沥青路面设计标准比较

分类：交通运输论文发表 时间：2021-01-22 10:19 关注：(1)

　　在广泛调研的基础上，对标分析了海峡两岸沥青路面的设计理念、设计流程和关键参数，归纳和总结了两岸沥青路面设计异同。主要结论为:闽台两岸沥青路面设计发展历程不同，台湾地区的高等级沥青路面设计方法与大陆《公路沥青路面设计规范》较为近似，而低等级沥青路面设计方法则存在一定区别;转换轴载基准后，采用《公路沥青路面设计规范》进行沥青路面设计，可同时满足闽台两岸沥青路面设计要求。

　　关键词:沥青路面;设计规范比较;轴载;闽台两地

　　道路工程是以道路为对象而进行的规划、设计、施工、养护与管理工作的全过程及其所从事的工程实体，是一项重要基建项目，对社会经济发展影响重大。道路工程规范是由国家、地区或协会等机构制定和批准的工程相关文件，对道路工程活动或相关结果规定了规则、导则或阀值，实现道路工程最佳全寿命效能。道路工程规范具有时效性，综合反映了工程材料、环境、设计与施工、用路人偏好等一系列区域特征。研究并比较不同区域与新旧工程标准可加强专业认识，提出一些对现有标准的改进建议［1］，并可分析专业的未来趋势，更好地与国际工程项目接轨。本研究基于《关于进一步加快平潭开放开发的意见》，福建省政府强调要继续推进平潭开放开发取得新成效，全力推动与台湾深度融合，扩大与台湾经济、文化、社会的交流合作，实施“一岛两标”，即大陆标准和台湾地区标准在平潭岛内包容共存、互认互通，增强台湾同胞的民族认同感和归属感，实现海峡两岸融合发展。基此，开展闽台两岸沥青路面设计标准比较研究，具有重要的现实需求和工程应用价值。比较海峡两岸建设公路里程数，福建省已全面赶超台湾地区，但福建省公路约75%以上属于水泥面层与半刚性基层路面，而台湾地区95%以上属于沥青面层与柔性基层路面。不同路面结构，实质上反映了两地路面设计的工程理念差异。鉴于沥青路面能较好满足行车舒适性与安全性的综合需求，本研究针对闽台沥青路面设计标准，通过资料搜集与系统性调研的方法，广泛搜集海峡两岸沥青路面设计标准、案例、文献等资料，获得海峡两岸沥青路面设计标准相关基础资料。通过对比获取的资料，对比分析海峡两岸沥青路面设计标准，并提出一套可容纳两岸规范的系统流程。

　　1海峡两岸沥青路面设计标准概况

　　1．1福建省沥青路面设计规范概况

　　福建省沥青路面设计规范的发展，从早期的《公路柔性路面设计规范》(JTJ014－86)［5］、《公路沥青路面设计规范》(JTJ014－97)［6］、《公路沥青路面设计规范》(JTGD50－2006)［7］到《公路沥青路面设计规范》(JTGD50－2017)［8］。新规范的意见稿在2015提出后，受到许多路面专家的讨论与建议，相较旧规范，对沥青路面厚度计算方法和设计参数等进行了修订。其中重要差异如下［9］:(1)明确了路面结构层和功能层的概念。新规范路面结构层里没有垫层这一说法，明确加入柔性基层和水泥混凝土基层，路面结构层就由3部分组成:面层、基层和底基层，旧规范的垫层，归类为功能层或路基处置层。(2)设计引入可靠度设计方法。(3)调整了交通荷载等级的划分方法，用设计使用年限内累计的大客车和货车交通量来确定;调整了交通荷载分级(五级)，增加了极重交通等级，以路面设计期内累计货车和客车交通量划分交通荷载等级。(4)标准轴载依然为单轴双轮100kN，但轴载换算方法进行了很大调整。新规范轴载换算，考虑车辆满载和非满载情况，使其更加贴近实际。(5)最大的变动是沥青路面设计指标，舍弃了使用几十年的设计弯沉，而采用基于多指标的设计方法。设计指标包括与路面使用性能相关的沥青混合料疲劳开裂、无机结合料稳定层疲劳开裂、沥青混合料永久变形、路基顶面竖向压应变等;使用力学指标替代旧规范设计弯沉，并将弯沉值检核纳入验收条件;而且，不同的路面结构类型的设计指标不同，比如:对于常见的半刚性基层沥青路面，设计指标为半刚性基层疲劳开裂和沥青面层永久变形，和不同结构类型的力学特性相关。对于半刚性基层沥青路面，沥青面层主要承受压力，不会出现疲劳开裂，故没有必要验算面层。具体验算时，计算各结构层疲劳寿命不能小于承受的累计当量轴次。路基顶面竖向压应变对于半刚性基层沥青路面而言，不是设计指标，但路基顶面竖向压应变是路基的设计指标，与路基设计规范统一。(6)沥青路面结构类型调整为4种:无机结合料稳定类基层沥青路面(半刚性基层沥青路面)、粒料类基层沥青路面(柔性基层沥青路面)、沥青结合料类基层沥青路面(柔性基层沥青路面)和水泥混凝土基层沥青路面(刚性基层沥青路面)。路面工程师可依据区域特性进行更多的路面结构选择，进行效益与成本的优化。(7)基层材料厚度，规范提出要根据最大公称粒径确定最小压实厚度。相较2006年旧规范，新规范考量了施工过程，是较成熟的设计意见。(8)不同交通等级提出了不同的粘层材料要求。(9)材料设计参数的确定，分为3个水平。就不同等级、不同要求与不同成本投入的路面有不同的设计可靠度，更适合管理。(10)对路基顶面回弹模量提出要求，与路基设计规范对应起来，优化了路基平衡湿度状态下的动模量。(11)无机结合料稳定类材料跟《公路路面基层施工技术细则》一致。(12)明确提出了沥青面层各层的最大公称粒径要求，针对路面夏季常见的车辙病害，引入了沥青贯入度指标，增加了沥青混合料贯入强度要求。(13)路面结构计算时，沥青层参数是动态压缩模量。(14)新规范在粒料层材料中引用模量湿度调整系数概念，对于特定的材料进行结构验算时，需乘以对应的调整系数。

　　1．2台湾地区沥青路面设计规范概况

　　台湾土地面积小，气候较一致，经费有限，主要使用美国柔性铺面设计方法，并或依规范调整设计参数，以沥青协会AI、AASHTO及加州三大系统为主轴，但以最新版本为准［10］。台湾地区道路主管机关多达数十个机构，使用设计方法差异性极大，主要单位使用设计方法简述如下［11］:高速公路局:中山高速公路兴建时采用美国加州方法1968年版及AIMS～11969年版方法，近年拓宽工程则采用AASHTO1993年与2002年版为主、AIMS～11991年版方法为辅，并研拟采用大粒径沥青混凝土材料。(1)新建工程局:以AASHTO1993年与2002年版为主，积极研发沥青马蹄脂混凝土与再生沥青混凝土等材料，并且严格进行工地执行材料试验相关作业程序掌控。(2)公路总局:早期以美国加州1995年方法为主，并于1997年函示各等级道路必须符合各结构层最小厚度需求。加铺设计方法则采用AASHTO1993与AIMS～171983年版为主。(3)台北市及高雄市政府:早期以AIMS～1～1991年版者居多，近十年以AASHTO新版为主。市区道路刨除或加铺，许多路面工程未作设计分析，仅用厚度控制。(4)台湾地区路面设计轴重是80kN，典型结构如表1所示。新建高等级路面(高速公路)是以AASH-TO铺面设计规范2002年版为主，新建与加铺低等级路面(省县道等级)的设计标准还是以AASHTO铺面设计规范1993为主。AASHTO路面设计方法是在20世纪50年代美国AASHO试验路成果的基础上提出的路面设计指南。AASHTO于1961提出柔性路面设计概要，1972年出版第一版《AASHTO路面中期设计指南》，虽然从1986年和1993年历经多次修改，但AASHTO路面设计规范2002年版已经推行18年。AASHTO路面设计规范2002年版与1993年版相比路面主要构造详见表1，归纳有如下优点［12］:(1)可以模拟荷载条件变化对路面的影响;(2)可以对现实中实际存在和使用的材料与其将来的使用性能建立联系;(3)在预测路面使用性能时能考虑材料老化的影响;(4)路面结构设计性能预估与沥青混合料性能评价联系起来;(5)可以预估环境因素对路面性能的影响。

　　2海峡两岸沥青路面设计标准对比分析

　　以福建省目前《沥青路面设计规范》(JTGD50－2017)与台湾地区目前新建路面工程AASHTO路面设计规范2002与1993进行比对:(1)台湾地区新建道路路面设计输入参数比较，台湾地区新版设计需要输入50～65个参数(不同等级输入参数不同)，大约是旧版规范的3倍，就设计成本来说，新规范大于旧规范。(2)台湾地区车辆荷重标准是80kN，与福建省100kN不同。台湾地区在低等级路面上仍采用等值当量轴重ESAL计算，但在高等级路面使用轴载谱。福建省使用JTGD50－2017，则是运用轴载谱折算ESAL。(3)比较设计使用年限，JTGD50－2017与2006都是一级公路15年，二级公路12年，3～4级公路6～10年。但AASHTO1993规范是建议高速公路(相当于1级公路)20～50年。2002年版本没有明确指定设计使用年限，但一般设计使用年限则超过20年(路面使用效能高于最低水准20年)。就设计服务水准比较，福建省的设计较保守，可能因素是福建省交通荷重较大。(4)比较设计指标，JTGD50－2017是以沥青混合料疲劳开裂、无机结合料稳定层疲劳开裂、沥青混合料永久变形、路基顶面竖向压应变需满足设计门槛值(因平潭没有路基冻结低温问题，所以低温条件不纳入考虑)。AASHTO1993以路面服务指数(PSI)介于4.2与2.5(高等级路面)为使用标准，其中PSI是裂缝、平整度、坑洞的函数。AASHTO2002年版则是预估使用年限的平整度、裂缝与车辙，若预估值满足使用者要求则满足适用性。两岸路面设计主要差异可参考表2。

　　3整合海峡两岸沥青路面设计流程

　　探讨整合海峡两岸沥青路面设计流程前，需先分析设计参数的差异。台湾地区高等级路面设计方法的设计输入参数，主要有交通资料、气候资料及路面结构和材料参数。考虑到设计信息收集的复杂性和成本问题，对所有路面设计都提供完全详尽的信息是不现实的。因此，设计指南采用分级的方法，允许设计人员根据工程的重要性和可用的信息灵活地选择设计输入［13－14］。基此，设计参数分3个等级的输入:(1)等级1:要求对工程中使用的具体材料的参数进行详细试验。例如，对沥青混合料进行复杂的动态模量试验。其设计一般用于试验研究路段或重载交通道路。等级1设计通常具有最高的设计可靠度。(2)等级2:用于常规路面设计。虽然材料参数仍然作为关键输入，但不要求直接进行材料参数的复杂试验，而是进行相对简单的标准试验，通过材料参数和其它标准试验参数建立的关系式确定。例如，加州承载比(CBＲ)、级配、塑性指数和含水量等参数与回弹模量的关系式。等级2设计具有中等的设计可靠度。(3)等级3:该等级的材料参数取值为缺省值，即LTPP材料数据库中典型材料值。等级3具有最低水平的设计可靠度，通常用于低交通道路的设计。具体到某一工程或地区，设计人员可以混合和搭配不同设计等级进行输入。例如，设计人员可以选择等级2输入土基回弹模量，因为当地土基力学特性很容易用其它试验(如CBＲ试验)进行确定，通过CBＲ试验，再结合CBＲ值与回弹模量关系式计算得到需要的输入参数。如果缺乏详细的试验数据，也可以用等级3的缺省值进行设计。这种方法也适用于其它非材料的参数输入，例如环境数据、交通量及轴载等。(1)交通资料输入:台湾地区高等级路面设计方法跟以往路面设计方法重要区别，即交通资料的输入。以往路面设计法，通常都将交通荷载换算成当量单轴轴载(ESAL)，而台湾地区高等级路面设计方法要求有详尽的交通资料输人，即:基本交通信息(双向年平均日货车量、设计方向车道数、设计车道货车比例及行车速度等)，交通量调整系数(月调整系数、车辆等级分布、小时分布系数及交通增长率等)，轴载谱，及其它交通信息如平均车轴数、轴构造、轴距及轮胎气压等。AASHTO1993规范相比，多了轴载谱数据的搜集与计算。(2)气候资料输入:台湾地区高等级路面设计方法另一个特征，即有效地考虑了气候环境条件对路面材料特性的影响。该设计方法可在TＲB网站导入80多个气象站长达数十年的气象数据(气温、降雨量、风速、日照率、相对湿度等)。如果所选的工程附近没有气象站资料，该设计方法还可以根据工程所处的经度、纬度以及地下水水位信息，由周边多达6个软件自带气象站数据自动生成所需的气候资料输入文件。(3)路面结构及材料参数输入:台湾地区高等级路面设计方法，要求输入预设的路面结构以及各层材料的设计参数。道路材料包含:沥青混合料、水泥混合料、稳定基层材料、粒状基层材料、路基材料及地下岩石层等。道路材料的性能参数主要包含:道路响应计算所需的参数(材料模量、泊松比等);性能转换方程所需参数(抗拉强度、蠕变柔度及断裂模量等)以及环境模型所需材料参数(路表短波吸收率、温度传导系数及粒状材料塑性指数等)。(4)气候及荷载导致材料特性的改变:不管采用何种输入等级，环境改变引起的路面材料和土基材料特性的变化，用增强综合气候模型(EICM)模拟。EICM采用气候数据库，确定气候变化对某一种特定材料特性的影响。用降雨和温度模拟影响路基土回弹模量的季节变化条件，以便确定一年中不同时间段的土基承载力。粒料基层、底基层和土基材料还表现出应力依赖的特征。细粒土如粉土和粘性土，通常是应力软化的材料，随着应力水平的提高，土的承载力降低。像沙子和砂砾这样的材料，通常是应力硬化材料，当应力水平提高时，其承载能力随着提高。沥青混凝土的特性最复杂，动态模量是沥青混凝土首要的输入参数。通过动态模量试验、沥青胶结料剪切模量和相位角试验，得到一条时间和温度与材料性能关系的主曲线。主曲线是在标准试验温度为21℃条件下得到的，在试验温度范围内可以根据需要进行转换，以代表其它温度条件。设计指南中，沥青混凝土材料试验，考虑了沥青材料在初始施工阶段拌和、摊铺时的短期老化以及路面使用后的长期老化。根据预估的路面损坏(例如温度开裂)及其发生的时间计算路面不平整度的发展趋势。对沥青混凝土材料特性的描述，主要利用沥青材料加载频率(时间)温度叠置原理建立的主曲线和位移系数，以表征沥青混合料劲度模量的频率(时间)和温度依赖性。通过主曲线和位移系数，设计程序可对沥青材料进行粘弹性分析，最后根据粘弹分析结果，结合损坏预估函数，计算得到路面损伤。台湾地区高等级路面设计方法，柔性路面设计所考虑的结构损坏包括:永久变形(或车辙)、由下而上疲劳裂缝(或龟裂)、由上而下疲劳裂缝(或纵向裂缝)、化学稳定层疲劳损坏及温度裂缝。柔性路面设计需考虑路面平整度(国际平整度指标)。这些路面性能的设计指标则由各部门根据当地情况自行确定。台湾高等级路面规范与福建省JTGD50都是使用动态材料参数，相关检验标准与仪器设备一致，相对于台湾较低等级路面使用规范的材料要求是静态材料参数，动态材料参数更能表征路面材料的温度与动态荷载性质。重要材料参数与要求如下。动态剪切系数模量(G＊):采用动态剪切流变仪(DSＲ)，60℃，10rad/s(约为1．59HZ)试验确定，G*=τmax/rmax。沥青劲度模量(St):采用弯曲量流变仪(BBＲ)，10℃，加载180s确定的劲度模量值，St≤300MPa，m≤0．3。开级配沥青混合料厚度不宜小于集料公称最大粒径的2．0倍。基于前述海峡两岸路面设计规范比较，主要差异在标准荷重。JTGD50与台湾高等级路面设计规范对于天候、环境与材料几乎是相同，掌握高等级路面设计参数、低等级路面参数都可以获得。基于一岛两规的要求，路面设计流程如图1所示，所获得的路面结构设计能满足海峡两岸路面设计规范要求。

　　4结论

　　本研究通过闽台两岸路面设计规范的比较，具体分析了福建省现行路面设计规范JTGD50－2017、台湾高等级路面设计规范与台湾低等级路面设计规范的差异。研究认为:在设计架构的主要差异是设计使用年限与满足设计指标。比较输入参数数目，台湾高等级路面设计规范最多，JTGD50－2017次之，台湾低等级路面设计规范最少，最多相比最少的参数数量大约3倍。交通荷载的差异，是标准轴重、轴重累计方式、需要的设计参数。混合料材料的差异，是JTGD502017与台湾高等级路面设计规范使用动态材料参数，台湾低等级路面设计规范是使用静态材料参数。设计环境变数的3个规范一致。基于上述结论，研究认为:要同时符合海峡两岸路面规范的设计流程，建议流程以福建省JTGD502017为主，先使用JTGD502017满足设计要求后，再基于修正轴载将100kN转换成80kN，将材料与环境参数输入台湾沥青路面设计流程，检核设计使用年限内的平整度、裂缝与车辙指标是否满足。

　　作者：柳琪琳 郭宇 董锐 蔡雪峰