對路面壽命的認識與思考

劉秀麗 山東省臨朐縣交通運輸局

導語:

一段時間以來,公路基礎設施尤其是路面工程的使用壽命受到社會的高度關注,個別項目工程質量差、使用壽命短等問題嚴重影響了行業(yè)形象.本文對國內外路面設計使用年限、路面實際使用年限與設計使用年限的關系等進行了對比研究,對我國路面實際使用年限情況進行了分析,并提出了一些建議,讓讀者對公路路面壽命進行客觀和科學的了解.

交通運輸是國民經濟和社會發(fā)展的重要基礎.公路交通運輸實現了"門到門"服務,其他運輸方式都必須通過公路來銜接,可見公路在綜合交通運輸體系中具有突出的重要性和基礎性地位.公路基礎設施是提供公路交通運輸服務的基礎,而路基路面等主體結構則是其中最重要的部分之一,其工程質量與耐久性直接關系到交通運輸效率的發(fā)揮.

一段時間以來,公路基礎設施尤其是路面工程的使用壽命受到社會的高度關注,個別項目工程質量差、使用壽命短等問題嚴重影響了行業(yè)形象.為此,本文從公路設計年限和實際使用年限的角度對路面壽命問題進行探討.

公路壽命的相關概念

(1)公路壽命不是標準的名稱術語,沒有確切定義[1].

(2)公路路基工程、排水工程、支擋防護和砌筑工程、隧道工程等沒有壽命的概念[2].

(3)橋涵采用設計基準期、設計使用年限兩個概念[3].《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定,設計基準期是為確定可變作用等的取值而選用的時間參數,設計使用年限是在正常設計、施工、使用和養(yǎng)護條件下橋涵結構或結構構件不需進行大修或更換即可按其預定目的使用的年限.

(4)路面工程直接承受交通荷載和自然環(huán)境的反復作用,性能衰變快,是公路基礎設施中設計使用年限最短的構件.路面工程采用設計使用年限或者設計基準期的概念[4-5].瀝青路面采用的是設計使用年限,《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTGD50-2017)將其定義為在正常設計、施工、使用和養(yǎng)護條件下路面不需要結構性維修的預定使用年限.水泥混凝土路面采用的是設計基準期,《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》(JTG D40-2002)中定義為計算路面結構可靠度時考慮各項基本度量與時間關系所采用的基準時間.路面設計使用年限或者設計基準期并沒有明確指出是針對面層還是基層.

國內外路面設計年限對比

一段時間以來,公路基礎設施尤其是路面工程的使用壽命受到社會的高度關注,個別項目工程質量差、使用壽命短等問題嚴重影響了行業(yè)形象.

我國路面設計年限情況

我國《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》(JTG D40-2011)中規(guī)定,高速公路、一級公路水泥混凝土路面結構設計基準期取30年,二級及二級以下公路取20年,如表1所示.

我國《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTGD50-2017)中規(guī)定,高速公路、一級公路瀝青路面結構設計使用年限應不低于15年,二級公路應不低于12年,三、四級公路應分別不低于10年和8年,如表2所示.

國外路面設計年限情況

美國瀝青路面設計壽命采用使用期(performance period)和分析期(analysisperiod)兩個概念[6].美國國家公路與運輸協會標準《AASHTO 路面結構設計指南1993》中規(guī)定,使用期指新建或者重建的路面結構的服務能力從初始值惡化至最終值所經歷的時間,取值范圍一般為10~20年.路面設計時,先確定分析期,然后將分析期劃分為1個新建期和若干重建期,一般新建期為20年,每個重建期為15年.

選取2016年4月～2018年4月在本院接受診療的腹股溝斜疝患者66例作為研究對象，將其分為觀察組與對照組，各33例。其中，觀察組男22例，女11例，年齡22～67歲，平均年齡（45.2±3.5）歲；對照組男23例，女10例，年齡23～65歲，平均年齡（46.1±3.7）歲。兩組患者的年齡情況，性別信息以及病程信息對比，差異無統計學意義（P＜0.05）。

歐洲公路研究中心FEHRL研究報告顯示,歐盟各國一般按照經濟性、公路類型和材料確定瀝青路面的設計壽命,以設計期(design period)表示,設計期內允許進行多次表處、銑刨加鋪、罩面.其中,英國一般采用40年的設計期,法國、德國一般采用30年的設計期,意大利、荷蘭、西班牙等多數國家一般采用20年的設計期.

表1 我國水泥混凝土路面結構設計基準期

表2 我國瀝青路面結構設計使用年限

日本道路協會《鋪裝設計施工指針》 中包括了瀝青路面和水泥混凝土路面的設計[7-8],基本情況如下.

(1)設計年限分為路表面設計周期、路面設計周期兩種.路表面設計周期是指在交通作用下路表面塑性變形、平整度達不到管理要求的時間;路面設計周期是指在交通荷載的重復作用下,整個路面結構發(fā)生疲勞損傷而出現開裂的時間.路表面設計周期等于或小于路面設計周期.

(2)設計周期并不是采取確定數值,而是由公路管理機構根據氣候、公路類型、交通荷載經過經濟分析綜合確定.

(3)在交通量對公路工程影響較大的情況下,應適當延長設計周期:主干線公路中國道高速公路40年、一般國道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)交通量增幅較大且對工程影響較大時,應縮短設計周期.

國內外對比

國內外路面設計年限思路差別較大,主要區(qū)別在以下幾點.

(1)發(fā)達國家一般采用設計期和分析期兩個概念,日本區(qū)分路表面設計期和路面設計期,而我國沒有進行細分.

(2)發(fā)達國家路面設計期一般不是采取確定的數值,而是由設計者或者公路管理機構根據實際需要確定,通常采用的設計期略長于我國.我國的標準軸載是100kN,而發(fā)達國家的標準軸載多為80 kN,低于我國水平.因此綜合來看,我國和發(fā)達國家路面設計壽命應該是基本相當的.

(3)不同發(fā)達國家的路面設計年限有很大差別.分析認為,路面設計年限的長短不僅要考慮技術因素,更重要的還要考慮經濟因素.我國采用15年的設計年限,且普遍采用無機結合料穩(wěn)定材料基層,這是根據我國經濟社會發(fā)展實際情況做出的合理選擇.

路面實際使用年限與設計年限的關系

路面設計年限是路面在設計標準荷載按照設計增長率作用下出現疲勞破壞所經歷的時間.也就是說,路面設計年限是一種"條件壽命",如果設計時假設的條件與實際情況不一致,例如交通量增長率與預期不一致,交通組成(軸載大小、胎壓高低等)發(fā)生變化,路面實際使用時間的長短就會與設計年限不一致,而這種情況是必然會發(fā)生的,因為路面設計時的假設不可能與實際情況完全一致.

尤其是對于我國這樣一個經濟社會高速發(fā)展的國家而言,公路交通的發(fā)展并不是按照固定的模式變化,而是跳躍式發(fā)展,加之超載運輸等不確定因素較多,使得交通量的準確預測變得十分困難.現實情況中,實際交通量往往大于預測交通量,使得路面實際使用年限普遍小于設計年限.例如,設計年限是15年,假設由此計算得到的路面能承受的交通量是1 000萬次標準軸載,但是由于交通量增長迅猛,使得路面在使用6年時就已經承受了1 000萬次的標準軸載作用,那么該路面已經達到了設計使用年限的要求,而不能認為是工程質量問題.

此外,路面實際使用年限的判斷依據目前也沒有明確規(guī)定.按照路面設計理論,應該以疲勞破壞作為判斷依據,但是實際上很多路面病害難以判斷是否為疲勞破壞,可操作性不強.分析認為,可以將路面大修(銑刨重鋪)時間作為路面實際使用年限的判斷依據.

我國路面實際使用年限分析

我國早期修建的高速公路大多已使用近25年未進行過結構性大修,中后期修建的高速公路瀝青路面結構壽命大多已經超過15年,從絕對時間上看,與發(fā)達國家不相上下.例如:京津塘高速公路北京段1989 年通車一直到2002年才進行就地熱再生,面層用了13年,至今未因結構性病害進行大修,已28年;首都機場高速公路自1993年開放交通至今無結構性大修,已24年;廣東省廣深珠高速公路1994年開放交通,于2002年、2004年分別對全段進行了4 cm的SMA 加鋪,表面層壽命為8~10年,至今均未進行結構性大修,已23年;山東濟青高速公路1994年通車,在2017年改擴建前未進行結構性大修,已23年.據統計,我國通車超過15年(2002年以前通車)的高速公路超過2萬km,高速公路瀝青路面大修(瀝青層維修)時間一般在10~15年以上,中修(瀝青表面層維修)時間一般在5~8年,高速公路對路面基層進行結構性大修的比例總體不高.

據統計,我國通車超過15年(2002年以前通車)的高速公路超過2萬km,高速公路瀝青路面大修(瀝青層維修)時間一般在10~15年以上,中修(瀝青表面層維修)時間一般在5~8年,高速公路對路面基層進行結構性大修的比例總體不高.

建議

我國在路面壽命方面取得了一定成績,但是與建設交通強國的目標還有很大差距,與百姓的期許相比也有不少距離.對此,提出以下建議.

(1)對影響公路壽命的潛在風險進行預判和提前介入.例如,從超載的嚴重程度看,目前普通國省干線公路的超載問題要重于高速公路,而普通國省干線公路的路面結構強度要弱于高速公路,容易出現路況較快下滑的問題,建議提前介入處理.

(2)推動超載超限治理.公路是服務于行車需要的,由于車重的增加加厚路面結構在理論上可行,實際上的代價極高,只有從車的角度入手來解決,即深入推動超載超限治理.

(3)持續(xù)投入開展路面延壽科技研究.美國、歐盟等一直持續(xù)開展路面技術研究,不斷提出第五代公路、基于性能的力學經驗設計方法(MEPDG)等新成果,推動路面科技不斷向前發(fā)展.建議啟動實施類似于美國SHRP計劃這樣的"路面材料與結構延壽戰(zhàn)略研究計劃",建立系統完善的路面材料設計體系、結構設計體系、施工成套技術、養(yǎng)護成套技術,進一步提升我國公路路面材料與結構的耐久性.