基于法的水泥路面结构设计研究

2014-09-17魏连雨

河北工业大学学报 2014年2期

宋杨，魏连雨，冯雷

（1.河北工业大学土木工程学院，天津 300401；2.天津水泥设计院，天津 300400）

随着全球经济一体化的加速和我国工程建设水平的提高，我国的许多工程公司陆续加大了开拓国际市场的力度．为了增强我国公司在海外工程建设中的竞争力，学习并掌握国际通用的设计方法尤为重要．美国AASHTO协会早在20世纪60年代就已经形成了路面设计方法，该方法对世界各国在路面设计方面产生了重大影响，时至今日仍为国际工程中广泛采用的方法．本文通过研究详细介绍了对美国AASHTO刚性路面设计方法，为今后进行国外工程设计提供参考．

1 AASHTO方法介绍

AASHTO设计方法是根据AASHO道路试验结果而制定的一种具有代表性的经验方法．该方法提出了路面现时服务能力指数PSI的概念，以反映路面的服务质量．它以使用年末的路面服务能力指数座位设计控制标准，使路面结构设计和路面使用末期的性能联系起来，并且考虑了路面结构的可靠度，提出了轴载换算的概念和公式，这些设计思想对后来世界各国的设计思想产生了很大影响[1]．

2 设计思路

首先，根据道路等级、交通量及交通轴载分布、气候、水文、地质等自然条件，结合当地实践经验确定出相应的路面结构组合．然后，根据计算交通量及轴载换算系数，计算得到设计年限内的标准轴载作用次数．最后，按照如下经验公式计算水泥路面厚度．

3 主要参数取值范围

3.1 一般参数General Date

1）服务指数Serviceability（PSI）

路面的服务能力定义为服务使用设备交通类型（汽车和卡车）的能力．服务能力的主要度量是现在服务效用能力（PSI），其范围从0（不可能存在的路）到5（最好的路）．

2）最终服务指数Terminal serviceability（）

最低允许PSI或期末服务效用指数（Pt的选择是根据在必要的修复、重铺路面或改建之前的最低容忍指数．指数值为2.5或更高表明是为主要公路所做的设计，2.0是为交通量较小的公路做的设计[2]．

3）分析年限analysisperiod（表1）

4）总标准差Overall standard normal deviation（0）应根据当地情况选择标准偏差．总标准偏差的刚性路面为0.35及柔性路面为0.45．

5）可靠度reliability（）（表2）

6）标准正态差Standard normal deviate（）（表3）

3.2 交通参数

1）轴载当量因数Axleload equivalency factor

为了得到设计的等效单轴荷载，有必要假设一个刚性路面的路面厚度（），然后从AASHTO2002的表D.1到D.18所列数据中选择换算因子．通常采用为9英寸确定的18千磅单轴换算因子设计结果比较准确．如果出现错误，该假设通常会导致过高估计18千磅当量轴次．当希望并计算出更为准确的结果时，应假设一个新值，重新计算等效单轴荷载交通量（w18），为新w18的确定结构设计．这个步骤应继续下去，直到假设值和计算值接近理想值[3]．

2）方向分布系数Directional distributionfactor（）

方向分布系数以比率来表示的定向分配系数，说明ESAL单元按方向分配．虽然对于大多数道路，系数一般为0.5（50%），但还是有一个方向比另一个方向有更多运输的情况．因此，较重车辆的一侧应设计为一个较大数的ESAL单元．经验表明可能在0.3到0.7之间发生变化，取决于哪一个方向是“负载”和哪一个方向是“空载”．

3）车道分布系数Lane distribution factor（）

车道分布系数以比率来表示的车道分配系数，一个方向上有两条或更多条车道时说明交通分配[4]．

表1 分析年限Tab.1 Analysis period

表2 各种功能分类可靠性推荐等级Tab.2 Suggested levels of reliability for various functional classifications

表3 对应不同可靠度的标准正态差Tab.3 Standard normal deviate(ZR)values corresponding to selected levels of reliability

表4 车道分布系数表Tab.4 Lane distribution factor

3.3 材料参数

1）混凝土弹性模量Concretemodulusof resilient（）

2）混凝土断裂模量/抗弯强度Concretemodulusof rupture/flexural strength（）

初步设计阶段的弯拉强度和抗压强度关系如下：

3）排水系数Drainage coefficient（）（表5、表6）

表5 与路面结构相对应的不同排水水平Tab.5 Different drainage levels corresponding to pavement structures

表6 用于刚性路面设计排水系数Cd的建议值Tab.6 Recommended values of drainage coefficient for rigid pavement

4）传荷系数Load transfer coefficient（）（表7）

5）无粘结材料及路基土回弹模量Resilient modulusvaluesfor unbound granular and subgradematerials

6）支撑损失Lossof support（）

4 应用案例

为了进一步阐释AASHTO设计方法在实际设计工作中的合理性和可操作性，本文选取了本单位在印尼承接的一项道路设计工程作为应用案例，期望以具体演算为国内同行提供参考依据．

4.1 项目概况

本项目为印尼一座水泥厂内道路，其年平均日交通量为600辆，结合现场实际情况和当地经验，拟定路面结构组合为：面层为C25水泥混凝土面板，厚 =25 cm；基层为级配碎石，厚 =30 cm；路基土值为8%．

4.2 参数取值

4.2.1 一般参数

根据AASHO试验路的观测资料，新建刚性路面平均初期服务指数 =4.5，终期服务指数 =2.0，

表7 各种路面传荷系数J的建议值Tab.7 Recommended load transfer coefficient

表8 各种材料类型支撑损失（LS）因素的典型范围Tab.8 Typical rangesof loss of support(LS)factors for various types of materials

4.2.2 交通参数

1）车辆参数

业主提供的车型资料如图1所示．

车辆总重为70t，其轴数和轴载分布为：前轴为单轴，分配荷载为10 t；中轴为双轴，分配荷载为25t；后轴为三轴，分配荷载为35t．

2）交通量计算

①轴载当量计算

初估面层厚度为 =25 cm或9.8英寸，其中前轴单轴载：10 t×2.205=22.05 kip,查《AASHTOguide for design of pavement structures》表D.10,荷载当量因数为2.40；中轴单轴载：25 t/2×2.205=27.56 kip,查《AASHTO guide for design of pavement structures》表D.11,荷载当量因数为0.850；后轴单轴载：35 t/3×2.205=25.73 kip,查《AASHTOguidefor design of pavementstructures》表D.12,荷载当量因数为0.193．经计算，整车轴载当量为2.4+2×0.85+3×0.193=4.679．

②累计标准轴次计算

根据项目实际情况，两车道年平均日交通量为600辆，方向分布系数查表4，可得取0.5；车道分布系数取0.8；根据表1，确定分析年限为20 a；累计轴次计算：18= × ×4.679×600×365× =8.2×106．

4.2.3 材料参数

1）面层

根据初拟路面结构，面层混凝土等级为C25/30，抗压强度 =25 MPa or 3 625 psi．

根据表5及表6，排水系数： =1.05；根据表7，荷载传递系数： =2.8．

2）基层

通过《AASHTO guide for design of pavement structures》查表可知，基层材料级配碎石选取级别（A-1-a），基层弹性模量=262 MPa or 38 000 psi．

3）路基

4）修正的路基反应模量

确定修正的路基反应模量，其中，基层厚度 =30 cm或11.8英寸，基层回弹模量 =262 MPa或38000psi，路基回弹模量 =67MPa或9669psi，故根据《AASHTOguidefor design of pavementstructures》及材料选择类型，查表8可得支撑损失 =1.0,路基有效反映模量 =190 pci．