AI設(shè)計方法詳細介紹

#AI設(shè)計方法簡介自1955年以來，美國地瀝青學(xué)會（AI）為瀝青路面厚度設(shè)計出版了八個版本的系列手冊（MS-L）。MS-1手冊中瀝青厚度設(shè)計方法都是采用經(jīng)驗方法。MS-1的第七和第八版是以AASHO道路試驗、WASHO道路試驗和一些英國試驗路的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。1981年出版的MS-1的第九版本與前面的版本不同，第九版本以力學(xué)一經(jīng)驗法為基礎(chǔ)，應(yīng)用彈性多層體系理論以及經(jīng)驗的破壞準則確定路面的厚度。對于瀝青混凝土面層、瀝青混凝土或乳化瀝青基層采用三層連續(xù)體系；當其卞還有粒料基層時，釆用四層連續(xù)體系。荷載圖式為雙圓垂直荷載，以80KN單軸荷載為標準，每輪當量圓半徑S=11.5em,兩輪中心間距為3§。以瀝青基層層底拉應(yīng)變和土基頂面垂直壓應(yīng)力為控制標準。認為臨界應(yīng)變位于雙輪荷載對稱軸線上。根據(jù)名為DAMA的計算機程序，研制了一系列設(shè)計圖表。1991年又提出了MS-1第九版的修正版本，包括了三個不同溫度區(qū)范I制的路面厚度設(shè)計。圖1是AI設(shè)計法流程圖。一、設(shè)計標準A1設(shè)計方法采用兩種應(yīng)變作為破壞準則。一個是瀝青層底部的水平拉應(yīng)變饒，控制疲勞開裂；另一個是土基表面的豎向壓應(yīng)變“控制永久變形，即車轍。1疲勞準則AI法建立了標準混合料（瀝青體積為11$,空隙率為5%）的疲勞方程見式（1）,該方程考慮了實驗室與野外條件的差異。Nf=O.00115（為八⑼伍丁⑸（1）式中，2為控制疲勞開裂的允許荷載重復(fù)作用次數(shù)，El為瀝青混合料的動模量（Mpa）。AASH0道路試驗所選路段的觀察表明，應(yīng)用式（1）所得到的疲勞開裂占總面積的20%o對于非標準混合料，根據(jù)實驗室的疲勞試驗結(jié)果，式（1）可表示為Nj=0.00115（￡e）zi|ET說.C（2）式中，C為空隙率Va和瀝青Vb的函數(shù)。C二10”（3）式中，M=4.84[Vb/（Va+Vb）-0.6875]2永久變形準則根據(jù)AASH0試驗數(shù)據(jù)整理結(jié)呆得出，控制永久變形的允許荷載重復(fù)作用次數(shù)可用下式表示：Nd二1.365X10-9477（4）只要路面壓實良好，且瀝青混合料設(shè)計得當，式（4）計算的設(shè)計交通荷載作用下的車轍不會人于12.7mm。二、交通分析用80kN當量單軸荷載進行設(shè)計，則i荷載組每天的初始重復(fù)作用次數(shù)可用下式計算：(no)X=(p-F<)(ADT)o(T)(A)(5)式中：(n。)，為i荷載組每天的初始重復(fù)作用次數(shù)：p,為i荷載組占總重復(fù)作用次數(shù)的百分數(shù)；(ADT)。為設(shè)計年限開始時的口均交通量；T為貨車在ADT中的百分數(shù)；A為每輛貨車的平均軸數(shù)：F：為i荷載組的當量軸載系數(shù)(EALS),是根據(jù)pt二2.5、SN二5時的AASHTO軸載等效公式進行，即FF(P/80)\設(shè)計車道的當量軸載為TOC\o"1-5"\h\zESAL二(工p：Fj(ADT)o(T)(A)(G)(D)(L)(365)(Y)6式中，G為增長系數(shù)：D為方向分布系數(shù)，通常假設(shè)為0,除非兩個方向的交通量不同；L為車道分布系數(shù)，它隨交通量和車道數(shù)目而變化；Y為設(shè)計年限，單位為年。其中式(5)中右邊第一項和第四項合并，稱之為貨車系數(shù)。咕(工(A)(7)式中，&為貨車系數(shù)，或每輛貨車的80kN單軸荷載作用次數(shù)。式(6)改寫為：ESAL=(ADT)o(T)(T0(G)(D)(L)(365)(Y)(8)1設(shè)計ESAL的確定確定設(shè)計憂AL的方法的步驟如卞:預(yù)測擬建工程可能行駛的不同類型車輛的數(shù)量，諸如客車、單車廂貨車(含公共汽車)以及各種類型的多車廂貨車等。若可以預(yù)測貨車總數(shù)，但不知其類型，則可用表1作為參考。表1美國不同等級公路和車輛的貨車系數(shù)分布情況車輛類型貨車的百分數(shù)州際其它主干線次要主干線集散道路主要次要郊區(qū)路網(wǎng)單車箱貨車2軸，4輪2軸，6輪3軸或以上全部單車廂貨車半拖掛牽引車4軸或以下5軸6軸或以上全部多車廂牽引車全部貨車4382554114710060103733251271007111486311<1141007310487210113100801029226<18100市區(qū)路網(wǎng)

單車廂貨車2軸，4輪2軸，6輪52666784863軸或以上121215911全部單車廂貨242<1車半拖掛牽引車66828595974軸或以下553215軸281312326軸或以上1<1<1<1<1全部多車廂牽引34181553車全部貨車100100100100100(2)根據(jù)第一年的交通確定設(shè)計車道上每一種貨車的數(shù)量。對于雙車道公路，設(shè)計車道可以取路面上的任一車道。在缺乏具體數(shù)據(jù)時，可以用表2確定設(shè)計車道可能行駛的貨車的相對比例。表2設(shè)計車道總貨車交通量的百分數(shù)兩個方向車道數(shù)計車道總貨車交通量的百分數(shù)250445（35?48）6或6以上40（25?48）(3)確定每種車輛的貨車系數(shù)。貨車系數(shù)定義為貨車通過一次相當于80kN(18kip)軸載作用的次數(shù)。表3給出了常用的貨車系數(shù)。若是只知道貨車的總數(shù)，則不需要按表1將其細分為不同車型，只要將貨車總數(shù)乘以表3底部所示的全部貨車系數(shù)，即可得到當量80kN(18kip)單軸荷載作用次數(shù)。表3美國不同等級公路和車輛的貨車系數(shù)分布情況車輛類型貨車系數(shù)州際其它主干線次要主干線集散道路主要次要郊區(qū)路網(wǎng)單車箱貨車2軸，4輪2軸，6輪3軸或以上全部單車廂貨車半拖掛牽引車4軸或以下5軸6軸或以上全部多車廂牽引車全部貨車0.0030.210.610.060.621.091.231.040.520.0030.250.860.080.921.251.541.210.380.0030.281.060.080.621.051.040.970.210.0170.411.260.120.371.672.211.520.300.0030.190.450.030.911.111.351.080.12市區(qū)路網(wǎng)

單車廂貨車2軸，4輪2軸，6輪3軸或以上0.0020.170.0150.130.0020.240.0060.230.13全部單車廂貨0.610.741.020.760.72車半拖掛牽引車0.050.062.090.040.164軸或以下0.980.480.710.460.405軸1.071.170.970.770.636軸或以上1.051.190.900.64—全部多車廂牽引1.050.960.910.670.53車全部貨車0.390.230.210.070.24(4)對于給定的設(shè)計年限，按卞公式計算增長系數(shù)。增長系數(shù)二{(1切)21-1}/丫(式中丫為交通量增長率070%n為設(shè)計年限1?35年)(5)將每種貨車的車輛數(shù)乘以貨車系數(shù)和增長系數(shù)，再將這些值加起來即為設(shè)計ESAL。2確定設(shè)計ESAL的簡化方法在缺乏數(shù)據(jù)時AI法建議用表4預(yù)測設(shè)計ESALo這一簡化方法將交通量劃分為6個等級，每一等級與公路或街道的類型相對應(yīng)，表中有在設(shè)計年限內(nèi)預(yù)期行駛的重型貨車平均數(shù)。重型貨車定義為有2軸6輪或者更人的貨車，小型貨車、箱式貨車和輕型4輪貨車不包括在內(nèi)。表4交通分類交通等級街道或公路類型設(shè)計使用期限內(nèi)預(yù)期行駛的重型貨車范圍ESALI停車場、汽車道車型住宅區(qū)道路輕型農(nóng)場道路<7xl035xl03II住宅道路郊區(qū)農(nóng)場和住宅區(qū)道路7x10’?15x10’10'III市區(qū)次要支線道路郊區(qū)主要支線道路7X10-15X101105IV市區(qū)次要干線和輕工業(yè)道路郊區(qū)主要支線和次要干線公路7xl0-15xl05106V市區(qū)高速公路和其它主要干線公路郊區(qū)州際和其它主要干線公路2x10-4.5xl063xl06VI市區(qū)州際公路一些工業(yè)用路7xl0-15xl0610：三、材料特性材料特性主要包括土基、粒料基層和瀝青層的回彈模量和泊松比。路基土的泊松比假設(shè)為0.45,其他材料的泊松比假設(shè)為0.35。1路基土路基土的模量采用標準回彈模量，不包括土基凍融時的模量值。通過回彈模量試驗，或者用其它相關(guān)的試驗如CER試驗等來測定土基回彈模量。為了確定有代表性的回彈模量，必須在用土基材料填筑的高度0?6m以下整平的路基上作基本試驗。假若變異性很人,應(yīng)隨機取樣，確定控制作用的土的類別，和不同土類的邊界。若土的類別相差很遠，且每一種土覆蓋的面積很人，應(yīng)考慮將工程項目分開，單獨設(shè)計。路基土基本試驗見表5-1o試驗內(nèi)容應(yīng)用AASHTOASTM取樣重液限塑限塑性指數(shù)粒徑級配分析分類T89T90T90T88D423D424D424D4222.5kg2.5kg2.5kg2.5kg壓實密實度-含水量T180D1557llkgCBR確定瀝青層厚度D18837kgR-valueT190D28449kgPlatebearingD1195動態(tài)模量MiAIMS-1011kg路基土模量的確定町以通過AIMS-10中規(guī)定試驗直接確定。也可以通過換算得到：CER換算得到，Mr=10?3CERR-value換算得到：Mi=8+3.8(R-value)?Platebearing換算。一般至少應(yīng)有6?8個試驗值用來確定土基的設(shè)計模量。然后按從大到小的順序排列，土基的設(shè)計模量定義為小于所有試驗值60%、75%或87.5%的模量值。所取的百分數(shù)與交通水平有關(guān)，如表5所示。如取87.5%的模量值，即取倒數(shù)第二個值(即靠近第87.5%的那個值:5/6、6/7、7/8)作為路基土設(shè)計值即可。表5?2土基設(shè)計回彈模量交通水平ESAL<104IO"?ICT5>106設(shè)計模量百分值60%75%87.5%2未處治的粒狀材料粒料材料的模量是與應(yīng)力水平相關(guān)，應(yīng)力對回彈模量的影響為：E=Ki嚴(9)式中：8為第一應(yīng)力不變量，一般取19.5psioK】、K2為實驗得到的系數(shù)：系數(shù)K】選用的范圍為5.2至82.8Mpa；幕指數(shù)K?等于0.5。在DAMA設(shè)計程序中，將土基和所有瀝青穩(wěn)定層作為線彈性，將未經(jīng)處治的粒料基層作為非線性彈性。因為由土基應(yīng)力變化產(chǎn)生的模量變化通常很小，假設(shè)土基線彈性是合理的。粒料基層的模量根據(jù)多變量回歸的預(yù)測方程計算：E2=10.44h1-0-471h2-0041E10139E30-s7K10S6S(10)式中：Ei、E2和Es分別為瀝青層、粒料基層和土基的模量：1小上分別為瀝青層和粒料基層的厚度；Ki同式(9)。當采用末處治的集料基層和底基層時，除了性能要求滿足表6的要求外，其技術(shù)要求需滿足ASTM2940。表6J(1970版)末處治的集料基層和底基層質(zhì)量要求試驗底基層基層試驗底基層基層CBR最小20100塑性指數(shù)，最大6無塑性R值，最小5580砂當量最小2550液限最人25250.075nmi通過率，最人127表6?2(1991版)末處治的集料基層和底基層質(zhì)量要求試驗底基層基層試驗底基層基層CBR最小2080塑性指數(shù)，最人6無塑性

R值，最小5578砂當量最小2535液限最人25250.075nmi通過率，最人1273熱拌瀝青瀝青混合料的動模屋由一個回歸確定，該方程由室內(nèi)60種不同的瀝青混合料試驗得到，方程也被DAMA程序所應(yīng)用。熱拌瀝青的動模量|E［用下式確定：|E*|=105xl0pi(11-1)p1=p3+0.000005p2-0.00189p2/11(11-2)P2=P4O5TP5卩3=0?553833+0?028829(P：!oo嚴"o,).oo3476Va+O?O7O377九+0.9315757嚴°2774(U-3)p4=0.483Vb(11-4)p5=1.3+0.498251og/(11-5)式中：pl與卩5為中間常數(shù);/為荷載頻率(Hz)：T為溫度(。巧；P200為集料通過200號篩的重量百分率：Va為空隙體積(％):九為瀝青在21.1°C(70°F)的粘度(10“p*)：Vb為瀝青體積(％)。制作圖表時式(11)采用如下參數(shù)值：P：oo=5%：/=10Hz：對于面層Va=4%、Vb=11%,基層為7%、11%。以紐約州、南卡羅來州和亞利桑那州為代表的三個地區(qū)溫度，分別用年平均氣溫(MAAT)為7、15.5、24°C來考慮。用于研制設(shè)計圖表的瀝青結(jié)合料種類及其粘度見下表7。在寒冷地區(qū)，月平均溫度低于7。(2為了防止因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生路面橫向開裂，采用較軟的瀝青。在炎熱地區(qū)，月平均溫度大于24°C,采用較硬的瀝青。瀝青混凝土基層的勁度模量可以參考圖2。表7不同溫度地區(qū)瀝青的等級和粘度州\IAAT瀝青等級21.1°C粘度九(106)泊紐約州7AC-50.6南卡羅來州15.5AC-10.AC-201.6亞利桑那州24°CAC-405.010RdwFOa空翌雖20瀝営混整土権層。一O乳化瀝肓混合料OH二sdhQlr聲衣科5O11表7所示為三個溫度代表地區(qū)的月均氣溫，式(11)溫度T為路面平均溫度Mp,按下式計算：Mp=Ma(1+1/(Z+4))-34/(Z+4)+6。其中Mp為路面平均溫度，10RdwFOa空翌雖20瀝営混整土権層。一O乳化瀝肓混合料OH二sdhQlr聲衣科5O11期一10期一102002040608010U1Z0溫度(°F〉圖2瀝青混合料勁度模量4乳化瀝青混合料基層允許采用乳化瀝青混合料。根據(jù)集料得種類，規(guī)定了三種混合料:I型：廠拌密級配混合料，具有與HMA類似的性質(zhì)。II型：用部分加工過的軋制碎石、料場或河斥的天然集料拌制的混合物。III型：含有砂或粉砂的混合料。在23。638°C溫度下對32種不同混合料進行了試驗，得出一種混合料，在鋪設(shè)期間和養(yǎng)護完成以后，勁度模量得代表值，其它溫度時得模量町用線性插入得到。養(yǎng)護時間對勁度模量得影響可用下式表示：Et=EL(EfEi)(RF)12式中：Et為養(yǎng)護時間t的模量：Ef為養(yǎng)護完成后的模量，Ei為未養(yǎng)護、初始時的模量；而RF為養(yǎng)護時間t時的折減系數(shù)。制備設(shè)計圖表采用6個月的養(yǎng)護期，因為更長的養(yǎng)護期對于圖表所得的厚度的影響不大。表8給出了各類乳化瀝青混合料的勁度。表8乳化瀝青混合料勁度(kPa)類型初始模量(73°F)最終模量(73°F)最終模量(100°F)VaVbI10345171172489II793275886289III414103434589四環(huán)境影響設(shè)計圖表除了考慮一年中月溫度變化對HMA和乳化瀝青混合料勁度模量的影響外，還應(yīng)考慮凍融對土基和粒料材料回彈模量的影響。設(shè)計時在冰凍時期用高一些的模量，在凍融時期用低一些的模量，對于MAAT為7°C或15°C的地區(qū)進行修正，而對于MAAT為24弋的地區(qū)不作修正。1土基將一年中土基強度的變化分為4個時期，即冰凍、融化、恢復(fù)和正常四個時期，每個時期路基土回彈模量不同。土基模量在融化時期可能會降低為正常模量的幾分之1。表9DAMA程序所用路基土模量(103psi)MAAT正常模量各月路基土模量1212345678910117°C4.54.515.927.33&7500.91.622343.063.784.54.5121221.53140.55067.28.49.6010.8121222.522.529.436.343.15015.817.118.519.821.222.522.515°C4.54.54.527.3501.352.142.933.714.54.54.54.512121231507.28.49.610.81212121222.522.538.3501819.120.321.422.522.522.522.522.52未處置的粒料基層可以采用同樣的方法，來修正未處治的粒料模量。式9中系數(shù)K1在冰凍狀態(tài)為正常模量的300%,春融時降至正常模量的25%。下表為所用的月K1值，K2保持不變，為0.5。表10DAMA程序所用粒料材料基層KI(103psi)MAAT正常Kl各月粒料基層K1值1212345678910117°C8812162024234.45.66.88812121824303634.86.68.410.2121215°C888162423.556.58888121212243635.257.59.7512121212五設(shè)計方法DAMA程序是Al專門開發(fā)用于多層彈性路面結(jié)構(gòu)分析的，它采用了累積損傷技術(shù)。AI法采用DANIA計算機程序可以計算同時滿足疲勞開裂和車轍準則要求的最小厚度。對于任何給定的材料和環(huán)境條件，根據(jù)每個準則，可以得到兩個厚度，將其中較人的值用于設(shè)計圖表。由于瀝青混凝土動模量受溫度影響較大，當路面溫度較高時，瀝青模屋較低，路基的垂直壓應(yīng)力較大，產(chǎn)生的變形也較人。相反，在寒冷天氣下，瀝青混凝土具有較高的模量，瀝青層底產(chǎn)生較人的拉應(yīng)變，在重復(fù)荷載作用卞產(chǎn)生開裂。按照瀝青層底拉應(yīng)變計算的瀝青層厚度和按照路基頂面垂直壓應(yīng)變計算的瀝青層厚度相比，前者得出的瀝青路面厚度要薄一些。為了簡化設(shè)計，實際上有時設(shè)計方法中僅采用路基頂面的垂直壓應(yīng)變作為控制標準。A1法MS-1手冊的設(shè)計用圖可以見附錄1（圖9-8至圖9-17）o這些設(shè)計圖采用的年均氣溫為15°C（60°F）,該氣溫口【以覆蓋美國人陸的人部分地區(qū)。假設(shè)選用的瀝青結(jié)合料符合表6的要求，即使溫度略有不同，但是HMA模量不會有很人變化而明顯影響厚度設(shè)計。1982年MS-1手冊得研究報告還提供了年平均氣溫為7.0°C和24弋得的設(shè)計圖。這些圖也列入了1991年版的手冊中。1全厚式HMA圖9-8為全厚式瀝青路面設(shè)計用圖。已知土基回彈模量Mr和當量單軸荷載ESAL,可以從圖中直接獲得包括面層和基層兩者在內(nèi)的HMA總厚度。2乳化瀝青基層上的HMA圖9-9?12分別為I、II和III型乳化瀝青混合料的設(shè)計用圖。圖中給出了HMA面層和乳化瀝青基層的總厚度。乳化瀝青基層上HMA的最小厚度隨交通水平而變化。見表11。表11乳化瀝青基層上HNIA的最小厚度ESALI型HMA厚度n.hi型HMA厚度ESALI型HMA厚度II、III型HMA厚度10412107241051.52>10725106233未處治的集料基層上的HMA圖9-12至9-17分別為102、152、203、254、305和475mm末處治的集料基層上HMA面層的設(shè)計用圖。應(yīng)用這些圖時，設(shè)計者首先必須確定采用多少厚度的集料基層，然后選用合適的設(shè)計用圖，由該圖可求得HMA的厚度。六各結(jié)構(gòu)層混合料類型選擇和各結(jié)構(gòu)層厚度的確定（參考2001年NAPA和FHWA路面瀝青混合料類型選擇指南）1交通等級劃分表12交通等級劃分交通等級等效單軸荷載典型的應(yīng)用場合低交通<3x105①低交通量的道路如地方公路、鄉(xiāng)村道路、貨車禁行或貨車限行的城市街道路面；②除州道、州際道路外的區(qū)域性交通：③游覽道路中交通3xlO5?1x10：①雙車道或多車道、分道行駛、完全或部分控制出入的公路：②中、重交通量的城市道路、州道、國家高速和部分鄉(xiāng)村段的州際公路重交通>lxl07①雙車道或多車道、分道行駛、完全或部分控制出入的公路：②中、重交通量的城市道路、州道、國家高速和大部分的州際公路；③貨車站、雙車道的貨車行車道

2混合料類型選擇根據(jù)相應(yīng)交通狀況卞提出的各路面層適宜的路面類型見表13。表14是根據(jù)在路面結(jié)構(gòu)層中的位置以及交通等級推薦的各層所適宜的混合料類型、推薦的層厚范I制。為使各層達到規(guī)定的密實度，規(guī)定最小厚度很有必要。表13相應(yīng)交通狀況下各路面層適宜的路面類型路面層次低交通中交通重交通密級配SMAOGFC/ATPB密級配SMAOGFCATPB密級配SMAOGFCATPB面層**XX****X******X中間層**XX**XXX*****X基層**XX**XX***XX**注**表示推薦采用*表示可以根據(jù)情況選擇使用X表示不建議采用表14相應(yīng)于各種交通情況的各路面結(jié)構(gòu)層適宜的混合料類型及各層適宜的層厚表面層交通情況低交通中交通重交通結(jié)構(gòu)層類型DFGDFGSMADCGSMAOGFC公稱最人粒徑4.75nmi12.5-19—————9.511U1125-37.525-37.525-37.530-5025-37.519-2512.5mm30-62.530-62.537.5-5037.5-7537.5-5025-37.519111111—50-7050-62.557-7550-62.5—中間層交通情況低、中交通重交通結(jié)構(gòu)層類型DFGDCGDFGDCGSMA公稱最人粒徑1911111150-7057-7550-7057-7550-62.52511U1175-10075-10075-10075-100—基層交通情況中交通重交通結(jié)構(gòu)層類型DFGDCGDFGDCGATPB公稱最人粒徑1911111150-7057-7550-7057-7537.5-752511U1175-10075-10075-10075-10050-10037.5mm100-150100-150100-150100-150—每種混合料都須進行混合料設(shè)計，包括材料組成和性能、混合料指標（體積參數(shù)、強度試驗）?；旌狭显O(shè)計有三種方法。AI出版物MS-2的Marshall及Hveem法，以及最近AI出版物SP-2介紹的Supeipaveo三種方法都可用于高質(zhì)量瀝青混合料的設(shè)計，同時推薦采用Superpave法。3混合料類型設(shè)計一般步驟為特定的工程確定適合的混合料類型的一般步驟如卞：1）確定HMA總厚度新建路面：按已有程序進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定路面瀝青層總厚度；修復(fù)老路：完成舊路面評價，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計；2）按交通狀況和工程造價選定適合的表面層混合料類型和厚度町調(diào)查道路的交通狀況。對低交通道路，專家組推薦僅采用密級配混合料。對中交通，優(yōu)先推薦采用密級配混合料。接近重交通時也可采用SMA或OGFC。對于重交通道路，每種混合料類型都是適合的。b）確定集料的粒徑。主要考慮交通荷載，荷載越大，所選材料的公稱最人粒徑就越人?？紤]外觀。較人粒徑集料的混合料表面粗糙，且易離析。對城市道路，一般釆用較細的如9.5或12.5mm密級配混合料，而對于工業(yè)區(qū)采用19mm混合料更合適。選擇時性能比外觀更重要。最后，在舊路改造中還要考慮交通情況。確定集料尺寸時要盡量減少對交通的影響。如呆必須在交通高峰期進行舊路修復(fù)時，選擇較細型級配集料并作兩層施工比作一層施工更好，以免改變交通控制和調(diào)整攤鋪設(shè)備會花費時間，延長工期，增加造價。所有車道的集料可采用同一粒徑，也可各車道采用不同的集料粒徑，集料粒徑需定在州規(guī)定值(一般<37.5