AASHTO瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)方法探討

何振宇 余武軍

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056）

世界各國瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)方法大致可以分為2類：①以試驗(yàn)為依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)法；②以力學(xué)分析為依據(jù)的理論法。我國現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》以設(shè)計(jì)彎沉及材料容許拉應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)，采用基于層狀彈性理論的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，屬于理論法。而以經(jīng)驗(yàn)法為代表的AASHTO設(shè)計(jì)方法，采用可靠度設(shè)計(jì)，考慮交通荷載預(yù)測與使用性能變量的不確定性，結(jié)合大量試驗(yàn)路段經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)而來，作為世界上最具影響力的設(shè)計(jì)方法之一，不僅在美國得到廣泛應(yīng)用，而且在歐洲、日本、加勒比海地區(qū)的使用也證明了其合理性。

1 AASHTO設(shè)計(jì)方法簡介

AASHTO瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法通過使用性能方程將路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其使用性能評(píng)價(jià)及預(yù)測結(jié)合起來，該設(shè)計(jì)方法是在大量試驗(yàn)路段資料的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，表達(dá)式為

式中：W18為設(shè)計(jì)年限內(nèi)18×103lb（80 k N）累計(jì)當(dāng)量軸次；ZR為對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)可靠度R的正態(tài)偏差；SN為路面的結(jié)構(gòu)數(shù)；S0為交通量或使用性能預(yù)估的總標(biāo)準(zhǔn)差；ΔPSI為使用性能期內(nèi)路面服務(wù)能力指數(shù)的變化量；MR對(duì)于基層、底基層材料為動(dòng)態(tài)回彈模量，對(duì)于土基為有效回彈模量。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 交通量

（1）標(biāo)準(zhǔn)軸載?；诜治銎趦?nèi)預(yù)測累計(jì)18×103l b（80 k N）等效單軸荷載（ESAL）作用次數(shù)（W18）。

（2）軸載換算。瀝青路面交通量換算分析按式（2）計(jì)算。

式中：Fj為荷重當(dāng)量因子；ax為標(biāo)準(zhǔn)車輛計(jì)算應(yīng)力或軸重、輪重；ai為各種車輛的壓力或軸重、輪重。例如單軸重8 000 l b換算為18 000 l b單軸重的荷重因子為

（3）分析期內(nèi)設(shè)計(jì)車道的標(biāo)準(zhǔn)軸次，按式⑶計(jì)算［1］：

式中：ESALD為分析期內(nèi)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次；X為設(shè)計(jì)年份；AADT為年每日平均交通量；T24為24 h周期內(nèi)重型貨車百分比；DF為方向分布系數(shù)。單車道取1，雙車道取0.5；LF為車道分布系數(shù)，可以使用式 （4）計(jì)算。

如果是雙車道，LV＝0；如果是3車道或以上，LV＝1。

E18為等價(jià)系數(shù)，可根據(jù)表1確定E18數(shù)值。

表1 不同類型公路等價(jià)系數(shù)E 18

2.2 可靠度（R）

可靠度是指在設(shè)計(jì)時(shí)加上一定程度的保證率以確保設(shè)計(jì)方案可以持續(xù)整個(gè)分析期的方法。目標(biāo)可靠度（R）可以按照不同功能分級(jí)的道路，參照有關(guān)規(guī)定選用。其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏差ZR可根據(jù)表2選取。

表2 不同可靠度的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏差Z R

標(biāo)準(zhǔn)偏差S0取值視當(dāng)?shù)鼐唧w條件而定，但根據(jù)AASHTO試驗(yàn)路誤差分析結(jié)果，建議瀝青路面選取0.45的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該特別注意，由于引入了可靠度參數(shù)，對(duì)其他各項(xiàng)材料及交通參數(shù)應(yīng)該使用平均值作為該值的最佳估計(jì)而不應(yīng)該使用保守值。

2.3 設(shè)計(jì)年限及服務(wù)能力

根據(jù)擬建道路功能等級(jí)不同，在瀝青路面設(shè)計(jì)中道路的設(shè)計(jì)年限從10～50年不等，根據(jù)各項(xiàng)目特定的條件和制約因素，設(shè)計(jì)年限的確定應(yīng)著重考慮：項(xiàng)目建設(shè)初始資金、壽命周期費(fèi)用、有關(guān)管理部門依據(jù)政策和經(jīng)驗(yàn)期望的年限及其他一些工程因素。

路面耐用性指數(shù)PSI作為衡量路面使用性能的指標(biāo)，其值主要受路面不平整度、裂縫與修補(bǔ)面積、車轍量3者的影響而變化，一般認(rèn)為瀝青路面剛修好的初始服務(wù)能力指數(shù)（PI）為4.2，最終服務(wù)能力指數(shù)（PT）是建立在公眾接受能力的基礎(chǔ)上確立的，主要公路（PT）推薦值為2.5或更高值，次要公路（PT）推薦值2.0。一旦確定了PI和PT，就可以用式（5）確定服務(wù)能力總的變化。

2.4 有效土基回彈模量

確定土基有效回彈模量，研究人員將1年分成若干間隔，在這些期間內(nèi)分別動(dòng)態(tài)地測得路基土的回彈模量，確定路基土的設(shè)計(jì)模量：

式中：m為1年內(nèi)測定的間隔數(shù)，若半個(gè)月測定1次，則取為24；MRj為每個(gè)間隔期內(nèi)測得的回彈模量，MPa。式（6）計(jì)算得到的MR稱為路基土的有效回彈模量，以此作為設(shè)計(jì)模量。如果是海外工程，在當(dāng)?shù)夭牧限k公室能查得MR數(shù)值。如果是用于國內(nèi)項(xiàng)目驗(yàn)算、復(fù)核，由于AASHTO中MR為動(dòng)態(tài)模量，我國瀝青路面計(jì)算方法中E0為靜態(tài)模量，則應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。國內(nèi)外學(xué)者通過研究，建立了土基回彈模量與加州承載比CBR之間的關(guān)系，如Heukelo m和Klo mp等人指出，MR與加州承載比CBR的關(guān)系為［2］

我國長安大學(xué)的研究人員的研究結(jié)果表明，E0和CBR之間的關(guān)系為

由以上2式可以得出土基的動(dòng)態(tài)模量和靜態(tài)模量是2倍的關(guān)系。

3 路面結(jié)構(gòu)組合

AASHTO設(shè)計(jì)指南中推薦了4種類型的瀝青路面結(jié)構(gòu)組合［3－4］。

3.1 無結(jié)合料粒料基層路面

（1）瀝青層＋級(jí)配碎石基層＋級(jí)配碎石底基層。

（2）瀝青層＋級(jí)配碎石基層＋未篩分礫石材料底基層。

3.2 全厚式瀝青路面

適合于路基土MR大于62 MPa的任何交通量道路。

3.3 瀝青穩(wěn)定碎石基層

（1）瀝青層＋廠拌瀝青碎石＋未篩分礫石材料底基層。

（2）瀝青層＋廠拌瀝青碎石＋級(jí)配碎石底基層＋未篩分礫石材料底基層。

（3）瀝青層＋路拌瀝青碎石＋未篩分礫石材料底基層。

（4）瀝青層＋路拌瀝青碎石＋級(jí)配碎石底基層＋未篩分礫石材料底基層。

3.4 水泥穩(wěn)定碎石基層

（1）瀝青層＋水穩(wěn)基層＋未篩分礫石材料底基層。

（2）瀝青層＋水穩(wěn)基層＋級(jí)配碎石底基層。

（3）瀝青層＋水穩(wěn)基層＋處治路基土。

每種路面組合的適用范圍不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)交通量、設(shè)計(jì)時(shí)速、土基回彈模量、氣候條件、施工條件、養(yǎng)護(hù)條件等因素的不同，因地制宜，經(jīng)濟(jì)適用地進(jìn)行選取。

4 路面結(jié)構(gòu)數(shù)（SN）和層位系數(shù)

路面結(jié)構(gòu)數(shù)（SN）為層位系數(shù)、層厚、排水系數(shù)的函數(shù)，其表達(dá)式為

4.1 層位系數(shù)

不同材料對(duì)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)承載力的貢獻(xiàn)是通過其層位系數(shù)來表征的。層位系數(shù)可以通過與材料性質(zhì)有關(guān)的試驗(yàn)曲線或關(guān)系式確定［5］。

（1）瀝青混凝土面層層位系數(shù)a1，可按它與該材料的彈性（回彈）模量Eac關(guān)系曲線（見圖1）查取，或根據(jù)函數(shù)關(guān)系式（10）確定。

圖1 瀝青混凝土面層層位系數(shù)a 1與該材料彈性模量E ac的關(guān)系曲線

（2）瀝青處治基層的層位系數(shù)a2，可按它與該材料的彈性（回彈）模量Ebs或馬歇爾穩(wěn)定度的關(guān)系，查圖2確定。

圖2 瀝青處治基層層位系數(shù)a 2與該材料彈性模量E bs和馬歇爾穩(wěn)定度的關(guān)系

（3）水泥處治基層的層位系數(shù)a2。可按它與該材料的彈性（回彈）模量Ebs或7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的系，查圖3確定。

圖3 水泥處治基層層位系數(shù)a 2與該材料彈性模量E bs和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

（4）粒料基層的層位系數(shù)a2。可按它與該材料的彈性（回彈）模量Ebs（psi）的關(guān)系式（11）確定：

（5）粒料墊層的層位系數(shù)a3。可按它與該材料的彈性（回彈）模量Ebs（psi）的關(guān)系式（12）確定：

（6）排水系數(shù)m2，m3為粒料基層和粒料底基的排水系數(shù)，取1.2，瀝青混合料及穩(wěn)定處理材料不考慮排水系數(shù)。

4.2 層厚的選取

通過式（1）代入各參數(shù)通過自編公式確定路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)數(shù)（SN），然后根據(jù)式（9）確定路面各層厚度，該結(jié)構(gòu)組合將提供相應(yīng)于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)數(shù)的承載力。但是由于式（9）并沒有惟一解，有很多種層厚組合能滿足方程，所以在選擇合適的路面層厚時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮施工成本及養(yǎng)護(hù)成本，以避免不切實(shí)際的設(shè)計(jì)。

（1）最小厚度的規(guī)定。瀝青混凝土面層和粒料基層最小厚度，參照表3中的規(guī)定。

表3 最小厚度

（2）各結(jié)構(gòu)層厚按圖4由上到下確定。

圖4 確定各結(jié)構(gòu)層厚度的步驟

5 設(shè)計(jì)步驟

采用AASHTO設(shè)計(jì)方法確定瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層厚度步驟如下：

（1）確定設(shè)計(jì)年限。

（2）確定設(shè)計(jì)常量，如標(biāo)準(zhǔn)偏差S0，初始服務(wù)能力指數(shù)PI，最終服務(wù)能力指數(shù)PT，服務(wù)能力總的變化ΔPSI。

（3）確定設(shè)計(jì)變量，如交通量、回彈模量、可靠度、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏差。

（4）根據(jù)所選取的材料力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，確定層系數(shù)。

將式（2），（3）條中數(shù)據(jù)代入式⑴中計(jì)算，可得到路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN，將SN和確定的層系數(shù)代入式（9）中就可以得到相應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)組合。

6 巴哈馬機(jī)場高速公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果

（1）項(xiàng)目條件。雙向4車道，設(shè)計(jì)車速55 k m／h，設(shè)計(jì)壽命20年，累計(jì)交通量70×106輛，MR＝80 MPa。

（2）根據(jù)自編公式可得SN＝10.3（3）計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 項(xiàng)目路面設(shè)計(jì)成果表

7 結(jié)語

通過采用2種設(shè)計(jì)方法對(duì)比驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，雖然AASHTO路面設(shè)計(jì)方法與我國的瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)方法在理論上有著本質(zhì)的區(qū)別，但是兩者的設(shè)計(jì)結(jié)果還是高度相關(guān)，最重要的區(qū)別體現(xiàn)在可靠度上。在排水條件相同的情況下，我國的規(guī)范設(shè)計(jì)結(jié)果與AASHTO設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)差S0＝0.50、可靠度R＝90%大體相當(dāng)。

［1］ State of florida depart ment of transportation.Flexible pavementdesign manual［S］.Fdot Pavement Management Office，2008.

［2］ 王永勝，孔永健.AASHTO瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在我國的適用性研究［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（4）：36-62.

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

［4］ 李美玲，冉 晉，任瑞波.基于FWD的瀝青路面結(jié)構(gòu)單層模量反算研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2011（2）：365-369.

［5］ 李 剛，張留俊，丁小軍.基于AAST HTO的瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)方法［J］.公路，2008（9）：143-146.