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江苏省高等级公路路面类型选用研究

　　摘要　　在对我省高等级公路沥青砼路面和水泥砼路面全面调查和综合分析的基础上，通过对我省高等级公路沥青砼路面和水泥砼路面综合经济比较、技术比较、能耗比较，以及通过专家调查、数学模型的建立，继而经过模糊数学多层次综合评判得到江苏省高等级公路适宜选用的路面类型。

关键词高等级公路　路面类型选用
1　前言　　随着国民经济的快速发展，近年来高等级公路开始在我省大量修建。高等级公路选用沥青砼路面还是水泥砼路面，一直是困扰设计者和决策者的一个问题。
　　对于高等级公路选用何种类型的路面存在着许多不容忽视的因素，水泥砼路面虽然具有刚度大、扩散荷载能力强、稳定性好、抗疲劳特性好、使用年限长、养护费用少、施工取材方便等优点，但是水泥砼这种水硬性材料对设计强度不足、超载很敏感，或者由于施工方面的原因而达不到设计的要求，一旦出现上述情况，破坏就会迅速发展，难以维护。并且破坏后修复困难，费用也高。同时由于水泥砼路面接缝、施工等方面的原因造成的不平整度问题对高等级公路来说就显得更加突出。沥青砼路面具有可以分期修建、平整度易于得到保证、行车舒适、易于修复、噪音小等优点，目前在高等级公路上得到广泛应用。但沥青砼路面的抗灾性、对水和温度的敏感性等方面明显弱于水泥砼路面，又由于沥青与各种集料的结合性能不同，在水文、气候条件差及缺乏碱性集料的地区，很容易造成沥青的剥落、分离，从而加速路面破坏。
　　路面铺筑技术、施工装备和人员素质直接影响着路面的质量。总体来说，沥青砼路面的铺筑设备、技术水平较水泥砼路面要先进。我省目前在高等级公路水泥砼施工方面所采用的拌和设备和摊铺设备还属于小型施工机具范畴，并没有形成象沥青砼路面那样从拌和到摊铺全过程的机械化施工设备系列。
　　综上所述，沥青砼路面和水泥砼路面各有其优缺点，高等级公路采用何种类型路面不是一个能简单回答的问题，有必要对两种路面的施工水平、使用现状、破坏现状、养护状况、养护费用进行全面调查，综合考虑当地气候条件、土基状况、交通量大小、施工技术水平等因素，对两种路面结构进行经济、技术、社会影响等方面的综合比较，通过对现状的客观分析，以可靠的数据与科学的分析方法说明高等级公路在目前条件下应采用何种类型的路面。2　两类路面现状调查　　路面长期的使用性能及建养投资是高等级公路路面选型的决定因素。路面现状调查主要包括沥青砼路面、水泥砼路面两种类型路面的破坏、路面平整度、强度、施工技术、施工工艺以及工程投资和养护维修费用等几个方面。
　　(1)路面破损调查采用目测调查法，以1000～2000m为一个调查段落。主要内容为沥青砼路面的裂缝、车辙、坑槽、沉陷拥包等，水泥路面的断裂、唧泥、错台、和接缝破坏等。
　　(2)路面弯沉调查以贝克曼梁为主要调查工具，少数路段采用落锤式弯沉仪FWD测试。
　　(3)路面平整度调查采用颠簸累积(BI)仪进行调查，每100m为一个统计路段。
　　(4)路面类型对环境的适应性主要调查受水侵害严重的低路堤路段对两类路面的适应性。
　　(5)路面建设费用、养护费用及路况的历史资料，主要通过查阅有关文档资料获得。
　　(6)调查路段的确定，主要考虑公路等级、路面类型、所属地区、使用年限上具有的代表性，选择了全省有代表性的高等级公路路面段共7条21段约266km，范围涉及全省11个地市。3　两类路面综合经济技术比较　路面结构的经济评价
　　路面设计方案的经济评价是路面设计的一项必不可少的内容，也是进行路面结构比选的重要依据。路面结构的经济评价主要考虑的因素有路面结构的寿命周期总费用现值、建筑及养护费用，还要考虑采用的方案对当地经济的影响，如使用当地材料、劳动力资源的利用等。
　　寿命周期总费用现值法，就是把各方案在不同时间投入的费用支出，按国家规定的社会折现率，折算为现值进行比较，现值小的经济上占优。在分析期n年内，路面结构的寿命周期总费用现值公式为：　根据调查的材料单价、路面养护费用，对两类路面的初期投资及费用现值进行了计算，可以得到：两类路面的初期投资已非常接近，水泥砼路面的初期投资仅比沥青砼路面高4%～10%，而水泥砼路面的费用现值要比沥青砼路面费用现值低2%～10%。由此可见，仅从经济的角度出发，水泥砼路面和沥青砼路面具有相同的竞争力。
　两类路面的技术适应性
　　水泥砼路面的最显着特点是它具有很大的刚度以及良好的抗疲劳特性。由于砼板的弹性模量比基层材料高的多，因而水泥砼路面的承载力大部分是从板本身得到的，而沥青砼路面面层与基层的模量相差不大，由荷载产生的应力有很大一部分要依靠路面基层来承担。对于土基，水泥砼路面对土基条件不太敏感，而沥青砼路面的整体强度很大程度上取决于土基强度。
　　对于路面所使用的集料，水泥砼路面是有水泥这种水硬性结合料胶结而成，它可以容纳各种类型的集料和砂，只要这些材料满足一定的标准(如级配、砂率、洁净等)。而沥青砼路面对集料的要求较高，除应满足规范规定的强度、耐磨耗(磨耗率、压碎值)及粗糙度(磨光值)指标要求，还应考虑沥青与石料的粘结力。
　　气候条件对路面结构的影响主要表现为当地气温、降水以及地下水位对路面的影响。水泥砼路面对温度的敏感性较小，在炎热的夏季，水泥砼路面不会出现象沥青砼路面因温度而产生的车辙、推移、泛油等病害。水对任何一种路面均会产生破坏，水不仅对路面结构本身有影响，它对土基的影响尤甚，由于路基和基层受水侵害而造成路面破坏的例子很多。沥青砼路面的水稳性相对较差。　从分期修建方面来看，沥青砼路面具有可以分期修建的优点，以适应交通量增长的需求，同时又可恢复沥青面层的使用性能和减缓老化。一般而言，水泥砼路面是不适宜分期修建的。
　两类路面能耗比较
　　国内外的大多数有关文献认为铺筑路面的能耗由原材料的生产、运输、混合料加工和摊铺能耗组成，从大的方面来说，路面能耗应包括初期修建能耗、大修罩面能耗、日常养护能耗以及汽车行驶能耗。根据计算，当不计沥青本身能量时，水泥砼路面的能耗比沥青砼路面的能耗高25%左右，当计入沥青本身能量时，沥青砼路面的能耗则比水泥砼路面高20%左右。
　　我们不主张计入沥青本身的能量，沥青是从原油中提炼出来的，能作为能量的很多分包含成在沥青中，但沥青在传统上是作为土建材料使用的，沥青具有能量，但如果燃烧完了，它的价值也就消失了，作为土建材料的价值也就没有了。这样看来，修建沥青砼路面的能耗要比水泥砼路面少，对节约能源有利。
　两类路面使用性能比较
　　路面的平整度对路面的使用性能影响最大。路面平整度一直作为路面使用性能很重要的评价指标之一，尤其是高等级公路，由于行车速度快，为了保证路面具有良好的舒适性，延长路面的使用寿命，平整度要求则更高。一般而言，沥青砼路面的平整度易于得到保证，而且路面损坏后也容易恢复，但水泥砼路面的平整度较难保证，即使是新修建的水泥砼路面，其平整度合格率只能达到85%。　与行车安全有关的指标主要是路面的抗滑能力。沥青砼路面主要采取的措施有加铺耐磨的开级配封层、磨耗层等来提高路面的抗滑能力；而水泥砼路面的防滑主要通过刻槽的方法获得。
　两类路面的环境评价
　　公路交通引起的噪声过大会危害身体健康，影响人的生理与心理状况，路面噪音对沿线居民已构成一种不断发展的公害。有关研究认为：光滑的沥青砼路面噪音最小，横槽水泥砼路面产生的噪音最大。从降低噪音的角度出发，应选用沥青砼路面。
　　4　高等级公路路面类型选用策略　　影响高等级公路路面类型选用的因素很多，路面类型的选择，并不是由单一或几个因素决定的，而应综合考虑使用要求、交通量大小及组成、当地气候、路基支承条件、材料供应、施工及养护水平、资金筹措、节约能源、环境保护等因素。在上述各因素中，有些因素是可以进行定量分析，而有些因素只能进行定性评价。对路面选型这样一个既含有定量因素，又包含定性因素的评价问题，运用传统数学方法建立起同标准的、切实可行的综合评价模型，使定性评价数量化是比较困难的。然而，利用模糊数学中的多层次综合评判原理，就能建立起相对科学、切实可行的路面类型选择的综合评判数学模型。
　数学模型的建立
　　根据多层次综合评判原理，可以对m个评判对象进行评判，最后得出各个对象的综合评判值向量：　　然后根据最大隶属度原则，给出模糊综合评判结果。
　　为了更进一步评价方案的优劣，我们对各个评语的得分进行加权平均，得到总分进行比较。设对每个评语Vj打分为Cj，则综合评判的总得分为：　　这样，可以根据S的大小来进行最后的比较。
　影响路面选型因素的层次分析
　　要进行模糊评判，首先要确定因素树结构，即要分清因素间的并列关系与从属关系。影响路面选型的因素很多，通过分析彼此间的关系，确定路面选型因素层次。 　权重分配
　　由于影响路面选型的各因素的地位不等，权重分配便成了一个重要问题。权重分配的确定可以由决策者根据经验选用，也可以用统计或专家评分法。本研究中采用了专家咨询调查法确定各因素的权重。
　单因素评价
　　对于路面类型影响因素中难以用数量来定量表示的单因素评价，可通过专家评定的方法得到。在因素树中还有一部分因素为数量指标，它们均属于“越小越优”型。
　数据处理及分析
　　根据专家咨询结果，对各因素的权值进行了计算，从计算结果看：在第一层次的因素中，“行使质量”的权值最大，说明人们对高等级公路行车快速和舒适的要求越来越高，其次为“技术可行性”、“经济合理性”。在第二层次的子因素中，“初期投资”、“施工技术水平”、“舒适性”、“施工人员素质”等因素的权值相对较大。
　　根据数学模型，编制了计算机程序来进行路面选型多层次模糊综合评判的分析计算，从两类路面的得分看，沥青砼路面的优势较为明显，沥青砼路面的得分要比水泥砼路面的得分高出20%以上，说明在目前的条件下，高等级公路应选用沥青砼路面。5　主要研究结论　　在对我省高等级公路沥青砼路面和水泥砼路面全面调查和综合分析的基础上，通过对我省高等级公路沥青砼路面和水泥砼路面综合经济比较、技术比较、能耗比较，以及通过专家调查、数学模型的建立，继而经过模糊数学多层次综合评判得到如下结论：
　　(1)在我省现有的施工技术水平下，高等级公路尤其是高速公路应优先选用沥青砼路面。水泥砼路面若采用先进施工设备，能确保路面质量及车辆行驶质量的前提下，在高等级公路中修建部分水泥砼路面也是可行的。
　　(2)在高等级公路路面选型中，行驶质量已成优先考虑的因素。沥青砼路面在行驶质量方面明显优于水泥砼路面，水泥砼路面在我省现有施工装备、技术水平下，难以获得较好的平整度。
　　(3)根据计算结果，我省高等级公路两类路面初期投资非常接近。一般情况下，水泥砼路面每m2造价仅比沥青砼路面高5%～9%，沥青砼路面若采用优质进口沥青，则其初期投资已超过水泥砼路面。　(4)根据调查归纳，沥青砼路面路况指数要比水泥砼路面高15%左右。
　　(5)水泥砼路面的水稳定性明显优于沥青砼路面，因此受水侵害严重的低路堤路段应优先选用水泥砼路面。
　　(6)从节约能源的角度，应优先选用沥青砼路面。