摘 要

目前對于英美規范在路面結構設計中的對比研究較少，但隨著中國工程企業廣泛參與國際競爭，這方面的分析研究對海外項目商務和技術決策很有意義。該文以文萊大摩拉島大橋、道路與附屬工程項目中的東西引路瀝青路面設計為例，介紹了美國AASHTO1993和英國DMRB規范路面設計方法，并基于英美規范進行了瀝青路面結構分析和比較，可為海外項目商務和技術決策提供參考。

關鍵詞

瀝青路面 | AASHTO | DMRB | 規范對比 | 路面設計

世紀50年代末、60年代初美國國家高速公路與運輸協會(AASHTO)在渥太華州和伊利諾斯州進行了大規模道路測試，這是第一次系統地進行關于不同路面結構組成和累計當量軸次的路面性能測試瀝青網sinoasphalt.com。根據AASHTO的道路測試結果，AASHTO于1961發布了針對柔性和剛性路面的路面結構設計經驗設計公式，隨后在1972年和1993年進行了更新和發布。雖然2004年，美國國家合作公路研究項目(NCHRP)及聯邦公路管理局(FHWA)公布了力學-經驗路面設計指南(MEPDG)，但AASHTO(1993版本)的經驗設計方法仍然是世界上很多國家路面設計的依據。

英國公路管理局(HA)2006年發布的《道路與橋梁設計手冊》(DMRB)是適用于英聯邦及其殖民地國家及地區的道路橋梁設計綜合性指導手冊，適用于城市主干道及高速公路的設計。DMRB的方法基于英國運輸研究試驗室(TRL)于1984年主編的研究成果，并在后期不斷地豐富和完善。DMRB是根據英格蘭、蘇格蘭、威爾士和北愛爾蘭的監督組織發布的許多獨立文件系列開發形成。這些文檔以及以后的補充文檔共分15卷(VOLUME)，每卷有若干節(SECTION)，每節又進一步分為若干個部分(PART)，每一部分以H、B和T代號為開頭，分別表示公路、橋梁和交通。

1工程背景及特點

文萊大摩拉島大橋、道路與附屬工程項目連接文萊大陸側的Serasa工業區與大摩拉島(Palau Muara Besar)，線路全長5.95km，分為西引路、西引橋、主橋、東引橋和東引路5個部分。該文研究的對象是該項目中的東西引路，共計3.315km，其路基標準斷面圖如圖1所示，采用雙向四車道，路基寬度25.6m，斷面布置為：3m硬路肩＋2×3.65m行車道＋0.5m路緣帶＋4m中央分隔帶＋0.5m路緣帶＋2×3.65m行車道＋3m硬路肩。該項目的特點為：

(1)位于熱帶雨林地區，常年氣溫高、降雨量大、空氣濕度大。

(2)道路等級高，按文萊一級公路設計，設計速度為100km/h。

(3)日交通量大，預測項目建成運營20年后，即2038年的年平均日交通量(AADT)為27000pcu/d。

(4)道路主要服務于規劃建設的化工園區，大型、重型車輛多。

2規范選用

根據該項目合同要求(EMPLOYERREQUIREMENT)，應采用文萊本國路面設計規范(GS-1，1998)進行路面結構的設計。GS-1規范未涵蓋的內容，參考英國DMRB規范。GS-1，1998作為文萊本地規范，對指導該國道路工程設計具有一定的參考價值，但是其內容主要以道路施工工法及材料為主，對道路路面結構設計并未作任何說明。據了解，DMRB規范在文萊的道路工程設計中尚未有先例。

由于文萊地處熱帶，因此當地道路工程師更習慣于采用英國OVERSEAROADNOTE31(簡稱ORN31)作為路面結構設計的主要參考規范。ORN31由英國運輸研究試驗室編制，1962年首次出版，1966、1977和1993年修訂，累積了超過30個熱帶和亞熱帶的建設經驗，用于指導熱帶與亞熱帶氣候國家瀝青路面結構設計。由于ORN31未列入到合同的業主要求中，且其只適用于交通量≤30msa(millionstandardaxles，百萬標準軸次)的道路。鑒于該項目交通量大，因而業主咨詢工程師否定了采用ORN31作為設計規范的要求，只允許設計時參考使用。

近年來，文萊的道路工程越來越多地使用美國的AASHTO1993規范進行新建道路工程的路面結構設計，取得了良好的經濟效益和認知度。雖然AASHTO1993沒有列入到合同的業主要求中，但其作為公認的道路路面結構設計的重要規范，且在文萊具有一定的認可度，因此經業主咨詢工程師的特別許可，同意在該項目中使用AASHTO1993規范進行路面結構設計。

基于上述原因，該項目使用AASHTO1993和DMRBHD26/06作為路面設計規范進行設計比選，為業主及其咨詢工程師的最終抉擇提供技術性依據。

2.1AASHTO1993路面設計方法

AASHTO1993自頒布實施以來，不僅在美國，而且在美國之外的其他國家和地區也獲得了廣泛的應用和認可，其主要特點如下：

(1)首次將耐用性指數引進路面設計中，并且提出了不同道路等級應有不同的設計標準，使路面設計與使用要求形成密切的關系。

(2)提出了路面結構數SN與加權軸載通過次數Ｎ的基本回歸方程。

(3)建立了不同軸載間的等效關系，使軸載輕重與交通量的多寡對路面的作用建立了合理的關系。解決了過去設計方法中未能解決的交通荷載問題。

(4)初步確定了不同路面層材料的結構層系數。AASHTO1993的設計回歸方程如下：

根據公式(1)，AASHTO1993在設計過程中，需要考慮以下幾個基本要素：

(1)設計年限：AASHTO的設計年限并不固定，其受建設資金、壽命周期和費用等影響，使用性能期一般采用15～20年，分析期應至少包括一次修復，對于重交通城市道路，一般分析期取30～50年。

(2)交通量：以標準單軸荷載18kip(約80kN)為基準，道路上的各種軸載采用當量換算系數換算成標準軸載數。

(3)可靠度：根據道路的功能分類，按照表3選擇可靠度水平。

同時，根據路面的類型，選擇能代表當地條件的均方差so(建議值：剛性路面0.35，柔性路面0.45)。

(4)服務能力：采用耐用性指數(PSI)作為衡量路面使用性能的指標。其值可通過對路面的使用性能進行客觀量測和主觀評價相結合的方法確定。初始耐用性能P0＝4.2(柔性路面)，P0＝4.5(剛性路面)，最終耐用性指Pt＝2.5(主要公路)，Pt＝2.0(次要公路)。

(5)有效路基回彈模量：推薦采用試驗法進行測定，通過每個月或每半個月測定路基土回彈模量，按其對路面服務能力的相對損傷程度，得到路基土的有效回彈模量值MR。對于路基填料CBR≤10%時，可以通過經驗公式MR(PSI)＝1500×CBR換算。

(6)層系數：按表1進行選取。

(7)排水系數：對于粒料基層和底基層，應根據排水的質量和含水量，采用表2的排水系數對層系數進行修正，其他材料排水系數可考慮為1。

2.2DMRB路面設計方法

DMRB關于新建瀝青路面結構設計主要有以下3本規范：HD24/06交通量評估；HD25/94路基設計；HD26/06新建路面設計。

DMRB在路面設計過程中，需要考慮以下幾個基本要素：

(1)設計年限：對于新建項目，DMRB認為40年的設計年限最為經濟。如果能證明采用其他設計年限更經濟，并取得監督部門認可亦可以采納。根據實際使用狀況，設計年限內需要進行1～3次罩面。

(2)交通量：DMRBHD24/06中可采用以下公式計算交通量等級：

(3)路面結構類型和土基強度等級：路面結構類型的選擇與土基強度等級息息相關。

①全厚式路面：瀝青面層＋瀝青穩定類基層。

②半剛性路面：瀝青混凝土面層(或上基層)＋水泥穩定類基層(或下基層)。

③剛性路面：水泥混凝土面層＋水泥混凝土基層。

④剛性組合式路面：瀝青面層＋連續配筋水泥混凝土基層。

(4)土基強度等級：土基強度根據路基頂面的回彈模量采用動態平板試驗測定，分為以下4個等級：

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

3級：MR≥200MPa，底基層需采用水泥穩定材料或石灰穩定材料；

4級：MR≥400MPa，底基層需采用水泥穩定材料或石灰穩定材料。

3設計實例與比較

3.1AASHTO計算結果

(1)設計年限：根據合同中的業主要求，文萊大摩拉島大橋、道路與附屬工程項目路面結構設計年限為20年。

(2)交通量：根據交通量調查及預測，該項目建成并運營20年后的年平均日交通量(AADT)為27000pcu/d，其中PSV＋OGV1占總量的4%，OGV2占總量的8%。其計算結果如表7所示。由于合同的業主要求中并未對具體車輛類型及其占比進行規定，因此在計算過程中，結合文萊道路交通的現狀及摩拉島工業園區的規劃進行了假設。

考慮車道分布系數后(DL＝90%)，車道上設計累計當量軸次(ESAL)為29.578×10^6次。

(3)可靠度：摩拉島大橋引路作為城市干線公路，可靠度采用92%，所對應的標準正態偏移ZR為1.405。對于柔性路面，均方差so取值0.45。

(4)服務能力：初始服務能力指數PSI0為4.2(柔性路面)；最終服務能力指數PSit為2.5(主要公路)；所以ΔPSI＝PSIt-PSI0＝1.7。

(5)有效路基回彈模量：該項目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)結構層模量：瀝青混凝土EAC＝400000PSI，級配碎石基層(CBR≥80%)模量EBS＝CBR0.64＝42205PSI；級配碎石底基層(CBR≥30%)，其模量EBS＝CBR0.64＝22529PSI。

(7)層系數：查表1，瀝青混凝土a1取值0.42；級配碎石基層(CBR≥80%)a2取值0.13；級配碎石底基層(CBR≥30%)a3取值0.11。

(8)排水系數：考慮到該項目排水條件有利，查表2，級配碎石基層和底基層的排水系數均取1.2。

將上述各項指標代入回歸方程式(1)中，先計算面層厚度，通過反復迭代計算，最終得到SN＝5.044。另外，假設面層厚度D1＝145mm(5.709in)，底基層D3＝200mm(7.874in)，代入式(2)，得到基層厚度D2＝10.3in，即265mm。

3.2DMRB計算結果

(1)設計年限：20年。

(2)交通量：AADT＝27000pcu/d。其中PSV＋OGV1占總量的4%，OGV2占總量的8%。交通增長率查表5，PSV＋OGV1為1.09；OGV2為1.27。磨損系數查表6，PSV＋OGV1為1.0；OGV2為4.4。交通量計算結果見表8。

根據圖2，設計車道重車比例為P＝87%?？紤]20年設計年限，通過式(3)，求得累計當量軸次為84.13msa。

根據DMRBHD26/06計算圖采用圖3方法，即可得路面面層及基層的組成材料及相應的厚度。如選擇路基強度等級為2級，并選用C類半剛性材料CB-GMB-C12/15作為基層，則所需材料及其厚度為：180mm面層瀝青混凝土＋190mm基層水泥穩定材料CBGMB-C12/15，如圖3(a)所示。如選用柔性材料DBM50作為基層，則所需的瀝青類材料的總厚度應為360mm，如圖3(b)所示。

路基加強層的確定按照DMRBＩAＮ73/06進行。路基要求CBR≥8%，路基強度等級為2級，因此按圖4所示，路基加強層需要設置280mm的級配碎石。同時根據HD26/06第2.8章節的要求，這種基礎用在超過80msa的道路上，上部150mm需要調整為穩定類材料。因此，路基加強層考慮為：150mm水泥穩定材料CBGMB-C8/10＋130mm級配碎石。DMRBHD26/06其材料組成及計算厚度如表9、10所示。

3.3結果比較與分析

(1)AASHTO1993和DMRB均將各種車型的不同軸載換算為標準軸載的當量軸次，然后通過經驗公式或諾模圖確定各層厚度，設計方法均為經驗法，在標準軸載上，美標采用18千磅(約8172kg)，英標采用80kN，基本相當。AASHTO1993設計變量除了交通量，還有可靠度、環境影響參數、服務能力指數，設計輸入參數更多。

(2)英標DMRB推薦采用40年設計年限，其主要適用于干線公路，路面設計方法基于長壽命路面結構方案，因此DMRB設計方法所確定的方案相對昂貴。AASHTO1993設計方法適用于各種等級的道路工程，設計年限也較為靈活，應用范圍更廣。

(3)DMRB結合英國本土的特點，根據近年來的統計數據，明確給定代表車型、交通量增長率、交通量轉換系數等參數，可依據諾模圖直觀地確定各結構層的材料及其厚度，方法簡便。而AASHTO1993計算過程較為復雜，需要對回歸方程進行反復迭代以確定路面結構數SN，同時SN還會影響計算輸入的累計當量軸次，因此AASHTO1993設計方法需要進行多次假設和迭代計算。

(4)對于瀝青路面結構，DMRB只能選擇全厚式路面結構和半剛性路面結構形式，級配碎石等粒料類材料在DMRB中不作為路面基層，只能用作底基層或路基加強層。而AASHTO1993可以采用級配碎石做基層，因此AASHTO1993路面設計方法所適用的結構形式更豐富、材料更多樣。

(5)對于不同交通量等級的道路，DMRB對應有路基最小強度要求，如對于累計當量軸次20～80msa的道路，土基強度等級要求≥100MPa，相對于美標和中國標準，DMRB對土基強度的要求相對較高。AASHTO1993設計方法沒有明確規定各級交通量下最小路基強度等級。

4結語

基于以上結果與分析，AASHTO1993在路面材料、結構形式、計算參數、設計輸入方面相對DMRB適用性更強，同時綜合考慮施工工期、造價等各方面因素，文萊大摩拉島大橋、道路與附屬工程項目最終采用了AASHTO1993的計算結果作為道路的路面結構。

海外項目在標準選擇上有一定的靈活度，隨著中國工程企業廣泛參與國際競爭，對國際上主流規范的對比研究有較大的市場需求，目前中國對AASHTO路面設計方法開展了較多研究，但缺少計算實例，對英標標準DMRB較為陌生，鮮有相關的介紹，該文通過具體項目，對比研究了AASHTO1993和DMRB路面設計方法，以期為海外同類型道路建設項目提供參考和借鑒。