浅谈国内外沥青路面设计方法

摘要：目前国内外众多沥青路面设计方法中，可以归纳为两类：一是建立在经验或试验的基础上进行的经验法；一是以力学分析为基础的力学经验法，此方法考虑了材料特性、交通条件及环境因素。本文主要介绍国内外典型的设计方法，包括CBR法，AASHTO法，SHELL法，AI法和国内的设计方法，分别对比分析各设计方法的优缺点，并提出相应的改进意见。

关键词：沥青路面，设计方法，综述

沥青路面是我国高等级公路普遍采用的路面型式，它是在半刚性基层、柔性基层上铺筑一定厚度的沥青混合料作为面层的路面结构。沥青路面设计理论与方法经历了古典法、经验法和力学经验法的发展过程，目前各国多数以后面两种设计方法进行路面结构设计。虽然有不同的设计理论和方法作指导，但是沥青路面在设计年限内已经破坏的道路屡见不鲜，这与道路建设的各个环节都有关系，为了更好的了解并借鉴前人的研究成果，并完善和改进国内的沥青路面设计方法，本文简要介绍以经验法为代表的CBR设计方法，AASHTO设计方法;以力学经验法为基础的SHEEL法，AI法及国内的设计方法。

1 CBR 设计方法

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。

这个方法存在一个重要缺点既无法对结构组合的合理性进行比较，对路面各结构层特别是上层传布荷载的能力，没有充分地反映出来。用CBR法设计，对于防止沉陷、变形是直接有效的，对于防止开裂则是不可靠的。因此，有些路而按CBR法设计的强度即使达到了高标准，却仍较早地出现开裂损坏。CBR作为一个强度指标它同弯沉在本质上是一样的，它们都是表征路面抵杭垂直变形的能力，只是表达方式有差别。前者从产生一定变形的荷载来表示路面的抗垂直变形能力，后者则以一定荷载下的变形来表示路面的抗垂直变形能力。

2 AASHTO设计方法

AASHTO沥青路面结构设计方法通过使用性能方程将路面结构设计与其使用性能评价及预测结合起来。AASHTO道路试验所得到的经验性能方程，在现行的指南中仍作为基本模型，但是进行了修正和扩大，使其能适用于美国其他地区。应注意的是，初始方程是在给定的气候条件下，针对某种特定的路面材料和地基土推导出来的。

设计变量为：设计年限，轴载，可靠度，环境，服务能力，有效土基回弹模量，路面结构数。设计考虑因数：路面临界状态指标，设计交通量，土基承载力，地区系数。设计参数为：路基土有效回弹模量，可靠度参数，使用性能期和分析期以及交通。设计步骤：选定使用性能期和分析期—计算分析期内标准轴载累计作用次数—计算分析期内标准轴载累计作用次数—选用可靠度参数—确定设计标准—考虑环境的影响—确定各结构层厚度—制定第一阶段设计方案—选用排水系数—确定路面各结构层的层位系数—确定路基土的有效回弹模量。

现行AASHTO路面设计方法的缺陷：

（1）设计方法只适合于和AASHTO试验路相同的条件：一种气候条件，新路的修建；两年观测数据ESALs不超过2百万；50年代的车辆，材料和施工条件。

（2）ESALs的换算标准采用PSI，无法采用ES-ALs可靠地预测路面的损坏如车辙疲劳开裂，错台等。

（3）AASHO试验路的路基模量是3000
psi，相当于6 psi应力差。FWD反算模量远大于3000MPa，造成路面加铺厚度太薄。

3 SHEEL法

SHEEL法由英荷Shell石油公司所研究提出，理论较完善。此方法把路面当作一种多层线形弹性体系，其中各层材料用弹性模量E 泊松比μ表征。在基本设计方法中，路面结构假定为层间接触连续的三层体系，下层为路基，中间层为粒料或水泥稳定类基层和垫层，上层为沥青层，包括表面层、结合层和下面层，以路基表面垂直压应变和沥青层内的水平拉应变为主要设计指标，以水泥稳定类基层底面拉应力（或应变）和路表总变形为次要设计标准，以基层或底基层无机结合料材料最小模量和沥青层低温缩裂为其他次要标准进行设计，设计参数有荷载与交通、温度与湿度及材料特性。设计流程为: 拟定沥青层厚度—计算沥青层的有效温度—选定材料组成—求出各层模量—计算沥青层底面的水平拉应变—计算路面的试验寿命和使用寿命—比较调整。

此方法的优点如下：

（1）在路面力学模型方面，虽然以弹性层状体系理论为基础，但考虑了材料的非线性和粘弹性特性，在研究过程中曾以非线性层状体系理论和粘弹性理论来进行对比分析，在设计中的适用性又做了大量验证工作，在理论上较为完善。

（2）电算程序功能较为齐全，可计算多种层间接触条件下的任意点的应力、应变和位移，又能考虑粒状材料的非线性。

（3）在荷载图式方面，既有垂直荷载又考虑了汽车刹车、转弯时的水平力。

（4）设计指标方面采用了六项标准，用于控制各种路面破坏现象。

（5）设计曲线使用方便，基本不再依赖实验室试验就可进行设计。

此方法的缺点如下：

（1）车辙预估模型无法说明使用改性沥青对减少新建路面车辙的效果。

（2）轴载换算以等量的轮胎接触压力为基础，因此无法解释轴载不同、构型不同而接触压力相同的情况下，路面产生的车辙量不同的现象。

（3）在求混合料的劲度时假定沥青劲度等于非弹性部分劲度，未考虑弹性部分。

（4）道路永久变形计算方面原则正确，但计算公式忽视了路基和基层部分变形。

4 AI法

AI法的理论基础：把路面看成多层弹性体系，各层材料以弹性模量和泊松比表征，并考虑了沥青混合料的粘弹性和粒料的非线性等特征。以疲劳准则和永久变形准则为设计准则；以沥青层底面水平拉应变和路基表面的垂直压应变为设计标准；设计考虑的因素有：
轴载，环境条件以及材料特性。设计方法如图1.2所示。

AI法的优缺点：

（1）AI法吸收了各国有关路面设计方法的重大科研成果，把第七版和第八版所用的结构使用性能和功能特性(PSI)结合起来。在设计中采用了材料的动态弹性模量，与实际较符。

（2）未考虑各项指标的叠加效果，没有一个综合指标，仅考虑了温度对材料的影响，而未考虑湿度的影响，且当沥青较薄、交通量小时，设计结果较为保守，所以适用于较厚的混凝土层。

5 国内的设计方法

在我国的沥青路面结构设计中，《公路沥青路面设计规范》（JTG
D50-2006）是以弹性层状体系为基础，以路表弯沉和结构层层底弯拉应力作为设计指标进行协调设计。路表弯沉指的是道路整体结构在车辆荷载作用下的垂直位移量，它反映了路基和路面整体结构的抗变形能力，也就是道路整体结构的总刚度。

我国沥青路面设计方法不足主要表现在以下几点：

1）路表弯沉是一项整体性、综合性和表观性的指标。对于结构层组合和材料类型多样化的路面结构，采用路表弯沉作为主要设计指标，无法反映和包容路面结构的多样性及各种损坏类型，也难以协调平衡各单项设计指标。

2）沥青面层底面或半刚性基层底面的应力状况和大小，主要随上下层的刚度比和层间接触条件而变，它们受路表弯沉大小的影响很小。因而，路表弯沉指标无法控制面层底面或基层底面的应力状况和大小。路表弯沉指标由于无法与路基或路基和粒料层的变形量相对应，也并不能起到完全控制后者的作用。同时基层修正系数和弯沉修正系数不合理。

3）对相同的结构层组合和材料类型的同一路面结构，路表的弯沉可以反应路面的抗变形能力，但对不同的路面结构，其路表弯沉大的路面结构并不一定比弯沉小的路面结构承载能力差，使用寿命不一定比弯沉小的路面结构差，因而不能用弯沉判断路面的承载能力。

4）半刚性基层上的沥青路面，在层间接触为连续的情况下，沥青面层底面的应力处于受压状态；在层间接触为滑动的情况下，沥青面层底面的应力虽有可能处于受拉状态，但沥青面层的疲劳寿命仍大于半刚性基层。因而，沥青面层底面拉应力验算指标在设计中不会起控制作用。对于半刚性基层沥青路面结构厚度起控制作用的是半刚性基层底面的。

5）重视结构设计但对性能研究不够（材料与结构、水损害、温度稳定性）。

6）改建设计按新建设计不合理（加铺、罩面）。

7）材料参数有局限性（静态、粒料材料等）。

8）设计理论不完善（线弹性、静态、超载、非荷载型裂缝）。

9）设计针对性不强（公路、水泥混凝土桥面、钢桥面、贫混凝土基层、排水基层等）。

10）没有考虑施工变异性。

11）没有车辙和低温的设计指标。

12）弯拉应力设计指标在使用过程中不容易测定，弯沉成了唯一的与设计规范中对应的竣工验收指标。虽然路表面回弹弯沉值便于量测，但其作为设计指标之一在实际使用过程中不尽合理。局限性体现在：假如设计弯沉值为23（0.01mm），当实测弯沉值大于23（比如24、25）时即为不合格，但这并不影响路面的正常使用，因此在路面设计中路表面回弹弯沉值更适合用作验算指标。

13）我国路面管理系统中，表征路面使用性能的单项指标有不平整度IRI、路面破损率DR、路段弯沉l0及路表抗滑系数 SFC，综合指标有路面状况指数PQI。其中，仅有弯沉与路面结构设计有关。然而，弯沉不直接反映路面的使用性能，利用弯沉指标来评价路面的使用性能并非较好途径。路面管理实务中，一般都使用行驶质量指数、路面破损指数等建立与维护费用、用户费用以及路面使用寿命之间的联系，而甚少直接使用弯沉或者强度系数指标，仅有时将弯沉指标作为对路面使用性能的补充描述。

许多计算分析表明，应用现行规范的设计方法和参数设计的半刚性基层沥青路面，在满足设计弯沉要求后，沥青面层几乎完全处于受压状态（事实上，按照现行沥青路面设计方法，正常情况下，半刚性基层上的沥青混凝土层总是处于受压状态的），底面拉应力验算指标在设计时根本不起作用；而半刚性基层或底基层底面的拉应力通常都比其疲劳强度小很多，这一验算指标在设计中也实际上不起作用。因此，表面弯沉事实上成了唯一的设计或控制指标。然而，许多半刚性基层沥青路面在弯沉值很小的情况下产生了早期疲劳损坏，这与设计理论相矛盾，说明现行沥青路面设计方法不能控制半刚性基层沥青路面的疲劳损坏。

6 小结

国内外有影响力的各沥青路面设计方法中，都是在不同的试验或实际条件基础上确定下来的，各有优缺点，应该在总结多年来实践的基础上，不断的对设计方法进行补充和完善，进一步修订出更适合国情的沥青路面设计方法，为更优质的路面质量服务。

参考文献：

[1]JTJ 014-2006,公路沥青路面设计规范[S]

[2]黄卫,钱振东.高等沥青路面设计原理与方法[M].北京:科学出版社,2001.460-463.

[3]何振宇,余武军.AASHTO沥青混凝土路面设计方法探讨[J].交通科技，2014(3),6: 78-81.