土木工管 道路工程结课论文 2011级.docx

道路工程课程论文高速公路路面结构类型认识与设计京珠高速公路（长沙至广州段）路面结构类型再设计摘要：学习归纳高速公路路面结构的主要类型，并通过对既有高速公路京珠线的局部路段的路面类型进行自我分析，结合其地基特点、交通需求进行再设计。关键字：路面类型、沥青混凝土、水泥混凝土、京珠、京港澳、软土地基京珠高速公路，是京港澳高速公路的主要部分，全程贯穿中国南北，北起自北京，南抵至香港、澳门，途经河北省、河南省、湖北省、湖南省、广东省，全长约2310公里，由于跨越省份较多各地差异较大难以形成统一标准，各路段车道不一，最少车道的路段双向四车道行车。京港澳高速公路作为国家“九五”重点建设的“两纵两横”国道主干线的重要一纵，它也是中国第一条全线以高速公路标准贯通的国道主干线，是连接华北、华中、华南的交通大动脉，在国家公路网中具有十分重要的位置。高速公路的路面本身作为一个沉重的结构体系，首要满足的就是沉重要求。这就要求路面整体的承载能力要满足要求，如果路面结构整体或者某一组成部分的强度或者抗变形能力不足以抵抗这些应力和应变的作用，泽路面会出现变形，长期发展下去，会进一步使路况恶化、服务水平下降。其次，车辆的运行状态与路面的表面特征也有直接的联系，为了满足车辆运行的平稳性和效率，对于高速路的路面要求也非常高，不平整的路面主要会导致行车过程中的欺负震动，不仅会对车辆的使用寿命有所折减，还会加大对路面的冲击力，加快路面的损坏过程。另外路面的整个寿命期都是在阳光直射、风雪雨淋的状态下，对其耐久性和稳定性提出了较高的要求；一方面由于大气气温湿度的周期变化，路面的结构性质也会伴随之发生一定的变化，离开原有的稳定状态慢慢达到另一种结构上的稳定状态；另一方面在荷载车辆的往复作用下，路面也会由于疲劳破坏。另外，随着环保意识越来越受到人们的重视，高速公路路面对于环保这个层面的要求也越来越高。高速公路的路面结构类型分为两种，即沥青混凝土路面和水泥混凝土路面。从西方国家对两种材料的使用程度来看，20世纪之初欧洲国家修建的公路多以水泥混凝土路面为主，伴随着石油、煤炭的大量开发应用，沥青的来源得到了保证，因此在上世纪50年代以后的路面类型多采用沥青混凝土路面。总体来看，路面的演变趋势为沥青混凝土越累越多的被人们采用，甚至占有整个路面市场的比例超过一半。不过从它们两种路面结构的优缺点来看，它们仍将长期共存的为人类服务。沥青混凝土路面道路，或又俗称为柏油路、沥青路，是一种被广泛使用的道路路面。虽然有时仍被称为柏油路，但是因为柏油对健康的危害，现在铺设柏油道路已经弃用柏油改用沥青。铺设沥青混凝土路面所需材料有粒料、碎石、沥青胶泥、骨材、石粉等。沥青混凝土路面整体性较好，路面采用整体浇筑，不留接缝。它的刚性略微低于水泥混凝土路面，因此路面平整度高，作为高速路路面时，行车的平稳性和舒适性会更高，由于其结构的松散性，它还可以吸收能量和噪声。沥青混凝土路面也具有足够大的强度和耐久性，所以适用于超重车相对较少的高速路路面。在投资方面，沥青混凝土路面初期投资相对较低，通过一期罩面容易恢复其优良的使用性能；在施工角度来看，施工过程中机械化程度很高，这不仅可以加快施工速度，而且可以节约劳务成本，另外，这种路面不需要养护，施工完成后就可以立即投入使用；新老料之间具有很好的兼容性，使得沥青混凝土路面在遭到局部小范围破坏之后，修复的代价和难度会降低很多；值得一提的是，沥青混凝土路面是一种绿色的建材，使用完后可以完美回收再利用，实现建筑垃圾的零排放。水泥混凝土路面是指以水泥混凝土为主要材料做面层的路面，简称混凝土路面，亦称刚性路面，俗称白色路面，它是一种高级路面。水泥混凝土路面有素混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、预应力混凝土、钢纤维混凝土和装配式混凝土等各种路面水泥混凝土路面作为人类早期使用的路面主要类型，具有相对较长的发展历史。1868年，苏格兰首次在因弗内斯通往某堆货场道路上铺筑混凝土路面，19世纪末传入美国和德国。中国于20世纪20年代末开始在少数大城市的道路和飞机场跑道上铺筑混凝土路面。水泥混凝土路面得益于其使用较早，因此发展的今天，它的各项性能已经为人们所掌握。关于其应用施工的理论研究也达到了很高的水平，真正的施工工艺方法也得到了很多的经验，可以说这已经成为人们使用相当熟练的材料。人们在使用过程中也对其不断地发展和丰富，不断提出了新的理论以及施工方法，如新型高强钢丝连续配筋路面、纤维增强混凝土路面、聚合物改性混凝土路面以及沥青水泥双重结合料半刚性混凝土路面。水泥混凝土路面与沥青混凝土路面相比较而言，具有更高的强度和刚度，可以承受更为繁重的交通任务，而且其使用寿命可以更加的长久，由于其坚固的结构导致其在运营期间几乎不需要养护维修。限制其使用的缺点有，水泥混凝土的材料使用量较大，一旦破坏养护维修难度大，而且效果不好；最重要的一点，水泥混凝土路面考虑到温度和徐变等原因造成的变形会留下很多的接缝。高速公路路面设计过程中，需要考虑的主要因素有高速公路的等级、使用需求、交通量的大小以及组成、当地的气象和自然环境、施工及维修养护水平和环境保护。京珠高速公路跨越我国多个省市，施工时间分为数个阶段完成，期间跨度较长。各阶段之间由于时间跨度和考虑到各省市交通需求等原因，未采用统一的标准进行设计施工。通过查阅交通运输部的公开资料，了解到2008年京珠高速长沙到广州段的货运密度和客运密度如下表：2008年京珠高速局部路段交通密度表路段起止点货运密度（吨/日）客运密度（人/日）星沙株洲北11718391037株洲北衡阳10941464723衡阳宜章8022056647宜章小塘（湘粤界）8890647087岳阳羊楼司（鄂湘界）7957922780星沙岳阳8657850522株洲北星沙10793687405衡阳株洲北10077956013宜章衡阳6904953879小塘宜章6655047634粤北广州7236729251京珠高速建成后在今年就对于湖南地区内的湘潭至耒阳路段和耒阳至宜章路段先后进行了大的整修工程。湖南地区的地基相对于其他地方来说承载能力比较差，土的性质也不够好。湖南地区的地基病害主要是软土地基。所谓的软土地基是指强度低,压缩量较高的软弱土层。组成软土地基的软土具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。不仅在湖南地段，广州地处珠江三角洲中部毗邻珠江出海口，土壤组成含有丰富的软土。广州软土具有典型的三角洲软土的性质，富含丰富的淤泥、淤泥质粘土以及粉细砂。由于其位于独特的地理位置以及独特的形成过程，是的珠江三角洲的软土成为全国各地软土中“最软”的软土。它的承载能力很低，具有明显的时间效应，即时间越长可能会越明显的显现出它的不利影响；承受荷载后变形能力会很大，与建筑物一起作用的效果明显。通过系统的取样研究后发现其含水量很大，天然的孔隙比很大；自然状态下土体的状态接近于完全饱和；垂直渗透性低，这使得土体的荷载作用下固结作用很慢；此外它的压缩性高，承载能力弱，抗扰动能力很弱，其原始结构多为蜂窝状、絮状结构，导致在受到外界干扰时性能很进一步恶化。我国在公路建设过程中积累了大量的关于软土地基的处理方法和经验。目前针对于软土地基主要的治理方法有砂垫层法、换填法、真空预压法、强夯法、反压护道法、堆载预压法以及加筋土法等。综上可知，长沙至广州段的高速路最主要的地基潜在病害来源就是软土。软土这是在路面选择过程中最需要重视的问题。软土路基由于其孔隙率很大，后期沉降量大, 完成固结沉降所需时间较长。另外，软土地基承受荷载的能力很弱，当软基上作用路堤荷载和行车荷载时, 土体会产生明显的不均匀竖向变形, 在多雨潮湿地区, 当雨水通过裂缝进入路面结构, 并聚集在半刚性基层顶面时, 在车轮荷载产生的瞬时动水压力的反复作用下, 会产生一定的冲刷唧浆现象, 由于沥青混凝土路面的整体刚度不够强，在重载车辆往复作用下，久而久之加速沥青路面结构的整体破坏, 进而影响沥青路面的使用品质和使用寿命。对比修建在具有不均匀沉降的地基上的沥青混凝土路面和水泥混凝土路面，根据经验容易发现，沥青混凝土路面容易发生裂缝和结构倾斜，而且在相对较弱的地基上的切面容易发生下陷；但是水泥混凝土路面则很少出现裂缝，即使作用在软弱地基上的切面也可以由强大刚性所提供的剪力阻止状况进一步恶化，甚至完全不影响使用。但是值得注意的是在软土地基上修建水泥混凝土路面的关键技术是防止混凝土路面出现裂缝, 为此需要从三方面采取措施保证路面施工质量:一是要改进道路底基层摊铺碾 压工艺 ,保证道路基层和底基层压实度, 防止路面混凝土浇筑和道路运行过程中发生不均匀沉降；二是在保证混凝土耐久性；三是及时切缝并且合理设置胀缝 。由以上论证得知，对于长沙至广州段大量地区存在软土地基的状况，采用水泥混凝土路面是最好的选择。从材料的特性角度来看，沥青对于温度的敏感性相当强烈。在气温高的条件下极易软化，在车辆繁忙路段受到渠化交通的影响极易形成车辙痕迹，在重载作用下甚至会破坏路面。而我国南方地区的夏季温度都相当高，这对于沥青混凝土路面的使用时不利的。沥青材料另一个特性是水稳定能力不太好。水稳定性也称抗水性能。对于沥青而言，大气降水、地下水或者地面水进入沥青混凝土路面内部后不能及时排除的话，在车辆的反复碾压之下将引起其结构的破坏。长沙至广州段所经城市的降水量都比较大，这也制约了沥青混凝土路面的运用。沥青混凝土路面的抗疲劳性能比起水泥混凝土有较大差距，平均寿命大概会少于水泥混凝土路面10年之久；另外伴随着车辆保有量的不断上升，以及目前我国路网仍然不够发达的现状，所以京珠高速这种交通主干线承担的交通压力相当大，而且有着不断加大的趋势，如果选用沥青混凝土路面，难以满足使用需求；我们国家的公民又有超载的恶习，这对于沥青混凝土路面来说也是致命的威胁。而水泥混凝土对于南方降水多、夏天温度高的特点，则几乎不受什么影响。从经济的角度来看，同等情况下，沥青混凝土路面的路面厚度一般会大于水泥混凝土路面的厚度，这样就会需要更多的材料；而且，实际上沥青来自于石油和煤炭，本身的成本就比较高，在工程建设中，沥青混凝土路面的成本会高出水泥混凝土路面不少。建成后，沥青混凝土使用寿命约为20年，而水泥混凝土路面约为30年，这样对比来看，水泥混凝土路面的经济性更强。从以上几个角度的比选来看，水泥混凝土路面无疑是最适合于所研究对象绝大多数路段的方案。但是，看起来似乎沥青混凝土路面一无是处。然而事实并非如此。举个例子，二战时德国的高速公路90%以上都是采用了水泥混凝土路面，战后50年，也就是上世纪80年代前后，德国的高速公路70%都采用了沥青混凝土路面。事实胜于雄辩，沥青混凝土路面有着水泥混凝土路面不可比拟的优势，那就是它可以将路面的平整度与舒适性发挥到极致，当下全世界都向往的德国不限速高速公路的成功得益于沥青混凝土路面的完美应用。沥青混凝土路面可以提供更大的摩擦力，在雨天行驶中不会因为轮胎飞溅起大量的雨水而干扰视线，影响车身的卫生，此外它还是一种环保的建材。在我看来，沥青混凝土路面固然可以使高速路尽可能发挥其高速的优点，但是对于当下中国的许多高速路都是不适用的。因为中国同西方许多国家最大的不同在于，西方国家早已进入了享受生活的年代，而我们依然在努力创造社会财富从而使明天的生活更美好的路上。西方国家走过了我们正在走的路，我们理当以最经济的方式发展社会生产，水泥混凝土路面可以满足绝大多数的高速通行要求，最重要的是它还可以节约资金以供于其他方面的建设；日益繁重的交通压力与不发达的交通路网是公路运输中的主要矛盾，在很多地区连公路都没有的情况下，我们一味追求高速公路的高舒适性是不现实的。当然，在有需要、国家财政有足够能力的情