（道路与铁道工程专业论文）路面施工平整度控制方法研究.pdf

摘要 随着我国经济的飞速发展，公路交通流量猛增，我国公路里程也不断增加。公路主 体等级也正由低向高逐渐的过渡，因此对路面的质量也提出了更高的要求，除需具备坚 实、平顺、稳定、防水、耐久等基本要求外，还必须具有高标准的平整度和抗滑性能等。 路面平整度是高等级公路路面两个主要使用性能之一，是车辆高速行驶时是否安全和舒 适的重要影响因素。面层的平整度是路基平整度及各结构层平整度的综合反映，而施工 完成后，路面平整度很难再得到弥补和改善。因此，认真分析探讨影响高等级公路路面 平整度的因素，提出控制和提高路面平整度的技术措施非常必要。 本文就高等级公路路面平整度的施工控制方法进行系统而深入的研究：影响公路路 面平整度的因素较多，归纳起来主要有施工因素造成的平整度超标和非施工因素造成的 平整度超标两大方面。而路面平整度施工控制的方法主要研究了概率分布理论控制方法 和灰色理论控制方法两种，本文还就施工工艺方面提出了公路路面施工平整度的控制对 凸盘 ，乘。 文中结合实例运用概率分布理论建立模型，研究了路面平整度的施工控制方法，对 施工平整度控制起到了指导作用；灰色系统理论是针对沥青路面平整度的质量管理和控 制提出的一种新的方法和思路，论文通过工程实例详细阐述灰色理论的平整度建模机理 及其应用，并在路面平整度施工控制方面，取得了预测模型的后验差比c - - o 2 2 o 95 的精确结果，说明所建的g m ( 1 ，1 ) 模型精度达到了一级模型要 求；文中提出的公路路面施工平整度的控制标准和控制对策可供施工单位参考。 关键词：高等级公路，路面，平整度，施工控制，影响因素，灰色理论，传递理论， 概率分布理论 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y ，h i g h w a yt r a f f i cf l o wa n do u r n a t i o n a lh i g h w a ym i l e a g ei ss h a r p l yi n c r e a s i n g a tt h es a n l et i m e s ，h i g h w a yg r a d e sa r e g r a d u a l l yt r a n s i t t e df r o ml o wt oh i g h t h e r e f o r e ，t h er o a dm u s tb em e tah i g h e rq u a l i t y r e q u i r e m e n t s b e s i d e si th a st h ef u c t i o no fs t a b i l i t y ，e a s e m e n t ，s t a b i l i z a t i o n ，w a t e r p r o o f i n g ， d u r a b i l i t ya n do t h e rb a s i cr e q u i r e m e n t s ，a n di tm u s ta l s oh a v eah i g hs t a n d a r do fp a v e m e n t e v e n n e s sa n da n t i s l i d ep i l e p a v e m e n te v e n n e s si so n eo ft h et w om a j o rh i g h w a yp a v e m e n t u s a b i l i t y i ti sa ni m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gs a f e t ya n dc o m f o r t ，w h e nd r i v i n ga th i g hs p e e d t h ep a v e m e n te v e n n e s si sr e f l e c t e dt h eg r a d i n g - e v e n n e s sa n dt h es t r u c t u r a ls h e e t - e v e n n e s s ， a n di ft h ec o n s t r u c t i o ni sc o m p l e t e d ，p a v e m e n te v e n n e s sh a sb e e nv e r yd i f f i c u l tt om a k eu p a n di m p r o v e t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc a r e f u l l ya n a l y st h ef a c t o r sa f f e c t i n gh i g h w a y p a v e m e n t ，a n dt oe n h a n c et h et e c h n i c a lm e a s u r e st oi m p r o v et h ep a v e m e n te v e n n e s s a s y s t e m a t i ca n di n - d e p t hr e s e a r c ho nt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a yp a v e m e n te v e n n e s s c o n t r o lm e t h o d si sp r o c e e di nt h i sp e p e r t h e r ea r em a n yf a c t o r sw h i c hc a ni n f l u e n c et h e h i g h w a yp a v e m e n te v e n n e s s ，s u m m e du p ，t h em a i nt w of a c t o r sa r et h ec o n s t r u c t i o nf a c t o r s a n dn o n - c o n s t r u c t i o nf a c t o r s w em a i ns t a d i e da tt h eg r e yt h e o r yc o n t r o l l i n gm e a s u r e sa n d p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nt h e o r yc o n t r o l l i n gm e a s u r e si nt h er e s e a c ho fp a v e m e n te v e n n e s s c o n s t r u c t i o nc o n t r 0 1 t h i sp a p e ra l s op r o p o s e sap r o c e s st oi m p r o v et h ep a v e m e n te v e n n e s s c o n t r o lm e a s u r e s t 1 1 i sa r t i c l ee s t a b l i s h e sm o d e lu s i n gp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n s t u d i e sc o n s t r u c t i o nc o n t r o l o fp a v e m e n te v e n n e s sa n dh a sad i r e c t i n gf u n c t i o ni nc o n s t r u c t i o np a v e m e n te v e n n e s sc o n t r 0 1 g r a ys y s t e mt h e o r yi san e ww a yo ft h i n k i n ga n dm e t h o d sa b o u tt h eq u a l i t ym a n a g e m e n ta n d c o n t r 0 1 t h r o u g he n g i n e e r i n ge x a m p l e ，t h i sp a p e re l a b o r a t e sm o d e l i n gm e c h a n i s ma n d t h e a p p l i c a t i o no fg r e yt h e o r y ，a n dg e t sp r e c i s ec o n s e q u e n c e ，f o re x a m p l e ，t h e m o d e l s c = 0 2 2 0 9 5 ，t h i sc o n s e q u e n c ei sv e r yp r e c i s e t h ep r e c i s ec o n s e q u e n c ee x p i a n t h a tm o d e lw h i c hi se s t a b l i s h e dh a sm e t c o n s t r u c t i o no fh i g h w a yp a v e m e n te v e n n e s s c o n s t r u c t i o ne n t e r p r i s e s t h el e a v lo fm o d e l s r e q u i r e m e n t s s o t h e c o n t r o lm e t h o d sc a nb ear e f e r e n c ef o rt h e k e yw o r d ：h i g h w a y ，p a v e m e n t ，e v e n n e s s ，c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ，i n f l u e n c i n gf a c t o r ，g r e y t h e o r y ，t r a n s f e rt h e o r y ，p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nt h e o r y i i 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，均己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。 做作者签名：牛振辉 年厶月7 日 论文知识产权权属声明 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： 年f 月7 e t 年月 e t 长安火学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章综述 近二十年来，我国高速公路建设迅速发展，高速公路里程逐年增加。加强公路的质 量管理和提高投资效益越来越显得重要。高速公路平整度是公路施工质量的综合反映， 是体现路面使用品质与行车舒适性的最直接的外观质量指标。公路平整度的好坏直接影 响到行车的速度，车辆的消耗，机械的磨损以及乘客的舒适性。因此认真的分析和探讨 影响到公路平整度的因素，提高和改善平整度技术措施是有重大经济和社会意义。平整 度的控制尤为重要。以往在理论上做了很多的研究，在施工方面的所做的研究相对较少， 从施工角度探讨和分析高速公路平整度是一个亟待解决和值得研究的课题。 1 2 路面平整度研究现状 由于路面平整度是非物理量，是约定可计量的量，这类量的定义与计量方法有关， 相互之间不存在确定的换算关系，不同的定义、不同的测量方法会得到不同的结果。所 以，给路面平整度一个十分明确的、唯一的、可定量化的、能普遍接受的概念比较困难。 1 2 1 国外路面平整度研究现状 自1 9 1 7 年美国联邦公路局使用一种仪器测量道路的平整度以来，国外便开始了平 整度的研究。国外平整度的研究大致可分为四个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪2 0 年代，根据车辆的动力特性研制了动力反应平整度仪，以车轴与车身 之间的相对位移来反映道路的不平整特性： ( 2 ) 2 0 世纪6 0 年代，美国各州公路工作者协会( a a s h o ) 进行了大量的平整度试验， 提出了用人的主观评价( p s r ) 来反映道路的不平整度特性； ( 3 ) 2 0 世纪7 0 年代，断面类平整度仪问世，它可以测量道路的纵断面然后使用数或 模拟的方法得出若干平整度指标来反映道路的不平整特性；断面类平整度测定方法的主 要优点是直接得到轮迹带路表面的实际断面，从而对路面的平整度特性进行分析。其主 要缺点是：对于水准测量、梁式断面仪和直尺来说，测定速度太慢，不宜用于大范围的数 据采集：而对于多轮测平车、t r l 高速路面计、g m r 断面仪、a p l 路面纵剖面仪和c h l o e 纵剖面测量仪而言，则仪器的精密度高，操作运用和维修技术要求高，购置和使用费用 也高，因而其广泛应用受到了限制。 第一章综述 ( 4 ) 2 0 世纪7 0 年代，世界银行针对发展中国家道路建设中的资金最优利用问题路面 平整度特性研究提出了研究计划，研究发展中国家政府面临的矛盾：是应该在建设初期投 入足够资金来建设昂贵的优质道路以降低道路使用费用和维修费用，还是应该修建等级 较低的道路( 其使用费用和维修费用则较高) 以节约初期投入资金。在分析路面质量与道 路使用费用的关系时，研究认为平整度是最关键的影响因素。但是，从世界各个地区搜 集来的平整度数据根本无法进行比较，即使同一地区的数据也不可靠，因为其基于测量 设备和测量方法的测量结果不具备时间稳定性。 因此，世界银行为了建立当时广泛使用的各种反应类平整度仪的测量数据之间的关 系，为了克服各类平整度仪存在的时间稳定性和可转换性差的缺点，对其进行了标定。 2 0 世纪8 0 年代，由巴西、美国、英国和法国等国家组成的国际研究小组在巴西进行了国 际平整度试验( t h ei n t e r n a t i o n a lr o a dr o u g h n e s se x p e r i m e n t 简称i 鼬迕) ，其主要目的是寻 找一项标准的平整度指标，应用这项指标计算由纵断面测定得到的平整度，可以同由各 种平整度仪测到的平整度建立良好的关系。通过试验和比较分析。指出了用参考平均校 正坡( r e f e r e n c ea v e r a g er e c t i f i e ds l o p e 简称, r a r s ) 作为标准平整度指标一一国际平整度 指数( i n t e r n a t i o n a lr o u g h n e s si n d e x 简称t e d ) 来反映道路的不平整特性。 国际道路平整度试验( i r r e ) 把路面平整度定义为道路表面对于理想平面的 偏离，它具有影响车辆动力特性、行驶质量和路面动力载荷三者的数值特征。定义的内 涵包括了客观评价指标和主观评价指标两部分。客观评价指标是道路表面对于理想平面 的偏离，即对路面平整度进行测量、计算得到的结果，如方差、功率谱密度等。客观评 价指标的优点是测量结果的客路面平整度特性研究客观性，即时间稳定性或时不变性。 主观评价指标是用乘车人的主观感觉来评价而得到的评价指标。其优点是把运行参 数一车和人的感觉纳入了路面平整度的评定；缺点是评价具有不稳定性，即评价结果受车 辆状况、驾驶技术和评价人员判断的影响。 1 2 2 国内路面平整度研究现状 国内学者对对平整度的研究工作主要工作集中在同济大学、长安大学、东南大学、 西北工业大学、空军工程学院等高校。实际上，自上世纪6 0 年代以来，国内开始注意道 路的平整性。方福森，邓学均早在1 9 6 5 年就认识到路面不平引起车辆的振动，反过来影 响到路面的响应如应力和位移，但此后多年一直未见到这方面的文献。直到2 0 世纪8 0 年 代中期，随着公路建设的大规模发展，这方面才蓬勃发展起来。国内平整度的研究大致 2 长安大学硕士学位论文 可分为三个阶段： ( 1 ) 在2 0 世纪7 0 年代中期以前，通常采用简单的仪器和方法进行平整度检测，如： 水平仪三米直尺等。因仪器简陋检测精度非常低，同时耗费大量的时间和人力，大多采 取部分路段进行抽检的方法评价全路段，其评价结果受环境人为因素的影响很大。 ( 2 ) 到2 0 世纪9 0 年代初期，检测手段有了进一步提高，西安北京，上海，锦州等地 先后研制了x l p y 型，c p 型，l p y 型和c p j 型等连续式路面平整度仪，其工作原理类似于3 m 直尺，只不过是机械化代替了人工操作，对原有的试验检测设备作了改进，度量道路不 平整特性的平整度指标基本类同。但是工作效率依然很低，不能满足现今交通事业高速 发展的需要。 ( 3 ) 其它类型路面平整度仪的研制 1 9 8 5 年同济大学研制了新型的接触式真实路形计；长春汽车研究所研制了q y z l 型 双迹真实路形计；1 9 8 7 年江苏沐阳公路工程仪器厂仿制英国的颠簸累积仪；1 9 9 0 年长春汽 车研究所和哈尔滨建筑工程学院等单位共同研制了快速路形测定仪( h i g hs p e e dr o a d p r o f i l e m e t e r ) 。 1 9 9 4 年1 2 月1 日实施的交通部行业标准公路沥青路面施工技术规范，要求高等 级公路交工检查与验收质量标准平整度匹1 8 m m ，2 0 0 5 年新的公路工程质量检验评定 标准中又将高等级公路水泥混凝土和沥青混凝土路面面层的平整度指标提高到 1 2 m m ，同时又提出了一个新的路面平整度指标，即国际平整度指i 2 o m k m 。路面平 整度是路面使用性能重要而直观的一项技术指标，路面平整度同样是道路用户最熟悉和 最关心的重要公路指标。不平整的路面会使行驶的车辆产生附加的振动作用，一方面造 成车辆颠簸，影响行车的速度，驾驶的平稳和乘客的舒适性，加速车辆零部件损坏，提 高车辆运营费用。有关研究认为，当路面不平整度增加到2 o m k m ，重型车辆的运营费 用约增力h 2 5 ，轻型车辆增，j h 6 0 ；另一方面，车辆的附加振动力作用反过来对路面施加冲 击力，从而增加路面不平整度，加剧路面破损，减少路面使用寿命。高等级公路的平整、 舒适的程度，体现了一个国家公路发展的技术水平。因此，研究高等级公路路面平整度 施工控制方法，对确保路面平整、舒适的质量的要求，既具有理论价值，又具有重要的 现实意义。各国为评价路面平整度建立了各种路面不平整度控制标准，例如路谱标准、 颠簸累积标准、精密水准标准、三米直尺标准与均方差0 标准等等。我国国标中也具体 规定了沥青混凝土路面面层均方差0 = 1 2 m m ，相应三米直尺标准为3 毫米。由于路面是 从地基开始逐层向上修建的，不平现象也就逐屋向上传递。如果我们从地基开始，由下 第一章综述 到上掌握了各结构层表面的准确平整度值，而且在施工中加以精心控制，这样，面层的 平整度标准就能得到实现，这就要靠路面平整度传递特性来解决。对这样一种专门研究 路面平整度由上而下或由下而上的传递机理，称之谓路面平整度传递理论。戴竟梁和盛 安连在平整度传递机理和传递公式建模方面做了大量的研究工作，为工程实际应用推广 奠定了理论基础”1 。 高等级公路路面不平整度首先发生在土基，然后象其它误差一样进行传递。由于平 地机在平土基时，轮子工作在不很平的地基上，致使刀口起伏，导致碾压后的土基表面 不平整，在没有校平的情况下，会将这一起伏或波浪传至底基层。假定如图1 1 所示： ， f 一一彳3 、 g 1 0 底基层 n 6 7 一 丫：丫n 沁t i ? 图1 1 土基表面波浪形传递机制 土基表面波浪形的最大凹陷量m n 为l c m ，底基层虚厚h n 为10 c m ，凹陷处的虚厚为 1 0 + 1 = 1 1 c m ，压缩比或虚实比为l ：0 7 ( 即虚厚1 ，实厚o 7 ) ，则凹陷处压实后的厚度为 g m = f1 0 + 1 ) x 0 7 - - - 7 7 c m ，此时，底基层表面留下的凹陷量f g = 0 3 c m 。因为原来土基表 面凹陷为l c m ，向上实际传递了0 3 c m ，0 7 c m 在传递中或在底基层中被吸收。这说明向上 传递越传越小，呈现递减性。这里假定只与厚度有关，与别的因素无关，这与实际情况 自然不符。 波浪形到达底基层后，又继续向基层传递，由于此时平地机工作在压实好的底基层 上表面相对于基层土基平整，因此新波浪形一般比土基要小，同时，平地机随机工作， 可能产生的新凹陷与旧凹陷叠加的可能性很小，叠加的最大凹陷处的可能性更，由上所 述，如基层虚厚也是1 0 c m ，则基层凹陷处压实厚度= ( 1 0 + 0 3 ) x 0 7 = 7 2 1 c m 。表面最大凹 陷量= o 3 0 2 1 = o 0 9 c m 又缩小了原来的0 3 倍、若波浪形传到联结层，压缩比仍为1 ：o 7 ( 虚 实比1 ，则联结层表面最大凹陷为0 0 9 x 0 3 = 0 0 2 7 c m 。同理，下面层与上面层压缩比也为 ( 1 - 0 7 ) ，则沥青层表面最大不平整度应为0 0 2 7 x o 3 x o 3 = 0 0 0 2 4 c m 。可以看出，土基 4 长安大学硕上学位论文 表面凹陷为1 c m ，则沥青面层表面的最大凹陷量或最大不平整度为压缩比( 1 ：0 7 ) 的5 次 方，即为lx o 3 5 c m 同时可以看出，结构层数越多，则次方数越大。上述计算与推理过 程，即为路面平整度传递机理。 运用路面平整度传递理论，在京沪高速沧州南互通连接线一级公路上，平整度标准 o = 1 2 m m 。路面层共两层，上层为4 c m 中粒式沥青混凝土，联结层为6 c m 的沥青碎石。 经用连续式平整度仪测试联结层单幅超限点n = 3 4 点，平均值o - = 1 9 5 m m ，向上反算面层 表面理论平整度修正值：h t = ( 1 0 5 7 ) - 1 ( 1 - 0 6 5 ) 1 9 5 = 15 9 m m ，而路面实测平整度o - = 0 6 9n l l n ，提高了1 3 0 倍。这说明施工单位在铺筑面层时 严格控制质量的结果。如不加控制，则将按1 5 9 m m 向上传递，会使路表达不到平整度 质量标准。 当今世界发达国家的公路检测技术发展方向是应用先进的高精度自动化检测设备， 采用无破损检测技术，象激光检测系统，对公路高效率连续检测和实时监控，大量的数 据储存技术处理实行计算机化，彻底改变了早期的路面检测手段。然而，这类检测系统 虽然国内有少量引进，但由于价格昂贵及维护不便等诸多因素，仍不能得到广泛推广。 目前，国内普遍采用三米直尺或平整度仪进行路面平整度测量，并已纳入相应的规范和 教程【l 】。 1 3 平整度研究的意义 随着国民经济不断发展，我国的高等级公路建设正在快速发展，同时行车速度的提 高，公路交通量迅速增长，而且车辆荷载不断增大，使得交通对公路路面的质量提出更 高的要求，对作为路面使用性能重要指标之一的路面平整度的要求也越来越高。路面平 整度直接对行驶车辆产生激励，诱发车辆振动，进而引起路面的响应和人的感觉反映。 不平整的路面不仅影响行车的舒适性，降低行车速度，加速车辆零部件的损坏，增加的 车辆的运营费用，而且使车辆产生冲击荷载，反过来又增加路面的不平整性，加剧路面 的破损。平整度主要从舒适性、安全性、经济性及路面结构这四个方面影响着行车系统 中的三要素一人、车和路： ( 1 ) 平整度对舒适性的影响 平整度是影响道路行车舒适性的最直接因素。车辆的振动主要由路面平整度引起， 振动和颠簸不仅影响车辆的行驶平顺性，而且影响乘坐者的舒适性，使人容易感到疲劳。 ( 2 ) 平整度对安全性的影响 第一章综述 首先，司机疲劳驾驶容易导致事故发生，严重影响行车安全。其次，当驾驶员对车 辆施加转向力时，受转向阻力的制约，即因路面不平整而波动，此波动范围与路面不平 整度成正比，从而构成不同程度的操纵不稳定性。越是高速行驶，这种操纵不稳定性的 危险性就越大。再次，路面不平易雨后积水，局部形成“水垫”，导致水雾和漂滑，附 着系数急剧下降，从而易出现安全事故。最后，路面不平导致车轮的不均匀跳动，荷载 不断重分布，当轮子跳起悬空时，则该轮胎完全失去制动力。制动力不均匀使车辆制动 时产生偏滑，如紧急制动则危及交通安全f 2 】。 ( 3 ) 平整度对经济性能的影响 。 路面平整度决定了车辆的营运费用，其影响表现在两方面。一方面，路面不平造成 车辆振动，使轮胎和汽车悬挂系统多次变形，导致滚动阻力增加，因而发动机需要输出 更多的功率及油耗去克服滚动阻力，从而使车辆损耗及燃油消耗增加。另一方面，当汽 车行驶在不平整路面上时，汽车振动加剧，司机根据所感觉到的舒适性即平整度的大小 来调节汽车的行驶速度，以减轻振动或使舒适性处于允许范围内，因而车辆就不能按照 设计车速行驶。所以，路面平整度也制约了车速，增加了时间费用。 一条高速、畅通、平整的道路可以在节约运输费用、缩短运行时间、降低交通事故 和减少货物破损等方面创造出可观的直接经济效益。我国科研人员在2 0 世纪9 0 年代通过 对油耗预测、车辆运营费用( v o c ) 预测、旅行时间费用及道 路养护费用计算分析得出，平整度差的道路将增加1 5 左右的费用。 ( 4 ) 平整度对路面结构的影响 路面不平整激发车辆产生动态作用力，动态作用力反过来又增加路表面的不平整 度。行驶车辆对路面的动态作用力随路面平整情况的恶化而增大，同时随车辆行驶速度 的增加而增加。车辆动态作用力加剧了路面的不平整，更大的不平整引起更大的车辆动 态作用力。在此过程中，路面条件和车辆荷载的变化互相加强，且随路面条件的进一步 恶化变得更为明显，对路面结构产生显着影响【3 1 。 因此，深入研究行车系统的内部规律、明确路面平整度对人、车和路的影响形式， 具有十分重要的理论意义和工程实用价值。 1 4 平整度控制存在的问题及研究内容 目前就路面施工平整度控制而言，施工现场控制普通采用一月控制图法，即通 过大量取样，从中找出统计规律，从而达到规范控制标准的目的。这种方法实质上是一 6 长安大学硕上学位论文 种事后控制法，无法预测平整度控制效果。归纳起来，这种数里统计方法存在以下问题： ( 1 ) 统计方法需要抽取大量测定值，而工程项目的取样往往难以满足大样本容量的 要求，即使能满足，也要花费巨大的人力物力； ( 2 ) 从定量角度分析，统计方法只能分析至检查日时质量控制系统的状态，不能预 测系统未来状态，也不能寻找影响质量控制系统行为特征量的主要因子； ( 3 ) 统计方法是通过系统已经发生的行为是否符合要求来进行判断和控制的；实际 还是一种事后控制，因而没有预见性，不能做到防忠于未然； ( 4 ) 统计方法没有考虑质量控制系统中的“灰现象”。 平整度理论控制方法的研究，主要集中在平整度的传递机理、平整度传递公式及实 际应用方面。高等级公路路面不平整度首先发生在土基，然后象其它误差一样进行传递。 若由土基向上传递，则沥青路面表面层平整度最小；向下传递时，土基最大，其它各层介 于中间。因此，只要知道了上下的平整度就能准确地控制各结构层的平整度：反过来， 只要预先知道各结构层的平整度准确数值，就能较好地控制沥青路面表层平整质量。 但是，在路面施工平整度传递理论控制方法实际应用中，对工程项目管理者有下列 困难： ( 1 ) 建立平整度传递公式时，模糊影响因子和权重系数很难合理取值： ( 2 ) 平整度传递影响因素数据库，需要大量的工程试验数据才能建立起来； ( 3 ) 平整度递推公式计算分析必须借助计算机才能完成。 基于路面施工平整度国内外研究现状，目前平整度控制方法及其存在的问题。本文 主要针对高等级公路路面施工平整度的控制方法及施工工艺中的平整度控制对策进行 系统研究，重点研究以下几个方面的内容： ( 1 ) 影响路面平整度的因素分析 路面平整度是指实际路面表面对设计平面的偏差程度。平整度合格率既反映了车辆 行驶舒适程度又反映了施工队伍的水平。路面不平整的主要表现有：坑凹、起拱、波浪、 接缝台阶、碾压车辙、桥头或涵洞两处路面沉降、桥梁伸缩缝的跳车等。对于影响路面 平整度的因素，本文将从施工原因和非施工原因两方面分别进行分析、讨论。 ( 2 ) 概率分布理论在平整度控制方面的应用研究 路面平整度均方差通常将呈现为带有一定离散性的概率分布特性。其中下面层、中 面层、上面层平整度均方差的频率分布是一种非常态分布，其中上面层、中面层的分布 图形比较尖峭而下面层的图形则较平坦，这种分布图形的差别说明下面层铺筑过程的随 7 第一章综述 机误差与上面层和中面层相比要大得多。因而基层平整度的控制值就可较下面层和中面 层宽。 ( 3 ) 灰色理论在平整度控制方面的应用研究 灰色系统理论是我国著名学者邓聚龙教授1 9 8 2 年创立的一门新兴学科，所谓的灰色 系统就是部分信息明确，部分信息不明确的系统。公路工程的路面施工系统是一个复杂 的系统工程，在施工的过程中收到许多确定和不确定因素影响，在这些影响因素中，有 些是可以量化测定的，有些是不可以量化测定的，也就是说系统的信息是部分明确，部 分不明确的。因此，路面的施工过程的平整度控制可看作是一个灰色系统，灰色理论可 以应用于道路平整度控制方面的研究。本文将详细阐述灰色理论的应用方法并结合实例 说明灰色模型的建模机理。 ( 4 ) 路面平整度施工控制对策 高等级公路路面结构中，基层施工平整度主要从碎石集料、基层混合料等方面进行 控制；混凝土路面施工平整度则主要通过路面机械设备及施工工艺进行控制；对于沥青 路面平整度则主要通过机械作业的工艺、改性沥青混合料碾压及路面施工接缝等方面进 行控制【4 1 。 8 长安大学硕士学位论文 第二章路面施工平整度影响因素分析 路面平整度表现为路面横向和纵向的凹凸程度，即是指实际路面表面对设计平面的 偏差程度。平整度合格率反映车辆行驶舒适程度又反映施工队伍的水平。平整度不佳不 仅难以满足汽车高速行驶的要求，而且还会增加汽车的燃料消耗和轮胎的磨损，从而加 大运输成本，降低社会经济效益，甚至危及行车安全。 路面不平整主要表现为坑凹，起拱，波浪，接缝台阶，碾压车辙，桥头或涵洞与道 路连接处路面沉降，桥梁伸缩缝的跳车。造成路面不平整的原因是多方面的，下面分别 阐述。 2 1 施工因素造成平整度超标 2 1 1 路基及结构物的不均匀沉降 基层平整度差对路面平整度有着重要的影响。按照路基施工技术规范和设计要求， 在路堤填筑碾压前应彻底清除基底表面的杂草、垃圾、树根、淤泥、腐植土等，并整平 碾压至设计要求。在填挖结合和旧路改造中的新旧路堤结合部一定要按设计要求分层开 挖台阶、分层填筑，应防止因不均匀下沉发生新旧土体的错台和裂缝。在路堤填筑过程 中，若用不同土质填筑时，应按要求分层填筑，不允许填筑混合土。当路堤填筑完成后， 应按照设计要求刷坡、整平，彻底清除多余土体，特别是挖填结合部不允许存在大量土 体，防止因弃土松散、雨季大量渗水土体下沉而危及路堤的稳定性啼3 。 若基层不平整，即使面层摊铺平整了，压实后也会因虚铺厚度不同产生不平整。对 于沥青路面，因基层面的平整度允许偏差为l o m m ，当用沥青混凝土摊铺机施工时即使 沥青混和料表面摊平了，但该处因多出l o m m 的松厚，压实后仍将出现低洼。若是混凝 土路面，由于基层不平整，造成路面厚度不均匀，也会因干缩程度不同，而影响路面的 平整度。 路基是路面的基础，路基不均匀沉降，必然会引起路面不平整，路面不均匀沉降的 主要原因是： ( 1 ) 路堤地基处理不当 伐树除根及表土处理不彻底，路堤成形后一旦杂质腐败变质，地基将会发生松 软和不均匀沉降。 地面的横披大于l ：5 的路段，路堤的填筑前土基未按规定要求挖成台阶，填料 9 第二章路面施工平整度影响因素分析 和土基结合不良，在荷载的作用下，填料极易发生失稳而沿坡面发生滑移。 ( 2 ) 路堤的填料控制不当 采用了稳定性较差的填料，如采用高液限粘土，粉尘土或使用淤泥、腐殖质较 高的土料填料填筑会使路堤产生整体或局部的变形。 采用不同的土质填筑路基时，因土的性质不同，如填筑方法不当，碾压成型后 路基表面会产生不平整现象。 ( 3 ) 半填半挖路基结合部处理部当 半填半挖地段施工，土基不按规范要求挖成台阶，使土基和填料的结合部产生裂缝 和沉降。 ( 4 ) 填土路基压实度部足 当路基填料的含水量、压实时的松铺厚度、碾压机具选择不当时都会引起路基压实 不足，使路基土壤压实偏低，土体的透水性增强，造成水分积聚和侵蚀路基，使土基软 化和因冻涨而产生不均匀沉降。 ( 5 ) 软土地基路段 当路基修筑于软土时，由于软土的压缩性很大，在自重的作用下会产生不均匀沉降。 ( 6 ) 排水不完善 路基施工中，如果排水不完善，必然的造成水流不畅，引起路基的变形，这种情况 在黄土地区尤为明显。 2 1 2 头涵洞两端及桥梁伸缩缝的跳车 桥、涵台背处路基由于沉降而导致跳车，其主要原因是：在桥涵工程施工时，未按 设计要求对桥涵台背用水稳性较好的砂性土或天然砂砾分层填筑、分层碾压或夯实至规 定的密实度。当路基填土较高时，应使桥涵施工与路基施工同步进行，桥涵台背两侧2 倍跨径范围内应填筑天然砂砾并分层碾压至规定的密实度。如不能同步施工时，应留有 较长的路基施工段，以便于压实机械及其它施工机械进行有效作业，待桥涵施工完毕， 再按规定分层填筑分层碾压，预留段新e t 土体结合部位应挖台阶或留有1 ：1 5 的斜坡， 以便新旧土体的稳定牢固结合，防止结合部不均匀下沉。当路基填土较低时，可待路基 填筑完毕后再行开挖，进行小桥涵施工，开挖的宽度为小桥涵跨径的5 倍，开挖形状为 倒梯形，两侧边坡以大于1 ：1 5 为宜。当桥涵施工完毕，应按设计要求在两侧台背同时 分层填筑碾压。在实际的施工过程中往往被忽视，没有严格控制而出现以下的问题【6 7 】。： 1 0 长安人学硕士学位论文 由于压实机械的作业面狭小而使压实不到位，通车后易引起路基的压缩沉降。 由于台背的填料和台身的刚度差较大，造成沉降不均匀。 在桥涵和路基结合处，常会发生细小的裂缝，雨水进入裂缝后，使路基产生病 害，导致该处路基发生不均匀沉降。 桥梁的伸缩缝在选型和施工时考虑不周和处理不当，导致伸缩缝处桥面不平整，从 而产生跳车现象。 2 1 3 路面摊铺机械及工艺对平整度的影响阳1 们 ( 1 ) 沥青路面 摊铺机是沥青面层施工的主要机具设备，其本身的性能和操作水平对摊铺平整度影 响较大。摊铺机的结构参数不稳定，走行装置打滑，摊铺的速度快慢不均匀，机具猛烈 的起步和紧急制动以及供料系统速度忽快忽慢都会造成面层的不平整和波浪。 摊铺机的结构参数选择不恰当 a 熨平板组合宽度不对称以及下表面不平直，当组合后熨平板的宽度和机械组合不 对称，机具极易走偏，并且混和料的惯性作用下使熨平板的前后的混和料厚度压力不一 致，造成横截面上的摊铺厚度的差异。 组合后的熨平板下表面若不成平面，也将形成摊铺厚度的不均匀。 b 熨平板初始工作角不一致将造成同一横断面内厚度不一致或出现台阶，直接影响 平整度。 c 熨平板的前后拱差值选择不合适，会使整个摊铺层结构不均匀，密度不一致。如 果前拱过小，摊铺层中部会出现松散结构，摊铺层两侧会出现明显的刮痕。 d 当摊铺厚度较大时，骨料的密度较大或密度的要求较高时，若螺旋分料器与熨平 板的距离过小时，满足不了规范要求的摊铺厚度，而且使摊铺层出现波纹，使路面的平 整度下降。 e 当摊铺较薄的上面层，振捣器、夯锤的频率过高会造成熨平板共振，使摊铺机找 平装置处于不稳定状态而影响平整度。另外，当振捣器、夯锤皮带过于松驰会使振捣频 率、夯实次数的快慢不一，形成路面的“搓板”。 摊铺机的性能及其作业方面的因素 沥青摊铺机的摊铺作业是通过浮动熨平板与热沥青混合料的相互作用进行的。浮动 熨平板的工作原点牵引力p ，熨平板的重力w 、水平滩铺阻力h ，垂直摊铺阻力v ，料堆摊移 第二章路面施工平整度影响l 六】素分析 阻力h 对拖点o 的力矩处于平衡状态，熨平板的位置保持稳定不变，摊铺厚度是一常值， 上述力平衡关系的任何破坏都会导致熨平板位置的变化而影响摊铺路面的平整度。 从破坏力平衡的角度出发，影响摊铺平整度的基本因素无非是摊铺阻力( h 与v 力之 合力) 的变化包括它的大小和方向，料堆推移阻力h 及其作用点的变化以及拖点0 高度 的变化，引起上述基本因素变化的原因可进一步作以下分析： a 引起摊铺阻力波动的主要原因首先是摊铺速度波动，其次是混合料组成的不均匀 和温度的不均匀( 粘度的变化) ，这些都会引起混合料内部以及混合料与熨平板之间的摩 擦力和粘性力的变化； ， b 料堆推移阻力及其作用点高度的波动主要是由于混合料供给量和分料量的变化而 引起熨平板前方料堆大小和料位高度发生变化而造成的； c 拖点高度的变化则是由于摊铺机行走在高低不平的支承面上面引起的。 以上分析可以看出，为了获得平整的摊铺表面，从摊铺机的操作方面应尽可能地保 持摊铺机的稳定作业，亦即稳定的摊铺速度、稳定的刮板输送器供料量、稳定的螺旋输 送器送料量，从而保持熨平板前方料堆大小和料位高度的恒定不变。从热拌混合料的质 量控制则要求搅拌设备生产的热拌混合料，其集料级配沥青含量以及混合料的温度尽可 能保持均匀，在运输和摊铺过程中不发生集料的离析和混合料不均匀温降。上述因素的 控制全靠操作手的熟练技术来实现，而支承面的凹凸：不平则只能依靠浮动熨平板的滤波 作用来减弱，这些无疑是困难的，而且也不可能获得很高的调节精度。从而使摊铺路面 的平整度较差。现代高性能的摊铺机由于采用了机电液一体化的自动控制技术，在性能 上有很大改善，这些自动控制装置主要有摊铺机行走速度的自动调节装置、混合料供给 量和料位高度的自动调节装置以及针对拖点高程干扰和混合料阻力变化而设置的熨平 板自动调平系统。虽然带有上述装置的现代摊铺机其松铺层表面的平整度可达到很高的 水平，但是自动调节系统本身也不可能没有一点误差，因而影响摊铺表面平整度的基本 因素或多或少的存在，摊铺出来的路面仍然不可能是绝对平整的【】。 摊铺机的基准线控制不当 对于装有熨平板自动凋平装置的摊铺机来说调平系统的参考基准本身也不可能是 绝对准确的，它的误差显然也是引起铺筑路面不平的一个重要因素。通常有三种方法建 立摊铺机自动调平系统的纵向参考基准：固定在路面侧边的弦线基准，沿着接缝相邻路面 滑动的调平滑靴基准和平均梁式移动参考基准。弦线参考基准本身的误差主要来源于挂 线支撑立杆的高程误差和弦线的挠度误差。前者包含了水准标尺的误差、测量读数的误 1 2 长安大学硕士学位论文 差和立杆的安装误差；后者则包含了弦线的张紧度、传感器对弦线的压力及其在弦线上 滑移引起的误差。对于调平滑靴基准来说，误差主要来源于滑靴支承表面不平整以及由 于滑靴跳动等原因引起的误差。对于平均梁式的移动参考基准，误差的主要来源虽然与 调平滑靴相同，但由于经过多次平均化处理，特别是现代的平均梁基准采用了多滑靴弹 性浮动支承的结构和大大加长了平均梁的长度以及跨接于熨平板前后、分别支承在未铺 和己铺路面上的结构，极大地改善了参考基准的精度。平均化处理实际上起了一个滤波 器的作用，它可以将支承面凹凸不平的高频波滤掉但仍留下缓慢变化的趋势项。经过平 均化处理后路面平整度的高频部分没有了，但缓慢变化的趋势项仍继续存在。因此，当 采用调平滑靴基准和平均梁式基准时都不可能校正高程的偏差，但却能较好地改善车辆 在其上行驶的平顺性，因为缓慢变化的趋势项并不影响车辆的颠簸。 目前使用的摊铺机大都有自动找平装置，摊铺时可以按照预先设定的高程基准来控 制。如果控制不好，如因基线的张力不足或支承间距太大而产生挠度使路面产生波浪。 挂线高程测量不准，量线失误或桩位移动，都会通过架设在钢丝线上的仪表反映到相应 的摊铺路段，造成路面的高低起伏，影响路面的平整度。 a 摊铺机的摊铺速度 在摊铺沥青混和料的过程中，随意变更摊铺机的摊铺速度，使摊铺机速度不匀，也 会造成面层的粗糙不均匀，影响到摊铺后的预压密度和平整度，而且当摊铺机中途停顿 因混和料的温度下降引起局部的不平整，纵向调平系统每次驱动后，自动找平装置在行 驶3 8 m 时才能恢复正常，造成了摊铺厚度的不均匀。 b 摊铺机操作不正确 摊铺机手操作不熟练，导致摊铺机曲线前进，一旦纠偏过猛就会出现凸楞，使路面不平 整；正式摊铺前熨平板没有充分的预热，造成混和料的粘结和熨平板不平； 运料车在倒车的时候撞击摊铺机，会引起摊铺机扭曲前进，使路面出现凸楞：或是运料 车停在摊铺机前卸料和卸料的过程中使用制动，增加了摊铺机的负荷及卸料过猛，使摊 铺机的速度发生变化，使路面形成“搓板 ； c 在摊铺中，熨平板处于浮动状态，如果供料系统失常，料位高度不稳定，就会进 入熨平板的全宽范围的拌和物密度发生变化，当熨平板的下部拌和物的密度变小时，支 承熨平板的浮力变小，摊铺的厚度变小；反之，熨平板被抬起，摊铺厚度增加，导致路 面出现波浪： d 因卸料而洒落在下层的混和料未及时清除，影响了履带或轮胎的接地标高，而影 第二章路面施工平整度影响因素分析 响了摊铺层的横披和平整度。 沥青路面面层施工中热拌沥青混合料的影响 热拌沥青混合料的质量，也是影响沥青路面平整度的一个因素，而热拌沥青混合料 的质量受以下几种因素的影响： a 沥青混合料中集料规格和质量。由于国内采石场大部分为乡、村集体开采，生产 规模分散和设备条件较差，材料的规格和指标要求不严，采石场的生产能力较小，而每 个料场产量又不均匀导致质量也不均匀，公路尤其是高速公路路面材料消耗量很大，往 往需要从沿线多个料场进料，尽管