英美規(guī)范在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和比較

王艷萍, 劉強(qiáng)

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 北京市 100080)

20世紀(jì)50年代末、60年代初美國(guó)國(guó)家高速公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)(AASHTO)在渥太華州和伊利諾斯州進(jìn)行了大規(guī)模道路測(cè)試，這是第一次系統(tǒng)地進(jìn)行關(guān)于不同路面結(jié)構(gòu)組成和累計(jì)當(dāng)量軸次的路面性能測(cè)試。根據(jù)AASHO的道路測(cè)試結(jié)果，AASHTO于1961發(fā)布了針對(duì)柔性和剛性路面的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式，隨后在1972年和1993年進(jìn)行了更新和發(fā)布。雖然2004年，美國(guó)國(guó)家合作公路研究項(xiàng)目(NCHRP)及聯(lián)邦公路管理局(FHWA)公布了力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)路面設(shè)計(jì)指南(MEPDG)，但AASHTO(1993版本)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法仍然是世界上很多國(guó)家路面設(shè)計(jì)的依據(jù)。

英國(guó)公路管理局(HA)2006年發(fā)布的《道路與橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》(DMRB)是適用于英聯(lián)邦及其殖民地國(guó)家及地區(qū)的道路橋梁設(shè)計(jì)綜合性指導(dǎo)手冊(cè)，適用于城市主干道及高速公路的設(shè)計(jì)。DMRB的方法基于英國(guó)運(yùn)輸研究試驗(yàn)室(TRL)于1984年主編的研究成果，并在后期不斷地豐富和完善。DMRB是根據(jù)英格蘭、蘇格蘭、威爾士和北愛爾蘭的監(jiān)督組織發(fā)布的許多獨(dú)立文件系列開發(fā)形成。這些文檔以及以后的補(bǔ)充文檔共分15卷(VOLUME)，每卷有若干節(jié)(SECTION)，每節(jié)又進(jìn)一步分為若干個(gè)部分(PART)，每一部分以H、B和T代號(hào)為開頭，分別表示公路、橋梁和交通。

1 工程背景及特點(diǎn)

文萊大摩拉島大橋、道路與附屬工程項(xiàng)目連接文萊大陸側(cè)的Serasa工業(yè)區(qū)與大摩拉島(Palau Muara Besar)，線路全長(zhǎng)5.95 km，分為西引路、西引橋、主橋、東引橋和東引路5個(gè)部分。該文研究的對(duì)象是該項(xiàng)目中的東西引路，共計(jì)3.315 km，其路基標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖1所示，采用雙向四車道，路基寬度25.6 m，斷面布置為：3 m硬路肩+2×3.65 m行車道+0.5 m路緣帶+4 m中央分隔帶+0.5 m路緣帶+2×3.65 m行車道+3 m硬路肩。該項(xiàng)目的特點(diǎn)為：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)路基斷面圖(單位:mm)

(1) 位于熱帶雨林地區(qū)，常年氣溫高、降雨量大、空氣濕度大。

(2) 道路等級(jí)高，按文萊一級(jí)公路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度為100 km/h。

(3) 日交通量大，預(yù)測(cè)項(xiàng)目建成運(yùn)營(yíng)20年后，即2038年的年平均日交通量(AADT)為27 000 pcu/d。

(4) 道路主要服務(wù)于規(guī)劃建設(shè)的化工園區(qū)，大型、重型車輛多。

2 規(guī)范選用

根據(jù)該項(xiàng)目合同要求(EMPLOYER REQUIREMENT)，應(yīng)采用文萊本國(guó)路面設(shè)計(jì)規(guī)范(GS-1, 1998)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。GS-1規(guī)范未涵蓋的內(nèi)容，參考英國(guó)DMRB規(guī)范。GS-1, 1998作為文萊本地規(guī)范，對(duì)指導(dǎo)該國(guó)道路工程設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，但是其內(nèi)容主要以道路施工工法及材料為主，對(duì)道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并未作任何說(shuō)明。據(jù)了解，DMRB規(guī)范在文萊的道路工程設(shè)計(jì)中尚未有先例。

由于文萊地處熱帶，因此當(dāng)?shù)氐缆饭こ處煾?xí)慣于采用英國(guó)OVERSEA ROAD NOTE 31 (簡(jiǎn)稱ORN 31)作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參考規(guī)范。ORN 31由英國(guó)運(yùn)輸研究試驗(yàn)室編制，1962年首次出版，1966、1977和1993年修訂，累積了超過30個(gè)熱帶和亞熱帶的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，用于指導(dǎo)熱帶與亞熱帶氣候國(guó)家瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于ORN 31未列入到合同的業(yè)主要求中，且其只適用于交通量≤30 msa(million standard axles，百萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)軸次)的道路。鑒于該項(xiàng)目交通量大，因而業(yè)主咨詢工程師否定了采用ORN 31作為設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，只允許設(shè)計(jì)時(shí)參考使用。

近年來(lái)，文萊的道路工程越來(lái)越多地使用美國(guó)的AASHTO1993規(guī)范進(jìn)行新建道路工程的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和認(rèn)知度。雖然AASHTO1993沒有列入到合同的業(yè)主要求中，但其作為公認(rèn)的道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要規(guī)范，且在文萊具有一定的認(rèn)可度，因此經(jīng)業(yè)主咨詢工程師的特別許可，同意在該項(xiàng)目中使用AASHTO1993規(guī)范進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

基于上述原因，該項(xiàng)目使用AASHTO1993和DMRB HD 26/06作為路面設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)比選，為業(yè)主及其咨詢工程師的最終抉擇提供技術(shù)性依據(jù)。

2.1 AASHTO1993 路面設(shè)計(jì)方法

AASHTO1993自頒布實(shí)施以來(lái)，不僅在美國(guó)，而且在美國(guó)之外的其他國(guó)家和地區(qū)也獲得了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，其主要特點(diǎn)如下：

(1) 首次將耐用性指數(shù)引進(jìn)路面設(shè)計(jì)中，并且提出了不同道路等級(jí)應(yīng)有不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使路面設(shè)計(jì)與使用要求形成密切的關(guān)系。

(2) 提出了路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN與加權(quán)軸載通過次數(shù)N的基本回歸方程。

(3) 建立了不同軸載間的等效關(guān)系，使軸載輕重與交通量的多寡對(duì)路面的作用建立了合理的關(guān)系。解決了過去設(shè)計(jì)方法中未能解決的交通荷載問題。

(4) 初步確定了不同路面層材料的結(jié)構(gòu)層系數(shù)。

AASHTO1993的設(shè)計(jì)回歸方程如下：

(1)

式中:ZR為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏移；S0為均方差；Pt為最終耐用性指數(shù)；MR為回彈模量；W18為累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單軸荷載18 kip(約等于80 kN)作用次數(shù)；SN為路面結(jié)構(gòu)數(shù)，表示路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱，可表示為：

SN=a1D1+a2D2m2+a3D3m3

(2)

式中：a1、a2、a3分別為面層、基層和底基層的結(jié)構(gòu)層系數(shù)，按表1選??；D1、D2、D3分別為面層、基層和底基層的實(shí)際厚度，以英寸計(jì)；m2、m3分別為基層和底基層的排水系數(shù)，按表2選取。

表1 結(jié)構(gòu)數(shù)SN的結(jié)構(gòu)層系數(shù)

表2 柔性路面中未處治的基層、底基層材料修正結(jié)構(gòu)層系數(shù)的推薦值

根據(jù)公式(1)，AASHTO1993在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮以下幾個(gè)基本要素：

(1) 設(shè)計(jì)年限：AASHTO的設(shè)計(jì)年限并不固定，其受建設(shè)資金、壽命周期和費(fèi)用等影響，使用性能期一般采用15～20年，分析期應(yīng)至少包括一次修復(fù)，對(duì)于重交通城市道路，一般分析期取30～50年。

(2) 交通量：以標(biāo)準(zhǔn)單軸荷載18 kip(約80 kN)為基準(zhǔn)，道路上的各種軸載采用當(dāng)量換算系數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載數(shù)。

(3) 可靠度：根據(jù)道路的功能分類，按照表3選擇可靠度水平。

表3 根據(jù)道路的功能定位確定可靠度水平

同時(shí)，根據(jù)路面的類型，選擇能代表當(dāng)?shù)貤l件的均方差So(建議值：剛性路面0.35，柔性路面0.45)。

(4) 服務(wù)能力：采用耐用性指數(shù)(PSI)作為衡量路面使用性能的指標(biāo)。其值可通過對(duì)路面的使用性能進(jìn)行客觀量測(cè)和主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法確定。初始耐用性能P0=4.2(柔性路面)，P0=4.5(剛性路面)，最終耐用性指Pt=2.5(主要公路)，Pt=2.0(次要公路)。

(5) 有效路基回彈模量：推薦采用試驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)定，通過每個(gè)月或每半個(gè)月測(cè)定路基土回彈模量，按其對(duì)路面服務(wù)能力的相對(duì)損傷程度，得到路基土的有效回彈模量值MR。對(duì)于路基填料CBR≤10%時(shí)，可以通過經(jīng)驗(yàn)公式MR(psi)=1 500×CBR換算。

(6) 層系數(shù)：按表1進(jìn)行選取。

(7) 排水系數(shù)：對(duì)于粒料基層和底基層，應(yīng)根據(jù)排水的質(zhì)量和含水量，采用表2的排水系數(shù)對(duì)層系數(shù)進(jìn)行修正，其他材料排水系數(shù)可考慮為1。

2.2 DMRB路面設(shè)計(jì)方法

DMRB關(guān)于新建瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有以下3本規(guī)范：HD 24/06交通量評(píng)估；HD 25/94路基設(shè)計(jì)；HD 26/06新建路面設(shè)計(jì)。

DMRB在路面設(shè)計(jì)過程中，需要考慮以下幾個(gè)基本要素：

(1) 設(shè)計(jì)年限：對(duì)于新建項(xiàng)目，DMRB認(rèn)為40年的設(shè)計(jì)年限最為經(jīng)濟(jì)。如果能證明采用其他設(shè)計(jì)年限更經(jīng)濟(jì)，并取得監(jiān)督部門認(rèn)可亦可以采納。根據(jù)實(shí)際使用狀況，設(shè)計(jì)年限內(nèi)需要進(jìn)行1～3次罩面。

(2) 交通量：DMRB HD 24/06中可采用以下公式計(jì)算交通量等級(jí)：

Ti=365×F×Y×G×W×P×10-6msa

(3)

式中：F為起始年貨車(≥3.5 t)交通量，表4列舉了貨車的車型、等級(jí)及分類；Y為設(shè)計(jì)年限；G為交通量增長(zhǎng)率，國(guó)家道路交通預(yù)測(cè)部(NRTF)每8年發(fā)布一次未來(lái)交通量的趨勢(shì)，1997年NRTF發(fā)布的預(yù)測(cè)結(jié)果可以從表5選取；W為磨損系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)軸載采用80 kN，根據(jù)2003年從12個(gè)觀測(cè)點(diǎn)所收集的數(shù)據(jù)從表6中選??；P為設(shè)計(jì)車道重車比例，根據(jù)圖2確定。

表4 商用車等級(jí)與分類

表5 交通量增長(zhǎng)率

表6 磨損系數(shù)

圖2 設(shè)計(jì)車道重車比例

(3) 路面結(jié)構(gòu)類型和土基強(qiáng)度等級(jí)：路面結(jié)構(gòu)類型的選擇與土基強(qiáng)度等級(jí)息息相關(guān)。

① 全厚式路面：瀝青面層+瀝青穩(wěn)定類基層。

② 半剛性路面：瀝青混凝土面層(或上基層)+水泥穩(wěn)定類基層(或下基層)。

③ 剛性路面：水泥混凝土面層+水泥混凝土基層。

④ 剛性組合式路面：瀝青面層+連續(xù)配筋水泥混凝土基層。

(4) 土基強(qiáng)度等級(jí)：土基強(qiáng)度根據(jù)路基頂面的回彈模量采用動(dòng)態(tài)平板試驗(yàn)測(cè)定，分為以下4個(gè)等級(jí)：

1級(jí)：MR≥50 MPa，適用于交通量≤20 msa；

2級(jí)：MR≥100 MPa，適用于交通量≤80 msa；

3級(jí)：MR≥200 MPa，底基層需采用水泥穩(wěn)定材料或石灰穩(wěn)定材料；

4級(jí)：MR≥400 MPa，底基層需采用水泥穩(wěn)定材料或石灰穩(wěn)定材料。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例與比較

3.1 AASHTO計(jì)算結(jié)果

(1) 設(shè)計(jì)年限：根據(jù)合同中的業(yè)主要求，文萊大摩拉島大橋、道路與附屬工程項(xiàng)目路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為20年。

(2) 交通量：根據(jù)交通量調(diào)查及預(yù)測(cè)，該項(xiàng)目建成并運(yùn)營(yíng)20年后的年平均日交通量(AADT)為27 000 pcu/d，其中PSV+OGV1占總量的4%，OGV2占總量的8%。其計(jì)算結(jié)果如表7所示。由于合同的業(yè)主要求中并未對(duì)具體車輛類型及其占比進(jìn)行規(guī)定，因此在計(jì)算過程中，結(jié)合文萊道路交通的現(xiàn)狀及摩拉島工業(yè)園區(qū)的規(guī)劃進(jìn)行了假設(shè)。

考慮車道分布系數(shù)后(DL=90%)，車道上設(shè)計(jì)累計(jì)當(dāng)量軸次(ESAL)為29.578×106次。

(3) 可靠度：摩拉島大橋引路作為城市干線公路，可靠度采用92%，所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏移ZR為-1.405。對(duì)于柔性路面，均方差So取值0.45。

(4) 服務(wù)能力：初始服務(wù)能力指數(shù)PSI0為4.2(柔性路面)；最終服務(wù)能力指數(shù)PSIt為2.5(主要公路)；所以ΔPSI=PSIt-PSI0=1.7。

(5) 有效路基回彈模量：該項(xiàng)目60 cm路床采用CBR≥8%的材料填筑，土基模量MR=1 500×CBR=12 000 psi(1 psi=0.006 89 MPa，下同)。

(6) 結(jié)構(gòu)層模量：瀝青混凝土EAC=400 000 psi，級(jí)配碎石基層(CBR≥80%)模量EBS=CBR0.64=42 205 psi；級(jí)配碎石底基層(CBR≥30%)，其模量EBS=CBR0.64=22 529 psi。

(7) 層系數(shù)：查表1，瀝青混凝土a1取值0.42；級(jí)配碎石基層(CBR≥80%)a2取值0.13；級(jí)配碎石底基層(CBR≥30%)a3取值0.11。

(8) 排水系數(shù)：考慮到該項(xiàng)目排水條件有利，查表2，級(jí)配碎石基層和底基層的排水系數(shù)均取1.2。

將上述各項(xiàng)指標(biāo)代入回歸方程式(1)中，先計(jì)算面層厚度，通過反復(fù)迭代計(jì)算，最終得到SN=5.044。另外，假設(shè)面層厚度D1=145 mm (5.709 in)，底基層D3=200 mm(7.874 in)，代入式(2)，得到基層厚度D2=10.3 in，即265 mm。

3.2 DMRB計(jì)算結(jié)果

(1) 設(shè)計(jì)年限：20年。

(2) 交通量：AADT=27 000 pcu/d。其中PSV+OGV1占總量的4%，OGV2占總量的8%。交通增長(zhǎng)率查表5，PSV+OGV1為1.09；OGV2為1.27。磨損系數(shù)查表6，PSV+OGV1為1.0；OGV2為4.4。交通量計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 DMRB交通量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖2，設(shè)計(jì)車道重車比例為P=87%?？紤]20年設(shè)計(jì)年限，通過式(3)，求得累計(jì)當(dāng)量軸次為84.13 msa。

根據(jù)DMRB HD 26/06計(jì)算圖采用圖3方法，即可得路面面層及基層的組成材料及相應(yīng)的厚度。如選擇路基強(qiáng)度等級(jí)為2級(jí)，并選用C類半剛性材料CBGM B-C12/15作為基層，則所需材料及其厚度為：180 mm面層瀝青混凝土+190 mm基層水泥穩(wěn)定材料CBGM B-C12/15，如圖3(a)所示。如選用柔性材料DBM50作為基層，則所需的瀝青類材料的總厚度應(yīng)為360 mm，如圖3(b)所示。

圖3 DMRB確定面層及基層材料和厚度

路基加強(qiáng)層的確定按照DMRB IAN 73/06進(jìn)行。路基要求CBR≥8%，路基強(qiáng)度等級(jí)為2級(jí)，因此按圖4所示，路基加強(qiáng)層需要設(shè)置280 mm的級(jí)配碎石。同時(shí)根據(jù)HD 26/06第2.8章節(jié)的要求，這種基礎(chǔ)用在超過80 msa的道路上，上部150 mm需要調(diào)整為穩(wěn)定類材料。因此，路基加強(qiáng)層考慮為：150 mm 水泥穩(wěn)定材料CBGM B-C8/10+130 mm級(jí)配碎石。DMRB HD26/06其材料組成及計(jì)算厚度如表9、10所示。

圖4 DMRB確定路基加強(qiáng)層的材料和厚度

表9 DMRB HD26/06計(jì)算結(jié)果(基層為半剛性材料)

表10 DMRB HD26/06計(jì)算結(jié)果(基層為柔性材料)

3.3 結(jié)果比較與分析

(1) AASHTO1993和DMRB均將各種車型的不同軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次，然后通過經(jīng)驗(yàn)公式或諾模圖確定各層厚度，設(shè)計(jì)方法均為經(jīng)驗(yàn)法，在標(biāo)準(zhǔn)軸載上，美標(biāo)采用18千磅(約8 172 kg)，英標(biāo)采用80 kN，基本相當(dāng)。AASHTO1993設(shè)計(jì)變量除了交通量，還有可靠度、環(huán)境影響參數(shù)、服務(wù)能力指數(shù)，設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)更多。

(2) 英標(biāo)DMRB推薦采用40年設(shè)計(jì)年限，其主要適用于干線公路，路面設(shè)計(jì)方法基于長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)方案，因此DMRB設(shè)計(jì)方法所確定的方案相對(duì)昂貴。AASHTO1993設(shè)計(jì)方法適用于各種等級(jí)的道路工程，設(shè)計(jì)年限也較為靈活，應(yīng)用范圍更廣。

(3) DMRB結(jié)合英國(guó)本土的特點(diǎn)，根據(jù)近年來(lái)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，明確給定代表車型、交通量增長(zhǎng)率、交通量轉(zhuǎn)換系數(shù)等參數(shù)，可依據(jù)諾模圖直觀地確定各結(jié)構(gòu)層的材料及其厚度，方法簡(jiǎn)便。而AASHTO1993計(jì)算過程較為復(fù)雜，需要對(duì)回歸方程進(jìn)行反復(fù)迭代以確定路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN，同時(shí)SN還會(huì)影響計(jì)算輸入的累計(jì)當(dāng)量軸次，因此AASHTO1993設(shè)計(jì)方法需要進(jìn)行多次假設(shè)和迭代計(jì)算。

(4) 對(duì)于瀝青路面結(jié)構(gòu)，DMRB只能選擇全厚式路面結(jié)構(gòu)和半剛性路面結(jié)構(gòu)形式，級(jí)配碎石等粒料類材料在DMRB中不作為路面基層，只能用作底基層或路基加強(qiáng)層。而AASHTO1993可以采用級(jí)配碎石做基層，因此AASHTO1993路面設(shè)計(jì)方法所適用的結(jié)構(gòu)形式更豐富、材料更多樣。

(5) 對(duì)于不同交通量等級(jí)的道路，DMRB對(duì)應(yīng)有路基最小強(qiáng)度要求，如對(duì)于累計(jì)當(dāng)量軸次20～80 msa的道路，土基強(qiáng)度等級(jí)要求≥100 MPa，相對(duì)于美標(biāo)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，DMRB對(duì)土基強(qiáng)度的要求相對(duì)較高。AASHTO1993設(shè)計(jì)方法沒有明確規(guī)定各級(jí)交通量下最小路基強(qiáng)度等級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于以上結(jié)果與分析，AASHTO1993在路面材料、結(jié)構(gòu)形式、計(jì)算參數(shù)、設(shè)計(jì)輸入方面相對(duì)DMRB適用性更強(qiáng)，同時(shí)綜合考慮施工工期、造價(jià)等各方面因素，文萊大摩拉島大橋、道路與附屬工程項(xiàng)目最終采用了AASHTO1993的計(jì)算結(jié)果作為道路的路面結(jié)構(gòu)。

海外項(xiàng)目在標(biāo)準(zhǔn)選擇上有一定的靈活度，隨著中國(guó)工程企業(yè)廣泛參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)國(guó)際上主流規(guī)范的對(duì)比研究有較大的市場(chǎng)需求，目前中國(guó)對(duì)AASHTO路面設(shè)計(jì)方法開展了較多研究，但缺少計(jì)算實(shí)例，對(duì)英標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)DMRB較為陌生，鮮有相關(guān)的介紹，該文通過具體項(xiàng)目，對(duì)比研究了AASHTO 1993和DMRB路面設(shè)計(jì)方法，以期為海外同類型道路建設(shè)項(xiàng)目提供參考和借鑒。