AASHTO沥青混凝土路面设计方法探讨

何振宇 余武军

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430056）

世界各国沥青混凝土路面设计方法大致可以分为2类：①以试验为依据的经验法；②以力学分析为依据的理论法。我国现行《公路沥青路面设计规范》以设计弯沉及材料容许拉应力为标准，采用基于层状弹性理论的静态设计方法，属于理论法。而以经验法为代表的AASHTO设计方法，采用可靠度设计，考虑交通荷载预测与使用性能变量的不确定性，结合大量试验路段经验数据总结而来，作为世界上最具影响力的设计方法之一，不仅在美国得到广泛应用，而且在欧洲、日本、加勒比海地区的使用也证明了其合理性。

1 AASHTO设计方法简介

AASHTO沥青路面结构设计方法通过使用性能方程将路面结构设计与其使用性能评价及预测结合起来，该设计方法是在大量试验路段资料的基础上总结出来的，表达式为

式中：W18为设计年限内18×103lb（80 k N）累计当量轴次；ZR为对应设计可靠度R的正态偏差；SN为路面的结构数；S0为交通量或使用性能预估的总标准差；ΔPSI为使用性能期内路面服务能力指数的变化量；MR对于基层、底基层材料为动态回弹模量，对于土基为有效回弹模量。

2 设计参数及设计标准

2.1 交通量

（1）标准轴载。基于分析期内预测累计18×103l b（80 k N）等效单轴荷载（ESAL）作用次数（W18）。

（2）轴载换算。沥青路面交通量换算分析按式（2）计算。

式中：Fj为荷重当量因子；ax为标准车辆计算应力或轴重、轮重；ai为各种车辆的压力或轴重、轮重。例如单轴重8 000 l b换算为18 000 l b单轴重的荷重因子为

（3）分析期内设计车道的标准轴次，按式⑶计算［1］：

式中：ESALD为分析期内累计标准轴次；X为设计年份；AADT为年每日平均交通量；T24为24 h周期内重型货车百分比；DF为方向分布系数。单车道取1，双车道取0.5；LF为车道分布系数，可以使用式 （4）计算。

如果是双车道，LV＝0；如果是3车道或以上，LV＝1。

E18为等价系数，可根据表1确定E18数值。

表1 不同类型公路等价系数E 18

2.2 可靠度（R）

可靠度是指在设计时加上一定程度的保证率以确保设计方案可以持续整个分析期的方法。目标可靠度（R）可以按照不同功能分级的道路，参照有关规定选用。其相应的标准正态偏差ZR可根据表2选取。

表2 不同可靠度的标准正态偏差Z R

标准偏差S0取值视当地具体条件而定，但根据AASHTO试验路误差分析结果，建议沥青路面选取0.45的标准偏差。

设计时应该特别注意，由于引入了可靠度参数，对其他各项材料及交通参数应该使用平均值作为该值的最佳估计而不应该使用保守值。

2.3 设计年限及服务能力

根据拟建道路功能等级不同，在沥青路面设计中道路的设计年限从10～50年不等，根据各项目特定的条件和制约因素，设计年限的确定应着重考虑：项目建设初始资金、寿命周期费用、有关管理部门依据政策和经验期望的年限及其他一些工程因素。

路面耐用性指数PSI作为衡量路面使用性能的指标，其值主要受路面不平整度、裂缝与修补面积、车辙量3者的影响而变化，一般认为沥青路面刚修好的初始服务能力指数（PI）为4.2，最终服务能力指数（PT）是建立在公众接受能力的基础上确立的，主要公路（PT）推荐值为2.5或更高值，次要公路（PT）推荐值2.0。一旦确定了PI和PT，就可以用式（5）确定服务能力总的变化。

2.4 有效土基回弹模量

确定土基有效回弹模量，研究人员将1年分成若干间隔，在这些期间内分别动态地测得路基土的回弹模量，确定路基土的设计模量：

式中：m为1年内测定的间隔数，若半个月测定1次，则取为24；MRj为每个间隔期内测得的回弹模量，MPa。式（6）计算得到的MR称为路基土的有效回弹模量，以此作为设计模量。如果是海外工程，在当地材料办公室能查得MR数值。如果是用于国内项目验算、复核，由于AASHTO中MR为动态模量，我国沥青路面计算方法中E0为静态模量，则应进行转换。国内外学者通过研究，建立了土基回弹模量与加州承载比CBR之间的关系，如Heukelo m和Klo mp等人指出，MR与加州承载比CBR的关系为［2］

我国长安大学的研究人员的研究结果表明，E0和CBR之间的关系为

由以上2式可以得出土基的动态模量和静态模量是2倍的关系。

3 路面结构组合

AASHTO设计指南中推荐了4种类型的沥青路面结构组合［3－4］。

3.1 无结合料粒料基层路面

（1）沥青层＋级配碎石基层＋级配碎石底基层。

（2）沥青层＋级配碎石基层＋未筛分砾石材料底基层。

3.2 全厚式沥青路面

适合于路基土MR大于62 MPa的任何交通量道路。

3.3 沥青稳定碎石基层

（1）沥青层＋厂拌沥青碎石＋未筛分砾石材料底基层。

（2）沥青层＋厂拌沥青碎石＋级配碎石底基层＋未筛分砾石材料底基层。

（3）沥青层＋路拌沥青碎石＋未筛分砾石材料底基层。

（4）沥青层＋路拌沥青碎石＋级配碎石底基层＋未筛分砾石材料底基层。

3.4 水泥稳定碎石基层

（1）沥青层＋水稳基层＋未筛分砾石材料底基层。

（2）沥青层＋水稳基层＋级配碎石底基层。

（3）沥青层＋水稳基层＋处治路基土。

每种路面组合的适用范围不同，设计时应该根据交通量、设计时速、土基回弹模量、气候条件、施工条件、养护条件等因素的不同，因地制宜，经济适用地进行选取。

4 路面结构数（SN）和层位系数

路面结构数（SN）为层位系数、层厚、排水系数的函数，其表达式为

4.1 层位系数

不同材料对整个路面结构承载力的贡献是通过其层位系数来表征的。层位系数可以通过与材料性质有关的试验曲线或关系式确定［5］。

（1）沥青混凝土面层层位系数a1，可按它与该材料的弹性（回弹）模量Eac关系曲线（见图1）查取，或根据函数关系式（10）确定。

图1 沥青混凝土面层层位系数a 1与该材料弹性模量E ac的关系曲线

（2）沥青处治基层的层位系数a2，可按它与该材料的弹性（回弹）模量Ebs或马歇尔稳定度的关系，查图2确定。

图2 沥青处治基层层位系数a 2与该材料弹性模量E bs和马歇尔稳定度的关系

（3）水泥处治基层的层位系数a2。可按它与该材料的弹性（回弹）模量Ebs或7 d无侧限抗压强度的系，查图3确定。

图3 水泥处治基层层位系数a 2与该材料弹性模量E bs和7 d无侧限抗压强度的关系

（4）粒料基层的层位系数a2。可按它与该材料的弹性（回弹）模量Ebs（psi）的关系式（11）确定：

（5）粒料垫层的层位系数a3。可按它与该材料的弹性（回弹）模量Ebs（psi）的关系式（12）确定：

（6）排水系数m2，m3为粒料基层和粒料底基的排水系数，取1.2，沥青混合料及稳定处理材料不考虑排水系数。

4.2 层厚的选取

通过式（1）代入各参数通过自编公式确定路面结构的结构数（SN），然后根据式（9）确定路面各层厚度，该结构组合将提供相应于设计结构数的承载力。但是由于式（9）并没有惟一解，有很多种层厚组合能满足方程，所以在选择合适的路面层厚时，应当考虑施工成本及养护成本，以避免不切实际的设计。

（1）最小厚度的规定。沥青混凝土面层和粒料基层最小厚度，参照表3中的规定。

表3 最小厚度

（2）各结构层厚按图4由上到下确定。

图4 确定各结构层厚度的步骤

5 设计步骤

采用AASHTO设计方法确定沥青混凝土路面结构层厚度步骤如下：

（1）确定设计年限。

（2）确定设计常量，如标准偏差S0，初始服务能力指数PI，最终服务能力指数PT，服务能力总的变化ΔPSI。

（3）确定设计变量，如交通量、回弹模量、可靠度、标准正态偏差。

（4）根据所选取的材料力学性质试验结果，确定层系数。

将式（2），（3）条中数据代入式⑴中计算，可得到路面结构数SN，将SN和确定的层系数代入式（9）中就可以得到相应的路面结构组合。

6 巴哈马机场高速公路项目设计成果

（1）项目条件。双向4车道，设计车速55 k m／h，设计寿命20年，累计交通量70×106辆，MR＝80 MPa。

（2）根据自编公式可得SN＝10.3（3）计算结果见表4。

表4 项目路面设计成果表

7 结语

通过采用2种设计方法对比验算发现，虽然AASHTO路面设计方法与我国的沥青混凝土路面设计方法在理论上有着本质的区别，但是两者的设计结果还是高度相关，最重要的区别体现在可靠度上。在排水条件相同的情况下，我国的规范设计结果与AASHTO设计方法标准差S0＝0.50、可靠度R＝90%大体相当。

［1］ State of florida depart ment of transportation.Flexible pavementdesign manual［S］.Fdot Pavement Management Office，2008.

［2］ 王永胜，孔永健.AASHTO沥青路面结构设计方法在我国的适用性研究［J］.北方交通大学学报，2004（4）：36-62.

［3］ 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.

［4］ 李美玲，冉 晋，任瑞波.基于FWD的沥青路面结构单层模量反算研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2011（2）：365-369.

［5］ 李 刚，张留俊，丁小军.基于AAST HTO的沥青混凝土路面设计方法［J］.公路，2008（9）：143-146.