AASHTO道路规范应用分析

陈利华

(西北电力设计院，陕西 西安 710075)

我院在沙特Rabigh 2×660MW燃油电站项目设计中，依照AASHTO规范并根据当地自然条件合理设计，取得了良好的效果，同时我们也对美国道路规范体系、AASHTO规范体系及其沥青混凝土路面结构的设计方法、程序及参数选择等加以分析，希望为今后进一步研究提供一定的参考。

1 AASHTO规范简介

美国道路设计基于其联邦公路管理体制，逐步形成了其独具特色的规范体系，该体系自上而下分为联邦法案、联邦级指南及各州法规三个层次。

美国州际之间的道路设计绝大部分参考AASHO的道路试验结果。AASHTO建立的测试场地位于伊利诺伊州的渥太华。AASHTO路面设计规范实际上是建立在物理模型的试验数据基础上的。

随着不断的发展、完善，AASHTO建立起了一整套的公路设计、施工、质量保证等方面的规范。期中路面设计规范主要包括：

道路结构设计指南1993；(AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES(GDPS-4-M)1993)

道路结构设计指南年补充1998；(GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES，4TH EDITION WITH 1998 SUPPLEMENT)

2 沙特Rabigh项目简介

Rabigh 2×660MW燃油项目厂址位于沙特西部港口城市以北约150km处的拉比格，其地处阿拉伯半岛中部。该地区气候炎热，干旱少雨，路基排水条件良好，不存在地基冻涨问题，类似美国REGION Ⅳ Dry，no freeze 气候条件。

建设场地地层分为二层，由上覆地表砂和下伏珊瑚和珊瑚状灰岩组成。地下水位的变化在地面下3.82～4.70m之间。根据工程地质勘查报告，建设场地路基砂砾、灰岩为主，承载力较高，排水条件良好，地下水对路基影响较小。可采用当地砂石材料作为基层及底基层材料，路基CBR值经压实处理后，可达到5%以上。

3 沥青混凝土路面结构设计

3.1 设计参数

3.1.1 设计寿命

根据AASHTO有关规定及电厂道路特点，分析期确定为20年。

3.1.2 设计交通量

(1)设计交通量

根据业主工程师提供的电厂一个车道内的交通量，每天卡车通过量为250辆。种类及轴载型式见表1。

表1 电厂交通量

表2 交通量参数

(2)等效轴载

指分析期内预测累计18千磅等效单轴(ESAL—18－kip Equivalent Single Axle Load)作用次数。对沥青路面来说，在确定混合轴换算ESAL的等效换算转换因子前需初步确定结构数SN(Pavement Structural Number)。

表3 卡车等效转换因子

表4 等效轴载计算

根据所给的平均日交通量，可计算得到第一年的交通量换算为等效18 kip轴载(ESAL)为688956(13779115/20)，其交通量年增长率0%。上述交通量的预测是针对一个车道进行的，因此这里道路的方向分布系数DD不必考虑，车道分布系数为1.0，所以第一年的设计交通量为688956×1.0=688956D_Dd__ESAL轴载。给出20年的轴载累积曲线。

3.1.3 可靠度

可靠性是指在设计程序中加上一定程度的保证率以确保各种设计方案可以持续满足整个分析期需要的方法。

图1 轴载累积曲线

表5 可靠度建议值

R值取90%，可靠度标准差S0按照AASHTO 93建议取值为0.35。

3.1.4 服务能力

最基本的服务能力的量度标准是现有路面耐用性指数PSI，其值在0到5的范围变化。

根据AASHTO Road Test有下表。关于Pt在不同值时调查人群对路面的不满意比例。

表6 末期服务水平

根据表6，本次计算取Pt为2.5，路面结构服务能力下降至Pt的时间还与交通量以及初始服务能力P0有关。根据AASHTO Road Test的结果，沥青路面的P0值一般取4.2。服务能力变化量即：

式中： Pt为终期服务能力；P0为初期服务能力；ΔPSI为服务能力变化量。

3.1.5 环境因素

(1)膨胀、冻涨

根据沙特当地气象资料，当地全年气温在0℃以上，故不考虑冻涨。

路基土的膨胀及冻涨在设计中的处理方式见AASHTO 93(Region3－Region4中的APPENDIX G)。

(2)土基吸水膨胀

根据沙特当地气候特点，无需进行土基吸水膨胀造成的影响计算。

① 根据岩土报告表层为分选性差的砂，含有粉土和砾砂，从粉砂到砾砂之间变化，粉砂中含有砾砂，不属于膨胀土。

② 该地区年平均降水量仅52.1mm，做好排水设计，大气降水不会成为土基湿度的来源。

③ 根据岩土报告，地下水位的变化在地面下3.820m～4.70m之间，对路基影响很小。

3.1.6 有效路基回弹模量

计算有效路床回弹模量需要建立土壤回弹模量与湿度的关系，通过估算各月份路床湿度来得到一年中的土壤回弹模量。

由于试验数据缺乏采用AASHTO推荐值来代替：根据水文气象资料可知工程所在地属于干旱、无冻结地区，类似美国REGION Ⅳ，dry，no freeze 气候。路床土壤有效回弹模量取Fair组，为5600psi。

3.1.7 路面设计层材料性质

自然土、自由粒料层、沥青混凝土层等的弹性模量。

表7 各层材料参数

(1)沥青面层层系数(Asphalt Concrete Surface Course)

根据AASHTO 93规定，沥青面层层系数可根据表查询得到68℉时，在沥青面层弹性模量下对应的层系数值。设定沥青面层模量EAC为450000psi(3103Mpa)。由93 Part II Figure2.5.可得到对应层系数a1为0.44。

(2)碎石基层层系数(Granular Base Layers)

基层层系数可由基层材料的性质得出，此处设定基层材料弹性模量EBS值为30000psi，由93 Part II Figure2.6.可得，基层层系数a2为0.14。

(3)底基层层系数(Granular Subbase Layers)

同样底基层层系数也可由材料性质得到，此处底基层弹性模量ESB设定值为11000psi，由93 Part II Figure2.7.可得，基层层系数a3为0.08。

(4)排水层系数(Drainage Layer coefficient)

排水层等级确定为“Good”级(可在一天内将水排走)。

项目所在地区为气候干旱区，取排水系数为1.30。(Percent of Time Pavement Structure is Exposed to Moisture Levels Approaching Saturation取小于1%)。

3.2 结构层厚度计算

各层厚度计算采用计算各层之上层的等效结构数(SNi)来计算。

首先，计算基层之上的层结构数，利用基层回弹模量参数查询Figure3.1(Part II)，其中EBS=30000psi，可靠度R=90%，W18取值为14×106(>13779115)，ΔPSI取值为1.7，得到的SN1值为3.0，因此沥青混凝土面层的厚度为：

同样的，用底基层弹性模量11000psi作为等效回弹模量，得到的SN2值为4.4结果：

有效路基土模量是5600psi.SN确定为5.8.最终，底基层的厚度为：

图2 路面结构设计示意图

图3 路面结构设计图

3.3 设计分析

(1)设计使用期为20年，分析期内当量18kip轴载(ESAL)为13779115次。按设计厚度该路面可承受的荷载为14×106次ESAL。

(2)道路设计可靠度为90%，可靠度标准差S0为0.35。

(3)终期服务能力设为2.5，初期服务能力为4.2，故ΔPSI=1.7。

(4)因地区常年温度在0度以上，设计过程中未考虑冻涨因素；根据路基土特点，不考虑吸水膨胀对设计寿命的影响。

(5)路床回弹模量为5600psi，设计结构为沥青面层模量EAC is 450000psi、碎石基层及底基层结构，其层系数分别为0.44，0.14，0.08.排水系数为1.30。

(6)经计算所得各结构层设计厚度分别为沥青面层7 inches，碎石基层8 inches，底基层为13 inches。

(7)施工要求

① 路基处置

地基应清除腐殖土并整平，当地基土的CBR小于5%，需采取相应的地基处理措施，以提高CBR。可通过采用土工格栅及换填等措施，改善地基条件。对底基层及地基的再评价，需在地基处理的基础上进行。

② 基层和底基层需选择适当材料，底基层压实系数不小于96%，基层不小于98%。

③ 沥青混凝土面层设计基于高性能沥青设计方法。粒料的选择，混合料设计及施工质量控制、质量评价应满足AASHTO相关规范要求。

4 AASHTO与我国沥青混凝土路面设计方法的主要区别

AASHTO沥青路面设计方法是通过大量试验路数据建立路面结构数与轴载、可靠性、标准偏差、有效路基回弹模量、服务能力损失等因素的关系，并通过获得以上相关参数确定结构数，结构数与结构厚度通过层系数与排水系数来转换，最终获得所需的结构组合。

我国沥青路面设计方法是通过轴载、路基回弹模量、各层材料回弹模量等参数确定设计弯沉值和沥青混凝土层、半刚性基层和底基层容许拉应力，并以此为指标计算或验算路面结构组合。

两种规范在设计中的主要差别集中在轴载换算、路基回弹模量及结构层材料参数取值等，分析如下：

4.1 轴载换算

(1)两者标准轴载不同，AASHTO的标准轴载相当于单轴轴载18kip(80kN)，我国标准轴载为单轴双轮组轴载100kN。

(2)换算方式不同。AASHTO换算方法中承担相同轴载双轴的换算系数比单轴小很多，而我国的换算程序中，双轴承担荷载需要乘以轴数系数，但计算过程中轴载采用轴组单一轴轴载进行系数计算。

4.2 路基回弹模量

(1)路基回弹模量是随着季节发生变化的。处理这个问题，我国规范中路基模量设计值的确定中用考虑不利季节和路基干湿类型的综合影响系数解决，根据不同的土基稠度值给出了三个不同的综合影响系数。但仅仅通过三个等级的折减系数来应对我国各地区复杂的气候地质条件明显不足。

(2)对比而言，AASHTO设计方法中，将不同模量下对路面损坏程度作为权重，计算得出加权的土基模量作为有效路基回弹模量，适用于处理各种复杂的温湿度变化状况，值得借鉴。

4.3 结构层材料设计参数

(1)材料的回弹模量受应力状态、温度等影响，我国设计方法中对材料参数的选择是根据标准试验测得的固定值。而AASHTO所提供的基层、底基层模量则考虑到了材料的实际受力状态，并且在应用上也更加灵活。

(2)我国在制定沥青混合料模量试验方法时考虑到与早期规范相结合仍旧使用了静态模量作为路面设计参数，各种研究表明动态模量更能反映材料在车辆荷载作用下的实际受力状态。

(3)设计参数是材料设计、混合料设计、结构设计中的重要内容，长期以来路面设计人员忽视材料设计参数测定，造成路面设计仅仅是抄录规范参数进行厚度计算的局面。因此，在实际的设计过程中，尤其是高等级路面的设计过程中要取得工程用路面材料的实测设计参数。

5 结语

AASHTO规范基于AASHO道路试验，从可靠度、环境影响因素、岩土及气象条件、路基排水、道路交通量，结合道路造价及分期修筑的条件，并引入设计结构数(SN)的概念，进行路面设计。其设计方法得到了广泛认可，成为国际通用的道路设计规范，其在设计参数选择的方式及强调试验性方面值得我们的重视和借鉴。

以上仅是一些初步研究。其中，还有很多不足之处，恳请各位同行指正。

[1]AASHTO，Guide for Design of Pavement Structures[S]

[2]王永胜，孔永健.AASHTO沥青路面结构设计方法在我国的适用性研究[J].北方交通大学学报，2004，28(4).

[3]葛守飞，郭知涛.浅谈我国沥青路面设计方法与AASHTO设计方法[J].山西建筑，2008，34(36).

[4]李刚，张留俊，丁小军.基于AASHTO的沥青混凝土路面设计方法[J].公路，2008，(9).