（道路与铁道工程专业论文）湖北省干线公路沥青路面使用状况评价与加铺结构研究.pdf

要 沥青路面是湖北省干线公路主要路面结构型式之一。随着沥青路面的通车运营，路 面使用品质逐年下降，当其下降到一定程度时，需进行维修改造。为避免路面改建加铺 中的随意性和盲目性，需对湖北省现有沥青路面的使用状况进行评价，并据此研究其合 理加铺结构。 论文在前人研究的基础上，对旧沥青路面使用状况评价、旧沥青路面加铺型式选择、 加铺层设计方法以及加铺层典型结构推荐等方面作了深入研究。分析了沥青路面使用状 况的不同评价方法，推荐基于物元模型的评价方法，以更加合理、科学、有效地评价路 面使用状况，为加铺合适的路面结构提供科学依据；分析了旧沥青路面加铺型式的影响 因素，以此确定了旧沥青路面加铺型式的选择方法，并采用决策树的形式建立加铺型式 决定模型，具有较强的灵活性和适应性；在总结国内外旧沥青路面改造中加铺层设计方 法的基础上，提出符合湖北省公路现状的旧沥青路面加铺层设计方法；通过对湖北省各 地区干线公路沥青路面路况调查和基于物元法的使用状况分析，针对不同使用状况下的 旧沥青路面，并考虑经济性等因素后，分别推荐出水泥混凝土加铺层和沥青加铺层典型 结构，对今后的设计施工具有一定的指导意义。 关键词：干线公路，沥青路面，使用状况评价，物元模型，加铺型式，加铺层结构， 典型结构推荐 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n ti so n eo ft h em a i np a v e m e n ts 咖c t u r ef b n n so fh u b e ip r o v i n c i a l t r u i l l ( 1 l i g h w a y a 1 0 n gw i t ht h ea s p h a l tp a v e m e n to p e nt r a m c ，p a v e m e n tp e r f o 肌a n c ed e c r e a s e dy e a r b yy e 筑w h e nt h ep a v e m e n tp e r f o m l a n c ed e c r e a s et oal o w1 e v e l ，i tn e e dt ob er 印a v e do n e o r s o m eo v e r l a y s a n dt oa d v i o dt h ec a u s u a l n e s sa n db l i n d l l e s s i nr 印a v i n ga n dr e n e w a lo f p a v 锄e n t ，m ep r a l c t i c a lt y p i c a ls t m c t u r ef o ro v e r l a yi sn e e d e di nh u b e ip r o v i n c e b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，t h ea r t i c l es t a d i e do ns u c hc o n t e n t si n c l u d i n g ：t h e e v a l u a t i o nf o ru s i n gs t a t u so fo l da s p h a l tp a v e m e n t ，m et y p ea n dd e s i g nm e m o do fo v e r l a y a n dt h et y p i c a ls t r u c 饥l r er e c o m m e n d e df o ro v e 订a y b a s e do nt h ea j l a l y s i so fs o m ee v a l u a t i o n m e t h o df o ru s i n gs t a t i l so fo l da s p h a l tp a v e m e n t ，也ea n i c l es e l e c tt h ee v a l u a t i o nm e t h o d b 嬲e do nm a t t e r - e l e m e n tm o d e l ，b e c a u s ei tc o u l de v a l u a t et h eu s i n gs t a _ t u so fo l dp a v 锄e n t m o r er e a s o n a b l e ，s c i e n t i f i ca n de 疵c t i v e l y ，a n dp r o v i dt h es c i e n t i f i cb a s i sf o rr 印a v i n g s u i t b a l ep a v e m e n ts t m c t u r e ；t h ea n i c l ea i l a l y z e dt h ei n n u e n c i n gf a c t o r sw h i c hd e c i d et h e o v e r l a yt y p eo fo l da s p h a l tp a v e m e n t ，a i l dt h e nd e t e m i n et h em e m o dt os e l e c tt h eo v e r l a yt y p e ， a s l ot h e 耐i c l eu s et h ed e c i s i o n 仃e et ob u i l dt h ed e c i s i o nm o d e lo fo v e r l a yt y p e ，s oi ti sm o r c f l e x i b l ea n da d 印t i v e ；b a s e do nt h ed e s i g nm e t h o do fo v e r l a yf o r0 1 da s p h a l tp a v e m e n ta t h o m ea n da b r o a d ，m ea n i c l ep u tf 0 刑a r dt h ed e s i 印m e m o do f o v e 订a ya c c o r dw i t ht h ep r e s e n t s i t u a t i o no fh i 曲w a yi nh u b e ip r o v i n c e ；t h r o u 曲t h ei n v e s t i g a t i o no fa s p h a l tp a v 锄e n ts t a t u s o fs o m ea n e r i a lh i 加a y si nh u b e ia n dt h ea n a l y s i so fu s i n gs t a t i l sb a s e do nm a t t e r - e l e m e n t m e t h o d ，锄da n e rc o n s i d e r e dm ee c o n o m y ，m ea r t i c l ep u tf o n v a r dt l l et y p i c a ls t m c t u r e s r e c o m m e n d e d ，w h i c hi n c l u d ec e m e n to v e r l a ya n da s p h a l to v e r l a ya c c o r d i n gt od i f r e r e n tu s i n g s t a t u so fo l da s p h a l tp a v e m e n t 灿lo ft h e s ec o u l dp r o v i d eg u i d et ot h ed e s i 印a i l dc o n s t m c t i o n i nn l t u r e 1 ( e yw o r d s ：t m m ( h i g h w a y ，a s p h a l tp a v 锄e n t ，t h ep o s to c c u p a n c ye v a l u a t i o n ， m a t t e r - e l e m e n tm e t h o d ，t h et y p eo fo v e r l a y ，s t m c t u r eo f o v e r l a y ，t h et y p i c a lr e c o m m e n d e d s t r u c t u r e i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：裙i 磊品d 年6 月2 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：裙而晶。s 年6 月2 日 别雅锄汐例 p 萨加阳 长安人学硕上学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早三百 t 匕 湖北省位于北纬2 9 0 0 5 3 3 0 2 0 、东经1 0 8 0 2 1 1 16 0 0 7 之间，主要属北亚热带季风 气候，具有从亚热带向暖温带过渡的特征。光照充足，热量丰富，无霜期长，降水丰沛， 雨热同季。年均温1 5 1 7 ，7 月均温为2 7 2 9 ，江汉平原最高温在4 0 以上，为 中国酷热地区之一。大神农架南部等地为全省多雨中心，江汉平原在梅雨期长的年份常 发生洪涝灾害。年均降水量在8 0 0 1 6 0 0 1 1 m 之间。全省大部分地区四季分明，夏热冬 寒。湖北省j 下处于中国地势第二级阶梯向第三级阶梯过渡地带，地貌类型多样，山地、 丘陵、岗地和平原兼备。全省西、北、东三面多山地丘陵，中南部为江汉平原。 湖北省公路发展很快，截止2 0 0 7 年，全省共有通车里程1 8 1 7 9 1 k m ，其中国道1 l 条( 含国道主干线3 条) 4 4 7 7 l 、省道1 2 1 条11 5 4 5 k m 、县乡村道5 8 6 4 9 条1 6 4 2 0 5 k m ， 专用道1 7 2 条1 5 6 4 k m 。全省等级公路达1 3 5 8 2 8 k m ，等级公路比重为7 4 7 ，其中高速 公路1 7 4 7 k m 、一级公路1 2 7 8 k m 、二级公路1 5 5 6 0 k m 、三四级公路1 1 7 2 4 3 k m ，全省公 路密度达9 7 8 k 州1 0 0 k m 2 。公路特别是干线公路在湖北省的经济发展中，起着极为重要 的作用。 沥青路面是湖北省干线公路主要路面结构型式。大量沥青路面的修建，推动了沿线 经济及社会的发展。随着沥青路面的通车运营，路面在经受轴载负荷和交通量反复作用 的同时，还经受气候、环境的影响，路面使用品质呈逐年下降趋势，有的还会出现裂缝、 车辙、沉陷、龟裂等破损病害。当路况变化达到一定限度或下降到一定水平时，需要旧 沥青路面加铺改造，使路面的使用品质恢复良好状态。为了能正确判断需改建的路段和 制定相应的改建对策，需对路面的使用状况做出准确评价。 湖北省干线公路中的沥青路面，尤其是一些早期修建的沥青路面出现了不同程度的 功能性缺陷和结构性破坏，严重影响了道路的服务水平及车辆的行驶安全，迫切需要进 行维修改建处理。在对旧沥青路面进行适当处理后，加铺沥青层或水泥混凝土层是常见 的做法。但由于当前对各种路面加铺层结构选择及设计理论缺乏深入研究，加铺层设计 方法不完善以及缺乏成熟的施工技术，有时对加铺结构及厚度的选择仅凭以往经验，带 有很大的盲目性，加铺效果往往不理想。 鉴于以上原因，本文在前人研究的基础上，对旧沥青路面使用状况评价、旧沥青路 第一章绪论 面加铺型式选择、加铺层设计方法以及加铺层典型结构推荐等方面作进一步深入研究。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 旧沥青路面使用状况评价 对旧路面的使用状况进行科学评价，可以为道路管理者提供路面状况数据，是合理 制定养护维修计划、进行投资决策的重要依据之一。旧路评价在国内外受到极大的重视， 是当前道路工程领域研究的热点问题之一【l 】。 旧路评价首先应该追溯到对路面管理系统的研烈2 卅。 路面管理系统的研究起源于2 0 世纪6 0 年代( 1 9 6 6 年) 美国和加拿大，当时美国正处于 路网建设热潮阶段，各州公路和运输者协会( a a s h t 0 ) 通过全国公路合作研究计划 州c h l 冲) 发起要在路面领域内做出新突破的研究，最初的焦点是路面设计，意图在路面 设计理论领域内取得新突破。但到了7 0 年代，由于美国公路网中大部分路面已达到设计 年限，导致道路维护养护费用急剧增加，公路管理人员和研究者认识到路面的养护与改 善和路面的设计、施工一样具有同等重要的地位，所以公路管理部门把注意力从扩展公 路网和新建公路的方向转向于通过养护、维护、改建来改善现有路网，路面使用性能评 价成为了研究的重点之一【5 训。 世界上第一个路面使用性能评价模型p s i ( p r e s e n ts e n ，i c e a b i l i t yi n d e x ) 是由美国 a a s h t 0 6 0 年代基于近1 0 年的实验观测提出的，它对7 0 年代公路养护管理技术，特别是 路面管理系统的发展有着深刻的影响，起到了巨大的促进作用。之后，以美国a a s h t o 的p s i 模型为范例，加拿大、同本以及包括我国在内的许多国家和地区也研究建立了不 同概念和意义的路面使用性能评价模型，这些模型的共同特点是依靠专家评价技术，运 用多元回归法建立。随着研究的深入、学科的发展，许多新的理论与方法被引入到路面 使用性能评价领域，新的评价方法纷纷建立起来，如路面使用性能综合评价的模糊数学 方法、灰色理论法、神经网络方法等。这些方法对路面使用性能评价的研究与发展起到 了重要的促进作用【3 】。 我国路面管理系统研究始于2 0 世纪8 0 年代。自8 0 年代以来，随着我国经济的迅速发 展，交通运输车辆急剧增加。同时，由于国内公路网中的道路大部分己达到或超过设计 年限，再加上大吨位和超载车辆的出现，使得超负荷运营的公路迅速破坏，公路路面养 护管理逐渐成为研究的热点。我国在“六五”期间开始进行沥青路面养护管理系统的研 究，1 9 9 1 年在引进和消化国外技术的基础上，由交通部公路研究所与同济大学、北京、 2 长安大学硕十学位论文 广东等地区联合成功开发的干线公路( 省市级) 路面评价养护系统( p e m s ) 标志着我国在 路面管理上达到了一个新的水平，这是我国“七五期间的一个重要研究成果【3 1 。这个 成果中一个重要方面就是用扣分法开发了p c i 单项指标模型。 我国建立的第一个比较科学全面的公路路面使用性能评价模型是8 0 年代末期交通 部科学研究所以河北和浙江实验路段为基础，建立的一般公路路面使用性能评价模型 ( o h ) 【4 】，这套模型在杭州市路面管理系统中得到了实际运用，为后来的路面管理系统 c p m s ( c l l i n ap a v e m e n tm a j l a g e m e ms y s t e m ) 中路面使用性能评价模型的建立提供了依 据。 目前国内外比较成熟的路面使用状况评价方法主要有四类，分别是基于回归模型 法，基于系统分析法，基于灰色理论和其他方法【5 】。 基于回归模型法的路面使用性能评价方法以大量实测数据为基础，但是单纯的回归 分析难以准确表达路面这一复杂体系的主观与客观相联系的复杂关系，评价结果与实测 数据的相关性不太理想，而且使用时受到地域条件的限制；基于系统分析法的路面使用i 性能评价方法以层次分析法和模糊数学方法为代表，分析过程层次清晰，理论性强；但 在这两种方法中，都主要使用专家调查评分，人为因素影响太重，客观性不强，难以得 出客观公正的路况评价。基于灰色理论的路面使用性能评价方法较好地解决了路面使用 性能评价中评价指标复杂、模糊的问题，但其白化权函数、评价指标的阈值以及灰聚类 系数都各指标的经验范围来确定，仍然存在着一定主观经验性，其评价结果是各个指标 聚类分析的总和，当评价结果的各个聚类相差不大时，难以取舍；其他的一些路面使用 性能评价方法如属性理论法、神经网络法等，都还处于启蒙阶段，并不成熟，而且这些 评价方法本身也存在着不足【m 1 2 1 。 1 2 21 日沥青路面加铺设计方法 旧沥青路面的加铺一般分为两种，即加铺水泥混凝土层和加铺沥青层。下面分别对 目前国内外两种加铺型式的设计方法进行介绍。 1 旧沥青路面加铺水泥混凝土 旧沥青路面加铺水泥混凝土的a a s h t o 方法，是把现有沥青路面看成新建刚性路 面的综合性基础。设计时需要：确定现有路面的综合( 设计) 反应模量幻；按新建刚 性路面的方法设计。综合( 设计) 反应模量k 由综合弹性模量如来确定【1 3 ，1 4 】。 2 0 世纪9 0 年代后在美国出现了超薄水泥混凝土路面( 简称u t w 路面) ，即在沥青路 第一章绪论 面上加铺超薄水泥混凝土路面，主要应用于低速交通和车辆频繁制动或启动路段。u t w 路面的特点是厚度较薄，仅有5 0 1 0 0m m ，接缝间距较小，通常为o 6 1 8 m 。u t w 路面通过使用掺有纤维网加筋的混凝土来减小厚度，降低投资；缩小板接缝间距，减小 板内荷载应力，满足路面强度要求，且便于后期维修1 5 2 0 1 。 对于在旧沥青路面上加铺水泥混凝土，我国一般的设计方法是把现有沥青路面看成 新建水泥混凝土路面的基础。设计步骤为：确定现有路面顶面的计算回弹模量毋； 按新建水泥混凝土路面的方法设计【2 1 1 。 确定现有路面顶面的计算回弹模量毋时，先确定现有路面顶面的当量回弹模量岛， 然后按经验公式确定现有路面顶面的计算回弹模量毋。 2 旧沥青路面加铺沥青层 对于国外旧沥青路面上加铺沥青层，根据加铺目的，具有代表性的美国a a s h t o 设计指南把加铺分为结构性加铺和功能性加铺。所谓结构性加铺是指由于路面结构承载 力不足，需要加铺一层或多层来提高路面的承载力以适应预期的交通荷载；而功能性加 铺是指路面的结构承载力仍能满足交通荷载的需求，但路面的使用功能已不满足需求， 需要加铺一层以改善道路的行驶质量，提高行车的舒适性和经济性。在加铺设计的过程 中，主要考虑原路的处理、设计所采用的损坏准则等【2 2 1 。 目前国外有关旧沥青路面加铺沥青混凝土的设计方法大致可分为三种类型：有效厚 度法、弯沉法、力学一经验法【2 3 】。 有效厚度法又称组分分析法，这类方法需要从现有路面采样，实验室测试或利用无 损检测来反算路面材料的设计参数。这些参数包括土基强度、路面材料的模量及路面的 损坏情况等。同时还要调查确定设计交通量，有时还包括地区环境因素。采用该法的有 美国地沥青学会a i 和各州公路者协会a a s h t o ，以及以色列的e h u dc o h e n 等【2 4 】。 弯沉法的原理是以弯沉表征路面表面垂直应变，当弯沉较大，说明路面和土基强度 较弱，加铺层必须有足够的厚度使路表面弯沉减小到允许范围内。在2 0 世纪6 0 年代出 版了大量关于弯沉和路用性能之间的关系及用于加铺设计的研究报告后，此法得到了广 泛应用。美国地沥青协会、加利福尼亚交通运输部、美国陆军工兵团、弗吉尼亚公路与 运输部、英国交通与道路研究所( t 附u ) 、加拿大好路协会等都对此法有较多的研究。这 类方法需要对现有路面进行弯沉检测，以评价路面现有结构承载力，一般都认为这种测 试方法比组分分析法更能代表现有路面的实际状况。选择代表弯沉的具体方法依赖于加 铺设计的方法和观测到的路况信息，加铺厚度主要根据弯沉和现场经验关系确定，基本 4 长安人学硕上学位论文 原则是将路面的弯沉降低到可接受的水平。 力学一经验法兴起于2 0 世纪8 0 、9 0 年代。计算机技术的发展，极大地推进了路面 力学的发展，运用计算机可以根据路况调查来建立路面损坏处的应力和位移数值解的对 应关系，这就使路面的设计更加准确有效。同时依据一定的准则还能根据实测的路表弯 沉反算路面结构的回弹模量等参数，这使得对原路加铺的设计可以像新路一样进行。另 外，落锤式弯沉仪的出现使人们可以更加准确地得到路面在车辆荷载作用下的响应，更 加真实地评价路面结构强度，也使路面反算的结果更加准确。在加铺层设计中，最常用 的破坏准则是疲劳开裂和永久变形( 车辙) 【2 5 1 。 疲劳开裂法应用m i n e r 疲劳积累损坏机理。根据这一机理，原路面的剩余寿命可用 下式计算： 旦：l 一皇 ( 1 1 ) n 。n n 、 式中：以，一加铺后路面能够承担的荷载重复作用次数； 原路面加铺前允许的荷载重复作用次数； 露广原路面加铺前实际荷载重复作用次数。 然后根据加铺后旧面层底部的拉应力或拉应变，确定加铺路面的允许荷载重复作用 次数。由于路面不是新的，而具有剩余寿命拧，亿，所以允许重复作用次数必须乘以比 值玎，m ，得到加铺后的允许重复作用次数。这类方法对较重荷载状况和新的或不同的 材料均适用。 日本在进行旧路改造时，按照t a 法，按设计交通量、设计c b r 及旧路残存等值换 算厚度t a o 设计，此外还利用贝克曼梁或f w d 测定的旧路面弯沉进行设计。t a o 是根据 旧路面的破损情况判断旧路面强度确定的相当于表面层及中下面层热拌沥青混合料的 等值换算厚度。 国内沥青路面补强设计方法与新建路面设计方法基本相同，以弹性层状理论为基 础，首先计算原有路面的当量土基回弹模量，若单层补强时，以双层弹性体系为设计计 算的力学模型，补强，z 1 层时以刀层弹性体系为力学模型计算，只是在确定下卧层模量 时的方法有所区别。建国以来，我国制定和颁布的不同版本公路柔性路面设计规范，均 以路表弯沉作为设计指标，所不同的是新版本规范对路表弯沉的要求更加严格，而且增 加了一些验算指标。 此外，国内有学者对加铺层厚度的确定方法进行了研究，利用大量的现有数据，分 第一章绪论 析有效厚度和使用性能指标p a 之间的经验关系，从而建立基于原有路面使用性能的有 效厚度计算法，该法简化了传统有效厚度法中必须进行路面采样，然后对这些样本进行 试验室测试以确定设计参数( 路基土强度、路面材料特性、交通量和地区环境因素等) ， 代之以相对容易得到的使用性能指标p a 。但由于历史数据较少，缺乏有效的数据库， 该法目前实用性较低。 1 2 3 沥青路面改建中加铺层典型结构推荐 国内外沥青路面加铺沥青层结构形式较多，归纳起来主要有以下几种形式： 处治原有沥青路面+ 沥青加铺层。在裂缝不太多的情况下，通常采用这种结构来 恢复路面表面功能。 处治原有沥青路面+ 夹层+ 沥青加铺层。夹层材料的铺设有利于减少反射裂缝， 约束沥青面层的横向变形。这种加铺结构适用性较强。 铣刨原有沥青路面+ ( 夹层) + 沥青加铺层。在桥梁、隧道或高程受限路段，要对 原有路面进行铣刨，再加铺沥青层。 铣刨原有沥青路面+ 基层+ 沥青层。这种结构适合于道路破损比较严重的情况， 新加铺的半刚性基层比土工材料更能有效地消减剪切应力，对防止反射裂缝较为有效， 使用柔性基层效果尤为显著。 国内外沥青路面加铺水泥混凝土层结构形式较为单一，一般采用沥青路面+ 水泥混 凝土层的型式。 1 3 本文研究的主要内容 1 基于物元法的沥青路面使用状况评价 总结沥青路面使用状况评价方法，如回归分析法、灰色评价法、模糊数学分析法、 属性数学模型等，并对这些评价方法进行验证。通过建立物元分析方法，为沥青路面使 用状况评价提供新的途径。 2 旧沥青路面加铺型式选择与设计方法研究 总结国内外旧沥青路面改造中加铺层的设计方法，并在调查分析湖北省干线公路沥 青路面使用状况的基础上，提出符合湖北省公路现状的旧沥青路面加铺型式选择和结构 设计方法。 3 湖北省干线公路旧沥青路面加铺典型结构 6 k 安大学硕士学位论文 通过对湖北省各地区干线公路沥青路面使用状况的调查分析，针对不同使用状况下 的旧沥青路面，分别推荐出合适的典型加铺结构。 7 第二章l f ：i 沥青路面使用状况评价 第二章现有沥青路面使用状况评价 2 1 现有沥青路面状况调查 2 1 1 调查内容 沥青路面状况调查内容包括路面病害、平整度检测、抗滑能力检测和弯沉检测等， 这些调查数据是路面使用状况评价基础和养护维修方案选择的主要依据。路面病害调查 内容包括损坏类型、程度和破损面积或长度等，通过分析路面病害调查结果不仅可以判 断路面损坏的原因，还可进一步确定其他项目调查，如弯沉测定等。 路面状况数据是路面性能的直接反映，利用这些数据，可以判别路面状况是否适应 目前的交通和使用要求，并确定所管辖路网内需要采取养护和加铺措施的路段。路面评 价决策的恰当与否，在很大程度上依赖于能否及时而真实地采集到路面状况数据。近年 来，随着交通量的急剧增长，路面状况迅速恶化，而用于养护和加铺的资金和其他资源 严重不足。在编制养护和加铺计划时，更依赖于通过快速而客观的数据采集方法得到协 调一致的路面状况信息，以便能利用这些数据建立合理的养护和改建项目的优先排序， 选择最合适的养护和加铺对策【2 6 1 。 为了实现上述要求，根据路面状况对行车要求的满意或适应程度，将路面使用状况 分为四类：行驶质量、安全性、路面破损和结构承载力。因此各管理部门需采集的相应 路面状况数据有：平整度、路面破损率、弯沉、横向力系数和车辙深度等，数据采集的 方法有传统设备和高效设备两种，如表2 1 所示。 表2 1 路况数据采集指标及方法 调查项目 调奄指标高效设备传统设备( 方法) 交通资料 交通量交通量自动记录仪人r t 调查 轴载轴重仪人- t 调布 结构承载能力路表弯沉路面自动弯沉车贝克曼梁 行驶质鼍路面平整度 平整度自动检测仪 三米直尺 路面状况 路面破损路面病害摄影仪人t 调查 抗滑性能 横向力系数( 摆值) 横向力系数仪摆式仪 构造深度激光构造深度仪铺砂法 理论上，以上四种类型的路况数据均可通过自动检测设备收集，如通过自动弯沉仪 检测路面结构性能，了解路面的承载能力；通过横向力系数检测仪检测路面的抗滑性能； 通过颠簸累积仪测量国际平整度指数脚等。但目前最困难的是调查路面破损，国外研 长安人学硕上学位论文 究开发了一些摄影摄像车等高速检测设备，提高了检测速度和野外调查的安全性。但由 于成本高，操作复杂，在我国还很难推广应用。目前，我国主要通过人工调查干线公路 沥青路面的破损状况。 2 1 2 平整度 路面行驶质量同路面的平整度、车辆的动态响应以及乘客对舒适性的要求和对颠簸 的接受能力有关。行驶质量通常采用汇总众多乘客的主观评价意见计算出评分值。将各 路段的评分值与实测平整度指标通过回归分析建立相互关系。因此，可以根据路面平整 度的客观测量结果得到对路面行驶质量的统一评价。从路面状况的角度看，影响路面行 驶质量的主要因素是路面平整度。当平整度下降到某一限值时，路面的行驶质量不能满 足行车对路面的基本功能要求，便需采取改建或重建措旌改善平整度。 路面平整度检测设备一般可分为断面类和反应类两大类。断面类平整度仪是通过测 量路面行车带纵向断面形状( 高程) 数据来计算平整度的仪器，反应类仪器则是通过安装 在车体上的仪器，测量车体与道路的相对位移或车体位移加速度来计算平整度的仪器。 目前，国际平整度指数删( m l ( m ) 作为道路平整度测量的标准尺度被广泛采用，我 国的路面管理系统采用了这个指标。在我国，测量平整度的常用仪器有3 m 直尺、连续 式平整度仪和车载式颠簸累积仪三种。在对等级较高的干线公路定期全面调查时，平整 度应采用车载式颠簸累积仪进行测量，以确保路面检测的准确、快速和安全。至于3 m 直尺和连续式平整度仪适用于一般公路小范围的抽样调查。车载式颠簸累积仪的检测结 果颠簸累计值聊，通常需要转换成脚。脚使得不同尺度的平整度能在同一数量基础 上进行比较，其一般定义是一个标准的四分之一汽车模型，沿着量测断面以8 0 k i l 讹或 5 0 l ( n 1 h 的速度行驶时，悬架颠簸累计值与行驶距离的比值。当使用非直接测量脚的其 他设备时，可通过回归关系，换算成删。以车载式颠簸累积仪为例，其测定值聊与 脚之间的相互关系如式( 2 1 ) ： 脚= 口+ 6 聊 ( 2 1 ) 式中，口，6 为标定系数，在使用中，各地根据实际标定结果确定取值。 我国常用平整度标准差。标定平整度。因此在养护管理系统中，提供平整度标准差 。可以更好地满足用户需求。为了提供标准差o ，需要建立标准差。与国际平整度脚 之间的相互关系，通常不同的路面有不同的关系式。 路面行驶质量通常以质量指数描述，其值一般按5 ，1 0 和1 0 0 分制计分。我国公 9 第二章i 兀沥青路面使用状况评价 路养护技术规范( j ”0 7 3 2 0 0 1 ) 规定： 尺舛= 1 1 7 5 一o 7 5 侬，( 2 2 ) 式中，r 凹为行驶质量指数，数值范围为o 1 0 。我国现行规范中规定r 凹以1 0 分制 计分，如果出现负值则尺值取o ；如果计算结果大于1 0 ，r g 取值1 0 。 人们通常认为一条公路路面如果很不平整，那么其服务水平就不能被公众接受；而 一条路面如果受到一定的损坏，但仍具有较高的平整度，那么该公路的服务水平还是可 以被公众接受的。因此在许多养护管理系统中，平整度常常是决定项目选择的主要因素 专一【2 6 】 ，o o 2 1 3 抗滑能力 路面安全性能的评价一般主要考虑路表面的抗滑能力。影响路面抗滑能力的因素包 括：路面特性( 粗构造、细构造) 、油和水对路面的污染、车辆参数( 主要是轮胎) 和驾驶 因素( 行车速度) 等。 路表面的细构造是指集料表面的粗糙度，它随车轮的反复磨耗作用而逐渐磨光，通 常用石料磨光值( 朋功表征其抗磨光的性能。路表的细构造在低速行车( 3 0 5 0 k n 讹) 时对 抗滑能力起决定作用，而高速行车时起主要作用的是粗构造。粗构造由路面外露集料构 成，功能是使路表水迅速排除，由构造深度表征。 路表构造深度仅从一个方面反映了路面的抗滑性能，而摩阻系数或抗滑指数较全面 和宏观地表征了路表面的抗滑能力。它可采用各种量测仪器进行评定，目前，常用的仪 器是横向力系数常规检测仪s 删和摆式摩擦系数仪【2 6 1 。 通过横向力系数譬粥可以判断路面抗滑能力的大小，表2 2 列出了沥青路面抗滑能 力的评价标准。 表2 2 路面抗滑能力评价标准 i 评价标准优良中次差 i 横向力系数s ：陀5 04 0 5 03 0 4 02 0 3 0 2 0 2 1 4 路面破损状况 每个路段的路面可能出现各种不同类型、不同严重程度和不同范围的损坏。所以， 在评价路面和分配养护资源时，养护维修项目计划选择比较困难。由于路面损坏发生的 随机性、类型的多样性、严重程度的差异性，路面破损状况的评价是路面使用状况评价 中最复杂的内容之一，通常由损坏类型、严重程度和损坏密度等三个方面表征【2 6 1 。 l o 长安大学硕十学位论文 表2 3 沥青路面损坏类型、定义、特征及测定方法 损坏损坏定义测量方法 主要原因 模式类型 裂缝纵向与道路中线人致平行的长直裂缝；并按长度乘以路基或基层沉陷；施上接 类裂缝伴有少量支缝0 3 m _ a 计算缝质量差；结构承载力不 足 横向与道路中线垂直的裂缝；并伴有少量按长度乘以反射裂缝：低温裂缝 裂缝支缝o 3 m = a 计算 龟裂形似龟背的多边形网状裂缝按外同面积计量疲劳损坏；沥青老化 变形沉陷路表面的局部凹陷按外同面积计量路基或基层沉陷 类 车辙沿轮迹处的路表凹陷按外围面积计晕面层混合料稳定性不足 损耗坑槽面层或基层混合料散失后形成的凹坑按外围面积计量严重龟裂的进一步发展， 类碎块松动脱出，层间粘结 不良，脱落 磨损磨光：集料棱角磨成圆滑或平滑状；按外围面积计量正常磨耗；沥青含量少； 磨面：细集料散失，路表成麻点状：沥青和集料粘结不良；沥 露骨：较粗集料也散失，粗集料外露 青老化 其它修补各种损坏的局部挖出修补按外围面积计量 表2 3 定义了公路中常见的路面损坏类型，并规定了每种类型的具体量测和计量办 法，除纵向、横向裂缝量测其长度外、其余损坏类型均量测其外接矩形的面积。同一损 坏类型，不同损坏程度对路面使用状况的影响是不同的，在评价路面的使用性能时，还 必须对各种损坏按严重程度分为若干等级，损坏严重程度分级详见表2 4 。 为比较各路段的损坏状况，需要有一个损坏综合评价指标。一般采用路面状况指数 尸凹对路面损坏状况进行评价。扣分法是确定p a 的常用方法，如式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 。对 不同的损坏类型、严重程度和范围规定不同的扣分值，按路段的损坏状况累计扣分值后， 以剩余的数值表征路面的完好程度，评价路面的好坏。 p 凹= c 一q 哆 ( 2 3 ) 尸a = c 一f ( f ，d ) 一一 v n 、， f = l = l ( 2 4 ) 式中：c 一初始评分数，常用百分制c _ 1 0 0 ； f ，严相应为损坏类型数( 共n 种) 和严重程度等级数( 共m 种) ； f 种损坏、级程度和尼范围的扣分值；对于损坏面积的计算，一些特殊情 况如下：纵、横向裂缝，其破损面积为：裂缝长度( m ) o 3 ( m ) ；车辙破损 面积为：长度( m ) o 4 ( m ) 。 第二章i 门沥青路面使用状况评价 哆，哆各种损坏类型和严重程度的权函数； f ( ，d ) 多种损坏的修正函数，是累计扣分数t 和扣分次数d 的函数。 表2 4 损害严重程度分级 损害类型分级标准 纵裂或 轻 裂缝边缘或附近有轻微脱落，无或有少鼍支缝 横裂 重裂缝边缘有中等或严重脱落，有较多支缝 裂缝类 轻一条或数条平行的纵向细裂缝，少量交错支缝、裂缝 中 发展成网状裂缝，裂块小于l 啦3 0 c m ，裂缝边缘有轻度 龟裂 或中度脱落 重 裂缝边缘严重脱落，碎块出现松动 沉陷 轻用3 m 直尺丈鼍，最大沉陷深度小丁2 5 m m 变形类 重用3 m 直尺丈最，最人沉陷深度大丁2 5 m m 轻 用3 m 直尺丈量得辙深小丁2 5 m m 车辙 重 用3 m 直尺丈量得辙深大于2 5 m m 坑槽 轻 坑槽深度小丁2 5 m m 磨耗类 重 坑槽深度大于2 5 n l n l 磨损不分级 修补等不分级 从上面的讨论，可以看出应用扣分法的关键是在选定损坏类型和严重程度分级的情 况下，如何确定不同损坏类型和严重程度及范围的扣分值。对于沥青路面的损坏类型和 严重程度分级上面已作了介绍，对于损坏类型和严重程度及范围的扣分值则采用小组评 分法，即邀请由道路部门的管理、设计、施工和养护人员，特别是有经验的路面养护工 程师，对实验路段的损坏类型、严重程度给予区别，并对损坏范围进行量测，整理出损 坏类型和严重程度的单项扣分值。实际上，路面损坏往往出现多种类型，或伴随不同的 严重程度，这时如果仍然按单项扣分值累加而得到多种损坏路段的扣分值，则常常会超 过对多种损坏路段的评分结果，甚至可能出现负的结果( 累加扣分值超过1 0 0 ) 。因此， 需要修f 权数f ( ，d ) ，即分层先对每一种损坏类型加权累加不同严重程度的扣分值，而 后再加权累加不同损坏类型的扣分值，由此得到总扣分值。权数f ( r ，d ) 为该层次单项扣 分值同累加扣分值的比例的函数。 这种用扣分法评价路面损坏状态的方法，较早在美国华盛顿州路面管理系统中得到 应用，后来在以p a v e r 系统中得到进一步完善，从而促进了该方法在评价路面状况中 的广泛应用。我国在“七五”国家攻关期间根据北京市和广东省的路面状况，也利用这 种扣分方法开发了尸a 模型。 1 2 长安大学硕1 ：学位论文 扣分法能够精确计算和折算多种损坏所导致的路面总体损坏程度，在理论上是比较 完整的，但是扣分值和修正值的准确估计是该方法的困难之处。而且扣分值或者扣分曲 线只是针对一特定系列的损坏类型和严重程度，如果损坏严重程度的临界值改变，那么 必须修改扣分曲线或者扣分值。 直接建立p a 与路面综合破损率的经验关系是另一种评价路面状况的常用方法。通 常表现为： p 凹= 厂( 伽，脚，) ( 2 5 ) 式中，脚为综合破损率。 我国公路养护技术规范( j t j 0 7 3 2 0 0 1 ) 规定： p c ，= 1 0 0 1 5 o 脚o 。4 1 2 ( 2 6 ) p c ，作为评价路面质量的重要指标之一，无论在网级还是在项目级的管理系统中， 都起着重要作用。在许多地方和城市的路面管理系统中，由于设备、费用等原因而导致 平整度、抗滑能力的检测比较困难，路面损坏状况指标通常作为唯一的路面质量评价指 标。 2 1 5 结构承载能力 路面结构的承载力是指路面在达到预定的损坏状况之前能承受的行车荷载作用次 数。对于沥青路面，通常采用路表面无破损弯沉测定方法评定路面结构的承载力，即依 据弯沉值的大小确定其剩余寿命。所谓路面的剩余寿命是指路面在达到预定的损坏状况 之前还能使用的年数和能承受标准轴载累计作用次数。依据剩余寿命的长短，可以判断 路面结构的完好程度及损坏发展的速率，可以确定是否需要采取改建加铺措施、确定采 取什么样的加铺型式并进行加铺层设计。 结构承载能力一般通过路段代表弯沉与设计弯沉的关系变化进行评价。路段代表弯 沉应采用自动弯沉检测车进行测量，各测点间的间距通常为1 0 0 m 。通过各测点的平均 值加2 倍的标准差，计算出路段的代表弯沉值【2 6 】。 我国对现有路面的承载能力可用结构能力指数删( s t m c t u r ea d e q u a c y1 1 1 d e x ) 作为评 价指标。叫主要与设计弯沉值如、路段代表弯沉值如和年平均日交通量a a d t 有关， 5 m 可用5 分制、1 0 分制和l o o 分制表示。对于我国，采用l o o 分制更符合人们的使用 习惯。路面易和岛是影响删，的主要因素，我国公路养护技术规范( j t j 0 7 3 2 0 0 1 ) 将 其比值被称为路面强度系数跚，如式( 2 8 ) 所示。 1 3 第_ 二章i u 沥青路面使用状况评价 舢= 厂( 乞，乇，a a d t ) s s i = l d l o 不同的公路路面结构强度等级，应对应不同的跚和洲，如表2 5 。 表2 5 路面结构强度等级 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 结构强度等级优良中次差 s s i0 8 3 o 6 6 ，0 8 3 ) 【o 5 ，0 6 6 )【o - 3 ，0 5 ) 0 3 黝及1 0 0 分制) 8 5 【7 0 ，8 5 ) 【5 5 ，7 0 ) 4 0 ，5 5 ) 4 0 利用沥青路面设计弯沉公式，可以确定当如与如相等时路面所能承受的标准轴载累 计作用次数札，如式( 2 9 ) 。通过交通调查，可分析得到弯沉评定之前路面己经承受过的 标准轴载累计作用次数0 ，以札与o 相比，便可确定路面的剩余寿命( 以标准轴载作 用次数记) 。按当时的交通量和对今后交通量增长的预估，便可估计出路面剩余寿命， 相反由剩余寿命可判断路面结构的潜在承载能力。 札= ( 半 5 仁9 ， 式中：彳厂公路等级系数，二级公路为1 1 ，三、四级公路为1 2 ； 彳厂面层类型系数，沥青混凝土面层为1 o ，热拌和冷拌沥青碎石、沥青贯入 式路面( 含上拌下贯式路面) 、沥青表面处治为1 1 ； 彳厂路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1 0 ，柔性基层沥青路面为1 6 。 路面结构承载能力同路面损坏状况之间存在一定内在关系。承载能力足够的路面， 出现的裂缝和变形损坏很少；而承载能力不足的路面，经常伴随严重的开裂和变形。因 此路面破损状况的评价指标尸凹可以与路段代表弯沉建立回归关系式，即p a = 贝幻) 。 通过路面损坏状况来评价路面的结构承载能力，免去了弯沉测定。但是这种损坏状况评 价带有主观性，所建立的关系式具有地区局限性。此外，它只能判断路面承载能力是否 足够，而无法估计路面剩余寿命。 2 1 6 交通量 车辆荷载的作用，是使路面产生损坏的重要外界因素。为了分析路面损坏的原因和 损坏的速率，建立路面使用状况预估模型，估算经济效益，确定项目的优先序列，需要 采集路网内各路段的交通数据。交通数据包括日交通量、轴载组成和年平均增长率3 个 方面【2 6 1 。 1 日交通量和年增长率 长安大学硕七学位论文 日交通量和年增长率可直接从交通观测站或收费站取得，作为路面设计的参考数 据，但由交通观测站得到的日交通总量和不同车型的交通量数，对车辆分类较粗，一般 仅分为五类( 小客、小货、中货、重货和大客) ，无法明确和清楚地表征不同轴型和轴重 对路面破坏的影响，所以在路面养护中应将车型按轴型细化，而主要考虑轴载指标。 2 轴载 为了考虑不同轴载大小对路面破损的影响，通常以当量标准轴载作用次数表示其累 计破坏作用。为此，需利用称重站的轴载组成数据和相应的轴载换算系数进行计算分析。 由于路面所关心的是使之产生损坏的较重轴载的作用，故可将小客车、单后轮的轻型货 车数量忽略不计。 目前我国某些地区尚未建立轴载称重站，无法得到各类车辆的轴载组成数据。为此， 对没有轴重站的地区只能采用人工调查的方法估测。首先，通过目测对各主要车辆类型 按轴型分类，调查空车重、标准载重和实际载重，从而近似推算出该车( 轴) 型的前后轴 载和平均空载、半载、满载、超载系数。这样根据轴型和实载状况，乘以相应的标准轴 载当量换算系数，得到各类轴型车辆的单位标准轴载次数，从而计算出总标准轴载次数。 车辆的实载状况按其实际载重量占额定载重量的百分比来表示。