沥青路面最佳罩面厚度的确定.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流沥青路面最佳罩面厚度的确定.精品文档.沥青路面最佳罩面厚度的确定第22卷第6期2005年6月公路交通科技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentV01.22No.6Jun.2005文章编号:1002-O268(2005)06-0010-04沥青路面最佳罩面厚度的确定刘黎萍,孙立军(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海2txxm)摘要:针对目前国内沥青路面罩面设计方法的不足,借助于同济大学对新建和罩面改建后的沥青路面使用性能的研究成果,将寿命周期费用分析引入罩面设计,

2、提出基于性能的沥青路面罩面设计方法.该方法主要包括两部分:一是对于新建路面和使用不久,路况尚好的路面,进行最佳罩面时机和最佳罩面厚度的选择(已在参考文献1中述及);二是对于已需进行罩面的路段,只进行最佳罩面厚度的选择,本文即是针对此情况.文中考虑了寿命周期和一个性能期罩面厚度的优化,给出了几个性能期最佳罩面厚度设计诺谟图.关键词:沥青路面;最佳罩面厚度;寿命周期;性能期中图分类号:U416.217文献标识码:ASelectiononOptimLImOverlayThicknessforAsphaltPavementLIULi.ping,SUNLi-J(KeyIadratoryofRoadand

3、TrafficEngineeringoftheMinistryofEducation,TongiiUniversity,Shanghai20O092,China)Abstract:ThisarticlepresentsasphaltpavementoverlaydesignmethodbasedonToliUniversitysresearchachievementsabouttheperformanceofnewandoverlayasphaltpavements,withlifecyclecostanalysisincorporatedinoverlaydesignaswellasperf

4、ormancebasedoverlaydesignmethod.Themethodmainlyincludestwoparts:oneistheselectionofoptimumoverlaytimingandthicknessfornewpavementsorpavementingoodcondition.Theotheristheselectionofoptimumoverlaythicknessforpavementinneedofoverlaywhichishighlightedinthispaper.Optimizationofoverlaythicknesstakingintoa

5、ccountoflife.cycleandoneperiodperformanceisdiscussedwithseveraldesignnomogramsofoptimumoverlaythicknessprovided.KeywOrdS:Aphaltpavement;Optimumoverlaythickness;Life-cycle;Perfonnanceperiod目前国内外沥青路面的罩面改建要么是基于经验,要么是基于力学分析,均未与路面的使用性能联系起来;有些方法即便是在模型中考虑了性能,也只是具有预测功能,不能用来指导罩面的定量设计n.针对这一状况,本研究借助于同济大学对新建和罩面

6、改建后的沥青路面使用性能的研究成果,将寿命周期费用分析引入罩面设计,提出基于使用性能的沥青路面罩面优化设计方法.该方法的核心就是罩面后沥青路面(即复合式沥青路面)的结构行为方程,这在文献15中均有述及.有了该方程,就可以预先估计路面在采取罩面或加铺措施后,其使用性能随时间或轴载作用次数的变化规律,再结合寿命周期费用的考虑,就可在给定厚度范围内通过计算机搜索选择出满足性能要求的最佳的(总造价或总费用最低)罩面厚度.该方法主要包括两部分:一是对于新建路面和使用不久,路况尚好的路面,可进行最佳罩面时机和最佳罩面厚度的选择nl2;二是对于已需进行罩面的路段,只进行最佳罩面厚度的选择,本文即是针对此情况

7、.需要说明的是,目前沥青路面出现的早期损坏现象(严格说是初期损坏)多表现为非正常损坏,更收稿日期:2004-0219基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(50325825)作者简介:刘黎萍(1968一),女,山东曹县人,博士,主要研究方向为路面工程.(1iu.1iping163.eom)第6期刘黎萍,等:沥青路面最佳罩面厚度的确定多地体现为材料的损坏,可通过改善材料设计加以弥补.本文仅限于罩面结构设计,即拟通过性能分析和经济评价选择最佳的罩面厚度.限于时间和研究条件,此方法还没有发展为对罩面材料等因素的考虑.本研究所指的罩面范围较广,从为改善功能性能而加铺的较薄的罩面层(如2era)到为提高

8、结构性能而加铺的较厚的罩面层(一般为412cm)均在本研究之列,其范围可根据实际需要选定.分析中用到的结构行为方程和寿命周期费用模型可参考有关文献,这里不再赘述.1几个相关概念的介绍性能期是指路面的使用性能由初始性能衰变到最低可接受水平时所经历的年限.其长度受很多因素的影响,如交通荷载,路面结构,材料,养护水平等.对罩面来说,罩面前的路况水平,罩面厚度,材料等都会对罩面后的性能期长度产生影响.分析期是设计时考虑的寿命周期的长度.分析期的长短对结构厚度优化结果有显着影响.一般情况下,根据公路等级,路面类型和使用要求,可在l535a之间选取,原则上要求参选方案至少包括一次罩面(改建)活动,且不同方

9、案的比较应以相同的分析期为基准.一个分析期内可能包含多个性能期,为分析方便,本文限制不超过5个性能期.我国规范上的路面设计年限是根据公路等级和路面等级来确定的,具有明确的数值.而事实上,由于受多种因素的影响,路面的未来使用年限是未知的.所以,本设计方法并不明确规定路面的设计年限,而是通过对使用性能的要求间接地控制.对于按性能期(即设计使用期)优化这种情况,设计年限是指所有参加比选的方案在使用性能衰变到指定水平(高水平,中水平,低水平)时至少应具有的使用年限,它随设计方案的不同而变.对于按寿命期优化(即全寿命优化)这种情况,本方法主要考虑两种情况,一是从满足性能控制标准的要求出发自发选择设计使用

10、期(即性能期长度),二是人为限制设计使用期不低于某年,加上设计标准的要求就等于间接控制了性能衰变过程.2分析期内最佳罩面厚度的确定需要说明的是,由于最佳罩面厚度是在分析期即整个寿命周期内进行选择的,未来的罩面时机和厚度会对当前的罩面厚度产生影响,所以为方便说明,这里列出4个性能期的罩面时机和厚度(最多考虑5个性能期).与新建路面不同的是,第1性能期的罩面时机为当前的路况指数PCI,是已知参数;罩面材料均为沥青混凝土.影响罩面厚度的因素很多,如:当前,交通参数,原路面结构,分析期,贴现率等,下面通过示例说明,设计资料见表1和表2.表1最佳罩面厚度优化设计基本资料表2最佳罩面厚度优化设计分析示例资

11、料分析因子方案代号当前eeltAADTESALA分析期贴现率l5分析期6026OO750O.050.03200.106026O0,50:.加05:.朋0325叫.注:表中y为交通量增长率,A为标准轴载增长率.2.1当前PCI,对最佳罩面厚度的影响分析中发现,交通量水平不同,当前眦对罩面厚度的影响也有差异(按总费用优化结果).所以这里分两组说明当前对最佳罩面厚度优化结果的影响(一方案为一组,一方案为一组).优化设计结果见表3,限于篇幅,主要寿命周期费用表略.(1)由于是在整个寿命周期内分析,受未来性能期的影响,第1性能期的最佳罩面厚度与当前PCI之间并未表现出明显的规律性.(2)当当前PCI在6

12、075分之间变化时,按总造价优化的各性能期的最佳罩面厚度均不变,且都为优化时设定的初值.但随当前PI的增加,总造价12公路交通科技第22卷呈递减趋势,这说明较早地采取罩面措施可节省寿命周期内的总造价.表3一方案最佳罩面厚度优化设计结果(3)当当前PCI在6o一75分之间变化时,按总费用优化的各性能期的最佳罩面厚度不同.对第1组来说,第1性能期的最佳罩面厚度有变化,但没有规律性,而未来的最佳罩面时机没有变化;对第2组来说,第1性能期的最佳罩面厚度相同,且为优化时设定的初值,而未来的最佳罩面时机和厚度有变化.但无论哪一组,随当前P的增加,总费用均呈递减趋势.(4)当按总费用优化时,不同性能期的最佳

13、罩面厚度有逐渐增大的趋势,即在当前的设计条件下,要使寿命周期内的总费用最低,则初期罩面厚度较薄,后期变厚.(5)对比按总费用和按总造价优化的设计结果可以看出,按总费用优化的最佳罩面时机比按总造价优化的要早(要高),而最佳罩面厚度总体偏大.对同一设计方案来说,虽说按总费用优化结果的寿命周期内的总造价较高,但其总费用要比按总造价优化结果的总费用低30%以上,由此带来的资金节省将是巨大的.以下几个参数的分析结果不再一一列出,这里仅给出分析结论.2.2交通参数的影响交通量和交通轴载的增大将导致罩面期提前,即达到相同损坏标准所需的年限缩短,从而导致在相同的分析期里,交通量大的方案性能期数有可能增多或性能

14、水平降低,表现在费用上,则为各项费用均呈上升趋势,尤其是用户费用的增加非常明显,从而导致总费用的增加显着.同样受未来性能期的影响,第一性能期的最佳罩面厚度与交通量水平之间也未表现出明显的规律性.2.3贴现率的影响不同贴现率下(本例选定的贴现率范围内)按总造价优化的结果完全一致,而按总费用优化的结果仅在贴现率较大时的未来的罩面厚度略有差异.这可能是因为贴现率主要影响寿命周期费用的大小,而对设计结果的影响是间接的,不显着的.2.4分析期的影响分析期的选择对寿命期内的分析结果有影响,分析期越长,则可能性能期个数越多或罩面厚度越大.对于本例来说,分析期不同对初期罩面厚度没有影响,但对未来罩面时机和厚度

15、均有影响.总的来说,按总造价优化的结果,无论是罩面时机还是罩面厚度都偏向于优化时设定的初值,而按总费用优化的结果,未来的罩面时机偏向于优化时设定的终值,罩面厚度则基本上随罩面次数的增加呈增大趋势.从上面的分析不难看出,若从整个寿命周期考虑,很难用一简单的图示表达最佳罩面厚度与影响因素之间的定量关系.所以,下面只考虑一个性能期(第1次罩面后的性能期)的最佳罩面厚度的优化,以寻求最佳罩面厚度与交通量水平,罩面前PCI,原沥青面层厚度等因素之间的相关关系,并绘出求解最佳罩面厚度的设计诺谟图,为罩面设计提供方便快捷的途径.3性能期内最佳罩面厚度设计诺谟图作为示例,这里给出原面层厚度为9,12cm和15

16、cm的最佳罩面厚度设计诺谟图.罩面设计资料如表4所示.表4设计使用期内最佳罩面厚度设计基本资料3.1原面层厚度为9cm时的最佳罩面厚度设计诺谟图(设计年限为8a和lOa),见图1.第6期刘黎萍,等:沥青路面最佳罩面厚度的确定13EASL/次?d(a)设计年限为8a时4008001200l60o2O0024002800320036004000EASL/次?d(b)设计年限为10a时图1原面层厚度为9em时的最佳罩面厚度设计诺谟图3.2面层厚度为12em时的最佳罩面厚度设计诺谟图(设计年限为10a),见图2.ESaLOR?d图2原面层厚度为12era时的最佳罩面厚度设计诺谟图3.3面层厚度为15e

17、m时的最佳罩面厚度设计诺谟图(设计年限为12a),见图3.图3原面层厚度为15era时的最佳罩面厚度设计诺谟图4结语借助于全寿命结构行为方程和寿命周期费用分析(上接第5页)参考文献:1美国公路战略研究计划(SHRP)沥青研究项目M重庆公路科学研究所,1995.方法,本研究提出了一种基于性能的罩面结构设计方法.该法可根据路面目前使用状况和该路的基本设计资料,在分析期内寻求总造价或总费用最低的罩面厚度(已需进行罩面时)或最佳罩面时机和厚度(尚无需进行罩面时).本文主要针对前者,文中对影响设计结果的主要因素作了分析,由于影响因素较多,且设计结果受不同性能期的影响,使得寿命期内的最佳罩面厚度与影响因素

18、之间的定量关系很难用一简单的图示来表达.但当仅考虑一个性能期时,最佳罩面厚度与交通量水平,罩面前PCI,原沥青面层厚度等因素之间表现出明显的相关关系.文中最后给出了性能期最佳罩面厚度设计诺谟图的几个示例,供应用时参考.参考文献:1刘黎萍,孙立军.沥青路面罩面的设计方法J.同济大学学报,2003,31(5):562566.2孙立军,等着.沥青路面结构行为理论M.上海:同济大学出版社,2003.3孙立军,刘黎萍,张宏超,等.基于性能的沥青路面全寿命设计方法(重交通沥青路设计方法之二)J.同济大学,2003,31(7):833837.4孙立军,刘喜平.路面使用性能的标准衰变方程J.同济大学,1995,23(5):512518.5刘黎萍,孙立军.旧沥青路面面层有效厚度模型研究J.公路交通科技,2001,l8(6):912.2张肖宁,等.按体积法设计沥青混合料J.哈尔滨建筑大学,1995,4(2):2836.3WestrackForensicTeamConsemusReport.SupetlaaveMixture嘶GuidelRJ.2001.交通部4SIlpe应用技术的研究R.山东省交通科研所,2001.098765432098765432