基于LCA-LCC的瀝青路面結構優化設計流程

穆 丹

（蘇交科集團（甘肅）交通規劃設計有限公司，甘肅 蘭州 730010）

0 引言

我國在高等級道路建設過程中，采用了大量瀝青路面。一直以來，瀝青路面的結構設計都備受關注，國內外學者和技術工作者對于瀝青路面結構設計開展了大量研究。胡長青[1]針對G341 線路永登至中川段二級公路特定交通環境及近年公路結構過早出現的病害問題，開展了路面結構優化設計研究，基于材料性能、整體受力和項目造價綜合分析，給出了最優方案；熊堯等[2]依托某工程實例，分析了公路瀝青路面結構設計的應用，從瀝青路面結構高溫穩定性設計、水穩定性設計以及低溫抗裂性設計等方面詳細探討了路面結構設計的要點內容。

從相關研究成果來看[3-7]，主要是針對路面結構使用過程中的問題提出優化設計，很少涉及瀝青路面結構全生命周期的環境影響及成本分析，不利于開展路面結構全生命周期的環境評價以及成本估算。基于此，本文基于LCA-LCC 理論，在分析常規公路瀝青路面結構設計流程的基礎上，對設計流程進行優化，以期為今后的公路瀝青路面結構設計提供參考。

1 LCA-LCC理論

1.1 生命周期評價理論

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種用于評估產品在其整個生命周期，即從原材料的獲取、產品的制作、產品的應用直到產品使用后的處置，對環境影響的技術和方法。本研究中LCA指的是瀝青路面建設過程的全生命期周期評價，即從瀝青路面設計伊始，工程鋪設及相關材料的生產運輸、路面工程實施、相關材料及設備回收等不同時間段內對環境產生的影響評價。

1.2 生命周期成本理論

生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC），也被稱為壽命周期費用，指的是產品在有效使用期間所發生的與該產品有關的所有成本。一般對項目、產品進行評價的時候總是考慮在LCC 最小的基礎上，以費用效益、LCC 效益比等作為決策的依據。本研究中LCC 指的是瀝青路面建設過程生命周期耗費成本。從另一個角度來看，LCC可以看作是LCA在經濟方面的有力補充。

2 常規公路瀝青路面結構設計流程

公路瀝青路面結構是一種復合多層結構，從上至下可分為表面層、基礎層（基層）、底基層、功能層幾部分。基層是整個瀝青路面設計的主體，按照施工材料可以分為以下幾類：無機結合材料類、粒顆類、瀝青結合料類、水泥混凝土類等。

公路瀝青路面結構設計流程大致按以下步驟進行：

第一步，收集信息并確定相關參數。根據道路的實際等級不同，相關設計參數也有一定差異。針對某一條需要建設設計的道路，需要收集其未來預期交通流流量、交通預期增長率、方向和車道系數、行駛車輛大致種類、車輛車軸軸重和車輛載重量等信息，然后再獲取路基土質結構及路面表層回彈模量。另外，在收集信息后，對于瀝青路面主體的基層材料及配比問題，同樣需要根據設計規范進行檢驗，若基層設計不符合相關規范，也需要對填料種類、是否加入石灰水泥或粒顆類等問題進行優化。

第二步，在上述設計工作完成后，需要初步確定路面設計各層厚度及其組合種類、各層模量的數據信息。

第三步，對路面結構各層進行經濟分析，決定結構方案。

第四步，檢驗相關路面結構彎沉值。

以上步驟就是常規公路瀝青路面結構的設計流程。可以看出，常規公路瀝青路面結構設計流程中，缺少基于全生命周期的環境評價和成本分析。

3 基于LCA-LCC 的瀝青路面結構優化設計流程

3.1 確定目標路段

首先，要確定目標公路路段及其具體情況。在設計中把該公路劃分兩種情況開展研究：重等交通情況下公路瀝青路面結構設計和中等交通情況下公路瀝青路面結構設計。重等交通情況下道路為雙向六車道，中等交通情況下道路為雙向兩車道，假定兩種情況交通增長率均為年5%。然后再設計出路面層級及其結構。兩種交通情況下各層結構如表1所示。

表1 兩種交通情況下各層結構情況統計表

3.2 確定清單數據

確定清單數據信息是一切基于LCA-LCC 設計的基礎，清單數據直接關系到之后設計的各個方面，全面、詳細、準確的清單數據是環境評價和成本計算的重要基礎數據。清單數據應包含瀝青路面全生命周期的多個階段：包括材料物化階段、材料運輸階段、路面工程施工階段以及路面使用階段。

3.3 提出重等交通優化設計方案

在有了清單數據信息后就可以實現第一步的設計預期，先分析重等交通條件下路面結構在全生命周期中的多種優化設計方案。這里重點是要確定重等交通條件各種優化設計方案的相關參數，尤其要明確不同優化設計方案在瀝青路面結構全生命周期中可能涉及到的環境影響和成本問題。

3.4 確定重等交通優化設計方案

在重等交通條件下，基于LCA-LCC 理論，利用HAPDS 軟件模擬輸入不同優化方案中各層路面層級中不同的幾何參數和材料屬性參數，在不斷模擬和交叉組合的情況下，尋找并確定最符合環境影響小、應用成本低的路面結構設計組合和配比，即為基于LCALCC 理論的公路路面結構設計在重等交通條件下的最優設計。

3.5 提出中等交通優化設計方案

以同樣的清單數據分析中等交通情況下多種路面結構設計方案，這里也需要先確定中等交通情況下不同優化設計方案的相關參數，仍然要明確不同優化設計方案在瀝青路面結構全生命周期中可能涉及到的環境影響和成本計算等問題。

3.6 確定中等交通優化設計方案

在中等交通條件下，基于LCA-LCC 理論，利用HAPDS 軟件模擬輸入不同優化方案中各層路面層級中不同的幾何參數和材料屬性參數，在不斷模擬和交叉組合的情況下，尋找并確定最符合環境影響小、應用成本低的路面結構設計組合和配比，即為基于LCALCC 理論的公路路面結構設計在中等交通條件下的最優設計。

3.7 核驗并輸出優化設計成果

對于提出的重等和中等兩種交通條件下的路面結構優化設計方案，再次進行環境影響評估和應用成本計算，以核驗設計的合理性。核驗完成后，利用HAPDS 軟件分別生成它們各自的最終優化設計清單數據，得出兩種交通條件下基于LCA-LCC的優化設計結果。

4 結束語

綜上所述，本文闡述了LCA-LCC 的基本理論以及常規公路瀝青路面結構設計流程，在此基礎上，提出了基于LCA-LCC 的瀝青路面結構優化設計流程：確定目標路段、確定清單數據、提出重等交通優化設計方案、確定重等交通優化設計方案、提出中等交通優化設計方案、確定中等交通優化設計方案以及核驗并輸出優化設計成果。該優化設計流程對于今后公路瀝青路面結構設計中有效降低環境影響、減少應用成本具有參考意義。