1、中國圖書分類號：u418.6國際圖書分類號：625.7工學碩士學位論文預防性養護最佳時機的確定方法研究碩 士 研 究 生： 張國梁導師： 馬松林 教授申 請 學 位： 工學碩士學 科 、 專 業： 道路與鐵道工程所 在 單 位： 交通科學與工程學院答 辯 日 期： 2007 年 7 月授予學位單位： 哈爾濱工業大學classified index: u418.6u.d.c.: 625.7dissertation for the master degree in engineeringstudy on the method ofdeterminating optimal timingof pre

2、ventive maintenancecandidate：supervisor：academic degree applied for：specialty：affiliation：date of defence：degree-conferring-institution：zhang guoliangprof. ma songlinmaster of engineeringroad and railway engineeringschool of transportation scienceand engineeringjuly, 2007harbin institute of technolo

3、gy哈爾濱工業大學工學碩士學位論文摘要隨著我國交通基礎設施建設的大規模展開以及我國經濟實力的增強，對現有公路進行預防性養護，提高其使用壽命，越來越受到相關部門的重視。預防性養護技術在美歐等發達國家的發展已經相當成熟，為了降低道路養護成本，提高道路的經濟效益，很多國家都在大力發展預防性養護技術。預防性養護在我國起步雖然晚一些，但發展速度非常快，從材料設計到施工技術設備均已達到國外同等水平。研究過程中以黑龍江預防性養護課題為依托，收集黑龍江和吉林兩省的大量稀漿封層養護數據。在分析已有路況數據的基礎上，以稀漿封層養護方式為例，對預防性養護的適用條件進行了探討，得到了強度和破損的關系以及針對預防性養護

4、的適用條件。結合經濟分析原則和預防性養護的特點，總結出預防性養護經濟效益評價和方案比選所用費用類型應滿足的原則，即：與路況性能密切相關和便于量化計算的原則。在此原則下，選取了適宜的費用類型，給出了相應的費用計算模型，得出了具有實用價值的預防性養護費用計算框架。為預防性養護方案經濟效益的量化比選找到了一條實用的途徑。由于預防性養護措施并非任何條件下都適用，實施的時機不當，不僅達不到預期的使用效果，而且會造成本已緊張的養護資金的浪費。國內目前對預防性養護的實施基本處于經驗判斷的層面上，沒有一套合理的、科學的評判策略。在分析國內外研究成果的基礎上，探討了在滿足預防性養護適用條件的前提下，以效益費用比

5、方法解決預防性養護最佳時機的選取問題。引入了預防性養護“效益面積”的思想，解決了預防性養護效益的計算過程中可能遇到的指標選取問題、權重分配問題、效益面積的計算問題、以及最低可接受水平問題和衰變模型問題后，最終建立了確定最佳預防性養護時機的效益費用比計算模型，提出效益費用比最大的預防性養護時機方案為最佳方案。以吉林省的稀漿封層養護路段為例，對效益費用比方法進行了運用，達到了預期的效果，給出了決策建議，印證了此方法解決預防性養護時機決策問題的有效性。關鍵詞預防性養護；適用條件；經濟效益；養護時機- i -哈爾濱工業大學工學碩士學位論文abstractwith the development of

6、transportation construction and economic power ofour country, correlation departments take high regards of the preventivemaintenance of highway for increasing useful life. the preventive maintenancetechnology is quite developed in west developed countries. for decreasing thecost of highway maintenan

7、ce and increasing the economic benefit, quite a lot ofcountries are developing the preventive maintenance technology. preventivemaintenance is developing very fast though late, and the technology of materialsdesign and construction has reach the level of developed countries.my study is based on the

8、preventive maintenance study in heilongjiang, andusing quite a lot of slurry seal maintenance data collecting from heilongjiang andjilin. rely on the analysis of data, with the maintenance of slurry seal as example,discuss about the application condition of the preventive maintenance, then getthe re

9、lation between strength and breakage and the application condition of thepreventive maintenance.combine the economic analysis principle and characteristics of thepreventive maintenance, sum up the principle that economic benefit evaluation ofthe preventive maintenance and the cost type of cases comp

10、are should satisfy. itis the principle contacted with the performance of pavement and convenient forcalculation. with this principle, choose adaptive cost type, give correspondingmodel of cost calculation, and get the valuable cost calculation frame of thepreventive maintenance.because the preventiv

11、e maintenance isnt applicable for any conditions, ifthe maintenance timing is not suitable, it will waste the cost bankroll while shortof expectant effect. nowadays in our country, the practice of the preventivemaintenance is on the experience level without any suitable and scientificevaluation meth

12、ods. based on the analysis of research in-country and out-country,with the presupposition satisfying the application of the preventive maintenanceused the method of benefit cost ratio to resolve the problem to choose theopportunity timing of the preventive maintenance. using area of benefit of thepr

13、eventive maintenance, resolved the problem of index choosing, proportion- ii -哈爾濱工業大學工學碩士學位論文distributing, and benefit area calculating in the calculation procedure of thepreventive maintenance, and the problem of adequacy accepting level and theproblem of model disintegration, then, set up the bene

14、fit cost ratio calculationmodel of the opportunity timing of the preventive maintenance, while confirmthe opportunity project is the preventive maintenance project with largest benefitcost ratio. using the slurry seal maintenance section in jilin as example, confirmthe validity of the method to reso

15、lve the opportunity maintenance timingchoosing of the preventive maintenance, and settle up the foundation of thesuitable and scientific methods of the preventive maintenance.keywordspreventive maintenance; the application condition; economicbenefit; the maintenance timing- iii-哈爾濱工業大學工學碩士學位論文目錄摘要 .

16、 iabstract . ii第 1 章 緒論 .11.1 課題背景及研究的目的和意義 .11.2 國內外預防性養護研究現狀及發展趨勢 .21.2.1 國外研究與應用現狀 .21.2.2 國內研究與應用現狀 .51.3 本課題主要研究內容 .5第 2 章 預防性養護的應用特點 .82.1 預防性養護的理念 .82.2 預防性養護的類型及應用特點 .102.2.1 預防性養護的類型 .102.2.2 預防性養護方式的應用特點 .102.3 稀漿封層技術 .122.3.1 稀漿封層的分類 .122.3.2 稀漿封層技術的發展概況 .122.3.3 稀漿封層的材料要求 .132.3.4 稀漿封層混合

17、料的應用特點 .142.4 本章小結 .15第 3 章 預防性養護的適用條件 .173.1 概述 .173.2 路面狀況評價指標及評價標準 .173.2.1 路面破損狀況 .173.2.2 路面強度 .183.2.3 路面行駛質量 .193.2.4 路面抗滑性能 .193.3 預防性養護的適用條件 .203.3.1 基于養護前路面狀況指數的分析 .203.3.2 基于養護前路面強度指數的分析 .22-iv-哈爾濱工業大學工學碩士學位論文3.4 本章小結 .27第 4 章 預防性養護的經濟效益 .284.1 費用組成 .284.2 養護費用分析 .294.3 用戶費用分析 .304.3.1 油耗

18、費用 .304.3.2 輪耗費用 .314.3.3 保修材料消耗 .324.4 費用分析框架 .344.5 實例綜合分析 .364.5.1 費用計算 .364.5.2 費用現值計算 .384.5.3 費用比較 .384.6 本章小結 .39第 5 章 預防性養護的最佳時機 .405.1 路面預防性養護時機的確定方法 .405.1.1 基于路況或時間的方法 .405.1.2 行駛質量指數和破壞指數法 .415.1.3 決策樹法 .415.1.4 排序法 .425.1.5 效益費用評估法 .425.1.6 生命周期評估法 .425.1.7 基于老化的方法 .425.1.8 預防性養護時機的選取方法

19、 .435.2 預防性養護效益的估算 .445.2.1 單指標分析 .445.2.2 多指標分析 .455.2.3 多指標體系中效益權重分配的ahp法 .475.2.4 最低可接受水平基線的選取 .495.2.5 性能指標的選用 .505.2.6 性能指標的衰變曲線 .515.3 預防性養護最佳時機的確定 .515.4 實例分析 .53- v -哈爾濱工業大學工學碩士學位論文5.4.1 決策指標的最低可接受水平 .535.4.2 未采取預防性養護性能指標衰變曲線回歸 .545.4.3 采取預防性養護后性能指標衰變曲線回歸 .555.4.4 達到最低可接受水平基線的時間的計算 .585.4.5

20、不同養護方案效益面積的計算 .595.4.6 分析期內費用計算 .615.4.7 最佳養護時機的確定 .615.5 本章小結 .62結論 .63參考文獻 .64附錄 .67哈爾濱工業大學碩士學位論文原創性聲明 .73哈爾濱工業大學碩士學位論文使用授權書 .73哈爾濱工業大學碩士學位涉密論文管理 .73致謝 .74-vi-哈爾濱工業大學工學碩士學位論文第1章 緒論1.1 課題背景及研究的目的和意義由于各種不確定因素的影響，例如設計缺陷、交通荷載、氣候因素等等，路面在使用過程中出現輕微車轍、開裂、骨料剝落等路面病害。如果養護不及時，這些病害會加速發展和擴大，造成整個瀝青面層、甚至基層結構的破壞。隨

21、著公路運輸在整個交通運輸行業中所占比例的增加，交通量及荷載的大小都發生了很大變化，我國早期修建的瀝青路面很大一部分強度不足，近期修建的路面由于材料及氣候等因素也經常出現路面大面積開裂的現象。但是由于我國目前處在公路基礎設施建設的高峰期，養護資金嚴重不足。這就造成了一方面需要加強改造的路面得不到及時補強，另一方面新建路面得不到及時養護難以保證其服務質量。在大規模公路建設時期，及時對現有路網進行有效的養護，保持路面完好率，控制養護成本尤為關鍵。養護不及時可能造成路網同時期損壞數量多，從而使可提供的養護費與實際需求的差距增大，形成惡性循環。美國曾經通過對幾十萬公里不同等級道路的路況跟蹤調查，發現這些

22、路面的使用性能和壽命有一個共同的變化特征。一個質量合格的路面，在使用壽命 75%的時間內性能下降 40%，這一階段稱為預防性養護階段。如不能及時養護，在隨后 12%的使用壽命時間內，性能再次下降 40%，從而造成養護成本 3-10 倍的增加。這一階段稱之為矯正性養護階段 1。可見預防性養護的重要地位。路面養護是為最大限度地延長路面壽命而有計劃進行的路面處理體系。它要求精心選擇養護步驟，仔細安排實施時間表，以最佳成本效益延長路面壽命。目前我國對小修和日常維護的費用投入比較少，而一些先進國家的小修費用和大修費用幾乎是相當的。例如：英國的高速公路壽命之所以比較長，正是由于他們重視小修補和日常維護 .

23、。具體這樣做的目的：一是減少銑刨攤鋪及罩面的次數，即使到了大修期也只需要翻修面層；二是推遲中大修的時間，延長路面的使用壽命。實踐證明，預防性養護不僅僅能維持好的路況，最終還會帶來好的效益。密西根運輸部門估計，大修和重建的費用是預防性養護的 1014 倍，自 1992 年密西根執行預防性養護計劃以來，節省資金超過 7 億美元。密西- 1 -哈爾濱工業大學工學碩士學位論文根運輸部門已經計劃到 2007 年提高路面維護技術，使 95%的高速公路和85%的非高速公路路況達到良好的狀態 2,3。江蘇省公路養護統計資料表明：國產改性稀漿封層厚度為 1cm時，其成本為 13.105 元/m2；而對路面維修時

24、其上、中、下層及補強層的銑刨成本分別為 4.63 元/m2、6.508 元/m2、6.618 元/m2和 16.133 元/m2，合計為 33.89元/ m2；瀝青混凝土上、中、下層及補強層攤鋪成本分別為 46.349 元/m2、59.724 元/m2、60.734 元/m2和 148.054 元/m2，合計為 314.86 元/m2(不包括銑刨廢料及瀝青混凝土的運輸成本 2.08 元/m3·km)，這些數字從另一側面說明了重視預防性養護的經濟意義。美國 shrp 計劃的一個重要成果就是指出了預防性養護在延緩路面使用性能惡化速率、延長其使用壽命和節約壽命周期費用方面的重要意義。根據s

25、hrp 計劃估算，在路面整個生命周期內進行 34 次的預防性養護可以延長路面使用壽命 1015 年，節約養護費用 45%50%。預防性養護是路面維護及路網管理策略中最有影響的部分，它通過延長原有路面的使用壽命來推遲重建和維修的時間。預防性養護可以優化資金分配，協調資金需求；還可以平衡路網的使用壽命，避免造成投資波動幅度很大的現象。研究預防性養護的重要意義可見一斑。1.2 國內外預防性養護研究現狀及發展趨勢1.2.1 國外研究與應用現狀大部分發達國家的公路網早就己經建成，全面進入維修養護時期。維修養護和新建一樣，需要一整套先進的科學技術，近年來尤其取得了令人矚目的發展和進步，其中多數為預防性養護

26、方面的。美國各州公路及運輸工作者協會(aashto)在 1999 年對 41 個運輸部門 進 行 了 調 查 ， 36 個 (85% )運 輸 部 門 己 經 制 定 了 路 面 預 防 性 養 護 計 劃(pavement preventive maintenance programs ) ，2 個運輸部門正在制定ppm計劃， 41 個運輸部門都已開始應用各種路面預防性養護措施。到目前為止，除了美國開始使用路面預防性養護技術外，南非廣泛使用了石屑封層，這項技術已用于日交通量在 50, 000 及以上的路面，其路面管理系統己經證明表面封層 (surface seals)對于維持路面壽命是一項有

27、效的措施。在澳大利亞，石屑封層應用得也很成功。加拿大在 20 年前就意識到路面預防性養護- 2 -哈爾濱工業大學工學碩士學位論文的好處，早在 70 年代晚期安大略省(ontario)運輸部就系統地應用預防性養護的觀念實施了一個路面管理計劃。在 80 年代早期，渥太華的市政部門就意識到及時進行路面預防性養護的重要性。近年來，美國的公路管理部門，包括聯邦公路管理局(fhwa)、路面維護機構(fp2:thefoundation of pavementpreservation)和美國各州公路及運輸工作者協會 (aashto)聯合發起推動實行路面預防性養護策略。為了推動預防性養護技術，已經在 6 個方面

28、資助了50 個研究子課題。fhwa、aashto和fp2 己經主辦過多次預防性養護專題討論會和論壇。為了解決預防性養護時機問題， fhwa資助了專門的項目nchrppi4-14 (the national cooperative highway research programproject14-14 )。同時，aashto、fp2 和fhwa用三年的時間另外再投資$350,000來支持預防性養護時機選擇的研究項目 47。預防性養護技術在國外特別是美歐等發達國家的發展已經相當成熟。為了降低道路養護成本，提高道路經濟效益，很多國家也在大力發展預防性養護技術。美國道路總里程長，一種技術能夠在不同交

29、通條件，自然環境和路面結構中得以應用和完善，國家規范較容易推廣，因此在預防性養護技術方面取得了很大成功。作為占有美國預防性養護瀝青市場 50%以上的科氏材料公司，在預防性養護材料和施工技術等方面代表了世界預防性養護技術發展的趨勢，最明顯的技術優勢表現為可根據不同等級路面、不同病害、不同骨料性質、不同氣候條件設計出不同養護措施，并確保最終的使用效果。瀝青路面預防性養護技術總的趨勢仍將沿著材料、工藝、設備三個方面向前發展 8。1.新材料(1) 對養護層來說應具備一定的抵抗車輪磨耗的能力。包括車輪刮落集料的顆粒、對集料顆粒的磨光作用，以及集料與粘結劑之間的相容性(亦即瀝青與集料的粘附能力)這些都直接

30、影響著養護層的抗滑性能 9，它的衰減速率以及與原路面之間結合的牢固程度；(2) 養護材料抵抗外部塑性變形的能力，亦即要求養護材料有足夠的粘彈性和延展性以便吸收由于溫度變化或原路面傳上來的變形和應力；(3) 養護層的密水性能，亦即防止水分透過養護層滲入路面的能力，這直接影響到養護層抗水損害的性能；(4) 養護材料在環境因素作用下耐老化的能力；針對上述要求，新的養護材料的開發重點是增強它的粘彈性、堅韌性以- 3 -哈爾濱工業大學工學碩士學位論文及與集料之間的粘附性能 10。高粘度橡膠瀝青的開發是新型養護材料的一個典型實例。橡膠瀝青亦稱瀝青橡膠，是一種高粘度和高粘彈性的粘結材料，且其粘度隨著橡膠屑含

31、量的增加而增大。目前瀝青橡膠已廣泛地應用于石屑封層、薄層罩面、應力吸收層、開級配的磨耗層等各種需要粘結劑具有高粘結力的場合，也是制作各種裂縫填封、接縫填封材料和密封膠的主要原料。2.新工藝預防性養護工藝未來的發展趨勢將沿著以下方向繼續取得進展。(1) 隨著乳化瀝青性能的不斷提高，預防性養護工藝將進一步向冷態施工的方向發展；(2) 引入某些新技術來解決養護作業中突出的矛盾和問題；(3) 采用多種工藝的復合，使不同工藝的優勢能得到互補進而彌補各自的缺點；在第一個方向上的最新例子可以舉出人們對橡膠瀝青進一步乳化所作的努力。如果這種努力能獲得成功，橡膠瀝青就可以移植到稀漿封層這樣的冷態施工技術中去，從

32、而取得更為廣泛的應用。在第二個方面為了解決粘結劑與集料更好裹覆的問題，提出了將細砂在乳化瀝青噴灑前先行混合的新概念 。 在 第 三 個 方 向 上 可 以 舉 出 國 外 開 普 封 層 (cap seal) 和 三 明 治 封 層(sandwich seal)等復合封層技術的發展。3.設備的新發展如何更好地滿足養護材料和工藝發展的要求，一直是推動養護設備技術進步的原動力。養護設備當今和未來的趨勢仍將沿著以下兩個方向：(1) 滿足新材料、新工藝發展的需要；(2) 現代高新技術向傳統機械工業滲透、改造的趨勢來發展；養護設備的發展與材料和工藝的發展有著密切的關系。新的養護材料和養護工藝的出現隨伴著

33、新設備的產生。從歷史上看，出現了乳化瀝青材料伴隨著就有了乳化瀝青的制備設備。有了改性瀝青材料，就出現了改性瀝青設備。最近的例子是橡膠瀝青制備設備的開發，而同步石屑封層工藝的提出就出現了同步石屑封層機 11,12。在預防性養護作業中最主要的施工機械有兩類：噴灑粘結劑和撒布集料的機械攤鋪稀漿類混合料的機械。對于預防性養護來說對這兩類機械的一個共同的要求是保持集料、粘結劑以及混合料其他成分 (如稀漿混合料中的水、粉料等)之間的恒定的比例關系。- 4 -哈爾濱工業大學工學碩士學位論文1.2.2 國內研究與應用現狀預防性養護在我國起步相對國外要晚一些，但發展速度較快，目前技術本身并不落后，從材料設計技術

34、到施工機械設備均已達到與國外同等的水平。雖然如此，當前仍主要有以下存在幾方面問題：1. 對預防性養護重要性認識不夠；2. 養護資金投入不夠；3. 對預防性養護技術經濟效果沒有評價方法可循；4. 把握不好實施預防性養護的最佳時機；隨著我國交通基礎設施建設的大規模展開以及我國經濟實力的增強，對現有公路進行預防性養護，提高其使用壽命，越來越受到相關部門的重視。預防性養護近幾年在我國的應用逐步擴大。僅從微表處技術的研究與應用來看，從 2000 年我國開始進行微表處技術研究和推廣應用以來，微表處技術的優越性已經逐步得到我國廣大公路工作者的認可，并已在我國的四川內宜高速公路、山西太舊高速公路、滬寧高速公路

35、、沈哈高速公路鐵嶺段等 10多條高速公路的路面養護中得到應用，發展勢頭迅猛。據不完全統計，截止2003 年底，我國微表處罩面面積累積已超過 600 萬平方米。2004 年，微表處的推廣面積將進一步擴大，全年攤鋪微表處 700 萬平方米以上。主要包括：福建泉廈、福泉高速公路，浙江滬杭甬、上三高速公路，山東濟青高速公路，還有江蘇、陜西、甘肅、河南、廣東等省的高速公路也將進行微表處罩面。隨著我國大規模公路建設高峰期的即將結束，現有路網的養護高峰也將隨之而來，如何能使有限的養護資金得到合理利用，維持現有路網較高的服務水平，已經逐步成為各級主管部門以及廣大道路工作者關注的問題之一，形成一套適合我國國情的

36、科學合理的預防性養護決策策略的重要意義已經凸顯出來。1.3 本課題主要研究內容本文研究中依托了黑龍江預防性養護課題，以預防性養護方式中的稀漿封層為主要研究對象，主要針對預防性養護中存在的以下幾方面的問題進行了分析和探討：1.預防性養護的適用條件；- 5 -哈爾濱工業大學工學碩士學位論文分析黑龍江和吉林兩省大量預防性養護數據的基礎上，對強度和破損的關系，路面的主導損壞類型，強度和破損在預防性養護領域的適用條件展開深入的探討。養護適用條件的確定是預防性養護時機的分析的前提，同時也為黑龍江預防性養護課題下一階段的工作奠定基礎。2.預防性養護的經濟效益；總結出預防性養護經濟效益分析的特點，找出適合預防性養護經濟效益評價的費用類型并給出相應的費用計算模型，最終還要得出具有實用價值的預防性養護費用計算框架，所得出的成果要能滿足針對預防性養護直接或間接經濟效益的量化比較和方案經濟評價的需要。3.預防性養護的最佳時機；將效益費用比方法引入到預防性養護時