沥青路面设计方法

孙 奕 孟祥欣 余耀威

(1.沈阳市公路建设有限公司，辽宁沈阳 110011;2.沈阳公路规划设计院，辽宁沈阳 110168;3.大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116000)

1 简介

沥青路面设计方法最初为古典法，后来经过不断的发展，逐渐形成了目前被大多数国家采用的经验法和力学—经验法两大类设计法。经验法主要依赖于试验结果和实际的路面使用情况以及相关的工程经验;而力学—经验法建立力学模型，在考虑实际的道路环境、交通荷载以及材料特性等因素之后，把理论分析与实际经验结合起来，计算并设计路面结构［1］。

本文简要介绍经验法中的CBR法和AASHTO法及力学—经验法中的Shell设计法和AI设计法。

2 经验法

经验法通过对试验路或使用道路的试验观测所得的大量数据结果的整理分析，建立起荷载与路面结构以及路面性能之间经验关系，使用此经验关系进行路面结构设计。其中最典型的两种为CBR法和AASHTO法。

2.1 CBR 设计法

加州承载比CBR(California Bearing Ratio)法，是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法。CBR法是美国加州工程师Porter在1929年提出的。CBR设计法用材料抵抗局部荷载压入变形的能力来表征材料的承载能力，并且设定了标准碎石的承载能力为标准，以材料的承载能力与标准碎石的承载能力的比值百分数作为CBR值。CBR值后来也被用于评定土基的强度。通过CBR试验得出路面的CBR值，再结合路面的实际状况，可以得到CBR值与实际交通荷载以及路面结构之间的经验关系，并依此来进行路面结构设计［2，3］。CBR法对于后来的沥青路面设计方法最大的贡献就是提出了CBR值作为表征路基土和路面材料的力学性质的参数指标［4］。因为此方法有比较完善的图表来确定沥青路面厚度，应用时非常便捷，所以受到了众多工程技术人员的欢迎。美国陆军工程兵部队在二战时曾采用CBR法，日本目前所采用的沥青路面设计方法也是参照了CBR法制定的，而且目前CBR法仍然是美国联邦航空局(FAA)的机场沥青路面设计方法。但是，CBR设计法也有很大的局限性。CBR值不能直接度量材料的承载能力，因为它没有直接的理论依据，仅仅是一个经验性的指标。而且在实际使用中，路基土的工作状态通常是处于弹性范围内的，但是CBR值却不能有效的反映弹性变形［5］。

2.2 AASHTO 设计法

AASHTO法是根据20世纪50年代末60年代初在渥太华和伊利若斯州进行的大规模道路试验的结果得到的。AASHTO设计委员会于1961年先提出暂行设计指南，现已有1972年修订版，1986年版和1993年版以及200X版。对于路基土的性质，AASHTO法主要考虑其回弹模量。AASHTO法提出了结构数的概念，它是反映路面结构强弱的指标，反映了路面各结构层层位、材料及厚度与路面结构强度之间的对应关系。AASHTO法最大的贡献是首次提出了现时服务能力指数(PSI)的概念，反映路面的实际状况以及使用性能。由大约5人～10人的评分小组进行评定后，综合考虑小组的主观评价与客观评价而得到的评分，即为PSI值，以此来量化的反映路面的实际状况［6，7］。AASHTO法采用的设计控制标准为使用年限末的路面现时服务能力指数。AASHTO法建立了不同轴载之间的等效关系，使轴载大小与交通量大小对路面的作用建立了合理的关系，解决了之前设计方法中一直难以解决的交通荷载问题。提出了路面结构数SN与加权轴载通过次数N之间关系的基本方程。初步确定了不同路面层材料的结构层系数，还引进了地区系数的概念，给以后的设计方法提供了有益的启发。但是，PSI只能反映路面的使用性能状态，不能准确描述路面的结构性损坏。AASHTO法没有考虑路面的维修改造内容，而且试验当时所考虑的交通荷载也不能和现在的交通量相比［8］。

3 力学—经验法

力学—经验法首先将路面简化为理想的结构图式或力学模型，并将行车荷载和环境因素的作用典型化，即转化为代表值或等效当量值，采用结构分析理论(如层状弹性体系理论等)和计算方法(有限元等)，建立起荷载作用和路面结构反应之间的计算模型和公式，作为分析各结构设计变量对设计控制指标的依据，按设计要求设计路面结构。而设计标准和设计参数的选取，则是通过实际工程经验或试验路的实测数据整理、修正得来。其中最为著名的有壳(Shell)法和美国沥青协会(AI)法［6，7］。

3.1 Shell设计法

1962年，壳牌公司提出以弹性层状体系代表路面结构，计算分析圆形均布荷载作用下的应力、应变和位移值，把面层底部的拉应变以及路基顶面的压应力或压应变作为设计指标，分别控制疲劳开裂和车辙［6］。对于路面结构以及材料，Shell法所考虑的参数主要有各层的厚度，材料的动态模量、泊松比以及体现材料粘弹性性质的劲度模量。路基动态模量可以用动态弯沉试验在现场测定，也可以在室内通过三轴试验测定。如果受试验条件限制，也可以用CBR试验法或承载板试验法，并结合以往相关工程的经验进行选择。温度等环境因素的影响体现在其对沥青混合料模量的影响上［9］。取沥青层底部和路基顶部的轮中心点下方和轮际中心点下方两处为计算应力与应变的最不利位置。Shell设计法的两项控制标准分别如下:其中，Nf为累计标准荷载作用次数;Vbit为结合料的体积比;Smix为沥青的劲度模量。沥青层永久变形为:Δh1－i=Cm×h1－i×(Z × δ0)/Sm－i。其中，Z 为应力分布系数;δ0为轴载压应力;Sm－i为第i层的劲度模量;Cm为修正系数，在Shell路面设计手册中可以查得［10］。

3.2 AI设计法

AI即美国地沥青协会。AI设计法没有考虑水平荷载，路面模型为双圆垂直荷载下的多层弹性体系。路基土的泊松比为0.45，其他材料的泊松比为0.35。对于路基土和粒料材料，考虑其回弹模量;对于沥青混合料，则考虑其动态模量。以温度对沥青混合料劲度模量值的影响来体现环境因素的影响［6，7，11］。

与Shell法相同，AI法所采用的设计标准也是控制疲劳开裂的沥青层底部的水平拉应变和控制永久变形的土基表面的竖向压应变［12］。AI法设定沥青占总体积的11%，空隙率为5%的混合料为标准混合料，并给出了其疲劳方程:Nf=0.001 5(εθ)－3.291|E*|。其中，Nf为允许荷载重复作用次数;|E*|为动态模量。非标准混合料的疲劳方程则可以根据实验室的疲劳试验结果修正为:Nf=0.001 5(εθ)－3.291|E0.854|C。其中，C 为沥青混合料的空隙率与沥青体积率的函数。C=10M。M=4.84［Vb/(Va+Vb)－0.6875］。控制车辙的允许荷载重复作用次数可由Nd=1.365×10－9(εz)－4.477计算。

4 目前我国的沥青路面设计方法

目前我国的沥青路面设计采用力学—经验法，以双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系为计算模型，各层面之间的接触状况按照连续体系处理。在弹性层状体系理论的基础上，以路表回弹弯沉值和整体性材料层底弯拉应力为主要设计指标。路表回弹弯沉表征了路面整体的强度与刚度特性，整体性材料层底的弯拉应力则用来控制疲劳开裂。路表回弹弯沉的计算点选在轮隙中心点，沥青混凝土面层和半刚性材料层底拉应力计算点的位置为单圆中心点、单圆半径的1/2点、单圆内侧边缘点以及双圆间隙中心点［13］。设计时，首先以路表回弹弯沉作为首要指标进行设计，然后再用沥青混凝土面层和半刚性材料层底弯拉应力来验算并加以修正。交通荷载采用重量为100 kN的双轮组单轴轴载为标准轴载。在计算中，各层材料的模量均采用不利季节的抗压回弹模量。沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验得到的劈裂强度。

5 建议

通过国内外沥青路面设计方法的简介、对比，借鉴国外的设计方法，针对我国的设计方法，提出以下建议:1)我国的设计方法中采用的模量都是静态下的，由于路面实际所受荷载大多数情况下是移动的车辆荷载，所以在计算中为了更接近实际情况，可以考虑采用动态模量。2)我国的设计方法中采用Shell法的多层连续弹性层状体模型，但是实际上层间接触并不一定是完全连续的，可以考虑更改模型中的接触条件。如果难以完成，参照经验法的部分实测数据然后回归分析可能是一个解决此问题的方向。3)在设计中，对于路面的损坏控制不应该仅限于整体强度与刚度特性和疲劳开裂这两个方面，可以参照AASHTO经验法的PSI指标，对于路面病害、损坏程度和服务能力做出一套更为细化、更贴近实际使用情况的描述和相关的控制指标。

［1］姚祖康.对国外沥青路面设计指标的评述［J］.公路，2003(3):14-15.

［2］朱照宏，许志宏.柔性路面设计理论和方法［M］.上海:同济大学出版社，1985.

［3］Yoder EJ，Witczak MW.Principles of Pavement Design［M］.陈炳麟，译.北京:人民交通出版社，1983.

［4］Washington State Department Design.WSDOT PAVEMENT GUIDE(volume 2)［M］.Washington State Department of Transportation，1995.

［5］T.Taskiran.Prediction of California bearing ratio(CBR)of fine grained soils by AI methods［M］.Advances in Engineering Software(volume 41)，2010.

［6］张起森，韩春华.美国沥青路面设计方法的发展［J］.中外公路，2002(5):3-5.

［7］沈金安.国外沥青路面设计方法总汇［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［8］孙立军.沥青路面结构行为理论［M］.上海:同济大学出版社，2003.

［9］姚祖康.公路设计手册——路面［M］.北京:人民出版社，1992.

［10］Shell Tnternational Petroleum Co.Ltd.Shell Pavement Design Manual-Asphalt Pavements and Overlays for Road Traffic［M］.London:Shell International Prtroleum Co.Ltd，1978.

［11］The Asphalt Institute Thickness Design-Asphalt Pavements for Highways and Streets，Manual Series No.1(MS-1)，1981:9.

［12］Jamesson G，Sharp K，Potter D.New guidelines for the design of flexible pavement for Australia conditions proceedings［C］.9th:Intertional Conference on Asphalt Pavements.Copenhagen，2002.

［13］JTG D50-2006，公路沥青路面设计规范［S］.