国内外永久性路面的设计理念与性能分析

1、国内外永久性路面的设计理念与性能分析李媛媛(山东科技大学研究生教育学院, 山东青岛 266510摘 要:通过分析国外永久性路面已取得的成果, 阐述了欧美国家不同的设计理念和路用性能, 并且与传统路面的经济效益进行了比较与分析。同时, 以我国已修建的山东滨州至大高高速公路试验段和广梧(广州 梧州 高速公路试验段为例, 简述了国内永久性路面的发展状况。关键词:公路; 永久性路面; 设计理念; 路用性能; 周期费用中图分类号:U 416. 217 文献标识码:A 文章编号:1671-2668(2008 05-0054-031 国外永久性路面的设计理念永久性路面主要是通过改变传统的路面结构组合、应力应

2、变响应指标以及提高材料的物理力学性能, 达到延长路面结构寿命的目的。20世纪以来,永久性路面成为各国沥青路面研究中最为热门的课题, 美国、欧洲、加拿大、澳大利亚及南非都开展了广泛的研究。在EAPA 1996年国际会议、1997年和2002年ISAP 第八、九届国际会议及2004年6月ISAP 组织的永久性沥青路面国际研讨会上, 都对永久性路面的设计、施工做了广泛的讨论。欧洲的ELLPG 及美国的APA 对永久性路面的研究和推广做了大量工作。1. 1 欧洲永久性路面设计理念欧洲永久性路面的设计基本理念:获得40年使用年限; 结构设计要考虑设计标准轴载、荷载、轮胎压力、容易维修、施工适应性及施工速

3、度、安全、耐久和可再生性能等。道路部门在设计施工中需综合考虑上述因素, 并最大限度地降低对环境的影响。该路面具有以下特点: 初期修建费用很高, 日常养护费较少, 总费用效益比最大; ! 设计使用年限至少40年; 路面损坏只发生在表面层, 不存在结构性破坏; #只需要日常养护, 不需进行结构性大修。以英国为例, 认为在设计时充分考虑初始强度尤为重要。道路铺筑初期, 其结构特性本身还未加强, 此时的道路最容易为交通荷载所损坏。只要道路有足够的初始强度, 其主要结构层就不会被初始交通所破坏, 通过养生便会提高道路扩散荷载的能力, 并逐步提高抵抗车辆荷载造成结构性破坏的能力。这表明, 存在某一最小强度

4、临界值%, 在此值之 1. 2 美国永久性路面设计理论美国永久性路面的设计理念是:设计的沥青路面能够使用50年以上, 采用较厚的沥青层柔性路面, 降低了传统的沥青层层底开裂并避免了结构性车辙。由于道路的损坏仅限于路面顶部(25100m m , 因此, 只需要进行定期的表面铣刨、罩面修复, 而使沥青路面在使用年限内不需要大的结构性重建。永久性路面要求采用抗车辙、不透水、抗磨耗的表面层、抗车辙的联结层及抗疲劳的基层。图1为永久性路面结构示意图。图1 永久性路面结构示意图永久性路面理念主要针对重交通量道路, 当然也适用于中、轻交通道路以及旧路的维修与重建。例如, 马里兰州认为, 限速55km /h

5、、等效当量交通轴载2000轴次/d 以上的交通沥青路面适合采用较厚的沥青面层, 路面面层采用SM A 。在加利福尼亚州, 当货车交通量大于15000辆/d 或平均交通量大于150000辆/d 时, 考虑采用永久性路面。设计永久性路面的重点是沥青层底弯拉应变低于疲劳极限对应的应变临界值。基于力学的路面结构设计方法的主要原理是确定荷载作用下路面结构层的应力、应变响应, 如果能够根据损坏模型确定路面结构临界值点, 就可以通过选择适宜的结构厚度和材料来降低某一损坏类型对路面结构性能造成的损坏。这一54公 路 与 汽 运H ighw ay s &A utomotive A p p licatio

6、ns第5期2008年9月的英国于1997年提出的某一最小强度临界值%。疲劳极限的适用性成为确定沥青层厚度的一个关键问题, 这是永久性路面设计理念的重要理论依据。2 永久性路面的路用性能为使路面具有长期的路面性能, 需对路面进行定期监测, 以确保路面各类损坏控制在路面表面层顶部很薄的范围内, 如表面开裂、车辙必须限制在磨耗层内。目前欧美国家使用的永久性路面的损坏形式主要是表面裂缝, 即采用较厚沥青层、精心施工的沥青路面损坏仅发生在表面层, 但这并不意味着沥青层厚度薄就不产生表面裂缝或面层越厚表面裂缝越严重。根据欧洲多年对永久性路面的研究和实践得出以下结论:沥青混合料基层模量增加1倍, 预测的路面

7、可承受的标准轴载作用次数将增加25倍; 同样, 增加基层厚度10%, 预测的疲劳寿命可增加1倍。同时, 为了提高安全和环境标准, 降低交通中断, 要求提高面层性能, 如采用SM A 或薄面层、改性沥青、大空隙排水面层等。通过各地调查发现, 永久性路面已经被充分证明具有良好的使用性能。德国A 5高速公路Frank furter Kreus 采用的结构是37mm 浇筑沥青砼面层+200m m 沥青砼基层+150mm 稳定底基层路面。该高速公路双向交通量为152000辆/d, 重载货车比率为10%20%, 使用17年后, 标准轴载次数为125百万次, 到现在仍然使用良好。2001年9月美国新泽西州收

8、费道路部门被APA 授予第一永久性路面奖(First ev er Perfectual Pavement Aw ard 。爱荷华州20世纪60年代修建的州际道路I-80上的两段道路被APA 授予2002年永久性路面奖, 一段在Cedar, 另一段在Johnso n 。对俄亥俄州4条州际道路的观测结果表明, 厚沥青层路面能够使用34年以上而无需重建、修复, 没有结构性维修。据澳大利亚路面联盟AAPA 报告, 1969年修建的Orbital 大道, 重载交通, 使用了25年而无需维修。根据LT TP GPS-6(FH WA-RD-00-165 的大量路用性能数据, 可得出这样的结论:绝大部分柔性基

9、层沥青路面能使用15年以上才需维修; 很多沥青路面使用20年以上才出现明显损坏; 较厚的沥青层意味着少疲劳开裂、横向开裂和纵向开裂。3 永久性路面的经济性能 在路面表面层顶部很薄的范围内, 使维修成本极大降低, 或使在未来路面加铺时厚度最薄, 从而使寿命周期内总费用最经济。本着这一经济理念而修建的永久性路面, 将会产生良好的经济效益和社会效益, 不仅能够节约大量社会资源, 还能够从环境保护及安全方面带来良好的社会效益。对于道路的整体经济效益分析, 不仅要考虑道路的建设费用, 还要考虑以后的养护费用、车辆的保养费、使用费及由道路使用者和在工作区的道路建设人员引发的交通事故而引起的费用。另外, 还

10、不能忽略较重荷载、高压轮胎的获益及对道路日益增加的损坏。永久性路面能够承受更大的交通量和更重的交通荷载, 虽然在建设初期投入的费用很高, 但是如果评价整个使用周期的总费用, 它比传统路面更经济, 它不仅可以降低日后道路的养护维修费用, 而且还可以在很大程度上降低道路使用者的使用费用, 并节约大量延误时间。永久性路面与一般路面的周期费用比较见图2。图2 永久性路面与一般沥青路面周期费用比较4 国内永久性路面的研究与发展随着我国经济的腾飞, 公路建设事业也有了很大的发展。但是也应认识到, 我国高速公路建设起步较晚, 技术力量储备较少, 经济基础薄弱; 加上我国的气候条件较差, 优质的道路石油沥青等

11、原材料缺乏; 而且在使用中不可避免地产生超重、超载问题, 对公路的破坏极其严重, 使大量高速公路、重要国道省道等在设计使用年限内就出现严重的结构性破坏, 不得不进行大规模的重修, 造成极大浪费。为了改变这一局面, 近年来我国公路研究人员也在致力于长寿命重载公路的研究, 不断借鉴国外的研究成果, 结合国内实际情况, 取得了一定成果。其中, 代表性的路段主要有山东滨州至大高高速公路试验段和广梧(广州 梧州 高速公路试验段, 它们为我国永久性路面的研究与发展提供了宝贵资料。, 55 公 路 与 汽 运总第128期 H ighw ay s &A utomotive A p p lication

12、s点公路天津至汕尾线山东滨州至大高高速公路, 单幅5km 。室内试验于2005年3月开始, 生产路于10月完成, 11月通车。该路面采用永久性路面设计软件PerRoad 2. 4进行路面结构设计, 以保证90%的路面主要响应值低于各自的极限值。试验路段路面结构如图3 所示。结构1采用疲劳极限(70 及500mm 的H M A 层; 结构2采用疲劳极限(125 以及380mm 的H M A 层; 结构3基本与结构2相同, 只是在75mm 的底层使用高性能沥青结合料; 结构4为组合式路面, 即半刚性基层与180m mHM A 层之间设置150m m 沥青碎石连接层; 结构5为目前我国典型的高速公路

13、通用结构, 即在半刚性基层上修建150mm HM A 层; 结构4、5两个试验路段的上面层都采用S M A, 所用沥青为PG76-22, 中、下面层分别采用Superpave-19和Superpave-25结构图3 滨州至大高高速公路试验段路面结构示意图(单位:cm广梧高速公路试验路段东起高要市马安镇, 接广肇(广州 肇庆 高速公路终点, 沿线经过高要市白诸镇及广梧市云城区思劳镇、安塘镇, 穿过云城工业区, 跨三茂铁路广梧支线, 西止于广梧市区东面的河口镇, 并与国道G324线相连, 工程全长约37. 45km , 是广东省高速公路网和通山区高速公路的重要组成部分, 也是广东省十五%规划建设的

14、重点高速公路项目之一。图4 为其试验段路面结构示意图。图4 广梧高速公路试验路段基本结构组合(单位:cm从各结构力学角度分析, 以上2条试验路段的路面结构均满足长寿命设计标准, 但是长期的路用性能与经济效益还有待时间的验证。5 结 语目前, 我国对永久性路面的研究刚刚起步, 还处于探索阶段, 虽然许多国家已经积累了大量的成功案例值得我国借鉴, 但是在设计应用时必须全面考虑我国的基本国情以及周围的环境问题。我国传统的设计理论是建立在弹性层状体系理论基础上的, 以表面弯沉作为承载能力的设计控制指标, 将基层作为承重层, 沥青面层仅起表面功能作用, 路面破坏就意味着基层破坏, 这与国外以沥青层作为承

15、受弯拉应力的承重层存在一定的矛盾。我国在永久性路面试验段中仍主要采用半刚性基层作为承重层, 这与国外多采用厚沥青层作为承重层有一定的差别。我国现行的沥青路面设计规范是在吸取当时国内大量有关半刚性基层路面科研成果和对大量工程实例调查的基础上建立起来的, 虽有一些不足, 但具有权威指导性。尤其是柔性基层的设计与应用还缺乏足够的工程实例及时间的检验。我国公路事业的发展还有很大的空间, 在永久性路面的研究上不能对国外的经验生搬硬套, 必须结合当地原材料、环境、地形、地质、轴载标准、经济状况等实际情况, 才能在原有的基础上取得更大的进步。参考文献:1 Euro pean long life asphalt pav ements:Delivering w hatthe custo mer w ants Z .T r ansport ation Research Board A nnual M eeting , 2002.2 N unn, M. E. Desig n of lo ng life flex ible pavement s forheavy trafficR .Repor t 250T ransp