沥青路面设计：基于使用性能的方法

此类设计法中最具代表性的是AASH TO设计法。

在第二次世界大战后，随着交通的发展和车辆荷载的增加，原有的路面设计方法已不能满足道路工程的需要，因此出现了一批试验路，以求为制定新的路面设计法提供基础。在这些实验路中，具有代表性的有：Maryland试验路和WASHO试验路。其中建于1950年的Maryland试验路主要测定在重复荷载作用下已有水泥路面的破坏；而建于1953～1954年的WASHO试验路主要测定在同样荷载作用下柔性路面的性能。

上述试验路的建设，最终导致AASHO资助的在1958～1960年闻名世界的AASHO试验路的修筑。

AASH TO设计指南（1972年版、1985年版和1993年版）：由于过去的路面设计法并没有根据路面的使用等级提出明确的路面破坏标准，同时也没解决车辆荷载类型和交通量间的关系，更没有对路面各层的不同材料性质作出评价，因此，美国各州公路者协会决定直接修筑试验路，根据实际测得的数据为依据，提出新的柔性路面设计法。该试验路在1958～1960年间修建，共包括6个环道，其中3～6环道为试验路段。在试验路段中，仅柔性路面段的部分就有不同的路面结构组合284段。

主要测试的项目包括：路面结构组成；路肩的作用；上基层的等值关系；有关路面强度的季节性变化和表面处置的作用等。其主要成果为：

（1）得出了路面耐用性指数与路面使用状态间的关系，并根据不同道路等级对路面的使用要求提出了路面设计标准。

（2）建立了路面设计方法的基本方程，提出了不同设计标准的路面厚度计算列线图和不同路面材料的等值系数。

（3）导出了不同车型轴载与数量间等效关系的换算公式。

其中最为著名的还是提出了轴载的等效换算（ESAL）和路面的服务能力概念（Serviceability）。

轴载等效换算（ESAL）：AASHO试验路以前的车辆轴载换算主要是依据机场铺面计算进行换算的。而ESAL则依据Boussinesq理论，根据应力和弯沉等效原则，以及AASHO试验路的测试结果计算而得。

服务能力（Serviceability）：在AASHO试验路铺筑前，较多的路面设计法只关注单轴荷载的作用，而对于路面在设计年限中和设计年限末的路面使用状况却很少关注。而AASHO试验路却定义了路面的使用状况或路面的耐用性指数，它不光反应了路面的破坏，而且反应了路面破坏的程度。

根据试验结果，经统计回归后，得到现时耐用性指数PSI公式。

AASHO设计法规定：对于主要公路，例如州际公路，PSI≥2．5；对于次要道路，例如一般公路，PSI≥2．0时，属于合格的路面，可以正常行车；当PSI≤1．5时，作为破坏标准，应予翻修；这两者之间应及时维修或罩面。

为此，AASHO设计法规定以20年为设计年限，在设计期间经过车辆行驶后，最终耐用性指数PSI=2．5作为主要公路的设计标准，PSI=2．0作为次要公路的设计标准。(www.xing528.com)

在AASHO道路试验过程中，在试验路完工和经过行车试验的各个阶段，把测定的数据经上式计算PSI后，发现PSI随行车的作用次数而逐渐下降。

根据试验路的大量资料，把各阶段的各个路面结构所经受不同车型的荷载作用次数与PSI的损失值的关系进行整理，可得AASHO试验路的基本方程。

1972年的设计指南一直到1985年才改版，后来在1993年又进行了一次修改。

在改版中，地区环境因素的变化由可靠性因素所取代，以适应设计等式和过程中的不确定性。

土基支承因素由路基的加权弹性模量所取代。对于土基材料而言，其弹性模量的试验和取值应该能够模拟主要恶劣环境下的有代表性的应力和湿度，同时主要考虑冻融循环的影响，这样季节弹性模量值就可以通过与土壤特性的关系建立起来，确定季节性模量的目的是为了量化道路每个季节的相对损伤并将其作为整个设计的一部分，然后建立一种有效的路基土弹性模量，这就相当于所有季节性模量的综合影响。

对路基土样品的试验表明季节性的湿度环境导致了明显弹性模量的差异。比如，在没有零下温度的气候下，测试雨季和旱季的不同是很重要的。然而，测试湿润的春季和秋季之间弹性模量的区别也许不是必须的，除非春季与秋季的平均降水量有显著的差别。对于春融或冻涨条件下，如果路基弹性模量测试有困难，一般按经验弹性模量取值。

本方法还提供了两种不同的决定模量季节性区别的方法。一种方法是先在实验室测定土体的弹性模量和湿度状况之间的关系，再对照实际情况确定每个季节土基的弹性模量。另一种方法是除了季节性模量外，把一年分成几个不同时间段以使不同的模量充分有效。

最为准确的测定方法是应该对一年中的每个月进行模量的评估，可实际上在美国很少有哪个州进行此项工作，较多的是利用McCullugh等在1972年绘制的诺谟图进行一些简单的模量纠正。而一些州还是采用CBR试验作为设计参数来评价土基的弹性特性。

修改的路面结构数包括上基层和下基层材料排水条件的湿度系数mi，比如结构数SN=a 1m 1t 1+a 2m 2t 2+a 3m 3t 3，依据路面结构内各层材料的排水质量，可分为优秀、好、一般、坏和很坏几种等级，而其对于路面结构数的贡献主要由上述因素和路面材料含水量造成的土体饱和程度而定。较多数的情况下，排水系数的取值是根据材料的特性和当地的环境来确定，而不是现场实测。

美国的州大都不同程度地采用了AASHTO设计法的不同时期的版本，既有全面采用的，也有部分采用的，这一点是很值得我国各省学习。较多的州是在吸收了AASHTO设计法的基础上，又作了一些修正，以适合当地的情况。比如，到现在，还有许多州在使用1972年版的层修正系数和地区修正系数，另一些州却在使用1985年的版本，但只是采用了其中的概念性的东西，对于土基的弹性模量又重新进行了修正，以期适合当地的经验、气候和环境影响等。

比如Virginia法，Vaswani在重新核对了AASHO试验路的数据后，又简化了其设计方法，作为弗吉尼亚州的设计法。他重新定义了土体支承数和层系数，以一个综合值来反映沥青混合料的特性。土体支承值SSV主要由两个系数确定，即CBR和土体的弹性因素RF 来确定。修正的设计法认为光考虑土体的CBR值并不能全面反应土基的性能，而需考虑土的弹性和永久变形，从现在来看，这是非常合理的，而且是必要的，比如，有较高值的RF土体和有较低值的RF 土体对于永久变形值的影响肯定是不一样的。这些修正公式还在54个试验段进行了验证，并把成果在1969年发表在HRB上。

在1993年NCHRP发表的一篇报告中，美国有23个州还在采用1972年版的AASHTO设计法，而有19个州在采用1985年版的AASHTO设计法。

美国人的这种求实的做法，确实是值得我们好好学习的。