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

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。