中法瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計實例對比淺析
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摘要:為探究中法瀝青路面設(shè)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(shè)計規(guī)范，應(yīng)用ALIZE－LCPC軟件和好路網(wǎng)程序，對兩國設(shè)計理論及指標(biāo)、設(shè)計參數(shù)以及計算方法等進行了對比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):法國瀝青路面設(shè)計規(guī)范主要考慮的指標(biāo)為瀝青層底的拉應(yīng)變和土基頂面的壓應(yīng)變，而中國規(guī)范使用路表彎沉與層底拉應(yīng)力作為驗算指標(biāo);其次，在相同交通量條件下，按法國規(guī)范設(shè)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(shè)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(guān)鍵詞:瀝青路面;中國規(guī)范;法國規(guī)范;設(shè)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(shè)計規(guī)范的設(shè)計理論、方法和參數(shù)有一個全面、準(zhǔn)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(shè)計規(guī)范的差異進行了相關(guān)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(shè)計及路基等級，法國常用瀝青路面結(jié)構(gòu)與土方、墊層及路面綜合設(shè)計方法進行了研究，并進行了示例分析。邊旭輝［7］結(jié)合阿爾及利亞東西高速公路標(biāo)段路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)地介紹了法國規(guī)范下瀝青混路面的設(shè)計思路、路面結(jié)構(gòu)體系特點及路面結(jié)構(gòu)尺寸計算方法。劉軍勇等［3］以東西速公路W7標(biāo)段瀝青路面設(shè)計詳細(xì)介紹了法國標(biāo)準(zhǔn)的高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法與法國標(biāo)準(zhǔn)高速公路瀝青路面設(shè)計過程中重車交通量、計算風(fēng)險等參數(shù)的確定?？傮w而言，關(guān)于中法瀝青路面設(shè)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(jié)構(gòu)體系、路面結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)瀝青路面設(shè)計過程中重車交通量、結(jié)構(gòu)層計算參數(shù)取值、路面結(jié)構(gòu)計算和方案的確定，并詳細(xì)論述了中國規(guī)范(水平三)和法國規(guī)范在瀝青路面設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)。根據(jù)該地區(qū)交通量調(diào)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(shè)計方法
法國路面結(jié)構(gòu)規(guī)范NFP98—086(2011)［9］將道路分為結(jié)構(gòu)性路網(wǎng)道路(VRS)(設(shè)計使用壽命30年)和非結(jié)構(gòu)性路網(wǎng)道路(VRNS)(設(shè)計使用壽命20年)兩部分。本項目的設(shè)計依據(jù)為《路面結(jié)構(gòu)的概念和尺寸設(shè)計1994LCPC—SETRA技術(shù)指南》［10］與《CEBTP熱帶地區(qū)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計實用指南》［11］。按照公路定位要求，該公路為非結(jié)構(gòu)性路網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計年限交通量年增長率，C=d+t×d×(d－1)/2;d為路面初始設(shè)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(shè)計年限內(nèi)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(biāo)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(shè)計中［11］，不同路面材料層采用不同的設(shè)計指標(biāo)，具體分為三大類:①瀝青材料層底拉應(yīng)變;②土基頂面壓應(yīng)變;③半剛性或剛性材料層底拉應(yīng)力。土基頂面豎向應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果均滿足要求。
3中國瀝青路面設(shè)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(shè)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(shè)計年限為15年。根據(jù)OD分析，設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)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(shè)計軸載累計作用次數(shù)計算結(jié)果和瀝青路面結(jié)構(gòu)層初擬方案如表3～4所示。由表3可知，經(jīng)過計算，本研究公路設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。參考《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTGD30—2015)［13］，路基標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下回彈模量取E0=65MPa。3．4路面結(jié)構(gòu)驗算采用好路網(wǎng)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(shè)計與施工技術(shù)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(zhǔn)等效溫度為27．9℃、下面層瀝青飽和度取62．5。驗算分析結(jié)果如表5所示。由表5可知，所選路面結(jié)構(gòu)和材料能滿足各項驗算內(nèi)容的要求。
4中法瀝青路面設(shè)計結(jié)構(gòu)結(jié)果對比
4．1結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對比
根據(jù)中法兩國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，對設(shè)計參數(shù)進行對比分析，結(jié)果如表6所示。由表6可知，法國柔性基層瀝青路面設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計都包括結(jié)構(gòu)層組合與厚度擬定、設(shè)計參數(shù)和方案確定與驗算，但二者在設(shè)計參數(shù)和驗算指標(biāo)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(yīng)變εt和無機結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)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(yīng)變εz，ad進行控制。
4．2交通量等級與設(shè)計荷載對比
本文對中法瀝青路面結(jié)構(gòu)交通量與設(shè)計荷載對比進行了對比分析、結(jié)果如表7～8所示。由表7可知，法國規(guī)范設(shè)計交通量是中國規(guī)范設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)軸載。
4．3結(jié)構(gòu)選取對比
根據(jù)上述的中法瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計計算結(jié)果，得到瀝青路面結(jié)構(gòu)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(biāo)對比
中法瀝青路面結(jié)構(gòu)路表彎沉與路基頂面圧應(yīng)變計算結(jié)果如表9所示。由表9可知，中國柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉與路基頂面壓應(yīng)變比法國對應(yīng)結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果大。根據(jù)法國規(guī)范計算得到的路基頂面壓應(yīng)變比中國規(guī)范的路基頂面壓應(yīng)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(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)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(yīng)變均相對較小。對于柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，中國規(guī)范僅采用上層瀝青層永久變形作為驗算指標(biāo)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(yīng)變防止車轍病害的發(fā)生。
5結(jié)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(shè)計規(guī)范差異，得到了如下結(jié)論。1)在評定交通等級時，中國規(guī)范中采用設(shè)計年限內(nèi)累計重車交通量，而法國規(guī)范中采用初始年設(shè)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(shè)基層的厚度，再計算瀝青層厚度。根據(jù)本文算例，法國設(shè)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(yīng)變和無機結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力，主要區(qū)別為控制車轍的驗算指標(biāo)。4)中國路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉比法國結(jié)構(gòu)的計算結(jié)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(shè)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(xué)交通運輸工程學(xué)院