高速公路路面结构的使用性能评定与改建设计.docx

学 院： 土木与交通学院 专 业： 道路桥梁与渡河工程 年级： C1201 指导教师： 宋金华 学生姓名： 李博楠 学 号： 127499 2016年 4月 13日高速公路路面结构的使用性能评定与改建设计 一、前言高速公路在我国交通运输体系中占有重要地位，与国民经济发展水平密切相关，客运货运需求及汽车保有量对高速公路的发展具有主导作用。自 1988 年我国大陆首条高速公路沪嘉高速公路建成通车以来，经过 20 多年的持续快速发展，我国高速公路通车总里程实现了历史性跨越，截至 2013 年末，我国高速公路总里程达到 10.44 万公里，仅次于美国位居世界第二位，近十年来年均增长率在 10%以上（如图所示），当前的绝对增量依然强劲。虽然我国公路通车总里程已经位居世界前列,并且进入一个迅速发展的时期,但在已经建成使用的高速公路中，由于受到当时建设社会经济技术水平和建设思想的制约，有相当多的一部分已不能适应交通量增长和社会发展的要求，道路的使用性能正在逐年下降，有的还出现了比较严重的路面病害。在我国，已建成的高速公路大部分为双向四车道，随着经济的发展，某些高速公路现有通行状况将不能适应交通要求，需扩大通行能力，增加行车道数。从长远的角度考虑，有必要对这些路段进行改扩建，通过改扩建与必要的原路面翻修，彻底恢复道路的使用性能。本课题将着重研究我国高速公路的路面结构状况以及对路面现有问题的修复，改扩建措施与方法。二、正文1、国外高速公路路面结构使用状况及发展趋势以德国为例, 自上世纪20 年代德国开始建高速公路, 主要选用水泥混凝土路面, 到第二次世界大战结束时, 德国高速公路90%采用水泥混凝土路面。战后50 年,随着石油工业的发展和沥青路面修筑技术的不断提高, 高等级公路多数采用沥青混凝土路面。到1980 年前联邦德国高速公路水泥混凝土路面仅占30%, 而沥青混凝土路面占70%, 最有代表性地表明了高等级公路路面发展的趋势。德国沥青路面结构历来以柔性结构为主, 且沥青层较厚。在1986 年, 半刚性材料明确不允许用作路面结构的基层, 一般采用2226cm 的沥青面层。半刚性材料只作为底基层, 厚度统一为15cm。2001 年3 月德国新颁布的标准规定, 结构组合设计与路基土的性质、地区划分、水文地质及线路位置等因素有关。美国的沥青路面结构形式中, 使用最多的是全厚式、沥青层下卧粒料层的柔性路面结构。半刚性基层沥青路面在20 世纪50、60 年代曾经是美国沥青路面结构主要类型, 但从70 年代后, 半刚性材料使用越来越少,即使使用半刚性材料也趋向于作底基层, 且主要用于底基层。21 世纪初美国沥青路面联盟APA 带头联合各单位进行永久性路面研究, 基本结构是全厚式沥青路面, 高强度厚沥青路面, 实际上基本否定了在高速公路、重载交通上使用半刚性基层路面。其设计理念对美国沥青路面结构发展已经产生了重要影响。2、 国内高速公路路面结构以及使用现况我国高速公路的路面结构基本上可分为三大类：半刚性基层沥青路面（简称半刚性路面）；水泥混凝土路面(常简称刚性路面)；刚性组合式路面(即在水泥混凝土或碾压混凝土板上铺一层沥青混凝土)。目前我国已建成的高等级公路广泛采用半刚性基层沥青路面结构。我国高速公路的半刚性路面通常由半刚性材料底基层、半刚性材料基层和沥青面层构成。多数高速公路的半刚性基层厚20cm，采用水泥稳定碎石或石灰粉煤灰稳定碎石。半刚性路面的总厚度变化在5580cm(个别填土高度小和地下水位高且土质不好的路段) ，绝大多数在6575cm之间。在水泥混凝土刚性板上铺筑薄沥青面层的刚性组合式路面也是沥青路面的一种。刚性组合式路面与半刚性路面之间的差别仅仅表现为：前者的承载能力可完全由普通水泥混凝土或碾压水泥混凝土板满足，而后者的承载能力则可完全由半刚性材料层满足。水泥路面因其舒适性及难于修复等缺点在我国高等级公路建设中所占比重正逐渐减少。但近年来半刚性基层沥青路面早期破坏严重, 促使人们对此结构提出一些质疑, 普遍认为半刚性基层的缺点主要集中在收缩开裂及反射裂缝、内部排水性能差、疲劳强度衰减性、对轴载反映敏感性大、破损后难以愈合、难以跨年度施工。国际上沥青路面结构型式的实际情况, 在高速公路重交通道路上最常用的是全厚式沥青路面、柔性基层沥青路面及混合式基层沥青路面。鉴于我国的实际情况, 由于全厚式路面的沥青层要求很厚, 价格较高, 短期内在我国应用尚不现实。高速公路路面的早期破坏现象主要有：由软土地基继续沉降产生的路面（含桥头）沉陷、路基压实度不够导致的局部沉陷变形和纵向裂缝、水破坏（表面产生坑洞、唧浆、网裂、坑洞等）、辙槽、泛油、松散、横向裂缝、反射裂缝以及平整度较快变差或不平整度发展较快等。上述的路面破坏大体上可以分为两类：一类是结构性破坏，它是路面结构的整体或其某一个或几个组成部分的破坏，严重时已不能承受车辆的荷载；另一类是功能性破坏，如由路面的不平整或抗滑性能降低，使其不再具有预期的功能。无论是哪一类破坏，路面的破坏都是逐渐积累起来的。对于功能性破坏，可以通过修整、养护来恢复路面的平整性，以满足行车使用要求。但是对于结构性破坏，一般均需进行彻底地翻修。沥青路面所用的矿料质软和粒径规格不符合要求，往往由于强度不足和劈裂作用使矿料压碎导致路面破坏。3、当前现有的评价方法有以下几种方法：模糊综合评价法模糊综合评价法既适合于可直接量化的评价指标，也适合不能直接量化的评价指标，可以参照高速公路养护质量检评方法(试行) 给出的各分项评价指标的权重参考值和建议范围，路面损坏及其结构状况的评定可以采用此方法完成。层次分析评价法层次分析法的基本思路是首先根据问题的性质和要求达到总的目标，把问题层次化，建立起一个有序的递阶系统，然后对系统中各有关因素进行两两比较评判，通过对这种比较评价结果的综合计算处理，最终把系统分析归结为最低层(决策对象、方案、措施等)相对于最高层(总目标)的相对重要性权重的确定问题。此种方法有一个明显的缺陷，即评价结果很大程度上受人的主观意志所决定。灰色关联度法灰色关联度法的基本思路是由样本资料确定一个最优参考序列，通过计算各样本序列与该参考序列的关联度，综合分析评价目标，就能对评价目标做出综合分析。灰色关联度法适合于对“外延明确，内涵不明确”的对象进行评价，具有一定的客观性。3、 高速公路病害分析及其加铺沥青技术探讨本文通过结合某路面改造工程实例，针对存在的病害情况，系统地分析了该公路病害的处理方案，同时对其采取加铺沥青路面实施，总结出可行的施工技术措施，为同类工程提供参考实例。某高速公路项目设计面层采用沥青混凝土路面，荷载标准为公路-I级，本项目日常养护主要是针对路面的坑洞，剥落以及裂缝等病害，采取一些简单措施进行维护，以确保日常的通车，现项目组根据不同的检测内容分八个检测小组进行检测，分别对路面强度、路面破损、平整度、车辙、钻心取样、交通量情况、桥隧构造物和沿线设施等方面进行检测和调查。经检测，本高速公路某标段出现了多种路面破坏现象，主要表现为大面积的麻面、纵横缝、修补、局部路段的车辙相当严重以及路面龟裂和不规划裂缝。拟养护路段病害主要以麻面为主，其次为横向裂缝，有构造物的位置皆有横向裂缝出现，路面其他位置也有不少横向裂缝出现，车辙主要出现在经过罩面后处治过的路段，其他病害的产生主要是由于麻面或者是剥落引起的次生病害，综合现有路况调查，本项目进行沥青混凝土罩面和以防水为主的预防性养护罩面。本工程对病害路段采取铣刨后，需铺设沥青面层，另外本工程为了进一步确保改性沥青的使用效果和质量，对改性沥青采取工厂化改性生产，针对沥青质量采取随机严格抽查检测，同时针对改性沥青5摄氏度延度采取加强抽检。4、高速公路路面结构与路面主要病害成因分析河北省高速公路沥青面层的厚度大致有三种: 第一种为“4+5+6”, 这种形式的组合是目前我省高速公路面层的主要结构形式; 第二种为“4+6+8”, 是重载交通的面层结构, 在宣大、京张等高速公路的重车方向曾半幅使用过; 第三种为“5+5( 或5+7) ”结构, 为我省早期高速公路的路面结构形式( 京石、石太) 。另外还有一种为“5+6+12 ( 4+5+11) ”, 其在京津塘的应用目前一直作为成功的典范在学习和研究, 但这种路面结构相对较厚, 经济代价相对较高, 且后期应用较少。然而通车1214年的实践表明, 该路质量良好, 大家也一致公认: 京津塘高速是我国沥青路面高速公路中最好的一条路。早期设计中下面层的指导思想是, 提高路面的抗车辙能力。设计者在满足规范要求中下面层有一层I型沥青混合料的基础上,另一层采用II型级配, 而且采用较大粒径。随着人们对沥青路面早期破坏认识水平的不断提高,中下面层是从粗到细,从II型向I型发展的。在我省大部分地区年平均降水量为400mm600mm的情况下, 后来施工的高速公路三层或双层沥青混凝土路面全部采用了I型密级配, 如宣大、石黄、宝山、津保、京沪、京张、唐港等, 从使用效果来看, 这样做不但减少了渗水, 而且加强了沥青路面本身的强度和热稳性。河北省探索的途径大致分为两个: 一个是从矿料的级配入手,通过采用不同的级配组合以提高面层的抗滑能力和抗车辙能力;另一个是从材料的性能入手, 通过采用坚固耐磨耗的玄武岩等骨料和通过加外掺剂等手段, 改善沥青的路用指标, 加强沥青与石料的粘附性等, 来实现路面表层的功能提高。我国从欧洲国家引进了SMA沥青玛蹄脂碎石的表面层结构, 与此同时, 又自主研究了SAC多碎石沥青混凝土表面层结构。这两种结构都是以粗集料为主体的间断级配型沥青混合料, 是由过去传统的连续级配型演变到间断级配型的一种新型多碎石结构。河北省高速公路建设的三个阶段中各阶段的主要特点及病害类型：第一阶段: 起步阶段(19891995)这一阶段集中修建了京津塘( 河北段) 、京石、石太高公路。第一阶段路面结构的特点: 面层较薄, 基层厚度薄、强度弱,单层设置, 底基层厚度较大。出现的主要病害有: 唧浆、松散、推移、车辙。第二阶段路面结构的特点:a) 增加了层厚, 调整了结构层,面层厚度增加为三层设置, 一般为4+5+6; b) 基层分上下两层设置, 通常上层为18cm20cm水稳碎石, 下层为20cm二灰碎石( 砂砾) ; c) 底基层一般为单层设置, 厚度多为20cm以下; d) 表面层采用进口沥青AH- 90; e) 进行了试验探索, 为了得到更高的表面抗滑、高温稳定等性能, 在石安路上对沥青混合料的级配进行了调整, 保津、京秦一些路段使用了SMA面层, 使路面病害得到控制, 但个别路段的问题仍然不少。第二阶段出现的主要病害有: 泛油、车辙、裂缝、桥面唧浆、推移。第三阶段路面结构的特点:a) 沥青材料有两大变化, 表面层采用SBS改性沥青, 中下面层采用AH- 70; b) 重视水损害, 加强基层顶面的防水层设计, 面层采用密实型级配; c) 对重载交通路面进行专门设计, 根据轻重车向分别设计路面面层、基层结构层厚度, 用动稳定度控制混合料设计, 使基层强度明显加大。这一阶段出现的主要病害有: 大中桥桥面沥青铺装唧浆、拥包等病害仍旧存在; 重载交通半刚性基层反射性裂缝严重。高速公路路面试验段：我省针对以上病害做了SMA、多碎石沥青混凝土(SLH-20、SAC-16)、GTM试验路、减噪路面试验、聚酯纤维路面等试验段，通过观察试验段，总结经验，将取得的好的效果进行大面积推广。5、高速公路路面病害及成因预测裂缝：横缝、纵缝、网格裂缝：路面横缝及原因预测：首先介绍了基层的反射裂缝，基层材料失水收缩而形成或由于基层材料由于外界温度骤变而发生的收缩开裂， 路基底层不均匀沉降等原因引起路面的横向裂缝。纵向裂缝及原因预测：纵向裂缝形成可能是由于沥青路面面层分路幅摊铺时两幅接茬部位未能处理好而在荷载作用下形成纵向缝隙，也有是由于路基边缘受水侵蚀而产生不均匀沉降而引起纵向裂缝。龟裂，其形成原因主要是由于路面整体或基层强度不足，或由于沥青老化引起的。车辙与沉陷：分为失稳型车辙、结构型车辙、磨耗型车辙，形成原因各异。车辙与沉陷现象一般发生在温度较高地区或季节，其是由沥青面层被压缩沉降与侧向隆起向结合的现象，其一旦形成不仅会影响路面观感影响高速行车的舒适性，严重的将影响行车安全。泛油和油斑：泛油与油斑是指沥青混合料中粘接料集中到局部地方，其判断方式是在道路轮迹处发现发亮的纵向条纹，该种现象在施工铺设及通车后均有可能现，一旦发生后会导致路面抗滑性降低。其产生原因主要是由于混合料离析，当离析现象发生时粗细集料分别集中于铺筑层某些部位导致沥青混凝土不均匀、配合比级配发生变化导致混合料达不到设计粘接力而形成路面推移，当推移严重时内部沥青将集中泛到面层形成泛油或油斑。推移：推移是指混合料在道路的纵向发生位移。形成原因一般与基层施工质量、透油喷洒质量、超载车辆比重以及沥青混合料性能不良等因素；在路面面层铺筑前若基层表面清扫不净，透油层喷洒不均都将造成沥青面层与基层粘接不良，在路面投入使用后面层在大量行车荷载作用下，由于与基层粘接不良特别是在沥青面层施工缝处首先开始发生推移现象，随着时间延长车轮迹带两侧将产生壅包，更为严重着将由于推移造成路面产生严重裂缝；当基层平整度较差或面层厚度较小的地段在投入使用后基层不平整将会反映到沥青路面面层上，在荷载作用下面层的不平整性将愈加明显最终形成推移、波浪。水破坏：水破坏即指降水透过路面面层结构后导致路面产生早期破坏的现象，其首先使下层沥青与石料剥离，之后在动水的作用下沥青膜被剥落、上浮而引起表层泛油，其形势主要表现为网裂、坑洞、唧浆等。稳定性差： 沥青混合料是一种弹塑性材料，若沥青矿料的选择不当或混合料组成不当则会影响混合料的高温稳定性以及其抗塑性变形能力。当路面在车辆荷载的反复作用下会导致路表变形过大，最终将导致路面混合料产生横向移动形成辙槽或推移现象。6、京沪高速公路（河北段）沥青路面技术综述结合我国已经通车的高速公路路面使用经验，针对京沪高速公路项目自身特点，比如部分路段路基填料质量较差等，京沪高速公路路面施工质量可以控制以下几个方面：（1）对路床强度达不到设计要求的采取换填处治。（2）部分路段将原设计的石灰土底基层改为二灰土底基层。（3）将水泥稳定碎石下基层改为二灰稳定碎石。（4）沥青表面层采用密集配改性沥青混凝土。（5）改进沥青路面的防水设计。京沪高速沥青路面新技术的研究探索：京沪高速积极开展路面技术研究，针对河北省已经建成高速公路路面常见病害和需要解决的问题铺筑了多种路面试验段。（1）为降低路面交通噪声水平，铺筑了低噪声沥青面层试验段。（2）为减少沥青路面车辙病害，铺筑了GTM试验段。该项目在沥青混凝土路面工程中进行了积极稳妥的实验和实践，取得了良好的效果。7、河北保津高速公路路面病害处治及罩面工程保津高速公路河北段全长104.966km，技术标准为双向四车道高速公路，路基宽度27m。全线通车以来，已经运营了近十年的时间，随着交通量的快速增长及超载车辆的行驶，路面出现了不同的损害，直接影响到行车的舒适性和道路使用寿命，及时对路面病害采取彻底、有效的治理措施及养护，对于提高路面综合服务能力，延长道路使用寿命具有十分积极的作用。根据本工程的特点，现针对不同路面病害采取对应的行之有效的治理措施，即按照中修挖补后进行罩面的设计意图，在罩面前完成翻浆，坑槽，严重裂缝，沉陷，拥包，松散，车辙等病害的修复工作，彻底清除路面上的泥土杂物后罩面，对逐年加厚的软沥青层或原沥青路面结合不好，即将脱皮的沥青罩面薄层，将其铲除，对基层，面层现有病害进行彻底挖补处理后再进行罩面。1、 横向裂缝（1） 对于一般横缝间距较大路段的裂缝且两侧不出现啃边，破损现象的，清除裂缝中的杂物，采用开槽灌注热沥青的方法予以处理。（2） 对目前已灌胶处理的横向裂缝，灌缝胶高出原路面2mm以下的不再处理，灌缝胶高出原路面2mm以上的，清理原有灌缝，重新开槽。（3） 对于横缝间距较大且伴有唧浆、网裂、沉陷等病害的，沿裂缝每侧开挖1-2m处理单缝，挖除沥青面层后按9+6cm结构层重新铺筑AC-20C型改性沥青混凝土。基层出现裂缝的，铺筑32cm宽SA型抗裂帖。（4） 对于横缝密集型路段，挖除9cm结构层重新铺筑AC-20C改性沥青混凝土，下面层有裂缝的铺设32cm宽SA型抗裂帖。2、 纵向裂缝（1） 对于单一规则的纵向裂缝，采取清除裂缝杂物，开槽灌注热沥青的方法。（2） 对于路面纵向裂缝且基层开裂的，若基层无明显沉陷、破碎、则铣刨面层，基层灌缝后加铺32cm宽SA型抗裂帖，按9+6cm进行面层铺筑。（3） 对于路面纵缝有明显破损、沉陷或严重网裂路段，采用铣刨面层和上基层后，基层采用9+9cm两层ATB-25沥青碎石同填，面层采用9+6cm的AC-20C型改性沥青混凝土铺筑。3、 车辙当车辙深度小于15mm时，对原路面拉毛处理；当车辙深度在15-30mm时，将上、中面层铣刨后铺筑9cm厚AC-20型改性沥青混凝土；对车辙大于30mm的路段，铣刨全部面层，按9+6cm分层铺筑AC-20型改性沥青混凝土。4、 网裂对于轻微网裂无唧浆、沉陷路段，采取挖补面层的方案处治；对于网裂严重、基层破碎路段，挖除面层及上基层。基层采用9+9cm两层ATB-25沥青碎石回填，面层采用9+6cm的AC-20C型改性沥青混凝土。三、结语高速公路养护管理工作的顺畅进行是保障高速公路可持续发展的必要条件。因此，及时的对高速公路病害加以分析研究，提出在以后公路设计和施工及养护方面应采取的措施，尤其是在设计上预防。只有这样，才能减少高速公路病害的发生，从而保证高速公里安全耐久快速投入使用。四、 参考文献1 宋金华 主编路基路面工程，人民交通出版社，20062 姚祖康 主编，公路设计手册路面，人民交通出版社，20063 沙庆林 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防人民交通出版社，20014 相泰 我国高速公路发展趋势 人民日报, 2000-02-11， 5 纪嘉伦 未来高速公路发展的新趋势 人民论坛双周刊 2007/12/B 6 柴江辉 高速公路病害分析及其加铺沥青技术探讨 交通世界 2015年第13期7 戴为民 高速公路路面结构与路面主要病害成因分析 交通标准化2006 年第2/3 期8 谢 猛 高速公路路面病害及成因预测 交通世界2010年1月9 祖贵文 京沪高速公路（河北段）沥青路面技术综述 中国公路建设市场2004年第6期10 柳朝印 河北保津高速公路路面病害处治及罩面工程浅析 石家庄铁道学院学报（自然科学版）2009年6月11 公路技术状况评定标准JTG H202007交通部行业标准，2007