AASHTO沥青路面设计方法(陈晓冬)

路面设计原理与方法陈晓冬10桥梁与隧道工程2111018649第二节AASHTO沥青路面设计方法美国各州公路工作者协会AASHO所推荐的设计法，是根据20世纪50年代末60年代初在渥太华和伊利诺斯州的大规模试验路成果得到的，AASHO设计委员会于1961年先提出暂行设计指南，现已有1972年修订、1986年版和1993年版。一、AASHO试验路AASHO通过直接修筑试验路，以实际行车作用下路况变化的实测资料为依据。弄清不同行车作用与路面实际工作状态间的关系，以实际行车的使用性能为标准，制定计算公式，提出路面设计方法。主要进行的试验项目有：①路面结构组成；②路肩的作用；③基层的等值关系；④有关路面强度的季节性变化；⑤表面处治的作用。为此，其结构组成原则是：①基层厚度不变而改变沥青面层和砂砾料底基层厚度，组成各种结构强度，以安排轻、重型车行驶；②面层和底基层厚度基本不变而改变不同材料的基层厚度，以了解不同基层厚度的等值关系。试验路于1962年提出报告，其主要成果有：(1)得出了路面耐用性指数与路面工作状态间的关系，并根据不同道路等级对路面的使用状况要求，提出了路面设计标准。(2)建立了路面设计方法的基本方程，提出了不同设计标准的路面厚度计算列线图和不同路面材料的结构层系数。(3)导出了不同车型轴载与数量间等效关系的轴载换算公式。二、耐久性指数与路面设计标准道路是供车辆行驶的，因此使用要求应是主要标准。不同的道路等级由于行车速度的不同，要求的设计标准也应不同。为此，引用了在此之前已经由美国公路研究委员会(HRB)的卡雷(Carey)和伊利克(Iriek)所开创的路面现有耐用性指数PSI的成果。现有路面耐用性指数PSI(PresentServiceabilityIndex)是根据路面使用性能，对路面作出定量评价的方法。该法分两步着手：一是路面状况观测评级。这是一种定性的观测，它不去判断路面现有状况造成的原因，仅仅根据使用的要求对当时的路况给予评级，所以称为路面现有耐用性评级PSR(PresentServiceabilityRating)。二是路面质量评定。这是一种定量的评定，其目的是要确定路面结构的适宜程度，并判定所以产生该类路况的原因，因此要对路面作一定物理量的量测，把各路段物理量的测定结果与PSR相比较，通过统计分析，使两者结合，得出路面评价标准——路面耐用性指数。因测定的是当时的状况，故称之为路面现有耐用性指数PSI。1．现有耐用性评级PSR的确定方法由包括从事道路建设、维修的工程人员、汽车运输工作者、车辆制造者、道路教育工作者的代表组成的小组，驱车行驶在选定的路段上，按5分制进行评级。卡片中除分优、良、中、差、劣评级外，并要求提供你认为的影响因素和是否合格的评语，并以其平均值作为小组的PSR值，容许误差为0．5分，评级小组应有8人，一般小组人数以5～10人为宜。2．现有耐用性指数PSI的确定方法根据路面各种状况的物理性量测值，经过分析研究，提出以路面不平整度、裂缝与修补面积、车辙量三者作为对路面使用性能影响的主要因素。接着把各路面状况测定的物理量——不平整度F。、裂缝及修补面积F。、车辙量F。为一方，以PSR的评级为另一方，按以下公式进行回归统计。312112233()()()bbboPSRAAFAFAF（11-21）式中：A。、A。、A。、A。；b。、b：、b。为回归分析后得到的系数与指数。经过大量结果的回归分析，消除了路面评级PSR中的人为主观因素，得出比较客观的评价。因此经过回归分析后的结果已不是原来的现有耐用性评级PSR，为了有所区别，称之为现有耐用性指数PSI。当然，PSI公式的确定，与测定物理量的仪器和方法有关，因此首先应确定使用的仪器和方法。1)路面不平整度测定法AASHO用他们研制的斜率纵断面仪测定不平整度。每lft测1点，即测得每lft两点间的高差y，以高差除以距离，用斜率表示，单位为‰，测定速度为3～5mile／h，沿路面上两条汽车轮迹带上测量，然后按下式统计得斜率方差SV(即标准差的平方)：221()1iiyynSVn（11-22）式中：咒——全部测点数；y——第i号测点斜率(‰)。不平整度与PSI的关系如图11—4所示。2)裂缝与修补面积。二者均直接在路面上量得，裂缝包括龟裂、碎裂等，均以面积表示。如裂缝为条形，则以裂缝长度代表面积，实际上是指以裂缝为中心的1ft范围内作为损坏型的面积，以ft／1000ft表示，称为裂缝度C。修补面积包括已修补和等待修补的面积，表面修补与补坑都在内，也以ft／lOOOft表示，称为修补度厂。3)车辙深度以4ft(120cm)长的直尺在两个车轮轮迹带上量得车辙深度，每1000ft内取40～50个等距离的断面量测，以其平均值表示，单位为in，称为车辙深度RD。根据测定结果，经统计回归后，得到现时耐用性指数PSI公式如下：25.031.91log(1)0.011.38PSISVcfRD（11-23）如采用公制单位，SV是斜率方差对公式没有影响；RD若以cm为单位，其系数1．38应改为0．21，f和，用裂缝率及修补率，即m／lOOm，则系数0．01应改为0．032，并应注意遇到条形裂缝，应把裂缝长度乘以0．3m(相当于“1ft)作为裂缝面积。这样公式(11—23)变为下式25.031.91log(1)0.0320.21PSISVcfRD（11-24）式中：c+f一一裂缝率和修补率(％)；RD——车辙深度(cm)；SV——同前(‰)。F与PSI的关系如图11—5所示，车辙深度与PSI的关系如图11-6所示。3．不同道路等级设计标准的确定道路在使用过程中，路面的耐用性指数逐步下降，究竟PSI降到何值，路面还可以满足要求而属于合格的标准，降到何值应进行维修，降到何值为损坏，应予翻修，这是首先应予确定的。对此各家见解也不尽一致，最后综合各家的意见，得出以下的统一标准：对主要公路，例如州际公路PSI≥2．5；对次要道路，例如一般公路，PSI≥2．0时，属于合格的路面，可以正常行车；当PSI≤1．5时作为损坏标准，应予翻修；在这两者之问应及时维修或罩面。为此，AASHO设计法规定以20年为设计年限，在设计期间经过车辆行驶后，最终耐用性指数PSI一2．5作为主要公路的设计标准，PSI一2．0作为次要公路的设计标准。三、AASH()试验路基本方程及其诺谟图1．基本方程在AASHO道路试验过程中，在试验路完工和经过行车试验的各个阶段，把测定的物理量按式(11123)计算PSI值，发现PSI值随行车的作用次数而逐渐下降。根据试验路的大量资料，把各路段的各个路面结构所经受不同车型的荷载作用次数N与PSI的损失值的关系进行整理，得到以下公式：1.5otoCpNC（11-25）式中：C。——试验路完工时的路面耐用性指数，该试验路测得的平均值为4．2；Pt——经过车辆行驶N次后，达到的最终耐用性指数PSI；——该路段最终耐用性指数降至1．5，即路面达到损坏标准时轴载的作用次数；——斜率。该公式表示，耐用性指数损失值的比值与荷载作用次数的比值，成双对数的直线关系，即：logloglog1.5otoCpGNC（11-26）这就是AASHO试验路的基本方程。G为任何阶段耐用性指数的损失C。一P。，与耐用性指数达到损坏标准即P。=1．5时的总损失c。，一1．5之比的对数值。如C。一4．2，则设计标准P。一2．5，2．0，1．5时，G值分别为一0．2009、一0．0889、0。卢为双对数直线的斜率，它表明耐用性指数损失的性质，与路面结构的强弱，荷载的轻、重有关，结构强或荷载轻则损失得慢，卢值小；反之，耐用性指数损失得快，卢值大。N及p为加权轴数，是不同季节的轴载作用次数乘以季节性加权数的总和。这是因为在春融季节一次轴载作用相当于正常季节的若干次，而在冬季一次荷载只相当于正常季节的若干分之一。AASH()建议的季节加权数如表113。如不同季节的加权数分别为k。、k。、k。，而相应的交通量为1n、2n、3n，则加权轴数为：112233Nknknkn（11-27）2．卢、P与路面结构及轴载的关系根据试验路资料，当N与10以加权轴数表示，卢与P与路面结构数SN、荷载变量L间有以下关系：3.235.193.2300.081()0.41oLLSNL（11-28）5.939.364.3304.79010(1)SNLLL（11-29）式中：L——单轴荷载或一组双轴荷载上的荷载以千磅计；L。——轴数，单后轴为1，双后轴为2；SN一一表示路面结构强弱的代表数，称路面结构数。112233SNaDaDaD（11-30）式中：1D、2D、3D——分别为面层、基层、底基层的厚度，以英寸计；1a、2a、3a——分别为面层、基层、底基层的结构层系数。结构层系数主要靠变化不同基层厚度的试验得到。以环道5为例。该结构沥青面层：7．6cm(3in)和底基层10cm(4in)不变，基层分别为沥青稳定砾石、水泥稳定砾石、碎石三种，其厚度均从7．5～40cm(3～16in)，当不同车型行驶1114000次后，最终耐用性指P降至2．5时，可得不同材料基层厚度间的等值关系。结果可知，当轴载L一82kN(18klbf)时，沥青稳定砾石15cm(6in)，水泥稳定砾石20cm(8in)，碎石33cm(13in)，三者等效，当时以in为单位，故每in的相对价值是1／6、1／8、1／13：当轴载L一100kN(22klbf)时，三者等效的厚度为17．5cm(7in)、35cm(20in)和每种在每种材料的结构层系数为1／7、1／lO、1／16。可见它与轴载大小有所不同，如分别乘以各自承担的轴载(以10klbf计)，则L=82kN时，三者的结构层系数分别为0．3、0．225、0．138；L=100kN时分别为0．314、0．22、0．138，即沥青稳定砾石的结构层系数是0．3～o．314平均0．3，水泥稳定碎石是0．225～0．22平均0．22，碎石则为0．14，当然面层与底基层厚度变化也会影响这个系数，最后根据各环道全部测定资料，包括面层沥青混合料和底基层砂砾料强度的对比，按离散法加权分析，得出表11-4的平均值。这样就可把各个环道不同的结构通过等值关系统一换算为结构数SN，以便进一步对行车作用进行分析。由此可见结构强，p就小，即耐用性指数损失得慢；反之快，同时证明在同一结构时，轴载大，卢则大，即耐用性指数损失得快。由表中还可看出结构的强弱和轴载的轻重对造成路面损坏的轴载次数影响巨大。四、AASH()设计法AASHO设计法是指AASHO设计委员会根据AASHO道路试验的基本方程，以82kN(18klbf)为标准轴载，引用轴载换算公式后制定的路面设计指南。这样可以把不同轴载换算为标准轴载使设计工作简化，该法并进一步考虑不同土基的支承值s与地区修正系数R，以扩大应用范围。下面分别叙述不同土基条件与不同地区气候状况下的设计列线图。1．土基条件的修订在AASHO试验路基本方程及其诺模图中，土基只有一种类型。他们把该试验路的土基强度定为支承值S一3，因而不能适用于其他类型的土基。为此，AASHO设计法作了这样的假定：如果碎石基层很厚，土基的影响几乎可以忽视时，该路段的使用情况则决定于基层。经分析，在这样坚实的基层上，如果修筑4．5in的厂拌沥青混凝土面层，大致可以经受18klbf单轴荷载每天平均1000次的作用，经20年而最终耐用性指数P。不至于降到2．0，这种碎石基层的支承值s=10。这就是说，如土基支承值s=10，路面结构数SN=4．5×0．44=1．98≈2．0时，承受18klbf轴载通过累计数1000×20×365=7．3×106后，最终耐用性指数P。=2．0，此时的轴载通过次数以N表示。但根据基本方程，即土基支承值S一3时，如SN一1．98最终耐用性指数同样达到2．0时，可承受18klbf的轴载通过次数N为：由于轴载问