对国外沥青路面设计指标的评述

对国外沥青路面设计指标的评述

姚祖康

同济大学上海市200092

摘要：在简要介绍国外经验法和力学～经验法两大类设计方法后，着重对力学～经验法中控制疲劳开裂、永久变形和温缩断裂等损坏的各项设计指标的研究和应用现状进行了评述。

关键词：沥青路面；设计方法；设计指标；应用现状

1 设计方法

国外的沥青路面设计方法，可分为经验法和力学～经验法两大类。

经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构(结构层组合、厚度和材料性质)、荷载(轴载大小和作用次数)和路面性能三者间的经验关系。最为著名的经验设计方法有美国加州承载比(CBR)法和美国各州公路和运输工作者协会(AASHTO)法。

力学～经验法首先分析路面结构在荷载和环境作用下的力学反应量(应力、应变、位移)，利用在力学反应量与路面性能(各种损坏模式)之间建立的性能模型，按设计要求设计路面结构。从20世纪60年代初开始，各国科技人员致力于研制和实施沥青路面的力学～经验设计法，著名的有美国沥青协会(AI)法和壳牌(Shell)法。

1.1经验法

1.1.1CBR法

CBR法以CBR值作为路基土和路面材料(主要是粒料)的性质指标。通过对已损坏或使用良好的路面的调查和CBR测定，建立起路基土CBR～轮载～路面结构层厚度(以粒料层总厚度表征)三者间的经验关系。利用此关系曲线，可以按设计轮载和路基土CBR值确定所需的路面层总厚度。路面各结构层次的厚度，按各层材料的CBR值进行当量厚度换算。不同轮载的作用按等弯沉的原则换算为设计轮载的当量作用。

CBR法是美国加州工程师Porter在1929年提出的，后来虽然加州放弃使用此法，但在二次世界大战期间被美国陆军工程兵部队所采用，目前仍作为联邦航空局(FAA)的机场沥青路面设计方法。日本的沥青路面设计方法也是以CBR法为基础制定的。

CBR法对世界各国影响最广泛的是，采用CBR试验方法和指标值表征路基土和路面材料(粒料)的力学性质。CBR试验法是一种模拟野外路基土承载板试验的室内小型试验，它通过贯入试验测定路基土抵抗侧向位移的能力。然而，它仅是一种经验性的指标。即便Porter 本人也认为，CBR值并不是材料承载力的直接度量指标，它与弹性变形量的关系很小。而路基土应工作在弹性范围内的应力状态下，因而，路面结构设计对路基土的抗剪强度并无直接兴趣，更关心的是路基土的回弹性质(回弹模量)及其在重复荷载作用下的塑性应变[1]。

1.1.2AASHTO法

AASHTO法是在AASHO试验路的基础上建立的。整理试验路的试验观测数据，得到了路面结构～轴载～使用性能三者间的经验关系式。路面结构中的路基土采用回弹模量表征其性质；路面结构层按各层材料性质的不同转换为用一个结构数(SN)表征。AASHTO方法的最大特点是采用现时服务能力指数(PSI)作为路面使用性能的度量指标。PSI是一个由评分小组

进行主观评定后得到的指标，它与路面实际状况(平整度、裂缝、车辙、修补)之间建立经验关系式。不同轴载的作用，按等效损坏(PSI)的原则进行转换。

路面使用性能指标PSI，主要受平整度的影响，与裂缝、车辙、修补等损坏的关系很小。因此，这是一项反映路面功能性能的指标，而不是表征路面结构性损坏的指标。此外，这个方法源于一条试验路的数据，仅反映一种路基土和一种环境条件，推广应用于其它地区或国家时便存在着很大的局限性。但AASHO试验路的测定数据得到了良好的整理和保存，为许多力学～经验法的设计指标和参数验证提供了丰富的依据。

1.2力学～经验法

在第一届沥青路面结构设计国际会议(1962)上，壳牌公司的Peattie和Dormon分别提出了力学～经验法设计沥青路面的框架[2，3]：以弹性层状体系(三层)代表路面结构，计算分析圆形均布轮载作用下结构内各特征点的应力、应变和位移值，以沥青面层的疲劳开裂以及路基土和粒料层的过量永久变形作为沥青路面的主要损坏模式，选用面层底面在荷载重复作用下的拉应变以及路基顶面的压应力或压应变作为设计指标。这一设计框架成为随后进行并完成的Shell设计方法的雏形[4]。图1所示为Shell法采用的三层弹性体系路面模型。

随后20余年内，各国研究人员对力学～经验法进行了大量、深入的研究工作，在路面结构的多层弹性体系和粘弹性体系解、损坏模式、设计方法、材料特性、损坏(疲劳、车辙、低温断裂)特性、轴载作用、环境(温度和湿度)影响等方面取得了丰硕的结果。在第四届(1 977)和第五届(1982)沥青路面结构设计国际会议上，各国分别提出了十余种以力学～经验法为基础的设计方法，表1列示了其中6种设计方法的主要特点[5]。这些设计方法一般都遵循图2所示的框图结构[13]。

综观各设计方法，力学～经验法的研制须考虑并解答下述7方面问题：

(1)路面结构的力学响应模型——研制多层线性(或非线性)弹性体系解或粘弹性体系解，编制相应的电算程序，分析路面结构在轴载和环境因素作用下的应力、应变和弯沉量；

(2)路基土和路面材料的特性——为结构分析和损坏分析提供材料性质参数(模量或劲度等)和性能模型(疲劳、永久变形、低湿断裂等)，并制定相应的测试方法；

(3)损坏模式和损坏标准——选定路面结构设计所要考虑的损坏模式，如疲劳开裂、永久变形(车辙)、低温断裂等，依据使用要求提出相应的损坏标准；

(4)路面使用性能(损坏)预估模型——建立路面结构在轴载和环境因素作用下的力学响应量、材料特性与路面各损坏模式之间的转换函数；

(5)轴载作用——考虑不同轴载组成和作用次数的影响及其累积作用；

(6)环境影响——路面结构内的湿度和温度状况及其变化，湿度变化对路基土和粒料回弹模量的影响，温度变化对沥青面层混合料特性(劲度、疲劳、永久变形、收缩变形等)的影响；

(7)材料和结构的变异性以及结构设计的可靠度。

1987～1992年期间美国开展了公路战略研究计划(SHRP)项目，意图对沥青和沥青混合料进行深入研究，以制定与使用性能相关联(或以使用性能为基础)的沥青和沥青混合料技术规范并建立沥青路面使用性能(损坏)预估模型。这个计划在1993年完成后，由联邦公路局组织专家小组对使用性能模型进行评估。在1996年完成的评估报告中得出的结论认为，除了低温断裂损坏预估模型基本可用外，疲劳开裂和永久变形两个损坏模型存在严重缺陷，须继续研究以作改进，并计划在2007年完成[14]。