AASHTO瀝青混凝土路面設計方法探討

何振宇 余武軍

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430056）

世界各國瀝青混凝土路面設計方法大致可以分為2類：①以試驗為依據的經驗法；②以力學分析為依據的理論法。我國現行《公路瀝青路面設計規范》以設計彎沉及材料容許拉應力為標準，采用基于層狀彈性理論的靜態設計方法，屬于理論法。而以經驗法為代表的AASHTO設計方法，采用可靠度設計，考慮交通荷載預測與使用性能變量的不確定性，結合大量試驗路段經驗數據總結而來，作為世界上最具影響力的設計方法之一，不僅在美國得到廣泛應用，而且在歐洲、日本、加勒比海地區的使用也證明了其合理性。

1 AASHTO設計方法簡介

AASHTO瀝青路面結構設計方法通過使用性能方程將路面結構設計與其使用性能評價及預測結合起來，該設計方法是在大量試驗路段資料的基礎上總結出來的，表達式為

式中：W18為設計年限內18×103lb（80 k N）累計當量軸次；ZR為對應設計可靠度R的正態偏差；SN為路面的結構數；S0為交通量或使用性能預估的總標準差；ΔPSI為使用性能期內路面服務能力指數的變化量；MR對于基層、底基層材料為動態回彈模量，對于土基為有效回彈模量。

2 設計參數及設計標準

2.1 交通量

（1）標準軸載。基于分析期內預測累計18×103l b（80 k N）等效單軸荷載（ESAL）作用次數（W18）。

（2）軸載換算。瀝青路面交通量換算分析按式（2）計算。

式中：Fj為荷重當量因子；ax為標準車輛計算應力或軸重、輪重；ai為各種車輛的壓力或軸重、輪重。例如單軸重8 000 l b換算為18 000 l b單軸重的荷重因子為

（3）分析期內設計車道的標準軸次，按式⑶計算［1］：

式中：ESALD為分析期內累計標準軸次；X為設計年份；AADT為年每日平均交通量；T24為24 h周期內重型貨車百分比；DF為方向分布系數。單車道取1，雙車道取0.5；LF為車道分布系數，可以使用式 （4）計算。

如果是雙車道，LV＝0；如果是3車道或以上，LV＝1。

E18為等價系數，可根據表1確定E18數值。

表1 不同類型公路等價系數E 18

2.2 可靠度（R）

可靠度是指在設計時加上一定程度的保證率以確保設計方案可以持續整個分析期的方法。目標可靠度（R）可以按照不同功能分級的道路，參照有關規定選用。其相應的標準正態偏差ZR可根據表2選取。

表2 不同可靠度的標準正態偏差Z R

標準偏差S0取值視當地具體條件而定，但根據AASHTO試驗路誤差分析結果，建議瀝青路面選取0.45的標準偏差。

設計時應該特別注意，由于引入了可靠度參數，對其他各項材料及交通參數應該使用平均值作為該值的最佳估計而不應該使用保守值。

2.3 設計年限及服務能力

根據擬建道路功能等級不同，在瀝青路面設計中道路的設計年限從10～50年不等，根據各項目特定的條件和制約因素，設計年限的確定應著重考慮：項目建設初始資金、壽命周期費用、有關管理部門依據政策和經驗期望的年限及其他一些工程因素。

路面耐用性指數PSI作為衡量路面使用性能的指標，其值主要受路面不平整度、裂縫與修補面積、車轍量3者的影響而變化，一般認為瀝青路面剛修好的初始服務能力指數（PI）為4.2，最終服務能力指數（PT）是建立在公眾接受能力的基礎上確立的，主要公路（PT）推薦值為2.5或更高值，次要公路（PT）推薦值2.0。一旦確定了PI和PT，就可以用式（5）確定服務能力總的變化。

2.4 有效土基回彈模量

確定土基有效回彈模量，研究人員將1年分成若干間隔，在這些期間內分別動態地測得路基土的回彈模量，確定路基土的設計模量：

式中：m為1年內測定的間隔數，若半個月測定1次，則取為24；MRj為每個間隔期內測得的回彈模量，MPa。式（6）計算得到的MR稱為路基土的有效回彈模量，以此作為設計模量。如果是海外工程，在當地材料辦公室能查得MR數值。如果是用于國內項目驗算、復核，由于AASHTO中MR為動態模量，我國瀝青路面計算方法中E0為靜態模量，則應進行轉換。國內外學者通過研究，建立了土基回彈模量與加州承載比CBR之間的關系，如Heukelo m和Klo mp等人指出，MR與加州承載比CBR的關系為［2］

我國長安大學的研究人員的研究結果表明，E0和CBR之間的關系為

由以上2式可以得出土基的動態模量和靜態模量是2倍的關系。

3 路面結構組合

AASHTO設計指南中推薦了4種類型的瀝青路面結構組合［3－4］。

3.1 無結合料粒料基層路面

（1）瀝青層＋級配碎石基層＋級配碎石底基層。

（2）瀝青層＋級配碎石基層＋未篩分礫石材料底基層。

3.2 全厚式瀝青路面

適合于路基土MR大于62 MPa的任何交通量道路。

3.3 瀝青穩定碎石基層

（1）瀝青層＋廠拌瀝青碎石＋未篩分礫石材料底基層。

（2）瀝青層＋廠拌瀝青碎石＋級配碎石底基層＋未篩分礫石材料底基層。

（3）瀝青層＋路拌瀝青碎石＋未篩分礫石材料底基層。

（4）瀝青層＋路拌瀝青碎石＋級配碎石底基層＋未篩分礫石材料底基層。

3.4 水泥穩定碎石基層

（1）瀝青層＋水穩基層＋未篩分礫石材料底基層。

（2）瀝青層＋水穩基層＋級配碎石底基層。

（3）瀝青層＋水穩基層＋處治路基土。

每種路面組合的適用范圍不同，設計時應該根據交通量、設計時速、土基回彈模量、氣候條件、施工條件、養護條件等因素的不同，因地制宜，經濟適用地進行選取。

4 路面結構數（SN）和層位系數

路面結構數（SN）為層位系數、層厚、排水系數的函數，其表達式為

4.1 層位系數

不同材料對整個路面結構承載力的貢獻是通過其層位系數來表征的。層位系數可以通過與材料性質有關的試驗曲線或關系式確定［5］。

（1）瀝青混凝土面層層位系數a1，可按它與該材料的彈性（回彈）模量Eac關系曲線（見圖1）查取，或根據函數關系式（10）確定。

圖1 瀝青混凝土面層層位系數a 1與該材料彈性模量E ac的關系曲線

（2）瀝青處治基層的層位系數a2，可按它與該材料的彈性（回彈）模量Ebs或馬歇爾穩定度的關系，查圖2確定。

圖2 瀝青處治基層層位系數a 2與該材料彈性模量E bs和馬歇爾穩定度的關系

（3）水泥處治基層的層位系數a2。可按它與該材料的彈性（回彈）模量Ebs或7 d無側限抗壓強度的系，查圖3確定。

圖3 水泥處治基層層位系數a 2與該材料彈性模量E bs和7 d無側限抗壓強度的關系

（4）粒料基層的層位系數a2。可按它與該材料的彈性（回彈）模量Ebs（psi）的關系式（11）確定：

（5）粒料墊層的層位系數a3。可按它與該材料的彈性（回彈）模量Ebs（psi）的關系式（12）確定：

（6）排水系數m2，m3為粒料基層和粒料底基的排水系數，取1.2，瀝青混合料及穩定處理材料不考慮排水系數。

4.2 層厚的選取

通過式（1）代入各參數通過自編公式確定路面結構的結構數（SN），然后根據式（9）確定路面各層厚度，該結構組合將提供相應于設計結構數的承載力。但是由于式（9）并沒有惟一解，有很多種層厚組合能滿足方程，所以在選擇合適的路面層厚時，應當考慮施工成本及養護成本，以避免不切實際的設計。

（1）最小厚度的規定。瀝青混凝土面層和粒料基層最小厚度，參照表3中的規定。

表3 最小厚度

（2）各結構層厚按圖4由上到下確定。

圖4 確定各結構層厚度的步驟

5 設計步驟

采用AASHTO設計方法確定瀝青混凝土路面結構層厚度步驟如下：

（1）確定設計年限。

（2）確定設計常量，如標準偏差S0，初始服務能力指數PI，最終服務能力指數PT，服務能力總的變化ΔPSI。

（3）確定設計變量，如交通量、回彈模量、可靠度、標準正態偏差。

（4）根據所選取的材料力學性質試驗結果，確定層系數。

將式（2），（3）條中數據代入式⑴中計算，可得到路面結構數SN，將SN和確定的層系數代入式（9）中就可以得到相應的路面結構組合。

6 巴哈馬機場高速公路項目設計成果

（1）項目條件。雙向4車道，設計車速55 k m／h，設計壽命20年，累計交通量70×106輛，MR＝80 MPa。

（2）根據自編公式可得SN＝10.3（3）計算結果見表4。

表4 項目路面設計成果表

7 結語

通過采用2種設計方法對比驗算發現，雖然AASHTO路面設計方法與我國的瀝青混凝土路面設計方法在理論上有著本質的區別，但是兩者的設計結果還是高度相關，最重要的區別體現在可靠度上。在排水條件相同的情況下，我國的規范設計結果與AASHTO設計方法標準差S0＝0.50、可靠度R＝90%大體相當。

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

［2］ 王永勝，孔永健.AASHTO瀝青路面結構設計方法在我國的適用性研究［J］.北方交通大學學報，2004（4）：36-62.

［3］ 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.

［4］ 李美玲，冉 晉，任瑞波.基于FWD的瀝青路面結構單層模量反算研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2011（2）：365-369.

［5］ 李 剛，張留俊，丁小軍.基于AAST HTO的瀝青混凝土路面設計方法［J］.公路，2008（9）：143-146.