路面是隨著交通的發(fā)展而發(fā)展的，水運(yùn)是人類最早的交通工具之一。在1830年英國(guó)載客鐵路通車以前，當(dāng)時(shí)的陸上交通是以馬車為主，路面是以條石鋪砌而成。隨著路面材料的發(fā)展，路面結(jié)構(gòu)形式也隨著發(fā)生改變。18世紀(jì)末，泰雷薩格(Trasaguet)在條石路面上鋪筑碎石面層，此人被稱為近代路面的創(chuàng)始者；1815年，蘇格蘭的馬克當(dāng)(Macadam)提出了水結(jié)碎石路面結(jié)構(gòu)，自此碎石路面開始登上歷史舞臺(tái)。初期的路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1712年，瑞士首先發(fā)現(xiàn)了巖瀝青，隨后德、法等國(guó)也相繼發(fā)現(xiàn)。在1850年左右，法國(guó)首先把巖瀝青用于道路路面。1854年，L.Malo在巴黎修筑了薄層瀝青路面，這稱得上是熱鋪巖瀝青路面之首，用滲透有6％~10％瀝青的石灰?guī)r破碎后鋪筑輾壓而成。此后，美國(guó)從歐洲引入巖瀝青，在美國(guó)東部修筑了巖瀝青路面。1871年，E.J.Desdment在紐約修筑了第一條特尼利特湖瀝青(南美)路面(以砂、石灰石粉摻拌輾壓而成)，得到了專利施工法，這更是近代熱鋪湖瀝青路面之首。1872年，華盛頓市(特區(qū))用湖瀝青和石油殘?jiān)佒寺访妫C明用石油殘?jiān)拗访嬉彩强尚械摹?/p>

1885年之后，汽車工業(yè)開始興起。在開啟汽車交通時(shí)代的1900年，美國(guó)發(fā)明了warrenitebitulithic路面，該路面下層為粗級(jí)配瀝青混凝土，上層為瀝青砂，經(jīng)一次輾壓而成，這就是雙層式瀝青路面的由來。

1905年，美國(guó)在堪薩斯州托皮卡市鋪筑了Topeka瀝青磨耗層，在1920年提出了瀝青混合料的哈-費(fèi)氏Hubbard-Field)方法，直到1937年在加州修筑了第一條11.2km高速公路。從此，瀝青路面成為現(xiàn)代高等級(jí)路面的主要路面形式，典型結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

近半個(gè)多世紀(jì)來，國(guó)際瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、以力學(xué)分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法以及力學(xué)分析和工程實(shí)際(試驗(yàn))相結(jié)合的力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法(Ｍ-Ｅ法，2002)。

(1)經(jīng)驗(yàn)法

經(jīng)驗(yàn)法主要通過對(duì)試驗(yàn)路或使用道路的試驗(yàn)觀測(cè)，建立路面結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)層組合、厚度和材料性質(zhì))、車輛荷載和路面使用性能三者之間的關(guān)系。目前仍在使用的方法有美國(guó)工程師軍團(tuán)水道試驗(yàn)站(WES)的加州承載比法CBR法(1920年)、加州的“Ｒ”值法和2002版以前的美國(guó)各州公路及運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)(AASHTO)法等。

(2)力學(xué)法

力學(xué)法的提出進(jìn)一步完善了瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了經(jīng)驗(yàn)法缺乏理論支撐的問題，從而使得瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法加以完善。力學(xué)分析法的提出經(jīng)過4個(gè)發(fā)展背景：①Burmister’s兩層和三層彈性體系的提出；②WASHO道路試驗(yàn)、彎沉的出現(xiàn)；③1955年F.N.Hveem發(fā)布了路面變形的著作；④1961年AASHO道路試驗(yàn)完成。常見的有南非國(guó)家交通與道路研究所(NITRR)和美國(guó)聯(lián)邦公路管理局等推出的基于計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)方法。

(3)力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法

力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法應(yīng)用力學(xué)原理分析路面結(jié)構(gòu)在荷載與環(huán)境作用下的力學(xué)響應(yīng)，建立力學(xué)響應(yīng)量與路面使用性能之間的關(guān)系模型，運(yùn)用該模型完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。中國(guó)現(xiàn)行2017版的瀝青路面設(shè)計(jì)方法、美國(guó)的殼牌(Shell)、瀝青學(xué)會(huì)的AI法和2002年版的AASHTO法等均屬于力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法。

2002年版的AASHTO設(shè)計(jì)方法改變了原AASHTO設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法性質(zhì)，成為力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法(M-E設(shè)計(jì)法)。其主要變動(dòng)如下：①瀝青路面設(shè)計(jì)應(yīng)滿足其性能要求；新增永久變形、疲勞開裂(包括自下而上和Top-down開裂兩種模式)、溫度開裂及國(guó)際平整度指數(shù)IRI；②結(jié)構(gòu)計(jì)算模型包括層狀線性體系和非線性分析的有限單元程序；③設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)采用了根據(jù)項(xiàng)目重要性的三水平輸入法：Level-1~Level-3；④取消了當(dāng)量單軸荷載(ESAL)法，而采用作用試驗(yàn)性設(shè)計(jì)計(jì)劃     在路面上占優(yōu)勢(shì)的(或預(yù)測(cè)的)交通流軸載譜；⑤引入可靠度因素。具體流程如圖3所示。

為更加有效地完善當(dāng)前瀝青路面設(shè)計(jì)方法的不足，美國(guó)AASHTO聯(lián)合國(guó)家公路研究項(xiàng)目NCHRP于2004年推出路面設(shè)計(jì)指南Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG)。該指南為典型的力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法，為瀝青路面的設(shè)計(jì)提供了統(tǒng)一的基礎(chǔ)。MEPDG在各層材料的特性和氣候條件的基礎(chǔ)上采用力學(xué)方法計(jì)算路面結(jié)構(gòu)關(guān)鍵反應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變、變形)，同時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)方法彌補(bǔ)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)性能之間的差距，也用來反映當(dāng)?shù)貙?shí)際的施工水平和其他變異性的因素。MEPDG主要設(shè)計(jì)流程：首先建立分析所需的輸入值，建立基礎(chǔ)分析、路面材料特性及交通數(shù)據(jù)；接著進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析，經(jīng)過迭代分析，得出滿足性能要求的路面結(jié)構(gòu)；最后展開不同設(shè)計(jì)方案的工程分析及壽命周期分析。

近年來，道路工作者越來越認(rèn)識(shí)到路面設(shè)計(jì)必須與瀝青混合料設(shè)計(jì)一起綜合考慮，如路面的疲勞破壞和瀝青混合料的疲勞抗力，如果瀝青混合料疲勞抗力不合適，那么路面在未達(dá)到預(yù)期交通荷載作用下就會(huì)發(fā)生疲勞破壞。SHRP瀝青研究計(jì)劃中對(duì)瀝青混合料設(shè)計(jì)和分析進(jìn)行了研究，其設(shè)計(jì)和分析流程見圖4。

研究計(jì)劃中對(duì)所選用的混合料要符合下面的減輕路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂的要求：

SHRP計(jì)劃中Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法主要有3點(diǎn)：①制定了以路面性能(車轍、低溫開裂、疲勞開裂)為基礎(chǔ)的瀝青結(jié)合料規(guī)范，瀝青的指標(biāo)直接與路面現(xiàn)場(chǎng)性能建立聯(lián)系，以路面最高和最低溫度作為性能分級(jí)(PG)的依據(jù)；②制定了混合料體積配合比設(shè)計(jì)規(guī)范。礦料級(jí)配用0.45次方級(jí)配圖確定容許級(jí)配，提出了級(jí)配曲線控制點(diǎn)、限制區(qū)和最大公稱尺寸的概念；提出了3個(gè)水平設(shè)計(jì)要求和相關(guān)的路面性能預(yù)測(cè)；③將瀝青的物理化學(xué)性質(zhì)、瀝青混合料的性質(zhì)與使用性能聯(lián)系起來，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。顯然，該法已將瀝青混合料的設(shè)計(jì)與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(路面性能)更好地聯(lián)系起來。

值得注意的是經(jīng)濟(jì)因素會(huì)改變路面設(shè)計(jì)參數(shù)。1986年AASHTO在修改路面設(shè)計(jì)指南時(shí)把壽命周期分析(LCCA)作為經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)手段，并強(qiáng)烈建議將其應(yīng)用到路面設(shè)計(jì)過程中。在2002年修改AASHTO設(shè)計(jì)指南時(shí)就把LCCA完全整合到路面設(shè)計(jì)過程中。

1949年以前，中國(guó)公路十分落后，絕大多數(shù)是砂土和碎石路面，根本沒有相關(guān)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可循。20世紀(jì)50年代初期，基本上沿用伊萬諾夫教授的方法-《柔性路面設(shè)計(jì)須知》(1954年)。新中國(guó)成立后，隨著中國(guó)突飛猛進(jìn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法發(fā)生了重大的變化，特別是改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛躍發(fā)展，中國(guó)高速公路從無到有，在短短的40年里，高速公路里程超過了13萬km，登上世界第一的寶座。從1949年到2019年70年時(shí)間里，交通運(yùn)輸部相繼頒布了7版《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(1958、1966、1978、1986、1997、2006和2017版)。下文從規(guī)范的頒布次序探索中國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展沿革。1958版規(guī)范

1949年之前，中國(guó)公路運(yùn)輸十分落后，低等級(jí)的碎石路面基本上按經(jīng)驗(yàn)決定厚度，少數(shù)大城市采用過類似美國(guó)加州承載比法(CBR法)。在1949年后，開始了有計(jì)劃的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，并十分重視交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展。為了工作的需要，又限于當(dāng)時(shí)的歷史條件，1958年發(fā)布的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范基本上是沿用了蘇聯(lián)1954年《柔性路面設(shè)計(jì)須知》的方法。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：設(shè)計(jì)指標(biāo)為相對(duì)變形λｋ，路基和材料強(qiáng)度采用變形模量Ｅ，路面設(shè)計(jì)基本公式如下：

對(duì)于單一均勻的土基或單一的路面材料整層，取應(yīng)力分布系數(shù)α＝2.5，由此得：

對(duì)于路基路面綜合體，取α＝1.0，故其綜合模量Ｅε為：

這樣，雙層體系的變形公式為：

對(duì)蘇聯(lián)《柔性路面設(shè)計(jì)須知》存在的問題，同濟(jì)大學(xué)林繡賢教授進(jìn)行了深入的研究，并提出其問題的癥結(jié)是進(jìn)行雙層體系換算時(shí)采用了不同的α值。1966版規(guī)范

1966版規(guī)范糾正了蘇聯(lián)的某些錯(cuò)誤，但其基本公式仍然是以均質(zhì)體彈性理論為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)化公式，受力分布仍采用雅庫寧近似公式。

1956年，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)交通部率先成立了公路科學(xué)研究院，并把柔性路面設(shè)計(jì)的研究列入國(guó)家12年遠(yuǎn)景科學(xué)研究規(guī)劃中。1957年，中國(guó)建立了北京、上海、沈陽、西安、武漢、長(zhǎng)沙和廣州7個(gè)中心觀測(cè)站，開始進(jìn)行路基路面綜合調(diào)查和水溫狀況的觀測(cè)工作，并與北京大學(xué)開展了全中國(guó)道路氣候分區(qū)修正方案的研究。

1959年，提出了道路氣候分區(qū)圖、路基最小填土高度、土基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和土基變形模量等一系列成果。1958和1959年在北京與上海進(jìn)行了大型試槽試驗(yàn)，1961年在福建龍巖進(jìn)行了整層和分層試驗(yàn)路比較分析。

1962年，中國(guó)正式提出了修正路面設(shè)計(jì)基本公式的建議，經(jīng)過一系列會(huì)議討論研究，于1965年編寫了《修訂現(xiàn)行柔性路面設(shè)計(jì)方法及計(jì)算參數(shù)的建議》。1966年交通部批準(zhǔn)把這些建議列入JTJ1004-66《公路柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中。

經(jīng)過全體道路工作者的努力，中國(guó)不僅糾正了蘇聯(lián)公式的一些錯(cuò)誤，還提出了雙層和多層體系連續(xù)積分法的一整套基本公式和參數(shù)，修改了道路分區(qū)圖等，基本完成了國(guó)家規(guī)定的3512項(xiàng)任務(wù)。不過，該規(guī)范基本公式還是沿用單圓荷載圖式的均質(zhì)體彈性理論，且容許相對(duì)變形λ和綜合安全系數(shù)ｋ不符合實(shí)際，這些都有待進(jìn)一步修改和完善。值得注意的是，同濟(jì)大學(xué)吳晉偉與許志鴻、長(zhǎng)安大學(xué)王秉綱、哈爾濱工業(yè)大學(xué)郭大智等在20世紀(jì)六七十年代，已求得了彈性層狀體在單圓和雙圓荷載作用下的精確解答，這為中國(guó)后來采用彈性多層體理論作為路面計(jì)算的模型打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1978版規(guī)范

從1970年開始，由于老路補(bǔ)強(qiáng)的需要，中國(guó)很多科研工作者開展了彎沉補(bǔ)強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)公式的研究工作，提出了單參數(shù)、雙參數(shù)和三參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)加固公式，經(jīng)1971年濟(jì)南會(huì)議和1972年太原會(huì)議研究確定采用三參數(shù)的補(bǔ)強(qiáng)公式：

三參數(shù)公式是由湖南省交通科學(xué)研究院、內(nèi)蒙古交通科學(xué)研究院和交通部重慶公路研究院分別提出，形式稍有不同，但均是從雙圓荷載雙層體系彈性理論的彎沉公式推導(dǎo)出來的，主要的差別是隨著彎沉的增加厚度增加的大小不同。經(jīng)試驗(yàn)路驗(yàn)證，大家一致認(rèn)為交通部重慶公路研究所提出的公式(6)比較合理，故選其為舊路彎沉補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算公式而列入規(guī)范。同時(shí)確定容許彎沉為新的設(shè)計(jì)指標(biāo)，代替原規(guī)范的容許相對(duì)變形值。1972-1973年，由交通部公路科學(xué)研究院組織組成的全國(guó)柔性路面容許彎沉調(diào)查組，從1972年3月開始對(duì)遼寧、山西、甘肅、江蘇、湖南、廣東、海南、四川、陜西和上海等省市瀝青路面進(jìn)行容許彎沉值檢測(cè)，并于1973年6月提出了容許彎沉值的計(jì)算公式：

與此同時(shí)，很多科研工作者進(jìn)行了單軸雙輪荷載及不同車型的彎沉對(duì)比測(cè)定，并得到了不同軸載下的彎沉對(duì)比公式：

后經(jīng)同濟(jì)大學(xué)林繡賢等的深入研究，并結(jié)合美國(guó)1962年公布的AASHO試驗(yàn)報(bào)告，得到了作為1978年柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范的車輛換算公式：

在彈性層狀體系理論計(jì)算分析方面，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，同濟(jì)大學(xué)于1975年正式發(fā)布了雙圓荷載作用下雙層體系荷載圓中心的彎沉諾謨圖。另外，從1974年開始由交通部公路科學(xué)研究院梅安今等分別在內(nèi)蒙古五原和甘肅定西修筑系統(tǒng)試驗(yàn)路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。同時(shí)，湖南、山西、陜西和四川等許多省市結(jié)合各地工程修筑了試驗(yàn)路，為路面計(jì)算參數(shù)的取得提供了一批可貴的資料。此時(shí)，交通部公路設(shè)計(jì)院與北京大學(xué)地理系共同研究提出了中國(guó)道路自然區(qū)劃圖。

綜上所述，1978版JTJ014-78《公路柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范》體現(xiàn)了中國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法的大轉(zhuǎn)折與大發(fā)展，初步建立了中國(guó)柔性路面設(shè)計(jì)方法的體系。1978版規(guī)范完全摒棄了蘇聯(lián)規(guī)范的體系，如單圓荷載作用下的均質(zhì)體路面模型、相對(duì)形變作為路面設(shè)計(jì)指標(biāo)和形變模型材料參數(shù)等。1978版規(guī)范的主要變化：采用了雙圓荷載作用下的雙層彈性體系路面設(shè)計(jì)模型，得到了雙圓雙層體系彎沉諾謨圖及其綜合修正系數(shù)，提出了容許彎沉值公式；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙圓荷載中心處的表面回彈彎沉值，建立了以彎沉系數(shù)為基礎(chǔ)的車輛軸載換算公式；材料參數(shù)采用回彈模量；多層體系采用了等效層法；對(duì)于老路厚度補(bǔ)強(qiáng)推薦了三參數(shù)的彎沉補(bǔ)強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)公式等。

1986版規(guī)范

1986版JTJ014-86《公路柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)一步完善了中國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法的新體系。該體系納入了“六五”國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目75-24-1-1《高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和抗滑表層的研究》和“七五”國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目75-24-2-1《重交通道路瀝青在高等級(jí)公路工程中的實(shí)用技術(shù)》所取得的主要成果中。并經(jīng)過多次會(huì)議討論，最后于1982年提出了基礎(chǔ)理論、理論驗(yàn)證、設(shè)計(jì)參數(shù)、路面強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)分報(bào)告及有關(guān)專題研究報(bào)告和總報(bào)告，并由交通部公路局主持組織交通、城建、民航等科研院所和高校專家進(jìn)行評(píng)審。

該版規(guī)范主要內(nèi)容如下：采用雙圓荷載、三層體系為基礎(chǔ)的彈性層狀體理論；路表彎沉lR、面層底層最大拉應(yīng)力σR和路表輪緣處最大剪應(yīng)力tR為設(shè)計(jì)指標(biāo)；100kN的單軸雙輪組為標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪胎接地壓力p為0.7MPa，輪胎當(dāng)量半徑s為10.66cm，見圖5。

1986版規(guī)范在結(jié)構(gòu)層之間的接觸狀態(tài)既考慮了連續(xù)狀態(tài)也考慮了滑動(dòng)狀態(tài)或半連續(xù)半滑動(dòng)狀態(tài)。對(duì)材料黏彈性和各向異性問題，不是在理論計(jì)算中解決，而是在材料參數(shù)確定時(shí)把環(huán)境因素(溫度、濕度等)考慮進(jìn)去。在考慮動(dòng)載作用時(shí)，把交通量和反復(fù)荷載的疲勞規(guī)律聯(lián)系起來，以動(dòng)靜對(duì)比關(guān)系把靜載測(cè)定的參數(shù)轉(zhuǎn)化為動(dòng)載性能參數(shù)。不過，在公路路面中沒有考慮面層剪切應(yīng)力。但是，對(duì)于城市道路交叉口、停車場(chǎng)和公共汽車?？空镜?，車輛在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)車輪對(duì)路面所施加的水平作用力是使路面產(chǎn)生推移、擁包、車轍等破壞的重要原因，故在城市道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范中將剪切應(yīng)力作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。

此外，1986版規(guī)范對(duì)彈性層狀體系的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，這是檢驗(yàn)彈性層狀體系理論可否應(yīng)用于或怎樣用于路面設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。眾所周知，由于彈性層狀體系理論在建立之時(shí)有一些如彈性均質(zhì)和各向同性等假定，這些假定不完全符合路面結(jié)構(gòu)及材料組成的情況，因此理論分析的結(jié)果必然與實(shí)際情況存在差異，必須進(jìn)行修正。這些驗(yàn)證工作由交通部公路科學(xué)研究院、同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程研究所、湖南省交通科學(xué)研究院、西安公路研究院、交通部重慶公路研究院、湖南大學(xué)等單位共同完成。主要進(jìn)行了路表彎沉、面層和中層底部拉應(yīng)力、拉應(yīng)變及土基壓應(yīng)變的驗(yàn)證。通過在室內(nèi)試槽、環(huán)道和現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)傳感器對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，取得了一批有價(jià)值的結(jié)果，為設(shè)計(jì)指標(biāo)的修正提供了依據(jù)。

1997版規(guī)范

1986版規(guī)范奠定了中國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)的新體系，這是很大的轉(zhuǎn)折和進(jìn)步。但它反映的基本上是低、中等級(jí)瀝青路面的設(shè)計(jì)概念和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于當(dāng)時(shí)中國(guó)蓬勃進(jìn)行的高速公路路面設(shè)計(jì)缺乏指導(dǎo)性，故1997版規(guī)范被提上日程。

在1997版規(guī)范中，設(shè)計(jì)指標(biāo)仍是路表彎沉值，但同時(shí)將整體性結(jié)構(gòu)層底面的彎拉應(yīng)力作為驗(yàn)算指標(biāo)引入規(guī)范中。路面計(jì)算體系是雙圓垂直荷載作用下的多層連續(xù)彈性體系，取消了1986版規(guī)范的等效多層換算。在舊路面改建設(shè)計(jì)方面增加了路面結(jié)構(gòu)厚度的設(shè)計(jì)方法，取消了原規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式。

另外，該規(guī)范增加了“七五”和“八五”攻關(guān)項(xiàng)目的許多新成果，特別是對(duì)于半剛性基層瀝青路面的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)由同濟(jì)大學(xué)林繡賢牽頭，組織編寫出版了《半剛性基層瀝青路面》專著。對(duì)于半剛性基層反射裂縫問題，根據(jù)沙慶林院士的河北省保定試驗(yàn)路及長(zhǎng)沙理工大學(xué)(原長(zhǎng)沙交通學(xué)院)完成的反射裂縫形成和擴(kuò)展機(jī)理的研究，采取了結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)的雙重抗裂措施，為減輕和延緩反射裂縫起到了一定的作用。同時(shí)對(duì)于彎沉綜合修正展開深入研究，提出了更符合實(shí)際的彎沉綜合修正系數(shù)。對(duì)于路面的材料設(shè)計(jì)系數(shù)和路基回彈模量的確定也作了更詳細(xì)的規(guī)定。此外，還增加了SMA路面、瀝青混合料的抗車轍和抗水損的指標(biāo)以及水泥混凝土橋面鋪裝設(shè)計(jì)的內(nèi)容等。

2006版規(guī)范

從20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，中國(guó)高速公路從無到有。從1989年的27km到2005年猛增到4.1萬km，在世界高速公路排行榜中占居第二位(僅次于美國(guó))。隨著改革開放政策的深入貫徹，中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，公路交通激增，這對(duì)路面設(shè)計(jì)和施工提出了新的挑戰(zhàn)。為了總結(jié)高速公路建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，吸納新的科研成果，在交通部領(lǐng)導(dǎo)下，由交通部公路設(shè)計(jì)院主持開始了對(duì)1997版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂工作。

其中，瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系仍采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論，路面作用的荷載及控制計(jì)算點(diǎn)如圖6所示。該次修訂工作，根據(jù)高等級(jí)公路修建的大量實(shí)踐，側(cè)重對(duì)路面結(jié)構(gòu)和材料及舊路改建設(shè)計(jì)等進(jìn)行了充實(shí)。對(duì)于路面可靠度設(shè)計(jì)問題，考慮到施工、材料等變異性的復(fù)雜性及可靠度指標(biāo)確定等問題，暫時(shí)放棄了把瀝青路面可靠度設(shè)計(jì)寫入規(guī)范的打算。

2006版JTG D50-2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》較1997版規(guī)范主要有如下變化：①強(qiáng)調(diào)了交通荷載的調(diào)查、預(yù)測(cè)和分析，對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)力設(shè)計(jì)和半剛性材料層的抗拉應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)，采用了不同的軸載當(dāng)量換算公式；②提出了按全壽命周期成本的理念進(jìn)行路面設(shè)計(jì)，即路面建設(shè)費(fèi)用，要把初期建設(shè)費(fèi)，日后的養(yǎng)護(hù)管理費(fèi)和使用者費(fèi)用(汽車維護(hù)費(fèi)、油料消耗費(fèi))等綜合起來考慮；③加強(qiáng)了原材料、混合料和路面結(jié)構(gòu)層功能性要求的設(shè)計(jì)，增加了柔性基層，貧混凝土基層等設(shè)計(jì)、施工內(nèi)容；④提出了防止早期水損壞，車轍和干縮(凍)裂紋的面層材料設(shè)計(jì)和施工技術(shù)措施；⑤加強(qiáng)了舊路改建設(shè)計(jì)的內(nèi)容，提出了瀝青路面加鋪層和水泥混凝土路面加鋪瀝青層的方法；⑥充實(shí)了水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層的設(shè)計(jì)內(nèi)容，但對(duì)鋼橋面瀝青鋪裝層的設(shè)計(jì)未加涉及。

2017版規(guī)范

JTG D50-2017《瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》應(yīng)該說是中國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法的又一推進(jìn)。盡管在理論計(jì)算體系上沒有大的改變，但在交通荷載調(diào)整和分析、設(shè)計(jì)指標(biāo)、材料計(jì)算參數(shù)、試驗(yàn)方法和路基模量試驗(yàn)和取值上都有很大變化，總體上比較接近美國(guó)2004年版AASHTO(M-E)路面設(shè)計(jì)指南。該版本修改內(nèi)容具體如下：

(1)在交通荷載參數(shù)方面，車輛類型按軸型組成分為11類，取消了以往規(guī)范的客車、貨車的分類方法。軸載當(dāng)量換算按高速公路和一級(jí)公路改建設(shè)計(jì)采用水平一，其他情況可采用水平二或水平三，但還是維持了最后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN的方法。其各計(jì)算點(diǎn)的位置與2006版規(guī)范也有所不同，具體如圖7所示。

(2)在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方面，采用瀝青混合料層的疲勞開裂、無機(jī)結(jié)合料層開裂、瀝青混合料層永久變形、路基頂面壓應(yīng)變和路面低溫開裂(使用季節(jié)性冰凍地區(qū))。取消了路表容許彎沉值指標(biāo)，但路面和路基完工驗(yàn)收時(shí)仍采用彎沉作為驗(yàn)收指標(biāo)。

(3)在路面模型的驗(yàn)算和修正方面，2017版規(guī)范瀝青混合料層疲勞開裂模型是根據(jù)108次常應(yīng)力加載模式和618次常應(yīng)變加載模式疲勞試驗(yàn)結(jié)果得到的，并利用北京3個(gè)ALF試驗(yàn)路、美國(guó)加州6個(gè)HVS試驗(yàn)路、WesTrack8個(gè)試驗(yàn)路、明尼蘇達(dá)MnROAD10個(gè)試驗(yàn)路和美國(guó)瀝青技術(shù)中心NCAT3試驗(yàn)路，共30個(gè)試驗(yàn)段疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂的驗(yàn)證依據(jù)148個(gè)水泥穩(wěn)定砂礫、水泥碎石、水泥土和石灰粉煤灰碎石4種材料的疲勞結(jié)果進(jìn)行的。瀝青混合料永久變形的預(yù)估模型是基于多種瀝青混合料在不同溫度、壓力下的229個(gè)車轍試驗(yàn)結(jié)果建立的，并利用中國(guó)國(guó)內(nèi)10余條公路和5個(gè)試驗(yàn)段對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)算和修正。路基頂面豎向壓應(yīng)變模型通過整理AASHTO試驗(yàn)公式和195個(gè)試驗(yàn)路段反算得到的。

瀝青面層低溫開裂采用經(jīng)驗(yàn)法，分析了東北10余個(gè)路段情況與路面低溫開裂的關(guān)系，并參考了加拿大Hass教授19世紀(jì)80年代建立的模型。很顯然，對(duì)于一個(gè)幅員遼闊的中國(guó)，上述驗(yàn)證顯然還是很不夠的，這是今后需要特別重視的問題。

(4)在路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)參數(shù)方面，2017版規(guī)范采用了3個(gè)水平確定方法，高速公路和一級(jí)公路施工圖設(shè)計(jì)采用水平一，其他設(shè)計(jì)階段采用水平二或水平三。路基模量和粒料回彈模量采用動(dòng)態(tài)三軸儀測(cè)定，瀝青混合料采用動(dòng)態(tài)單軸壓縮模量；無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料彎拉強(qiáng)度和彈性模量采用中間段法(水平一)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定；瀝青混合料貫入強(qiáng)度以單軸貫入試驗(yàn)方法確定；瀝青的低溫性能以瀝青彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)測(cè)定蠕變勁度或用瀝青直接拉伸試驗(yàn)(DDT)確定斷裂應(yīng)變。對(duì)于二級(jí)及二級(jí)以上公路，瀝青混合料公稱最大粒徑不大于19.00ｍｍ，應(yīng)進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)確定其破壞應(yīng)變。2017版規(guī)范對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)組合提出了不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)算，如表1所示。

此外，2017版規(guī)范提出了平衡濕度狀態(tài)下的路基模量，并引用了溫度調(diào)整系數(shù)和等效溫度的概念對(duì)基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。2017版規(guī)范在3.0.1節(jié)中規(guī)定了各級(jí)公路的路面結(jié)構(gòu)可靠度和目標(biāo)可靠度指標(biāo)，并在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中把目標(biāo)可靠度指標(biāo)β引入到各個(gè)驗(yàn)算方程中。但對(duì)瀝青路面可靠度的定義并不明確，且各種路面結(jié)構(gòu)施工和材料變異性，相關(guān)的可靠度系數(shù)沒有給出，直接把目標(biāo)可靠度指標(biāo)β引入到可靠度計(jì)算中是不合適的。

1965年，中國(guó)科學(xué)院院士馮康發(fā)表了《基于變分原理的差分格式》，被世界數(shù)學(xué)界公認(rèn)為中國(guó)有限元的奠基人之作，此后中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所許多研究人員開展了有限元方面的研究。張起森教授于1970年開始學(xué)習(xí)有限元，并開展了彈性多層半空間體系在對(duì)稱荷載作用下的有限元分析，并將結(jié)果與同濟(jì)大學(xué)公路研究所吳晉偉等的彈性多層半空間體系的解析解進(jìn)行了對(duì)比分析。由于當(dāng)時(shí)中國(guó)計(jì)算機(jī)容量小且速度慢，所以有限元計(jì)算結(jié)果誤差比較大，但其各應(yīng)力、應(yīng)變和位移的變化規(guī)律性是一致的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析結(jié)果慢慢得到業(yè)界的認(rèn)可。與此同時(shí)，在湖南大學(xué)王磊教授和湖南省計(jì)算技術(shù)研究所謝干權(quán)的指導(dǎo)和幫助下張起森教授又開展了有限元半分析方法的研究，并得到了彈性層狀半空間在表面水平荷載作用下的有限元半分析結(jié)果，還開展了層間接觸非線性和材料非線性的相關(guān)研究，于1983年出版了《道路工程有限元分析法》專著。應(yīng)該說，道路工程有限元分析在近幾十年得到了很大發(fā)展，特別是對(duì)路面材料非線性(黏彈性，黏塑性等)、開裂分析、層間非連續(xù)接觸、結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙分析等問題的研究具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

道路足尺試驗(yàn)

20世紀(jì)50年代，為了應(yīng)用伊萬諾夫教授的《柔性路面設(shè)計(jì)須知》，當(dāng)時(shí)交通部科學(xué)研究院在北京等地進(jìn)行了土基整層試槽模量試驗(yàn)。20世紀(jì)60年代，交通部長(zhǎng)沙公路工程研究所修建了可調(diào)節(jié)路基濕度的2.5ｍ×3.0ｍ×2.0ｍ試槽，采用反力架加載；同時(shí)，交通部上海公路工程研究所和東南大學(xué)修建了直徑5ｍ的圓形試槽，并進(jìn)行雙層路面結(jié)構(gòu)的加載試驗(yàn)。在70年代到80年代，湖南省交通科學(xué)研究院(原長(zhǎng)沙公路工程研究所)配合規(guī)范修訂的要求，修筑了3ｍ×5ｍ×2ｍ的大型試槽，開展了路面結(jié)構(gòu)和路基的應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)驗(yàn)證工作。重慶交通科學(xué)研究院(交通部交通科學(xué)研究院重慶分院)修筑了直徑10ｍ、厚1.0ｍ、深1.5ｍ的圓形加載試槽，進(jìn)行了多種路面結(jié)構(gòu)和路基應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)。在此期間，交通部科學(xué)研究院、甘肅省交通廳、內(nèi)蒙古交通科學(xué)研究院、長(zhǎng)安大學(xué)(原西安公路學(xué)院)和湖南大學(xué)等分別在甘肅定西、內(nèi)蒙古五原和河南開封等現(xiàn)場(chǎng)鋪筑了系統(tǒng)試驗(yàn)路，進(jìn)行多種路基路面結(jié)構(gòu)路表彎沉、面層和中層拉應(yīng)變和拉應(yīng)力、路表剪應(yīng)力和路基壓應(yīng)力等試驗(yàn)研究，為當(dāng)時(shí)規(guī)范的修訂和完善提供了許多寶貴的數(shù)據(jù)。

在20世紀(jì)90年代，長(zhǎng)沙理工大學(xué)(原長(zhǎng)沙交通學(xué)院)修建了亞洲最大的室內(nèi)直線式重復(fù)加載試驗(yàn)槽，如圖8所示。試槽長(zhǎng)60ｍ、寬2.5ｍ、深1.5ｍ，利用雙輪胎進(jìn)行加載，移動(dòng)速度30km/h。該設(shè)備為中國(guó)高速公路和大跨徑鋼橋面結(jié)構(gòu)方案的選擇及比較發(fā)揮了一定的作用。目前在長(zhǎng)沙理工大學(xué)云塘校區(qū)又新建了一個(gè)直道加載試驗(yàn)槽為工程和科研工作服務(wù)。

中國(guó)老一輩道路工程工作者一直在呼吁修建室外足尺環(huán)道，這個(gè)愿望終于在2012年批準(zhǔn)立項(xiàng)，并于2014批準(zhǔn)建設(shè)。該工程位于北京市通州區(qū)，足尺路面總長(zhǎng)度約2039ｍ，設(shè)計(jì)速度60km/h。在短短的幾年時(shí)間取得了一批重要成果。

足尺路面試驗(yàn)環(huán)道RIOHTRACK為兩車道，以內(nèi)側(cè)車道為加載車道，外側(cè)車道為備用車道。加載試驗(yàn)采用4輛10輪斯太爾重型卡車，加載車載重軸單軸重以16t為標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)道路面結(jié)構(gòu)布置見圖9。2016年11月26日，足尺環(huán)道開始加載試運(yùn)行，到2017年11月15日，環(huán)道實(shí)際加載時(shí)間272d，累計(jì)加載運(yùn)行440.788km，按規(guī)范要求車輛換算成100kN的標(biāo)準(zhǔn)軸次350萬次，共進(jìn)行23萬次路面狀況檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括路表破損狀況(開裂)、承載能力(彎沉)、車轍、抗滑性及平整度等。2018年12月1日，結(jié)束了第52周加載，累計(jì)加載90.1萬km，按彎沉等效原理的4.35次計(jì)算，相當(dāng)于10t標(biāo)準(zhǔn)軸載作用737萬次，在加載期間共進(jìn)行了46次路面狀況調(diào)查測(cè)定。

足尺環(huán)道試驗(yàn)將從這些路面結(jié)構(gòu)中選出路面性能好、耐久性好、壽命長(zhǎng)的路面結(jié)構(gòu)；為路面設(shè)計(jì)方法的完善和路面材料評(píng)價(jià)起到了很大的作用，也將為中國(guó)高等級(jí)公路的建設(shè)和發(fā)展發(fā)揮重大作用。

瀝青路面黏彈性與動(dòng)力響應(yīng)

對(duì)于路面結(jié)構(gòu)的黏彈性分析，目前從Maxwell本構(gòu)模型出發(fā)做了一些探討，但要得到理論解還是比較困難的。美國(guó)AASHTO-2004設(shè)計(jì)指南采用非線性有限元進(jìn)行求解，可以說找到了一個(gè)比較簡(jiǎn)便的方法。

路面動(dòng)力響應(yīng)的研究，東南大學(xué)鄧學(xué)鈞教授率先進(jìn)行探討，理論上獲得了動(dòng)力響應(yīng)方程，但目前離應(yīng)用還有一定距離。

該文綜述了國(guó)際瀝青路面近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展概況，較為詳盡地論述了新中國(guó)成立70年來瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展變化，以1958年中國(guó)交通部公路局發(fā)布第一部瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范到2017年交通部頒布的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范共7版規(guī)范為基線，對(duì)各版規(guī)范建立的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)指標(biāo)、材料參數(shù)與試驗(yàn)方法、舊路改建和橋面設(shè)計(jì)等進(jìn)行了說明和評(píng)述?？偨Y(jié)如下：

(1)簡(jiǎn)述了從條石路面到水結(jié)碎石路面再到瀝青路面的瀝青路面材料和結(jié)構(gòu)發(fā)展過程。

(2)國(guó)際上瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要有：經(jīng)驗(yàn)法、力學(xué)法和力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法。中國(guó)2017版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范和2004年版的AASHTO設(shè)計(jì)方法均屬于力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法。

(3)自新中國(guó)成立以來頒布的7版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范均反映了中國(guó)瀝青路面在每個(gè)時(shí)期的不同需求。其中，2017版規(guī)范在交通荷載、設(shè)計(jì)指標(biāo)、材料計(jì)算參數(shù)、試驗(yàn)方法和路基模量試驗(yàn)及取值上都有很大變化，還引用了溫度調(diào)整系數(shù)和等效溫度的概念對(duì)基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，總體上與美國(guó)2004版AASHTO(Ｍ-Ｅ)路面設(shè)計(jì)指南比較接近。

(4)有限元分析方法對(duì)路面材料非線性、開裂分析、層間非連續(xù)接觸、結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙分析等問題的研究具有顯著的優(yōu)勢(shì)；足尺道路試驗(yàn)可為路基和路面的應(yīng)力等研究提供許多寶貴的數(shù)據(jù)；對(duì)于瀝青路面黏彈性與動(dòng)力響應(yīng)方面大多還處于理論研究階段，具體應(yīng)用還有一定距離。這些發(fā)展對(duì)進(jìn)一步完善中國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法提供了強(qiáng)有力的支持。