美国沥青路面设计方法的发展

的回归系数，与公路的物理力学性质很少或根本就没 个季节为单位，假定季节内材料性质和载荷组成为常
有关联。鉴于中国公路系统的复杂多样和交通载荷的 数，通过计算机程序可以计算其相应的应力和应变。
自身特点，公路结构本身的内在的非线性规律，很难用 季节单位的定义是广义的，可以小时、天、月为单位。
传统的经验公式来描述。
质、包括环境和老化作用。力学—经验设计公式不再 车辙转换公式：
是单一公式，而是一个有机的设计过程。设计过程要 求将材料性质、各层初始厚度及载荷组成输入力学计 算程序，计算关键位置的应力和应变，如双轮中心处面 层底部的拉应变和路基顶部的压应变。利用应力和应 变结果，进而计算破坏容许载荷次数和计算条件下的
（ ） 0
log
!PSI 4 .2 -1 .5
.40
+（SN1
094 + 1 ）5 .19
+
2
.32log
MR
-8
.07
式中：W80 为预测的80 k N 单轴标准当量次数；
Z R 为 标 准 正 态 分 布 的 偏 差，Z R =（log W80 -
l og Wt 80 ）／S 0 ；
Wt 80 为时间t 时积累的80 k N 单轴标准当量次
作为美国国家重点公路科研项目（NCHRP 1 37 A），美国各州公路与运输工作者协会2002 设计指 南计划于2002 年4 月完成，指南吸取了以往力学—经 验设计研究的精华，旨在建立新世纪公路设计规范，最 终产品为便于使用而且灵活的计算机软件，指南不仅 仅适用于 新 建 路 面，还 适 用 于 修 复 和 重 建 路 面 设 计。 指南将整 个 设 计 过 程 模 块 化，包 括 数 据 输 入、病 害 模 型、初始设计、力学计算、破坏分析、病害预测、方案比 较等模块。根据性质将各模块分成三大类，即输入值 编辑类、结构性能分析类及技术方案比较类。输入值 编辑类的主要任务是建立初始设计方案，包括有设计 所需输入值，为第二类工作作准备，核心在基础分析。 对于新建路面而言，基础分析包括确定路基的强度和 刚度，如果可能，还应包括体积变化、冻胀隆起、融化状 态及排水条件的评估。路基材料的改性，也应加以考 虑。当进行路面修复设计时，基础分析的主要内容成 为现有路面的病害调查与分析。同时采用弯沉试验和 反算程序评价现有路面的强度或刚度。根据具体情 况，还可进行现场取样试验。
在输入值编辑类中，除路面材料性质和交通载荷 输入的编辑外，气候数据的输入编辑也是主要任务，指 南采用了美国联 邦 公 路 局（FH WA ）的 集 成 气 候 模 型， 为基础和材料分析提供气候数据，同时为第二类中的 路面力学分析提供气候数据。输入编辑考虑了数据的 变异性和 不 定 性，分 析 第 一 种 输 入 数 据 的 概 率 分 布。 数据的统计特征作为输入数据用于蒙特卡罗模拟，形 成可靠度分析的重要组成部分。另外，指南在输入编
结构性能分析的主要特征为迭代性，从拟定设计 厚度开始迭代。经过分析的每一个设计方案，包括许 多设计内容。如层厚的初始拟定值、现有路面所需修
! 美国各州公路与运输工作者协会 "##"设计指南
Hale Waihona Puke Baidu
补方案、路面材料性质。使用结构的力学分析和性能 模型，通过 计 算 时 间 增 量 累 积 破 坏，分 析 拟 定 设 计 方 案。使用蒙特卡罗技术模拟设计过程，确定每一种病
（ ） Nf = 5 > 10 -6
10 6 !I
3
伊利诺依交通厅公式
使用同样的经验型公式形式，建立路基顶部最大垂直
性能的预测能力、充分显示了施工的作用、建立了材料 性质和实际性能之间的关系、明确定义了路面各层性
压应变!U 和车辙破坏时容许轴载次数Nf 之间的关 系，以获得车辙转换公式。例如美国沥青学会开发的
"2第"0"202"2卷"年"1"第0"5 "期月""""""""""""""""""中""""外""""公"""路"""""""""""""""""""""""""1"9""
文章编号：1671 -2579（2002 ）05 -0019 -04
美国沥青路面设计方法的发展
张起森1 ，韩春华2
（1 . 长沙交通学院，湖南 长沙 410076 ；2 . 美国布朗综合技术公司）
纯经验公路结构设计公式采用传统的统计回归方 法，推导和确定公路性能的关系。在假定性能预测变 量的基础上，通过分析经反复观测获得的性能数据，标 定预测公式的参数。由于高次方非线性回归分析复 杂，需要更多的公式标定数据，而数据收集又很昂贵， 因此线性或对数线性回归分析方法的使用较为普遍。 一旦确定设计公式的类型和参数，应从准确性和统计 显著性两 个 方 面 出 发，进 一 步 评 估 公 式 的 预 测 能 力。 舍去统计显著性差的自变量之后，须重新标定公式的 回归参数。
f ij
5期
美国沥青路面设计方法的发展
3
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式中：D 为总破坏比值； nij 为在载荷组成i 和材料性质j 条件下，实际轴
载次数； Nfij 为在载荷组成i 和材料性质j 条件下，疲劳
（ ） Nf = 1 .077 > 1018
1 !U
4 .484 3
一旦确定转换公式，根据曼勒假设，可将每一个季节单
位内的实际轴载次数和疲劳破坏时容许轴载次数之比
累积相加：
载荷次数。对每一季节条件和每一种载荷组成进行迭 代计算，并累计破坏指数。如果破坏指数大于单位1 ，
"" D = i
7 ij
N j
力学—经验设计公式的优点在于充分考虑了载荷 类型的变化、完全利用了材料的性质、大大改进了路面
开发的疲劳转换公式，以疲劳破坏时容许轴载次数 Nf 表示，考虑了沥青面层底部的最大拉应变!I 和该层的 弹性模量E AC 。而伊利诺依交通厅开发的疲劳转换公 式较简单，仅考虑了沥青面层底部的最大拉应变。转
换公式如下： Nf = 10〔2 .68 -5log（!I ）-2 .66log（EAC ）〕 美国陆军工程兵公式
关键词：美国沥青路面；设计方法；发展；AASHTO2002 年设计指南 !
! 现象—经验设计公式
纯经验公路结构设计公式仅仅是基于对公路性能 历史的观察而作出的判断，一般在加速道路试验过程 中确 定 公 式。通 常 根 据 美 国 各 州 公 路 工 作 者 协 会 （AASHO）公路环道试验确定的经验公式，将不同的交 通载荷转换为80 k N 单轴标准当量重量（ESAL ）。美 国各州公路工作者协会于1993 年更名为美国各州公 路与运输工作者 协 会（AASHTO ），是 美 国 公 路 技 术 权 威机构。
数；
S0 为交通与性能预测的综合标准差； SN 为 公 路 结 构 数，SN = a 1 D1 + a 2 D2 m2 + a 3 D 3 mb ； ai 为第i 层 承 载 层 系 数（沥 青 混 凝 土 层 系 数 = 0 .44 ，轧制碎石基层= 0 .14 ，砂卵石基层= 0 .11 ）； Di 为第i 层厚度； mi 为第i 层排水系统；
通常使用现象性或模拟性材料试验，在设计公式
中加入材料性能自变量，以便改进经验设计公式。常
见的现象性或模拟性材料试验包括马歇尔稳定度、流
值、维姆稳定度、无侧限抗压强度、回弹模量、循环载荷
流变强度及弯梁疲劳强度。以 AASHTO 的柔性路面 设计公式为例，说明公路性能的现象—经验公式：
log（W80 ）= Z RS 0 + 9 .36log（SN + 1 ）-0 .20 +
摘 要：概要介绍了近40 年来美国沥青路面设计方法的发展，从20 世纪50 年代末到 60 年代初完成 AASHO 试验提出的现象—经验设计公式，到力学—经验设计法以及最近完成 的 AASHTO2002 年设计指南的变化过程和内容，可以看出，所谓“新世纪的公路设计规范— AASHTO2002 年设计指南”，它包含的内容和所考虑的因素已越来越多，设计过程的模块，包 括数据输入、病害模型、初始设计、力学计算、破坏分析、病害预测、方案比较等，既适用于新建 路面，也适用于老路修复和重建，给用户提供的是一整套适用而灵活的计算机软件。我国也 正在考虑沥青路面规范的修订工作，而且西部建设科技项目也立了许多沥青路面课题，那么 我们的规范应该怎样修改，走出多大的步伐，是值得我们每一个道路工作者认真考虑的问题。
则表明结构破坏，因此调整初始厚度，重新计算累积破 坏指数。如破坏指数远远小于单位1 ，则表明设计过 于保守，同样需要调整初始厚度，重新计算累积破坏指 数。设计过程采用模块化形式，为不同的本构方程计 算机程序的应用带来方便，也为不同的性能模型的应 用带来方便。
设计过程的主要特征是迭代循环。第一次迭代循 环针对气 候 条 件，给 定 载 荷 组 成，改 变 每 层 的 材 料 性 质。第二次迭代针对载荷组成。最后一次迭代，也是 关键的一次迭代，针对各层厚度。在累积破坏计算完 毕之后，便可确定设计厚度是否合适。如果不合适，设 计过程应重新开始。显然，设计过程要求确定材料性 质和载荷组合的季节变化特征，并且根据当地条件标 定路面性能预测模型，如车辙和疲劳破坏模型。以一
害的分布，计算每一种病害超过临界水平的风险或概 率。通过标定的病害模型，使用分析结果，即计算的时
间积累破坏，计算时间累积病害和交通载荷。经过修 改拟定设计方案，继续迭代，直到达到满意的可靠度。 对于给定可靠度，通过模拟和闭合修改拟定设计方案， 继续迭代，直至达到满意的可靠度。对于给定可靠度， 通过模拟和闭合解析解完成厚度设计。
破坏时容许轴载次数。 对于路面第一层的初始厚度，都可以计算其总破
坏比值。当计算比值超过单位1 时，认为该层设计厚 度不够，应增加厚度，重新计算设计厚度。如计算比值 远远小于单位1 时，认为该层设计厚度过厚，应减少厚 度，重新计算设计厚度。当计算比值小于且接近单位 1 时，认为达到最佳设计厚度。
辑中引入分级结构形式，根据设计项目的重要程度确 定数据的级别水平要求。数据的级别越低，变异性也 就越大。由于可靠度分析结果反映了数据变异性的大 小程度，从而使结构性能分析独立于数据水平。指南 中规定，第二级数据代表了现有的数据收集手段和已 经收集的数据。第一级数据则代表了更全面、更准确、 更合适的数据。指南对第一级数据的具体规定，为各 级交通管理机构在使用推广指南期间，确定了既定的 目标。
收稿日期：2002 -06 -20 作者简介：张起森，男，教授，博导，主要研究方向为路基路面结构设计及路面力学分析.
2
中外公路
22 卷
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!PSI 为设计中选定的初始现时服务水平指数和 最终现时服务水平指数之差；
通过破坏模型或转换公式，计算所得应力和应变可用
! 力学—经验设计公式
来估计路面设计寿命。计算机程序很多，对于沥青路 面，程序中使用的本构方程包括线性层状弹性、非线性 层状弹性、粘弹性及粘塑性。
力学—经验设计公式以材料的本构方程为基础，
由于转换公式具有经验性，因此选用转换公式一
分析在各种轴载、环境、材料及结构条件下公路的基本 定要以当地条件为依据。例如，美国陆军工程兵部队
反应和性能。从实际条件入手，建立具体问题的力学 状态和边界条件，从而利用适当的本构方程，确定问题 的解。常用的本构方程包括线性弹性、非线性弹性、粘 弹性、弹塑性等。在力学—经验设计公式中，力学模拟 与性能观测相结合，即用力学模型确定在载荷作用下 路面的力学反应，如应力、应变、位移，同时利用路面的 观测数据建立力学反应和服务寿命的经验关系，最终 完成厚度设计。
MR 为路基土回弹模量（Pa ）； PSI 为现时服务水平指数，PSI = 5 .03 -1 .9log（1 + SV ）-1 .38（RD ）2 -0 .01 !（C + P ）； SV 为单位英尺长度路面的坡度变化； RD 为 采 用 4 英 尺 直 尺 测 定 的 车 辙 中 心 深 度 （i n ）； C 为路表每1 000 平方英尺范围内的裂缝长度 （Ft ）； P 为路表每 1 000 平方英尺范围内的补坑面积 〔（Ft ）2 〕。 从以 上 AASHTO 的 柔 性 路 面 设 计 公 式 可 以 看 出，经验设计公式的准确性完全依赖于性能观测数据