瀝青路面設(shè)計(jì)方法

孫 奕 孟祥欣 余耀威

(1.沈陽(yáng)市公路建設(shè)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110011;2.沈陽(yáng)公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧沈陽(yáng) 110168;3.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116000)

1 簡(jiǎn)介

瀝青路面設(shè)計(jì)方法最初為古典法，后來經(jīng)過不斷的發(fā)展，逐漸形成了目前被大多數(shù)國(guó)家采用的經(jīng)驗(yàn)法和力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法兩大類設(shè)計(jì)法。經(jīng)驗(yàn)法主要依賴于試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際的路面使用情況以及相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn);而力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法建立力學(xué)模型，在考慮實(shí)際的道路環(huán)境、交通荷載以及材料特性等因素之后，把理論分析與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，計(jì)算并設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)［1］。

本文簡(jiǎn)要介紹經(jīng)驗(yàn)法中的CBR法和AASHTO法及力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法中的Shell設(shè)計(jì)法和AI設(shè)計(jì)法。

2 經(jīng)驗(yàn)法

經(jīng)驗(yàn)法通過對(duì)試驗(yàn)路或使用道路的試驗(yàn)觀測(cè)所得的大量數(shù)據(jù)結(jié)果的整理分析，建立起荷載與路面結(jié)構(gòu)以及路面性能之間經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，使用此經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中最典型的兩種為CBR法和AASHTO法。

2.1 CBR 設(shè)計(jì)法

加州承載比CBR(California Bearing Ratio)法，是美國(guó)加利福尼亞州提出的一種評(píng)定基層材料承載能力的試驗(yàn)方法。CBR法是美國(guó)加州工程師Porter在1929年提出的。CBR設(shè)計(jì)法用材料抵抗局部荷載壓入變形的能力來表征材料的承載能力，并且設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)碎石的承載能力為標(biāo)準(zhǔn)，以材料的承載能力與標(biāo)準(zhǔn)碎石的承載能力的比值百分?jǐn)?shù)作為CBR值。CBR值后來也被用于評(píng)定土基的強(qiáng)度。通過CBR試驗(yàn)得出路面的CBR值，再結(jié)合路面的實(shí)際狀況，可以得到CBR值與實(shí)際交通荷載以及路面結(jié)構(gòu)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并依此來進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［2，3］。CBR法對(duì)于后來的瀝青路面設(shè)計(jì)方法最大的貢獻(xiàn)就是提出了CBR值作為表征路基土和路面材料的力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)指標(biāo)［4］。因?yàn)榇朔椒ㄓ斜容^完善的圖表來確定瀝青路面厚度，應(yīng)用時(shí)非常便捷，所以受到了眾多工程技術(shù)人員的歡迎。美國(guó)陸軍工程兵部隊(duì)在二戰(zhàn)時(shí)曾采用CBR法，日本目前所采用的瀝青路面設(shè)計(jì)方法也是參照了CBR法制定的，而且目前CBR法仍然是美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)的機(jī)場(chǎng)瀝青路面設(shè)計(jì)方法。但是，CBR設(shè)計(jì)法也有很大的局限性。CBR值不能直接度量材料的承載能力，因?yàn)樗鼪]有直接的理論依據(jù)，僅僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的指標(biāo)。而且在實(shí)際使用中，路基土的工作狀態(tài)通常是處于彈性范圍內(nèi)的，但是CBR值卻不能有效的反映彈性變形［5］。

2.2 AASHTO 設(shè)計(jì)法

AASHTO法是根據(jù)20世紀(jì)50年代末60年代初在渥太華和伊利若斯州進(jìn)行的大規(guī)模道路試驗(yàn)的結(jié)果得到的。AASHTO設(shè)計(jì)委員會(huì)于1961年先提出暫行設(shè)計(jì)指南，現(xiàn)已有1972年修訂版，1986年版和1993年版以及200X版。對(duì)于路基土的性質(zhì)，AASHTO法主要考慮其回彈模量。AASHTO法提出了結(jié)構(gòu)數(shù)的概念，它是反映路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱的指標(biāo)，反映了路面各結(jié)構(gòu)層層位、材料及厚度與路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。AASHTO法最大的貢獻(xiàn)是首次提出了現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)(PSI)的概念，反映路面的實(shí)際狀況以及使用性能。由大約5人～10人的評(píng)分小組進(jìn)行評(píng)定后，綜合考慮小組的主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)而得到的評(píng)分，即為PSI值，以此來量化的反映路面的實(shí)際狀況［6，7］。AASHTO法采用的設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)為使用年限末的路面現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)。AASHTO法建立了不同軸載之間的等效關(guān)系，使軸載大小與交通量大小對(duì)路面的作用建立了合理的關(guān)系，解決了之前設(shè)計(jì)方法中一直難以解決的交通荷載問題。提出了路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN與加權(quán)軸載通過次數(shù)N之間關(guān)系的基本方程。初步確定了不同路面層材料的結(jié)構(gòu)層系數(shù)，還引進(jìn)了地區(qū)系數(shù)的概念，給以后的設(shè)計(jì)方法提供了有益的啟發(fā)。但是，PSI只能反映路面的使用性能狀態(tài)，不能準(zhǔn)確描述路面的結(jié)構(gòu)性損壞。AASHTO法沒有考慮路面的維修改造內(nèi)容，而且試驗(yàn)當(dāng)時(shí)所考慮的交通荷載也不能和現(xiàn)在的交通量相比［8］。

3 力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法

力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法首先將路面簡(jiǎn)化為理想的結(jié)構(gòu)圖式或力學(xué)模型，并將行車荷載和環(huán)境因素的作用典型化，即轉(zhuǎn)化為代表值或等效當(dāng)量值，采用結(jié)構(gòu)分析理論(如層狀彈性體系理論等)和計(jì)算方法(有限元等)，建立起荷載作用和路面結(jié)構(gòu)反應(yīng)之間的計(jì)算模型和公式，作為分析各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量對(duì)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)的依據(jù)，按設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)。而設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)參數(shù)的選取，則是通過實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理、修正得來。其中最為著名的有殼(Shell)法和美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)(AI)法［6，7］。

3.1 Shell設(shè)計(jì)法

1962年，殼牌公司提出以彈性層狀體系代表路面結(jié)構(gòu)，計(jì)算分析圓形均布荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移值，把面層底部的拉應(yīng)變以及路基頂面的壓應(yīng)力或壓應(yīng)變作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，分別控制疲勞開裂和車轍［6］。對(duì)于路面結(jié)構(gòu)以及材料，Shell法所考慮的參數(shù)主要有各層的厚度，材料的動(dòng)態(tài)模量、泊松比以及體現(xiàn)材料粘彈性性質(zhì)的勁度模量。路基動(dòng)態(tài)模量可以用動(dòng)態(tài)彎沉試驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，也可以在室內(nèi)通過三軸試驗(yàn)測(cè)定。如果受試驗(yàn)條件限制，也可以用CBR試驗(yàn)法或承載板試驗(yàn)法，并結(jié)合以往相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。溫度等環(huán)境因素的影響體現(xiàn)在其對(duì)瀝青混合料模量的影響上［9］。取瀝青層底部和路基頂部的輪中心點(diǎn)下方和輪際中心點(diǎn)下方兩處為計(jì)算應(yīng)力與應(yīng)變的最不利位置。Shell設(shè)計(jì)法的兩項(xiàng)控制標(biāo)準(zhǔn)分別如下:其中，Nf為累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用次數(shù);Vbit為結(jié)合料的體積比;Smix為瀝青的勁度模量。瀝青層永久變形為:Δh1－i=Cm×h1－i×(Z × δ0)/Sm－i。其中，Z 為應(yīng)力分布系數(shù);δ0為軸載壓應(yīng)力;Sm－i為第i層的勁度模量;Cm為修正系數(shù)，在Shell路面設(shè)計(jì)手冊(cè)中可以查得［10］。

3.2 AI設(shè)計(jì)法

AI即美國(guó)地瀝青協(xié)會(huì)。AI設(shè)計(jì)法沒有考慮水平荷載，路面模型為雙圓垂直荷載下的多層彈性體系。路基土的泊松比為0.45，其他材料的泊松比為0.35。對(duì)于路基土和粒料材料，考慮其回彈模量;對(duì)于瀝青混合料，則考慮其動(dòng)態(tài)模量。以溫度對(duì)瀝青混合料勁度模量值的影響來體現(xiàn)環(huán)境因素的影響［6，7，11］。

與Shell法相同，AI法所采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也是控制疲勞開裂的瀝青層底部的水平拉應(yīng)變和控制永久變形的土基表面的豎向壓應(yīng)變［12］。AI法設(shè)定瀝青占總體積的11%，空隙率為5%的混合料為標(biāo)準(zhǔn)混合料，并給出了其疲勞方程:Nf=0.001 5(εθ)－3.291|E*|。其中，Nf為允許荷載重復(fù)作用次數(shù);|E*|為動(dòng)態(tài)模量。非標(biāo)準(zhǔn)混合料的疲勞方程則可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的疲勞試驗(yàn)結(jié)果修正為:Nf=0.001 5(εθ)－3.291|E0.854|C。其中，C 為瀝青混合料的空隙率與瀝青體積率的函數(shù)。C=10M。M=4.84［Vb/(Va+Vb)－0.6875］?？刂栖囖H的允許荷載重復(fù)作用次數(shù)可由Nd=1.365×10－9(εz)－4.477計(jì)算。

4 目前我國(guó)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法

目前我國(guó)的瀝青路面設(shè)計(jì)采用力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法，以雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性體系為計(jì)算模型，各層面之間的接觸狀況按照連續(xù)體系處理。在彈性層狀體系理論的基礎(chǔ)上，以路表回彈彎沉值和整體性材料層底彎拉應(yīng)力為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。路表回彈彎沉表征了路面整體的強(qiáng)度與剛度特性，整體性材料層底的彎拉應(yīng)力則用來控制疲勞開裂。路表回彈彎沉的計(jì)算點(diǎn)選在輪隙中心點(diǎn)，瀝青混凝土面層和半剛性材料層底拉應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)的位置為單圓中心點(diǎn)、單圓半徑的1/2點(diǎn)、單圓內(nèi)側(cè)邊緣點(diǎn)以及雙圓間隙中心點(diǎn)［13］。設(shè)計(jì)時(shí)，首先以路表回彈彎沉作為首要指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再用瀝青混凝土面層和半剛性材料層底彎拉應(yīng)力來驗(yàn)算并加以修正。交通荷載采用重量為100 kN的雙輪組單軸軸載為標(biāo)準(zhǔn)軸載。在計(jì)算中，各層材料的模量均采用不利季節(jié)的抗壓回彈模量。瀝青混凝土和半剛性材料的抗拉強(qiáng)度采用劈裂試驗(yàn)得到的劈裂強(qiáng)度。

5 建議

通過國(guó)內(nèi)外瀝青路面設(shè)計(jì)方法的簡(jiǎn)介、對(duì)比，借鑒國(guó)外的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)我國(guó)的設(shè)計(jì)方法，提出以下建議:1)我國(guó)的設(shè)計(jì)方法中采用的模量都是靜態(tài)下的，由于路面實(shí)際所受荷載大多數(shù)情況下是移動(dòng)的車輛荷載，所以在計(jì)算中為了更接近實(shí)際情況，可以考慮采用動(dòng)態(tài)模量。2)我國(guó)的設(shè)計(jì)方法中采用Shell法的多層連續(xù)彈性層狀體模型，但是實(shí)際上層間接觸并不一定是完全連續(xù)的，可以考慮更改模型中的接觸條件。如果難以完成，參照經(jīng)驗(yàn)法的部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)然后回歸分析可能是一個(gè)解決此問題的方向。3)在設(shè)計(jì)中，對(duì)于路面的損壞控制不應(yīng)該僅限于整體強(qiáng)度與剛度特性和疲勞開裂這兩個(gè)方面，可以參照AASHTO經(jīng)驗(yàn)法的PSI指標(biāo)，對(duì)于路面病害、損壞程度和服務(wù)能力做出一套更為細(xì)化、更貼近實(shí)際使用情況的描述和相關(guān)的控制指標(biāo)。

［1］姚祖康.對(duì)國(guó)外瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的評(píng)述［J］.公路，2003(3):14-15.

［2］朱照宏，許志宏.柔性路面設(shè)計(jì)理論和方法［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1985.

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［6］張起森，韓春華.美國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法的發(fā)展［J］.中外公路，2002(5):3-5.

［7］沈金安.國(guó)外瀝青路面設(shè)計(jì)方法總匯［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［8］孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.

［9］姚祖康.公路設(shè)計(jì)手冊(cè)——路面［M］.北京:人民出版社，1992.

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［11］The Asphalt Institute Thickness Design-Asphalt Pavements for Highways and Streets，Manual Series No.1(MS-1)，1981:9.

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［13］JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.