张 鹏，赵 宾

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100010；2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097)

1 项目概况

博茨瓦纳是非洲地区南部内陆国家，属于南部非洲国家。项目位于博茨瓦纳北部地区，是连接博茨瓦纳东西部的主要干线，属于旧路改造项目。项目长度约为299 km，双向两车道，设计使用年限20年，道路设计标准为南部非洲规范，现有路基宽度9.0 m。通过现场断面交通量调查，得出每段所有车辆的初始年日交通量总和分别为1 317辆和4 123辆，经过数据统计分析，得出重型车辆的初始年日均交通量增长率分别为4.55%和3.68%。

2 南部非洲沥青路面设计规范体系介绍

2.1 路面设计轴载

参考南非规范TRH4，南部非洲规范对于路面设计轴载做出如下规定，路面设计轴载采用80 kN，但其法定允许最大轴载为88 kN。路面设计承载能力以标准轴载的重复作用次数表示，其单位一般为106标准轴载。具体关于法定允许轴载内容如表1所示。

2.2 路面设计使用年限

南部非洲规范对设计使用寿命提供了参考标准。沥青路面设计使用年限的范围为10～20年，大多数情况下，选择15或20年，因资金投入受限影响投资规模的项目才可选用10年。

表1 南部非洲规范对于车辆类型法定允许轴载的规定

2.3 交通等级的确定

通过现场交通量的调查，借助交通量数据预估方法，计算出设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数(次)，最终确定出设计交通荷载等级。

(1)预估设计交通量

预估设计交通量在南部非洲规范沥青路面设计中是一个非常重要的影响因素，采用累计当量轴次(DT)来预估设计年限内单向交通量的大小，由下式计算

(1)

(2)

式中：m为车辆类型，共计m种；AADTi为第i种车型的单向初始年日交通量，辆/d；Fni为第i种车型的当量设计轴载换算系数1；DDF为方向系数，一般取0.5；DT为设计使用年限内每种车型单向累计轴次，次；T为单向初始年日平均当量轴次，次；r为年平均交通量增长率；p为路面设计使用年限，年。

(2)当量设计轴载换算系数Fn

对于同一种路面结构，每种类型车辆的轴载谱不同，对路面结构的损伤程度亦不同，反之，当每种类型车辆的轴载谱相同时，对不同路面结构的损伤程度也不一样，通过研究不同路面结构和车辆轴载对路面结构的损伤程度，将其转化为等损伤程度作用下标准轴载累计次数，最终得到当量设计轴载换算系数Fn，可通过公式(3)计算[1]

(3)

式中：P1为轴载，kN；P2为轴载，kg；n为相对损伤指数，与路面结构材料密切相关。

由于轻型车辆对路面损伤的程度可以忽略不计，故当量设计轴载换算系数Fn=0，只考虑重型车辆对路面损伤的影响。在缺乏轴载调查数据的情况下，根据交通历史数据或经验数据，南部非洲规范提供了重型车辆的平均等效标准轴载换算系数，见表2。

表2 重型车辆的平均等效标准轴载换算系数

将车辆种类做横坐标，正常、非正常及常用范围中的重型车辆轴载等效换算喜欢做纵坐标，制成散点折线图，如图1所示。

图1 重型车辆轴载等效换算系数Fn随车辆类型变化

从图1可知，随着轴数的增加，正常条件和非正常条件下的重型车辆轴载等效换算系数Fn增大，其增长趋势可分为3个阶段，分别为：平缓区、渐变区和激增区。其中当车辆类型为大客或2轴卡车时，增长缓慢；当车辆类型为轴数范围在2～5的卡车时，换算系数开始渐变增加；当车辆类型为轴数大于5轴的卡车后，换算系数显著线性增加。

由此可见，重型车辆轴载等效换算系数Fn的选择在预估设计交通量时尤为关键，影响十分突出。

(3)设计交通等级

结合交通量调查数据，根据预估的设计交通量，可确定最终的设计交通等级，具体见表3所示。

表3 累计当量轴次对应的设计交通等级

2.4 气候区域的划分

考虑到气候区域对路面结构的选择以及造价投资的影响作用，不难发现，气候区域的划分占有举足轻重的地位。因降雨状况、排水条件和维修状况的不同往往影响路面结构的耐久性，为避免沥青路面的使用寿命下降，南部非洲规范体系根据上述影响因素将气候区域划分为干区和湿区两大类。

其中，干区是指年降雨量不足250 mm，且没有重大洪灾(如低地河滩区域或潮汐港地)、地下泉水或地下井水或任何其他不利条件导致水分渗入道路的区域。对于年降雨量超过500 mm的区域一般视为湿区进行路面设计。对于年降雨量处于250～500 mm时，可根据排水条件和维修状况对路面结构方案的影响程度，确定实体项目所在的气候区域。

2.5 路基强度确定

合理的路基强度可以保证路基稳定和路面质量，节约造价成本，因此，研究路基强度十分有必要。CBR的大小对于路基强度的确定至关重要，路基CBR越高，路基强度等级越高，路基稳定性越好，可显著提高路面的耐久性，因此路基强度等级以CBR进行分类，见表4。

表4 路基强度等级的分类

2.6 路面类型的选择

对于沥青路面设计，该规范提供了5种路面结构组合类型，具体如表5所示。

表5 路面类型的选择

2.7 查表法确定路面结构方案

在交通荷载、气候区域、路基条件以及路面类型确定的基础上，通过查表法确定最终的路面结构方案。SATCC规范提供了10张不同路面结构方案的表格，路面结构主要分为面层、基层、底基层和精选层，其中，当路基等级较低时需设置精选层。基层和底基层的厚度主要以25 mm为一级增加，尤其是粒料(底)基层和胶凝(底)基层。

3 基于SATCC的沥青路面结构计算

(1)确定交通等级。考虑到博茨瓦纳对超载管制极其严格，因此在计算当量设计轴载换算系数Fn时按正常条件下取值，同时方向系数DDF取0.5，车辆种类m=7，根据表5，结合上述公式求得预估设计交通量DT，通过查表3确定本项目的交通等级，结果见表6。发现本项目A段和B段的交通等级分别为T3和T4。

表6 本项目交通等级划分结果

(2)确定气候区域。本项目属热带草原气候区，通过查阅当地气象资料，该区域年降雨量平均为436 mm。虽在设计阶段已设置完善的排水系统，但由于当地维修养护水平有限，因此拟定预期排水条件良好， 预期维修水平不良。结合本项目各段落的交通等级，最终确定A段和B段的气候区域分别为干区和湿区。

(3)确定路基等级。通过实地考察及与现场工程师的交流，现状路基状况良好，强度较高，CBR约5%～6%，通过查表4可知本项目路基等级拟定为S3。

(4)路面结构方案拟定。借助查表设计法，最终确定本项目的路面结构，具体见表7。

表7 最终的本项目路面结构方案

4 结 语

分别从交通等级、气候区域、路基强度、路面类型，系统阐述了南部非洲沥青路面设计规范体系的设计理念、设计方法、设计指标等，进一步明确南部非洲规范沥青路面的设计流程的关注重点。制定了基于SATCC规范的气候区域划分流程图，同时针对不同的气候区域划分，基于SATCC规范，采用查表法推荐了适用于本项目的不同沥青路面结构。

本着更好地指导中国企业在南部非洲地区开展交通基础设施建设的原则，对南部非洲沥青路面设计规范提出了若干建议，从而为推动促进南非非洲规范的良性发展提供理论和技术支持。