中、美、歐路面設計規(guī)范中路基強度要求比較

彭 燃，韓 冰

中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230

導語：

路基強度是路面強度的基礎，為借鑒其他地區(qū)規(guī)范的優(yōu)缺點，本文對中美歐三地區(qū)規(guī)范從設計原理，強度控制指標，實際施工驗收指標等方面進行比較，筆者認為只有法國規(guī)范能夠將設計理念與實際施工指標相統(tǒng)一，建議中國規(guī)范將回彈模量納入驗收指標。

01

我國道路設計方法在發(fā)展早期中借鑒了美國，日本，殼牌多個國家或企業(yè)的設計經(jīng)驗[1-2]，但仍與美國或歐洲的設計方法存在差別。路面鋪筑于路基之上，路基的強度從基礎上影響路面使用性能的發(fā)揮。如果路基強度不夠，路面顯然無法滿足道路使用者的性能要求。目前的各種中國與其他國家規(guī)范的比較多集中于路面設計原理的比較[3-4]，而較少關注不同路面規(guī)范對路基強度的要求。中國、美國、法國、英國四國規(guī)范對路面設計時要求的路基強度有著不同的理念，各有其優(yōu)缺點，本文將就此展開比較。

中國規(guī)范對路基強度的要求

中國規(guī)范采用理論法，根據(jù)多層彈性連續(xù)體系來進行路面計算，路面設計以彎沉及層底拉應力作為驗算指標，路面材料的強度通過彈性模量及壓實度來控制，如果是粒料材料，則有CBR要求。

路面驗算時需驗算路面計算彎沉及層底拉應力，計算方法如下

（1）路表計算彎沉值應按下式計算。

其中：式中：ls為路表計算彎沉值（0.01 mm），F(xiàn)為彎沉綜合修正系數(shù)，p，δ為標準車型的輪胎接地壓強（MPa）和當量圓半徑（cm），ac為理論彎沉系數(shù)，E0或En為土基抗壓回彈模量值（MPa），E1，E2，…En－1為各層材料抗壓回彈模量（MPa），h1，h2，…h(huán)n－1為各結構層厚度（cm）。

對路基材料的強度則通過CBR和壓實度控制。在規(guī)范中詳細規(guī)定了不同層位的路基填料的CBR要求及壓實度要求。但從上式中，我們可以看出參與路面計算的并不是CBR及壓實度，而是路基回彈模量。而路基回彈模量可以通過3種方式確定，即室內(nèi)試驗，原位試驗及查表法。

（1）室內(nèi)試驗。室內(nèi)試驗通過采集土樣，做壓縮試驗，直接測定不同壓實度下壓縮模量，使用時內(nèi)插得到現(xiàn)場實際壓實度下的壓縮模量。

（2）現(xiàn)場試驗。在已竣工的路基上，通過原位承載板試驗測量土基回彈模量?；蛴脧澇羶x測定土基回彈模量值。

（3）查表法。根據(jù)路基土二級自然區(qū)劃等參數(shù)指標查規(guī)范附表中的參考值。

在實際施工時，路基回彈模量并非驗收指標之一。CBR，壓實度，及路基頂彎沉是3大驗收指標。

（4）通過與CBR的關系估計

式中的RCB為加州承載比CBR。

美國規(guī)范對路基強度的要求

美國規(guī)范采用經(jīng)驗法，路面結構通過服務性能公式計算得出。路面材料的強度通過壓實度，彈性模量以及CBR來控制。同時，對路基材料的強度通過壓實度控制。在美標中，沒有明確要求路基材料的CBR。實際施工時會對路基材料通過排除淤泥，腐殖土等不良土方法來控制質(zhì)量。

性能方程中各參數(shù)存在對應關系。此方程是一個迭代方程，需要不斷試算SN，和以滿足要求。

其中，Wt18運期交通量，ZR為給定可靠性的正態(tài)偏移，R為可靠性，So全局標

02

中國、美國、法國、英國四國規(guī)范對路面設計時要求的路基強度有著不同的理念，各有其優(yōu)缺點，本文將就此展開比較。準差，MR為有效的路床頂材料回彈模量，PSI為路面服務能力指數(shù)，SN為路面的設計結構數(shù)。

從上式中可以看出，參與路面計算的是回彈模量，而不是壓實度。而美標中推薦的回彈模量獲得的方法有兩種。

（1）通過室內(nèi)試驗確定。通過AASHTO TEST METHOD T274室內(nèi)試驗確定。通過室內(nèi)試驗來模擬現(xiàn)場的情況。

（2）通過現(xiàn)場試驗確定。通過現(xiàn)場承載板試驗可直接測出路基回彈模量，但此方法在規(guī)范中并未提及。

（3）通過CBR，R-值等參數(shù)來確定。回彈模量與CBR，R-值等參數(shù)存在正相關關系，當采用CBR值較高的材料作為路基填料時，路基回彈模量顯然也高。因此可以通過路基回彈模量與CBR的擬合關系來估計路基回彈模量。常見的關系如下。

Heukelom 和Klomp報道的動態(tài)壓實狀態(tài)下現(xiàn)場回彈模量與陸軍工程師團CBR值之間的關系[2]。

MR(psi)=1 500×RCB（9）或者是瀝青研究所研究得出 的R-值與路基回彈模量之間的關系。

MR(psi)=A＋B×(R－值) （10）其中，A=772~1 155；B=369~555。

但在美國規(guī)范中同時又規(guī)定，路基回彈模量會因季節(jié)，凍土情況不同而變化，因此試驗或估計出來的路基回彈模量需要根據(jù)季節(jié)及凍土情況進行修正。

03

法國規(guī)范對路基強度的要求

法國規(guī)范中路面結構計算采用的理論與中國規(guī)范類似，即雙圓荷載下的彈性層狀體系理論。具體的設計指標對于柔性材料為容許應變, 對于半剛性或剛性材料是以容許應力控制。

（1）瀝青面層容許應變計算公式[3]

式中：ε6（10 ℃；25 Hz）為材料進行疲勞試驗（10 ℃；25 Hz）100萬次的應變；Ne累計標準軸載；E（10 ℃）為10 ℃時的彈性模量；E（θeq）為計算溫度（一般為15 ℃）下的彈性模量；kc瀝青層材料的修正系數(shù)；kr容許應變修正系數(shù)；ks為極少系數(shù)，根據(jù)路基承臺的承載能力確定，ks的取值見表3。

kr=10ubδ （12）

式中：u為風險修正系數(shù)；b為材料的疲勞參數(shù)；δ為差異參數(shù)。

在實際設計時采用軟件ALIZE-LCPC計算，軟件中可根據(jù)輸入的模量來取值。由于通常不會使用PF1材料，且通常極難達到PF4的材料，所以上表1只提供了50~120 MPa區(qū)間的材料。

（2）未處理粒料的層頂垂直向變形

式12和式13分別適用于交通量大和交通量小的情況。

（3）基層的水平向容許拉應變。

εz，ad為在等效溫度θeq及應力特征頻率f條件下，試驗樣品在Ne次累計標準軸載作用下，出現(xiàn)疲勞斷裂的極限應變。

（3）路基強度的分級。路基承臺的等級先分為整平層等級AR，AR等級是PST（無PST時為墊層頂面）頂面能夠給上部結構層提供的長期承載力水平。

變形模量可以通過EV2試驗來確定 。實際施工時，EV2會作為驗收指標來確定。在設計時先確定一個 PF等級，然后根據(jù)PF等級選擇相應的極少系數(shù)ks取值進行設計，施工時根據(jù)EV2試驗確定是否達到設計對應的PF等級。同時CBR及壓實度也作為驗收指標。

三國規(guī)范中路基強度要求比較

04

通過對上文的歸納總結，下表中列舉了各國規(guī)范中在設計時即理論中對路基強度的要求，以及實際施工中對路基強度指標的要求。

中國路面設計規(guī)范中將路基回彈模量納入計算，并提供了回彈模量的試驗測定方法，但在實際工程中一般通過查表法確定路基回彈模量。查表法確定路基回彈模量主要與工程位置有關，即不同地區(qū)有著相對固定的回彈模量值。而施工時并不驗收回彈模量，因此存在理論與實際脫節(jié)的情況，即規(guī)范理論中采用路基回彈模量參與計算，而實際施工時并不驗收此重要參數(shù)。路基頂彎沉代表著路基頂層的剛度，在某種程度上對路基實際的回彈模量起到了一定的約束作用。但路基頂彎沉決不能代表回彈模量來驗證施工時能否達到設計中回彈模量取值。換句話說，驗收彎沉的現(xiàn)場試驗不能等同或代替現(xiàn)場回彈模量的驗收試驗，畢竟彎沉試驗和回彈模量的試驗原理不一樣，差別較大。

美國路面設計規(guī)范中將路基回彈模量納入計算，提供了路基回彈模量的室內(nèi)測定方法。實際工程中較少測定路基回彈模

表1 ks取值與變形模量的關系

表2 整平層等級

表3 路面承臺長期承載力分級

表4 各國規(guī)范中設計和施工時對路基強度的指標要求

無論是CBR，R-值，還是壓實度，都不是直接的路基強度值，而是通過控制路基材料，路基施工工藝來控制路基的強度。

05量，而通過CBR值等其他土性參數(shù)來估計路基回彈模量。存在的問題即是，CBR值顯然并非決定路基回彈模量的惟一因素，壓實度等因素同樣重要。同樣CBR的材料，在不同壓實度下，顯然具有不同的回彈模量。

美國規(guī)范將季節(jié)因素和凍土因素，即氣候因素納入回彈模量的修正之中。這對于世界上大部分地區(qū)都具有參考意義，因為世界上大部分地區(qū)都有著鮮明的季節(jié)，要么存在溫差明顯四季，要么存在降雨量差別明顯的雨季和旱季，而外部環(huán)境的水熱變化會明顯的影響到路基土內(nèi)部的水熱循環(huán)，進而影響到路基強度。因此有必要像美國規(guī)范一樣納入氣候因素對路基回彈模量進行修正。

法國規(guī)范中將路基頂變形模量納入計算，在設計時根據(jù)土質(zhì)，排水情況等提供參考值。在施工驗收時要求驗收變形模量及其衍生參數(shù)。

實際上，無論是CBR，R-值，還是壓實度，都不是直接的路基強度值，而是通過控制路基材料，路基施工工藝來控制路基的強度。綜合比較，法國規(guī)范對于路基強度的考慮最為全面并且直接有效地將理論與實際施工相結合起來。只有法國規(guī)范能夠完全保證施工驗收時的路基強度能夠達到設計時的路基強度。

結論

路基是形成路面強度的基礎，如果路基強度無法達到設計值，則實際上無法保證路面驗收時能達到需要的強度。在國內(nèi)實際施工時，經(jīng)常有施工單位反映無法達到設計的彎沉值，要求設計單位降低彎沉要求。部分原因是因為路基實際上并沒有達到形成路面強度所需要的路基強度。

（1）美國規(guī)范由于只驗收壓實度和CBR，且無統(tǒng)一標準。因此美國規(guī)范對于路基真實強度處于無法控制的狀態(tài)。

（2）法國規(guī)范做到了驗收參數(shù)即設計參數(shù)，能夠保證路基強度達到要求，進而保證路面強度強度達到要求。

（3）因此，建議國內(nèi)規(guī)范將路基頂回彈模量納入驗收指標體系以達到設計參數(shù)與驗收參數(shù)的統(tǒng)一。