季冻区薄沥青面层结构适用性及经济效益分析

朱天明，高立波，金塬上

(1.沈阳中泽环境工程有限公司 沈阳市 110085； 2.高速公路养护技术交通运输行业重点实验室 沈阳市 110015；3.辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015)

在路面结构设计中，往往过分重视结构承载能力，而对结构组合和各结构层功能的要求研究不够全面，路面厚度设计存在随意性。以美国和日本为例，这两个国家都是采用厚沥青面层的国家，一般厚度不小于20cm，但即便采用了较厚的沥青面层，在使用6～8年后也会加铺新面层，否则路面使用性能就无法满足要求。法国则是采用分期实施方案，初期仅铺筑6～10cm厚度的沥青层，一定年限后需要时铺筑预留厚度的沥青混凝土[1]。对于我国广泛采用的半刚性基层路面结构，多年的研究与实践证明路面的承载能力完全可由半刚性基层满足，沥青面层薄厚对结构整体承载能力无重要影响[2]。辽宁省西开、桓永高速公路采用“三层设计，两层施工”原则修建，即在建设期也采用两层沥青混凝土面层，沥青层厚度为12cm，在通车8年后进行维修改造，增加了沥青混凝土层厚度。因此，薄沥青面层路面结构具有一定适用场景，但需要在设计时充分考虑薄沥青面层结构对于本地区交通荷载、气候条件的适用性，以便真正达到节省造价、经济适用的目标。

1 薄沥青面层结构交通荷载适用性分析

因不同地区的环境参数存在差异，对于同一路面结构，在不同地区能够承担的累计荷载次数也不同。为确定薄层路面结构在不同地区能够承受的累计极限轴次，选择辽宁省代表性地理区位，以半刚性基层疲劳破坏为准则，计算不同区位环境下薄层路面结构能够承担的累计轴载作用次数，结果见表1所示。

表1 不同地区半刚性基层疲劳开裂累计当量轴次计算

根据辽宁省高速公路轴载谱调查研究结果，不同交通等级下，车辆类型分布、轴载换算系数也不相同。因此，对于不同的交通荷载等级，经半刚性疲劳开裂等效轴载换算后可能会得到相同的累计当量轴次。依据辽宁省高速公路车型分布、轴载换算系数、方向系数、车道系数推荐值[3-4]，反算对应累计轴载作用下累计大型客车和货车交通量，即得到适应的交通荷载等级，计算结果见表2。

由表2可以看出，对于辽宁地区高速公路交通轴载组成、环境气候特点，采用薄层路面结构，按照重交通荷载换算系数和车型分布计算结果，不满足重交通设计交通荷载等级范围要求(8×106～19×106辆)，即薄层路面结构不适用于重交通设计等级。对于中交通等级，最多能够承担的累计大型客车和货车交通量在5.47×106～6.24×106辆范围内，对于轻交通等级，最多能够承担的累计大型客车和货车交通量在3.40×106～3.87×106辆以内。

表2 不同地区半刚性基层疲劳开裂累计对应交通荷载等级计算

2 薄沥青面层结构环境条件适应分析

在得到薄层路面结构半刚性基层疲劳开裂寿命对应的最大交通等级后，以此为交通参数，计算薄层路面结构在各代表地区的沥青层永久变形、低温开裂指标，验算是否满足规范要求，结果见表3。

由计算结果可以看出，以半刚性疲劳寿命对应交通荷载为标准，计算得到的各地区沥青层永久变形较小，最大仅为4.2mm，远低于设计标准15mm要求。实际上，以中等交通荷载等级范围内最大交通量计算(8×106辆)，沥青层永久变形同样较小，均满足设计要求。

统计辽宁省代表地区低温设计温度，参照SBS低温改性沥青蠕变劲度模量范围，选择三组不同沥青劲度模量计算低温开裂指数，结果见表4。

表4 不同地区低温开裂指数计算结果

可以看出，对于西丰地区，即便沥青劲度模量取值较低，低温开裂指数仍大于3，不能满足规范要求，对于桓仁地区，在沥青劲度模量小于100MPa时，低温开裂指数小于3，即可满足设计要求。其他地区低温开裂指数均在2以下，对沥青层劲度模量要求较低，容易满足规范要求。

3 薄沥青面层结构经济效益分析

相较于传统的三层沥青面层结构，薄沥青面层会节省初期建设投资，缓解初期建设资金压力。分析薄沥青面层典型结构和传统三层沥青路面典型结构建设投资费用差异如下：

(1)结构一：4cmAC-13高粘高弹改性沥青混合料上面层，8cmLAC-20高模量沥青混凝土下面层，20cm水泥稳定碎石上基层，20cm水泥稳定碎石下基层，15cm级配碎石底基层。

(2)结构二：4cmAC-13SBS改性沥青混合料上面层，5cmLAC-20 SBS沥青混凝土中面层，7cmLAC-25基质沥青混凝土下面层，20cm水泥稳定碎石上基层，20cm水泥稳定碎石下基层，15cm级配碎石底基层。

由于两种结构基层和底基层均为同样的材料和层厚，所以进行新建路面造价分析时，只计算面层结构的价格，材料单价如表5所示。以双向四车道高速公路为例，计算两种结构每公里投资费用差异，结果如表6所示。

表5 新建路面面层材料价格汇总表

表6 推荐结构新建路面价格汇总表

计算结果表明，对于初期建设投入，采用薄沥青面层结构每公里可节约造价37.5万元，比传统三层路面结构面层造价节省15.4%。

考虑寿命期内不同路面结构的养护方案及时机，对薄沥青面层结构和三层路面结构寿命周期效益费用进行对比分析，拟定不同结构组合寿命周期拟采用的养护方案及养护时机如下：

以PCI指标作为养护效益评定指标，依据《辽宁省高速公路沥青路面低成本养护关键技术研究》(201712)项目建立的典型养护技术性能衰减曲线，分析两种结构在中轻交通条件下PCI衰减规律，结果如图1所示。

表7 两种结构分析期内养护方案

图1 路面PCI指标预估

以PCI衰减曲线下面积作为两种结构分析期内效益指标，考虑两种结构在分析期内路面建设及养护总体费用投入，计算两种结构在分析期内的效益费用比。超薄磨耗层单价按30元/m2计算，含砂雾封层按19元/m2计算。其他材料单价与前文相同，计算采用不同结构组合和养护方案后，分析期内效益费用情况如表8所示。

表8 轻中交通等级结构设计及养护方案效益费用分析

由计算结果可知，结构一在分析期内效益费用比要略高于结构二，考虑资金的时间价值，薄沥青面层结构的资金使用效率更高。因此，对于气候条件适宜、交通量较轻区域的路面设计，可以在建设时选择减薄沥青层厚度，以节省初期建设资金投入，并在适宜时间内及时进行预防性养护，维持路面性能水平。

4 总结

(1)依据辽宁省高速公路车型分布、轴载换算系数推荐值、方向系数、车道系数，反算对应累计轴载作用次数下累计大型客车和货车交通量，结果表明薄沥青面层路面结构不适用于重交通设计等级。对于中交通等级，最多能够承担的累计大型客车和货车交通量在5.47×106～6.24×106辆范围内，对于轻交通等级，最多能够承担的累计大型客车和货车交通量在3.40×106～3.87×106辆以内。在此交通荷载水平下，不同地区沥青层永久变形计算结果均能满足要求；不同地区低温开裂指数计算结果表明，除桓仁地区外，其他地区低温开裂指数均能满足要求。

(2)对于新建路面费用，薄沥青面层结构与典型三层沥青面层路面结构相比，每公里可节约造价15.4%。考虑中长期养护费用，在中轻交通量下，分析期内薄沥青面层结构资金投入的效益费用比略高于典型三层沥青面层结构。因此，在薄沥青面层结构能够承担的累计轴载作用次数内，对于气候适宜、低温抗裂指标要求不严格地区，可以在建设期选择采用薄沥青面层结构，并在寿命期内适宜时机开展养护维修，以节省初期建设投资，提高资金使用价值，实现路面结构的科学设计。