淺談高速公路瀝青路面的全壽命設(shè)計(jì)理念與成本分析

1、淺談高速公路瀝青路面的全壽命設(shè)計(jì)理念與成本分析杜紅云1 吳 琤2(1 江西省南昌市公路勘察設(shè)計(jì)院 南昌 330077 ) (2 江西省公路局物資儲(chǔ)運(yùn)總站 南昌 330013 ）摘 要：高速公路瀝青路面的全壽命設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)價(jià)值工程的原理，在確保瀝青路面使用性能良好的狀態(tài)下，適當(dāng)增加建設(shè)成本，大幅度減少路面維修成本，延長(zhǎng)路面使用年限，最終達(dá)到降低全壽命成本的目的。關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青路面；全壽命設(shè)計(jì)；成本分析0 前 言隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入了大量的資源。公路事業(yè)作為基礎(chǔ)設(shè)施之一，現(xiàn)正以迅猛的速度發(fā)展,社會(huì)對(duì)高品質(zhì)、高服務(wù)性能的公路的要求日益提高，行車的安全、舒適、快捷已成

2、為人們的基本要求。但隨著運(yùn)輸交通量和大噸位車輛的急劇增大，以及復(fù)雜多變的自然條件等諸多因素的影響，而使現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)變形和損壞相當(dāng)嚴(yán)重。這樣，既影響了路面的使用性能和壽命，又給公路建設(shè)事業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，需對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作進(jìn)一步的科學(xué)探討。1 影響路面結(jié)構(gòu)性能的主要因素路面結(jié)構(gòu)應(yīng)堅(jiān)固耐久，表面應(yīng)平整、抗滑和耐磨。影響路面結(jié)構(gòu)使用性能的因素很多，其中主要有：1.1路基的穩(wěn)定性修筑路基，必然會(huì)改變?cè)貙铀幍臓顟B(tài)，破壞原地層固有的穩(wěn)定狀態(tài)，且原地層上存在著軟弱地層，風(fēng)化巖層等不良地質(zhì)水文地段，這就必需采取必要的排水防護(hù)和加固措施，保證路基整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而使路面結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性。

3、1.2土基的堅(jiān)實(shí)性土基位于路面結(jié)構(gòu)層下，直接承受路面結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的荷載。如果土基過(guò)分濕軟和水溫條件差，在行車荷載作用下就會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的沉陷變形，甚至引起翻漿，產(chǎn)生彈簧路基，使路面失去堅(jiān)強(qiáng)而均勻的支承，從而引起路面結(jié)構(gòu)過(guò)早損壞。因此，土基的堅(jiān)實(shí)與否將直接影響路面結(jié)構(gòu)的使能。1.3交通量的大小及車輛噸位交通量的大小及車輛噸位直接影響到路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。汽車對(duì)路面的作用，包括重力作用和動(dòng)態(tài)影響。重力作用主要是通過(guò)輪胎與路面的接觸面，將其重力傳遞給路面，再由路面擴(kuò)散至路基。動(dòng)態(tài)影響主要指車輛對(duì)路面的振動(dòng)、沖擊摩擦作用及緊急制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生巨大的水平制動(dòng)力等。交通量決定了路面的重復(fù)荷載作用，路面在重復(fù)荷載作用下，

4、路面材料將出現(xiàn)疲勞破壞，變形累積等損壞現(xiàn)象，使路面結(jié)構(gòu)承重能力逐步降低，使用狀況不斷惡化。我國(guó)高速公路的早期損壞，與車輛噸位特別是超載的大量存在具有直接的關(guān)系。而車輛的超載包括輪壓超載及軸載超載，輪壓超限對(duì)路面的損壞更為嚴(yán)重，所以，對(duì)瀝青路面來(lái)說(shuō)僅限制軸載是不夠的。1.4路面結(jié)構(gòu)組合及材料路面結(jié)構(gòu)由面層、基層（上基層、下基層）、底基層（上底基層、下底基層）及墊層組成。路基路面是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)層有各自的特性和作用，并相互制約和影響。結(jié)構(gòu)層應(yīng)組合合理，使路面結(jié)構(gòu)體系既能承受行車荷載和環(huán)境因素的作用，又能充分發(fā)揮各層次的最大效能。路基路面結(jié)構(gòu)的損壞，是因變形過(guò)大或應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度而引起的，所以

5、要做到根據(jù)結(jié)構(gòu)層的受力特性合理地使用材料及其相互間的配合。1.5路面施工及養(yǎng)護(hù)施工是把設(shè)計(jì)藍(lán)圖變成現(xiàn)實(shí)形成使用價(jià)值的過(guò)程。路面的施工質(zhì)量是保證路面各結(jié)構(gòu)層正常使用的關(guān)鍵，而施工后的養(yǎng)護(hù)又是保證施工質(zhì)量必不可少的措施。1.6自然條件公路是暴露在大自然下的帶狀工程結(jié)構(gòu)物，它長(zhǎng)期經(jīng)受日曬、雨雪、酷熱、嚴(yán)寒、凍融的作用，因而產(chǎn)生低溫縮裂和高溫車轍及受水流侵害現(xiàn)象，破壞瀝青路面的使用性能。2 瀝青路面的主要損壞類型瀝青路面損壞類型主要有沉陷、車轍、推移、開裂、低溫縮裂、反射裂縫、松散和坑槽等。其中沉陷、車轍、推移、開裂、松散和坑槽主要是土基不堅(jiān)實(shí)引起的。3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)近幾年，我省新建了幾條高速公路，其

6、路面結(jié)構(gòu)均為瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)組合多為20cm厚級(jí)配碎石底基層或20cm厚水泥穩(wěn)定碎石（水泥含量3.0 %）+20cm厚水泥穩(wěn)定碎石下基層（水泥含量3.5%-4.5%）+20cm厚水泥穩(wěn)定碎石上基層（水泥含量5%-6%）+8cm厚瀝青粗粒式混凝土+6cm厚改性瀝青中粒式混凝土+4cm厚改性瀝青細(xì)粒式混凝土。開放交通后，路面損壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生且有些地方較嚴(yán)重，分析其損壞的主要原因幾乎都是因路基不穩(wěn)定及土基不堅(jiān)實(shí)造成的。3.1路面結(jié)構(gòu)分期設(shè)計(jì)與施工造成路面損壞的主要原因之一是土基不堅(jiān)實(shí)，而影響土基不堅(jiān)實(shí)的因素除土質(zhì)外，主要是土基的沉降。3.1.1土基的沉降 土是由固相（土粒）、氣相（空氣）和液相（水

7、）組成的3相分散體系，土的沉降由2部份組成：一是壓縮變形量的絕對(duì)值大小，即沉降量大??；二是壓縮變形隨時(shí)間的變化，即土體的固結(jié)。現(xiàn)在我國(guó)的高速公路建設(shè)期約為2年左右，一般是第一年修建好土基與底基層，經(jīng)過(guò)一個(gè)雨季后在第二年的第二季度開始著手修筑路面基層與面層結(jié)構(gòu)。填筑土層后采用壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度從而消除土體的壓縮變形量。土體的固結(jié)是在外荷載作用下土中孔隙水排出，土體因發(fā)生體積變化而壓密的時(shí)間過(guò)程，所以土體的固結(jié)既隨時(shí)間的變化，又與作用外荷載大小及循環(huán)次數(shù)有關(guān)。在外荷載作用下，孔隙水從土體中排出，直至滲流結(jié)束，土體變形穩(wěn)定。如果再增加荷載的重量，又發(fā)生孔隙水從土體排出的過(guò)程，直至土體變形穩(wěn)

8、定。3.1.2路面結(jié)構(gòu)應(yīng)分2次設(shè)計(jì)及施工 根據(jù)土的沉陷及高速公路的建設(shè)特點(diǎn)，路面結(jié)構(gòu)分2次設(shè)計(jì)、施工更有利于保證質(zhì)量，從而達(dá)到提高路面使用性能及降低全壽命成本的目的?，F(xiàn)有高速公路的建設(shè)期，無(wú)論里程長(zhǎng)短，規(guī)模大小，均為2年左右，不能滿足土基的沉降要求，所以土基達(dá)不到堅(jiān)實(shí)的目的，這也是目前高速公路路面結(jié)構(gòu)破損的主要原因。土基不堅(jiān)實(shí)，路面就沒(méi)有堅(jiān)強(qiáng)的支承，所以無(wú)論路面結(jié)構(gòu)多合理及多厚，亦會(huì)隨著土基的變形而出現(xiàn)沉陷、車轍、推移、開裂等破壞現(xiàn)象。筆者認(rèn)為，路面分兩次設(shè)計(jì)更適合：第一次與路線同時(shí)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出路面結(jié)構(gòu)組合及各層厚度，施工至路面基層后，鋪筑厚約5cm的熱拌瀝青碎石，再澆筑厚約2cm左右

9、的瀝青表面處治罩面，然后開放交通；第二次設(shè)計(jì)在路線通車后，土基在車輛荷載的反復(fù)作用下，觀察土基的累計(jì)變形，在變形基本穩(wěn)定后，土基堅(jiān)實(shí)具有足夠的強(qiáng)度。根據(jù)路面的破損狀況，重新測(cè)定路面彎沉，再根據(jù)彎沉值補(bǔ)強(qiáng)，然后確定路面面層結(jié)構(gòu)并鋪筑。這樣，能避免路線通車后不久，因路基不均勻沉降而使路面嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象，解決當(dāng)前高速公路通車后的通病?，F(xiàn)在，交通部?jī)A向建議高速公路的建設(shè)期適當(dāng)延長(zhǎng)至3年左右，這無(wú)疑可提高建設(shè)質(zhì)量，但還不能從根本上解決土基的沉陷問(wèn)題，因?yàn)橥粱某料莶粌H與時(shí)間有關(guān)系，還要通過(guò)行車的反復(fù)作用，使沉陷趨于穩(wěn)定。況且，路面設(shè)計(jì)分2次設(shè)計(jì)及施工也是可行的，其原因?yàn)椋?、滿足高速公路的施工要求：施工

10、招標(biāo)時(shí)，其路面與路基本身就是分開招標(biāo)的，不影響施工，整個(gè)施工的過(guò)程較原來(lái)長(zhǎng)，但其施工實(shí)際時(shí)間不會(huì)增加，也不增加施工費(fèi)用；2、高速公路的收費(fèi)：瀝青路面面層施工時(shí)間短暫，施工時(shí)，暫行停止開放交通，不影響高速公路的整個(gè)收費(fèi)期限，其經(jīng)濟(jì)效益不受影響；3、與結(jié)構(gòu)物的銜接：路面面層的厚度約為15cm左右，在與橋梁、通道、交叉工程及明蓋板涵相銜接處，適當(dāng)設(shè)置長(zhǎng)20m左右的調(diào)坡過(guò)渡段，以緩解突變。3.2路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組合我國(guó)瀝青類路面屬半剛性路面結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度與穩(wěn)定性在很大程度上取決于土基和基層的特性。結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)應(yīng)本著“路基穩(wěn)定、基層堅(jiān)實(shí)、面層耐用”的要求。把土基、墊層、基層和面層作為一個(gè)整體，進(jìn)行路基路面綜

11、合設(shè)計(jì)。3.2.1面層 面層是直接同車輪和大氣相接觸的結(jié)構(gòu)層。它承受行車荷載（豎直力，特別是水平力和沖擊力）的較大作用，又受到降水的侵蝕和氣溫變化的不利影響。因此，面層應(yīng)具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而且要耐磨、其表面還應(yīng)有良好的平整度和粗糙度，同時(shí)，還應(yīng)具有高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損害以及防止雨水滲入基層的功能。面層分表面層、中面層和下面層，表面層主要是抗滑耐磨、密實(shí)穩(wěn)定防水、防滲的瀝青面層；中面層和下面層是承重作用層，應(yīng)根據(jù)公路等級(jí)、瀝青層厚度及氣候條件等選擇適當(dāng)?shù)臑r青結(jié)構(gòu)層?，F(xiàn)在，我國(guó)高速公路瀝青面層的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，其基本模式為：4cm厚細(xì)粒式改性瀝青混凝土表面層+6cm-8cm厚

12、中粒式改性瀝青混凝土中面層+8cm-10cm厚粗粒式瀝青（或改性瀝青）混凝土下面層，整個(gè)面層的結(jié)構(gòu)厚度保持在規(guī)范推薦的12cm-18cm的上限左右。3.2.1.1面層各結(jié)構(gòu)層厚度組合：瀝青路面的面層厚度經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算后，得到面層的整體厚度，在整體厚度的控制下，根據(jù)面層各層的功能、氣候條件、地質(zhì)水文情況等綜合考慮面層的結(jié)構(gòu)組合。我國(guó)的高速公路面層厚度較德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家的厚度薄1/3左右，根據(jù)現(xiàn)有的管理模式，我國(guó)的瀝面層厚度不可能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到西方等國(guó)的水平。在現(xiàn)有的厚度下，如何合理的組合瀝青面層的結(jié)構(gòu)層，使面層體系既能承受行車荷載和自然因素的作用，又能充分發(fā)揮各層次的最大效能。筆者認(rèn)為，根據(jù)

13、面層各結(jié)構(gòu)層的功能及整體厚度的情況，面層結(jié)構(gòu)組合宜采用：4cm厚細(xì)粒式改性瀝青混凝土表面層+6cm厚中粒式瀝青混凝土中面層+5cm厚熱拌粗粒式瀝青碎石下面層的結(jié)構(gòu)組合模式，其原因?yàn)椋?、滿足面層結(jié)構(gòu)層功能的要求：表面層主要功能是抗滑、耐磨、防滲、防水，并具有平整度，采用4cm厚細(xì)粒式改性瀝青混凝土作表面層（改性瀝青是指sma改性瀝青），能顯著提高面層的抗滑能力且密實(shí)、平整度好；6cm厚中粒式瀝青混凝土中面層和5cm厚熱拌粗粒式瀝青碎石下面層是面層的承重層；2、減少瀝青路面的縮裂：由于基層采用半剛性基層，易使路面產(chǎn)生低溫縮裂現(xiàn)象，采用改性瀝青混凝土作表面層及熱拌粗粒式瀝青碎石下面層可減少瀝青路面

14、的低溫縮裂；3、熱拌粗粒式瀝青碎石即為下面層，又具有聯(lián)結(jié)層的作用，有利于瀝青路面與半剛性基層的粘結(jié)。3.2.1.2各結(jié)構(gòu)層的材料要求：表面層采用細(xì)粒式改性瀝青混凝土，改性瀝青混凝土的主要優(yōu)點(diǎn)是：抗滑耐磨、密實(shí)耐久、抗疲勞、抗車轍，減少低溫開裂，采用細(xì)粒式改性瀝青混凝土，能較好地達(dá)到表面層的使用功能。中面層采用中粒式瀝青混凝土，筆者認(rèn)為沒(méi)有必要采用改性瀝青，可以采用普通瀝青，根據(jù)其使用功能主要為承重層，瀝青只是一種膠結(jié)料，它本身不能承受力，它只是把集料粘結(jié)成一個(gè)整體，集料是受力體，從經(jīng)濟(jì)上分析也不合算。瀝青混凝土的混合料采用粗集料斷級(jí)配結(jié)構(gòu)，這樣，面層的抗變形、低溫縮裂性能更能得到改善。3.2.

15、2 基層 主要承受由面層傳下來(lái)的行車荷載豎直力的作用，并把它擴(kuò)散到底基層、墊層和土基，故基層應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，但可不考慮耐磨性能，起主要承重作用的層次。高速公路基層多采用半剛性水泥穩(wěn)定碎石基層，其應(yīng)具有較小的收縮（溫縮及干縮）變形和較高的強(qiáng)度，分上、下層，厚度約40cm。3.2.3 底基層 設(shè)置在基層之下，并與面層、基層一起承受車輪荷載反復(fù)作用，起次要承重作用的層次，現(xiàn)高速公路底基層約為20cm厚級(jí)配碎石或水泥穩(wěn)定碎石（水泥含量3.0 %）。筆者認(rèn)為底基層太薄，按路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)律，自上而下，其層厚由小到大，這樣既滿足半剛性瀝青路面的受力特點(diǎn)，又節(jié)約造價(jià)。底基層應(yīng)加大厚度，分為上底基層，

16、保持原有的結(jié)構(gòu)形式；再設(shè)置一層下底基層，其厚為40cm未篩分碎石，這樣，提高了整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的承載能力和剛性，在經(jīng)濟(jì)造價(jià)略有增大的基礎(chǔ)上，路面使用功能得到了較大改善，從價(jià)值工程的角度來(lái)說(shuō)更加合理。3.2.4墊層 設(shè)置在底基層與土基之間的結(jié)構(gòu)層，起排水、隔水、防凍、防污等作用，在南方地區(qū)較少采用此層，因?yàn)樵趥€(gè)別土基軟弱及有特別排水要求的地段，對(duì)路基采用特殊處理。3.2.5層間結(jié)合 瀝青路面由各個(gè)結(jié)構(gòu)層組成，瀝青面層之間，瀝青面層與半剛性基層之間，層與層之間的粘結(jié)尤為重要，它可使路面各結(jié)構(gòu)層之間形成連續(xù)體系，使其使用性能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。在瀝青面層與半剛性基層之間設(shè)置透層瀝青，瀝青面層之間設(shè)置粘層瀝青

17、。4 成本分析路面成本由路面建設(shè)成本與維修成本組成，現(xiàn)比較分析如下：4.1定量計(jì)算費(fèi)用4.1.1增加5cm厚熱拌瀝青碎石的費(fèi)用 假設(shè)寬22m，單價(jià)為31元/m2，則每公里增加造價(jià)：22100031=68.2（萬(wàn)元）。4.1.2增加2cm厚瀝青表面處治的費(fèi)用 假設(shè)寬22m，單價(jià)為10.2元/m2，則每公里增加造價(jià)：22100010.2=22.44（萬(wàn)元）。4.1.3整個(gè)面層結(jié)構(gòu)中，原中面層6cm厚中粒式改性瀝青混凝土改成6cm厚中粒式瀝青混凝土減少的費(fèi)用 假設(shè)寬22m，中粒式改性瀝青混凝土單價(jià)為47元/m2，6cm厚中粒式瀝青混凝土單價(jià)為39元/m2，則每公里減少造價(jià)：221000（47-39）

18、=17.6（萬(wàn)元）4.1.4整個(gè)面層結(jié)構(gòu)中，原下面層8cm厚粗粒式瀝青混凝土改成5cm厚熱拌瀝青碎石減少的費(fèi)用假設(shè)寬22m，粗粒式瀝青混凝土單價(jià)為51元/m2，6cm厚熱拌瀝青碎石單價(jià)為31元/m2，則每公里減少造價(jià)：221000（51-31）=44（萬(wàn)元）。4.1.5增加40cm厚未篩分碎石下底基層的費(fèi)用假設(shè)寬29m，單價(jià)為30元/m2，則每公里增加造價(jià)：29100030=87（萬(wàn)元）。4.1.6 與結(jié)構(gòu)物銜接處增加的費(fèi)用每個(gè)銜接處基層用量增加：0.15200.524=36（m3）.每個(gè)銜接處增加費(fèi)用：36200元/m3=0.72（萬(wàn)元）.假設(shè)5處/km，則每公里增加造價(jià)：0.725=3.6（萬(wàn)元）。根據(jù)以上分析計(jì)算，每