AASHTO柔性路面设计法在厂矿道路结构设计中的应用

汪 娟

(中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223)

沥青路面设计方法主要分为经验法和力学—经验法2类。力学—经验法应用力学原理分析路面结构在荷载和环境作用下的力学响应量(应力、应变、位移)，建立力学响应量与路面使用性能之间的关系模型，路面设计按使用要求，运用关系模型完成结构设计。经验法通过实际观测试验路段或使用道路，建立车辆荷载、路面结构和路面使用性能三者之间的关系，主要代表方法为美国加州承载比(CBR)法和AASHTO法[1]。

我国沥青路面设计方法采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，以路表面回弹弯沉和沥青混凝土层弯拉应力、半刚性材料层弯拉应力为设计指标进行路面结构厚度设计[2]。我国沥青路面设计规范存在的主要问题为：设计指标单一；设计指标不可控；理论验算假定条件不准确；路面材料涉及参数与实际路用性能缺乏关联性等[3]。美国AASHTO沥青路面结构设计方法是世界上最具影响力的设计方法之一。相比其他一些发达国家，该设计标准并不是很高[4]。

在2011年度《美国工程新闻记录》(Engineering News-Record，ENR)全球最大225家国际承包商榜单中，有50家中国内地企业入围，完成海外工程营业额569.73亿美元，比2010年增加了12.61%；企业平均营业额比2010年增长了21.68%。中国工程公司国际化经营战略对设计水平的国际化提出了较高要求。引入国际通用的路面设计方法进行厂矿道路设计是我国工程公司国际化发展的要求。

1 AASHTO沥青路面结构设计方法

AASHTO沥青路面设计法采用耐用性指数(PSI)作为设计指标，取值为0～5，可通过对路面的使用性能进行客观测量或主观评价的方法确定[5]。采用单轴轴重(equivalent single axle load，ESAL)18 kip(18 kip≈80 kN) 作为标准轴载。该方法是在大量试验路段资料的基础上总结出来的，是一种以经验为主，以理论分析为辅的设计方法，其表达式为

(1)

表1 设计车道ESAL分配系数

式中 W18为设计年限设计路段内累计18 kip ESAL当量轴次，106次,W18=DD×DL×W18′，其中 W18′为设计年限内道路双向累计18 kip ESAL当量轴次，106次；DD为道路单向ESAL分配系数，当双向荷载分布不均时，DD=0.3～0.7，当双向荷载均衡分布时DD=0.5；DL为设计车道累计18 kip当量轴次ESAL分配系数，见表1[5]；对于基层、底基层，MR为动态回弹模量；对土基层，MR为有效回弹模量；S0为交通量或使用性能预估的总标准差；ZR为对应设计可靠度R的正态偏移；△PSI为耐用性指数减少量，为初始耐用性指数P0与最终耐用性指数Pt的差值；SN为路面的结构数，是材料模量、层位厚度、排水性能的函数，SN的计算式为

SN=a1D1+a2D2m2+a3D3m3，

(2)

式中 a1、a2、a3分别为面层、基层和底基层材料的层位系数(Layer coefficient)，取决于材料的类型；D1、D2、D3为面层、基层和底基层的层厚度，inch， 1 inch≈25.4 mm；m2、m3分别为粒料基层和粒料底基层的排水系数，沥青混合料及稳定处理材料不考虑排水系数。

为便于计算，根据式(1)绘制诺谟图，见图1。

图1 诺谟图

2 应用

AASHTO设计方法在厂矿沥青道路设计中的应用可以分为2种方式。

1)拟定道路各结构层材料，计算各结构层厚度

已知MR和道路结构层各层材料的弹性模量，根据W18和△PSI，计算各结构层厚度。计算方法为：将土基有效回弹模量代入式(1)求得总结构数；将基层动态回弹模量代入式(1)求得面层结构数；将底基层动态回弹模量代入式(1)求得面层基层结构数之和，这样就可分别求得各层结构数。将各层结构数代入式(2)即可求各层厚度[3]。

AASHTO方法多使用柔性基层，而目前我国路面多半以半刚性基层、底基层为主，这些材料弹性模量较大，当代入AASHTO的性能方程求解面层结构数时，往往使得面层厚度小于最小的施工厚度，因此面层厚度还需参考施工最小厚度要求最终确定[6]。

2)拟定道路结构层材料及厚度，验算设计是否满足要求

已知某段具体道路的类型、设计使用年限及MR，根据当地经验选定道路筑路材料及各结构层厚度，采用AASHTO方法验算厚度是否合理。计算方法为：将MR代入式(1)求得设计总结构数SND；将筑路材料对应的层位系数及各层厚度代入公式(2)计算选定道路的实际总结构数SNR。

若后者大于前者，道路结构层设计可满足要求；否则，更改所设计的道路结构，更改筑路材料或增加结构层厚度，重新演算直至满足设计要求为止。

以上2种情况的共同点是均需要确定MR，W18，△PSI。不同点是前者需要确定道路材料的动态模量。

值得注意的是，AASHTO设计方法诺莫图中MR的单位为ksi。在实际应用中，若MR的单位为MPa，则需先将单位换算成ksi。具体的换算关系为：1 MPa≈145.038 psi≈0.145 ksi。

在实际工程应用中，厂矿道路形式多采用当地常用形式。AASHTO设计方法常用于既定经验设计的验算。下文将结合工程实际做法，对如何使用AASHTO道路设计方法进行厂矿道路设计验算做详细论述。

3 计算实例

表2 车型技术指标

某化工厂年产80万t尿素及4 776 t副产品。20%的尿素和全部副产品靠汽车运输出厂。用于产品运输的车型为H30，H18，用于检修的车型为H30，年进厂检修车辆数为90辆。车型技术指标见表2。车型轴载图见图2。

图2 车型轴载图

该化工厂拟采用沥青道路，设计使用年限为20 a。路面为双向双车道，道路结构层自上而下分别为：100 mm沥青面层，即D1=3.93 inch；200 mm碎石基层，即D2=7.87 inch；200 mm碎石底基层，即D3=7.87 inch。已测得柔性路面路基CBR=7.14。由于各层材料弹性模量未知，且道路结构已确定，采用AASHTO沥青道路设计法进行验算。

1) 计算W18

该道路设计为双向双车道，按最不利情况DD=1，DL=100%来计算，则

W18= W18′.

由于使用年限载货车型交通量(车次)=(运输量/载质量)×2×设计年限，使用年限检修车型交通量(车次)=进厂检修车辆数×2×设计年限，则设计年限内H30空重车交通量(车次)为

设计年限内H18空重车交通量(车次)为

由于工厂的特殊性，产能固定，因此运输量固定，不考虑交通量的增长。

W18′的计算结果如表3所示。由表3可得，W18= W18′≈2.5×106.

表3 W18′的计算

2)确定路基有效回弹模量MR

AASHTO设计方法用的是土基的有效回弹模量MR。文献[5]提出其与加州承载比的关系为

MR= 1 500×CBR，

因此，土基的有效回弹模量为MR=10 710 psi ≈10.7 ksi。

3)确定R

不同路面设计推荐的可靠性水平，可见表4[5]。根据本例中道路等级，选择R=80%。

4)确定标准偏差

表4 沥青路面可靠性水平

根据AASHTO的规定，柔性路面的标准差S0为0.45。

5)计算ΔPSI

ΔPSI=P0-Pt.

对于柔性路面，P0=4.2；对于刚性路面P0=4.5。对于大交通量道路，Pt=2.5；对于低交通量道路，Pt= 2.0。则

ΔPSI=P0-Pt=1.7。

6)确定设计结构数SND

根据图1，作图连线确定SND=3.3。

7)确定拟建道路的材料的层位系数

目前，没有标准的方法确定材料的层系数，不同材料可根据不同方法进行确定[7-8]。AASHTO道路试验中所采用的道路材料的平均值为[5]：沥青混凝土面层层系数为0.44；碎石基层层系数为0.14；沙砾底基层层系数为0.11。AASHTO法在给出推荐意见的同时，建议使用者根据不同的条件确定。材料的层系数是材料回弹模量的函数，且AASHTO法中所要求的回弹模量是动力测试的结果。美国土木工程手册中，对道路材料的层系数做了更详细的规定。

本设计道路依次为沥青面层、碎石基层、碎石底基层，则a1=0.44，a2=0.14，a3=0.14。

8)计算实际结构数

将 D1=3.93、 D2=7.87、D3=7.87、a1=0.44、a2=0.14、a3=0.14代入式(2)计算设计道路的实际结构数SNR=3.94。

9) 比较实际结构数SNR及设计结构数SND

SNR>SND，因此该化工厂道路结构层设计可满足要求。

4 结语

通过工程实例详细论述了用AASHTO道路设计方法对所选定的道路材料及结构是否满足要求进行验算的方法。AASHTO设计法是欧美国家比较成熟和先进的技术，引进该方法对我国厂矿沥青路面设计与国际接轨具有积极的意义。但其中的计算公式、参数的取值和约定具有较强的经验性，且美国无论路面结构、车辆组成及环境影响均有特定性，因此，该方法在厂矿道路结构设计中的应用还有待更多的工程实践的验证。

参考文献：

[1]邓学军. 路基路面工程[M].北京：人民交通出版社, 2000：377.

[2]中华人民共和国交通部. JTG D50—2006 公路沥青路面设计规范[S].北京：人民交通出版社, 2006.

[3]杨永顺, 高雪池. 引进和吸收国外沥青路面设计方法的必要性和可行性[J].华东公路, 2006(3): 3-7.

[4]曾梦澜, 刘涛, Aaron D Mwanza. 沥青路面JTJ014与AASHTO设计方法比较[J].中南公路工程, 2004(4 ): 19.

[5]American Association of State Highway and Transportation Officials. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures[K]. Washington, D.C.: American Association of State Highway and Transportation Officials, 1993.

[6]王永胜, 孔永建. AASHTO 沥青路面结构设计方法在我国的适应性研究[J].北方交通大学学报, 2004,28(4): 58-62.

[7]Hossain M, Habib A, Lat orella T M. Structural Layer Coefficients of Crumb Rubber-Modified Asphalt Concrete Mixtures[J].Journal of the Transportation Research Board, 1997(01) :62-70.

[8]Poloruto M. Procedure for Use of Falling Weight Deflectometer to Determine AASHTO Layer Coefficients[J].Journal of the Transportation Research Board, 2001(1746):11-19.