南部非洲規范瀝青路面設計研究

張 鵬，趙 賓

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

1 項目概況

博茨瓦納是非洲地區南部內陸國家，屬于南部非洲國家。項目位于博茨瓦納北部地區，是連接博茨瓦納東西部的主要干線，屬于舊路改造項目。項目長度約為299 km，雙向兩車道，設計使用年限20年，道路設計標準為南部非洲規范，現有路基寬度9.0 m。通過現場斷面交通量調查，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，經過數據統計分析，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計規范體系介紹

2.1 路面設計軸載

參考南非規范TRH4，南部非洲規范對于路面設計軸載做出如下規定，路面設計軸載采用80 kN，但其法定允許最大軸載為88 kN。路面設計承載能力以標準軸載的重復作用次數表示，其單位一般為106標準軸載。具體關于法定允許軸載內容如表1所示。

2.2 路面設計使用年限

南部非洲規范對設計使用壽命提供了參考標準。瀝青路面設計使用年限的范圍為10～20年，大多數情況下，選擇15或20年，因資金投入受限影響投資規模的項目才可選用10年。

表1 南部非洲規范對于車輛類型法定允許軸載的規定

2.3 交通等級的確定

通過現場交通量的調查，借助交通量數據預估方法，計算出設計使用年限內設計車道上的當量設計軸載累計作用次數(次)，最終確定出設計交通荷載等級。

(1)預估設計交通量

預估設計交通量在南部非洲規范瀝青路面設計中是一個非常重要的影響因素，采用累計當量軸次(DT)來預估設計年限內單向交通量的大小，由下式計算

(1)

(2)

式中：m為車輛類型，共計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種車型的當量設計軸載換算系數1；DDF為方向系數，一般取0.5；DT為設計使用年限內每種車型單向累計軸次，次；T為單向初始年日平均當量軸次，次；r為年平均交通量增長率；p為路面設計使用年限，年。

(2)當量設計軸載換算系數Fn

對于同一種路面結構，每種類型車輛的軸載譜不同，對路面結構的損傷程度亦不同，反之，當每種類型車輛的軸載譜相同時，對不同路面結構的損傷程度也不一樣，通過研究不同路面結構和車輛軸載對路面結構的損傷程度，將其轉化為等損傷程度作用下標準軸載累計次數，最終得到當量設計軸載換算系數Fn，可通過公式(3)計算[1]

(3)

式中：P1為軸載，kN；P2為軸載，kg；n為相對損傷指數，與路面結構材料密切相關。

由于輕型車輛對路面損傷的程度可以忽略不計，故當量設計軸載換算系數Fn=0，只考慮重型車輛對路面損傷的影響。在缺乏軸載調查數據的情況下，根據交通歷史數據或經驗數據，南部非洲規范提供了重型車輛的平均等效標準軸載換算系數，見表2。

表2 重型車輛的平均等效標準軸載換算系數

將車輛種類做橫坐標，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，制成散點折線圖，如圖1所示。

圖1 重型車輛軸載等效換算系數Fn隨車輛類型變化

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

由此可見，重型車輛軸載等效換算系數Fn的選擇在預估設計交通量時尤為關鍵，影響十分突出。

(3)設計交通等級

結合交通量調查數據，根據預估的設計交通量，可確定最終的設計交通等級，具體見表3所示。

表3 累計當量軸次對應的設計交通等級

2.4 氣候區域的劃分

考慮到氣候區域對路面結構的選擇以及造價投資的影響作用，不難發現，氣候區域的劃分占有舉足輕重的地位。因降雨狀況、排水條件和維修狀況的不同往往影響路面結構的耐久性，為避免瀝青路面的使用壽命下降，南部非洲規范體系根據上述影響因素將氣候區域劃分為干區和濕區兩大類。

其中，干區是指年降雨量不足250 mm，且沒有重大洪災(如低地河灘區域或潮汐港地)、地下泉水或地下井水或任何其他不利條件導致水分滲入道路的區域。對于年降雨量超過500 mm的區域一般視為濕區進行路面設計。對于年降雨量處于250～500 mm時，可根據排水條件和維修狀況對路面結構方案的影響程度，確定實體項目所在的氣候區域。

2.5 路基強度確定

合理的路基強度可以保證路基穩定和路面質量，節約造價成本，因此，研究路基強度十分有必要。CBR的大小對于路基強度的確定至關重要，路基CBR越高，路基強度等級越高，路基穩定性越好，可顯著提高路面的耐久性，因此路基強度等級以CBR進行分類，見表4。

表4 路基強度等級的分類

2.6 路面類型的選擇

對于瀝青路面設計，該規范提供了5種路面結構組合類型，具體如表5所示。

表5 路面類型的選擇

2.7 查表法確定路面結構方案

在交通荷載、氣候區域、路基條件以及路面類型確定的基礎上，通過查表法確定最終的路面結構方案。SATCC規范提供了10張不同路面結構方案的表格，路面結構主要分為面層、基層、底基層和精選層，其中，當路基等級較低時需設置精選層?；鶎雍偷谆鶎拥暮穸戎饕?5 mm為一級增加，尤其是粒料(底)基層和膠凝(底)基層。

3 基于SATCC的瀝青路面結構計算

(1)確定交通等級?？紤]到博茨瓦納對超載管制極其嚴格，因此在計算當量設計軸載換算系數Fn時按正常條件下取值，同時方向系數DDF取0.5，車輛種類m=7，根據表5，結合上述公式求得預估設計交通量DT，通過查表3確定本項目的交通等級，結果見表6。發現本項目A段和B段的交通等級分別為T3和T4。

表6 本項目交通等級劃分結果

(2)確定氣候區域。本項目屬熱帶草原氣候區，通過查閱當地氣象資料，該區域年降雨量平均為436 mm。雖在設計階段已設置完善的排水系統，但由于當地維修養護水平有限，因此擬定預期排水條件良好， 預期維修水平不良。結合本項目各段落的交通等級，最終確定A段和B段的氣候區域分別為干區和濕區。

(3)確定路基等級。通過實地考察及與現場工程師的交流，現狀路基狀況良好，強度較高，CBR約5%～6%，通過查表4可知本項目路基等級擬定為S3。

(4)路面結構方案擬定。借助查表設計法，最終確定本項目的路面結構，具體見表7。

表7 最終的本項目路面結構方案

4 結 語

分別從交通等級、氣候區域、路基強度、路面類型，系統闡述了南部非洲瀝青路面設計規范體系的設計理念、設計方法、設計指標等，進一步明確南部非洲規范瀝青路面的設計流程的關注重點。制定了基于SATCC規范的氣候區域劃分流程圖，同時針對不同的氣候區域劃分，基于SATCC規范，采用查表法推薦了適用于本項目的不同瀝青路面結構。

本著更好地指導中國企業在南部非洲地區開展交通基礎設施建設的原則，對南部非洲瀝青路面設計規范提出了若干建議，從而為推動促進南非非洲規范的良性發展提供理論和技術支持。