道路长期使用性能研究 - 图文

高等级公路路面长期使用性能的研究

第一章 前 言

1.1研究的目的和意义：

1996年6月山西省第一条高速公路太旧高速公路建成通车，由此山西省的高速公路建设进入了一个快速发展阶段，以后陆续开工建设的原太高速、太原东山过境、晋阳、南过境、运风、晋焦、长邯、运三，夏汾、太原西北环、大运、汾柳、太长等高速公路，到2005年底我省高速公路通车里程达到了1686公里，目前在建的高速公路有晋济、大同西北环等，到2005年底，在已通车的1686km高速公路中，沥青路面为1437km，占总量85.2%。沥青路面使用性能的好坏直接影响到我省高速公路的整体服务水平。

山西省“十一五”高速公路网规划：预计到“十一五”末，山西省高速公路将达4051公里，其中通车里程将超过3000公里，形成“人”字骨架、九横九环的公路格局。公路网建成后将覆盖了山西省所有大中城市、区域经济中心、交通枢纽和旅游名胜。其中连接了预计到2020年、所有城镇人口在15万以上的市县区，连通了山西省周边19个大中城市。该规划实施后，山西省高速公路纵贯南北、横穿东西、覆盖全省、通达四邻，在省内形成了一个以省会太原为中心的“三小时通达圈”，并以大同、运城、晋城等大中城市为中心形成区域经济圈，高速公路网将有力地支撑起山西建设全国新型能源和工业基地的物流骨架。另外，山西省高速公路网将凭借通往周边省市19个大中城市的22个出口，搭起中部地区在综合交通运输体系中的断代和空白，使山西省融入了京津冀、环渤海、中原、西北、珠三角、黄河金三角等各大经济区，有可能形成了一个全面对外开放的新格局。

国道主干线作为公路网中的大动脉，所承担的交通运输任务远远超过它们在公路网中所占的比重，因此其工程结构必须具备良好的稳定性、耐久性和较高的服务水平。对于高等级公路，客观上要求做到在设计使用年限内不

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需进行中断交通的大修，同时少进行影响交通运输的局部修补和中修。但从我省目前己通车运营的高等级公路来看，情况并非如此。许多公路的路面出现了不同程度的早期损坏，如沥青路面的开裂、沉陷、车辙、抗滑能力不足，些路段的问题甚至相当严重，极大地影响了道路的服务能力，阻碍了交通运输综合效益的发挥。这些问题的一再出现，原因是多方面的，但总体上反映出道路修筑实践仍缺乏系统的理论支持，对路面基本工作原理，特别是在长期的交通荷载和环境等因素综合作用下路面性能变化规律缺乏足够深刻的认识。

许多发达国家早于我国提出了提高路面性能，维持路网服务水平的要求。在过去的五十年里，这些国家的干线公路网均己建成，如美国国土面积与我国接近，至20世纪80年代末已建成8.5万公里的州际干线高速公路网(1999年底高速公路里程为8.86万公里)，公路总里程达到625.8万公里(1999年底为630.8万公里)。然而在使用过程中发现不少路面尚未达到设计使用年限即出现了结构性破坏或服务水平严重不足的现象，必须进行改造或重建。在这些国家，每年为维护和改造现有公路网需要投入大量的资金。道路界人士开始认识到，进行路面的设计、施工、养护、维修等工作，应该充分考虑路面的长期性能才是有效而经济的。自80年代末开始由美国发起，许多国家逐渐开始全面系统地总结道路修筑和使用经验，开展关于路面长期性能的研究。目前这一领域的研究已成为国际道路界普遍关注的内容之一。

纵观世界范围内道路工程技术的发展趋势，结合我国当前情况可以判定，在我国高等级公路建设方兴未艾的今天，开展关于路面长期性能的研究，避免重复发达国家在公路网建设中出现的问题，为我国今后的路面设计、施工、养护、维修、营运等各方面提供全方位的技术支持，是道路工作者必然的选择。而明确路面长期性能研究的意义，结合国情，制订我省乃至全国沥

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青路面长期性能研究的计划和策略，进而全面推进关于路面长期性能的研究工作，显得尤为迫切和必要。

为了了解现有的路面状况，以决定哪些路段的路面需要采取处治措施以及采取什么样的处治措施，就需要对路面使用性能进行合理、科学的评价。这种评价必须紧密结合实际路况和日后的养护计划，以便管理部门根据统一标准制定具体的处治措施，采取合理的维护方案，分配养护资金，并最大限度地利用已有的道路资源。目前，随着旧路改造和加铺项目的日益增多，对路面性能进行综合评价已经成为国际公路界广泛关注的课题之一。路面结构检测与评价是制订道路养护和改建计划的依据，利用它可以正确判别路面状况是否适应目前的交通状况和使用要求，研讨和寻求路面破坏的机理与原因，确定路面需采取养护和改建的措施，并进行中长期管理的规划设计。因此，对现有路面的使用性能进行客观、准确的评价是养护管理中的一项必不可少的基本工作，也是道路经济分析和路面管理系统的重要组成部分，对于分析路面病害的成因，改进工程项目建设质量有着重要的指导意义。 1.2国内外研究现状

路面长期使用性能的研究在国外很受重视。例如英国自1949年以后进行了6次大规模的路面结构性能与设计方法的试验验证工作，其1987年制定的路面设计方法，就是建立在对400多个试验路段长期观测的路用性能数据基础上。美国各州公路工作者协会(AASHTO)在1956-1960年间进行了著名的AASHTO试验路，研究了真实荷载作用下对路面使用性能的影响，并根据试验结果提出了AASHTO路面设计指南。西德对170个路段进行18年长期跟踪观测后，得出了半刚性路面与柔性路面使用性能比较的结论，并在第18届世界道路会议上作了介绍。

在路面长期性能研究方面最为系统的应属美国。美国每年大约投资

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30亿美元用于公路路面的新建、养护和维修，路面长期使用性能研究计划和北美大多数的公路研究计划都在研究怎样合理的使用这一投资。路面长期性能(Long Term Pavement Performance 简称LTPP)是SHRP的四个研究领域之一。作为一项持续20年的公路研究项目，LTPP在SHRP工作结束后由FHWA负责继续进行，研究覆盖整个北美地区。该计划的内容可以概括为：对采用不同设计方案和不同材料、处于不同环境条件和路基状况下，经历不同荷载和养护维修措施的路面结构进行广泛深入的调查研究，解答荷载、气候、材料变异性、施工操作、养护维修实践等长期影响路面性能的基本问题，为增加路面使用寿命提供技术支持。

LTPP的目的就是从大范围的环境和使用寿命方面为路面性能建立一个数据库。它的使命是通过进行以下活动来增加路面寿命：1.在一个相当长的时间里收集和储存美国和加拿大正在服务中的公路的路面性能数据来支持数据分析和成果的形成；2.分析数据来描述路面使用时的性能是怎样的，并解释路面为什么会呈现此种性能；3.将这些研究成果用于路面的设计、维修、养护和管理。LTPP计划涉及的方面主要分为数据收集、数据分析、研究成果三个部分。

1）数据收集

LTPP共监测沥青、普通水泥混凝土路面试验段2400多个，这些试验段均位于美国和加拿大。LTPP包括两大套试验：一般路面研究（GPS）和特殊路面研究（SPS）。GPS有792个试验路段，均为普通类型的路面，按不同的结构分为8种类型，SPS有1250个试验路段，均为考虑特定的工程因素而修建的，按具体特定的研究内容分9种类型。

每个路段都要收集损坏状况、平整度、结构承载力、交通辆增长率和其它变量的数据。LTPP试验段数据的收集计划要能完全描述路面的性能

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和其它一些相关情况，如：路面结构、材料、气候、交通量等。数据收集包括：基本结构数据、试验数据、养护和重建数据、交通量数据、弯沉和破坏数据、摩擦系数数据、气候数据、荷载数据。

除一般路面研究（GPS）和特殊路面研究（SPS）外，LTPP研究中还包括季节监测计划（SMP）和动力荷载响应研究。SMP研究的目的是为了了解每日的和每年温度及湿度变化对路面结构的影响。动力荷载响应研究选用北卡罗莱娜的SPS-2的各种水泥混凝土路面试验段来进行测量。在控制荷载的条件下记录混凝土板指定位置的挠度和变形，研究路面的响应。

2）数据分析

LTPP的数据分析计划就是将从2400多个试验段中获得的原始数据转换成可利用的资料。计划中包含一系列的研究项目：从路面程序的验证到研究交通量数据和材料数据的变化性以及研究路面不平整度的发展等等。

SHRP的目的就是指导数据分析工作，形成一系列的知识、体系、关系、试验性的性能模型来促进路面性能的改善和提供可靠的性能预测。为了达到这个目的，SHRP提出了七个战略性目的，包括改善对交通量的特性描述和预测；改善对材料的特性描述；更完善的考虑环境对路面设计和性能的影响；改善路面管理中路面状况数据的评价和使用；发展适用于路面设计和性能预测的路面响应和性能模型；提供养护和修复计划的选择和性能预测的向导；量化具体的设计特点对性能的影响。每个目标对达到最终的目的都非常重要。

3）LTPP研究成果

从LTPP最初的构想开始，LTPP的研究者及管理者就期望它不仅仅是

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对数据的收集，而且要形成供国家运输部门和其它运输机构使用的成果。这些成果可以是指南、实用软件、设备等等。其主要成果有：建立了一个能够提供大量LTPP数据的软件包Datapave；可以根据具体的地点选择最适合的并且最有成本效益的Superpave沥青结合料的路用性能等级（PG）LTPPBind软件；刚性路面设计软件；路基回弹模量标准试验方法的开发；落锤式弯沉仪（FWD）的标定；开发了一套路面养护和修复信息手册；开发了沥青混凝土路面温度预测模型和结果调整程序以及路面纵断面浏览和分析程序。

LTPP研究计划预计将持续至2008年左右，目前计划已得到了广泛国际参与，有20多个国家正式加入了LTPP的国际协作，还有许多国家准备参加或开展类似的研究工作。LTPP的研究成果现在已经得到初步应用，在AASHTO正在制定的200X版设计指南中，提出了以下几个损坏类型标准：永久变形、疲劳开裂、温度开裂、平整度IRI指数。其损坏模型参考了有关科研项目的成果，即完全参照其它模型或借鉴其它模型并进行修正，然后利用LTPP的大量数据进行验证。

另一方面，为验证SHRP的研究成果，美国联邦公路局(FHWA)于1995年开展了西部环道试验，在1995年10月在内华达州建成试验环道，于1996年3月开始进行加速荷载破坏试验，目的是通过评价材料和施工参数差值对路面性能影响，来开发与性能相关的沥青路面设计规范，提供SUPERPAVE沥青混合料设计方法的早期工程实践的检验。试验环道共包括26个试验段，3Km长。

此外，其他一些研究机构也应用有关试验手段，如澳大利亚的加速加载设备(ALF)、室外(内)环（直）道等，研究路面使用性能的变化情况。除了以试验和观测为主的路面长期使用性能的研究以外，一些国家还开

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展了关于路面长期性能的理论分析工作。其中较有影响的有英国Nottingham大学和Cambridge大学的路面性能综合模拟模型、加拿大Waterloo大学的OPAC模型等。

随着人们对道路使用要求的不断提高，公路建设和养护管理面临越来越大的压力，使得国内对于路面长期使用性能的研究也开始日益重视起来。在上个世纪80年代，随着路面养护管理系统在我国的引入和推广，很多省市如北京、上海、江西、江苏等，都曾开展了较大规模的路面使用性能调查和研究。进入20世纪90年代以后，随着我国高等级公路建设的快速发展，人们对高速公路使用性能研究更加重视起来。一方面，国内许多科研机构和公路管理部门对于高速公路沥青路面的使用性能评价体系进行了研究，对其中一些重要的指标如开裂、车辙等进行了较为深入的研究；另一方面，一些省市的研究单位也开展了路面使用性能的系统研究。

国内西安公路研究所从1990年开始对西三线、西临线等试验路段进行了10年的连续观测，取得了大量的观测数据，为中国进行路面长期性能研究提供了有力支持。从中国目前的实际情况来看，以弯沉作为路面设计指标已经进行了较为深入的研究，理论上较为成熟，测试方法也简单易行。但对于路面长期性能的研究而言，则存在着一定的不足。

长安大学武建民博士通过分析以及实际调查、检测，并结合国外有关研究及设计方法，认为应该在弯沉指标的基础上，增加疲劳开裂和车辙作为路面长期性能的研究指标，并结合中国半刚性基层沥青路面的实际使用情况，建立相应的路面疲劳开裂和车辙的设计指标。疲劳开裂和车辙都是可以直接反映路面使用性能的指标，特别在路面的长期使用过程中，这两个指标既可以很好地反映路面的使用性能情况，同时也可以反

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映导致路面性能变化的外界因素(荷载和环境)和路面自身因素(结构和材料)的影响作用，可以很好地解决单纯以弯沉为指标所存在的主要不足。

同济大学曾经搜集了北京、广东、山东、浙江和江西五个省市约12000Km的路面使用性能数据，研究了环境因素对路面使用性能的影响，提出了路面使用性能的标准衰变方程。孙立军、刘喜平在分析国内外路面性能研究的基础上，将路面性能衰变过程划分为4种典型模式，提出了能够定量描述各种衰变模式的、方程系数的数学物理含义明确的路面性能标准方程，

PPI?PPI0?1?exp??(?/y)?? （1）

?式中：PPI为使用性能指数（PCI、RQI或其综合）；PPI0为初始使用性能指数；y为使用年数；α、β为回归系数，影响其值的因素主要有交通量、结构强度、路面结构组成、材料、环境因素。

该方程将一个复杂的路面性能衰变过程与一组简单的数值（α、β）对应起来，从而可用两个简单数值表达路面衰变过程，这为其它路面问题的研究提供了条件。为定量研究路面结构组合与使用性能间的关系奠定了基础，其它条件相同时，不同路面结构组合具有不同的α、β，通过对α、β的对比分析，可建立路面结构组合、材料与路面使用性能之间的关系。

为探讨环境因素对路面使用性能的影响奠定了基础，相同结构和交通量的路面，不同地区的α、β值将有所不同，可建立α、β与各地环境因素的关系方程，以定量分析环境因素的影响。

标准衰变方程的现实意义是便于路面管理系统的推广应用，科学的路面管理需要对路面性能变化作出准确的预测。

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此外，石家庄铁道学院于炳炎等人针对路面长期使用性能的监测评价，依据时序分析理论，建立了路面长期使用性能时序分析模型，为路面的养护提供最佳的决策。 1.3本项目主要研究内容 1.3.1路面评价方法与标准研究

路面性能(Pavement Performance )的概念早在1962年即由AASHO提出，此后随着道路修筑技术的日益成熟和人们对道路使用经验和认识的不断增加，路面性能的内涵也在逐渐发展之中。人们对路面性能的要求与道路交通水平紧密相关，在早期交通条件下，人们对道路的要求局限于不出现引起交通中断的较大损坏，故而对路面设计也仅从结构性要求出发。随着现代高速交通的发展，人们对路面的功能和服务质量提出了更高和更全面的要求，路面性能的内容得到了进一步的丰富。

目前对道路路面性能的通常理解是，路面为保障客货运输(主要是汽车运输)车辆的正常行驶而应具备的能力和属性。现代交通条件下的高等级公路路面的功能应体现在满足运输车辆在一定设计使用时限内高速、安全、经济、舒适地行驶。按照功能论的思想，从结构系统和功能系统的概念出发，可将路面性能划分为结构性能和功能性能。结构性能指路面作为一类特定的工程结构，与周围环境进行物质和能量交换、保障结构自身完备性的能力，目前普遍关心的结构性能是路面的强度、稳定性和耐久性;功能性能指路面完成其功能目标需具备的必要属性及其外部表现，通常指路面的舒适性、安全性等保证车辆行驶质量的特性。结构性能是路面性能的基础和硬件;功能性能是路面性能的目标和软件;二者相互影响，相互配合，形成路面性能的有机整体。

考察结构性能，从实现功能效益最优的思想出发，一般要求从所在结构

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属性中分析寻找对功能有影响的部分，并用适当的形式进行表达。对于路面结构性能一般从路面承载能力和破损状况两方面进行评价。研究功能性能，一般应通过功能分析，寻找功能上下位关系，建立功能逻辑结构。对于路面的功能性能一般通过其直接下位功能进行评价，通常包括路面平整度、抗滑能力、噪声水平、反光特性等，目前对前两者的关注和研究较多。

以往的路面性能评价技术对于高等级公路有许多不适应之处，有必要对适用于高等级公路的路面性能测试手段、评价方法和评价标准进行研究。 1.3.2山西省高速公路沥青路面使用性能调查研究

截至2005年底，到2005年底，在已通车的1686km高速公路中，沥青路面为1437km，占总量85.2%。。我省高速公路沥青路面结构形式多样，基本涵盖了目前国内所有的沥青路面典型结构，将之作为沥青路面长期使用性能的观测路段具有一定的代表性。这些高速公路大部分使用都在3年以上，部分路段已经使用了接近十年，有些路段已经开始进入中修、大修期。有必要对这些不同路龄的沥青路面，抽取具有代表性的路段进行深入研究，提出不同病害产生的原因和可能采取的预防方法。

同时针对长期使用性能试验路进行跟踪观测，并对使用情况及病害进行分析研究。

1.3.3沥青面层结构厚度对使用性能的影响研究

高等级公路的沥青路面使用寿命一般为12～15年，但在实际中，由于受外界环境、行车荷载以及设计、施工中等存在的不利因素影响，高速公路往往在建成通车早期就出现不同类型的病害，道路的使用性能也逐渐开始降低，进而影响了行车的安全、舒适和快捷。为此，需要及时关注道路的使用状况，并进行维护，而且对道路进行跟踪观测可以全面了解道路的性能，评价道路的使用状况。因此，为了更深入地了解面层结构厚度对沥青路面使用

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效果的影响，对大新高速公路朔州支线铺设的不同结构的面层试验路段，于2002～2005年进行了多次实地现场观测。

我省采用主要AC类密级配沥青混凝土，依托大新高速公路朔州支线K22+979.4—K29+350工程，对AC类沥青路面通过室内外试验研究，找出不同面层结构厚度在荷载应力和温度应力作用下的变化规律以及对路面使用性能的影响，同时通过试验路的检测结果验证不同结构厚度的优劣，最终找出满足路面结构强度、刚度、变形以及表面功能性要求的最佳的面层厚度的设计办法。

1.3.4基层不同结构对沥青路面使用性能的影响分析

高速公路往往在建成通车早期就出现不同类型的病害，道路的使用性能也逐渐开始降低，进而影响了行车的安全、舒适和快捷。为此，需要及时关注道路的使用状况，并进行维护，而且对道路进行跟踪观测可以全面了解道路的性能，评价道路的使用状况。因此，为了更深入地了解基层材料和结构类型对沥青路面的影响，对大新高速公路朔州支线铺设的柔性、半刚性、刚性三类基层试验路段，于2002～2005年进行了多次实地现场观测。并对相关技术内容进行了深入研究。

1.3.5高速公路沥青路面早期病害的破坏形式

高速公路沥青路面早期破坏事严重影响沥青路面长期使用性能，所以必须深入研究沥青路面的早期病害。

高速公路沥青路面的早期病害所表现出来的形态和特征是多种多样的。这是因为造成路面破坏的原因是多方面的。有行车荷载因素，如：超载、重复加载和水平荷载等；也有环境因素，如：温度变化、湿度变化和冰冻作用等；此外还有设计、施工、采用的材料和养护管理等方面原因。同一种原因可以引起不同程度的破坏，而同一种破坏形式也可以由不同的原因所造成。

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本项目将详细介绍以上三种破坏形势，并进行深入研究。 1.3.6早期病害的成因分析与预防措施研究

本项目从交通荷载、路基变形、水损害、设计问题、施工问题、材料问题等几方面详细研究了沥青路面早期破坏的预防措施。 1.3.7沥青路面养护技术研究 （1）预防性养护研究

目前我省已经建成的高速公路90%左右是半刚性基层高级沥青混凝土面层结构，这些高速公路建成后，受交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重、行驶渠道化及水损坏等影响，路面发生了不同程度的早期损坏，导致养护任务艰巨。另外，随着高速公路里程的增加和使用时间的延长必然会带来路面不断的损坏，养护工程量将越来越大。可以预计今后一个时期，我省高速公路将由建设为主，转为建设与养护并举，并逐步以养护为主。在这种形势下，研究开发高速公路沥青路面养护新技术，探索养护管理模式具有重要意义。

高速公路养护的目的是经常保持路况完好，维护高速公路的正常使用功能，消除使用中出现的病害、隐患，延长其使用寿命。如果公路缺养、失养，路况必然很快下降，道路通行就必然受阻。因此，我们必须高度重视养护工作。而在整个养护工作中，路面养护是高速公路养护工作的中心环节，路面养护质量是公路养护质量考核的首要对象，这是因为路面是直接承受行车荷载和自然因素作用的结构层，关系着行车是否安全、快速、经济和舒适。

《公路养护技术规范》明确提出:公路养护工作必须贯彻“预防为主，防治结合”的方针。而现实是高速公路养护管理不足，对病害处理不及时，预防性养护处理不到位。加上交通量增长迅速、早期施工缺陷、温度变化、水的影响等，造成多数高速公路未到设计年限，路面已严重破坏，大修提前。高速公路实施路面预防性养护，能及时修复路面微小病害，不致产生严重损

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伤，从而减少铣刨、翻修次数，节省大修费用，并延长路面使用寿命，保持路面良好的服务状态，所以研究开发高速公路沥青路面预防性养护技术与管理模式，实施路面预防性养护管理是我国高速公路发展的迫切需要。 （2）微表处技术研究

通过对山西省高速公路沥青路面的养护的实际出发,借鉴全国各地区的养护体制管理改革,以及新技术和新材料的使用情况,研究提出不同养护方法的适应性及其施工方法。重点研究微表处技术的混合料配合比设计和施工工艺，同时结合实体工程进行深入研究。

第二章 路面评价方法与标准

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2.1概述

路面性能(Pavement Performance )的概念早在1962年即由AASHO提出，此后随着道路修筑技术的日益成熟和人们对道路使用经验和认识的不断增加，路面性能的内涵也在逐渐发展之中。人们对路面性能的要求与道路交通水平紧密相关，在早期交通条件下，人们对道路的要求局限于不出现引起交通中断的较大损坏，故而对路面设计也仅从结构性要求出发。随着现代高速交通的发展，人们对路面的功能和服务质量提出了更高和更全面的要求，路面性能的内容得到了进一步的丰富。

目前对道路路面性能的通常理解是，路面为保障客货运输(主要是汽车运输)车辆的正常行驶而应具备的能力和属性。现代交通条件下的高等级公路路面的功能应体现在满足运输车辆在一定设计使用时限内高速、安全、经济、舒适地行驶。按照功能论的思想，从结构系统和功能系统的概念出发，可将路面性能划分为结构性能和功能性能。结构性能指路面作为一类特定的工程结构，与周围环境进行物质和能量交换、保障结构自身完备性的能力，目前普遍关心的结构性能是路面的强度、稳定性和耐久性;功能性能指路面完成其功能目标需具备的必要属性及其外部表现，通常指路面的舒适性、安全性等保证车辆行驶质量的特性。结构性能是路面性能的基础和硬件;功能性能是路面性能的目标和软件;二者相互影响，相互配合，形成路面性能的有机整体。

考察结构性能，从实现功能效益最优的思想出发，一般要求从所在结构属性中分析寻找对功能有影响的部分，并用适当的形式进行表达。对于路面结构性能一般从路面承载能力和破损状况两方面进行评价。研究功能性能，一般应通过功能分析，寻找功能上下位关系，建立功能逻辑结构。对于路面的功能性能一般通过其直接下位功能进行评价，通常包括路面平整度、抗滑

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能力、噪声水平、反光特性等，目前对前两者的关注和研究较多。

以往的路面性能评价技术对于高等级公路有许多不适应之处，有必要对适用于高等级公路的路面性能测试手段、评价方法和评价标准进行研究。 2.2路面结构承载能力评价

路面结构承载能力是路面结构抵抗外部荷载及环境因素作用，保持自身状况完好的能力。通常可描述为路面在达到预定的损坏状况之前，还能承受的行车荷载作用次数，或者还能使用的年数。承载能力是路面服务能力的基础，它与路面的损坏状况有内在联系。在道路运营期间，路面损坏状况的发展与承载力的下降一般是同步的。承载力强的路段，其损坏发展速度通常较缓慢；承载力弱的路段，其损坏发展相对较迅速。 2.2.1 弯沉

弯沉测试方法总的发展趋势是测试时对路面的加载方式愈来愈接近路面承受行车荷载的实际情况。弯沉测试技术的发展大致经历了三个阶段:

1)静力弯沉测试；2)稳态动力弯沉检测；3)脉冲动力弯沉测试。 Benkelman梁式弯沉仪(简称BB)自50年代中期开始得到了广泛应用，是目前最常见的静力弯沉测试设备，我国公路部门通常采用该设备的测定指标进行路面设计和路面养护评价。为了提高弯沉测定的精度、效率和使测定加载方式更接近于车辆荷载情况，人们又陆续发明了自动弯沉仪、稳态动力弯沉仪和脉冲动力弯沉仪。其中，70年代开发的落锤式弯沉仪(Falling Weight Deflectometer简称FWD)作为脉冲动力弯沉测试设备的代表，受到了人们的广泛关注和重视。国际上自70年代以来对(( FWD)进行了大量的研究工作，目前已有50多个国家和地区开展了FWD测试方法的规范化、标准化工作，并将其广泛应用于道路和机场的质量检测评价。

采用FWD测定路面动力弯沉时，通过计算机控制下的液压系统提升并释

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放一重锤，作用于弹簧或橡胶垫，通过承载板(直径30cm)将近似半正弦的脉冲荷载传递到道路表面，荷载大小通过改变锤重(50 -300kg)和提升高度((4-40cm )可在较大范围内(15KN-125KN)调整。荷载脉冲持续时间0.02-0.045s。利用沿荷载轴线而置的5-9个传感器(位移型或速度型)可以量测动荷载作用下路表面动态弯沉曲线，较准确地反映弯沉盆的形状。

由于FWD较好地模拟了行车荷载的作用，并能够快速、安全、准确地采集到大量的路面受荷变形信息，目前已成为路面弯沉测试和结构性能评价的理想工具。国际LTPP项目采用FWD取代Benkelinan梁，用于2000多个的试验路段的检测和分析。

为使路面长期性能数据采集和路面性能评价的手段具有先进性，满足高等级公路的要求，并适应当前发展趋势，“山西省高速公路沥青路面长期性能”研究项目将FWD确定为路面弯沉测试的主要设备，并为此引进丹麦产PRI2100 落锤式弯沉仪（FWD），其基本性能如下: 测试装置重:1180Kg; 电源:电瓶和发电机 传感器个数:9个; 传感器类型:地震检波器; 操作控制:便携式计算机程序控制; 荷载级位:10kN-25OkN; 平均测试效率:3Km/h

目前国内多利用FWD测试的弯沉值与贝克曼梁建立相关关系，然后评定路基、路面抵抗竖向变形的能力。

课题组在太祁高速公路选取3段，分别进行了FWD与贝克曼梁完沉测试对比试验,每10m沿行车道轴线标志一测试点，结果并不理想，只有少部分测试路段存在较好的相关关系，如下图。

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FWD贝克曼梁-FWD弯沉回归图FWD贝克曼梁-FWD弯沉回归图98765438765432101234567贝克曼梁01234567 89贝克曼梁

贝克曼梁-FWD弯沉回归图FWD876543210123456789贝克曼梁

图2-1 贝克曼梁与FWD弯沉回归图

其原因是：贝克曼梁测试弯沉数据变异性大，准确度低，测试误差难以降低；虽然在FWD与贝克曼梁测试的弯沉数值之间存在相关关系，可是对于贝克曼梁来说，能得到准确的弯沉数值要求的测试环境很难达到，这就给确定FWD与贝克曼梁测定结果的相关关系带来较大困难。因此，在工程实践中，这种方法可行性较低。

FWD作用于路表的动荷载向路面结构内的应力扩散如图2-2所示为圆锥形，其特性为：应力锥同各结构层次界面的交点以外的路表弯沉值仅受到此交点所在界面以下各结构层模量的影响。FWD测定的动态弯沉盆中包含着丰富的路面结构强度信息，如图2-3，因此可直接通过对实测弯沉盆几何特性的分析计算，来评价路面结构。

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图2-2 落锤式弯沉仪作用下路表弯

图2-3 弯沉盆数据示意

沉曲线和路面构应力区示意

模量近似计算方法指导思想是利用层状弹性半空间理论中的布辛尼斯克公式，通过回弹弯沉值近似计算回弹模量，FWD各传感器参数可直接反映路面结构层不同的响应，其代表的含义可与各结构层模量相对应，见表2-1：

弯沉参数的定义 表2-1 弯沉参数 d0 d0-d1 d0-d3 d1-d3 d4 表征意义 整个路面的响应（模量） 最上部粘结层（沥青面层）的响应（模量） 混合胶结层（基层）的响应（模量） 胶结料下层（底基层）的响应（模量） 路基的响应（模量） 备注：di为各传感器处对应的弯沉值，10-6m；

当落锤这种动态冲击荷载对路面这种层状弹性半空间体作用时，产生的压力随着与荷载中心水平距离增大而减小。

这种减小主要是由于荷载产生的冲击波在水平方向传播时被介质吸收，压力分布因子可定义为冲击荷载在荷载中心产生的压力p0、弯沉d0与距中心距离ri的各传感器处产生的压力pi、弯沉di的比值：

fi=p0／pi=d0／di

根据布辛尼斯克公式可以得到弹性半空间体表面中心处最大弯沉值d0

和表面上离中心ri距离处的弯沉值di ?：

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d0?2pa(1??)E02222?p0a(1??)???Eiri?2??a??1?0.125???0.047?ri?????4??a???????r???i??22?11p0a(1??)adi?F1?,;2;22?22Eiriri?

式中：a为承载板半径，0.15m；ri为传感器离中心距离，m；di为传感器处所测弯沉值，10-6m；p0为冲击荷载在荷载中心产生的压力，0.7Mpa；fi为压力分布因子，Ei为各结构层模量，μ为泊松比，取0.5，ri/a≥1。

由于超几何函数2F1收敛很快，这样由于ri远大于a，略去多次项，仍能满足精度，因此上式可简化为：

di?p0a(1??)Eiri22

fi=p0／pi=d0／di=2ri/a

由此可以推导出各传感器处对应模量值为：

Ei??p0a1??diri2?2??2a1??di?2?pi?2a1??fidi?2?p0

根据上表弯沉参数的含义，可转换为下式：

?1???2Ei???di?d?11???p??rrj??i?j?

从而可以得到各结构层模量计算式：

22???2面层模量：E1?p??1????1000?1??r1????d0?d1?24??

?2基层模量：E2?p??1??2??1000?1??r3????d0?d3?21??

?底基层模量：E31?p????100??r1?1??r3????d1?d3?

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土基模量：E4?100?21???2?d4r4?p

2.2.2 模量反算实例

根据太长高速公路部分路段检测数据，如表2-2：

模量反算结果 表2-2

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 平均 荷载 kN 50.45 46.7 47.56 46.66 47.25 47.76 50.13 49.2 49.63 50.03 52.35 49.03 48.23 48.48 48.25 47.14 传感器与中心距离（mm） 对应弯沉值/10-6m 0 400 550 800 1400 64 39 32 27 15 37 24 20 19 11 37 24 21 21 15 62 30 25 22 13 57 29 24 20 12 73 37 29 23 11 56 26 21 19 10 74 42 36 33 22 61 32 26 25 16 65 26 20 17 11 69 33 27 24 14 63 30 24 22 14 87 37 28 22 10 69 33 27 24 13 75 37 30 26 14 64 33 27 23 13 面层模量/MPa 1771 3152 3210 1280 1481 1164 1466 1349 1502 1126 1276 1304 846 1182 1114 1334 1535 基层模量/MPa 2293 4363 4998 1962 2147 1606 2278 2018 2318 1753 1956 2011 1248 1812 1656 1933 2272 底基层模量/MPa 305 677 1149 423 380 247 519 396 514 403 421 444 233 390 318 342 447 土基模量/MPa 129 162 121 137 150 166 192 85 119 174 143 134 184 143 132 139 144 / / / / / / 2.2.3反算结果分析及评价

从表中数据可以看出,采用FWD实测弯沉进行路面模量反算，从而对路面各结构层的承载能力和使用性能进行评估快速、简便，与实际工程性质符合较好。 2.2.4 评价标准

在进行评定前必须确定路面破坏准则，由于力学模型以应变为指标，应采用应变疲劳方程作为评价方程和标准，如下：

① 美国地沥青协会（AI）

??s??3.64?10?2N?0.308

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高等级公路路面长期使用性能的研究

② 国内设计法

?i???t??364/??ni??i?2?0.1

③ 壳牌解析设计法

??z??1.8?10?2N?0.25

式中：??s?为沥青混凝土路面底部容许拉应变，με；??t?为半刚性结构层容许拉应变，με，t为半刚性基层设计年限，?n为t年内累计标准轴载数；με；N为一车道设计期限内累计标准轴载数。 ??z?为容许土基顶面垂直压应变，

有了结构层的模量和厚度，就可以利用多层弹性层状体系应力应变公式算出4个结构层的拉应变和土基顶面的压应变，并与容许值比较，从而判断各结构层强度，上表中路段判断结果，见下表：

太长高速公路某段路面承载力定性评价 表2-3

结构层 面层 基层 底基层 土基 厚度/cm 16 32 19 / 模量/MPa 1535 2272 447 144 应变/με 27 51 52 52 容许应变/με 206 68 68 270 承载力评价 足够 足够 足够 足够 备注：太长高速公路累计标准轴载次数为1.964×107/车道。 2.3 路面行驶质量评价

车辆在路面上行驶时，司机与乘客的乘坐舒适程度同路面表面的平整情况、车辆悬挂系统的振动特性和人对振动的反应或接收能力三方面因素有关。其中路面状况的影响主要取决于路面平整度。此外，路面平整度与车辆行驶速度、油耗、部件磨损、雨后行驶安全等也有密切关系。因此，对路面行驶质量而言，平整度是最重要的评价依据。 2.3.1 路面平整度测试与评价方法

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高等级公路路面长期使用性能的研究

对行驶质量影响较大的是道路纵向平整度，通常所说的路面平整度也多指纵向平整度。对路面纵向平整度进行评价的方法通常可分为主观评价和仪器测量两大类，由于平整度对行驶质量的影响与人的主观感受密切相关，因此，在制订评价指标和标准时往往需将两者结合起来。

路面平整度测试技术经历了近50年的发展。总的来说，测试手段和设备可分为断面类测试和反应类测试两类。

断面类平整度测试方法是直接沿行驶车辆的轨迹量测路面表面的高程，得到路表纵断面，再通过数学分析后采用某一综合性统计量表征平整度。属于这一类的具体测试方法的设备包括: ·水准测量:水准仪，水准尺等; ·梁式断面仪:TPPL断面仪等;

·惯性断面仪:GMR类断面仪，APL断面仪等;

·非接触式断面仪:激光断面仪，超声波断面仪，红外线断面仪等。 反应类平整度测试系统是通过一定的传感装置，测试车辆以一定速度驶经不平整路面时悬挂系的竖向位移量，测试指标〔常为记数数值)即对应于悬挂系位移累积量。反应类测试设备主要有BPR平整度仪、颠簸累积仪、PCA仪、MAYS仪和NAASRA平整度仪等。

我国以往用于路基路面现场平整度测试的方法主要有3m直尺法、连续式平整度仪法和车载式颠簸累计仪法。3m直尺法过去曾得到广泛应用，但存在测试精度低，速度慢，低头弯腰工作量大等缺点，目前应用场合多限于施工质量控制。8轮连续式平整度仪近年来应用较普遍，其测试速度一般为5} 12Km/h，用于运营中的高等级公路仍嫌不便，且测试结果受路表面破损状况影响较大，测试指标(标准差。)也不能反映路表面较长波长(>1Om)的起伏。车载式颠簸累积仪属于反应类测试设备，测试时行驶速度不宜超过40Km/h。

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高等级公路路面长期使用性能的研究

2.3.2 评价指标

目前已建立的反映路面平整度状况的指标较多，如由反应类测试设备给出的平均调整坡(ARS)，由断面类测试结果可以得到直尺指数(SEI)、竖向加速度均方根(RMSYA)、功率谱密度(PSD)等。为统一起见，常以国际平整度指数(IRI)作为通用标准，本课题对车载式颠簸累积仪测试得到的VBI值，与IRI建立关系:

IRI?a?bVBIv

2.3.3 评价标准

衡量路面行驶质量的准则，一般认为应包括车辆部件磨损周期、货物颠簸损耗量和人体舒适性三部分。其中人体舒适性要求最为重要，如这一要求得以满足，其它二方面总能得到保证。因此，建立路面行驶质量的评价标准，应对主观舒适性评价和量测的平整度指标之间的对应性进行研究。

通过对一定数量的沥青混凝土和沥青表处路面的平整度进行测量，并调查乘客感受(由乘客舒适性打分获得RQI值)，得到如表2-4所示的对应关系。

路面平整度与乘客感受 表2-4

平整度（IRI，m/km） 1.5～2.5 4.0～5.3 7.0～8.0 9.0～10.0 11～12 乘客感受描述 车速超过120km/h时仍舒适，在1.3～1.8范围内，车速80km/h时很少感到起伏不平 车速超过100～120km/h时仍舒适，车速在80km/h时可能感到大的起伏不平 车速达70～90km/h时仍舒适，可明显感到运动和摇摆 车速达50～60km/h时仍舒适，有频繁的剧烈运动和摇摆 车速必须降到50km/h以下 通过IRI与VBI的相关分析，得到式中的系数a=0.0187；b=0.2039。 1995年西安公路交通大学对路面乘坐舒适性进行研究，参照国际振动舒适性标准IS02631，提出了反映乘客主观不舒适程度的量化指标BS(见表

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高等级公路路面长期使用性能的研究

2-5)，并根据若干高等级公路和机场道面上的实测结果，建立了不同车速下BS与路面平整度指数IRI之间的关系。如车速为60km/h时有

BS60?0.8813IRI?0.51335

式中，BS60一车速为 60km/h时整车乘客不舒适感的量化加权平均值。

乘客不同舒适程度的量化指标BS 表2-5

分级 1 2 3 4 5 行车振动感觉 有振动感 有明显振动感 有强烈振动感 有很强烈振动感 有特别强烈振动感 乘客参观不舒适程度 无不舒适感 有轻微不舒适感 有中等不舒适感 有重度不舒适感 有严重不舒适感 BS 0.63 4.00 10.00 25.00 63.00 根据各项研究综合论证后得到高等级公路路面行驶质量的评价标准，如表3-5所示，其中给出了对应于IRI和BS二种指标的建议值。 2.4 路面行驶安全性评价

路面对车辆行驶安全性提供的保证主要指路面的抗滑性能。为满足各种气候条件下安全行车的需要，路面应在车辆受制动沿其表面滑移时提供足够的摩阻力，使车辆在一合理距离内停住。路面抗滑能力不足时(特别是路面湿润状态下)，容易产生滑溜、水漂等现象，导致车辆失控，酿成行车事故。 2.4.1 抗滑性能的影响因素与测试方法

路面的抗滑性能由路面的两种表面构造提供，即微观构造和宏观构造。微观构造指集料表面的纹理或粗糙度，这种微观粗糙度是路面抗滑力的基本保证。宏观构造指路面集料之间形成的宏观粗纹理。在路面湿润时，薄膜水在轮胎与路面之间起到润滑作用，降低两者之间的接触程度和摩阻力，路面宏观构造可以为排除路表积水提供通道。研究认为，微观构造提供基本抗滑

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高等级公路路面长期使用性能的研究

能力，在路面无积水或积水较少、

车辆低速行驶时起决定作用;宏观构造的作用主要在于迅速排除轮胎与路面界面的积水，增大轮胎附着程度，使微观构造所形成的抗滑力在车辆高速行驶中得以保持。通过影响两种表面构造而对路面抗滑性能产生作用的因素，可归纳为图2-4。

路面抗滑性能的测试方法可以分为测定摩擦系数等参数的直接法和测定路面微观构造与宏观构造的间接法，相应的测试指标也依此分为直接指标和间接指标两大类，见图2-5。

我国以往用于路面摩擦系数测试的方法主要有摆式仪法和SCRIM摩擦系数测定车法。摆式仪法原理简单，操作简便且设备成本低，目前使用最多。

图2-4 路面抗滑影响因素

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图2-5 路面抗滑性能测试方法与指标

2.4.2 评价与控制指标

目前尚未建立统一的路面抗滑性能评价指标。根据测试指标的不同，可将摆值(BPN)直接作为评价指标，不同指标之间可通过各自的相关关系进行换算。

道路表面构造是抗滑性能的决定性因素。为保证行驶安全性，通常将反映路表构造的要素作为抗滑控制指标。对于路表宏观构造，一般由构造深度(TD)表征，常采用铺砂法测定。微观构造本身通常难于野外测定，一般认为，面层石料磨光值(PSV)对微观构造具有决定性作用，同时代表了抗滑耐久性的优劣。因此，将TD和PSV作为路面抗滑的控制指标。 2.4.3评价与控制标准

路面抗滑性能一般通过实测道路表面摩擦系数进行评价，而评价标准的确定应以摩擦系数对行车安全的影响为依据。通过对若干路段行车事故率及其对应摆式仪测值的调查，建立路段事故倍增系数K与摆值FB之间的关系，

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见图3-7。可见，当摆值FB >45时，事故率趋于极小值;当摆值FB <30，时，可能发生行车事故的概率倍增。

根据上述分析，对于高速公路和一级公路，可认为摆值FB>45时路面抗滑能力为优，为满足安全行驶要求，摆值FB不应小于35。依此制订高等级 公路抗滑性能评价标准见表:

路面抗滑性能评价标准 表2-6

指标 FB（BPN） 优 ≥45 良 40～45 中 35～40 次 30～35 差 ＜30 路面面层宏观构造的主要作用是使表面摩擦力在车辆高速行驶下得以保持。因此，对于构造深度TD的要求，通常按照车速从低速到高速时将表面摩擦力的衰减控制在一定范围的原则，作出相应的规定。在此考虑到我国路面宏观构造的现有水平，参考国外关于构造深度的规定，确定高等级公路运营期间其路表构造深度应满足TD>0.4。

图2-6 事故倍增系数与摆值的关系

路表微观构造的衰变情况主要受表层石料抗磨光能力的影响。磨光值较高的石料，在经受长时间的轮胎磨耗作用后能保持较粗糙的表面微观构造。保证路面具有较大的湿抗滑力。反之，用磨光值低的石料修筑的路面表层，随着车辆作用次数的增加，其摩擦系数衰减很快。根据国外的使用经验，PSV低于35的石料，一般不能用于修筑磨耗层。PSY为3545的石料，仅用于线

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形良好、交通条件有利的路段。对于线形和交通条件不利的路段(弯道、交叉口、高速路段和交通繁忙路段等)磨耗层应采用磨光值大于45的石料。表2-7是我国若干料厂常见路用石料磨光值的调查统计结果。从技术和经济两方面考虑，可以认为，对于高等级公路，为控制其微观构造，要求磨耗层PSV543是较合适的。

石料磨光值统计结果 表2-7 石料类型 石灰岩 石英、砂岩 玄武岩 花岗岩 正长岩 片麻岩 石英岩 安山岩 PSV均值 36 43 43 45 46 46 47 54 样本个数 83 13 4 3 2 10 13 2 标准差 3.3 3.7 2.6 4.6 1.5 3.5 4.1 5.0 2.5 路面破损状况评价

道路建成并投入运营后，在交通荷载和环境因素的交互作用下，路面逐渐出现各种损坏现象。破损状况既反映了路面结构的完好程度，又直接影响道路的服务水平。一方面，破损的产生与路面承载能力的下降两者相互推动，造成路面结构寿命呈加速衰减趋势:另一方面，多数破损现象直接对车辆行驶的舒适性和安全性产生不良影响。因此，对路面破损必须进行评价和控制。广义而论，路面结构内部损伤、路面外观缺陷和病害等均可称之为路面破损。通常所说的破损一般指呈现于路表面、肉眼可见的损坏现象。高等级公路路面通常采用较高的设计和养护标准，在运营期间较少出现、一般也不容许出现严重的损坏现象，故而损坏密度较一般公路小且损坏类型也较少。依照以往路面状况调查的经验，对于高等级沥青路面而言，开裂和车辙作为两类主要破损类型，通常占全部破损量的80%以上，而其它类型如坑槽、拥包、波

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浪、局部沉陷、泛油等所占比例一般小于20%。鉴于此，可将路面开裂和车辙状况的评价作为高等级公路沥青路面破损状况分析的主要内容。 2.5.1 开裂状况评价

沥青路面上产生的裂缝一般可分为荷载型和非荷载型两大类。荷载型裂缝以网状裂缝或龟裂为主，是路面承载能力不能满足行车要求的表现。非荷载型裂缝以单根或块状形式为主，通常由温度变化、路基不均匀沉陷或冻胀、下层裂缝反射等原因引起。

目前，车载式摄像一计算机辩识处理的裂缝测定方法尚未得到推广应用，一般仍采用人工实地测量的方法。对于块状或网状裂缝直接量测其面积(m2 )，按平行于道路中线的外接矩形面积计算;对于单根裂缝，测量实际长度(m)后取其计算宽度为0.3m折算成面积。

对测试路段开裂状况的度量和评价一般以裂缝率(Rc)为指标。

建立沥青路面开裂状况的评价标准主要从经验角度出发，在此采用Delphi法，对若干不同破损状态的沥青路面实测其裂缝率，并组织工程和养护专家按经验判断对破损水平进行打分。将主客观两方面认识归纳后，建立以裂缝率为指标的高等级公路沥青路面开裂状况评价标准，如表2-8所示。

开裂状况评价标准 表2-8

评价指标 Rc（%） 优 ≤1 良 （1，5] 中 （5，15] 次 （15，30] 差 ＞30 2.5.2 车辙状况评价

车辙是道路行车道轮迹带上产生的永久变形。车辙的产生主要基于路面材料空间位置移动和密度增加两种机理，如路基材料在反复车轮碾压作用下产生竖向和侧向变形，路面沥青混合料在荷载作用下也会发生挤密和永久性位移。高等级公路上的沥青路面主要采用半刚性基层或刚性基层的结构型

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高等级公路路面长期使用性能的研究

式，行车荷载作用在这种结构上时，分布在土基上的应力通常较之传统的柔性基层沥青路面结构中的土基应力小得多，因而路基内部的变形也较小。车辙主要产生于沥青混合料层内部。分析表明，半刚性基层沥青路面结构中沥青面层产生的车辙变形量约占路面车辙总变形量的90%。 对路面车辙的量测目前以人工实地测量为主。

一般在测试路段上按一定间距(通常为1Om)分布的测试断面上量测每个车道上的车辙深度，取其最大值。路段的代表车辙量(Dr)以各断面最大车辙深度的平均值表示。

对路面车辙状况的评价和控制应从车辙对路面功能的不利影响出发。路面上的车辙达到一定深度后，遇雨天辙槽内容易积水而影响车辆行驶安全。有关调查和试验表明，当路表积水深度达7.6mm，车速超过80km/h时，车辆有发生侧滑的危险。当路表积水深度为lOmm，车速超过1OOkm/h时，车轮与路面之间的摩擦系数接近于零，可以认为已发生漂滑。

考虑到辙槽内完全积水的概率极小，可以认为对路面行驶安全性有显著影响的车辙深度应大于7.6-1Omm。此外，当车辙深度超过10mm左右时，由于前轮转向性能降低和车辆横向颠簸，造成的行车不适感显著增加。 许多国家在进行沥青路面设计和制订养护策略时将车辙作为重要的控制指标，如美国地沥青协会路面设计方法中规定了路面容许车辙深度为13mm。AASHTO设计方法对主要干道要求PSI>2.5；而对北美大量道路的调查表明，当PSI=2.5时，路面平均车辙深度达10mm o Shell路面设计方法规定，对于高速公路容许平均车辙深度为lOmm，对普通道路容许车辙深度为30mm。英国Nottingham大学的研究将行车道出现深度为lOmm的车辙作为路面临界破坏状态，当车辙深度达到20mm时，认为路面已完全破坏。 在我国，同济大学曾采用Delphi法，对道路工程和汽车工程界部分专

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高等级公路路面长期使用性能的研究

家开展咨询，并按当时的公路等级提出了容许车辙深度的建议值。对于高速公路，容许车辙深度取10～15mm，对于其它高等级公路，非交叉口路段容许车辙深度取15～20mm，交叉口路段容许车辙深度取25～30mm。

根据以上的分析研究，以车辙深度Dr为指标制订高等级公路沥青路面的车辙评价标准如表2-9所示。

开裂状况评价标准 表2-9

评价指标 Rc（%） 优 ≤1 良 （1，5] 中 （5，15] 次 （15，30] 差 ＞30 2.6小结

本章依据功能论的思想，阐述了路面性能的内涵。针对表征路面性能的

四个方面内容，即路面结构承载能力、路面行驶质量、路面行驶安全性和路面破损状况开展研究。探讨适用于高等级公路的路面性能测试方法，对落锤式弯沉仪、激光平整度测试车和磨擦系数测试车等三种新型测试设备的性能进行研究，通过对比试验，建立了其测试指标与规范指标之间的标定关系，为设备的推广应用和开展路面长期性能野外观测工作奠定了基础。从高等级公路的功能需求出发，建立了路面性能的评价指标体系，并确定了各指标的分级评价标准。

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第三章 山西省高速公路沥青路面使用性能调查

3.1山西省高速公路概况

我省高速公路以沥青路面为主，部分采用水泥混凝土路面和复合式路面。太旧高速公路是我省第一条高速公路，也是国内首条山区重交通高速公路，为预防车辙，沥青面层采用了4cmAC-16(LH-20Ⅰ)+5cm AC-25Ⅱ(LH-30Ⅱ)+6cm AC-30Ⅱ(LH-35Ⅱ)结构，为保证质量，全线采用进口AH-90沥青，为预防元坪水库饮用水质污染以及便于隧道施工，在144公里路段中有二段共3.9km沥青面层变更为26cm水泥混凝土路面。以后沥青路面为省内主导路面结构类型，到2005年底，在已通车的1686km高速公路中，沥青路面为1437km，占总量85.2%。

山西作为全国能源大省，由于晋煤外运的需要，高速公路交通量中，货运车比例大，为适应轻、重车明显分流的特点，1999年京大高速公路选用了水泥混凝土路面结构，重车方向混凝土板厚30cm，轻车方向26cm，并在省内首次采用滑模施工，缩缝全部增设传力杆，以后水泥路面滑模施工在夏汾、大新、得大等高速公路中得到推广应用，十年来全省共铺水泥路217.1km，占总里程的12.9%。

为了解决水泥路面行车舒适性差、噪音大等问题，晋焦高速公路32km采用了复合式路面结构，在24cm厚、配筋率 0.3%的连续配筋水泥混凝土路面上，全线不设缩缝，上面层铺7.5cm沥青面层，复合式路面占全省高速公路总里程1.9%。

太旧高速公路东段通车次年(1996年)，由于阳泉地区7月份连续数日高温，大纵坡的上坡方向出现2～6cm严重车辙，纵坡越大车辙越深，使我们认识到单纯采用进口沥青和大粒径Ⅱ型面层结构，解决不了重载、上坡慢速交通路面热稳定性问题。1997年～2000年间我省对3种沥青改性剂进行了

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高等级公路路面长期使用性能的研究

研究，并采用改性SBR(U-Ⅱ)铺筑了SMA试验路和生产路，在此期间，国内由于NOVOPHALT PE现场改性技术的引进，以及SBR、SBS改性的生产应用成功，加之对国外高速公路所用沥青材料的分析，翻译了日本《改性沥青手册》等资料，使我们了解到高速公路使用改性沥青的必要性和可能性，2001年运三线40km上面层全线采用SBS改性沥青，取得了良好使用效果，因此从2001年起山西高速公路上面层全部采用了SBS改性沥青材料。通过大纵坡、重载路段的沥青改性效果分析，进一步认识到这些路段沥青路面双层改性的必要性，并提出了相应的沥青改性指标要求。

在沥青路面结构中，以密级配沥青混凝土AC结构为主，并在高速公路使用实践中，逐步加深了对合理配合比设计的认识。1998年，在原太高速公路试铺了3kmSMA-16试验路，取得成功后，又在太原绕城南段、晋焦线大规模生产中得到应用，全省共铺SMA结构面层50km，在沥青路面中占3.48%。

累计里程(km)16001437沥青路面水泥路面复合式路面12001147.31011.8778.8494.1400.1118.732118.732169.532169.732169.732217.13280040090140.13.9202.13.9386.1400.1019953.93.9199619971998199920002001200220032004图3-1 山西高速公路不同路面逐年累计里程图(2005年底)2005年份(年)

在1686.1km高速公路中，不同路面分类里程及所占比例如图3-2所示：

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高等级公路路面长期使用性能的研究

沥青路面1437km85.2%水泥路面217.1km12.9%复合式路面32km1.9%图3-2 山西高速公路不同路面类型比例图（2005年底）3.2山西省高速公路沥青路面情况

山西省高速公路沥青面层混合料以密级配沥青混凝土(AC)为主体(占总里程97%)，早期中、下面层曾采用沥青碎石(旧规范AC-Ⅱ型)，但因渗水严重和施工易产生离析，1998年以后停止使用。1998年在原太路铺筑2.5kmSMA试验路获得成功，其后在太原南过境和晋焦路上推广应用共46km(占总量3%)获得了较好的使用效果。高速公路建设和使用实践，加深了人们对沥青路面材料技术指标、合理矿料级配、改性沥青使用的必要性及技术指标、沥青路面合理结构，粘层、封层、桥面防水的重要性，路面施工技术要点等问题的认识，对相关技术评价如下： 3.2.1材料

3.2.1.1沥青与改性沥青

我省高速公路上面层一般采用进口沥青，符合旧技术标准AH-90，相当于新沥青标准“A”级90#。2001年后，上面层改性沥青全部采用90#沥青作基质沥青，用SBS改性后，25℃针入度50～65。中、下面层早期采用AH-90沥青，2001年后，除重载交通路段中面层改性仍用90#作基质沥青外，一般均改用70#沥青，沥青标号逐渐向粘稠方向发展。

在新的沥青技术标准(JTG F 40-2004)中，A、B级沥青增加了沥青感温

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性指标PI、提高了软化点指标，对A级沥青增加了60℃动力粘度作为高温性能评价指标，调整了低温延度试验温度(A、B级10℃，C级15℃)，规定了不同等级沥青蜡含量上限(A级2.2%、B级3%、C级4.5%)和使用范围，从而全面提高了沥青的技术标准，使A级沥青相当于进口的优质沥青，B级沥青相当于旧标准的重交通(AH)沥青。

沥青改性对基质沥青选用的原则，取决于沥青和改性剂的相容性，虽与沥青分级A、B无直接关系，但一般芳香分含量较多的沥青有较好的相容性。

山西省改性沥青技术指标较现行规范有更高的要求并在粘层、微表处和桥面防水中，广泛使用了SBS改性乳化沥青。 3.2.1.2 粗集料

山西高速公路沥青路面的上面层全部采用磨光值PSV(BPN)＞42的硬质防滑料，不同路线所用石料品种及技术指标汇总于表3-1。

沥青路面上面层防滑料主要种类及技术指标汇总表 表3-1

石料 工程名称 名称 太旧线 太祁线 辉长岩 祁临线 原太线 新原线 大新线 玄武岩 新原线 祁临线 运三线 临侯线 安山岩 候运线 祁临线 闪长岩 长邯线 2.741-2.804 / / 15-19.5 9.2 10.3 9.5-13.5 / / 7.0-10.1 / / 9.3-12.6 16.8 20.3 22-23.7 50 50 56 (g/cm3) 2.805 2.903-2.913 2.664-2.679 2.972 / 2.912-2.934 2.825-2.935 2.834-2.863 2.776-2.880 2.857 21.9 16.4-17.8 14.9-17.7 / 14.8-15.2 14.1 15.2 8.2 10 7.6-10.3 表观密度压碎值(%) (%) 10.2 11.2-13.0 12.9-14.2 12.6 13.9 7.4 13.9 6.9 4.7 4.0-8.2 10-20mm 0.7 6.3-8.5 4.6-5.3 0.4 3.6-4.2 8.2 2.0 8.5 9.0 4-8.9 5-10mm / 5.2-7.5 5.2-7.9 0.6 3.9-4.7 9.4 2.42 13.4 9.2 4.3-12.5 (%) 18.1 17.5-18.2 24.6-27.6 15.6 16.7-18.6 21.3 18.6 21.6 12 8.5-12.6 (BPN) / 52 52 55 52 52 51 54 50 冲击值 针片状颗粒含量(%) 磨耗损失磨光值PSV 35

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大新线 辉绿岩 太原绕城西北段 太长线 辉长岩 白云岩 太长线 汾柳线 2.978-2.982 2.942-2.985 2.942-2.939 2.839-2.879 ＞2.60 21.6 17.2 17.8 17.2 11.8-18.7 ＜26 21.6 17.2 17.8 / / / 7.6 6.7 4.9 5.3 3.1-8.7 ＜12 9.1 7.5 11.2 10.5 5.3-6.5 ＜18 19.4 21.3 24.2 23.8 24.9-27.1 ＜28 50 58 50 51 50 ＞40 技术要求 中、下面层粗集料采用石灰岩，主要技术指标汇总于表3-2。

沥青路面中、下面层石灰岩主要技术指标汇总表 表3-2

工程名称 (g/cm3) 运三线 临侯线 太祁线 大新线 祁临线 新原线 太原绕城西北段 长晋线 太长线 汾柳线 2.765-2.803 2.705-2.767 2.728-2.740 2.708-2.737 2.716-2.736 2.685-2.744 2.699-2.737 2.709-2.739 2.706-2.734 2.717-2.736 12.3-16.6 18.6-22.7 20.3-23.7 20-23 14-15.1 15.2-19.7 18.7-23.2 18-24.2 21.4 17.5-22.5 表观密度压碎值(%) (%) / 6.3 / / / 13.9-16.5 / / / / 10-30mm 8.7-9.1 4-10.6 / / / / 9.5 10.6-15.3 2.1 3.2 10-20mm 8.9-12.1 4.3-11.5 4.9-6.0 10-11 5.4 6.9-7.7 8.7-13.1 9.0-12.9 8.0 4.1-12.8 5-10mm 6 4 5.0-6.2 10.4-11.9 13.0 4.7-9.6 10.1-14.5 9.6-12.7 12.6 6.5-15 (%) / 12.3 / / 23.1 18.5-20.1 / 22.6-25.6 28.7 25.9-28.5 冲击值针片状颗粒含量(%) 磨耗损失从沥青路面的设计、施工要求可知：

1、路面技术规范中的粗集料规格名称(S1-S19)并非不同行业通用标准，加之社会石料场数量多、规模小，同一名称石料可能级配变异较大，因此选定料场时除质量认证外，选定合理的石料厂筛孔是保证质量的首要环节。

2、按新施工技术规范要求，某种粗集料针片状颗粒超标，但粗集料整体针片状含量＜15%，则该种超标材料仍可使用。

3、除SMA和OGFC外，允许硬质粗集料中掺加部分磨光值达不到要求的小粒径材料，掺配比例以粗集料整体磨光值满足要求为准。

4、新规范规定粗集料磨光值、与沥青的粘附性，均与当地年降雨量有关，山西大部分地区年降雨量500～1000mm，部分地区为250～500mm，面层石料磨光值可由42分别降为40、38，从而为选用当地材料和降低工程造价

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提供了条件。

5、技术标准要求粗集料吸水率＜2%，部分路段采用了吸水率＞2%的玄武岩集料，路面使用三年后出现表面干涩、脱粒现象，这可能与所用多孔玄武岩吸收部分沥青，连续级配沥青混合料的有效沥青膜厚度偏小有关。 3.2.1.3细集料

沥青混合料中使用的细集料有石屑、天然砂和人工砂。

0-5mm石屑作为石料加工的副产品，价格较低，为保证石屑内不含粘土、杂物，石料加工原材料中不应夹带山皮杂物。天然砂从调节级配考虑，一般是必需材料，但天然砂中石英、长石类酸性矿物成份较多，配合比中用量一般不超过15%(规范上限20%)。为保证与沥青的粘附性，除要求天然砂中＜0.075mm成份0～5%外，其中还不得有粘粒成份。太长、长晋高速公路因天然砂砂源缺乏，采用石灰岩人工砂获得较好的使用效果。

当表面层采用硬质防滑料时，技术规范要求不使用相同材质的石屑，理由为防止混合料矿粉填料中混有非石灰岩质石粉成份。山西由于以下原因广泛采用防滑料石屑：

1、防滑料因材质较硬，石屑中＜0.075mm颗粒很少。

2、石屑、砂中＜0.075mm颗粒经烘干加热和除尘处理，绝大部分均从热料中被清除。

3、只选用单一规格防滑料，将导致防滑料加工过程中成品率下降，生产成本增大，甚至无法生产供应。

4、山西使用防滑料石屑已十年，由于采用了抗剥落剂或用SBS改性未见有不良使用效果。 3.2.1.4填料

山西高速公路沥青路面所用矿粉，一般施工时用3～5(5～10)mm石灰岩

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碎石自行磨制，施工控制指标主要是＜0.075mm含量＞75%、含水量＜1%，并无团粒结块现象，实际使用比例由混合料级配要求及矿粉磨细程度确定。

由于担心石屑中因碎石粉碎过程中可能混入山皮等杂物的不利影响，因此施工中未采用回收矿粉。

山西高速公路沥青路面所用矿粉主要技术指标如表3-3所列。

山西省高速公路矿粉主要技术指标汇总 表3-3

工程名称 原太线 长邯线 表观密度 (g/cm3) 粒度范围 含水量 (%) <0.6mm <0.15mm <0.075mm 100 99.6 100 92.9 75.2 外 观 无团粒结块 亲水系数塑性指数(%) (%) 0.15 / / / / / / / / / / / / / 加热 安定性 无明显变化 无明显变化 无明显变化 无明显变化 无明显变化 无明显变化 / 无明显变化 无明显变化 无明显变化 无明显变化 无明显变化 2.616-2.662 干燥-0.3 2.656 干燥 干燥 干燥 干燥 / 97.7-97.8 82.6-87.2 无团粒结块 太原绕城南段 2.61.0-2.660 运三线 临候线 候运线 祁临线 太祁线 大新线 新原线 2.668-2.712 2.609-2.676 2.802 94.7-97.2 83.4-86.6 无团粒结块 0.3-0.55 / / / 98.2-100 89.0-94.8 76.2-88.7 无团粒结块 99.8-100 95.0-99.9 79.0-92.5 无团粒结块 100 97.0 86.1 无团粒结块 2.600-2.775 干燥-0.2 99.6-100 88.8-99.8 75.6-92.5 无团粒结块 0.6-0.9 2.629-2.748 干燥 100 94.5-97.8 75.3-82.7 无团粒结块 / 0.72 0.71 2.608-2.693 干燥-0.3 98.6-100 89.9-98.9 76.1-87.3 无团粒结块 2.583-2.746 干燥 0.1 0.1 干燥 干燥 100 100 100 100 100 83.8-100 63.6-87.4 无团粒结块 太原绕城西北段 2.524-2.678 长晋线 汾柳线 太长线 2.522-2.687 2.625-2.663 2.627-2.661 94.7-99.7 84.3-94.8 无团粒结块 0.5-0.7 93.6-100 87.3-99.2 无团粒结块 0.6-0.7 90.6-99.0 77.8-84.2 无团粒结块 0.5-0.7 90.2-100 75.3-97.0 无团粒结块 0.5-0.7 1.0-2.3 无明显变化 2.0-3.7 无明显变化 3.2.1.5外掺材料

（1）改性剂

到2005年底为止，山西省高速公路1437km沥青路面中，表面层采用改性沥青里程共983km，其中采用SBS改性里程933km(94.9%)、SBR(U-Ⅱ)改性49km(4.99%)、PR改性1km(1.02%)。三种改性剂改性方法和材料特征如表3-4所列。

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山西省常用改性剂类型汇总表 表3-4

种 类 SBS SBR(U-Ⅱ) PR 成 份 苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物 丁苯橡胶 聚乙烯类 类 型 热塑性橡胶 橡胶 树脂 外 观 白色膨松颗粒 白色乳液(SBR50%) 黑色颗粒 改性方法 预混在沥青中 现场拌和 现场拌和 （2）抗剥落剂

当表面层抗滑石料与沥青粘附性不足四级时，施工中采用在沥青脱水过程中掺抗剥落剂改善粘附性，所用抗剥落剂品种如表3-5所列，掺配剂量为沥青的0.3～0.5%。

山西省沥青路面常用抗剥落剂一览表 表3-5

品 名 PA-1 AST-3 AR-68 种类 脂肪酰胺 脂肪酰胺 高分子有机物 最佳剂量(％) 0.4 0.3 0.5 生产厂 西安公路研究所 长安大学 重庆公路科研设计院 备 注 棕色液体 棕色液体 浅红色粉末 当表面层沥青采用SBS改性时，具有增加沥青粘附性功能，5%SBS掺量可将与石料的粘附性由二级提高到四级，因此沥青中无需另掺抗剥落剂。

通过试验证实，矿粉中掺加部分消石灰粉和水泥，可改善沥青与石料的粘附性，但若不另加粉罐储存和配料，则生产中存在配料均匀性问题。

（3）纤维

我省SMA混合料中，掺配德国JRS公司生产的VIATOP66颗粒纤维，其中木质素纤维与沥青比例为2：1，掺量为沥青混合料总量0.45%。纤维在SMA混保料中起到了吸收、稳定沥青、防止滴漏等作用。 3.2.2混合料矿料级配

山西省十年来高速公路沥青路面设计和施工实用目标配合比的矿料级配，以及相应的马歇尔试验技术指标汇列于表3-6、3-7、3-8，目前，绝大部分路段使用质量良好。

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十年期间由于新(JTG F40-2004)、旧(JTJ 032-94)技术规范的调整，以及受各种学术观点的影响，因此相同类型沥青混合料矿料级配变化较大，由于一些学术观点并未得到系统的室内试验验证，更未经大交通条件下长期使用实践，因此有些路段早期病害较多，其中主要问题是，AC结构4.75mm、2.36mm关键筛孔通过率偏少，导致面层渗水和表层在行车过程中产生脱粒现象，经一、二年行车后，主车道轮迹带产生网裂。脱粒严重路段会发展成松散、坑槽，路面不得不作早期罩面处理。

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