AASHTO柔性路面设计方案

1 性路面设计方案 美国各州公路及运输工作者协会（ 推荐的方法是以 50 年代后期和 60年代初在渥太华、伊利诺伊州进行的 计委员会于 1961 年第一次出版了暂行设计指南， 1972 和 1981 年又作了修订。 19841985 年，路面设计委员会和顾问小组根据 目 204 的研究情况对指南作了修订和扩大，并于 1986年出版了现行指南。 现行的指南中仍用作为基本模型， 但是作了修正和扩大，使其能适用于美国其他地区。应注意，初始方程是在给定的气候条件下，针对某种特定的路面材料和地基土推导出来的。试验地点气候温和，年降水量约为 8644平均冰冻深度约为7118地基土属于 水条件不良， 4。 一、设计变量 本节介绍一些与柔性路面和刚性路面都有关的一般设计变量。其他变量如有效路基土回弹模量和结构数将分别在 （一）时间约束 为了充分利用 可能获得的资金， 少包括一次大修期。因而，分析年限应等于或大于工作年限，如下所述。 1、 工作年限 工作年限是指初建的路面结构至需要大修以前的时间，或者是两次大修之间的时间。它相当于新建的、重建的或经过大修的结构，由其初始服务能力，损坏至最终服务能力所经过的时间。设计者必须在部门的经验和政策所规定的最小和最大允许范围内选定工作年限。工作年限的选定受如下因素的影响：路面的功能等级，维护的类型和水平，用于初期修建的资金，寿命周期费用和其它工程上的考虑。 2 2、 分析年限 分析年限为任何设计策略所必须包括的时段。它可以和选用的工作年限相同。然而，由于实际工作制约，对所需的分析年限，可能要考虑分期修建或者计划大修。过去，路面常按 20 年工作年限进行设计和分析。现在建议采用较长的分析年限，因为根据寿命周期费用这样可能更符合比较长期的策略。表 分析年限长短的准则 表 路条件 分析年限（年） 公路条件 分析年限（年） 市区大交通量 郊区大交通量 3050 2050 小交通 量路面 小交通量集料面层 1525 1020 来源：引自 986) （二）交通 设计方法是以预计 8018积当量单轴荷载（ 根据的。节介绍了用于柔性路面和刚性路面的当量轴载系数（ 确定方法。 议应用表 用表 若路面设计采用的分析年限内没有任何大修或重新罩面，则所需要的是整个分析年限内的总 而，若考虑分期修建，预期要进行大修或重 新罩面，就需要有累积 时间变化的曲线或方程式，由此可以得到任意阶段的 （ 三 ） 可靠度 路面可靠度的概念在 已作过介绍。总的来说，可靠度是将某种可靠度引入设计过程的方法，保证各种设计方案在分析年限内一直有效。设计所用的可靠度水平应随交通量、交通疏散的难度和公众对预期效率的增加而提高。表 供了不同功能等级所建议的可靠度水平。 3 对不同功能等级所建议的可靠度水平 表 能等级 建议的可靠度水平 功能等级 建议的可靠度水平 市区 郊区 市区 郊区 州际或其它高速公路 主要干线 85099 80595 集散道路 地方线 8095 5080 7595 5080 注：成果基于 面设计特别工作组的调查。 来源：引自 986) 应用可靠度的概念要求选用能反映当地条件的标准差。建议标准差对柔性路面采用 刚性路面采用 些相当于方差为 于表 所示的值。 当考虑分期修建时，各时期的可靠度组合起来必须满足总的可靠度： R 期 =（ R 总 ） 1/n 式中 如，预计分两期修建，要求的总可靠度为 95%，各期的可靠度必须为（ 1/2,即 （四）环境影响 有包括温度和湿度长期作用对服务能力降低的影响。若在某一地区膨胀性粘土和冻胀问题严重，且没有作特殊的调正，应该计算分析年限内服务能力的降低量，并且加到由累积交通荷载要求能力上去。图 境引起的降低量为膨胀和冻胀两者降 低量的总和。此曲线图可用于计算任意中间时刻服务能力的降低量。例如，在 13 年末，降低量为 然，若只考虑膨胀或冻胀，图中只有一条曲线。这些曲线的形状表明，随着因环境产生的服务能力降低量的增加，增长率随之减小。这对于分期修建是有利的，因为大部分降低发生在前期，而在后期可以以少量的附加降低量予以调正。 由于路基膨胀产生的服务能力降低取决于膨胀率常数，竖向升高的可能性和膨胀的概率；由于冻胀产生的服务能力降低取决于冻胀率、服务能力降低的最大可能性和冻胀的概率。计算这些降低量的方法见 计指南附录 G。 4 （五）服务能力 必须确定初始和最终的服务能力指数，以便计算用于设计方程的能力变化值 始服务能力指数为路面类型和施工质量的函数。根据 常用值对柔性路面为 刚性路面为 终服务能力指数为需要大修、重新罩面之前所允许的最低指数。对主要公路的设计建议取指数为 更高的值，对交通量小的公路为 于较次要的公路，要求初期基建投资最少，建议减少设计年限或者总交通量，而不建议采用小于 二、 设 计方程式 最初的方程式是完全基于 路试验的成果，而后考虑到土基和气候条件与试验路不同，通过理论和经验对此作了修正。 (一 )最初的方程式 以下为根据 路试验，为柔性路面推导的基本方程式（ 1962）： （ t = 3 . 2 3125 . 1 9 3 . 2 320 . 0 8 1 ( )0 . 4 0( 1 ) L 5 )1+中 时间为 即 Gt=(,应注意 柔性路面的初始服务能力； 设计与荷载变量的函数，如式（ 示，该值影响 随 设计与荷载变量的函数，如式（ 示它表示 预期的荷载作用次数，由式（ 以看出，当 =t 在时间 在时间 单轴或双轴组荷载 (轴的编码，单轴为 1，双轴为 2； 路面结构数，用下式 计算： SN=中 层和底基层的层位系数； 3分别为面层、基层和底基层的厚度。 若采用当量 808轴荷载，方法大为简化。将式 ( ( (并，并令 8和 ，可得如下方程： 18 5 . 1 9l o g ( 4 . 2 ) / ( 4 . 2 1 . 5 ) l o g 9 . 3 6 l o g ( 1 ) 0 . 2 0 0 . 4 1 0 9 4 / ( 1 ) N （ 式中 t 时间内 80轴荷载的作用次数而 最终服务指数。式(适用于 路试验，有效土基回弹模量为 000柔性路面。 6 （二）修正的方程式 对于其它土基和环境条件，式 (正为 18 5 . 1 9l o g ( 4 . 2 ) / ( 4 . 2 1 . 5 ) l o g 9 . 3 6 l o g ( 1 ) 0 . 2 0 2 . 3 2 l o g 8 . 0 70 . 4 1 0 9 4 / ( 1 ) N (式中 注意，当 000式 (式 (同。若考虑当地的降水和排水条件，式 (正为 SN=中 式 (性能方程式，它给出了 降至 08轴荷载的允许作用次数。若预期的作用次数 计的可靠度仅为 50%，因为式 (的所有变量均为均值。为了得到较高的可靠速水平， 须小于 个正态偏移 如图 7 1 8 1 80l o g l o g (式中 的正态偏移，而 定，由 表 不同可靠度水平的标准 正态偏移 表 靠度（ %） 标准正态偏移（ 可靠度（ %） 标准正态偏移（ 50 60 70 75 80 85 90 91 92 3 94 95 96 97 98 99 式 ( (并，并以 18=N+1) . 1 9l o g / ( 4 . 2 1 . 5 ) 2 . 3 2 l o g 8 . 0 70 . 4 1 0 9 4 / ( 1 ) I 式 (柔性路面的最终设计方程式。图 诺谟图。 算机程序也能求解式 (并完成设计步骤。 8 例 知 106， R=95%,R=000和 N。 解： 如图 箭头所示，由 R=95%开始，通过 18=5 106、000 后与 此 用图求 方便，因为用式 (解 麻烦，还要用试算法。如果用式 (为精确。 例 知 R=95%,R=000 式 ( ：对 R=95%，由表 R=式 ( 18=+1)+094/(6)000) 106，该值与前例中的 5 106吻合。 三、有效路基土回弹模量 有效路基土回弹模量相当于实际季节模量值产生同样损伤的当量模量。下面介绍计算柔性路面相对损伤 9 （一）相对损伤 由式 ( 18的影响可用下式表示： 18=其中 除最后两项之外的总和。式 (写成： 18 8 2 . 3 21 . 1 8 1 0 若 伤率为预期的和允许的荷载重复作用数之比，可用下式表示： 8 2 . 3 28 2 . 3 2 (1 . 1 8 1 0 )/ (1 . 1 8 1 0 ) C 若 积损伤率为 8 2 . 3 28 2 . 3 211/ 1 (1 . 1 8 1 0 )/ (1 . 1 8 1 0 ) W n C n 令式 ( (相等，得 8 2 . 3 2 8 2 . 3 2111 . 1 8 1 0 (1 . 1 8 1 0 ) 式 (用于确定用季节模量 R。108可以消去，使方程式简化， 计指南保留此系数，并定义相对损伤 二）有效路基土回弹模量的计算 图 计算有效路基土回弹模 量用表，图中还有式 (及图解 一年划分为路基土回弹模量不同的 若干时期。最短的时期为半个月。这些季节模量可根据与土的温度和湿度状况相关的公式或者根据非破损弯沉测试来确定。 10 在图中，用表 5正常模量为 31500， 12 个月的土基模量作为举例。每个月的相对损伤可由竖向刻度得到，或由式 (算得出，总和为 于表的下面。平均相对损伤 =2=200 在上例中，月回弹模量变化很大。最大值和最小值都位于竖 向刻度之外，只能用式 (算。仅五月份损伤约占 65%。200低，比正常模量 500很多的原因。 11 四、 结 构 数 结构数为层厚、层位系数和排水系数的函数，可用式 (算。 （一）层位系数 层位系数 位厚度具有的相对功能。层位系数可由试验路或附属路段，如同 者采用图 质有关的关系式来确定。建议按回弹这一最基本的材料性质来确定层位系数。确定某一种材料回弹模量的方法与材料的种类有关。除了劲度大的材料如 行试验之外，所有其他材料可以应用回弹模量试验方法 (274)进行试验。 依照 计指南，这里所用符号 3系分别用于 层和底基层。 1、 沥青混凝土面层 图 密级配 层位系数与 210回弹模量的关系曲线图。选用模量大于 50000层位系数应当谨慎，因为采用这样大的模量将增加温度和疲劳开裂的可能性。 路试验所用密级配 值相当于回弹模量为 50000 12 2、 未处理的和稳定处理的基层 图 用于计算未处理的、沥青稳定和水泥稳定处理基层的层位系数 列方程也可代替图 于根据回弹模量 值相当于基层回弹模量为 2070000 如式 (示，未处理粒状材料的回弹模量与应力状态有关，重新写成： 1 层材料常用 0008000之间， 于具体的基层材料， 2值采用 274 方法确定。若无这方面的材料，可以用表 未处理基层材料常用 表 分状况 2 干 600010000 湿 40006000 20004000 层的回弹模量不仅是 2的函数，而且还是应力状态的函数。基层的应力状态值随路基土回弹模量值和面层的厚度而变化。常用的值示于表 已知 可用式（ 定 13 基层常用应力状态值 表 青混凝土厚度 (路基土回弹模量 （ 沥青混凝土厚度 (路基土回弹模量（ 3000 7500 15000 3000 75000 15000 小于 2 24 20 10 25 15 30 20 46 大于 6 5 5 10 5 15 5 粒料底基层 图 用于计算粒料底基层的层位系数 3的相互关系可用下式表示： 值相当的回弹模量为 1045000和粒料基层一样，粒料底基层的 2值也可用回弹模量试验 (定，或者由 表 算得到。 路试验中底基层的 和 于表 粒料底基层常用 表 水分状况 k1 潮湿 湿 60008000 40006000 15004000 14 路试验底基层材料的回弹模量 表 分状况 k1 k 应力状态 5 0 潮湿 湿 5400 4600 4183 12082 18090 15410 21497 18312 （二）排水系数 对于粒料基层和底基层，应当根据排水的质量和实际的含水量，采用排水系数 正层位系数，如式 (。在 些排水系数均等于 1，如式 (示。 表 式为建议用于柔性路面未处理基层和底基层材料的排水系数。排水质量以水自基层和底基层排 出时间的长短来度量，而主要取决于其渗透性。路面结构含水量接近饱和状态的时间百分数，取决于年平均降水量和主要的排水条件。 柔 性路面 未处理基层和底基层的 排水系数 表 水质量 路面结构含水量接近饱和状态的时间百分数 等级 水排除时间 小于 1% 15% 525% 大于 25% 优 好 良 差 很差 2h 1d 1 周 1 月 永不排干 源：引自 986) 15 五、 层厚的选用 当初始路面的结构的设计结构数 定之后，需要选用一组厚度，使得按式 (算所得的 于所需要的 注意，式 (不是只有一个唯一解。可以有许多种层厚的 组合，因此必须考虑投资的效益，以及施工和维护的制约，防止出现不切实际的设计。从费用 效益的观点来看，若 于相应的层位系数乘以排水系数之后的比值，则最经济的设计是增加 用最小的基层厚度。 （一）最小厚度 通常采用小于某个最小厚度的材料层，是不切实际和不经济的。此外，从交通的角度考虑，为了稳定起见，也要求采用某些最小厚度。表 示为沥青面层和粒料基层的最小厚度。由于这些最小厚度在一定程度上取决于当地的实践和条件，如果需要，这些值是可以改变的。 沥青面层和粒料基层的 最小厚度 表 通（ 沥青混凝土 粒料基层 交通（ 沥青混凝土 粒料基层 小于 50000 50001150000 150001500000 4 4 5000012000000 20000017000000 大于 7000000 6 6 16 （二）一般方法 厚度设计方法通常由顶部开始，如图 示，并详述如下： 17 六、 分期修建 若工作年限小于分析年限，任何选用的初始结构在分析年限结束前都需要铺设加厚层。建议初始结构采用与工作年限相应的厚度。从寿命周期的费用分析来看，选用薄的初始结构，其将会缩短使用期，对于同样的分析年限结束之前，需要更厚的加厚层。分期修建的初始结构设计与新建工程是一样的，只是必须综合考虑整个时期的可靠度。分期修建的加厚层设计方法在第13章介绍。 若服务能力的降低只是由于交通荷载所引起的，工作年限与 关，对某一无能力减小量的工作年限的长短可由图 直接由式 (定。然而，若服务能力的减小是由于 交通荷载和路基膨胀和冻胀环境影响两方面造成的，则对于某一最终服务能力的使用期只能迭代法确定，下面举例说明。 例 知以下设计输入参数，求所需的工作年限：结构数 靠度 R=95%，标准离差 s，初始服务能力 p，最终服务能力 5.2效路基土回弹模量 35 （ 5 000由于膨胀和冻胀两者产生的 如图 通与时间的关系为 618 1 0 1 0 1 . 0 3 1 或 187 7 . 9 l o g ( 1 )61 0 1 0解：首先假设 Y=13 年。由图 环境影响产生的 因交通作 用 产 生 的 。由式（ 或 图618 W 。由式（ Y=，该值比假设的 13年小很多。 再假设 3年和 图 环境影响产生 18 的 因交通作用产生的 P S I 。由式（ 图 618 W。由式（ Y= 最后，假设 Y=(9+2=图 环境影响产生的 因交通作用产生的 P S I 。由式（ 图618 W 。由式（ ,Y=值接近于所假设的 。当假设值与计算值之差小于一年，不需再迭代，两个值的平均值可用作使用期。因此，使用期 =（ 。 七、与地沥青学会法比较 由于设计变量不同，很难对两种不同的设计方法进行比较。 计方法应用可靠度概念，对所有变量，包括有效路基土回弹模量在内，都采用平均值。地沥青学会法不考虑可靠度，而是根据交通水平，采用比 60% 试验值小的正常土基回弹模量。如图 例题所示，正常土基回弹模量 314500相当于有效路基土回弹模量 2 200由于在 中，回弹模量是基于平均值，而在地沥青学会法中是 60%值，因此 有理由假设 的有效路基土回弹模量为 3 000大致相当于地沥青学会法中的正常模量 314 500=95%，标准离差 S，全厚式 层位系数 。这些用于主要公路设计是合适的。 表 示为 所需全厚式 厚度与地沥青学会法所需厚度的比较情况。假设三种 度为 127、 254 和 3815、 10 和 15结构层数是按 的 定。根据这些所得的 图 以看出，两面三刀种方法吻合很好。地沥青学会法所得的厚度比 1 19 和 厚度的比较 表 度（ 度 (200 360000 6800000 了便于设计者掌握所设计的路面结构实际受力状态，同时还将设计弯沉值和各抗拉结构层的容许应力一起打印出来。 美国 这是美国各州公路与运输官员协会（ 据 路试验 结果而制订的方法 4 一、设计标准和设计考虑 计方法采用现时服务能力指数（ 为衡量路面使用性能的指标，其值可通过对路面的使用性能进行客观量测和主观评价相结合的方法确定。 25 . 0 3 1 . 9 1 l g ( 1 ) 0 . 0 1 1 . 3 8P S I S V C P R D 式中： 轮迹带纵断面的平均坡度方差 ,运用 C 已发展成网状裂缝的裂缝面积，以 面计； P 修补的面积，包括表面修补 和补坑，以 20 平均车辙浓度，这是用 的直尺，从车辙最深处中点量出，每陋 后取其平均值。 沥青路面刚修好时的初始服务能力0想为中等施工水平的典型状态）；到达需进行改建时的终端服务能力0要公路）或 要公路）。 路面的服务能力从初始状态变化到终端状态所经历的时段称为使用性能期。使用性内路面 服务能力指数的变化量： 0即作为路设计的使用性能标准。设计人员可以根据需要规定服务能力的初始和终端值，由此确定设计标准 值。 立 同路面结构数 作用次数 185 . 1 9 2 1 . 5l g 9 . 3 6 l g ( 1 ) 0 . 2 0 2 . 3 2 l g 8 . 0 710940 . 4( 1 )S E N E 式中： 与目标可靠 应的可靠指标； 交通预估和使用性能预估和使用性能预估的总标准差； 路面结构数， 332211 321 , 分别沥青面层、基层和垫层的厚度（ 321 ， 与各结构层材料类型和性质有关的层位系数； 21 路基土的有效回弹模量（ 为便于设计，根据上述公式绘制了诺谟图（参见文献 4）。 在设计方法中，还考虑了以下几个方面： （ 1）环境对 的影响 主要考虑冻胀和膨胀性粘土使服务能力变化量降低的影响； （ 2）路面结构的排水条件 主要反映在路面结构数 ， 33322211 （ 4 式中 ： 相应为基层和垫层的排水系数。 二、设计参数 1、使用性能期和分析期 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进行改建的终端服务水平所经历的时段。设计人员在管理部门依据经验和政策制定的最低和最高期限内选择。选择时考虑的因素有：道路的功能等级、公众所能接受的路面进行大修的年限、初期修建所能提供的资金、寿命周期费用待。 进行路面设计方案分析时所采用的时段分析期。对于交通量大的城市高速公路可考虑较长的分析期限。在些期限内，可考虑分期修建或安排一次改建，在进行寿命周期分析的基础上进行长期设 计方案的评价。各种道路的分析期可参照下列范围： （ 1）大交通量城市道路 30 50年； （ 2）大交通量公路 20 50年； （ 3）低交通量有铺面的道路 15 25年； （ 4）低交通量粒料表面 10 20年。 22 2、交通 （ 1）标准轴载： 8018轴荷载。 （ 2）轴载换算：道路上的各种轴载采用第二篇第一章中 2列的当量换算系数算成标准轴载数。 （ 3）各类货车当量轴载系数：在有称重设备时，将采集到的各类货车的轴载谱，按上述轴载换算系数计算分析各类货车的当量轴载系数（参见表 2 （ 4）分析期内设计车道的标准轴数，按下式计算： 1 8 0 1( ) ( )np i f i d l D T T T f f f 式中： 0)( 初始年的双向平均日交通量； n 货车类型数； i 类货车在日交通量中所占的比例； i 类货车的当量轴载系数； 方向系数，一般情况为 别情况可变动于 车道系数，随每个方向的车道数而异， 1 个车道时，系数为 1;2个车道时，系数为 个车道时，系数为 个车道时，系数为 分析期内交通增长系数， t 3651)1( （ 4 23 t 分析期（年）； y 分析期内交通年平均增长率。 3可靠度参数 目标可靠度 靠性水平 R）按设计道路的类型，参照第一篇第四章表 1相应的可靠指标 ，可参照表 1 总标准差 具体情况选定， 议采用 由于引入了可靠参数，设计时其它各项材料性质和交通参数均取用平均值。 4路基土有效回弹模量 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值 按它们对路面服务能力的相对操作程度，分别赋予相应权系数 f ，求职平均损伤后，可得到路基土的有效回弹模量值 过程如表 4示。表中第 2行为各月的路基土回弹模量值，第 3行为按下式估算的对路面服务能力的相对损伤程度： 3 281 . 1 8 1 0f （ 4 叠加各月的相对损伤，除以月数后，可得到平均损伤于表未行。由此平均值，再利用式（ 4便可确定路基土的有效回弹模量 24 路基有效回弹模量估算示例 表 4月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 f 2000 000 500 000 000 000 000 000 000 000 000 000 f= Uf/n=2=三、结构数与结构层厚度选取 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。 1、层位系数 a 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 提供的相对性能。层位系数可通过试验路确定，或者按与材料性质（如弹性模量或回弹模量）有关的试验曲线或关系式确定。 （ 1）密级配沥青混凝土面层的层位系数1a 可按它与该材料在 F68 时的弹性（回弹）模量 图 4 （ 2）沥青处治基层的层次系数 2a 可按它与该材料的弹性（回弹）模量 查图 4 （ 3）水泥处治基层的层位系数 2a 可按它该材料的弹性（回弹）模量 5 或 7查图 4 26 27 （ 4）粒料基层的层位系数 2a 查按它与该材料的弹性（回弹）模量 关系，由下式确定： （ 4 （ 5）粒料垫层位系数3a 可按它与该材料的弹性（回弹）模量 关系，由下式确 定： 3 0 . 2 4 9 l g 0 . 8 3 9（ 4 2排水系数 基层和垫层的排水系数 路面结构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 4 排水系数 表 4 排水质量 路面结构含水量接近饱和状态的时间百分比 等级 小于 1% 15% 525% 大于 25% 极好 优 良 差 很差 源：引自 986) 3结构层厚度选取 （ 1）最小厚度的规定 沥青面层和粒