基于 法的水泥路面結(jié)構(gòu)設計研究

宋 楊，魏連雨，馮 雷

（1.河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401；2.天津水泥設計院，天津 300400）

隨著全球經(jīng)濟一體化的加速和我國工程建設水平的提高，我國的許多工程公司陸續(xù)加大了開拓國際市場的力度．為了增強我國公司在海外工程建設中的競爭力，學習并掌握國際通用的設計方法尤為重要．美國AASHTO協(xié)會早在20世紀60年代就已經(jīng)形成了路面設計方法，該方法對世界各國在路面設計方面產(chǎn)生了重大影響，時至今日仍為國際工程中廣泛采用的方法．本文通過研究詳細介紹了對美國AASHTO剛性路面設計方法，為今后進行國外工程設計提供參考．

1 AASHTO方法介紹

AASHTO設計方法是根據(jù)AASHO道路試驗結(jié)果而制定的一種具有代表性的經(jīng)驗方法．該方法提出了路面現(xiàn)時服務能力指數(shù)PSI的概念，以反映路面的服務質(zhì)量．它以使用年末的路面服務能力指數(shù) 座位設計控制標準，使路面結(jié)構(gòu)設計和路面使用末期的性能聯(lián)系起來，并且考慮了路面結(jié)構(gòu)的可靠度，提出了軸載換算的概念和公式，這些設計思想對后來世界各國的設計思想產(chǎn)生了很大影響[1]．

2 設計思路

首先，根據(jù)道路等級、交通量及交通軸載分布、氣候、水文、地質(zhì)等自然條件，結(jié)合當?shù)貙嵺`經(jīng)驗確定出相應的路面結(jié)構(gòu)組合．然后，根據(jù)計算交通量及軸載換算系數(shù)，計算得到設計年限內(nèi)的標準軸載作用次數(shù)．最后，按照如下經(jīng)驗公式計算水泥路面厚度．

3 主要參數(shù)取值范圍

3.1 一般參數(shù)General Date

1）服務指數(shù)Serviceability（PSI）

路面的服務能力定義為服務使用設備交通類型（汽車和卡車）的能力．服務能力的主要度量是現(xiàn)在服務效用能力（PSI），其范圍從0（不可能存在的路）到5（最好的路）．

2）最終服務指數(shù)Terminal serviceability（ ）

最低允許PSI或期末服務效用指數(shù)（Pt的選擇是根據(jù)在必要的修復、重鋪路面或改建之前的最低容忍指數(shù)．指數(shù)值為2.5或更高表明是為主要公路所做的設計，2.0是為交通量較小的公路做的設計[2]．

3）分析年限analysisperiod（表1）

4）總標準差Overall standard normal deviation（0）應根據(jù)當?shù)厍闆r選擇標準偏差．總標準偏差的剛性路面為0.35及柔性路面為0.45．

5）可靠度reliability（ ）（表2）

6）標準正態(tài)差Standard normal deviate（ ）（表3）

3.2 交通參數(shù)

1）軸載當量因數(shù)Axleload equivalency factor

為了得到設計的等效單軸荷載，有必要假設一個剛性路面的路面厚度（ ），然后從AASHTO2002的表D.1到D.18所列數(shù)據(jù)中選擇換算因子．通常采用為9英寸確定的18千磅單軸換算因子設計結(jié)果比較準確．如果出現(xiàn)錯誤，該假設通常會導致過高估計18千磅當量軸次．當希望并計算出更為準確的結(jié)果時，應假設一個新值，重新計算等效單軸荷載交通量（w18），為新w18的確定結(jié)構(gòu)設計．這個步驟應繼續(xù)下去，直到假設值和計算值接近理想值[3]．

2）方向分布系數(shù)Directional distributionfactor（ ）

方向分布系數(shù)以比率來表示的定向分配系數(shù)，說明ESAL單元按方向分配．雖然對于大多數(shù)道路，系數(shù)一般為0.5（50%），但還是有一個方向比另一個方向有更多運輸?shù)那闆r．因此，較重車輛的一側(cè)應設計為一個較大數(shù)的ESAL單元．經(jīng)驗表明 可能在0.3到0.7之間發(fā)生變化，取決于哪一個方向是“負載”和哪一個方向是“空載”．

3）車道分布系數(shù)Lane distribution factor（ ）

車道分布系數(shù)以比率來表示的車道分配系數(shù)，一個方向上有兩條或更多條車道時說明交通分配[4]．

表1 分析年限Tab.1 Analysis period

表2 各種功能分類可靠性推薦等級Tab.2 Suggested levels of reliability for various functional classifications

表3 對應不同可靠度的標準正態(tài)差Tab.3 Standard normal deviate(ZR)values corresponding to selected levels of reliability

表4 車道分布系數(shù)表Tab.4 Lane distribution factor

3.3 材料參數(shù)

1）混凝土彈性模量Concretemodulusof resilient（ ）

2）混凝土斷裂模量/抗彎強度Concretemodulusof rupture/flexural strength（ ）

初步設計階段的彎拉強度和抗壓強度關(guān)系如下：

3）排水系數(shù)Drainage coefficient（ ）（表5、表6）

表5 與路面結(jié)構(gòu)相對應的不同排水水平Tab.5 Different drainage levels corresponding to pavement structures

表6 用于剛性路面設計排水系數(shù)Cd的建議值Tab.6 Recommended values of drainage coefficient for rigid pavement

4）傳荷系數(shù)Load transfer coefficient（ ）（表7）

5）無粘結(jié)材料及路基土回彈模量Resilient modulusvaluesfor unbound granular and subgradematerials

6）支撐損失Lossof support（ ）

4 應用案例

為了進一步闡釋AASHTO設計方法在實際設計工作中的合理性和可操作性，本文選取了本單位在印尼承接的一項道路設計工程作為應用案例，期望以具體演算為國內(nèi)同行提供參考依據(jù)．

4.1 項目概況

本項目為印尼一座水泥廠內(nèi)道路，其年平均日交通量為600輛，結(jié)合現(xiàn)場實際情況和當?shù)亟?jīng)驗，擬定路面結(jié)構(gòu)組合為：面層為C25水泥混凝土面板，厚 =25 cm；基層為級配碎石，厚 =30 cm；路基土值為8%．

4.2 參數(shù)取值

4.2.1 一般參數(shù)

根據(jù)AASHO試驗路的觀測資料，新建剛性路面平均初期服務指數(shù) =4.5，終期服務指數(shù) =2.0，

表7 各種路面?zhèn)骱上禂?shù)J的建議值Tab.7 Recommended load transfer coefficient

表8 各種材料類型支撐損失（LS）因素的典型范圍Tab.8 Typical rangesof loss of support(LS)factors for various types of materials

4.2.2 交通參數(shù)

1）車輛參數(shù)

業(yè)主提供的車型資料如圖1所示．

車輛總重為70t，其軸數(shù)和軸載分布為：前軸為單軸，分配荷載為10 t；中軸為雙軸，分配荷載為25t；后軸為三軸，分配荷載為35t．

2）交通量計算

①軸載當量計算

初估面層厚度為 =25 cm或9.8英寸，其中前軸單軸載：10 t×2.205=22.05 kip,查《AASHTOguide for design of pavement structures》表D.10,荷載當量因數(shù)為2.40；中軸單軸載：25 t/2×2.205=27.56 kip,查《AASHTO guide for design of pavement structures》表D.11,荷載當量因數(shù)為0.850；后軸單軸載：35 t/3×2.205=25.73 kip,查《AASHTOguidefor design of pavementstructures》表D.12,荷載當量因數(shù)為0.193．經(jīng)計算，整車軸載當量為2.4+2×0.85+3×0.193=4.679．

②累計標準軸次計算

根據(jù)項目實際情況，兩車道年平均日交通量為600輛，方向分布系數(shù)查表4，可得 取0.5；車道分布系數(shù) 取0.8；根據(jù)表1，確定分析年限 為20 a；累計軸次計算：18= × ×4.679×600×365× =8.2×106．

4.2.3 材料參數(shù)

1）面層

根據(jù)初擬路面結(jié)構(gòu)，面層混凝土等級為C25/30，抗壓強度 =25 MPa or 3 625 psi．

根據(jù)表5及表6，排水系數(shù)： =1.05；根據(jù)表7，荷載傳遞系數(shù)： =2.8．

2）基層

通過《AASHTO guide for design of pavement structures》查表可知，基層材料級配碎石選取級別（A-1-a），基層彈性模量=262 MPa or 38 000 psi．

3）路基

4）修正的路基反應模量

確定修正的路基反應模量，其中，基層厚度 =30 cm或11.8英寸，基層回彈模量 =262 MPa或38000psi，路基回彈模量 =67MPa或9669psi，故根據(jù)《AASHTOguidefor design of pavementstructures》及材料選擇類型，查表8可得支撐損失 =1.0,路基有效反映模量 =190 pci．

4.3 計算結(jié)果

5 結(jié)語

AASHTO設計方法綜合考慮了一般設計參數(shù)、交通設計參數(shù)和材料設計參數(shù)，根據(jù)整個設計期內(nèi)環(huán)境和交通參數(shù)、材料性能的相互影響來預測路面的使用性能，從而對設計方案進行判斷．AASHTO設計指南是一種力學結(jié)合經(jīng)驗的設計方法，是國際工程中應用較為廣泛的設計規(guī)范，為我國今后進行國外工程設計提供了參考．

圖1 本項目車型資料Fig.1 Dataof truck type

[1]AASHTO．AASHTOguidefor design of pavement structures[M]．Washington D C：AASHTO,1993．

[2]AASHTO．AASHTOguidefor design of pavement structures[M]．Washington D C：AASHTO,2002．

[3]Papagiannakis A T，Masad EA．Pavement design and materials[M]．New jersey：John Wiley&Sons,INC．

[4]姚祖康．水泥混凝土路面設計理論和方法 [M]．北京：人民交通出版社，2003．

[5]沈金安．國外瀝青路面設計方法匯總 [M]．北京：人民交通出版社，2004．