AASHTO道路規范應用分析

陳利華

(西北電力設計院，陜西 西安 710075)

我院在沙特Rabigh 2×660MW燃油電站項目設計中，依照AASHTO規范并根據當地自然條件合理設計，取得了良好的效果，同時我們也對美國道路規范體系、AASHTO規范體系及其瀝青混凝土路面結構的設計方法、程序及參數選擇等加以分析，希望為今后進一步研究提供一定的參考。

1 AASHTO規范簡介

美國道路設計基于其聯邦公路管理體制，逐步形成了其獨具特色的規范體系，該體系自上而下分為聯邦法案、聯邦級指南及各州法規三個層次。

美國州際之間的道路設計絕大部分參考AASHO的道路試驗結果。AASHTO建立的測試場地位于伊利諾伊州的渥太華。AASHTO路面設計規范實際上是建立在物理模型的試驗數據基礎上的。

隨著不斷的發展、完善，AASHTO建立起了一整套的公路設計、施工、質量保證等方面的規范。期中路面設計規范主要包括：

道路結構設計指南1993；(AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES(GDPS-4-M)1993)

道路結構設計指南年補充1998；(GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES，4TH EDITION WITH 1998 SUPPLEMENT)

2 沙特Rabigh項目簡介

Rabigh 2×660MW燃油項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。

建設場地地層分為二層，由上覆地表砂和下伏珊瑚和珊瑚狀灰巖組成。地下水位的變化在地面下3.82～4.70m之間。根據工程地質勘查報告，建設場地路基砂礫、灰巖為主，承載力較高，排水條件良好，地下水對路基影響較小。可采用當地砂石材料作為基層及底基層材料，路基CBR值經壓實處理后，可達到5%以上。

3 瀝青混凝土路面結構設計

3.1 設計參數

3.1.1 設計壽命

根據AASHTO有關規定及電廠道路特點，分析期確定為20年。

3.1.2 設計交通量

(1)設計交通量

根據業主工程師提供的電廠一個車道內的交通量，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

(2)等效軸載

指分析期內預測累計18千磅等效單軸(ESAL—18－kip Equivalent Single Axle Load)作用次數。對瀝青路面來說，在確定混合軸換算ESAL的等效換算轉換因子前需初步確定結構數SN(Pavement Structural Number)。

表3 卡車等效轉換因子

表4 等效軸載計算

根據所給的平均日交通量，可計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%。上述交通量的預測是針對一個車道進行的，因此這里道路的方向分布系數DD不必考慮，車道分布系數為1.0，所以第一年的設計交通量為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

可靠性是指在設計程序中加上一定程度的保證率以確保各種設計方案可以持續滿足整個分析期需要的方法。

圖1 軸載累積曲線

表5 可靠度建議值

R值取90%，可靠度標準差S0按照AASHTO 93建議取值為0.35。

3.1.4 服務能力

最基本的服務能力的量度標準是現有路面耐用性指數PSI，其值在0到5的范圍變化。

根據AASHTO Road Test有下表。關于Pt在不同值時調查人群對路面的不滿意比例。

表6 末期服務水平

根據表6，本次計算取Pt為2.5，路面結構服務能力下降至Pt的時間還與交通量以及初始服務能力P0有關。根據AASHTO Road Test的結果，瀝青路面的P0值一般取4.2。服務能力變化量即：

式中： Pt為終期服務能力；P0為初期服務能力；ΔPSI為服務能力變化量。

3.1.5 環境因素

(1)膨脹、凍漲

根據沙特當地氣象資料，當地全年氣溫在0℃以上，故不考慮凍漲。

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

(2)土基吸水膨脹

根據沙特當地氣候特點，無需進行土基吸水膨脹造成的影響計算。

① 根據巖土報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 該地區年平均降水量僅52.1mm，做好排水設計，大氣降水不會成為土基濕度的來源。

③ 根據巖土報告，地下水位的變化在地面下3.820m～4.70m之間，對路基影響很小。

3.1.6 有效路基回彈模量

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

由于試驗數據缺乏采用AASHTO推薦值來代替：根據水文氣象資料可知工程所在地屬于干旱、無凍結地區，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 路面設計層材料性質

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

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

根據AASHTO 93規定，瀝青面層層系數可根據表查詢得到68℉時，在瀝青面層彈性模量下對應的層系數值。設定瀝青面層模量EAC為450000psi(3103Mpa)。由93 Part II Figure2.5.可得到對應層系數a1為0.44。

(2)碎石基層層系數(Granular Base Layers)

基層層系數可由基層材料的性質得出，此處設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a2為0.14。

(3)底基層層系數(Granular Subbase Layers)

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

(4)排水層系數(Drainage Layer coefficient)

排水層等級確定為“Good”級(可在一天內將水排走)。

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

3.2 結構層厚度計算

各層厚度計算采用計算各層之上層的等效結構數(SNi)來計算。

首先，計算基層之上的層結構數，利用基層回彈模量參數查詢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 路面結構設計示意圖

圖3 路面結構設計圖

3.3 設計分析

(1)設計使用期為20年，分析期內當量18kip軸載(ESAL)為13779115次。按設計厚度該路面可承受的荷載為14×106次ESAL。

(2)道路設計可靠度為90%，可靠度標準差S0為0.35。

(3)終期服務能力設為2.5，初期服務能力為4.2，故ΔPSI=1.7。

(4)因地區常年溫度在0度以上，設計過程中未考慮凍漲因素；根據路基土特點，不考慮吸水膨脹對設計壽命的影響。

(5)路床回彈模量為5600psi，設計結構為瀝青面層模量EAC is 450000psi、碎石基層及底基層結構，其層系數分別為0.44，0.14，0.08.排水系數為1.30。

(6)經計算所得各結構層設計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

地基應清除腐殖土并整平，當地基土的CBR小于5%，需采取相應的地基處理措施，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。對底基層及地基的再評價，需在地基處理的基礎上進行。

② 基層和底基層需選擇適當材料，底基層壓實系數不小于96%，基層不小于98%。

③ 瀝青混凝土面層設計基于高性能瀝青設計方法。粒料的選擇，混合料設計及施工質量控制、質量評價應滿足AASHTO相關規范要求。

4 AASHTO與我國瀝青混凝土路面設計方法的主要區別

AASHTO瀝青路面設計方法是通過大量試驗路數據建立路面結構數與軸載、可靠性、標準偏差、有效路基回彈模量、服務能力損失等因素的關系，并通過獲得以上相關參數確定結構數，結構數與結構厚度通過層系數與排水系數來轉換，最終獲得所需的結構組合。

我國瀝青路面設計方法是通過軸載、路基回彈模量、各層材料回彈模量等參數確定設計彎沉值和瀝青混凝土層、半剛性基層和底基層容許拉應力，并以此為指標計算或驗算路面結構組合。

兩種規范在設計中的主要差別集中在軸載換算、路基回彈模量及結構層材料參數取值等，分析如下：

4.1 軸載換算

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

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

4.2 路基回彈模量

(1)路基回彈模量是隨著季節發生變化的。處理這個問題，我國規范中路基模量設計值的確定中用考慮不利季節和路基干濕類型的綜合影響系數解決，根據不同的土基稠度值給出了三個不同的綜合影響系數。但僅僅通過三個等級的折減系數來應對我國各地區復雜的氣候地質條件明顯不足。

(2)對比而言，AASHTO設計方法中，將不同模量下對路面損壞程度作為權重，計算得出加權的土基模量作為有效路基回彈模量，適用于處理各種復雜的溫濕度變化狀況，值得借鑒。

4.3 結構層材料設計參數

(1)材料的回彈模量受應力狀態、溫度等影響，我國設計方法中對材料參數的選擇是根據標準試驗測得的固定值。而AASHTO所提供的基層、底基層模量則考慮到了材料的實際受力狀態，并且在應用上也更加靈活。

(2)我國在制定瀝青混合料模量試驗方法時考慮到與早期規范相結合仍舊使用了靜態模量作為路面設計參數，各種研究表明動態模量更能反映材料在車輛荷載作用下的實際受力狀態。

(3)設計參數是材料設計、混合料設計、結構設計中的重要內容，長期以來路面設計人員忽視材料設計參數測定，造成路面設計僅僅是抄錄規范參數進行厚度計算的局面。因此，在實際的設計過程中，尤其是高等級路面的設計過程中要取得工程用路面材料的實測設計參數。

5 結語

AASHTO規范基于AASHO道路試驗，從可靠度、環境影響因素、巖土及氣象條件、路基排水、道路交通量，結合道路造價及分期修筑的條件，并引入設計結構數(SN)的概念，進行路面設計。其設計方法得到了廣泛認可，成為國際通用的道路設計規范，其在設計參數選擇的方式及強調試驗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瀝青路面結構設計方法在我國的適用性研究[J].北方交通大學學報，2004，28(4).

[3]葛守飛，郭知濤.淺談我國瀝青路面設計方法與AASHTO設計方法[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計方法[J].公路，2008，(9).