川藏公路柔性加固基层沥青路面结构经济性分析*

2022-10-28吴佳鑫

西安工业大学学报 2022年5期

李铭，杨帆，吴佳鑫，刘苗

(西安工业大学建筑工程学院，西安 710021)

川藏公路路基在使用过程中，由于频繁剧烈的冻融循环作用与严重的超载重载现象，导致含水率不均匀，形成不均匀变形[1-3]。该公路一直广泛使用的半刚性基层沥青路面结构，易在路基不均匀变形影响下，产生诸如结构层断裂等严重结构性破坏[4-5]，造成交通堵塞，影响通行能力。已有研究和实践表明[6-10]，采用柔性加固基层沥青路面结构，比半刚性基层路面结构拥有更好的路基不均匀变形适应能力。典型合理的路面结构除了满足性能合理性要求之外，还应满足经济合理性要求[11-13]，当前多采用寿命周期成本分析(Life Cycle Cost Analysis,LCCA)进行经济性计算分析。我国对全寿命周期在公路工程中的研究开展较晚，且大多应用于内地公路中，而在川藏公路中的应用研究较为少见。

因此，文中拟在先前研究基础上，基于不均匀变形影响条件，通过LCCA分别计算不同路面结构的初期建设和后期养护维修费用，并以总费用最低为评价指标，揭示柔性加固基层沥青路面结构的经济合理性，为该地区典型路面结构的选择提供理论依据。

1 川藏公路沥青路面结构合理型式

现行的半刚性基层沥青路面结构，在冻融循环和重载引发的较大路基不均匀变形影响下，会导致其多种路面病害频发甚至发生结构破坏，严重影响正常使用性能。基于此，本研究针对不均匀变形，提出了由土工格室加固级配碎石形成的柔性加固基层沥青路面结构，用以减缓变形影响，提高道路使用寿命，完善该地区路面结构合理组合型式。

其中不均匀变形影响程度的大小，可根据公路可能受到的影响情况预测。在积水较多、渗水严重且冻土大范围存在的区域，不均匀变形会引发较大的路面沉陷、波浪和裂缝等病害，该区域情况即为受影响较大情况；相反，积水少和冻土较少存在的区域，不均匀变形可能仅造成轻微裂缝等病害，该区域情况即为受影响较小情况。因此，本研究根据不同公路等级要求以及不均匀变形影响程度，推荐以下四种沥青路面结构作为川藏公路合理路面组合型式，见表1。

表1 川藏公路沥青路面合理组合结构型式Tab.1 Rational combination form of Sichuan-Tibet highway asphalt pavement structure

结构一和结构三属于典型半刚性基层沥青路面结构，分别适用于该地区不均匀变形影响较小情况下的二级公路和高速公路。结构二和结构四是本研究提出的柔性加固基层沥青路面结构，该结构中的级配碎石通过土工格室加固，具有良好的承载能力，可通过自身材料调节塑性变形的特点，减少不均匀变形对结构层的影响，在不均匀变形影响较小和较大情况下均适用。

四种结构中，结构一已在川藏公路得到多年应用，结构二、三、四通过室内刚性承载板力学性能试验以及有限元模拟计算，已验证均具有良好的力学性能和抵御变形能力，可以有效提高沥青路面使用性能。加之川藏公路施工的人力、机械设备、材料保障，科学的施工方法和应对恶劣环境的经验，可确定四种路面结构不存在工程质量方面的制约因素，可以用于川藏公路抵御不均匀变形破坏。

2 路面结构经济合理性分析

路面结构组合型式的优劣，不仅仅是由设计指标是否满足来决定的，在很大程度上也与经济方面相关因素有关。路面工程作为一种非一次性消费的项目，其具有投资期较长的特点，主要表现在其建成使用后，还会经过维修和养护来维持其正常的使用性能。这就要求在对路面结构组合型式进行经济合理性分析的时候，不仅仅只对其初期建设投资进行计算，还应对其建成营运后的日常养护费用进行计算。因此，有必要采用LCCA对路面结构整个寿命周期内的总费用进行计算分析。

2.1 计算方法与费用的选取

本研究拟采用LCCA现值法中的净现值法，在相同的寿命周期中对四种不同路面结构总费用进行计算分析。费用计算模型如下所示：

式中：p为总费用；lc为初期建设费用；xn为分析期内第n年产生的费用；n为费用发生的时间；N为分析期；i为折现率；S为路面残值。

基于本研究考虑的仅是由路面使用性能不同所造成的费用差别，因此费用分析过程中并未对所用费用项进行考虑，只重点关注对路面使用性能造成影响的费用组成，故选用初期建设费、养护费以及大中修改建费进行计算与对比分析。其中，初期建设费依据路面不同材料价格和定额进行计算；养护费和大中修改建费依据川藏公路以往的经验进行估算。

2.2 影响因素的选取

寿命周期费用的计算与多种影响因素密切相关，其中主要有分析期、使用寿命以及贴现率。二级公路和高速公路的设计年限分别为12 a和15 a，但考虑到我国西藏地区公路由于各种因素的影响限定了其无法使用至设计年限，加之我国行业推荐性标准《多年冻土地区公路设计与施工技术细则》中通过条文说明明确指出：西藏地区特殊的施工与使用条件会对沥青路面使用性能与使用寿命造成显著影响，导致其实际使用年限要比一般地区短，约在6～10 a之间。因此，本研究中不同路面结构的分析期与使用寿命遵照实际情况，均选择为10 a；贴现率是对资金时间价值的一种反映，是连接不同时期费用与现时期费用的桥梁，美国多采用3%～5%，而我国目前一般是按照6%增长率的高质量发展目标来安排国民经济发展速度的，因此本研究依据我国国情选取6%。

2.3 道路使用性能预估和修复方案

通过对川藏公路存在病害及其修复情况调查得出，当地相关部门根据不均匀变形影响程度，制定了相应养护方案。不均匀变形影响较小时，每3 a左右进行一次中修，每5 a左右进行一次大修或改建；而不均匀变形影响较大时，每2 a左右进行一次中修，每4 a左右进行一次大修或改建。

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二级公路的中修方案[14]根据公路养护技术规范一般采取加铺罩面的方式，参照西藏自治区林芝公路分局对于国道318线色季拉山段路面的中修工程方案，罩面材料选用厚度为4 cm的细粒式沥青混凝土；大修或改建方案采用厚度为4 cm的细粒式沥青混凝土面层，以及厚度为20 cm的沥青碎石混合料或半刚性基层进行补强，使其承载能力得到提高。高速公路的中修方案为选用厚度为5 cm的细粒式沥青混凝土罩面；大修或改建方案选用4 cm的细粒式沥青混凝土+6 cm的粗粒式沥青混凝土面层，以及厚度为30 cm的沥青碎石混合料或者半刚性基层。

对于柔性加固基层沥青路面结构，由于其结构优越性，如无特殊情况一般不需要进行大修，但基于修复因行车荷载和环境因素共同作用下造成的表面损坏的目的，路面应每隔一定时间进行一次中修，不均匀变形影响较小和较大时的中修间隔时间，分别为5 a和4 a，中修方案采用加铺厚度为5 cm的细粒式沥青混凝土罩面。