尹磊， 王琛， 申愛琴*

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064； 2.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司)

1 引言

交通荷載參數(shù)計算是進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時至關(guān)重要的一項步驟，其主要內(nèi)容包括通過交通數(shù)據(jù)調(diào)查等方式確定所需的各項參數(shù)、進(jìn)行初始年交通量的確定、設(shè)計年限內(nèi)的總交通量的預(yù)估等。中法兩國規(guī)范對交通荷載參數(shù)計算存在一定差異，這種差異會直接影響到設(shè)計的待建道路結(jié)構(gòu)層厚度，從而影響工程造價與道路壽命，若交通量計算值比實際狀態(tài)大，會造成筑路材料與資金的浪費；若交通量計算值比實際狀態(tài)小，則會導(dǎo)致設(shè)計出的道路無法滿足交通荷載的壓力、過早產(chǎn)生破壞。

目前對于中法兩國瀝青路面設(shè)計規(guī)范的研究涉及的內(nèi)容比較寬泛，在宏觀層面，丁小軍、趙立延等對中法公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的整體性進(jìn)行過研究，其研究內(nèi)容從宏觀角度對中法兩國道路結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同進(jìn)行了對比；在材料層面，薛善光、夏全平等對法國常用的高模量瀝青混合料與中國所使用的瀝青混合料進(jìn)行了力學(xué)性能層面的對比分析；劉軍勇、李剛等對法國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計從材料選擇、各結(jié)構(gòu)層設(shè)計方法等方面與中國存在的差異進(jìn)行了討論；蔣松利等對基于法國標(biāo)準(zhǔn)下復(fù)合式基層瀝青路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，得出法國復(fù)合式基層瀝青路面下的力學(xué)特征；王樂宇等對中法瀝青路面設(shè)計中材料參數(shù)進(jìn)行正交試驗，確定出對路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)影響較大的材料參數(shù)?？梢钥闯觯耗壳暗难芯繉τ谥蟹r青路面設(shè)計交通荷載參數(shù)的深入分析較少，因此，該文從交通荷載的角度對兩國規(guī)范進(jìn)行差異化分析。

法國NF P98-086-2011《路面設(shè)計規(guī)范》、《新建路面標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)手冊》(1998)以及中國JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》對兩國瀝青路面設(shè)計交通量計算方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的規(guī)定。該文立足于規(guī)范，并結(jié)合計算實例對中法兩國交通荷載參數(shù)計算的差異進(jìn)行詳細(xì)的介紹和對比分析。

2 中法規(guī)范交通荷載參數(shù)計算對比

2.1 中國規(guī)范

依據(jù)中國JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)計算時需要計算的交通量類型分為兩種：① 設(shè)計交通荷載等級；② 當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)。二者主要區(qū)別如表1所示。

表1 兩種交通量類型的對比

計算參數(shù)中的交通量，可參照待建道路的可行性研究報告，綜合當(dāng)?shù)亟煌ㄓ^測站，或?qū)嵉卦O(shè)置站點(改建道路)進(jìn)行觀測；交通量年平均增長率，應(yīng)根據(jù)公路等級和功能及經(jīng)濟(jì)和交通發(fā)展，通過調(diào)查分析確定；方向系數(shù)和車道系數(shù)可通過交通量觀測(改建道路)或按照規(guī)范給定的參考值選取；車輛類型組成指2～11類車各自所占的比例，可通過實際調(diào)查(改建道路)或根據(jù)建設(shè)地當(dāng)?shù)亟?jīng)驗值與參考值選取。

當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)的計算比設(shè)計交通荷載等級計算多出一項參數(shù)，即軸重組成。這是由于設(shè)計交通荷載等級只需統(tǒng)計車輛數(shù)量，而當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)則需要計算出每一類車的當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)，并且即使是同一類車，也會因為裝載量的不同導(dǎo)致實際軸重存在差異。規(guī)范中規(guī)定，對于改建道路，可以通過對原有道路調(diào)查，得出各類車軸型與軸重分布情況，據(jù)此作為設(shè)計軸載換算系數(shù)的參數(shù)；而對于新建道路，由于無法進(jìn)行實際道路交通情況調(diào)查，故可通過不同類型車輛在滿載和非滿載情況下的當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)與滿載和非滿載車輛的比例相乘表示各類車的當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)。其中，滿載和非滿載時的當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)以及比例可按設(shè)計地當(dāng)?shù)亟?jīng)驗選取或按照規(guī)范給出的參考值選取。

2.2 法國規(guī)范

法國NF P98-086-2011《路面設(shè)計規(guī)范》規(guī)定需要計算的交通量類型同樣分為兩種：① 交通量等級(Ti)；② 設(shè)計年限內(nèi)累計交通量(NPL)，兩種交通量等級類型均只計算交通量最大的車道上通過的重車(載重荷載總重量>35 kN)的車輛數(shù)量。對于方向系數(shù)與車道系數(shù)的確定，一般按規(guī)范給定的參考值進(jìn)行選取，其中《新建路面標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)手冊》(文獻(xiàn)[10])的計算示例對方向系數(shù)均取為0.5，車道系數(shù)則根據(jù)車道數(shù)在0.75～1之間選取。

交通量等級(Ti)為根據(jù)年均日交通量(TMJA)進(jìn)行的直觀分級，在法國瀝青路面設(shè)計中主要作為某些參數(shù)的選擇依據(jù)，包括材料的類型、風(fēng)險等級、重型荷載平均影響系數(shù)CAM等。法國NF P98-086-2011《路面設(shè)計規(guī)范》對Ti等級劃分方式如表2所示。

表2 Ti等級與年平均日交通量的關(guān)系

累計交通量(NPL)是指設(shè)計年限內(nèi)的累計交通量，逐年交通量增長在《新建路面標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)手冊》與《路面設(shè)計規(guī)范》中分別采用線性增長與指數(shù)增長的方式進(jìn)行計算?！缎陆访鏄?biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)手冊》對于設(shè)計年限按照結(jié)構(gòu)道路(VRS)和非結(jié)構(gòu)道路(VRNS)進(jìn)行分類，分別為30年和20年，且為了更方便地使用結(jié)構(gòu)設(shè)計卡片對道路結(jié)構(gòu)各層的厚度等參數(shù)進(jìn)行查詢，分別為VRS和VRNS劃分了等級TCi30和TCi20，由于TCi等級是在Ti等級的基礎(chǔ)上換算而來，故可以直接根據(jù)TCi等級擬定風(fēng)險等級與CAM值。表3為各等級下累計交通量(NPL)的最高界限。

表3 TCi30(20)各等級NPL最高界限

確定累計交通量(NPL)的目的是將其作為道路結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)驗算時容許應(yīng)力和應(yīng)變確定的依據(jù)，驗算內(nèi)容包括面層瀝青材料的容許應(yīng)變、基層和底基層的水硬性結(jié)合料或混凝土容許水平拉應(yīng)力、墊層未處理砂礫料或土基頂面容許垂直變形3種。用于結(jié)構(gòu)驗算時，由于荷載對道路不同結(jié)構(gòu)造成的破壞影響程度存在差異，需要對累計交通量(NPL)乘以重型荷載平均影響系數(shù)(CAM)轉(zhuǎn)化為等效累計交通量(NE)。

2.3 對比分析

中法兩國規(guī)范中交通參數(shù)計算總體思想類似，均是通過確定一個初始交通量值、合適的增長率，計算得到設(shè)計年限內(nèi)的總交通量，以指導(dǎo)路面設(shè)計，存在的區(qū)別主要有以下幾點：

(1) 交通量計算方式不同，法國將交通量按照年平均日交通量和累計交通量分別計算，使得交通量作為路面設(shè)計參數(shù)選擇的依據(jù)，且可以作為結(jié)構(gòu)層進(jìn)行力學(xué)驗算的參數(shù)。而中國計算的兩種交通量均是設(shè)計年限內(nèi)累計交通量，在交通量等級劃分方式上也與法國存在差異。

(2) 交通量年增長率計算方式不同，中國一般按照指數(shù)增長進(jìn)行計算，法國則有線性與指數(shù)增長兩種計算方式，一般來說，按照線性增長時，增長率的取值相較于按照指數(shù)增長時的取值更大。

(3) 設(shè)計年限不同，法國路面設(shè)計中對累計交通量計算采用20年或30年，城市道路為10～20年。而中國規(guī)范對于高速公路、一級道路的最低設(shè)計年限要求為15年，低等級道路則更低。設(shè)計年限短雖然可以減少道路建設(shè)時的材料等級要求和層位厚度，但會使道路更早出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致后期養(yǎng)護(hù)費用和難度增加。

(4) 設(shè)計軸載不同，中國規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)軸載為雙輪組100 kN,法國規(guī)范則規(guī)定為130 kN，相應(yīng)的其他軸參數(shù)，如輪胎接地壓強等也略有差異。

(5) 對計算參數(shù)獲取方式不同，中國JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》對于車型構(gòu)成、車道系數(shù)、方向系數(shù)、當(dāng)量軸載換算系數(shù)(法國規(guī)范為CAM值)等計算參數(shù)的確定更偏重于實際，許多參數(shù)的設(shè)計均基于實際調(diào)查或建設(shè)地當(dāng)?shù)亟?jīng)驗得到，雖然規(guī)范中也給出了這些參數(shù)的參考值，但是僅在無法進(jìn)行實地調(diào)查時才使用。而法國對于這些計算參數(shù)的選取往往直接按照《路面設(shè)計規(guī)范》與《新建路面標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)手冊》給定的參考值選擇，與實際道路情況存在一定程度的差異。

(6) 中國規(guī)范對于車輛的劃分更加具體，對于軸載差異對路面造成的影響計算更加精細(xì)，甚至對于滿載車和非滿載車也做出了區(qū)分以更加準(zhǔn)確計算出道路實際受到的荷載。而法國規(guī)范僅對重車(軸載大于35 kN)的數(shù)量做出計算，作為年平均日交通量與累計交通量的計算依據(jù)，對于交通量的調(diào)查方式也沒有中國規(guī)范規(guī)定的細(xì)致。

3 實例分析

3.1 工程基本資料

以多哥RN34號國道中一段長度為60 543 m道路的重建與加固工程作為計算示例，該道路分為3個路段修建，選擇交通量較大的兩個標(biāo)段(總長度16 500 m)作為示例。表4為2016年10月對這兩個路段交通量的分段調(diào)查結(jié)果。

表4 2016年交通量分段調(diào)查結(jié)果

3.2 依據(jù)法國規(guī)范計算結(jié)果

根據(jù)法國《路面設(shè)計規(guī)范》，需要分別計算各自路段的年平均日交通量(MJA)和累計交通量NPL并確定出對應(yīng)的交通量等級(Ti)和累計交通量等級(TCi20)。

法國規(guī)范計算軸重大于35 kN的重車車輛，故需要統(tǒng)計的車輛為表4中5～10 t及以上的車輛，計算出這些車輛所占的比例，記為重車比例，由于道路修建需要一定的建設(shè)期，故設(shè)計年限起始計算年定為預(yù)計通車時間的2020年，建設(shè)期考慮一定水平的交通量增長，綜合當(dāng)?shù)亟煌堪l(fā)展水平，擬定出2020年平均日交通量(所有車型)，重車比例保持不變，計算出重型車輛總數(shù)，如表5所示。

表5 2020年重型荷載數(shù)量(法規(guī))

參照法國《新建路面標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)手冊》中關(guān)于交通量的計算方法，計算年限取20年，對應(yīng)道路類型為VRNS，交通量等級表示為TCi20。調(diào)查交通量為雙向交通量，單向方向系數(shù)取0.5；待建道路為雙向四車道公路，故取交通量最大的車道上的重車為90%，即車道系數(shù)取0.9。根據(jù)道路現(xiàn)有交通量擬定交通量的增長率，按照逐年線性增長，計算出累計交通量(NPL)，確定累計交通量等級(TCi20)。計算結(jié)果如表6所示。

表6 交通量等級及累計交通量等參數(shù)(法規(guī))

從表6可以看出：累計交通量(NPL)對于兩段道路分別取2.75×106、3.55×106pcu，根據(jù)TCi20等級擬定CAM值的大小，對于土基、底基層、瀝青層分別取為1、0.5、0.5。CAM值與累計交通量(NPL)相乘后得到等效累計交通量(NE)用作道路不同層位的結(jié)構(gòu)驗算的一項計算參數(shù)。對于第一段道路，采用NE值驗算路面土基頂面壓應(yīng)變、底基層底面拉應(yīng)力、瀝青面層底部拉應(yīng)變時分別取NE為2.75×106、1.375×106、1.375×106輛；對于第二段道路，則分別取3.55×106、1.775×106、1.775×106輛。

3.3 依據(jù)中國規(guī)范計算結(jié)果

根據(jù)中國JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》，需要計算設(shè)計交通荷載等級和當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)。中國交通量計算選用的車型為2類～11類車， 同樣取表4中5～10 t及以上車型進(jìn)行計算，并以2020年作為初始計算年，且初始年的重型車輛總數(shù)與采用法國規(guī)范計算時保持一致。由于中國交通量增長采用的是指數(shù)增長，故增長率定為10%和8%(兩個路段)。按照二級公路雙向四車道進(jìn)行設(shè)計，方向系數(shù)取0.5，車道系數(shù)取0.6，設(shè)計年限取12年。通過計算得出的設(shè)計交通荷載等級如表7所示。

表7 按照中國規(guī)范計算出的交通荷載等級與交通量

為了計算當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)，需要首先對車型按照中國的分類方法分類，為了表示方便，將表4中2 t以下車輛視為1類車，5～10 t車輛視為2類車，依此分類將30～60 t車輛視為9類車，10類與11類車輛數(shù)視為0，計算2類～11類車輛的比例，作為車型分布系數(shù)。利用車輛非滿載與滿載的比例及非滿載和滿載情形下的當(dāng)量軸載換算系數(shù)計算2類～11類車的當(dāng)量軸載換算系數(shù)。車型比例與非滿載和滿載情況下當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)如表8所示。由于兩個路段除了參數(shù)取值不同，其他計算方式均相同，故計算當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)時僅以第一條路段(PK0+000～PK6+982)為例。

表8 車型比例與非滿載和滿載情況下當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)(中規(guī))

對表8中數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出2類～9類車(10類與11類車由于在該例中比例為零，故不作計算)當(dāng)量軸載換算系數(shù)如表9所示。

表9 各類車對于不同設(shè)計指標(biāo)的當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)(中規(guī))

以2020年為初始計算年，雙向年平均日交通量與采用法國規(guī)范時相同(476 pcu/d)，方向系數(shù)取0.5，車道系數(shù)取0.6，結(jié)合表8中各類車型比例與表9中各類車型的當(dāng)量軸載換算系數(shù)，計算得出初始年設(shè)計車道日平均當(dāng)量軸次N1對應(yīng)于計算瀝青混合料層層底拉應(yīng)變或瀝青混合料層永久變形量、無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉力、路基頂面豎向壓應(yīng)變分別取164.5、6 616.1和237.8軸次/d。

按照設(shè)計年限為12年，交通量增長率同上取為10%，計算得出設(shè)計年限內(nèi)設(shè)計車道上當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)Ne并作為結(jié)構(gòu)驗算的一項計算參數(shù)，對于驗算瀝青混合料層層底拉應(yīng)變或瀝青混合料層永久變形量、無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉力、路基頂面豎向壓應(yīng)變分別取1.28×106、51.64×106和1.86×106次。

4 結(jié)論

通過比較中法兩國瀝青路面相關(guān)規(guī)范對交通荷載參數(shù)計算的差異并利用實例對按照兩國規(guī)范方法下路面交通荷載參數(shù)分別進(jìn)行計算，得出以下結(jié)論：

(1) 兩國規(guī)范中對于瀝青路面交通荷載參數(shù)的計算思想類似，均是將交通量經(jīng)過一定方法的處理后分別用作交通等級的確定與結(jié)構(gòu)驗算的指標(biāo)，但是對于計算年限的選取，參數(shù)值確定方法上存在差異。

(2) 中國對于交通參數(shù)設(shè)計的前期調(diào)查比法國更為重視；中國規(guī)范對于大多數(shù)參數(shù)的確定都要求在實際調(diào)查的基礎(chǔ)上確定，而法國規(guī)范對這些參數(shù)則大多采用參考值。這也導(dǎo)致中國在道路設(shè)計中對于某些參數(shù)，如當(dāng)量軸載換算系數(shù)的計算比較繁瑣，且依賴于調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確性。