对路面寿命的认识与思考

刘秀丽 山东省临朐县交通运输局

导语:

一段时间以来,公路基础设施尤其是路面工程的使用寿命受到社会的高度关注,个别项目工程质量差、使用寿命短等问题严重影响了行业形象.本文对国内外路面设计使用年限、路面实际使用年限与设计使用年限的关系等进行了对比研究,对我国路面实际使用年限情况进行了分析,并提出了一些建议,让读者对公路路面寿命进行客观和科学的了解.

交通运输是国民经济和社会发展的重要基础.公路交通运输实现了"门到门"服务,其他运输方式都必须通过公路来衔接,可见公路在综合交通运输体系中具有突出的重要性和基础性地位.公路基础设施是提供公路交通运输服务的基础,而路基路面等主体结构则是其中最重要的部分之一,其工程质量与耐久性直接关系到交通运输效率的发挥.

一段时间以来,公路基础设施尤其是路面工程的使用寿命受到社会的高度关注,个别项目工程质量差、使用寿命短等问题严重影响了行业形象.为此,本文从公路设计年限和实际使用年限的角度对路面寿命问题进行探讨.

公路寿命的相关概念

(1)公路寿命不是标准的名称术语,没有确切定义[1].

(2)公路路基工程、排水工程、支挡防护和砌筑工程、隧道工程等没有寿命的概念[2].

(3)桥涵采用设计基准期、设计使用年限两个概念[3].《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)规定,设计基准期是为确定可变作用等的取值而选用的时间参数,设计使用年限是在正常设计、施工、使用和养护条件下桥涵结构或结构构件不需进行大修或更换即可按其预定目的使用的年限.

(4)路面工程直接承受交通荷载和自然环境的反复作用,性能衰变快,是公路基础设施中设计使用年限最短的构件.路面工程采用设计使用年限或者设计基准期的概念[4-5].沥青路面采用的是设计使用年限,《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)将其定义为在正常设计、施工、使用和养护条件下路面不需要结构性维修的预定使用年限.水泥混凝土路面采用的是设计基准期,《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2002)中定义为计算路面结构可靠度时考虑各项基本度量与时间关系所采用的基准时间.路面设计使用年限或者设计基准期并没有明确指出是针对面层还是基层.

国内外路面设计年限对比

一段时间以来,公路基础设施尤其是路面工程的使用寿命受到社会的高度关注,个别项目工程质量差、使用寿命短等问题严重影响了行业形象.

我国路面设计年限情况

我国《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)中规定,高速公路、一级公路水泥混凝土路面结构设计基准期取30年,二级及二级以下公路取20年,如表1所示.

我国《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)中规定,高速公路、一级公路沥青路面结构设计使用年限应不低于15年,二级公路应不低于12年,三、四级公路应分别不低于10年和8年,如表2所示.

国外路面设计年限情况

美国沥青路面设计寿命采用使用期(performance period)和分析期(analysisperiod)两个概念[6].美国国家公路与运输协会标准《AASHTO 路面结构设计指南1993》中规定,使用期指新建或者重建的路面结构的服务能力从初始值恶化至最终值所经历的时间,取值范围一般为10~20年.路面设计时,先确定分析期,然后将分析期划分为1个新建期和若干重建期,一般新建期为20年,每个重建期为15年.

选取2016年4月～2018年4月在本院接受诊疗的腹股沟斜疝患者66例作为研究对象，将其分为观察组与对照组，各33例。其中，观察组男22例，女11例，年龄22～67岁，平均年龄（45.2±3.5）岁；对照组男23例，女10例，年龄23～65岁，平均年龄（46.1±3.7）岁。两组患者的年龄情况，性别信息以及病程信息对比，差异无统计学意义（P＜0.05）。

欧洲公路研究中心FEHRL研究报告显示,欧盟各国一般按照经济性、公路类型和材料确定沥青路面的设计寿命,以设计期(design period)表示,设计期内允许进行多次表处、铣刨加铺、罩面.其中,英国一般采用40年的设计期,法国、德国一般采用30年的设计期,意大利、荷兰、西班牙等多数国家一般采用20年的设计期.

表1 我国水泥混凝土路面结构设计基准期

表2 我国沥青路面结构设计使用年限

日本道路协会《铺装设计施工指针》 中包括了沥青路面和水泥混凝土路面的设计[7-8],基本情况如下.

(1)设计年限分为路表面设计周期、路面设计周期两种.路表面设计周期是指在交通作用下路表面塑性变形、平整度达不到管理要求的时间;路面设计周期是指在交通荷载的重复作用下,整个路面结构发生疲劳损伤而出现开裂的时间.路表面设计周期等于或小于路面设计周期.

(2)设计周期并不是采取确定数值,而是由公路管理机构根据气候、公路类型、交通荷载经过经济分析综合确定.

(3)在交通量对公路工程影响较大的情况下,应适当延长设计周期:主干线公路中国道高速公路40年、一般国道20年;隧道20~40年;交通量大的城市道路交叉口不小于20年.

(4)交通量增幅较大且对工程影响较大时,应缩短设计周期.

国内外对比

国内外路面设计年限思路差别较大,主要区别在以下几点.

(1)发达国家一般采用设计期和分析期两个概念,日本区分路表面设计期和路面设计期,而我国没有进行细分.

(2)发达国家路面设计期一般不是采取确定的数值,而是由设计者或者公路管理机构根据实际需要确定,通常采用的设计期略长于我国.我国的标准轴载是100kN,而发达国家的标准轴载多为80 kN,低于我国水平.因此综合来看,我国和发达国家路面设计寿命应该是基本相当的.

(3)不同发达国家的路面设计年限有很大差别.分析认为,路面设计年限的长短不仅要考虑技术因素,更重要的还要考虑经济因素.我国采用15年的设计年限,且普遍采用无机结合料稳定材料基层,这是根据我国经济社会发展实际情况做出的合理选择.

路面实际使用年限与设计年限的关系

路面设计年限是路面在设计标准荷载按照设计增长率作用下出现疲劳破坏所经历的时间.也就是说,路面设计年限是一种"条件寿命",如果设计时假设的条件与实际情况不一致,例如交通量增长率与预期不一致,交通组成(轴载大小、胎压高低等)发生变化,路面实际使用时间的长短就会与设计年限不一致,而这种情况是必然会发生的,因为路面设计时的假设不可能与实际情况完全一致.

尤其是对于我国这样一个经济社会高速发展的国家而言,公路交通的发展并不是按照固定的模式变化,而是跳跃式发展,加之超载运输等不确定因素较多,使得交通量的准确预测变得十分困难.现实情况中,实际交通量往往大于预测交通量,使得路面实际使用年限普遍小于设计年限.例如,设计年限是15年,假设由此计算得到的路面能承受的交通量是1 000万次标准轴载,但是由于交通量增长迅猛,使得路面在使用6年时就已经承受了1 000万次的标准轴载作用,那么该路面已经达到了设计使用年限的要求,而不能认为是工程质量问题.

此外,路面实际使用年限的判断依据目前也没有明确规定.按照路面设计理论,应该以疲劳破坏作为判断依据,但是实际上很多路面病害难以判断是否为疲劳破坏,可操作性不强.分析认为,可以将路面大修(铣刨重铺)时间作为路面实际使用年限的判断依据.

我国路面实际使用年限分析

我国早期修建的高速公路大多已使用近25年未进行过结构性大修,中后期修建的高速公路沥青路面结构寿命大多已经超过15年,从绝对时间上看,与发达国家不相上下.例如:京津塘高速公路北京段1989 年通车一直到2002年才进行就地热再生,面层用了13年,至今未因结构性病害进行大修,已28年;首都机场高速公路自1993年开放交通至今无结构性大修,已24年;广东省广深珠高速公路1994年开放交通,于2002年、2004年分别对全段进行了4 cm的SMA 加铺,表面层寿命为8~10年,至今均未进行结构性大修,已23年;山东济青高速公路1994年通车,在2017年改扩建前未进行结构性大修,已23年.据统计,我国通车超过15年(2002年以前通车)的高速公路超过2万km,高速公路沥青路面大修(沥青层维修)时间一般在10~15年以上,中修(沥青表面层维修)时间一般在5~8年,高速公路对路面基层进行结构性大修的比例总体不高.

据统计,我国通车超过15年(2002年以前通车)的高速公路超过2万km,高速公路沥青路面大修(沥青层维修)时间一般在10~15年以上,中修(沥青表面层维修)时间一般在5~8年,高速公路对路面基层进行结构性大修的比例总体不高.

建议

我国在路面寿命方面取得了一定成绩,但是与建设交通强国的目标还有很大差距,与百姓的期许相比也有不少距离.对此,提出以下建议.

(1)对影响公路寿命的潜在风险进行预判和提前介入.例如,从超载的严重程度看,目前普通国省干线公路的超载问题要重于高速公路,而普通国省干线公路的路面结构强度要弱于高速公路,容易出现路况较快下滑的问题,建议提前介入处理.

(2)推动超载超限治理.公路是服务于行车需要的,由于车重的增加加厚路面结构在理论上可行,实际上的代价极高,只有从车的角度入手来解决,即深入推动超载超限治理.

(3)持续投入开展路面延寿科技研究.美国、欧盟等一直持续开展路面技术研究,不断提出第五代公路、基于性能的力学经验设计方法(MEPDG)等新成果,推动路面科技不断向前发展.建议启动实施类似于美国SHRP计划这样的"路面材料与结构延寿战略研究计划",建立系统完善的路面材料设计体系、结构设计体系、施工成套技术、养护成套技术,进一步提升我国公路路面材料与结构的耐久性.