瀝青路面設計方法

孫 奕 孟祥欣 余耀威

(1.沈陽市公路建設有限公司，遼寧沈陽 110011;2.沈陽公路規劃設計院，遼寧沈陽 110168;3.大連理工大學建設工程學部，遼寧大連 116000)

1 簡介

瀝青路面設計方法最初為古典法，后來經過不斷的發展，逐漸形成了目前被大多數國家采用的經驗法和力學—經驗法兩大類設計法。經驗法主要依賴于試驗結果和實際的路面使用情況以及相關的工程經驗;而力學—經驗法建立力學模型，在考慮實際的道路環境、交通荷載以及材料特性等因素之后，把理論分析與實際經驗結合起來，計算并設計路面結構［1］。

本文簡要介紹經驗法中的CBR法和AASHTO法及力學—經驗法中的Shell設計法和AI設計法。

2 經驗法

經驗法通過對試驗路或使用道路的試驗觀測所得的大量數據結果的整理分析，建立起荷載與路面結構以及路面性能之間經驗關系，使用此經驗關系進行路面結構設計。其中最典型的兩種為CBR法和AASHTO法。

2.1 CBR 設計法

加州承載比CBR(California Bearing Ratio)法，是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗方法。CBR法是美國加州工程師Porter在1929年提出的。CBR設計法用材料抵抗局部荷載壓入變形的能力來表征材料的承載能力，并且設定了標準碎石的承載能力為標準，以材料的承載能力與標準碎石的承載能力的比值百分數作為CBR值。CBR值后來也被用于評定土基的強度。通過CBR試驗得出路面的CBR值，再結合路面的實際狀況，可以得到CBR值與實際交通荷載以及路面結構之間的經驗關系，并依此來進行路面結構設計［2，3］。CBR法對于后來的瀝青路面設計方法最大的貢獻就是提出了CBR值作為表征路基土和路面材料的力學性質的參數指標［4］。因為此方法有比較完善的圖表來確定瀝青路面厚度，應用時非常便捷，所以受到了眾多工程技術人員的歡迎。美國陸軍工程兵部隊在二戰時曾采用CBR法，日本目前所采用的瀝青路面設計方法也是參照了CBR法制定的，而且目前CBR法仍然是美國聯邦航空局(FAA)的機場瀝青路面設計方法。但是，CBR設計法也有很大的局限性。CBR值不能直接度量材料的承載能力，因為它沒有直接的理論依據，僅僅是一個經驗性的指標。而且在實際使用中，路基土的工作狀態通常是處于彈性范圍內的，但是CBR值卻不能有效的反映彈性變形［5］。

2.2 AASHTO 設計法

AASHTO法是根據20世紀50年代末60年代初在渥太華和伊利若斯州進行的大規模道路試驗的結果得到的。AASHTO設計委員會于1961年先提出暫行設計指南，現已有1972年修訂版，1986年版和1993年版以及200X版。對于路基土的性質，AASHTO法主要考慮其回彈模量。AASHTO法提出了結構數的概念，它是反映路面結構強弱的指標，反映了路面各結構層層位、材料及厚度與路面結構強度之間的對應關系。AASHTO法最大的貢獻是首次提出了現時服務能力指數(PSI)的概念，反映路面的實際狀況以及使用性能。由大約5人～10人的評分小組進行評定后，綜合考慮小組的主觀評價與客觀評價而得到的評分，即為PSI值，以此來量化的反映路面的實際狀況［6，7］。AASHTO法采用的設計控制標準為使用年限末的路面現時服務能力指數。AASHTO法建立了不同軸載之間的等效關系，使軸載大小與交通量大小對路面的作用建立了合理的關系，解決了之前設計方法中一直難以解決的交通荷載問題。提出了路面結構數SN與加權軸載通過次數N之間關系的基本方程。初步確定了不同路面層材料的結構層系數，還引進了地區系數的概念，給以后的設計方法提供了有益的啟發。但是，PSI只能反映路面的使用性能狀態，不能準確描述路面的結構性損壞。AASHTO法沒有考慮路面的維修改造內容，而且試驗當時所考慮的交通荷載也不能和現在的交通量相比［8］。

3 力學—經驗法

力學—經驗法首先將路面簡化為理想的結構圖式或力學模型，并將行車荷載和環境因素的作用典型化，即轉化為代表值或等效當量值，采用結構分析理論(如層狀彈性體系理論等)和計算方法(有限元等)，建立起荷載作用和路面結構反應之間的計算模型和公式，作為分析各結構設計變量對設計控制指標的依據，按設計要求設計路面結構。而設計標準和設計參數的選取，則是通過實際工程經驗或試驗路的實測數據整理、修正得來。其中最為著名的有殼(Shell)法和美國瀝青協會(AI)法［6，7］。

3.1 Shell設計法

1962年，殼牌公司提出以彈性層狀體系代表路面結構，計算分析圓形均布荷載作用下的應力、應變和位移值，把面層底部的拉應變以及路基頂面的壓應力或壓應變作為設計指標，分別控制疲勞開裂和車轍［6］。對于路面結構以及材料，Shell法所考慮的參數主要有各層的厚度，材料的動態模量、泊松比以及體現材料粘彈性性質的勁度模量。路基動態模量可以用動態彎沉試驗在現場測定，也可以在室內通過三軸試驗測定。如果受試驗條件限制，也可以用CBR試驗法或承載板試驗法，并結合以往相關工程的經驗進行選擇。溫度等環境因素的影響體現在其對瀝青混合料模量的影響上［9］。取瀝青層底部和路基頂部的輪中心點下方和輪際中心點下方兩處為計算應力與應變的最不利位置。Shell設計法的兩項控制標準分別如下:其中，Nf為累計標準荷載作用次數;Vbit為結合料的體積比;Smix為瀝青的勁度模量。瀝青層永久變形為:Δh1－i=Cm×h1－i×(Z × δ0)/Sm－i。其中，Z 為應力分布系數;δ0為軸載壓應力;Sm－i為第i層的勁度模量;Cm為修正系數，在Shell路面設計手冊中可以查得［10］。

3.2 AI設計法

AI即美國地瀝青協會。AI設計法沒有考慮水平荷載，路面模型為雙圓垂直荷載下的多層彈性體系。路基土的泊松比為0.45，其他材料的泊松比為0.35。對于路基土和粒料材料，考慮其回彈模量;對于瀝青混合料，則考慮其動態模量。以溫度對瀝青混合料勁度模量值的影響來體現環境因素的影響［6，7，11］。

與Shell法相同，AI法所采用的設計標準也是控制疲勞開裂的瀝青層底部的水平拉應變和控制永久變形的土基表面的豎向壓應變［12］。AI法設定瀝青占總體積的11%，空隙率為5%的混合料為標準混合料，并給出了其疲勞方程:Nf=0.001 5(εθ)－3.291|E*|。其中，Nf為允許荷載重復作用次數;|E*|為動態模量。非標準混合料的疲勞方程則可以根據實驗室的疲勞試驗結果修正為:Nf=0.001 5(εθ)－3.291|E0.854|C。其中，C 為瀝青混合料的空隙率與瀝青體積率的函數。C=10M。M=4.84［Vb/(Va+Vb)－0.6875］。控制車轍的允許荷載重復作用次數可由Nd=1.365×10－9(εz)－4.477計算。

4 目前我國的瀝青路面設計方法

目前我國的瀝青路面設計采用力學—經驗法，以雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性體系為計算模型，各層面之間的接觸狀況按照連續體系處理。在彈性層狀體系理論的基礎上，以路表回彈彎沉值和整體性材料層底彎拉應力為主要設計指標。路表回彈彎沉表征了路面整體的強度與剛度特性，整體性材料層底的彎拉應力則用來控制疲勞開裂。路表回彈彎沉的計算點選在輪隙中心點，瀝青混凝土面層和半剛性材料層底拉應力計算點的位置為單圓中心點、單圓半徑的1/2點、單圓內側邊緣點以及雙圓間隙中心點［13］。設計時，首先以路表回彈彎沉作為首要指標進行設計，然后再用瀝青混凝土面層和半剛性材料層底彎拉應力來驗算并加以修正。交通荷載采用重量為100 kN的雙輪組單軸軸載為標準軸載。在計算中，各層材料的模量均采用不利季節的抗壓回彈模量。瀝青混凝土和半剛性材料的抗拉強度采用劈裂試驗得到的劈裂強度。

5 建議

通過國內外瀝青路面設計方法的簡介、對比，借鑒國外的設計方法，針對我國的設計方法，提出以下建議:1)我國的設計方法中采用的模量都是靜態下的，由于路面實際所受荷載大多數情況下是移動的車輛荷載，所以在計算中為了更接近實際情況，可以考慮采用動態模量。2)我國的設計方法中采用Shell法的多層連續彈性層狀體模型，但是實際上層間接觸并不一定是完全連續的，可以考慮更改模型中的接觸條件。如果難以完成，參照經驗法的部分實測數據然后回歸分析可能是一個解決此問題的方向。3)在設計中，對于路面的損壞控制不應該僅限于整體強度與剛度特性和疲勞開裂這兩個方面，可以參照AASHTO經驗法的PSI指標，對于路面病害、損壞程度和服務能力做出一套更為細化、更貼近實際使用情況的描述和相關的控制指標。

［1］姚祖康.對國外瀝青路面設計指標的評述［J］.公路，2003(3):14-15.

［2］朱照宏，許志宏.柔性路面設計理論和方法［M］.上海:同濟大學出版社，1985.

［3］Yoder EJ，Witczak MW.Principles of Pavement Design［M］.陳炳麟，譯.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］張起森，韓春華.美國瀝青路面設計方法的發展［J］.中外公路，2002(5):3-5.

［7］沈金安.國外瀝青路面設計方法總匯［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［8］孫立軍.瀝青路面結構行為理論［M］.上海:同濟大學出版社，2003.

［9］姚祖康.公路設計手冊——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，公路瀝青路面設計規范［S］.