鋪面結構設計概要 - AASHO道路試驗法
一般鋪面設計可區分鋪面結構設計及材料設計，前者要決定鋪多少層? 每層多厚? 各層採用哪種材料? 而後者決定鋪面材料的組成配比，對瀝青混合料而言，則是以怎麼樣的比例組成合適的級配，並決定瀝青黏結料的用量，也就是配比設計(Mix Design)。本文概述鋪面結構設計，配比設計可參「新版(2014, 7th Edtion)美國瀝青協會(A.I.)的配比設計手冊(MS-2)」
所謂鋪面結構設計(Pavement Structure Design)乃「依交通荷重及當地路基土壤之特性，以最經濟的方式選擇適當的鋪面材料與各層厚度，使鋪面於設計年限內，達到所需具備的服務品質」；此處所謂交通荷重、設計年限、與服務品質，都與一般對傳統土木結構物之認知稍有不同。(詳參「鋪面工程概論」)
現行鋪面結構設計的方法可區分為經驗法、分析法、及最新的力學經驗法(Mechanistic - Emperical Pavement Design Guide, MEPDG, 2008)，如圖1所示。本文簡要介紹源自AASHO道路試驗成果的經驗法。力學經驗法可參「鋪面結構設計概要 - AASHTO力學經驗法」。
經驗法是依據道路試驗實際經驗，最廣泛應用的AASHTO鋪面結構設計手冊(Design of Pavement Structures, 1993)，就是依據美國從 1956 至1962年之間，耗資 2,700 萬美元執行的AASHO道路試驗，如圖2所示；該道路試驗的主要目的是研究不同交通荷載、數量、氣候因素，對不同鋪面材料結構的服務積效影響，其成果是美國州際公路橋梁及鋪面設計的主要準則。測試完成後，各測試環路的直線部分被納入了州際公路 I-80 的設計中。
如圖2所示，AASHO道路試驗由6個環路(Loop)組成，除了編號1的環路做為控制組(不承受荷重只觀察氣候因子的影響)，承受實際交通荷載的編號2至6的環路都配置二個車道，直線道的部份佈設探究中的不同鋪面結構，如圖3所示，也同時佈署不同的橋梁結構做為測試。也就是說，圖3中左上顯示的各種鋪面結構斷面(柔性路面8種、剛性路面7種)在各5個荷重環路上都一樣，不同環路的測試成果反應的是交通荷重的影響。(圖3的左下圖則顯示荷載車輛通過探究中的橋梁結構的照片，研究人員很容易經由特別安排的通道進入橋底觀測)
為探究不同交通荷載及數量對不同鋪面結構設計的影響，在各測試環路的兩個車道安排不同的荷重車型，5個荷重環路各有2個車道，因此共有如圖4所示的14種車型代表不同的荷重；AASHO路面試驗團隊的專家，選定單軸8.17公噸(18,000英磅)為標準軸重，此軸重對路面的損害定為1.0，其它軸重對路面的損害量，則以試驗路面之成果，用標準軸重當量因子(Equivalence Factor)將一部重車的各個軸重化為「標準單軸荷重當量 (Equivalent Single Axle Load、簡稱為ESAL)」(詳參「鋪面工程概論」)。由圖4可知，最重的單軸重為30仟磅(13.62公噸)，而最重的雙軸則為48仟磅(21.8公噸)。
在AASHO道路試驗各環路上負責「精準荷載」的是美國工兵團，固定的車型開在固定的車道上，據說一天24小時一年365天(阿兵哥壓了二年的馬路)；期間鋪面專家及統計專家搭配，建立鋪面成效觀念(詳參「鋪面工程概論」)，也觀察各個環路上不同鋪面結構設計路段的鋪面狀況，大量的數據以統計迴歸的方式，選定單軸8.17公噸(18,000磅)為標準軸重，此軸重對路面的損害定為1.0，仔細分析AASHO道路試驗數據中不同軸重在不同鋪面結構數(SN)下對路面的損害量，可以得到各種軸重的「標準軸重當量因子(Equivalence Factor)」；在那個主要使用你我應該都沒看過的「計算尺(slide rule)」的年代，求出交通荷載數量與鋪面結構及成效表現之間的關係式，用在柔性路面的方程式如圖5所示，用圖解的方式成為鋪面結構設計的依據。
圖5中這個方程式的左邊是W18的對數，亦即可以承載的標準單軸(18仟磅)數；右邊的參數除了可靠度參數(R及S0)外，有代表不同鋪面結構設計的鋪面結構數(SN)、路基土壤強度(MR)、及設計鋪面服務成效(∆PSI)；該方程式以AASHO道路試驗的實際經驗，統計迴歸了不同鋪面結構設計(SN)、土壤強度(MR)、及欲達到的鋪面服務成效(∆PSI)，可以承載的標準軸重數。設計鋪面時，則用圖5中的方程式圖解，先選定可靠度(圖中例選95%，整體標準差一般為0.35)拉至左邊第一個轉換線(TL)後，再選定設計交通量(圖中例為5百萬ESALs)拉至第二條轉換線，再依據路基土壤強度值(圖中例為5,000psi)拉至右側格網圖的縱軸，再拉水平線至格網圖中代表設計鋪面服務成效(∆PSI)的曲線上(圖中例水平線與∆PSI=1.9的交會點)，再由該交會點垂直拉下到格網圖的水平座標軸(設計SN值)，即得設計鋪面結構數(圖中例得設計SN=5.0)。
圖5中的達到的鋪面服務成效(∆PSI)是AASHO道路試驗專家建立的鋪面成效概念(詳參「鋪面工程概論」)，採用路人對各種路面評分的方式，將路面的好壞以「目前服務性指數(Present Serviceability Index、簡稱PSI)」代表，此一指數值沿用美國大眾熟悉的評定學生成績方式，以0~5的數字表示，如圖6所示；該研究成果一直為路面工程界採用，新建完成的瀝青路面，PSI約在4.2附近(PSI0=4.2)，開放交通後，隨著荷重次數之增加，PSI逐漸降低，依道路之等級，若PSI降至2.5(主要道路, PSIt=2.5)或2.0(次要道路, PSIt=2.0)時，該路面已達破壞，若經適當翻修加鋪，可以將PSI值再次提昇至PSI0=4.2。依此，圖5例中重要性中等的一般道路(PSIt=2.3)的∆PSI = PSI0 - PSIt =4.2 -2.3 = 1.9。
依AASHO方程式求解得的鋪面結構數 (SN) 代表承受該設計交通荷載所需的整體結構強度需求。SN是抽象的數字，代表在給定的路基土壤強度 (MR)、預計承載的交通荷重(ESAL數)、設計鋪面成效(∆PSI)、和環境因子等因素組合下，路面所需的結構強度。用鋪面結構各層的材料類型和厚度，可以下式計算鋪面結構數：
層係數代表該材料型別的相對強度：使用鋪面各層材料厚度（D)及其層係數 (a) ，依上式計算該鋪面組成的結構數(SN)。表1為不同材料型別的鋪面結構設計層係數值，若鋪面結構的面層採用熱拌瀝青混凝土，底層採用冷鋪瀝青混凝土、基層使用粒質材料(granular material)，則依表1之建議，a1=0.44, a2=0.23, a3=0.10。此外，對不含膠結料的底、基層材料而言，若受水侵入後無法快速排乾將導致承載力變弱；道路排水設計中的地面排水(surface drainage)將使鋪面不易被地表水侵入，而針對地下水位較高或易受地表水侵入的路段則設計地下排水(sub-surface drainage)，是避免鋪面底層材料受水侵入而降低承載力的主要方法；選定鋪面材料中不含膠結料的底、基層材料的排水係數，是依該鋪面的排水品質和該鋪面結構近飽和狀態的時間占比，如表2所示。表中所指排水品質是依侵入的水在1小時、1天、7天、1個月、及無法排掉50%共5種時間，區分為極佳、良好、一般、不好、很差共5個級別；而鋪面結構近飽和狀態的時間占比，則區分為<1%、1~5%、5~25%、及>25%共4個級別；排水品質一般而鋪面結構近飽和狀態的時間占比約為5%，則可選定排水係數M為1.00。
圖5例中欲設計的鋪面，設計交通量為5百萬ESALs, 所在位址的路基土壤強度(MR)為 5,000 psi，欲達到的鋪面服務成效(∆PSI)為1.9，圖解所得需要的鋪面結構數(SN)為5.0；採長壽鋪面概念(附註)搭配國內刨除料過多推動冷鋪瀝青混凝土底層，鋪面結構設計方案為面層採用熱拌瀝青混凝土，先試底層採用冷鋪瀝青混凝土9英吋、基層使用粒質材料(granular material)6英吋，則a1=0.44, a2=0.23, a3=0.10，粒質基層的排水係數選用1.00，則：
依此，設計的鋪面結構為三層：面層採用6英吋熱拌瀝青混凝土，底層採用9英吋冷鋪瀝青混凝土、基層使用6英吋粒質材料：
若用公分做為厚度單位，則先試底層採用冷鋪瀝青混凝土25公分(9.84英吋)，基層使用粒質材料(granular material)15公分(5.9英吋)，則a1=0.44, a2=0.23, a3=0.10，粒質基層的排水係數選用1.00，則(因為是經驗式且其中沒有單位的層係數是依厚度用英吋為單位而建立，故，計算時要將厚度單化化為英吋)：
依此，設計的鋪面結構為三層：面層採用15公分熱拌瀝青混凝土，底層採用25公分冷鋪瀝青混凝土、基層使用15公分粒質材料：
附註
理論上，只要結構數大於要求的設計值，沒有限定要用哪種鋪面材料組合，大都以工程實務及成本來優化決定；針對目標道路路段的重要性，也可用AASHO道路試驗經驗法給定的可靠度參數，及以往設計經驗累積的「整體標準差(S0)」值調整求算設計SN值，然，以往文獻中很少變動「整體標準差(一般為S0=0.35)」。
在交通量大的路段，由於用路人成本較高，應採用長壽鋪面(Perpectual Pavement)設計，長壽鋪面是指「在少量的表面層維修下可無限期使用的路面。」(可參「美國的長壽鋪面設計概念(Perpetual Pavement)」)主要原則是在堅固的道路基礎(非瀝青混凝土層)上，採用的瀝青混凝土總厚度較厚且依承載反應區分為三層，底層抗開裂、中間層抗變形、表面層抗剪及抗摩耗，每一層各自有抵抗的應力標的以達高設計效益。
作者以長壽鋪面設計概念，搭配國內刨除料過多推動冷鋪瀝青混凝土底層，以工程實務上粒質基層至少6英吋，刨除料用量很高的冷鋪瀝青混凝土底層稍微提高到9英吋，剩餘結構能力全用熱拌瀝青混凝土。
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