沥青路面摊铺的平整度传递规律及其预测与控制.doc

工程机械理论第六章 沥青路面摊铺的平整度传递规律及其预测与控制路面平整度是评价路面使用性能的一个重要指标，它直接影响着车辆在路面上的行驶质量和高速公路基本功能的充分发挥因此路面平整度的改善和提高一直作为沥青路面施工中的一项关键技术而受到公路科技界关注和重视尽管已经存在着不少有关沥青路面平整度的研究文献，但在施工过程中进行大规模的试验研究，特别是将影响平整度的基本因素分离出来，在获取大量试验数据的基础上对它们的传递规律进行概率统计分析至少在国内还没有这样做过提高沥青路面平整度和研究其传递机理与规律的试验研究，对于提高沥青路面的施工技术，使之建立在更为科学的基础上，无疑有着重要的理论指导意义和工程应用价值§6.1影响沥青路面平整度的基本因素 路面的平整度是一项综合性指标，涉及到施工过程各个环节的许多因素，它是路面施工全过程各个环节质量的最终体现然而尽管造成路面不平整的因素众多而复杂，但从影响的根源和机理上来分析，主要来自以下三个最基本的源泉6.1.1 摊铺作业与基准方面的因素 沥青摊铺机的摊铺作业是通过浮动熨平板与热沥青混合料的相互作用来进行的浮动熨平板的工作原理如图6-1所示。

当摊铺作业处于稳定工况下，作用在浮动熨平板上的各外力(拖点牵引力P、熨平板重力W、水平摊铺阻力H、垂直摊铺阻力V、料堆推移阻力H1)对牵引点O的转矩处于平衡状态，熨平板的位置保持稳定不变，摊铺厚度是一常值上述力平衡关系的任何破坏都会导致熨平板位置的变化而影响摊铺路面的平整度从破坏力平衡的角度出发，影响摊铺平整度的基本因素无非是摊铺阻力(H与V力之合力)的变化，包括它的大小和方向;料堆推移阻力及其作用点的变化，牵引点o的高度变化对引起上述基本变化的原因又可进一步作以下分析：（1）引起摊铺阻力波动的主要原因首先是摊铺速度的波动，其次则是混合料组成的不均匀和温度的不均匀(粘度的变化)，这些都会引起混合料内部以及混合料与熨平板之间的摩擦力和粘性力的变化;（2）料堆推移阻力及其作用高度的波动主要是由于混合料供给量和分料量的变化而引起熨平板前方料堆大小和料位高度发生变化而造成的； （3）牵引点高度的变化则是由于摊铺机行走在高低不平的支承面上而引起的 从以上的分析中可以看到，为了获得平整的摊铺表面，从摊铺机的操作方面来说，就应尽可能地保持摊铺机的稳定作业，亦即稳定的摊铺速度、稳定的刮板输送器供料量、稳定的螺旋输送器送料量，从而保持熨平板前方料堆大小和料位高度的恒定不变。

从热拌混合料的质量控制来说，则要求搅拌设备生产的热拌混合料，其集料级配、沥青含量以及混合料的温度尽可能保持均匀，而且在运输和摊铺过程中不发生集料的离析和混合料温降的不均匀在早期生产的摊铺机，上述因素的控制全靠操作手的熟练技巧来实现，而支承面的凹凸不平则只能依靠浮动熨平板的滤波作用来减弱这些无疑是困难的，而且也不可能获得很高的调节精度，因而摊铺路面的平整度也较差现代高性能的摊铺机由于采用了机电液一体化的自动控制技术，在性能上有很大改善，这些自动控制装置主要有摊铺行走速度的自动调节装置、混合料供给量和料位高度的自动调节装置以及针对牵引点高程干扰和混合料阻力变化而设置的熨平板自动调平系统虽然带有上述装置的现代摊铺机其松铺层表面的平整度可达到很高的水平，但是自动调节系统本身也不可能没有一点误差，因而影响摊铺表面平整度的基本因素或多或少依然存在，摊铺出来的路面也不可能是绝对平的 对于装有熨平板自动调平装置的摊铺机来说，调平系统的参考基准本身也不可能是绝对准确的，它的误差显然也是引起铺筑路面不平的一个重要来源通常有三种方法用来建立摊铺机自动调平系统的纵向参考基准:固定在路面侧边的弦线基准、沿着接缝相邻路面滑动的调平滑靴基准和均衡梁式移动参考基准。

弦线参考基准本身的误差主要来源于挂线支撑立杆的高程误差和弦线的挠度误差前者包含了水准标尺的误差、测量读数的误差和立杆的安装误差;后者则包含了弦线的张紧度、传感器对弦线的压力及其在弦线上滑移所引起的误差对于调平滑靴基准来说，误差主要来源于滑靴支承表面的不平整以及由于滑靴的跳动等原因引起的误差 图6-1浮动熨平板工作原理 图 6-2平均化处理的高频滤波作用 对于均衡梁式的移动参考基准，误差的主要来源虽然与调平滑靴相同，但由于经过多次平均化处理，特别是现代的跨越式均衡梁基准采用了多滑靴弹性浮动支承的结构和大大加长了均衡梁的长度以及跨接于熨平板前后分别支承在未铺和已铺路面上的结构，极大地改善了参考基准的精度平均化处理实际上起了一个滤波器的作用，它可以将支承面凹凸不平的高频波滤掉但仍留下缓慢变化的趋势项(见图6-2)从图6-2中可以看到经过平均化处理后路面平整度的高频部分没有了，但缓慢变化的趋势项仍继续存在因此，当采用调平滑靴基准和平均梁式基准时都不可能校证高程的偏差，但却能较好地改善车辆在其上行驶的平顺性，因为缓慢变化的趋势项并不影响车辆的颠簸。

20世纪九十年代末开发的非接触式均衡梁采用连续发射超声脉冲的方法来检测固定在熨平板大臂上均衡梁至路面的距离，并通过信号处理的方法进行平均化处理同样可以得到一条虚拟的基准线，而且大大简化了结构以及均衡梁的安装和操作，是一种很有发展前景的移动基准最后需指出的是，以上所讨论的在摊铺作业过程中影响路面平整度的各种因素都将最终反映在松铺层的平整度上6.1.2 碾压作业方面的因素 碾压作业方面的因素可以分成两类一类是通过材料的压缩传递到成型路面上来的，另一类则是在碾压过程中直接加到成型路面上的 属于前者的有以下三方面的因素： (1)施加给铺层材料的压实作用不均匀，亦即材料所受到的压实力或压实功不一致导致这种不一致的原因主要是碾压参数(速度、频率、振幅等)和碾压工艺的不一致 (2)松铺层混合料的密度和力学特性不均匀，亦即材料抵抗压实的性能不一致导致这种不一致的原因有松铺层混合料的预压密实度不均匀;混合料的材料离析和温度离析 (3)松铺层的厚度不均匀，这种不均匀是由于松铺层和下层路面不平整所造成的前两方面的因素最终都将归结为铺层材料压缩比(松铺层混合料密度与压实后混合料密度之比)的变化，亦即它们的影响最终是通过压缩比的不均匀反映出来的。

后一方面的因素则是直接通过压缩量的变化传递给成型路面的 在碾压过程中还有另一类因素，它们的影响机理与第一类完全不同，这些因素的影响不是通过压缩比或压缩量的变化传递给成型路面的，而是在碾压过程中碾轮直接引起的铺层材料隆起或凹陷此种情况通常是由于材料的推移和压路机操作不当造成的 在碾轮与混合料的相互作用中碾轮为克服滚动阻力会产生一定的切向推力，这种切向推力在被动轮上远较驱动轮为大，所以通常不应用被动轮来对沥青材料进行碾压此外，在变换碾压方向时制动、停车、反向加速所引起的惯性力以及上、下坡时的爬坡阻力都会导致滚轮对材料切向推力的增大，从而引起材料的推移在机手的操作方面，，急剧的起步、制动、在热铺层上停车、漏压或过度碾压、在变换碾压方向时没停止振动机构的工作等操作不当的情况，也会在成型路面上引起鼓包和压痕等缺陷所有上述各种因素引起的路面材料隆起和凹陷都将直接叠加到成型路面的平整度上6.1.3 下层路面不平整的影响下层路面凹凸不平对成型路面平整度的影响是通过不同渠道传递给成型路面的: (1)作为摊铺机行驶的支承表面，下层路面的凹凸不平将使熨平板大臂牵引点的高程发生变化，从而导致熨平板仰角的变化而影响摊铺表面的平整度。

(2)作为移动基准的支承表面，下层路面的凹凸不平将引起基准本身的误差，从而影响摊铺表面的平整度 以上两方面的因素都是通过松铺层表面的不平整传递给成型路面的 (3)下层路面的凹凸不平还会影响松铺层的厚度发生变化，从而导致混合料压缩量的变化，而反射到成型路面上来，所以它的影响是通过碾压过程压缩量的不同传递给成型路面的 从以上对影响沥青路面平整度因素的分析中可以指出:影响沥青路面平整度的因素十分众多，而且大多数带有很大的随机性，它们都是通过一些基本渠道传递给成型路面的，而压实过程则是完成此种传递过程的最终环节§6.2沥青路面平整度的传递机理6.2.1 理想条件下下层路面平整度的传递设有一铺设并压实好的下层路面，它的表面是凹凸不平的(如图6-3所示)，现来考察当在其上铺设一层新的路面经压实后，上层路面的平整情况此时假设在理想情况下，摊铺后的表面是绝对平整的，而且路面上每一点的材料在压实前的密度是完全相同的，而在压实后各点的密度同样是绝对一致的由于底层表面的凹凸将导致松铺层厚度的差异，在凹处的厚度较大而在凸处的厚度则较小显然，在同样的压实度下，铺层较厚处的压缩量较大而铺层较薄处的压缩量则较小。

这样，下层路面的凹凸不平将以某种相似的规律反映到压实后的上层路面上来，只是凹凸不平的程度会有下降而已 图 6-3理想情况下下层路面平整度的传递原理 图6-4 路面单元柱体受压缩的情况实际上在上述理想情况下，这种凹凸不平的传递是可以计算出来的当松铺路面结构材料受到垂直压缩力的作用时，它处于三向压缩的状态由于路面两个横向的法向应力可以视为相等，则当在路面上任取一单元柱体进行考察时(图6-4)，其压实后和压实前的体积之比存在着以下关系： （6-1）式中：V′——所考察柱体压实后的体积； V —— 所考察柱体压实前的体积； ——路面结构材料的竖向应变；μ—— 路面结构材料的横向和竖向应变之比（泊桑比）设松铺层材料的密度为，压实后的密度为，则 （6-2）式中：——所考察的柱体的质量由式（6-1）可得 （6-3）将表达式（6-2）代入式（6-3），经整理后可得 （6-4） 从式（6-4）中可看到如密度和均为不变的常数，则压缩量与松铺厚度成正比。

将式（6-4）推广到图6-3的情况，则有： （6-5） （6-6）将式（6-6）代入式（6-5），经整理后可得上层路面平整度传递量ΔH2′的表达式如下： （6-7）或 （6-8）式（6-8）是一个无量纲相似不变量的表达式，它表明在理想情况下平整度传递是服从相似准则规律的6.2.2 理想条件下松铺层平整度的传递 摊铺表面的不平整显然同样会反映到压实后的表面上来，但并不是简单地叠加在从下层反射上来的路面谱上，因为通过碾压过程这种不平整同样会因压缩而得到减缓图6-5显示了摊铺表面的凹凸不平在压缩过程中被减缓的情况从图6-5中可看到在假定下层表面绝对平整和材料密实均匀一致的情况下，摊铺表面的凹凸不平同样会相似地再现在压实后的表面上 图6-5 摊铺表面不平整的传递原理实际上摊铺表面平整度的传递量同样可按6.2.1的方法计算如下从图6-5中可知与松铺层厚度相应的压缩量为，而根据式（6-4）可得： （6-9） (6-10)将式（6-10）代入式（6-9），经过整理后即可得。