返回顶部
返回首页
返回首页
今日    | 手机 | 资讯 | 沥青 | 商铺 | 企新 | 分析 | 教育 | 行业 | 资讯 | 视点 |
英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较
home 您现在的位置: 首页 >技术中心 > 详细信息
英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较
2023年01月16日    阅读量:29810    新闻来源:《中外公路》2021年6月  |  投稿

摘 要


目前对于英美规范在路面结构设计中的对比研究较少,但随着中国工程企业广泛参与国际竞争,这方面的分析研究对海外项目商务和技术决策很有意义。该文以文莱大摩拉岛大桥、道路与附属工程项目中的东西引路沥青路面设计为例,介绍了美国AASHTO1993和英国DMRB规范路面设计方法,并基于英美规范进行了沥青路面结构分析和比较,可为海外项目商务和技术决策提供参考。


关键词

沥青路面 | AASHTO | DMRB | 规范对比 | 路面设计


世纪50年代末、60年代初美国国家高速公路与运输协会(AASHTO)在渥太华州和伊利诺斯州进行了大规模道路测试,这是第一次系统地进行关于不同路面结构组成和累计当量轴次的路面性能测试沥青网sinoasphalt.com。根据AASHTO的道路测试结果,AASHTO于1961发布了针对柔性和刚性路面的路面结构设计经验设计公式,随后在1972年和1993年进行了更新和发布。虽然2004年,美国国家合作公路研究项目(NCHRP)及联邦公路管理局(FHWA)公布了力学-经验路面设计指南(MEPDG),但AASHTO(1993版本)的经验设计方法仍然是世界上很多国家路面设计的依据。


英国公路管理局(HA)2006年发布的《道路与桥梁设计手册》(DMRB)是适用于英联邦及其殖民地国家及地区的道路桥梁设计综合性指导手册,适用于城市主干道及高速公路的设计。DMRB的方法基于英国运输研究试验室(TRL)于1984年主编的研究成果,并在后期不断地丰富和完善。DMRB是根据英格兰、苏格兰、威尔士和北爱尔兰的监督组织发布的许多独立文件系列开发形成。这些文档以及以后的补充文档共分15卷(VOLUME),每卷有若干节(SECTION),每节又进一步分为若干个部分(PART),每一部分以H、B和T代号为开头,分别表示公路、桥梁和交通。


1工程背景及特点


文莱大摩拉岛大桥、道路与附属工程项目连接文莱大陆侧的Serasa工业区与大摩拉岛(Palau Muara Besar),线路全长5.95km,分为西引路、西引桥、主桥、东引桥和东引路5个部分。该文研究的对象是该项目中的东西引路,共计3.315km,其路基标准断面图如图1所示,采用双向四车道,路基宽度25.6m,断面布置为:3m硬路肩+2×3.65m行车道+0.5m路缘带+4m中央分隔带+0.5m路缘带+2×3.65m行车道+3m硬路肩。该项目的特点为:

(1)位于热带雨林地区,常年气温高、降雨量大、空气湿度大。

(2)道路等级高,按文莱一级公路设计,设计速度为100km/h。

(3)日交通量大,预测项目建成运营20年后,即2038年的年平均日交通量(AADT)为27000pcu/d。

(4)道路主要服务于规划建设的化工园区,大型、重型车辆多。


2规范选用


根据该项目合同要求(EMPLOYERREQUIREMENT),应采用文莱本国路面设计规范(GS-1,1998)进行路面结构的设计。GS-1规范未涵盖的内容,参考英国DMRB规范。GS-1,1998作为文莱本地规范,对指导该国道路工程设计具有一定的参考价值,但是其内容主要以道路施工工法及材料为主,对道路路面结构设计并未作任何说明。据了解,DMRB规范在文莱的道路工程设计中尚未有先例。


由于文莱地处热带,因此当地道路工程师更习惯于采用英国OVERSEAROADNOTE31(简称ORN31)作为路面结构设计的主要参考规范。ORN31由英国运输研究试验室编制,1962年首次出版,1966、1977和1993年修订,累积了超过30个热带和亚热带的建设经验,用于指导热带与亚热带气候国家沥青路面结构设计。由于ORN31未列入到合同的业主要求中,且其只适用于交通量≤30msa(millionstandardaxles,百万标准轴次)的道路。鉴于该项目交通量大,因而业主咨询工程师否定了采用ORN31作为设计规范的要求,只允许设计时参考使用。


近年来,文莱的道路工程越来越多地使用美国的AASHTO1993规范进行新建道路工程的路面结构设计,取得了良好的经济效益和认知度。虽然AASHTO1993没有列入到合同的业主要求中,但其作为公认的道路路面结构设计的重要规范,且在文莱具有一定的认可度,因此经业主咨询工程师的特别许可,同意在该项目中使用AASHTO1993规范进行路面结构设计。


基于上述原因,该项目使用AASHTO1993和DMRBHD26/06作为路面设计规范进行设计比选,为业主及其咨询工程师的最终抉择提供技术性依据。


2.1AASHTO1993路面设计方法


AASHTO1993自颁布实施以来,不仅在美国,而且在美国之外的其他国家和地区也获得了广泛的应用和认可,其主要特点如下:


(1)首次将耐用性指数引进路面设计中,并且提出了不同道路等级应有不同的设计标准,使路面设计与使用要求形成密切的关系。

(2)提出了路面结构数SN与加权轴载通过次数N的基本回归方程。

(3)建立了不同轴载间的等效关系,使轴载轻重与交通量的多寡对路面的作用建立了合理的关系。解决了过去设计方法中未能解决的交通荷载问题。

(4)初步确定了不同路面层材料的结构层系数。AASHTO1993的设计回归方程如下:

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

根据公式(1),AASHTO1993在设计过程中,需要考虑以下几个基本要素:


(1)设计年限:AASHTO的设计年限并不固定,其受建设资金、寿命周期和费用等影响,使用性能期一般采用15~20年,分析期应至少包括一次修复,对于重交通城市道路,一般分析期取30~50年。

(2)交通量:以标准单轴荷载18kip(约80kN)为基准,道路上的各种轴载采用当量换算系数换算成标准轴载数。

(3)可靠度:根据道路的功能分类,按照表3选择可靠度水平。

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

同时,根据路面的类型,选择能代表当地条件的均方差so(建议值:刚性路面0.35,柔性路面0.45)。


(4)服务能力:采用耐用性指数(PSI)作为衡量路面使用性能的指标。其值可通过对路面的使用性能进行客观量测和主观评价相结合的方法确定。初始耐用性能P0=4.2(柔性路面),P0=4.5(刚性路面),最终耐用性指Pt=2.5(主要公路),Pt=2.0(次要公路)。

(5)有效路基回弹模量:推荐采用试验法进行测定,通过每个月或每半个月测定路基土回弹模量,按其对路面服务能力的相对损伤程度,得到路基土的有效回弹模量值MR。对于路基填料CBR≤10%时,可以通过经验公式MR(PSI)=1500×CBR换算。

(6)层系数:按表1进行选取。

(7)排水系数:对于粒料基层和底基层,应根据排水的质量和含水量,采用表2的排水系数对层系数进行修正,其他材料排水系数可考虑为1。


2.2DMRB路面设计方法


DMRB关于新建沥青路面结构设计主要有以下3本规范:HD24/06交通量评估;HD25/94路基设计;HD26/06新建路面设计。

DMRB在路面设计过程中,需要考虑以下几个基本要素:


(1)设计年限:对于新建项目,DMRB认为40年的设计年限最为经济。如果能证明采用其他设计年限更经济,并取得监督部门认可亦可以采纳。根据实际使用状况,设计年限内需要进行1~3次罩面。


(2)交通量:DMRBHD24/06中可采用以下公式计算交通量等级:

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

(3)路面结构类型和土基强度等级:路面结构类型的选择与土基强度等级息息相关。


①全厚式路面:沥青面层+沥青稳定类基层。

②半刚性路面:沥青混凝土面层(或上基层)+水泥稳定类基层(或下基层)。

③刚性路面:水泥混凝土面层+水泥混凝土基层。

④刚性组合式路面:沥青面层+连续配筋水泥混凝土基层。


(4)土基强度等级:土基强度根据路基顶面的回弹模量采用动态平板试验测定,分为以下4个等级:

1级:MR≥50MPa,适用于交通量≤20msa;2级:MR≥100MPa,适用于交通量≤80msa;

3级:MR≥200MPa,底基层需采用水泥稳定材料或石灰稳定材料;

4级:MR≥400MPa,底基层需采用水泥稳定材料或石灰稳定材料。

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

3设计实例与比较


3.1AASHTO计算结果


(1)设计年限:根据合同中的业主要求,文莱大摩拉岛大桥、道路与附属工程项目路面结构设计年限为20年。


(2)交通量:根据交通量调查及预测,该项目建成并运营20年后的年平均日交通量(AADT)为27000pcu/d,其中PSV+OGV1占总量的4%,OGV2占总量的8%。其计算结果如表7所示。由于合同的业主要求中并未对具体车辆类型及其占比进行规定,因此在计算过程中,结合文莱道路交通的现状及摩拉岛工业园区的规划进行了假设。

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

考虑车道分布系数后(DL=90%),车道上设计累计当量轴次(ESAL)为29.578×10^6次。


(3)可靠度:摩拉岛大桥引路作为城市干线公路,可靠度采用92%,所对应的标准正态偏移ZR为1.405。对于柔性路面,均方差so取值0.45。


(4)服务能力:初始服务能力指数PSI0为4.2(柔性路面);最终服务能力指数PSit为2.5(主要公路);所以ΔPSI=PSIt-PSI0=1.7。


(5)有效路基回弹模量:该项目60cm路床采用CBR≥8%的材料填筑,土基模量MR=1500×CBR=12000PSI(1PSI=0.00689MPa,下同)。


(6)结构层模量:沥青混凝土EAC=400000PSI,级配碎石基层(CBR≥80%)模量EBS=CBR0.64=42205PSI;级配碎石底基层(CBR≥30%),其模量EBS=CBR0.64=22529PSI。


(7)层系数:查表1,沥青混凝土a1取值0.42;级配碎石基层(CBR≥80%)a2取值0.13;级配碎石底基层(CBR≥30%)a3取值0.11。


(8)排水系数:考虑到该项目排水条件有利,查表2,级配碎石基层和底基层的排水系数均取1.2。


将上述各项指标代入回归方程式(1)中,先计算面层厚度,通过反复迭代计算,最终得到SN=5.044。另外,假设面层厚度D1=145mm(5.709in),底基层D3=200mm(7.874in),代入式(2),得到基层厚度D2=10.3in,即265mm。


3.2DMRB计算结果


(1)设计年限:20年。


(2)交通量:AADT=27000pcu/d。其中PSV+OGV1占总量的4%,OGV2占总量的8%。交通增长率查表5,PSV+OGV1为1.09;OGV2为1.27。磨损系数查表6,PSV+OGV1为1.0;OGV2为4.4。交通量计算结果见表8。

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

根据图2,设计车道重车比例为P=87%。考虑20年设计年限,通过式(3),求得累计当量轴次为84.13msa。


根据DMRBHD26/06计算图采用图3方法,即可得路面面层及基层的组成材料及相应的厚度。如选择路基强度等级为2级,并选用C类半刚性材料CB-GMB-C12/15作为基层,则所需材料及其厚度为:180mm面层沥青混凝土+190mm基层水泥稳定材料CBGMB-C12/15,如图3(a)所示。如选用柔性材料DBM50作为基层,则所需的沥青类材料的总厚度应为360mm,如图3(b)所示。

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

路基加强层的确定按照DMRBIAN73/06进行。路基要求CBR≥8%,路基强度等级为2级,因此按图4所示,路基加强层需要设置280mm的级配碎石。同时根据HD26/06第2.8章节的要求,这种基础用在超过80msa的道路上,上部150mm需要调整为稳定类材料。因此,路基加强层考虑为:150mm水泥稳定材料CBGMB-C8/10+130mm级配碎石。DMRBHD26/06其材料组成及计算厚度如表9、10所示。

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

3.3结果比较与分析


(1)AASHTO1993和DMRB均将各种车型的不同轴载换算为标准轴载的当量轴次,然后通过经验公式或诺模图确定各层厚度,设计方法均为经验法,在标准轴载上,美标采用18千磅(约8172kg),英标采用80kN,基本相当。AASHTO1993设计变量除了交通量,还有可靠度、环境影响参数、服务能力指数,设计输入参数更多。


(2)英标DMRB推荐采用40年设计年限,其主要适用于干线公路,路面设计方法基于长寿命路面结构方案,因此DMRB设计方法所确定的方案相对昂贵。AASHTO1993设计方法适用于各种等级的道路工程,设计年限也较为灵活,应用范围更广。


(3)DMRB结合英国本土的特点,根据近年来的统计数据,明确给定代表车型、交通量增长率、交通量转换系数等参数,可依据诺模图直观地确定各结构层的材料及其厚度,方法简便。而AASHTO1993计算过程较为复杂,需要对回归方程进行反复迭代以确定路面结构数SN,同时SN还会影响计算输入的累计当量轴次,因此AASHTO1993设计方法需要进行多次假设和迭代计算。


(4)对于沥青路面结构,DMRB只能选择全厚式路面结构和半刚性路面结构形式,级配碎石等粒料类材料在DMRB中不作为路面基层,只能用作底基层或路基加强层。而AASHTO1993可以采用级配碎石做基层,因此AASHTO1993路面设计方法所适用的结构形式更丰富、材料更多样。


(5)对于不同交通量等级的道路,DMRB对应有路基最小强度要求,如对于累计当量轴次20~80msa的道路,土基强度等级要求≥100MPa,相对于美标和中国标准,DMRB对土基强度的要求相对较高。AASHTO1993设计方法没有明确规定各级交通量下最小路基强度等级。


4结语


基于以上结果与分析,AASHTO1993在路面材料、结构形式、计算参数、设计输入方面相对DMRB适用性更强,同时综合考虑施工工期、造价等各方面因素,文莱大摩拉岛大桥、道路与附属工程项目最终采用了AASHTO1993的计算结果作为道路的路面结构。


海外项目在标准选择上有一定的灵活度,随着中国工程企业广泛参与国际竞争,对国际上主流规范的对比研究有较大的市场需求,目前中国对AASHTO路面设计方法开展了较多研究,但缺少计算实例,对英标标准DMRB较为陌生,鲜有相关的介绍,该文通过具体项目,对比研究了AASHTO1993和DMRB路面设计方法,以期为海外同类型道路建设项目提供参考和借鉴。

英美规范在沥青路面结构设计中的应用和比较 沥青网,sinoasphalt.com

标签:今日头条技术中心沥青混凝土
免责声明: 本文仅代表作者本人观点,与中国沥青网无关。本网对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考,并请自行承担全部责任。本网转载自其它媒体的信息,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。邮箱:23341570@qq.com
微信关注WeChat
扫描关注微信,获取涂料最新资讯 公众号:中国沥青网 您还可以直接查找
全站地图

深圳网络警察报警平台 深圳网络警
察报警平台

公共信息安全网络监察 公共信息安
全网络监察

经营性网站备案信息 经营性网站
备案信息

中国互联网举报中心 中国互联网
举报中心

中国文明网传播文明 中国文明网
传播文明

深圳市市场监督管理局企业主体身份公示 工商网监
电子标识