（水工结构工程专业论文）公路路面结构使用性能评价与预测研究.pdf

郑张大学硕士学位论文 内容摘要 公路交通是国家国民经济、社会发展和人民生活服务的公共基础设施，是衡 量一个国家国民经济实力和现代化水平的重要标志。公路路面结构使用性能是路 面保障运输车辆正常行驶所应具备的能力和属性，它的好坏不仅影响行车的安全 和舒适，而且还直接影响到道路工程的运营效益，因此，一直是国内外学术界与 工程界关注的热点。本文在综合分析国内外最新研究成果的基础上，对此问题进 行了较为系统、深入的研究，主要内容包括： ( 1 ) 系统总结了国内外该领域的研究现状，并指出了存在的主要问题以及 解决的途径。 ( 2 ) 对路面结构可能出现的各类复杂破损现象进行了总结和分类，分析了 造成各种破损的原因，为路面结构使用性能评价指标的选取、测定及评价标准制 定做好了准备。 ( 3 ) 依据系统科学理论和功能原理，对路面结构使用性能进行了定义：确 定了表征路面结构使用性能的五项指标，即路面承载能力系数尼蚓、路面行驶 质量指数尺q ，、路面行驶安全性能指数p f c 或s f c 、路面破损状况指数p c i 和 路面环境性能指数p e i ，并讨论了各项指标的测定和分级标准，为路面结构使用 性能的系统研究奠定了理论基础。 ( 4 ) 详细分析了建立路面结构使用性能数据库系统的框架和模型，简要讨 论了g i s 系统在路面结构使用性能评价与预测中的应用，为今后进一步实际应用 信息数字化公路系统做了积极的准备。 ( 5 ) 从路面的功能需求和评价系统的整体出发，对路面结构综合使用性能 指数尸凹进行了定义，并建立了相应的评价计算体系和分级标准，探讨了模糊 数学理论、集对论和灰色系统理论等在路面结构使用性能评价中的应用，建立了 多个评价分析模型。 ( 6 ) 回顾总结了国内外主要的路面性能预测模型，对影响路面性能预测的 各种因素进行了概括，并根据我国公路工程实际，提出和建立了路面结构使用性 能预测的新方法一灰色马尔柯夫模型与神经网络模型，为公路管理决策的科学化 奠定了基础。 ( 7 ) 路面在反复交通荷载和环境因素共同作用下的疲劳失效是路面结构发 生破坏的基本形式之一。本文较全面地分析了沥青路面的疲劳损伤性能，建立了 沥青路面累积疲劳损伤和疲劳寿命预测的分析计算模型。 ( 8 ) 利用所建立的路面结构使用性能评价与预测模型，对河南省安阳一新 乡、许昌一漯河、郑州一洛阳和郑州一开封等四条选定的高速公路进行了应用研 究，初步探讨了各高速公路路面养护管理的对策，并提出了相应的养护技术建议。 综合上述，该项研究成果不仅具有重要的理论价值，而且对工程实践也具有 十分重要的指导意义。 关键词：路面结构性能；破损：检测：评价；模糊数学：灰色系统：疲劳；预测 部蛐大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o n i san a t i o n a l l y p u b l i c f o u n d a t i o n f a c i l i t y w h i c h p r o v i d e ss o m es e r v i c ef o ro u rs o c i e t y ，a n dr e p r e s e n t st h em o d e m i z a t i o nl e v e lo f t h e w h o l es o c i a ld e v e l o p m e n ta n dt h er e a l l yn a t i o n a le c o n o m ys t r e n g t h t h ep a v e m e n t s t r u c t u r ep e r f o r m a n c e ( t p s p ) i sd e f i n e da sa na b i l i t yt og u a r a n t e ea l lv e h i c l e st o t r a n s p o r tn o r m a l l ya n ds a f e l y t h ed r i v i n gc o m f o r ta n dv e h i c l e s e n g i n ep e r f o r m a n c e a r ea f f e c t e dd i r e c t l yb yi t s c a p a b i l i t y , a n dt h er o a dt r a n s p o r t a t i o nb e n e f i t sa r ea l s o d e t e r m i n e d b y i t s q u a l i t y t h e r e f o r e t p s p i s a l w a y s a d o m e s t i c a l l y a n d i n t e r n a t i o n a l l y a c a d e m i cf o c u st ow h i c ha c a d e m ea n de n g i n e e r i n g e x p e r t sp a y a t t e n t i o n t h i st h e s i si sc o m p l e t e do nt h eb a s i so f s t u d y i n gal o to f l i t e r a t u r e sa th o m e a n da b r o a di n - d e p t h a n di n c l u d e st h el a t e s td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h r e s u l t s s o m en e wm o d e l sa r ea n a l y z e da n de s t a b l i s h e di ni t sc o n t e n t i t sm a i np o i n t s a n dc o n c l u s i o n sa r ee x p l a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s u m m a r i z es y s t e m a t i c a l l yt h ep r e s e n tr e s e a r c hc o n c l u s i o n so f t p s pi nt h e d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a ll i t e r a t u r e s ，a n dp o i n to u tt h em a i np r o b l e m so ft h er e a l m a n d p r o v i d es o m e s o l u t i o n s ( 2 ) c l a s s f ya n dd e f i n ea l lv a r i o u s l yc o m p l i c a t e dd a m a g ep h e n o m e n ai nt h e p a v e m e n t ，a n ds u m m a r i z e t h ek e yr e a s o n sf o rt h e s ed a m a g ea n d b r e a k a g e s ，w h i c ha r e p r e p a r e df o rc h o o s i n g t h ee v a l u a t i o ni n d e x e sa n d e s t a b l i s h i n ge v a l u a t i o nc r i t e r i a ( 3 ) a c c o r d i n gt os y s t e ms c i e n c et h e o r i e sa n dt h ef u n c t i o np r i n c i p l e s ，t h et h e s i s d e f i n e s 也ep a v e m e n ts t r u c t u r ep e r f o r m a n c ea n dc h o o s et h ef i v et o k e r ir o a di n d e x e s w h i c hs t a n df o rp a v e m e n tu s a g ef u n c t i o n s ，n a m e l yr o a ds t r u c t u r e s t r e n g t hi n d e x 噼s s i ) ，r o a dq u a l i t yi n d e x ( r q i ) ，p a v e m e n tf u n c t i o nc o n d i t i o np f co rs f c ， p a v e m e n tc o n d i t i o n i n d e x ( p c i ) a n dp a v e m e n te n v i r o n m e n ti n d e x ( p e i ) ，a n dd i s c u s s v a r i o i l si n d e x e sr a t i n gs t a n d a r d i naw o r d ，t h es t u d ya n de v a l u a t i o no fp a v e m e n t p e r f o r m a n c ew a se s t a b l i s h e ds y s t e m a t i c a l l y , w h i c hp r o v i d eaf u n d a m e n t a lt h e o r yf o r t h e p a v e m e n tm a n a g e m e n t ( 4 ) a n a l y z et o e s t a b l i s haf r a m ea n dm o d e lf o rt h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e d a t a b a s ei n d e t a i l ，a n dd i s c u s st h eg i ss y s t e mm o d e lw h i c hi s a p p l i e di nt h e e v a l u a t i o na n df o r e c a s to fp a v e m e n tp e r f o r m a n c ei nb r i e ef r o mn o wo n w ec a n p r o v i d es o m ep o s i t i v ep r e p a r a t i o n s f o raf u t u r e d i 【百t a l i n f o r m a t i o nd a t a b a s eo f h i g h w a ys y s t e m ( 5 ) f r o m t h ep o i n to f t h e p a v e m e n tf u n c t i o nr e q u e s ta n dt h ew h o l ee v a l u a t i o n s y s t e m ，d e f i n et h ep a v e m e n tq u a l i t yi n d e x ( p q i ) w h i c hr e p r e s e n t st h eh o l i s t i c p a v e m e n t s t r u c t u r ep e r f o r m a n c e ，e s t a b l i s ht h ee v a l u a t i o nm o d e la n d r a t i n gs t a n d a r d a p p l y t h ef u z z y t h e o r y ，t h et h e o r yo f s e tp a i ra n a l y s i sa n dt h e g r a ys y s t e mt h e o r yi n t h ee v a l u a t i o no f p a v e m e n t p e r f o r m a n c e ，a n dc r e a t es o m ea p p r a i s a lm o d e l s ( 6 ) t 1 l et h e s i sh a sr e v i e w e da n ds u m m a r i z e dt h e s ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l f o r e c a s tm o d e l so f p a v e m e n t p e r f o r m a n c e ，a n da n a l y z e da n da b s t r a c t e dt h ef a c t o r s w h i c ha f f e c tt h ef u n c t i o no f p a v e m e n t a c c o r d i n gt oc h i n e s e h i g h w a ye n g i n e e r i n g r e a l i t y ，ih a v ep r o p o s e da n d e s t a b l i s h e dt h eg r e y m a r k o vm o d e la n dt h e n e r v e - n e t m o d e lt h a ta i eu s e dt o p r e d i c t t h e p a v e m e n t f u t u r ep e r f o r m a n c ea l lt h e s eh a v e l a i da 1 1 郑炳大学硕士学位论文 f o u n d a t i o nf o rt h es c i e n t i f i cd e c i s i o n m a k i n gi nt h em a n a g e m e n to f r o a d ( 7 ) f a t i g u ed a m a g e i so n eo ft h eb a s i cf o r m so ft h eb r e a k a g e si nr o a ds u r f a c e s t r u c t u r eu n d e rt h e s ec o n t i n u a lt r a 街cl o a d sa n dt h ee n v i r o n m e n t a le f f e c tt h et h e s i s h a sa n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y 也ef a t i g u ed a m n i f i c a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ea s p h a l tr o a d a n de r e a t e dac a l c u l a t i o nm o d e lt h a tc a nb eu s e dt oa n a l y z et h o s ea s p h a i tp a v e m e n t s a c c u m u l a t i n gf a t i g u ea n dp r e d i c tt h e i rf a t i g u el i r e f 8 1a p p l yt h o s ea b o v ee v a l u a t i o na n df o r e c a s tm o d e l si ns o m e f r e e w a y si n h e n a n p r o v i n c e s u c ha sa n y a n g x i n x i a n g ，x u c h a n g l u o h e ，z h e n g z h o u l u o y a n g a n d z h e n g z h o u k a i f e n g d i s c u s sa n ds t u d yt h ee v a l u a t i o nc o n c l u s i o n se l e m e n t a r i l y ， a n d p r o p o s es o m e r e l a t e d t e c h n i q u es u g g e s t i o n sf o rt h em a i n t e n a n c eo f t h e f o u r f r e e w a y s a si sd i s c u s s e da b o v e ，t h er e s e a r c hc o n c l u s i o n sa n dm o d e l si nt h et h e s i sn o to n l y h a v et h e s i g n i f i c a n tt h e o r yv a l u e ，b u ta l s oh a v es o m et e c h n i c a l l yi n s t r u c t i o n a l g u i d a n c ef o r t h eh i g h w a y e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n a sw e l la si t sp r a c t i c e k e yw o r d ：p a v e m e n t s t r u c t u r ep e r f o r m a n c e ；d a m a g ea n d d a m n i f i c a t i o n ：s u r v e y e v a l u a t i o n ：f u z z yt h e o r y ：g r a ys y s t e m ：f a t i g u e ：f o r e c a s t m 郄她大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的与意义 公路交通在国民经济和人民生活中占有极其重要的地位，是衡量一个国家经 济实力和现代化水平的重要标志。近十几年来，随着我国经济的快速发展，公路 建设事业蒸蒸日上。据统计，截至2 0 0 1 年底，我国公路通车总里程约1 6 8 万k m ， 居世界第三位，其中高速公路达2 万k m ( 历年通车里程见图1 1 ) 。高速公路的 建设有力地带动了沿线地区经济的发展，显示出了巨大的经济效益和社会效益。 根据交通部的规划：“十五”期间，我国的高速公路通车里程将超过2 5 万k m ， “五纵七横”国道主干线将建成2 6 万k m ，并争取2 0 1 0 年基本完成国道主干线 的建设f ”。 1 9 8 b1 9 8 61 9 8 71 9 8 81 9 8 91 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 9 3 1 9 9 41 9 9 51 9 9 6i 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 年份 图! ：! 生垦壶蕉垒堕题生煎芏星垂塞堕 在通车里程迅速增加的同时，我们也应注意到，随着社会经济的发展和人们 生活水平的不断提高，公路交通量和交通荷载也在不断增加，机动车的轴载等级 及总数量与过去相比都发生了很大的变化，公路客、货运输任务日益繁重。很多 现有公路的设计等级达不到要求，甚至刚建成不久的公路也出现交通量过大、负 荷过重的现象，公路建设仍不能满足当前公路运输发展的要求。在过重的交通荷 载和自然环境的综合作用下，公路路面结构普遍出现了不同程度的早期破坏或破 损现象，并且随着时间的推移日益严重，直接影响了公路的服务能力和运营效益， 因此，必须通过维修和技术改造途径提高其技术等级，延长其使用寿命，而维修 或技术改造的科学性、经济性，则应建立在对现有公路路面结构性能的科学评价 与预测的基础上。同时，也只有对现有公路路面结构性能进行科学的检测和评价， 才能从中发现在路面工程的规划、设计、养护和管理中存在的不足和缺陷，从而 有利于在工程建造的初期或使用过程中加以改善或控制。 众所周知，公路路面结构是一个复杂的系统，影响路面结构性能的因素很多 ( 结构、材料、工艺、使用等) ，且关系复杂，涉及到工程设计、施工和使用各 个环节，并且绝大部分因素都具有不确定性( u n c e r t a i n t y ) 。一方面，路面设计、 修建过程中存在不可避免的误差，使得路面结构自身的各项性能参数( 几何尺寸、 强度、模量等) 无法保持某个“恒定的值”，也就是说，各项性能参数具有不确 定性：另一方面，路面结构工作时的实际环境条件( 气候、水文、路基支承等) 与外部作用( 荷载、温差等) 也不可能与设计时的假定完全吻合，外部条件参数 的作用也是不确定的。由此可见，不确定性是路面结构的本质属性。在以往的研 钨一章绪论 究中，由于科学技术水平的限制，对许多因素的不定性分析遇到了困难。不得不 采用一些假定，甚至忽略部分因素，即使对不定性的考虑，也大都侧重于因素的 随机性。近年来，随着系统科学、计算机技术和应用数学的迅速发展，使得对路 面结构性能的不确定性评价与预测成为可能。本文就是要在前人研究成果的基础 上，从影响路面结构性能的因素分析入手，建立评价指标体系，并对各个指标进 行系统毒深入的研究，建立考虑因素不定性的路面结构性能综合评估与预测模型 并应用于工程实际。因此，本文的研究不仅会进一步完善路面结构评估理论，而 且对路面工程的设计、施工和使用管理也具有重要的指导意义。 1 2 国内外研究的现状及存在的问题 由于道路工程在国民经济和人民生活中的重要性，世界各国对其性能的研究 都非常重视。在二十世纪6 0 年代中期，人们就已经注意到了道路工程中存在的不 确定性及其对路面结构使用性能的影响，并将可靠性理论用于路面的研究。1 9 6 6 年美国加州公路局和地沥青学会在制订路面设计程序时考虑了材料的变异性，引 入可靠度概念。1 9 7 0 年美国联邦公路局和公路研究委员会( f h w a h r b ) 召开 的沥青混凝土路面结构设计研究会，将路面结构可靠性问题列为当前路面工程师 面临的十大紧迫问题之一，并提出在设计工程中应充分考虑材料和荷载的不确定 性。1 9 7 1 年，莱姆( ac l e m e r ) 和英文查德( e m o a v e n z a d e h ) 提出了路面可靠 性的概念，并提出在路面整个使用期内，应考虑预测路面的可靠性；此外，还介 绍了蒙特卡罗法和马尔柯夫模型在路面可靠性中的某些应用。1 9 7 2 年米歇尔 ( m i c h a e l ) 、达特( i d a r t e r ) 等将可靠性理论引入德克萨斯州沥青路面设计方法 ”i 。】9 7 3 年，科赫( r 。k 。k h e r ) 在其博士论文中，建立了一个刚性路面设计系统， 将可靠度概念引入a a s h o 刚性路面设计暂行指南【3 】。1 9 8 6 年美国a a s 订o 路 面设计指南对柔性路面和刚性路面都采用可靠度设计。1 9 8 6 年和1 9 8 7 年，维 扎克( mw i t z a c k ) 和周虞堂( y u z c h o u ) 等人分别把可靠度理论引入美国空军 机场道路设计法和柔性机场路面c b r 法中，建立了基于可靠度的概率设计法。把 以前方法中设计系数d f 视为正态分布的随机变量，通过回归分析将w e s t e r g u a r d 应力解显式化，采用t a y l o r 级数展开式取线性项近似的方法计算d f 的方差，并 将可靠度计算结果绘制成“厚度一e s a l 次数一可靠度”的曲线诺谟图，使得设 计查用非常简便。y uz c h o u ( 周虞堂) 在1 9 8 7 年7 月举行的“第六届国际沥青 路面结构设计会议”上发表了柔性机场路面c b r 法的分析 4 1 ，比较了t a y l o r 级数 展开取线性近似的“一次幂法”和“r o s e n b l u e t h 法”两种方差模型的设计计算差 异，并提出了实用的设计图表。在同一次会议上，p i r i c k 等人还发表了“可靠性 概念在路面设计中的应用”一文pj ，对路面工程中应用可靠性理论的研究做了综 述，提出了不同等级道路的可靠度指标建议值，至此，美国正式开始使用概率设 计刚性路面和柔性路面。尽管加拿大、日本、前苏联等国在结构安全度方面都做 了不少研究，以及在1 9 8 7 年世界道路会议和1 9 9 0 年的第三届机场和道路承载能 力国际会议上，都有论文讨论可靠性在柔性路面设计中的应用，但至今除美国外， 尚无其它国家的沥青路面结构采用可靠度设计方法。我国1 9 7 8 年和1 9 8 6 年的公 路柔性路面设计方法在确定土基和路面材料回弹模量的计算值时，采用了概率 8 4 1 的值。二十世纪8 0 年代初，同济大学和西安公路交通大学分别对水泥混凝 路面的可靠性设计进行了研究。1 9 9 0 年开始，交通部正式立题“水泥混凝土路 面结构的可靠性分析”。二十世纪8 0 年代后期，同济大学、哈尔滨建筑工业大学、 西安公路交通大学和长沙交通学院等先后对柔性路面结构的可靠性进行了探索性 第一章绪论 研究。1 9 9 1 年4 月，交通部正式立题“沥青路面结构的可靠性研究”，该课题于 1 9 9 5 年9 月通过鉴定i “。 在路面结构性能评价方面，二十世纪6 0 年代初期，美国a a s h o 道路试验提 出了路面使用性能的评价模型，建立了路面服务性能指数p s i 模型【7 l 。日本饭岛 等在1 9 8 1 年参考a a s h o 的p s i 模型基础上开发了养护管理指数m c i ( m a i n t e n a n c ec o n 艋o li n d e x ) 模型【8 j 。随后规拿大、英国和世界银行等都建立了 相应的评价模型。二十世纪8 0 年代初期，美国战略公路研究项目( 简称s h r p ) 中将路面使用性能、养护经济效益、混凝土及混凝土桥梁的保护列为主要研究内 容 9 】。英国运输都也自8 0 年代开始陆续颁布了干线公路管理和养护说明 ( t r m m s ) ，以后经过多次补充、修订，形成了干线公路养护手册 1 0 i 。8 0 年代末期我国交通部公路科学研究所根据全国的沥青路面状况，在参照国外模型 的基础上，确定了沥青路面使用性能评价方法，在河北和浙江省有关地区选取了 代表性实验路段，组织专家进行了以行驶舒适性和路面使用状况为重点的专家评 价和检测，建立了一般公路路面使用性能评价模型l ，这套模型在杭州市路面管 理系统中得到了实际应用l lz “l 。1 9 8 9 年，同济大学姚祖康提出了沥青路面使用性 能评价模型l l 。1 9 9 0 年姚祖康和孙立军利用美军工程研究实验室的p c i 模型在我 国的“七五”国家重点攻关项目中建立了评价北京和广东省路面状况的模型f 1 引。 进入二十世纪9 0 年代后，随着先进设备的开发和利用，公路的检测和评价有了进 一步的发展，我国新颁布的公路水泥混凝土路面养护技术规范( j t j 0 7 3 1 - 2 0 0 1 ) ”q 和公路沥青路面养护技术规范( j t j 0 7 32 2 0 0 1 ) 【1 7 i 中也提出和推荐了路面结 构性能的评价模型。 尽管如此，由于路面结构本身和使用环境的复杂性，在路面结构性能的评估、 预测和决策领域仍有许多问题需要进一步研究和解决，如影响因素的多样性和不 确定性问题、路面破损的复杂性和评价指标的多样性问题、路面检测技术中存在 的若干问题等。本文将对上述问题进行系统和较深入的研究。 1 3 本文完成的主要技术工作 针对国内外的研究现状和我国道路工程的实际，并结合河南省交通厅下达的 “公路路面结构性能评估与预测方法研究”课题，本文主要完成了以下技术工作： ( 1 ) 在调查研究的基础上，对我国高等级公路路面出现的常见损坏的特点和 原因进行了详尽的分析和归纳，并给出了在实际工程中消除、避免、减小或防治 路面损坏的技术措施。 ( 2 ) 在消化吸收国内外路面性能评价研究成果的基础上，对适合我国高等级 公路路面结构性能评价的影响因素、评价指标和评价标准进行了进一步的分析和 研究，并从系统科学和功能理论的角度出发，建立了更科学和全面的路面结构性 能评价指标体系和评价标准。 ( 3 ) 详细地介绍了公路路面结构性能数据库系统的组成和功能，并集中讨论 了数据库系统中的数据分类、系统编码、数据关系及系统的基本功能等问题。对 地理信息系统g i s 在路面结构性能数据库系统中的应用也进行了初步研究。 ( 4 ) 从路面的功能需求和系统整体出发，对路面结构综合使用性能指数尸凹 进行了定义，并建立了相应的评价计算体系和分级标准，探讨了模糊数学理论、 灰色系统理论和集对论等在路面结构使用性能评价中的应用，建立了多个评价分 析模型。 ( 5 ) 回顾总结了国内外主要的路面性能预测模型，对影响路面性能预测的各 第一章绪论 种因素进行了概括，并根据我国公路工程实际，提出了路面结构使用性能预测的 新方法一灰色马尔柯夫模型与神经网络模型。 ( 6 ) 路面在反复交通荷载和环境因素共同作用下的疲劳失效是路面结构发生 破坏的基本形式之一。本文较全面地分析了沥青路面的疲劳损伤性能，建立了沥 青路面累积疲劳损伤和疲劳寿命预测的分析计算模型。 ( 7 ) 利用所建立的路面结构使用性能评价与预测模型，对河南省安阳一新 乡、许昌一漯河、郑州一洛阳和郑州一开封等四条选定的高速公路进行了应用研 究，初步探讨了各高速公路路面养护管理的对策，并提出了提高高速公路路面结 构使用性能的养护技术建议。 郑柏大学硕士学位论文 第二章路面结构破损分类及原因分析 2 1 前言 我国高等级公路路面结构有三大类：半刚性沥青路面( 简称半刚性路面或沥 青路面) ，约占7 5 多；水泥混凝土路面( 简称刚性路面或水泥路面) ，约占2 3 ； 刚性组合式路面( 水泥混凝土或碾压混凝土板上铺一层沥青混凝土) ，约占2 【l 。 本章主要讨论我国的高等级沥青路面。美国2 0 世纪8 0 年代对沥青路面的实际使 用寿命做了一次全国性的广泛调查，调查后发表文章指出；按照a a s h t o 路面 设计方法，沥青路面的设计使用期为2 0 年，但实际使用期只有8 1 2 年。我国 高等级沥青路面的设计使用期一般为1 5 年，水泥混凝土路面的设计使用期一般 为3 0 年。我国近几年也进行大量调查，调查的结果表明：我国高等级公路的建 设主要集中在近几年完成，公路路面普遍呈现早期破坏，许多沥青路面在通车2 3 年后就出现了不同程度的破损，甚至有一些在通车不到一年时间内便出现大面 积的破坏，不得不将刚完成的沥青面层铣刨后重新铺筑新面层。上述现象说明， 我国高等级沥青路面的设计、施工、使用和养护管理等多方面存在一定问题，因 此，有必要对我国沥青路面破损的原因进行深入的分析。 2 2 我国高等级沥青路面破损的特点 为了分析我国高等级沥青路面的状况，需要对现有的高等级公路路面状况进 行调查和评价，建议调查的内容包括七方面i l8 j ：( 1 ) 路面破损状况；( 2 ) 结构承载能 力；( 3 ) 行驶质量；( 4 ) 抗滑能力：( 5 ) 交通状况( 交通量、车辆组成和轴载) ；( 6 ) 路 基和路面排水；( 7 ) 路面修建和养护历史。分析我国的路况调查报告】、沙庆林 先后于1 9 9 8 1 9 9 9 年对我国1 5 个省市3 0 多条沥青路面调查研究数据【1 9 】及河南 省高等级公路路面长期性能研究报告【2 0 j 的资料，总结得到我国的高等级沥青路面 结构破损有以下特点： ( 1 ) 高等级沥青路面出现破损具有早期性、普遍性和离散性。通车在2 3 年 后的沥青路面都不同程度地出现了破损，从总体上看，路面破损程度与通车时间 呈正相关的趋势。 ( 2 ) 高等级沥青路面破损呈现区域性，就严重程度而言：受荷区 无荷区；动 荷区 静荷区；潮湿区 干燥区：温差大区 温差小区；软土路基区 一般路基区。 ( 3 ) 高等级沥青路面破损与沥青面层的厚度无关，并不是愈厚，破损愈少；而 与表面层的沥青混凝土级配有关，凡采用空气率较大的半开级配或开级配的沥青 混凝土表面层路面，容易出现严重的破损现象。 “) 高等级沥青路面破损主要为功能性破损，结构性破损的比例较少，由于路 面结构的承载力不足而导致的破损现象更少。导致路面破损的主要原因是路基压 实度不够、排水条件差和超载，在被调查的路段中，有约7 0 多的破损是由上述 原因引起的。 ( 5 ) 高等级沥青路面工程非常复杂，主要表现在：沿线地基和所用填土复杂多 变，特别是路面所使用的材料较多；需要的机械设备多种多样；工艺不一而足： 施工历时长( 一般达2 4 年) ，气候条件复杂多变等。由于工程本身的复杂性， 使得沥青路面容易出现破损现象。 ( 6 ) 通过对多条破损很少的高等级沥青路面进行考察证明：只要认真设计，严 第二章路面结构破损分类及啄函分辑 格按照规范要求施工，竣工路面通车两年后考察路面产生的各种破损率不 会超过0 1 ( 万分之一) 。 ( 7 ) 通过对不同路段出现较多破损的高等级沥青路面比较分析得：建设没有 合理工期，不按预定工期进行建设，只片面地追求进度和完成任务，在不适宜 的天气施工，违反旌工规范，机械化程度和施工工艺水平低，都会造成路面的 施工质量不高，出现大面积的破损现象。 2 3 高等级沥青路面破损的分类 路面破损分类最早由h u b b a r d 于1 9 2 4 年提出，以后研究人员对此进行了深 入的研究。分析国内外文献，路面破损分类应考虑以下四点：( 1 ) 破损机理；( 2 ) 形状；( 3 ) 严重程度；( 4 ) 属性。从破损机理分析路面破损可分为两类1 2 i j ：( 1 ) 结构 性破损。结构性破损是由于路面各层的承载能力降低所引起的，反映在路面表 面往往是裂缝和变形：( 2 ) 功能性破损。功能性破损是由于路面提供给公路用户 的服务水平下降所引起的，反映在路面上主要是出现松散，路面平整度降低等。 正在实施的美国战略公路研究项目( s m 冲) i 2 副把路面破损分成五类：( 1 ) 裂缝类 ( 龟裂、块裂、边缘裂缝、纵向裂缝、反射裂缝和横向裂缝) ；( 2 ) 修补不良与坑 洞：( 3 ) 表面变形( 车辙和拥包) ：( 4 ) 表面损伤( 泛油、刨光和集料散失) ；( 5 ) 其 它损伤( 路面边缘浸水、路肩脱落) 。我国的公路沥青路面养护技术规范 j t j 0 7 3 2 2 0 0 1 i l6 j 将沥青路面破损分为：( 1 ) 裂缝类( 龟裂、不规则裂缝、纵裂、 横裂) ；( 2 ) 松散类( 坑槽、麻面、脱皮、啃边、松散) ；( 3 ) 变形类( 沉陷、车辙、 搓板、波浪、拥包) ：( 4 ) 其它类( 泛油、磨光、修补损坏、冻胀、翻浆) 。本章 根据我国公路养护规范和国外路面评价预测及养护管理技术的发展趋势，从整 体评价的角度建议把路面破损评价分为四项指标：( 1 ) 路面整体弯沉( 路面承载 能力) ；( 2 ) 平整度( 舒适性) ；( 3 ) 路面表面破损( 使用状况) ：( 4 ) 路面抗滑能力( 安 全性) 。 2 4 高等级沥青路面破损的原因分析 路面结构在外界环境( 气候、地形、地貌、土壤、水文条件) 和车辆荷载 的共同作用下，随着时间的推移慢慢会出现破损，逐渐降低直至丧失服务能力。 正确认识各种破损产生的原因和破坏机理，将有助于对路面结构使用性能的合 理评价，并避免破损现象的重新出现和加剧。通过我国业已建成的高等级公路 沥青路面实际状况的调查和研究，建议进行路面破损原因分析时，应从内、外 两方面将各种原因进行归纳【1 8 】【1 9 】f 2 3 】 2 4 】 2 5 】( 图2 1 ) ： f 路面设计方法 l 路面构造类型 内部原因1 路面路基材料 l 施工工艺 l 施工质量 r 交通组成( 恒载、可变荷载、荷载分布) i 环境气候( 温度应力、冻融循环、侵蚀介质) 外部原因排水条件( 地下水、地表水、雨雪、边坡等) i 养护管理( 检查、养护的频率、资金投入量) l 其他因素( 社会原因、人为原因、意外事故) 圈2 ：! 蹙酉毽拯鳇厘固 厂ll、l 类分因原损破 第二章路面结构破损分类及碌因分襁 本章将从沥青路面经常发生的破损类型入手，结合内、外两方面原因进行 综合的归纳分析，并简要讨论沥青路面破损的维修和养护对策问题。具体分析 如下： 2 4 1 由软土地基沉降引起的路面沉陷( 桥头跳车) 我国很多高等级公路都有部分路段位于软土地基上，软土性质差，变形复 杂，容易发生沉陷。针对不同情况的软土地基，公路设计和施工时，都采取了 相应的处理措施，期望路面建成通车后，软土地基不会产生过多的工后沉降， 以减少或减轻路面产生较大沉陷，保持路面应有的平整度。但实践表明，现有 很多高等级公路都没有达到预期的技术效果，软土地段都出现了不同程度的路 面沉陷或桥头跳车现象，同时还引起涵身和通道沉陷、沉降缝拉开和透水，横 坡变缓造成路面积水等。造成软土地段大量沉陷的原因主要有两点： ( 1 ) 采取处理措施后至铺筑路面前容许软土地基固结沉降的时间太短。我国 高等级公路除了采用粉喷桩、搅拌桩、石灰粉煤灰土桩或碎石桩等桩基处理措 施外，通常都采用袋装沙井或塑料排水板与沙垫层加载预压相结合的排水固结 法处理。采用排水固结法，需要有较长的时间来供软土层完成固结，而实际上， 我国高等级公路的计划施工期一般较短，实际施工期又往往比预定的还短，这 都导致在软土地基继续明显沉降的情况下，铺筑完成的路面出现大量沉陷。 ( 2 ) 用当前的技术将塑料排水板或袋装沙井打入2 5 m 深以上的软土层是比较 困难的，粉喷桩的有效深度也仅1 5 m 左右。袋装沙井、塑料排水板或粉喷桩、 搅拌桩、石灰粉煤灰土桩和碎石桩等一般都没有打穿软土层，沙井底、排水板 下端以及桩尖下部仍有一个层厚不一的软土层，排水固结法不能使该软土层中 的水较快排出，在上层荷载作用下，此层中的水需要很长的时间才能逐渐排出， 从而使土体固结达到稳定状态。未打穿软土层的各种桩，实际是悬浮在软土层 上，依靠桩身周围的摩擦力来支撑路面荷载，桩下的软土层在荷载作用下需要 较长的时间才能逐渐稳定。 因此，要使软土路基固结稳定，最重要的是要有足够长的加载预压时间。 铺筑路面前的加载预压时间愈长，开放交通后路面沉降变形就愈小。德国和日 本的专家指出睇l j ：在德国和日本的软土地基上，5 年内不铺筑正规路面；5 年后 软土地基达到基本稳定后，才铺筑正规路面。高等级公路软土路段有必要尽早 采取处理措施，提前填筑路堤，使加载或超载预压时间足够长后，再铺筑沥青 面层，以节约投资，减少浪费，避免出现沉陷破坏。 2 4 2 由路基压实度不够出现的路面局部沉陷变形和纵向裂缝 由于路基填土压实度不够或对原路基( 介于软土地基和坚硬地基之间的地 基) 未作适当处理，使铺筑的沥青路面在通车一段时间后出现明显的局部沉陷： 或由于地基和填土在横向压实的不均匀性，特别是有表面水渗入时，沥青路面 容易产生一些细而短的纵向裂缝。实践证明：地基处理得好，路基分层填筑， 压实充分，压实度高，路基均匀，预先采取措施防止表面水渗入路基，可以避 免产生局部沉陷，减少纵向裂缝的数量，延缓纵向裂缝出现的时间。 2 4 3 基层质量不好造成的同裂、块裂和唧泥 我国高等级沥青路面迟早都产生了局部小块( 盆状或槽状) 网裂变形，这 与基层质量不好、集料离析和不均匀性( 含级配、结合料剂量、含水量和密实 度等) 过大等因素有关。基层的旌工工艺水平关系其质量好坏，基层铺筑质量 不好，厚度不足，载重车通过时产生“弹簧”现象，使路面出现轮迹带网裂、 第二章路面结构破损分类及跟函分抚 下沉变形和块状裂缝。在冰冻地区，特别是重冰冻区，由于低温作用出现冻融 循环，产生了大块状裂缝、唧泥、坑洞和滑移裂缝。调查表明：导致基层质量 不高的问题有基层材料的强度( 抗拉强度和抗压强度) 和刚度( 回弹模量) 达不到要求；基层材料的水稳性和冰冻稳定性不够；基层材料不足以抵抗 动水的冲刷作用：基层材料的收缩性小：基层没有足够的平整度；与面 层结合不好。 2 4 4 水破坏作用 我国高等级沥青路面的水破坏现象十分普遍。水破坏来得快，性质严重， 它是路基路面的大敌。降水进入沥青面层后，在大量高速行驶车辆作用下，可 能产生以下不同的水破坏现象：( 1 ) 表面层产生坑洞。降雨过程中，雨水会进入 并滞留在表面层沥青混凝土的空隙中，在大量快速行车的作用下，一次又一次 产生的动水压力( 空隙水压力) 使沥青从碎石表面剥落，表面局部沥青混凝土 变松散，碎石被车轮甩出，路面便出现了坑洞。对比发现，采用半开式( i i 型) 沥青混凝土表面层产生的坑洞破坏更严重：( 2 ) 表面层和中面层同时产生坑洞， 局部表面产生网裂。降水过程中，如自由水渗入并滞留在表面层和中面层中， 大量的快速行车令这两层沥青混凝土中的部分碎石间的沥青发生剥落，导致表 面产生网裂、形变( 下陷) 和向外侧推挤，或产生坑洞；( 3 ) 唧泥、网裂、坑洞。 若水透过沥青面层( 两层式或三层式) 滞留在半刚性基层顶面，在大量快速行 车作用下，自由水产生很大的压力冲刷基层混合料表层的细料，形成灰白色泥 浆，产生唧泥现象。灰浆数量大时，即产生坑洞：数量小时，可使路面发生网 裂或变形。通过调查分析，上述水破坏现象都随机地发生在行车道上，导致产 生水破坏的主要内因是沥青混凝土本身的空气率大、压实度不够和不均匀。 2 4 5 辙槽 辙槽是沥青路面特有的破损现象，是指沥青路面轮迹带的凹陷深度与其两 侧臌起高度之和。对于半剐性路面，沥青面层下的柔性基层、底基层和土基都 可能由于大应力