基于AASHTO沥青混凝土路面设计方法的应用与研究.doc

1、1基于 AASHTO 沥青混凝土路面设计方法的应用与研究摘要：结合安哥拉-NAMIBE 新城开发项目道路试验段完成情况，参考AASHTO Guide for Design of Pavement Structures1993中的有关内容，在考虑路面结构排水条件对路面结构数（SN）的影响以及交通量可靠度经验系数中可靠度保证率修正等问题的基础上，对道路路面结构设计方案形式进行了一次验证行设计，现将整个过程进行梳理和归纳，为今后按照 AASHTO 方法进行路面结构设计一定的参考依据。 关键词：AASHTO 设计方法；新建沥青混凝土路面；结构数；可靠度；层位系数；排水系数。 中图分类号：TU37 文献

2、标识码：A 文章编号： 1 引言 在安哥拉 RED-NAMIBE 新城开发项目道路路面结构设计中，因中国设计标准凸显出局限性； 又因目前非洲许多国家都参照 AASHTO 设计方法指导本国道路路面结构设计。鉴于此情况，作者对拟定的路面结构形式使用 AASHTO 路面设计方法进行一次验证设计。 2 设计参数的确定 22.1 使用性能期和分析期 在 AASHTO 设计方法中：设计使用性能是指路面结构修建初期的服务水平衰变到需要进行改建的终端服务水平所经历的时段；分析期是指进行路面设计方案时所采用的时段。各种道路的分析期的参照范围为： 大交通量城市道路30-50 年； 大交通公路20-50 年； 低交

3、通量有铺面的道路15-25 年； 低交通量粒料表面10-20 年。 在本次验证性设计中，作者为保持与之前参照中国标准分析的交通量一致，故采用中国标准下的设计基准期。此基准期小于 AASHTO 中的分析期参考范围。 2.2 交通 2.2.1 轴载当量换算系数 AASHTO 采用 80KN 的单轴荷载为标准荷载，以现时服务能力指数（PSI）作为路面结构设计标准。按现时服务能力指数等效的原则推演得出的轴载换算公式模型为： 其中：，路面结构参数（面层类型、面层厚度、基层厚度）和荷载参数（轴重和轴重）的函数，通过分析和整理试验结果得到； 初期服务能力指数，水泥混凝土路面为 4.5，沥青路面取为 4.2.

4、 3设计使用期末的服务能力指数，可选用 3.0（特重交通道路） 、2.5（主要道路）或 2.0（轻交通道路） 。 2.2.2 标准轴数 标准轴载：80KN(18klbf)单轴荷载，lbf=4.448KN.M。 在 AASHTO 设计方法中，分析期内车道的标准轴数，按照下式进行计算： 式中：初始年的双向平均日交通量； 车辆类型数（在本设计中为 1） ； 类车辆在日交通量中所占的比例（在本设计中为 100%） 。 类车辆的当量轴载系数（根据 2.2.1 中的计算方法，在本设计中为 2.17） 方向系数，一般情况为 0.5，特殊情况变动于 0.30.7 范围内。 车道系数；1 个车道时为 1；2 个

5、车道时，系数为 0.81.0；3 个车道时，系数为 0.60.8；4 个车道时为 0.50.75。 分析期内的交通增长系数，其值为： 分析期（年） ； 分析期内交通年平均增长率； 在本次验证设计中，作者为保持交通量的一致性，先将各增长期的4各类轴载换算到中国标准下的 100KN 轴载，然后再通过上述方法换算到AASHTO 中的 E80KN 标准轴载。 2.2.3 可靠度系数 目标可靠度和相应的可靠指标参照AASHTO Guide for Design of Pavement Structures 1993中的执行；总方差采用建议值 0.45。 2.2.4 路基土有效回弹模量 在 AASHTO

6、设计方法中，提供了两类路基土有效回弹模量的确定方法：（1） 统计一年内不同时期（每个月或每半个月）测定的路基土回弹模量，按他们对路面服务能力的相对损失程度，分别赋予相应的权系数，求取平均损失后，可得路基土的有效回弹模量值。 （4） （2） 基于 CBR 的预估模型： 对于细、粉料，当按照 AASHTO 方法检测出的饱水 CBR 值为 510 时，可采用下述公式进行预估： （5） 对于除细、粉料外的材料，当按照 AASHTO 方法检测出的饱水 CBR 值大于 10 时，可采用下述公式进行预估： 5（6） 1psi=6.895KN/. 本设计中，作者采用 CBR 预估的方法，对值的选取方法进行了改

7、进，以减少采用平均值时的地基处理面积，方法如下： 分布 CBR 取样点，检测现场道路范围内代表性原状土试样 CBR 值，绘制取样点与实测 CBR 值的对应关系表，如下： （7） 其中：d关系表横轴代表取样点； n取样点数； 计算出关系表中横轴代表取样点，找出对应点的 CBR 值，取 90%-CBR值作为代表值。 3 设计方法和设计考虑 AASHTO 设计方法采用现时服务能力指数（PSI）作为衡量路面使用性能的指标，其值可通过对路面的使用性进行客观量测和主观评价相结合的方法确定。AASHTO 试验路所建立的关系式为： （8） 式中：轮迹带纵断面的平均坡度方差，运用 CHLOE 断面仪测量得出结果

8、； C已发展成网状裂缝的裂缝面积，以/92.9路面计。 P修补面积，包括表面修补和补坑，以/92.9路面计。 6平均车辙深度，这是用 1.2m 长的直尺，从车辙最深处中点量出的，每隔 7.62m 测一点，然后求其平均值。 沥青路面刚修好时的初始服务能力约为 4.2 左右（设想为中等施工水平的典型状态） ；达到需进行改建时的终端服务能力约为 2.5（主要公路）或 2.0（次要公路） 。 使用性能期内路面服务指数的变化量作为路面设计的使用性能标准，其变化量计算方法为： 在设计中，还应考虑环境对的影响，主要为冻胀和膨胀黏土的因素。AASHTO 设计方法以 AASHTO 试验路的观测资料为基础，建立了

9、柔性路面结构同路面结构数 SN 和标准荷载（80KN）作用次数的经验关系式： 式中：与目标可靠度相应的可靠度指标； 交通预估和使用性能预估的总标准差； 在本次验证设计中， 作者采用经验值：取值为 4.2；取值为 2.0. 4 结构数与结构层厚度的选取 结构数为层厚、层位系数和排水系数的函数，它综合反映路面结构的性能；函数关系式如下： （11） 7式中：分别为沥青面层、基层、底基层（含垫层）的厚度（in，1in=2.54cm.） 与各结构层材料系数； 相应基层和垫层的排水系数。 4.1 层位系数 路面结构各层次的层位系数，用于度量该层材料单位厚度所能提供的相应性能。层位系数可通过试验路确定，但在

10、本此 NAMIBE 道路试验段中，因试验室条件有限，故在设计时采用按与材料性质（回弹模量）有关的试验曲线和关系式来确定。 密级配沥青混凝土面层的层位系数可按它与该材料在 68(20)时的弹性（回弹）模量的关系曲线（图 1）查取。 沥青处治基层的层位系数可按它与该材料的弹性（回弹）模量或马歇尔稳定度的观察，查图 2 得出。 水泥处治基层的层位系数可按它与该材料的弹性（回弹）模量或 7D 无侧限抗压强度的关系，查图 3 得出。 粒料基层的层位系数可按它与该材料的弹性（回弹）模量（psi）关系，通过下式计算得出： （12） 粒料底基层（垫层）的层位系数可按它与该材料的弹性（回弹）模量（psi）关系，

11、通过下式计算得出： 8在本项目中，因项目采用中国试验仪器和设备进行材料设计，为柔性路面设计结构，故作者采用中国规范中提供的材料参数，做调整后进行计算，如下： AASHTO 标准材料动态模量值=中国规范材料静态模量0.82.5 4.2 排水系数 基层和底基层（含垫层）的排水系数和，按路面结果在一年内可能处于饱水状态的时间（以百分率计）以及排水的质量，参照表 2 和表 3确定。 4.2.1 纳米贝地区近些年降雨情况 参照非洲其它与安哥拉气候相近国家的道路设计规范，纳米贝地区属于“干燥”地区，降雨主要集中在 10 月来年 2、3 月份；纳米贝地势较平坦，道路设计坡度小。通过主观和客观评价相结合的方式

12、，将基层的排水质量定义为“优” ， 路面结构处于接近饱水状态的时间百分比定义在 5%25%；将底基层的排水质量定义为“良” ， 路面结构处于接近饱水状态的时间百分比定义在 5%25%。 故在本次验证设计中，当排水系数取中值时，为 1.075；为 0.9。 4.3 结构层厚度选取 9（1）最小厚度的确定沥青面层和粒料基层的最小厚度（cm） ，参照表 4 中的规定选取，但需满足沥青面层耐久性设计要求。 （2）各结构层厚度的确定方法： （2.1）取基层的模量，按式（10）确定所需的结构数,并用下式计算面层的厚度： （14） （2.2）取底基层（垫层）的模量作为路基土的有效回弹模量，按式（10）确定所

13、需的结构数,并用下式计算基层的厚度： （15） （2.3）按路基土的有效回弹模量，由式（10）确定所需的结构数,并用下式计算底基层（垫层）的厚度： （16） 在本验证设计中，因道路试验段结构层厚度已经确定，作者直接将各层厚度带入公式（11）计算出整个路面的结构数 SN,然后根据（10）式求出 SN 所对应的交通量 W。当： 预计发生交通量()容许最大交通量() 则，拟定的路面结构方案满足设计要求。 105 结论 本文通过介绍 AASHTO 沥青混凝土路面柔性结构设计方法以及该方法在安哥拉-NAMIBE 道路试验段拟定路面结构验证设计过程中的应用，最后的主要结论如下： RED-NAMIBE 项目

14、路面结构需维持原设计方案，则： 社区道路容许最大交通量为 502340（E80KN） ，预计发生交通量为456871(E80KN)；满足设计要求。 市政道路容许最大交通量为 1268623（E80KN） ，预计发生交通量为1035575 (E80KN)。满足设计要求。 AASHTO 设计方法在结合中国标准、参考非洲气候类型相似国家道路设计规范基础上，能很好地解决目前 RED 项目道路路面结构设计泥结碎石方案中所碰到的问题。 参考文献： 1 姚祖康.路面（第三版）.北京：人民交通出版社，2006 2 城镇道路路面设计规范 CJJ169-2012. 住房和城乡建设部 3 王勇胜、孔永健. AASHTO 沥青路面结构设计方法在我国的适应性研究;北方交通大学学报 Vol.28 No.4. 4 AASHTO: Guide for Design of Pavement Structures，1993 5 Guidelines for 1993 AASHTO Pavement Design, Revised-MAY 2003 6 Pavement and materials Design Manual-1999.Tanzania.