工程實務

  柔性路面修復與加鋪設計方法關係

 

試驗中心

副總工程師

吳學禮

 

摘   要

加鋪設計為路面修復範圍中的一環，亦是P/M工程師可能會遇到之工作，因此本文提出AASHTO 1993年版設計方法中AC加鋪AC，及美國瀝青學會(AI) MS-17加鋪設計方法。

美軍工兵團的PCI及AI的狀況檢查(CR)等兩種方法，作為評估路面需要加鋪與否之依據，同時亦提供加鋪設計前之作業項目,如工地資料蒐集包括路面型態、狀況、排水、取樣、撓度試驗分析等。

一、前言

鋪面工程之規劃、設計、施工（品管）及養護（修復）等四個階段,以目前中華顧問工程司組織架構而言，P/M工程師畢生能夠全部參與工作者不多，至於其他政府單位之P/M工程師，除非更換三個服務單位以上。尤其是目前國內的路面修復工作，幾乎悉數沒有委託顧問公司辦理情況下，同仁要撰寫國外工程相關之計畫書，或擔任顧問工作，的確較難勝任，但又不能被認同，故筆者提些較為迫切、基本之資料，以利同仁參考。

二、柔性路面的修復方法與程序

路面的修復(養護)雖然只佔“養護工程處”的一部份而已，但已讓養護單位困擾不已，尤其是市街管路挖掘導致之問題，更令市民覺得市政一直沒有做好該作之工作，其因仍在於未建立路面管理制度 (PMS, Pavement Management Systems)或PMS內容有問題。

(一)鋪面管理制度[01]

1.鋪面管理制度(PMS)早在1960及1970年代就已相當盛行而成立於OECO機構內 (Organization for Economic Co-operation and Development)。

2.鋪面養護步驟含蓋下列四個階段：

(1)資料取得                    (Data  Acquisition)

(2)模式／分析                (Models/Analysis)

(3)準則／最好                (Criteria/Optimisation)

(4)結果／實行                (Consequence/Implementation)

四個項目所包括之項目列於圖一內。

3.資料取得內容(Data Acquisition)

資料取得分為四個項目(圖一)，其內容為：

(1)鋪面結構的狀況(Structural Condition of Pavement)

a.建造歷史(Construction History)

b.幾何設計資料(Geometric Data)

c.土壤資料

d.排水性質

e.表面損害(Surface distress)

f.鋪面結構損失(撓度)

(2)鋪面功能的狀況(Functional Condition on Pavement)

a.縱向平坦性(Longitudinal Evenness)

b.橫向平坦性(Transverse Evenness)

c.防滑性 (Skid Resistance)

d.表面紋理(Surface Texture)

e.表面不透水性(Surface Impermeability)

f.一般噪音性質(Noise Generation Properties)

(3)交通狀況(Traffic Condition)

a.交通量調查(Traffic Surveys)

b.經過時間(Travel Time)

c.路況、駕駛者狀況、環境、損害、材料損壞等所造成之意外事件記錄。

(4)  成本及效益(Costs and Benefits)

a.維護成本(Maintenance : Including Rehabilitation and Reconstruction)

b.用者成本(User Costs)

c.社會成本(Social Costs) 如交通混亂、意外事件成本、噪音及空氣污染等。

4.鋪面狀況指數的種類

以鋪面狀況指數(Pavement Condition Index)來評估鋪面服務品質的方法頗多，現舉例作為參考：

(1)PSI (Present Serviceability Index)

(2)PCR (Pavement Condition Rating)

(3)PCI (Pavement Condition Index)

(4)PSR (Pavement Surface Rating)

(5)SCI (Surface Condition Index)

(6)RR (Ride Rating)

(7)SI (Structural Index)

(二) AASHTO設計方法1993年版[02]

1. AASHTO在路面修復概念(Rehabilitation Concepts)提出4R 策略作為路面維修主要內容，其4R為整修面層 (Resurfacing)、重修(Restoration)、修復(Rehabilitation)及翻修(Reconstruction)等，至於修復步驟可分為補洞(Pitch hole)、封層(Seals)、加鋪(Overlay)及翻修(Reconstruction)等。

2.鋪面修復方法的評估(Selection of Pavement Rehabilitation Methods)

AASHTO將決定鋪面修復的方法分為三個階段(Phase)：

(1)問題界定(Problem Definition)

在未決定修復方法前，平常要作第一階段的資料收集(Data Collection)，然後予以評估(Evaluate Data) , 再作認明束制(Identify Constraints)。

a.資料收集：依據道路之類別選擇必須收集之項目，下列為較居完整之一般性項目：

(a)鋪面狀況(Pavement Condition)

(b)路肩狀況(shoulder Condition)

(c)鋪面設計(Pavement Design)

(d)幾何設計(Geometric Design)

(e)材料及土壤性質(Material and Soil Properties)

(f)交通量容量及載重(Traffic Volume and Loading)

(g)氣候狀況(Climate Conditions)

(h)排水狀況(Drainge Condition)

(i)安全考量(Safety Considerations)

b.資料評估(Data Evaluation)

資料評估步驟可能每個單位不同，但必須含蓋下列步驟：

官方資料收集®首次工地量測（Field Survey）®評估首次資料并決定增列項目®第二次工地量測，從事取樣、粗糙度量測(Roughness Measurement)、撓度試驗(Deflection Testing)、防滑(Skid Resistance)等®試驗室內試驗®第二次評估，包括鋪築結構、功能評估及決定是否增加需要之資料®綜合官方及調查結果，提出評估報告(Final Evaluation Report)。

c.認明束制

選擇修復方式必須涉及該工程受限制(束制)之問題，其考量項目為：

本工程限定金額、交通管制、最少修復設計年限、幾何設計、效益(Utilities)、淨利(Clearances)、正確方法(Right-of-way)，可利用材料及機具、承包商之經驗及所需人力，主管機關之政策(Agency Policies)。

(2)差異性問題解法(Potential Problem Solution)

在選擇修復方法前，需要提出候補解法(Select Candiate Solutions)後才作可行性解法(Feasible Rehabilitation Solutions)，進而展開初步設計(Development of Preliminary Design)。

(3)選擇較合意的解法(Selection of Preferred Solution)

選擇最好之路面修復方法需要工程師之判斷、創意及可適用性(Flexibility)，其考量項目為：

a.成本分析(Cost Analysis)

b.未花錢的考量(Nonmonetary Considerations)

有些未花錢的項目在決定較宜之修復方法時亦要考量，如：

服務年限(Service Life)、施工工期(Duration of Construction)、交通量管制、可靠度(Reliability)、可分析性(Constructibility)及可維護性 (Maintainability)。

c.代替較合意之修復方法(Preferred Rehabilitation Alternative)

(4)細步設計(Detailed Design)

(5)選擇修復方法之步驟列於圖二內。

(三)美國瀝青學會(AI)加鋪設計方法[03]

1.修復方法的類別及評估方法

AI將路面修復分為日常養護(Routine Maintenance)、加鋪(Overlay)及翻修(Reconstruction)等三個方法，評估方法以狀況檢定值(Condition Rating)為主。其標準如圖三。

2.狀況檢定值求法

(1)當狀況檢定值在30~70之間即要考量加鋪事宜。

(2)計算狀況檢定值列於表1內。

(四) PCI評估方法[04]

美軍工兵團以鋪面現況指數(PCI, Pavement Condition Index)作為決定路面修復方法之指標，國內機場業已使用多年。

1. PCI評估方法

(1)將各種鋪面損害之形態以H、M及L等三級表示。

(2)決定PCI的步驟如圖四。

2.修復方法與PCI值關係

決定修復方法之PCI值列於表2內。

(五)交通部公路養護方法[05]

1.修復方法種類

修復方法分為應急修復工程及改善工程等兩大類：

(1)應急修復工程

應急工程包括修補、裂縫及接縫等之填補、加薄封層(AC厚度薄於2.5cm)、局部翻修及其他等五項。

(2)改善工程

改善工程分為加封瀝青混凝土面層(加鋪Overlay)、銑平加封瀝青混凝土層及翻修等三項)。

2.路面需要養護之研判值

以裂縫率、車轍等作為評估者列於表3及表4。

(六)工程師選擇評估鋪面修復方法之原則

1.未經業主同意前，遵照既有之評估方法。

2.交通部的方法似乎過於粗略(表4)，而表3又太煩瑣，不適合用於國外工程。

3.養護單位若有PMS制度者以AASHTO 1993年版最恰當。

4. PCI方法最適合於機場工程，亦可用於較居規模之道路工程。

5. AI MS-17方法較為簡易可行，適用於國內外工程。

6. 撰寫國內外工程計畫書可提AI及PCI等兩種方法。

三、AI MS-17加鋪設計方法[03]

(一)簡述

AI MS-17加鋪設計方法共提有效厚度加鋪設計方法(Effective Thickness)及撓度方法(Deflection Methods)等兩種方法。

有效厚度方法比較費時費力，因此使用撓度方法居多 。亦可從設計回彈撓度值求出既有路面尚存之設計年限 (Design Period)。

(二)有效厚度加鋪設計方法

1.工作步驟

勘查既有路面狀況 → 取樣(路基土壤試驗) → 記載既有路面各層鋪築材料厚度 → 交通量分析 → 路基土壤強度 → 求出新工所需厚度 → 求出既有路面之有效厚度 → 加鋪設計厚度 → 提出報告(包括施工規範及加鋪前既有路面之處理方法)。

2.加鋪厚度求法

加鋪厚度(To) ＝ 路面設計總厚度(Tn) － 既有路面之有效厚度(Te)  ----公式(1)

3.路面設計總厚度 (Tn)求法

(1)  路面設計方法：AI依據多層彈性理論原理製成 AI CP-1 DAMA程，然後再求出年平圴溫度7.7℃、15.6℃及24℃等三種固定設計圖。台灣地區及東南亞地區要使用24℃者，不可以用AI MS-17 (1990年版所附之圖)。

a. 設計圖或程式：AI CP-1 DAMA程(可自行輸入本土化之試驗資料)及圖五AI全厚度瀝青混凝土設計圖。

b. 交通量分析：以80 kN ESAL為基準，求出擬再用之年限之累積80 kN ESAL。

c. 路基土壤強度：既有路面取樣求出Mr或CBR值。

d.  Tn求法：以80 kN ESAL及Mr等代入圖五。

(2)既有路面有效厚度(Te)求法

       Te＝T×C ------------------------------------------公式(2)

公式中Te＝既有路面有效厚度，cm

       T＝既有路面量測之實際厚度，cm

       C＝轉變因素(Conversion Factors) 由表5求得。

4.例題1

有一公路經調查已達到加鋪措施階段，若欲再用10年時其80 kN ESAL＝1.0×106，請以AI有效厚度設計方法求之？

解：

(1)既有路面調查結果如下：面層AC厚度10cm，有M級縱向及橫向裂縫，底層為水泥處理級配料(CTB)＝15cm，基層為礫石級配料(AS)＝20cm，路基土壤取樣試驗結果其設計值可假設為50MPa。

(2)既有路面有效厚度(Te)：

從表5查出C值後代入公式(2)即可求出Te

    Te(AC) = 10×0.5 = 5cm

    Te(CTB) =15×0.3 = 4.5cm

    Te(AS) = 20×0.2 = 4.0cm

    Te(全部)＝13.5cm

(3)將80kN ESAL＝1.0×106及路基土壤＝50MPa等代入圖五，

  可得Tn =26.5cm。

(4)加鋪厚度To = Tn－Te＝26.5－13.5＝13.0cm之AC

(三)撓度加鋪設計方法

AI撓度加鋪設計方法以彭柯曼樑所求得之回彈撓度(Rebound Deflection)為主，然後考慮交通量問題及試驗時之季節等因素以決定“代表性回彈撓度(RRD, Representive Rebound Deflection)”, 其設計步驟為資料蒐集→工地既有路面狀況調查→撓度試驗→決定加鋪設計路段→計算RRD→交通量分析→決定各路段加鋪厚度。

1. 資料蒐集：以主管道路養護單位之資料為主。

2. 工地既有路面狀況調查：詳細記載既有路面損害之狀況及排水狀況。

3. 撓度試驗

(1)  AI MS-17加鋪設計雖然以彭柯曼樑為主(Benkelman Beam)，惟其試驗方法與AASHTO T256之撓度試驗不同，因此要依照AI MS-17的方法作回彈撓度的試驗。至於各種撓度試驗方法相互關係及規定，請看中華顧問工程司編著“路面工程手冊”之下冊或筆者所著之“鋪面、材料工程實務”。

4.決定加鋪設計路段

    依據撓度試驗值繪製樁號與撓度值關係曲線，然後基於安全及經濟原則區分路段分別求出RRD。

5. RRD求法

(1)  RRD＝

公式中=經校正後個別值之平均值，=Σxifi/n

S= 標準差，,(x=個別值，=平均值)

fi= 個別撓度溫度校正係數

xi= 個別撓度試驗值

n= 個別試驗值之總數量

C= 交通量分析年限內校正係數基準

(2)  C值決定

a.    試驗值與設計假設條件如氣候季節等相符時，C值可取1。

b.    若試驗值與設計假條件不符合時，C值由工程師決定之。

(3)  溫度校正(f)：

a.    如果試驗時溫度與應用之平均溫度(21℃)不同時，須以圖六求出f值。

b.    以圖六求f時，其鋪面平均溫度要以圖七求之。

6.    撓度加鋪設計方法

(1)  求出RRD：公式(3)

(2)  求出設計年限或謂交通量分析年限內之80 kN ESAL (設計當量軸次)：AI MS-1，1991年版或AI MS-17, 1990年版。

(3)  將RRD及80 kN ESAL代入圖八，即可求出需要加鋪之AC厚度。

7.    評估既有路面尚存之設計年限(交通量分析年限)

(1)  求出尚存之設計當量軸次(ESALr)：將RRD代入圖九。

(2)  求出既有路面每車道每年之設計當量軸次(ESALd)：以加鋪設計時之交通量資料求之。

(3)  評估交通量成長因素，GFr＝

(4)  將GFr及年成長率r等代入表6即可求出設計年限(尚存設計年限)。

四、AASHTO AC加鋪設計方法(1993年版)[02]

AASHTO 設計方法(1993年版)在加鋪設計型態上共列有七種，本文僅敘述AC加鋪於AC上而已，其七種形態如下：

 

加 鋪 類 別

既 有 路 面

附            註

AC

AC

AC     : Asphalt concrete

PCC    : Portland cement concrete

JPCP   : Jointed plain concrete pavement

JRCP   : Jointed reinforced concrete pavement

CRCP   : Continuously reinforced concrete pavement

AC/PCC: AC-overlaid Portland cement concrete
         (JPCP, JRCP, or CRCP)

Bound PCC: 結合式混凝土

AC

PCC

AC

JPCP, JRCP, CRCP

AC

AC/JPCP,AC/JRCP及AC/CRCP

Bound PCC

JPCP, JRCP及CRCP

Unbound PCC

JPCP, JRCP及CRCP

PCC

AC

 

(一)加鋪設計時需要考量的項目

1.可行性(Feasibility)

AASHTO將修復(Rehabilitation)分為非加鋪方法(Rehabilitation Method Other Than Overlay)及加鋪修復方法(Rehabilitation Method with Overlay) , 同時亦提出再生問題(Recycling)。本文僅將AC加鋪於AC上之不適合執行加鋪作業狀況列述如下：

(1)  既有路面有屬於H級龜裂(High-Severity Alligator)未完全移除及要求更換既有面層。

(2)  既有路面材料缺少穩定性，已無法阻止嚴重之車轍發生而導致過量之表面車轍。

(3)  既有穩定底層已有嚴重變壞且需要過量之修補才能維持加鋪作業的均勻性。

(4)  既有基底層級配料必須挖除，且須更換被軟弱路基土壤滲透污染者。

(5)  既有AC面層業已剝脫必須予以挖除及更換。

2.    加鋪前需要修補項目(Pre-Overlay Repair) :

(1)  龜裂裂縫(Alligator Cracking)：H及m級裂縫。

(2)  線狀裂縫(Linear Cracking)：縫寬大於6mm者。

(3)  車轍(Rutting)

(4)  表面變形(Surface Irregularities)

3.    控制防射裂縫(Reflection Crack Control)

4.    排水

(二)加鋪設計

1.    加鋪設計方法

決定既有路面加鋪之厚度共有撓度試驗(Nondestructive Deflection Testing – NDT)、鉆取樣品及材料試驗(破壞性)及尚存交量分析年限(尚存設計年限)方法等三種。

2.    設計公式

SN01 =  a01×D01=SNf－SNeff --------------------------------------公式(4)

公式中SN01= 需要加鋪之結構強度值

 a01    = 加鋪AC之強度係數

 D01   = 需要加鋪之厚度，吋

 SNf   = 加鋪設計之結構強度值

 SNeff = 既有路面之結構強度值

3.    設計步驟：

(1)  既有路面之設計及施工資料

a.    鋪面結構各層材料的類別及厚度。

b.    路基土壤強度。

c.    當a及b沒有資料時，應作材料調查工作。

(2)  交通量分析

a.    Np：過去累積之設計當量軸次 (80 kN ESAL)，以求路面尚存之交通量分析年限。

b.    Nf：預估加鋪設計之設計當量軸次。

(3)  既有路面現況之調查

a.    H級、M級及L級等龜裂所佔之百分率。

b.    H級、M級及L級等橫向裂縫每公里之數量。

c.    車轍之平均深度。

d.    因裂縫或邊緣之水唧現象。

e.    其他類形之損害

(4)  撓度試驗(非破壞性，NTD方法)

a.    試驗方法

AASHO建議使用FWD(Falling Weight Deflection)方法亦即是ASTM D4694或D4695試驗方法。

b.    路基土壤強度

    回算路基土壤Mr =----------------------公式(5)

公式中Mr =回算(Back calculate)所得之回彈模數，psi

        P=作用之荷重(通常為9000 lbs)

        dr=距離r之撓度值，(吋)

        γ=距離荷重中心點之距離(吋)

最少容許距離，r≧0.7ae -------------------------------公式(6)

                  ae =----------------------公式(7)