考虑铣刨深度的加铺层设计方案

国内外沥青路面加铺层设计方案主要有直接加铺、铣刨部分结构层加铺以及铣刨部分结构层并铺设补强层后加铺三种类型。除了直接加铺的方案外，其他方案都需要将原路面结构铣刨一定深度。此时原路面结构厚度减小，如果仍采用铣刨前原路面结构的弯沉等响应量表征或反算原路面结构模量，并以此为基础进行结构加铺层设计，显然是不合理的。此外，在进行沥青路面结构加铺层设计时，旧路面结构表面弯沉等响应量达到何种程度需要铣刨，有待进一步研究。

针对上述问题，国内外都进行了积极的探索研究，提出了一些考虑弯沉折减或铣刨深度控制的设计方法，其中有些设计方法已经成为地方或国家规范的方法。在此介绍国内外两种考虑铣刨深度的加铺层设计方法，即加利福尼亚州交通运输部柔性路面修复指南设计方法和我国学者提出的基于弯沉控制的沥青路面铣刨深度设计方法。

1.加利福尼亚州交通运输部柔性路面修复指南设计方法

加利福尼亚州在沥青路面大修工程中对沥青路面材料的再生利用尤为重视，在设计施工时，采用此项技术的关键问题就是如何确定铣刨及加铺层的厚度。为了更好地指导沥青路面材料的再生利用，合理地确定铣刨及加铺层的厚度，加利福尼亚州交通运输部在2001年修订的《柔性路面修复指南》（Flexible Pavement Rehabilitation Manual）中，明确给出了沥青路面铣刨及加铺层厚度确定方法。该方法根据旧路面实测弯沉值，计算得到铣刨深度处弯沉折减百分率，并参考多年实测积累的数据确定总摊铺层厚度，用总摊铺层厚度减去铣刨深度，就可以得到铣刨再生后加铺层的厚度。从本质上讲，加利福尼亚州交通运输部柔性路面修复指南设计方法以多年积累的数据经验为基础，是一种经验性的设计方法。

（1）确定80%分位数弯沉值D80。

加利福尼亚州交通运输部柔性路面修复指南设计方法采用80%分位数弯沉值D80作为沥青路面加铺层设计时的计算弯沉值。80%分位数弯值D80的定义为：通过统计路段所有测试弯沉值，其中有大约80%的弯沉值小于该值，而有20%的弯沉值大于该值。与采用路段平均弯沉值作为设计指标相比，采用D80作为设计计算指标，考虑了一定的保证系数，可以保证设计的加铺层厚度大于根据平均值计算得到的加铺层设计厚度，设计结果偏安全，有利于保证加铺层的使用寿命。

80%分位数弯沉值D80根据式（4.3）计算。

式中：——测段内平均弯沉值，ft；

D80——测段内路表80%分位弯沉值，ft；

S——测段内所有测值标准差。

（2）确定路表容许弯沉值TDS。

通过现有路面面层厚度、交通状况指数TI（traffic index）及基层类型等，确定现有路面的容许弯沉值TDS（tolerable deflection at the surface）。如果D80小于或等于TDS，则认为原路面结构承载力满足使用要求，加铺层的厚度可以采取薄层罩面；如果D80大于TDS，则应对原路面采取补强措施，此时加铺层的厚度必须通过计算来确定。

（3）初拟铣刨深度并确定铣刨深度处弯沉值DM。

根据工程实际情况并参考以往使用经验，初拟铣刨深度h。根据Hannon等人的研究成果，铣刨深度每增加0.10 ft（约为30 mm），弯沉值就将增加12%，因此，铣刨深度处的弯沉值DM（in，1 in=25.4 mm）可以根据式（4.4）计算。

式中：hmill——铣刨深度。

（4）确定铣刨深度处弯沉折减百分率PRM。

加利福尼亚州交通运输部柔性路面修复指南设计方法在确定加铺层厚度时，如果主要依据弯沉折减百分率直接加铺，则弯沉折减百分率考虑的是容许弯沉值TDS和代表弯沉值D之间的差异；如果是铣刨加铺，则弯沉折减百分率考虑的则是容许弯沉值TDS与铣刨深度处弯沉值DM之间的差异。由此可以得出铣刨深度处弯沉折减百分率PRM（percent reduction in deflection required at the milled depth）的计算方法，见式（4.5）。

需要注意的是，为了避免铣刨深度过大，指南中规定了PRM的最大值，即铣刨深度处的PRM不得大于70%。在实际计算过程中，由于PRM=70%的位置并不明确，因此，需要根据初拟铣刨深度进行不断的试算，才能确定最终的设计铣刨深度。(https://www.xing528.com)

（5）确定设计铣刨深度和加铺层厚度。

加利福尼亚州交通运输部柔性路面修复指南设计方法在路面结构设计中主要采用等效碎石的概念，即将不同的路面修复材料按照相应的换算因子换算为统一的等效碎石。在结构设计中确定等效碎石层的厚度，即可根据不同材料的换算因子，得到采用不同材料的加铺层厚度。

按照上述等效碎石换算的方法，可以采用如下步骤确定铣刨深度和加铺层厚度。

①根据计算得到的PRM值确定修复路面结构病害需要铺筑的合计等效碎石（gravel equivalence）的厚度。

②利用查表得到的等效碎石厚度，减去铣刨重铺部分等效碎石层的厚度（铣刨重铺部分的厚度乘以相应材料的等效碎石换算因子），得到加铺部分等效碎石厚度。同样，根据加铺部分的等效碎石厚度，利用加铺材料的等效碎石换算因子，就可以最终确定加铺层的厚度。

需要注意的是，计算得到的铣刨和加铺层的厚度需要采用“向右取整”的处理方法得到最终的设计厚度。例如，采用冷再生沥青混凝土CRAC，其等效碎石因子G取1.5；加铺部分采用密级配沥青混凝土DGAC，G取1.9。DGAC的等效碎石厚度=（合计当量碎石厚度）-（CRAC的厚度）×1.5，则DGAC的厚度=（DGAC的等效碎石厚度）/1.9。从功能和成本两方面考虑，在采用上述方法确定加铺层厚度时，还需要考虑以下问题：除去铣刨重铺部分的厚度，计算得到的加铺层厚度至少应比直接加铺方案的加铺层厚度小0.10 ft（约为30 mm），如果不满足，需要重新拟定铣刨深度再次试算，直至满足该条件。

2.基于弯沉控制的沥青路面铣刨深度设计方法

在进行沥青路面加铺层设计时，国内主要采用以下两种方法控制铣刨深度：①根据落锤式弯沉仪（FWD）的测试数据和各结构层厚度，反算路面各结构层的模量，然后根据各层的模量确定铣刨深度。②根据施工经验，依据旧路面代表弯沉值和加铺层设计弯沉值，采用《公路沥青路面养护技术规范》（JTG 5142—2019）中的计算方法，求得路面强度指数SSI，然后根据SSI的等级确定铣刨深度。当SSI为优以上时，在病害处治之后，对旧路进行功能性恢复；当SSI为良时，根据病害，一般铣刨全部沥青面层；当SSI为中时，铣刨全部沥青面层，当基层强度不足时，铣刨至基层底；当SSI为次、差时，铣刨全部旧路面结构层。

这两种方法在使用中都存在一定的缺陷：根据FWD测试结果反算得到的是动态模量，使用中需要换算成静态模量，存在一定的误差；而根据SSI等级确定铣刨深度时，将全部沥青层作为一个结构层对待，在不需要铣刨全部沥青层的情况下仍然铣刨全部沥青层，增加了施工成本。针对上述问题，长安大学王朝辉博士采用了理论计算的方法，建立了铣刨前旧路面代表弯沉值与铣刨一定深度后路面代表弯沉值之间的关系，提出了采用铣刨前旧路面代表弯沉值控制沥青路面铣刨深度的加铺层设计方法。这种设计方法的设计步骤如下。

（1）确定可满足直接加铺的最大旧路表面代表弯沉值l1，根据路面高程等确定直接可加铺沥青层最大厚度h1及设计模量E1；结合设计弯沉值ls，按照加铺层设计方法反算可满足直接加铺要求的旧路顶面当量回弹模量最小值；按照弯沉与回弹模量关系式，确定可满足直接加铺的最大旧路表面代表弯沉值l1。

（2）确定铣刨至上面层底面前最大旧路表面代表弯沉值l2。假设铣刨上面层厚度为h上，由此可以确定可加铺沥青层的最大厚度h2（h2=h1+h上）与设计模量E2（多层时，设计模量可以为多个）；结合设计弯沉值ls，反算铣刨上面层后旧路当量回弹模量最小值，并根据理论计算建立的关系式，确定铣刨上面层前最大旧路表面代表弯沉值l2。

（3）确定铣刨上、中面层前最大旧路表面代表弯沉值l3。假设铣刨上、中面层厚度（h上+h中），由此确定可加铺沥青层最大厚度h3（h3=h1+h上+h中）与设计模量E3（多层时，设计模量可以为多个）；结合设计弯沉值ls，反算铣刨上、中面层后旧路当量回弹模量最小值，并根据理论计算建立的关系式，确定铣刨上、中面层前最大旧路表面代表弯沉值l3。

（4）确定铣刨至某一厚度前最大旧路表面代表弯沉值l。加铺层设计时，原有沥青层可以按照上、中、下结构层为铣刨依据，也可以采用某一特定的厚度作为铣刨依据。此时，可以假设铣刨某一厚度为h某，由此可以确定可加铺沥青层的最大厚度h（h=h1+h某）与设计模量E（多层时，设计模量可以为多个）；结合设计弯沉值ls，反算可满足要求的旧路当量回弹模量最小值E'，并根据理论计算建立的关系式，确定可满足铣刨该厚度前的最大旧路表面代表弯沉值l。

（5）确定以弯沉为依据的铣刨设计标准。①当最大旧路表面代表弯沉值l评定等级为优时，进行功能性恢复；②当l≤l1时，不考虑病害时直接加铺沥青层；③当l≤l1时，铣刨至h厚度底加铺沥青层；④当l1＜l≤l2时，铣刨至上面层底加铺沥青层；⑤当l2＜l≤l3时，铣刨至上、中面层底加铺沥青层；⑥当l＞l3且弯沉评定等级为良好时，铣刨全部沥青层再加铺沥青层；⑦当最大旧路表面代表弯沉值l评定等级为中时，铣刨全部沥青层，挖除部分或全部基层，同时设柔性或半刚性补强层，再加铺沥青层；⑧当最大旧路表面代表弯沉值评定等级为次、差时，应对整个路面结构进行翻新。

（6）按照规范方法计算旧路代表弯沉值，根据上述已确定的设计准则，确定铣刨深度，进行加铺层设计。

（7）设计示例高速公路原路面结构为：4 cm中粒式沥青混凝土；5 cm粗粒式沥青混凝土；7 cm热拌沥青碎石；20 cm水泥稳定碎石基层；35 cm石灰稳定土底基层。

旧路修复处治设计弯沉值为29.3（0.01 mm），可直接加铺的加铺层厚度为4 cm，其设计模量取1200 MPa。假设铣刨面层后的加铺层材料、厚度与原路面结构材料相同，铣刨上面层后加铺的上面层设计模量取1200 MPa，铣刨中面层后加铺的中面层设计模量取1000 MPa，铣刨下面层后加铺的下面层设计模量取800 MPa。

按照步骤（1）确定可满足直接加铺的最大旧路表面代表弯沉值，对于该高速公路，旧路处治设计弯沉值与可直接加铺的加铺层厚度都较小，故可以取l1=29.3（0.01 mm），按照步骤（2）确定铣刨上面层前最大旧路表面代表弯沉值l2=30.0（0.01 mm），按照步骤（3）确定铣刨上、中面层前旧路表面代表弯沉值l3=32.6（0.01 mm），根据路面强度评定与等级路面强度指数计算公式（SSI=路面设计弯沉值/路段表面代表弯沉值），可计算出路段表面代表弯沉值所在评定等级范围。

由此，可以通过弯沉确定该高速公路的铣刨设计标准。①当旧路表面代表弯沉值l≤29.3（0.01 mm）时，不考虑病害直接加铺沥青层或进行功能性恢复。②当29.3（0.01 mm）＜l≤30.0（0.01 mm）时，铣刨至上面层底加铺沥青层。③当30.0（0.01 mm）＜l≤32.6（0.01 mm）时，铣刨至上、中面层底加铺沥青层。④当32.6（0.01 mm）＜l≤35.3（0.01 mm）时，挖除全部沥青层再加铺沥青层。⑤当35.3（0.01 mm）＜l≤44.4（0.01 mm）时，铣刨全部沥青层，挖除部分或全部基层，同时设柔性或半刚性补强层，再加铺沥青层。⑥当l＞44.4（0.01 mm）时，对整个路面结构进行翻新。