中法瀝青路面結構設計實例對比淺析

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摘要:為探究中法瀝青路面設計的差異性，以多哥共和國Agou－Notse公路項目為例，分別基于中法現(xiàn)行公路瀝青路面設計規(guī)范，應用ALIZE－LCPC軟件和好路網程序，對兩國設計理論及指標、設計參數(shù)以及計算方法等進行了對比分析。結果發(fā)現(xiàn):法國瀝青路面設計規(guī)范主要考慮的指標為瀝青層底的拉應變和土基頂面的壓應變，而中國規(guī)范使用路表彎沉與層底拉應力作為驗算指標;其次，在相同交通量條件下，按法國規(guī)范設計得到的路面厚度比中國規(guī)范厚13cm。本文通過對中法瀝青路面設計規(guī)范的差異進行實例分析，為中國工作者在國外工程項目中提供參考和借鑒。

關鍵詞:瀝青路面;中國規(guī)范;法國規(guī)范;設計方法;ALIZE－LCPC

0前言

隨著我國“一帶一路”合作倡議的提出，中國企業(yè)參與國外公路項目日益增多。尤其是非洲較多國家廣泛采用法國規(guī)范，因此，有必要對中法設計規(guī)范的設計理論、方法和參數(shù)有一個全面、準確和清晰的把握［1］。目前，一些科研工作者已對中法瀝青路面設計規(guī)范的差異進行了相關研究［2－4］。李剛等［5－6］針對法國規(guī)范中路基路面組成、土方整平等級、墊層設計及路基等級，法國常用瀝青路面結構與土方、墊層及路面綜合設計方法進行了研究，并進行了示例分析。邊旭輝［7］結合阿爾及利亞東西高速公路標段路面結構設計，系統(tǒng)地介紹了法國規(guī)范下瀝青混路面的設計思路、路面結構體系特點及路面結構尺寸計算方法。劉軍勇等［3］以東西速公路W7標段瀝青路面設計詳細介紹了法國標準的高速公路瀝青路面結構設計理論和方法與法國標準高速公路瀝青路面設計過程中重車交通量、計算風險等參數(shù)的確定?？傮w而言，關于中法瀝青路面設計規(guī)范的對比研究中，在系統(tǒng)性以及計算方法等方面還存在很多不足，如中法規(guī)范對西非部國家路面結構體系、路面結構組合與選擇方法研究較少。因此，本文通過多哥Agou－Notse公路項目，介紹了法國標準瀝青路面設計過程中重車交通量、結構層計算參數(shù)取值、路面結構計算和方案的確定，并詳細論述了中國規(guī)范(水平三)和法國規(guī)范在瀝青路面設計方法中的異同點，為深入研究法國規(guī)范以及中國規(guī)范的差異性提供參考與借鑒。

1項目概況與設計資料

1．1項目概況

Agou－Notse公路位于多哥共和國西部地區(qū)，該地區(qū)年平均氣溫沿海地區(qū)為27℃，年平均降雨量為764mm［8］。

1．2設計資料

本項目為一級公路，總長約50．9km，雙向兩車道，其交通量年平均增長率為7%，采用柔性基層瀝青路面結構。根據(jù)該地區(qū)交通量調查數(shù)據(jù)分析，得到交通組成狀況如表1所示。

2法國瀝青路面設計方法

法國路面結構規(guī)范NFP98—086(2011)［9］將道路分為結構性路網道路(VRS)(設計使用壽命30年)和非結構性路網道路(VRNS)(設計使用壽命20年)兩部分。本項目的設計依據(jù)為《路面結構的概念和尺寸設計1994LCPC—SETRA技術指南》［10］與《CEBTP熱帶地區(qū)的路面結構設計實用指南》［11］。按照公路定位要求，該公路為非結構性路網道路(VRNS)，等效溫度采用30℃。

2．1確定道路類型及交通量等級

根據(jù)法國路面結構規(guī)范NFP98—086(2019)［9］，年平均日交通量按式(1)計算。MJA=T(1+i)n－1(1)式中，MJA為年平均日交通量;T為第1年每日平均交通量，T=356PL;i為重型交通年線性增長率，%;n為路面初始設計年限或投入使用年與研究年份之間的差額，本項目取n=2。根據(jù)CEBTP1984指南規(guī)定［11］交通量等級。TCi20或30=365×T×C(2)NE=TCi×CAM(3)式中，T為重車行車道平均日交通量(MJA);C為設計年限交通量年增長率，C=d+t×d×(d－1)/2;d為路面初始設計年限;t為重型交通年線性增長率，%;CAM為平均侵害系數(shù)。設計年限內累計重車交通量計算NE:NE=365×CAM×MJA×(1+i)n－1i(4)根據(jù)CEBTP1984指南［11］交通量等級，4×106＜NE=5．70×106＜5×107，表明該項目交通量是TC3等級的。

2．2路基計算參數(shù)

根據(jù)CEBTP指南，按其加州承載比CBR(CaliforniaBear-ingRatio)指標評定土基及路面長期荷載的水平分為五個等級。該項目所測CBR為30MPa，根據(jù)LCPC－SETRA土基分類表可知，此路基承載力等級取PF3。土基回彈模量取120MPa，泊松比取0．35。

2．3路基容許極限值計算

法國瀝青路面設計中［11］，不同路面材料層采用不同的設計指標，具體分為三大類:①瀝青材料層底拉應變;②土基頂面壓應變;③半剛性或剛性材料層底拉應力。土基頂面豎向應力σz，ad:本項目年平均日MJA為381PL/天/方向/道路，NE=5．70×106PL/年，即TC3類型的交通等級。

2．4ALIZE驗算設計方法

根據(jù)CEBTP指南［11］，本項目擬定方案如表2所示。路面結構計算見圖1～3。由圖1可知，第三層的σt，σt，ad∠σt不滿足要求。所以必須增加水泥礫石GC4層的厚度。綜上所述，瀝青路面結構組合為:4cm瀝青混凝土+15cm瀝青碎石+22cm水泥礫石+土基，總路面層的厚度有41cm。所得到的計算結果均滿足要求。

3中國瀝青路面設計方法

3．1交通量計算與車輛類型分布系數(shù)

按表1，根據(jù)瀝青路面設計規(guī)范A．1．2［12］，該項目按車型可分為1類車、2類車、3類車、4類車、5類車和11類車，1類車不考慮軸載換算。路面設計年限為15年。根據(jù)OD分析，設計使用年限內設計車道累計大型客車和貨車交通量為195輛/日，根據(jù)規(guī)范［12］附錄A可知，本項目屬于TTC5，方向系數(shù)取0．5(0．5～0．6)，車道系數(shù)取1．00。按水平三分析得各車輛類型分布系數(shù)。

3．2交通荷載參數(shù)分析

按照規(guī)范［12］公式A．3．1－5，查表A．3．1－2、表A．3．1－3，按照表A．3．1－2對2類～11類車輛非滿載車與滿載車的比例取規(guī)范推薦的中值。本項目設計軸載累計作用次數(shù)計算結果和瀝青路面結構層初擬方案如表3～4所示。由表3可知，經過計算，本研究公路設計使用年限內設計車道累計大型客車和貨車交通量為0．9316×106，根據(jù)規(guī)范可知，該交通等級屬輕等交通。

3．3路面結構組合方案初擬與瀝青材料參數(shù)

根據(jù)本項目交通荷載等級及環(huán)境，參照中國規(guī)范中的表4．4．2、表4．4．5和表4．5．2及附錄C［12］初擬瀝青路面結構。參考《公路路基設計規(guī)范》(JTGD30—2015)［13］，路基標準狀態(tài)下回彈模量取E0=65MPa。3．4路面結構驗算采用好路網軟件驗算，參考中國規(guī)范中的表6．2．1和B．3．1［12］以及《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設計與施工技術規(guī)范》(JTG/TD31—06—2017)［14］附錄A可知，項目屬于非季節(jié)凍土地區(qū)。參考表G．1．2［12］，該路段取基準等效溫度為27．9℃、下面層瀝青飽和度取62．5。驗算分析結果如表5所示。由表5可知，所選路面結構和材料能滿足各項驗算內容的要求。

4中法瀝青路面設計結構結果對比

4．1結構設計參數(shù)對比

根據(jù)中法兩國瀝青路面結構設計規(guī)范，對設計參數(shù)進行對比分析，結果如表6所示。由表6可知，法國柔性基層瀝青路面設計理論與中國具有一定的相似性，也有各自的獨特之處。中法瀝青路面結構設計都包括結構層組合與厚度擬定、設計參數(shù)和方案確定與驗算，但二者在設計參數(shù)和驗算指標上均存在較小差異。對于瀝青路面材料參數(shù)，中國考慮了20℃和15℃兩種條件下面層、基層、底基層材料抗壓模量，但法國規(guī)范是根據(jù)地區(qū)氣候條件選取材料在面層、基層、底基層的模量(法國本土的等效溫度采用15℃，西非地區(qū)的采用28℃～32℃)。中法規(guī)范均考慮了瀝青混合料層層底拉應變εt和無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力σt，其主要區(qū)別為:在路面車轍的控制方式中，中國規(guī)范采用瀝青混合料層永久變形量Ra進行控制，而法國規(guī)范采用粒料類和路基頂面的豎向壓應變εz，ad進行控制。

4．2交通量等級與設計荷載對比

本文對中法瀝青路面結構交通量與設計荷載對比進行了對比分析、結果如表7～8所示。由表7可知，法國規(guī)范設計交通量是中國規(guī)范設計交通量的6倍，這是因為兩國規(guī)范在交通量的計算方法上存在較大區(qū)別。根據(jù)法國規(guī)范計算，交通等級屬于TC3類，等于中國規(guī)范中的中等交通級;而根據(jù)中國規(guī)范進行計算，其屬于輕交通等級。由表8可知，中法兩國規(guī)范采用雙圓垂直均布荷載作用下的彈性層狀體系理論，但是，法國規(guī)范中的標準軸載是單軸雙輪組130kN，而中國規(guī)范中采用單軸雙輪組100kN為標準軸載。

4．3結構選取對比

根據(jù)上述的中法瀝青路面結構設計計算結果，得到瀝青路面結構組成如圖4～5所示。由圖4～5可知，中國規(guī)范瀝青路面的厚度比法國規(guī)范薄13cm，而且面層分為3層(即上面層、中面層和下面層)。

4.4驗算指標對比

中法瀝青路面結構路表彎沉與路基頂面圧應變計算結果如表9所示。由表9可知，中國柔性基層瀝青路面結構的路表彎沉與路基頂面壓應變比法國對應結構的計算結果大。根據(jù)法國規(guī)范計算得到的路基頂面壓應變比中國規(guī)范的路基頂面壓應變小，這是因為法國規(guī)范中的路面材料模量比中國規(guī)范的大很多，這導致瀝青路面結構整體強度和剛度都相對較大，因而路表彎沉和路基頂面壓應變均相對較小。對于柔性基層瀝青路面結構，中國規(guī)范僅采用上層瀝青層永久變形作為驗算指標以控制車轍，而法國規(guī)范則通過下層粒料類和土基頂豎向壓應變防止車轍病害的發(fā)生。

5結語

本文依托Agou－Notse公路項目，對比分析了中法兩國的瀝青面設計規(guī)范差異，得到了如下結論。1)在評定交通等級時，中國規(guī)范中采用設計年限內累計重車交通量，而法國規(guī)范中采用初始年設計車道重車交通量。2)中國規(guī)范在路面厚度確定時，首先確定瀝青層厚度，再計算基層厚度。而法國基本是假設基層的厚度，再計算瀝青層厚度。根據(jù)本文算例，法國設計規(guī)范推薦厚度比中國規(guī)范推薦厚度厚13cm。3)中法規(guī)范均考慮了瀝青混合料層層底拉應變和無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力，主要區(qū)別為控制車轍的驗算指標。4)中國路面結構的路表彎沉比法國結構的計算結果更大。本文不僅有利于中國工程師快速理解和掌握法國瀝青路面設計規(guī)范，而且有利于中國企業(yè)在西非地區(qū)的項目開展。

作者:寧佐飛 張陽 郭甲林 單位:長沙理工大學交通運輸工程學院