¶ 柔性鋪面設計規範－第三章 柔性鋪面結構設計考量因子 3.1 路基土壤因子
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第三章 柔性鋪面結構設計考量因子
3.1 路基土壤因子
3.1.1 簡述路基土壤為鋪面結構之基礎，亦是鋪面結構設計考量主要因子之一。本節將提出本手冊所用的設計方法之路基土壤強度表示方法及相關之取樣、試驗、決定設計值方法等項目。
¶ 3.1.2 路基土壤強度表示方法
1.AASHTO 設計方法：
(1)MR值
(2)CBR 值
(3)R 值
2.美國瀝青學會設計方法：
(1)MR值
(2)CBR 值
(3)R 值
3.美國加州設計方法：
R 值
4.AI 簡易設計方法(IS181)：
CBR 值
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¶ 3.1.3 路基土壤取樣與試驗
1.取樣位置：
取樣前要先查看地質圖或工程圖說，以確定工程沿線之路基屬於路堤(填方)、路塹(挖方)或既有之地面。其取樣位置分別為：
(1)路堤：借土區。
(2)路塹：預定開挖後表面下0 至50cm。
(3)既有地面：在原地面下50 至100cm。
2.取樣個數：依據各工程單位設計標準之規定取樣，每種土壤原則上最少要取6 個(含)樣品以上。
3.試驗項目與方法：
(1)一般物理性試驗及強度試驗項目等詳見表3.1.(1) [301]。
(2)強度試驗方法需依據設計方法之規定，如果沒有MR試驗儀器，可作CBR 或R 值試驗，然後依照3.1.4 節之公式推估之。
¶ 3.1.4 CBR、R 值與MR關係
1.CBR：MR (MPa)=10.3×CBR--------------公式3.1.(1)
MR (psi)=1500×CBR---------------公式3.1.(2)
2.R 值：MR(MPa)=8.0+3.8×R 值----- ----公式3.1.(3)
MR (psi)=1155+555×R 值--------公式3.1.(4)
以公式3.1.(1)及3.1.(2)求MR時，必須為細顆粒土壤且CBR 值要小於10；使用公式3.1.(3)及3.1.(4)時，R 值要小於20。
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表3.1.(1) 路基土壤試驗項目與方法註：MR試驗亦可依據AI MS-10 1993 年版方法。
¶ 3.1.5 路基土壤強度設計值求法
每一種大致相同之土壤最少要求得6 個試驗值，然後依照累積曲線法 [301],求出不同土壤路段之設計值：
1.將相同試驗值排在一起，並計算其數量。
2.從最大試驗值排起，然後計算個別試驗值對總個數之百分率。
3.繪出試驗值之累積曲線。
4.依設計當量軸次(80kN ESAL)可由表3.1.(2)[301]內找出設計要求百分率(等於或大於百分率)。
5.從求出之設計要求百分率在累積曲線上找出設計用MR值。
表3.1.(2) 路基土壤設計值要求百分率
| 試 驗 項 目 | 試 驗 方 法 | 取樣重量 (㎏/個) | 用 途 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 試 驗 項 目 | CNS | AASHTO | ASTM | (㎏/個) | 用 途 |
| GI: 1.土壤液性限度 2.土壤塑性限度 3.粗細粒料篩分析 | 5087 5088 486 | M145 T89 T90 T27 | D4318 C136 | 3 | 土壤分類 |
| 土壤含水量與密度關係曲線試驗 1.改良式 2.標準式 | - 11777 | T180 T99 | D1557 D698 | 35 | 配合CBR 或 MR試驗 |
| 回彈模數(MR)試驗 | - | T292 | - | 20 | 求路基土壤強度 |
| R 值試驗 | 12383 | T190 | D2884 | 20 | 求路基土壤強度 |
| 加州承載比試驗 (CBR) | 12382 | T193 | D1883 | 21 | |
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要求百分率。
6.範例：
(1)已知設計當量軸次(80kN ESAL)=107，路基土壤強度為MR=45.0，50.0，
60.0，60.0，70.0，75.0，85.0，105.0 MPa 等，試以累積曲線法求出設計值？
(2)解：
(A)將試驗值由大至小排列於表3.1.(3)[301]內。
(B)計算各試驗之等於或大於百分率。
(C)繪製試驗值之累積百分率曲線於圖3.1.(1)[301]內。
(D)以80kN 及ESAL=107，從表3.1.(2)查出設計值要求百分率=
87.5%。
(E) 由設計值要求百分率=87.5%，從圖3.1.(1)內求出設計用MR=52.0MPa。
| 設計當量軸次 (80kN ESAL) | 路基土壤設計值要求百分率， %(註) |
|---|---|
| 小於 104 | 60 |
| 104～106 | 75 |
| 大於 106 | 87.5 |
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圖3.1.(1) 試驗值與累積百分率曲線
| 試驗值，MPa | 累積試驗數量 | 累積百分率，% |
|---|---|---|
| 105.0 | 1 | 100(1/8)=12.5 |
| 85.0 | 2 | 100(2/8)=25.0 |
| 75.0 | 3 | 100(3/8)=37.5 |
| 70.0 | 4 | 100(4/8)=50.0 |
| 60.0，60.0 | 6 | 100(6/8)=75.0 |
| 50.0 | 7 | 100(7/8)=87.5 |
| 45.0 | 8 | 100(8/8)=100 |
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¶ 3.2 交通量因子
¶ 3.2.1 簡述
1.交通量為柔性鋪面設計考量因子之一，本手冊設計方法使用80kN(18kips)單軸重當量(ESAL)或交通量指數(TI)作為交通量分析年限內求累積數之基準。
2.本節提出交通量分析所需之基本因子，亦初步訂定各類道路之交通量分析年限、車道分配率、軸重當量因子與軸重關係表及考慮高胎壓所需之校正值等。
3.初期交通量資料為交通量分析之基本因子，本節將列舉範例說明交通量、貨車因子(TruckFactor)及參考FHWA 資料等三種計算方法。
4.分期施工：基於特殊考量及未來需要，本節將簡述其交通量分析方法。
¶ 3.2.2 交通量分析
求鋪面厚度時交通量大小採用交通量分析年限內累積之80kN(18kips)單軸重當量(ESAL， Equivalent Single Axle Load)或交通量指數(TI)。其因子包含如下：
1.交通量分析年限。
2.軸重當量因子(Axle Load Equivatency Factors)及貨車因子(TruckFactor)。
3.成長因子。
4.胎壓校正因子。
5.車道分配率。
6.初期交通量資料。
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3.2.3 設計當量軸次(80kN ESAL)求法
1.交通量分析年限：
鋪面結構設計時首先要考量其交通量分析年限，本手冊訂為：
• 國道、省道、市區幹道及四車道(雙方向)以上者為20 年，其他為10 年。
2.單軸重當量值(80kN ESAL=1)假設條件：
單軸有四個輪胎，軸重為80kN(18kips)，當胎壓78psi(接觸壓力=70psi)作用於兩個圓周平鈑(Circular Plates)，其接觸半徑為115mm 且兩個圓周平鈑胎距(Cto C) 345mm 時，則其軸重當量值等於1。其示意圖詳圖3.2.(1)[301]。
3.設計當量軸次(80kN ESAL)求法：
(1)求出各種車輛於開放交通時初期(第一年)之平均車輛數。
(2)求出各種車輛貨車因子(3.2.5 節)。
(3)求出成長因子(3.2.6 節)。
(4)考量極重車(胎壓超過78 psi)時以胎壓校正因子求之(3.2.7 節)。
(5)決定車道分配率(3.2.8 節)。
(6)各種車輛設計當量軸次：
初期平均車輛數×貨車因子×成長因子×胎壓校正因子(考量極重車時才用之)×車道分配率
(7)設計當量軸次:各車輛設計當量軸次相加之和。
(8)範例：詳見3.2.9 節。
¶ 3.2.4 交通量指數(TI)求法
依據計算設計當量軸次之程序，求出80 kN ESAL 值後，代入公式3.2.(3)中可求得TI 值。
TI=9.0×(80kN ESAL/106)0.119 ---------------公式3.2.(3)
3.2.5 軸重當量因子與貨車因子(TF)
1.軸重當量因子：每一部車輛每行駛一次，每一軸作用於路面之軸重當量值(80kN ESAL)，以軸
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重當量因子表示之，其求法為:
(1)AASHTO 方法：軸重當量因子隨SN、軸重、Pt、軸數(單軸、複軸、三軸)等不同而變化，其柔性鋪面軸重當量因子表詳見附錄A [304]，其計算方法詳見公式3.2.(4)
[303]：
log10=4.79×log10(18+1)－4.79×log10(Lx+L2)
+4.33×log10L2+－----公式3.2.(4)
公式中Gt=log10βx=0.40+Lx=單軸或複軸之軸重，kips。
L2=軸重規格(Axle Code；單軸為1，複軸為2)。
SN=鋪築結構強度值。
Pt=終期路面現況服務指數。
βx=設計函數，βx=β18當L x=18 且L2=1。
(2)若SN=5.0 及Pt =2.5 時，軸重當量因子建議值詳見表3.2.(1)[301]。
(3)特殊車輛軸重當量因子求法：
公式中 Fj=第j 種車輛之軸重當量因子。
σs=標準車輛作用下之鋪面應力。
σj=第j 種車輛作用下之鋪面應力。
2.貨車因子：每一部車輛或每一組群車輛每行駛一次，作用於鋪面之軸重當量值(80kN ESAL)，以貨車因子表示之，其求法為：
(1)可查出貨車因子者:
從道路管理機構查出貨車因子者，如高速公路收費站調查等資料。
(2)交通量調查未求出貨車因子者：先求出每軸之軸重當量因子，然後以公式3.2.(6)求之：
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平均貨車因子=Σ (軸數×軸重當量因子)／車輛數量------------------------------------------------公式3.2.(6)
3.範例：有一部連結車(前單軸、後兩個複軸)、總重370kN，試求出其貨車因子 (TF)？
解：•假設前單軸重為0.15W=0.15×370=55.5kN•假設後兩個複軸重各為:
0.85W/2=0.425×370=157.25kN•將單軸重55.5kN 代入表3.2.(1)中，以內差法求得軸重當量因子=0.229•將後兩個複軸重157.25kN 代入表3.2.(1)以內差法求得軸重當量因子各等於
1.289
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表3.2.(1) 軸重當量因子
| 軸重 | 軸重當量因子 | |||
|---|---|---|---|---|
| kN | Lb | 單軸 | 複軸 | 三軸 |
| 4.45 8.9 17.8 26.7 35.6 44.5 53.4 62.3 71.2 80.0 89.0 97.9 106.8 115.6 124.5 133.4 142.3 151.2 160.1 169.0 178.0 187.0 195.7 204.5 213.5 222.4 231.3 240.2 249.0 258.0 267.0 275.8 284.5 293.5 302.5 311.5 320.0 329.0 338.0 347.0 356.0 364.7 373.6 382.5 391.4 400.3 | 1，000 2，000 4，000 6，000 8，000 10，000 12，000 14，000 16，000 18，000 20，000 22，000 24，000 26，000 28，000 30，000 32，000 34，000 36，000 38，000 40，000 42，000 44，000 46，000 48，000 50，000 52，000 54，000 56，000 58，000 60，000 62，000 64，000 66，000 68，000 70，000 72，000 74，000 76，000 78，000 80，000 82，000 84，000 86，000 88，000 90，000 | 0.00002 0.00018 0.00209 0.01043 0.0343 0.0877 0.189 0.360 0.623 1.000 1.51 2.18 3.03 4.09 5.39 6.97 8.88 11.18 13.93 17.20 21.08 25.64 31.00 37.24 44.50 52.88 | 0.0003 0.001 0.003 0.007 0.014 0.027 0.047 0.077 0.121 0.180 0.260 0.364 0.495 0.658 0.857 1.095 1.38 1.70 2.08 2.51 3.00 3.55 4.17 4.86 5.63 6.47 7.41 8.45 9.59 10.84 12.22 13.73 15.38 17.19 19.16 21.32 23.66 26.22 29.0 32.0 35.3 38.8 42.6 46.8 | 0.0003 0.001 0.002 0.003 0.006 0.011 0.017 0.027 0.040 0.057 0.080 0.109 0.145 0.191 0.246 0.313 0.393 0.487 0.597 0.723 0.868 1.033 1.22 1.43 1.66 1.91 2.20 2.51 2.85 3.22 3.62 4.05 4.52 5.03 5.57 6.15 6.78 7.45 8.2 8.9 9.8 10.6 11.6 |
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•由公式3.2.(6)求得：
貨車因子=
3.2.6 成長因子(GF)
1.公式：GF= -------------------公式3.2.(7)
公式中GF =成長因子。
r=年成長率。
n=交通量分析年限 (年)。
2.應用表詳見表3.2.(2)[301]。
3.2.7 胎壓校正因子(AF)
1.貨車及連結車等是否成為極重車，工程師設計時應針對該道路服務狀況預估之，然後以胎壓校正因子解決因極重車所需之鋪築厚度[301]。
2.胎壓所需之ESAL 校正因子如圖3.2.(2)[301]。
3.範例：若有10 輪貨車，其胎壓=110psi，面層AC 預估要鋪200mm，試求出AF？
解：•胎壓=110psi，故得輪胎接觸壓力=110×0.9=99 psi。
• 將AC =200 mm及輪胎接觸壓力=99psi 等代入圖3.2.(2) 可求出AF=1.30。
3.2.8 車道分配率 (DL)
設計車道內之車道分配率可依照表3.2.(3)求之。
(1+r)
n － 1r
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表3.2.(2) 交通量成長因子交通量分析年限(年)
年 成 長 率， %0245678101234567891011121314151617181920253035
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
15.0
16.0
17.0
18.0
19.0
20.0
25.0
30.0
35.0
1.0
2.02
3.06
4.12
5.20
6.31
7.43
8.58
9.75
10.95
12.17
13.41
14.68
15.97
17.29
18.64
20.01
21.41
22.84
24.30
32.03
40.57
49.99
1.0
2.04
3.12
4.25
5.42
6.63
7.90
9.21
10.58
12.01
13.49
15.03
16.63
18.29
20.02
21.82
23.70
25.65
27.67
29.78
41.65
56.08
73.65
1.0
2.05
3.15
4.31
5.53
6.80
8.14
9.55
11.03
12.58
14.21
15.92
17.71
19.16
21.58
23.66
25.84
28.13
30.54
33.06
47.73
66.44
90.32
1.0
2.06
3.18
4.37
5.64
6.98
8.39
9.90
11.49
13.18
14.97
16.87
18.88
21.01
23.28
25.67
28.21
30.91
33.76
36.79
54.86
79.06
111.43
1.0
2.07
3.21
4.44
5.75
7.15
8.65
10.26
11.98
13.82
15.78
17.89
20.14
22.55
25.13
27.89
30.84
34.00
37.38
41.00
63.25
94.46
138.24
1.0
2.08
3.25
4.51
5.87
7.34
8.92
10.64
12.49
14.49
16.65
18.98
21.50
24.21
27.15
30.32
33.75
37.45
41.45
45.76
73.11
113.28
172.32
1.0
2.10
3.31
4.64
6.11
7.72
9.49
11.44
13.58
15.94
18.53
21.38
24.52
27.97
31.77
35.95
40.55
45.60
51.16
57.28
98.35
164.49
271.02年限。
| 註：GF= | ，且不等於零；如果年成長率等於零時，成長因子 GF 值等於交通量分析 |
|---|
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表3.2.(3)車道分配率(DL)
3.2.9 初期交通量資料與計算設計當量軸次範例初期交通量可採用完工且開放交通的第一年交通量表示之，其值可由交通量調查、各機構之年報或文獻得之，其項目若能涵蓋各種車輛之數量、貨車因子、年成長率等，將最為完善。交通量分析所需之資料有：
1.交通量調查或文件有貨車因子者：交通量調查有各種車輛數量、貨車因子及年成長率等資料。
範例1：
(1)已知資料:現有四車道，擬拓寬為六車道，現有資料假設為：
車輛類別每日雙方向車輛數量年成長率(%)
貨車因子小汽車20,0005
0.0007大客車1,0004
0.2248大貨車2,0004
0.99連結車1005
5.88試求出設計車道之設計當量軸次(80kN ESAL)。
(2)解：‧假設交通量分析年限為20 年。
‧假設車道分配率為35%。
‧當年成長率=5%，交通量分析年限=20 年時，從表3.2.(2)可得交通量成長因子為33.06，若年成長率為4%時，成長因子=29.78。
‧假設大貨車及連結車的胎壓為110psi，鋪築AC 約20cm，從圖3.2.(2)
可得到AF=1.30。
| 車道數(雙方向) | 車道分配率，% |
|---|---|
| 2 | 50 |
| 4 | 42(35~50) |
| 6 | 35(25~40) |
| 8 或 8 以上 | 30(20~35) |
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(A)設計當量軸次：
雙方向之累積當量軸次：
車輛類別①每年雙向車輛數量②成長因子③貨車因子④胎壓因子⑤=①x②x③x④累積當量軸次小汽車20,000×365× 33.06× 0.0007= 168,937大客車1,000×365× 29.78× 0.2248= 2,443,508大貨車2,000×365× 29.78× 0.99×1.30= 27,978,608連結車100×365× 33.06× 5.88×1.30= 9,223,938小計= 39,814,991設計車道之設計當量軸次 (80kN ESAL) = 39,814,991× 0.35= 1.39×107(B)TI：
2.交通量調查沒有貨車因子：交通量調查資料只有各種汽車類型之車輛數量及年成長率等資料。
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範例2：
(1)已知資料：有一道路寬四車道(雙方向)，交通背景資料如下，試求出設計當量軸次或交通量指數(TI)：
車輛類別每日雙向車輛數量年成長率(%)
小汽車，2 軸2 輪10,0005大客車，2 軸6 輪1,0004大貨車，3 軸10 輪2,0004連結車，5 軸1005
(2)解:‧假設交通量分析年限為20 年。
‧假設車道分配率為42%。
‧當年成長率=5%，交通量分析年限=20 年時，從表3.2.(2)可得交通量成長因子為33.06，年成長率4%時為
29.78。
‧假設大貨車及連結車的胎壓為110psi，鋪築AC 約25cm，從圖3.2.(2)可得到AF=1.20。
‧貨車因子：已知大客車=0.41，大貨車=1.26，連結車=1.67，小汽車=
0.0007。
(A)設計當量軸次：
雙方向之累積當量軸次：
車輛類別①每年雙向車輛數量②成長因子③貨車因子④胎壓因子⑤=①x②x③x④累積當量軸次小汽車，2 軸2 輪 10,000×365 × 33.06
大客車，2 軸6 輪 1,000×365 × 29.78大貨車，3 軸10 輪 2,000×365 × 29.78連結車，5 軸 100×365 × 33.06 × 1.67
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設計車道之設計當量軸次(80kN ESAL)= 39,829,225 × 0.42 = 1.67×107(B)TI:
3.沒有交通量資料者：既有之道路可自行調查，新開闢者可參考附近道路交通狀況或考量新道路規劃之交通量等，作為假設之依據。
範例3：有一工業區之主要幹道規劃為四車道，初期交通量資料預估為:
車輛類別每日雙向車輛數量年成長率%小汽車2,0005大客車1003大貨車1,1003連結車1,0005‧假設交通量分析年限為20 年。
‧假設車道分配率為42%。
‧當年成長率=5%，交通量分析年限=20 年時，從表3.2.(2)可得交通量成長因子為
33.06。
年成長率=3%，交通量分析年限=20 年時，以公式3.2.(7)求之得到成長因子=26.87。
‧胎壓因子(AF)：本地區為重型工業區，故大貨車及連結車的胎壓假設為120psi，鋪築AC 約20cm，從圖3.2.(2)可得到AF=1.35。
‧貨車因子(TF)：假設各種車輛之總重及軸重之重量，然後代入表3.2.(1)求出各軸之軸重當量因子，再以公式3.2.(6)求出貨車因子:
車輛類別總重車 別 及 重 量前軸(TF)
後軸(TF)
每部車輛(TF)
小汽車2T前軸1T， 後軸1T
0.00037
0.00074大客車8T前軸2.4T， 後單軸5.6T
0.0074
0.2174
0.2248
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30T 前單軸6T， 後複軸24T
0.2928
5.9981
6.290946T 前單軸7.36T，後雙複軸各
19.32T
0.6627
2.6415x2
5.9457(A)設計當量軸次：
雙方向之累積當量軸次：
車輛類別①每年雙向車輛數量②成長因子③貨車因子④胎壓因子⑤=①x②x③x④累積當量軸次大貨車連結車設計車道之設計當量軸次(80kN ESAL)=188,716,694 × 0.42 =
7.9×107
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(B)TI:
¶ 3.2.10 路肩、人行道之交通量
1.路肩：路肩之交通量最少應以主車道之2%為主，惟因應施工方便及未來拓寬計，鋪築結構可與主車道相同或維持路基土壤高程而調整面層厚度較薄。
2.人行道：人行道之交通量以主車道之2%計算。
3.2.11 分期施工(Stage Construction)
1.基於下列理由可訂定分期施工：
(1)預算不足、重要公路不允許降低設計標準時。
(2)交通量調查資料不足時。
2.路面高程：市區街道應注意路面高程之設計，必須依據都市計畫道路樁位高程而訂定。
3.交通量分析：分為兩期施工時，其交通量分析為：
(1)首期交通量：以維持40%之交通量分析年限為主，因此首期交通量應為100/60×ESAL1=1.67ESAL1。
(2)第二期交通量：100/40×ESAL2=2.5ESAL2，2.5ESAL2求出之厚度需減去首期所用之厚度，同時再依據加鋪設計方法校核之(第二期要施工時)。
(3)範例：某一公路擬作分期施工，未分期時之首期5 年之交通量為5.64×106，後15 年為
2.33×107，求分期施工之設計當量軸次？
.首期5 年之設計當量軸次：5.64×106×1.67=9.41×106。
.第二期15 年之設計當量軸次：2.33×107×2.5=5.82×107。
.未分期施工之設計當量軸次 (交通量分析年限為20 年)：3.68×107。
.第二期以5.82×107所得之厚度應扣掉首期9.41×106之厚度，同時要在5 年後
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再作加鋪設計予以校核。