AASHTO沥青混凝土路面加铺设计及在中美洲的应用

第19卷 第4期 中 国 水 运 Vol.19 No.4 2019年 4月 China Water Transport April 2019 AASHTO沥青混凝土路面加铺设计及在中美洲的应用 王冰冰，李永斌 摘 要：在道路的使用过程中，随着沥青混凝土路面的通车运营，路面的使用品质逐年下降，当其下降到一定程度时，需进行维修改造。本文系统的总结了美国AASHTO规范的加铺层设计方法，采用NDT设计方法并将其应于用哥斯达黎加32号路改扩建项目，可为我国沥青路面加铺设计提供参考。 关键词：AASHTO规范；沥青混凝土路面；加铺层设计；NDT设计方法 中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）04-0206-03 一、概述 随着沥青混凝土路面达到设计年限，路面结构层逐渐产生破坏，适时的进行加铺罩面及维修，有利于消除或减缓路面病害，延长路面使用寿命。美国的ＡＩ和ＡＡＳＨＴＯ在沥青路面设计指南中都专门制定了加铺层的设计方法。ＡＩ旧路面加铺主要采用有效厚度法和挠度法来确定加铺层的厚度[１]。有效厚度法是以旧路面加铺时的状况为基础，不需要做挠度测试。AASHTO路面设计规范则根据加铺层的结构数来计算得到加铺层厚度[2]。本文详细的介绍AASHTO路面加铺层设计。 二、AASHTO沥青加铺层设计方法简介 1．原路面承载能力 确定路面功能性和结构性损坏、加铺前选择合适的路面病害修补方法以及进行合理的加铺层设计， 都需要对原路面的结构性能进行评价。 SC为结构承载力，对于柔性路面来说，结构承载能力即为路面结构数SN。原始路面存在一个初始的服务能力指数P1和结构承载力SC0，随着交通荷载重复作用次数的增加，沥青混凝土路面逐渐恶化。当路面荷载重复作用次数达到Np时，路面结构达到一个可以接受的服务水平P2，此时，路面达到SCeff的结构承载力，SCeff即为现有路面的有效结构承载力，对于柔性路面，SCeff等于SNeff[3]。 2．沥青加铺层厚度设计及步骤 对于用于提高路面承载力的加铺层，即结构性加铺层，其厚度Dol是满足未来交通荷载要求所需的路面结构数SNf和原路面有效结构数SNeff的函数， 可由下式表示（对于柔性沥青路面，用路面结构数SN表示路面结构承载力）： SN0101D01SNfSNeff （1）其中，SN01：所需的加铺层结构数； 0.4~0.44，本文取0.44； [4]12 （1．中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2．中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000） 01：沥青混凝土加铺层的结构层系数，一般取D01：所需的加铺层厚度，inch； SNf：承受未来交通荷载所需的结构数； SNeff：原路面的有效结构数。 可以通过以下设计步骤计算加铺层的厚度，这些步骤提供了一种全面的设计方法，建议对现有路面进行测试从而得到有效的设计参数。 步骤1.现有路面的设计及施工 （1）调查现有路面各结构层的厚度及材料类型； （2）调查路基土体的有效信息； 步骤2.交通量分析 （1）设计车道上过去18-kip累计轴载作用次数Np，仅用于剩余寿命方法确定SNeff； 图1 交通荷载重复作用次数对路面服务能力和结构数的影响 图1显示随着交通荷载重复作用次数的增加，路面的服务能力和结构承载力下降，其中N为交通荷载重复作用次数，收稿日期：2018-10-25 作者简介：王冰冰（1983-），男，湖北武汉人，中国港湾工程有限责任公司。 （2）设计年限内的18-kip累计轴载作用次数Nf。 步骤3.现场调查 路面的病害类型和严重程度会对老路加铺设计有较大的影响，在现场调查过程中应量测以下病害并用于确定结构数： 第4期 王冰冰等：AASHTO沥青混凝土路面加铺设计及在中美洲的应用 207 路面龟裂的面积百分比； 每英里的横向裂缝数量； 平均车辙深度； 步骤4. 弯沉测试（强烈推荐） 弯沉测试应在在外侧轮迹线处进行，弯沉测点的间距为100~1,000英尺。不要在路面恶化及将要维修的位置进行测试。 建议使用重载弯沉装置（例如，落锤式偏转仪）和大约9,000磅的载荷进行测试。应该在荷载中心和至少一个距离荷载中心一定距离的位置进行挠度测量。 （1）路基回弹模量（MR），在距离荷载中心足够远的位置，根据路基的变形测量出路面的弯沉，根据弯沉值通过以下公式反算路基的回弹模量： MR0.24Pd （2） rr其中：MR：反算的路基回填模量，psi；P：作用荷载，pound；r：到中心荷载的距离，inches；dr：距离中心荷载r处的弯沉，inches。 需要注意的是，在反算Mr时不需要温度修正，因为测量的挠度仅仅来源于路基变形。 为了对反算的路基模量进行较好的估算，反算所用的弯沉值的测量位置应距离荷载中心足够远，距离荷载中心的最小距离一般按下式确定： r0.7ae （3） 2aa2D3Epe （4） MR其中：ae：路基路面交界处应力球半径，inches；a：NDT测试时承载板半径，inches；D：路基以上路面结构层的总厚度，inches；Ep：路基上路面结构层的有效回填模量，psi。 （2）测量沥青混合料的温度； （3）确定路面结构层的有效回弹模量Ep 11D2d11(a)01.5pa2E （5） MDEppR1a3MR其中：d0：承载板中心处测得的弯沉（需要修正为68°F），inches；p：NDT测试时承载板的压力，psi；a：承载板半径，inches；D：路基以上路面结构层的总厚度，inches；MR：路基回填模量，psi；Ep：路基上路面结构层的有效回填模量，psi。 步骤5.钻芯取样和材料试验 （1）可以通过取样试验结果确定路基回弹模量； （2）目测沥青混凝土层的状况，用于评估沥青混合料的剥离、老化和侵蚀； （3）对基层和底基层取样，确定其性质； （4）确定各个层的厚度； 步骤6.确定未来交通下所需的结构数SNf SNf可以通过下式确定： Log10PSILog10W18ZrSo9.36Log10SN0.24.21.5f12.32Log10MR8.07（6） 0.41094SN15.19f W18：设计年限内18×103lb（80kN）累计当量轴载作用次数；Zr：给定可靠度R的正态偏移；S0：标准离差；SNf：路面结构数；△PSI：服务能力变化值；MR：基层、底基层材料为动态回弹模量，路基土为有效土基回弹模量。 根据反算结果与实际路基土有效回填模量进行对比，在计算SNf的过程中，需要对路基土有效回弹模量进行修正； M0.24PRC （7） drr建议C值取0.33； 步骤7.确定现有道路的结构数SNeff 确定现有路面结构数有以下三种方法： （1）NDT方法 SNeff0.0045D3Ep （8） 其中： D：路基以上所有路面结构层的总厚度，inches；Ep：路基上路面结构层的有效回填模量，psi。 （2）路面状况调查法 SNeff1D12D2m23D3m3 （9） 其中， D1、D2、D3：原路面面层、基层、底基层的厚度，inches；1、2、3：原路面面层、基层、底基层的结构系数；mm2、3：粒料基层及底基层的排水系数。 （3）剩余疲劳寿命法 RL100Np （10） 1N1.5SNeffCFSN0 （11） 其中， RL：剩余寿命，%；Np：从新建至今现有道路承受的累计当量轴载作用次数；N1.5：至路面损害时即服务能力指数为1.5时路面承受的累计当量轴载次数；CF：由RL确定的状况系数；SN0：路面新建时的结构数。 步骤8：确定加铺层的厚度 根据式（1）计算加铺层的厚度； 三、AASHTO路面设计方法在哥斯达黎加32号路改扩建项目的应用 1．工程概况 208 中 国 水 运 第19卷 哥斯达黎加是位于赤道北纬10度的位置，属于热带气候，全年温差变化不大。它只有两个季节，4月到12月为雨季，年均降雨量超过4,000mm。12月底到第二年4月为旱季，也称为夏季，降雨相对较少。32号路是哥国最繁忙的主要公路，交通量较大，设计年限为10年。 2．设计参数 设计参数见表1。 表1 设计参数 参数 取值 R 90% Zr -1，282 S0 0，49 P0 4，2 Pt 2，5 ∆PSI 1，7 3．累计当量轴载作用次数ESAL 根据哥斯达黎加交通部MOPT文件 DVOP-6152-07和DVOP-5170-07[5]，货车系数的取值为：小汽车0.01，轻型货车0.02，巴士1.71，两轴卡车0.63，三轴卡车1.28，五轴卡车2.38。依据哥斯达黎加交通部门提供的70150路段2014年日均交通及交通组成，设计年限10年（2020-2029）的单车道当量轴载累计作用次数ESAL见表2。 表2 设计年限内的累计当量轴载累计作用次数 70150路段 交通增长率2.03%，TPD 2020=12843 车辆类型 车型比例 日均交通量 货车系数 车道系数 方向系数 年均天数 增长系数 ESAL 小汽车 45.15 5799 0.01 0.80 0.50 365 10.965 92826 轻型货车 21.63 2778 0.02 0.80 0.50 365 10.965 841 巴士 4.16 534 1.71 0.80 0.50 365 10.965 1462525 两轴卡车 10.5 1349 0.63 0.80 0.50 365 10.965 1360015 三轴卡车 2.75 353 1.28 0.80 0.50 365 10.965 723697 四轴卡车 0 0 0.00 0.80 0.50 365 10.965 0 五轴卡车 15.81 2030 2.38 0.80 0.50 365 10.965 7736111 合 计 114114 4．现场探坑、FWD试验结果及反算的结果 根据业主的要求，对现有路面进行开挖探坑和FWD测试。探坑的尺寸为1*1m，开挖到现有道路结构层下0.5m，通过探坑可以得到现有路面各个结构层的厚度。FWD落锤式弯沉仪承载板的半径5.9inch， 荷载92lbs，有7个传感器，传感器之间的间距均为12 inch。7个传感器检测的弯沉分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，在计算时需要对这7个测量弯沉值进行荷载修正，修正为40KN荷载下的弯沉。并需要对D1进行温度修正，修正为60°F下的弯沉值。 探坑、荷载和温度修正后的落锤式弯沉仪部分检测结果见表3。 通过第二部分的计算步骤，根据D7位置的弯沉值计算老路路面的加铺层厚度，加铺层厚度见表4。 表3 检测结果 荷载 40 kN及温度修正 桩号 面层厚度 基层厚度 底基层厚度 总厚度 （cm） （cm） （cm） （cm/in） D1 （in）D2 （in） D3 （in）D4 （in） D5 （in）D6 （in）D7 （in）50+001 15 cm 40 cm 0 cm 55.0 21.7 0.007034 0.002159 0.000912 0.000735 0.000692 0.000603 0.000556 50+201 15 cm 40 cm 0 cm 55.0 21.7 0.006581 0.002393 0.000961 0.000467 0.000430 0.000358 0.000321 50+400 15 cm 40 cm 0 cm 55.0 21.7 0.00 0.004841 0.002492 0.001568 0.001151 0.000656 0.000562 50+601 15 cm 40 cm 0 cm 55.0 21.7 0.012711 0.005729 0.002850 0.001718 0.001247 0.000907 0.000801 50+805 15 cm 40 cm 0 cm 55.0 21.7 0.012571 0.005684 0.002632 0.001578 0.001159 0.000865 0.000631 51+015 14 cm 44 cm 34 cm 92.0 36.2 0.014722 0.009238 0.006119 0.004430 0.003237 0.001980 0.001636 51+201 14 cm 44 cm 34 cm 92.0 36.2 0.016208 0.006786 0.002814 0.001086 0.000612 0.000558 0.000506 表4 计算结果 桩号 D in Ep SN eff ESAL MR *0 .33 P15 MR SN f 加铺层厚度 cm 加铺厚度cm 50+001 22 44197 3.4 114114 14732 4.17 4.45 4.45 50+201 22 44197 3.4 114114 14732 4.17 4.45 4.45 50+400 22 902 4.4 114114 14732 13735 4.17 -1.33 不需要加铺 50+601 22 63350 3.9 114114 13198 4.17 1.56 1.56 50+805 22 60249 3.8 114114 16736 4.17 2.14 2.14 51+015 36 58134 6.3 114114 59 4.31 -11.49 不需要加铺 12561 51+201 36 55177 6.2 114114 18392 4.31 -10.91 不需要加铺 注：P15 MR为0.33MR第15百分位的取值。 四、结语 AASHTO加铺层设计方法是基于AASHO试验路大量的试验数据建立起来的，虽然在材料参数输入、设计可靠度等方面有所改进，但是仍属于一种经验法，因此仅在一定范围内适用，随着轴载和交通的日益增加，该方法必然有局限性。 本项目为老路加铺项目，老路修建于上世纪80年代，现有老路进行多次加铺，由于路况调查法主观性较大，剩余疲劳寿命法不适用于多次加铺的老路混凝土路面，所以本项目采用NDT方法进行设计；建议有条件的情况下，采用AI设计方法的挠度法进行验证； 计算过程中路基回弹模量根据0.33MR的15百分位取值，有一定的安全系数，探坑开挖时为当地旱季，未出现路床处于饱水状态的情况，所以设计时未考虑环境影响系数即湿度对影响路基回弹模量的影响。 参考文献 [1] Asphalt Institute.Asphalt overlays for highway and street rehabilitation manual series [R].Washington DC：Asphalt Institute.1993. [2] American Association of State Highway and Transportation Officials. AASHTO guide for design of new and rehabilitated pavement structures [R].Washington DC：American Associat ion of State Highway and Transportation Officials，2003. [3] YangHuang（2004），PavementAnalysisandDesign，Second Edition. [4] AASHTO Guide for Design of Pavement Structure [S].1993. [5] 哥斯达黎加交通部MOPT文件 DVOP-6152-07和DVOP-5170-07.