沥青路面结构设计方法综述

反映各层材料的相对强度或相对 耐久性， 是一个比较模糊的概 念， 缺少定量的研究。 当各层材 料本身的材质、 组成及施工工艺 发生变化时， 材料的强度、 耐久 性都会发生变化时， 结构层系数 也应随之变化， 但材料的强度或 耐久性与其结构层系数之间的关 系并不明确。 这样， AASHTO设 计法就缺少了对新材料、 新工 艺、 新结构的适应性。 2.3.2 路面服务性指数（PSI）问 题
AASHO 试 验 路 面 面 层 材 料 采用高稳定性的厂拌沥青混凝 土， 底基层用的是砂砾料， 基层 则用4种基本材料： 碎石、 砾石、 水泥稳定砾石、 沥青稳定砾石。 经 过 研 究 提 出 结 构 数 SN 的 结 构 层系数， 后来AASHO设计委员会 又推广到其他材料， 提出建议值。
路面各层材料的结构层系数
随着车辆荷载的作用而衰减， 以 PSI＝1.5做为路面的极限破坏标准。
以 AASHTO 试 验 路 结 果 为 基 础， 1972年出版第一版《AASHTO路 面 中 期 设 计 指 南 》 ， 经 过 1986年和1993年两次修改， 正式 推 出 《AASHTO 路 面 设 计 指 南 》 。 93 版 AASHTO 设 计 法 对 86 版 做 了 进一步的修订， 在路面设计中引 入了可靠度分析， 在考虑交通情 况对路面服务能力损失影响的同 时， 考虑了自然条件对路面服务 能力损失的影响。 2.2 AASHTO93 路 面 设 计 方 法 的主要优点 2.2.1 首 次 将 耐 用 性 指 数 引 进 路面设计方法， 而且提出不同道 路等级应有不同的设计标准， 使 路面设计与使用要求形成密切联 系。 2.2.2 建 立 了 不 同 轴 载 间 的 等 效关系， 使轴载轻、 重与交通量 多寡对路面的作用建立了合理的 关系， 解决了过去设计方法中一 直未能解决的交通荷载问题。 2.2.3 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 ， 此 结 果 是 AASHO 方 法的精华。 2.3 AASHTO93 路 面 设 计 方 法 的主要不足 2.3.1 缺 少 科 学 合 理 的 材 料 强 度指标
经验性路面结构设计方法存 在诸多的缺点， 既没有结合道路 等级提出明确的损坏标准， 又没 有解决交通荷载类型与交通量关 系等问题， 应用受到诸多限制。 AASHTO 于 20 世 纪 50 年 代 末 60 年 代初， 在渥太华和伊利诺斯州修 筑了大规模的试验路进行研究， 探索路面结构设计与路用性能 之间的关系， 其研究成果成为 AASHTO 设 计 方 法 的 实 践 基 础 ， 并对各国路面设计都产生了重要 影响。 AASHTO试验路提出了路 面状况的评价指标— ——路面服务 性指数PSI， 路面服务性指数PSI
采用弹性层状体系进行计 算， 但材料参数取值时充分考虑 材料的非线性。 荷载一般采用标 准 的 双 轮 荷 载 ， 轴 重 80kN， 用 “双圆图式”进行模拟。 3.2 设计标准
SHELL 沥 青 路 面 设 计 方 法 的 设计标准分为主要标准、 次要标 准和再次要标准， 共三个层次。 主要标准为路基表面垂直压应变 （控制路面车辙）和沥青层内水 平拉应变（控制路面开裂）； 次要 标准为基层底面拉应变（防止基 层疲劳开裂）和车辙深度指标；
关键词： 沥青路面； 结构设计； AASHTO； 路面力学模型
中图分类号： U416.217
文献标识码： A
文章编号： 1002-4786（2012）09-0138-04
Asphalt Pavement Structure Design Method
JIA Li-jie
(Chongqing Municipal Engineering Design & Research Institute, Chongqing 400020, China)
随着路面力学和计算技术的 发展逐渐产生了理论分析法。 理 论 分 析 法 典 型 的 有 壳 牌 （SHELL） 法 、 美 国 地 沥 青 协 会 （TAI ） 法 等， 我国沥青路面设计法也属于 理论法的范畴。 当然， 沥青路面 设计中任何理论分析法都不是纯 理论的， 都必须与路面调查、 室 内试验结论相结合， 包含有经验 法的部分成果。 理论分析法的特 征是通过路面力学模型计算结构 层厚度， 其优点是理论基础清 晰， 便于修订更新， 缺点是路面 模型对实际路面的大量简化会引 起一些误差， 而误差的修正系数 与经验法的指标一样， 是比较模 糊的， 带有一定的经验性。 同经 验法一样， 理论分析法也要随着 路面实践的发展而修订。
c）在预测路面使用性能时能 考虑材料老化的影响；
d）路面结构设计性能预估与 沥青混合料性能评价联系起来；
e）可以预估环境因素对路面 性能的影响。 3 壳牌（SHELL）设计法
1943年， Burmister发表的弹 性层状体系理论， 为沥青路面设 计理论分析法奠定了基础。 1963 年 英 荷 壳 牌 石 油 公 司 （SHELL） 把 理论计算结果和WASHO、 AASHO 试验路成果相结合， 提出了第一 个以理论分析为基础的沥青路面 设计方法， 从此， 理论分析法在 全世界范围内得以推广和发展。 其分别在1967年和1978年进行了 修订， 1978年修订后的壳牌设计 法成为理论分析法的代表。 3.1 计算模型
经验法是一种建立在大量实
际道路和试验路调查基础上的设 计方法， 典型的有AASHTO沥青 路面设计法、 CBR设计法等。 经 验法通过路面调查提出路面破坏 标准、 设计指标以及交通作用与 设计指标的关系， 以此为基础进 行厚度计算。 经验法建立在实践 的基础上， 因此在路面设计因素 变化不大的情况下， 经验法的设 计结果比较容易接近实际要求。 但是， 由于经验法设计曲线或设 计公式是由一定时期的路面调查 得到的， 随着路面结构、 材料、 施工养护以及交通情况的变化， 其对以后路面设计的适用性往往 受到限制， 需要根据各种影响因 素的变化不断修订， 但由于其参 数、 指标有很大的主观性， 理论 基础模糊， 修订工作比较困难。
Key words: asphalt pavement; structure design; AASHTO; pavement mechanics model
1 沥青路面设计方法的形成及 发展
沥青路面设计方法随着路面 技术、 交通状况及人们对路面破 坏状态认识的变化而不断发展， 经历了古典理论法、 经验设计法 和理论分析法三个阶段。
近年来， AASHTO将力学分
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道路工程 Highway Engineering
析引入经验法的设计过程， 实现 了经验、 理论法的融合， 与以前 的纯经验法相比有如下优点：
a）可以模拟荷载条件变化对 路面的影响；
b）可以对现实中实际存在和 使用的材料与其将来的使用性能 建立联系；
再次要标准是沥青层低温缩裂和 基层或底基层材料的最小模量要 求。 3.3 设Βιβλιοθήκη Baidu步骤
首先， 根据土基表面容许压 应变计算路面厚度。 然后， 计算 沥青面层水平容许拉应变， 拟订 各层模量， 计算沥青面层厚度和 基层厚度， 如基层为水泥稳定类 材料， 为保证在车辆荷载作用 下， 其拉应力小于容许拉应力， 将容许拉应力代入电算程序， 可 以求得沥青层厚度和基层厚度。 最后， 验算车辙深度。 对确定的 路面厚度， 计算设计年限末的车 辙深度， 当车辙深度大于容许值 时， 则变更结构设计， 重新计 算， 直至各项指标都满足要求。 3.4 SHELL设计方法评述
从1901年美国麻省道路委员 会第八次年会上提出的第一个路 面设计方法的公式， 至1940年的 Goldbeck公式， 沥青路面设计法 均属于古典理论法， 其特点是以 土基顶面的应力大小为依据设计 路面厚度。 随着路面结构形式、 施工技术水平、 以及路面力学理 论和计算手段的发展， 古典理论 法逐渐被淘汰。 经验法和理论分 析法是目前常用的路面设计方法。
道路工程 Highway Engineering
沥青路面结构设计方法综述
贾理杰
（重庆市市政设计研究院， 重庆 400020）
摘要： 针对沥青路面结构设计方法进行调研， 重点对AASHTO沥青路面设计法、 壳牌（SHELL）设计法和我国沥青路面结
构设计法进行深入分析， 对沥青路面结构设计方法的形成及发展、 各沥青路面设计方法的特点进行评述。
Abstract: Based on design method of asphalt pavement structure, this paper deeply analyzes AASHTO asphalt pavement design method, SHELL design method and design method of asphalt pavement structure in China, discusses the formation, development as well as characteristics of various design methods for asphalt pavement structure.
AASHTO93路面设计方 法 是 以AASHTO试验路为基础， 经过 多次改进后提出的设计方法， AASHTO93 设 计 方 法 在 交 通 量 （ESAL）、 土 基 强 度 、 设 计 可 靠 度与路面结构系数之间的模型， 是建立在50年代交通量及试验路 所在地区气候特点基础上， 存在 很大的局限性， 同时AASHTO93 设计方法对路面结构缺乏理论分 析计算、 缺乏对路面破损模型的 预测， 是一种经验性的设计方法。
AASHO 设 计 法 以 路 面 服 务 性 指 数PSI作 为 标 准 ， 它 主 要 反 映不平整度、 裂缝与修补面积和 车辙这些表面状况。 因此， 以 PSI为 标 准 进 行 路 面 设 计 ， 实 际 上是假设路面结构损坏与其表面 状况有必然的联系。 事实并非如 此， 例如西方国家对一些具有较 厚沥青面层的沥青路面进行调查 时发现， 一些路面虽然表面损坏 严重， 但仍然保持良好的结构 性， 经过表面恢复可继续使用， 并 未 像 AASHTO 法 假 设 的 那 样 PSI达 到 了 设 计 标 准 ， 路 面 便 达 到了使用寿命。 2.3.3 经验性设计方法
壳牌设计法作为理论分析法 的代表， 提出了明确的路面破坏 标准和结构破坏与材料特性、 荷 载的量化关系。 从路面模型、 结 构体系、 受力上更加明确， 从而 可以提出一套与路面结构破坏相 适应的设计指标， 进一步揭示路 面破坏的因果关系， 使路面设计 更趋合理， 同时也便于设计方法 的修定更新。 当然， 理论分析法 也存在不足， 其最大的缺陷在于 设计中对实际情况的简化和假设 带来的误差， 主要表现在路面模 型、 材料参数、 结构破坏准则等 几个方面。 路面力学和计算方法 的局限使得这些简化和假设成为 必然， 对于这些简化和假设带来 的误差只有通过引入修正系数予 以消除。 而误差的修正系数与经 验法中的指标一样， 是比较模糊 的， 带有一定的经验性。 虽然理 论分析法存在不足， 但其设计思 想代表着路面设计的方向。
AASHTO93 设 计 方 法 是 在 20 世 纪 50 年 代 美 国 AASHTO 试 验 路成果的基础上提出的路面设计 指南。 AASHTO于1961及1962年 分别提出柔性路面与水泥混凝土 路面的中期设计指南， 1972年出 版 第 一 版 《AASHTO 路 面 中 期 设 计 指 南 》， 经 过1986年 和1993年 两 次 修 改 ， 正 式 推 出 《AASHTO 路 面 设 计 指 南 》（1993）， 开 始 推 广应用。
138 交通标准化
Highway Engineering 道路工程
近年来， 随着人们对路面破 坏特性认识的深入， 逐渐产生了 长寿命路面的设计思想。 长寿命 路面的设计思路是： 保证路面足 够的整体强度， 把病害限制在路 面表层， 通过定期（10～20年 ）的 表面修复， 防止表面病害影响路 面结构安全， 保证路面在相当长 的设计年限内不发生结构性损坏 （40年以上）。 以下针对国内外主 流的沥青路面设计方法做介绍和 评述。 2 美国AASHTO93沥青路 面 设 计方法 2.1 AASHTO93沥青路面设计方 法简介