1、瀝青路面最佳罩面厚度的確定第22卷第6期2005年6月公路交通科技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentV01.22No.6Jun.2005文章編號:1002-O268(2005)06-0010-04瀝青路面最佳罩面厚度的確定劉黎萍，孫立軍(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海2txxm)摘要:針對目前國內瀝青路面罩面設計方法的不足，借助于同濟大學對新建和罩面改建后的瀝青路面使用性能的研究成果,將壽命周期費用分析引入罩面設計，提出基于性能的瀝青路面罩面設計方法.該方法主要包括兩部分:一是對于新建路面和使用不久，路況

2、尚好的路面，進行最佳罩面時機和最佳罩面厚度的選擇(已在參考文獻1中述及);二是對于已需進行罩面的路段，只進行最佳罩面厚度的選擇,本文即是針對此情況.文中考慮了壽命周期和一個性能期罩面厚度的優化，給出了幾個性能期最佳罩面厚度設計諾謨圖.關鍵詞:瀝青路面;最佳罩面厚度;壽命周期;性能期中圖分類號:U416.217文獻標識碼:ASelectiononOptimLImOverlayThicknessforAsphaltPavementLIULi.ping，SUNLi-J(KeyladratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducation，To

3、ngiiUniversity，Shanghai20O092，China)Abstract:ThisarticlepresentsasphaltpavementoverlaydesignmethodbasedonToliUnive rsitysresearchachievementsaboutthe performanceofnewandoverlayasphaltpavements,withlifecyclecostanalysisincorporated inoverlaydesignaswellasperformancebasedoverlaydesignmethod.Themethodm

4、ainlyincludestwoparts:oneistheselectionofopt imumoverlaytimingandthicknessfornew pavementsorpavementingoodcondition.Theotheristheselectionofoptimumoverlaythick nessforpavementinneedofoverlaywhichishighlightedinthispaper.Optimizationofoverlaythicknesstakingintoaccountoflife.cycle andoneperiodperforma

5、nceisdiscussed withseveraldesignnomogramsofoptimumoverlaythicknessprovided.KeywOrdS:Aphaltpavement;Optimumoverlaythickness;Life-cycle;Perfonnanceperio d目前國內外瀝青路面的罩面改建要么是基于經 驗,要么是基于力學分析，均未與路面的使用性能聯 系起來;有些方法即便是在模型中考慮了性能，也只 是具有預測功能，不能用來指導罩面的定量設計n. 針對這一狀況，本研究借助于同濟大學對新建和罩面 改建后的瀝青路面使用性能的研究成果，將壽命周期 費用分析引入罩

6、面設計,提出基于使用性能的瀝青路 面罩面優化設計方法.該方法的核心就是罩面后瀝青 路面（即復合式瀝青路面）的結構行為方程,這在文 獻15 中均有述及.有了該方程,就可以預先估 計路面在采取罩面或加鋪措施后，其使用性能隨時間 或軸載作用次數的變化規律，再結合壽命周期費用的 考慮，就可在給定厚度范圍內通過計算機搜索選擇出 滿足性能要求的最佳的（總造價或總費用最低）罩面 厚度.該方法主要包括兩部分:一是對于新建路面和 使用不久，路況尚好的路面，可進行最佳罩面時機和 最佳罩面厚度的選擇nl2;二是對于已需進行罩面的路段,只進行最佳罩面厚度的選擇，本文即是針對此 情況.需要說明的是,目前瀝青路面出現的早

7、期損壞 現象（嚴格說是初期損壞）多表現為非正常損壞，更 收稿日期:2004-0219基金項目:國家杰出青年科學基金資助項目（50325825）作者簡介:劉黎萍（1968 一）,女，山東曹縣人，博士，主要研究方向為路面工 程.（1iu.1iping163.eom）第6期劉黎萍,等:瀝青路面最佳罩面厚度的確定多地體現為材料的損壞,可通過改善材料設計加以彌補.本文僅限于罩面結構設計，即擬通過性能分析和經濟評價選擇最佳的罩面厚度.限于時間和研究條件,此方法還沒有發展為對罩面材料等因素的考慮.本研究所指的罩面范圍較廣，從為改善功能性能而加鋪的較薄的罩面層（如2era）到為提高結構性能而加鋪的較厚的罩面層

8、（一般為412cm）均在本研 究之列,其范圍可根據實際需要選定.分析中用到的 結構行為方程和壽命周期費用模型可參考有關文獻， 這里不再贅述.1幾個相關概念的介紹性能期是指路面的使用性能由初始性能衰變到最低可接受水平時所經歷的年限.其長度受很多因素的 影響，如交通荷載，路面結構,材料,養護水平等.對罩面來說,罩面前的路況水平，罩面厚度,材料等都會對罩面后的性能期長度產生影響.分析期是設計時考慮的壽命周期的長度.分析期的長短對結構厚度優化結果有顯著影響.一般情況下，根據公路等級,路面類型和使用要求，可在1535a之間選取,原則上要求參選方案至少包括一次 罩面（改建）活動，且不同方案的比較應以相同的

9、分 析期為基準.一個分析期內可能包含多個性能期，為 分析方便，本文限制不超過5個性能期.我國規范上的路面設計年限是根據公路等級和路 面等級來確定的，具有明確的數值.而事實上，由于 受多種因素的影響，路面的未來使用年限是未知的. 所以,本設計方法并不明確規定路面的設計年限，而 是通過對使用性能的要求間接地控制.對于按性能期（即設計使用期）優化這種情況， 設計年限是指所有參加比選的方案在使用性能衰變到 指定水平（高水平，中水平，低水平）時至少應具有 的使用年限，它隨設計方案的不同而變.對于按壽命 期優化（即全壽命優化）這種情況，本方法主要考慮 兩種情況,一是從滿足性能控制標準的要求出發自發 選擇設

10、計使用期（即性能期長度）,二是人為限制設 計使用期不低于某年，加上設計標準的要求就等于間 接控制了性能衰變過程.2分析期內最佳罩面厚度的確定需要說明的是，由于最佳罩面厚度是在分析期即 整個壽命周期內進行選擇的，未來的罩面時機和厚度 會對當前的罩面厚度產生影響，所以為方便說明，這 里列出4個性能期的罩面時機和厚度（最多考慮5個 性能期）.與新建路面不同的是，第1性能期的罩面 時機為當前的路況指數PCI,是已知參數;罩面材 料均為瀝青混凝土 .影響罩面厚度的因素很多，如： 當前，交通參數,原路面結構,分析期，貼現 率等,下面通過示例說明,設計資料見表1和表2.表1最佳罩面厚度優化設計基本資料表2最

11、佳罩面厚度優化設計分析示例資料分析因子方案代號當前eeltAADTESALA分析期貼現率15分析期6026OO750O.050.03200.10602600,50:.加 05:.朋 0325 叫.注:表中y為交通量增長率,A為標準軸載增長率.2.1當前PCI,對最佳罩面厚度的影響分析中發現，交通量水平不同，當前眥對罩面厚度的影響也有差異(按總費用優化結果).所以 這里分兩組說明當前對最佳罩面厚度優化結果 的影響(一方案為一組，一方案為一組).優化設計結果見表3,限于篇幅，主要壽命周期費用 表略.由于是在整個壽命周期內分析，受未來性能期的影響，第1性能期的最佳罩面厚度與當前PCI之 間并未表現出

12、明顯的規律性.當當前PCI在6075分之間變化時，按總造價優化的各性能期的最佳罩面厚度均不變,且都為 優化時設定的初值.但隨當前PI的增加，總造價12公路交通科技第22卷呈遞減趨勢，這說明較早地采取罩面措施可節省壽命 周期內的總造價.表3一方案最佳罩面厚度優化設計結果當當前PCI在6o 一 75分之間變化時，按總 費用優化的各性能期的最佳罩面厚度不同.對第1組 來說，第1性能期的最佳罩面厚度有變化，但沒有規 律性,而未來的最佳罩面時機沒有變化;對第2組來 說，第1性能期的最佳罩面厚度相同，且為優化時設定的初值，而未來的最佳罩面時機和厚度有變化.但 無論哪一組,隨當前P的增加，總費用均呈遞減 趨

13、勢.當按總費用優化時，不同性能期的最佳罩面厚度有逐漸增大的趨勢，即在當前的設計條件下，要 使壽命周期內的總費用最低，則初期罩面厚度較薄， 后期變厚.對比按總費用和按總造價優化的設計結果可 以看出，按總費用優化的最佳罩面時機比按總造價優 化的要早(要高),而最佳罩面厚度總體偏大.對同一設計方案來說，雖說按總費用優化結果的壽命 周期內的總造價較高，但其總費用要比按總造價優化 結果的總費用低30%以上，由此帶來的資金節省將 是巨大的.以下幾個參數的分析結果不再一一列出,這里僅給出分析結論.2.2交通參數的影響交通量和交通軸載的增大將導致罩面期提前，即 達到相同損壞標準所需的年限縮短，從而導致在相同

14、的分析期里，交通量大的方案性能期數有可能增多或 性能水平降低，表現在費用上,則為各項費用均呈上 升趨勢，尤其是用戶費用的增加非常明顯，從而導致 總費用的增加顯著.同樣受未來性能期的影響，第一 性能期的最佳罩面厚度與交通量水平之間也未表現出 明顯的規律性.2.3貼現率的影響不同貼現率下(本例選定的貼現率范圍內)按總 造價優化的結果完全一致，而按總費用優化的結果僅 在貼現率較大時的未來的罩面厚度略有差異.這可能 是因為貼現率主要影響壽命周期費用的大小,而對設 計結果的影響是間接的，不顯著的.2.4分析期的影響分析期的選擇對壽命期內的分析結果有影響，分 析期越長,則可能性能期個數越多或罩面厚度越大.

15、 對于本例來說，分析期不同對初期罩面厚度沒有影 響,但對未來罩面時機和厚度均有影響.總的來說， 按總造價優化的結果，無論是罩面時機還是罩面厚度 都偏向于優化時設定的初值，而按總費用優化的結 果,未來的罩面時機偏向于優化時設定的終值，罩面 厚度則基本上隨罩面次數的增加呈增大趨勢.從上面的分析不難看出,若從整個壽命周期考 慮,很難用一簡單的圖示表達最佳罩面厚度與影響因 素之間的定量關系.所以，下面只考慮一個性能期 （第1次罩面后的性能期）的最佳罩面厚度的優化， 以尋求最佳罩面厚度與交通量水平,罩面前PCI,原 瀝青面層厚度等因素之間的相關關系,并繪出求解最 佳罩面厚度的設計諾謨圖，為罩面設計提供方

16、便快捷 的途徑.3性能期內最佳罩面厚度設計諾謨圖作為示例，這里給出原面層厚度為9,12cm和15cm的最佳罩面厚度設計諾謨圖.罩面設計資料如 表4所示.表4設計使用期內最佳罩面厚度設計基本資料3.1原面層厚度為9cm時的最佳罩面厚度設計諾謨 圖（設計年限為8a和lOa）,見圖1.第6期劉黎萍,等:瀝青路面最佳罩面厚度的確定13EASL/ 次?d（a）設計年限為8a時4008001200l60o2O0024002800320036004000EASL/ 次?d（b）設計年限為10a時圖1原面層厚度為9em時的最佳罩面厚度設計諾謨圖 3.2面層厚度為12em時的最佳罩面厚度設計諾謨圖 （設計年限為

17、10a）,見圖2.ESaLOR?d圖2原面層厚度為12era時的最佳罩面厚度設計諾謨圖 3.3面層厚度為15em時的最佳罩面厚度設計諾謨圖 （設計年限為12a）,見圖3.圖3原面層厚度為15era時的最佳罩面厚度設計諾謨圖 4結語借助于全壽命結構行為方程和壽命周期費用分析 （上接第5頁）參考文獻：1美國公路戰略研究計劃（SHRP）瀝青研究項目M 重慶公路科學研究所,1995.方法，本研究提出了一種基于性能的罩面結構設計方 法.該法可根據路面目前使用狀況和該路的基本設計 資料，在分析期內尋求總造價或總費用最低的罩面厚 度（已需進行罩面時）或最佳罩面時機和厚度（尚無 需進行罩面時）.本文主要針對前

18、者，文中對影響設 計結果的主要因素作了分析，由于影響因素較多，且 設計結果受不同性能期的影響,使得壽命期內的最佳 罩面厚度與影響因素之間的定量關系很難用一簡單的 圖示來表達.但當僅考慮一個性能期時，最佳罩面厚 度與交通量水平,罩面前PCI,原瀝青面層厚度等因 素之間表現出明顯的相關關系.文中最后給出了性能期最佳罩面厚度設計諾謨圖的幾個示例，供應用時參 考.參考文獻：1劉黎萍，孫立軍.瀝青路面罩面的設計方法J .同濟大學學 報,2003,31(5):562566.孫立軍，等著.瀝青路面結構行為理論M.上海:同濟大學 出版社,2003.孫立軍，劉黎萍,張宏超，等.基于性能的瀝青路面全壽命設 計方法(重交通瀝青路設計方法之二)J .