李雪連， 崔之靖， 王隨原， YAWAVI BADJONA， 張起森

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114； 2.長沙理工大學 公路養(yǎng)護技術(shù)國家工程實驗室， 湖南 長沙 410114; 3.中國路橋工程有限責任公司， 北京市 100011)

瀝青路面因具有表面無接縫、易養(yǎng)護維修且能承受彈塑性變形等優(yōu)點在世界各國廣泛應(yīng)用[1]，瀝青路面設(shè)計成功與否，直接影響路面使用性能和壽命。目前，各國的現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計方法存在較大差異。在中國，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成一套符合中國國情的瀝青路面設(shè)計方法[2]。

“一帶一路”項目建設(shè)使中國大量的道路工作者和建設(shè)單位投身于非洲的道路建設(shè)中。然而，目前非洲大多數(shù)國家采用的是法國瀝青路面設(shè)計規(guī)范，與中國存在一定差異，困擾著中國道路援建者。因此，近年來，有學者陸續(xù)針對兩國瀝青路面設(shè)計特點開展研究。王樂宇等利用正交試驗對比分析了中法瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，發(fā)現(xiàn)基層和土基參數(shù)的重要性在兩國瀝青路面設(shè)計中是相同的，而面層參數(shù)重要性在中國所占比例更大[3]；劉軍勇等結(jié)合阿爾及利亞東西高速公路W7標段實體工程案例詳細說明了法國規(guī)范中各設(shè)計參數(shù)取值方法和路面結(jié)構(gòu)計算全過程[4]；雷宇等基于法國LCPC-ALIZE路面計算軟件采用正交試驗分析了法國瀝青路面各結(jié)構(gòu)層模量對路面設(shè)計指標的影響，研究表明：提高路面承臺(法國將墊層和土基上1 m范圍內(nèi)稱為路面承臺)和底基層的模量能有效減小瀝青層底拉應(yīng)變和承臺頂面壓應(yīng)變，采用高模量瀝青混合料也可達到同等效果[5]；Njock P G A等利用有限元對法國和中國4種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)進行計算與分析，結(jié)果表明：中國瀝青路面典型結(jié)構(gòu)的最大彎沉值大于法國瀝青路面，同時，法國瀝青路面采用的材料模量比中國高，從而讓法國瀝青路面具有更好的抗車轍能力[6]。總之，對中法瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究大多集中在對比結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和分析法國規(guī)范的路面設(shè)計案例，尚未見到從設(shè)計理念、設(shè)計參數(shù)和設(shè)計過程等瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計全過程的對比分析，特別是與中國2017版瀝青路面設(shè)計規(guī)范的對比分析。

該文基于法國LCPC—2009《Conception et Dimensionnement des Structures de Chaussée》和中國JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(簡稱2017年規(guī)范)對兩國瀝青路面設(shè)計進行對比，可為援非道路建設(shè)者快速理解和掌握法國瀝青路面規(guī)范提供參考。

1 設(shè)計理念

1.1 道路類型

法國路面結(jié)構(gòu)手冊將道路分為結(jié)構(gòu)性路網(wǎng)道路(VRS)和非結(jié)構(gòu)性路網(wǎng)道路(VRNS)兩部分；而中國道路主要分為公路和城市道路兩部分，詳見表 1。法國在進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，先根據(jù)交通功能選擇合適的道路類型，再根據(jù)交通量和環(huán)境條件等參數(shù)確定路面材料與結(jié)構(gòu)組合。而中國對于公路等級選擇主要由國家路網(wǎng)規(guī)劃和交通量大小等綜合因素決定，對于城市道路則以道路使用功能為主確定等級。不同道路類型決定了路面結(jié)構(gòu)層厚度、材料的選擇和路基寬度等要素。

表1 道路分類

1.2 路面結(jié)構(gòu)類型

法國瀝青路面結(jié)構(gòu)主要以柔性基層為主，半剛性基層瀝青路面只在法國東部地區(qū)使用，且多數(shù)是在交通量較小的道路。而中國主要受“強基薄面”觀念影響，仍以半剛性基層瀝青路面為主[7]，近些年柔性基層路面才逐漸受到重視[8]。在法國瀝青路面設(shè)計相關(guān)規(guī)范中，路面結(jié)構(gòu)類型主要分為6類；而中國瀝青規(guī)范則按基層材料性質(zhì)分為5類，如表2所示。

表2 路面結(jié)構(gòu)分類

表2中，全厚式瀝青路面是法國目前最主要的瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，占法國道路總里程50%以上[9]。水硬性結(jié)合料處治基層瀝青路面在法國東部地區(qū)較為常見，性能與中國的半剛性基層瀝青路面類似。水泥混凝土剛性基層瀝青路面需要根據(jù)土基的排水情況設(shè)置排水層，以避免土基受到水的侵蝕。組合式結(jié)構(gòu)瀝青路面規(guī)定瀝青材料層厚度需超過路面總厚度的一半以上，是除全厚式瀝青路面外在法國應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式[10]。倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面是在全厚式瀝青路面基礎(chǔ)上加了級配碎石層和水穩(wěn)層。兩國除對不同路面結(jié)構(gòu)定義不同之外，瀝青路面結(jié)構(gòu)總體基本相似。此外，法國瀝青路面常采用全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)。這種路面結(jié)構(gòu)以高模量瀝青混合料為主，與半剛性基層瀝青路面相比，其優(yōu)勢在于路面結(jié)構(gòu)厚度更薄[9]，同時有利于減少反射裂縫的產(chǎn)生，且將路面破壞限制在路面表面層，更有利于后期養(yǎng)護維修。

1.3 路面結(jié)構(gòu)組合

法國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計是將路基路面作為一個整體進行考慮，沒有“路基”這個概念[10]?？傮w上，法國路基路面結(jié)構(gòu)包括土基、墊層(CDF)和路面體。土基由土基上部(PST)及其頂面的整平層(AR)和天然土基組成。墊層和土基上部共同組成路面承臺(PF)，即路面承重層。路面體包括面層和基層，其中，面層包括磨耗層和聯(lián)結(jié)層，而基層包括基層和底基層，具體如圖1所示。與法國路面結(jié)構(gòu)相比，除面層外，中國其余各結(jié)構(gòu)層與法國類似，而面層按不同材料可分成3層，見圖2。值得注意的是，2017版規(guī)范提出用“功能層”取代“墊層”這一概念。

圖1 法國路面結(jié)構(gòu)圖

圖2 中國路面結(jié)構(gòu)圖

(1) 土基上部

法國LCPC—1998《Catalogue des Structures Types de Chaussées Neuves》中將土基約1 m厚深度部分稱為PST，類似于中國“路床”結(jié)構(gòu)，同時PST上可根據(jù)不同道路要求增加改善層。為了確定PST的承載力，根據(jù)不同PST材料的性質(zhì)以及含水狀態(tài)等，將PST分為7個等級，如表3所示。此外，當PST使用的材料本身防水且承載能力高時，可取消墊層。

表3 PST等級

(2) 整平層

PST的頂面稱為AR，其作用為承載上部結(jié)構(gòu)的長期荷載，按其承受荷載的大小劃分為5個等級，以模量表示，如表4所示。而中國僅在巖石、填石路基頂面設(shè)置整平層，厚度為20～30 cm。

表4 AR等級

(3) 路面承臺

PF一般由CDF和PST組成，按其承載路面長期荷載的水平一般分為4個等級，見表5。確定PF等級是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，PF各等級均與AR等級相對應(yīng)，確定PF等級流程見圖3所示。

表5 PF等級劃分表

圖3 PF等級劃分步驟圖

(4) 路面體

法國路面結(jié)構(gòu)將面層分為磨耗層和聯(lián)結(jié)層，其中磨耗層功能與中國表面層相同，起到直接承受車輛荷載和抗磨耗作用；聯(lián)結(jié)層一般采用模量較高的材料，同時也有利于提高面層抗車轍能力。此外，法國路面結(jié)構(gòu)層中基層部分與中國基本相同。

2 設(shè)計理論與指標

兩國均采用雙圓垂直均布荷載作用下的彈性層狀體系理論，但法國的標準軸載是單軸雙輪組130 kN，而中國是單軸雙輪組100 kN，計算參數(shù)的差別見表6。

表6 標準軸載計算參數(shù)

法國在進行瀝青路面設(shè)計時，不同路面材料層采用不同的設(shè)計指標，具體分為3大類：① 瀝青材料層底拉應(yīng)變；② 土基頂面壓應(yīng)變；③ 半剛性或剛性材料層底拉應(yīng)力。相關(guān)計算公式如下：

(1) 瀝青混合料容許應(yīng)變εt,ad

(1)

式中：ε6為材料進行疲勞試驗100萬次的應(yīng)變；NE為標準當量軸數(shù)；b為瀝青材料計算參數(shù)，一般為-0.2；E(10 ℃)為10 ℃時的模量；E(15 ℃)為15 ℃時的模量；Kc為材料修正系數(shù)，法國常用的高模量瀝青混合料為1.0；Kr為路面破壞風險系數(shù)，Kr=10-ubδ；u為與風險值相關(guān)的遞減系數(shù)，取值見表7；δ為材料疲勞斷裂對數(shù)的差異參數(shù)，δ=[SN2+(c2/b2)Sh2]0.5，其中SN為材料計算參數(shù)，對于瀝青材料為0.25；Sh為與路面結(jié)構(gòu)層厚度h相關(guān)的系數(shù)，取值見表 8；c為與路面厚度相關(guān)聯(lián)的系數(shù)，一般取0.02 cm-1；Ks為土基的承載能力系數(shù)，取值見表9。

表7 遞減系數(shù)

表8 Sh值

表9 Ks值

(2) 土基頂面豎向變形εz,ad

εz,ad=0.012(NE)-0.222

(2)

εz,ad=0.016(NE)-0.222

(3)

交通量較大采用式(2)計算，交通量較小則采用式(3)計算。

(3) 半剛性或剛性材料層的容許應(yīng)力σt,ad

σt,ad=σt(NE)×Kr×Kd×Kc×Ks

(4)

式中：σt(NE)為試件進行一年彎曲試驗對應(yīng)的斷裂應(yīng)力；Kd為非連續(xù)修正系數(shù)，對于水硬性結(jié)合料穩(wěn)定材料一般取1.0。

與法國設(shè)計指標相比，2017版規(guī)范中增加了瀝青混合料層永久變形和瀝青面層低溫開裂兩個設(shè)計指標，這兩個指標是分別針對中國瀝青路面易產(chǎn)生車轍破壞和在季節(jié)性凍土地區(qū)瀝青面層易低溫開裂提出的。此外，中國瀝青路面設(shè)計指標更加具體，對不同的基層類型提不同的設(shè)計指標。

3 設(shè)計參數(shù)

3.1 交通等級

確定交通等級是進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提。目前，法國規(guī)范中將荷載大于35 kN的重型車輛作為交通等級劃分依據(jù)；其中，對于VRS道路用TCi30(30年內(nèi)累計交通量i級)表示；對VRNS道路用TCi20(20年內(nèi)累計交通量i級)表示。與法國相比，中國根據(jù)車輛構(gòu)造和軸組類型等，將車輛分為11種類型，并只考慮其中2～11類車輛作用；同時，將交通等級按累計交通量劃分為5個等級，具體劃分見表 10。對于法國交通量和累計軸數(shù)計算分別見式(5)、(6)，中國先按3個水平確定當量軸載換算系數(shù)后，根據(jù)2017版規(guī)范計算當量軸載累計次數(shù)。

表10 交通等級

TCi20或30=365×T×C

(5)

NE=TCi×CAM

(6)

式中：T為重車行車道平均日交通量(MJA)；C為設(shè)計年限交通量年增長率，C=d+t×d×(d-1)/2，d為路面初始設(shè)計年限，t為重型交通年線性增長率(%)；CAM為平均侵害系數(shù)，與路面結(jié)構(gòu)類型和車道分類有關(guān)的平均結(jié)構(gòu)折算系數(shù)，見表11。

表11 CAM值

3.2 土(路)基

在法國設(shè)計理念中，并沒有“路基”這一說法，但其結(jié)構(gòu)組合中，墊層加土基上部組成的結(jié)構(gòu)與中國路基的概念類似。在法國規(guī)范中，土基參數(shù)包括AR等級、PST等級以及土基中PST加墊層組成的PF等級。其中，當墊層施工厚度未達到設(shè)計厚度要求時，此時PF等級以AR等級代替[11]；當墊層施工厚度達到設(shè)計厚度要求時，則PF等級和AR等級劃分分別見表4、5。

在中國，路基一般包括路床和路堤兩部分，其中路床結(jié)構(gòu)與法國PST結(jié)構(gòu)相似。目前，中國路基按交通荷載等級分成4類，以路基頂面回彈模量表示，如表 12所示。路基分為干燥、中濕和潮濕3種干濕類型。在進行路面設(shè)計時，路基應(yīng)處于干燥或中濕狀態(tài)。

表12 路基等級

3.3 路面

法國瀝青路面材料設(shè)計理念基本與中國瀝青路面材料設(shè)計相同，包括原材料選擇和瀝青混合料設(shè)計；不同之處在于法國在材料設(shè)計上更成體系，且與路面結(jié)構(gòu)層結(jié)合更緊密。

在原材料選擇方面，兩國均以方孔篩為標準篩，但尺寸大小不一，法國以0～125 mm分成35檔，而中國以0～75 mm分成17檔，法國對此劃分更為細致[12]。法國在粗集料方面比中國少了壓碎值和沖擊值要求，但對于不同層位粗集料的指標要求各不相同，中國則未考慮不同結(jié)構(gòu)層的要求。兩國對于細集料與填料要求大致相同，且對于基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標要求基本類似，但對于聚合物改性瀝青，由于法國本土氣候原因要求更加全面，在低溫性能方面要求更高[13]。

在瀝青混合料設(shè)計方面，兩國均采用體積設(shè)計法。法國瀝青混合料設(shè)計采用4級試驗法，包括水穩(wěn)定性試驗、高溫穩(wěn)定性試驗、勁度模量和疲勞試驗，而中國則采用馬歇爾設(shè)計法。法國路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計的模量等參數(shù)通過室內(nèi)試驗確定；而中國材料設(shè)計參數(shù)的確定分為3個水平。高速公路和一級公路采用水平一確定，即根據(jù)室內(nèi)試驗確定；其他等級公路可采用水平二或三確定，即通過經(jīng)驗法或代表值確定。此外，就兩國確定參數(shù)的試驗方法而言，法國試驗方法及設(shè)備更簡便實用，而中國則由于路面結(jié)構(gòu)類型和材料種類較多，且對不同結(jié)構(gòu)和材料采用的試驗方法不同，導(dǎo)致中國相關(guān)試驗方法復(fù)雜且設(shè)備種類較多。

3.4 環(huán)境條件

瀝青是溫度敏感性材料，故在瀝青路面設(shè)計時需要考慮溫度變化對路面性能的影響。其中，疲勞等效溫度法是最常用的一種方法[14]，兩國都采用這個方法。在法國，路面等效溫度的定義：某一溫度造成的路面損傷與一年內(nèi)實際溫度造成的路面損傷相同。根據(jù)法國本土和西非地區(qū)的氣候不同，法國本土的等效溫度采用15 ℃，西非地區(qū)采用28～32 ℃。在中國，主要根據(jù)道路工程所在的環(huán)境、路面結(jié)構(gòu)類型與結(jié)構(gòu)層厚度等因素，采用兩種措施考慮溫度變化對路面的影響：一種以溫度調(diào)整系數(shù)表征溫度對路面結(jié)構(gòu)疲勞和路基頂面豎向壓應(yīng)變的影響，具體方法為先將路面結(jié)構(gòu)換算成當量的面層、基層和路基3部分,然后對不同溫度換算成標準溫度20 ℃路面各層等效破壞，從而得到溫度調(diào)整系數(shù)；另一種以等效溫度表征溫度變化對瀝青混合料層永久變形的影響，用式(7)表示：

Tpef=Tξ+0.016ha

(7)

式中：Tpef為瀝青混合料層等效溫度(℃)；Tξ為基準等效溫度(℃)；ha為瀝青混合料層厚度(mm)。

3.5 路面可靠度

法國路面設(shè)計以計算風險值表示路面使用可靠度，計算風險即在無結(jié)構(gòu)性養(yǎng)護條件下，在n年間路面發(fā)生功能性破壞導(dǎo)致其使用性能失效的概率，具體取值范圍見表13。中國路面設(shè)計采用目標可靠度和目標可靠指標評定路面使用可靠性，取值如表14所示。

表13 法國路面計算風險取值

表14 目標可靠度和目標可靠指標

從表13可知：法國路面計算風險值取決于路面結(jié)構(gòu)類型和交通等級，使路面可靠度更具有針對性；由表14可知：中國目標可靠度僅與公路等級有關(guān)，且目前僅提出目標可靠度和目標可靠指標這兩個指標，對于如何根據(jù)可靠度進行瀝青路面設(shè)計還缺乏相關(guān)指導(dǎo)，同時也未考慮不同路面結(jié)構(gòu)類型對可靠度的影響。

4 瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

在法國，瀝青路面設(shè)計有兩種設(shè)計方法：卡片法(即典型結(jié)構(gòu)設(shè)計法)和軟件法。根據(jù)法國多年來瀝青路面設(shè)計經(jīng)驗，LCPC—1998《Catalogue des Structures Types de Chaussées Neuves》總結(jié)了VRS道路中的25種結(jié)構(gòu)卡片和VRNS道路中的27種結(jié)構(gòu)卡片，同時將抗凍性檢驗作為法國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個特色，這也是這個手冊的重要內(nèi)容之一。首先根據(jù)該手冊初選路面結(jié)構(gòu)組合，再利用道橋研究中心(LCPC)的ALIZE軟件進行計算，經(jīng)過卡片和軟件計算的雙重驗算后，確定最終結(jié)構(gòu)組合和厚度；然后，進行凍融檢驗，滿足要求則該擬定結(jié)構(gòu)組合是可行的；最后，確定最優(yōu)路面結(jié)構(gòu)組合，具體設(shè)計流程如圖4所示。中國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法基本與法國相同，也包括結(jié)構(gòu)層組合與厚度擬定、設(shè)計參數(shù)和方案確定與驗算，不同的是各個階段采用的方法存在一定差異。

圖4 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

在路面結(jié)構(gòu)驗算階段，法國路面結(jié)構(gòu)層厚度最后需要通過抗凍性檢驗，主要是檢測路面的抗凍性是否符合規(guī)范要求，檢驗示意如圖5所示。

圖5 抗凍性檢驗指標

在圖5中，Qg根據(jù)材料的膨脹系數(shù)p換算而來，見表15；Qng由式(8)確定。當IA>IR時，該結(jié)構(gòu)層及材料滿足路面抗凍性能要求；當IA

表15 Qg值

(8)

式中：An取決于結(jié)構(gòu)層材料的性質(zhì)，對于細粒土為0.15，砂質(zhì)或礫質(zhì)土為0.13；hn為耐凍材料結(jié)構(gòu)層厚度。

5 結(jié)論

(1) 法國將路基路面作為一個整體，其路基路面與中國基本類似，不同之處在于中國道路類型劃分更細且設(shè)計年限更短。

(2) 兩國瀝青路面設(shè)計理論均是彈性層狀體系，但計算參數(shù)取值存在差異且法國設(shè)計指標比中國少瀝青混合料層永久變形和瀝青面層低溫開裂兩個指標。

(3) 在路面設(shè)計參數(shù)方面，法國將交通等級分為8個等級，且兩種道路劃分范圍取值不同，而中國則統(tǒng)一將道路分為5個等級。法國規(guī)范對土基參數(shù)劃分較為詳細，包括AR等級、PST等級以及土基中PST加墊層組成的PF等級；而中國僅將路基按回彈模量大小分為4個等級。

(4) 在材料設(shè)計方面，兩國基本相似，但法國對標準篩劃分更細，與路面設(shè)計結(jié)合更密切；兩國瀝青混合料設(shè)計均屬于體積法，但法國相關(guān)設(shè)計參數(shù)通過室內(nèi)試驗確定，而中國只有水平一是這樣的。

(5) 在環(huán)境影響方面，法國以等效溫度表征不同地區(qū)氣候條件對瀝青路面設(shè)計的影響，但中國則以溫度調(diào)整系數(shù)和等效溫度共同表征不同氣候條件對路面不同結(jié)構(gòu)破壞的影響。

(6) 在路面可靠度方面，兩國均考慮可靠度指標，法國對此有一套較為完整的計算過程及理論依據(jù)，但中國僅提出目標可靠度和目標可靠指標兩個指標，對于如何根據(jù)可靠度進行瀝青路面設(shè)計還缺乏相關(guān)指導(dǎo)。

(7) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，兩國都包括結(jié)構(gòu)層組合與厚度擬定、設(shè)計參數(shù)和方案確定與驗算，但交通等級、結(jié)構(gòu)層參數(shù)、環(huán)境條件和路面可靠度等設(shè)計參數(shù)取值或計算方法不同。其中，路面抗凍性檢驗對法國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計而言至關(guān)重要，但中國只在季節(jié)性凍土地區(qū)考慮。

該文進行兩國瀝青路面現(xiàn)行設(shè)計對比分析，不僅有利于援非道路建設(shè)者快速理解和掌握法國瀝青路面設(shè)計方法，也可為進一步完善中國瀝青路面設(shè)計方法提供參考。