AASHTO柔性路面

AASHTO法美国各州公路及运输工作者协会（AASHTO）所推荐的方法是以50年代后期和60年代初在渥太华、伊利诺伊州进行的AASHTO道路试验得到的大量试验成果为基础的。AASHTO设计委员会于1961年第一次出版了暂行设计指南，1972和1981年又作了修订。1984~1985年，路面设计委员会和顾问小组根据NCHRP项目20-7/24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。AASHTO道路试验所得到的经验性能方程，在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864mm(34in)。平均冰冻深度约为711mm(28in)。地基土属于A-6和A-7，排水条件不良，CBR值为2~4。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11.3.3和11.3.4中介绍。（一）时间约束为了充分利用可能获得的资金，AASHTO设计指南鼓励对交通量大的工程采用较长的分析年限，至少包括一次大修期。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、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11.13为分析年限长短的一般准则。分析年限长短的准则表11.13公路条件分析年限（年）公路条件分析年限（年）市区大交通量郊区大交通量30~5020~50小交通量路面小交通量集料面层15~2510~20来源：引自AASHTO(1986)（二）交通设计方法是以预计80KN（18kip）累积当量单轴荷载（ESAL）为根据的。6.3.1节和6.3.2节介绍了用于柔性路面和刚性路面的当量轴载系数（EALF）的确定方法。6.4节论述了将混合交通换算成ESAL的方法。建议应用表6.13确定总增长系数，应用表6.16确定车道分布系数。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ESAL。然而，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ESAL随时间变化的曲线或方程式，由此可以得到任意阶段的ESAL交通量。（三）可靠度路面可靠度的概念在10.2节已作过介绍。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11.14提供了不同功能等级所建议的可靠度水平。对不同功能等级所建议的可靠度水平表11.14功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85~99.980~9980~99.975~95集散道路地方线80~9550~8075~9550~80注：成果基于AASHTO路面设计特别工作组的调查。来源：引自AASHTO(1986)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0.45，对刚性路面采用0.35。这些相当于方差为0.2025和0.1225，小于表10.12中所示的值。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n为所考虑的期数。例如，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（0.95）1/2,即97.5%。（四）环境影响AASHTO设计方程式是以为期两年的交通测试成果为基础的，没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11.23所示为某一地区服务能力随时间降低的曲线。环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0.73。当然，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AASHTO设计指南附录G。（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△PSI。初始服务能力指数为路面类型和施工质量的函数。根据AASHTO道路试验，其常用值对柔性路面为4.2，对刚性路面为4.5。最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2.5或更高的值，对交通量小的公路为2.0。对于较次要的公路，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2.0的最终服务能力指数进行设计。二、设计方程式最初的方程式是完全基于AASHTO道路试验的成果，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AASHTO道路试验，为柔性路面推导的基本方程式（HRB，1962）：Gt=β（logWt-logρ）β=3.23125.193.2320.081()0.40(1)LLSNLlogρ=5.93+9.36log(SN+1)-4.79log(L1+L2)+4.33logL2式中Gt—时间为t时服务能力损失量与pt=1.5时可能的损失量之比的对数，即Gt=log[(4.2-pt)/(4.2-1.5)],应注意4.2为柔性路面的初始服务能力；β—设计与荷载变量的函数，如式（11.30）所示，该值影响随Wt变化的曲线形状；ρ—设计与荷载变量的函数，如式（11.31）所示它表示pt为1.5时预期的荷载作用次数，由式（11.29）可以看出，当pt=1.5,ρ=WtWt—在时间t末时的轴载作用次数；pt—在时间t末时的服务能力；L1—单轴或双轴组荷载(kip)L2—轴的编码，单轴为1，双轴为2；SN—路面结构数，用下式计算：SN=a1D1+a2D2+a3D3式中a1、a2和a3分别为面层、基层和底基层的层位系数；D1、D2和D3分别为面层、基层和底基层的厚度。若采用当量80KN(18kip)单轴荷载，方法大为简化。将式(11.29)、(11.30)和(11.31)合并，并令L1=18和L2=1，可得如下方程：185.19log[(4.2)/(4.21.5)]log9.36log(1)0.200.41094/(1)ttpWSNSN（11.33）式中Wt18为t时间内80kN单轴荷载的作用次数而pt为最终服务指数。式(11.33)仅适用于AASHO道路试验，有效土基回弹模量为20.7MPa(3000psi)的柔性路面。（二）修正的方程式对于其它土基和环境条件，式(11.33)修正为185.19log[(4.2)/(4.21.5)]log9.36log(1)0.202.32log8.070.41094/(1)ttRpWSNMSN(11.34)式中MR为路基土有效回弹模量。应注意，当MR=20.7MPa(3000psi)，式(11.34)与式(11.33)相同。若考虑当地的降水和排水条件，式(11.32)修正为SN=a1D1+a2D2m2+a3D3m3式中m2为基层的排水系数，和m3为底基层的排水系数。式(11.34)为性能方程式，它给出了PSI使降至pt的80kN(18kip)单轴荷载的允许作用次数。若预期的作用次数W18等于Wt18，设计的可靠度仅为50%，因为式(11.34)中的所有变量均为均值。为了得到较高的可靠速水平，W18必须小于Wt18一个正态偏移ZR，如图11.24所示：18180loglogtRWWZS(11.36)式中ZR为给定可靠性R的正态偏移，而S0为标准离差。ZR可由表10.1确定，由表11.15更为方便。不同可靠度水平的标准正态偏移表11.15可靠度（%）标准正态偏移（ZR）可靠度（%）标准正态偏移（ZR）5060707580859091920.000-0.253-0.254-0.674-0.841-1.037-1.282-1.340-1.4059394959697989999.999.99-1.476-1.555-1.645-1.751-1.881-2.054-2.327-3.090-3.750将式(11.34)和(11.36)合并，并以△PSI代换(4.2-pt)得logW18=ZRS0+9.36log(SN+1)-0.205.19log[/(4.21.5)]2.32log8.070.41094/(1)RPSIMSN式(11.37)为柔性路面的最终设计方程式。图11.25为求解式(11.37)的诺谟图。AASHO出版的DNPS86计算机程序也能求解式(11.37)，并完成设计步骤。例11.10已知W18=5×106，R=95%,S0=0.35,MR=34.5MPa(5000psi),和△PSI=1.9，用图11.25求SN。解：如图11.25中箭头所示，由R=95%开始，通过S0=0.35,W18=5×106、MR=34.5MPa(5000psi)和△PSI=1.9作一系列直线，最后与SN相交于5.0，因此SN=5.0。用图求SN很方便，因为用式(11.37)求解SN很麻烦，还要用试算法。如果W18为要求的未知数，应用式(11.37)较为精确。例11.11已知R=95%,SN=5,S0=0.35,MR=34.5MPa(5000psi),△PSI=1.9，用式(11.37)求W18解：对R=95%，由表11.15,ZR=-1.645。由式(11.37)，logW18=-1.645×0.35+9.36log(5+1)-0.2+log(1.9/2.7)/[0.4+1094/(6)5.19]+2.32log(5000)-8.0]=6.714,即W18=5.18×106，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uf的方程式和计算MR的方法。（一）相对损伤由式(11.37)，MR对W18的影响可用下式表示：logW18=logC-log(1.18×108MR-2.32)其中C为式(11.37)中除最后两项之外的总和。式(11.38)可写成：1882.321.1810RCWM若WT为预期的总交通量，损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：82.3282.32(1.1810)/(1.1810)TTrRRWWDMCMC若WT在n个时期均匀分布，累积损伤率为82.3282.3211/1(1.1810)/(1.1810)nnTTrRiiiRWnWDMCMCn令式(11.40)与(11.41)式相等，得82.3282.32111.1810(1.1810)nRRiiMMn式(11.42)可用于确定用季节模量MRi表示的有效路基回弹模量MR。虽然系数1.18×108可以消去，使方程式简化，AASHTO设计指南保留此