江蘇高速路網(wǎng)瀝青路面使用性能衰減規(guī)律分析及預(yù)測(cè)

林 毅,曾 輝,劉晨東

(1.江蘇省高速公路經(jīng)營管理中心；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司)

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江蘇高速路網(wǎng)瀝青路面使用性能衰減規(guī)律分析及預(yù)測(cè)

林 毅1,曾 輝2,劉晨東2

(1.江蘇省高速公路經(jīng)營管理中心；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司)

在分析江蘇省高管中心所轄路網(wǎng)路面使用性能衰減模式的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)國內(nèi)典型預(yù)測(cè)模型適用性，優(yōu)選確定適合江蘇省高管中心所轄路網(wǎng)實(shí)際狀況的路面使用性能指標(biāo)PCI、RDI、RQI的預(yù)測(cè)模型，為科學(xué)的制定養(yǎng)護(hù)方案提供依據(jù)，也為各省路面性能衰減評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)提供參考。

路網(wǎng)；路面性能；衰減；預(yù)測(cè)；模型適用性

0 前 言

瀝青路面結(jié)構(gòu)在交通荷載和自然因素的作用下，會(huì)出現(xiàn)各種病害，服務(wù)水平逐漸下降。當(dāng)服務(wù)水平降低到一定程度時(shí)，就可能會(huì)對(duì)行車安全造成不利的影響，公路管理部門需要采取養(yǎng)護(hù)或改建措施來提高其使用性能?？茖W(xué)地選擇養(yǎng)護(hù)或改建時(shí)機(jī)，確定最佳養(yǎng)護(hù)對(duì)策，需要了解并預(yù)測(cè)路面使用性能隨時(shí)間的演變和衰減規(guī)律。以江蘇省高速公路經(jīng)營管理中心所轄路網(wǎng)為評(píng)價(jià)主體，在掌握高管中心所轄路網(wǎng)歷年路面使用性能衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建路面使用性能指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型，了解路面使用性能的衰變趨勢(shì)，為科學(xué)的制定養(yǎng)護(hù)方案提供依據(jù)。

1 衰減規(guī)律提出

路面使用性能的衰減變化是一個(gè)長期復(fù)雜的過程，但歸納起來可分為三種基本衰減模式，見圖1。

圖1 路面使用性能常見衰減模式

圖(a)為凹形曲線(先快后慢型)，路面使用性能為早期衰減快，后期變慢，這種形式在我國較為普遍，早期較快的性能衰減使路面的服務(wù)能力迅速下降，養(yǎng)護(hù)管理部門不得不投入較多的資金進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，以減緩其惡化速度。圖(b)為凸形曲線(先慢后快型)，這種形式反映在使用初期，路面結(jié)構(gòu)能力充足，有效地抵御了各種因素造成的損耗，路面使用性能衰減很慢，隨著時(shí)間的推移，路面結(jié)構(gòu)性的損壞(裂縫)將不斷增多，這不僅降低了路面的結(jié)構(gòu)能力，降低了抵抗荷載的能力，同時(shí)也增強(qiáng)了雨水、溫度等環(huán)境因素的破壞能力，路面性能衰減越來越快。圖(c)為反S形曲線。路面早期衰減緩慢，然后加劇，后期由于路面惡化嚴(yán)重，難以維持一定的服務(wù)能力，需增加了養(yǎng)護(hù)投資，減緩了惡化速率，故呈反S形。

為明確道路路面使用性能在江蘇省特定的交通氣候條件下的一般性中、長期發(fā)展衰變模式，選取高管中心所轄路網(wǎng)中2006年通車至今未實(shí)施過養(yǎng)護(hù)罩面的G25淮安段、G25南京段、G36江蘇段為樣本高速公路，分析路面使用性能衰減規(guī)律。將重點(diǎn)分析路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面車轍狀況指數(shù)RDI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI的衰減曲線模式，見圖2～圖4。

表1 路面使用性能衰減規(guī)律分析路段

圖2 路面損壞狀況指數(shù)衰減曲線

圖3 路面車轍指數(shù)衰減曲線

圖4 路面行駛質(zhì)量指數(shù)衰減曲線

數(shù)據(jù)初步分析可知：(1)路面損壞狀況指數(shù)PCI的衰減模式為凸形曲線(先慢后快型)，但隨著路面破損病害被養(yǎng)護(hù)修復(fù)，路面損壞狀況指數(shù)PCI的衰減速率將降低，衰減規(guī)律呈現(xiàn)為反S形曲線；(2)路面車轍狀況指數(shù)RDI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI呈現(xiàn)明顯的通車車前兩年快速衰減，然后衰減速度降低，呈穩(wěn)定慢速衰減趨勢(shì)，總體衰減規(guī)律為凹形曲線。

2 預(yù)測(cè)模型建立

(1)負(fù)指數(shù)曲線的模型：

PCI=ae-bt

式中：Y為路面性能指數(shù)(PCI、RQI等)；t為路齡, 取值為2～6；a，b為標(biāo)定參數(shù)。

(2)修正S型曲線模型：

式中：Y為路面性能指數(shù)(PCI、RQI等)；Ymin為路面性能最低服務(wù)水平，取80；Ymax為路面性能最高服務(wù)水平，取100；t為路齡, 取值為2～6；a，b為標(biāo)定參數(shù)。

(3)雙參數(shù)模型：

PCI=PCI0{1-exp[-(α/t)β]}

式中：Y為路面性能指數(shù)(PCI、RQI等)；Y0為初始路面性能指數(shù)，取100；t為路齡, 取值為2～6；α，β為標(biāo)定參數(shù)。

選取G2501南京段、G36江蘇段典型路段2008年～2012年路面檢測(cè)數(shù)據(jù)，回歸計(jì)算模型參數(shù)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，見表2～表3。

表2 G2501南京段典型路段檢測(cè)數(shù)據(jù)

表3 G36江蘇段典型路段檢測(cè)數(shù)據(jù)

3 預(yù)測(cè)模型性能衰減曲線擬合

3.1 路面損壞狀況指數(shù)PCI

G2501南京段、G36江蘇段路面狀況指數(shù)PCI預(yù)測(cè)模型參數(shù)回歸計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 PCI預(yù)測(cè)模型參數(shù)回歸計(jì)算結(jié)果

3.2 路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI

G2501南京段、G36江蘇段路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI預(yù)測(cè)模型參數(shù)回歸計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 RDI預(yù)測(cè)模型參數(shù)回歸計(jì)算結(jié)果

3.3 路面車轍狀況指數(shù)RDI

G2501南京段、G36江蘇段車轍深度指數(shù)RDI預(yù)測(cè)模型參數(shù)回歸計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 RDI預(yù)測(cè)模型參數(shù)回歸計(jì)算結(jié)果

4 預(yù)測(cè)模型精度分析與比選

從相關(guān)系數(shù)分析可知，負(fù)指數(shù)、修正S型、雙參數(shù)預(yù)測(cè)模型都能很好的擬合出路面使用性能衰變曲線，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.8，相關(guān)系數(shù)不足以評(píng)價(jià)路面使用性能預(yù)測(cè)模型的優(yōu)劣。為進(jìn)一步比較不同預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精確程度，通過預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)2013年路面使用性能指標(biāo)值，通過與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，分析不同模型的短期預(yù)測(cè)精度，結(jié)果見表4和圖8。

表4 不同預(yù)測(cè)模型2013年預(yù)測(cè)值

圖8 不同預(yù)測(cè)模型2013年預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

從表8來看，修正S型模型預(yù)測(cè)路面損壞性能指數(shù)PCI，誤差相對(duì)較小，模型精度相對(duì)較高，且修正S型預(yù)測(cè)模型的曲線形式與高管中心所轄路網(wǎng)路面損壞性能指數(shù)PCI衰減趨勢(shì)相似為反S形曲線；雙參數(shù)模型預(yù)測(cè)路面車轍深度指數(shù)RDI誤差相對(duì)較小，模型精度相對(duì)較高，與高管中心所轄路網(wǎng)路面車轍深度指數(shù)RDI衰減趨勢(shì)相似為凹形曲線；負(fù)指數(shù)模型預(yù)測(cè)路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI誤差相對(duì)較小，模型精度高，符合路面平整度指數(shù)逐步衰減的過程，呈現(xiàn)出凹形曲線。

5 結(jié) 論

在分析高管中心所轄路網(wǎng)路面使用性能衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有預(yù)測(cè)模型的特點(diǎn)，分別對(duì)路面損壞狀況指數(shù)、路面行駛質(zhì)量指數(shù)和路面車轍狀況構(gòu)建各自的預(yù)測(cè)模型，并將預(yù)測(cè)值與實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)和精度分析，結(jié)果表明：修正S形模型較適合預(yù)測(cè)路面損壞性能指數(shù)PCI，負(fù)指數(shù)模型較適合預(yù)測(cè)路面車轍深度指數(shù)RDI，雙參數(shù)模型較適合預(yù)測(cè)路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI。

[1] 孫立軍，劉喜平.路面使用性能的標(biāo)準(zhǔn)衰變方程[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 1995,23(5):513-516.

[2] 吳敏，王端宜，雷超旭.瀝青路面性能預(yù)測(cè)模型研究[J].廣東公路交通,2009,(1):5-9.

[3] 孔永健，TadashiFukuda.考慮年度預(yù)算約束條件下網(wǎng)級(jí)路面養(yǎng)護(hù)計(jì)劃[J].日本土木學(xué)會(huì)論文集，1996，2(3):167-171.

[4] 馬健.決策優(yōu)化方法在選擇公路養(yǎng)護(hù)方案時(shí)的應(yīng)用[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào),1998.

2015-09-14

林毅(1975-)，男，江蘇南通人，工程師，主要從事高速公路路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)管理工作。

U416.217

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1008-3383(2015)12-0007-02