AASHTO瀝青路面設(shè)計方法陳曉冬

1、路面設(shè)計原理與方法 陳曉冬 10橋梁與隧道工程 2111018649第二節(jié)AASHTO瀝青路面設(shè)計方法 美國各州公路工作者協(xié)會AASHO所推薦的設(shè)計法，是根據(jù)20世紀(jì)50年代末60年代初在渥太華和伊利諾斯州的大規(guī)模試驗路成果得到的，AASHO設(shè)計委員會于1961年先提出暫行設(shè)計指南，現(xiàn)已有1972年修訂、1986年版和1993年版。一、AASHO試驗路 AASHO通過直接修筑試驗路，以實(shí)際行車作用下路況變化的實(shí)測資料為依據(jù)。弄清不同行車作用與路面實(shí)際工作狀態(tài)間的關(guān)系，以實(shí)際行車的使用性能為標(biāo)準(zhǔn)，制定計算公式，提出路面設(shè)計方法。主要進(jìn)行的試驗項目有：路面結(jié)構(gòu)組成；路肩的作用；基層的等值關(guān)系；有關(guān)

2、路面強(qiáng)度的季節(jié)性變化；表面處治的作用。為此，其結(jié)構(gòu)組成原則是：基層厚度不變而改變?yōu)r青面層和砂礫料底基層厚度，組成各種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以安排輕、重型車行駛；面層和底基層厚度基本不變而改變不同材料的基層厚度，以了解不同基層厚度的等值關(guān)系。試驗路于1962年提出報告，其主要成果有：(1) 得出了路面耐用性指數(shù)與路面工作狀態(tài)間的關(guān)系，并根據(jù)不同道路等級對路面的使用狀況要求，提出了路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。(2)建立了路面設(shè)計方法的基本方程，提出了不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的路面厚度計算列線圖和不同路面材料的結(jié)構(gòu)層系數(shù)。 (3)導(dǎo)出了不同車型軸載與數(shù)量間等效關(guān)系的軸載換算公式。 二、耐久性指數(shù)與路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 道路是供車輛行駛的，因此使

3、用要求應(yīng)是主要標(biāo)準(zhǔn)。不同的道路等級由于行車速度的不同，要求的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)不同。為此，引用了在此之前已經(jīng)由美國公路研究委員會(HRB)的卡雷(Carey)和伊利克(Iriek)所開創(chuàng)的路面現(xiàn)有耐用性指數(shù)PSI的成果。 現(xiàn)有路面耐用性指數(shù)PSI(Present Serviceability Index)是根據(jù)路面使用性能，對路面作出定量評價的方法。該法分兩步著手：一是路面狀況觀測評級。這是一種定性的觀測，它不去判斷路面現(xiàn)有狀況造成的原因，僅僅根據(jù)使用的要求對當(dāng)時的路況給予評級，所以稱為路面現(xiàn)有耐用性評級PSR(Present Serviceability Rating)。二是路面質(zhì)量評定。這是一種

4、定量的評定，其目的是要確定路面結(jié)構(gòu)的適宜程度，并判定所以產(chǎn)生該類路況的原因，因此要對路面作一定物理量的量測，把各路段物理量的測定結(jié)果與PSR相比較，通過統(tǒng)計分析，使兩者結(jié)合，得出路面評價標(biāo)準(zhǔn)路面耐用性指數(shù)。因測定的是當(dāng)時的狀況，故稱之為路面現(xiàn)有耐用性指數(shù)PSI。1現(xiàn)有耐用性評級PSR的確定方法由包括從事道路建設(shè)、維修的工程人員、汽車運(yùn)輸工作者、車輛制造者、道路教育工作者的代表組成的小組，驅(qū)車行駛在選定的路段上，按5分制進(jìn)行評級?？ㄆ谐謨?yōu)、良、中、差、劣評級外，并要求提供你認(rèn)為的影響因素和是否合格的評語，并以其平均值作為小組的PSR值，容許誤差為05分，評級小組應(yīng)有8人，一般小組人數(shù)以510

5、人為宜。2現(xiàn)有耐用性指數(shù)PSI的確定方法根據(jù)路面各種狀況的物理性量測值，經(jīng)過分析研究，提出以路面不平整度、裂縫與修補(bǔ)面積、車轍量三者作為對路面使用性能影響的主要因素。接著把各路面狀況測定的物理量不平整度F。、裂縫及修補(bǔ)面積F。、車轍量F。為一方，以PSR的評級為另一方，按以下公式進(jìn)行回歸統(tǒng)計。 （11-21）式中：A。、A。、A。、A。；b。、b：、b。為回歸分析后得到的系數(shù)與指數(shù)。 經(jīng)過大量結(jié)果的回歸分析，消除了路面評級PSR中的人為主觀因素，得出比較客觀的評價。因此經(jīng)過回歸分析后的結(jié)果已不是原來的現(xiàn)有耐用性評級PSR，為了有所區(qū)別，稱之為現(xiàn)有耐用性指數(shù)PSI。當(dāng)然，PSI公式的確定，與測定

6、物理量的儀器和方法有關(guān)，因此首先應(yīng)確定使用的儀器和方法。 1)路面不平整度測定法AASHO用他們研制的斜率縱斷面儀測定不平整度。每lft測1點(diǎn)，即測得每lft兩點(diǎn)間的高差y，以高差除以距離，用斜率表示，單位為，測定速度為35mileh，沿路面上兩條汽車輪跡帶上測量，然后按下式統(tǒng)計得斜率方差SV(即標(biāo)準(zhǔn)差的平方)： （11-22）式中：咒全部測點(diǎn)數(shù)； y第i號測點(diǎn)斜率()。 不平整度與PSI的關(guān)系如圖114所示。 2)裂縫與修補(bǔ)面積 。 二者均直接在路面上量得，裂縫包括龜裂、碎裂等，均以面積表示。如裂縫為條形，則以裂縫長度代表面積，實(shí)際上是指以裂縫為中心的1ft范圍內(nèi)作為損壞型的面積，以ft10

7、00ft表示，稱為裂縫度C。修補(bǔ)面積包括已修補(bǔ)和等待修補(bǔ)的面積，表面修補(bǔ)與補(bǔ)坑都在內(nèi)，也以ftlOOOft表示，稱為修補(bǔ)度廠。 3)車轍深度以4ft(120cm)長的直尺在兩個車輪輪跡帶上量得車轍深度，每1000ft內(nèi)取4050個等距離的斷面量測，以其平均值表示，單位為in，稱為車轍深度RD。根據(jù)測定結(jié)果，經(jīng)統(tǒng)計回歸后，得到現(xiàn)時耐用性指數(shù)PSI公式如下： （11-23）如采用公制單位，SV是斜率方差對公式?jīng)]有影響；RD若以cm為單位，其系數(shù)138應(yīng)改為021，f和，用裂縫率及修補(bǔ)率，即mlOOm，則系數(shù)001應(yīng)改為0032，并應(yīng)注意遇到條形裂縫，應(yīng)把裂縫長度乘以03m(相當(dāng)于“1ft)作為裂縫

8、面積。這樣公式(1123)變?yōu)橄率?（11-24）式中：c+f一一裂縫率和修補(bǔ)率()； RD車轍深度(cm)；SV同前()。F與PSI的關(guān)系如圖115所示，車轍深度與PSI的關(guān)系如圖11-6所示。3不同道路等級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的確定道路在使用過程中，路面的耐用性指數(shù)逐步下降，究竟PSI降到何值，路面還可以滿足要求而屬于合格的標(biāo)準(zhǔn)，降到何值應(yīng)進(jìn)行維修，降到何值為損壞，應(yīng)予翻修，這是首先應(yīng)予確定的。對此各家見解也不盡一致，最后綜合各家的意見，得出以下的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：對主要公路，例如州際公路PSI25；對次要道路，例如一般公路，PSI20時，屬于合格的路面，可以正常行車；當(dāng)PSI15時作為損壞標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)予翻修；在

9、這兩者之問應(yīng)及時維修或罩面。為此，AASHO設(shè)計法規(guī)定以20年為設(shè)計年限，在設(shè)計期間經(jīng)過車輛行駛后，最終耐用性指數(shù)PSI一25作為主要公路的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，PSI一20作為次要公路的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。 三、AASH()試驗路基本方程及其諾謨圖 1基本方程 在AASHO道路試驗過程中，在試驗路完工和經(jīng)過行車試驗的各個階段，把測定的物理量按式(11123)計算PSI值，發(fā)現(xiàn)PSI值隨行車的作用次數(shù)而逐漸下降。根據(jù)試驗路的大量資料，把各路段的各個路面結(jié)構(gòu)所經(jīng)受不同車型的荷載作用次數(shù)N與PSI的損失值的關(guān)系進(jìn)行整理，得到以下公式： （11-25）式中：C。試驗路完工時的路面耐用性指數(shù)，該試驗路測得的平均值為42；

10、Pt經(jīng)過車輛行駛N次后，達(dá)到的最終耐用性指數(shù)PSI； 該路段最終耐用性指數(shù)降至15，即路面達(dá)到損壞標(biāo)準(zhǔn)時軸載的作用次數(shù)； 斜率。 該公式表示，耐用性指數(shù)損失值的比值與荷載作用次數(shù)的比值，成雙對數(shù)的直線關(guān)系，即： （11-26）這就是AASHO試驗路的基本方程。 G為任何階段耐用性指數(shù)的損失C。一P。，與耐用性指數(shù)達(dá)到損壞標(biāo)準(zhǔn)即P。=15時的總損失c。，一15之比的對數(shù)值。如C。一42，則設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)P。一25，20，15時，G值分別為一02009、一00889、0。盧為雙對數(shù)直線的斜率，它表明耐用性指數(shù)損失的性質(zhì)，與路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱，荷載的輕、重有關(guān)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)或荷載輕則損失得慢，盧值小；反之，耐用性指

11、數(shù)損失得快，盧值大。N及p為加權(quán)軸數(shù)，是不同季節(jié)的軸載作用次數(shù)乘以季節(jié)性加權(quán)數(shù)的總和。這是因為在春融季節(jié)一次軸載作用相當(dāng)于正常季節(jié)的若干次，而在冬季一次荷載只相當(dāng)于正常季節(jié)的若干分之一。AASH()建議的季節(jié)加權(quán)數(shù)如表11 3。如不同季節(jié)的加權(quán)數(shù)分別為k。、k。、k。，而相應(yīng)的交通量為、，則加權(quán)軸數(shù)為： （11-27）2盧、P與路面結(jié)構(gòu)及軸載的關(guān)系根據(jù)試驗路資料，當(dāng)N與10以加權(quán)軸數(shù)表示，盧與P與路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN、荷載變量L間有以下關(guān)系： （11-28） （11-29）式中：L單軸荷載或一組雙軸荷載上的荷載以千磅計； L。軸數(shù)，單后軸為1，雙后軸為2； SN一一表示路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱的代表數(shù)，稱路面結(jié)

12、構(gòu)數(shù)。 （11-30）式中：、分別為面層、基層、底基層的厚度，以英寸計；、分別為面層、基層、底基層的結(jié)構(gòu)層系數(shù)。 結(jié)構(gòu)層系數(shù)主要靠變化不同基層厚度的試驗得到。以環(huán)道5為例。該結(jié)構(gòu)瀝青面層：76cm(3in)和底基層10cm(4in)不變，基層分別為瀝青穩(wěn)定礫石、水泥穩(wěn)定礫石、碎石三種，其厚度均從7540cm(316in)，當(dāng)不同車型行駛1114000次后，最終耐用性指P降至25時，可得不同材料基層厚度間的等值關(guān)系。結(jié)果可知，當(dāng)軸載L一82kN(18klbf)時，瀝青穩(wěn)定礫石15cm(6in)，水泥穩(wěn)定礫石20cm(8in)，碎石33cm(13in)，三者等效，當(dāng)時以in為單位，故每in的相對價

13、值是16、18、113：當(dāng)軸載L一100kN(22klbf)時，三者等效的厚度為175cm(7in)、35cm(20in)和每種在每種材料的結(jié)構(gòu)層系數(shù)為17、1lO、116。可見它與軸載大小有所不同，如分別乘以各自承擔(dān)的軸載(以10klbf計)，則L=82kN時，三者的結(jié)構(gòu)層系數(shù)分別為03、 0225、0138；L=100kN時分別為0314、022、0138，即瀝青穩(wěn)定礫石的結(jié)構(gòu)層系數(shù)是03o314平均03，水泥穩(wěn)定碎石是0225022平均022，碎石則為014，當(dāng)然面層與底基層厚度變化也會影響這個系數(shù)，最后根據(jù)各環(huán)道全部測定資料，包括面層瀝青混合料和底基層砂礫料強(qiáng)度的對比，按離散法加權(quán)分析

14、，得出表11-4的平均值。這樣就可把各個環(huán)道不同的結(jié)構(gòu)通過等值關(guān)系統(tǒng)一換算為結(jié)構(gòu)數(shù)SN，以便進(jìn)一步對行車作用進(jìn)行分析。由此可見結(jié)構(gòu)強(qiáng)，p就小，即耐用性指數(shù)損失得慢；反之快，同時證明在同一結(jié)構(gòu)時，軸載大，盧則大，即耐用性指數(shù)損失得快。由表中還可看出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱和軸載的輕重對造成路面損壞的軸載次數(shù)影響巨大。四、AASH()設(shè)計法 AASHO設(shè)計法是指AASHO設(shè)計委員會根據(jù)AASHO道路試驗的基本方程，以82kN(18klbf)為標(biāo)準(zhǔn)軸載，引用軸載換算公式后制定的路面設(shè)計指南。這樣可以把不同軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載使設(shè)計工作簡化，該法并進(jìn)一步考慮不同土基的支承值s與地區(qū)修正系數(shù)R，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍。下面分別

15、敘述不同土基條件與不同地區(qū)氣候狀況下的設(shè)計列線圖。 1土基條件的修訂 在AASHO試驗路基本方程及其諾模圖中，土基只有一種類型。他們把該試驗路的土基強(qiáng)度定為支承值S一3，因而不能適用于其他類型的土基。為此，AASHO設(shè)計法作了這樣的假定：如果碎石基層很厚，土基的影響幾乎可以忽視時，該路段的使用情況則決定于基層。經(jīng)分析，在這樣堅實(shí)的基層上，如果修筑45in的廠拌瀝青混凝土面層，大致可以經(jīng)受18klbf單軸荷載每天平均1000次的作用，經(jīng)20年而最終耐用性指數(shù)P。不至于降到20，這種碎石基層的支承值s=10。這就是說，如土基支承值s=10，路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN=45×044=19820時，承受

16、18klbf軸載通過累計數(shù)1000×20×365=73×106后，最終耐用性指數(shù)P。=20，此時的軸載通過次數(shù)以N表示。但根據(jù)基本方程，即土基支承值S一3時，如SN一198最終耐用性指數(shù)同樣達(dá)到20時，可承受18klbf的軸載通過次數(shù)N為：由于軸載問有固定的等效關(guān)系，故以100kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載時，以上關(guān)系同樣成立。 由此可見，當(dāng)軸載通過次數(shù)N相同時，s一10的路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN要遠(yuǎn)小于S一3的路面結(jié)構(gòu)數(shù)，所以軸載通過次數(shù)相同而土基支承值S不同時，可根據(jù)以上關(guān)系對基本方程作出補(bǔ)充，以擴(kuò)大其使用范圍。例如以100kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載時，路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計公式為：據(jù)此，即可計算土基支承值為其他值時軸載通過次數(shù)N。與路面結(jié)構(gòu)數(shù)SN間的關(guān)系。在AASHO設(shè)計法中，土基支承值S并沒有測定方法，因此只好依靠當(dāng)時比較成熟的土基強(qiáng)度測定方法，例如以CBR測定值等與土基支承值S取得聯(lián)系，作為決定S值的依據(jù)。AASHO設(shè)計委員會一般推薦美國猶他州公路局提出的CBR與s值的關(guān)系，如圖117。經(jīng)比較，該圖可近似以下式表示：這樣，有了土基CBR值，即可確定S值，然后代入式(1卜38)，求得不同P。時N