沈金安--2004年北京高层新技术论坛柔性基层沥青路面结构问题

1与时俱进，引进国外成熟的技术，实现公路交通新的跨越式发展交通部公路科学研究所沈金安2004年3月26日2张春贤部长在2004年全国交通工作会议上指出：目前，设计上千篇一律，照搬照抄，死套标准的情况比较普遍。并指示我们：要有针对性地引进国外成熟的技术、标准和规范。科研成果是实践经验的总结，是人类文明的结晶，我们要善于借鉴一切先进的科研成果。在公路建设和管理领域、国与国之间技术问题及其解决方法具有很多共性。发达国家研究早、实践早，积累了丰富的经验，许多技术、标准和规范属于政府所有，没有知识产权的障碍，我们要把技术引进作为公路交通实现新的跨越式发展的重要手段。这些指示对我国公路科学研究和公路建设具有重大的战略意义。3长期以来，我国习惯于注重对硬件的引进，我们化了大量的外汇进口了大量的筑路机械和施工设备，进口试验仪器设备，进口了大量的道路沥青。可是偏偏没有在引进国外的技术上化功夫，每年出去考察的代表团一批又一批，却很少聘请国外的专家来讲课，合作搞一些研究课题，而引进技术其实并不需要化太多的经费，引进标准、规范甚至不需要花费经费。4我们习惯于立足“自力更生”，强调我国的“国情”与国外的情况不同，特别看重我们自己的研究成果。这本来是没有什么不对的，我们的民族需要这种自尊心，需要这种自强不息的钻研精神。但是，如果自尊心变成了虚荣心，盲目地对外排斥，也就很容易产生轻视学习国外先进技术的另一种倾向。多年来的情况表明，这种情况已经影响到公路领域。5我国的沥青路面的结构和设计就是一个明显的典型。其结果是我们许多做法与国际上通行的做法不同，却并没有取得良好的效果。国际上早在20世纪70年代起，绝大部分国家都采用柔性基层沥青路面、全厚式路面作为重载交通路段的常用的路面结构，而唯有我国是千篇一律地采用半刚性基层沥青路面，甚至于结构层的厚度都差不多。对沥青路面的力学模式，国际上都采用沥青层的弯拉应变和土基模量作为设计指标，唯有我国钟情于表面弯沉这个指标，其他指标实际上都没有作用。其他还有许许多多与国际上不一致的地方，而且多半认为我们自己是最先进的。6最早修建的京津塘高速公路，基本上是参照国际上的路面结构和沥青混合料的级配做的，广深珠高速公路是香港的结构，这两条高速公路使用十余年来，情况基本良好。京津塘高速公路的外国监理严格执行“菲迪克条款”，实行了动态质量管理，取得了良好的效果，成为我国质量最好的高速公路之一。然而，，自此以后的工程就“本土化”了，监理的素质明显下降，开始了具有我国特点的“评分、评奖、评优”质量检验评定和验收管理办法。施工质量数据弄虚作假已经成了冠冕堂皇的秘密。结果是工程验收的分数都快接近100分了，优质工程比比皆是，经常是奖状到手，路也坏了。7我国是世界上第一个采用弹性层状体系理论进行路面结构计算的国家，始终处于世界的最先端水平。可是，“先进的方法、落后的参数”并没有起多少作用。设计参数都是想当然”地自由取值，其结果是想脑子里想什么结构，想多少厚度，都能计算出来，厚度实际上也是拍脑袋。其结果是“天下设计一大抄”，路面设计成为“数学游戏”。全国都千篇一律地使用几乎相同的较薄沥青面层的半刚性基层沥青路面结构。8张春贤部长在全国交通工作会议上的报告中还说：质量是工程建设的永恒主题。交通作为向社会提供公共产品和公共服务的部门，在新的历史时期，我们应向社会、向人民、向国家交一份什么样的产品呢？是经久耐用、外表美观、使用方便的优秀成果，还是金玉其外、败絮其中的劣质产品？这是关系交通行业形象，关系到交通行业是不是一个负责任行业的大问题。质量是工程的生命，更是一个行业的生命。如果几年后我国建成的几万公里高速公路没到大修年限就大面积翻修，我们今天所为之奋斗的事业就可能被否定。9我们承担的“高速公路沥青路面早期损坏预防措施的研究”课题，发现有两种类型的早期损坏。第一类：“通车后短时间内发生的早期病害”，这就是我们通常所说的狭义的“早期病害”：在沥青路面建成不久，在当年或者2～3年，沥青路面就发生程度不同的车辙、坑槽、网裂等早期损坏，许多属于水损害或伴随着疲劳产生的损坏。这些损坏的最直接的原因是施工质量不到位及离析造成的。这些工程大部分经过维修养护或者局部铣刨重修能在短时间内逐渐趋于相对的稳定。10这种类型的早期损坏经常与管理上抢工，或者使用的材料不好，有严重的离析，压实不到位，排水设计不合理，施工时沥青层的层间污染严重有关，而且往往有严重的超载车辆通过。这些工程施工结束时的弯沉往往并不大，甚至小到几乎接近于零，但基层开裂或者路面离析严重，从路表裂缝和孔隙中进去的水不能很快从基层排走，基层与沥青面层的层面成为不连续的状态，路面的沥青层也由于施工污染严重而不连续，使沥青层处于极为不利的受力状态，在重载交通的作用下，出现大的拉应变出现裂缝，产生唧浆、坑槽，这些水损坏如果得不到有效的维修和控制，则将很快发展成为大面积的损坏；有些路段，尤其是大的上坡路段，在高温状态下，很低的劲度模量不能抵抗重载交通很大的剪切变形而出现车辙。11第二类：“沥青路面的耐久性差，使用寿命短”，这是从更深层次所说的“早期损坏”。使用寿命普遍达不到路面设计要求的设计年限(大部分是15年，少数是20年)，更不能与国际上更长的设计年限甚至“永久性路面”相比，充其量7～8年，或者10年左右就必须进行大修，而且这种大修经常是“开膛破肚”式的，不仅仅对沥青面层维修，还必须同时维修基层甚至底基层，这种大修不仅成本很高，尤其是对工程所在地的社会影响很大。这种使用寿命短、耐久性不足的情况使我们十分忧虑。它与我国千篇一律地采用半刚性基层沥青路面这种结构型式有关。12我们不能割断历史来认识问题。半刚性基层沥青路面是我国公路发展过程中，众多学者和广大工程技术人员根据我国的国情，长期努力研究的成果。由于我国长期以来严重缺乏沥青、经济实力有限，为适应交通荷载发展的需要，努力追求减薄沥青层，加强基层，奉行“强基、薄面、稳土基”的方针是无可厚非的，对发展我国的高速公路建设作出了历史性的贡献，大家对此也有很深的感情。13但是多年来的实际使用表明，众多的半刚性基层沥青路面耐久性都不满意，达不到设计年限。在这种情况下，回头进行反思，全面评价半刚性基层沥青路面的优缺点和适用性，与时俱进，及时研究发展新的路面结构型式，对实现公路交通的跨越式的发展具有重要意义。认识它的缺点不是要全面否定或者取消这种结构，而是为了扬长避短，防治继续发生早期损坏，全面改善我国沥青路面使用寿命短的情况。14在沥青路面结构问题上，我们也需要放眼世界。纵观国际上的高速公路和重交通公路，大量使用的是全厚式路面或者柔性基层沥青路面。相反半刚性基层沥青路面普遍使用于交通量不很大的公路，或者往往在半刚性基层下设置一个碎石过渡层。水泥稳定碎石基层和贫混凝土基层是性质完全不同的两个类型，而我们则一直混淆不清，名义上铺筑的无机结合料稳定集料基层，却做成类似于贫混凝土的强度。15在20世纪60～70年代以前，国际上使用半刚性基层的国家也很多，并经历了一场“黑白基层(blackandwhitebase)”的大论争，结果导致大量的转向柔性基层。导致在重交通路段，大量全厚式路面，普遍采用沥青稳定碎石、级配碎石等柔性基层或者是上基层是柔性基层，下基层是半刚性基层的混合式基层，一般不主张采用半刚性基层沥青路面。半刚性基层大都放在下面作为底基层，其主要目的是加强路基，是利用无机结合料“稳定”碎石材料，其强度一般并不高，目的是要充分利用集料的嵌挤作用和有一定的排水能力。与我国的情况有很大不同。16南非沥青路面典型结构道路等级ABCD道路类别城间高速路城间干道乡村道路轻交通乡村路、战备路乡村支路设计交通量(80kN总标准轴次/车道)3-100×1060.3-10×1063×1061×106日交通量(e.v.u)4000600-10000600500设计年限20-4015-3010-3010-20路面材料厚度（cm）100-12080-1008070路面类型道路分类与交通等级ABC与D面层基层底基层ES100ES3ES10ES3ES1ES3ES1ES0.3碎石碎石水泥稳定×√√√√√√√√√√√√√√√热沥青混合料碎石水泥稳定√√√√√√√√××√√××××沥青混凝土水泥稳定碎石水泥稳定×××××√×√×√×√×√√√17法国1998年“混合式基层沥青路面结构”注：BB、BBL指沥青混凝土，GB指沥青稳定粒料基层，GC指水泥稳定粒料。土基等级交通等级PF2(50-120MPa)PF3(120-200MPa)PF4(200MPa)TC830－(8-10)CS+17GB3+25GC3(8-10)CS+16GB3+24GC3TC730－(8-10)CS+16GB3+24GC3(8-10)CS+14GB3+22GC3TC630－(8-10)CS+14GB3+22GC3(8-10)CS+13GB3+21GC3TC530(8-10)CS+15GB3+23GC3(8-10)CS+12GB3+20GC3(8-10)CS+11GB3+19GC3TC430(6.5-8)CS1+15GB3+21GC3(6.5-8)CS1+12GB3+18GC3－18德国的混合式基层沥青路面结构厂拌T0T1T2T3T4T5T6BB4BB4BB4BB4BB4BB4BBBBL8BBL8BBL8BBL4BBLGB14GB10GB8GB8GB8BBL*8BBL*8BB**GC15GCGRH8GRH12GRH16GRH20GRH24GRH26GRH28GRH注：（1）T为交通等级；（2）BB、BBL指沥青混凝土，GB指沥青稳定粒料基层，GC指水泥稳定粒料，BBL*B表示有别于BBL、BB**表示有别于BB，GRH无结合料粒料；（3）路基强度要大于45Mpa，T0~T4GRH的强度大于120Mpa，T5、T6GRH的强度大于100Mpa。19法国专家2000年为京沪高速公路进行验算后指出：“就结构的承载能力来说结论可能非常悲观”厚度4561919201－11－22－12－22－3最后状态AC-25水泥稳定二灰稳定石灰土完全连续水硬性材料开裂，模量需衰减5倍水稳层和二灰层之间不连续引起水稳层开裂水稳层开裂后模量下降5倍，水稳层和AC层之间变为滑动水稳层和二灰层都开裂，模量都降低5倍，水稳层和AC层之间当然滑动设计交通量24×1061.5×1067×1068.1×1068.15×106容许弯沉0.36mm0.61mm0.51mm0.66mm0.81mm20日本高速公路沥青路面结构(D交通)时间高速公路名称路面结构(cm)总厚表面层中面层(基层)上基层下基层(cm)1989九州高速公路4密级配6粗粒式8AS稳定27粒料451989中国横断自动车道5密级配5粗粒式8AS稳定17粒料351990横浜高速2号线5密级配5粗粒式16粗粒式21未筛碎石451990山阳自动车道4密级配6粗粒式10AS稳定25水泥稳定451990广岛岩国道路4密级配6粗粒式8AS稳定27水泥稳定451990山阳自动车道5密级配5粗粒式12AS稳定23水泥稳定451990近畿自动车道4密级配6粗粒式9AS稳定21粒料401990北海道纵贯自动车道5密级配5粗粒式8AS稳定22粒料401992山阳自动车道4密级配6粗粒式10AS稳定25水泥稳定451993东名阪自动车道4密级配6粗粒式8AS稳定22粒料401993山阳自动车道4密级配6粗粒式15AS稳定20粒料451993山阳自动车道4密级配6粗粒式10AS稳定25粒料451993首都高速海湾线3期5密级配10粗粒式20AS稳+20粒料20砼+15水稳901994首都高速海湾线3、4期4密级配6粗粒式10AS稳+10粒料35粒料651995馆山自动车道4密级配6粗粒式14或12AS稳定21或23水泥稳定451999东北自动车道(扩建)4密级配6粗粒式15AS稳定25粒料502000北关东自动车道4密级配6粗粒式15AS稳定20粒料452000北关东自动车道4密级配6粗粒式10AS稳定20粒料402