浅谈高速公路沥青路面的全寿命设计理念与成本分析.doc

浅谈高速公路沥青路面的全寿命设计
理念与成本分析

摘 要：高速公路沥青路面的全寿命设计，应根据价值工程的原理，在确保沥青路面使用性能良好的状态下，适当增加建设成本，大幅度减少路面维修成本，延长路面使用年限，最终达到降低全寿命成本的目的。
关键词：道路工程；沥青路面；全寿命设计；成本分析

0 前 言

随着国民经济的迅速发展，国家对基础设施建设投入了大量的资源。公路事业作为基础设施之一，现正以迅猛的速度发展,社会对高品质、高服务性能的公路的要求日益提高，行车的安全、舒适、快捷已成为人们的基本要求。但随着运输交通量和大吨位车辆的急剧增大，以及复杂多变的自然条件等诸多因素的影响，而使现有路面结构变形和损坏相当严重。这样，既影响了路面的使用性能和寿命，又给公路建设事业造成了巨大的经济损失。为此，需对路面结构设计作进一步的科学探讨。
1 影响路面结构性能的主要因素
路面结构应坚固耐久，表面应平整、抗滑和耐磨。影响路面结构使用性能的因素很多，其中主要有：
1.1路基的稳定性
修筑路基，必然会改变原地层所处的状态，破坏原地层固有的稳定状态，且原地层上存在着软弱地层，风化岩层等不良地质水文地段，这就必需采取必要的排水防护和加固措施，保证路基整体结构的稳定性，从而使路面结构具有足够的稳定性。
1.2土基的坚实性
土基位于路面结构层下，直接承受路面结构传递下来的荷载。如果土基过分湿软和水温条件差，在行车荷载作用下就会产生过大的沉陷变形，甚至引起翻浆，产生弹簧路基，使路面失去坚强而均匀的支承，从而引起路面结构过早损坏。因此，土基的坚实与否将直接影响路面结构的使能。
1.3交通量的大小及车辆吨位
交通量的大小及车辆吨位直接影响到路面结构的设计。汽车对路面的作用，包括重力作用和动态影响。重力作用主要是通过轮胎与路面的接触面，将其重力传递给路面，再由路面扩散至路基。动态影响主要指车辆对路面的振动、冲击摩擦作用及紧急制动时产生巨大的水平制动力等。交通量决定了路面的重复荷载作用，路面在重复荷载作用下，路面材料将出现疲劳破坏，变形累积等损坏现象，使路面结构承重能力逐步降低，使用状况不断恶化。我国高速公路的早期损坏，与车辆吨位特别是超载的大量存在具有直接的关系。而车辆的超载包括轮压超载及轴载超载，轮压超限对路面的损坏更为严重，所以，对沥青路面来说仅限制轴载是不够的。
1.4路面结构组合及材料
路面结构由面层、基层（上基层、下基层）、底基层（上底基层、下底基层）及垫层组成。路基路面是一个整体结构，各结构层有各自的特性和作用，并相互制约和影响。结构层应组合合理，使路面结构体系既能承受行车荷载和环境因素的作用，又能充分发挥各层次的最大效能。
路基路面结构的损坏，是因变形过大或应力超过材料强度而引起的，所以要做到根据结构层的受力特性合理地使用材料及其相互间的配合。
1.5路面施工及养护
施工是把设计蓝图变成现实形成使用价值的过程。路面的施工质量是保证路面各结构层正常使用的关键，而施工后的养护又是保证施工质量必不可少的措施。
1.6自然条件
公路是暴露在大自然下的带状工程结构物，它长期经受日晒、雨雪、酷热、严寒、冻融的作用，因而产生低温缩裂和高温车辙及受水流侵害现象，破坏沥青路面的使用性能。
2 沥青路面的主要损坏类型
沥青路面损坏类型主要有沉陷、车辙、推移、开裂、低温缩裂、反射裂缝、松散和坑槽等。其中沉陷、车辙、推移、开裂、松散和坑槽主要是土基不坚实引起的。
3 路面结构设计
近几年，我省新建了几条高速公路，其路面结构均为沥青路面，路面结构组合多为20cm厚级配碎石底基层[或20cm厚水泥稳定碎石（水泥含量3.0 %）]+20cm厚水泥稳定碎石下基层（水泥含量3.5%-4.5%）+20cm厚水泥稳定碎石上基层（水泥含量5%-6%）+8cm厚沥青粗粒式混凝土+6cm厚改性沥青中粒式混凝土+4cm厚改性沥青细粒式混凝土。开放交通后，路面损坏现象时有发生且有些地方较严重，分析其损坏的主要原因几乎都是因路基不稳定及土基不坚实造成的。
3.1路面结构分期设计与施工
造成路面损坏的主要原因之一是土基不坚实，而影响土基不坚实的因素除土质外，主要是土基的沉降。
3.1.1土基的沉降 土是由固相（土粒）、气相（空气）和液相（水）组成的3相分散体系，土的沉降由2部份组成：一是压缩变形量的绝对值大小，即沉降量大小；二是压缩变形随时间的变化，即土体的固结。现在我国的高速公路建设期约为2年左右，一般是第一年修建好土基与底基层，经过一个雨季后在第二年的第二季度开始着手修筑路面基层与面层结构。填筑土层后采用压路机进行压实达到标准压实度从而消除土体的压缩变形量。土体的固结是在外荷载作用下土中孔隙水排出，土体因发生体积变化而压密的时间过程，所以土体的固结既随时间的变化，又与作用外荷载大小及循环次数有关。在外荷载作用下，孔隙水从土体中排出，直至渗流结束，土体变形稳定。如果再增加荷载的重量，又发生孔隙水从土体排出的过程直至土体变形稳定。
3.1.2路面结构应分2次设计及施工 根据土的沉陷及高速公路的建设特点，路面结构分2次设计、施工更有利于保证质量，从而达到提高路面使用性能及降低全寿命成本的目的。现有高速公路的建设期，无论里程长短，规模大小，均为2年左右，不能满足土基的沉降要求，所以土基达不到坚实的目的，这也是目前高速公路路面结构破损的主要原因。土基不坚实，路面就没有坚强的支承，所以无论路面结构多合理及多厚，亦会随着土基的变形而出现沉陷、车辙、推移、开裂等破坏现象。笔者认为，路面分两次设计更适合：第一次与路线同时进行整体设计，设计出路面结构组合及各层厚度，施工至路面基层后，铺筑厚约5cm的热拌沥青碎石再浇筑厚约2cm左右的沥青表面处治罩面，然后开放交通；第二次设计在路线通车后，土基在车辆荷载的反复作用下，观察土基的累计变形，在变形基本稳定后，土基坚实具有足够的强度。根据路面的破损状况，重新测定路面弯沉，再根据弯沉值补强，然后确定路面面层结构并铺筑。这样，能避免路线通车后不久，因路基不均匀沉降而使路面严重破坏的现象，解决当前高速公路通车后的通病。现在，交通部倾向建议高速公路的建设期适当延长至3年左右，这无疑可提高建设质量，但还不能从根本上解决土基的沉陷问题，因为土基的沉陷不仅与时间有关系，还要通过行车的反复作用，使沉陷趋于稳定。况且，路面设计分2次设计及施工也是可行的，其原因为：1、满足高速公路的施工要求：施工招标时，其路面与路基本身就是分开招标的，不影响施工，整个施工的过程较原来长，但其施工实际时间不会增加，也不增加施工费用；2、高速公路的收费：沥青路面面层施工时间短暂，施工时，暂行停止开放交通，不影响高速公路的整个收费期限，其经济效益不受影响；3、与结构物的衔接：路面面层的厚度约为15cm左右，在与桥梁、通道、交叉工程及明盖板涵相衔接处，适当设置长20m左右的调坡过渡段，以缓解突变。
3.2路面结构的结构组合
我国沥青类路面属半刚性路面结构，其强度与稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性。结构组合设计应本着“路基稳定、基层坚实、面层耐用”的要求。把土基、垫层、基层和面层作为一个整体，进行路基路面综合设计。
3.2.1面层 面层是直接同车轮和大气相接触的结构层。它承受行车荷载（竖直力，特别是水平力和冲击力）的较大作用，又受到降水的侵蚀和气温变化的不利影响。因此，面层应具有较高的结构强度和稳定性，而且要耐磨、其表面还应有良好的平整度和粗糙度，同时，还应具有高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害以及防止雨水渗入基层的功能。面层分表面层、中面层和下面层，表面层主要是抗滑耐磨、密实稳定防水、防渗的沥青面层；中面层和下面层是承重作用层，应根据公路等级、沥青层厚度及气候条件等选择适当的沥青结构层。
现在，我国高速公路沥青面层的结构经过设计计算，其基本模式为：4cm厚细粒式改性沥青混凝土表面层+6cm-8cm厚中粒式改性沥青混凝土中面层+8cm-10cm厚粗粒式沥青（或改性沥青）混凝土下面层，整个面层的结构厚度保持在规范推荐的12cm-18cm的上限左右。
3.2.1.1面层各结构层厚度组合：沥青路面的面层厚度经过设计计算后，得到面层的整体厚度，在整体厚度的控制下，根据面层各层的功能、气候条件、地质水文情况等综合考虑面层的结构组合。我国的高速公路面层厚度较德国、英国、美国等国家的厚度薄1/3左右，根据现有的管理模式，我国的沥面层厚度不可能在短时间内达到西方等国的水平。在现有的厚度下，如何合理的组合沥青面层的结构层，使面层体系既能承受行车荷载和自然因素的作用，又能充分发挥各层次的最大效能。笔者认为，根据面层各结构层的功能及整体厚度的情况，面层结构组合宜采用：4cm厚细粒式改性沥青混凝土表面层+6cm厚中粒式沥青混凝土中面层+5cm厚热拌粗粒式沥青碎石下面层的结构组合模式，其原因为：1、满足面层结构层功能的要求：表面层主要功能是抗滑、耐磨、防渗、防水，并具有平整度，采用4cm厚细粒式改性沥青混凝土作表面层（改性沥青是指SmA改性沥青），能显著提高面层的抗滑能力且密实、平整度好；6cm厚中粒式沥青混凝土中面层和5cm厚热拌粗粒式沥青碎石下面层是面层的承重层；2、减少沥青路面的缩裂：由于基层采用半刚性基层，易使路面产生低温缩裂现象，采用改性沥青混凝土作表面层及热拌粗粒式沥青碎石下面层可减少沥青路面的低温缩裂；3、热拌粗粒式沥青碎石即为下面层，又具有联结层的作用，有利于沥青路面与半刚性基层的粘结。
3.2.1.2各结构层的材料要求：表面层采用细粒式改性沥青混凝土，改性沥青混凝土的主要优点是：抗滑耐磨、密实耐久、抗疲劳、抗车辙，减少低温开裂，采用细粒式改性沥青混凝土，能较好地达到表面层的使用功能。中面层采用中粒式沥青混凝土，笔者认为没有必要采用改性沥青，可以采用普通沥青，根据其使用功能主要为承重层，沥青只是一种胶结料，它本身不能承受力，它只是把集料粘结成一个整体，集料是受力体，从经济上分析也不合算。沥青混凝土的混合料采用粗集料断级配结构，这样，面层的抗变形、低温缩裂性能更能得到改善。
3.2.2 基层 主要承受由面层传下来的行车荷载竖直力的作用，并把它扩散到底基层、垫层和土基，故基层应具有足够的强度和刚度，但可不考虑耐磨性能，起主要承重作用的层次。高速公路基层多采用半刚性水泥稳定碎石基层，其应具有较小的收缩（温缩及干缩）变形和较高的强度，分上、下层，厚度约40cm。
3.2.3 底基层 设置在基层之下，并与面层、基层一起承受车轮荷载反复作用，起次要承重作用的层次，现高速公路底基层约为20cm厚级配碎石或水泥稳定碎石（水泥含量3.0 %）。笔者认为底基层太薄，按路面结构设计的规律，自上而下，其层厚由小到大，这样既满足半刚性沥青路面的受力特点，又节约造价。底基层应加大厚度，分为上底基层，保持原有的结构形式；再设置一层下底基层，其厚为40cm未筛分碎石，这样，提高了整个路面结构的承载能力和刚性，在经济造价略有增大的基础上，路面使用功能得到了较大改善，从价值工程的角度来说更加合理。
3.2.4垫层 设置在底基层与土基之间的结构层，起排水、隔水、防冻、防污等作用，在南方地区较少采用此层，因为在个别土基软弱及有特别排水要求的地段，对路基采用特殊处理。
3.2.5层间结合 沥青路面由各个结构层组成，沥青面层之间，沥青面层与半刚性基层之间，层与层之间的粘结尤为重要，它可使路面各结构层之间形成连续体系，使其使用性能达到设计的要求。在沥青面层与半刚性基层之间设置透层沥青，沥青面层之间设置粘层沥青。
4 成本分析
路面成本由路面建设成本与维修成本组成，现比较分析如下：
4.1定量计算费用
4.1.1增加5cm厚热拌沥青碎石的费用 假设宽22m，单价为31元/m2，则每公里增加造价：22×1000×31=68.2（万元）。
4.1.2增加2cm厚沥青表面处治的费用 假设宽22m，单价为10.2元/m2，则每公里增加造价：22×1000×10.2=22.44（万元）。
4.1.3整个面层结构中，原中面层6cm厚中粒式改性沥青混凝土改成6cm厚中粒式沥青混凝土减少的费用 假设宽22m，中粒式改性沥青混凝土单价为47元/m2，6cm厚中粒式沥青混凝土单价为39元/m2，则每公里减少造价：22×1000×（47-39）=17.6（万元）
4.1.4整个面层结构中，原下面层8cm厚粗粒式沥青混凝土改成5cm厚热拌沥青碎石减少的费用
假设宽22m，粗粒式沥青混凝土单价为51元/m2，6cm厚热拌沥青碎石单价为31元/m2，则每公里减少造价：22×1000×（51-31）=44（万元）。
4.1.5增加40cm厚未筛分碎石下底基层的费用
假设宽29m，单价为30元/m2，则每公里增加造价：29×1000×30=87（万元）。
4.1.6 与结构物衔接处增加的费用
每个衔接处基层用量增加：0.15×20×0.5×24=36（m3）.
每个衔接处增加费用：
36×200元/m3=0.72（万元）.
假设5处/km，则每公里增加造价：0.72×5=3.6（万元）。
根据以上分析计算，每公里增加造价：68.2+22.44+3.6+87-17.6-44=119.64（万元）。
4.2定性分析的费用
4.2.1基层补强费用的减少 如果路面结构分一次设计与施工，基层补强时，为确保路线的平顺要求，须挖除原路面面层结构层后再进行，而分2次设计与施工可减少此项费用。
4.2.2沥青混凝土路面的设计使用年限为15年，根

据现已建成的高速公路沥青路面的使用状况进行分析，基本上在建成通车后3年或4年内已进行了大面积修补并重新罩面，有的甚至在通车后几个月就开始进行修补，严重影响了运营效益，破坏了高速公路的形象。据预测，在整个设计使用年限内，其面层维修费用相当于建设费用，甚至于更高，每公里面层的建设成本约为300万元左右。更严重的是不但路面面层破坏，而且基层甚至底基层都破坏。
通过以上分析，路面的建设成本增加了1/4左右，而路面的维修成本明显降低，提高了运营效益，路面的全寿命成本可节约1/4左右。
5 结 语
根据价值工程的原理，在确保沥青路面使用性能良好的状态下，延长路面使用年限，尽量降低全寿命成本，从而提高路面的使用价值。路面结构分2次设计及施工，合理地进行路面结构层的组合设计并使各层间的材料搭配合理，达到从根本上消除高速公路沥青路面存在的隐患，提高路面的使用性能，延长路面的使用寿命，大幅度减少路面维修成本，最终达到降低全寿命成本的目的。

参考资料：
[1] JTJ 014-97,公路沥青路面设计规范[S].