AASHTO道路規(guī)范應(yīng)用分析

陳利華

(西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075)

我院在沙特Rabigh 2×660MW燃油電站項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，依照AASHTO規(guī)范并根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件合理設(shè)計(jì)，取得了良好的效果，同時(shí)我們也對(duì)美國道路規(guī)范體系、AASHTO規(guī)范體系及其瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、程序及參數(shù)選擇等加以分析，希望為今后進(jìn)一步研究提供一定的參考。

1 AASHTO規(guī)范簡(jiǎn)介

美國道路設(shè)計(jì)基于其聯(lián)邦公路管理體制，逐步形成了其獨(dú)具特色的規(guī)范體系，該體系自上而下分為聯(lián)邦法案、聯(lián)邦級(jí)指南及各州法規(guī)三個(gè)層次。

美國州際之間的道路設(shè)計(jì)絕大部分參考AASHO的道路試驗(yàn)結(jié)果。AASHTO建立的測(cè)試場(chǎng)地位于伊利諾伊州的渥太華。AASHTO路面設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)際上是建立在物理模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的。

隨著不斷的發(fā)展、完善，AASHTO建立起了一整套的公路設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量保證等方面的規(guī)范。期中路面設(shè)計(jì)規(guī)范主要包括：

道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南1993；(AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES(GDPS-4-M)1993)

道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南年補(bǔ)充1998；(GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES，4TH EDITION WITH 1998 SUPPLEMENT)

2 沙特Rabigh項(xiàng)目簡(jiǎn)介

Rabigh 2×660MW燃油項(xiàng)目廠址位于沙特西部港口城市以北約150km處的拉比格，其地處阿拉伯半島中部。該地區(qū)氣候炎熱，干旱少雨，路基排水條件良好，不存在地基凍漲問題，類似美國REGION Ⅳ Dry，no freeze 氣候條件。

建設(shè)場(chǎng)地地層分為二層，由上覆地表砂和下伏珊瑚和珊瑚狀灰?guī)r組成。地下水位的變化在地面下3.82～4.70m之間。根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，建設(shè)場(chǎng)地路基砂礫、灰?guī)r為主，承載力較高，排水條件良好，地下水對(duì)路基影響較小。可采用當(dāng)?shù)厣笆牧献鳛榛鶎蛹暗谆鶎硬牧希坊鵆BR值經(jīng)壓實(shí)處理后，可達(dá)到5%以上。

3 瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.1 設(shè)計(jì)壽命

根據(jù)AASHTO有關(guān)規(guī)定及電廠道路特點(diǎn)，分析期確定為20年。

3.1.2 設(shè)計(jì)交通量

(1)設(shè)計(jì)交通量

根據(jù)業(yè)主工程師提供的電廠一個(gè)車道內(nèi)的交通量，每天卡車通過量為250輛。種類及軸載型式見表1。

表1 電廠交通量

表2 交通量參數(shù)

(2)等效軸載

指分析期內(nèi)預(yù)測(cè)累計(jì)18千磅等效單軸(ESAL—18－kip Equivalent Single Axle Load)作用次數(shù)。對(duì)瀝青路面來說，在確定混合軸換算ESAL的等效換算轉(zhuǎn)換因子前需初步確定結(jié)構(gòu)數(shù)SN(Pavement Structural Number)。

表3 卡車等效轉(zhuǎn)換因子

表4 等效軸載計(jì)算

根據(jù)所給的平均日交通量，可計(jì)算得到第一年的交通量換算為等效18 kip軸載(ESAL)為688956(13779115/20)，其交通量年增長率0%。上述交通量的預(yù)測(cè)是針對(duì)一個(gè)車道進(jìn)行的，因此這里道路的方向分布系數(shù)DD不必考慮，車道分布系數(shù)為1.0，所以第一年的設(shè)計(jì)交通量為688956×1.0=688956D_Dd__ESAL軸載。給出20年的軸載累積曲線。

3.1.3 可靠度

可靠性是指在設(shè)計(jì)程序中加上一定程度的保證率以確保各種設(shè)計(jì)方案可以持續(xù)滿足整個(gè)分析期需要的方法。

圖1 軸載累積曲線

表5 可靠度建議值

R值取90%，可靠度標(biāo)準(zhǔn)差S0按照AASHTO 93建議取值為0.35。

3.1.4 服務(wù)能力

最基本的服務(wù)能力的量度標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)有路面耐用性指數(shù)PSI，其值在0到5的范圍變化。

根據(jù)AASHTO Road Test有下表。關(guān)于Pt在不同值時(shí)調(diào)查人群對(duì)路面的不滿意比例。

表6 末期服務(wù)水平

根據(jù)表6，本次計(jì)算取Pt為2.5，路面結(jié)構(gòu)服務(wù)能力下降至Pt的時(shí)間還與交通量以及初始服務(wù)能力P0有關(guān)。根據(jù)AASHTO Road Test的結(jié)果，瀝青路面的P0值一般取4.2。服務(wù)能力變化量即：

式中： Pt為終期服務(wù)能力；P0為初期服務(wù)能力；ΔPSI為服務(wù)能力變化量。

3.1.5 環(huán)境因素

(1)膨脹、凍漲

根據(jù)沙特當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，當(dāng)?shù)厝隁鉁卦?℃以上，故不考慮凍漲。

路基土的膨脹及凍漲在設(shè)計(jì)中的處理方式見AASHTO 93(Region3－Region4中的APPENDIX G)。

(2)土基吸水膨脹

根據(jù)沙特當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，無需進(jìn)行土基吸水膨脹造成的影響計(jì)算。

① 根據(jù)巖土報(bào)告表層為分選性差的砂，含有粉土和礫砂，從粉砂到礫砂之間變化，粉砂中含有礫砂，不屬于膨脹土。

② 該地區(qū)年平均降水量僅52.1mm，做好排水設(shè)計(jì)，大氣降水不會(huì)成為土基濕度的來源。

③ 根據(jù)巖土報(bào)告，地下水位的變化在地面下3.820m～4.70m之間，對(duì)路基影響很小。

3.1.6 有效路基回彈模量

計(jì)算有效路床回彈模量需要建立土壤回彈模量與濕度的關(guān)系，通過估算各月份路床濕度來得到一年中的土壤回彈模量。

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏采用AASHTO推薦值來代替：根據(jù)水文氣象資料可知工程所在地屬于干旱、無凍結(jié)地區(qū)，類似美國REGION Ⅳ，dry，no freeze 氣候。路床土壤有效回彈模量取Fair組，為5600psi。

3.1.7 路面設(shè)計(jì)層材料性質(zhì)

自然土、自由粒料層、瀝青混凝土層等的彈性模量。

表7 各層材料參數(shù)

(1)瀝青面層層系數(shù)(Asphalt Concrete Surface Course)

根據(jù)AASHTO 93規(guī)定，瀝青面層層系數(shù)可根據(jù)表查詢得到68℉時(shí)，在瀝青面層彈性模量下對(duì)應(yīng)的層系數(shù)值。設(shè)定瀝青面層模量EAC為450000psi(3103Mpa)。由93 Part II Figure2.5.可得到對(duì)應(yīng)層系數(shù)a1為0.44。

(2)碎石基層層系數(shù)(Granular Base Layers)

基層層系數(shù)可由基層材料的性質(zhì)得出，此處設(shè)定基層材料彈性模量EBS值為30000psi，由93 Part II Figure2.6.可得，基層層系數(shù)a2為0.14。

(3)底基層層系數(shù)(Granular Subbase Layers)

同樣底基層層系數(shù)也可由材料性質(zhì)得到，此處底基層彈性模量ESB設(shè)定值為11000psi，由93 Part II Figure2.7.可得，基層層系數(shù)a3為0.08。

(4)排水層系數(shù)(Drainage Layer coefficient)

排水層等級(jí)確定為“Good”級(jí)(可在一天內(nèi)將水排走)。

項(xiàng)目所在地區(qū)為氣候干旱區(qū)，取排水系數(shù)為1.30。(Percent of Time Pavement Structure is Exposed to Moisture Levels Approaching Saturation取小于1%)。

3.2 結(jié)構(gòu)層厚度計(jì)算

各層厚度計(jì)算采用計(jì)算各層之上層的等效結(jié)構(gòu)數(shù)(SNi)來計(jì)算。

首先，計(jì)算基層之上的層結(jié)構(gòu)數(shù)，利用基層回彈模量參數(shù)查詢Figure3.1(Part II)，其中EBS=30000psi，可靠度R=90%，W18取值為14×106(>13779115)，ΔPSI取值為1.7，得到的SN1值為3.0，因此瀝青混凝土面層的厚度為：

同樣的，用底基層彈性模量11000psi作為等效回彈模量，得到的SN2值為4.4結(jié)果：

有效路基土模量是5600psi.SN確定為5.8.最終，底基層的厚度為：

圖2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

圖3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.3 設(shè)計(jì)分析

(1)設(shè)計(jì)使用期為20年，分析期內(nèi)當(dāng)量18kip軸載(ESAL)為13779115次。按設(shè)計(jì)厚度該路面可承受的荷載為14×106次ESAL。

(2)道路設(shè)計(jì)可靠度為90%，可靠度標(biāo)準(zhǔn)差S0為0.35。

(3)終期服務(wù)能力設(shè)為2.5，初期服務(wù)能力為4.2，故ΔPSI=1.7。

(4)因地區(qū)常年溫度在0度以上，設(shè)計(jì)過程中未考慮凍漲因素；根據(jù)路基土特點(diǎn)，不考慮吸水膨脹對(duì)設(shè)計(jì)壽命的影響。

(5)路床回彈模量為5600psi，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為瀝青面層模量EAC is 450000psi、碎石基層及底基層結(jié)構(gòu)，其層系數(shù)分別為0.44，0.14，0.08.排水系數(shù)為1.30。

(6)經(jīng)計(jì)算所得各結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)厚度分別為瀝青面層7 inches，碎石基層8 inches，底基層為13 inches。

(7)施工要求

① 路基處置

地基應(yīng)清除腐殖土并整平，當(dāng)?shù)鼗恋腃BR小于5%，需采取相應(yīng)的地基處理措施，以提高CBR。可通過采用土工格柵及換填等措施，改善地基條件。對(duì)底基層及地基的再評(píng)價(jià)，需在地基處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

② 基層和底基層需選擇適當(dāng)材料，底基層壓實(shí)系數(shù)不小于96%，基層不小于98%。

③ 瀝青混凝土面層設(shè)計(jì)基于高性能瀝青設(shè)計(jì)方法。粒料的選擇，混合料設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量控制、質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)滿足AASHTO相關(guān)規(guī)范要求。

4 AASHTO與我國瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)方法的主要區(qū)別

AASHTO瀝青路面設(shè)計(jì)方法是通過大量試驗(yàn)路數(shù)據(jù)建立路面結(jié)構(gòu)數(shù)與軸載、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)偏差、有效路基回彈模量、服務(wù)能力損失等因素的關(guān)系，并通過獲得以上相關(guān)參數(shù)確定結(jié)構(gòu)數(shù)，結(jié)構(gòu)數(shù)與結(jié)構(gòu)厚度通過層系數(shù)與排水系數(shù)來轉(zhuǎn)換，最終獲得所需的結(jié)構(gòu)組合。

我國瀝青路面設(shè)計(jì)方法是通過軸載、路基回彈模量、各層材料回彈模量等參數(shù)確定設(shè)計(jì)彎沉值和瀝青混凝土層、半剛性基層和底基層容許拉應(yīng)力，并以此為指標(biāo)計(jì)算或驗(yàn)算路面結(jié)構(gòu)組合。

兩種規(guī)范在設(shè)計(jì)中的主要差別集中在軸載換算、路基回彈模量及結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)取值等，分析如下：

4.1 軸載換算

(1)兩者標(biāo)準(zhǔn)軸載不同，AASHTO的標(biāo)準(zhǔn)軸載相當(dāng)于單軸軸載18kip(80kN)，我國標(biāo)準(zhǔn)軸載為單軸雙輪組軸載100kN。

(2)換算方式不同。AASHTO換算方法中承擔(dān)相同軸載雙軸的換算系數(shù)比單軸小很多，而我國的換算程序中，雙軸承擔(dān)荷載需要乘以軸數(shù)系數(shù)，但計(jì)算過程中軸載采用軸組單一軸軸載進(jìn)行系數(shù)計(jì)算。

4.2 路基回彈模量

(1)路基回彈模量是隨著季節(jié)發(fā)生變化的。處理這個(gè)問題，我國規(guī)范中路基模量設(shè)計(jì)值的確定中用考慮不利季節(jié)和路基干濕類型的綜合影響系數(shù)解決，根據(jù)不同的土基稠度值給出了三個(gè)不同的綜合影響系數(shù)。但僅僅通過三個(gè)等級(jí)的折減系數(shù)來應(yīng)對(duì)我國各地區(qū)復(fù)雜的氣候地質(zhì)條件明顯不足。

(2)對(duì)比而言，AASHTO設(shè)計(jì)方法中，將不同模量下對(duì)路面損壞程度作為權(quán)重，計(jì)算得出加權(quán)的土基模量作為有效路基回彈模量，適用于處理各種復(fù)雜的溫濕度變化狀況，值得借鑒。

4.3 結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)材料的回彈模量受應(yīng)力狀態(tài)、溫度等影響，我國設(shè)計(jì)方法中對(duì)材料參數(shù)的選擇是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)得的固定值。而AASHTO所提供的基層、底基層模量則考慮到了材料的實(shí)際受力狀態(tài)，并且在應(yīng)用上也更加靈活。

(2)我國在制定瀝青混合料模量試驗(yàn)方法時(shí)考慮到與早期規(guī)范相結(jié)合仍舊使用了靜態(tài)模量作為路面設(shè)計(jì)參數(shù)，各種研究表明動(dòng)態(tài)模量更能反映材料在車輛荷載作用下的實(shí)際受力狀態(tài)。

(3)設(shè)計(jì)參數(shù)是材料設(shè)計(jì)、混合料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，長期以來路面設(shè)計(jì)人員忽視材料設(shè)計(jì)參數(shù)測(cè)定，造成路面設(shè)計(jì)僅僅是抄錄規(guī)范參數(shù)進(jìn)行厚度計(jì)算的局面。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，尤其是高等級(jí)路面的設(shè)計(jì)過程中要取得工程用路面材料的實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)參數(shù)。

5 結(jié)語

AASHTO規(guī)范基于AASHO道路試驗(yàn)，從可靠度、環(huán)境影響因素、巖土及氣象條件、路基排水、道路交通量，結(jié)合道路造價(jià)及分期修筑的條件，并引入設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)數(shù)(SN)的概念，進(jìn)行路面設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)方法得到了廣泛認(rèn)可，成為國際通用的道路設(shè)計(jì)規(guī)范，其在設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的方式及強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)性方面值得我們的重視和借鑒。

以上僅是一些初步研究。其中，還有很多不足之處，懇請(qǐng)各位同行指正。

[1]AASHTO，Guide for Design of Pavement Structures[S]

[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)，2004，28(4).

[3]葛守飛，郭知濤.淺談我國瀝青路面設(shè)計(jì)方法與AASHTO設(shè)計(jì)方法[J].山西建筑，2008，34(36).

[4]李剛，張留俊，丁小軍.基于AASHTO的瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)方法[J].公路，2008，(9).