某高速公路路面结构及排水设计

某高速公路路面结构及排水设计1、相关定义11、高速公路路面施工”零污染”定义高速公路路面施工零污染的窄意定义,是一项目前在新建高速公路中提出并逐步实行的沥青混凝土路面施工质量管理理念。为了达到沥青混凝土路面垫层、底基层、基层、面层等各结构层施工时减少污染直至”零污染”的状态,加强路面工程、后期路基桥涵工程、环境绿化工程、交通工程、机电管道工程等分部分项工程的施工管理,加强施工中路面的交通管制,通过对各高速公路参建单位的协调和要求,使路面工程施工与后期路基桥涵工程、绿化工程、交通设施工程、机电管道工程、桥梁伸缩缝安装工程有序施工,相互配合,减少干扰,及时有效的清除污染源,从而减少路面各结构层的污染。高速公路路面施工零污染广义定义,除了防止路面施工时各结构层的污染,还包括路面自身施工时,对路面原材料及后场及施工工艺自身严格技术管理,控制源头污染,以达到与设计要求尽可能相近的质量效果。本文研究的是零污染是广义的零污染。12、预防性养护及路面管理的定义作为路面混合料胶结材料的沥青,由于其自身的有机化学特性,会出现老化行为,沥青路面各结构层由于自身的缺陷,在重复荷载下会出现疲劳行为,这意味着沥青路面的一些结构层材料是有寿命限制的。在公路沥青路面设计规范中,定义设计年限为,路面在计算厚度时预测交通量的年限,路面设计应满足预测累计标准当量轴次所需要承载能力和服务能力,维修养护是保证路面处于正常工作状态的关键,在设计年限内允许在运营过程中进行恢复表面功能的养护维修和罩面工程,对各级公路的设计年限所作的规定如表11。表11各级公路沥青路面设计年限公路等级设计年限公路等级设计年限高速公路、一级公路15三级公路8二级公路12四级公路6按照规范的这个定义,无论高级路面或低级路面,设计年限等于路面的设计使用寿命。这样就将道路这种广义的产品定义为一次性消费品,从经济意义上看,这样的定义是不合适的。因为路面建设投资规模巨大,从经济与社会角度上,不可能废弃达到设计年限的道路4。而道路不应是一种一次性消费品,而是一种具有公益性质的产品,是服务社会交通的公共基础设施,因此要从路面的使用功能角度来定义路面的养护管理活动。3首先定义路面的工作年限为公路的社会期望服务年限,是公路的使用功能体现,如图11。强调延长公路工作年限,就是强调公路的社会服务能力即公路的使用功能,即公路在更长久的设计分析期限内,通过实施各种保养措施,保证公路的社会服务能力。而路面的设计使用寿命则则是由于环境和荷载的影响,路面材料发生破坏之前所经历的时间,体现了结构性功能。基于上述理解,可以定义路面养护为为维护公路的使用功能,在公路上进行的一切保养、修复与更新行为,以保障公路的社会服务能力。预防性养护则是为保持路面的优良服务能力,在结构承载力满足设计要求前提下,在费用效益分析基础上对针对路面现有状况采取养护措施,处治功能性病害,避免或延迟路面结构性翻修重建。综合以上分析,可以得到预防性养护的实施条件有1、必须在结构承载力满足要求的情况下实施2、路面状况维持良好的使用性能3、及时主动地处理功能性病害,阻止其发展成为结构性病害4、考虑养护措施费用效益分析5、需要成熟的改善路面功能的预防性养护技术。路面管理是通过对路面状况监测与评价、并对未来发展进行预测,为路面养护活动及资金安排进行规划管理的一整套系统过程。路面管理系统则是通过系统分析分析方法,综合考虑技术、经济、社会和政治等方面因素,协调各项路面管理活动,促使路面管理过程系统化,是为管理部门的决策人员工作年限图11路面工作年限示意图时间T设计使用寿命PQI4提供分析的工具和方法。13、路面管理系统的定义路面管理系统目前还没有一个统一的定义。在美国AASHTO路面管理系统指南中,将路面管理系统PAVEMENTMANAGEMENTSYSTEM,PMS定义为用于辅助决策者对各种养护方案进行评价以寻求最佳投资方案的工具2。美国的FHWA将路面管理系统定义为一系列有助于选择维持路网在一定服务水平之上的最佳效费比养护策略的工具和方法3。澳大利亚道路研究所对路面管理系统的定义为用于优化利用路面养护可用资源,由信息采集、信息分析和方案决策等模块组成的管理系统4。总而言之路面管理系统是一种借助计算机,对路网投资进行规划,以期达到最大的投资效益比的决策辅助工具。路面管理系统就是要解决一个”3W”问题5。WHERE哪些路段需要养护WHEN什么时候养护WHAT采取何种措施。14、排水沥青路面的概念图11为典型的排水性沥青路面结构示意图1。下雨时,雨水能在面层的空隙中自由流动,最后从路肩处的排水通道排走。排水沥青面层和不透水沥青层之间一般有防水黏层,减小雨水对基层的侵蚀,保证路面的结构强度。图11排水性沥青路面结构示意图如图12所示为沥青混合料三种典型结构形式,目前我国常用的AC类沥青混凝料为密实悬浮结构,沥青玛蹄脂碎石混合料SMA为密实骨架结构,排水沥青路面则为骨架空隙结构。排水沥青混合料结构中,粗集料占绝大多数约为8085,细集料含量较少,主要靠粗集料形成骨架型的嵌挤结构混合料中剩余空隙率大,可内部排水。115、41属性数学基本概念3411属性集和属性可测空间设X为研究对象的全体,称为对象空间。F为X中元素的某种属性,称为属性空间或最大属性集。例如,X所有道路,X中的元素X表示某一条道路。我们要研究路面质量情况,可以令F损坏程度。属性空间F中的任何一种情况,都称为一个属性集。例如,A轻微,B中等,C严重,A、B和C都是属性空间F损坏程度中的一种情况,所以,A和B都是属性集,都可以看成F的子集。对于属性集,可以定义属性集的运算。A与B的和AB表示”或者有A属性,或者有B属性”。与B的交AB表示”既有A属性,又有B属性”。河北工业大学硕士研究生学位论文29A与B的差AB表示”有A属性,而没有B属性”。A的余集A表示”不具有A属性”。属性集中的空集定义为”不具有任何属性”,计为。例如,AA,AA。对于多个属性集AI的和与交分别用符号IAI与IAI表示。IAI表示”至少具有AI中的一个属性”,IAI表示”具有所有AI的属性”。关于通常集合运算的关系式,对属性集也一样成立,例如,ABAB,ABAB。为研究属性集与属性集之间的关系,必须研究属性集与属性集的集合B。如果B满足以下3个条件1FB2如果AB,则AB3如果AB,BB,则ABB,那么,称B为属性代数。设B为属性代数,如果B还满足对AIB,I1,2,有IAIB,则称B为属性代数,称F,B为属性可测空间。设X为X中的一个元素,A为一个属性集,用”XA“表示”X具有属性A“。”XA“仅是一种定性描述。而更需要的是定量的刻画”X具有属性A”的程度。用一个数来表示”XA“的程度,这个数计为XA或XA,称它为XA的属性测度。为方便起见,要求属性测度在0,1之间取值。对不同的属性集都可以给出相应的属性测度,但是,这些属性测度不可以任意给,必须满足一定的规则。设F,B为属性可测空间。称X为F,B上的属性测度,如果X满足1XA0,AB2XF13AIB,AIAJIJ则XI1AII1AIX317公式317称为属性测度的可加性。在这里需要指出,属性测度空间与传统的概率空间和测度空间是不同的。传统的概率空间和测度空间是建立在点集基础上,而属性测度空间不是有元素或点组成的,它是关于某种属性的一种定性描述。模糊集仅是研究对象X到区间0,1的一个映射,因此,属性集也不同于模糊集。3412属性空间的分割和有序分隔类设F为X上某类属性空间,C1,C2,CK为属性空间中的K个属性集,如果C1,C2,CK满足,1IKFICCICJIJ318则称C1,C2,CK为属性空间F的分隔。试以路面质量评价为例。设F为路面损坏程度,把F分为3类C1轻微,C2中等,C3严重。这3类彼此不相交,C1,C2,CK是属性空间F的分割。在某些情况下,属性集和属性集之间是可”比较”的。在上例中,可以认为损坏程度越低越好或越低越”强”。因此,对有些属性集可建立”强”序或”弱”。当属性集A比属性集B“强”时,计为AB,当A比属性集B“弱”时,计为AC2C3CK或者C1C2C3CK时KIKKXCIKK10MIN,1,321若在C1D12。它表示我们宁可把”好的”判为”不好的”,也不要把”不好的”判为”好的”。把上述代价代入公式,我们可以算出判为C1类的全部代价1和判为C2的全部代价21XC2,2XC1,河北工业大学硕士研究生学位论文31按最小代价原则,若判为C1类,则要求1,其中1。323公式323表明某条道路的路面状况属性测度只有大于时,才能认为达到好的标准。为”不好”判为”好的”代价参数,它必须大于或等于1。取不同的值,就可以得到不同的好的水平值,如下表33。表33代价参数与置信度对应表TABLE33THERELATIONSHIPOFAND1152234250506006707007116、城市排水的概念界定城市排水是指城市生活污水、工业废水、自然降水和其他弃水的收集、输送、净化、利用和排放。城市排水是现代化城市不可缺少的重要基础设施,对城市经济发展具有全局性、先导性影响的基础产业,是城市水污染防治和城市排涝、排渍、防洪的骨干工程。城市排水设施包括接纳、输送城市排水的管网、泵站、沟渠,起调蓄作用的湖塘、河道以及污水处理厂、污泥最终处置及相关设施。17、路面平整度的定义国内外用于表示路面平整度的词语很多。在我国,道路工程习惯用”平整度“SMOOTHNESS一词,车辆工程则常用”不平度”ROUGHNESS,其表征的含义刚好相反,在一些文献中还出现了为了折中两者不以区分而出现”平坦性”的概念,但是其用于路面分析的作用大相径庭。正如在英文中,”ROUGHNESS”、”IRREGULARITY”、“UNEVENNESS”和”SMOOTHNESS”为同一制度的两端,表示的含义刚好相反一样。MICHAELWSAYERS和STEVENMKARAMIHAS提到,可将”SMOOTHNESS”视为对道路状7况比较乐观的说法。国际道路协会PIARC欧洲委员会将”ROUGHNESS”翻译为“UNEVENNESS”。在”ROUGHNESS”对应”IRREGULARITY”、”UNEVENNESS”时,”SMOOTHNESS”自然就与”EVENNESS”,”REGULARITY”对应了27。本论文将在论文中使用”平整度”SMOOTHNESS这一概念。路面平整度是一个复杂的概念,因此从不同的角度出发,对路面不平整度所下的定义就有多种3。交通部标准公路工程名词术语JTJ00287及国家标准道路工程术语标准GBJ12488将路面平整度SURFACEEVENNESS定义为路表面纵向的凹凸量的偏差值28。该定义只从路的特性出发,对人车方面涉及较少由于没有设定参照高程,不利于测定。美国试验与材料协会ASTM的定义E867为道路平整度TRAVELEDSURFACEROUGHNESS是路面表面相对于理想平面的竖向偏差,而这种偏差会影响到车辆动力特性、行驶质量、路面所受动荷载及排水29。这个定义合理性在于它明确了路面平整度测量的参照系,利于测定定义中将人车路3方面因素综合进行了考虑,并对其所导致的影响论述清楚但该定义也没有提供路面平整度量化的方法和标准。综合分析目前各类平整度的定义可知,ASTM的定义可以实现人车路系统的优化,进而为制定合理的路面标准提供理论基础,所以得到广泛认可。18、公路交通突发事件的概念1公路交通突发事件的含义我国在中华人民共和国突发事件应对法中对突发事件有明确的定义”突发事件,是指突然发生,造成或者可能造成严重社会危害,需要采取应急处置措施予以应对的自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件等。”国家突发公共事件总体应急预案中也提到,”突发事件亦称突发公共事件,是指突然发生,造成或者可能造成重大人员伤亡、财产损失、生态环境破坏和严重社会危害,危及公共安全的紧急事件。”根据突发事件的定义,本文将公路交通突发事件作如下定义公路交通突发事件是指由自然灾害、公路交通运输生产事故、公共卫生事件、社会安全事件等突发事件引发的造成或者可能造成公路以及重要客运枢纽出现中断、阻塞、重大人员伤亡、大量人员需要疏散、重大财产损失、生态环境破坏和严重社会危害,以及由于社会经济异常波动造成重要物资、旅客运输紧张需要交通运输部门提供应急运输保障的紧急事件。突发事件可以发生在公路内,也可发生在公路外,但其结果都会对公路网的正常运行产生大小不等的影响,甚至造成公路交通中断、瘫疾。2公路交通突发事件分类根据公路交通突发事件应急预案,公路交通突发事件分为四类自然灾害,主要包括水旱灾害、气象灾害、地震灾害、地质灾害、海洋灾害、生物灾害和森林草原火灾等公路交通运输生产事故,主要包括交通事故、公路工程建设事故、危险货物运输事故、公路基础设施损毁公共卫生事件,主要包括传染病疫情、群体性不明原因疾病、食品安全和职业危害、动物疫情,以及其他严重影响公众健康和生命安全的事件社会安全事件,主要包括恐怖袭击事件、经济安全事件和涉外突发事件。93公路交通突发事件分级各类公路交通突发事件按照其性质、严重程度、可控性和影响范围等因素,一般分为四级I级特别重大、II级重大、IN级较大和IV级一般。19、高速公路生态恢复的概念公路在建设的时候会给周边的自然环境带来影响,突出表现在由于建设和占地而产生的生态空间的分隔,对动植物环境连通性的断位,路基边坡开挖产生的水土流失等。除此之外,还包括在开山挖路的过程中对当地人文生态的影响。在公路的建设中,由于不同的设计措施和施工管理手法会对高速公路的建设产生不同的影响,而运用人工设计的方法使公路生态环境自我恢复和调节,即如何在公路建设中融入公路生态恢复,已经逐步被人们认识和关注。公路生态恢复是在公路的建设和施工过程中,以和谐的科学发展观为其理论依据和指导方针,在设计之初就运用和谐发展观,重视生态建设,提高综合的社会效益和经济效益,并使之与环境相合相容。在建设上,我们应该坚持做好施工管理监督,并在建设的过程中尽量减少施工带来的环境损失和破坏,使施工过程中的整个工程项目的影响最大程度的减低。而在处理路基工程方面,要坚持对路域生态环境的恢复性和可持续发展性进行设计,使人工恢复公路路域得到最大程度的恢复,使建设设计与自然环境相融合,人工恢复效能最大化,以通过生态恢5复的建设措施达到行车安全舒适,建设环境与生态环境相和谐的效果。在公路生态恢复的过程中,在绿化选择方面,可选择将公路原有的植物选入其中,使公路的植被与原有的植被相融合,绿化和公路美化相结合,并根据公路周边的地形地貌来选择适合本土生长的植物来恢复和美化,弱化公路景观和自然景观的界限,使公路生态恢复与原有景观有机结合在人文景观方面,对当地自然人文景观进行调查,恢复和借用沿线人文景观的特征,造景借景,使公路的人文生态恢复最大化。总的来说,公路生态恢复就是基于生态原理的基础,结合公路的具体建设和运营,通过调查、预测公路的生态组成和当地自然环境特点来设计和恢复路域生态环境的措施。以保护和延续公路的稳定性。美国、德国英国、法国、日本、和原苏联等国家,对公路生态恢复也非常重视,并制定了一系列的相关法规,形成了自己的体系。如法国,是国家明确颁布一系列环保法来规范和约束公路建设中的生态破坏,例如交通发展方向法19821230和采石场法19791220。除此之外,这些国家也依赖高新技术来进行生态恢复的管理和实施。并结合优秀的景观设计方法对陆域环境综合整治,减少对环境的破坏,使环境恢复与周边原有的自然环境协调。这种方法使有限的土地资源和水资源得到了整治和连续,使其适应具有经济效应的技术管理制度和集约化发展的道路环境领域的综合管理。110、公路客运市场管理的概念公路客运市场管理是指国家运用法律、政策和经济措施对以公路旅客运输为交易对象的市场交易活动进行的管理,旨在维护市场秩序,保护合法经营和正当6竞争,稳定物价,保障消费者权益。内容包括整个旅客运输的流通领域管理、相关企业登记管理,城乡公路客运市场和交易管理,经济合同管理,质量和计量管理,价格管理等。2、相关背景21、研究背景作为一项基础设施,在经济的发展过程中发挥着举足轻重的作用。随着经济的飞速发展,高速公路的建设里程日益增大。然而相对于国外高速公路的路基高度,我国高速公路的路基普遍偏高。虽然我国幅员辽阔,但是在人多地少的国情下,这势必带来许许多多不好的影响。低路堤具有降低路基占地和取土用地、节省投资、降低造价,行车安全、舒适、施工方便、工程质量易于控制、工程结束后沉降小,建成后公路病害减少、边坡防护简单、自然、景观协调等优点,在走可持续发展道路的驱使下,高速公路低路堤设计方案变得异常重要。然而平原地区低路堤设计方案的采用必定带来雨季路面排水的问题,从国内外学者对高速公路路面径流污染物的研究可以看出,雨水的渗入和回灌必然对地下水产生很大的影响,且存在一定的环境风险。采取低路堤设计方案来降低路基填土高度,需保证下穿式被交道路所汇集的雨水能及时排走、在一般强度降雨下不影响正常通行的同时,应尽量避免造成渗入及回灌对地下水的影响,以实现环保型公路建设的目的即可持续发展和资源节约、环境友好,针对这一状况,提出了道路集水净化渗透系统。本项目结合实体工程大广高速大庆至广州河北衡水大名段,根据我国华北平原地区水文、地质、气候等特点,利用该地区雨量小而集中、土壤的渗透性好、地下水位低和饮用水井深的特征,就在采用低路堤时所面临的下穿式被交道路通道排水的问题进行深入研究,提出了渗透沉淀池设计方案,并在国内国外针对路表径流对地下水影响研究的基础上,通过现场渗井水质检测,提出了一套适合大广高速大庆至广州河北衡水大名段下穿式被交道路排水的系统,通过对路面径流汇集、沉淀然后过滤并回灌地下,该方案不仅有效地解决了低路堤设计理念所带来的排水难题,降低了高速公路路基平均填土高度,实现了环保型公路建设的目的即可持续发展、环境友好和资源节约1,同时确保了被交道路所集聚的雨水排流顺畅,不至于导致在一般强度的降雨下影响车辆的正常通行,还通过雨水的回灌补充了地下水,在一定程度上解决了华北平原降雨量少,用水量大问题。222、研究背景20年代兴起的一种安全、快速、通过能力大的新型交通手段。我国大陆从70年代初就开始了高速公路修建的前期准备工作,其中包括高速公路的技术资料翻译、科学考察、可行性研究以及测设工作。1981年交通部制订的公路工程技术标准中列入了高速公路的技术标准。这些,为高速公路的建设打下了基础。我国高速公路建设起步虽较晚,但发展很迅速。1988年首条沪嘉上海浦桃工业区嘉定县高速公路建成通车。随后广佛广州佛山、沈大沈阳大连、西临西安临潼、首都机场、京津塘北京天津塘沽区、济青济南青岛、海南环岛海口三亚、广深广州深圳、京石北京石家庄、郑许郑州许昌、长平长春四平、太旧太原旧关、沪宁上海南京、杭甬杭州宁波、长潭长沙湘潭、沪宁上海段、沪杭浙江段、沪杭上海段、厦樟厦门樟州、成雅成都雅安等高速公路相继建成通车。1988年到2007年平均每年建设高速公路326KM,这个速度仅次于美国,居世界第二。预计到2020年,以高速公路为主组成的国道主干线,将形成”五纵七横”的总体布局,是全国公路网主骨架和综合运输大通道的重要组成部分,必将极大地改善我国的综合运输结构,提高综合运输效率。近年来,随着社会经济的高速发展,公路的建设与发展己成为人们普遍关注的问题,国家经济的增长和人民生活水平的提高,需要更多、更高级的公路来满足各类出行需求。同时,对公路的大量需求又促使公路建设速度的加快和公路等级的提高。伴随着高速公路里程的不断增长和高速公路网的逐渐形成,高速公路的路面养护问题也越来越受到普遍关注和重视。建立科学、高效的高速公路路面养护决策系统,能够有效改变传统的公路养护管理模式,保证高速公路的运行效率,适应现代化、大规模和高质量的路面养护要求,为路面管理决策者合理确定路面养护资金需求与分配方案、优化路面养护决策等提供科学依据和决策支持。对于高速公路自身和区域社会经济的可持续发展都具有重要的理论意义,有助于改变过去”重建设、轻养护”的观念,实现公路管理部门工作重点的转移,在公路养护管理部门的应用将对我国高速公路的养护管理工作产生积极的实际意义和作用。2国内外公路路面管理的实践经验表明路面管理系统作为一种科学的管理方式和辅助决策工具,其实施能够有效改变传统的经验决策模式,发挥有效资源的最佳效益,保证路面管理决策的系统化、科学化和现代化。通过论文的研究,得到对高速公路路面养护管理系统决策问题的新认识,不断优化和提高路面养护管理决策的水平。特别的,高速公路在我国的综合运输网中发挥着重要的骨干和支柱作用,高速公路路面养护管理系统的决策优化,其核心在于研究如何在有限的资源资金、劳动力、材料、能源等下以最低的消耗,提供并维持路面在预定使用期内具有足够的服务水平,即在预定的标准和约束条件下,选用”费用效果”最佳的方案1。对于寻求最佳路面养护方案,发挥有限的养护资金的最大经济效益和高速公路的社会效益来说,是非常迫切的要求。实施路面管理系统能够帮助管理部门改善所要作出的决策,扩大了决策范围,为决策效果及时提供反馈信息,以积累管理经验,并保证在公路管理部门内部的协调一致。23、大广高速公路松辽段升级改造工程背景路网的重要组成部分,是9条南北纵线中第五纵,也是东北区域骨架公路网与吉林省高速规划的组成路段,是贯穿东北地区西部的纵向通道,它的建设对于完善国家和地区公路网、发挥高速公路网络优势、加强省际、省内的经济合作,促进东北老工业基地经济社会和谐发展具有重要意义1。大广高速公路松辽段路线经过地区在地貌分区上隶属于吉林省西部沙丘覆盖的冲积平原区,沙丘多以复合型纵向沙垅为主,多为固定或半固定沙丘,近东西向延伸,垅长达40KM,宽14KM,相对高度510M,沙垅顶部起伏和缓。纵向沙垅与甸子地相间分布,亦呈东西向延伸。并构成向南突出的沙带,沙丘规模较小。西部平原的土地多以耕地和草地为主,土地沙化和盐渍化现象明显。沿线植被以旱田、草场为主,有部分林地。松原至双辽吉蒙界段高速公路是大庆至广州高速公路中的一段,本路段起于松原市拐脖店,与本项目中的龙华至拐脖店段顺接,止于双辽吉蒙界,与大庆至广州高速内蒙古境内的通辽至双辽段顺接。本路段起于松原市拐脖店,利用已有右半幅一级公路改建,跨越省道S106后,经长岭县、新安镇、服先镇的东侧、于后连珠下穿国道G203,经兴隆镇、永加乡的西侧,于大富村东南侧设置大富枢纽互通和长深高速公路连接,之后采用新线,路线往西经协立屯北侧,于舒家北侧跨越平齐铁路、下穿省道S207,到达路线终点吉蒙交界的新开河。路线长1937KM,其中改建1789KM,新建段长148KM。本次改扩建路段是利用现有的半幅加锦一级公路进行改造,原路面采用的是分期实施的一级公路标准,路基宽1275M。该段一级公路半幅于2005年底建成通车,通车四年来总体使用情况较好,但也出现了一定的早期病害问题,主要表现为大量的横向裂缝,深度集中在5MM左右的车辙,少部分路段出现纵向裂缝和凹陷。大广高速公路松辽段改扩建项目的实施,要求利用原半幅一级公路的路面结构也要相应进行升级改造,以此来改善路面功能及使用性能,提高道路整体服务水平。根据松原至双辽道路交通状况及沿线的自然环境,借鉴国内外改扩建升级沥青路面的先进设计理念,合理确定改造升级路面结构,实现国干网高速公路所具有的快捷、安全、舒适、环保的高速大通道功能。为确保在设计使用期内路面结构的安全性和经济合理性,有必要进行路面结构的设计论证,优选出适合于本地交通及气候条件的改造升级路面结构,对于吉林省高速公路建设和日后的运营管理具有重要的理论及现实意义。224、内部排水设计考虑的背景沥青路面早期损坏的原因众多,其中设计是最根本的原因。良好的设计应当达到路面设计年限与实际使用寿命的一致,任何重大偏差,说到底都是设计问题。世界上沥青路面设计方法大体分为两类,即以试验为依据的经验法和以力学分析为依据的理论法。我国20070101起实施的公路沥青路面设计规范JTGD50200639以力学分析为基础,属于理论法。JTGD50规范是在公路沥青路面设计规范JTJ01497的基础上修改而成的,并保留了JTJ01497的排水内容。美国AASHTO现行的1993年版AASHTO路面结构设计指南以现场试验为基础,属经验法。而原计划2002年完成但尚未正式颁布实施的MECHANISTICEMPIRICALDESIGNGUIDE则是力学经验设计指南。作为路面设计的重要内容,JTGD50规范对路面结构内部排水的处理仅停留在定性的笼统规定,缺乏定量的处理,更未将结构内部排水条件反映在路面厚度设计中。现行的公路排水设计规范JTJ01897专门处理路面排水设计,对路面结构内部排水做了一系列的规定,然而作为相对独立的文件,该规范并没有为路面结构设计直接提供输入。美国绝大部分公路都是用AASHTO指南设计的,该指南将沥青路面内部水的状况按水的多少与水存在结构内部的时间分成若干等级,以排水层排水系数表示,定量的融入了路面厚度设计。上述两个路面设计方法,分别作为理论法与经验法的代表,在很大程度上具有互补性,同时又不可避免地存在差异,尤其是在路面结构内部排水的考虑方面显著不同。有鉴于此,本节试图针对JTGD50规范、JTJ018规范与AASHTO指南,探讨各自在结构内部排水方面的规定。25、JTGD50规范考虑背景JTGD50规范对公路路面排水的要求是一般由路表排水、路肩排水、中央分隔带排水组成,必要时,可考虑路面结构内部排水路面排水设计重现期,高速公路、一级公路宜为5年,二级及二级以下公路宜为3年,对于多雨地区的公路或特殊路段,可适当提高。当地表水或地下水有可能渗入路面结构层时,宜设置排水垫层、渗沟盲沟等。对二级及二级以下的公路路面排水的要求降低,仅要求路面表面排水,无内部排水要求。该规范对路面结构内部排水系统设计作了如下要求当路面内部可能出现自由水滞留时,可采用沥青碎石或骨架空隙型水泥稳定碎石或级配碎石做排水基层排水基层的集料应选用洁净、坚硬而耐久的碎石,其压碎值不应大于28,最大粒径可为20MM或25MM,集料级配应满足透水性要求渗透系数不得小于17300M/D,可通过常水头或变水头渗透试验确定骨架空隙型水泥稳定碎石,其7D浸水抗压强度不得低于34MPA,开级配沥青碎石集料的沥青用量可为集料干重的2545。26、论文研究的背景及意义沥青路面早期水损害现象在我国出现的较为普遍。根据国内调查发现投入使用一段时间的公路,无论是缺少雨水的北方半干旱地区,还是降雨量较大的南方潮湿地区,无论是采用什么样的路面结构,或是选择不同酸碱性的石料都出现了不同程度的早期水损害现象。各国道路科研工作者进行大量研究发现,因为路面中水的存在,使得路基和路面结构的损坏加剧,路面结构的力学性能和使用性能都更快的下降,路面出现各种病害,使用寿命大大折减。沥青路面水损害不仅在旧路路面经常看到,甚至新建路面同样会发生早期水损害,这对我国的公路尤其是高等级公路的服务水平影响很大,并且造成的经济损失也相当巨大,因此必须对沥青路面早期水损害原因和治理措施进行系统的研究,这对我国的交通运输领域有着重要而深远的意义。27、课题背景速发展,我国高速公路的建设规模增长迅速,截止2010年底中国高速公路通车总里程已达74万公里,北京的高速公路通车里程也已突破900公里。早期建设的高速公路,由于受经济水平和技术水平等原因的制约,大多数高速公路经过一段时间运营后,无法满足交通量增长的需求,特别是货运车辆的快速增加,造成路面车辙较多损毁严重,大大的降低了高速公路的运输效率和服务水平。沥青路面作为道路路面的面层,直接承受着车辆荷载和大气因素的作用,必须具有良好的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、耐久性和抗滑安全性,因此必须从沥青路面的设计、施工、养护等环节上下功夫,做到合理的设计、正确的施工、适时的养护,因此,迫切需要对无法满足交通量增长和重交通要求的高速公路路面进行重新设计和正确施工,以提高高速公路的通行能力。我国的高等级公路建设,经历了十多年的发展,己经取得了很大的成就。近年来,随着我国经济快速发展,途经北京的交通量迅速增长,有些早期建设的高速公路如八达岭高速、京石高速公路、京津塘高速等交通量已趋于饱和,不能满足现状交通发展的需要,因此进行了新建高速公路,如京津第二高速公路、京平高速公路、机场第二通道、机场南线高速公路等。高速公路的修建对我国经济的发展和各地方物品的流通起到了重要的作用,因此,路面材料设计和施工是保证高速公路通行迅速、快捷,提高路面的耐久性、稳定性、平整度、摩擦系数、延长路面的使用寿命、降低养护成本最重要的环节,具有非常重要的现实意义和前瞻性。高性能沥青混凝土路面是一种全新的、内容广泛的沥青混合料设计体系,是美国公路战略研究计划SHRP,1987年1993年的重要研究成果之一,目的是为了改善沥青路面的性能和耐久性,并提高安全方面的性能。高性能沥青混凝土路面目前在美国已从一项研究成果变成了一项实用技术,得到了大量的推广和应用,但在国内还没有形成系统的应用,相关的制度和规范也是一片空白。本论文试图通过相关工程,从高性能沥青混凝土路面的胶结料、集料、混合料试验方法和规范,混合料设计和性能试验以及施工配合比设计和机械配备施工等方面,给广大公路技术人员在施工中遇到的各种基本技术问题提供一些参考,探索出适合1北京工业大学工程硕士专业学位论文我国高速公路路面的一套标准和方法,促进高性能沥青混凝土路面在我国的推广和应用,提高我国的新技术、新工艺、新材料、新设备的推广应用水平。通过对高性能沥青混凝土路面混合料目标配合比设计和施工应用方法进行关注、研究,最终从材料设计、设备配备施工,同时结合不同的资源条件及经济效益等多方面因素,综合分析并总结出最恰当、合理的材料设计和设备施工方案,从而创造出经济效益和社会效益。高性能沥青混凝土路面是一种全新的沥青混合料设计体系,本设计体系的最大特点是要将集料、胶结料与混合料特性的试验结果跟现场施工的实际情况结合起来考虑,通过试验和规范,对HMA路面永久变形、疲劳开裂和低温开裂的主要三种损害进行改善,充分考虑在服务期内温度对路面的影响,在最高设计温度时能满足高温性能的要求,不产生过量的车辙在最低设计温度时,能满足低温性能的要求,避免或减少低温开裂在常温范围内控制疲劳开裂。对于沥青胶结料,采用旋转薄膜烘箱试验来模拟沥青混合料在拌和和摊铺过程中的老化采用压力老化容器模拟沥青在路面使用过程中的老化。对于集料,在进行沥青混合料集料级配设计时,采用控制点与限制区的概念来限定、优选试验级配设计。对于沥青混合料试件采用旋转压实仪制备。在试件压实过程中,记录旋转压实次数与试件高度的关系,从而对沥青混合料的体积特性进行评价。高性能沥青混凝土路面和普通AC系列沥青混合料路面使用的拌和、运输、摊铺、碾压设备基本相同。但由于在集料级配合成时采用045次方图确定允许级配,并有禁区和控制点的约束,在设计时多采用S形曲线,基本为一种粗集料嵌挤密实型沥青混合料,粗集料含量相对较多,混合料内摩阻力大,难于压实。同时由于混合料未碾压时的内部缝隙较大,混合料与空气接触的表面积大,混合料热量容易散失,因此高性能改性沥青混凝土路面混合料具有碾压设备投入多,并要求在高温情况下迅速碾压成型的特点。在试验段施工前的设备选择时,宜选择吨位、功率大的重型碾压设备。采用理论分析、数值模拟、室内试验、现场测试相结合的方法,以京津第二通道高速公路工程为依托,对高速公路高性能改性沥青混凝土路面的材料设计和施工进行研究。通过材料试验,确定混合料的施工配合比,通过现场施工确定机械配备,将室内试验、数值分析与现场测试结果进行对比,进而对理论研究成果进行补充和完善,最终确定了适合京津高速公路第二通道路面工程的合理的材料设计和施工参数。2第1章绪论高性能改性沥青混凝土路面设计是一种新型的沥青混合料的设计方法,从目前国内的应用来看,它较传统的马歇尔设计方法沥青混合料的性能有较大的提高,有效的防止了沥青路面早期损坏的发生,SBS改性沥青具有较好的弹性恢复和高温特性,可以防止低温开裂在上面层中使用高性能沥青沥青混合料,同时使用SBS改性沥青,严格施工中的质量控制,将会大幅度的提高路面的平整度、摩擦系数、延长路面的使用寿命,降低养护成本。本论文在规范缺失或不足的状况下开展,能为我国高速公路高性能改性沥青混凝土路面混合料设计和施工提供资料,弥补空白。本论文实际上是结合不同的资源地质等情况尽快验证并广泛应用,对高性能改性沥青混凝土路面混合料目标配合比设计和施工应用方法进行研究剖析和验证,提高新技术、新设备、新材料、新工艺在全市范围内推广应用水平。首发公司京津高速公路第二通道项目管理处与北京路桥路兴物资中心及北京鑫实路桥建设有限公司合作,采用美国公路战略研究计划SHRP最重要的研究成果之一高性能沥青混凝土路面技术对高速公路沥青混凝土面层重新进行了设计,从经验的指标向性能基础上的指标靠拢,期望达到改善路面性能的目的,使沥青面层粗糙又防滑密实防水。高性能沥青路面作为SHRP研究成果的专有名称,它包含了沥青标准和集料标准、矿料级配曲线的组成规定和混合料的体积设计方法三大内容,提出了控制点和限制区的概念。高性能改性沥青路面的先进性在于它开发了一套全新的实验设备和方法,从根本上改变了现行试验方法和规范的纯经验性质,从而避免了由此带来的局限性,高性能改性沥青路面沥青结合料与混合料规范的新体系将试验方法与指标同沥青路面的路用性能建立起直接关系,通过控制高温车辙、低温开裂和疲劳开裂,来达到全面改进路面性能的目的,形成了一个基于路用性能基础上的沥青沥青混合料设计施工新体系。图11旋转压实机设备3北京工业大学工程硕士专业学位论文4第2章沥青混合料生产配合比设计第2章沥青混合料生产配合比设计28、平凉市公路沥青路面病害防治选题背景与意义平凉市公路路面病害自1999年以来,路面病害呈逐年蔓延发展趋势。平凉市公路主要为20世纪60、70年代修建的三、四级公路,公路等级低、线型差、路基排水设施和防护支挡工程不完善、路基路面强度低、除G312线公路路面为沥青贯入式路面外其余沥青路面主要为渣油沥青表处路面,路面均为次高级路面,使用时间大多已超过设计年限路面超期服役到1999年后,路面变形,路面病害如龟网裂、坑槽、松散、沉陷、老化等病害也十分严重。每年春季都会发生严重的公路翻浆,造成沥青路面大面积的破损部分翻浆路段严重影响公路交通车辆的安全通行,甚至出现堵车现象,由于受到各种因素的制约,路面病害得不到及时有效的处治,社会反响强烈。2自1999年特别是国家实施西部大开发以来,随着西部大开发的进一步深入,国家对干线公路建设改造力度的加大,重视了干线公路建设,提高了干线公路路况质量。同时地方上对一般公路的养护质量有所放松和轻视,养护费用的投入严重不足,一般公路路面病害得不到及时防治,路面破损进一步加剧,公路路面养护质量呈逐年下降趋势。3公路预防性养护不到位,特别是公路沥青路面初期病害得不到及时防治。受到养护费用、技术、设备、观念等各方面的影响,如路面初期产生的裂缝、小型龟网裂、零星沉陷等病害处治不及时,造成沥青路面进一步的破损,如形成比较严重的公路翻浆、松散、沉陷、波浪、坑槽等路面病害。另外,由于原有公路排水设施不完善公路路面水损害防护不到位,原有渣油沥青表处路面大多为单层结构,面层较薄,空隙较大,路面防水性较差,特别是在雨季易造成较为严重的公路路面水损害,加速了路面病害的发生。4公路养护理念不能适应公路用户对公路养护提出的新要求。随着我国经济社会事业等快速健康发展,社会各方面对公路交通提出了更高的要求。安全、快捷、舒适已成为公路使用者对公路提出的新要求。而公路养护部门由于受到养护资金、技术、设备、观念的影响,路面病害处治不及时、养护管理不到位等造成路面病害处治质量不高、路面平整度较差、公路路况下降等等,原有的公路养护思路已不能适应社会发展的需要。5路面病害防治效果不明显,影响了公路整体服务质量。养护上对路面病害防治方面习惯于头痛医头、脚痛医脚,治标不治本尽管通过对路面的养护,减少了路面的2破损数量,但往往是对原有路面破损的零星修补和局部维修,对路面的整体养护质量特别是路面的平整度等没有太大的提高,在综合防治路面病害提升路面养护质量上效果不明显。6养护管理力度不强,存在短期行为,不能有效地维护公路建设成果,公路建成正式纳入养护后,短期内造成公路养护质量特别是路面养护质量较快下降。另外,养护管理力度不强还表现在治理超限超载方面,近年来,随着公路货运市场的变化,公路运输超载超限车辆增多,对现有公路特别是目前养护的三级、四级公路破坏严重,加速了公路路面破损,路面养护质量严重下滑路面养护管理责任意识不强,管理有不到位现象。7路面病害处治上按照规范操作的意识不强,造成部分路面病害修复质量不高,路面破损维修后,出现前修后坏现象,影响了公路路面的服务质量。8采用新技术、新工艺、新材料在防治路面病害方面严重不足。如习惯于用传统的经验的路面处治方法,修复时间长、修复质量不高,路面病害从发生到修复完成间隔时间太长,缺乏及时修补和快速修补路面病害的方法和工艺,在快速修补路面病害、低温修补路面破损上几乎为空白。9路面养护设备落后和缺乏,造成路面病害处治不及时,处治质量不高,影响路面的养护质量。目前还主要是人工修补路面病害,特别是在近年来建成的二级收费公路,采用人工修补路面往往造成路面养护质量的下降。采用机械化专业化快速修补高等级公路路面破损由于养护设备不足还不能广泛使用。10”以人为本、以车为本“服务意识不强。养护部门和养护职工没有真正站在公路使用者的角度,从服务于公路使用者的角度去养好公路,提高公路的服务质量。11以公路路面养护为中心的养护意识不强。未真正把养好路面作为养护中心来抓,导致公路服务质量的下降。由于上述各方面的原因,造成近年来平凉市公路路面病害十分严重,特别是公路沥青路面破损面积逐年增加,公路路面养护质量下降,严重影响公路通行能力和服务质量。社会各方面反响强烈,公路养护部门压力很大,路面养护费用支出逐年增大,养护效果不明显。因此急需对路面病害与防治进行研究,采取有效措施,科学防治路面病害,提升公路服务质量,构建畅通、快捷、安全、舒适的公路交通条件。29、预水化膨润土的不排水循环特性的研究背景油气井的建井过程从确定井位到最后试油、投产,要完成许多作业,按其顺序可分为几个阶段。即钻前准备、钻井、固井和完井,而每个阶段又包括许多具体工艺作业1。在钻井阶段,钻井液有携带和悬浮岩屑,稳定井壁和平衡地层压力,冷却和润滑钻头、钻具,传递水动力等重要作用2。钻井过程中,在压力差作用下,钻井液中的自由水向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透,称为钻井液的滤失作用。在滤失过程中,随着钻井液中的自由水进入岩层,钻井液中的固相颗粒便附着在井壁上形成滤饼MUDCAKE或FILTERCAKE3。滤饼具有稳定井壁、平衡地层压力和保护储层等功用。所以,滤饼在钻井过程中是不可避免的,也是必不可少的。钻井完成后,需要固井。固井就是在井壁和套管之间注入水泥。固井的主要目的是封堵环形空间,环形空间中的水泥环阻止地层流体的流动,并达到地层之间相互隔离的目的4。固井时,必须用水泥浆将环形空间中的钻屑、钻井液和井壁上的滤饼替出称为顶替。水泥浆经历水化作用,由流态变为固态水泥,水泥可以阻止地层流体流动并支撑套管。水泥环必须能够经受住油井在生产过程中的增产措施、射孔、开采及各项修井作业的考验。通常把套管与水泥环之间的胶结面称为固井一界面,把水泥环与地层或外层套管之间的胶结面称为固井二界面5。成功的固井要求水泥浆全部替净环形空间中钻井液和井壁上的滤饼,使水泥浆充满环空,这样才能基本保证水泥与套管及地层的胶结良好,但这个要求往往很难达到。主要原因是现场井眼很不规则,并地层钻井液循环方向滤饼钻杆或套管图11钻井液滤饼形成过程示天津大学硕士论文第一章绪论2且滤饼在井壁上粘附非常牢固6。滤饼的存在对固井二界面封固系统来说是有害无益的。滤饼对固井质量的影响有两个方面6。一方面,固井后,滤饼夹在水泥浆与井壁岩石之间,由于水泥浆快速水化成固体,其形状和体积已经定型,而滤饼内的水分在井下高温高压作用下,向地层缓慢渗滤,渗滤结束后滤饼固化,体积发生收缩,在水泥石与井壁之间形成微环隙,不管滤饼有多薄,都会造成固井二界面封固质量比较差,导致固井二界面封固系统密封失效。另一方面,硬化的水泥石从滤饼中争夺水分连续水化,使滤饼形成裂纹,阻碍了水泥对套管和地层第二界面的有效胶结,形成微环隙、裂隙,给液体提供窜流通道,从而导致固井质量下降。如果水泥浆固化体与井壁不能牢固胶结,固井后就会常常出现油气水窜等严重问题,导致固井失败,影响油气井的生产效率和寿命。为了减少滤饼对固井质量影响,钻井界做了不少的工作,从多个方向入手,提出了不同的处理滤饼的方法和理论。1用机械方式清除滤饼清除滤饼的机械装置有多种,有套管刷或称为滤饼刷和刮泥器等,下面仅介绍套管刷的清眼机理7套管刷是由钢质护圈与弹性钢丝组合而成的,结构简单。根据清眼作用方式的不同可分为两种类型一种为钢针型套管刷,另一种为钢索型套管刷。套管刷作为套管附件,可根据井眼条件安装在套管串的任何位置。根据井壁滤饼和沉淀物的沉积程度,把钢针型套管刷安装在钢索型套管刷的下部。先由钢针型套管刷柔和地切入井壁四周滤饼内部,依靠套管串的下沉力破坏井壁滤饼和沉淀物的网状结构。再由钢索型套管刷依靠套管串的下沉力直接刮去井壁滤饼或沉淀物。这样在套管串中相间地安装35只钢针型和钢索型套管刷,达到重复清除井壁滤饼和沉淀物的目的,使井眼清洁,为水泥浆与地层界面创造一个良好的胶结环境,从而提高油层套管固井质量。用机械的方式清除滤饼虽然能够改善固井二界面的胶结环境,但是不能够完全清除井壁滤饼和沉淀物,时常导致固井失败。2钻井液转化为水泥浆技术MTC8MTCMUDTOCEMENT技术也称作可水泥化或固化钻井泥浆技术。将钻井液转化的方法大致可分为3大类,即可固化的钻井液、钻井液转化为水泥浆、多功能钻井液与MTC技术相结合。可固化的钻井液是用可固结的材料作泥浆的主体,用这种泥浆钻开地层至预定深度后,通过一定的手段将其直接转化为水泥浆。该方法成本较高,推广应用存在一定的难度。钻井液转化为水泥浆技术是在钻井时沿用常用的泥浆,不需改变其配方。固天津大学硕士论文第一章绪论3井作业时,在钻井过程中所使用的钻井液中,加入促凝剂、激活剂等水泥外加剂,然后加入矿渣或水泥等水化材料,将其转化为固井液进行注水泥作业。此方法尽管不能使滤饼完全固化,但该类固井液与滤饼和未被替净的泥浆相容性好,胶结性能比常规注水泥时要好,不改变固井施工程序,目前已用于油田注水泥作业中。多功能钻井液与MTC技术相结合方法是使用加有适量水化材料如矿渣、火山灰、粉煤灰等的钻井液钻进,此钻井液被称为多功能钻井液通用钻井液,简称为UFUNIVERSALFLUID。进行固井作业时,向钻井液中再加入足量的水化材料和其它外加剂,即可将其转化为固井液进行固井作业,由于井壁上所形成的滤饼和未替净的钻井液中均含有一定量的水化材料,在固井液的活性成分的渗透和扩散下亦发生固化,从而提