journal of the Transportation Research Board, 2001(1746):11-19.