（道路与铁道工程专业论文）高速公路半刚性基层沥青路面预防性养护体系研究.pdf

摘要 在我国已建成的高速公路中，大部分采用了半刚性基层沥青路面结构。然而一些高 速公路建成通车后不久，路面早期破坏比较严重。对路面进行预防性养护已成为路面养 护工作的重点。高速公路半刚性基层沥青路面预防性养护是一个系统工程，目前为止， 国内尚缺乏相关的研究和实践。本文根据我国高速公路沥青路面的特点展开路面预防性 养护系统的研究，希望形成一套适合我国国情的高速公路预防性养护体系。主要研究内 容及结论如下： 第一章阐述立题的依据和意义，分析国内外预防性养护研究的现状；从路面结构层 层间状态、路面抗裂、路面荷载特性、路面耐水性、路面养护特性等角度分析了我国高 速公路半刚性基层沥青路面的特点；在路面结构特性分析的基础上分别从广义角度、技 术分析角度和养护措施实施的时间及规模等方面定义了我国高速公路沥青路面预防性 养护的概念；从系统工程角度将整个养护体系分为：养护执行环境部分和养护技术决策 部分；以在一定的路段、最佳的时间、采取一定的养护措施为决策核心构建了预防性养 护的系统框架，最后明确了以后各章的主要研究内容。 第二章进行路面预防性养护执行环境分析。首先分析了我国高速公路的管理模式， 对养护管理的表现形式进行了阐述，为分析路面预防性养护在执行过程中存在的问题提 供了宏观依据。然后根据预防性养护的功能和目的归纳出预防性养护管理具有四个特 点。在宏观讨论和具体特点分析的基础上，挖掘了路面预防性养护在执行过程中存在 的一系列问题。针对存在的一系列问题，从三个层面：认知层面、管理层面和技术层 面构建预防性养护技术的执行环境。在此基础上，提出了完善执行环境硬件建设和软 件建设的措施。 第三章根据沥青路面预防性养护的特点，提出用裂缝、车辙和修补三种类型来表征 高速公路沥青路面的破损。基于预防性养护实施的功能、目的以及条件，建立了6 个单 项路面性能指标的评价体系：路面结构强度指数、路面行驶质量指数、路面行驶安全性、 路面裂缝率、车辙深度和路面修补率。在分析现行公路沥青路面养护技术规范路面综合 性能评价方法的基础上，以路面结构强度指数作为控制指标，综合考虑其余5 个单项指 标对路面综合性能的影响，利用灰色聚类理论建立了基于三角白化权函数的路面使用性 能综合聚类评价模型。 第四章系统回顾了各种路面性能预测模型的优缺点，通过对路面性能标准衰变方程 中两个模型参数寿命因子和形状因子的分析，认为两参数应该是在外部因素的作用下， 随路龄动态变化的。确定形状因子参数为主要动态参数，以最小二乘法为理论基础采用 参数自适应跟踪方法，通过样本的变化来不断调整动态参数；对于寿命因子参数，根据 道路交通量实际增长规律，视其为交通轴载的函数进行修正；最后建立了路面使用性能 双参数修正预测模型。 第五章根据高速公路沥青路面预防性养护技术的特点，把现有预防性养护养护措施 归结为4 大类：裂缝填封、局部缺陷修补、表面封层和薄层罩面。并分别从养护材料、 施工工艺、处置对象等方面进行了详细分析。在此基础上通过适用性分析总结形成了沥 青路面预防性养护技术对策集合，用来指导养护决策。最后结合建立的路面评价体系构 建路面预防性养护决策框架，解决预防性养护体系中路段的选定和预防性养护措施的选 择问题。 第六章在费用效益分析方法的基础上，提出了针对一种预防性养护措施确定其最佳 养护时机的方法。该方法通过综合效益和费用分析，在一定分析期内形成了四个决策指 标：综合效益值、等额年费用值、效益指数和路面服务寿命变化量。综合效益值反映了 路面的服务能力；等额年费用值从养护费用的角度出发反映了资金的消耗；效益指数从 效益费用比的角度出发定义了单位费用所能产生的路面综合服务能力；路面服务寿命变 化量反映了路面服务时间的长短。根据四个决策指标制定不同的决策原则以满足决策者 的需求。 关键词：道路工程、预防性养护、半刚性基层、高速公路沥青路面、路面性能、评价指 标、预测模型、决策方法 a b s t r a c t t h es e m i - r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n ti s m o s t l ya d o p t e di nc h i n a b u tt h ep r e m a t u r e d a m a g eo fa s p h a l tp a v e m e n ti ne x p r e s s w a yi ss e r i o u s s ot h ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c eh a s b e c o m em a i np o i n to f a s p h a l tp a v e m e n t m a i n t e n a n c ei n e x p r e s s w a y t h ep r e v e n t i v e m a i n t e n a n c eo fs e m i - r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n ti sas y s t e m se n g i n e e r i n g b u ts of a r , i ti s s h o r to ft h er e l a t e ds t u d ya n dp r a c t i c ea b o u tt h ea s p h a l tp a v e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e o n t h eb a s i so fa n a l y s i so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e m ir i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n t ，t h ep a p e r h o p e st oc o n s t i t u t eas e to fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c es y s t e mi nc h i n a t h em a i nc o n t e n t sa n d r e s u l t so fs t u d ya r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e rd i s c u s s e st h em e a n i n go ft h es t u d y , r e v i e w st h er e s u l t so ft h er e l a t e d s t u d yb o t hh e r ea n da b r o a d ，c o n c l u d e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e m i r i g i db a s ea s p h a l t e x p r e s s w a yi nc h i n af r o ms e v e r a la s p e c t so ft h ei n t e r f a c es t a t eo fd i f f e r e n ts t r u c t u r a ll a y e r s ， t h ep a v e m e n tc r a c k i n g ，t h el o a d b e a r i n ga b i l i t yo ft h ep a v e m e n t ，t h ep a v e m e n tm o i s t u r e d a m a g ea n dt h ep a v e m e n tm a i n t e n a n c e ，o nt h eb a s i so ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i sg i v e st h r e ec o n c e p t so fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c eo nt h es e m i - r i g i db a s ea s p h a l t p a v e m e n tf r o mt h eb r o a ds e n s ea s p e c t ，t h et e c h n o l o g ya n a l y s i sa s p e c ta n dt h em a i n t e n a n c e t i m ea n ds i z ea s p e c t f i n a l l yt h ec h a p t e rd i v i d e st h ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c es y s t e mi n t ot h e m a i n t e n a n c eo p e r a t i n gc i r c u m s t a n c e sa n dt h em a i n t e n a n c ed e c i s i o n m a k i n g , c o n s t i t u t e st h e f r a m e w o r ko fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c es y s t e ms t u d yt a k i n gt h r e ew ( i nw h e r e ，a tw h a tt i m e ，t o a d o p tw h a tm a i n t e n a n c et r e a t m e n t ) a st h ec o r e t h es e c o n dc h a p t e rf i r s t l ym a k e sa n a l y s i so nt h ee x p r e s s w a ym a n a g e m e n tm o d ei nc h i n a ， a n dt h e nc o n c l u d e sf o u rc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c e t h r o u g hd i s c u s s i n g t h ee x i s t i n gp r o b l e m si ne x p r e s s w a yp r e v e n t i v em a i n t e n a n c em a n a g e m e n t ，t h ec h a p t e r d e s i g n st h em a i n t e n a n c eo p e r a t i n gc i r c u m s t a n c e sf r o mt h r e ea s p e c t s ：c o g n i t i o n ，m a n a g e m e n t a n dt e c h n o l o g y , a n db r i n g sf o r w a r ds o m em e a s u r e st op e r f e c tt h em a i n t e n a n c eo p e r a t i n g c i r c u m s t a n c e sf r o mc o g n i t i o nd e g r e e ，m a i n t e n a n c em a r k e td e v e l o p m e n t ，m a i n t e n a n c ec a p i t a l b u d g e t ，a s s e tm a n a g e m e n t ，m a n a g e m e n ti n s t i t u t i o nd e v e l o p m e n t ，p a v e m e n tm a n a g e m e n t m s y s t e ms t u d y , p a v e m e n ts e r v i c eq u a l i t yc o n t r o la n d v e h i c l eo v e r l o a dm a n a g e m e n te t c a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa s p h a l tp a v e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ，t h et h i r d c h a p t e rc l a s s i f i e st h ep a v e m e n tp r e m a t u r ed a m a g e si n t ot h r e et y p e so fc r a c k ，r u ta n dp a t c h ； s e t su ps i x i n d i v i d u a le v a l u a t ei n d e x e so fp a v e m e n tp e r f o r m a n c e ：t h es t r u c t u r a ls t r e n g t hi n d e x ， t h ef i d eq u a l i t yi n d e x ，t h es k i dr e s i s t a n c ei n d e x ，t h ec r a c kr a t e ，t h er u td e p t ha n dt h ep a t c hr a t e o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so nt h ep a v e m e n tc o m p o s i t ep e r f o r m a n c ee v a l u a t em e t h o do f t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nf o rm a i n t e n a n c eo fh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n t ，t h ec h a p t e rt h i n k st h e s t r u c t u r a l s t r e n g t hi n d e xa s c o n t r o li n d e x ，c o n s i d e r st h e i n f l u e n c e so ft h eo t h e rf i v e p e r f o r m a n c ei n d e x e so nt h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ec o m p o s i t ei n d e x ，a n dt h e ne s t a b l i s h e st h e g r e yc l u s t e re v a l u a t i n gm o d e lo fc o m p o s i t ei n d e xb a s e do nt h et r i a n g l ew h i t e n i z a t i o nw e i g h t f u n c t i o n t h r o u g ha n a l y s i s o nt h es t a n d a r dp e r f o r m a n c ed e t e r i o r a t i o ne q u a t i o no fa s p h a l t p a v e m e n t ，t h ef o u r t hc h a p t e rs u g g e s t st h a tt h e l i f ef a c t o ra n dt h es h a p ef a c t o ra r et w od y n a m i c p a r a m e t e r sw i t ht h er o a da g e t h el i f ef a c t o re x p r e s s e st h es e r v i c el i f eo fh i g h w a yw h e nt h e p a v e m e n tp e r f o r m a n c ed e c l i n e st o6 3 2 o fi n i t i a lp a v e m e n tp e r f o r m a n c e t h es h a p ef a c t o ri s s e n s i t i v ef a c t o r , a n dc o n t r o l st h es h a p eo fp e r f o r m a n c ec u r v e a i m e da td i f f e r e n tf u n c t i o n so f t w op a r a m e t e r si nt h es t a n d a r de q u a t i o n ，t h ec h a p t e rc o n s t r u c t sap e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n m o d e lo fa s p h a l tp a v e m e n tu s i n gd i f f e r e n tc o r r e c t i o nm e t h o d s c o n s i d e r i n gt h a tt h es h a p e f a c t o ri sm a i ni n f l u e n t i a lf a c t o lt h ec h a p t e r a d o p t sm o d i f i e dp a r a m e t e rs e l f - a d a p t a t i o nm e t h o d t op r e d i c tt h es h a p ef a c t o r , a n dt h i n kt h a tt h el i f ef a c t o ri saf u n c t i o no ft r a f f i cv o l u m e f i n a l l y , t h ec h a p t e rv e r i f i e st h ev a l i d i t yo ft h ee r e c t e dm o d e l a i m e da tt h ee x i s t i n ga s p h a l tp a v e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c et r e a t m e n t s ，t h ef i f t h c h a p t e rc l a s s i f i e st h e mi n t of o u rt y p e s ：c r a c kf i l l i n g ，p a r td e f e c tp a t c h i n g ，s u r f a c es e a l i n g ，t h i n o v e r l a y ,a n da n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e m ，a n df o r m sap r e v e n t i v em a i n t e n a n c e d e c i s i o nm a k i n gm u s t e rf o ra s p h a l tp a v e m e n tt h r o u g hm a k i n ga p p l i c a b i l i t ya n a l y s e so fs o m e p r e v e n t i v em a i n t e n a n c et r e a t m e n t s f i n a l l y , c o m b i n e dw i t ht h ee r e c t e dp a v e m e n tp e r f o r m a n c e a s s e s s s y s t e m ，p u t s f o r w a r dt h e p a v e m e n tp r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e d e c i s i o n - m a k i n g f r a m e w o r kt os o l v et w op r o b l e m sa b o u ti nw h e r ea n da d o p t i n gw h a tm a i n t e n a n c et r e a t m e n t o nt h eb a s i so ft h ec o s tb e n e f i ta n a l y s i s ，t h es i x t hc h a p t e rs e t su pam e t h o dt od e c i d et h e o p t i m a lt i m i n go fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c et r e a t m e n ta p p l i c a t i o n s ，t h r o u g ha n a l y s i so nt h e p a v e m e n tc o m p o s i t eb e n e f i ta n dt h ec o s t ，e s t a b l i s h e sf o u rd e c i s i o nm a k i n gi n d e x e si nt h e d e f i n i t ea n a l y s i sp e d o d t h e ya r et h ec o m p o s i t eb e n e f i tv a l u e ，t h ee q u a la n n u a lc o s t ，t h e b e n e f i ti n d e x ，a n dt h ee x p e c t e de x t e n s i o no fl i f e t h ec o m p o s i t eb e n e f i tv a l u er e f l e c t st h e s e r v i c ea b i l i t yo fp a v e m e n t t h ee q u a la n n u a lc o s t e x p r e s s e st h ec o n s u m e dc a p i t a lo f p a v e m e n tm a i n t e n a n c ee v e r yy e a r t h eb e n e f i ti n d e xd e s c r i b e st h ep a v e m e n tc o m p o s i t e s e r v i c ea b i l i t yp e ru n i tc o s t t h ee x p e c t e de x t e n s i o no fl i f er e p r e s e n t st h es e r v i c et i m eo f p a v e m e n t f o u rd e c i s i o nm a k i n gi n d e x e sm a ym e e tt h en e e d so fd i f f e r e n td e c i s i o nm a k e r s k e yw o r d s ：r o a de n g i n e e r i n g ；p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ；s e m i - r i g i db a s e ；a s p h a l tp a v e m e n to f e x p r e s s w a y ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ；e v a l u a t ei n d e x ；p r e d i c tm o d e l ；d e c i s i o n - m a k i n gm e t h o d v 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： 妒叱 论文知识产权权属声明 文们译多只 乙b 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： 导师签名： 妒凡 裁参多筘 噼多只7 钐b 夕护夕年多月配日 长安大学博十学位论文 第一章绪论 1 1 立题依据和意义 从1 9 8 8 年上海至嘉定高速公路建成通车至今，在“五纵七横 国道主干线系统规划 的指导下，我国高速公路从无到有，总体上实现了持续、快速和有序的发展。特别是1 9 9 8 年以来，国家实施积极财政政策，加大了包括公路在内的基础设施建设投资力度，高速 公路建设进入了快速发展期，年均通车里程超过4 0 0 0 公里。相关研究成果表明，要适应 未来2 0 年全面建设小康社会和本世纪中叶基本实现现代化的需要，我国高速公路网的总 规模大体应在1 0 1 2 万公里【。 高速公路的快速发展，极大提高了我国公路网的整体技术水平，优化了交通运输结 构，对缓解交通运输的“瓶颈 制约发挥了重要作用，有力地促进了我国经济发展和社 会进步。从8 0 年代至今，半刚性基层沥青路面结构设计成套技术逐渐形成，成为我国 高速公路建设的重要技术手段。在我国已建成的高速公路中，8 0 高等级公路采用半刚 性基层沥青路面结构【2 1 。然而由于种种原因，我国高速公路沥青路面暴露出了一些问题， 路面早期破坏比较严重，一些高速公路建成通车后不久，短的几个月，长的3 - 5 年就 不得不进行大面积维修，达到设计使用年限1 5 年的沥青路面结构并不多见。 我国高速公路沥青路面的早期损坏所表现出的形式和特征是多种多样的。而促使路 面出现损坏的原因是多方面的，总体可以分为客观因素和主观因素两大类。客观因素包 括：交通荷载因素( 超载、重复加载、水平荷载) 和环境因素( 温度变化、湿度变化和 冻融作用) 。主观因素包括：结构设计、施工、材料选用和养护管理等。为使问题变得 直观绘制影响路面性能衰减因素图1 1 。在诸影响因素中，同一种影响原因可以引起不 同形式的损坏，而同一种损坏形式可以由不同原因共同造成。如影响沥青路面低温开裂 的原因除了沥青和沥青混合料的低温性能起主要因素外，还与沥青混合料的组成、沥青 层的厚度、路面结构组合、沥青路面的施工技术、交通量、交通荷载、道路的使用年限、 自然环境、养护维修等因素有关。 根据木桶定律：一只木桶盛水的多少，并不取决于桶壁上最长的那块木板，而恰恰 取决于桶壁上最短的那块木板。对于路面质量控制而言，同样也需要寻找影响路面质量 的短板。分析图1 1 可知，在诸多因素中环境因素是客观非人为可以改变的，而其它影 1 第一章绪论 响因素则是相对可控的。因此从影响路面质量的因素角度出发，环境因素是所有影响因 素中的短板，而这块短板又无法通过自身修正加长。但是我们可以通过控制其他因素来 削弱环境因素带来的影响，加长该板。对于所有相对可控因素而言，彼此的作用又是相 辅相成的，任何一个环节的疏漏都可能使整个体系出现短板。中国公路杂志的一份 调查问卷列出了引起道路早期损坏原因的权重，见图1 2 。 圈1 1 影响路面性能衰减园秉田 路面结构酷计不 合理2 4 醇载1 6 养护不及时4 施工质量2 3 图l 2 路面早期损坏原因谓膏数据 根据图1 2 显示的各影响因素所占权重，运用术桶效应理论可以得到主要路面性能 影响因素的逻辑关系图，见图1 3 。由图1 , 3 知，首先必须从根本上解决问题，加大对道 路结构设计研究，路面结构设计是问题的基础；结构设计合理了，材料的好坏便成为影 响路面性能的主要矛盾；但是合理的结构设计和良好的材料性能必须通过一定的施工工 2 长安大学博上学位论文 艺来保证；当前三个条件都具备以后，则可以修筑出性能良好的道路。但在公路的运营 阶段，路面养护管理就变得格外重要。 图1 3 路面性能影响因素逻辑关系图 为此建立广义的路面质量控制体系。即对路面进行全过程跟踪管理，通过对可控成 因的控制及优化来减少路面早期损坏，保证路面的设计寿命，甚至延长使用寿命，从而 达到良好的综合经济效益。基于广义概念，从时间纬度和空间结构层构造我国高速公路 半刚性基层沥青路面质量控制矩阵图1 4 。图中厶代表控制函数，在不同的时间段，针 对不同的空间层，应制定相应的质量控制函数，而建立每一个控制函数都是一个多目标 的优化决策过程。例如，针对目前高速公路沥青路面的结构设计应该加强防排水设计， 同时丰富路面结构类型；在面层施工阶段压实度控制、混合料离析控制、施工时的层间 污染控制应成为主要控制对象；在公路运营阶段，主要涉及超限超载控制和养护管理， 前者靠相应的政令法规来实现，而后者则是该阶段的主要矛盾。 设计阶段施工阶段 ：筹蓼f 面层 。五：五， 基层 f nf 琵t b 咯基 艿。，3 2厶， 图1 4 高速公路半刚性基层沥青路面质量控制矩阵 广义公路养护概念包括两种具体的生产行为：养护和修复。前者以道路系统正常使 3 第一章绪论 用状态下的部分功能型缺失为处置对象，是现代公路养护的重点。后者则适用于道路系 统使用功能和结构功能遭到破坏。两种行为处置的路面病害类型不同，适应的路况有所 不同，因此两者是并存与互补的关系。但是长久以来，我们习惯性停留在旧的传统生产 方式上，存在“重修轻养 、“以修代养 的倾向。高速公路养护的目的是保持路况完好， 维护高速公路的正常使用功能，消除使用中出现的病害、隐患，延长其使用寿命【3 1 。路 面质量的好坏直接关系着行车是否安全、快速、经济和舒适，所以在整个养护工作中， 路面养护是高速公路养护工作的中心环节。如果公路缺养、失养，路况必然很快下降， 道路通行就必然受阻，所以路面养护质量是公路养护质量考核的首要对象。沥青路面养 护技术规范【3 】明确规定，对沥青路面必须进行预防性、经常性、和周期性养护。通过对 高速公路实施路面预防性养护，能及时修复路面微小病害，防止产生严重损伤，延长路 面使用寿命，保持路面良好的服务状态，从而减少铣刨、翻修次数，节省大修费用。所 以系统地研究我国高速公路沥青路面预防性养护技术与管理模式，推广贯彻实施路面预 防性养护管理是我国高速公路发展的迫切需要。然而截止目前，高速公路沥青路面养护 工作仍然延续中低级公路的养护模式和习惯，普遍采用抢救式养护方式。虽然养护规范 【3 】明确提出了预防为主的方针，但无论从认识程度上，还是从投入研究力度上，我国高 速公路沥青路面预防性养护已成为养护工作中的短板。可以预计随着高速公路里程的增 加和使用时间的延长必然会带来路面不断的损坏，养护工程量将越来越大；我国高速公 路将由建设为主转为建设与养护并举，并逐步以养护为主，从一定意义上讲养护维修实 际上是公路建设的一种继续。 1 2 国内外研究状况分析 1 2 1 国外预防性养护研究与应用 自美国德克萨斯大学汉德森教授( h u n d s o n ) 等运用运筹学和系统工程学理论开发 了路面养护管理系统( p m s ) 以来，国外形成了一些有代表性的管理系统【4 ，5 ，6 ，7 引。预防 性养护作为其中的一部分以一个完整的概念出现于2 0 世纪8 0 年代，是许多国家在公路网 重建过程中总结以往经验教训后提出来的。美国等西方国家将沥青路面的养护维修作业 分为：预防性养护( p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ) 、纠正性养护( c o r r e c t i v em a i n t e n a n c e ) 、路面 翻修( p a v e m e n tr e h a b i l i t a t i o n ) 、路面重建( p a v e m e n tr e c o n s t n l c t i o l l ) 等四类【引。该类划分功 4 长安大学博士学位论文 能性和目的性非常明确，而我国沥青路面养护规范按工作量大小进行划分，根本没有预 防性养护的概念。 a a s h t o 道路协会定义预防性养护为【9 1 ：预防性养护是在路面状况良好、不增加路 面结构能力的情况下，对现有道路系统通过采用经济有效的养护措施，来延缓路面性能 的衰减，维持或改善现有路面使用性能的一种有计划的养护活动。该定义强调养护活动 的计划性，路面结构的良好性，具体养护措施的操作性，路面寿命的延展性，以及良好 的经济性。文献【1 0 】定义预防性养护是一个针对现存公路系统采取的有计划的费用效果 处理系统，其功用是在保持公路的功能性服务的基础上，限制路面功能衰减，阻止轻微 损坏，延迟渐进性破坏，降低日常养护和其它服务活动。该定义突出了路面的服务功能， 强化了预防的概念。总之，预防性养护是建立在费用一效益分析的基础上，在一定条件 下实施的养护行为。它无法阻止路面的最终损坏，但可以降低路面的损坏速率，延长服 务寿命。 对于预防性养护的研究应用，国外做了大量的工作。a a s h t o 调查显示到1 9 9 9 年 美国5 0 个州其中3 6 个州采用了预防性养护系统【1 1 】。蒙大纳州于1 9 9 5 年投入2 0 0 万美 元研发预防性养护系统，到1 9 9 6 年增至7 0 0 万美元，而至9 8 年预算达5 5 0 0 万美元【1 2 】。 美国联邦公路管理局f h w a ( t h ef e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ) 于1 9 9 2 年启动c p m ( t h ec a p i t a lp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ) 路面预防性养护计划，每年由m d o t 聘请顾问来评 价计划执行效果。在c p m 计划中对具体的养护技术( 沥青罩面，路面铣刨罩面，超薄 罩面，裂缝处置，微表处，石屑封层) 等措施做了深入评价f 1 3 】。n c h r p ( h i g h w a yr e s e a r c h p r o g r a m ) 联合资助一个调查项目，调查法国、南非、澳大利亚等国家的路面养护技术 研究及应用状况【1 4 j 。 为了具体评价预防性养护所能获得的经济效益，美国于1 9 8 7 年启动的投资总额为1 5 亿美元公路研究项目s h r p 计划中，第三个子项目“养护费用一效益 就是专门从改善 费用效益的角度来研究养护技术【1 5 】。它包括了两个主要研究课题：h 一1 0 1 和h 一1 0 6 。 前者的研究对象是四种预防性养护技术；后者研究了坑洞修补和裂缝填封等修复性养护 方法。1 9 9 3 年s h r p 计划结束之后，s h r p 第二个子项目“路面长期性能”在美国联邦公 路管 里局- j ( f h w a ) 的监督下，成为一个新的为期2 0 年的路面长期性能研究计划。其中有 关柔性路面的养护课题s p s 一3 作为h 一1 0 1 课题的延伸和l t p p 计划的一部分已于1 9 9 8 年 5 第一章绪论 完成了第一个五年的跟踪研究。根据估算1 1 6 , 1 7 】，在路面整个生命周期内进行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 。而据美国密歇根交通 运输部( m d o t ) 估计，自1 9 9 2 年密歇根执行预防性养护计划以来，节省资金超过7 亿美元。 总结预防性养护的意义主要体现在几个方面：1 ) 保持路面良好的使用性能；2 ) 延长路 面的使用寿命；3 ) 减少路面寿命周期的成本；4 ) 节约养护维修资金；5 ) 优化路网条 件，平衡资金需求【1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 | 。 在国外公路发达国家，不断完善的预防性养护系统( 简称p p m ) 已成为政府以及高 速公路管理部门进行决策指定养护计划的必备程序。而伴随着p p m 系统的不断完善，产 生了许多以p p m 为经营主体的科技公司，协助政府和工程企业完成路面养护管理和决策 工作。除了管理技术外，高速公路路面养护技术、养护材料与养护机械也逐步开发、完 善，并形成成套技术。因此，由于有完善的管理系统和成套的养护维修技术，在发达国 家高速公路能够维持较长服务年限，并且路面使用品质始终保持在良好状态。但是这些 系统都是根据本国公路结构形式、交通状况、材料性质和地理环境条件等建立起来的， 有很大的局限性。例如，其性能评价指标和方法不适合我国高速公路路面结构合和行车 特点，性能预测模型都是以本国路面性能数据进行标定的等等。因此，国外相对成熟的 系统，无法直接应用于我国高速公路养护管理。 1 2 2 国内预防性养护研究现状 国内路面管理系统的研究开始于1 9 8 5 年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，产生了一 系列省市级或地区级路面管理系统。潘玉利【2 0 】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。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，并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1 2 1 , 2 2 , 2 3 l 。广东省在建立高速公路 数据库系统时，加入了地理信息系统g i s 子模块，但未能实现真正意义上的动态分析路 况数据的功能【2 4 1 。总之，在众多研究者的努力下我国路面养护管理系统的理论水平有了 长足的进步，但其中却未充分体现预防性养护的内容。 近年来，高速路面预防性养护技术正逐渐被重视，许多研究者做了大量的工作，一 6 长安大学博十学位论文 些预防性养护措施在某些路段也尝试着得到应用。文献1 2 5 对国内推广微表处技术存在 的问题进行了分析。文献【2 6 】介绍了开展高速公路沥青路面预防性养护的重要意义以及 一些措施的应用。文献 2 7 ，2 8 ，2 9 介绍了稀浆封层、微表处等几种预防性养护措施。文献 【3 0 探讨性地提出了基于沥青路面功能性的预防性养护时机指标。文献 3 1 】比较了几种 路面预防性养护时机确定方法的优缺点，提出养护时机应该在一个多标准，基于路面性 能的基础上进行。但是，大多数研究尚处于起步阶段，要么太过笼统，要么太具体，不 能形成系统的方法和理论。国外虽然对路面预防性养护技术研究的比较深入，但是对于 预防性养护控制指标，养护时机的研究仍处在不断的深入中。另外，对于国外的研究成 果我们只可参考，不可盲从。 总之，半刚性基层沥青混凝土路面在我国应用的时间有限。我们对在日益增长的交 通荷载的作用下路面病害产生的机理和发展规律认识不深，经验积累有限，以致出台的 规范性技术文件缺乏系统性，可操作性差。虽然我国现行公路沥青路面养护技术规范规 定对路面进行预防性、经常性的周期性养护。但在操作中，实际上存在“有规无从循， 有法无可依的局面。首先，现行规范中根本没有路面预防性养护的明确定义，有的只 是按工作量进行的养护分类。其次，现行的路面评价体系无法满足预防性养护的作业要 求。预防性养护有自身的技术特点，必须在明确其实质内容后制定相应的路面评价体系。 另外，预防性养护更加需要一个可靠的路面性能预测模型。还有对于具体预防性养护技 术的理解规范没有给出明确的解释。因此，现行规范的可操作性差导致许多地方忽视高 速公路的交通特点和半刚性基层沥青路面的材料以及结构特性，仍沿用柔性基层沥青混 凝土路面的养护经验和措施，结果养护工作效率低下，路面有效使用时间缩短。鉴于我 国高速公路主要采用半刚性基层沥青路面结构形式，其损坏模式有别于柔性路面。因此， 必须根据高速公路半刚性基层沥青路面的结构特点来构建其预防性养护体系。 1 3 高速公路半刚性基层沥青路面结构特性 我国的高速公路半刚性基层沥青路面是公路发展的历史性产物。“强基薄面 的指 导思想是路面设计思路的凝缩，其典型的路面结构见图1 5 。长期以来人们普遍认为这 种路面具有：板体性强，承载能力和抗变形能力高；抗冻性好，能有效治理季节性冰冻 地区的翻浆；可以充分利用地方性材料，造价低等优点。然而与国外的高速公路沥青路 7 第一章绪论 面早期损害相比，我国的路面损坏出现得更早，而且出现的损坏现象与设计控制的损坏 有所不同。因此，必须针对我国高速公路沥青路面的道路结构，深层次地剖析高速公路 半刚性基层沥青路面的特点，挖掘造成早期破坏的原因，为采取路面预防性养护提供理 论依据。下面从路面的结构层层间状态、抗裂特性、荷载特性、耐水特性、养护特性等 角度出发，分析高速公路半刚性基层沥青路面的特点。 表面层4 0 m m 沥青面层总厚度 中面层5 0 - - 6 0 m m 1 5 0 , - 、, 1 8 0 m m 下面层6 0 8 0 m m 水泥、二灰稳定基层2 0 0 4 0 0 m m 水泥、二灰稳定底基层1 5 0 - 3 5 0