鋪面工程概論
鋪面之定義與分類
鋪面(Pavement),一般指公路上介於車輪與公路基礎間的人工構造物;此處所謂公路基礎,雖可能是由混凝土或鋼材構築的橋面版,通常乃指統稱為路基(Subgrade)的地表土壤。位於路基土壤上的這些鋪面結構,一般皆以多層的方式鋪成,由於車輪荷重傳佈於較下(深)層後應力遞減[1、2],較經濟的構築方式為「不必於下層使用高強度的材料」;若只以力學觀點設計鋪面結構,則適當地選擇各層材料,將車輪荷重經由鋪面結構各層之傳遞,至路基土壤時,小至該處土壤所能承受的範圍以內即可;因此,需要怎樣的鋪面結構與材料,應視路基土壤強度,及該鋪面將承載的車輛荷重而定;鋪面工程師即以依當地的環境因素,選擇正確的鋪面結構層、經濟且有效率地使用材料為主要職責。
照片:北二高新竹系統交流道(國道新建工程局http://www.taneeb.gov.tw)
鋪面主要是指公路的路面,但應涵蓋停車場、貨櫃場、飛機停機坪、滑行道、及跑道,以中文而言,足以完整代表的字眼,可能是「道面」,上述各種不同道面提供不同的用途,本書以沿用國內工程界之習慣,用鋪面取代道面,雖以瀝青材料在路面之應用為主要內容,應可適用於停車場、貨櫃場、飛機停機坪、滑行道、及跑道等其它道面;由於不同的鋪面材料在承受荷重時的力學行為不同,一般將鋪面區分為柔性鋪面(Flexible Pavement)與剛性鋪面(Rigid Pavement)兩種。
與瀝青混凝土相比,水泥混凝土之膠結料(水泥與水之化合產物)與骨材形成一體,整塊由混凝土組成的面版,在受輪荷重後產生撓曲(Bending),若以應力分佈之情形觀察,整塊面版皆受輪荷重之影響,正如結構物之樑一般;在鋪面工程上,我們用「輪荷重由整塊版以撓曲方式均勻地分佈於底層」[1]來描述,這種鋪面荷重應力的傳佈方式,乃因混凝土材質較均勻且勁度較高所致,故稱為剛性鋪面;純以材料的觀點,則稱為(水泥)混凝土鋪面;若以「樑下可以懸空」來想像,混凝土路面版下底層的強度不具關鍵地位,或說,以力學觀點,混凝土路面版可以直接構築於路基土壤上,而不需使用底層材料,學理上即可以路基土壤強度及預計承受的交通荷重,決定混凝土版的厚度;但實際的情況,則因環境因素及施工時的方便性,而需採用底層材料,甚至建議應使用貧配比混凝土底層(Lean Concrete Base)。
照片:松山機場之停機坪道面照片
照片:北二高龍潭段剛性路面鋪築(國道新建工程局http://www.taneeb.gov.tw)
瀝青混凝土由常溫下為半固體的瀝青膠泥與骨材組成,勁度較混凝土低且較不均質,輪荷重乃經由骨材顆粒間的點對點接觸(稱為粒料的契合力)而傳佈於較大的面,接近輪荷重部份所受的應力較大,離輪荷重稍遠的材料,不受荷重影響,在鋪面工程上,我們用「以剪力變形的方式傳佈荷重」來描述,這種荷重傳佈方式的鋪面,乃因瀝青混凝土材料的勁度較低(柔性)所致,故稱為柔性鋪面,純以材料的觀點,則稱為瀝青(混凝土)鋪面;柔性鋪面結構中,愈是底下的層,需承受的應力愈小,可以採用強度雖低但較便宜的材料,例如使用不含黏結料的粒質底層。
柔性鋪面設計之基本觀念
所謂鋪面設計(Pavement Design)乃「依交通荷重及當地路基土壤之特性,以最經濟的方式選擇適當的鋪面材料與各層厚度,使鋪面於設計年限內,達到所需具備的服務品質」[1、2];此處所謂交通荷重、設計年限、與服務品質,都與一般對傳統土木結構物之認知稍有不同,甚至路基土壤強度的界定方式也因公路所涵蓋的土壤範圍狹長而有些不同,一般建築物之地基位址所在之基礎土壤特性較容易求出,高速公路之一小段如北二高之新竹竹南段,十公里路線範圍內之路基土壤涵蓋深挖、高填的多樣土質,在路基構築之階段,包括機械夯實的各種土爙改質方式,必需有效率地應用,使全段的壓實(改良後)路基,保持在一定的強度以上。
所有交通荷重最終都由路基承受,因此,鋪面之主要結構功能乃在於承受車輪荷重,並將此荷重散佈傳遞至路基後,使路基承受之荷重不超過其承載力,圖1顯示鋪面散佈輪荷重之狀況[3],輪重W,經由輪胎均勻傳至與鋪面之接觸面,變為均佈垂直壓應力P0,再經由鋪面之傳遞,到路基上的壓應力減為P1,經由適當地選擇鋪面材料與鋪面厚度,此一由輪荷重產生在路基土壤上的壓應力P1值,將會夠小而可由路基土壤承受;選用的鋪面材料必需順利擔任傳佈荷重的任務,並提供保護路基,提供行車舒適安全的功能,因此必需能防止水份滲入鋪面或積留於鋪面內,表面需平坦抗滑且能耐輪胎磨損、水份、氣候之侵蝕。
圖1、輪荷重壓應力經由鋪面結構層傳佈於路基之狀況[3]
所謂瀝青鋪面結構乃指路基土壤以上的各層結構,較上層部份承受較大的交通與環境磨蝕(Wearing)作用,可以稱為磨耗層(Wearing Course) ,磨耗層的範圍受許多影響鋪面設計之各因子的影響,小者大約在25mm附近,大者可超過75mm,磨耗層直接面對交通荷重,磨耗層本身要能耐交通荷重的磨蝕作用,且需提供抗滑平坦舒適的功能,並經由路拱設計將降雨排往路邊的排水設施,以保護鋪面各層材料和路基不因水份進入而受到侵蝕。圖2為剛性與柔性鋪面的一般斷面結構。
基底層為鋪面結構的一部份,與面層共同承受荷重,並將荷重散佈至路基土壤,但因不直接與輪荷重接觸,經由磨耗層傳達的荷重較低,且較不受環境影響,一般皆採用不添加黏結料的材料,以節省構築經費,雖然瀝青鋪面之基底層可由不同材料組成,大部份乃用諸如碎石、礫石、和砂組成之粒質底層或穩定處理土壤構築,這種充份應用當地材料,而不需特別選用材料所產生的經濟性,是瀝青鋪面一項重要的優點;近年來因輪荷重不斷增加,美國瀝青協會認為若將傳統粒質底層添加瀝青黏結料而成為瀝青底層,則因瀝青黏結料提供額外的抗張能力,而有較好的承載能力,且可降低鋪面結構之總厚度,此種鋪面結構各層皆由瀝青混合料組成之鋪面,稱為全厚度瀝青鋪面(Full-Depth Asphalt Pavement),又或是大量增加瀝青混凝土面層的厚度,稱為深強瀝青鋪面(Deep-Strength Asphalt Pavement),如圖3所示,此兩種鋪面型態及名詞皆為美國瀝青協會(Asphalt Institute,簡稱為A.I.)所首創[3]。
3、鋪面績效觀念
所謂鋪面之績效(Pavement Performance)乃以用路人觀點,好的鋪面指行駛之舒適及安全性,國外分別用「行駛品質(Riding Quality)」及「抗滑性(Skid Resistance)」代表[2],行駛品質主要由路面之平坦度或糙度(Roughness)控制,抗滑性則除了路表之排水能力與車轍凹陷外,與表面層之巨、微觀紋理有關;一般皆以材料的疲勞理論,假設路面在開放交通後,鋪面的行駛品質及抗滑性就開始因車輛之重覆輾壓而逐漸降低。
好的路面乃指可提供用路人行駛之舒適及安全性,然則怎樣的鋪面叫「破壞」呢?鋪面破壞(Pavement Distress)不同於一般結構物之「無法承受應承擔的荷重」,一段坑坑洞洞的路面,通常只要駕駛人小心,一樣可以安全地通過,但減速、跳動、不舒適及不安全的事實,無法於用路人心中抹去,明顯無法達到服務用路人的功能;一般結構物用以判斷破壞的裂縫,在鋪面上出現,初期甚至可以不影響行車的舒適性及安全性,因此用鋪面裂縫判斷「破壞」不算恰當,鋪面裂縫本身雖然無法代表鋪面之破壞,但若未經適當修補,緊接著而來的水份侵入,將導致鋪面滲水、鬆散、坑洞等降低服務品質的破壞接踵而來,因此,鋪面裂縫是養路單位的重要警訊。
柔性路面容易於輪跡處產生凹陷,稱為車轍(Rutting),這種由輪荷重造成的鋪面永久變形,嚴重時常伴隨裂縫(疲勞裂縫)產生,造成車轍之荷重主要為大貨車,一般小客車的影響很小,此點在單向二車道以上的路面很容易得到證實,因為車轍大部份發生在外側車道,因為大貨車大都行駛於外側車道;排水設計不良或是沒有設計路肩及排水溝渠的路面,由側向侵入路面結構層內的水份,也可能是使外側車道較容易產生車轍的元兇。由以往的經驗發現,當車轍深度達15mm以上時,輪跡處很可能會開始產生裂縫,此後,水份開始由裂縫處進入路面結構層中而加速路面之破壞;一般路面工程界以25mm深的車轍深度作為柔性路面之破壞界限,並認為當車轍深度達15~20mm時,是進行鋪面翻修的最適當時機。
若柔性鋪面設計不當,鋪面結構層的承載力不足,在過重的輪荷重輾壓後,即將因過大的彈性撓度而產生裂縫(超載裂縫),持續的荷重將使路面破損、產生坑洞。柔性鋪面中瀝青混凝土中的瀝青選用不當,例如使用太硬的瀝青膠泥,或瀝青膠泥過度老化變硬,將使瀝青混凝土在低溫時因無法承受溫縮應力而開裂,此種裂縫的型態為每隔一定車道長,發生垂直於車行方向的裂縫,稱為溫縮裂縫(Thermal Cracking)或低溫龜裂(Low-Temperature Cracking)。
以美國為首的路面工程界,在AASHO試驗路面以後,利用統計學之原理,採用路人對各種路面評分的方式,將路面的好壞以「目前服務性指數(Present Serviceability Index、簡稱PSI)」代表,此一指數值沿用美國大眾熟悉的評定學生成績方式,以0~5的數字表示;該研究成果一直為路面工程界採用,新建完成的瀝青路面,PSI約在4.2附近,開放交通後,隨著荷重次數之增加,PSI逐漸降低,依道路之等級,若PSI降至2.5(主要道路)或2.0(次要道路)時,該路面已達破壞,若經適當翻修加鋪,可以將PSI值再次提昇,如圖4所示。
4、設計年限與分期構築觀念
道路不同於一般建築物之年限久後廢棄不用,或於原址重新蓋過另一種設計之結構物;大部份道路會因時間而翻修、延長、加寬,美國於1876年鋪築的第一段含細石料的片瀝青(Sheet Asphalt)鋪面[6],位於華盛頓特區之賓州大道(Pennsylvania Avenue),現仍為美國首府著名的街道,並不表示該路面維持了上百年,實際上,已經不知道經過多少次的翻修、拓寬、及延長,當初使用的千里達湖瀝青砂面層,經過多次「換裝」,如今已經是高品質的熱拌瀝青混凝土,翻修的工作將隨著用路人要求而持續進行;因此,路面績效是否符合原設計之要求,不能單純以使用了多少年來衡量;公路局於中山高速公路通車前設計的一些省道路段,設計年限為15年,在使用年限內,因為高速公路通車,大部份車輛棄省道而改行高速公路,使那些省道路段幸運地「如期」服務了15年;高速公路路面之設計年限為15~20年,但大部份路段在通車不到7年後,即不得不進行「翻修」,如果單純用時間作為「設計年限」將產生相當多的誤解。
以往經驗顯示,瀝青鋪面在選定的鋪築結構下,受到環境因素及輪胎磨蝕的影響,服務績效有一最長的服務期限極限(Maximum Performance Period,大部份在15年以內)[3],此一期限所指的「破壞」,大部份指表面抗滑力喪失而與結構承載力無關,超過此期限後,鋪面雖仍有足夠的承載能力,確無法提供安全的服務性功能,因此,AASHTO鋪面設計手冊中[3],認為「設計年限(Design Life)」的觀念,應針對瀝青鋪面的此項特性,修改成「分析期限(Analysis Period)」和「績效期限(Performance Period)」,以改變以往設計年限就是分析期限,或分析期限就是預估的績效期限的觀念;由於公路建設為一個國家的基礎建設,執行鋪面設計時,不可能因礙於實務上最大績效期限的限制,而將分析期限只定為15年,反而應針對瀝青鋪面很容易因加鋪而增加承載力、平坦度、抗滑性之特點,於設計時以分析期限取代原設計年限,在分析期限內,可考慮實務的績效期限,並預估會進行的主要修復加鋪作業,適當地將分析期限內應採用的鋪面結構層厚度,分成數個績效期限構築完成,此種作法稱為分期構築(Stage Construction)。
很容易進行分期構築是瀝青鋪面的其中一項優點,由於交通量之預估受制於許多複雜政經因素,且路面磨耗層之使用壽命有一定的限制,若再加上國家經濟面的整體考量,一項分析期限為30年的公路建設,若將績效期限也定為30年,一次就將分析期限內所需的鋪面厚度構築完成,除了建設經費較高外,基於現實的最大磨耗層績效期限,再好的設計與施工,約15年後,縱使鋪面仍保有良好的承載力,但很可能因安全性的要求,必需進行表面修復工作;若在最初新建時將分析期限內,預先分為數個績效期限,採用分期施工之規劃,除了較符合實務上最大鋪面績效期限的限制外,且也較符合經濟的原則。
5、鋪面之交通荷重觀念
行駛於鋪面的車輛種類相當多,小由雙輪腳踏車,大至七個車軸以上的全聯結車(全拖車);道路交通規則上,有所謂禁行聯結車、禁行大貨車等路段,這些法令乃基於道路之線形(如轉彎曲度)、寬度、路段中橋樑的承載力、或其它用路人的安全而設置,這些禁令當然限制了道路的服務層面,然一個區域運輸的整體規劃,考慮的層面相當廣,屬於運輸規劃的範圍,鋪面工程師配合路線之設計,著重於對交通量的瞭解,且這所謂交通量,又不同於負責交通流量控制的工程師,而必需著眼於荷重對鋪面的影響。
交通管理工程師負責道路流量的控制,其著眼點在於車量之數量、體積大小、與車速,以調查所得的資訊及其對流量的影響,適當換算後,用以設計道路之寬度與線形,一般皆以小客車為主要單位(Passenger Car Unit、簡稱pcu),經常將大車化為其相當的小客車數,例如一部大貨車相當於2.0pcu,再以尖峰時段內的流量,作為道路寬度需求的指標,例如單向具交會路口之雙車道公路的設計流量為1,100pcu/hr.,拓寬至三車道,將可使流量提高到1,900pcu/hr.,若改為封閉式道路,則流量分別為3,000pcu/hr.及4,500pcu/hr.[7];當然,這些流量值受設計車速之影響。
鋪面工程師在乎路面結構的適當性,亦即在設計交通量內,路面是否具有要求的服務水準,即行駛舒適(平坦)安全(抗滑性),雖然與流量、車速脫不了關係,但著重的層面,則略有不同;以往的經驗顯示重的車軸對路面之損壞需負相當重的責任,而一般小客車,則影響相當小;因此,鋪面結構設計只以高軸重的重車,即貨車(Truck)或商用車(Commercial Car)為對象,一般小客車佔總交通量的百分比,只會影響這些重車在多車道公路上的分佈狀況。
AASHO路面試驗以後,選定單軸8.17公噸(18,000英磅)為標準軸重,此軸重對路面的損害定為1.0,其它軸重對路面的損害量,則以試驗路面之成果,用標準軸重當量因子(Equivalence Factor)將一部重車的各個軸重化為「標準單軸荷重當量 (Equivalent Single Axle Load、簡稱為ESAL)」[2],例如圖5中的半拖車,前組軸重5.4(12,000英磅)公噸,中組軸及後組軸皆為雙軸且重15.4公噸(34,000英磅),總重36.2公噸,相當於約2.39個ESAL,或說這一種貨車的貨車因子(Truck Factor)等於2.39[3];若求出各種貨車的貨車因子,則由交通量調查資料中,可求出各型貨車行駛於設計路段的數量,配合適當的估算,可以合理地求出分析期限內(或績效期限內)的總軸重當量數(以ESAL為單位),例如共1´107ESAL,即為鋪面設計之交通荷重。
6、瀝青混凝土在鋪面工程之重要性
公路建設為一個國家發展所需的基礎建設,美國在1960年代進行大規模的公路建設,聯接州與州間公路網從而建立,這些完整公路網的開闢帶來經濟繁榮,是現代社會不可欠缺的大動脈;由於公路建設的各項工事中,路堤、邊坡、橋樑等設施使用年限較長,但路面則因行車舒適及安全的要求,必需經常維修,這種工作稱為養路(Rehabilitation and Maintenance,簡稱R&M,即翻修與維護),因此,美國到了1980年代末,各州的養路單位都因需進行維護的路面過多,而引發養路經費不足的問題[8]。
養路,主要就是將路面最上層的材料修補或刨除,再加鋪新的路面材料,恢復路面的平坦度、抗滑性、甚或提昇承載力,以提供車輛行駛安全與舒適,否則,公路的其它設施都將因路面失去功能,而無法發揮作用;因瀝青混凝土材料使用於面層,有行車舒適及修補容易等優點,幾乎是大部份公路的主要面層材料,所以,養路時,主要就是使用瀝青混凝土,根據統計,光是美國,於1990年以來,每年都使用超過四億公噸瀝青混凝土[9],且每年的用量有持續增加的趨勢,如果以美國兩億人口估計,每人每年需消耗超過兩公噸的瀝青混凝土,平均壽命七至八年的瀝青混凝土路面,確實是美國各級政府的沉重負擔,延長瀝青混凝土路面的使用年限,遂成為研究人員和工程師的主要目標。
台灣目前國道高速公路鋪面設計結構斷面主要為1.5公分開放級配瀝青摩擦層,面層為10公分密級配瀝青混凝土,底層則為20公分熱拌瀝青混凝土(標稱最大粒徑為3.0公分)與20公分碎石底層(CBR值≧85%),路基部分之要求為CBR值≧15%,其設計斷面如圖6所示。快速道路之鋪面設計結構斷面主要為10公分細密級配瀝青混凝土面層,20公分粗密級配瀝青混凝土底層與30公分碎石底層;省道系統部分則主要為10至20公分瀝青混凝土面層,30至45公分碎石底層;縣、鄉道部份則主要為3至15公分瀝青混凝土面層,15至30公分碎石底層。這些路面的設計方法,大致上是採用美國路面工程界建議的AASHTO法或是A.I.法。
本圖未按厚度尺度比例繪製
圖 6、臺灣地區公路鋪面的主要斷面結構[10]
由圖6可知國道及快速省道的設計符合美國長壽鋪面結構設計概念,主要的維護工作是在有出現局部變形嚴重且顯示底層不穩定的區域,可能選擇全深度挖除翻修外,大都必須在維持原有道路高程的限制下,採刨除重鋪的方式,一般的刨除養護深度為5公分,部份路段面層變形嚴重者,亦有刨除10公分再鋪回的情形,高速公路則有許多的養護是針對摩擦層部份,只有刨除養護1.5公分,也有少數省道因施工方面的缺陷,刨除養護深度達到15公分;由於沒有完整的統計資料,依據非正式的推估,國道及省道的交通量相當大,平均四年需進行一次刨除加鋪的工作,這些養護工程每年分段在執行,且因交通量相當大,許多養護工作必須在夜間交通量低時進行。長壽鋪面結構設計概念可參作者另文「美國的長壽鋪面設計概念」。
縣鄉道路面早期大都採用直接加鋪的方式養護,經過多次加鋪,大部份路面的瀝青混凝土厚度都已超過10公分,位於市區的縣鄉道在再生工法實施以前,因為兩旁住家商店的強烈反對而改採刨除加鋪方式,在再生工法實施以後,則縱使是郊區的縣鄉道也已採用刨除加鋪的方式養護。縣鄉道路面的養護頻率,則因不同路段交通量、施工品質、養護經費、甚至居民的要求等差異而變化很大,有的路段因為社區發展快速,自來水、電力、電線等管線更動挖掘頻繁,一兩年就刨除加鋪一次,有些路段則因為交通量低且路面狀況良好,超過10年不必養護。
台灣地區每年約使用一千三百萬公噸瀝青混凝土[11],因瀝青混凝土的材料科技發展較不受到重視而緩慢,許多工程人員不瞭解瀝青混凝土的品質特性,使用的材料配比僵化而有許多不必要的浪費;工程人員若能瞭解瀝青混凝土,執行完善的材料設計及施工品質管制,而能使國內瀝青路面的平均使用壽命,普遍提昇至如美國的七到八年,將節省大量的養路經費,並提昇路面的服務水準。有關鋪面管理維護系統之概念,詳參作者譯文「鋪面管理系統之過去、現在、與未來」
後記
面對日益惡化的公路狀況,美國國會於1987年通過執行策略性公路研究計畫(SHRP),由1987年10月至1993年3月間,長達五年半,耗資五千萬美元的此項大型研究案,主要集中在(1)瀝青材料,(2)混凝土結構物,(3)公路養護及養護工區的安全性維持,(4)鋪面長期績效研究等四個領域,在瀝青材料方面主要用於發展與鋪面績效相關的試驗方法及品質規範,此一研究計畫的主要成果稱Superpave,國內有學者譯為「超級鋪面」,整合了以往路面工程界的經驗,並設法將這些可貴經驗以理論將之定量化,以便於消除地域性因素造成的不同績效;Superpave系統主要由(1)瀝青黏結料PG級規範,(2)以瀝青混合料的體積特性為基礎的設計分析方法,及(3)分析瀝青混合料的試驗及績效預估模型,共三大部份所組成。
2024年6月作者邀請美國瀝青科技中心主任Dr. Randy West來臺進行技術交流,發表三場主題演講,介紹瀝青混凝土近20年來的新技術與成果,敬請讀者參閱:
參考文獻
1、E. J. Yoder and M. W. Witczak, Principles of Pavement Design, 2nd edition, 1975, John Wiley & Sons, INC., chapter 1.
2、AASHTO Guide for Design of Pavement Structures 1993, Published by the American Association of State Highway and Transportation Officials, Part I, Chapter 1.
3、The Asphalt Institute, Thickness Design – Asphalt Pavements for Highways and Streets, Manual Series No. 1 (MS-1), September 1981.
4、Yang H. Huang, Pavement Analysis and Design, Prentice Hall, 1993.
5、Freddy L. Roberts, Prithvi S. Kandhal, E. Ray Brown, Dah-Yinn Lee, and Thomas W. Kennedy, Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design, and Construction, 2nd edition, 1996, NAPA Education Foundation, Lanham, Maryland.
6、D. G. Tunnicliff, R. W. Beaty, and E. H. Holt, “A History of Plants, Equipment and Methods in Bituminous Paving, AAPT Vol.34s ,1974.
7、David Croney and Paul Cronery, The Design and Performance of Road Pavements, 2nd edition, McGraw-Hill International Series in Civil Engineering, 1992.
8、Fred Finn, Pavement Management Systems – Past, Present, and Future, Public Roads, Vol. 62, No. 1, July/August, 1998.
9、Michael Halladay, The Strategic Highway Research Program: An Investment That Has Paid Off, Public Roads, Vol. 61, No. 4, March/April, 1998.
10、邱垂德,台灣地區現在的鋪裝技術,ASPHALT, 日本瀝青協會,第48卷第17號,平成17年4月發行。(日文)
11、行政院公共工程委員會出版,中華民國八十四年公共建設報告書,5.1.1工程材料市場狀況。
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