-

 鋪面結構設計概要 - AASHTO力學經驗法

MEPDG指力學經驗法鋪面設計手冊(Mechanistic – Empirical  Pavement Design Guide: A Manual of Practice)；PMED (Pavement Mechanistic - Experience Design)是搭配的軟體。



所謂鋪面結構設計(Pavement Structure Design)乃「依交通荷重及當地路基土壤之特性，以最經濟的方式選擇適當的鋪面材料與各層厚度，使鋪面於設計年限內，達到所需具備的服務品質」；現行鋪面結構設計的方法可區分為經驗法、分析法、及最新的力學經驗法；本文簡要介紹 AASHTO力學經驗法(Mechanistic - Emperical Pavement Design Guide, MEPDG, 2008)，傳統經驗法可參「鋪面結構設計概要 - AASHO道路試驗法」。

針對需求的NCHRP 1-37A計畫

美國路面工程界自1986年起，對鋪面結構設計方法就有精進的需求，不僅因為源於AASHO道路試驗的經驗法(參「鋪面結構設計概要 - AASHO道路試驗法」)，除了交通因子方面在貨車車型、軸重、胎壓、及數量上有明顯的變化外，在材料、工法和翻修方式也都要求更適切的設計方法。參與1996年3月在加州歐文市由美國公路運輸協會（AASHTO）路面聯合工作小組與美國國家公路運輸研究計畫（NCHRP）和聯邦公路管理局（FHWA）合作舉辦的「路面設計研討會」上，許多美國頂尖的路面工程師，一致認為AASHO鋪面設計手冊(1993年版)，已不敷當前科技之需求，迫切需要一種能夠「考慮荷載、材料和設計特徵變化，並直接考慮氣候(溫度及雨雪量)變化對性能影響的鋪面設計方法」。該會議啟動NCHRP計畫1-37A－《2002年新修復路面結構設計指南開發：第二階段》預計在2002年之前開發出一套符合AASHTO力學-經驗法的路面設計方法。NCHRP 1-37A專案旨在以現有力學模型和資料庫，開發一套能反映當前最先進科技的鋪面設計方法，用以解決包括新建和修復相關的所有鋪面設計問題。

該專案的結案報告於2004年出版(NCHRP 1-37A, Final Report, Guide for Mechanistic-Emperical Design of New and Rehabilitated Pavement Structure, March 2004)，詳細的成果報告仍可在網站上下載：NCHRP 01-37A

整理該報告的重點說明，可以初步瞭解目前使用中的 AASHTO力學-經驗法(Mechanistic - Emperical Pavement Design Guide, MEPDG, 2008)的開發特色：

  • 當時雖有許多鋪面力學分析模型，大多數只以等效或最壞的材料屬性作為輸入，而MEPDG專案開發的力學分析模型則是第一個在整個設計生命週期中，針對氣候和老化對材料性質的影響，以疊代（每兩週、每月）和全面的方式計算鋪面反應的路面設計程式。將複雜的交通荷載以每小時、每月和每年的變化疊加在材料和氣候的變化上，以更真實地反映路面的服務方式。 
  • 以往在設計期間使用「增量損傷累積(incremental damage accumulation)法」應用不同的材料特性和氣候條件時，已發現力學模型輸出的結果需要大量資源來修改和調整才能發揮作用。本專案用國家級鋪面實際成效的觀測資料(LTPP)來校準力學模型計算出來的鋪面反應。 
  • 建置完成的破壞模型(包括疲勞破壞、車轍變形、及溫縮開裂)與觀測到的實際路面破壞比對校準，從而改進破壞模型，疊代重複多次以實現每個最終可接受的基於力學的破壞預測。模型校準完成後，透過考慮觀察到和預測的破壞之間的差異值，將設計可靠度納入設計程式中。
  • 後續發展的PMED (Pavement ME Design)軟體促成該專案提出的設計方法實際可行。

2008年發布的力學經驗法鋪面設計手冊(簡稱MEPDG)

不同於1993年版的鋪面設計手冊，所謂「力學 – 經驗法」鋪面設計是指：確定路面結構應力的物理成因，並根據實際路面成效進行校準，前者是力學而後者則是經驗。AASHTO於2008年發布的MEPDG的執行流程如圖1所示。從輸入的交通荷重或溫度雨雪量變化狀況，搭配基本材料法則(material law)計算鋪面反應(pavement response)，將複雜的交通荷載以每小時、每月和每年的變化疊加在材料和氣候的變化上，以更真實地反映路面的服務方式。


圖1、力學經驗法鋪面設計流程

圖1流程中所謂「設計界值(design criteria)主要區分為兩類輸入參數，一類是鋪面破壞門檻值(distress threshold value)參數，另一類是與可靠度(reliability)相關的參數。鋪面破壞門檻值也稱為「成效界值(performance criteria)」、「設計界值(design criteria)」、或「破壞界值(failure criteria)」。對柔性鋪面而言，鋪面破壞門檻值參數有下列5種，如表1所示，表中也列出一般建議的界值。PMED軟體依圖1流程，將選試鋪面結構相關參數輸入後，計算預估成效值與表1中的設計界值比較，供設計者判斷可否接受；因此，破壞門檻值應與單位鋪面管理系統(PMS)中的門檻值相符。(PMS概念可參「鋪面管理系統之過去、現在、與未來」)

表1、PMED軟體中柔性鋪面破壞門檻值例
資料來源：AASHTOWare Pavement ME Design

設計界值可依路段的重要性調整，例如開裂門破壞門檻值，依鋪面所在路段的重要性(風險)對應的開裂門檻值(車道開裂百分比)：州際公路(高)、主幹道(中)、支線道(低)、及地方道路(低)，分別為10%、20%、35%、及35%。

力學計算的所謂「鋪面反應(Pavement Responses)如圖2所示，主要是指面層瀝青混凝土承受的張應變(𝜀)、底層材料上方的壓應力(𝜎)與撓度(𝛿)、和路基上方的壓應力(𝜎)與撓度(𝛿)；瀝青混凝土面層承受的張應變，發生在下方的主導由下而上的開裂，發生在上方的則主導由上而下的開裂；底層材料和路基上方承受的壓應力，主導車轍變形。
圖2、以力學模型計算鋪面反應(應力)示意圖

新的力學經驗法則是用輸入的交通荷重和環境氣候資料，及選試鋪面結構材料特性，以PMED軟體計算該選用鋪面結構荷載後的反應，並將此反應轉換為預估的鋪面成效。為了產生更精準的結果，MEPDG要求輸入交通荷重、當地氣候環境、及材料特性等輸入參數的完善細節，但，這些資料需要廣泛的測試和資料收集，如果不屬於現有資料集的部分，可能很難針對單一設計需求而投入資源去取得。 因此，PMED軟體，容許分層級方式輸入資料，使用者可以選擇提供不同細節級別的輸入資料參數，PMED軟體也會相應地進行調整。

例如，最簡單形式的交通資料可能只是對車輛交通量的估計(年平均日交通量，AADT)，如圖3所示，由於MEPDG流程依靠交通資料來計算鋪面𠄘載的荷重細節，因此軟體需要透過假設車輛型別的典型軸重分佈來將其轉換為荷重細節；然而，如果該專案附近具有代表性的動態地磅(Weight in Motion, WIM)站，可直接用WIM資料計算鋪面反應，這種包括車輛類別資訊，車型、軸重分佈等細節，則是細節級別最高的輸入資料，直接採用WIM資料時更可搭配氣候因子(溫度雨雪量)，將交通荷載更精準地以每小時、每月和每年的變化疊加在材料和氣候的變化上。


圖3、鋪面設計之交通因子說明圖

MEPDG有效地逆轉慣用的鋪面設計方法，傳統方法是輸入不同的因子以求得需求的鋪面結構；新的力學經驗法則是先提出「選試鋪面結構(a trial basis)」，再搭配輸入的交通荷重和環境氣候資料，以PMED軟體計算該試用鋪面結構荷載後的反應，並將此反應轉換為預估的鋪面成效。將鋪面各層材料承受的應力或應變，轉換成鋪面破壞(車轍及開裂)則是依據不同材料特性(法則)及鋪面實際成效，採用「轉換函數(Transfer Function)」概念，如圖4所示，將鋪面反應用數學函數關聯(校準)至真實鋪面出現的破壞。

圖4、MEPDG的轉換函數概念

將鋪面反應用數學函數關聯至真實鋪面的破壞，有直接轉換和間接轉換兩種型式；鋪面反應中的「底層材料/路基上方撓度(𝛿)」，直接與鋪面產生的車轍變形關聯；鋪面反應中的「面層瀝青混凝土承受的張應變(𝜀)」則是依據疲勞開裂的材料法則，先計算損(破)壞(damage)，再以「損壞累積(incremental damage accumulation)」通用的「線性損壞法則(Miner's Law)」估算鋪面疲勞開裂。實際成效進行校準部分是依靠新近完成的全國性LTPP計畫的大量成果，經此校準後推斷的鋪面設計，遠遠超過原AASHO道路試驗的有限鋪面結構及交通荷載量經驗。

由於行駛品質(ride quality)是鋪面重要的服務性指標，國際糙度指數(IRI)已是通用代表鋪面成效的量測值，IRI隨增量破壞累積(incremental distress accumulation)而增加。PMED中「將鋪面反應關聯至真實鋪面的破壞」執行項中，也包括對鋪面平坦度變化的預估，採用的迴歸式為：

資料來源：AASHTOWare Pavement ME Design

PMED軟體協助工程師按步就班地執行設計「疊代計算」，每執行到圖1流程中的「是否符合成效需求?」實際上至少提出兩個問題：

  • 對該選試鋪面結構，輸出的預估成效是否符合設計界值？設計界值一般如上表所示，實際上是指期望的服務壽年，乃由破壞程度和翻修需求組成。
  • 有否替代的鋪面結構可呈現更好的預估鋪面成效或更低的生命週期成本？

縱使選試鋪面結構即可滿足設計界值，也應持續探究更好的替代方案，力學經驗設計法是疊代的程序，持續評估替代方案來提昇最終方案就是最優方案的信心。

MEPD實施經驗分享與地區性調校的重要

為精進鋪面設計法，以NCHRP 1-37A計畫成果為基礎，AASHTO於2008年發布「力學 – 經驗鋪面設計實務手冊(Mechanistic – Empirical  Pavement Design Guide: A Manual of Practice, 簡稱MEPDG)」是第一個依據「全國鋪面成效預估模型」為基礎的鋪面設計方法，依此法開發的鋪面設計軟體AASHTOWare Pavement ME Design (PMED)則於2011年發布。

FHWA在2014和2015兩年起陸續舉辦共五次應用MEPDG研討會，同儕交流分享 MEPDG 實施的五個關鍵面向的經驗：地區性調校、材料測試、交通荷重數據、設計驗收(design acceptance)、和實施部署(deployment)。在2015年發布的總結報告中，除了統計美國各州實施MEPDG的概況，如圖1所示(黑色為「已實施、」黑中白點為「只實施剛性鋪面部份」、灰色為「評估實施中」、白色則為「尚無具體實施計畫」)；也提出地區性調校的重要：應用MEPDG需要地區性的調校，特別是該區域的成效預估模型調校，且這些調校並非一次性的，而是要建立長期調校資料庫。


圖5、美國2015年各州實施MEPDG的概況

美國瀝青科技中心(NCAT)於2017年針對實施MEPDG時應注意的地區性調校及選定設計界值提出報告，說明MEPDG實施計畫的主要重點至少有兩項：

  1. 進行地區性調校以考慮各州鋪面工程實踐、政策和當地條件的差異；
  2. 選定鋪面破壞門檻值和可靠度參數。

由於地區性鋪面工程條件和實務的差異，與地區測得的路面破壞相比，PMED軟體中內建的鋪面破壞預估模型(相對於地域性稱為全國性)預測的破壞可能具有更高的偏差和/或更低的精度，如圖6所示，用當地實測的鋪面破壞經驗執行地區性調校後，降低偏差也提高精度。


圖6、地區性調校主要針對成效預估模型的偏差和精度
資料來源：2017 NCAT MEPDG Report

總結

AASHTO力學經驗法的組成要件為：(資料來源：AASHTOWare Pavement ME Design)

  • 道路位址狀況要件：氣候、交通量、土壤/基礎、既有鋪面狀況
  • 材料特性：體積特性、力學性質(模數、強度)、溫度性質、成效性質(基本材料法則)
  • 鋪面設計要件：層間摩擦力、結構反應、破壞指數、轉換函數、破壞界值、平坦度迴歸式
  • 成果要件：鋪面破壞、可靠度

AASHTO力學經驗法的優點為：(資料來源：AASHTOWare Pavement ME Design)

  • 不只針對厚度議題，而是全面以新科技精進鋪面設計
  • 氣候因子、交通荷重因子、及可靠度的處理方式更精細且切合實際
  • 全方位考量鋪面整體結構及各層材料特性
  • 務實地依鋪面破壞和行駛品質(平坦度)做為成效
  • 交通荷重方面考慮各種不同的變化狀況
  • 可以納入既有及新式鋪面材料
  • 直接考慮排水狀況及基層沖蝕
  • 翻修設計方面更適切地將既有鋪面特性納入
  • 可將有限的工地和實驗室研究做適當的外插

只要做好地區性調校並避免誤用，搭配PMED軟體執行的AASHTO力學經驗法，將反映當前科技將鋪面結構設計提升一個層次。



留言

張貼留言

這個網誌中的熱門文章

-
圖片
瀝青混凝土類別與設計粒料結構 顆粒大小與級配 粒料的「級配(gradation)」乃指顆粒大小分佈的狀況，以體積百分比表示顆粒大小分佈的狀況雖較合理，但因求算不容易，一般皆以重量百分比表示，設若各種顆粒大小粒料之比重相近，以重量百分比或以體積百分比表示顆粒大小分佈的狀況是相同的。級配乃由篩分析試驗而得，亦即將不同孔徑之篩網疊在一起，大孔徑置於上面，將粒料置於其上，如圖1所示，經篩分成各部份後，分別稱得留在各篩網上的粒料重量，即可求得該粒料的級配，通常以「過篩百分比」表示。 圖1、篩分析示意圖 常用於瀝青混凝土之美國標準篩如表1所示，3/8英吋篩表示該方孔篩網之網目開口大小為3/8英吋，而8號篩乃指該篩網「每一英吋有8個開口」，因為尚需考慮網線之直徑，8號篩的網目開口一定小於1/8英吋，標準全篩(Full Sieve)連續兩篩號間之網目開口差異通常為二倍，以便將網目開口繪於對數座標軸上時，相鄰兩篩間的距離約略相等。粒料的級配狀況，一般皆以將各篩之過篩百分比繪製於橫座標為網目開口之對數，而縱座標為過篩百分比之圖上，如圖2所示[1]，在此圖中，平滑連續的曲線表示顆粒大小分佈均勻，稱為密級配或良好級配，如圖2偏左的曲線所示，含有中間平台的曲線表示缺少平台部份的顆粒，稱為跳躍級配(Gap-graded)，國內慣稱為「越級配」，如圖2偏右的曲線所示，而圖2中間由高點急降至低點的曲線代表粒料顆粒相當集中在某粒徑範圍內(本例中在1/2英吋與4號篩間)，稱為均勻級配或開放級配(Open-graded)。 表1、瀝青混凝土採用之標準方孔篩之稱號與孔徑 圖2、三種不同的粒料級配曲線[1] 瀝青混凝土中粒料的級配可能是最重要的品質恃性，幾乎所有瀝青混凝土的重要性質如穩定性、勁度、耐久性、透水性、工作性、抗疲勞性、抗滑性、甚至抗水份侵害能力，都受到粒料級配的影響，因此，粒料級配不僅為配比設計時的主要考慮項目，也是各工程單位執行瀝青混凝土的品質控制時，最重要的一項管制項目。 許多研究人員曾對會有最大密度的「理想級配」進行探討，其中最有名的是由Fuller與Thompson提出的富氏最大密度曲線方程式[2]： 理論上，使粒料顆粒堆疊最緊密的級配，應使顆粒間空隙(Voids in Mineral Aggregate, VMA)降至最低，且顆粒間緊密接觸而使穩定性最高，應是最理想的級配，但瀝青混凝土...
閱讀完整內容
-
圖片
鋪面工程概論 鋪面之定義與分類 鋪面 (Pavement) ，一般指公路上介於車輪與公路基礎間的人工構造物；此處所謂公路基礎，雖可能是由混凝土或鋼材構築的橋面版，通常乃指統稱為路基 (Subgrade) 的地表土壤。位於路基土壤上的這些鋪面結構，一般皆以多層的方式鋪成，由於車輪荷重傳佈於較下 ( 深 ) 層後應力遞減 [1 、 2] ，較經濟的構築方式為「不必於下層使用高強度的材料」；若只以力學觀點設計鋪面結構，則適當地選擇各層材料，將車輪荷重經由鋪面結構各層之傳遞，至路基土壤時，小至該處土壤所能承受的範圍以內即可；因此，需要怎樣的鋪面結構與材料，應視路基土壤強度，及該鋪面將承載的車輛荷重而定；鋪面工程師即以依當地的環境因素，選擇正確的鋪面結構層、經濟且有效率地使用材料為主要職責。   照片：北二高新竹系統交流道 ( 國道新建工程局 http://www.taneeb.gov.tw ) 鋪面主要是指公路的路面，但應涵蓋停車場、貨櫃場、飛機停機坪、滑行道、及跑道，以中文而言，足以完整代表的字眼，可能是「道面」，上述各種不同道面提供不同的用途，本書以沿用國內工程界之習慣，用鋪面取代道面，雖以瀝青材料在路面之應用為主要內容，應可適用於停車場、貨櫃場、飛機停機坪、滑行道、及跑道等其它道面；由於不同的鋪面材料在承受荷重時的力學行為不同，一般將鋪面區分為柔性鋪面 (Flexible Pavement) 與剛性鋪面 (Rigid Pavement) 兩種。 與瀝青混凝土相比，水泥混凝土之膠結料 ( 水泥與水之化合產物 ) 與骨材形成一體，整塊由混凝土組成的面版，在受輪荷重後產生撓曲 (Bending) ，若以應力分佈之情形觀察，整塊面版皆受輪荷重之影響，正如結構物之樑一般；在鋪面工程上，我們用「輪荷重由整塊版以撓曲方式均勻地分佈於底層」 [1] 來描述，這種鋪面荷重應力的傳佈方式，乃因混凝土材質較均勻且勁度較高所致，故稱為剛性鋪面；純以材料的觀點，則稱為 ( 水泥 ) 混凝土鋪面；若以「樑下可以懸空」來想像，混凝土路面版下底層的強度不具關鍵地位，或說，以力學觀點，混凝土路面版可以直接構築於路基土壤上，而不需使用底層材料，學理上即可以路基土壤強度及預計承受的交通荷重，決定混凝土版的厚度；但實際的情況，則因環境因素及施工時的方便性，而需採用底層材料，甚至建議應使用貧配比混凝土...
閱讀完整內容
-
圖片
 認識瀝青鋪面的破壞 路面出現的各種破壞形式大都可區分為車轍和開裂兩大類，其實打從有瀝青路面以來，這兩種破壞就一直存在。 馬歇爾配合比設計法是在80多年前發明的，除了用簡易的衝錘夯製試體外，主要是以特殊的穩定儀，如圖1所示，檢測不同瀝青含量的試體來選定「最佳瀝青含量」，原意圖就是用測得「穩定值」來防止車轍，再以限制同時測得的「流度值」範圍來減少開裂的問題，也就是必須在穩定性和耐久性之間取得平衡。(耐久性以抗開裂呈現，穩定性是指抗變形能力，「穩定耐久」就是能抗變形又不開裂) 圖1、馬歇爾穩定儀及瀝青含量的選定是在穩定性和耐久性之間取得平衡的示意圖 任何有經驗的配比設計人都知道如何提高馬歇爾穩定值，也就是設計能抗車轍的瀝青混合料相對較容易，只要將瀝青含量降低再搭配較硬的瀝青膠泥即可，這種組合可減少車轍出現的機率，但是付出的代價是開裂增加而不耐久；另一個極端，使用較高瀝青含量及/或搭配較軟的瀝青膠泥可以防止瀝青混合料開裂，但過高瀝青含量則可能會有車轍增加的狀況出現。 (詳參作者另文「 在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡 」) 事實上，馬歇爾穩定儀測得的兩種參數與路面成效的關聯性不高，近幾年推出的「平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)」概念，以與成效相關的開裂試驗及車轍試驗檢測瀝青混合料且在二者間取得平衡，雖已展示在優化瀝青混合料特性方面勝過馬歇爾配比設計法，使得設計人員更能掌握選定最佳的材料組合來同時解決車轍及開裂的問題(詳參作者另文「 新式瀝青混凝土的品質檢驗法 」)，但，實際鋪面成效能否就此提升則仍未可知；因為鋪面成效的真正關鍵是在設計階段，亦即早在承商投標和瀝青混合料配比設計之前，就決定的路面整體結構設計，影響範圍包括路面結構各層採用的材料、附屬排水設施、甚至施工方法，當然也包括後續應採用的材料配比。 現代道路工程的重點已經從興建轉成養護路面，不再有充份的資源可以用在路面整體結構設計上，面對路面養護需求，有些單位甚至一成不變地以「刨除加鋪」因應；工程人員有必要更專門深入掌握瀝青混凝土材料的特性，在設計瀝青路面加鋪層時，認識進而瞭解面對的路面破損形式，則對選定高效率的路面養護方案可發揮至關重要的影響。 車轍 車轍是一種與荷重相關的瀝青路面破壞，若沒有承載交通荷重，路面不會有車轍；車轍有兩種基本類型，如圖2所示，塑性變形(發生...
閱讀完整內容