基于性能保證率的瀝青路面就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)效果評價

邢 野

(華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，南京 210014)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，公路建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅速。截至2019年年底，全國公路通車?yán)锍桃堰_(dá)到501.25萬km，其中養(yǎng)護(hù)里程達(dá)到495.31萬km，占公路通車?yán)锍痰?8.81%，我國公路通車?yán)锍毯宛B(yǎng)護(hù)里程統(tǒng)計[1]如圖1所示。隨著高等級公路網(wǎng)的高速發(fā)展，養(yǎng)護(hù)和管理問題越來越受到重視。如何保持路網(wǎng)完好、提高等級公路的技術(shù)水平、降低養(yǎng)護(hù)成本、延長公路服役年限、讓高等級公路為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更好的服務(wù)，是當(dāng)前公路養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域需要研究的重要課題[2]。

瀝青路面是我國公路路面的主要結(jié)構(gòu)形式。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已建成的高等級公路路面中約80%為瀝青路面[3]。在公路養(yǎng)護(hù)過程中，大量的廢舊瀝青路面材料被挖除、廢棄，不僅會導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)，也會對生態(tài)環(huán)境造成破壞。就地?zé)嵩偕夹g(shù)是一種瀝青再生方式，它因節(jié)約材料、施工速度快、對交通和環(huán)境影響小等優(yōu)點，逐漸成為公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)的主要方式。

現(xiàn)有的養(yǎng)護(hù)效果評價主要包括路況評價和服役年限預(yù)測兩個方面。目前，就地?zé)嵩偕夹g(shù)在國內(nèi)外的工程推廣超前于相關(guān)基礎(chǔ)性研究；我國的就地?zé)嵩偕夹g(shù)應(yīng)用時間較短，缺乏相關(guān)施工經(jīng)驗，施工質(zhì)量控制較為復(fù)雜；而且我國就地?zé)嵩偕O(shè)備種類較多，瀝青路面類型也較多。因此，長期跟蹤調(diào)查和養(yǎng)護(hù)效果后評價顯得尤為重要。就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)效果著重體現(xiàn)在兩個方面：養(yǎng)護(hù)后路面狀況和養(yǎng)護(hù)后路面壽命。路面性能的評價研究可以追溯到20世紀(jì)60年代，美國利用大型道路環(huán)道試驗研究，提出了服務(wù)能力指數(shù)(PSI)來評價瀝青路面的使用性能[4]。由于能源匱乏，日本也非常重視這一技術(shù)的研究和應(yīng)用[5]。日本道路協(xié)會[6]對應(yīng)用于重交通熱拌再生瀝青混合料路面的調(diào)查結(jié)果顯示，恰當(dāng)?shù)馁|(zhì)量控制管理可以使再生瀝青與新瀝青路面的路用性能無顯著差異。國內(nèi)，張金喜等[7]利用經(jīng)驗法建立了不同養(yǎng)護(hù)模式下的高速公路瀝青路面狀況指數(shù)預(yù)測模型。目前，路面服役年限方面的研究集中于瀝青路面疲勞壽命預(yù)測[8]，但從實際調(diào)研結(jié)果來看，江蘇省高速公路極少出現(xiàn)疲勞破壞情況。因此，考慮路面疲勞損壞情況的壽命計算方法并不適用于江蘇省高速公路瀝青路面就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)效果的評價。

綜合考慮現(xiàn)有瀝青路面性能評價和壽命預(yù)測方法，本文基于江蘇省高速公路現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，提出反映就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路面性能和服役年限的綜合指標(biāo)，并以寧宿徐高速公路和連徐高速公路為例，對比分析了兩條高速公路就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段和銑刨重鋪養(yǎng)護(hù)路段的實際養(yǎng)護(hù)效果。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

江蘇省于2002年引進(jìn)就地?zé)嵩偕夹g(shù)，先后在連徐高速公路、寧宿徐高速公路、寧靖鹽高速公路、宿淮鹽高速公路、汾灌高速公路、京滬高速公路等高速公路養(yǎng)護(hù)中進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用，已完成就地?zé)嵩偕こ痰穆范卫锍汤塾嫵^1 550 km。截至2019年，江蘇省使用就地?zé)嵩偕夹g(shù)養(yǎng)護(hù)的路段里程已超過所有養(yǎng)護(hù)技術(shù)累計養(yǎng)護(hù)里程的1/4，江蘇省各養(yǎng)護(hù)技術(shù)累計養(yǎng)護(hù)里程占比如圖2所示。

江蘇省寧宿徐高速公路和連徐高速公路最早開始采用就地?zé)嵩偕夹g(shù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)里程較長，養(yǎng)護(hù)年份較多。本文選用這兩條高速公路就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段作為研究對象，并與銑刨重鋪技術(shù)養(yǎng)護(hù)效果進(jìn)行對比，綜合分析就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)效果。就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段相關(guān)信息如表1所示。

表1 就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段相關(guān)信息

2 評價方法

為避免路面施工質(zhì)量、氣候環(huán)境條件、交通狀況和養(yǎng)護(hù)評價決策體系等因素對評價結(jié)果造成影響，綜合評價不同養(yǎng)護(hù)評估決策體系下養(yǎng)護(hù)工程的路面性能，本文提出了綜合考慮路面性能和服役年限的路面使用性能保證率(R)，路面使用性能保證率計算流程如圖3所示。

2.1 數(shù)據(jù)收集

從“瀝青路面養(yǎng)護(hù)管理決策支持系統(tǒng)”中收集歷史養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)，包括歷年養(yǎng)護(hù)路面信息和歷年檢測數(shù)據(jù)，歷年養(yǎng)護(hù)路面信息包括養(yǎng)護(hù)路段樁號、養(yǎng)護(hù)年份、再養(yǎng)護(hù)路段樁號和再養(yǎng)護(hù)年份，歷年檢測數(shù)據(jù)包括路面破損率、國際平整度指數(shù)、車轍深度和橫向力系數(shù)。

2.2 路面存活率

假設(shè)養(yǎng)護(hù)后某一使用年限內(nèi)未進(jìn)行再養(yǎng)護(hù)的路段為存活路段，則養(yǎng)護(hù)路段的路面存活率(Si)為

(1)

式中，li為使用年限為i年的養(yǎng)護(hù)路段長度，km；i為養(yǎng)護(hù)后路面的使用年限，年，i=1,2,…,n；dij為使用年限為i年的第j個養(yǎng)護(hù)路段的長度，km；rli為使用年限達(dá)到i年后再養(yǎng)護(hù)的路段長度，km；rdij為使用年限達(dá)到i年后再養(yǎng)護(hù)的第j個路段的長度，km。

2.3 路面技術(shù)狀況指數(shù)

參照《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)[9]計算路面技術(shù)狀況指數(shù)。路面技術(shù)狀況指數(shù)包括路面損壞狀況指數(shù)、路面行駛質(zhì)量指數(shù)、路面車轍深度指數(shù)和路面抗滑性能指數(shù)4個分項指標(biāo)。路面技術(shù)狀況指數(shù)計算公式為

PQI=wPCIPCI+wRQIRQI+wRDIRDI+wSRISRI

(2)

式中，wPCI、wRQI、wRDI和wSRI分別為對應(yīng)指標(biāo)在PQI中所占的權(quán)重，取值依次為0.35、0.40、0.15和0.10。

路面技術(shù)狀況指數(shù)分項評價指標(biāo)計算和分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 路面技術(shù)狀況指數(shù)分項評價指標(biāo)計算和分級標(biāo)準(zhǔn) (分)

2.4 路面使用性能保證率

在實際養(yǎng)護(hù)工程中，為保證路面使用性能保持在較高水平，維修方往往會進(jìn)行盲目、不必要的養(yǎng)護(hù)維修，可能會造成養(yǎng)護(hù)成本的增加和養(yǎng)護(hù)資源的浪費(fèi)。過于頻繁的養(yǎng)護(hù)維修還會導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)路段使用年限的減少，即服役年限的下降。假設(shè)養(yǎng)護(hù)路段存活率Si和養(yǎng)護(hù)后PQI為反比例關(guān)系，結(jié)合式(1)和式(2)得到不同使用年限養(yǎng)護(hù)路段的Si和PQI，計算路面使用性能保證率，見式(3)。

R=Si×PQI

(3)

養(yǎng)護(hù)路段存活率Si的取值范圍為0～100%，PQI的取值范圍為0～100。因此，計算所得的路面使用性能保證率R的取值范圍為0～100。在相同使用年限情況下，R的數(shù)值越大，表示養(yǎng)護(hù)后路面狀況越好，所對應(yīng)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)越有效。該指標(biāo)旨在利用養(yǎng)護(hù)路段存活率Si和養(yǎng)護(hù)后PQI的相關(guān)關(guān)系，通過控制養(yǎng)護(hù)后服役年限要求或養(yǎng)護(hù)后服役性能要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)技術(shù)的比選。

3 路面使用性能保證率對比分析

3.1 不同路段就地?zé)嵩偕夹g(shù)對比

選取寧宿徐高速公路和連徐高速公路對就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率進(jìn)行對比，就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率對比如圖4所示。

由圖4可知，兩條高速公路就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率均與養(yǎng)護(hù)后的使用年限呈線性相關(guān)，隨著使用年限的增加，路面使用性能保證率逐漸降低。寧宿徐高速公路就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率擬合曲線的斜率為-8.981 2，連徐高速公路的就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率擬合曲線的斜率為-6.202 8，寧宿徐高速公路的路面使用性能保證率擬合曲線斜率的絕對值更大，這表明寧宿徐高速公路就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率隨著使用年限的增加衰減得更快。這主要是因為與連徐高速公路相比，寧宿徐高速公路的交通量更大、交通累計軸載更大，加速了路面使用性能保證率的下降。因此，有必要著重跟蹤調(diào)查交通量對就地?zé)嵩偕夹g(shù)養(yǎng)護(hù)效果的長期影響。

3.2 就地?zé)嵩偕夹g(shù)和銑刨重鋪技術(shù)對比

對連徐高速公路的就地?zé)嵩偕夹g(shù)和銑刨重鋪技術(shù)養(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率進(jìn)行對比，不同技術(shù)對路面使用性能保證率的影響如圖5所示。

由圖5可知，連徐高速公路的就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率與養(yǎng)護(hù)后路面使用年限呈線性相關(guān)，隨著使用年限的增加，路面使用性能保證率線性降低。銑刨重鋪養(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率與養(yǎng)護(hù)后的路面使用年限呈指數(shù)相關(guān)，隨著使用年限的增加，路面使用性能保證率逐漸降低，下降速度逐年加快。結(jié)果表明，連徐高速公路采用兩種養(yǎng)護(hù)技術(shù)養(yǎng)護(hù)后，早期銑刨重鋪路段的路面使用性能保證率略高于就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段，但隨著使用年限的增加，就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率衰減趨勢不變，而銑刨重鋪養(yǎng)護(hù)路段的路面使用性能保證率的衰減速率明顯加快，僅僅不到6年就低于就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)路段。由此可見，相比銑刨重鋪技術(shù)，就地?zé)嵩偕夹g(shù)養(yǎng)護(hù)路段的路面性能具有更好的持久性和穩(wěn)定性，更值得大規(guī)模推廣使用。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有瀝青路面就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)效果評價方法不足的問題，創(chuàng)新性地提出了路面使用性能保證率這一評價指標(biāo)，該指標(biāo)綜合考慮養(yǎng)護(hù)路段使用性能和服役年限。通過對寧宿徐高速公路和連徐高速公路就地?zé)嵩偕夹g(shù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)效果分析，并對比銑刨重鋪技術(shù)的養(yǎng)護(hù)效果，得出以下結(jié)論。

(1) 交通量和交通累計軸載對養(yǎng)護(hù)后路面使用性能保證率存在顯著影響，因此需要進(jìn)一步跟蹤調(diào)查交通量和交通累計軸載對就地?zé)嵩偕夹g(shù)養(yǎng)護(hù)效果的長期影響。

(2) 從長期(一般大于6年)來看，相比銑刨重鋪技術(shù)，就地?zé)嵩偕夹g(shù)養(yǎng)護(hù)路段的路面性能耐久性更好，更值得大規(guī)模推廣使用。

(3) 就地?zé)嵩偕夹g(shù)在養(yǎng)護(hù)路段性能恢復(fù)方面取得了顯著的技術(shù)效益。當(dāng)然，該項技術(shù)還需要長期跟蹤調(diào)查，以驗證其實際養(yǎng)護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。