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水泥混凝土路面養護管理決策與優化
發布人:陳曉磊 發布時間:2009年11月24日 被瀏覽 3299

摘要:本文系統地闡述了決策與優化的一般原理和方法,并參照現行規范制定養護標準,在計算機上實現該子系統。并經過實際試用,證明效果良好。

關鍵詞:水泥混凝土路面 養護 決策 優化

 

1 前言

  隨著國民經濟的快速發展,近年來高等級公路開始在我省大量修建。高等級公路選用瀝青砼路面還是水泥砼路面,一直是困擾設計者和決策者的一個問題。 對于高等級公路選用何種類型的路面存在著許多不容忽視的因素,水泥砼路面雖然具有剛度大、擴散荷載能力強、穩定性好、抗疲勞特性好、使用年限長、養護費用少、施工取材方便等優點,但是水泥砼這種水硬性材料對設計強度不足、超載很敏感,或者由于施工方面的原因而達不到設計的要求,一旦出現上述情況,破壞就會迅速發展,難以維護。并且破壞后修復困難,費用也高。同時由于水泥砼路面接縫、施工等方面的原因造成的不平整度問題對高等級公路來說就顯得更加突出。瀝青砼路面具有可以分期修建、平整度易于得到保證、行車舒適、易于修復、噪音小等優點,目前在高等級公路上得到廣泛應用。但瀝青砼路面的抗災性、對水和溫度的敏感性等方面明顯弱于水泥砼路面,又由于瀝青與各種集料的結合性能不同,在水文、氣候條件差及缺乏堿性集料的地區,很容易造成瀝青的剝落、分離,從而加速路面破壞。
  路面鋪筑技術、施工裝備和人員素質直接影響著路面的質量。總體來說,瀝青砼路面的鋪筑設備、技術水平較水泥砼路面要先進。我省目前在高等級公路水泥砼施工方面所采用的拌和設備和攤鋪設備還屬于小型施工機具范疇,并沒有形成象瀝青砼路面那樣從拌和到攤鋪全過程的機械化施工設備系列。
  綜上所述,瀝青砼路面和水泥砼路面各有其優缺點,高等級公路采用何種類型路面不是一個能簡單回答的問題,有必要對兩種路面的施工水平、使用現狀、破壞現狀、養護狀況、養護費用進行全面調查,綜合考慮當地氣候條件、土基狀況、交通量大小、施工技術水平等因素,對兩種路面結構進行經濟、技術、社會影響等方面的綜合比較,通過對現狀的客觀分析,以可靠的數據與科學的分析方法說明高等級公路在目前條件下應采用何種類型的路面。

2 兩類路面現狀調查

  路面長期的使用性能及建養投資是高等級公路路面選型的決定因素。路面現狀調查主要包括瀝青砼路面、水泥砼路面兩種類型路面的破壞、路面平整度、強度、施工技術、施工工藝以及工程投資和養護維修費用等幾個方面。
  (1)路面破損調查采用目測調查法,以1000~2000m為一個調查段落。主要內容為瀝青砼路面的裂縫、車轍、坑槽、沉陷擁包等,水泥路面的斷裂、唧泥、錯臺、和接縫破壞等。
  (2)路面彎沉調查以貝克曼梁為主要調查工具,少數路段采用落錘式彎沉儀FWD測試。
  (3)路面平整度調查采用顛簸累積(BI)儀進行調查,每100m為一個統計路段。
  (4)路面類型對環境的適應性主要調查受水侵害嚴重的低路堤路段對兩類路面的適應性。
  (5)路面建設費用、養護費用及路況的歷史資料,主要通過查閱有關文檔資料獲得。
  (6)調查路段的確定,主要考慮公路等級、路面類型、所屬地區、使用年限上具有的代表性,選擇了全省有代表性的高等級公路路面段共7條21段約266km,范圍涉及全省11個地市。

3 兩類路面綜合經濟技術比較

3.1 路面結構的經濟評價
  路面設計方案的經濟評價是路面設計的一項必不可少的內容,也是進行路面結構比選的重要依據。路面結構的經濟評價主要考慮的因素有路面結構的壽命周期總費用現值、建筑及養護費用,還要考慮采用的方案對當地經濟的影響,如使用當地材料、勞動力資源的利用等。
  壽命周期總費用現值法,就是把各方案在不同時間投入的費用支出,按國家規定的社會折現率,折算為現值進行比較,現值小的經濟上占優。在分析期n年內,路面結構的壽命周期總費用現值公式為:

 根據調查的材料單價、路面養護費用,對兩類路面的初期投資及費用現值進行了計算,可以得到:兩類路面的初期投資已非常接近,水泥砼路面的初期投資僅比瀝青砼路面高4%~10%,而水泥砼路面的費用現值要比瀝青砼路面費用現值低2%~10%。由此可見,僅從經濟的角度出發,水泥砼路面和瀝青砼路面具有相同的競爭力。
3.2 兩類路面的技術適應性
  水泥砼路面的最顯著特點是它具有很大的剛度以及良好的抗疲勞特性。由于砼板的彈性模量比基層材料高的多,因而水泥砼路面的承載力大部分是從板本身得到的,而瀝青砼路面面層與基層的模量相差不大,由荷載產生的應力有很大一部分要依靠路面基層來承擔。對于土基,水泥砼路面對土基條件不太敏感,而瀝青砼路面的整體強度很大程度上取決于土基強度。
  對于路面所使用的集料,水泥砼路面是有水泥這種水硬性結合料膠結而成,它可以容納各種類型的集料和砂,只要這些材料滿足一定的標準(如級配、砂率、潔凈等)。而瀝青砼路面對集料的要求較高,除應滿足規范規定的強度、耐磨耗(磨耗率、壓碎值)及粗糙度(磨光值)指標要求,還應考慮瀝青與石料的粘結力。
  氣候條件對路面結構的影響主要表現為當地氣溫、降水以及地下水位對路面的影響。水泥砼路面對溫度的敏感性較小,在炎熱的夏季,水泥砼路面不會出現象瀝青砼路面因溫度而產生的車轍、推移、泛油等病害。水對任何一種路面均會產生破壞,水不僅對路面結構本身有影響,它對土基的影響尤甚,由于路基和基層受水侵害而造成路面破壞的例子很多。瀝青砼路面的水穩性相對較差。 從分期修建方面來看,瀝青砼路面具有可以分期修建的優點,以適應交通量增長的需求,同時又可恢復瀝青面層的使用性能和減緩老化。一般而言,水泥砼路面是不適宜分期修建的。
3.3 兩類路面能耗比較
  國內外的大多數有關文獻認為鋪筑路面的能耗由原材料的生產、運輸、混合料加工和攤鋪能耗組成,從大的方面來說,路面能耗應包括初期修建能耗、大修罩面能耗、日常養護能耗以及汽車行駛能耗。根據計算,當不計瀝青本身能量時,水泥砼路面的能耗比瀝青砼路面的能耗高25%左右,當計入瀝青本身能量時,瀝青砼路面的能耗則比水泥砼路面高20%左右。
  我們不主張計入瀝青本身的能量,瀝青是從原油中提煉出來的,能作為能量的很多分包含成在瀝青中,但瀝青在傳統上是作為土建材料使用的,瀝青具有能量,但如果燃燒完了,它的價值也就消失了,作為土建材料的價值也就沒有了。這樣看來,修建瀝青砼路面的能耗要比水泥砼路面少,對節約能源有利。
3.4 兩類路面使用性能比較
  路面的平整度對路面的使用性能影響最大。路面平整度一直作為路面使用性能很重要的評價指標之一,尤其是高等級公路,由于行車速度快,為了保證路面具有良好的舒適性,延長路面的使用壽命,平整度要求則更高。一般而言,瀝青砼路面的平整度易于得到保證,而且路面損壞后也容易恢復,但水泥砼路面的平整度較難保證,即使是新修建的水泥砼路面,其平整度合格率只能達到85%。 與行車安全有關的指標主要是路面的抗滑能力。瀝青砼路面主要采取的措施有加鋪耐磨的開級配封層、磨耗層等來提高路面的抗滑能力;而水泥砼路面的防滑主要通過刻槽的方法獲得。
3.5 兩類路面的環境評價
  公路交通引起的噪聲過大會危害身體健康,影響人的生理與心理狀況,路面噪音對沿線居民已構成一種不斷發展的公害。有關研究認為:光滑的瀝青砼路面噪音最小,橫槽水泥砼路面產生的噪音最大。從降低噪音的角度出發,應選用瀝青砼路面。



4 高等級公路路面類型選用策略

  影響高等級公路路面類型選用的因素很多,路面類型的選擇,并不是由單一或幾個因素決定的,而應綜合考慮使用要求、交通量大小及組成、當地氣候、路基支承條件、材料供應、施工及養護水平、資金籌措、節約能源、環境保護等因素。在上述各因素中,有些因素是可以進行定量分析,而有些因素只能進行定性評價。對路面選型這樣一個既含有定量因素,又包含定性因素的評價問題,運用傳統數學方法建立起同標準的、切實可行的綜合評價模型,使定性評價數量化是比較困難的。然而,利用模糊數學中的多層次綜合評判原理,就能建立起相對科學、切實可行的路面類型選擇的綜合評判數學模型。
4.1 數學模型的建立
  根據多層次綜合評判原理,可以對m個評判對象進行評判,最后得出各個對象的綜合評判值向量。

然后根據最大隸屬度原則,給出模糊綜合評判結果。
  為了更進一步評價方案的優劣,我們對各個評語的得分進行加權平均,得到總分進行比較。設對每個評語Vj打分為Cj,則綜合評判的總得分為:

  這樣,可以根據S的大小來進行最后的比較。
4.2 影響路面選型因素的層次分析
  要進行模糊評判,首先要確定因素樹結構,即要分清因素間的并列關系與從屬關系。影響路面選型的因素很多,通過分析彼此間的關系,確定路面選型因素層次。
4.3 權重分配
  由于影響路面選型的各因素的地位不等,權重分配便成了一個重要問題。權重分配的確定可以由決策者根據經驗選用,也可以用統計或專家評分法。本研究中采用了專家咨詢調查法確定各因素的權重。
4.4 單因素評價
  對于路面類型影響因素中難以用數量來定量表示的單因素評價,可通過專家評定的方法得到。在因素樹中還有一部分因素為數量指標,它們均屬于“越小越優”型。
4.5 數據處理及分析
  根據專家咨詢結果,對各因素的權值進行了計算,從計算結果看:在第一層次的因素中,“行使質量”的權值最大,說明人們對高等級公路行車快速和舒適的要求越來越高,其次為“技術可行性”、“經濟合理性”。在第二層次的子因素中,“初期投資”、“施工技術水平”、“舒適性”、“施工人員素質”等因素的權值相對較大。
  根據數學模型,編制了計算機程序來進行路面選型多層次模糊綜合評判的分析計算,從兩類路面的得分看,瀝青砼路面的優勢較為明顯,瀝青砼路面的得分要比水泥砼路面的得分高出20%以上,說明在目前的條件下,高等級公路應選用瀝青砼路面。
5 主要研究結論
  在對我省高等級公路瀝青砼路面和水泥砼路面全面調查和綜合分析的基礎上,通過對我省高等級公路瀝青砼路面和水泥砼路面綜合經濟比較、技術比較、能耗比較,以及通過專家調查、數學模型的建立,繼而經過模糊數學多層次綜合評判得到如下結論:
  (1)在我省現有的施工技術水平下,高等級公路尤其是高速公路應優先選用瀝青砼路面。水泥砼路面若采用先進施工設備,能確保路面質量及車輛行駛質量的前提下,在高等級公路中修建部分水泥砼路面也是可行的。
  (2)在高等級公路路面選型中,行駛質量已成優先考慮的因素。瀝青砼路面在行駛質量方面明顯優于水泥砼路面,水泥砼路面在我省現有施工裝備、技術水平下,難以獲得較好的平整度。
  (3)根據計算結果,我省高等級公路兩類路面初期投資非常接近。一般情況下,水泥砼路面每m2造價僅比瀝青砼路面高5%~9%,瀝青砼路面若采用優質進口瀝青,則其初期投資已超過水泥砼路面。 (4)根據調查歸納,瀝青砼路面路況指數要比水泥砼路面高15%左右。
  (5)水泥砼路面的水穩定性明顯優于瀝青砼路面,因此受水侵害嚴重的低路堤路段應優先選用水泥砼路面。
  (6)從節約能源的角度,應優先選用瀝青砼路面。

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