重交通全寿命周期沥青路面合理结构研究

2013-01-11刘建明边艳妮刘晓楠

土木工程与管理学报 2013年3期

刘建明，边艳妮，刘晓楠

(1.中交第二公路工程局有限公司，陕西西安 710065；2.中交公路养护工程技术有限公司，北京 100080)

依托工程位于陕西省境内，是一条以货运为主的运输大通道。经交通资料调查：道路上货车，尤其是重车所占比例较高。重车的后轴轴载能达到130 kN以上，胎压从额定的0.7 MPa增加到0.9 MPa及以上。重车均存在一定的超载现象，而且超载现象越来越严重。重交通势必会导致沥青路面在通车后不久就出现各类早期病害，这些病害的出现不但缩短了路面的使用寿命，而且增加了路面寿命期内的总费用(养护费用和改建费用)。因此，为了保证沥青路面在设计期内不出现结构性破坏、不产生疲劳开裂，特别是主要结构层不产生任何疲劳损坏，同时降低沥青路面寿命周期内的总费用，有必要在沥青路面结构设计中引入全寿命周期设计理念。

国内外研究学者对全寿命周期设计理念在沥青路面结构设计中的应用进行了大量研究并取得了一定的成果。但是大多只是在沥青路面结构经济效益分析中引入全寿命周期设计理念，即在路面结构满足力学性能和使用性能的前提下，通过分析期内费用最低对沥青路面进行结构优化[1～3]，没考虑路面极限寿命对结构优化设计的影响。而且在进行全寿命周期沥青路面结构优化设计时，环境设计参数及材料设计参数取值只是参照规范取值，针对性不强。

本文在全寿命周期沥青路面结构设计中引入全寿命周期沥青路面极限寿命的概念，采用一个既能体现极限寿命预估又能体现寿命周期费用分析的目标函数，对沥青路面厚度进行优化，对沥青路面设计参数进行分析与优化。最后以陕西某高速公路为依托工程，通过设计示例对此方法进行阐述验证，以期为沥青路面的实践和结构设计提供理论依据。

1 设计参数

1.1 分析期

传统沥青路面设计的分析期是根据路面类型、公路等级和设计要求在15～30年之间选取。全寿命周期沥青路面设计要求路面在寿命周期内不出现结构性破坏。对沥青路面而言，基层破坏引起的沥青面层破坏会导致路面结构的“重建”，半刚性基层开裂引起的沥青路面疲劳破坏会导致路面寿命下降至100～300万次[4，5]。由此可见，基层开裂可以看作沥青路面寿命的极限状态。而基层开裂一般分为干缩裂缝、温缩裂缝及疲劳裂缝，相对而言，温缩对石灰类半刚性基层影响最大，二灰类次之，水泥类最小。本文拟采用水泥稳定碎石做基层，为了简化分析，假设良好的初期养生可以有效降低水泥稳定碎石的干缩裂缝，因此，本文将基层的疲劳开裂近似看作沥青路面寿命的极限状态，将基层的疲劳寿命作为厚度优化设计的分析期。JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》中规定，对于半刚性基层和底基层材料以拉应力作为设计和验算指标时，采用下式进行计算：

σR=σS/KS

(1)

根据式(1)可推算水泥稳定碎石的疲劳荷载作用次数：

(2)

(3)

1.2 环境设计参数

对于沥青路面结构设计而言，环境参数主要是指湿度和温度。湿度对路面结构材料的影响比较复杂，目前还无成熟结论可供借鉴，再加上温度对沥青混合料性能影响较大。因此，本文主要考虑温度设计参数。根据《公路沥青路面设计规范》，沥青结构层抗压回弹模量的取值根据设计验算指标的不同，分别取15°和20°为标准试验温度，以适应不同设计指标所对应的最不利环境温度。为了使设计的依托工程沥青路面结构更加合理，参考相关文献[4]根据以下方程确定各路面结构沥青层1/3深度处的平均温度，并以此作为各结构层材料的设计温度，见式(4)：

(4)

式中：T为表面下深度H(cm)处平均温度(℃)；TA项目所在地区年平均温度(℃)。

1.3 材料设计参数

材料设计参数主要包括：各结构层材料的抗压回弹模量、泊松比及劈裂强度。一般情况下，路面各结构层材料的设计参数根据《公路沥青路面设计规范》并参考同地区、同料源、其它相似公路常用材料的设计参数取值。为了使选取的结构材料设计参数更具针对性，在进行沥青路面结构厚度初步设计时，各结构层材料设计参数按一般方法取值；在进行沥青路面结构厚度力学验算时，假设路面设计温度在15℃～20℃之间，沥青层材料抗压回弹模量与温度呈线性关系，故其抗压回弹模量可根据式(4)确定的设计温度按初步设计确定的抗压回弹模量内插取值。

1.4 交通设计参数

通过对依托工程交通资料调查可知：道路上大、中、小货车的平均超载率分别为21%、31%、19%，基本在20%～30%之间。因此，在标准轴载BZZ-100的基础上，依托工程重交通标准轴载可以取120～130 kN。考虑未来交通量的增长，建议设计标准轴载取130 kN。

为了与我国传统的沥青路面设计方法相联系，在进行沥青路面结构厚度初步设计时采用标准轴载BZZ-100，而在进行路面结构力学性能验算时采用标准轴重130 kN，以模拟重交通特征对路面结构力学响应的影响。

1.5 设计变量

通常情况下，路面结构层的基层类型、厚度及抗压回弹模量是影响沥青路面寿命和费用的主要因素。而沥青路面在基层类型和结构层抗压回弹模量确定的情况下，路面沥青层厚度是影响其经济和寿命的主要因素[6]。故本文在进行沥青路面结构厚度优化时，主要考虑的设计变量为沥青层厚度。

1.6 价格及贴现率

沥青层材料价格相比于基层、底基层材料较为昂贵且一直处于波动之中。因此，本文主要考虑沥青层材料价格对全寿命周期费用的影响。贴现率采用国家计委、建设部定期公布的行业基准收益率。

1.7 费用分析方法

为了把路面结构寿命期内不同时间发生的费用折算为当前的费用，以便在共同的基础上进行比较，本文采用现值法进行寿命周期费用分析。由于进行费用分析和比较的主要目的是对各个设计方案的经济价值做出相对的评价，因而不必考虑所有的费用项，只需考虑影响各个方案评价结果的主要费用。所以，本文排除差别不大的费用项或者目前尚无条件考虑的费用，选择总造价现值PV(不包括用户费)作为经济性比选指标，总造价计算公式如下[7，8]：

PVx1,n=ICx1+∑pwfi,yiRCx1,yi+

∑pwfi,tMCx1,t-pwfi,nSVx1,n

(5)

式中：PVx1,n为方案x1在分析期n年内的总造价现值；ICx1为方案x1的初期修建费；RCx1,yi为方案x1在不同使用性能期末的改建费；MCx1,t为方案x1在t年的养护费；SVx1,n为方案x1在分析期末的残值；pwfi,yi、pwfi,t、pwfi,n分别为贴现率i、年份yi、t、n的现值系数，各项费用的计算方法参照文献[7]。

1.8 路面结构优化模型

常规的路面结构优化模型以沥青路面在设计年限内的总费用作为目标函数，而全寿命周期设计理念要求路面在寿命期内具有良好的力学性能、使用性能及经济性最优。因此，本文采用一个既能体现对路面结构寿命要求，又能体现寿命周期内的费用最低的优化模型，目标函数为[6]：

(6)

式中：t为全寿命路面的极限寿命期(年)；PV为全寿命路面极限寿命期内的总造价现值(万元)。

2 路面设计指标及要求

2.1 设计指标

根据全寿命周期沥青路面结构设计理念的要求并参考文献[6]，全寿命周期沥青路面结构设计需采用力学指标、使用性能指标和经济指标三者综合控制。

沥青路面破坏形式的多样性及复杂性使得路面结构设计必须采用多力学指标进行控制。根据项目所在地区高速公路沥青路面的常见病害类型，同时借鉴长寿命沥青路面设计理念，本文采用路表弯沉、沥青层层底拉应变、半刚性基层拉应力、沥青层剪应力、土基顶面压应变作为重交通全寿命周期沥青路面结构设计的力学性能指标[9]。

鉴于路面状况指数PCI既能反映结构破坏，又能反映材料损坏，还与弯沉有关，因此，选用路况指数PCI作为全寿命周期沥青路面结构设计的使用性能指标[10]。

根据1.7节分析，本文选择总造价作为全寿命周期沥青路面结构设计的经济性指标。

2.2 设计要求

根据《公路沥青路面设计规范》并结合依托工程的实际情况，重交通全寿命周期沥青路面结构设计的力学要求为：

(2)沥青层底最大拉应变小于沥青层极限拉应变，设计寿命的沥青层极限拉应变可根据依托工程的设计年限内交通量及沥青混合料的疲劳试验得出，本文确定的沥青层极限拉应变为85 με；

(3)半刚性材料最大拉应力小于材料容许拉应力，半刚性材料容许拉应力按式σR=σS/KS计算；

(4)沥青层最大剪应力小于材料容许剪应力，容许剪应力按式τR=τ/KT计算，式中τ为材料抗剪强度；KT为抗剪强度系数；

(5)土基顶面最大压应变小于容许压应变，容许压应变按式ε=0.79×10-2·N-0.21(N为累计标准当量轴次)计算并参考国外永久性沥青路面取值，依托工程设计寿命内的土基顶面容许压应变为200 με。

根据全寿命周期沥青路面设计理念，本文将路面大修当作全寿命周期沥青路面破坏的极限状况，只允许路面结构存在适当的小中修。而JTG H10-2009《公路养护技术规范》中规定当高速公路及一级公路的路面状况指数评价为中及中以下时，应采取中修措施。中修对应的路况指数PCI值为55～70。根据其他沥青路面状况指数PCI值的取值情况以及依托工程的技术指标，本文采用的使用性能标准为[11]：小修罩面对应的标准为PCI大于75；路面中修对应的标准为PCI大于70；路面大修对应的标准为PCI大于65。

以结构优化模型的目标函数最小作为全寿命周期沥青路面结构设计的经济性要求。

3 路面结构设计

3.1 路面结构组合设计

本文参考依托工程所在地区其他高等级公路并根据经验进行结构组合，拟定的重交通全寿命周期沥青路面结构组合如表1。

表1 结构组合设计

3.2 路面厚度设计

3.2.1基于弯沉指标的厚度初步设计

路面厚度初步设计以半刚性上基层为设计层位，其他层位厚度的确定根据施工技术、工程造价、设计规范对筑路材料厚度的要求及其他相似高等级公路沥青路面结构的使用经验取得，拟定的四个结构见表2，各结构层材料的取值见表3。

表2 初步设计路面结构方案

表3 路面材料设计参数取值

首先，应用HPDS软件对拟定结构进行厚度的初步设计，通过计算得到初拟的四个结构，见图1。

AC-13C4 cmAC-20C5 cm级配碎石11 cm水泥稳定碎石135 cm水泥稳定碎石218 cmAC-13C4 cmAC-20C5 cmATB-3011 cm水泥稳定碎石136 cm水泥稳定碎石218 cm结构A结构BSMA-134 cmSUP-196 cmSUP-258 cmATB-258 cm水泥稳定碎石132 cm水泥稳定碎石218 cmSMA-134 cmAC-20C6 cmATB-258 cm级配碎石20 cm水泥稳定碎石132 cm水泥稳定碎石218 cm结构C结构D

图1 初拟的结构方案

3.2.2基于力学和使用性能指标的验算

路面结构力学验算时沥青层材料设计参数取值见表4，通过BISAR软件计算，各结构的力学和使用性能指标验算结果见表5～6。

表4 力学验算时材料设计参数选取表

表5 各结构力学指标验算结果

表6 路面结构使用性能验算

由表5可知，各结构的力学指标均满足设计要求；由表6可知，路面结构在未做任何中小修的情况下，超过设计期15年后PCI均未衰减到65，而运营18年后，路面结构性使用性能也未衰减到65，说明各结构在设计期15年内满足使用性能要求。

3.2.3路面结构厚度优化

前文仅是对路面结构的力学性能和使用性能进行验证，根据全寿命周期理论，还需对结构厚度进行极限寿命期的费用分析优化，厚度优化过程中采用的材料单价见表7。

表7 初建费中材料单价

由于沥青层材料对寿命期费用分析影响较大，同时为简化分析，本文只考虑中、下面层的厚度优化。路面维修养护方案标准参考使用性能指标要求取值如下：当PCI下降至75左右时，对4 cm SMA-13及AC-13改性沥青混凝土面层进行铣刨罩面处理；当PCI下降至70左右时，对4cm SMA-13及AC-13改性沥青混凝土+粘层进行铣刨罩面中修。优化时折现率取10%计算各个结构的目标函数。

由上可知表8～11中的结构1已满足设计寿命期力学及使用性能要求，而结构2、结构3、结构4、结构5作为结构1演变结构，其沥青层厚度均大于结构1。因此，在此省去对这些演变结构力学性能和使用性能的验证，而认为演变结构均能满足设计寿命期力学及使用性能要求。