基于區(qū)域特征的路面智能化設(shè)計(jì)與優(yōu)化

曹建偉

(安徽宏泰交通工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230088)

基于區(qū)域特征的路面智能化設(shè)計(jì)與優(yōu)化

曹建偉

(安徽宏泰交通工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230088)

文章闡述了基于區(qū)域特征的路面智能化設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)思路、流程以及區(qū)域化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)，通過與我國目前傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法比較，提出路面智能化設(shè)計(jì)方法具有先進(jìn)性、靈活性與緊密型的優(yōu)點(diǎn)，為類似工程的智能化設(shè)計(jì)提供了一種可行的方法。

設(shè)計(jì)方法；路面；區(qū)域特征；智能化；性能預(yù)估

路面智能化設(shè)計(jì)是根據(jù)不同地區(qū)的自然氣候特點(diǎn)與實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，推薦出一種或幾種適合該地區(qū)特點(diǎn)的路面結(jié)構(gòu)方案，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕煌抠Y料推薦出每個(gè)方案中各個(gè)結(jié)構(gòu)層的合理厚度，通過調(diào)查該地區(qū)的氣溫、降雨量等氣候資料對(duì)每個(gè)路面結(jié)構(gòu)方案在使用年限內(nèi)的病害發(fā)展情況及養(yǎng)護(hù)費(fèi)用等進(jìn)行預(yù)測比較，從而得到最符合我們要求的路面結(jié)構(gòu)方案[1]-[3]。為使智能化設(shè)計(jì)推薦的路面結(jié)構(gòu)方案準(zhǔn)確合理，需要在前期做大量的準(zhǔn)備工作，主要包括以下三個(gè)方面：

(1)搜集各個(gè)地區(qū)的氣候資料，主要包括溫度資料與降雨量資料；

(2)調(diào)査各個(gè)地區(qū)的典型路面結(jié)構(gòu)、使用經(jīng)驗(yàn)及病害發(fā)展?fàn)顩r；

(3)對(duì)不同類型路面結(jié)構(gòu)的適用性及優(yōu)化方法展開研究，以便針對(duì)不同的地區(qū)推薦出合理優(yōu)化的路面結(jié)構(gòu)方案。

1 設(shè)計(jì)思路與流程

基于區(qū)域的路面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是工程師根據(jù)不同地區(qū)的自然氣候特點(diǎn)與實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，推薦出適合該地區(qū)特點(diǎn)的路面結(jié)構(gòu)方案，并調(diào)査收集該地區(qū)的氣候資料對(duì)推薦的路面結(jié)構(gòu)方案在使用年限內(nèi)的病害發(fā)展情況及養(yǎng)護(hù)費(fèi)用等進(jìn)行預(yù)估，通過觀察各種病害的預(yù)估結(jié)果及調(diào)整結(jié)構(gòu)方案，從而得到最符合我們要求的路面結(jié)構(gòu)方案。與我國目前傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，路面智能化設(shè)計(jì)方法充分體現(xiàn)了地的差異性，而且在設(shè)計(jì)時(shí)不再僅僅以路表彎沉和層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)，而是全面考慮了一定可靠度條件下車轍、裂縫等路用性能的變化，因此更加科學(xué)與合理。

2 基于區(qū)域特征的路面智能化設(shè)計(jì)方法

2.1 資料收集

資料收集工作，主要包括設(shè)計(jì)地區(qū)的自然氣候資料、交通量以及當(dāng)?shù)氐牡湫徒Y(jié)構(gòu)與使用經(jīng)驗(yàn)資料的收集。自然氣候資料主要包括該地區(qū)的溫度數(shù)據(jù)與降雨量數(shù)據(jù)。資料收集作為區(qū)域化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的第一步，具有非常重要的意義。一方面，自然氣候資料與交通量的準(zhǔn)確性直接影響最終方案的選擇；另一方面，典型結(jié)構(gòu)與使用經(jīng)驗(yàn)的調(diào)查也會(huì)影響下一步方案的選擇，因此必須慎重對(duì)待。在進(jìn)行資料收集時(shí)應(yīng)注意以下問題：

(1)氣溫、降雨量等氣候資料應(yīng)從當(dāng)?shù)氐臍庀笳局腥〉茫绻?dāng)?shù)貨]有氣象站，可以參考同緯度氣候相似的其他地區(qū)的資料；

(2)在進(jìn)行典型路面結(jié)構(gòu)的調(diào)查時(shí)，應(yīng)同時(shí)對(duì)目前道路的使用情況(如車轍、開裂等)進(jìn)行記錄，以便給路面結(jié)構(gòu)方案的推薦提供合理的依據(jù)；

(3)若該地區(qū)具有相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在進(jìn)行典型結(jié)構(gòu)的總結(jié)整理時(shí)應(yīng)盡量參考。

2.2 方案推薦

方案推薦是建立在對(duì)該地區(qū)典型路面調(diào)查基礎(chǔ)上的。通過對(duì)該地區(qū)目前常用路面結(jié)構(gòu)、使用狀況及地方標(biāo)準(zhǔn)展開調(diào)查，吸收當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)作為方案推薦的重要依據(jù)，使我們的方案推薦能與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況緊密結(jié)合，從而更加合理、可靠[4]-[5]。

2.3 確定厚度組合

在確定了推薦方案的各層材料之后，我們需要進(jìn)一步確定其厚度。在計(jì)算結(jié)構(gòu)層厚度時(shí)，仍然以路表彎沉與層底拉應(yīng)力為指標(biāo)，使推薦出來的路面結(jié)構(gòu)滿足傳統(tǒng)規(guī)范的要求，即采用彈性層狀體系理論計(jì)算得到的路表計(jì)算彎沉值小于設(shè)計(jì)彎沉值、瀝青層底拉應(yīng)力小于容許拉應(yīng)力(柔性基層瀝青路面)、半剛性基層及底基層拉應(yīng)力小于容許拉應(yīng)力(半剛性基層瀝青路面)。

在這一步驟中，區(qū)域化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法與目前采用的傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相同，都需要填寫設(shè)計(jì)年限、特征年交通量、車型比例、車道系數(shù)等數(shù)據(jù)，計(jì)算設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)當(dāng)量軸次，并依此來確定路面結(jié)構(gòu)的合理厚度[1，6，7]。

2.4 性能預(yù)估

有了前面得到的具體的路面結(jié)構(gòu)方案，便可對(duì)此路面結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)的使用性能進(jìn)行預(yù)估[8]-[9]。預(yù)估的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

2.4.1 材料參數(shù)預(yù)估

考慮到地區(qū)及季節(jié)的差異性，路面材料的設(shè)計(jì)參數(shù)(主要是模量)不是固定的，而是會(huì)隨著氣候條件(主要是溫度)的變化而產(chǎn)生較大程度的改變，因此對(duì)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的整體性能產(chǎn)生影響。在進(jìn)行區(qū)域化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，主要通過對(duì)不同氣候條件下的材料參數(shù)進(jìn)行預(yù)估來體現(xiàn)這種地區(qū)差異性，使設(shè)計(jì)方法最大程度考慮路面的實(shí)際使用條件。材料參數(shù)預(yù)估主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)瀝青層動(dòng)態(tài)模量預(yù)估

由于路面在實(shí)際使用過程中處于車輛動(dòng)載的作用下，因此在進(jìn)行區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)時(shí)我們采用動(dòng)態(tài)模量。預(yù)估模型參考了國內(nèi)外先進(jìn)的研究成果，充分考慮了溫度條件、各篩孔通過率、有效瀝青用量、空隙率、瀝青針人度、軟化點(diǎn)、加載頻率等與瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量密切相關(guān)的因素，因此得到的預(yù)估結(jié)果準(zhǔn)確可靠，為路面性能的預(yù)估打下基礎(chǔ)。

(2)半剛性基層模量衰減預(yù)估

半剛性基層的模量，在實(shí)際使用過程中由于開裂等原因會(huì)造成模量的衰減，在進(jìn)行區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮半剛性基層模量衰減對(duì)路面性能的影響，比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法更接近實(shí)際。

(3)粒料與土基模量預(yù)估

粒料與土基動(dòng)態(tài)模量的預(yù)估模型，是參照現(xiàn)有國內(nèi)外研究成果并結(jié)合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸而成。

2.4.2 路用性能預(yù)估

在區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中，我們選用的路用性能指標(biāo)必須能夠被普遍接受且能夠反映出路面承載力、行車安全性、舒適性等路面性能的變化。根據(jù)以上原則，我們選取車轍、路面疲勞裂縫、半剛性基層反射裂縫、溫度裂縫、平整度及路面狀況指數(shù)作為路用性能的設(shè)計(jì)指標(biāo)。這些設(shè)計(jì)指標(biāo)的預(yù)估模型，主要是借鑒國內(nèi)外一些比較成熟的研究成果并結(jié)合各個(gè)地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行修正，使它們能夠比較準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)年限內(nèi)路用性能的變化。相應(yīng)的路用性能預(yù)估有：(1)車轍預(yù)估；(2)路面疲勞裂縫預(yù)估；(3)半剛性基層反射裂縫預(yù)估；(4)溫度裂縫預(yù)估；(5)平整度預(yù)估；(6)路面狀況指數(shù)預(yù)估。

2.5 方案比選

通過對(duì)推薦路面結(jié)構(gòu)方案的性能預(yù)估結(jié)果進(jìn)行比較，看是否有路用性能在設(shè)計(jì)年限內(nèi)超出我們所能接受的范圍(如車轍深度太大或裂縫率太大)，如果超出則需要對(duì)材料參數(shù)或結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行調(diào)整，例如提高有效瀝青用量、減少孔隙率、增加某一層厚度等。如果所有的路用性能均能滿足要求，則對(duì)各種推薦方案全壽命周期內(nèi)的費(fèi)用進(jìn)行比較,可以考慮將全壽命周期內(nèi)費(fèi)用最低的推薦方案作為最終的選擇方案。

3 結(jié)語

區(qū)域化設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

(1)設(shè)計(jì)方法的先進(jìn)性：傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是半經(jīng)驗(yàn)半理論的設(shè)計(jì)方法,它以路表彎沉和層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)，不能反映路面在使用過程中各種路用性能的變化，并且材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相分離。而區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法從根本上說是基于路用性能的設(shè)計(jì)方法，它以路用性能為指標(biāo)，并且實(shí)現(xiàn)了材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一體化功能。

(2)與實(shí)際聯(lián)系的緊密性：傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)地區(qū)差異性的考慮很少，而且沒有考慮到路面結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過程中材料參數(shù)的變化。區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)克服了這些缺陷，充分考慮了地區(qū)差異性及半剛性基層模量衰減等因素對(duì)路面設(shè)計(jì)的影響。

(3)方案設(shè)計(jì)與比選的靈活性：在用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于同時(shí)都滿足彎沉和層底拉應(yīng)力的兩種不同結(jié)構(gòu)來說，除了從經(jīng)濟(jì)上很難從其他方面進(jìn)行對(duì)比。而對(duì)于區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法來說，既可以從經(jīng)濟(jì)上比較，又可以從各個(gè)路用性能方面比較，而且在方案設(shè)計(jì)與比選時(shí)可以對(duì)某一路用性能進(jìn)行側(cè)重，例如在南方高溫地區(qū)可以側(cè)重選擇車轍深度較小的路面結(jié)構(gòu)方案。

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(責(zé)任編輯：竇靜)

This paper elaborates design ideas, processes, and regionalization design method of pavement intelligent design method based on regional characteristics. Compared with the traditional design method, the pavement intelligent design method has the following advantages. It is more advanced, flexible and practical, so it can provide a feasible method for similar intelligent design of engineering.

the design methods; pavement; regional characteristics; intelligent; performance prediction

2015—12—16

曹建偉(1966—)，男，安徽黃山人，高級(jí)工程師，研究方向：公路設(shè)計(jì)與管理。

U416.2

A

1672—9536(2016)01—0025—03