南部非洲規(guī)范瀝青路面設(shè)計(jì)研究

張 鵬，趙 賓

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100010；2.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100097)

1 項(xiàng)目概況

博茨瓦納是非洲地區(qū)南部內(nèi)陸國家，屬于南部非洲國家。項(xiàng)目位于博茨瓦納北部地區(qū)，是連接博茨瓦納東西部的主要干線，屬于舊路改造項(xiàng)目。項(xiàng)目長度約為299 km，雙向兩車道，設(shè)計(jì)使用年限20年，道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為南部非洲規(guī)范，現(xiàn)有路基寬度9.0 m。通過現(xiàn)場斷面交通量調(diào)查，得出每段所有車輛的初始年日交通量總和分別為1 317輛和4 123輛，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出重型車輛的初始年日均交通量增長率分別為4.55%和3.68%。

2 南部非洲瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范體系介紹

2.1 路面設(shè)計(jì)軸載

參考南非規(guī)范TRH4，南部非洲規(guī)范對于路面設(shè)計(jì)軸載做出如下規(guī)定，路面設(shè)計(jì)軸載采用80 kN，但其法定允許最大軸載為88 kN。路面設(shè)計(jì)承載能力以標(biāo)準(zhǔn)軸載的重復(fù)作用次數(shù)表示，其單位一般為106標(biāo)準(zhǔn)軸載。具體關(guān)于法定允許軸載內(nèi)容如表1所示。

2.2 路面設(shè)計(jì)使用年限

南部非洲規(guī)范對設(shè)計(jì)使用壽命提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限的范圍為10～20年，大多數(shù)情況下，選擇15或20年，因資金投入受限影響投資規(guī)模的項(xiàng)目才可選用10年。

表1 南部非洲規(guī)范對于車輛類型法定允許軸載的規(guī)定

2.3 交通等級(jí)的確定

通過現(xiàn)場交通量的調(diào)查，借助交通量數(shù)據(jù)預(yù)估方法，計(jì)算出設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道上的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)(次)，最終確定出設(shè)計(jì)交通荷載等級(jí)。

(1)預(yù)估設(shè)計(jì)交通量

預(yù)估設(shè)計(jì)交通量在南部非洲規(guī)范瀝青路面設(shè)計(jì)中是一個(gè)非常重要的影響因素，采用累計(jì)當(dāng)量軸次(DT)來預(yù)估設(shè)計(jì)年限內(nèi)單向交通量的大小，由下式計(jì)算

(1)

(2)

式中：m為車輛類型，共計(jì)m種；AADTi為第i種車型的單向初始年日交通量，輛/d；Fni為第i種車型的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載換算系數(shù)1；DDF為方向系數(shù)，一般取0.5；DT為設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)每種車型單向累計(jì)軸次，次；T為單向初始年日平均當(dāng)量軸次，次；r為年平均交通量增長率；p為路面設(shè)計(jì)使用年限，年。

(2)當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載換算系數(shù)Fn

對于同一種路面結(jié)構(gòu)，每種類型車輛的軸載譜不同，對路面結(jié)構(gòu)的損傷程度亦不同，反之，當(dāng)每種類型車輛的軸載譜相同時(shí)，對不同路面結(jié)構(gòu)的損傷程度也不一樣，通過研究不同路面結(jié)構(gòu)和車輛軸載對路面結(jié)構(gòu)的損傷程度，將其轉(zhuǎn)化為等損傷程度作用下標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)次數(shù)，最終得到當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載換算系數(shù)Fn，可通過公式(3)計(jì)算[1]

(3)

式中：P1為軸載，kN；P2為軸載，kg；n為相對損傷指數(shù)，與路面結(jié)構(gòu)材料密切相關(guān)。

由于輕型車輛對路面損傷的程度可以忽略不計(jì)，故當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載換算系數(shù)Fn=0，只考慮重型車輛對路面損傷的影響。在缺乏軸載調(diào)查數(shù)據(jù)的情況下，根據(jù)交通歷史數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，南部非洲規(guī)范提供了重型車輛的平均等效標(biāo)準(zhǔn)軸載換算系數(shù)，見表2。

表2 重型車輛的平均等效標(biāo)準(zhǔn)軸載換算系數(shù)

將車輛種類做橫坐標(biāo)，正常、非正常及常用范圍中的重型車輛軸載等效換算喜歡做縱坐標(biāo)，制成散點(diǎn)折線圖，如圖1所示。

圖1 重型車輛軸載等效換算系數(shù)Fn隨車輛類型變化

從圖1可知，隨著軸數(shù)的增加，正常條件和非正常條件下的重型車輛軸載等效換算系數(shù)Fn增大，其增長趨勢可分為3個(gè)階段，分別為：平緩區(qū)、漸變區(qū)和激增區(qū)。其中當(dāng)車輛類型為大客或2軸卡車時(shí)，增長緩慢；當(dāng)車輛類型為軸數(shù)范圍在2～5的卡車時(shí)，換算系數(shù)開始漸變增加；當(dāng)車輛類型為軸數(shù)大于5軸的卡車后，換算系數(shù)顯著線性增加。

由此可見，重型車輛軸載等效換算系數(shù)Fn的選擇在預(yù)估設(shè)計(jì)交通量時(shí)尤為關(guān)鍵，影響十分突出。

(3)設(shè)計(jì)交通等級(jí)

結(jié)合交通量調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)估的設(shè)計(jì)交通量，可確定最終的設(shè)計(jì)交通等級(jí)，具體見表3所示。

表3 累計(jì)當(dāng)量軸次對應(yīng)的設(shè)計(jì)交通等級(jí)

2.4 氣候區(qū)域的劃分

考慮到氣候區(qū)域?qū)β访娼Y(jié)構(gòu)的選擇以及造價(jià)投資的影響作用，不難發(fā)現(xiàn)，氣候區(qū)域的劃分占有舉足輕重的地位。因降雨?duì)顩r、排水條件和維修狀況的不同往往影響路面結(jié)構(gòu)的耐久性，為避免瀝青路面的使用壽命下降，南部非洲規(guī)范體系根據(jù)上述影響因素將氣候區(qū)域劃分為干區(qū)和濕區(qū)兩大類。

其中，干區(qū)是指年降雨量不足250 mm，且沒有重大洪災(zāi)(如低地河灘區(qū)域或潮汐港地)、地下泉水或地下井水或任何其他不利條件導(dǎo)致水分滲入道路的區(qū)域。對于年降雨量超過500 mm的區(qū)域一般視為濕區(qū)進(jìn)行路面設(shè)計(jì)。對于年降雨量處于250～500 mm時(shí)，可根據(jù)排水條件和維修狀況對路面結(jié)構(gòu)方案的影響程度，確定實(shí)體項(xiàng)目所在的氣候區(qū)域。

2.5 路基強(qiáng)度確定

合理的路基強(qiáng)度可以保證路基穩(wěn)定和路面質(zhì)量，節(jié)約造價(jià)成本，因此，研究路基強(qiáng)度十分有必要。CBR的大小對于路基強(qiáng)度的確定至關(guān)重要，路基CBR越高，路基強(qiáng)度等級(jí)越高，路基穩(wěn)定性越好，可顯著提高路面的耐久性，因此路基強(qiáng)度等級(jí)以CBR進(jìn)行分類，見表4。

表4 路基強(qiáng)度等級(jí)的分類

2.6 路面類型的選擇

對于瀝青路面設(shè)計(jì)，該規(guī)范提供了5種路面結(jié)構(gòu)組合類型，具體如表5所示。

表5 路面類型的選擇

2.7 查表法確定路面結(jié)構(gòu)方案

在交通荷載、氣候區(qū)域、路基條件以及路面類型確定的基礎(chǔ)上，通過查表法確定最終的路面結(jié)構(gòu)方案。SATCC規(guī)范提供了10張不同路面結(jié)構(gòu)方案的表格，路面結(jié)構(gòu)主要分為面層、基層、底基層和精選層，其中，當(dāng)路基等級(jí)較低時(shí)需設(shè)置精選層?；鶎雍偷谆鶎拥暮穸戎饕?5 mm為一級(jí)增加，尤其是粒料(底)基層和膠凝(底)基層。

3 基于SATCC的瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算

(1)確定交通等級(jí)?？紤]到博茨瓦納對超載管制極其嚴(yán)格，因此在計(jì)算當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載換算系數(shù)Fn時(shí)按正常條件下取值，同時(shí)方向系數(shù)DDF取0.5，車輛種類m=7，根據(jù)表5，結(jié)合上述公式求得預(yù)估設(shè)計(jì)交通量DT，通過查表3確定本項(xiàng)目的交通等級(jí)，結(jié)果見表6。發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目A段和B段的交通等級(jí)分別為T3和T4。

表6 本項(xiàng)目交通等級(jí)劃分結(jié)果

(2)確定氣候區(qū)域。本項(xiàng)目屬熱帶草原氣候區(qū)，通過查閱當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，該區(qū)域年降雨量平均為436 mm。雖在設(shè)計(jì)階段已設(shè)置完善的排水系統(tǒng)，但由于當(dāng)?shù)鼐S修養(yǎng)護(hù)水平有限，因此擬定預(yù)期排水條件良好， 預(yù)期維修水平不良。結(jié)合本項(xiàng)目各段落的交通等級(jí)，最終確定A段和B段的氣候區(qū)域分別為干區(qū)和濕區(qū)。

(3)確定路基等級(jí)。通過實(shí)地考察及與現(xiàn)場工程師的交流，現(xiàn)狀路基狀況良好，強(qiáng)度較高，CBR約5%～6%，通過查表4可知本項(xiàng)目路基等級(jí)擬定為S3。

(4)路面結(jié)構(gòu)方案擬定。借助查表設(shè)計(jì)法，最終確定本項(xiàng)目的路面結(jié)構(gòu)，具體見表7。

表7 最終的本項(xiàng)目路面結(jié)構(gòu)方案

4 結(jié) 語

分別從交通等級(jí)、氣候區(qū)域、路基強(qiáng)度、路面類型，系統(tǒng)闡述了南部非洲瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范體系的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)指標(biāo)等，進(jìn)一步明確南部非洲規(guī)范瀝青路面的設(shè)計(jì)流程的關(guān)注重點(diǎn)。制定了基于SATCC規(guī)范的氣候區(qū)域劃分流程圖，同時(shí)針對不同的氣候區(qū)域劃分，基于SATCC規(guī)范，采用查表法推薦了適用于本項(xiàng)目的不同瀝青路面結(jié)構(gòu)。

本著更好地指導(dǎo)中國企業(yè)在南部非洲地區(qū)開展交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的原則，對南部非洲瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范提出了若干建議，從而為推動(dòng)促進(jìn)南非非洲規(guī)范的良性發(fā)展提供理論和技術(shù)支持。