中美洲瀝青混凝土的路面設(shè)計方法

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摘要：在道路使用實踐中，柔性瀝青混凝土路面相對于水泥混凝土路面的優(yōu)越性越來越明顯，瀝青混凝土路面在國內(nèi)外高速公路建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本項目結(jié)合哥斯達黎加32號公路改擴建項目，詳細介紹AASHTO瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中不同參數(shù)的概念，并結(jié)合哥斯達黎加規(guī)范進行取值，最后用力學(xué)經(jīng)驗法對路面結(jié)構(gòu)進行驗證。

關(guān)鍵詞：AASHTO；瀝青混凝土路面；設(shè)計參數(shù)；力學(xué)經(jīng)驗法

世界各國瀝青混凝土路面設(shè)計方法大致可以分為兩類：以實驗為依據(jù)的經(jīng)驗法；以力學(xué)分析為依據(jù)的理論法[1]。以經(jīng)驗法為代表的AASHTO設(shè)計方法，采用可靠度設(shè)計，考慮了交通荷載的預(yù)測與使用性能變量的不確定性，結(jié)合大量的實驗數(shù)據(jù)總結(jié)而來，在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。

一、柔性路面AASHTO法設(shè)計介紹

20世紀50年代末60年代初在渥太華和伊利諾伊州，通過直接修筑試驗路，以實際行車作用下路況變化的實測資料為依據(jù)，建立行車作用和路面實際工作狀態(tài)的函數(shù)關(guān)系：10101810105.194.21.59.3610.22.328.0710940.41rorPSILogLogWZSLogSNLogMSN（1）W18：設(shè)計年限內(nèi)18kip（80kN）累計當量軸載作用次數(shù)；Zr：給定可靠度R的正態(tài)偏移；S0：標準離差；SN：路面結(jié)構(gòu)數(shù)；△PSI：服務(wù)能力變化值；Mr：基層、底基層材料為動態(tài)回彈模量，路基土為有效土基回彈模量。1．PSI服務(wù)能力指數(shù)和∆PSIPSI是道路使用狀況的現(xiàn)時服務(wù)能力指數(shù)。道路在使用的過程中，隨著車輛荷載作用次數(shù)的增加，路面的PSI值會逐步減小。在道路使用初期PSI定義為P0，道路使用年限末期PSI定義為Pt。0PSIPP（2）AASHTO規(guī)定當Pt減小到一定值時，公路就是失去服務(wù)能力，必須進行維修或者翻修。2．累計當量軸載作用次數(shù)W18為計算道路使用年限內(nèi)的累計當量軸載作用次數(shù)，需先對當前交通量包括交通組成部分進行精確統(tǒng)計，然后根據(jù)交通部門提供的數(shù)據(jù)合理預(yù)測未來年份的交通量。0ESALADTTTfDL365GY（3）其中：ESAL：當量單軸荷載；ADT0：設(shè)計年限開始時的日均交通量；T：為貨車在ADT中的百分比；Tf：貨車系數(shù)；G：增長系數(shù)；D：方向分布系數(shù)；L：車道分布系數(shù)；365：一年天數(shù)；Y：設(shè)計年限；11YrGYr（4）G：增長系數(shù)；r：年交通量增長率。累計當量軸載作用次數(shù)是80KN（18kip）標準軸載的重復(fù)作用次數(shù)。若車輛荷載不是標準軸載，需換算成這種標準軸載，即乘以當量軸載系數(shù)（EALF）。當量軸載系數(shù)定義為涉及的軸載通過一次引起的路面損害與標準軸載通過一次造成的損害的比值。3．可靠度及標準差可靠度是基于概率統(tǒng)計的方法，即它對各個設(shè)計因素包括交通量、交通疏散的難度和交通服務(wù)能力等給定一個均值和方差，使它在設(shè)計周期期間，達到預(yù)期功能的概率。應(yīng)用可靠度的概念要求選用能反映當?shù)貤l件的標準差。4．路面結(jié)構(gòu)層SN在AASHTO設(shè)計方法中，HMA、基層和底基層的質(zhì)量性能用其結(jié)構(gòu)數(shù)SN表示。iiiSNaDm（5）其中ia：層位系數(shù)；iD：結(jié)構(gòu)層厚度；im：排水系數(shù)；層位系數(shù)ai是單位厚度的路面材料具有的結(jié)構(gòu)功能。AASHTO通過道路試驗確定了它與回彈模量之間的關(guān)系，并給出了相應(yīng)的圖表查詢。因此，確定各層材料的回彈模量成為關(guān)鍵。熱拌瀝青混凝土面層、水泥穩(wěn)定碎石基層、粒料基層、粒料底基層的層位系數(shù)取值分別參照《AASHTO1993路面設(shè)計指南》[2]中圖2.5、圖2.8、圖2.6及圖2.7。對于路床有效回彈模量，通過現(xiàn)場探坑實驗確定。中美洲路面設(shè)計規(guī)范中對路床的回彈模量沒有具體要求，廣泛采用的方法是：1,500RMCBR[3]?？梢酝ㄟ^路床的CBR值來確定其回彈模量。這里值得注意的是以上公式的CBR值應(yīng)當小于10%。排水系數(shù)mi是根據(jù)實際的排水質(zhì)量和材料含水量對層位系數(shù)進行修正的值。根據(jù)哥斯達黎加相關(guān)項目的經(jīng)驗，級配碎石基層與碎石底基層排水系數(shù)均取0.9。上述公式中，存在兩個SN，一個是由公式1-1計算所得SN*，SN*為滿足ESAL最小結(jié)構(gòu)數(shù)，另一個SN是由公式1-5計算所得各路面層總的結(jié)構(gòu)數(shù)SNreq，顯然SNreq大于SN*時才能滿足路面結(jié)構(gòu)厚度要求SNreq。根據(jù)《AASHTO93路面設(shè)計指南》[2]厚度設(shè)計方法通常由頂部開始，詳細步驟如下：①取基層的回彈模量EBE作為路基土的有效回彈模量MR，由式1-1確定所需的結(jié)構(gòu)數(shù)SN1，并用下式計算面層的厚度：111D*＞SN/a（6）②取墊層的回彈模量EGB作為路基土的有效回彈模量MR，由式（1-1）確定所需的結(jié)構(gòu)數(shù)SN2，并用下式計算基層的厚度：221122D*＞（SNaD*/）（am）（7）③取路基土有效回彈模量作為MR，由式（1-1）確定所需的路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN3，并用下式計算墊層的厚度：331122233D*＞(SN-aD*aD*m/）（am）（8）5．力學(xué)-經(jīng)驗法驗證疲勞開裂、車轍和低溫開裂是柔性路面破壞的三種主要類型。其中疲勞開裂主要由瀝青混凝土層底的拉應(yīng)變和無機結(jié)合料層底最大拉應(yīng)力控制，實驗證明它們都與荷載重復(fù)作用次數(shù)有關(guān)。車轍是沿輪跡產(chǎn)生的永久變形或者輪轍深度，它主要由土基頂部的豎向變形控制。哥斯達黎加常年溫度變化不大，不會出現(xiàn)低溫，因而本項目不考慮低溫開裂情況。（1）無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料層的疲勞開裂美國公路合作研究組織NCHRP于2006年基于應(yīng)力比（σt/ER）對無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料的疲勞破壞進行預(yù)測，疲勞開裂方程如下：1122logtccRfcckENk（9）其中：fN—無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料允許荷載重復(fù)作用次數(shù)；t—無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料最大層底拉應(yīng)力；RE—無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料28d斷裂模量；c1k、c2k—全體標定系數(shù)，c1k=0.972，c2k=0.0825；c1、c2—地方標定系數(shù)，c1=1.0645，c2=0.9003；另外Scullion模型計算RE：0.57.31.2BEREE（10）其中EBE為無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料層的回彈模量；（2）瀝青混合料的疲勞開裂[4]地瀝青協(xié)會設(shè)計方法中，產(chǎn)生疲勞開裂的允許荷載作用次數(shù)Nf，與HMA底部拉應(yīng)變t和HMA模量E的關(guān)系如下：231ffftNfE（11）其中：fN—瀝青混合料允許荷載重復(fù)作用次數(shù)；t—瀝青混合料層底拉應(yīng)變；E—瀝青混合料動模量，式中取1f=0.0796，2f=3.291，3f=0.854。（3）路床頂部永久變形[4]永久變形分析也稱為車轍分析，在地瀝青學(xué)會和殼牌設(shè)計方法中，限制車轍的允許荷載作用次數(shù)Nd與土基頂部豎向壓應(yīng)變c的關(guān)系如下：54fdcNf（12）其中：dN：永久變形允許荷載作用次數(shù)；c：土基頂部的豎向應(yīng)變；4f、5f：系數(shù)和冪指數(shù)4f：1.365×10-9，5f：4.477。

二、AASHTO法在哥斯達黎加32號路改擴建項目的應(yīng)用

1．工程概況哥斯達黎加是位于赤道北緯10°的位置，屬于熱帶氣候，全年溫差變化不大。32號路是哥國最繁忙的主要公路，交通量較大，設(shè)計使用年限為10年。2．服務(wù)能力指數(shù)根據(jù)AASHTO試驗，本項目的初始服務(wù)能力指數(shù)為4.2，最終服務(wù)能力指數(shù)取值2.5。3．累計當量軸載作用次數(shù)ESAL根據(jù)哥斯達黎加交通部MOPT文件DVOP-6152-07和DVOP-5170-07[5]，貨車系數(shù)的取值為：小汽車0.01，輕型貨車0.02，巴士1.71，兩軸卡車0.63，三軸卡車1.28，五軸卡車2.38。依據(jù)哥斯達黎加交通部門提供的70150路段2014年日均交通及交通組成，設(shè)計年限10年的單車道當量軸載累計作用次數(shù)ESAL.4．可靠度及標準差依據(jù)AASHTO93設(shè)計指南，結(jié)合哥斯達黎加公路等級分類標準，此道路等級為農(nóng)村主干線，可靠度取90%，標準差取0.45，ZR=-1.282。5．路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN和MR本項目采用水泥穩(wěn)定碎石作為基層。路面結(jié)構(gòu)計算采用的參數(shù)主要有：面層HMA回彈模量440,000Psi，層位系數(shù)0.44；水泥穩(wěn)定碎石基層，7d無側(cè)限抗壓強度4.0MPa，設(shè)計動態(tài)回彈模量680,000psi，層位系數(shù)取0.18；粒料基層，CBR=80%，設(shè)計動態(tài)回彈模量取28,000psi，層位系數(shù)0.13；粒料底基層CBR=30%，設(shè)計動態(tài)回彈模量取15,000psi，層位系數(shù)0.11；地基土CBR值根據(jù)取樣檢測結(jié)果取3.4%，以MR=1,500×CBR求得土基回彈模量MR為5,100psi。經(jīng)計算，70150路段確定瀝青混凝土面層厚度D1為11cm，水泥穩(wěn)定碎石基層D2為20cm，粒料基層（CBR=80%）D3為30cm，墊層（CBR=30%）D4為32cm。各個結(jié)構(gòu)層厚度均滿足規(guī)范中關(guān)于各結(jié)構(gòu)層最小厚度的要求；6．力學(xué)經(jīng)驗法驗證用PITRAPAVE程序分別計算瀝青混凝土面層層底拉應(yīng)變、水泥穩(wěn)定碎石層底最大拉應(yīng)力以及土基頂部的豎向壓應(yīng)變。經(jīng)驗算，瀝青面層、水泥穩(wěn)定碎石基層的疲勞損傷及路床頂部永久變形均能滿足設(shè)計要求。

三、結(jié)語

綜上所述，根據(jù)確定的參數(shù)，依據(jù)公式1-1可以建立W18和路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN關(guān)系，由W18值確定SN。然后由SN和層位系數(shù)關(guān)系可以確定路面各結(jié)構(gòu)層的厚度，最后依據(jù)力學(xué)經(jīng)驗法進行驗證。本設(shè)計也存在一些理論上的不足，根據(jù)哥斯達黎加當?shù)氐牧?xí)慣，采用貨車系數(shù)計算當量單軸荷載（ESAL），和美標采用當量軸載系數(shù)（EALF）相比偏小。若根據(jù)當量軸載系數(shù)（EALF）計算，EALF值取決于所用的破壞準則，與路面的類型、厚度及破壞時的最終狀況有關(guān)系。大量的變量相互影響。后期應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場交通量觀測，根據(jù)不同的荷載組計算EALF；此外用力學(xué)經(jīng)驗法驗證路面結(jié)構(gòu)層厚度時，采用了PITRAPAVE程序，計算模型中各層材料采用的本構(gòu)模型均為線彈性，這和水泥穩(wěn)定碎石基層、粒料基層材料性質(zhì)有偏差。若條件許可，應(yīng)對各個結(jié)構(gòu)層進行試驗研究，采用不同的本構(gòu)模型進行驗算。

參考文獻

[1]何振宇，余武軍.AASHTO瀝青混凝土路面設(shè)計方法探討[J].交通科技，2014，3：78-81.

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[4]YangHuang（2004），PavementAnalysisandDesign，SecondEdition.

[5]哥斯達黎加交通部MOPT文件DVOP-6152-07和DVOP-5170-07.

作者:胡曉偉 李永斌 單位:中國港灣工程有限責(zé)任公司 中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司