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季凍區(qū)薄瀝青面層結(jié)構(gòu)適用性及經(jīng)濟(jì)效益分析

2021-09-16 02:11:52朱天明高立波金塬上
北方交通 2021年9期
關(guān)鍵詞:基層結(jié)構(gòu)

朱天明,高立波,金塬上

(1.沈陽中澤環(huán)境工程有限公司 沈陽市 110085; 2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室 沈陽市 110015;3.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中,往往過分重視結(jié)構(gòu)承載能力,而對結(jié)構(gòu)組合和各結(jié)構(gòu)層功能的要求研究不夠全面,路面厚度設(shè)計存在隨意性。以美國和日本為例,這兩個國家都是采用厚瀝青面層的國家,一般厚度不小于20cm,但即便采用了較厚的瀝青面層,在使用6~8年后也會加鋪新面層,否則路面使用性能就無法滿足要求。法國則是采用分期實施方案,初期僅鋪筑6~10cm厚度的瀝青層,一定年限后需要時鋪筑預(yù)留厚度的瀝青混凝土[1]。對于我國廣泛采用的半剛性基層路面結(jié)構(gòu),多年的研究與實踐證明路面的承載能力完全可由半剛性基層滿足,瀝青面層薄厚對結(jié)構(gòu)整體承載能力無重要影響[2]。遼寧省西開、桓永高速公路采用“三層設(shè)計,兩層施工”原則修建,即在建設(shè)期也采用兩層瀝青混凝土面層,瀝青層厚度為12cm,在通車8年后進(jìn)行維修改造,增加了瀝青混凝土層厚度。因此,薄瀝青面層路面結(jié)構(gòu)具有一定適用場景,但需要在設(shè)計時充分考慮薄瀝青面層結(jié)構(gòu)對于本地區(qū)交通荷載、氣候條件的適用性,以便真正達(dá)到節(jié)省造價、經(jīng)濟(jì)適用的目標(biāo)。

1 薄瀝青面層結(jié)構(gòu)交通荷載適用性分析

因不同地區(qū)的環(huán)境參數(shù)存在差異,對于同一路面結(jié)構(gòu),在不同地區(qū)能夠承擔(dān)的累計荷載次數(shù)也不同。為確定薄層路面結(jié)構(gòu)在不同地區(qū)能夠承受的累計極限軸次,選擇遼寧省代表性地理區(qū)位,以半剛性基層疲勞破壞為準(zhǔn)則,計算不同區(qū)位環(huán)境下薄層路面結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)的累計軸載作用次數(shù),結(jié)果見表1所示。

表1 不同地區(qū)半剛性基層疲勞開裂累計當(dāng)量軸次計算

根據(jù)遼寧省高速公路軸載譜調(diào)查研究結(jié)果,不同交通等級下,車輛類型分布、軸載換算系數(shù)也不相同。因此,對于不同的交通荷載等級,經(jīng)半剛性疲勞開裂等效軸載換算后可能會得到相同的累計當(dāng)量軸次。依據(jù)遼寧省高速公路車型分布、軸載換算系數(shù)、方向系數(shù)、車道系數(shù)推薦值[3-4],反算對應(yīng)累計軸載作用下累計大型客車和貨車交通量,即得到適應(yīng)的交通荷載等級,計算結(jié)果見表2。

由表2可以看出,對于遼寧地區(qū)高速公路交通軸載組成、環(huán)境氣候特點,采用薄層路面結(jié)構(gòu),按照重交通荷載換算系數(shù)和車型分布計算結(jié)果,不滿足重交通設(shè)計交通荷載等級范圍要求(8×106~19×106輛),即薄層路面結(jié)構(gòu)不適用于重交通設(shè)計等級。對于中交通等級,最多能夠承擔(dān)的累計大型客車和貨車交通量在5.47×106~6.24×106輛范圍內(nèi),對于輕交通等級,最多能夠承擔(dān)的累計大型客車和貨車交通量在3.40×106~3.87×106輛以內(nèi)。

表2 不同地區(qū)半剛性基層疲勞開裂累計對應(yīng)交通荷載等級計算

2 薄瀝青面層結(jié)構(gòu)環(huán)境條件適應(yīng)分析

在得到薄層路面結(jié)構(gòu)半剛性基層疲勞開裂壽命對應(yīng)的最大交通等級后,以此為交通參數(shù),計算薄層路面結(jié)構(gòu)在各代表地區(qū)的瀝青層永久變形、低溫開裂指標(biāo),驗算是否滿足規(guī)范要求,結(jié)果見表3。

由計算結(jié)果可以看出,以半剛性疲勞壽命對應(yīng)交通荷載為標(biāo)準(zhǔn),計算得到的各地區(qū)瀝青層永久變形較小,最大僅為4.2mm,遠(yuǎn)低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)15mm要求。實際上,以中等交通荷載等級范圍內(nèi)最大交通量計算(8×106輛),瀝青層永久變形同樣較小,均滿足設(shè)計要求。

統(tǒng)計遼寧省代表地區(qū)低溫設(shè)計溫度,參照SBS低溫改性瀝青蠕變勁度模量范圍,選擇三組不同瀝青勁度模量計算低溫開裂指數(shù),結(jié)果見表4。

表4 不同地區(qū)低溫開裂指數(shù)計算結(jié)果

可以看出,對于西豐地區(qū),即便瀝青勁度模量取值較低,低溫開裂指數(shù)仍大于3,不能滿足規(guī)范要求,對于桓仁地區(qū),在瀝青勁度模量小于100MPa時,低溫開裂指數(shù)小于3,即可滿足設(shè)計要求。其他地區(qū)低溫開裂指數(shù)均在2以下,對瀝青層勁度模量要求較低,容易滿足規(guī)范要求。

3 薄瀝青面層結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效益分析

相較于傳統(tǒng)的三層瀝青面層結(jié)構(gòu),薄瀝青面層會節(jié)省初期建設(shè)投資,緩解初期建設(shè)資金壓力。分析薄瀝青面層典型結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)三層瀝青路面典型結(jié)構(gòu)建設(shè)投資費用差異如下:

(1)結(jié)構(gòu)一:4cmAC-13高粘高彈改性瀝青混合料上面層,8cmLAC-20高模量瀝青混凝土下面層,20cm水泥穩(wěn)定碎石上基層,20cm水泥穩(wěn)定碎石下基層,15cm級配碎石底基層。

(2)結(jié)構(gòu)二:4cmAC-13SBS改性瀝青混合料上面層,5cmLAC-20 SBS瀝青混凝土中面層,7cmLAC-25基質(zhì)瀝青混凝土下面層,20cm水泥穩(wěn)定碎石上基層,20cm水泥穩(wěn)定碎石下基層,15cm級配碎石底基層。

由于兩種結(jié)構(gòu)基層和底基層均為同樣的材料和層厚,所以進(jìn)行新建路面造價分析時,只計算面層結(jié)構(gòu)的價格,材料單價如表5所示。以雙向四車道高速公路為例,計算兩種結(jié)構(gòu)每公里投資費用差異,結(jié)果如表6所示。

表5 新建路面面層材料價格匯總表

表6 推薦結(jié)構(gòu)新建路面價格匯總表

計算結(jié)果表明,對于初期建設(shè)投入,采用薄瀝青面層結(jié)構(gòu)每公里可節(jié)約造價37.5萬元,比傳統(tǒng)三層路面結(jié)構(gòu)面層造價節(jié)省15.4%。

考慮壽命期內(nèi)不同路面結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)方案及時機(jī),對薄瀝青面層結(jié)構(gòu)和三層路面結(jié)構(gòu)壽命周期效益費用進(jìn)行對比分析,擬定不同結(jié)構(gòu)組合壽命周期擬采用的養(yǎng)護(hù)方案及養(yǎng)護(hù)時機(jī)如下:

以PCI指標(biāo)作為養(yǎng)護(hù)效益評定指標(biāo),依據(jù)《遼寧省高速公路瀝青路面低成本養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究》(201712)項目建立的典型養(yǎng)護(hù)技術(shù)性能衰減曲線,分析兩種結(jié)構(gòu)在中輕交通條件下PCI衰減規(guī)律,結(jié)果如圖1所示。

表7 兩種結(jié)構(gòu)分析期內(nèi)養(yǎng)護(hù)方案

圖1 路面PCI指標(biāo)預(yù)估

以PCI衰減曲線下面積作為兩種結(jié)構(gòu)分析期內(nèi)效益指標(biāo),考慮兩種結(jié)構(gòu)在分析期內(nèi)路面建設(shè)及養(yǎng)護(hù)總體費用投入,計算兩種結(jié)構(gòu)在分析期內(nèi)的效益費用比。超薄磨耗層單價按30元/m2計算,含砂霧封層按19元/m2計算。其他材料單價與前文相同,計算采用不同結(jié)構(gòu)組合和養(yǎng)護(hù)方案后,分析期內(nèi)效益費用情況如表8所示。

表8 輕中交通等級結(jié)構(gòu)設(shè)計及養(yǎng)護(hù)方案效益費用分析

由計算結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)一在分析期內(nèi)效益費用比要略高于結(jié)構(gòu)二,考慮資金的時間價值,薄瀝青面層結(jié)構(gòu)的資金使用效率更高。因此,對于氣候條件適宜、交通量較輕區(qū)域的路面設(shè)計,可以在建設(shè)時選擇減薄瀝青層厚度,以節(jié)省初期建設(shè)資金投入,并在適宜時間內(nèi)及時進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù),維持路面性能水平。

4 總結(jié)

(1)依據(jù)遼寧省高速公路車型分布、軸載換算系數(shù)推薦值、方向系數(shù)、車道系數(shù),反算對應(yīng)累計軸載作用次數(shù)下累計大型客車和貨車交通量,結(jié)果表明薄瀝青面層路面結(jié)構(gòu)不適用于重交通設(shè)計等級。對于中交通等級,最多能夠承擔(dān)的累計大型客車和貨車交通量在5.47×106~6.24×106輛范圍內(nèi),對于輕交通等級,最多能夠承擔(dān)的累計大型客車和貨車交通量在3.40×106~3.87×106輛以內(nèi)。在此交通荷載水平下,不同地區(qū)瀝青層永久變形計算結(jié)果均能滿足要求;不同地區(qū)低溫開裂指數(shù)計算結(jié)果表明,除桓仁地區(qū)外,其他地區(qū)低溫開裂指數(shù)均能滿足要求。

(2)對于新建路面費用,薄瀝青面層結(jié)構(gòu)與典型三層瀝青面層路面結(jié)構(gòu)相比,每公里可節(jié)約造價15.4%。考慮中長期養(yǎng)護(hù)費用,在中輕交通量下,分析期內(nèi)薄瀝青面層結(jié)構(gòu)資金投入的效益費用比略高于典型三層瀝青面層結(jié)構(gòu)。因此,在薄瀝青面層結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)的累計軸載作用次數(shù)內(nèi),對于氣候適宜、低溫抗裂指標(biāo)要求不嚴(yán)格地區(qū),可以在建設(shè)期選擇采用薄瀝青面層結(jié)構(gòu),并在壽命期內(nèi)適宜時機(jī)開展養(yǎng)護(hù)維修,以節(jié)省初期建設(shè)投資,提高資金使用價值,實現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計。

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