道路长期使用性能研究

道路长期使用性能研究第一章前言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。