（道路与铁道工程专业论文）基于水泥混凝土路面断板裂缝破损研究的路面养护决策分析.pdf

摘要 上世纪八十年代以来，我国公路建设取得了突飞猛进的发展，公路的飞速发展带 来了养护作业的日益加重。保持优良的路面使用品质是公路为车辆提供高速、畅通和 舒适行车的重要保障。因此，路面的养护管理工作发挥着至关重要的作用。 论文针对目前我国公路路面养护管理缺少系统的检测、评价和科学的养护决策管 理的现状，以项目级路面养护管理决策问题为研究对象，在对水泥混凝土路面断板裂 缝破损研究和水泥混凝土路面日常养护研究的基础上，对路面使用性能进行合理评价 和预测，进行路面养护需求分析，进而综合工程技术和经济学的知识，对养护项目进 行养护决策分析。最后结合陕西省铜川市公路养护管理的现状，运用本文提出的方法， 进行了项目级路面养护管理决策的案例分析。 论文研究的三个问题是：水泥混凝土路面断板裂缝破损研究、路面养护需求分析、 路面养护对策分析。 在水泥混凝土路面断板裂缝破损研究方面，以陕西省铜川市的水泥混凝土路面的 实际调查为依据，结合国内外研究成果，对断板裂缝破损的表现状态、破损产生原因、 破损维修方法、维修工艺进行系统研究。 在路面养护需求分析方面，基于对水泥混凝土路面断板裂缝破损产生原因和发展 趋势的研究，合理预测路面破损对路面各种使用性能指标的影响，以路面全寿命周期 的观点，提出养护最佳时间的概念。 在路面养护对策分析方面，通过对水泥混凝土路面断板裂缝破损的维修方法、维 修工艺，以及水泥混凝土路面日常养护工作等技术研究，同时结合工程技术经济学， 对路面的各组养护方案进行技术和经济综合分析，最终得出技术可行、经济合理的养 护维修方案。 最后，论文给出了决策示例，验证了该方法的正确性和实用性。为进一步研究路 面养护管理决策系统打下良好基础。 关键字：水泥混凝土路面断板裂缝破损需求分析评价预测决策分析 a b s t l a c t ， s i n c co nt h e8 0 sc t u 吼h i g h w a yc o n s t n l c t i o nh a so b t a i n e dr a p i dd e v e l 叩m to n o i l rc o u n t r y t h ed c v e l 叩m e n th 弱b r o u 曲tt h em a i l l t e n 柚c ew o r kt oa g g r a v a t ed a yb yd a y i ti ss a f e g u 缸df o rt l l em a dp m v i d i n gh i g l ls p e e d ，u n i m p e d e da n dc o m f o i ：【a b l e 鲥v i l l gf o r t l l ev e h i c l e st ok c 印r o a ds 曲c cs e n r i c cp e r f o 衄明c ef i n e t h e r c f o r e ，t h em a i n t e n a n c ea n d s u p e i s o r yw o r k0 ft h em a ds i l r f a c et op l a yt h ev e r ) ri m p o n 她tm l e a c c o r d i n gt ot h el a c ko ft h es y s t e m i ce x a m i i l a t i o no fr o a ds u r f h c em a i n t e n a n c c m a n a g e m e n t ， t h ep r e n t p o l i c y _ n l a l 【i l l gm a n a g c m e n t 0 f a p p r a i s a i a n dt h es c i e n c c m a i l l t a i n s0 no u rc o u n t 啦t l l i sa n i c l et a l 【e st h em 姐a g c m e n td e c i s i o n - m a l 【i n gq u e s t i o no f t l l ep m j e c tl e v ds u r f a c cm a i n t e n 龃c e 鹤t h er c s e a r c ho b j e c t b 髂i n go r c s e 砌i n g t h e d a m a g eo ft h 6b o a r dc m c kt ot h ec e m e n tc o n c r c t em a ds i l f f a c c 锄dd a i l ym a i n t a i n st ot h e c c m e n tc o n c r e t em a ds u r f a c e ，i tc a r r i e s0 nt h er e a s 0 n a b l e 印p m i s a la i l dt h ef o r e c a s tt ot h e m a ds u i a c e0 p e r a t i o n a lp e r f b 皿a n c e 如dt h es u r f a c cm a i n t e n a n c cd e m 勰d 衄a l y s i s ，t h e n m g a t e sp r o j e c tt e c 岫o l o g y 龃dt h ee c o n o m i c 】m o w l e d g et oc a 】吖o nt h ed e c i s i o n 龃a l y s i s a b l o u tm a i n t a i n s f i n a l l y ，i tu n i f i e s 山eh i g h w a ym a i t e n a n c cm a n a g e m e mt h ep r c s e n t s i t u a t i o ni nt b n g c h u 如d t ys h 姐x ip r o v i n c c ，a n dp r o p o s e st h em e t h o dw h i c hi sp u t f o 聊a r di n t h i s a m d e ，t h e ni th a sc a r r i e d o n c 鹤e 姐a l y s i s o ft h em a n a g e m e n t d e c i s i o n m a l 【i n ga b o u tt h ep r o j e c ti e v e ls u r f a c em a i n t 皿锄c c t h i sa n i d eh 勰f c s e a r c h e dt h r e eq u e s t i o n s ：t h er e s c a r c h0 n1 1 l e d a m a g ea b o u tt h e b r c a k so ft h eb o a r dc r a c ki nt h ec c m e n tc o n c r e t em a ds u r f a c c ，t h ed e m 她d 卸a l y s i sa b o u t s u r f a c em a i n t 弛c e ，m ec o u n t e 册e 勰u r c 衄a l y s i sd b o u ts i l r f a c em a m t e n 觚c c t h er c s e a r c h 鹊p e c to nt h ed a 匝a g ca b o u tt h eb r e a l 【s0 ft h eb o a r dc r a c ki nt h ec c m e n t c o n c r e t er o a ds u a c e ，t a l 【e st h ei n v e s t i g a t i o n 矗b a u tt h ec e m e n tc o n c r e t em a ds 1 1 】曲c ei n t 0 n g c h u a nc i t ys h 姐x ip v i n c c 硒t h eb 勰i s ，u n i f i 髂t h ed o m e s t i ca i l df b r e i 驴r e s e a r c h r e s u h s ，t oc o n d l l c tt h es y s t 锄r e s e 鲫c h0 nt h ep 喇b 玎m 弛c ec o n m t i 叻，t h er e a s o n ，t h e s e r v i c cm e t h o d 锄dt h es e r v i c ec r a f to nt h ed a 匝a g ea b o u tt h eb r e a k so ft h eb o 盯dc m c k ht h es u r f a c em 础a n c cd e m a n d 弛a 【y s i s 弱p e c t ，b a s i n go n 也er e s e a r c ho f 也e r e a s o n 卸dt h ed e v e l o p m e n t t e n 出m c y0 nt h ed a m a g ea b o u tt h eb a l 【so ft h eb o a r dc r a c ki n 也e 咖e mc o n a e 沁i o a d 跚西a c e ，f 眦e c 丛t s 也ei n n u e n c eo fe a c hk i n do fo p c r a t i 伽m p e r f b r m a n c ct a r g e ta b l o u tt h er o a d 蛐a c ed a m a g e s t 0t h em a ds u r f a c c 麟o n d b l y o nt h e m a ds u r f a c et o t a ll i f c c y c l ev i e 川) o i n t ，p r o p o s e st h ec o n c e p to ft h eb e s t t i m ef o r m a i n t a i n i n g h lt h es u r f a c cm a i l l t e n 姐c ec o u n t e n n e 硒u r ea n a l y s i sa s p e c t ，t h r o u g hb r e a l 【st h es e i c e m e t l l o d ，t h es e r v i c cc r a f tt ot h ec c m e n tc o n c r e t em a ds u r f a c ew h i c ht h eb o 盯dc r a c k d 锄a g e s ，a sw e l la sd a i l ym a i n t a i n se n g i e e r i n gr e s e a r c ha b o u tt h ec e m e n t n c r c t er o a d s l l r f a c c 缸l ds oo n ，a tt h es a m et i m eu n i 丘e st h ep r o j e c tt c c h n i c a le c o n o m i 鹤，m a i n t a i 晒t h e p l 龃t 0m a ds u r f a c ee a c h 伊o u pt 0c a l f r yo nt e c h i c a l 蛆dt h ee c o n o m yg e n e m l i z e d 缸a l y s i s ， o b t a i n st h ef c a s i b l et e c h n o l o g y ，t h ee c o n o m y 姐dr e a s 0 n a b l es c h e m eo ft h em a i n t a i n s 柚d s e r v i c ef i n a l l y f i i l a l l y ，t h i sa n i c l eh 够p r o d u c e dt h ep o l i c y m a k i n gd e m o 璐t r a t i o n ，h 笛c o n f i f m e dt h j s m e t h o da c c i l r a t e l y 孤du s a b i l i ty i th 鹤b u i l tt h eg o o df 0 i l n d a t i o nf o rf u r t h c rs t u d i e s 曲1 0 u t t h em a i l a g c m e n td e c i s i o ns y s t e mo fs u r f a c em a i n t e n a l l c c k e y w o r d s ：t h e c e m e n tc o n c r e t er o a ds u r f a c c t h ed 锄a g ea b o u tt l l eb 咒a l 【so ft h eb o a r d c r a c k t h ed e m a i l da n a l y s i s 印p r a i s a lf o r c c 鸥t d e d s i o na n a l y s i s 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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：夏琳2 一杉年z 月，日 幺琳 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： 爻却k 天肆木 j 。a 多年占月日 导师签名： 石绝凡 沙9 ，年月岁日 石勇乙 第1 章绪论 1 1问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 我国公路建设事业历经数十年的发展，取得了辉煌的成就：截止到2 0 0 5 年底， 全国公路总里程已达到1 9 2 万公里。高速公路从2 0 世纪8 0 年代末期开始建设到9 0 年代末期，赶上国家实施积极财政政策的大好形势，通车规模从1 9 9 8 年至2 0 0 3 年实 现了几个大跳跃：1 9 9 8 年高速公路里程突破5 0 0 0 公里，1 9 9 9 年突破1 万公里大关， 2 0 0 0 年突破1 6 万公里，2 0 0 5 年底达到4 1 万公里，跃居世界第二位“1 。 公路建设的飞速发展，使养护行业面临着越来越严峻的挑战。“公路大提速，管 。养当先行”，公路投入运营里程的增多需要养护的路面也随之增加，道路的维护问题 日益提上日程。早期修建的公路大多已接近使用年限，需要翻修和改建：近期修建的 公路，由于诸多原因，有的出现了不同程度的损坏，路面使用功能和服务水平逐渐降 低。为使建成的公路发挥应有的经济效益，交通部提出公路发展要建养并重在公路养 护政策中明确提出：“预防为主，防治结合”的公路养护工作方针。 道路在使用的过程中，路面不仅经受着车辆直接荷载的作用，还要经受自然界风 霜雨露的作用，而且是道路使用状况的最直观表现，因此，公路的养护工作重点在于 路面的养护。路面养护不但包括路面养护手段、方法及技术的可行性，更重要的是要 根据路面的损坏情况适时地制定合理的维修计划来分配有限的资金。而公路的养护资 金非常有限，如何合理地分配有限的养护资金，提高科学决策方案，把路面状况指数 与养护费用联系起来，选择最优的维修时机与维修方案，利用有限的资源，以尽可能 小的经济投入获得最大的效益，是当前要解决的主要问题。 1 1 2 路面养护管理系统及其分类 路面养护管理既不同于路面设计与施工，也与传统的公路管理有所区别，是一个 复杂的动态决策系统，涉及了道路工程、交通工程、系统工程、管理工程、决策论、 运筹学、技术经济等多门学科以及计算机、通信、检测等多种技术。 路面养护管理系统是指通过应用系统分析的方法，综合考虑技术、经济、社会和 政治等方面因素，协调各项路面养护管理活动，促使路面养护管理工作的过程系统化。 1 按不同的管理层次的需要，路面养护管理系统可分为网级路面养护管理系统和项目级 路面养护管理系统。 网级路面养护管理系统包括一个区域的公路网或一大批工程项目，涉及整个公路 网、用于制定路网养护决策、确定路网养护需求和养护费用优化分配的宏观分析系统， 其决策基础是整个路网，目标是追求系统整体效益的最大化，其主要任务是为公路管 理部门进行关键性决策提供依据。其作用是制定养护方针，确定分配方案，分析费用 需求，确定项目优先顺序，为管理部门在进行关键性行政决策时提供依据0 1 。 网级路面养护管理系统的服务对象为省级公路管理部门，系统的组成要素见图 1 1 。 图卜1 网级路面管理系统的基本要素 项目级路面养护管理系统则是以具体项目为研究对象，从技术和经济的角度分析 养护方案的系统，系统往往受到网级路面管理系统所确定的资金和时间条件约束，其 目标是实现项目效益的最优化，主要任务是为公路管理部门对某一工程项目进行技术 决策提供依据，通过路面评价、优先排序、选择处治方法分析费用寿命期，制定具体 的路面养护计划，为管理部门对某一工程项目进行技术决策时提供对策以选用费用效 2 果最佳的方案。项目级路面养护管理系统的服务对象为省级公路管理部门及其辖的公 路管理单位。3 ，其基本组成要素如图卜2 。 图卜2 项目级路面管理系统的基本要素 项目级路面管理系统依据网级系统所给定的约束条件，把该计划项目有关的设 计、施工、养护和改建活动组织协调在一起进行周详的考虑。通常，新建或改建路面 的设计都是按预定的服务年限( 设计年限) 提出结构断面方案，而并不分析寿命周期 的经济性。也不考虑初期修建同养护和改建( 铺加铺层) 的相互影响。项目级管理系 统可以对考虑设计、施工、养护和改建的各个方案的费用和效益进行比较，从中得出 可以在分析期内以最低的总费用提供要求的服务水平或效益的最佳对策方案。图卜3 中所示即为实现这一切功能的项目级管理系统的流程图”。 3 输入 路面使用性能参数 材料、交通、环境 分析期 l 路面结构分析模型1 一二二：。二：二= 增加厚度或强度 上 或者采取改建 上0 ( 加铺层) 措施 1 结构损坏il 使用性能预估i li 上 否 l 寿命周期是否能达到+ 一可靠度 b 0 l 费用： 寿命周期费用分析i + 一兰垂：篁登登门) i 间接用户 f 经济评价 f 申 i 最后方案选择 i i 预算 i l 工 掣 使用性能监测 上 _ j 数据管理系统 1 i 数据库 设 计 子 系 统 经 济 子 系 统 优 化 子 系 统 图卜3 项目级路面管理系统流程图 1 1 3 研究意义 公路在我国的综合运输网中发挥着重要的骨干和支柱作用，对道路进行适当的养 护维修，有利于保持公路良好的使用状态和服务水平，有利于向使用者提供安全、快 捷、舒适、经济、优美的行车环境，有利于树立公路的对外形象，最终提高公路的经 济效益和社会效益。 4 根据发达国家的经验，公路的发展，最初以基础建设为主，逐步向运营管理和养 护管理过渡，最后在公路网建成以后，公路发展则以运营管理和养护管理为主。公路 养护管理系统的建立和设旌，对减少和延缓各种设施的损坏，充分发挥和利用各种设 施的功能，维护和提高公路的服务水平，以及养护资金的合理投向和养护决策的科学 化、系统化、现代化，具有重要意义。 实施路面养护管理系统研究的现实意义在于：帮助管理部门改善所要做出的决 策，扩大了决策范围，为决策效果及时提供反馈信息，以积累管理经验，并保证在公 路管理部门内部的协调一致。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪6 0 年代，美国、加拿大等发达国家大规模的公路建设己经基本结束，公 路部门的任务开始由公路的规划、设计、施工转移到了如何管理和维护这些耗资巨大 的公路设施上。1 。 美国在二十世纪7 0 年代末8 0 年代初进行的一次路况普查终发现，由于平时疏于 养护维修，为维持交通运输正常运行，仅沥青路面急需重铺的费用就高达4 0 0 0 亿美 元；因公路病害导致交通阻塞，延误运输时间每年约2 0 万小时，由此造成的损失到 二十世纪末约达7 3 0 亿美元。因此，美国联邦公路局不得不于上个世纪8 0 年代初调 整政策，提出今后公路工作的重点就是加强养护、路面补强、旧桥加固、完善交通设 施，并用现代技术装备武装各级公路养护机构，严格控制新建工程项目，对现有公路 网进行调整，全力实施“4 r ”工程，即强化现有公路的修复工程( r c s t o r a t i o 璐) 、罩 面工程( r e s u r f a d n g ) 、再生利用工程( r c c y c l e ) 和改建工程( r e n s t r l l c t i o n s ) ，从 而使公路运输效率得到提高【4 】。 从此，自2 0 世纪7 0 年代后期起，一些发达国家的许多州或省相继建立和实施路 面养护管理系统，较有代表的有：美国加利福尼亚州路面管理系统是在1 9 7 8 年建成并 实施的一个网级系统，该系统功能较简单，它实质上是一个公路数据库；亚利桑那州 路面管理系统( n o s ：n e t w o r ko p t i m i z a t i o ns y s t e m ) ，是在j o h nz a n i e w s k i 领导下建 立，供财政规划用的网级优化系统；美国陆军t 一兵团的p a v e r 系统，该系统包括三 个重要部分：路况分析、路况预测、养护维修计划等，主要特点是最先提出用扣分法 计算路况指数( p c i ：p a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x ) ，该方法由于思路严密、清楚被广泛 5 应用，最近p a v e r 系统又进行了更新、完善；新加坡提出了基于遗传算法的路面养护 决策系统( p a v e n e t ) 。加拿大阿尔伯达省的路面信息和需求系统( p i n s ) 以及英国运输 和道路工程研究所r r l ：t r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c h r o a d1 a b o r a r y ) 的公路养护评价系 统( c h a r t ) 等【5 1 。 目前，世界各发达国家均采用科学的方法对公路路面的使用品质作连续跟踪观 察，并及时预报路况变化的趋势，在路况变化达到一定限度时，及时采取现代化的养 护对策，快速进行修复，使公路路面的使用品质始终保持在良好的状态。 1 2 2 国内研究现状 我国自古就有养护道路的优良传统。西周时期就设“司空”，负责按季节整平道 路，并规定“列树以表道，立鄙食以守路”、“雨毕而除道，水涸而成梁”。这些规定 历代相传，逐渐在人民中树立起修桥补路食美德的传统观念【小。 但真正地对路面养护管理工作进行科学的研究，在我国开展的相对较晚，开始于 上世纪八十年代，最早的路面管理系统是交通部公路研究所与英国合作在辽宁营口移 植的地区级路面管理系统。“七五”期间是我国路面管理系统研究的高潮，开发了 一系列省市级或地区级路面管理系统。在对路面使用性能评价研究的基础上，潘玉利、 曾沛霖提出了我国普通公路网级路面系统的基本构架和一些模型【6 】m 。同济大学和北 京、广东省公路管理局合作进行了路面管理系统的研究工作，参考美国陆军工兵团的 p a v e r 系统，建立了普通沥青路面使用性能评价指标、评价方法和评价标准，确定了 路面大中修对策的选择方法【8 】【9 】。刘伯莹分析了网级路面管理系统的结构框架，建立 了砂石路面的养护对策分析、使用性能预估和经济分析模型，研究了水泥混凝土路面 使用性能的评价方法和指标、在预测路面使用性能时采用了马尔可夫法，初步分析了 动态规划模型【加l 。目前正在全国范围内推广由交通部公路科学研究所开发的c p m s ， 它也是一个网级的路面管理系统，该系统中路面使用性能评价、预测、养护决策模型 都是基于回归技术网。 与发达国家相比，当前我国的公路养护与管理工作还处于摸索研究、积累经验阶 段，路面养护管理系统尚不完善。在对某个项目进行养护决策分析时，主要考虑的是 路段当前的路面使用状况和可使用的资金状况，不能站在项目整个寿命周期的高度进 行综合分析，这在一定程度上造成了国家资源的浪费。大多数公路养护都是被动的矫 正性养护，路面修复往往是哪儿坏修哪儿，头痛医头，脚痛医脚。相当比例的高速公 路、等级公路仅通车2 3 年就要进行修补。出现这种状况的主要原因在于：一方面， 6 养护资金严重短缺，养护设备不足、不配套的状况影响现有公路的通行能力和服务质 量；另一方面，过去对公路路面的养护管理缺少系统的检测、评价和科学的决策管理 手段，仅靠对路面状况的定性了解和传统的经验型管理进行决策，缺乏对路面破损及 程度的定量分析，使制定出的养护方案不尽合理，造成了资金浪费、路面质量下降及 费用重复性投入的上升。 、 近年来，路面的预防性养护是国内外研究热点。路面的预防性养护是指在路面未 出现明显损坏之前所进行的路面养护维修工作，它可以延缓由于交通和环境载荷的作 用而引起的路面性能的恶化并延长路面的寿命、减少路面周期养护费用，其经济效益 十分显著。美国s m 心计划一个重要成果就指出了预防性养护在延缓路面使用性能恶 化速率、延长其使用寿命和节约寿命周期费用方面的重要意义。根据s 心计划估算， 在整个路面寿命周期内进行3 _ 4 次的预防性养护可以延长使用寿命1 0 1 5 年，节约 养护费用4 5 5 0 【1 1 】。预防性养护的成功与否及其效益与进行预防性养护的时机密切 相关，在确定了养护的时机之后，要根据路面等级、路况、环境的不同，选择不同的 预防性养护技术和设备。这一系列的问题目前国内外还没有很好的解决办法，这些问 题都是我们以后努力的方向和目标。 基于当今养护工作的发展，同时结合我国路面检测、养护资金状况等现状，本文 旨在以项目整个寿命周期的角度，进行一种带有预见性的项目级路面养护管理决策优 化研究，无论是在决定路段的养护时间上，还是养护维修方法上，都对路段的过去、 现在、未来进行分析，并结合路段所处的地理位置、地质水文状况、交通荷载情况等 进行综合研究，最终得出路段的最优养护决策方案。 1 - 3 研究的主要内容和方法 1 3 1 研究的主要内容 论文在水泥混凝土路面断板裂缝破损研究和水泥混凝土路面日常养护研究的基 础上，通过对水泥混凝土路面养护需求分析和养护决策分析，对项目级路面养护管理 系统进行优化，最终得出合理的路面决策方法。 养护需求分析即为养护最佳点的选择，主要表现养护作业的时间特性，它反应两 个方面：第一，定时对路段进行路面破损调查，对调查到的各项路面破损状况，进行 路面状况检测和路面破损研究，分析破损发展趋势；第二，对路面破损发展日趋严重 的路段及时予以养护维修。 7 养护决策分析即为最佳养护方法的选择，主要反映养护作业的技术特性，它同样 包括两方面的内容：第一，对同一种路面破损状况要综合考虑使用不同的养护维修方 法对路面的使用性能影响和经济效益分析：第二，根据路段所处地理位置及破损产生 原因，同时结合相似路段的历史资料，合理预测使用各种维修方法所产生的远期技术、 经济效益。最后，综合考虑两者的效果，选择最适合该路段的养护维修方法。 与传统养护作业不同的是，这种养护方法带有保护路面、防止病害的进一步扩展 和以减缓路面使用性能的恶化速率以及延长路面使用寿命的作用。采取这种方法的目 的是：保持路面良好的使用性能延长路面的使用寿命，提高道路使用质量，减少路面 寿命周期的成本，节约养护维修资金，是一种费用一效益十分良好的养护措施。经测 算在适当时间采取养护措施，养护前期投入1 元钱相当于后期路面矫正性修补投入 5 7 元钱而且还可以延长路面的使用寿命，从某种意义上说就是道路建设的延续。 论文主要研究内容如下： ( 1 ) 水泥混凝土路面断板裂缝损坏及路面养护的研究 通过翔实的调查以及对国内外以往成果的整理总结，对水泥混凝土路面断板裂缝 损坏的发展过程、成因分析、维修措施以及路面日常养护技术进行研究，为路面养护 决策提供技术依据。 ( 2 ) 路面使用性能评价及预测 针对水泥混凝土路面断板裂缝破损，调查路面破损状况，并以此分析路面当前的 功能性能、结构性能、安全性能等使用性能。同时，结合路段所处地地质水文状况及 交通荷载状况合理预测路面使用性能的发展，以此做出路面养护需求分析。 ( 3 ) 路面养护决策分析 针对水泥混凝土路面断板裂缝破损现状和发展趋势，对各种技术可行的破损维修 方法进行经济分析和后期使用效果预测，最终选择维修效果和经济效益综合最优的养 护维修方案。 ( 4 ) 以铜川市某段水泥混凝土路面为例进行案例分析，运用本文所提出的研究 方法与模型提出养护决策方案。 1 2 2 研究方法 论文的研究重点是公路项目级路面养护管理系统的决策优化，即研究基于某个路 段。由于水泥混凝土路面的断板裂缝病害具有表象直观、分布范围广、各发展阶段易 于划分等特点，本文将以水泥混凝土路面断板裂缝病害的研究作为主要技术依据，采 r 用的主要方法为： ( 1 ) 现场调查 主要调查水泥混凝土路面断板裂缝破损现状，同时调查路段所处地理位置的地质 水文、交通荷载状况，并收集路段修建资料，为下一步分析研究提供现实依据。 ( 2 ) 评价与预测 依据收集的各项资料，对路面当前的各项使用性能指标进行评价。同时分析路面 破损的产生原因、发展趋势，并以此为基础，结合路段以往使用相能变化规律，预测 路面各项使用性能。 ( 3 ) 分析研究 针对路面破损状况，以及路面使用状况的评价与预测，对各种养护维修方法进行 反吸研究，选择可行的养护维修方法。 ( 4 ) 决策选择 结合水泥混凝土路面断板裂缝病害的工程知识，运用经济学知识，对养护资金进 行优化分析，使得资金的投向比较合理，得到尽量大的效益。 论文预期达到的研究目标是：站在公路全寿命周期的高度上，改善路面养护决策 优化问题，优化公路项目级路面养护管理系统，提出适合我国公路实际情况的预防性 养护管理的基本方法，为实现路面养护管理的科学化和现代化提供决策支持。 9 第2 章水泥混凝土路面断板裂缝破损研究 水泥混凝土路面在其使用期间，要承受数百万次的汽车荷载作用，与此同时，还 要受到不同水文、气候周期变化影响，最终导致水泥混凝土路面产生各种各样的损害。 有接缝的水泥混凝土路面，首先会在接缝处发生破坏，而后在面板上会产生细裂缝， 随后裂缝扩展而发生剥落、错位，产生结构性破坏，严重影响路面的使用状况。 2 1 水泥混凝土路面断板裂缝病害的分类与分级n 2 1 2 1 1 混凝土路面断板裂缝病害分类 贯穿水泥混凝土面层的断裂裂缝，按裂缝出现的方位和板断裂的块数，分为下列 四种病害。 ( 1 ) 平行或近于平行路面中心线的纵向裂缝。 ( 2 ) 垂直或斜向路面中心线的横向或斜向裂缝。 ( 3 ) 从板角隅到斜向裂缝两端的距离小于1 8 m 的角隅裂缝。 ( 4 ) 两条以上裂缝交叉，使板断裂成3 块以上的交叉裂缝和断裂板。 2 1 2 水泥混凝土路面断板裂缝病害分级 1 ) 纵向、横向或斜向裂缝和角隅断裂病害，按裂缝缝隙边缘碎裂程度和缝隙宽 度，可分为下列3 个轻重程度： ( 1 ) 轻微 缝隙边缘无碎裂或错台的细裂缝，缝隙宽度小于3 唧；或者，填封良好、边缘无 碎裂或错台的裂缝。 ( 2 ) 中等 缝隙边缘中等碎裂或错台小于1 0 衄的裂缝，且缝隙宽度小于1 5 衄。 ( 3 ) 严重 缝隙边缘严重碎裂或错台大于1 0 眦的裂缝，且缝隙宽度大于1 5 砌。 2 ) 交叉裂缝和断裂板病害，按裂缝等级和断裂的块数可分为下列3 个轻重程度 等级： ( 1 ) 轻微 板被轻微裂缝分割成2 3 块。 1 0 ( 2 ) 中等 板被中等裂缝分割成3 4 块， ( 3 ) 严重 板被严重裂缝分割成4 5 块， 或被轻微裂缝分割成5 块以上。 或被中等裂缝分割成5 块以上。 2 2 水泥混凝土路面轻度断板裂缝病害研究 2 2 1 破损状态及破损原因 水泥混凝土路面轻度断板裂缝病害一般表现为裂缝宽度小于3 蚴的表面裂缝( 或 称龟裂) 。其表现形态见图2 1 。 ( b ) ( c ) ( d ) 图2 1 ( a ) 水泥混凝土路面轻度横向裂缝 ( b ) 水泥混凝土路面轻度断裂板 ( c ) 水泥混凝土路面轻度角隅断裂 ( d ) 水泥混凝土路面轻度交叉裂缝 由于发生轻度断板裂缝的水泥混凝土路面一般都在投入使用的初期，季节、气候 1 1 以及行车荷载对其破损的影响不是很大，产生破损的主要原因是原材料的不合格、施 工质量控制不严、初期养护不当以及特殊路基处理不当等原因造成的。 2 2 2 路面轻度断板裂缝维修措施 轻度断裂在平面上一般未裂通，或是刚裂通不久的裂缝。裂缝处于初期发育形态， 在素混凝土板中，一般不会维持很久。因此，对于未裂通的轻度裂缝，原则上不予处 理，对于已裂通的裂缝，应采取灌缝或封缝处理。常用灌入粘结剂的方法或扩缝灌浆 法进行修补。 对于轻度断裂板病害，一般是轻度裂缝病害进一步开裂形成的，应采取封闭裂缝 等方法控制其发展，以维持路面正常使用。 对于轻度角隅病害，可对其实施封缝处理以维持正常使用。 2 2 3 路面轻度断板裂缝病害维修施工技术“3 卜j 1 ) 灌入粘结剂法 ( 1 ) 修补材料的选择 一 粘结剂材料有聚胺脂、聚硫环氧树脂( 聚硫橡胶+ 环氧树脂) 、甲凝、环氧树脂 ( 6 1 0 6 、6 3 4 3 、6 1 8 等品种) 、日产b i g r o u t 等高分子树脂工程材料，根据不同情况 选择不同的粘结剂。 宽度小于1 5 珊的裂缝，宜采用聚硫改性环氧树脂( m ( 聚硫橡胶) ：m ( 环氧树 脂) = 1 6 ：( 2 1 6 ) 的比例配制而成) ，其抗拉强度可达3 2 m p a 。特点是能改善环氧树脂 的耐老化性能和脆性。 宽度在1 5 2 5 姗的裂缝，采用聚胺脂( m ( 多元醇和多异氰酸脂预聚体) ：m ( 固 化剂) = 1 0 0 ：2 7 的比例配制而成) ，这种材料的特点是耐低温、气候适应性强、在潮湿 及碱性介面处，能与介面紧密结合，其抗弯拉强度可达6 5 肝a 。 宽度在3 砌左右的裂缝宜采用日产b l g r o u t 高分子粘结剂( m ( 主剂) ：m ( 固化 剂) = 2 ：1 的比例配制而成) ，其抗弯拉强度可达6 5 肝a ，具有收缩性小、粘度低、耐 老化和延伸性好等优点，但要求介面干燥，不利于雨季施工。 ( 2 ) 修补方法 粘结剂灌入方法分为：直接灌入法、喷嘴灌入法、钻孔灌浆法、注射器注射法。 直接灌入法 适用于施工中产生的混凝土收缩裂缝。在未通车前，一旦发现混凝土板出现裂缝， 可用聚硫环氧树脂材料等直接灌注。 喷嘴灌入法 适用于通车路段冬季修补裂缝。 操作工序：清缝一埋设灌浆嘴封闭裂缝一配灌缝材料一灌浆一加热增强。 清缝：采用压缩空气配特制喷嘴( 鸭嘴形为好) ，用细铅丝小钩子掏除缝隙中的泥 土等杂物，用压缩空气喷枪吹净灰尘。 埋设灌浆嘴封闭裂缝：灌浆嘴一般约3 0 c m 设一个，用按l ：2 配比的松香和石蜡 加热熔化粘住裂缝，再用胶布将缝口贴好，并涂上松香和石蜡。 配灌缝材料：根据缝口宽窄及要求开放通车时间，选用适宜的灌浆材料及配比混 合调匀倒于小铝锅中。 灌浆：将配制好的灌浆材料倒入有机玻璃管注射器或其它特制的灌浆器中，一般 宜在3 0 4 0 m i n 以内用压力将灌缝料由各灌浆嘴中灌入缝中，至灌满将要顶动上面的 胶布为止。其上宜加层水泥浆或砂浆抹面并喷养护剂，使表面颜色一致。 加热增强：一般宜用红外线灯或装有6 0 1 0 0 w 灯泡的长条形灯罩，在已灌浆裂 缝上加温，温度控制在5 0 6 0 ，加热1 2 h ，即可开放通车。 钻孔灌浆法 适用于非冬季修补裂缝。其施工步骤为： 沿裂缝用冲击电钻打一排直径为1 5 衄的孔槽，以形成一带状槽； 用压缩空气喷枪伸入槽孔内清除混凝土残屑； 向孔槽内填洁净的小碎石( 直径5 l o 衄) ； 沿孔槽灌浆； 用乳胶拌和水泥覆盖装饰槽口； 用红外线灯加热1 2 h ，促使灌浆料强度增加，即可开放通车。 注射器注射法 此法适用于通车时间短，裂缝内杂物少，较清洁、干燥，裂缝宽度在3 咖左右的 路面断裂修补。 其操作工序：清缝一配灌缝材料一注射器注射。 清缝：采用空气压缩机配特制喷嘴吹干净缝隙，并配细铅丝小钩子充分掏尽缝隙 中的泥土等杂物。 配灌缝材料：将小包装主剂与固化剂按2 ：1 的比例掺配。一般小包装为1 k g 混 合剂分a 桶主剂o 6 7 k g 和b 桶固化剂0 3 3 k g 二个桶装，操作时只需将回化剂直接倒 入主剂中，搅拌至颜色均匀即可。 注射器注射：使用5 0 m 1 医用注射器抽入混合剂，插入缝隙注射( 可不使用针头) ， 由中线向两边逐点注射至缝隙填满。若先注射段落渗入较多，应及时补注至饱满，若 1 5 m i n 内不再渗入则可认为己注满缝隙。整个缝隙注射完成后，撒少许干水泥拌砂混 合料覆盖，3 小时后即可开放通车。该操作应在配料开始9 0 m i n 内完成，否则材料将 凝固无法使用。 2 ) 扩缝灌浆法 ( 1 ) 顺着裂缝用冲击电钻将缝口扩宽成1 5 2 c m 沟槽，槽深根据裂缝深度确定， 最大深度不得超过2 3 板厚。 ( 2 ) 清除混凝土碎屑，用压缩空气吹净灰尘，填入粒径o 3 0 6 c m 的清洁石屑。 ( 3 ) 采用聚硫环氧灌缝材料，按配比混合均匀并倒入灌浆器中。 ( 4 ) 将灌缝材料灌入扩缝内。 ( 5 ) 灌缝材料需要加热增加强度时，宜用红外线灯或装6 0 瓦灯泡的长跳线灯罩 加热，温度控制在5 0 6 0 ，加热1 2 h 即可通车。 2 3 水泥混凝土路面中等断板裂缝病害研究 2 3 1 破损状态及破损原因 随着水泥混凝土路面投入使用，路面的断板裂缝病害进一步恶化，水泥混凝土路 面中等断板裂缝病害一般表现为裂缝宽度在3 1 0 锄的横向、纵向、斜向及交叉裂缝， 及其引起的混凝土面板断裂。其表现形态如图2 2 所示。 1 4 ( b ) ( c )( d ) 图2 2 ( 8 ) 水泥混凝土路面中等横向裂缝( b ) 水泥混凝土路面中等纵向裂缝 ( c ) 水泥混凝土路面中等斜向裂缝( d ) 水泥混凝土路面中等断裂板病害 产生中等断板裂缝病害的原因，除了在道路使用初期影响原因仍在作用以外，车 辆荷载和季节、气温交替变化进一步促进了路面断板裂缝病害的恶化，另外，在使用 初期产生的轻度破损由于没有得到及时的养护维修措施，在雨雪天气，水分进入路基， 也加剧了路面的破坏。 2 3 2 路面中等断板裂缝病害的维修措施 中等裂缝病害是轻度裂缝进一步发展的结果，对于中等裂缝常用直接灌浆法、条 带罩面补缝法、局部修补法三种方法进行修补。 路面中等断裂板病害，一般是轻度破碎板或中等裂缝板进一步开裂形成的，应采 取封闭裂缝等方法处治，或与相邻的严重破碎病害板一并进行整板更换，以维持路面 正常使用。 2 3 3 路面中等断板裂缝病害的施工技术“町 枷 1 ) 直接灌浆法 对于宽度大于3 姗且没有碎裂的裂缝，可采取直接灌浆法。其施工步骤为： ( 1 ) 将缝内泥土、杂质清除干净，确保缝内无水、干燥。 ( 2 ) 在缝两边约3 唧的路面上及缝内涂刷一层聚氮酯底胶层，厚度为0 3 o 1 衄，底胶用量为0 1 5 k g 艋。 ( 3 ) 将环氧树脂与固化剂等灌浆材料，按比例配制好，搅拌均匀后直接灌入缝 内养护2 4 h ，即可开放交通。 2 ) 条带罩面补缝法 对于贯穿全厚的大于3 咖小于1 5 姗的中等裂缝，宜采取条带罩面进行补缝。其 施工步骤为： ( 1 ) 顺裂缝两侧各约1 5 c m ，且平行于缩缝切7 c m 深的两条横缝，如图2 3 ( a ) 所示。 ( 2 ) 在两条横缝内侧用风镐或液压镐等凿除混凝土，深度以7 c m 为宜。 ( 3 ) 沿裂缝两侧每隔5 0 c m 钻一对钯钉孔，其直径各大于钯钉的直径相一致的钯 钉槽。 ( 4 ) 钯钉宜采用巾1 6 衄螺纹钢筋，钯钉长度不小于2 0 c m ，弯钩长7 c m 。 ( 5 ) 将孔槽内填满快凝砂浆，把除过锈的钯钉插入钯钉孔内安装。 ( 6 ) 将切割的缝内壁凿毛，清除松动的混凝土碎块及表面松动的裸石。 p ￥与 卜钯钉；2 一新浇混凝土 图2 3 条带补缝( 单位：c m ) ( 7 ) 将修补混凝土毛面上刷一层粘结砂浆。 ( 8 ) 浇注快凝混凝土，并及时振捣密实、抹光和喷洒养护剂。其喷洒面应延伸 到相邻老混凝土面板2 0 c m 以上。 ( 9 ) 在修补补块的面板两侧，用切缝机加深缩缝，并灌注填缝料。如上图3 3 ( b ) 所示。 3 ) 局部修补法 板面局部断裂损坏，进行小块修复时，应视板面断裂损坏程度不同分三种方式修 补： ( 1 ) 对于裂缝轻微剥落、裂缝宽度在3 5 锄的断裂，先沿缝按3 5 c m 宽画线 放样，按画线范围开凿成深5 7 c 的长方形凹槽，将凹槽洗刷干净后用快凝聚合物 1 6 水泥混凝土捣实填平即可。 ( 2 ) 对于裂缝宽度在5 砌以上且有轻微剥落的断裂，应按裂缝两侧至少各2 0 c m 的宽度放样，按画线范围开凿成深至板厚一半的凹槽，此凹槽应与中线垂直，刷洗干 净凹槽，在凹槽底部裂缝的两侧用冲击钻沿与中线平行方向，间距3 0 4 0 c m ，打眼 贯通至板厚达基层