（交通运输工程专业论文）高速公路维修设计方案研究.pdf

摘要 我国高速公路九十年代进入建设高峰期，目前逐渐进入大修期，今后大修任务将非常 繁重。大修和新建不同，情况复杂，约束条件较多，具有特殊性。目前高速公路维修方 面还没有成熟的经验，本文借济青路大修机会，总结分析病害原因，根据交通发展状况， 设计不同的维修方案，跟踪方案效果，经过实践检验，总结和积累经验，寻找适用的最 佳方案，具有现实意义和工程意义，实践效果理想的方案可供同类工程参考和借鉴。 论文内容分为道路和桥梁二部分。 调查了原设计的路基结构，调查分析了路基存在的问题，分析了施工和设计中的路 基强度指标，指标的主要影响因素、控制方法和对工程质量的影响程度。研究了路基材 料和土的性质的关系；压实度和回弹模量及最佳含水量的关系等。 调查了济青路路面结构、路面病害，分析病害原因，确定济青路大修方案的设计原 则，设计年限，分析经济技术条件，预测交通量及发展速度，分析处理弯沉数据并划分 路段，根据损害程度拟定方案，采用多层弹性体系设计模型计算路面结构，经济技术比 较确定最佳维修方案，跟踪评价了方案效果。 论文全面调查了济青路桥梁主要病害，分析原因制定维修方案，对各种方案的适用 条件、效果作了分析和评价。针对桥台具有造价高、维修困难的特点，对高填土路基的 桥台更容易出现病害的问题，详细的分析研究了高填土路基桥台损坏原因及特点，提出 了适用于高填土路基的三种新桥台形式。 设计方案均已在实际工程中应用，路面维修设计方案在济青高速公路应用，高桥台 在京珠高速公路应用，都取得了满意的效果。路面和桥台设计方案均已建成通车二年， 回访调查效果良好，对同类工程有借鉴和指导意义。 关键词：高速公路；路面病害；桥梁病害；桥台结构；维修方案 a b s t a c t t h e9 0 。si ns u p e r h i g h w a yi no u rc o u n t r ye n t e r st h ed e v e l o p m e n t sh i g hp e a kp e r i o d ， e n t e r i n gt h eb i gf i x i n gt h ep e r i o dg r a d u a l l yn o w , f r o mn o wo nb i gf i xm i s s i o nw i l lv e r y h e a v y i ti sb i gt of i xd i f f e r e n tf r o mn e w l ys e tu p ，t h ec i r c u m s t a n c ei sc o m p l i c a t e d ，c o n t r o l i n g t h et e r mm o r e ，h a v et h es p e c i a l c u r r e n tt h es u p e r h i g h w a ym a i n t a i n sa s p e c tr e t u r nw i t h o u tm a t u r ee x p e r i e n c e ，t h i st e x t b o r r o w st h eb i go p p o r t u n i t yt of i x i nj i q ir o a d ，s u m m a r ya n a l y s i st h ed i s e a s eh a r m st h e r e a s o n , d e v e l o p p i n gt h ec o n d i t i o na c c o r d i n gt ot h et r a n s p o r t a t i o n ，d e s i g n i n gt om a i n t a i nt h e p r o j e c td i f f e r e n t l y , f o l l o wp r o j e c tr e s u l t ，h a sb e e np r a c t i c e dt h ee x a m i n a t i o n ，t a l l yu pw i t h b a c k l o ge x p e r i e n c e ，l o o kf o rt h eb e s tp r o j e c tt h a ta p p l y , h a v et h er e a l i s t i cm e a n i n gw i t l e n g i n e e r i n gm e a n i n g ，p r a c t i c et h ep r o j e c to ft h er e s u l ti d e a lc a n sb ep r o v i d e da so ft h es a m e l 【i n de n g i n e e r i n gt oc o n s u l tw i t hd r a wl e s s o n sf r o m t h et h e s i sc o n t e n t si sd i v i d e di n t ot h er o a dw i t ht h eb r i d g et w op a r t i n v e s t i g a t e dt h er o a d b e dc o n s t r u c t i o no ft h eo r i g i n a ld e s i g n ，i n v e s t i g a t et h er o a d b e d t h a t a n a l y z e dt h ep r o b l e me x s i t s ，a n a l y z i n gt h ec o n s t r u c t i o nw i t ht h er o a d b e ds t r e n g t hi n d e xs i g n t h a td e s i g nt h ei n s i d e ，t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r , c o n t r o lm e t h o do ft h ei n d e xs i g nw i t ht ot h e i n f l u e n c ed e g r e eo ft h ee n g i n e e r i n gq u a n t i t y s t u d i e dt h er o a d b e dm a t e r i a lw i t ht h er e l a t i o no f t h ek i n do ft h es o i l ；p r e s ss o l i dar e l a t i o nf o rw i t hr e t u r n i n gt op l a yt h em o l dm e a s u r e sa n d c o n t a i nb e s tt h ew a t e rm e a s u r e se t c i n v e s t i g a t i n gt h ej i q ir o a dr o a dc o n s t r u c t i o n ，r o a dd i s e a s eh a r m s ，a n a l y z i n gt h ed i s e a s e h a r mt h er e a s o n ，m a k i n gs u r et h ej i q ir o a dt h eb i gf i x i n gt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ep r o j e c t ， d e s i g nt i m el i m i t ，a n a l y z et h ee c o n o m i ct e c h n i q u et e r m ，p r e d i c tt r a f f i c v o l u m ea n d d e v e l o p m e n ts p e e d s ，a n a l y z et oh a n d l et ob e n dt os i n kt h ed a t aa n dd i v i d et h el i n er o a d s e g m e n t , a c c o r d i n gt oi n j u r et h ed e g r e et h ed r a w - u pt h ep r o j e c t ，a d o p tm a n yl a y e rf l e x i b i l i t y s y s t e md e s i g nm o d e lc a l c u l a t i o nr o a dc o n s t r u c t i o n ，e c o n o m i ct e c h n i q u ec o m p a r ec e r t a i n m a i n t a i nt h ep r o j e c tb e s t ，f o l l o wt oe v a l u a t et h ep r o j e c tr e s u l t t h et h e s i si n v e s t i g a t e dc o m p l e t e l yt h em a i nd i s e a s ei nb r i d g ei nj i q ir o a dh a r m s ， a n a l y z i n gt h er e a s o ne s t a b l i s h m e n tm a i n t a i nt h ep r o j e c t ，m a k i n gt h ea n a l y s i st ot h es u i t a b l e f o ru s et e r m ，r e s u l to fe v e r yk i n do fp r o j e c tw i t he v a l u a t e a i m i n ga tt h eb r i d g es e th a st h ep r i c eo fb u i l dh i g h ，m a i n t a i nt h ed i f f i c u l tc h a r a c t e r i s t i c s ， t 0l l i g hf i l lt h eb r i d g es e to ft h es o i lr o a d b e dt oa p p e a rt h ep r o b l e mt h a td i s e a s eh a r mm o r e e a s i l y , t h ed e t a i l e da n a l y s i ss t u d i e dt h eh i g hf i l l i n gs o i lr o a d b e db r i d g ep e d e s t a ld a m a g e r e a s o na n dc h a r a c t e r i s t i c s e s ，p u t t i n gf o r w a r dt ob ea p p l i c a b l et ot h eh i l g hf i l l i n gt h r e ek i n d so f n e wb r i d g e ss e tf o r mo ft h es o i lr o a d b e d d e s i g nt h ep r o j e c ta l la l r e a d yi na c t u a le n g i n e e r i n ga p p l i e d ，t h er o a dm a i n t a i n st od e s i g n t h ep r o j e c ti nt h es u p e r h i g h w a yo fj i q ia p p l i e d ，t h eh i g hb r i d g es e ti sa p p l i e di nt h ec i t yb e a d s u p e r h i g h w a y , a l lo b t a i n i n gt h es a t i s f i e dr e s u l t t h er o a dd e s i g n t h ep r o j e c tt oa l lh a v es e tu p w i t ht h eb r i d g es e tb eo p e nt ot r a f f i cf o rt w oy e a r s ，r e t u l mt ov i s i tt h ei n q u i s i t i o nr e s u l tg o o d ， t ot h eo ft h es a m ek i n de n g i n e e r i n gd r a wl e s s o n sf r o mw i t hg u i d et h em e a n i n g k e yw o r d s ：t h es u p e r h i g h w a y ；r o a dd i s e a s eh a r m s ；t h eb r i d g e d i s e a s eh a r m s ；t h e b r i d g es e tc o n s t r u c t i o n ；m a i n t a i n st h ep r o j e c t 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： 磊 矿脚；月i ；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。 论文作者签名： 导师签名： 囱磊棼 基验 易年弓月l ；e t 夕易年；月f 弓日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 我国从八十年代开始修建高速公路，国家在高速公路的投资越来越大，公路工程的 质量也越来越受到重视。九十年代进入建设高峰期，目前逐渐进入大修期，从我省高速公 路网现状分析，今后大修任务将非常繁重。大修和新建不同，具有特殊性。目前高速公路 维修方面还没有成熟的经验，因此，借济青路大修机会，总结分析山东省高速公路病害 的发生发展情况和原因，根据交通量发展状况和公路损害程度，寻求最佳的维修设计方 案，经过实践检验，总结和积累经验，跟踪方案效果，最终得到简单可靠的设计指标和 经济适用的的维修方案，对探索高速公路的大修最佳方案具有现实意义，经济效益也是 非常可观的。故本论文结合山东省高速公路实际情况，就“高速公路维修设计方案 作 初步的探讨和研究。 1 2 国内外研究概况 路基方面的研究概况：调查显示，路面损坏的大部分原因在于路基，路基质量是路 面质量的基础。公路路面设计方法有采用经验法的，有采用理论法的，也有采用半理论 半经验法的，不同的路面设计方法表征路基强度的指标也不尽相同。在我国路基设计控 制指标是压实度，反映在路面设计中的主要是回弹模量。美国有效回弹模量的选用考虑 了一年内路基土的回弹模量变化，能够真实的反映路基土的工作状态，通过加权平均计 算考虑不同月份的回弹模量值对路面的影响程度。但是对于不同路段与试验路不同的路 基都需要进行修正。我国路基设计包括断面设计、边坡稳定设计、排水防护设计等，与 路面关系最密切的是填料性质和压实度指标，最终反映了路基的刚度，路基的刚度必须 和面层的刚度相匹配，刚度的主要指标是回弹模量，回弹模量是影响路面设计允许弯沉 值和路面弯拉应力的重要指标，而影响回弹模量的因素是复杂多变的，分析和了解回弹 模量和压实度、含水量、施工方法、检测方法的关系，对控制路基质量是非常重要的， 也是提高路面质量的基础。 在我国从上个世纪5 0 年代至7 0 年代末，我国公路部门曾组织力量在全国范围内进 行了大规模的公路路基回弹模量实测及研究。一方面受到当时人力、物力及研究水平所 限，加之当时施工采用的是轻型压实标准，不同于今天的重型压实标准，这些都使公路 路基回弹模量的取值误差增大。8 0 年代初，实行重型压实标准。通过轻型压实标准与重 型压实标准的对比试验，认为可将轻型压实标准路基回弹模量岛的建议值在查表的基 第一章绪论 础上再提高1 5 3 0 或更大幅度，但并没有进行具体细致的量的规定。 总体上，关于路基回弹模量的研究直处在不断的深化过程中，回弹模量的研究进 展对路面设计的影响和改进起着积极的推进作用。 半刚性路面的研究概况：早在1 9 8 3 年召开的世界第十七届道路会议上，将具有水 硬性结合料处置层的沥青路面正式命名为半刚性路面，根据这一定义，我国高等级路面 9 5 都是半刚性路面，我国半刚性路面的大量研究始于八十年代，二十年来路面设计特 别是高等级公路半刚性路面发展很快，以沙庆林为代表的一大批科研工作者为此付出了 大量心血，取得了一大批科研成果。围绕提高路面质量、克服早期损坏现象、改善路面 使用性能及延长路面使用寿命，从材料性能、施工控制、设计理论多方面进行了研究， 设计理论从定值型向概率型( 可靠度) 转变，设计和试验手段日趋先进，路面材料性能 不断提高，使设计、施工、使用性能都有了长足发展。同时，交通量的迅猛发展，重载 交通和超载车辆的增加，人们对交通舒适快捷的要求提高等，对公路质量的要求也在不 断提高，由于影响路面质量的因素很多，加之受经济和工期的限制，就决定了路面设计 的灵活性、多样性和复杂性，经常需要根据当地的具体情况和已有的经验调整设计。虽 然国外研究的成果不少，由于经济条件不同，荷载不同，设计规范不同等诸多影响，能 够直接应用的很少，各国都在针对本国实际情况和实际问题在研究，总之，路面材料和 结构层类型都在不断探索发展之中。 桥梁病害的研究概况：桥梁的发展很快，主要反映在特大桥梁方面，在结构形式、 新材料、新技术方面每年都有新的突破，但对小结构物方面很少有人关注，而桥梁的损 害绝大多数发生在中小桥上。大桥投资大，安全系数高，一般很少出现问题。随重载交 通和超载车辆出现，桥梁损坏现象引起重视，补强加固方法重要是解决桥面损坏问题， 济青路桥面损坏较为普遍，换板维修的达到2 0 以上，当时的设计和在低，满足不了重 载交通要求是主要原因，超载是加快损坏的直接原因，不仅是济青路，其他高速公路补 强维修都非常普遍。这种现象直到施行计重收费遏制了严重超载才得以缓解。目前简支 板桥梁铰缝漏水、结合层脱离、桥面破损等非常普遍，亟待研究和解决。 桥台设计在我国有上千年的历史，随着社会技术的发展，早期的木桩桥台、圬工桥 台逐渐被钢筋混凝土桥台取代，桥台形式上大跨度桥梁发展较快，中小桥一直沿用薄壁 桥台、u 型桥台、桩柱式桥台等几种常见的桥台形式。扶壁式桥台、y 型桥台、拱形桥 台等在中小桥设计上很少使用。但高速公路建设以后，桥台一般都比较高，特别是交叉 工程，由于要满足被交道净空的要求，桥台高度都在5 米以上，最高的达到1 5 米多。 2 长安大学硕士学位论文 从济青路调查结果看，桥台高度4 米以上的普遍出现了横向裂缝。此后在薄壁台设计中 加大了配筋量，但后续工程中仍然出现裂缝，裂缝程度减轻了但是台帽和背墙损害却明 显增多了，对小结构物的高桥台研究很少，为了降低桥台高度，不得已增加孔数或加大 孔径，只是为了降低桥台高度增加桥长的情况很多，小桥变成了中桥，中桥变为大桥， 在没有功能需求的情况下，无为的加大了投资。针对这种现状，分析探索新的桥台形式 具有显著的经济价值。总之，小结构物高桥台的研究还比较少，目前处于探索阶段。 1 3 本文主要研究内容 道路和桥梁在病害特点、形成机理、设计理论、维修方案等方面都不相同，故本文 内容分为道路和桥梁二部分。道路包括路基和路面，桥梁包括桥面和桥台。 1 ) 路基强度影响因素分析 路基作为道路的基础，是路基路面结构的重要组成部分，对路面结构的强度和刚度 起着决定性的作用，道路的损害表现在路面，发生的根源重点在于路基，而路基质量的 好坏不仅在于路基填料的性质，施工方法和施工质量控制是至关重要的。总结不同公路 发生路基质量问题原因，寻找控制路基施工质量的指标和方法，对提高道路质量、延长 使用年限具有重要意义，软土地基事后处理特别困难，造价高工期长，所以对路基病害 根本在预防，重点在设计，关键在施工。本文对影响路基质量的关键指标及其关系作了 深入探讨，详细分析了施工和设计中的路基主要强度指标，指标的主要影响因素、控制 方法和对工程质量的影响程度，总结了路基施工质量控制要点。 2 ) 路面病害分析及维修方案设计 在调查了济青路全线路况和主要路面病害、收集其他地区高等级道路的路面通病数 据的基础上，分析了普遍存在的主要病害成因。分析了超载车辆对路面的损害程度，对 严重超载车辆的轴载换算系数提出了换算界限概念，针对存在超载车辆的现实情况，对 超载一倍以内的重车分析确定了轴载换算系数的设计值。 根据实测弯沉指标划分路段，调查比较各种路面材料特性，根据资金、工期和施工 设备综合分析确定路面材料类型和结构。根据路面不同的损害程度、服务年限和交通量 预测，设计相应的维修方案并对各方案作了比较和评价，确定了最佳方案。跟踪施工和 运行后使用效果，对不同方法处理路面病害的效果进行了总结，积累大修设计经验。 3 ) 桥梁病害分析及维修方案设计 桥梁的损坏多数发生在桥面，对仅桥面损害的，设计了维修罩面方案；对桥面板损 坏的，通过对工程实例的统计分析，从超载和桥面板承载能力两方面，提出了换板补强 3 第一章绪论 方法和防止水损坏的措施，根据不同的病害程度，给出了可行的维修补强方案。 济青高速公路桥台裂缝、耳墙开裂和桥头搭板损坏的现象较多，因此，论文统计桥 台病害，分析了病害形成的原因和机理，对现有桥台出现的病害，根据不同情况提出了 相应的预防和维修方案。 4 ) 高填方路基新型桥台研究 高速公路因全封闭全立交，因此路基高度普遍较高，调查现有的桥台形式除重力式 u 型桥台外，普遍出现裂缝、漏水病害，桥台病害事后维修特别困难。对无法避免的高 桥台，现有的桥台型式难以适应，针对这一情况，通过对高填土路段的桥台形式及特点 的分析研究，探索和创新了三种新的桥台结构形式，并对实际应用效果作了考察评价， 解决了高桥台病害问题；特别是反开挖路段的桥梁采用坐板式桥台，避免了大量开挖， 保证了路基强度，能够显著节省资金和缩短工期，实践应用取得了满意效果。 5 ) 济青高速公路大修效果评价 设计方案均已在实际工程中应用，路面维修设计方案在济青高速公路应用，济南段 大修现在已经完成三年多，完工后多次回访，经过一年多的跟踪调查证明，济青路大修 设计是非常成功的，取得了令人十分满意的效果，说明设计手段和方法是切合实际的， 对同类工程有借鉴和指导意义。高桥台在京珠高速公路应用，高桥台设计方案也已建成 通车二年，没有发现任何问题，取得了预期的良好效果。 4 * 安大学顿学位论文 第二章路基维修设计方案 2 1 路基病害调查及影响因素分析 济青路路基调查情况 济青路全长3 1 9 公里，经过济南、淄博、潍坊、青岛四地市，沿途的地质地貌差异 较大，填方路段路基平均高度30 5 米，路基填料有碎石土、砂土和部分粉性土。粉性土 集中在平原地区的潍坊段，调查显示粉性土路段填土高度1 米以上的都出现不同程度的 沉降，实测累计沉降在1 1 至1 0 9 毫米，桥头普遍出现跳车现象，9 6 年经过换填台背填 料，加强台背基层厚度，搭板增加枕粱等综合处理，以后沉降没有明显增加，除部分路 段由于路面裂缝和边坡渗水导致局部沉降外，路基沉降也趋于稳定。 济青路原设计文件显示，路基土方2 2 1 0 万方，挖方3 1 0 万方，利用土方3 0 0 万方， 借方1 6 0 0 万方，均为集中取土。路基土质有砾石土、砂土、亚粘土和粉质砂土，但和 路基不均匀沉降病害相关密切的是填土高度和细粒土含量，填补不均匀沉降的施工记录 全线共计3 6 处按成因统计结果见表21 。数据显示粉质土高填方路基是路基病害重点， 砾石土一处发生在填挖方交界处，分析认为是接头处理不当造成的。当软土地基的高填 方路基要尽量避免使用粉质土，并且要确保软基处理质量。 表21 路基维修次数统计 图21 显示不均匀沉降导致路基项面不平的情况。沉降较大的处位于软土地基段 大修开挖后显示地基含有软弱夹层，这是导致沉降量过大的主要因素( 见圈22 ) 。 图2 1 路基顶面不平图22 地基软弱夹层 从路基病害总体情况看，细粒成分含量高的路基不均匀沉降导致的病害比例明显增 加，损害程度也重，砂性土路基质量稳定。所以，应该尽量避免使用粉性土作路基材料， 当受条件限制必须使用粉性土时，严格控制关键性指标是施工质量控制的关键。 5 第二章路基维修设计方案 施工阶段是控制路基质量的关键。路基是路面结构的最下层，承受着由面层传下来 的车辆荷载和上部荷载的自重。在实际调查中，沥青混凝土路面出现的损坏现象，大部 分都是由于路基强度不足，稳定性变差，在外荷载作用下产生的过量变形所致。路基变 形包括塑性变形和弹性变形两部分，过大的塑性变形将导致各种沥青路面结构产生车辙 和路面不平整；弹性变形过大将使得沥青面层或桥头搭板产生疲劳开裂，并且在路面结 构的总变形中，路基的变形占绝大部分。路基质量施工由压实度控制，设计通过回弹模 量体现。因此，在路面结构设计中，路基回弹模量的合理取值至关重要，若路基回弹模 量值取的过低，计算出的路面厚度将会过厚，而实际路基回弹模量在要求的压实度条件 下往往超过设计值，自然会造成资金的浪费；若路基参数取值过大，施工中路基回弹模 量往往达不到要求，又会引起路面的过早损坏。所以，在路面结构设计中应该合理的确 定路基回弹模量值，由于路基回弹模量是一个关于土的类型、含水量、压实度以及测定 方法的复杂函数，在工程实践中，应该综合考虑各方面的因素，正确处理其内在的联系， 使施工中能有效控制关键的和敏感的因素，设计中合理选择能正确反映路基强度的模量 值，是路基质量的关键。 2 2 土的性质对路基回弹模量影响分析 由于不同的土类具有不同的工程性质，因而将直接影响路基和路面的强度与稳定 性。不同的土类含有不同粒径的土颗粒，砂粒成分多的土，强度构成以内摩擦力为主， 强度高，受水的影响小，但施工时不易压实。较细的砂，在渗流情况下，容易流动，形 成流砂。粘粒成分多的土，强度形成以粘聚力为主，其强度随密实程度的不同，变化较 大，并随湿度的增大而降低。粉土类毛细现象强烈，路基路面的强度和承载力随着毛细 水上升，湿度增大而下降，在负温度坡差作用下，水分通过毛细作用移动并积聚，使局 部土层湿度大幅度增加，造成路基冻胀，最后导致路基翻浆，路面结构层断裂等各种破 坏。总之，土作为路基建筑材料，砂性土最优，粘性土次之，粉性土属不良材料，最容 易引起路基病害。 2 3 含水量对路基回弹模量影晌分析 含水量对土的影响机理 含水量是影响土样压实的关键因素之一。至今，国内规范或标准多以重型击实试验 的最佳含水量为基准，执行“+ 2 、3 ”的控制含水量的标准。但这种一成不变的击实曲线 得到的最佳含水量“+ 2 、- 3 ”的经验标准已不符合现今路基压实的规律，这是因为施工控 6 长安大学硕士学位论文 制含水量主要受到土性、气温、碾压机具的压实能力及填料压实的要求参数等的影响。 我国目前公路路基施工技术规范( j t j 0 3 3 - - 9 5 ) 中规定凡是适合填筑路基的土，无 论何种土质，均采用的是压实度( 即压实系数k ) 法进行控制。在该规范中对于含水量的 控制只规定了“细粒土、砂类土和砾石土无论采用何种压实机械，均应在该种土的最佳 含水量2 以内压实”，而在公路质量检验评定标准( j t j 0 7 1 - 9 4 ) 中的土方路基的验收 项目中并没有对施工控制含水量提出具体要求，也即路基验收时只要路基的压实度及弯 沉等合乎要求，不论含水量大小均认为合格。既然从以上分析可以看出在路基压实施工 中压实含水量的控制是极其重要的，那么规范中说法与前面所述施工控制含水量的重要 性是不妥当的。 c 1 8 4 b 蓬t 配 i , - - - - n ” 1 8 0 1 7 8 1 7 6 矗一 x 7 i 、 。y- - 0 - i i -i w iw 2 w 【) 图2 3 细粒土击实曲线 由图2 3 可以看出，当含水量较小时，随着含水量的增加干密度会随之增大，当含 水量增加到某值时干密度达到最大值，如再增加含水量曲线就开始下降，曲线上峰值点 处的横坐标称为土的最佳含水量，峰值点相应纵坐标称为土的最大干密度。 含水量对路基的作用 路基处在复杂多变的条件下，除受行车荷载等的作用外，还不可避免地受到雨水、 地面水及地下水的作用，因此除应重视路基成型过程中的含水量外，还应考虑道路在使 用过程中水对路基稳定性的影响。 我国在路基压实过程中对含水量的控制是基于怎样以最小的压实功获得规定的压 实度，因为从击实曲线上可以看出，含水量过大过小都不能或不易达到规定的压实度。 这表明，土样在最佳含水量时被压实，浸水饱和后基本上不再产生附加压缩。这也说明 在填土施工中强调控制最佳含水量的重要意义。 对于细粒土含水量大时更有利于路基的水稳性，细粒土不易在含水量小的情况下压 实。另外，从指标稳定性和控制的难易程度考虑，对细粒成分含量多的土质用孔隙率法 控制更趋合理。 7 第二章路基维修设计方案 含水量对不同土质的影响 有人曾根据轻型试验法的击实曲线，在几个不同含水量和干密度下制备试件，分别 使其变干和变湿，研究其体积的变化，如在含水量1 9 和干密度1 6 7 9 c m 3 下成型试件， 加湿使其含水量增大为2 5 ，则干密度减小为1 5 8 9 c m 3 。由此数据可以看出，水的侵 入使单位体积内颗粒的含量减少( 即干密度减小) ，使土的承载能力降低。因此在道路使 用期间路基可能侵入水的情况下，对于细粒成分多的土，不宜在含水量小的情况下压实。 含水量和土的稳定密实度 大量试验表明，凡是压实不足的土，不论其初始密实度如何，饱水后都会趋于同一 含水量和同一密实度( 其数值与土质及土体所受的荷载大小有关) ，相应的密实度称为稳 定密实度。压实到稳定密实度的土，受到水作用时其稳定密实度不变，既不发生沉陷， 也不出现膨胀，在这种情况下，土的水稳定性最好，这也是原状土比扰动土稳定的原因 之一。路基成型时的含水量和密实度对路基达到或接近稳定密实度具有相当重要的作 用，因此仅强调密实度而淡化路基成型时的含水量对稳定性的影响显然不够全面。 含水量对e 0 的影响 关于含水量对土的回弹模量影响，武和平在北京取了两种中液限粘土进行对比试 验。得出如下结论： 1 ) 对粉质中液限粘土，制件含水量适度变化，对回弹模量的影响不大。如在压实 度9 3 时，制作含水量从1 4 5 增加到1 7 。回归回弹模量只降低2 8 m p a 。但对河北 中液限粘土，含水量的变化对回弹模量有明显的影响，而且，锤击次数越多，土的压实 度越大，相应的回弹模量也越大。 2 ) 对于同一压实度而言，最佳含水量状态下的土的回弹模量最大。 3 ) 当含水量大于最佳含水量时，不同土质的压实度与锤击次数的关系是不同的。 通常开始阶段随锤击次数的增加压实度增大，当击实到一定程度时，锤击次数增加，压 实度不但不增加，反而减小，说明土先逐渐压实后被扰动。 2 4 压实度对路基回弹模量影响分析 压实度是影响路基回弹模量的重要因素。公路路基设计规范( j t gd 3 0 - - - 2 0 0 4 ) 对 高等级公路的路基顶面以下0 - - - 8 0 c m 要求压实度达到9 6 ，8 0 c m - - 1 5 0 c m 要求压实度 达到9 4 。 压实的意义及压实土的变形特性 实践证明，道路的损坏8 0 - - 9 0 是由于路基的变形所引起的，而路基强度的大小 8 长安大学硕士学位论文 是影响路基变形的主要因素。所以，对路基进行高标准的压实，是保证路基、路面应用 强度和稳定性的一项重要工作，是最经济的技术措施。压实使路基具有足够的密实度， 这对于公路路基、路面具有十分重要的意义。压实可以充分发挥路基土强度，可以减少 路基、路面在行车荷载作用下产生的永久变形，还可以增加路基土不透水性，抗冻性和 强度稳定性。十多年各地的实践证明，凡严格按照重型压实标准认真施工的路基路面工 程，都取得了很好的效果，路面的承载能力得到大幅度提高，路基路面的稳定性也得到 了保证，没有产生明显的压缩变形。所以，提高路基的压实度，对于增强道路路面的使 用性能和延长寿命是非常重要的。 压实土的压缩性主要取决于它的密度和加荷时的含水量。从压实土的压缩试验结果 可以看出，在某一荷载作用下，有些土样压缩稳定后，如加水使之饱和，土样就会在同 一荷载作用下出现明显的附加压缩，而这一现象的出现与否和压实试样时制备含水量很 有关系： 当w w o p t 时，多数粘粒的扩散层得到充分的发展，其水化膜楔入力大幅度增加， 团聚体的结构强度大为减弱，在击实功作用下，团聚体易于挤扁，粘粒产生了定向的排 列，形成了较多的紊流状结构和定向排列结构。 压实土的强度特性 压实土的抗剪强度性状也取决于受剪时的密度和含水量。通过大量的实践经验证 明：土样的制各含水量大于相应的最佳含水量时，土的强度很低，随着含水量的减小， 土的强度相应地随之增加，当土的含水量低于最佳含水量时，虽然土的干容重比较小， 但其强度却比最大干容重时大得多，这是因为此时的压实功虽未使土样达到晟密实状 态，但也已克服了土粒间的引力等联结，而形成了新的结构，能量转化为土强度的提高； 9 第二章路基维修设计方案 提高击实功不仅可以增加土的密实度，也可以相应提高土的强度，亦即压实土的强度在 一定条件下可以通过增大压实功能予以提高。但是有些压实土样在浸水饱和后会有明显 的软化现象，强度会显著地降低，这就是所谓的强度稳定性问题。 对于公路、铁路的路堤和堤坝等填土构造物在无法避免浸水饱和时，控制其强度稳 定性尤为重要，这也是工程中总是要求在最佳含水量状态下把土压实至最大干容重的原 因。所以在路基施工中要严格控制最佳含水量，路基应尽可能安排旱季施工，当无法避 免遇到降水时，要及时排除表面积水，雨后要疏干检测，确保达到最佳含水量方可继续 施工，同时防止渗水形成包水夹层。 轻重击实标准对e 0 的影响 击实试验是为了测定路基材料的最佳含水量和最大干密度而进行的，分为轻、重型 击实两种方法。对于具体路基压实而言，轻型击实试验方法的压实功能相当于6 - - - - 8 t 压 路机的碾压效果，重型击实试验方法的压实功能相当于1 2 - - 1 5 t 压路机的碾压效果。 在不同地区进行轻重击实标准下的对比击实试验结果都表明，在重型击实标准下进 行施工，可以使得压实后路基的密实度有较大提高，增加了路基的承载能力。重型击实 试验得到的路基回弹模量平均值比轻型击实试验得到的路基回弹模量值提高了5 0 以 上，比规范当中要求的1 5 3 0 要高。 2 5 路基存在的问题分析 路基病害以预防为主，主要从施工阶段控制路基质量，减小后续变形，主要影响因 素前面已经作了分析。对路基发生的主要病害大部分已经得到处理，济青路已经运行十 余年，固结沉降已经完成，后发生的主要是水损害。存在的路基病害及维修方案主要有 以下几种： 软土地基 软土地基因厚度不同、性质不同差别很大，济青路发生病害的仅潍坊段一处，位于 潍坊服务区北侧匝道，长度2 1 0 米，该地区原来是鱼塘，地质钻探在东西方向的池塘边 进行，据此设计了抛填挤淤方案，竣工后沉陷严重且填补维修后沉降继续发生，大修开 挖后发现，钻孔提供的淤泥厚度比实际的少2 米以上，导致设计不合理，施工抛填量不 足，存在淤泥夹层。该地区地处低洼，雨季积水，含水量变化大，导致沉陷不断发展。 彻底换填后，沉降没再发生。 防治地基沉降过大，面积较大的主要方法是等载或超载预压，预压配合袋装砂井可 以明显缩短预压期。局部的抛填挤淤、排水固结也是有效方法。软基层较薄时打粉喷桩 1 0 长安大学硕士学位论文 形成复合地基。总之，地基处理方法很多，可根据具体情况选择。 路基变形类 观测资料显示，公路大修阶段固结变形均已基本完成，济青路的主要变形多发生在 路肩一侧，原因是路面水深入，边坡水入浸造成的水破坏。路肩下沉以后，路面纵向拉 裂，形成较宽的纵向裂缝，裂缝进水又加剧了损坏的发展，辙槽和轮压作用加快了损害 发展。所以选择路基土质、控制施工质量、加强预防性养护、防止水侵害是防止路基变 形病害的主要环节。 桥头跳车 桥头跳车是路基沉降大于桥台沉降造成的，台后填土选择容重轻的砂性土，提高压 实度是有效方法。跳车现象发生后，轻微的可以通过路面找平，较重的通过基层调整， 沉降稳定以后，重新罩面，出现裂缝及时封堵，防止雨水进入。搭板断裂重修更换的应 设假缝或枕梁，也可将搭板厚度逐渐减薄，以达到平稳过渡避免跳车之目的。 2 6 本章小结 路基质量关系密切并可以在施工中控制的因素主要是土质、含水量和压实度，因此 本章着重分析了土质、含水量和压实度对路基回弹模量的影响。通过本章内容可以得出 以下结论： ( 1 ) 路基土的最佳含水量是保证压实度的关键因素。 ( 2 ) 路基回弹模量随着压实度而提高，提高压实度是提高路基回弹模量的根本方 法。 ( 3 ) 土作为路基建筑材料，砂性土最优，粘性土次之，粉性土属不良材料。 ( 4 ) 对细粒成分含量多的土质应采用控制孔隙率法施工。 ( 5 ) 饱水前后e o 的变化幅度差别是相当大的。最高含水量对于确定e 0 值非常重 要。 ( 6 ) 重型击实方法适合1 2 - 1 5 t 压路机的工况，轻型击实适合8 - 1 2 t 压路机的工 况。 ( 7 ) 路基后期沉降的原因主要是水侵害。 第三章路面维修设计方案 第三章路面维修设计方案 3 1 济青路路面结构调查 济青路受投资限制，相对设计交通量而言，路面结构层不厚，结构层总厚度在5 1 至7 3 厘米之间，详细情况见表3 1 表3 1 济青路路面结构汇总表 路段 表面层 中面层底面层基层 底基层总厚度 济南1 4 中a c8 密a c7 b m2 0 水泥砂砾3 4 石灰土7 3 济南24 中l h - 2 0 i6 粗l h - 3 0 i i8 l s - 3 52 4 水稳砂砾3 0 石灰土7 2 淄博4 中a c5 粗a c6b m1 8 水泥砂砾2 0 石灰土5 3 潍坊4 中a c5 粗a c6b m1 8 水泥砂砾2 0 石灰土5 3 青岛13 5 细 4 5 中a c 5b m1 8 二灰碎石2 0 石灰土5 l 青岛24 中a c6 粗a c7b m1 8 二灰砂砾2 0 石灰土5 5 3 2 设计依据、步骤 按交通部现行公路沥青路面养护技术规范公路沥青路面设计规范公路桥涵 设计通用规范设计。在全线实地调查的基础上，以不中断交通为前提，确定维修计划 和维修工期；对维修路段钻探取样和实测弯沉值，经数据处理，参考病害调查结果，作出 承载能力评价、损坏程度评价和行使质量评价，据此划分维修路段，为选择设计方案提 供依据；根据预测的交通量，按服务年限和项目投资设计维修方案，通过经济技术评价， 确定最佳方案。 3 3 路面病害调查分析 济青路病害调查数据主要来源于各段养护科，按不同病害分类统计，单位以平面面 积计量，对单独的裂缝，根据施工要求宽度按5 0 厘米计算。对病害已经维修但达不到 标准的仍按原病害程度统计；制定统一划分标准，对病害记录的数据作实地调查核对， 据实调整病害程度；对同一面积内发生两种以上病害的，以病害严重者计算，做到不重 不漏，标准统一。 病害的分类有不同的标准，按形态分可分为辙槽、拥包、裂缝、沉陷、泛油、磨光 等；按部位可分为面层类、基层类、路基类和地基类；按荷载可分为荷载型破坏和非荷 载型破坏；还有按病害成因分类的等，本文从方便设计角度，基本按济青路实际病害面 积大小顺序，大体按相同的维修方案归类，以便于和钻探资料及设计方案结合，有利于 方案设计和效果评价。 济青路路面的主要破损类型主要有裂缝( 包括纵、横向裂缝和网裂) 、辙槽和拥包、 1 2 长安大学硕士学位论文 沉陷、松散和坑槽、泛油、磨光等。对济青路全线进行了实地调查，全线做了弯沉检测， 对破损路面进行了钻孔取芯。对调查结果进行汇总、整理、分析，病害产生的主要原因 和机理分析如下： 裂缝：裂缝是济青路路面的主要缺陷，平均占3 1 ，并有逐年增加趋势。调查表明， 济青路的荷载型裂缝主要是纵向裂缝，并多数伴有辙槽出现。随着道路使用年限的增长， 车辆荷载的反复作用、沥青的老化及基层的疲劳破坏，路面抗滑能力严重降低，出现裂 缝后雨水进入使破坏加剧，病害严重影响行车安全。尤其是重载超载车辆的出现，路面 破损状况有明显的加重趋势，主要表现为路面裂缝病害发展较快，基层破坏松散，养护 不及时很快发展为坑槽，钻探资料显示此类裂缝均有不同程度的基层破坏，此类裂缝罩 面后反射裂缝随即出现，是严重影响行车的舒适性和安全性的主要病害。 非荷载型裂缝主要是温度裂缝，高速公路的路基填土平均高度4 5 米左右时，道路 基层为半钢性结构，由于这一承重层为高强度、高压实度、高密实度的半钢性结构，虽 然整体性好、强度高、变形小，但对温度变化的影响却十分敏感，进入1 1 月份气温下 降后开始收缩，在气温降到最低温度收缩到极限，产生横向拉裂缝。另外还有不规则的 网状温度裂缝和疲劳裂缝，呈连续的网裂，钻孔统计显示，裂缝深度相差很大，仅面层 裂中面层以下不开裂的只占裂缝的2 1 左右，裂缝深度穿透