中法沥青路面结构设计对比研究

2022-05-14李雪连崔之靖王随原YAWAVIBADJONA张起森

中外公路 2022年1期

李雪连，崔之靖，王随原， YAWAVI BADJONA，张起森

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114； 2.长沙理工大学公路养护技术国家工程实验室，湖南长沙 410114; 3.中国路桥工程有限责任公司，北京市 100011)

沥青路面因具有表面无接缝、易养护维修且能承受弹塑性变形等优点在世界各国广泛应用[1]，沥青路面设计成功与否，直接影响路面使用性能和寿命。目前，各国的现行沥青路面设计方法存在较大差异。在中国，经过几十年的发展，已经形成一套符合中国国情的沥青路面设计方法[2]。

“一带一路”项目建设使中国大量的道路工作者和建设单位投身于非洲的道路建设中。然而，目前非洲大多数国家采用的是法国沥青路面设计规范，与中国存在一定差异，困扰着中国道路援建者。因此，近年来，有学者陆续针对两国沥青路面设计特点开展研究。王乐宇等利用正交试验对比分析了中法沥青路面结构的设计参数，发现基层和土基参数的重要性在两国沥青路面设计中是相同的，而面层参数重要性在中国所占比例更大[3]；刘军勇等结合阿尔及利亚东西高速公路W7标段实体工程案例详细说明了法国规范中各设计参数取值方法和路面结构计算全过程[4]；雷宇等基于法国LCPC-ALIZE路面计算软件采用正交试验分析了法国沥青路面各结构层模量对路面设计指标的影响，研究表明：提高路面承台(法国将垫层和土基上1 m范围内称为路面承台)和底基层的模量能有效减小沥青层底拉应变和承台顶面压应变，采用高模量沥青混合料也可达到同等效果[5]；Njock P G A等利用有限元对法国和中国4种典型沥青路面结构进行计算与分析，结果表明：中国沥青路面典型结构的最大弯沉值大于法国沥青路面，同时，法国沥青路面采用的材料模量比中国高，从而让法国沥青路面具有更好的抗车辙能力[6]。总之，对中法沥青路面结构设计研究大多集中在对比结构设计参数和分析法国规范的路面设计案例，尚未见到从设计理念、设计参数和设计过程等沥青路面结构设计全过程的对比分析，特别是与中国2017版沥青路面设计规范的对比分析。

该文基于法国LCPC—2009《Conception et Dimensionnement des Structures de Chaussée》和中国JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》(简称2017年规范)对两国沥青路面设计进行对比，可为援非道路建设者快速理解和掌握法国沥青路面规范提供参考。

1 设计理念

1.1 道路类型

法国路面结构手册将道路分为结构性路网道路(VRS)和非结构性路网道路(VRNS)两部分；而中国道路主要分为公路和城市道路两部分，详见表 1。法国在进行路面结构设计时，先根据交通功能选择合适的道路类型，再根据交通量和环境条件等参数确定路面材料与结构组合。而中国对于公路等级选择主要由国家路网规划和交通量大小等综合因素决定，对于城市道路则以道路使用功能为主确定等级。不同道路类型决定了路面结构层厚度、材料的选择和路基宽度等要素。

表1 道路分类

1.2 路面结构类型

法国沥青路面结构主要以柔性基层为主，半刚性基层沥青路面只在法国东部地区使用，且多数是在交通量较小的道路。而中国主要受“强基薄面”观念影响，仍以半刚性基层沥青路面为主[7]，近些年柔性基层路面才逐渐受到重视[8]。在法国沥青路面设计相关规范中，路面结构类型主要分为6类；而中国沥青规范则按基层材料性质分为5类，如表2所示。

表2 路面结构分类

表2中，全厚式沥青路面是法国目前最主要的沥青路面结构形式，占法国道路总里程50%以上[9]。水硬性结合料处治基层沥青路面在法国东部地区较为常见，性能与中国的半刚性基层沥青路面类似。水泥混凝土刚性基层沥青路面需要根据土基的排水情况设置排水层，以避免土基受到水的侵蚀。组合式结构沥青路面规定沥青材料层厚度需超过路面总厚度的一半以上，是除全厚式沥青路面外在法国应用最为广泛的结构形式[10]。倒装结构沥青路面是在全厚式沥青路面基础上加了级配碎石层和水稳层。两国除对不同路面结构定义不同之外，沥青路面结构总体基本相似。此外，法国沥青路面常采用全厚式沥青路面结构。这种路面结构以高模量沥青混合料为主，与半刚性基层沥青路面相比，其优势在于路面结构厚度更薄[9]，同时有利于减少反射裂缝的产生，且将路面破坏限制在路面表面层，更有利于后期养护维修。

1.3 路面结构组合

法国路面结构设计是将路基路面作为一个整体进行考虑，没有“路基”这个概念[10]。总体上，法国路基路面结构包括土基、垫层(CDF)和路面体。土基由土基上部(PST)及其顶面的整平层(AR)和天然土基组成。垫层和土基上部共同组成路面承台(PF)，即路面承重层。路面体包括面层和基层，其中，面层包括磨耗层和联结层，而基层包括基层和底基层，具体如图1所示。与法国路面结构相比，除面层外，中国其余各结构层与法国类似，而面层按不同材料可分成3层，见图2。值得注意的是，2017版规范提出用“功能层”取代“垫层”这一概念。

图1 法国路面结构图

图2 中国路面结构图

(1) 土基上部

法国LCPC—1998《Catalogue des Structures Types de Chaussées Neuves》中将土基约1 m厚深度部分称为PST，类似于中国“路床”结构，同时PST上可根据不同道路要求增加改善层。为了确定PST的承载力，根据不同PST材料的性质以及含水状态等，将PST分为7个等级，如表3所示。此外，当PST使用的材料本身防水且承载能力高时，可取消垫层。

表3 PST等级

(2) 整平层

PST的顶面称为AR，其作用为承载上部结构的长期荷载，按其承受荷载的大小划分为5个等级，以模量表示，如表4所示。而中国仅在岩石、填石路基顶面设置整平层，厚度为20～30 cm。

表4 AR等级

(3) 路面承台

PF一般由CDF和PST组成，按其承载路面长期荷载的水平一般分为4个等级，见表5。确定PF等级是路面结构设计的前提，PF各等级均与AR等级相对应，确定PF等级流程见图3所示。

表5 PF等级划分表

图3 PF等级划分步骤图

(4) 路面体

法国路面结构将面层分为磨耗层和联结层，其中磨耗层功能与中国表面层相同，起到直接承受车辆荷载和抗磨耗作用；联结层一般采用模量较高的材料，同时也有利于提高面层抗车辙能力。此外，法国路面结构层中基层部分与中国基本相同。

2 设计理论与指标

两国均采用双圆垂直均布荷载作用下的弹性层状体系理论，但法国的标准轴载是单轴双轮组130 kN，而中国是单轴双轮组100 kN，计算参数的差别见表6。

表6 标准轴载计算参数

法国在进行沥青路面设计时，不同路面材料层采用不同的设计指标，具体分为3大类：① 沥青材料层底拉应变；② 土基顶面压应变；③ 半刚性或刚性材料层底拉应力。相关计算公式如下：

(1) 沥青混合料容许应变εt,ad

(1)

式中：ε6为材料进行疲劳试验100万次的应变；NE为标准当量轴数；b为沥青材料计算参数，一般为-0.2；E(10 ℃)为10 ℃时的模量；E(15 ℃)为15 ℃时的模量；Kc为材料修正系数，法国常用的高模量沥青混合料为1.0；Kr为路面破坏风险系数，Kr=10-ubδ；u为与风险值相关的递减系数，取值见表7；δ为材料疲劳断裂对数的差异参数，δ=[SN2+(c2/b2)Sh2]0.5，其中SN为材料计算参数，对于沥青材料为0.25；Sh为与路面结构层厚度h相关的系数，取值见表 8；c为与路面厚度相关联的系数，一般取0.02 cm-1；Ks为土基的承载能力系数，取值见表9。

表7 递减系数

表8 Sh值

表9 Ks值

(2) 土基顶面竖向变形εz,ad

εz,ad=0.012(NE)-0.222

(2)

εz,ad=0.016(NE)-0.222

(3)

交通量较大采用式(2)计算，交通量较小则采用式(3)计算。

(3) 半刚性或刚性材料层的容许应力σt,ad

σt,ad=σt(NE)×Kr×Kd×Kc×Ks

(4)

式中：σt(NE)为试件进行一年弯曲试验对应的断裂应力；Kd为非连续修正系数，对于水硬性结合料稳定材料一般取1.0。

与法国设计指标相比，2017版规范中增加了沥青混合料层永久变形和沥青面层低温开裂两个设计指标，这两个指标是分别针对中国沥青路面易产生车辙破坏和在季节性冻土地区沥青面层易低温开裂提出的。此外，中国沥青路面设计指标更加具体，对不同的基层类型提不同的设计指标。

3 设计参数

3.1 交通等级

确定交通等级是进行路面结构设计的前提。目前，法国规范中将荷载大于35 kN的重型车辆作为交通等级划分依据；其中，对于VRS道路用TCi30(30年内累计交通量i级)表示；对VRNS道路用TCi20(20年内累计交通量i级)表示。与法国相比，中国根据车辆构造和轴组类型等，将车辆分为11种类型，并只考虑其中2～11类车辆作用；同时，将交通等级按累计交通量划分为5个等级，具体划分见表 10。对于法国交通量和累计轴数计算分别见式(5)、(6)，中国先按3个水平确定当量轴载换算系数后，根据2017版规范计算当量轴载累计次数。

表10 交通等级

TCi20或30=365×T×C

(5)

NE=TCi×CAM

(6)

式中：T为重车行车道平均日交通量(MJA)；C为设计年限交通量年增长率，C=d+t×d×(d-1)/2，d为路面初始设计年限，t为重型交通年线性增长率(%)；CAM为平均侵害系数，与路面结构类型和车道分类有关的平均结构折算系数，见表11。

表11 CAM值

3.2 土(路)基

在法国设计理念中，并没有“路基”这一说法，但其结构组合中，垫层加土基上部组成的结构与中国路基的概念类似。在法国规范中，土基参数包括AR等级、PST等级以及土基中PST加垫层组成的PF等级。其中，当垫层施工厚度未达到设计厚度要求时，此时PF等级以AR等级代替[11]；当垫层施工厚度达到设计厚度要求时，则PF等级和AR等级划分分别见表4、5。

在中国，路基一般包括路床和路堤两部分，其中路床结构与法国PST结构相似。目前，中国路基按交通荷载等级分成4类，以路基顶面回弹模量表示，如表 12所示。路基分为干燥、中湿和潮湿3种干湿类型。在进行路面设计时，路基应处于干燥或中湿状态。

表12 路基等级

3.3 路面

法国沥青路面材料设计理念基本与中国沥青路面材料设计相同，包括原材料选择和沥青混合料设计；不同之处在于法国在材料设计上更成体系，且与路面结构层结合更紧密。

在原材料选择方面，两国均以方孔筛为标准筛，但尺寸大小不一，法国以0～125 mm分成35档，而中国以0～75 mm分成17档，法国对此划分更为细致[12]。法国在粗集料方面比中国少了压碎值和冲击值要求，但对于不同层位粗集料的指标要求各不相同，中国则未考虑不同结构层的要求。两国对于细集料与填料要求大致相同，且对于基质沥青的技术指标要求基本类似，但对于聚合物改性沥青，由于法国本土气候原因要求更加全面，在低温性能方面要求更高[13]。

在沥青混合料设计方面，两国均采用体积设计法。法国沥青混合料设计采用4级试验法，包括水稳定性试验、高温稳定性试验、劲度模量和疲劳试验，而中国则采用马歇尔设计法。法国路面结构层材料设计的模量等参数通过室内试验确定；而中国材料设计参数的确定分为3个水平。高速公路和一级公路采用水平一确定，即根据室内试验确定；其他等级公路可采用水平二或三确定，即通过经验法或代表值确定。此外，就两国确定参数的试验方法而言，法国试验方法及设备更简便实用，而中国则由于路面结构类型和材料种类较多，且对不同结构和材料采用的试验方法不同，导致中国相关试验方法复杂且设备种类较多。

3.4 环境条件

沥青是温度敏感性材料，故在沥青路面设计时需要考虑温度变化对路面性能的影响。其中，疲劳等效温度法是最常用的一种方法[14]，两国都采用这个方法。在法国，路面等效温度的定义：某一温度造成的路面损伤与一年内实际温度造成的路面损伤相同。根据法国本土和西非地区的气候不同，法国本土的等效温度采用15 ℃，西非地区采用28～32 ℃。在中国，主要根据道路工程所在的环境、路面结构类型与结构层厚度等因素，采用两种措施考虑温度变化对路面的影响：一种以温度调整系数表征温度对路面结构疲劳和路基顶面竖向压应变的影响，具体方法为先将路面结构换算成当量的面层、基层和路基3部分,然后对不同温度换算成标准温度20 ℃路面各层等效破坏，从而得到温度调整系数；另一种以等效温度表征温度变化对沥青混合料层永久变形的影响，用式(7)表示：

Tpef=Tξ+0.016ha

(7)

式中：Tpef为沥青混合料层等效温度(℃)；Tξ为基准等效温度(℃)；ha为沥青混合料层厚度(mm)。

3.5 路面可靠度

法国路面设计以计算风险值表示路面使用可靠度，计算风险即在无结构性养护条件下，在n年间路面发生功能性破坏导致其使用性能失效的概率，具体取值范围见表13。中国路面设计采用目标可靠度和目标可靠指标评定路面使用可靠性，取值如表14所示。

表13 法国路面计算风险取值

表14 目标可靠度和目标可靠指标

从表13可知：法国路面计算风险值取决于路面结构类型和交通等级，使路面可靠度更具有针对性；由表14可知：中国目标可靠度仅与公路等级有关，且目前仅提出目标可靠度和目标可靠指标这两个指标，对于如何根据可靠度进行沥青路面设计还缺乏相关指导，同时也未考虑不同路面结构类型对可靠度的影响。

4 沥青路面结构设计方法

在法国，沥青路面设计有两种设计方法：卡片法(即典型结构设计法)和软件法。根据法国多年来沥青路面设计经验，LCPC—1998《Catalogue des Structures Types de Chaussées Neuves》总结了VRS道路中的25种结构卡片和VRNS道路中的27种结构卡片，同时将抗冻性检验作为法国路面结构设计的一个特色，这也是这个手册的重要内容之一。首先根据该手册初选路面结构组合，再利用道桥研究中心(LCPC)的ALIZE软件进行计算，经过卡片和软件计算的双重验算后，确定最终结构组合和厚度；然后，进行冻融检验，满足要求则该拟定结构组合是可行的；最后，确定最优路面结构组合，具体设计流程如图4所示。中国沥青路面结构设计方法基本与法国相同，也包括结构层组合与厚度拟定、设计参数和方案确定与验算，不同的是各个阶段采用的方法存在一定差异。