埃塞俄比亞柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及工程實(shí)例

王忠群

(中交一公局集團(tuán)海外事業(yè)部 北京100024)

0 引 言

埃塞俄比亞路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是在借鑒《Transport Research Laboratory Overseas Road Note 31(熱帶和亞熱帶地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南)》和《AASTHO(路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南-1993)》的基礎(chǔ)上編制的，并且是以試驗(yàn)為依據(jù)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法。

1 柔性路面設(shè)計(jì)原理

柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念圖主要是在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)通過(guò)路基、結(jié)構(gòu)層(開(kāi)平層、底基層、基層、瀝青混凝土面層)的厚度和承載力來(lái)完全抵抗車輪作用在路面的荷載，以保證路面質(zhì)量和提高道路的耐久性，受力分析如圖1 所示。對(duì)路面結(jié)構(gòu)層與性能的要求如下。

①路基：對(duì)路面結(jié)構(gòu)提供均勻的支撐，即路基在環(huán)境和荷載作用下不產(chǎn)生不均勻的變形。

②底基層：應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并有擴(kuò)散荷載的能力。

③基層：是路面結(jié)構(gòu)中的承重層，主要承受車輛荷載的豎向力，并把面層下傳的應(yīng)力擴(kuò)散到路基[1]。當(dāng)以瀝青混凝土作為基層材料使用時(shí)，須限制瀝青混合料的變形。

④面層：直接承受行車荷載引起的豎向力、水平力和沖擊力的作用，在承受行車的作用下不產(chǎn)生開(kāi)裂。

2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

2.1 路線調(diào)查分析

在項(xiàng)目可行性研究階段通過(guò)對(duì)道路幾何設(shè)計(jì)、材料來(lái)源調(diào)查、路線選擇等工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的問(wèn)題進(jìn)行全面分析、論證和評(píng)價(jià)，從而確定項(xiàng)目最佳路線。這個(gè)過(guò)程由投資方來(lái)完成，施工企業(yè)一般不參與此過(guò)程。

2.2 交通量調(diào)查及等級(jí)

2.2.1 設(shè)計(jì)周期

道路的設(shè)計(jì)周期在可行性報(bào)告中已明確，道路的功能、經(jīng)濟(jì)能力、交通量、道路所處區(qū)域的地形地貌及交通預(yù)測(cè)等為主要影響因素，在道路設(shè)計(jì)周期選擇上要充分考慮以上5 個(gè)因素，才可以減少經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)[2]。設(shè)計(jì)周期的選取如表1 所示。

表1 道路設(shè)計(jì)周期的選取Tab.1 Road design cycle selection

2.2.2 交通量等級(jí)

項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)選定具有代表性的地點(diǎn)，根據(jù)車輛的軸數(shù)(分類)進(jìn)行連續(xù)7 d 交通量調(diào)查(必須保證7 d內(nèi)有2 d 為24 h 交通量調(diào)查，分別處于期中和期末，其他每日可為16 h 交通量調(diào)查)，以起始年各種車型設(shè)計(jì)交通量和各種車型年增長(zhǎng)率計(jì)算出設(shè)計(jì)周期內(nèi)道路累計(jì)交通量[3]。

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)軸載換算

將每一種車型的累積交通量按照不同車型換算系數(shù)折算成每種車型標(biāo)準(zhǔn)軸載(埃塞俄比亞公路局設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載80 kN)，并將折算的每一種車型標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量軸次進(jìn)行累積，以確定道路設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量作用次數(shù)。柔性路面交通量等級(jí)如表2所示。

表2 柔性路面交通量等級(jí)表Tab.2 Flexible pavement traffic level

2.3 路基等級(jí)

路基是路面結(jié)構(gòu)的最底層，其承受著由面層傳來(lái)的車輛荷載和上部結(jié)構(gòu)的自重。實(shí)際工程中道路損壞大多數(shù)都是因?yàn)槁坊鶑?qiáng)度的不足，穩(wěn)定性變差，在外荷載作用下產(chǎn)生過(guò)量變形所致。因此，路面設(shè)計(jì)中合理確定路基強(qiáng)度直接影響到面層結(jié)構(gòu)材料選用、各層厚度的確定和道路運(yùn)營(yíng)期間的使用質(zhì)量。另外，確定道路強(qiáng)度指標(biāo)過(guò)程中要同時(shí)分析項(xiàng)目沿線可用料場(chǎng)材料指標(biāo)，從而達(dá)到項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中就近取材并降低建設(shè)成本的目的[4]。

埃塞俄比亞柔性路面設(shè)計(jì)路基的強(qiáng)度采用加利福尼亞承載比(CBR)指標(biāo)，取決于路基材料的類型、含水量、壓實(shí)度。通常很難直接評(píng)估已完工路面下路基土強(qiáng)度，可通過(guò)路基的壓實(shí)度、含水量，以及有關(guān)路基材料CBR、密度、含水量之間關(guān)系來(lái)反推。

2.3.1 路基含水量

路基強(qiáng)度受路基含水量的影響，埃塞俄比亞路面設(shè)計(jì)根據(jù)不同地形、地貌、地下水位、氣候條件等劃分為3 種區(qū)域[5]。

①雨季高地下水位作為主導(dǎo)地區(qū)：路基強(qiáng)度受雨季地下水位影響，其影響程度取決于路基材料的類型。在非塑性土壤中，當(dāng)?shù)叵滤簧仙骄嚯x路面1 m 以內(nèi)時(shí)，地下水位才會(huì)主導(dǎo)路基含水量；在沙質(zhì)黏土(PI＜20%)中，當(dāng)?shù)叵滤簧仙铰访? m 以內(nèi)時(shí)，地下水位將占主導(dǎo)地位；在重黏土(PI＞40%)中，當(dāng)?shù)叵滤簧仙铰访? m 以內(nèi)時(shí)，地下水位將占主導(dǎo)地位。需了解地下水位及季節(jié)性高點(diǎn)，以確定最潮濕/最弱可能條件下路基的含水情況。

②地下水位較深僅受降雨影響地區(qū)：埃塞俄比亞大部分地區(qū)屬于此類，季節(jié)性降雨并且降雨量每年超過(guò)250 mm，含水量與旱季蒸發(fā)量平衡。此類路基含水量采用ASTM D 698 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法獲得最佳含水量作為路基含水量情況。

③深地下水位及干旱氣候地區(qū)：主要指埃塞俄比亞?wèn)|北部(Tigray、Welo、Harerge 地區(qū))和東南部低海拔地區(qū)(Harerge、Bale 地區(qū))，在這種情況下路基含水量相對(duì)較低，采用 ASTM D 698 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法獲得最佳含水量的80%作為路基含水量情況。

2.3.2 路基密實(shí)度

在已知路基含水量的情況下，只有估測(cè)出密實(shí)度，才能最終確定路基強(qiáng)度CBR 值，路基密實(shí)度通常取值為ASTM D 698 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法獲得最大干密度的95%或取值A(chǔ)STM D 1557 擊實(shí)方法獲得最大干密度的93%。根據(jù)目前壓實(shí)設(shè)備路基密實(shí)度指標(biāo)很容易實(shí)現(xiàn)。因此，路面設(shè)計(jì)路基密實(shí)度通常采用較低的密度，如果密度較高，則應(yīng)將其視為額外的安全因素。

2.3.3 路基強(qiáng)度CBR 值

在上述路基含水量、密實(shí)度確定的情況下，按照ASTM D 698 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法獲得100%最大干密度和最佳含水量制備3 個(gè)不同壓實(shí)次數(shù)的試樣，然后通過(guò)插值獲得設(shè)計(jì)CBR 值。該方法可以對(duì)不同密度的路基 CBR 進(jìn)行估算，并可以評(píng)估不同壓實(shí)控制水平對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響[6]。

2.4 路基強(qiáng)度等級(jí)

根據(jù)埃塞俄比亞公路局頒布的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)道路路基材料的CBR 值(參照ASTM D698 試驗(yàn)得到最大干密度約95%)，路基強(qiáng)度等級(jí)分為6 級(jí)，如表3所示。

表3 路基強(qiáng)度等級(jí)Tab.3 Grade of subgrade strength

2.5 路基區(qū)域劃分

道路線路較長(zhǎng)，各段落的材料性質(zhì)、地形、地面等差異較大，在經(jīng)濟(jì)性方面按照路基強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)一步細(xì)分不同段落，考慮具有大概相同的材料特征(如材料分類、塑性指數(shù)、CBR、膨脹量等指標(biāo))，且無(wú)明顯變化的段落一般會(huì)細(xì)分4 或5 段路基等級(jí)；另外，在劃定相當(dāng)均勻的部分之后，為了確保路基的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，通常采用各部分的CBR 值的90%作為該路基區(qū)域的強(qiáng)度。

2.6 確定路面結(jié)構(gòu)層類型

上述方法便可確認(rèn)交通等級(jí)和路基強(qiáng)度CBR值。由于柔性路面結(jié)構(gòu)有7 種不同結(jié)構(gòu)類型對(duì)應(yīng)于不同路面和路基材料的組合，但最合理、最適合的路面結(jié)構(gòu)層選擇將取決于維護(hù)水平和時(shí)間、結(jié)構(gòu)的可行性、承包商的經(jīng)驗(yàn)和技能、合適設(shè)備的可用性、不同材料的成本和其他風(fēng)險(xiǎn)等因素，因而應(yīng)進(jìn)行全壽命成本分析以選擇最合適的結(jié)構(gòu)[7-8]。

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目背景

Fik-Hamero-Imi 公路項(xiàng)目屬于國(guó)家聯(lián)絡(luò)道路，計(jì)劃交工時(shí)間2022 年，設(shè)計(jì)壽命為20 年。該項(xiàng)目位于埃塞俄比亞?wèn)|南部索馬里州的西部地區(qū)，氣候炎熱干燥，平均溫度為 30～35 ℃，地形平坦，海拔介于380～780 m 之間，其雨季為3～5 月和9～11 月，年降雨量約400 mm。

3.2 交通量調(diào)查及等級(jí)

3.2.1 交通量調(diào)查

2019 年11 月15 日至11 月21 日期間分別在Km 92+300(Gisangis town)、Km 137+000(Ayue Village)和 km 177+000(Guris Village)處進(jìn)行5 d 為12 h、2 d 為24 h 的交通量調(diào)查，車輛分類和交通量統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)表4、表5。

表4 車輛分類及描述Tab.4 Vehicle classification and description

表5 交通量統(tǒng)計(jì)Tab.5 Traffic statistics

3.2.2 年平均日交通量

項(xiàng)目道路年平均日交通量(AADT)可通過(guò)上述3 處統(tǒng)計(jì)站的交通量數(shù)據(jù)及夜間和季節(jié)調(diào)整因素來(lái)確定。夜間調(diào)整系數(shù)值采用每種車型24 h 計(jì)數(shù)的車輛數(shù)量與當(dāng)天夜間12 h 車輛統(tǒng)計(jì)數(shù)量的比率獲得。季節(jié)性調(diào)整系數(shù)采用埃塞俄比亞公路局Babile-Fik道路2007—2014 期間交通量計(jì)算，其夜間、季節(jié)性調(diào)整系數(shù)及年平均日交通量數(shù)值如表6 所示。

表6 年平均日交通量Tab.6 Annual average daily traffic

3.2.3 各種車型交通量及年增長(zhǎng)率估算

交通量的年增長(zhǎng)率估算可根據(jù)歷史交通量、人口增長(zhǎng)率、人均收入、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、道路功能及地位等多方面因素綜合確定；另外，結(jié)合項(xiàng)目可行性報(bào)告增長(zhǎng)率詳細(xì)分析的2022—2035 年期間客車和貨車的平均增長(zhǎng)率分別為9.1%和10%。

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)壽命20 年，各種車型設(shè)計(jì)交通量年平均日交通量可通過(guò)下式計(jì)算：

其中：AADTi為i年平均日交通量，AADT0為2019 年平均日交通量，i為年交通增長(zhǎng)率(%)，n為設(shè)計(jì)周期(年)。

其各種車型每年年平均日交通量估算如表7所示。

3.2.4 標(biāo)準(zhǔn)軸載換算

為了確定路面在設(shè)計(jì)壽命期間承受的累積軸載損傷，不同車型標(biāo)準(zhǔn)軸載換算系數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算：

其中，EF為標(biāo)準(zhǔn)軸載換算系數(shù)，L為軸重(kg 或kN)，n為損傷指數(shù)(n＝4.5)，換算系數(shù)如表8 所示。

表8 不同車型標(biāo)準(zhǔn)軸載換算系數(shù)Tab.8 Conversion coefficients of standard axle load for different vehicle types

3.2.5 交通累積當(dāng)量軸次

道路設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)交通累積當(dāng)量軸次可通過(guò)下式計(jì)算：

其中：EF為標(biāo)準(zhǔn)軸載換算系數(shù)，LF為0.6(車道分布系數(shù))0.6，AADT為年年平均日交通量，計(jì)算交通累計(jì)當(dāng)量軸次如表9 所示。

表9 交通累計(jì)當(dāng)量軸次Tab.9 Cumulative traffic equivalent axle times

3.2.6 交通量等級(jí)

通過(guò)上述公式計(jì)算獲得設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量作用次數(shù)ESA＝8.21×106，本項(xiàng)目屬于埃塞俄比亞柔性路面設(shè)計(jì)交通量T6 標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 路基強(qiáng)度等級(jí)

3.3.1 路基含水量

FIK 項(xiàng)目位于埃塞俄比亞?wèn)|南部，當(dāng)?shù)貧夂蜓谉岣稍铮杲涤炅考s400 mm，地形平坦海拔較低介于380～780 m，在這種情況下路基含水量相對(duì)較低，對(duì)路基強(qiáng)度影響較小。另外，為了保守起見(jiàn)，路面設(shè)計(jì)路基含水量采用ASTM D 698 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法來(lái)獲得最佳含水量。

3.3.2 路基密實(shí)度

路面設(shè)計(jì)路基密實(shí)度采用ASTM D 698 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法獲得最大干密度的95%。

3.3.3 路基強(qiáng)度CBR 值

就道路路面設(shè)計(jì)而言，加利福尼亞承載比CBR是評(píng)估路基強(qiáng)度最常用的參數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，和每隔5%采集代表性路基土樣進(jìn)行篩分、塑性指數(shù)、線性收縮、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)和4 d 浸泡CBR 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)調(diào)查，結(jié)果表明大多數(shù)取樣土壤被認(rèn)為是具有良好承載強(qiáng)度的路基材料，沿線路基強(qiáng)度加利福尼亞承載比CBR 分布情況如圖2 所示。

圖2 路基強(qiáng)度CBR值分布Fig.2 CBR value distribution of subgrade strength

3.3.4 路基區(qū)域劃分

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，對(duì)具有相似土壤屬性的路基進(jìn)行劃分。為了更形象地表示各段的差異性，可通過(guò)累積差異與路線長(zhǎng)度關(guān)系圖來(lái)反映，項(xiàng)目劃分為4 個(gè)相當(dāng)均勻的路段(紅線)，具體如圖3所示。

圖3 累積差異與路線長(zhǎng)度關(guān)系圖Fig.3 Relationship between cumulative differences and route length

3.3.5 路基強(qiáng)度

為了保證路基質(zhì)量的安全性，采用路基各均勻段落90%點(diǎn)位的CBR 值作為路基設(shè)計(jì)強(qiáng)度，可按升序?qū)β坊鵆BR 值進(jìn)行排序，并繪制一張以CBR 值為縱坐標(biāo)、以測(cè)試樣本數(shù)為橫坐標(biāo)的圖表來(lái)實(shí)現(xiàn)(路基施工時(shí)路基材料的強(qiáng)度需大于路基強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)。根據(jù)4 個(gè)相當(dāng)均勻的路段路基強(qiáng)度CBR 設(shè)計(jì)值圖標(biāo)，路基強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為S4 標(biāo)準(zhǔn)，具體見(jiàn)表10。

3.4 路面結(jié)構(gòu)層類型

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期20 年，交通量等級(jí)T6(6.0×106～10×106交通累積當(dāng)量軸次)，路基強(qiáng)度等級(jí)S4，結(jié)合路面采用的形式查ERA2013《路面設(shè)計(jì)手冊(cè)》一覽表，本項(xiàng)目采用路面結(jié)構(gòu)組合及厚度見(jiàn)表11。

表10 路基強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)Tab.10 Subgrade strength design grades

表11 路面結(jié)構(gòu)組合及厚度Tab.11 Pavement structure combination and thickness

4 結(jié) 語(yǔ)

埃塞俄比亞柔性路面設(shè)計(jì)是通過(guò)交通量等級(jí)、路基強(qiáng)度等指標(biāo)查表獲得路面結(jié)構(gòu)類型及厚度的方法和過(guò)程，這種以表選法為核心的設(shè)計(jì)方法與國(guó)內(nèi)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在較大差異。本文結(jié)合實(shí)例應(yīng)用對(duì)埃塞俄比亞路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以說(shuō)明和流程梳理，供大家討論，以期對(duì)今后可能參與該國(guó)公路工程建設(shè)的個(gè)人及單位提供借鑒參考。