（模式识别与智能系统专业论文）灰色理论在旧水泥混凝土路面改造中的应用.pdf

灰色理论在旧水泥混凝土路面改造中的应用 摘要 白改黑是现在水泥混凝土路面改造的重要方法之一 一直以来倍受人们关 注 白改黑的设计 施工也在日趋完善 然而 随着白改黑的各种方案在旧水 泥混凝土路面改造中的广泛应用 以及我国水泥混凝土路面改造项目的增多 人们对白改黑设计方案的选择应用提出了更高的要求 然而 传统的白改黑设 计方案往往是利用经验根据旧水泥混凝土路面的现状拟定白改黑设计方案 不 能精确的反映该设计方案在白改黑项目中的具体优势 同时 在方案的选择中 很难全面的考虑设计方案的各项指标 本文通过引入旧水泥混凝土路面综合评 价指标 结合各个白改黑设计方案的评价指标建立了白改黑设计方案评价模型 利用灰色关联分析法计算方案各个指标的关联度并最终确定该设计方案的优度 值 最后 结合工程实例 采用白改黑设计方案评价模型对白改黑项目的设计 方案进行评选 证明了应用该模型是可行的 同时显示了该模型和计算方法在 灵活性和适用范围方面的优越性 关键词 白改黑设计方案评价模型灰色关联分析法 g r e yt h e o r ya p p l i c a t i o ni nr e f o r m i n gi no l d c e m e n tc o n c r e t er o a ds u r f a c e a b s t r a c t c h a n g es e c r e to n eo ft h ei m p o r t a n tm e t h o db e i n gc e m e n tc o n c r e t en o wr o a d s u r f a c em a k eo v e rv a i n l y s i n c ea l lt h et i m eb ed o u b l yp e o p l ep a i dc l o s ea t t e n t i o n t o c h a n g e db l a c kd e s i g nv a i n l y o u rc o u n t r yc e m e n tc o n c r e t er o a d b e e nu n d e rc o n s t r u c t i o na l s oi nb e i n gp e r f e c t e d s u r f a c er e f o r m sa n dt h ep r o j e c ti n c r e a s i n gb y p e o p l eh a sad i a l o g u ec h a n g i n gt h eb l a c kd e s i g np l a n sc h o o s i n gt h eh i g h e rc a l lf o r h a v i n ga p p l i e dp u tf o r w a r db u t w i t hc h a n g i n gv a r i o u sb l a c ks c h e m ee x t e n s i v eu s e i nr e f o r m i n gi no l dc e m e n tc o n c r e t er o a ds u r f a c ev a i n l y t h a tt h et r a d i t i o nw h i t e c h a n g e st h eb l a c kd e s i g np l a ns o m e t i m e si st om a k eu s eo fe x p e r i e n c et od e s i g n w h i t ea c c o r d i n gt oo l dc e m e n tc o n c r e t er o a ds u r f a c ec u r r e n ts i t u a t i o nc h a n g i n gt h e b l a c kd e s i g np l a nb u t u n a b l ea c c u r a t er e p o r t i n go w e sad e s i g np l a nc o n c r e t e a d v a n t a g ei nc h a n g i n gt h eb l a c kp r o j e c ti nw h i t e a tt h es a m et i m e t h ec h o i c ei n t h es c h e m ei sh i tb yt h ev a r i o u si n d e xv e r yd i f f i c u l tt oc o n s i d e rad e s i g np l a na l l r o u n d t h em a i ni n d e xb o d yo fab o o ki sa p p r a i s e ds y n t h e t i c a l l yb yl e a d i n gi n t ot h e o l dc e m e n tc o n c r e t er o a ds u r f a c e a p p r a i s eam o d e le s t i m a t i n gt h a tt h ei n d e xh a s b u i l tw h i t ec h a n g i n gt h eb l a c kd e s ig np l a n m a k eu s eo fag r e yt ob ec o n n e c t e d a n a l y s i n gt h ec o r r e l a t i o nd e g r e ef o l l o w i n ge a c hi n d i c e so fc a l c u l a t i o ns c h e m ea n d b eg i v i n gp r e f e r e n t i a lt r e a t m e n td e s i g n i n gas c h e m e st u r nu l t i m a t e l yf o rs u r e c o m b i n i n gw i t hc h a n g i n gt h eb l a c kd e s i g np l a n so n eb yo n ev a i n l yd e g r e ev a l u e t h ed e s i g np l a ng oa l o n gt oc h a n g e sc o m b i n i n gw i t ht h ep r o je c te x a m p l e a d o p t w h i t ef i n a l l yi sc h o s e nt h r o u g hp u b l i ca p p r a i s a l h a v i n gt e s t i f i e dt h a tm o d e l a p p l y i n gh a sb e e nf e a s i b l e a tt h es a m et i m eh a sd e m o n s t r a t e dt h es u p e r i o r i t y s h o u l dm o d e la n dr e c k o n i n gi nt h ef i e l do ff l e x i b i l i t ya n dt h ea p p l i c a b i l i t y k e yw o r d s w h i t ec h a n g eb l a c k d e s i g np l a n v a i n l ya p p r a i s i n gam o d e l t h e g r e yi sc o n n e c t e da n a l y s i n gl a w 插图清单 图3 1冲击压实设备 2 5 图3 2m h b 碎石化设备 2 6 图4 1设计指标曲线图 3 2 图5 1本项目地理位置图 3 7 图5 2 本项目现状路面图 3 9 表格清单 表2 1 旧水泥混凝土路面损坏划分 9 表2 2 路面状况分级标准 1 0 表2 3 计表算单项扣分值的系数a i j 和b i i 1 2 表2 4 路面破坏状况评价标准 1 3 表2 5 乘客不舒适程度的量化标准b s 1 3 表2 6 路面行驶质三评价标准 1 4 表2 7 路面杭性能评滑价标准 1 5 表2 8 地基回弹模量评价标准 单位 m p a 1 6 表3 1 水泥混凝土面层上沥青加铺层的选用厚度 1 t 1 1 2 4 表4 1 三种不确定性方法的比较 3 1 表5 2 各方案的各项指标评分 4 3 表5 3 各方案差序列表 4 3 表5 4 各指标和参照数列中各最优值的关联系数 4 4 表5 5 各个功能对方案的重要性评分表 4 4 表5 6 各个功能的关联度计算表 4 5 表5 7 各个功能的权重计算表 一4 5 表5 8 各方案的各项指标评分 4 6 表5 9 各方案差序列表 4 6 表5 1 0 各指标和参照数列中各最优值的关联系数 4 6 表5 1 1 各方案的各项指标评分 4 7 表5 1 2 各方案差序列表 4 7 表5 1 3 各指标和参照数列中各最优值的关联系数 4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 据我所知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得金蟹王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意 学位论文作者签字辩 签字日期 小矽年严月酊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金鲤王些太堂 有关保留 使用学位论文的规定 有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅或借阅 本人 授权 金魍王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文者签名刁磅噼 导师签名 签字日期知 7 年午月恐日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 签字日期1 年妒月咖 螈l 弓 易j 易7 7 吵 邮编 致谢 本文的研究工作是在导师王章虎老师的悉心指导下完成的 导师严谨的治 学态度 一丝不苟的工作精神 平易近人的作风 以及对科学和教育事业的无 私奉献精神 都使我受益匪浅 在这几年的学习和工作中 导师对我的关心 支持和爱护使我终生难忘 在此 谨向恩师致以崇高的敬意和衷心的谢意 在研究生学习阶段和论文选题的过程中 还得到了土木与水利工程学院多 位老师的精心指导和帮助 对他们表示诚挚的感谢 同时 也向本论文的评阅 人和答辩委员们表示衷心的感谢 在课题的研究和论文写作过程中 还得到了杨笑同学的帮助 感谢他与我 一起度过这段难忘的学习历程 最后 感谢我的家人 正是他们的默默奉献及理解 支持和帮助 才使我 的学业和论文工作得以顺利完成 作者 钱高兵 2 0 0 9 年3 月 1 1 研究背景 第一章 绪论 我国修建水泥混凝土路面己经有四十多年的历史了 目前 我国拥有高速 公路近3 万公里 居世界第二位 仅次于美国 建设速度之快是史无前例的 在这近3 万公里的高速公路中 水泥混凝土路面里程约占2 0 即有6 0 0 0 多 公里 在2 0 多万公里的一 二级公路中 有近4 万k m 水泥混凝土路面 当 前 许多老路己经接近或超过了其设计年限 有的虽未达到设计年限 但由于 交通量剧增 汽车轴载日益重型化或设计 施工方面等的种种原因 而出现不 同程度损坏 道路使用品质下降的情况 有些水泥混凝土路面的损坏非常严重 除此之外 水泥混凝土路面还存在噪声较沥青路面大 行车舒适性不及沥青混 凝土路面 破坏后修复难 修复周期长 修复费用高等缺点 现有逐渐被沥青 路面 包括柔性路面 半刚性路面 刚性组合式路面 代替的趋势 随着2 0 0 8 年我国的四万亿的经济刺激计划中 交通投资占较大份额 将使我国的水泥混 凝土路面改造项目又将得到更大发展 作为高等级公路 沥青路面与水泥混凝土路面具有不同的特点 沥青路面 在高速交通舒适性方面优于水泥混凝土路面 但在适应重载交通方面水泥混凝 土路面的优点显著 2 0 世纪8 0 年代中国水泥混凝土路面有一个较大的发展 究其背景是交通基础设施需求下重交通道路沥青供应不足 而中国石灰岩资源 丰富 是世界级的水泥生产大国 水泥混凝土面层承载力大 稳定性好 较其 它类型的路面更能满足交通繁忙 轴载重的要求 但同时要求基层有良好的稳 定性 这是水泥混凝土的力学特性所决定的 水泥混凝土的弹性模量高达 3 0 m p a 是常温下 t 5 沥青混凝土设计模量的1 5 倍 因此被称之为刚性 路面 而沥青路面属柔性路面 当前在中国国道干线公路建设中 路面类型纷 纷转向选择沥青路面 除重交通道路沥青供应有了来源这个必要的前提之外 同时 由于基础稳定性不足 水泥质量不过关导致水泥混凝土路面早期损坏 这也是倾向选择沥青面层的内因 不均匀变形是路面工程不确定性的必然结 果 对于刚性路面来说由此引起的裂缝是致命的 而柔性的沥青路面对于不均 匀变形 因极限应变范围较宽 具有较好的适应能力 沥青混合料加铺层具有 可以不断绝通车条件下进行施工的特点 因此针对路面结构可变性 在路网的 养护 改建工程中有很好的灵活性与适应性1 2 j 当前 在旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层主要有三种方案 原水泥 混凝土路面面层直接加铺沥青 挖除旧板重新浇筑后 再加铺 路面破碎加铺 沥青 各个方案都有其优缺点 其中利用混凝土板做底基层前期费用相对较低 但是由于后期反射裂缝的出现 养护维修费用可能相对较高 而且罩面改造后 沥青路面的质量与原水泥混凝土板的压浆处理质量有密切关系 完全挖除旧混 凝土板块就不存在反射裂缝的问题 养护维修费用可能也相对较少 因需要重 建路面结构层 前期费用相对较高 同时挖除的旧混凝土板块如果处置不当的 话可能会引起社会环境问题 破碎旧水泥混凝土板块再加铺沥青虽然能预防或 推迟反射裂缝的产生 但在施工时会对环境造成影响且施工时原路面交通不好 组织 路面高度也加高不少 3 旧混凝土路面白改黑时这三种方案都可以选择 譬如合肥至芜湖高速公路大修改造工程在方案的选择上根据原水泥路面板块 破损调查记录并结合路基路面检测结果对该项目的原水泥混凝土路面采取2 种 处理方式 4 在路面调查中 路面被评定为病害严重 断板率l b l 2 8 且板块 严重破碎 沉陷 唧泥频繁发生路段采用直接挖除原水泥混凝土面板加铺沥青 方案 其他路段则采用旧混泥土面板破碎作底基层再加铺沥青方案 很多白改 黑项目所选择的方案都是根据原路面破损情况结合经验去选择白改黑设计方 案 可不可以应用一种数学方法对旧路面破损程度进行综合评价 采用数学方 法结合旧水泥混凝土路面的综合评价指标对方案的选择进行优度计算得出最 优方案呢 本文对需要改造的旧水泥混凝土路面各方面的性能进行评价 综合 所得评价结果以及各个设计方案的功能定义利用灰色理论的方法进行数学分 析 最终得到最优化方案 对方案选择的研究可以节约投资 取得最大效益 减少资源浪费或者重复投资 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国内外研究现状综述 早在二十世纪3 0 年代 国外已经开始尝试在旧水泥混凝土路面上加铺沥 青面层的路面修复技术而且绝大部分重交通道路均采取在贫混凝土基层上加 铺沥青面层的修复措施 加铺沥青面层最主要的问题是反射裂缝问题 自上世 纪6 0 年代以来各国学者就反射裂缝开展了多方面的研究工作 这些研究工作 概括起来主要可分为四个方面 1 反射裂缝的产生机理 第二届反射裂缝国际会议形成了以下共识 温度应力引起反射裂缝的产生 并 参与 了其最初的扩展 荷载应力加速了裂缝的进一步扩展 5 j 也就是说 温度变化和行车荷载是引起旧水泥混凝土路面上沥青加铺层产生反射裂缝的 主要原因 另外 国内外大量的工程实践表明 气候条件 沥青罩面层的材料 性能 交通状况以及旧路面的损坏状况也是影响反射裂缝产生和发展的主要因 素 2 反射裂缝的防治措施 国内外的研究表明 有效的防止反射裂缝的措施涉及整个路面结构 罩面 层 夹层 如果有 旧水泥路面板 基础 基层和土基 在提高各结构层 性能的同时应从整体的角度来防治反射裂缝 这些防止反射裂缝的措施大致可 以分为三类 b j 1 改善沥青罩面层的性能 应用改性沥青或在混合料中加入纤维 增 加沥青面层厚度 罩面层下部应用加筋材料 从而提高罩面层的抗变形能力和 抗拉强度 2 设置中间夹层 常用夹层材料有土工布和土工格栅 可使温度作用 下引起的接缝变化及车辆荷载作用下相邻板边的竖向位移被夹层材料吸收 从 而起到降低裂缝应力峰值的作用 上世纪8 0 年代以来 美国 加拿大 法国 英国 比利时 荷兰等欧美国家相继开展的高强度土工夹层加筋罩面的应用研 究结果表明 在旧路面与罩面层之间加铺一层土工格栅或土工布夹层对于防止 反射裂缝的产生与扩展 确有非常明显的效果 3 增设补强层 即在旧水泥混凝土路面上加铺一层基层补强后 再加 铺沥青面层可减缓反射裂缝的产生 3 评价防止反射裂缝措施的试验方法 关于评价防止反射裂缝措施的试验方法 国内外的研究人员都进行了大量 的试验研究 主要模拟了正荷载 温度以及两者的综合效应对反射裂缝的影响 能在一定程度上为防止反射裂缝措施的改进提供指导性的意见 但是 具体有 效的试验方法还有待进 步的研究 4 反射裂缝的力学分析方法 有限元法仍是国内外研究人员最常采用的力学分析方法 为了使旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层路面更好地发挥其使用性能 延 长其使用寿命 国内外的研究人员除了对 反射裂缝 进行了大量研究之外 对旧水泥混凝土路面状况的评价方法及沥青加铺层的设计方法也进行了大量 的实践研究h 在国外经济发达的国家中 旧水泥混凝土路面的路况评定和损坏鉴定一直 受到管理 研究等单位的极大重视 并且为之投入了相当数量的财力和物力 在上世纪8 0 年代 美国伊利斯诺大学开发研究了针对美国国内水泥混凝土路 面的评价系统 c o p e s 该系统对美国七个州一千多英里水泥混凝土路面的 唧泥 错台 裂缝 接缝损坏以及现时服务能力进行评价分析 提出了州水平 级的回归预测模型 目前欧洲各国和美国正在对c o p e s 进一步扩展和完善 8 关于沥青加铺层的设计理论和方法 早在二十世纪5 0 年代初期 美国在 大量试验路研究的基础上 提出了多种沥青加铺层的设计理论和方法 如 a a s h t o a i a r e 法等 9 1 9 8 5 年美国联邦公路管理局出版了 路面修复手 册 1 9 8 8 年对此又进行了修订 1 9 9 5 年在总结全美研究成果及工程实践的基 础上 又出版了 a c p c c 修复与评价指南 使沥青加铺层的设计方法不断得 以完善和发展u 国外对破损程度比较重的水泥板白改黑是采用专门路用机械对破损的整 块板进行切割 然后用吊机取走 在纵 横缝处分别打钻 加设拉杆和传力杆 在铺筑路面前 先铺设一层防水层 处理方法比较全面和细致 美国交通部 目前的普遍做法是用重型冲击压路机击碎原有路面 作为我国设计中的垫层使 用 再设置防水层后加铺沥青层 这种方法的优点是施工简洁明了 不妨碍交 通 使垫层的弯沉 压实度更为均匀 不会产生薄弱的强度下降环节 更重要 的是不会产生环境污染 充分利用了旧板作为垫层 国外水泥混凝土路面白改黑方案的碎石化技术研究重在应用 而应用中很 重要的一点就是控制破碎后颗粒粒径 国外碎石化相关规范 标准对粒径大小 都提出了明确要求 l2 1 在碎石化的前提条件方面 一般强调排水设施的完备性 保证破碎后结构层不被水的因素所影响 同时对排水设施作出了较具体的要 求 另一方面 对原路面状况 国外一般要求碎石化前确定路基不被水侵蚀或 出现含水量过高的情况 并要求路基c b r 要大于指定值 保证路基在施工过 程中的稳定 在碎石化的强度机理 碎石化过程的力学分析 碎石化各相关参 数对施工效果的影响 加铺的沥青路面结构组合等方面研究较少 相对于国外的研究状况而言 我国在这方面的研究尚处于起步阶段 我国 对旧水泥混凝土路面修复技术的研究始于上世纪9 0 年代初期的国家科技工作 引导性项目 我国水泥混凝士路面发展对策及修复技术研究 其重点是对数 据的采集方法 调查和测定方法进行统一的规定 与此同时 同济大学 西安 公路交通大学的学者分别对混凝土路面使用状况评价指数进行划分 界定j 给 出了一些经验公式 同时 我国的沥青路面设计规范对沥青加铺层的设计理论 和方法还没有明确的设计体系和设计指标 而新出版的 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 中也只是对反射裂缝的防治给出了具体的施 工要求 对沥青面层的结构没有明确限制 只要求沥青路面厚度一般不小于 7 c m 目前 全国多所院校正在对该问题进行研究 所用的计算方法有弹性 层状体系理论 弹性地基板理论 有限元法与弹性断裂力学等 并取得了一定 的成果 国内一些省份也开始了水泥混凝土路面加铺沥青面层的研究和实践工 作 江苏省交通科研所在宁连 宁合 无靖等国道改造工程采用混凝土板上加 铺2 0 c m 的二灰碎石基层和15 c m 后的沥青混凝土面层 表面层采用4 c m 的s m a 结构 中交设计院在广东花清改造工程中采用16 c m 厚的沥青混凝土加铺层 且表面层为4 c m 的s m a 长沙交通学院在长沙机场高速公路改造工程中也采 用了s m a 结构 同时 这些工程的结构设计中几乎都采用了玻璃纤维格栅 或 土工布 作为沥青面层减少反射裂缝的措施 由此看出 目前国内水泥混凝土加铺沥青面层的工程存在以下几个共同点 1 4 1 4 1 沥青面层铺装较厚 一般均在15 c m 以上 2 表面层采用改性沥青 且多为s m a 级配 3 采用玻璃纤维格栅或土工布以减少反射裂缝 这些都是在目前水泥混凝土加铺技术尚未完善的前提下 设计者和建设者 为了保险起见 采用的一个试验性的设计方法 关于旧水泥混凝土路面性能评价我国公路水泥混凝土路面规范对于旧混 凝土板基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量的确定给出了一个明确的方 法 在这个基础上进行新铺混凝土加铺层的设计 但对于其上进行沥青混凝土 加铺的问题 没有给出方法 同时 对于后者 仅有一个地基回弹模量是不够 的 因为旧混凝土路面用沥青罩面后 还有原接缝的裂缝反射问题 1 2 2 旧混凝土路面改造还有待解决的问题 关于旧混凝土路面改造中沥青加铺层路面的反射裂缝问题 虽然国内外的 研究人员针对此问题进行了大量的研究探索 但至今仍存在以下问题有待解 决 1 反射裂缝的产生机理 产生时机问题 反射裂缝的产生机理难于确定 温度应力和荷载应力是造成反射裂缝的主 要原因 但其相对重要性是随着气候条件 材料状况 交通状况以及旧路面的 损坏状况等不同而不同的 对于反射裂缝最容易产生的季节问题 仍没有详细 地研究 2 防治反射裂缝的有效措施问题 防治反射裂缝措施十分复杂 其防治效果不仅与行车荷载有关 同时受温 度变化的影响 而且与旧路面板的损坏状况有关 每种防治反射裂缝措施都有 其适用范围 各种防治措施的适用范围及其与旧路面的状况之间的内在关系 我们还知之甚少 3 反射裂缝的分析方法问题 由于旧水泥混凝土路面上存在接缝和裂缝 使得其顶部罩面层中的应力存 在奇异性 普通的力学分析方法难以得到满意的分析结果 有限元方法是最常 用的分析方法 但其适用于分析带裂缝结构的有效性 至今仍无人验证过 4 评价防治反射裂缝的试验方法问题 虽然国内外的研究人员都进行了大量的试验研究 但几乎所有的试验都模 拟正荷载 温度以及两者的综合效应对反射裂缝的影响 没有涉及到偏荷载对 产生反射裂缝的影响 更没有试验模拟温度应力和偏荷载对产生反射裂缝的综 合效应 同时 多数室内试验的规模较小 且多采用梁试样 进行模拟板体效 应的足尺试验是非常必要的 5 基于反射裂缝的旧水泥混凝土路面的评价方法问题 尽管此问题十分重要 但直到近几年才为人们所重视 此问题直接关系到 罩面前对旧路的处理 防反措施的选择 罩面层的使用性能等问题 因此 加 强基于反射裂缝的旧水泥混凝土路面损坏状况的评价方法的研究是非常必要 的 6 基于反射裂缝的旧水泥混凝土路面沥青罩面层的设计方法问题 国内外的研究人员针对旧水泥混凝土沥青罩面设计方法的研究 取得了很 多成果 提出了一些经验设计方法 但由于存在以上六个方面的难题 因此至 今还没有形成较为成熟的设计方法 关于旧水泥混凝土路面使用m h b m u l t i p l e h e a db r e a k e r 类碎石化技 术 在国内的工程应用也还处于早期阶段 虽有少量国外技术资料 但在决策 理论模型 设计 施工与质量控制等环节不够全面 深入 该技术真正成为完 整的本土化应用综合技术 还有很多问题有待解决 主要有 l 6 1 什么样的旧水泥混凝土路面可以进行碎石化 碎石化的时机如何把握 2 如何准确掌握m h b 设备破碎锤的下落高度与破碎后水泥混凝土块尺寸 的关系 3 碎石化后作为基层 其强度形成的基本机理如何 能否提供足够的强 度 4 水泥混凝土路面破碎后碎屑层如何进行处治 5 新建路面结构防水与排水设计有何特殊要求 6 加铺层设计依据和理论基础如何选择 7 碎石化的施工工艺和操作规程如何掌握 碎石化效果 质量如何评定 世 寸 目前 对于损坏严重的旧水泥混凝土路面进行改建时 涉及到以下几个方 面的问题 即怎样做到既满足技术上的要求 又经济合理 旧水泥混凝土路面 状况评价 承载力 脱空 接缝状况 表面状况等功能性能 结构性能 用什 么方法 设备来评价上述指标 怎样选择合理方案既满足抗滑 平整和密实要 求 同时又要有足够的使用寿命 获得最佳经济效益 旧路与新路之间的层间 处理与防止反射裂缝的技术措施 1 3 本文的研究目的和所做的工作 目前 国内很多水泥混凝土路面正处于维修和待修状态 旧水泥混凝土路 面行车舒适性差 车速难以提高的状况是目前难以解决的问题 本文在调查旧 水泥混凝土路面使用状况的基础上 提出其综合评价指标 结合工程特点 提 出了旧路面的病害处理措施及控制指标 本文研究的重点在于用灰色理论的方 法结合旧水泥混凝土路面的综合评价指标对白改黑设计方案进行综合评价 研 6 究的目的不仅在于推进白改黑改造这个领域的研究深度 对具体旧水泥混凝土 路面白改黑改造项目的设计方案的选择也起到一定的参考作用 本文主要研究内容分为以下几个方面 1 旧混凝土路面使用状况 2 白改黑的设计方案 3 灰色理论及方案评价指标体系的构建 4 结合安徽省淮北市 2 0 2 省道淮北收费站 西山隧道口段的旧水泥混凝 土路面进行白改黑面层改造工程实例 利用灰色理论分析白改黑设计各方案 得出各个方案的优度 以便科学的选择合理的白改黑设计方案 第二章 旧水泥混凝土路面的使用状况及评定 旧水泥混凝土路面的使用状况是反映旧路面使用现状的基本资料 也是旧 水泥混凝土路面进行改造设计的依据之一 所以有必要找到一个科学而又简单 的方法来描述和确定现有水泥混凝土路面的相对状况 现行旧混凝土路面状况 评定方法是通过工程技术人员对路面结构的完整性和表面功能进行全面目测 调查研究 详细记录各种损坏类型 损坏程度和损坏数量 综合分析其对路面 使用性能的影响 并经过折算系数 统一为 较大损坏的结构性损坏板百分数 来分级的 检测手段是目测法 因而受主观影响较大 基本上不能从本质上对 路面的结构性能进行评价i l 川 为了全面真实地评价旧水泥混凝土路面使用状 况 评价应分为两部分 使用性能和结构性能 路面使用性能强调的是行车舒 适性和安全性 注重表面功能 采用的是服务能力指标 同时 路面使用性能 评价着重道路的使用功能 即行驶车辆或乘客对道路使用功能的满意程度 从 这个意义上讲 路面使用性能是针对道路使用者而言的 而路面结构性能评价 则强调结构承载能力和结构的受力状况 采用受力分析评价 这方面是道路工 程师们所关心的 对路面进行使用性能和结构性能的评价是相互补充 而不是相互代替的关 系 只有综合两方面评价 才能对路面整体性能做出真实的评估 对一个路段 来说 有时尽管现时使用性能指标较好 但由于承载能力过低会造成将来使用 性能的迅速下降 当使用性能指标低于可接受的标准时 必须进行结构评价 如果路面结构承载能力满足要求 则仅需要进行加铺表面功能层 如果路面结 构己经衰减 则需重建或者进行旧路补强 具体决策只有对路面使用状况评定 之后才能做出选择 路面结构性能评定主要是评定结构承载能力 评价的目的是了解路面的物 理或结构状况 判断路面结构的损坏程度及其损坏发展的速度 评定它对当前 和今后使用要求 承载能力和使用寿命 的适应程度 从而合理地评定路面等 级 以便确定需采取修复措施的路段和方案 制定养护政策和编制养护计划 并为补强设计提供依据和资料 l 引 旧水泥混凝土路面使用状况 2 1 1 路面损坏类型和损坏程度划分 水泥混凝土路面状况是由面板的状况和板与板之间的连接状况而反映出 来的 我们根据路面实际存在的结构性损坏和功能性损坏 将水泥混凝土路面 的损坏划分为1 6 种类型 19 1 3 种破坏程度 每种类型的损坏又分轻 中 重三 8 种程度 这种分类和划分方法比较全面的揭示了路面损坏的基本状况 损坏 类型 程度和密度 另外 每一种损坏类型的不同损坏程度 按它对路面承 载力和车辆通行的影响程度 又分为较小的损坏和较大的损坏两种 详细划分 见表2 1 表2 1 旧水泥混凝土路面损坏划分 序号 损坏类型 结构性非结构性结构性非结构性 较小的损坏较大的损坏 角隅断裂轻 中 重 纵向 横向和斜向裂缝 轻中 重 破碎板或交叉裂缝 轻 中 重 脱空 板块活动和卿泥 a a 传力杆失效 轻中 重 胀裂轻中 重 角隅剥落轻 中 重 接缝剥落 轻中 重 错台 轻中 重 持久性裂缝和腐蚀轻中 重 起皮和龟裂 轻中 重 坑洞 a a 补丁和开挖补块轻中 重 收缩裂缝 a a 露石轻 中重 填缝料损坏 a a 一无损坏程度区分 填缝料损坏不计入板块损坏的百分数内 在调查报告中另作说明 2 1 2 路面状况评定的分级标准 最早研究的分级标准是按路面板的强度状况将板分为完好板 i 类 破损 板 i i 类 破碎板 i 类 三种类型 根据上述三种类型板所占比例的多少 将路面状况评定定为三级 即i 类板在9 0 以上时为一级 i i 类板在5 0 以上 时为三级 否则为二级 这种分级标准显然太粗糙 根据现场调查和测试的结果 参照工程技术人员 养护管理人员及使用者 的意见 分级标准以影响路面强度最大的较大损坏的结构性损坏板占所调查区 域总板数的百分数为依据 将路面状况分为五类分级标准见表2 2 9 2 3 4 5 6 7 8 9 屹 b m 2 m 0 f 路面状况分级 较大损坏的结构性 损坏板百分数 表2 2 路面状况分级标准 优良中 0 22 55 1 5 次 1 5 2 0 差 2 0 由表2 2 可知路面状况分级是以较大损坏的结构性损坏板块百分数来对路 面状况进行分级 其它损坏的板块数需要通过折算系数折算为较大损坏的结构 性损坏板块 2 1 3 折算系数 按路面状况分级标准确定某段公路路面的状况分级时 应将较大损坏的非 结构性损坏 较小损坏的结构性损坏和非结构性损坏这三种损坏的板块数 按 不同的折算系数分别换算为较大损坏的结构性损坏的板块数 求得较大损坏的 结构性损坏的板块数之和 进而计算其所占调查路段总板块数的百分数 据此 来对路面状况进行评定 这种折算系数仅表明两种不同损坏的相对折算关系 而不涉及到其它损坏因素的折算 因而其它因素在损坏划分中己经考虑过了 折算系数是根据不同损坏的危害程度和发展到较大损坏的结构性损坏的可能 性大小和快慢程度 经过实地调查和综合分析而确定的 折算系数建议值如下 较大损坏的非结构性损坏为o 4 较小损坏的结构性损坏为o 3 较小损坏的非结构性损坏为o 2 这种折算系数比较简单 墓本上反映了上述不同损坏之间的折算关系 比 较适合我国的实际情况 推行起来比较简单易行 折算系数是一个近似的相对 值 不可能照顾到各个方面 可以在今后的使用中不断的加以修正 2 2 旧水泥混凝土路面使用性能评定 在交通荷载和自然环境的综合作用下 水泥砼路面会出现各种损坏现象 路面使用性能随之衰减 当路面使用性能下降到最低可接受水平时 就要求采 取养护措施恢复其使用性能 否则 它将日趋严重地影响汽车的行驶速度 安 全性 舒适性及道路的运输费用 因此 正确评估路面现状水平 是科学进行 路面养护决策的重要依据 目前 国内外传统的水泥砼路面使用性能评价是从 日常养护管理的角度进行的 一般采用路面损坏状况指数 断板率 平整度指 标 路面抗滑系数来反映水泥砼路面的性能 由于表面损坏状况比较明显 通 1 0 常成为人们考虑的主要因素 而忽略了表面破损与路面结构强度 平整度和抗 滑性能之间必然的 潜在的相互联系 而现实要求路面评价的出发点往往要从 路面维修 改 扩 建 如加铺罩面 的角度来考虑 比如就水泥砼路面加铺 罩面而言 除了上述各项指标外 路面板底脱空 接缝传荷能力 基础强度 交通荷载和排水情况等各种因素直接制约并决定着加铺方案 而传统的检测评 价方法此时无能为力 因此建立较全面的水泥砼路面使用性能综合评价指标体 系对水泥混凝土路面的改建方案的选择是非常必要的 水泥混凝土路面使用性能用路面状况指数 p c i 平整度 o 横向力系 数 s f c 以及路面综合评定指标 s i 来评价1 2 2 2 1 路面破损状况评定 路面破损主要表现为裂缝类 松散类 变形和其它等4 种类型 其评价模 型比较成熟 它反映路面结构的完整性 采用的评价指标有综合和分项指标两 种 综合指标是指破损的总体状况 例如 c m p s 和美国空军采用了路况p c i 指数分项指标作为病害评价指标 p c i 1 0 0 1 5 d r o 4 1 2 2 2 式中 p c i 一路面状况指数 d r 一路面综合破损率 d r y d u k i j a 2 3 式中 d i 厂一i 类损坏 j 类严重程度的实际破损面积 纵裂横裂按长度 2 m 计 其它按实测面积计 k i 厂一i 类损坏 j 类严重损坏的换算系数 a 一路段的路面总面积 m 2 而国内一般采用下式进行计算 以1 0 0 分计 d 尸i j a i j d7 驴励 2 4 胛f i t 尸口 1 0 0 罗y d p o w f j 2 5 百胃 f 2 l0 耽 10 0 r i j购 0 2 0 6 8 6 r i j 一0 2 10 2 r o o 5 5 4 0 2 8 r u 一0 5 5 0 5 5 r i j 8 57 5 p c i 8 55 5 p c i 7 0 4 0 p c i 5 5p c i 4 0 2 2 2 路面行驶质量评定 路面的平整与车辆对道路使用功能的满意程度密切相关 同时它也是决定 是否需采用调平层的重要依据 因此引用了平整度评价指标 按照我国的评价 体系 在统一平整度指标i r i 的基础上 采用行驶质量指数r q i 作为评价指标 其关系为 r q i i 1 5 0 7 5 i r i 2 8 式中 r q i 一路面行驶质量指数 数值范围在0 1 0 i r i 一国际平整度指数 与平整度标准差的关系为o 0 6 i r i 1 9 9 5 年西安交通大学对路面乘车舒适性进行了研究 参照国际震动舒适性 标准i s o2 6 31 提出了反映乘客主观不舒适程度的量化标准b s 见表2 5 并根据若干高等级公路和机场道面上的实测结果 建立了不同车速下b s 与路 面平整度标准差 之间的关系式 如车速6 0 k m h 时有 b s 6 0 0 8 8 1 3o o 5 1 3 3 5 2 9 式中 b s 一车速6 0 k m h 时整车乘客不舒适感的量化加权平均值 分级 l 2 3 4 5 表2 5 乘客不舒适程度的量化标准b s 行车振动感觉乘客不舒适感觉 有振动感无不舒适感 有明显振动感无轻微不舒适感 有强烈震动感无中等不舒适感 有很强烈震动感无中度不舒适感 有特别强烈震动感无严重不舒适感 b s 0 6 3 4 0 1 0 0 0 2 5 0 0 6 3 0 0 如限定在高等级公路上车速保持6 0 k m h 以上时 乘客感觉不舒适程度不 应超过表2 5 中的分级2 由式2 9 可求得路面平整度应满足o 6 在有o o 6 i r i 和式 2 6 可得到对应的i r i 和r q i 标准分别为i r i 4 根据各项研究综合论证后 得到高等级公路路面行驶质量的评价标准 如 表2 6 所示 其中给出了对应于r q i i r i 和o 三种指标的建议值 表2 6 路面行驶质量评价标准 指标优 良中次差 r q ir q i 一9 57 5 r q i 9 5 6 r q i 7 54 r q i 6r q i 4 i r i m k i n i r i 2 52 5 i r i 55 i r i 7 5 7 5 1 0 o o 1 51 5 o 3 3 o 4 54 5 6 2 2 3 路面抗滑能力评定 路面的抗滑性能是保证车辆行驶安全的重要指标 为满足各种气候条件下 安全行车的需要 路面应在车辆受制动沿其表面滑移时提供足够的磨阻力 使 车辆在一定的安全距离内停住 路面在抗滑力不足时 特别在路面潮湿状态下 容易产生滑溜 水漂等现象 导致车辆失控 造成交通事故 路面的抗滑性能由路面的两种表面构造提供 即微观构造和宏观构造 微 观构造指集料表面的纹理或粗糙度 是路面抗滑力的基本保证 在路面无积水 时或积水较少 车辆行驶速度较低时起决定作用 宏观构造是路面集料之间形 成的宏观粗糙纹理 其主要作用在于迅速排除轮胎与路面界面的积水 增大轮 胎的附着力 使微观构造所形成的抗滑力在车辆高速行驶中得以保持 路面抗滑性能测试方法可以分为测定摩擦系数等参数的直接法 如横向力 系数s f c s t a t i s t i c so fs i d e w a yf o r c e 摆值b p n b r i t i s hp e n d u l u mn u m b e r 和测定路面微观构造和宏观构造的间接法 我国养护规范引用了摆值b p n 横 向力系数s f c 两个指标 交通部对摆式仪和s c r i m 测试车的测试结果进行了 对比分析 建立了s f c 和b p n 之间的相关关系 s f c i 9 8 b p n 3 4 2 1 0 表面构造是抗滑性能决定因素 为保证行车的安全 通常将反映路表构造 的要素作为抗滑控制指标 对于路表宏观构造 一般由构造深度t d t e x t u r a l d e p t h 表征 常采用铺砂法测定 微观构造本身通常难于野外测定 一般认 为面层集料磨光值p s v p o l i s h e ds t o n ev a l u e 能反映微观构造 同时代表了 抗滑耐久性的优劣 因此 将t d 和p s v 作为路面抗滑性能的控制指标 路面抗滑性能一般通过实测道路表面摩擦系数进行评价 而评价标准的确 定应以摩擦系数对行车安全的影响为依据 通过对若干路段行车事故率及其摆 式仪测值的调查 建立路段事故倍增系数k 和b p n 的关系 当b p n 4 5 时 事故率趋于极小值 b p n 3 0 3 5 时 可能发生行车事故的概率倍增 近年利用s c r i m 测试车进行相关研究发现 在一般公路上 雨天事故多 发路段的路面横向力系数s f c 一般小于3 0 在高速公路上 雨天事故多发路 段的路面横向力系数s f c 一般小于3 5 这一规律由式 2 9 转化为b p n 后 基本上符合事故倍增系数k 和b p n 的关系 根据上述分析 对于高速公路和一级公路 可以认为b p n 4 5 时路面抗滑 1 4 能力为优 为满足行车安全要求 b p n 不小于3 5 依次制定高等级公路抗滑性 能评价标准 见表2 5 由于摆式摩擦系数仪测值受到测点状况 仪器本身标 定水平和操作人员的熟练程度等因素的影响 因此检测波动性大 近几年在国 外已逐渐被横向力系数常规检测仪所取代 但考虑到我国检测设备的现状 b p n 值仍作为衡量路面抗滑能力的一个指标 因此 依照式 2 9 换算后 与表中 一并给出s f c 为指标的建议值 表2 7 路面杭性能评滑价标准 评价指数优 良 中 次差 摆值b p nb p n 4 54 0 b p n 4 5 3 5 b p n 4 03 0 b p n 3 5b p n 3 0 横向力系数s f c 4 5 2 s f c 3 5 3 s f c2 5 4 s f cs f c s f c5 5 1 5 5 1 4 5 2 3 5 32 5 4 2 2 4 路面综合评定指标 路面综合评定指标的值用分项指标加权计算得出 用s i 表示 如式 2 1 7 所示 s i s 1 p 1 2 p 2 s 3 p 3 式中 s 1 一路面破损状况所占分数 用下式 2 1 8 进行计算 s i p c i 1 0 s 2 一平整度所占分数 用下式 2 19 进行计算 f 10 2 s2 15 2 5 仃2 6 2 1 8 2 1 9 2 2 0 耻1 0 4 一c 圳 篡sf 三c 舅 50 协2 p l p 2 p 3 为相应指标的权重 按公路性质 等级和相应指标的重要性确 定 没有条件确定时 对于二级以下公路 推荐p l o 7 0 p 2 o 2 0 p 3 o 0 5 对于高速公路和一级公路 推荐p i 0 6 p 2 o 2 0 p 3 0 2 0 2 3 旧水泥混凝土路面结构性能评定 2 3 1 弯沉评定 由于弯沉测定是一项无破损试验 对路面结构的损害小 对交通的干扰少 测点数量多 它被广泛用于路面结构性能的评定 路面表面在荷载作用下的弯沉值和弯沉曲线 反映了路基路面的整体承载 能力 而且与路面状态存在一定的内在联系 是路面设计的一个重要指标 路 面结构的破坏可能是由于过量的竖向变形所造成的 对于前者 采用最大弯沉 值表征结构承载能力较合适 对于后者 则采用路面弯沉盆的曲率半径表征其 承载能力更为合适 因而 理想的弯沉测定应包括最大弯沉值和弯沉盆两方面 鉴于我国f w d 测试设备还没能普及 且以往对路面结构承载能力建立的 评价标准采用b e n k l e m a n 梁测定的静弯沉指标 其中 长安大学郝大力博士通 过1 4 9 组弯沉资料对比 经过误差分析后进行回归 得到如下关系式