公路养护技术与管理

学习情境一 车辆荷载对公路技术状况的影响

公路是国家经济发展和现代化建设的重要基础设施，是为汽车运输服务的线形工程结构物。公路竣工并交付使用后，在反复的行车荷载作用和自然因素的影响下，特别是交通量和轴载的不断增加，以及部分筑路材料的性质衰变，加上在设计、施工中留下的某些缺陷，公路的使用功能逐渐下降。

作用于公路上的车辆荷载主要有：

1、垂直荷载——行驶的车辆通过车轮传递给路面的垂直压力，其大小主要取决于车辆的类型和轴载。

2、水平荷载——由于车辆的起动、制动、变速、转向以及克服各种行车阻力作用于路面的水平力。其大小除与车辆的行驶状况和轮胎性质有关外，并与路面的类型及其干湿状况有关，最大时可达车轮垂直荷载的0.7-0.8倍。

3、冲击荷载——汽车行驶时自身产生的振动以及路面不平整使车辆产生颠簸，这些作用都对路面产生动压力，其值与车速、路面子整度和车辆的减振性能有关。车速越高、路面的平整度越差，对路面产生的动压力就越大。车辆垂直动压力与其静压力的比值，称做动荷系数。在较平整的路面上，车速不超过50km／h，动荷系数一般不超过1.30；在车速高、平整度差的路面上，动荷系数可能接近甚至超过2.0。

4、真空荷载——车辆行驶时在车轮的后方与路面之间暂时形成真空，于是产生了对路面结构具有破坏作用的真空吸力，对于中、低级砂石路面，这种吸力往往会导致路面骨料松动，致使路面结构逐步发生破坏。

上述作用在路面上的动荷载，其作用力大小与车轮着地长度、车速、交通量大小、路面的平整度和结构类型密切相关。 

自然因素对路面的影响主要有温度、湿度变化、风力和雨雪、空气污染、地震力等，此外，阳光对沥青路面技术性质的变化也有着重要影响。

暴露于大气中的路面，直接经受着大气温度的影响。路面温度随气温一年四季和昼夜的周期性变化而变化，并沿路面厚度方向产生温度梯度。通常，路面的最高温度和最低温度分别出现于每年的7月份和1月份，根据观测资料可知，由于路面对太阳辐射热的吸收作用，沥青路面的最高温度可比气温高出23℃，水泥混凝土路面高出14℃左右。上海地区根据气温变化，对上述两类路面最高温度进行了实测回归，并得出公式：

水泥混凝土路面 Tmax=8.67+0.728Ta14+0.027Q

沥青混凝土路面 Tmax=8.67+0.847Ta14+0.124Q

式中：Tmax——路面最高温度(℃)；

Ta14——14：00时的气温(℃)； 

Q——太阳日单位面积上的辐射热(J／cm2．d)

美国战略公路研究计划(SHRP)规定，对于沥青路面，采用路表下20mm处一年中连续7d最高温度的平均值T20。作为路面的高温设计温度，并以纬度(1at)为参数，建立了T20mm与气温Tair的关系式：

T20mm =(Tair—0.0618／at2+0．0098／at+42.2)×0.9545—17.78

冬季的最低温度发生在路表，并等于最低气温。

水对路基路面的作用主要来自大气的降水和蒸发、地面水的渗透以及地下水的影响。当 路基内出现温度差时，在温差作用下水还会以液态或汽态的方式从热处向冷处移动和积聚，从而改变路基的湿度状态。

一、车辆荷载作用分析

在车轮垂直荷载作用下，路基将产生压缩和弯曲。柔性路面因其材料的粘弹性质不仅产 生弹性变形，还将伴随加载时间产生滞后弹性变形和不可恢复的塑性变形。在多次加载和卸 载的过程中，如果压力不超过一定的限度，不可恢复的变形逐渐变小，而弹性变形增加，使 路面密实度得到增加而强化。但当压力超过一定限度时，就会发生很大的不可恢复的塑性变 形。在多次重复荷载作用下，路面可因竖向塑性变形的累积而逐渐产生沉降。对于采用粘土 做结合料的碎石、砾石路面在雨季潮湿状态下，以及沥青路面在夏季高温时表现尤为明显。 高等级公路的沥青路面，由于渠化交通的作用，可导致车辙产生。

对于水泥混凝土、沥青混凝土以及半刚性等整体材料的路面，在车轮垂直荷载作用下将产生弯拉变形。当荷载应力超过材料的疲劳强度时，路面将产生疲劳而开裂破坏。重复作用的荷载次数越多，材料可以随疲劳作用的强度则越小，两者成双对数的线性反比关系，用公式表示为：

N=K(1/σ)n

式中：N——荷载重复作用次数；

σ——材料疲劳强度，(MPa)；

K、n,——决定于试验条件和材料特性的实验常数。

行车产生的水平力主要作用在路面的上层，引起路表面变形而影响其平整度。

水平力对路面的影响，首先表现在对路面的磨损上。路面的磨损主要是由车辆在行驶过 程中车轮产生滑移造成的。强烈的路面磨损发生在车辆的制动路段上，如公路的下坡段，小半 径平曲线和交叉口进口段以及通过居民点和交通稠密的路段上；在曲线上，因车辆铜向滑移也可使路面产生磨损。在不平整的公路上，由于行驶的车轮轮胎表面通过的距离比车轮中心通过的距离要“加长”，以及因振动在车辆向上颠簸时使车辆的压力减小，都将引起车轮滑移对路面产生磨损。

路面的磨损除了受行车的作用外，大气因素诸如雨水冲刷和风蚀也是重要的因素，同时在很大程度上还与路面的类型及材料的性质有关。石料愈耐磨，路面磨损越小。在相同的条件下，碎、砾石等中、低级路面的磨损量最大，水泥混凝土路面较小，沥青路面则最小，而采用石油沥青可比煤沥青减小磨损约达2/3。

路面磨损不仅使路面材料受到损失并使厚度减薄，而且由于外露石料表面被磨光，使路面的摩擦系数衰减，从而影响行车安全。

在车轮垂直力与水平力等的综合作用下，路面将产生较大的剪应力。当剪应力超过面层与基层层间接触的抗剪强度或面层材料的抗剪强度时，路面面层将沿基层顶面产生滑移或面

图1-1 行驶车轮的水平力使路面表面碎石产生拉脱

层材料本身产生剪切变形，使路面表面形成壅包以至波浪。车轮的水平力还可使路面的表面粒料产生拉脱，这种情况多产生于粘结力较弱的碎石、砾石和沥青碎石路面中，如图1-1所示。

路面在受到水平力的作用后，碎石被迫绕着支点O转动；在动力的重复作用下，逐渐松动而被拉脱，进而逐渐扩大以至形成坑槽。在雨天泥泞时，沾带粘土的车轮行驶在碎石、砾石 路面上，也可使其表面粒料产生拉脱。 

在车轮垂直力与水力平的综合作用下，在路面中将产生较大的剪应力。当剪应力超过面层与基层间接触的抗剪强度，或面层材料的抗剪强度时，路面面层将滑基层顶面产生滑移，或面层材料本身产生剪切变形，使路面表面形成壅包以至波浪。前者多产生于沥青面层厚度较薄、层间结合不良的路段，后者多产生在面层厚度较厚，或厚度虽薄但层间结合良好的以级配砾石铺筑的路面或沥青路面上。这类路面材料的强度除由粒料颗粒间的摩阻力提供外，在很大程度上还依赖于结合料的粘结力。由于粘结力易受水温条件变化的影响，使材料的抗剪强度下降，从而导致路面的失稳变形。在我国干旱的西北、内蒙等地区或南方多雨地区的级配砾石路面上出现的搓板，以及一些沥青混凝土路面，特别是当细料和沥青含量偏多或沥青稠度过低时，在夏季高温季节常产生壅包、波浪变形，其原因就在这里。

按碎石嵌挤原则铺筑的碎石路面和沥青碎石路面，由于其强度主要由碎石之间的嵌挤力和内摩阻力构成，受水温条件的影响较小，因而通常很少出现这类变形病害。

路面所以会出现有规律的波浪变形，即通常所称的搓板现象，是与汽车系统重复地产生一定频率的振动和冲击有关。在汽车的这种动力作用下，周轮胎对路面的水平推移、磨耗及真空吸力等作用也具有相应的规律性，从而使路面产生有规律的波浪变形而形成搓板。特别是路面的不平整，将使汽车的振动与冲击作用加剧，水平推移与真空吸力作用也随之增大，从而加速了路面搓板的形成与发展。’路面搓板在中、低级的砂石路面上较为普遍，波长多在0．75m左右，它与公路上行驶的汽车的速率和发动机的工作状况有关。

汽车产生冲击、振动的能量，大部分消耗在轮胎和弹簧的变形上，部分作用于路面，使路面产生周期的振动运动，并在路面中产生周期性的快速变向应力。动力作用对路面的影响与路面的刚度有关，路面的刚性愈强，对路面的破坏性就愈大。由于路面的振动，可能产生对路面强度有危险的应力，使水泥混凝土路面出现发纹，碎石路面降低其密实度，潮湿的路基土在受到振动后引起湿度的重分布而可能危害路面，并使路基土挤入粒料垫层而影响其功能。沥青路面由于具有较大的吸振能力，因而振动对它的影响较小，实际上它起到了车轮冲击、振动的减振器作用。

当汽车产生周期性动力作用的频率与路面的固有振动频率相接近时，路面将发生振幅和加速度很大的共振，对路面可以产生较大的破坏作用。产生共振时汽车的临界速率为：

—— 临界速率(m／s)；

——路面变形的波浪长度(m)；

——轮胎刚性模量(kN／m)；

——重力加速度，取9.81rm~s2；，

——轮胎荷载（KN）

学习情境二、自然因素影响分析

公路路基和路面的物理力学性能随着水温状况而变化。当路基受到严重的水浸湿时，其 强度和稳定性会迅速下降，并导致路基失稳，引起坍方、滑坡等病害，对于土基承受荷载较大的柔性路面，常因承载能力不足，在车轮荷载作用下使路面产生沉陷V有时在沉陷两侧还伴有隆起现象。严重时，在沉陷底部及两侧受拉区发生裂纹，逐步形成缴裂，并逐渐发展成网裂。

对于水泥凝土路面，则可因土基出现较大的变形，特别是不均匀的变形时，’使混凝土板产生过大的荷载应力；从而导致断裂。 

在北方冰冻地区，在有地下水作用的情况下，冬季将使路基产生不均匀冻胀，路面被抬高，以致产生冻胀裂缝，严重时拱起可达几十厘米；在春融季节则产生翻浆，在行车作用下路面发软，出现裂缝和冒泥现象，以至路面结构遭到全部的破坏，使交通中断。

在非冰冻地区，中、低级粒料路面在雨季、潮湿季节，强度和稳定性最低；路面容易遭到破坏，而在干燥季节，路面尘土飞扬，磨耗严重，影响行车视线并污染周围环境。

沥青路面虽可防止雨水透渗，但亦阻止了路基中水分的蒸发，在昼夜温差的作用下、路基中的水分以汽态水形式凝聚于紧挨面层下的基层上部，改变了基层原采的湿度状况。当基层采用水稳性不良的材料时，会导致路面的早期破坏。

沥青路面在浸水的情况下，可使其体积松胀，并削弱沥青与集料之间的粘附性，从而降低沥青混合料的物理力学性能。水对粘附性的影响，主要决定于沥青的性质和集料粘附性能，同时与集料的吸水性能也有关。通常，煤沥青比石油沥青，碱性矿料比酸性．矿料有较好的粘附性。根据试验，对于国产的石油沥青，其粘附性大小，按产地不同，一般有如下的顺序规律：克拉玛依沥青、单家沥青、辽河沥青>欢喜岭沥青>茂名沥青>兰炼沥青>胜利沥青；各种岩性矿料的粘附性顺序为：石灰岩>安山岩>玄武岩>片麻岩>砂岩>花岗岩>石英岩。当水中含有溶盐时，会使沥青产生乳化作用，从而加剧沥青的熔蚀作用。 

水泥混凝土路面接缝渗入雨水后，使基础软化，在频繁的轮载作用下，路面出现错台或脱空、唧泥等现象，并导致板边产生横向裂缝。 

沥青路面在冬季低温时，强度虽然很高，但变形能力则因附性增大而显著下降。当气温下降，路面收缩时受基层约束，从而产生累积温度应力，当其超过沥青混合料的抗拉强度时，将使路面产生一定间距的横向裂缝，水分浸人裂缝后，基层和土基承载力下降，遂使裂缝边角产生折断碎裂。影响低温缩裂缝的主要因素一是沥青混合料的性质，：包括沥青舶性质和用量、集料的级配；二是当地的气候条件，包括降温速率、延续时间、最低气温和每次降温的间，隔时间等。

此外，路面的老化程度、结构条件与路基土种类也有一定的影响。 

采用无机结合料半刚性基层，可因其干缩和温缩产生的裂缝，从而引起沥青面层出现反射裂缝。发生路面反射裂缝现象，除与半刚性基层材料的收缩性能有关外，还与面层的厚度和采用的沥青性能有关。通常，半刚性基层采用水泥和石灰、粉煤灰稳定的材料比采用石灰材料收缩性小；稳定粒料、粒料土比细粒土的收缩性要小，同时，含水量、密实度和稳定剂用量对收缩也有较大影响。 

温度的变化同样要引起水泥混凝土路面板的胀缩变形。当变形受阻时，使板内产生胀缩 应力和翘曲应力。由于水泥混凝土是一种拉伸能力很小的脆性材料，为子减小其温度应力，避免板自然开裂，所以需把板体划成一定尺寸的板块，并修筑各种接缝。当板块尺寸设置不当或接缝构筑质量不合要求时，也会使板体产生断裂，并引起各种接缝的损坏。

拌制的水泥混凝土混合料的水分过大，或在施工养生期水分散失过快时，也会引起混凝土板的过大收缩和翘曲，使板的表面产生发状裂纹，以致早期发生断裂情况。

在阳光、温度、空气等大气因素作用下，引起沥青路面老化，使沥青丧失粘塑性，路面 变得脆硬、干涩、暗淡而无光泽，抗磨性能降低，在行车荷载作用下相继出现松散、裂缝以 致大片龟裂。日照愈强烈、气温愈高、空气愈是干燥和流通，则路面老化的速度愈快；沥青 中不饱和烃及芳香烃愈多，混合料空隙越大，以及矿料中含有钼、铁等盐类时，则路面愈易 老化。 

由上述可知，公路在使用过程中，所受的行车和自然因素作用是十分复杂的，往往并非单一因素的作用，而是多种因素的综合作用。在这些因素的作用下，导致公路各种病害和发生损坏现象。因此，在进行公路养护维修时，首先应运用这些基本知识，分析损坏的原因，并区别是 属于功能性的损坏或是结构性的损坏，以及损坏是发展性的还是非发展性的，只有这样才能制定有效可行的养护措施

任务二 公路养护工作的任务及其工程分类

学习情境一 公路养护的任务

公路是国家现代化建设的重要基础设施。根据我国经济和社会发展对交通运输的要求 建立起适合中国国情的现代化综合运输体系，缓解我国交通运输紧张的新局面，公路交通建设最关键的有两方面：一是加快高等级公路的建设，提高路网技术水平；二是切实加强对建成公路的养护管理，改善路网结构，保障交通畅通。显而易见，一手抓建设，、一手抓养护，建养并重协调发展，是确保公路事业稳步发展的重要措施。公路越发展，越需要加强养护；随着技术进步，应当采用先进技术，加快公路养护现代化步伐。

公路养护与管理的目的，就是运用先进的技术和科学的管理方法，合理的分配和使用养护资金，通过养护维修使公路在设计使用年限内经常保持完好状态，并有计划地改善公路的技术指标，以提高公路的服务质量，最大限度地发挥公路的运输经济效益。公路养护的任务具体地包括以下内容。

从上述目的出发，公路养护管理的主要任务有：

1．进行路况及管理设施调查，通过管理数据库，建立公路及设施的综合评价体系。

2．根据公路及设施的运营状况，制订可行的养护计划和规划，实施有针对性的及时养护，保证公路健全的服务功能。

3．不断探索新的养护技术与管理措施，积极采用新技术、新材料、新工艺、新设备，以最经济的方式达到最佳养护效果。

4．努力推行并建立合理、高效的机械化养护方式，不断提高机械配备率的机械作业占有率，保证公路养护的速度与质量。

5．建设一支能适应公路现代化养护的管理队伍，变被动养护为主动养护，变静态养护为动态养护，达到养护的高标准、高质量、高效率、高机动性。

学习情境二 公路养护的分类

公路养护工程按其工程性质，规模大小，复杂程度不同，各国有不同的分类方法。我国对公路养护的过程分为小修保养、中修、大修和改善四类，其划分原则如下：

1．小修保养工程：对管养范围内的公路及其沿线设施经常进行维护保养和修补其微损坏部分，使之经常保持完好状态。通常是由养路道(渡)班(站)在年度小修保养定额经费内，按月(旬)安排计划经常进行小修保养。 

2．中修工程 

对公路及其公路设施的斗艇性衅损和局部损坏进行定期的修理加固，以恢复原状的小型工程项目。它通常是由基层公路管理机构按年‘季)安排计划并组织实施的工作。 

3、大修工程 

对公路及其工程设施．的较大损坏部分，进行周期性的综合修量，以全面恢复到原设计标准，或在原技术等级范围内进行局部改善，或个别增建设施i以逐步提高公路通行能力的工程项目。它通常是由基层公路管理机构或在其上级机构的帮助下根据批准的年度计划和工程预算来组织实施的工作。

4．改善工作 

对于不适应交通量和轴重需要的公路及其工程设施，分期逐段提高技术等级，或通过改善显著提高其通行能力的较大工程项目。它通常是由省级公路管理机构，或地(市)级公路管理机构根据批准的计划和设计预常，组织实施或招标完成的工作。

具体的公路养护工程分类见表1-1。对于当年发生的较大水毁等自然灾害的抢修和修复工程，可另列为公路水毁工程专项办理。对当年不能修复的项目，则转入下一年度的中修、大修或改善工程计划。

公路养护工程分类 表1-1

我国现阶段公路养护工作的方针是“全面规划，加强养护，积极改善，重点发展，科学管理，保证畅通”和“普及与提高相结合，以提高为主”。因此，各级公路管理机构都应把公路的养护和技术改造作为首要任务。 

根据公路建设工作总方针的要求，公路养护工作的方针是“以预防为主，防治结合”。为此应根据积累的技术经济资料进行科学分析，预作防范，消除导致公路损毁的因素，增强公路设施的耐久性，提高抗御灾害的能力。

基于上述方针，公路养护技术主要可归纳如下：

1. 因地制宜、就地取材，尽量选用当地天然材料和工业废渣，充分利用原有工程材料和原有工程设施，以降低养护成本。

2. 应用和推广先进的养护技术和科学的管理方法，改善养护生产手段，提高养护技术水平。

3. 重视综合治理，保护生态平衡、路旁景观和文物古迹，防止环境污染，注意少占农田。

4. 全面贯彻执行《公路桥梁养护管理工作制度》，加强桥梁的检查、维修、加固和改善，逐步消灭危桥。

5. 公路的改善提高应符合国家有关公路技术改造的方针、和现行《公路工程技术标准》(JTGB01—2003)的规定，施工时应注重社会效益，保障公路畅通。

6. 养好路面是养路工作的中心环节，是质量考核的首要对象。

在采取公路养护工程的技术措施时，应遵循下列原则：

1. 认真开展路况调查，分析公路技术状况，针对病害产生的原因和后果，采取有效、先进、经济的技术措施。

2. 加强养护工程的前期工作以及各种材料试验和施工质量检验与监理，确保工程质量。

3. 推广路面、桥梁管理系统，逐步建立公路数据库，实行病害监控、决策科学化，让有限的资金发挥最大的经济效益。

4. 推广GBM工程，实施公路的科学养护与规范化管理，研究、推广先进合理的公路养护作业形式。 

5. 认真搞好公路交通情况调查工作，积极开发、采用自动化观测和计算机处理技术，为公路规划、设计、养护、管理、科研和社会各方面提供全面、准确、连续、可靠的交通情况信息资料。

6. 提高养护机械化水平，管好、用好现有的养护机具设备，积极引进、改造、研制新型养护机械。

7. 加强对交通设施(包括标志、标线、通讯、监控等)、收费设施、服务管理等设施的设置、维护、更新工作，保障公路应有的服务水平。

【小结】 

随着高等级公路运营时间的增加和自然因素的作用,公路会出现各种病害,为满足汽车荷载行驶的需要,必需对公路进行养护和维修。为保持路况及设施完好而进行日常养护。本章描述了公路养护的目的、任务和公路养护的分类。分析了行车荷载和自然因素对公路技术状况的影响。说明了我国公路养护的现状和发展方向。