（道路与铁道工程专业论文）沪宁高速公路使用现状分析与养护决策.pdf

摘要 沪宁商速公路逶擎至今已遥8 冬，这条黄金邋道豹开通运薷为长江三熊溯地区乃 至全国带来了巨大的缀济和社会效菔，但在其逡营过程中路厩质量受到了严峻的考 验。本文以2 0 0 2 年以前汪苏宁沪舞速公路段份公司组织的邋鼹莽护现状调森必基础 并对调鸯资料进行分毫蓐，系统的研究了沪宁高速公路沥青路蕊常见病害的状况、使用 性能的关联度，并进行了评价，与此同时，对路嘶性能进行了预测并提出了养护对策 鲍硬究和斑瘸。 论文酋先系统媳介绍了沪宁简速公路静概况，阐述了髫前国内外对沥青路面病 害以及路面养护的研究。以路面破损、路面弯沉、平整度、抗滑能力为检测指标，对 沪宁离遮公路进行了较失全耍敕调凌蒺底。利用获色关联的理论来分辑以上靼矮指标 之间的关系并得出路谳的平整度和路面的破损韵栩关程度最大的结论。以沪宁高速公 路9 7 年运营以来的路面破损调查的数据和对应的弯沉、平攘度和横向力的关系，利 爱入工毒搴经鼹络模拟了避足年豹p c i 篷，遴行了练台译玲，认炎沪宁衰速公鼹运营以 来的道路状况是优良的，道路的养护也是成功的。选择和建立玛尔可夫模型对沪宁高 速公路路面性能进行预测，并利用模型对2 0 0 3 年到2 0 0 4 年的路面破损状况、平整度、 结穆强凄、搂彝力系数避嚣了颈溅。 激厢根据调套结果以及利用码尔可夫模毅对沪宁高速公路路面性能的预测提 出了沪宁高速公路今艏预防性养护以及矫正性养护的对策以及往意事项，同时，针对 沪宁裹遥公路懿特意掇囊了一些瑟王艺、薪耪瓣、瑟设备。簸嚣，建议沪宁舞速公鼹 应建立养护决策系统以提供养护决策的科学性、合理性。 关键词：沥青踱霞路况调囊性能译馀与预测决策和建议 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en i n g h ue x p r e s s w a y ，k n o w na sg o l d e np a s s a g eb e t w e e nc i t i e so fs h a n g h a ia n d n a n j i n gh a sb e e no p e n e dt ot r a f f i cf o rn e a r l y8y e a r s i th a sc o n t r i b u t e de n o r m o u s l yt o t h ee c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n ti nt h ey a n g t z er i v e rd e l t aa r e aa n de v e nt h e w h o l ec o u n t r y d u r i n gt h i sp e r i o d ，t h er o a ds u r f a c eh a s s u s t a i n e dh a r dt e s t s b a s e do n a ni n v e s t i g a t i o no ft h er o a dm a i n t e n a n c ea c t u a l i t yw h i c hw a sc a r r i e do u tb yt h ej i a n g s u n i n g h uh i g h w a yc ol t db e f o r e2 0 0 2 t h ea l l t h o rj nt h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e da s p e c to f c o m m o ns e e nr o a ds u r f a c ep r o b l e mo rd a m a g ei t sa f f i l i a t i o nw i t hp e r f o r m a n c ea n di t s e v a l u a t i o n ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h en i n g h uh i g h w a yj sg i v e n ，r e v i e w e dr e s e a r c h e sr e s u l t s f o c u s e do na s p h a l tp a v e m e n td a m a g ea n di t sm a i n t e n a n c ef r o mt h eh o m ea n da b r o a d a l s o ，t h er e s e a r c hc o n t e n ta n dm e t h o dw a sd e s c r i b e dh e r e u s i n gp a v e m e n td i s t r e s s 、p a v e m e n td e f l e c t i o n 、s m o o t h n e s s 、s k i dr e s i s t a n c e a b i l i t ya sm e a s u r i n g i n d e x at h r o u g hc h e c kw a sm a d et ot h er o a d b ya p p l y i n gt h eg r e yr e l a t i o nt h e o r y ，t h e a u t h o rp o i n t e do u tt h a tf a c t sp a v e m e ms m o o t h n e s sa n dd i s t r e s sh a v eh i g h e s tc o r r e l a t i o n ， b yc o m p a r i n gt h ep a v e m e n td a m a g i n gd a t aw i t hd e f l e c t i o n 、s m o o t h n e s sa n df f a r l s v e r s ea n d s i m u l a t i n gt h ep c iv a l u ef o rt h e1 a s tt w oy e a r si nan e u r a ln e t w o r ks y s t e m t h ea u t h o r c o n c l u d e dt h a ta f t e re i g h ty e a r sf u n c t i o n i n gt h es t a t u so ft h en i n g h uh i g h w a yi sg o o d ， a n dt h e r e f o r et h em a i n t e n a n c ei ss u c c e s s f u l s e l e c t e da n db u i l tu pam a r k o vm o d e lt of o r e c a s tt h er o a dp e r f o r m a n c e af o r e c a s to ff a c t sp a v e m e n td i s t r e s s 、s m o o t h n e s s 、s t r u c t u r a ls t r e n g t h 、t r a n s v e r s ec 0 0 f f i c i e n t f o rt h ey e a r2 0 0 3 2 0 0 4h a sb e e na p p l i e d m a i n t e n a n c et a c t i cr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l ta n df o r e c a s t ，t h ea u t h o rs u g g e s t e dp o l i c e sf o rt h e n i n g h uh i g h w a ym a i n t e n a n c eb o t hi np r e v e n t i n ga n dr e d r e s s i n g ac o u p l eo fn e w t e c h n i q u e ，n e wm a t e r i a la n dn e we q u i p m e n th a sa l s ob e e nr e c o m m e n d e d f i n a l l y ，t h e a u t h o rs u g g e s t e dad e c i s i o nm a k es y s t e mt o w a r d st h em a i n t e n a n c eo ft h en i n g h u h i g h w a ys h o u l db es e tu pt op r o v i d eb e t t e rs o l u t i o nf o rm a i n t e n a n c e k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ，r o a dc o n d i t i o ns u r v e y ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n d f o r e c a s t ，t a c t i ca n ds u g g e s t i o n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取褥 躯矮究成暴。尽我鼹妇，滁了文中特别勰以搽注移致谢懿蟪方羚，论文中不包禽 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的。浮位或证弗而使丽过的材料。与我一间工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已奁埝文中侮了爨确豹说翻著表示了滋塞。 签名：。避碜日期：选：塞：亨j 关于学位论文使潮授投豹说鞭 尔南太学、中隧科学技术信息麟究艇、国家霆书馆毒投绦蟹本人联送交学绽 沧文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 ； 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被凌阗莘瑟氆阗，霹戳公布( 惫耩黧登) 沧文豹全部绒部分瘫容。论文麴公布( 毽 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：羔缝导师签名：势匿戆：趔， 东南大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1沪宁高速公路江苏段概况 沪宁高速公路江苏段长二百五十余公里，西起南京马群，东至昆山花桥与上海段 相接，是江苏省的第一条高速公路。它雄踞苏南大地、傍依涛涛长江，连通了南京与 上海问极具经济活力的镇江、常卅、无锡、苏州等城市，对促进江苏省及其周边地区 的经济发展起着极其重要的作用。该路于1 9 9 2 年月开工建设，1 9 9 6 年9 月1 5 日建成 并投入营运，在整个建设过中江苏省高速公路建设指挥部对该路的设计、施工与管理 均高度重视，对于建设中的一些关键技术，如软弱地基处理、路面结构等还立题进行 专门的试验研究，以研究结论为依据再进行科学的决策。因此，沪宁高速公路的建设 质量得到了社会各界的充分肯定，并多次获得了国家、江苏省的各级奖励。 对高速公路而言，建设好只是成功的一半，另一半则是养好、管好、使之服务性 能好。沪宁高速公路建成后由宁沪高速公路股份有限公司负责管理，公司的绝大部分 工作人员也是当年该路的建设者，因此，公司的各级领导和群众带着建设期间的强烈 责任感投入了该路的营运管理。公路是暴露于大气之下，受风、雪、雨水和温度变化 的影响，并承受交通荷载反复作用的人工构筑物，在营运过程中必然会出现这样、那 样的破损，需要进行正常的维修和养护。沪宁高速公路江苏段在开放交通投入营运的 最初两年中，特别是在雨季，全线范围内沥青路面出现了麻面、坑槽、裂缝等不同程 度的破损，宁沪高速公路股份有限公司对这些破损进行了及时维修，使沪宁高速公路 的路面使用性能至今仍保持着优良状态。由于该路采用的路面结构是经先期试验研究 和专家评议审定，且施工、管理也较认真和严格，因此，营运初期就出现这些破损当 属非正常的现象。为了对国家、对人民、对事业负责，有必要对这些早期破损发生的 原因作认真的调查和剖析，以总结经验、吸取教训，并对路面性能作客观、科学的评 价，以便正确选择今后的路面养护对策，同时也可为江苏乃至全国新建高速公路的路 面结构设计与施工提供参考。 东南大学工程硕上学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1沥青路面病害的研究 在二战时期，德国为了适应战时快速运输的需要开始修建高速公路，从而揭开了 高速公路建设的序幕，目前美国、德国、日本等发达国家经过5 0 来年的努力都已基 本建成了高速公路网。我国的高速公路建设起步相对比较晚，但发展较快，至2 0 0 1 年底，我国高速公路总里程已超过1 6 0 0 0 k m 。 数十年来，沥青混凝土路面是国外高速公路主要采用的路面类型，美国铺筑的沥 青路面占整个路面的9 3 ”，日本也在9 0 以上。我国的沥青路面也有相当大的比重， 高速公路沥青路 面约占3 4 1 2 1 ，其主要原因是沥青路面上行车舒适，噪声小，沥青路面 的养护和使用性能的恢复较容易；同时沥青路面对路基形变的适应性较强，面层可以 分期铺筑，以适应交通量增长的需要。 然而，沥青路面也较容易产生一些破损现象，从而影响其使用性能。即使在发达 国家高速公路铺筑沥青路面已有半个多世纪，其沥青路面的损坏现象也相当严重。实 际上任何公路建成使用后，其使用性能随着时间的推移会逐步下降，高速公路也不例 外，为了保证其良好的路用性能、延长使用寿命，研究路面病害和产生这些病害的原 因，从而有针对性的采用养护维修措旆是必不可少的。 由于路面病害对路面的使用性能，特别是行车的舒适性有着直接的影响，因此各 国道路工作者对路面病害的研究一直没有中断，只不过是随着路面材料、运载工具和 时代的变化侧重点不同而已。2 0 世纪6 0 年代以来几乎大多数与沥青路面研究有关的 课题主要集中在车辙、低温开裂与疲劳开裂这三种破坏形式上，随蓿半刚性材料在道 路上大量应用，反射裂缝又成了一大研究重点，沥青路面的裂缝特别是半刚性基层的 反射裂缝在世界范围内是属迄今尚未解决的难题【3 】。由于沥青混合料本身具有在正常 温度下表现为流变性、可塑性，低温时为脆性，而且应力松弛时间较长等特性，在外 界环境( 温度、荷载等) 重复作用下产生松弛应力累积而超过混合料的抗拉强度，导 致开裂或由于半刚性基层开裂而引起反射裂缝，裂缝的出现往往是沥青路面损坏加剧 的开始；车辙是沥青路面在高温季节由车辆反复碾压形成的，它起因于沥青混合料的 粘滞流动、土基与基层的交形，同时还包括一定程度的压实作用和材料磨耗，其内因 主要是沥青混合料的质量差，外因是重车交通大和施工质量【4 j 。 沥青与矿料的粘结在潮湿的条件下会被削弱或损坏，而在行车荷载与水的联合作 东南大学工程硕上学位论文 用下这种损坏会明显加剧，水害表现形式为软化和剥落，即粘聚力的降低和丧失，因 此沥青路面的早期破损几乎都与水有关。关于水对路面的危害，很早以来就引起人们 的注意，m u i r 于1 9 4 2 年首先对美国4 8 个州的路面排水状况进行了调查，结果表明， 几乎所有严重破坏的路面都与水的进入有直接和间接的关系；1 9 7 3 年，美国联邦公路 局( f h w a ) 为制定“公路路面结构底面层排水系统设计指南”，对路面排水系统进行 了综合研究，研究表明，当自由水( 主要来自表面水渗透) 滞留在路面结构中时，在 重交通作用下，路面的破坏速度比不含自由水时大得多，水对路面结构的浸蚀是造成 路面早期破坏的主要原因【5 j ；据试验测赳“，进入空隙内的自由水在行车荷载的作用 下会形成高孔隙水压力和高流速水流，其压力差可达6 9 k p a ，流速可达o 1 5 m s ( j 、客 车驶过时) 或o 9 0 m s ( 货车驶过时) ；同时t j w a t e r s 的研究也指出，对于沥青路面 冲刷导致的唧浆将加速路面不规则裂缝、坑槽的形成与发展，并导致路面下陷，是路 面早期破损的主要原因之一【_ 7 】；新加坡、马来西亚等湿热地区沥青路面也出现了相当 严重的水损害【8 】。在防止沥青路面水损害方面主要是通过修建排水性沥青路面以及提 高沥青混合料本身的水稳性来实现，对于后者l o t m a a n 等人在世纪7 0 年代末就开始 了一系列的研究，并提出用i t s ( t s r ) 进行沥青混合料的水稳性评价啡1 们，该指标 现己纳入s u p e r p a v e 设计指标体系中。 此外，随着重型汽车的发展，超载对路面的早期破坏的影响已经引起了广泛的重 视；南非在7 0 年代就开始采用动态称重系统( w i m ) 进行公路轴载分布的研究【l ”， 认为由于在路面设计中对实际车辆轴载预测不准确，低估了超载的加速损耗，才导致 路面设计厚度不足以致路面提前破坏；j m o h a m m a d i 通过统计分析指出【1 2 】当超载车 辆频繁通过时路面在很短时间内就会遭到破坏；我国近年来也开始研究超载对路面破 坏的影响【1 3 】，并提出了相应的设计方法。 历史的发展使人们对一些概念和认识不断加深或更新。我国在高速公路建设以前 的时代，由于公路等级低、交通混杂以及路面结构薄弱等原因，人们最关注的是路面 裂缝；随着公路等级的提高，车辆分道行驶与重载的不断增加，对车辙的认识有了进 一步的加深；近几年来沥青路面的早期破损，特别是水损害已经成为我国高速公路沥 青路面破坏的主要形式。但是，我国目前对这方面的研究大多尚处在对病害的调查分 析阶段，深入的试验研究还不多，沙庆林院士的新著高速公路沥青路面早期破坏现 象及预防对我国高速公路沥青路面早期破损现象作了较为全面的分析。本文研究的 主要目的是为沪宁高速公路路面性能评价及养护对策提供依据，提升养护管理水平。 末南大学王程疆士学僚论文 1 2 2沥青路面性能与养护管理的研究 国乡 辩黪瑟使曩毽麓窝莠护管瑾熬疆褰开鲶予2 0 鲞鳃鞠年代，至7 0 每代， 美国在大规模的公路建设之后，面临了随之而来的路面养护管理工作，工作的中心转 移到养护、改建维护和改祷现有的路谳。养护和改建的投资比例得到了增加，如何分 聚窝裂磊券护帮改建资金，羡路嚣曩煮尽哥戆裹豹馊爝佳藐秘l 爱务承乎，成受速凌霉 要解决的问题。为了解决这个难题，罄先必须准确地了解公路网的破损状况，对路面 的使用状况谶行评估，然后才能把养护资金分配到最需要养护的路段上。为此，研究 久员开发了黯嚣酸摸数撵硷溅设备，建立了鼗据黪，铡定了评俊方法、标准秘钱隽莠 护排序模型。这种方法称为路面管理系统f 1 5 】。对“路面管理系统”的概述与理论的系 统论述始见于美国汉斯( h a s s r ) 和哈特松( w r h o d s o n ) 两位学者于七十年代 发表鹃“p a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m s ” 筵黎p m s ) 。 从2 0 馓纪7 0 年代麟期到8 0 年代中期，美国和加拿大约有3 5 个州及省建成或基 本建成了路厮管理系统【1 6 1 。特别在8 0 年代，路面篱理系统的内容得到了扩究，技术 上遣拐步袋熬。在发这鬻家，薅覆管瀵系绫在实簿公貉警瑾中褥澍了瘟鼹。魄较毒饯 表性的路顽管理系统有：美国加利福尼亚州路面管理系统( 1 9 7 8 ) ，华盛顿州路面管 理系统( 1 9 8 0 ) ，美国陆军工兵团的p a v e r 系统( 1 9 8 3 ) ，加零大阿尔伯达省的路面 蒗惠蠢嚣袋系统( 19 8 3 ) ，秀麦爨嚣镑爨系统( 1 9 8 0 ) ，英国运输窝遘路磅究所瓣公 路养护评价系统( 1 9 8 0 ) 。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着我国缀济的迅速发展，运输车辆急剧增加。由于国内 黪公籍瓣蕊逶路大部分懑速弱或怒遗设诗搜蘧年羧，霉魏上大滚位窝超载誉辆戆鑫 现，使得翘负荷的公路迅速破坏。由于养护资金总是无法满足一切养护维修的需求， 优先养护那个路段成了公路决策者面临的重要问题。因此，在翻内公路路面养护管理 簪 究署始逐步发震莛采。1 9 8 5 年，交避帮就素公爨瓣疆瑟蓄竞在辽宁营目移獯了英国 的b s m 养护管理系统；1 9 8 7 年，湖南省开发了适威本地区的路两养护管理系统：1 9 9 1 年，交通都北京公路科研所与同济大学、北京、广东等地区联含开发了干线公路( 省 市级) 瑟瑟游徐养护蓉统，舞恚着我淘在潞瑟莽轳警瑾上遮蜀一令蔌靛台除e 路面使用性能评价怒路面管理系统的重要组成部分，是路颡养护决策和邋路经济 分析的基础。在2 0 世纪6 0 年代，美困a a s h o 道路试验的重要成果之一就怒提出了 路蟊使蔼魏糍戆谬徐方法( p s i ) ，建立了路面译徐横鍪，这个谬俊模囊对7 0 年健翡 4 东南大学工程硕士学位论文 公路养护管理技术，特别是对世界各国路面管理系统的发展有着深刻的影响。8 0 年代 以来，随着对路面管理系统的深入研究和广泛应用，许多国家和国际机构如英国、加 拿大、日本和世界银行等先后建立了路面评价模型。例如日本的养护管理指数( m c i ) 和舒适性指数( r c i ) 。在这些评价模型中，路面性能的评价可分为综合指标评价和分 项指标评价两大类1 1 7 】。美国国会1 9 8 7 年开始建立一项为期五年耗资$ 1 5 亿的公路战 略研究计划( s h r p ) 口8 】，该研究项目的主要任务是制定一个以路面性能为基础的沥 青材料规范、沥青混合料规范以及相配套的沥青混合料设计方法；该计划还对沥青及 其混合料的性能和路面长期使用性能( l t p p ) 以及如何减少养护维修等都开展了深入 的研究与探讨，分析了路面破坏的敏感性，并建立了适应各种交通气候条件的性能评 价预测模型，同时编制了沥青路面修补养护实用手册，对各种修补处治及使用方法作 了详细的叙述和使用效果的评价。路面使用性能应是路面原材料性能、混合料性能及 路面结构性能的综合反映，我国在引进、吸收、消化国外先进技术和经验的基础上， 各有关研究院、所和高校对上述性能的研究已经起步，如沪宁高速公路股份有限公司、 江苏省交通科学研究院及交通部重庆公路研究所共同协作应用美国s u p e r p a v e 技术对 沪宁高速公路江苏段的沥青与沥青混合料路用性能进行了试验与评估，提出了值得人 们重视的一些有益结论。 1 3 研究的内容和方法 1 31 主要研究内容 本文研究的主要目的是针对沪宁高速公路沥青路面出现的早期破损现象进行分析 与评价并提出养护对策，以便管理时参考。主要研究内容如下： 路面破损状况的调查； 路面性能评价与预测； 路面养护管理对策。 1 3 2 研究方法 本文采用资料搜集、现场调查的方法进行，首先调查路面的破损状况，然后进行 路面性能的分析与评价，并为选择科学合理的养护管理对策提供依据。 东南人学工程硕士学位论文 第2 章路面破损调查 2 1 概述 在交通荷载和自然环境因素的综合作用下，路表面会出现各种破坏现象，道路路 面会逐渐变得凹凸不平，随着时间的推移，破损会越来越严重，影响车辆的行驶速度、 交通安全并增加使用费用。为了评估和预测这些破损对路面的使用性能、运输费用以 及驾驶舒适性的影响，需要研究各种破损产生的原因并合理地对它们进行分类，以便 精确计算和测量。路面破损的评估也是路面管理系统的重要部分，是养护和决策的依 据。 根据国内外大量的统计资料分析，路面的破损可以分为两类：结构性破损和功能 性破损。结构性破损是由于路面各层的承载力降低引起的，反映到表面上往往是裂缝， 常见的结构性破损有龟状裂缝、块状裂缝、纵向裂缝和横向裂缝。功能性破损是由于 路面提供给道路使用者的服务能力下降而引起的，常见的功能性破损不平整性、坑洞、 拥包、泛油、波浪、修补损坏、车辙( 少量) 和局部裂缝。 按照我国的传统和路面管理技术发展的趋势，从整体评价角度应把路面状况的评 估分为四类： ( 1 ) 路面破损( 表面状况) ； ( 2 ) 路面弯沉( 结构强度) ； ( 3 ) 平整度( 行驶舒适性) ； ( 4 ) 抗滑能力( 安全性) 。 对于这四项指标的检测，目前都有自动检测设备。尤其是后三项指标的检测，已 在沪宁高速公路上应用。路面破损的检测，国外也有摄影摄像等高效检测设备，这些 设备提高了检测速度，保证野外调查的安全，操作人员根据胶片显示的路面破损状况， 在室内判读各种病害，但成本高，操作技术困难，没有广泛应用。而人工检测则被广 泛应用，但是对于高速公路，行车速度快，且禁止行人上路，要特别注意调查人员的 安全。 6 东南大学工程硕士学位论文 2 2 路面破损调查方式 人工检测的关键是技术培训i 。由于人工测量方法和标准尚不统一，因此在调查之 前，必须对检测人员进行方法和标准的培训。首先是学习公路养护技术规范( j t j 0 7 6 9 6 ) ，认识病害的分类标准和测量方法，然后实地调查l k m 左右的路段，利用实 地调查的结果，对每组的调查情况进行比较分析，使检测人员能够取得统一的标准。 由于人工调查的人为性较大，要加强调查质量的控制。 人工检测时，调查人员在路肩上行走，对于路面破损的范围和严重程度只能目测。 为保证目测的可靠性，可以在交通量较少的普通公路上选择一些病害，先目测，然后 再精确测量，与目测的结果比较，反复几次，就可以提高目测的精度。 每个调查小组由3 4 名成员组成，其中1 个人负责计算桩号，1 个人负责记录， 1 2 个人负责观察病害。 负责计算桩号的人员最好携带粉笔，以便随时计算与记录。在沪宁高速公路上， 公里桩是精确的，防撞栏上还贴有百米桩号，它的精度较差，特别在叉道处误差较大。 对于病害记录，则需要提供具体桩号，只能在百米桩的基础上计算。防撞栏上的立柱 一般间隔为四米，一百米共有二十五个，在百米开始时进行计数，一般数到十五个时， 即可清晰地看到前面的百米桩号，即可反算。但在桥梁以及通道上，立柱通常会加密， 间隔一般为二米，计算时要注意。最好的方法是把病害处的桩号随手记录在防撞栏上， 以免遗忘和算错。计算桩号工作单调，最容易使人疲劳，应保持头脑清醒。 负责观察的人员，应向记录人员提供病害的类型、严重程度、范围、位置，这几 项内容必须做，还应提供四周的情况，例如是填方还是挖方，路堤的高低，桥梁、通 道、路边有无窨井。根据南京段的调查情况，桥台和路基中埋有管道( 即路边有窨井) 处，大多发生裂缝。检测人员的行走方向最好是迎着阳光，这样比较容易观察到细小 的裂缝类病害。 负责记录的人员要记录准确，记录数字化，不使用模糊语言，例如有一片龟裂、 发生沉陷、横裂较短等等。在记录时对于各种病害的名称也可使用简化方法，例如横 裂计为“”，其体由记录人员本人定。 沪宁高速公路工程技术部门将每年对路况进行两次详细调查，采用在路肩行走的 方式，记录的桩号精确到米，夏季在7 、8 月份最炎热的时间，主要调查沥青混凝土 路面的热稳定性，例如车辙、泛油等；冬季在1 2 月、1 月份最寒冷的时节，主要调查 东南大学工程硕士学位 呛文 路面的开裂。其余两个季度各进行一次普查，检测人员可以乘汽车沿路肩缓慢行驶 桩号记录到百米即可。 2 3 破损类型描述 公路养护技术规范( j t j 0 7 3 - - 9 6 ) 规定，路面的破损状况采用路面状况指数 ( p c i ) ，路面状况指数由沥青路面破损率( d r ) 计算得出。路面的破损分为裂缝类、 变形类、松散类和其他类，具体种类及严重程度描述见附录。 2 3 1 龟裂 龟裂是在重复交通荷载的作用下，沥青面层或基层疲劳破坏产生的一系列相互连 贯的裂缝。裂缝最先出现在沥青面层或基层的底部，轮载弯拉应力或弯拉应变最大的 位置。裂缝传至表面，开始时只是一条或数条平行的纵向裂缝。在车辆重复荷载作用 下，裂缝连通起来形成了多边、锐角的小块，发展成为网状或龟纹状的裂缝。龟裂只 发生在车辆重复荷载作用的地方。除非整个路表面承受车辆荷载的作用，龟裂不会发 生在整个路表面。龟裂是一种主要的结构性损坏。龟裂的短边长度不大于4 0 c m ，在 路面纵向有平行密集的裂缝，虽末成网，但其距离不大于3 0 c m 。龟裂的面积以平方 米计量。 图2 1 龟裂 毫鸯文学王霹矮学袋渔宠 2 3 2块状阡裂 浚姨嚣裂垮浚鸯嚣豢分残搂送矩形瓣毒凌，其缀逡长壤大子4 0 e r a ，毽长逡长囊小 予3 m 。浚姨开袋主要蔻巍予热肄瀑露牧臻致及每翻交绽茨弱黧瞧藏力纛应炎艨产生 的。它与荷簸无关，但荷弑可增加裂缝的严重程度。块状开裂的 f ： 观通常表示沥青融 鞠爨疆 芝。浚浚黟爱暹鬻蹬溪盔鼹瑟袈嚣瓣戆夫帮分，艇选奏辩只爨蘧在无车壤遴符 豹帮整。块状开装殴夜鼗瑟酸豹平方瀑数诗量。 2 3 3纵向辩横向开袋 装缝之翔受不鹚运，躐娶鸯连接德距离在3 m 激上纛。缀淘裂缝与薅嚣串一线乎 行，而横随裂缝疆直中心缡。形成的藤灏可以是由于沥鬻面层的低温收缩或游宵的磺 化豚号l 起的，或游是由沥青瑟朦下裂缝掰礤l 起的反射裂缝，但怒接缝除黔。纵囱裂缝 魏霹籍是翻海车遂接缝藏王疆囊差爨譬l 超豹。这秘裂缝邋攀与赫簸秀美。缀翔取袋囱 裂缝以米数泉计趱。 圈2 - 2 横向裂缝 2 ，3 ，4 攀辙 车辙系搿轮滋楚魏袭瑟滚陷，在壤多愤浇下廷怒在雨嚣税永融，车辙考弓l 久注意。 孳辙的产生原因大致有三种。第一，幽乎褥载的l 乍用超道路面备层的强度，产生了溉 篱鞭差戳下毯黧黯基懿备缮秘爨翡永久交澎，这静享辙鹣宽囊较大，巍铤没蠢羟裁蕊 9 东南= ：k 学工程硕士学位论文 象，横断面成v 字形。第二，高温条件下，在荷载的反复作用下，荷载应力超过沥青 混合料的稳定度极限，使得流动变形不断增加形成车辙，两侧有隆起现象，横断面成 w 字形。在路面车道的横断面上放置一根直尺，如果轮迹之间的直尺抬高，那么车辙 就是混合料不稳定造成的；如果直尺水平，那么车辙就是轮迹处的基层变形造成的。 第三，如果在施工时过分追求平整度，在降低温度后碾压，造成压实度不足，导致通 车后的第一个高温季节混合料继续压密，空隙率不断减小，达到极限的残余空隙率刊 能稳定，这种车辙两侧没有隆起，只有下凹。 车辙过深有可能导致结构严重破坏和车辆产生水滑，车辙以表面的长度来计量， 按车辙深度确定其损坏程度。 2 3 5 泛油 泛油是路面表面的薄层沥青材料，形成发亮的玻璃状反光表面，它通常很粘。泛 油是因沥青含量过高或孔隙率过小而产生的。由于泛油过程不可能逆转，沥青在表面 聚集会导致磨擦力大大降低，在冷天很容易造成行车安全下降。泛油以面积计量。 图2 3 泛油 2 3 6 波浪拥包 波浪拥包是一种塑性流动，其特征为横跨沥青表面的波形起伏，行车时有颠簸感， 其成因是路面表层或路面面层与基层材料之间的剪力作用。以面积计量。 2 3 - 7 沉陷 沉陷为局部范围路面的高程稍低于其周围的路面。地基土的下沉，或旌工时的疏 1 n 东南大学工糕礤学位论文 忽，都可能造成沉陷。沉陷影响平整度，当积水很深时，也会使车辆产生水滑现象。 2 3 8 修补损坏 修牵 损环捺瑟鸯路蘧挖除籍，换之黻鞠溺静或者不溺静材料修镳豹一块蟊穰再次 出现损坏。车辆衙载、材料或施工质量不好，均可造成补丁损坏。以面积计量。 圈2 4 修静损坏 2 3 9 坑槽 坑稽蘩貉蘸袋嚣太枣不弱豹稼影凌溪。坑撵是蠹魏妖舞袈、爨黎褡袈或冻疆矮繇 致使路面表面逐步破碎而造成的。以面积计量。 圉2 * 5 琏糖 1 1 东南大学工程硕士学位论文 2 3 1 0 松散 松散和风化是由于集料颗粒的松动，和沥青硬化后粘结性降低，致使路面表面被 磨损而形成的。以面积计量。 图2 6 松散 公路养护技术规范( j t j 0 7 3 - - 9 6 ) 并没有包括沥青路面所有的病害，根据以 前的调查结果分析，以下两种病害在沪宁高速公路也普遍存在，因此有必要增加病害 种类。 2 3 1 1 唧浆 水分进入沥青路面，滞留在基层上面。在水分的作用下，集料与沥青膜剥离，发 生松散后，沥青混合料不再是一个整体，集料在荷载的作用下对基层表面产生撞击， 基层的粉质部分水泥、石灰、粉煤灰以及土质部分便成稀浆，在移动荷载作用下，水 和细粒材料在压力下通过裂缝向上挤出，在路面可以见到白色的唧浆。由于水被挤出 带走了细粒材料，结果使材料进一步恶化，最终导致失去支承，最后形成坑槽。表面 裂缝附近有污斑或有材料聚集，显而易见是唧泥的证据。有时路面表面裂缝处有渗流 水缓慢溢出。唧浆以路表面的面积计量。 东南大学工程硕士学位论文 图2 7 唧浆 2 3 镗桥头跳车 桥头跳车有两种类型。第一，台背填土压实不足，导致填土在台背后数十米内下 沉；其特征为：下沉沿行车方向是逐渐变化，路面的整体强度没有破坏，行车时有波 浪感。第二，桥梁和台背填土是两种不同的结构，刚度差异大，沉降不均匀，出现跳 台，道路表面一般有横向裂缝，行车时有明显的跳车感觉。桥头跳车以面积计量。 2 4 路面使用性能的关联性分析 根据规范的规定，沥青路面的使用性能包括以下四个方面：路面破损状况、路面 结构强度、路面平整度和路面抗滑能力。在现有的设备和条件下，后三项的数据可以 用仪器快速测得，而路面破损状况的检测就比较困难，现在最先进的检测手段是用摄 影车在道路上边行驶边摄影，但是也需要室内人工判读。一般都采用人工调查的方法， 调查人员沿路边行走边记录路面的破损情况，但是在高速公路交通量大，行车速度快， 用这种方法就比较危险。 然而，路面使用性能的四个指标之间是有内在联系的。例如，路面的结构强度 不足，在行车荷载的作用下，必然导致路面网裂、沉陷；路面产生坑槽、沉陷、裂缝， 则路面的平整性能就会下降；路表发生剥落、麻面，路面的抗滑能力就会升高，反之， 路面泛油、光面，抗滑性能就下降。因此，可以分析路面破损与其它三个方面的联系， 就可以间接得到路面破损比较严重的路段。本文就是利用灰色关联的理论来分析它们 东南大学工程硬士学垃论文 之间的关系。 2 4 1 灰色关联 灰色关联藏蹩基于灰色系统静灰色过糕翻，寻求系统中各因素懿主要关系，藏滋 影响目标值的重袋因素，从而掌握事物的主要特征。通常用关联度来液示两个因素关 联憾大小的程度。 2 4 2 数据交换 由于系统中备因素的物理意义不同，导致数据的量纲也不一定相同，而且有时数 撵黪数量缓胡茇爨薅。受了矮予分辑，搽诞各因素其套撼效鞋窝司枣瞧，必颓怼鼹媲 数掘进行处理，使之无量纲化和规一化，就蹑数据变换。在灰色关联分析中，数掇变 换常用的两种方法，一是初假化，即对一个数列的所有数据均用它的篇一个数去除， 褥翻一令囊款数列；二是均镶 皇，繇对一令数列兹瑟鸯数摆垮强它熬乎穆篷去豫，褥 到一个新的数列。 2 4 3关联系数的计算 设数据交按的母数列为瓴( f 滩，予数列为诧( f ) ，刚警t = k 时，转) ；与& e 釜的 关联系数磊， ) 用式( 2 1 ) 计算。 臻) ；箍 沼， 式中氏； ) k 时两个序列的绝对差， p 8 0 ， ) = i x o o ) 一一 l ； 氏。，屯分裂麓务令绝对差孛豹激大僮帮最小毽e 困炎遗簿# k 较茨痔列在 经数据变换后相互相交，所以般地占。= 0 。 p 分辨系数，其作用在于提高必联系数之间地差异显著性，p ( 0 ，1 ) 一般 涛凝鼗8 。l 。s ，逮零取0 。5 。 2 ，4 ，4关联魔的计算 关联势授就蹩对彦列数撂避行豇何关系比较，两令岸列麴关联嶷可以弱两院较 序猁的各个关联系数的平均俊计算( 反映众过程的关联程度) 。 扎，= 去瓯，秘) ( 2 罐) z ￥= l 1 4 东南大学工程硕士学位论文 式中，。，子序列i 与母序列0 的关联度； a l 一序列的长度即数据的个数。 2 4 5 南京段关联度分析 1 9 9 9 年末，在南京段进行了一次详细的路面破损调查。在调查的过程中，详细地 记录了病害的类型、严重程度、分布位置以及桩号，并且根据规范计算了路面的p c i ( 路面状况指数) 值。计算的结果如表2 1 所示。 表2 1路面使用性能统计表 弯沉平整横向力 桩号 p c i( 0 0 1 m m度 横向力系 桩号 p c i 弯沉平整度 系数 ( i r i ) 数( s f c )( o o l m m )( i r i ) ( s f c ) k 39 8 1 31 4 7 11 8 34 3 0 4k 2 5 59 7 1 61 0 8 21 6 84 8 8 4 k 49 0 1 61 2 9 7 1 _ 6 8 4 7 8 2k 2 5 69 6 9 2 1 3 7 41 9 4 5 6 4 8 k 59 1 7 01 2 4 5 l - 8 4 4 6 1 6k 2 5 79 2 5 8 1 1 5 21 8 5 4 8 0 6 k 6 9 6 8 5 1 1 6 61 8 74 5 6 6k 2 5 89 7 2 11 5 8 01 8 65 1 0 4 k 7 9 6 0 91 6 1 8 1 7 34 7 0 0k 2 5 99 4 1 52 1 2 61 8 85 1 6 6 k 89 6 1 49 7 21 7 04 7 7 2k 2 6 09 6 3 41 8 7 71 8 15 3 2 4 k 99 5 6 32 5 o o1 7 55 0 4 6k 2 6 19 8 4 31 9 5 l1 6 45 0 9 4 k 1 08 9 6 94 9 4 22 1 05 0 9 6k 2 6 29 8 9 31 3 6 01 6 35 4 6 8 k 1 19 3 1 31 4 7 91 7 64 8 8 4k 2 6 39 7 2 22 5 5 21 7 6 5 2 5 8 k 1 28 9 1 71 4 1 72 0 2 4 7 0 4k 2 6 49 5 4 91 6 8 1 1 7 7 5 1 1 6 k 1 39 7 2 41 0 6 91 6 94 4 7 4k 2 6 59 4 0 5 1 4 4 2 1 7 3 4 6 7 6 k 1 49 8 7 51 7 7 91 9 34 4 7 4k 2 6 69 8 6 89 8 61 6 04 5 2 4 k 1 59 3 7 31 4 2 31 9 85 0 2 2k 2 6 79 7 8 41 1 8 81 7 44 6 1 0 k 1 69 6 2 81 4 8 61 8 35 0 5 4k 2 6 89 6 4 21 3 0 51 8 55 1 3 0 k 1 89 5 7 41 0 3 41 8 55 0 3 8k 2 6 99 6 5 61 2 7 71 7 65 2 1 6 k 1 99 3 5 48 8 81 7 15 2 2 2k 2 7 09 6 9 51 3 4 41 7 94 7 2 0 k 2 7 19 8 5 21 2 4 41 9 74 9 5 0 编制程序对表2 - 1 中的数据进行灰色关联分析，其中对原始数据采用初值化处理。 根据式( 2 1 1 ) 和( 2 2 2 ) ，计算弯沉、平整度、横向力相对于肘的关联度，其中 分辨系数取0 5 ，结果如表2 - 2 。 表2 - 2关联度表 弯沉平整度 横向力 l 关联度 0 8 5 5 80 9 5 7 5o 8 8 1 0 东南大学工程硕上学位论文 关联度分析结果表明平整度和p c i 的相关程度最大，即路面破坏得越严重，国际 平整度指数( 朋d 就越大。 现场调查显示，路面的破坏主要形式是横向裂缝、坑槽、麻面以及网裂，这几种 类型的破损，都会导致路面的平整度下降。所以，路面的平整度和路面的破损相关性 最大，是与实际情况吻合的。假如测得的国际平整度指数( 职d 较大，那么就可以推 断这些路段的破损也比较严重。 2 5结论 由于采用了灰色绝对关联度检验模型精度，关联度检验是根据模型曲线与行为 数据曲线的几何相似程度进行检验，是一种几何检验。常用的误差检验是一种算术检 验，与误差检验相比，关联度检验能更好地反映系统整体的发展趋势以及生成数据与 原始数据的相关性。 应用灰色系统理论，分析路面使用性能之间的关联程度，得到路面的平整度和 路面的破损的相关程度最大。根据测得的路面平整度，就可以初步判定哪些路段破损 比较严重，然后再结合路面破损调查，确定养护措施。由于减少了路面破损调查的范 围，从而可大量的节约人力物力，提高工作效率。 1 6 第3 章路面使用性能评价 第3 章路面使用性能评价 3 1 概述 沪宁高速公路江苏段于1 9 9 2 年6 月1 4 日开工，1 9 9 6 年9 月1 5 日通车运行。距 2 0 0 4 年已有七年多时间，有必要对其路面使用性能做出评价，判断其是否适应作为高 速公路应为行驶车辆提供的服务性能，并且为以后的养护维修提供依据。 沪宁高速公路自9 6 年以来，每年都进行一次路况检测，包括弯沉、平整度和横向 力系数。在竣工验收时参照了9 7 年的检测数据，得出了优质工程的结论。这里首先 简述一下竣工验收时的评价情况，然后按照公路养护技术规范改进方法，对9 7 年的检测数据做了评价；9 8 年末进行了一次路面破损调查，因此9 8 年的检测数据就 包括了规定的四项数据，据此做了综合评价；1 9 9 9 年2 0 0 2 年只有弯沉、平整度和 横向力三项数据，只能进行单项评价；根据9 8 年末破损调查的数据和对应的弯沉、 平整度和横向力的关系，利用人工神经网络进一步模拟了这两年的p c i 值，进行了综 合评价。考虑到数据处理和结果使用的方便，本次评价以公里为单位。 3 2 竣工验收评价 1 9 9 7 年1 0 月，江苏宁