中美洲沥青混凝土的路面设计方法

摘要：在道路使用实践中，柔性沥青混凝土路面相对于水泥混凝土路面的优越性越来越明显，沥青混凝土路面在国内外高速公路建设中得到了越来越广泛的应用。本项目结合哥斯达黎加32号公路改扩建项目，详细介绍AASHTO沥青路面结构设计中不同参数的概念，并结合哥斯达黎加规范进行取值，最后用力学经验法对路面结构进行验证。

关键词：AASHTO；沥青混凝土路面；设计参数；力学经验法

世界各国沥青混凝土路面设计方法大致可以分为两类：以实验为依据的经验法；以力学分析为依据的理论法[1]。以经验法为代表的AASHTO设计方法，采用可靠度设计，考虑了交通荷载的预测与使用性能变量的不确定性，结合大量的实验数据总结而来，在世界各地得到了广泛的应用。

一、柔性路面AASHTO法设计介绍

20世纪50年代末60年代初在渥太华和伊利诺伊州，通过直接修筑试验路，以实际行车作用下路况变化的实测资料为依据，建立行车作用和路面实际工作状态的函数关系：10101810105.194.21.59.3610.22.328.0710940.41rorPSILogLogWZSLogSNLogMSN（1）W18：设计年限内18kip（80kN）累计当量轴载作用次数；Zr：给定可靠度R的正态偏移；S0：标准离差；SN：路面结构数；△PSI：服务能力变化值；Mr：基层、底基层材料为动态回弹模量，路基土为有效土基回弹模量。1．PSI服务能力指数和∆PSIPSI是道路使用状况的现时服务能力指数。道路在使用的过程中，随着车辆荷载作用次数的增加，路面的PSI值会逐步减小。在道路使用初期PSI定义为P0，道路使用年限末期PSI定义为Pt。0PSIPP（2）AASHTO规定当Pt减小到一定值时，公路就是失去服务能力，必须进行维修或者翻修。2．累计当量轴载作用次数W18为计算道路使用年限内的累计当量轴载作用次数，需先对当前交通量包括交通组成部分进行精确统计，然后根据交通部门提供的数据合理预测未来年份的交通量。0ESALADTTTfDL365GY（3）其中：ESAL：当量单轴荷载；ADT0：设计年限开始时的日均交通量；T：为货车在ADT中的百分比；Tf：货车系数；G：增长系数；D：方向分布系数；L：车道分布系数；365：一年天数；Y：设计年限；11YrGYr（4）G：增长系数；r：年交通量增长率。累计当量轴载作用次数是80KN（18kip）标准轴载的重复作用次数。若车辆荷载不是标准轴载，需换算成这种标准轴载，即乘以当量轴载系数（EALF）。当量轴载系数定义为涉及的轴载通过一次引起的路面损害与标准轴载通过一次造成的损害的比值。3．可靠度及标准差可靠度是基于概率统计的方法，即它对各个设计因素包括交通量、交通疏散的难度和交通服务能力等给定一个均值和方差，使它在设计周期期间，达到预期功能的概率。应用可靠度的概念要求选用能反映当地条件的标准差。4．路面结构层SN在AASHTO设计方法中，HMA、基层和底基层的质量性能用其结构数SN表示。iiiSNaDm（5）其中ia：层位系数；iD：结构层厚度；im：排水系数；层位系数ai是单位厚度的路面材料具有的结构功能。AASHTO通过道路试验确定了它与回弹模量之间的关系，并给出了相应的图表查询。因此，确定各层材料的回弹模量成为关键。热拌沥青混凝土面层、水泥稳定碎石基层、粒料基层、粒料底基层的层位系数取值分别参照《AASHTO1993路面设计指南》[2]中图2.5、图2.8、图2.6及图2.7。对于路床有效回弹模量，通过现场探坑实验确定。中美洲路面设计规范中对路床的回弹模量没有具体要求，广泛采用的方法是：1,500RMCBR[3]。可以通过路床的CBR值来确定其回弹模量。这里值得注意的是以上公式的CBR值应当小于10%。排水系数mi是根据实际的排水质量和材料含水量对层位系数进行修正的值。根据哥斯达黎加相关项目的经验，级配碎石基层与碎石底基层排水系数均取0.9。上述公式中，存在两个SN，一个是由公式1-1计算所得SN*，SN*为满足ESAL最小结构数，另一个SN是由公式1-5计算所得各路面层总的结构数SNreq，显然SNreq大于SN*时才能满足路面结构厚度要求SNreq。根据《AASHTO93路面设计指南》[2]厚度设计方法通常由顶部开始，详细步骤如下：①取基层的回弹模量EBE作为路基土的有效回弹模量MR，由式1-1确定所需的结构数SN1，并用下式计算面层的厚度：111D*＞SN/a（6）②取垫层的回弹模量EGB作为路基土的有效回弹模量MR，由式（1-1）确定所需的结构数SN2，并用下式计算基层的厚度：221122D*＞（SNaD*/）（am）（7）③取路基土有效回弹模量作为MR，由式（1-1）确定所需的路面结构数SN3，并用下式计算垫层的厚度：331122233D*＞(SN-aD*aD*m/）（am）（8）5．力学-经验法验证疲劳开裂、车辙和低温开裂是柔性路面破坏的三种主要类型。其中疲劳开裂主要由沥青混凝土层底的拉应变和无机结合料层底最大拉应力控制，实验证明它们都与荷载重复作用次数有关。车辙是沿轮迹产生的永久变形或者轮辙深度，它主要由土基顶部的竖向变形控制。哥斯达黎加常年温度变化不大，不会出现低温，因而本项目不考虑低温开裂情况。（1）无机结合料稳定粒料层的疲劳开裂美国公路合作研究组织NCHRP于2006年基于应力比（σt/ER）对无机结合料稳定粒料的疲劳破坏进行预测，疲劳开裂方程如下：1122logtccRfcckENk（9）其中：fN—无机结合料稳定粒料允许荷载重复作用次数；t—无机结合料稳定粒料最大层底拉应力；RE—无机结合料稳定粒料28d断裂模量；c1k、c2k—全体标定系数，c1k=0.972，c2k=0.0825；c1、c2—地方标定系数，c1=1.0645，c2=0.9003；另外Scullion模型计算RE：0.57.31.2BEREE（10）其中EBE为无机结合料稳定粒料层的回弹模量；（2）沥青混合料的疲劳开裂[4]地沥青协会设计方法中，产生疲劳开裂的允许荷载作用次数Nf，与HMA底部拉应变t和HMA模量E的关系如下：231ffftNfE（11）其中：fN—沥青混合料允许荷载重复作用次数；t—沥青混合料层底拉应变；E—沥青混合料动模量，式中取1f=0.0796，2f=3.291，3f=0.854。（3）路床顶部永久变形[4]永久变形分析也称为车辙分析，在地沥青学会和壳牌设计方法中，限制车辙的允许荷载作用次数Nd与土基顶部竖向压应变c的关系如下：54fdcNf（12）其中：dN：永久变形允许荷载作用次数；c：土基顶部的竖向应变；4f、5f：系数和幂指数4f：1.365×10-9，5f：4.477。

二、AASHTO法在哥斯达黎加32号路改扩建项目的应用

1．工程概况哥斯达黎加是位于赤道北纬10°的位置，属于热带气候，全年温差变化不大。32号路是哥国最繁忙的主要公路，交通量较大，设计使用年限为10年。2．服务能力指数根据AASHTO试验，本项目的初始服务能力指数为4.2，最终服务能力指数取值2.5。3．累计当量轴载作用次数ESAL根据哥斯达黎加交通部MOPT文件DVOP-6152-07和DVOP-5170-07[5]，货车系数的取值为：小汽车0.01，轻型货车0.02，巴士1.71，两轴卡车0.63，三轴卡车1.28，五轴卡车2.38。依据哥斯达黎加交通部门提供的70150路段2014年日均交通及交通组成，设计年限10年的单车道当量轴载累计作用次数ESAL.4．可靠度及标准差依据AASHTO93设计指南，结合哥斯达黎加公路等级分类标准，此道路等级为农村主干线，可靠度取90%，标准差取0.45，ZR=-1.282。5．路面结构数SN和MR本项目采用水泥稳定碎石作为基层。路面结构计算采用的参数主要有：面层HMA回弹模量440,000Psi，层位系数0.44；水泥稳定碎石基层，7d无侧限抗压强度4.0MPa，设计动态回弹模量680,000psi，层位系数取0.18；粒料基层，CBR=80%，设计动态回弹模量取28,000psi，层位系数0.13；粒料底基层CBR=30%，设计动态回弹模量取15,000psi，层位系数0.11；地基土CBR值根据取样检测结果取3.4%，以MR=1,500×CBR求得土基回弹模量MR为5,100psi。经计算，70150路段确定沥青混凝土面层厚度D1为11cm，水泥稳定碎石基层D2为20cm，粒料基层（CBR=80%）D3为30cm，垫层（CBR=30%）D4为32cm。各个结构层厚度均满足规范中关于各结构层最小厚度的要求；6．力学经验法验证用PITRAPAVE程序分别计算沥青混凝土面层层底拉应变、水泥稳定碎石层底最大拉应力以及土基顶部的竖向压应变。经验算，沥青面层、水泥稳定碎石基层的疲劳损伤及路床顶部永久变形均能满足设计要求。

三、结语

综上所述，根据确定的参数，依据公式1-1可以建立W18和路面结构数SN关系，由W18值确定SN。然后由SN和层位系数关系可以确定路面各结构层的厚度，最后依据力学经验法进行验证。本设计也存在一些理论上的不足，根据哥斯达黎加当地的习惯，采用货车系数计算当量单轴荷载（ESAL），和美标采用当量轴载系数（EALF）相比偏小。若根据当量轴载系数（EALF）计算，EALF值取决于所用的破坏准则，与路面的类型、厚度及破坏时的最终状况有关系。大量的变量相互影响。后期应根据现场交通量观测，根据不同的荷载组计算EALF；此外用力学经验法验证路面结构层厚度时，采用了PITRAPAVE程序，计算模型中各层材料采用的本构模型均为线弹性，这和水泥稳定碎石基层、粒料基层材料性质有偏差。若条件许可，应对各个结构层进行试验研究，采用不同的本构模型进行验算。

参考文献

[1]何振宇，余武军.AASHTO沥青混凝土路面设计方法探讨[J].交通科技，2014，3：78-81.

[2]AASHTOGuideforDesignofPavementStructure[S].1993.

[3]ManualCentroameticanoparaDiseñodePavimentos[S].2002.

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

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

作者:胡晓伟 李永斌 单位:中国港湾工程有限责任公司 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司