设计流程及路面结构设计原则-《铺面工程学（第2版）》

经过半个多世纪的发展，路面结构设计方法已经逐渐选择了力学-经验设计法，即路面结构设计以力学分析作为依据，广泛采用力学指标，形成了设计流程。图8-1是常用的力学-经验法路面设计流程图［5，6］。

图8-1　力学-经验法路面结构设计流程图

1.输入

输入部分是指调查、收集、预测并确定设计输入参数的过程，是整个设计的基础。准确地调查这些参数，是决定设计结果是否合理的关键，也是决定设计质量的关键之一。交通参数包括目前的交通量大小、轴载谱、横向分布以及交通量的增长率和未来轴载谱的变化。环境因素包括当地的历年最高最低气温、历年气温变化过程以及历年降雨量大小等因素。实际上，路面设计不仅需要当地环境资料，更主要的是要收集道路沿线历年气温和降雨的变化情况。当路线较长或地形复杂时，应该分段收集这些资料，以对路面设计有更强的针对性。土基状况是路面设计时需要明确的另一个重要参数，应根据几何设计结果（填挖方情况）、组成路基的材料特性和地下水位高低等因素，结合本书第3、第4章方法初步确定土基的模量。材料性能是指路面结构各层次建筑材料的组成、物理性能和力学性能，根据该道路沿线的材料供应情况、各结构层次的具体要求、交通的繁重程度和道路的重要性，按照本书第5章中的方法确定各层材料的类型和力学参数。对于重要的工程或重交通路面，或对不常使用的材料类型，应该通过专门的试验确定材料的具体力学参数。

上述设计参数可以采用不同的方法获取；不同方法所得参数值的准确性、可靠性也不同。通常可以采取三种方法获取上述设计参数，也称为三种精度水平的设计参数：

水平一：通过试验实测；

水平二：利用已有经验关系式计算；

水平三：参照典型数值取用。

在高速公路、一级公路的施工图设计阶段，宜采用水平一，其他设计阶段可采用水平二或水平三方法获取参数；二级及二级以下公路可采用水平二或水平三方法获取参数。

除了上述参数外，设计参数还包括路面设计使用年限和设计可靠度。路面设计使用年限是指路面在正常设计、施工、使用和养护条件下，设计时所设定的路面损坏量累积达到临界水平前的时间长度，也称路面设计年限，可细分为路面结构设计使用年限和路面功能设计使用年限。在没有特别说明时，路面设计使用年限一般指路面结构设计使用年限。路面结构设计使用年限是指路面结构性损坏量累积达到临界水平前的时间长度，应根据公路等级、交通荷载、当地经济状况、维修对交通的影响以及建设养护成本来综合确定，表8-1是我国《公路沥青路面设计规范》（JTGD50—2017）规定的设计使用年限的下限。考虑到路面维修对交通的影响越来越大以及路面的全寿命成本，目前国际上路面结构设计大多是采用较大的设计使用年限。

表8-1　路面结构设计使用年限（下限）　单位：a

路面功能设计使用年限是指路表面满足使用要求或维持所要求功能的时间长度，或路面因表面功能丧失或严重受损而采取铣刨加铺等养护专项工程措施前所持续的时间长度。路面功能设计使用年限和结构设计使用年限可以相同，也可以不同。当采用的结构设计年限比较长时，可以采用不同的功能设计使用年限。对于高速公路和一级公路，其功能设计使用年限可以采用8年以上。(www.xing528.com)

路面使用年限是用于计算累积轴载作用次数的基准期；而基准期内的累积轴载作用次数也称为路面的设计寿命。

在路面结构设计中还需要考虑参数的可靠度，以便更准确地表述所设计的路面结构实现其性能的程度；其定义是路面结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的概率。在设计时，要求路面达到的可靠度称为目标可靠度，相应的数值指标称为目标可靠度指标。表8-2是我国《公路沥青路面设计规范》（JTGD50—2017）规定的各等级公路的目标可靠度和目标可靠度指标。

表8-2　目标可靠度和目标可靠度指标

在确定了参数的基础上，根据要求的路面设计可靠度，初步拟定一种或多种路面结构和各层材料的具体组成，作为备选方案，供下一步具体分析和优化。

实际上，形成备选方案是整个设计过程中十分重要的环节，也是“设计”中“设”含义的最直接体现。备选方案越多、越全面，则最终的设计结果越趋于合理，可以说备选方案的质量是决定最终设计质量的重要因素之一。

2.损坏分析

损坏分析的主要任务，就是对备选的路面设计方案进行疲劳、变形（车辙）和低温开裂等损伤的定量分析，以确定这些备选方案对设计要求的符合程度；或根据上面提到的某些设计指标对备选方案进行验算，以判断备选结构的合理性。

要对初拟的路面方案进行疲劳、变形（车辙）和低温开裂的定量分析，首先要有相应的损坏分析模型。多年来，大量的研究人员虽然一直开展这方面的研究，试图建立能够定量分析路面不同损坏类型的模型，但成效不大，且未能建立起可靠的分析模型，所以这种理想的分析过程尚未能得到广泛应用，尚处于研究之中。

实践中广泛采用的分析方法相对比较简单，即根据设计指标对初拟的路面方案进行验算，看其是否能满足特定的设计标准。所采用的指标即为上面阐述的指标，包括沥青层内的弯拉应变、整体性结构层底面的弯拉应力、路基顶面的压应变和/或路表回弹弯沉等。不同的设计方法采用了上述一种或几种设计指标，根据累计轴载作用次数确定这些指标的设计标准值，以控制相应的路面损坏。

3.结果输出

基于上述分析，综合考虑技术分析结果和经济、政策等因素，优化选择最终的结构设计方案。