薄沥青路面结构不仅具有抗滑、低噪声、平整度好等功能优点，同时强调面层与基层的整体性，将功能性能与结构性能结合，形成整体路面结构体系，而且面层厚度较薄，经济性好。薄沥青路面适用于中低等级路面，性价比优异。目前国内外对薄沥青路面的研究集中于面层的功能性能，缺少薄沥青路面针对性的设计控制指标，以及结构的整体特性研究和优化设计方法。本论文通过实际工程调研、理论分析、有限元数值模拟和设计软件预估等方法，对薄沥青路面结构的结构特点、受力性能和优化设计方案进行了较为系统的研究。首先，以项目工程为依托，以路面设计软件MEPDG为平台，计算研究了该工程设计方案，并分析确定出薄沥青路面的设计控制指标。通过实地考察刚果（布）国家一号公路工程项目，对工程中相关的早期损害原因进行了分析，并统计了交通量与环境条件，通过MEPDG软件对原设计方案进行技术分析，表明该设计方案基层强度不足且设计控制指标不明确，结合工程项目的调研结论和MEPDG软件的分析成果，本研究得出薄沥青路面的关键设计控制指标。其次，以通用有限元ANSYS程序为平台，建立了薄沥青路面的三维有限元模型，通过正交参数分析得出薄沥青路面设计控制指标的取值计算方法。基于实际工程经验和上文提出的设计控制指标的选取，对薄沥青路面结构进行三维有限元模拟，建立长10m，宽7m，高6m的局部足尺模型，模拟车辆荷载作用下各结构层的应力及变形状态。采用正交设计方法进行变参数分析，给出薄沥青路面设计控制指标的建议取值计算方法和结构组合形式。最后，结合有限元分析的结论，根据关键控制指标对疲劳寿命预估的影响，提出结构形式优化方案，并选取了改善功能性能的面层新材料进行试验分析。通过对关键控制指标对疲劳寿命的影响分析，并根据疲劳寿命预估的结论提出建议的结构形式优化设计，对面层新材料岩沥青的试验分析证明其具有良好的抗疲劳和高温稳定性等优异性能，适合应用于薄沥青路面。