埃塞俄比亞柔性路面結構設計方法及工程實例

王忠群

(中交一公局集團海外事業部 北京100024)

0 引 言

埃塞俄比亞路面結構設計方法是在借鑒《Transport Research Laboratory Overseas Road Note 31(熱帶和亞熱帶地區瀝青路面結構設計指南)》和《AASTHO(路面結構設計指南-1993)》的基礎上編制的，并且是以試驗為依據的路面結構設計經驗法。

1 柔性路面設計原理

柔性路面結構設計理念圖主要是在設計壽命周期內通過路基、結構層(開平層、底基層、基層、瀝青混凝土面層)的厚度和承載力來完全抵抗車輪作用在路面的荷載，以保證路面質量和提高道路的耐久性，受力分析如圖1 所示。對路面結構層與性能的要求如下。

①路基：對路面結構提供均勻的支撐，即路基在環境和荷載作用下不產生不均勻的變形。

②底基層：應滿足結構強度，并有擴散荷載的能力。

③基層：是路面結構中的承重層，主要承受車輛荷載的豎向力，并把面層下傳的應力擴散到路基[1]。當以瀝青混凝土作為基層材料使用時，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生開裂。

2 路面結構設計流程

2.1 路線調查分析

在項目可行性研究階段通過對道路幾何設計、材料來源調查、路線選擇等工程技術、經濟方面的問題進行全面分析、論證和評價，從而確定項目最佳路線。這個過程由投資方來完成，施工企業一般不參與此過程。

2.2 交通量調查及等級

2.2.1 設計周期

道路的設計周期在可行性報告中已明確，道路的功能、經濟能力、交通量、道路所處區域的地形地貌及交通預測等為主要影響因素，在道路設計周期選擇上要充分考慮以上5 個因素，才可以減少經濟浪費[2]。設計周期的選取如表1 所示。

表1 道路設計周期的選取Tab.1 Road design cycle selection

2.2.2 交通量等級

項目區域內選定具有代表性的地點，根據車輛的軸數(分類)進行連續7 d 交通量調查(必須保證7 d內有2 d 為24 h 交通量調查，分別處于期中和期末，其他每日可為16 h 交通量調查)，以起始年各種車型設計交通量和各種車型年增長率計算出設計周期內道路累計交通量[3]。

2.2.3 標準軸載換算

將每一種車型的累積交通量按照不同車型換算系數折算成每種車型標準軸載(埃塞俄比亞公路局設計標準軸載80 kN)，并將折算的每一種車型標準軸載當量軸次進行累積，以確定道路設計壽命周期內標準軸載的當量作用次數。柔性路面交通量等級如表2所示。

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

2.3 路基等級

路基是路面結構的最底層，其承受著由面層傳來的車輛荷載和上部結構的自重。實際工程中道路損壞大多數都是因為路基強度的不足，穩定性變差，在外荷載作用下產生過量變形所致。因此，路面設計中合理確定路基強度直接影響到面層結構材料選用、各層厚度的確定和道路運營期間的使用質量。另外，確定道路強度指標過程中要同時分析項目沿線可用料場材料指標，從而達到項目建設過程中就近取材并降低建設成本的目的[4]。

埃塞俄比亞柔性路面設計路基的強度采用加利福尼亞承載比(CBR)指標，取決于路基材料的類型、含水量、壓實度。通常很難直接評估已完工路面下路基土強度，可通過路基的壓實度、含水量，以及有關路基材料CBR、密度、含水量之間關系來反推。

2.3.1 路基含水量

路基強度受路基含水量的影響，埃塞俄比亞路面設計根據不同地形、地貌、地下水位、氣候條件等劃分為3 種區域[5]。

①雨季高地下水位作為主導地區：路基強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，當地下水位上升到距離路面1 m 以內時，地下水位才會主導路基含水量；在沙質黏土(PI＜20%)中，當地下水位上升到路面3 m 以內時，地下水位將占主導地位；在重黏土(PI＞40%)中，當地下水位上升到路面7 m 以內時，地下水位將占主導地位。需了解地下水位及季節性高點，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：埃塞俄比亞大部分地區屬于此類，季節性降雨并且降雨量每年超過250 mm，含水量與旱季蒸發量平衡。此類路基含水量采用ASTM D 698 標準擊實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：主要指埃塞俄比亞東北部(Tigray、Welo、Harerge 地區)和東南部低海拔地區(Harerge、Bale 地區)，在這種情況下路基含水量相對較低，采用 ASTM D 698 標準擊實方法獲得最佳含水量的80%作為路基含水量情況。

2.3.2 路基密實度

在已知路基含水量的情況下，只有估測出密實度，才能最終確定路基強度CBR 值，路基密實度通常取值為ASTM D 698 標準擊實方法獲得最大干密度的95%或取值ASTM D 1557 擊實方法獲得最大干密度的93%。根據目前壓實設備路基密實度指標很容易實現。因此，路面設計路基密實度通常采用較低的密度，如果密度較高，則應將其視為額外的安全因素。

2.3.3 路基強度CBR 值

在上述路基含水量、密實度確定的情況下，按照ASTM D 698 標準擊實方法獲得100%最大干密度和最佳含水量制備3 個不同壓實次數的試樣，然后通過插值獲得設計CBR 值。該方法可以對不同密度的路基 CBR 進行估算，并可以評估不同壓實控制水平對路面結構設計的影響[6]。

2.4 路基強度等級

根據埃塞俄比亞公路局頒布的路面結構設計道路路基材料的CBR 值(參照ASTM D698 試驗得到最大干密度約95%)，路基強度等級分為6 級，如表3所示。

表3 路基強度等級Tab.3 Grade of subgrade strength

2.5 路基區域劃分

道路線路較長，各段落的材料性質、地形、地面等差異較大，在經濟性方面按照路基強度等級進一步細分不同段落，考慮具有大概相同的材料特征(如材料分類、塑性指數、CBR、膨脹量等指標)，且無明顯變化的段落一般會細分4 或5 段路基等級；另外，在劃定相當均勻的部分之后，為了確保路基的設計強度，通常采用各部分的CBR 值的90%作為該路基區域的強度。

2.6 確定路面結構層類型

上述方法便可確認交通等級和路基強度CBR值。由于柔性路面結構有7 種不同結構類型對應于不同路面和路基材料的組合，但最合理、最適合的路面結構層選擇將取決于維護水平和時間、結構的可行性、承包商的經驗和技能、合適設備的可用性、不同材料的成本和其他風險等因素，因而應進行全壽命成本分析以選擇最合適的結構[7-8]。

3 工程實例

3.1 項目背景

Fik-Hamero-Imi 公路項目屬于國家聯絡道路，計劃交工時間2022 年，設計壽命為20 年。該項目位于埃塞俄比亞東南部索馬里州的西部地區，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 交通量調查及等級

3.2.1 交通量調查

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)處進行5 d 為12 h、2 d 為24 h 的交通量調查，車輛分類和交通量統計分別見表4、表5。

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

表5 交通量統計Tab.5 Traffic statistics

3.2.2 年平均日交通量

項目道路年平均日交通量(AADT)可通過上述3 處統計站的交通量數據及夜間和季節調整因素來確定。夜間調整系數值采用每種車型24 h 計數的車輛數量與當天夜間12 h 車輛統計數量的比率獲得。季節性調整系數采用埃塞俄比亞公路局Babile-Fik道路2007—2014 期間交通量計算，其夜間、季節性調整系數及年平均日交通量數值如表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率估算

交通量的年增長率估算可根據歷史交通量、人口增長率、人均收入、國內生產總值、道路功能及地位等多方面因素綜合確定；另外，結合項目可行性報告增長率詳細分析的2022—2035 年期間客車和貨車的平均增長率分別為9.1%和10%。

根據項目設計壽命20 年，各種車型設計交通量年平均日交通量可通過下式計算：

其中：AADTi為i年平均日交通量，AADT0為2019 年平均日交通量，i為年交通增長率(%)，n為設計周期(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 標準軸載換算

為了確定路面在設計壽命期間承受的累積軸載損傷，不同車型標準軸載換算系數可通過下式計算：

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

表8 不同車型標準軸載換算系數Tab.8 Conversion coefficients of standard axle load for different vehicle types

3.2.5 交通累積當量軸次

道路設計壽命周期內交通累積當量軸次可通過下式計算：

其中：EF為標準軸載換算系數，LF為0.6(車道分布系數)0.6，AADT為年年平均日交通量，計算交通累計當量軸次如表9 所示。

表9 交通累計當量軸次Tab.9 Cumulative traffic equivalent axle times

3.2.6 交通量等級

通過上述公式計算獲得設計壽命周期內標準軸載的當量作用次數ESA＝8.21×106，本項目屬于埃塞俄比亞柔性路面設計交通量T6 標準。

3.3 路基強度等級

3.3.1 路基含水量

FIK 項目位于埃塞俄比亞東南部，當地氣候炎熱干燥，年降雨量約400 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較低，對路基強度影響較小。另外，為了保守起見，路面設計路基含水量采用ASTM D 698 標準擊實方法來獲得最佳含水量。

3.3.2 路基密實度

路面設計路基密實度采用ASTM D 698 標準擊實方法獲得最大干密度的95%。

3.3.3 路基強度CBR 值

就道路路面設計而言，加利福尼亞承載比CBR是評估路基強度最常用的參數，通過現場勘查，和每隔5%采集代表性路基土樣進行篩分、塑性指數、線性收縮、標準擊實和4 d 浸泡CBR 實驗室試驗調查，結果表明大多數取樣土壤被認為是具有良好承載強度的路基材料，沿線路基強度加利福尼亞承載比CBR 分布情況如圖2 所示。

圖2 路基強度CBR值分布Fig.2 CBR value distribution of subgrade strength

3.3.4 路基區域劃分

根據室內實驗及現場勘查結果，對具有相似土壤屬性的路基進行劃分。為了更形象地表示各段的差異性，可通過累積差異與路線長度關系圖來反映，項目劃分為4 個相當均勻的路段(紅線)，具體如圖3所示。

圖3 累積差異與路線長度關系圖Fig.3 Relationship between cumulative differences and route length

3.3.5 路基強度

為了保證路基質量的安全性，采用路基各均勻段落90%點位的CBR 值作為路基設計強度，可按升序對路基CBR 值進行排序，并繪制一張以CBR 值為縱坐標、以測試樣本數為橫坐標的圖表來實現(路基施工時路基材料的強度需大于路基強度設計值)。根據4 個相當均勻的路段路基強度CBR 設計值圖標，路基強度設計等級為S4 標準，具體見表10。

3.4 路面結構層類型

本項目設計周期20 年，交通量等級T6(6.0×106～10×106交通累積當量軸次)，路基強度等級S4，結合路面采用的形式查ERA2013《路面設計手冊》一覽表，本項目采用路面結構組合及厚度見表11。

表10 路基強度設計等級Tab.10 Subgrade strength design grades

表11 路面結構組合及厚度Tab.11 Pavement structure combination and thickness

4 結 語

埃塞俄比亞柔性路面設計是通過交通量等級、路基強度等指標查表獲得路面結構類型及厚度的方法和過程，這種以表選法為核心的設計方法與國內路面結構設計存在較大差異。本文結合實例應用對埃塞俄比亞路面結構設計加以說明和流程梳理，供大家討論，以期對今后可能參與該國公路工程建設的個人及單位提供借鑒參考。