美国地沥青学会AI沥青路面设计方法修订稿

美国地沥青学会A I沥青路面设计方法

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第七篇AI沥青路面设计方法

MS-l（Thickness Design-Asphalt Pavement for Highways and Streets）是美国地沥青学会(AI)出版公路及城市道路沥青路面厚度设计方法手册，自1955年以来，出版了九个版本的MS-l系列手册。MS-l的第七和第八版是以AASHO道路试验、WASHO道路试验和一些英国试验路的数据为基础，1981年出版的MS-l的第九版本与前面的版本不同，第九版以前的MS-l手册中沥青厚度设计方法都是采用经验方法，第九版本以力学一经验法为基础，应用弹性多层体系理论以及经验的破坏准则确定路面的厚度。1983年进行了MS-1修订，提出了专门的设计程序CP-1 DAMA，并研制了能覆盖三个不同温度范围的系列设计图表,然而代表美国很大一部分地区的只有一张图表。1991年又提出了MS-l第九版的修正版本和新的CP-1 DAMA 程序（以下简称DAMA），包括了三个不同温度区范围的路面厚度设

图 AI 厚度设计法流程图

第一章 交通分析

计算设计年限内的设计ESAL

在进行路面结构设计时，必须首先对设计年限内的交通状况进行预测。AI 对交通量的预测是以80KN 作为当量标准轴载为基础的。为了得到设计年限内的设计车道上当量轴载的ESAL ，首先必须将各种荷载组下的作用次数换算为对应的80KN 的当量轴载次数。对应80kN 当量标准单轴荷载的(n 0) i 为i 荷载组每天的初始重复作用次数，可用下式计算:

(n 0) i =(p i F i )(ADT)0(T)(A) (8-1-1) 式中: (n 0)i 为i 荷载组每天的初始重复作用次数；p i 为i 荷载组占总重复作用次数的百分数； (ADT)0为设计年限开始时的日均交通量；T 为货车在ADT 中的百分数；A 为每辆货车的平均轴数；F i 为i 荷载组的当量轴载系数（EALF ）,是根据pt=、SN=5时的AASHTO 当量系数。对应的当量轴载系数F 计算公式：

18)2log(33.4)2log(79.4)118log(79.4)18

log(

)/1log(ββGt

x

Gt

L L Lx W t W tx F -

+

++-+==

（8-1-2）

其中：Gt=log[（）/（）]

x=+(Lx+L2)[(5+1)为作用在一组单轴、一组双轴、一组三轴上的荷载,单位为kip,L2为轴的编号,单轴为1,双轴为2,三轴为3。

设计车道设计年限内的当量轴载的ESAL 计算公式：

ESAL=(p i F i)(ADT)0(T)(A)(G)(D)(L)(365)(Y) （8-1-3）

式中：G为增长系数；D为方向分布系数，通常假设为，除非两个方向的交通量不同；L为车道分布系数，它随交通量和车道数目而变化；Y为设计年限，单位为年。其中式（8-1-3)中右边第一项和第四项合并，称之为货车系数。

T f=(p i F i)(A) （8-1-4）

式中：T f为货车系数，或每辆货车的8OkN单轴荷载作用次数。式（8-1-3）改写为：

ESAL= (ADT)

0(T)(T

f

)(G)(D)(L)(365)(Y) （8-1-5）

路面设计所需最基本的交通消息是设计年限初的货车日均交通量ADTT，ADTT可以用ADT的百分率或实际值表示，这一初始日均交通量，可以通过交通特性与设计项目相类似的道路实际交通统计得到。确定设计ESAL应采用以下具体步骤。

（1）预测拟建工程可能行驶的不同类型车辆的数量，如客车、单车厢货车(含公共汽车)以及各种类型的多车厢货车等。若可以预测货车总数，但不知其类型，则可用表作为参考，查表得出各货车百分数。

表美国不同等级公路的货车分布情况

（2）确定每种车辆的货车系数。

对于所有货车采用相同的货车系数，也可以对不同等级的货车采用各自的货车系数。表给出了常用的货车系数。若只知道货车的总数，则不需要按表1将其细分为不同车型，只要将货车总数乘以表2底部所示的全部货车系数，即可得到当量8OkN(l8kip)单轴荷载作用次数。

表美国不同等级公路和车辆的货车系数分布情况

（3）确定车道分布系数，即设计车道总货车交通量的百分数。对于双车道公路，设计车道可以取路面上的任一车道。在缺乏具体数据时，可以用表确定车道分布系数。

表车道分布系数

(4)对于给定的设计年限，按下公式计算增长系数，也可以按照各种货车分别选用不同的增长率。

增长系数={(1+）n-1}/

其中，为交通量增长率，一般为010%，n为设计年限135年,一般20年。

(5)将每种货车的车辆数乘以货车系数和增长系数，再将这些值加起来即为设计ESAL。

设计ESAL的简化确定方法

在缺乏详细的交通数据时，AI法建议用表预测设计ESAL。这一简化方法将交通量划分为6个等级，每一等级与公路或街道的类型相对应，表中有在设计年限内预期行驶的重型货车平均数。重型货车定义为有2轴6轮或者更大的货车，小型货车、箱式货车和轻型4轮货车不包括在内。所示各个等级的ESAL 可以用于设计。

表交通分类

注：只要可能，应对IV和IV级以上的道路作精确的交通分析。

第二章各结构层材料控制及基本试验内容路基土

（1）塑性土壤

路基顶面至深度30cm内压实度，最少要压实度要求达到AASHTO T180 D 法所求得最大干密度的95%以上，30cm以下为不小于90%。如果是膨胀土，含水量宜控制在较最佳含水量大12%范围内，非塑性土的含水量宜控制在较最佳含水量小12%范围内。

（2）非粘性土壤

路基顶面至深度30cm内压实度，最少要压实度要求达到AASHTO T180 D 法所求得最大干密度的100%以上，30cm以下为不小于95%。

粒料基层、底基层

当采用末处治的集料基层和底基层时，其材料技术要求需满足

ASTM2940 。

1）ASTM2940材料技术要求

粗集料：

即以上的集料，可以采用轧制碎石、轧制砾石甚至可以采用较好质量的矿渣。大于集料至少有75%以上颗粒具有两个或两个以上的破裂面。

细集料：

即以下的集料。最终级配中筛通过率不能超过通过率的60%以上。

对于基层，通过以下的集料液限不大于25，塑性指数不大于４。砂当量不小于35。

对于底基层，而且深度大于冰冻深度，塑性指数不大于6，砂当量不小于30。

２、采用水筛。如果当地冰冻害较严重，通过率可以取较低的值，同时注意通

过率不要大于3%。

2）末处治的集料基层和底基层混合料性能要求

3）现场压实控制

现场压实度要求达到AASHTO T180 D法、再以T224修正所求得最大干密度的100%以上。含水量应控制在最佳含水量的%范围内。

4）试验内容

沥青混凝土

1）集料技术要求

沥青混凝土集料必须符合AI SS-1规定，级配可以参考ASTM 3515。

沥青混凝土的材料可以采用碎石、碎矿渣、碎砾石以及自然、人工砂，对于轧碎砾石一般要求筛上不少于40%，具有至少一个破碎面，对于高速公路不

小于90%；对于OGFC混合料，筛上不少于90%具有至少一个破碎面、不少于70%具有两个或以上的破碎面。

粗集料的磨耗值，对于面层40%，沥青混凝土基层50%。采用硫酸钠作试验时不大于12%、采用硫酸镁作试验时不大于18%。

细集料要求不含有害物质，筛下料的塑性指数不大于4。

基质沥青可以按照表的推荐情况采用。

同时矿粉规格必须符合AI SS-1 1992年版要求，即ASTM D242要求。

2）沥青混合料配合比设计及技术要求

沥青混合料的设计按照MS-2中规定的马歇尔方法进行设计配合比设计。

注：不同的空隙率下的VMA可以采取插值获得

同时，提出对于大粒径的沥青混合料采用大Marshall的标准：

为了获得与标准Marshall相同的压实效果，大Marshall的双面击实次数由以前的50、75次相应提高为75、112次，其体积参数不变，依然要求符合上表的要求。但是稳定度和流值的标准由以前的数值分别相应提高、倍，同时对于非标准高度的试件的要求按下表调整为标准高度下的标准值。

3）沥青混合料现场控制

注：VMA、VFA可以自行控制

现场压实度要求：每天生产的沥青混凝土为一批，每一批试验室必须击实6个试件，现场钻芯5个试件。现场5个试件的平均密度应该达到室内6个试件密度的96%以上，而任何一个试件的压实度不得低于94%。如果采用最大理论密度，则平均压实度达到92%以上，单个压实度达到90%。

4）基本试验内容

第三章 结构设计的力学图式

对于沥青混凝土面层、沥青混凝土或乳化沥青基层采用三层弹性层状连续体系；当其下还有粒料基层时，采用四层弹性层状连续体系。荷载图式为双圆垂直荷载，不考虑水平荷载，以80KN 单轴荷载为标准轴载，单圆当量圆半径δ=，两轮中心间距为3δ，力学计算须计算各层沥青层底、路基土顶面以下单圆中心点1、单圆内侧边缘2、双圆间隙中心点3三个点的位置最大应力、应变值。

1 2 3 沥青层 泊松比 E1逐月变化

粒料层 泊松比 E2逐月变化 路 基 泊松比 Mr 逐月变化

1 2 3

图 AI力学图式

第四章设计标准

Al设计方法采用两种应变作为破坏准则。因此有两个设计标准：一个是沥青层底部的水平拉应变，控制疲劳开裂；另一个是土基表面的竖向压应变z，控制永久变形，即车辙。

疲劳准则

AI法建立了标准混合料(沥青体积为11%，空隙率为5%)的疲劳方程见式（4-1），该方程考虑了实验室与野外条件的差异。

N f=（）|E*| (8-4-1)

式中：N f为控制疲劳开裂的允许荷载重复作用次数，|E*|为沥青混合料的动模量（Mpa）。AASHO道路试验所选路段的观察表明，应用式（8-4-1）所得到的疲劳开裂占总面积的20%。

对于非标准混合料，根据实验室的疲劳试验结果，式（8-4-1）可表示为：

N f=（）|E*|.C (8-4-2)

式中：C为空隙率Va和沥青Vb的函数。

C=10M（8-4-3）式中：M=[Vb/（Va+Vb）]

永久变形准则

根据AASHO试验数据整理结果得出，控制永久变形的允许荷载

重复作用次数可用下式表示:

Nd=10-9（z）（8-4-4）

认为只要路面压实良好，且沥青混合料设计得当，式（8-4-4）计算的设计交通荷载作用下的车辙不会大于。

第五章各结构层材料特性及材料强度的确定

材料特性主要包括土基、粒料基层和沥青层的回弹模量和泊松比。路基土的泊松比假设为，其他材料的泊松比假设为。

路基土

自从1981版开始采用路基土的回弹模量，即标准回弹模量Mr作为路基土强度指标，不包括土基冻融时的模量值。路基土Mr试验值的确定方法：

①路基土模量的确定可以通过AASHTO T274或AI MS-10中规定试验直接确定，试验时的轴向压力为6psi，径向压力2psi，在确定Mr时还需考虑材料的饱和度和干密度。如果不能实测，也可以通过换算得到：

②CBR换算得到，Mr=（CBR10%）；

③R-value换算得到：Mr=8+（R-value的水压力为240psi）；

④Plate bearing（K）换算。

第九版MS-1中主要采用前三种方法确定路基强度的试验值，已经取消了Plate bearin（K）换算为回弹模量的方法。

为了确定回弹模量试验值具有代表性，必须确定路基土取样位置：

路堤：取土区取样

路堑：在挖方后断面上取土

原有地面：在地面下50～100cm内取样。

假若试验值变异性很大，应随机取样，确定控制作用的土的类别，和不同土类的边界。若土的类别相差很远，且每一种土覆盖的面积很大，应考虑将工程项目分开，单独设计。

一般至少有6～8个试验值，采用累积曲线来确定土基的设计回弹模量。首先确定交通量的大小，确定土基设计回弹模量保证率。然后按从大到小的顺序排列土基模量，计算各值与各测量值总和，在图中作出试验值的累积曲线。最后从图中读出保证率百分数对应的路基土设计回弹模量值。

设计交通量1百万次。

路基强度试验值、、、、、80、。

累计百分率计算结果见表。

绘制试验值与累计百分率曲线图见图。

根据表得出路基土设计回弹模量百分率为%，查图，得出该交通量下的路基土设计回弹模量为 Mpa。

表

未处治的粒状材料

粒料材料的模量是与应力水平相关，应力对回弹模量的影响为：

E=K

1

K2 （8-5-1）

式中：为第一应力不变量，一般取。K

1、K

２

为实验得到的系数；系数K

1

选用的范围为至Ｍpa；幂指数K

２

等于。

在DAMA设计程序中，将土基和所有沥青稳定层作为线弹性，将未经处治的粒料基层作为非线性弹性。因为由土基应力变化产生的模量变化通常很小，假设土基线弹性是合理的。粒料基层的模量根据多变量回归的预测方程计算：

E

2

＝０. (8-5-2)

式中：E

１、E

２

和E

３

分别为沥青层、粒料基层和土基的模量；h

1

、h

2

分别为

沥青层和粒料基层的厚度；K

1同式

(8-5-1)。

热拌沥青混合料

沥青混合料的动模量由一个计算公式确定，该公式由室内60种不同的沥青混合料试验得到，方程也被DAMA程序所应用。热拌沥青的动模量|E*|用下式确定：

|Ｅ*|＝105101 (8-5-3-1)

1=

3

+

2

(8-5-3-2)

2 =5

3=+(

200

+

+(8-5-3-3)

4

= (8-5-3-4)

5=+ (8-5-3-5)

值

图由试验值确定路基土设计

模量

式中：1与５为中间常数；为荷载频率(Hz)；T 为沥青混合料温度(F)；200为集料通过200 号筛的重量百分率；Va 为空隙体积(%)；为沥青在C 的粘度(106泊)，若无足够的粘度数据，可以按= P 25计算，P 25C 为25C 的针入度；Vb 为沥青体积（％）。

制作图表时式(8-5-3)采用如下参数值：200 = 5%；＝10Hz ；对于面层Va ＝４％、Vb ＝11％，基层为7％、11％。以纽约州、南卡罗来州和亚利桑那州为代表的三个地区温度，分别用年平均气温（MAAT ）为7、、24C 来考虑。用于研制设计图表的沥青结合料种类及其粘度见下表。在寒冷地区，月平均温度低于7C ，为了防止因温度应力而产生路面横向开裂，采用较软的沥青。在炎热地区，月平均温度大于24C ，采用较硬的沥青。

均温度Mp ，按下式计算：

Mp=Ma[1+1/（Z+4）]-34/（Z+4）+6 （8-5-4）

其中Mp 为路面平均温度，Z 为表面下深度（in ），Ma 为月平均温度。 乳化沥青混合料

基层允许采用乳化沥青混合料。根据集料的种类，规定了三种混合料： I 型：用经过加工、混合料厂拌拌和密级配混合料，具有与HMA 类似的性质。

II 型：用部分加工过的轧制碎石、料场或河岸的天然集料拌制的混合物。 III 型：含有砂或粉砂的混合料。

在23C 、38C 温度下对32种不同混合料进行了试验，得出每一种混合料在铺设期间和养护完成以后的劲度模量代表值，其它温度时的模量可用线性插入得到。养护时间对劲度模量得影响可用下式表示：

E t =E f -（E f -E i ）(RF) （8-5-5）

式中：E t 为养护时间t 的模量；E f 为养护完成后的模量，E i 为未养护、初始时的模量；而RF 为养护时间t 时的折减系数。

图 六个月养护期的折减系数

折减系数 RF

制备设计图表采用6个月的养护期，因为更长的养护期直至30个月对于图表所得的厚度的影响不大。表给出了各类乳化沥青混合料的劲度。

第六章环境影响

设计图表除了考虑一年中月温度变化对HMA和乳化沥青混合料劲度模量的影响外，还应考虑冻融对土基和粒料材料回弹模量的影响。设计时在冰冻时期用高一些的模量，在冻融时期用低一些的模量，对于MAAT为7C或15C的地区进行修正，而对于MAAT为24C的地区不作修正。

土基

图所示为一年中土基模量的变化情况。该图显示了一年中土基强度的变化的4个时期，即冰冻、融化、恢复和正常四个时期，每个时期路基土回弹模量不同。土基模量在融化时期可能会降低为正常模量的几分之一。用于两个温度地区的融化模量值和每个时期的持续时间见表。若已经知道每个时期开始和终了时的回弹模量，该时期中任意月份的模量值可由图插值得到。

3

50000p

si

正常

融化

图 土基回弹模量的季节变化

未处置的粒料基层

可以采用同样的方法，来修正未处治的粒料模量。式9中系数K1在冰冻状态为正常模量的300%，春融时降至正常模量的25%。下表为所用的月K1值变化情况。K2保持不变，为。

3

第七章 结构厚度设计

DAMA 程序是AI 专门开发用于多层弹性路面结构分析的，它采用了累积损

伤技术。AI 法采用DAMA 计算机程序可以同时计算满足疲劳开裂和车辙准则要求的最小厚度。对于任何给定的材料和环境条件，根据每个准则，可以得到两个厚度，将其中较大的值用于设计图表，由于这个原因，AI 许多设计曲线的形态反映了这两个不同的准则。 Al 法MS-l 手册的设计用图

Al 法MS-l 手册的设计用图可以见图～。这些设计图采用的年均气温为15C(60F)，该气温可以覆盖美国大陆的大部分地区。假设选用的沥青结合料符合表的要求，即使温度略有不同，但是HMA 模量不会有很大变化而明显影响厚度设计。1982年MS-1手册得研究报告还提供了年平均气温为C 和 24C 的设计图。这些图也列入了1991年版的手册中。

1） 全厚式HMA

图为全厚式沥青路面设计用图。已知土基回弹模量M R 和当量单轴荷载ESAL ，可以从图中直接获得包括面层和基层两者在内的HMA 总厚度。 2） 乳化沥青基层上的HMA

图～分别为I 、II 和III 型乳化沥青混合料的设计用图。图中给出了HMA 面层和乳化沥青基层的总厚度。乳化沥青基层上HMA 的最小厚度随交通水平而变化。见表。

3）未处治的集料基层上的HMA