埃塞俄比亚柔性路面结构设计方法及工程实例

2022-10-26王忠群

天津科技 2022年10期

王忠群

(中交一公局集团海外事业部北京100024)

0 引言

埃塞俄比亚路面结构设计方法是在借鉴《Transport Research Laboratory Overseas Road Note 31(热带和亚热带地区沥青路面结构设计指南)》和《AASTHO(路面结构设计指南-1993)》的基础上编制的，并且是以试验为依据的路面结构设计经验法。

1 柔性路面设计原理

柔性路面结构设计理念图主要是在设计寿命周期内通过路基、结构层(开平层、底基层、基层、沥青混凝土面层)的厚度和承载力来完全抵抗车轮作用在路面的荷载，以保证路面质量和提高道路的耐久性，受力分析如图1 所示。对路面结构层与性能的要求如下。

①路基：对路面结构提供均匀的支撑，即路基在环境和荷载作用下不产生不均匀的变形。

②底基层：应满足结构强度，并有扩散荷载的能力。

③基层：是路面结构中的承重层，主要承受车辆荷载的竖向力，并把面层下传的应力扩散到路基[1]。当以沥青混凝土作为基层材料使用时，须限制沥青混合料的变形。

④面层：直接承受行车荷载引起的竖向力、水平力和冲击力的作用，在承受行车的作用下不产生开裂。

2 路面结构设计流程

2.1 路线调查分析

在项目可行性研究阶段通过对道路几何设计、材料来源调查、路线选择等工程技术、经济方面的问题进行全面分析、论证和评价，从而确定项目最佳路线。这个过程由投资方来完成，施工企业一般不参与此过程。

2.2 交通量调查及等级

2.2.1 设计周期

道路的设计周期在可行性报告中已明确，道路的功能、经济能力、交通量、道路所处区域的地形地貌及交通预测等为主要影响因素，在道路设计周期选择上要充分考虑以上5 个因素，才可以减少经济浪费[2]。设计周期的选取如表1 所示。

表1 道路设计周期的选取Tab.1 Road design cycle selection

2.2.2 交通量等级

项目区域内选定具有代表性的地点，根据车辆的轴数(分类)进行连续7 d 交通量调查(必须保证7 d内有2 d 为24 h 交通量调查，分别处于期中和期末，其他每日可为16 h 交通量调查)，以起始年各种车型设计交通量和各种车型年增长率计算出设计周期内道路累计交通量[3]。

2.2.3 标准轴载换算

将每一种车型的累积交通量按照不同车型换算系数折算成每种车型标准轴载(埃塞俄比亚公路局设计标准轴载80 kN)，并将折算的每一种车型标准轴载当量轴次进行累积，以确定道路设计寿命周期内标准轴载的当量作用次数。柔性路面交通量等级如表2所示。

表2 柔性路面交通量等级表Tab.2 Flexible pavement traffic level

2.3 路基等级

路基是路面结构的最底层，其承受着由面层传来的车辆荷载和上部结构的自重。实际工程中道路损坏大多数都是因为路基强度的不足，稳定性变差，在外荷载作用下产生过量变形所致。因此，路面设计中合理确定路基强度直接影响到面层结构材料选用、各层厚度的确定和道路运营期间的使用质量。另外，确定道路强度指标过程中要同时分析项目沿线可用料场材料指标，从而达到项目建设过程中就近取材并降低建设成本的目的[4]。

埃塞俄比亚柔性路面设计路基的强度采用加利福尼亚承载比(CBR)指标，取决于路基材料的类型、含水量、压实度。通常很难直接评估已完工路面下路基土强度，可通过路基的压实度、含水量，以及有关路基材料CBR、密度、含水量之间关系来反推。

2.3.1 路基含水量

路基强度受路基含水量的影响，埃塞俄比亚路面设计根据不同地形、地貌、地下水位、气候条件等划分为3 种区域[5]。

①雨季高地下水位作为主导地区：路基强度受雨季地下水位影响，其影响程度取决于路基材料的类型。在非塑性土壤中，当地下水位上升到距离路面1 m 以内时，地下水位才会主导路基含水量；在沙质黏土(PI＜20%)中，当地下水位上升到路面3 m 以内时，地下水位将占主导地位；在重黏土(PI＞40%)中，当地下水位上升到路面7 m 以内时，地下水位将占主导地位。需了解地下水位及季节性高点，以确定最潮湿/最弱可能条件下路基的含水情况。

②地下水位较深仅受降雨影响地区：埃塞俄比亚大部分地区属于此类，季节性降雨并且降雨量每年超过250 mm，含水量与旱季蒸发量平衡。此类路基含水量采用ASTM D 698 标准击实方法获得最佳含水量作为路基含水量情况。

③深地下水位及干旱气候地区：主要指埃塞俄比亚东北部(Tigray、Welo、Harerge 地区)和东南部低海拔地区(Harerge、Bale 地区)，在这种情况下路基含水量相对较低，采用 ASTM D 698 标准击实方法获得最佳含水量的80%作为路基含水量情况。

2.3.2 路基密实度

在已知路基含水量的情况下，只有估测出密实度，才能最终确定路基强度CBR 值，路基密实度通常取值为ASTM D 698 标准击实方法获得最大干密度的95%或取值ASTM D 1557 击实方法获得最大干密度的93%。根据目前压实设备路基密实度指标很容易实现。因此，路面设计路基密实度通常采用较低的密度，如果密度较高，则应将其视为额外的安全因素。

2.3.3 路基强度CBR 值

在上述路基含水量、密实度确定的情况下，按照ASTM D 698 标准击实方法获得100%最大干密度和最佳含水量制备3 个不同压实次数的试样，然后通过插值获得设计CBR 值。该方法可以对不同密度的路基 CBR 进行估算，并可以评估不同压实控制水平对路面结构设计的影响[6]。

2.4 路基强度等级

根据埃塞俄比亚公路局颁布的路面结构设计道路路基材料的CBR 值(参照ASTM D698 试验得到最大干密度约95%)，路基强度等级分为6 级，如表3所示。

表3 路基强度等级Tab.3 Grade of subgrade strength

2.5 路基区域划分

道路线路较长，各段落的材料性质、地形、地面等差异较大，在经济性方面按照路基强度等级进一步细分不同段落，考虑具有大概相同的材料特征(如材料分类、塑性指数、CBR、膨胀量等指标)，且无明显变化的段落一般会细分4 或5 段路基等级；另外，在划定相当均匀的部分之后，为了确保路基的设计强度，通常采用各部分的CBR 值的90%作为该路基区域的强度。

2.6 确定路面结构层类型

上述方法便可确认交通等级和路基强度CBR值。由于柔性路面结构有7 种不同结构类型对应于不同路面和路基材料的组合，但最合理、最适合的路面结构层选择将取决于维护水平和时间、结构的可行性、承包商的经验和技能、合适设备的可用性、不同材料的成本和其他风险等因素，因而应进行全寿命成本分析以选择最合适的结构[7-8]。

3 工程实例

3.1 项目背景

Fik-Hamero-Imi 公路项目属于国家联络道路，计划交工时间2022 年，设计寿命为20 年。该项目位于埃塞俄比亚东南部索马里州的西部地区，气候炎热干燥，平均温度为 30～35 ℃，地形平坦，海拔介于380～780 m 之间，其雨季为3～5 月和9～11 月，年降雨量约400 mm。

3.2 交通量调查及等级

3.2.1 交通量调查

2019 年11 月15 日至11 月21 日期间分别在Km 92+300(Gisangis town)、Km 137+000(Ayue Village)和 km 177+000(Guris Village)处进行5 d 为12 h、2 d 为24 h 的交通量调查，车辆分类和交通量统计分别见表4、表5。

表4 车辆分类及描述Tab.4 Vehicle classification and description

表5 交通量统计Tab.5 Traffic statistics

3.2.2 年平均日交通量

项目道路年平均日交通量(AADT)可通过上述3 处统计站的交通量数据及夜间和季节调整因素来确定。夜间调整系数值采用每种车型24 h 计数的车辆数量与当天夜间12 h 车辆统计数量的比率获得。季节性调整系数采用埃塞俄比亚公路局Babile-Fik道路2007—2014 期间交通量计算，其夜间、季节性调整系数及年平均日交通量数值如表6 所示。

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

3.2.3 各种车型交通量及年增长率估算

交通量的年增长率估算可根据历史交通量、人口增长率、人均收入、国内生产总值、道路功能及地位等多方面因素综合确定；另外，结合项目可行性报告增长率详细分析的2022—2035 年期间客车和货车的平均增长率分别为9.1%和10%。

根据项目设计寿命20 年，各种车型设计交通量年平均日交通量可通过下式计算：

其中：AADTi为i年平均日交通量，AADT0为2019 年平均日交通量，i为年交通增长率(%)，n为设计周期(年)。

其各种车型每年年平均日交通量估算如表7所示。

3.2.4 标准轴载换算

为了确定路面在设计寿命期间承受的累积轴载损伤，不同车型标准轴载换算系数可通过下式计算：

其中，EF为标准轴载换算系数，L为轴重(kg 或kN)，n为损伤指数(n＝4.5)，换算系数如表8 所示。

表8 不同车型标准轴载换算系数Tab.8 Conversion coefficients of standard axle load for different vehicle types

3.2.5 交通累积当量轴次

道路设计寿命周期内交通累积当量轴次可通过下式计算：

其中：EF为标准轴载换算系数，LF为0.6(车道分布系数)0.6，AADT为年年平均日交通量，计算交通累计当量轴次如表9 所示。

表9 交通累计当量轴次Tab.9 Cumulative traffic equivalent axle times

3.2.6 交通量等级

通过上述公式计算获得设计寿命周期内标准轴载的当量作用次数ESA＝8.21×106，本项目属于埃塞俄比亚柔性路面设计交通量T6 标准。

3.3 路基强度等级

3.3.1 路基含水量

FIK 项目位于埃塞俄比亚东南部，当地气候炎热干燥，年降雨量约400 mm，地形平坦海拔较低介于380～780 m，在这种情况下路基含水量相对较低，对路基强度影响较小。另外，为了保守起见，路面设计路基含水量采用ASTM D 698 标准击实方法来获得最佳含水量。

3.3.2 路基密实度

路面设计路基密实度采用ASTM D 698 标准击实方法获得最大干密度的95%。

3.3.3 路基强度CBR 值

就道路路面设计而言，加利福尼亚承载比CBR是评估路基强度最常用的参数，通过现场勘查，和每隔5%采集代表性路基土样进行筛分、塑性指数、线性收缩、标准击实和4 d 浸泡CBR 实验室试验调查，结果表明大多数取样土壤被认为是具有良好承载强度的路基材料，沿线路基强度加利福尼亚承载比CBR 分布情况如图2 所示。

图2 路基强度CBR值分布Fig.2 CBR value distribution of subgrade strength

3.3.4 路基区域划分

根据室内实验及现场勘查结果，对具有相似土壤属性的路基进行划分。为了更形象地表示各段的差异性，可通过累积差异与路线长度关系图来反映，项目划分为4 个相当均匀的路段(红线)，具体如图3所示。

图3 累积差异与路线长度关系图Fig.3 Relationship between cumulative differences and route length

3.3.5 路基强度

为了保证路基质量的安全性，采用路基各均匀段落90%点位的CBR 值作为路基设计强度，可按升序对路基CBR 值进行排序，并绘制一张以CBR 值为纵坐标、以测试样本数为横坐标的图表来实现(路基施工时路基材料的强度需大于路基强度设计值)。根据4 个相当均匀的路段路基强度CBR 设计值图标，路基强度设计等级为S4 标准，具体见表10。