1、關(guān)于水泥混凝土路面常見病害與預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)研究 常錦 長沙理工大學(xué) 摘 要：水泥混凝土路面是高等級公路路面結(jié)構(gòu)的主要型式之一，但往往由于各種主客觀原因，相當(dāng)多的路面在使用2-5年甚至更短時間后就產(chǎn)生了板底脫空、卿泥、裂縫和斷板等病害。同時，水泥混凝土路面的維修成本高，養(yǎng)生時間長，維修期間交通干擾嚴重，一旦破壞就很難修復(fù)。因而，認清水泥混凝土路面產(chǎn)生病害的原因并進行預(yù)防性養(yǎng)護，是當(dāng)今工程界需要解決的問題。本文研究圍繞著水泥混凝土路面的養(yǎng)護問題，對水泥混凝土路面的常見病害及產(chǎn)生的原因，路況調(diào)查及性能評價，路面使用性能預(yù)測，預(yù)防性養(yǎng)護措施與時機選擇行了研究。關(guān)鍵詞：病害；路面性能評價；使用性能預(yù)測；

2、預(yù)防性養(yǎng)護；時機選擇About the disease with common cement concrete pavement preventive maintenance technology researchChang jin(Changsha University of Science & Technology Transportation engineering institute, The name of the gradeiron， Changsha,410004)Abstract: Cement concrete pavement is one of the main

3、types used in high classic highways, but usually because of various subjective and objective reasons, it has a lot of disease like empty beneath pavement slab, spurt slush, crack, breaking slab and so on in 2 to 5 years or even after a shorter time. At the same time, the maintenance cost of cement c

4、oncrete is quite high, the health time is long, the traffic interference is serious during maintenance, and its difficult to repair once destruction. Thus, a clear understanding of the cement concrete pavement disease and preventive maintenance need to be resolved in today's engineering communit

5、y. This paper revolves around the maintenance issues of the cement concrete pavement to do research on common diseases and causes of the cement concrete pavement, traffic surveys and performance evaluation, pavement performance prediction, and preventive maintenance measures and the opportunity elec

6、tion. Key words: disease; pavement performance evaluation; performance prediction; preventive maintenance; opportunity election1 引言水泥混凝土路面作為一種高級路面結(jié)構(gòu)形式，以其強度高、穩(wěn)定性和耐久性好、耐高溫、耐磨耗以及養(yǎng)護費用少等優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用。然而水泥混凝土路面一旦損壞，修復(fù)非常困難，這必然加大路面改造的難度和養(yǎng)護管理工作的繁重程度。隨著通車里程和使用年限的不斷增長，我國公路交通事業(yè)開始由快速建設(shè)階段向養(yǎng)護管理階段過渡。為了有效緩解養(yǎng)護管理工作量快速增加

7、和養(yǎng)護資金缺口巨大帶來的壓力，提高路網(wǎng)效率，除了加快養(yǎng)護管理體制與養(yǎng)護運行機制改革、加大養(yǎng)護資金的投入外，還必須轉(zhuǎn)變養(yǎng)護管理指導(dǎo)思想、變革養(yǎng)護管理模式，全面調(diào)整一些傳統(tǒng)的養(yǎng)護觀念和習(xí)慣做法，使公路養(yǎng)護由被動養(yǎng)護向科學(xué)養(yǎng)護轉(zhuǎn)變，由單一養(yǎng)護、粗放型養(yǎng)護向復(fù)合型、集約型養(yǎng)護轉(zhuǎn)變，全面推行預(yù)防性養(yǎng)護，從而建立起具有主動性、預(yù)見性和系統(tǒng)性的公路養(yǎng)護工作體系。2 水泥混凝土路面常見病害及原因分析水泥混凝土路面的使用性能在行車和自然因素的不斷作用下逐漸惡化，以至出現(xiàn)各種類型的損壞現(xiàn)象。混凝土路面的破壞形式的分類方法很多。本文將其分為二大類：一類是接縫處破壞，第二類是混凝土面板內(nèi)破壞1。這種分類方式不僅反映了

8、水泥混凝土的破壞部位，也反應(yīng)了其破壞原因，前者的破壞主要是因應(yīng)力集中和行車沖擊引起，后者是因為過載或混凝土自身劣化引起。2.1 接縫處損壞接縫處是混凝土板體的應(yīng)力分布比較集中的地方，是最容易引起破壞的部位。初期的病害主要是集中在接縫處的破壞，接縫處的破壞可分為:錯臺、拱起、板塊活動和唧泥、填縫材料的破壞等。 錯臺錯臺現(xiàn)象常常與唧泥現(xiàn)象、填縫料喪失、路基的不均勻變形等密切相關(guān)。一方面，填縫料的喪失，會造成路面水的滲入，在車輛荷載的作用下，產(chǎn)生唧泥，隨著唧泥的連續(xù)不斷發(fā)生，路基游離土被不斷帶走，路基表面標高不斷降低，產(chǎn)生錯臺。另一方面，路基若處理不好，如壓實程度不一致，則會隨著通車時間的增長，不均

9、勻沉降和變形也會增加，也可產(chǎn)生錯臺。此外，以下原因也可造成錯臺：1）下部嵌縫板與上部縫隙未能對齊，或脹縫兩側(cè)混凝土壁面不垂直，使縫旁兩板在伸脹擠壓過程中，會上、下錯開而形成錯臺;2）地面水通過接縫滲入基礎(chǔ)使其軟化，或者接縫傳荷能力不足，或傳力效果降低時，都會導(dǎo)致錯臺23;3) 當(dāng)交通量或基礎(chǔ)承載力在橫向各幅板上分布不均勻，各幅板沉降不一致時，縱縫也會產(chǎn)生錯臺。圖2.1 錯臺示意圖 擠碎和拱起在橫向接縫、特別是脹縫兩側(cè)數(shù)十厘米范圍內(nèi)，由于脹縫內(nèi)的滑動傳力桿位置不正確、滑動端的滑動功能失效、施工時脹縫內(nèi)部有混凝土搭連、使用期間脹縫內(nèi)落入堅硬雜屑等原因，阻礙了板的伸長，使混凝土在膨脹時受到較高的擠壓

10、應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過混凝土的抗剪強度時，板即發(fā)生剪切擠碎。混凝土板在受熱膨脹而受阻時，某一接縫兩側(cè)的板突然向上拱起。這是由于混凝土板收縮時縫隙張開，填縫料失效，堅硬碎屑等不可壓縮材料塞滿縫隙，使板在膨脹時產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，從而出現(xiàn)縱向壓曲失穩(wěn)。如圖 2.2。圖2.2 拱起示意圖 脫空、板塊活動和唧泥唧泥在車輛荷載作用下，板下基層的細粒材料從接縫或裂縫處與水一同噴出，致使板體與基礎(chǔ)逐步脫空4，并在接縫或裂縫附近常有污跡存在；脫空是面板與基層之間存在一定間隙，脫空往往伴隨唧泥的發(fā)生和發(fā)展而出現(xiàn)5。水泥混凝土路面唧泥是由車輛荷載作用下，面板接縫、裂縫和板邊下部產(chǎn)生的水和細粒土混合物的強制性位移造成的。

11、它的產(chǎn)生原因是水泥面板直接鋪筑在細粒高壓縮性土和易沖刷的基層上產(chǎn)生的，唧泥往往是錯臺、斷板、接縫附近斷板等病害的誘因。路面唧泥的產(chǎn)生，一般需具備以下條件:(1) 路基或基層的土壤處于松散狀態(tài)，亦即存在松散之細粒土；(2) 在面板與基層及路面之間有自由水存在，并與松散細粒土混合形成泥漿；(3) 頻繁的重載車輛軸載作用，水泥混凝土路面板產(chǎn)生泵吸作用將泥漿噴出、吸入。如圖2.3圖2.3 唧泥、脫空示意圖 填縫料的失效、損壞使用一段時間后常常會出現(xiàn)填縫料剝落、擠出、老化碎裂現(xiàn)象。填縫料的失效、損壞，接縫內(nèi)逐漸被砂、石、土等填塞，阻礙了板的膨脹，從而引起板的壓曲、破碎和接縫剝落等損壞。路面表面水流入基礎(chǔ)

12、，導(dǎo)致基礎(chǔ)軟化唧泥或凍脹，進而誘發(fā)其它病害。2.2 路面板內(nèi)損壞混凝土路面裂縫可分為表面裂縫、貫穿裂縫。而裂縫發(fā)生的時期又可分為初期(或早期)裂縫和使用期裂縫。早期裂縫是指水泥混凝土路面板澆筑完成后還未開放交通前出現(xiàn)的裂縫，早期裂縫主要是表面裂縫，使用期裂縫實際是在行使車輛荷載的作用下，加劇應(yīng)力集中而引起原有早期裂縫擴展或產(chǎn)生新的裂縫。 表面裂縫及產(chǎn)生原因混凝土板面的表面裂縫的產(chǎn)生主要是由于混凝土混合料的早期過快失水干縮和炭化收縮引起的。路面混凝土收縮主要有：1)塑性收縮；2)自收縮；3)干燥收縮；4)碳化收縮。 貫穿裂縫及斷板水泥混凝土路面貫穿裂縫是指貫穿板全厚的裂縫，可分為橫向裂縫、縱向裂

13、縫、斜向裂縫、交叉裂縫、板角裂縫等，其明顯特征是裂縫貫通混凝土板全厚。1)橫向裂縫垂直于行車方向的有規(guī)則的裂縫稱為橫向裂縫，導(dǎo)致水泥混凝土路面出現(xiàn)橫向裂縫的原因較多，大致可以歸納為如下幾個方面。 干縮裂縫在水泥混凝土中，水在水泥石中是以化學(xué)結(jié)合水、層間水、物理吸附水，還有毛細水等狀態(tài)存在著。當(dāng)這些水在混凝土硬化過程中失去時，水泥漿體就會收縮，這些是干縮。但是自由收縮，還不會導(dǎo)致裂縫發(fā)生，唯有收縮受到限制時而發(fā)生收縮應(yīng)力時，才會引起干燥收縮裂縫。 冷縮裂縫和一般材料一樣，水泥混凝土具有熱脹冷縮性能。混凝土板塊的熱脹冷縮都是在相鄰部分或整體性限制條件下發(fā)生的，故熱脹屬于變形壓縮，而冷縮則屬于拉伸變

14、形，很容易引起開裂。切縫不及時為防止混凝土路面的干縮裂縫和冷縮裂縫，人們采用切縫漿路面分塊，我國現(xiàn)行水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范規(guī)定，路面板長不大于 6m，板寬不大于 5m，但由于施工中切縫的時間難以控制得當(dāng)，造成混凝土路面出現(xiàn)橫向裂縫。從混凝土收縮因素考慮，最好是混凝土中水泥水化初始階段就切縫，但事實上很難做到，因抗壓強度過低，根本無法切縫。2）縱向裂縫由于填料土質(zhì)不均勻、濕度不均勻、膨脹性土、凍脹、壓實不足等多種原因，很可能導(dǎo)致路基支承不均勻，在混凝土澆筑之前未嚴格檢查基底彈性模量 Et是否符合規(guī)范要求，而盲目施工，在路基稍有沉陷的情況下，在板塊自重和行車壓力作用下而產(chǎn)生縱向斷裂。開始縫很細，一

15、般小于 0.05mm。但隨著雨水浸入和浸泡基層，使其表層軟化、液化而產(chǎn)生唧泥、淘空，使裂縫加大。拓寬路基時，由于路基處理不當(dāng)，新路基出現(xiàn)沉降，混凝土板下沿縱向出現(xiàn)脫空，在車輪荷載作用下，使混凝土板發(fā)生縱向斷裂。3）交叉裂縫兩條或兩條以上相互交錯的裂縫稱為交叉裂縫。產(chǎn)生交叉裂縫的主要原因：一是水泥混凝土強度不足，在輪載和溫度作用下會出現(xiàn)交叉裂縫；其二，路基和基層的強度與水穩(wěn)性差，一旦受到水的侵入，將會發(fā)生不均勻沉陷，在車輪荷載作用下，混凝土板塊出現(xiàn)交叉裂縫；其三，水泥的水化反應(yīng)和堿骨料反應(yīng)水泥混凝土在拌合、運輸、振搗、凝結(jié)、硬化的過程中，始終存在著水泥的水化反應(yīng)。圖2.4 各種裂縫示意圖4）水泥

16、混凝土路面斷板這些縱向、橫向及斜向裂縫的發(fā)展會使水泥混凝土路面板完全折斷成兩塊或兩塊以上形成斷板。根據(jù)裂縫及斷板發(fā)生的時間，可分為開放交通之前的斷板(早期斷板)和使用期斷板(后期斷板)。一般早期斷板不多見。混凝土路面斷板根據(jù)其損壞程度可分為三類:輕微斷裂裂縫無剝落或輕微剝落，未封縫的裂縫寬度為3mm，已封縫的裂縫寬度不限，但封縫良好;中等斷裂裂縫處有中等剝落，未封縫的裂縫寬度為 325mm，己封縫的裂縫無剝落或剝落輕微，但填縫料明顯損壞;嚴重斷裂裂縫處有嚴重剝落;未封縫的裂縫寬度大于 25mm。有的斷板是在施工期間由于混凝土的初期收縮受到阻礙而產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度而造成;有的是因為

17、板塊尺寸過大所產(chǎn)生的溫度翹曲應(yīng)力超過混凝土抗彎拉強度而引起的，也有因為車載過大、應(yīng)力集中等造成的斷板。3 路況調(diào)查及性能評價方法3.1 調(diào)查與評價目的路面調(diào)查的目的是運用各種儀器設(shè)備對路面狀況的各種指標進行檢測，以了解現(xiàn)有路面的使用性能，為制定養(yǎng)護管理方案提供依據(jù)，以便進行科學(xué)管理和長遠規(guī)劃。水泥混凝土路面路段結(jié)構(gòu)檢測主要包括路面調(diào)查、FWD動態(tài)彎沉檢測、鉆芯取樣試驗檢測與排水系統(tǒng)調(diào)查幾大方面內(nèi)容，其中路面調(diào)查包括破損狀況、結(jié)構(gòu)強度、平整度及抗滑能力等四項內(nèi)容。對水泥路面進行的FWD動態(tài)彎沉檢測的主要目的是通過測量水泥混凝土板的動態(tài)彎沉，了解板的工作性能，以及估算水泥混凝土路基與路面各結(jié)構(gòu)層的

18、模量，為路面大、中修加鋪層設(shè)計和罩面設(shè)計提供設(shè)計參數(shù)。鉆芯取樣試驗檢測主要是配合其他項目檢測，鉆取結(jié)構(gòu)層芯樣進行物理和力學(xué)試驗，了解實際結(jié)構(gòu)層厚度及結(jié)構(gòu)層使用現(xiàn)狀，為分析路面破損原因及確定維修方案提供強度和變形指標。排水系統(tǒng)調(diào)查主要是了解該路段當(dāng)前排水情況及排水設(shè)施的損壞情況，以便為今后大中修排水系統(tǒng)設(shè)計和保養(yǎng)提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)調(diào)查的目的在于:l)路面調(diào)查主要用于該路段的現(xiàn)狀分析與評定;2)檢測項目主要為今后大中修提供設(shè)計依據(jù)或參數(shù)，同時，輔助路面調(diào)查，對該路段現(xiàn)狀進行分析。3.2 調(diào)查與評價方法根據(jù)公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范(JTJ073.1-2001)，對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)進行調(diào)查檢測的主

19、要方法如表3.1。水泥混凝土路面使用質(zhì)量采用路面狀況指數(shù)PCI、斷板率DBL、行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、橫向力系數(shù)SFC來評價，為了評價路面的綜合性能，參考公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范(JTJ073-96)，采用路面綜合評定指標SI來評價。評價的標準分為優(yōu)、良、中、次、差五個等級，其評價標準見表3.2。表3.1 路況調(diào)查檢測方法一覽表表3.2 水泥混凝土路面使用性能評價標準 路況指數(shù)PCI反映路面損壞狀況的主要指標是路況指數(shù)PCI，它是評價路面服務(wù)水平的最重要的一個指標。其數(shù)值范圍為0-100，數(shù)值越大，路況越好。依據(jù)路段破損狀況調(diào)查得到的病害類型、輕重程度和密度數(shù)據(jù)按下列計算公式計算： （3-1） （3-2）

20、 （3-3） （3-4）式中,i和j分別為病害種類和輕重程度；n為病害種類總數(shù);mi為i種病害的輕重程度等數(shù);DPij為i種病害和j種輕重程度的單項扣分值，它是破損密度Dij的函數(shù);Dij為i種病害j種輕重程度的板塊數(shù)占調(diào)查路段板塊總數(shù)的比例(%);Aij和Bij為系數(shù)，見表3.3;Wij為同時出現(xiàn)破損時，i種病害和j種輕重程度扣分值的修正系數(shù);Rij為各單項扣分值占總扣分值的比值。 表3.3 計算單項扣分值的系數(shù)Aij和Bij 路面平整度指數(shù)RQI道路服務(wù)水平是反映路面行駛質(zhì)量最直觀的指標，它同路面平整度、車輛的動態(tài)響應(yīng)以及乘客對舒適性的要求和顛簸的接受能力有關(guān)。研究表明:平整度對路面行駛質(zhì)

21、量的影響最大，因此，將路面行駛質(zhì)量近似看作是路面平整度的單變量函數(shù)，那么，RQI的確定僅僅與平整度相關(guān)6。采用連續(xù)式平整度儀或三米直尺連續(xù)測得路面不平整的統(tǒng)計標準差來作為平整度指標。平整度標準差以S表征，行駛質(zhì)量指數(shù)以RQI表征。行駛質(zhì)量指數(shù)RQI以10分制表示，同路面平整度指數(shù)從了之間的關(guān)系可參考下式計算： （3-5）本項目采用三米直尺連續(xù)測量，并以檢測數(shù)據(jù)的標準差分析路段平整度，為了求得RQI，通過比較公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范(JTJ073.1-2001)中RQI的評價標準和公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范(JTJ073-96)中的評價標準，采用回歸分析可得到RQI和口的相關(guān)關(guān)系為： (3-6)由此

22、，可采用上式由三米直尺得到的標準差計算行駛質(zhì)量指數(shù)RQI。同時，本項目的表面抗滑能力采用擺式儀測得的數(shù)據(jù)進行評價，其標準參考公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范 (JTJ073.2-2001)選取，如表3.2，對比BPN和SFC的評價標準，通過回歸分析，可得到二者之間的相關(guān)關(guān)系為： (3-7)上式可作為由擺值BPN計算橫向力系數(shù)SFC的換算公式。 路面綜合評定指標SI路面綜合評定指標SI，其值用分項指標加權(quán)計算得出，取值范圍為0-10，用SI表示，采用下列公式計算： (3-8) (3-9) (3-10) (3-11) 式中，S1為路面損壞狀況所占分數(shù)；S2為行駛質(zhì)量所占分數(shù)；S3為抗滑系數(shù)所占的分數(shù)；P1

23、、P2和P3為相應(yīng)指標的權(quán)重，按公路性質(zhì)、等級和相應(yīng)指標的重要性確定。 斷板率DBL依據(jù)路段破損狀況調(diào)查得到的斷裂類病害的板塊數(shù)，按斷裂種類和嚴重程度的不同，采用不同的權(quán)系數(shù)進行修正后，由下式確定該路段的斷板率DBL，以百分數(shù)表示: (3-12)式中，DBL為i種裂縫病害j種輕重程度的板塊數(shù);Wij為i種裂縫病害j種輕重程度的修正權(quán)系數(shù)，按表3.4確定；BS為評定路段的板塊總數(shù)。表3.4 計算斷板率的權(quán)系數(shù)Wij的取值3.3 數(shù)據(jù)處理方法1) 測定值的平均值、標準差、變異系數(shù)按下列各式分別進行計算: (3-13)式中，Xi為各測點的測定值;N為一個評定路段內(nèi)的測點數(shù);X為一個評定路段內(nèi)測定值的

24、平均值;S為一個評定路段內(nèi)測定值的標準差;Cv為一個評定路段內(nèi)測定值的變異系數(shù)(%)。2)計算一個測定路段內(nèi)測定值的代表值時，對單側(cè)的檢驗的指標和雙側(cè)的檢驗指標，按下式各式分別計算:單側(cè)檢驗： （3-14）雙側(cè)檢驗： （3-15）式中，X為一個評定路段內(nèi)測定值的代表值；t或t/2:為t分布表中隨自由度(N一1)和置信水平a(保證率)而變化的系數(shù)。3)可疑數(shù)據(jù)舍棄。若無特殊要求時，可疑數(shù)據(jù)的舍棄宜按照k倍標準差作為舍棄標準，即在資料分析中，舍棄那些在X土k.s范圍以外的測定值，然后再重新計算整理。當(dāng)試驗數(shù)據(jù)N為3、4、5、6個時，k值分別為1.15、1.46、1.67、1.82，大于或等于7時，

25、k值宜采用3。4 路面使用性能預(yù)測路面在行車荷載和環(huán)境等因素的綜合作用下，其使用性能隨時間或行車荷載作用次數(shù)的增加不斷衰減。當(dāng)路面使用性能下降到某一預(yù)定標準時，就必須采取相應(yīng)的養(yǎng)護處理措施(如預(yù)防性養(yǎng)護處理或其它常用的養(yǎng)護處理對策)以恢復(fù)或提高其使用性能。因此，有必要對路面的使用性能衰變過程進行準確的預(yù)測。4.1 預(yù)測方法 力學(xué)法力學(xué)法是通過利用彈性理論模型(彈性層狀體系或彈性地基板)或粘彈性理論模型，通過結(jié)構(gòu)分析得到路面在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變或位移反應(yīng)。力學(xué)法有較為成熟的理論基礎(chǔ)，但計算復(fù)雜，工作量大，而且養(yǎng)護工程師對相關(guān)的物理量應(yīng)用很少而不甚關(guān)心收集這方面的數(shù)據(jù)，所以力學(xué)法由于缺乏足夠的

26、實際路面數(shù)據(jù)進行修正和驗證而缺乏可行性。 力學(xué)經(jīng)驗法力學(xué)經(jīng)驗法是利用由結(jié)構(gòu)分析得到的路面在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變或位移的反應(yīng)來預(yù)估使用性能變量隨時間的變化。這種方法由兩部分組成：第一部分是力學(xué)分析，確定路面各結(jié)構(gòu)層的模量值，計算在設(shè)計條件下的臨界應(yīng)力、應(yīng)變或位移值；第二部分是建立路面反應(yīng)(應(yīng)力或應(yīng)變等)同使用性能參數(shù)衰變速率之間的經(jīng)驗關(guān)系。 經(jīng)驗(回歸)法經(jīng)驗(回歸)法是利用多元回歸分析技術(shù)建立回歸方程，以預(yù)估使用性能變量隨某些影響變量(如年數(shù)、交通、路面結(jié)構(gòu)等)的變化。采用經(jīng)驗(回歸)法建立的使用性能預(yù)測模型，結(jié)構(gòu)簡單，易于更新。尤其是當(dāng)有些使用性能屬性的衰變機理尚不清楚時，采用經(jīng)驗法具有明

27、顯的優(yōu)勢。然而采用經(jīng)驗法建立的模型，只是使用性能變量與其影響變量之間的某種程度的統(tǒng)計擬合，并不反映影響變量對使用性能變量影響的物理性質(zhì)的機理，其可靠性不僅取決于有關(guān)資料和數(shù)據(jù)的準確與充分，而且也依賴于建模人員對所選用的使用性能變量與其影響變量之間關(guān)系的理解和認識程度。4.2 模型分類各種使用性能預(yù)測模型可分為兩種基本類型：確定型和概率型7。 確定型模型確定型模型是為路面壽命或某項使用性能指標預(yù)估出一個數(shù)值。確定型模型包括基本反應(yīng)、結(jié)構(gòu)性能、功能性能和使用壽命模型等。基本反應(yīng)模型是預(yù)估路面在荷載和氣候因素作用下的基本反應(yīng)，如彎沉、應(yīng)力和應(yīng)變等。可以采用力學(xué)法、力學(xué)經(jīng)驗法或經(jīng)驗法，并通過應(yīng)用野外觀

28、測數(shù)據(jù)進行標定后建模。結(jié)構(gòu)性能模型既可以預(yù)估路面各種單項損壞，如開裂、車轍等，也可以預(yù)估路面的綜合損壞狀況，如路面狀況指數(shù) PCI 等。多采用力學(xué)經(jīng)驗法或經(jīng)驗法建模。功能性模型用于預(yù)估路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI或現(xiàn)時服務(wù)能力指數(shù)PSI(Present Serviceability Index)、表面抗滑性能等。這些指標同使用者的舒適性、安全性和經(jīng)濟性密切相關(guān)。可采用力學(xué)經(jīng)驗法或經(jīng)驗法建模。使用壽命模型用于預(yù)估路面達到某預(yù)定損壞狀況或服務(wù)水平時的使用壽命。如選用軸載作用次數(shù)指標，則適用于設(shè)計路面的養(yǎng)護和改建方案；如選用時間指標，則較多用于路面各種養(yǎng)護和改建方案之間的經(jīng)濟評價。可采用力學(xué)經(jīng)驗法和經(jīng)驗法

29、建模。確定型模型根據(jù)力學(xué)或經(jīng)驗建立了一種具有特定數(shù)學(xué)形式的表達形式，雖然該方法能夠反映路面使用性能變化的一般規(guī)律，但由于數(shù)學(xué)形式的局限性，大多數(shù)模型只能考慮單一影響因素，無法反映路面使用性能復(fù)雜多變的特點8。 概率型模型概率型模型是預(yù)估路面壽命或某項使用性能指標的狀態(tài)分布。概率模型包括殘存曲線、馬爾可夫(Markov)和半馬爾可夫模型等。殘存曲線是概率與時間關(guān)系曲線，反映路面經(jīng)過一定使用年限或一定累計標準軸載作用后，在不采取大修和重建措施的情況下路面保持服務(wù)能力的概率。時間或軸載初始概率為 1.0，極限概率為 0。該曲線可以根據(jù)公路部門保存的有關(guān)路面修建、養(yǎng)護和改建活動的歷史記錄，確定新建或改

30、建后每年需養(yǎng)護或改建的路面的比例后得到。概率型模型考慮了影響路面使用性能變化的因素如荷載、環(huán)境、材料等的變異性，較好地反映了路面使用性能變化速率的不確定性，因此，采用概率型模型更能符合實際情況的變化，但在目前管理狀況下，難以被管理者所接受，且其建立在回歸的基礎(chǔ)上，給模型帶來了不容忽視的誤差9。除了確定型模型和概率型模型之外，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，更多的新技術(shù)已被應(yīng)用到路面使用性能預(yù)測模型中，如專家系統(tǒng)模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN(Artificial Neural Networks)模型等。專家系統(tǒng)可融匯路面管理專家的經(jīng)驗，并建立一個知識庫，從而使計算機能模擬人類專家對各條件下的路況進行預(yù)測。人

31、工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠模擬人類的思考和判斷過程，根據(jù)已有的歷史數(shù)據(jù)對其中的規(guī)律進行總結(jié)并對復(fù)雜預(yù)測問題提供實時的解答，預(yù)測時不需要專家的介入和專家的知識，在路面使用性能預(yù)測中有廣泛的應(yīng)用前景。5 預(yù)防性養(yǎng)護措施與時機選擇5.1 水泥混凝土路面預(yù)防性養(yǎng)護措施 封縫(Crack Sealing)封縫就是將摻有聚酯或聚丙烯纖維的結(jié)合料或改性結(jié)合料灌入路面裂縫的一種措施。封縫通過阻止水和不可壓縮材料進入路面結(jié)構(gòu)，減少了水的侵蝕，減緩了裂縫擴展速率，降低了水對基層材料的浸透，從而達到了延緩路面破壞速率和延長路面壽命的目的。然而封縫對當(dāng)前的路面狀況沒有什么影響，如果僅采取封縫處理，混凝土路面的縱向開裂和橫向開裂水

32、平應(yīng)當(dāng)屬于低級，而且路面沒有出現(xiàn)其它缺陷10。 接縫重新封縫(Joint Resealing)接縫重新封縫是指清除混凝土路面接縫現(xiàn)有的封縫料，然后采用預(yù)制的氯丁橡膠、有機硅樹脂或低模量熱澆橡膠對接縫進行重新填充的一種措施。接縫重新封縫通過阻止水分侵入或不可壓縮的固體顆粒進入接縫，減少了潛在的唧泥和隨之發(fā)生的路基強度損失，減緩了路面惡化速率，從而達到了延長路面服務(wù)壽命的目的。但接縫重新封縫不能改善行駛質(zhì)量或排水。接縫重新封縫應(yīng)當(dāng)在路面沒有出現(xiàn)堿硅反應(yīng)或 D 形裂紋、剝落水平屬于低級、接縫處于好的狀況時進行。如果由于開裂而導(dǎo)致行駛質(zhì)量受損，此時采取接縫重新封縫作為預(yù)防性養(yǎng)護處理措施就不再適合。 金

33、剛石研磨(Diamond Grinding)金剛石研磨是指用金剛砂刮刀刮掉路面的一層薄的混凝土。金剛石研磨主要用于恢復(fù)混凝土路面表層縱斷面和改善行駛質(zhì)量。通過金剛石研磨，可以改善路面行駛質(zhì)量，消除接縫與裂縫斷層以及由帶釘輪胎造成的路面凹槽，恢復(fù)橫向排水，改善路面的抗滑性能。金剛石研磨只能修補路面的功能性缺陷，結(jié)構(gòu)性缺陷修補則需要進行罩面或進行路面改造。在進行金剛石研磨之前，應(yīng)當(dāng)先采取其它修補措施對路面進行處理。擬采用金剛石研磨進行處理的路面應(yīng)當(dāng)斷面均勻，有好的基層，沒有出現(xiàn)板角損裂、剝落或坑穴，也沒有堿硅反應(yīng)或 D 形裂紋之類的損壞。在采取金剛石研磨處理后必須封填所有接縫和主要的裂縫。 傳力桿

34、更換(Dowel BarRetrofit)傳力桿更換是指在穿過錯斷接縫或斷層裂縫的切槽中放置傳力桿，然后再回填注漿的一種措施。傳力桿更換可以有效恢復(fù)錯斷接縫和斷層接縫的傳荷能力，顯著地減少斷層的再發(fā)生，增強路面結(jié)構(gòu)能力。傳力桿更換僅用于修復(fù)沒有出現(xiàn)嚴重惡化、路面狀況處于好或中等而且接縫或裂縫處沒有出現(xiàn)剝落的有接縫混凝土路面。傳力桿更換一般不單獨使用，而應(yīng)當(dāng)與其它處理措施如金剛石研磨、接縫重新封縫、封縫等一起使用。 部分厚度修補(Partial-depth Repair)部分厚度修補用于修補表面損壞，如主要在混凝土路面表層三分之一區(qū)域發(fā)生的接縫剝落。表面剝落對車輛行駛不利，加速路面損壞。部分厚度

35、修補替換不堅固的混凝土，改善行駛質(zhì)量，防止路面進一步惡化，幫助有效地重新填充接縫和裂縫。采取部分厚度修補處理時，應(yīng)先確定路面損壞程度，移除損壞的混凝土，徹底地清理修補區(qū)域。擬采用部分厚度修補進行處理的混凝土路面應(yīng)當(dāng)處于相對好的狀況而且僅需要進行局修補，剝落區(qū)域的面積應(yīng)當(dāng)不大于 1m2，最大尺寸不超過最小尺寸的兩倍，而且厚度少于 100mm。 全厚度修補(Full-depth Repair)全厚度修補是指對已經(jīng)損壞的接縫或開口裂縫處的混凝土路面進行移除和替換的一種處理措施。混凝土修補包括荷載傳遞、路面增強以及對收縮縫和伸縮縫進行封縫處理。全厚度修補可以恢復(fù)路面結(jié)構(gòu)完整性，保持路面行駛質(zhì)量，對減少

36、水分進行路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部和減慢路面損壞速率也有所幫助。采取全厚度修補前，混凝土路面很可能已經(jīng)出現(xiàn)需要綜合各種處理措施來矯正的損壞。選擇全厚度修補策略時，應(yīng)當(dāng)綜合考慮費用、壽命以及將來的養(yǎng)護和改造。擬采用全厚度修補進行處理的混凝土路面應(yīng)當(dāng)處于好的狀況而且損壞速率緩慢。5.2 預(yù)防性養(yǎng)護與路面管理系統(tǒng)的整合預(yù)防性養(yǎng)護與路面管理系統(tǒng)的整合主要有三種方法10，而公路管理部門最終采用何種方法則取決于路面管理系統(tǒng)中信息的有效性以支持需要的模型的開發(fā)、總的預(yù)防性養(yǎng)護處理措施分析目的以及路面管理系統(tǒng)本身的復(fù)雜性。第一種方法是基于原有的路面修復(fù)與改造需求分析來推薦預(yù)防性養(yǎng)護候選路段。采用這種方法，路面管理系統(tǒng)用于分

37、析路網(wǎng)的修復(fù)與改造需求，任何不適合修復(fù)與改造的路段均被認為適合于預(yù)防性養(yǎng)護。這種方法最為簡單，容易運用，不需要改變路面管理模型，但在分析由于預(yù)防性養(yǎng)護處理措施的實施而對路況產(chǎn)生的影響時，這種整合后的路面管理系統(tǒng)對此所提供的支持有限。第二種方法是以一種預(yù)防性養(yǎng)護處理措施作為各種處理措施的代表應(yīng)用到路面管理分析模型中。路面管理分析為預(yù)防性養(yǎng)護處理措施選擇路段，然后對這些路段進行進一步的調(diào)查評估以確定具體應(yīng)當(dāng)采用的預(yù)防性養(yǎng)護處理措施類型。采用這種方法來分析預(yù)防性養(yǎng)護處理措施的機構(gòu)有美國的圣弗蘭西斯科灣地區(qū)(SanFrancisco Bay Area)的城市交通委員會(Metropolitan Tra

38、nsportation Commission，簡稱 MTC)，俄亥俄州交通部(Ohio Department of Transportation，簡稱 ODOT)也采用了相似的方法11。第三種方法是將具體的預(yù)防性養(yǎng)護處理措施直接應(yīng)用到路面管理系統(tǒng)中，然后為每一種處理措施開發(fā)性能模型、費用模型、影響模型，并且制定相應(yīng)的處理措施標準。這種方法最為復(fù)雜，但為預(yù)防性養(yǎng)護計劃提供的支持水平最高。采用這種方法，公路部門可以方便地運用路面管理系統(tǒng)來進行預(yù)防性養(yǎng)護計劃的效益分析，確定并且優(yōu)化合適的預(yù)防性養(yǎng)護處理措施。美國的蒙大拿州交通部(MontanaDepartment of Transportation，

39、簡稱 MnDOT)、堪薩斯州交通部(Kansas Departmentof Transportation，簡稱 KDOT)已經(jīng)開始朝這個方向發(fā)展。5.3 路面預(yù)防性養(yǎng)護最佳時機的確定不平整是水泥混凝土路面的固有特性，即使是新建路面，在汽車荷載的作用下，隨著路齡的增長，也會越來越不平整。當(dāng)汽車行駛在不平整的路面上，將對路面產(chǎn)生附加動荷載，這種動荷載將使得路面產(chǎn)生破損，平整度變差，而路面平整度的變差又將使得汽車對路面產(chǎn)生的附加動荷載增加，加速路面損壞。因此，本文假定路面平整度存在一個臨界值，當(dāng)路面平整度達到此臨界值時，動荷載急劇增加導(dǎo)致路面損壞顯著加速，通過確定動荷載導(dǎo)致的路面破損與平整度之間的關(guān)

40、系，就可以在路面平整度達到臨界值之前采取預(yù)防性養(yǎng)護措施，以改善路面平整度狀況，從而達到延長路面服務(wù)壽命的目的。基于上述基本假設(shè)，根據(jù)動荷載導(dǎo)致的路面破損與平整度的關(guān)系，求得動荷載導(dǎo)致的路面破損加速度最大時的平整度臨界值，進而可得到確定的路面預(yù)防性養(yǎng)護最佳時機。由于動荷載并不是導(dǎo)致路面破損的唯一因素，許多其它因素如氣候、水文、材料、設(shè)計缺陷、施工缺陷等因素的互相影響也可能導(dǎo)致路面破損的發(fā)生，加上動荷載與路面破損之間的復(fù)雜性、路面材料和環(huán)境以及交通因素的變異性、破損調(diào)查的主觀性以及量測誤差，所以應(yīng)當(dāng)對調(diào)查數(shù)據(jù)進行仔細的分析與整理，然后再建立路面平整度與動荷載導(dǎo)致的破損之間的關(guān)系式，否則將可能得不到

41、滿足要求的結(jié)果。 破損指數(shù)-行駛質(zhì)量指數(shù)法Doseung Lee，Karim Chatti，Gilbert Y Baladi12通過對 37 個工程項目的破損數(shù)據(jù)進行分析，將其中相對不平整路段的主要破損類型作為動荷載導(dǎo)致的破損類型，以805m為單位路段長度，為這些破損類型分配破損值DP，然后采用如下回歸模型建立破損指數(shù) DI 和動荷導(dǎo)致的破損DP與行駛質(zhì)量指數(shù)RQI之間的關(guān)系式： （5-1）或 （5-2）式中：DI破損指數(shù)；DP 破損值；RQI 行駛質(zhì)量指數(shù)；a , b, c回歸參數(shù)。式(5-1)和式(5-2)中，當(dāng)考慮所有破損，即動荷載導(dǎo)致的破損與非動荷載導(dǎo)致的破損均包括在內(nèi)時，等式左邊采用

42、DI；僅考慮動荷載導(dǎo)致的破損時，等式左邊采用DP，回歸參數(shù)的取值見表5.1。表5.1不同路面類型的回歸參數(shù)與相關(guān)指數(shù)值 由表5.1可以看出，對于剛性路面，動荷載導(dǎo)致的路面破損其相關(guān)指數(shù)普遍高于同一路面類型中包括所有路面破損時的相關(guān)指數(shù)，數(shù)值從0.488 增大到0.739。這說明動荷載導(dǎo)致的破損DP與行駛質(zhì)量指數(shù)RQI之間的相關(guān)性比包括所有路面破損的 DI 與行駛質(zhì)量指數(shù) RQI 之間的相關(guān)性好。文獻出12通過圖5.1圖5.2分別反映了剛性路面與復(fù)合路面的路面破損與行駛質(zhì)量指數(shù)RQI 之間的關(guān)系。圖5.1 剛性路面路面破損與行駛質(zhì)量指數(shù)RQI的關(guān)系曲線圖5.2 復(fù)合路面路面破損與行駛質(zhì)量指數(shù) R

43、QI 的關(guān)系曲線由圖5.1和圖5.2可以看出，在行駛質(zhì)量指數(shù)RQI增大時，動荷載導(dǎo)致的破損DP的增長速度并不是常數(shù)，當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)RQI增大到某一特定值時，動荷載導(dǎo)致的DP增長速度明顯加快。因此，可以認為此特定值即為行駛質(zhì)量指數(shù) RQI的臨界值，此時DP加速度達到最大。僅考慮動荷載導(dǎo)致的破損DP， （5-3）式(5-3)中，DP即為DP加速度，當(dāng)式(4.10)取最大值時，所對應(yīng)的 RQI 即為行駛質(zhì)量指數(shù)的臨界值，圖5.1(b)、圖5.2(b)所對應(yīng)的DP加速度圖形分別如圖5.3、圖5.4所示。圖5.3 剛性路面DP加速度曲線圖5.4 復(fù)合路面DP加速度曲線 路面狀況指數(shù)-國際平整度指數(shù)法周文獻13通過對某地21個典型水泥混凝土路段的路面損壞狀況與平整度的調(diào)查結(jié)果，采用如下回歸模型建立了路面狀況指數(shù) PCI 與國際平整度指數(shù)IRI之間的關(guān)系式： （5-4）式中：PCI 路面狀況指數(shù)；IRI 國際平整度指數(shù)。式(5-4)的擬合度，國際平整度指數(shù)IRI采用下式計算： （5-5） 改進的破損指數(shù)-行駛質(zhì)量指數(shù)法由于以上兩種模型均存在局限性，故有必要建立一個改進的、通