美国地沥青学会AI沥青路面设计方法.docx
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美国地沥青学会AI沥青路面设计方法
第七篇AI沥青路面设计方法
MS-l（ThicknessDesign-AsphaltPavementforHighwaysandStreets）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-1DAMA，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-1DAMA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计。
图8.1是AI厚度设计法流程图。
图8.1AI厚度设计法流程图
第一章交通分析
1.1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（n0）i为i荷载组每天的初始重复作用次数，可用下式计算:
（n0）i=（piFi）（ADT）0（T）（A）（8-1-1）
式中:
（n0）i为i荷载组每天的初始重复作用次数；pi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；Fi为i荷载组的当量轴载系数（EALF）,是根据pt=2.5、SN=5时的AASHTO当量系数。
对应的当量轴载系数F计算公式：
（8-1-2）
其中：
Gt=log[（4.2-2.5）/（4.2-1.5）]
x=0.4+0.081（Lx+L2）3.23/[（5+1）5.19L23.23]
Lx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=（piFi）（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0.5，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。
Tf=（piFi）（A）（8-1-4）
式中：
Tf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）（Tf）（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8.1.1作为参考，查表得出各货车百分数。
表8.1.1美国不同等级公路的货车分布情况
车辆类型
货车百分数
州际
其它主干线
次要主干线
集散道路
主要
次要
郊区路网
单车箱货车
2轴，4轮
2轴，6轮
3轴或以上
全部单车厢货车
半拖挂牵引车
4轴或以下
5轴
6轴或以上
全部多车厢牵引车
全部货车
43
8
2
5
5
41
1
47
100
60
10
3
73
3
25
1
27
100
71
11
4
86
3
11
1
14
100
73
10
4
87
2
10
1
13
100
80
10
2
92
2
6
1
8
100
市区路网
单车厢货车
2轴，4轮
2轴，6轮
3轴或以上
全部单车厢货车
半拖挂牵引车
4轴或以下
5轴
6轴或以上
全部多车厢牵引车
全部货车
52
12
2
66
5
28
1
34
100
66
12
4
82
5
13
1
18
100
67
15
85
3
12
1
15
100
84
9
2
95
2
3
1
5
100
86
11
1
97
1
2
1
3
100
（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8.1.2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8.1.2美国不同等级公路和车辆的货车系数分布情况
车辆类型
货车系数
州际
其它主干线
次要主干线
集散道路
主要
次要
郊区路网
单车箱货车
2轴，4轮
2轴，6轮
3轴或以上
全部单车厢货车
半拖挂牵引车
4轴或以下
5轴
6轴或以上
全部多车厢牵引车
全部货车
0.003
0.21
0.61
0.06
0.62
1.09
1.23
1.04
0.52
0.003
0.25
0.86
0.08
0.92
1.25
1.54
1.21
0.38
0.003
0.28
1.06
0.08
0.62
1.05
1.04
0.97
0.21
0.017
0.41
1.26
0.12
0.37
1.67
2.21
1.52
0.30
0.003
0.19
0.45
0.03
0.91
1.11
1.35
1.08
0.12
市区路网
单车厢货车
2轴，4轮
2轴，6轮
3轴或以上
全部单车厢货车
半拖挂牵引车
4轴或以下
5轴
6轴或以上
全部多车厢牵引车
全部货车
0.002
0.17
0.61
0.05
0.98
1.07
1.05
1.05
0.39
0.015
0.13
0.74
0.06
0.48
1.17
1.19
0.96
0.23
0.002
0.24
1.02
2.09
0.71
0.97
0.90
0.91
0.21
0.006
0.23
0.76
0.04
0.46
0.77
0.64
0.67
0.07
-
0.13
0.72
0.16
0.40
0.63
-
0.53
0.24
（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8.1.3确定车道分布系数。
表8.1.3车道分布系数
两个方向车道数
车道分布系数
2
50
4
45（3548）
6或6以上
40（2548）
（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。
1.2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8.1.4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8.1.4交通分类
交通等级
街道或公路类型
设计使用期限内预期行驶的重型货车范围
ESAL
I
停车场、汽车道；
车型住宅区道路；
轻型农场道路。
7103
5103
II
住宅道路；
郊区农场和住宅区道路。
710315103
104
III
市区次要支线道路；
郊区主要支线道路。
710415104
105
IV
市区次要干线和轻工业道路；
郊区主要支线和次要干线公路。
710515105
106
V
市区高速公路和其它主要干线公路；
郊区州际和其它主要干线公路。
21064.5106
3106
VI
市区州际公路；
一些工业用路。
710615106
107
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
2.1路基土
表8.2.1路基土基本试验
试验内容
应用
AASHTO
ASTM
试验频率
备注
1、一般试验
筛分析
液限
塑限
塑性指数
含水量
密度
土壤分类
用于路基土分类
T27
T89
T90
T90
T208
T100
M145
C136
D423
D424
D424
D2216
D854
D2487
1000m3或1500m3做一次
材料生产阶段
2、强度试验
CBR
或R-value
或回弹模量Mr
确定路基土强度，作为厚度设
计参数
T193
T190
D1883
D2844
施工前
一次或材料发生变化时
AASHTOT274或AIMS-10
3、重型击实试验
得出密实度-含水量关系曲线，得出最大干密度和最佳含水量。
T180
D1557
4、现场密度
灌砂法
或核子仪法
现场施工碾压控制
T191
T238、T239
D1556
D2922、D3017
1000m2或1500m2做一次
现场
施工
阶段
路基土现场压实控制：
（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AASHTOT180D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AASHTOT180D法所求得最大干密度的100%以上，30cm以下为不小于95%。
2.2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4.75mm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9.5mm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4.75mm以下的集料。
最终级配中0.075mm筛通过率不能超过0.6mm通过率的60%以上。
对于基层，通过0.425mm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。
表8.2.2级配范围和允许偏差
50mm
37.5mm
19mm
9.5mm
4.75mm
0.6mm
0.075mm
基层
100（-2）
95-100（5）
70-92（8）
50-70（8）
35-55（8）
12-25（5）
0-8（3）
底基层
100（-3）
90-100（5）
-
-
30-50（10）
-
0-12（5）
注：
１、允许偏差指现场混合料级配可以超出本规范的范围；
２、0.075mm采用水筛。
如果当地冰冻害较严重，0.075mm通过率可以取较低的值，同时注意0.02mm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
表8.2.3（1991版）末处治的集料基层和底基层质量要求
试验
底基层
基层
试验
底基层
基层
CBR（最小）
20
80
塑性指数（最大）
6
无塑性
R值（最小）
55
78
砂当量（最小）
25
35
液限
（最大）
25
25
1.075mm通过率
（最大）
12
7
3）现场压实控制
现场压实度要求达到AASHTOT180D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1.5%范围内。
4）试验内容
表8.2.4粒料底、基层基本试验
比试验内容
AASHTO
ASTM
试验
频率
备注
1、一般试验
筛分析
磨耗值
安定性
砂当量
液限
塑限
塑性指数
T27
T96
T104
T176
T89
T90
T90
C136
C131
C88
D2419
D423
D424
D424
600m3
材料生
产阶段
5000m3做一次
2、强度试验
CBR
或R-value
或回弹模量Mr
T193
T190
D1883
D2844
施工前一次或材料发生变化时
AASHTOT274或AIMS-10
3、重型击实试验
T180
D1557
4、现场密度
灌砂法
或核子仪法
T191
T238、T239
D1556
D2922、D3017
1000m2做一次
现场
施工
阶段
2.3沥青混凝土
1）集料技术要求
沥青混凝土集料必须符合AISS-1规定，级配可以参考ASTM3515。
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4.75mm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，4.75mm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，0.425mm筛下料的塑性指数不大于4。
基质沥青可以按照表8.5.3的推荐情况采用。
表8.2.5密级配沥青混凝土混合料级配要求
筛孔
密级配
D-1
D-2
D-3
D-4
D-5
D-6
D-7
D-8
D-9
50
37.5
25
19
12.5
9.5
4.75
2.36
1.18
63
100
50
90-100
100
37.5
90-100
100
25
60-80
90-100
100
19
56-80
90-100
100
12.5
35-65
56-80
90-100
100
9.5
56-80
90-100
100
4.75
17-47
23-53
29-59
35-65
44-74
55-85
80-100
100
2.36
10-36
15-41
19-45
23-49
28-58
32-67
65-100
95-100
1.18
40-80
85-100
0.6
25-65
70-95
0.3
3-15
4-16
5-17
5-19
5-21
7-23
7-40
45-75
0.15
3-20
20-40
0.075
0-5
0-6
1-7
2-8
2-10
2-10
2-10
9-20
沥青用量
2-7
3-8
3-9
4-10
4-11
5-12
6-12
7-12
8-12
注：
0.075mm以下塑性指数不大于4%。
同时矿粉规格必须符合AISS-11992年版要求，即ASTMD242要求。
表8.2.6AISS-11992年版矿粉要求
筛孔
通过率
0.6
100
0.3
95-100
0.075
70-100
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。
表8.2.7AIMS-2（1995年第6版）沥青混合料马歇尔方法设计指标
交通量等级
重交通
中交通
轻交通
适合结构层
面层、基层
击实次数
75
50
35
稳定度（N）
8006
5338
3336
流值
（0.01英寸）
814
816
818
空隙率
35
35
35
VMA
见表8.2.8
VFA
6575%
6578%
7080%
交通量
大于106
104~106
小于104
表8.2.8VMA规定值
筛孔
VMA规定值
空隙率3%
空隙率4%
空隙率5%
1.18
21.5
22.5
23.5
2.36
19
20
21
4.75
16
17
18
9.5
14
15
16
12.5
13
14
15
19
12
13
14
25
11
12
13
37.5
10
11
12
50
9.5
10.5
11.5
63
9
10
11
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2.25、1.5倍，同时对于非标准高度的试件的要求按下表8.2.9调整为标准高度95.2mm下的标准值。
表8.2.9大马歇尔校正系数（单位：
mm）
试验高度
试验体积
校正系数
88.9
1608-1626
1.12
90.5
1637-1665
1.09
92.1
1666-1694
1.06
93.7
1695-1723
1.03
95.2
1724-1752
1.00
96.8
1753-1781
0.97
98.4
1782-1810
0.95
100
1811-1839
0.92
101.6
1840-1868
0.90
3）沥青混合料现场控制
表8.2.10现场混合料配合比允许偏差
12.5mm以上
8
9.54.75mmmm
7
2.361.18mm
6
0.60.3mm
5
0.075mm
3
沥青用量
0.5
流值（1/100in）
3
空隙率，%
1
稳定度
1KN或20%
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
表8.2.11沥青混合料基本试验
试验内容
试验方法
试验频率
AASHTO
ASTM
1、沥青混凝土材料检验
粗、细集料的坚固性
粗集料的磨耗值
细集料的砂当量
粗细集料的密度、吸水率
T104
T96
T146
C88
C131
D2419
1次/5000m3
沥青检验
开工前一次或材料发生变化时
2、沥青混凝土配合比设计
级配
密度试验
VFA
VMA
稳定度
流值
空隙率
VMA
矿分
残留马歇尔稳定度
T245
D1559
3、施工质量控制（室内试验）
抽提试验
确定沥青用量
材料级配
马歇尔试验
稳定度
流值
试件密度
空隙率
VFA、VMA
冷料筛分、热料仓筛分
T164
D4125或D2172
1～2次/天
4、施工质量控制（现场试验）
现场压实度
钻芯
核子仪
T230
D1188或
D2726
D2950
平整度
按AISS-1
厚度
D3549
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=11.43cm，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。
∙∙∙
123
34.3cm
沥青层泊松比0.35E1逐月变化
粒料层泊松比0.35E2逐月变化
路基泊松比0.45Mr逐月变化
∙∙∙
123
20KN
20KN
0.587Mpa
图8.2AI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。
4.1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。
Nf=0.00115（）-3.291|E*|-0.854（8-4-1）
式中：
Nf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：
Nf=0.00115（）-3.291|E*|-0.854.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=4.84[Vb/（Va+Vb）-0.6875]
4.2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=1.36510-9（z）-4.477（8-4-4
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