基于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的路面性能評(píng)價(jià)及決策方法研究

梁 斌，張曉燕，李 碩

(1.山西省交通科技研發(fā)有限公司 太原市 030032； 2.印第安納州運(yùn)輸廳科技部 印第安納西拉法葉 47906)

隨著高等級(jí)公路新建任務(wù)的逐步完成，現(xiàn)有公路基礎(chǔ)設(shè)施尤其是路面的養(yǎng)護(hù)、維修和翻新任務(wù)已日趨繁忙，如何對(duì)龐大的公路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行可持續(xù)的維護(hù)，就迫切需要公路建設(shè)管理部門實(shí)施和推廣路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。對(duì)我國(guó)現(xiàn)行的路面結(jié)構(gòu)及其路況的評(píng)定方法和指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并綜合國(guó)內(nèi)外的研究成果及其成功經(jīng)驗(yàn)，在山西省路面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了路面抗滑、行駛舒適性和結(jié)構(gòu)能力等的評(píng)價(jià)指標(biāo)和定量范圍，并根據(jù)山西省路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修實(shí)際需求，提出了定量簡(jiǎn)化的方法，確保達(dá)到在合適的時(shí)候?qū)线m的路面采取合適的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施的目的。

1 路面抗滑能力檢測(cè)和評(píng)定

(1)路面抗滑能力衡量指標(biāo)和檢測(cè)方法

路面抗滑能力即摩擦力通常用摩擦系數(shù)來(lái)衡量。摩擦系數(shù)又分為縱向和橫向摩擦系數(shù)，前者沿行駛方向發(fā)生在輪胎處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)或完全制動(dòng)狀態(tài)，后者和行駛方向垂直并發(fā)生在彎道或高路堤上橫風(fēng)作用時(shí)?？v向摩擦系數(shù)的試驗(yàn)方法采用較多的是美國(guó)的ASTM E-274鎖輪法，可以按公路行駛速度進(jìn)行試驗(yàn)，被美國(guó)各州公路部門廣泛采用，其試驗(yàn)結(jié)果是抗滑值SN。橫向摩擦系數(shù)試驗(yàn)基于橫向力方法，試驗(yàn)結(jié)果是橫向力系數(shù)SFC。橫向力檢測(cè)輪胎和車輛行駛方向成一橫擺角α，其值變化在7.5°～20°之間，橫向力方向速度VS和車輛行駛速度V的關(guān)系為VS=V×Sinα。由于Sinα值很小，橫向速度VS較低，使得橫向力系數(shù)主要受路表微觀紋理構(gòu)造的影響，宏觀紋理構(gòu)造的影響很小。但是，橫向力系數(shù)檢測(cè)設(shè)備多為連續(xù)檢測(cè)設(shè)備，從而提供了無(wú)縫覆蓋。另外，縱向摩擦系數(shù)和橫向力系數(shù)的相關(guān)性不是唯一的，因?yàn)槟Σ料禂?shù)是相對(duì)值，在不同速度或路表特征條件下，兩者相關(guān)關(guān)系不同。

(2)路面抗滑能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

表1是英國(guó)、澳大利亞、新西蘭、美國(guó)馬里蘭和密歇根的抗滑水平閥值。由表可見(jiàn)，英國(guó)、澳大利亞和新西蘭的抗滑標(biāo)準(zhǔn)相似，交叉口入口段抗滑要求最高，以考慮緊急剎車要求。但汽車專用公路抗滑要求比普通公路低，值得進(jìn)一步磋商。密歇根最小SN為30，低于Kummer等人提出的抗滑最小要求，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)路面抗滑缺陷。McCullough和Rizenbergs提出的最小摩擦系數(shù)或抗滑值相同，但后者的速度較前者大。

根據(jù)我國(guó)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[1]，路面抗滑能力是將橫向力系數(shù)換算成路面抗滑性能指數(shù)：

(1)

式中，SRI為路面抗滑性能指數(shù)；SRImin為標(biāo)定參數(shù)；SFC為橫向力系數(shù)；a0、a1為常數(shù)。

采用SRI評(píng)價(jià)路面抗滑有三個(gè)不足：

①影響SRI的參數(shù)只有一個(gè)即SFC，人為地把一個(gè)客觀、可測(cè)定的參數(shù)SFC換算成一個(gè)虛擬的參數(shù)SRI，繁瑣且不利于理解應(yīng)用。

②是采用橫向力系數(shù)還是采用縱向摩擦系數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，和具體的場(chǎng)合有關(guān)。申俊敏等[2]的研究結(jié)果表明，高速公路交通傷亡事故的主要類型是追尾，約占事故總數(shù)的63%。由于追尾事故往往涉及緊急制動(dòng)距離，這就要求足夠的縱向摩擦系數(shù)。而普通公路可能由于平曲線半徑較小，采用路面橫向摩擦系數(shù)可能更合理。

③摩擦系數(shù)隨著車輛速度而變化，而現(xiàn)行的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)有必要明確規(guī)定橫向力系數(shù)的檢測(cè)速度。

分析了山西省四條高速公路橫向力系數(shù)檢測(cè)結(jié)果，大部分橫向力系數(shù)處于0.40～0.60之間。綜合以上各種因素，建議路面抗滑能力評(píng)價(jià)的量化標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 路面抗滑能力評(píng)價(jià)量化標(biāo)準(zhǔn)(檢測(cè)速度：50km/h)

2 路面行駛舒適性試驗(yàn)和評(píng)定

(1)行駛舒適性衡量指標(biāo)和檢測(cè)方法

行車舒適性是評(píng)價(jià)路面服務(wù)能力的另一重要指標(biāo)，一般采用國(guó)際平整度指數(shù)IRI衡量。IRI越大，路面粗糙度越大即平整度越差，行駛舒適性越差?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，IRI是采用慣性縱斷面儀沿車輛輪跡等間隔測(cè)量路表高程，然后根據(jù)1/4車輛模型，對(duì)實(shí)測(cè)路面縱斷面剖面按車速80km/h模擬計(jì)算得到。

(2)行駛舒適性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

表3給出的是美國(guó)聯(lián)邦公路局路面狀況評(píng)定的新舊方法，PSR是人的主觀評(píng)定結(jié)果，IRI是客觀測(cè)量結(jié)果。新建路面施工質(zhì)量良好的IRI可能不超過(guò)0.8m/km，施工質(zhì)量一般的IRI有可能達(dá)到1.6m/km。根據(jù)世界銀行的數(shù)據(jù)，舊路面的IRI在2.5～5.5m/km之間，路表?yè)p壞的路面IRI在4.0～11.0m/km之間。

表3 美國(guó)聯(lián)邦公路局路面平整度水平和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

在我國(guó)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中，路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI是按以下公式計(jì)算：

(5)

式中，RQI為行駛質(zhì)量指數(shù)，IRI為國(guó)際平整度指數(shù)，a0為常數(shù)。

在式(5)中，路面平整度實(shí)際上是自變量，RQI是IRI的函數(shù)，正如前面討論的我國(guó)現(xiàn)行的路面抗滑能力評(píng)價(jià)方法一樣，路面行駛質(zhì)量評(píng)價(jià)把一個(gè)客觀、可測(cè)定的參數(shù)IRI換算成一個(gè)虛擬的參數(shù)RQI，有些事倍功半。本文推薦路面行駛舒適性及其IRI評(píng)定的量化標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4，普通公路的IRI標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)美國(guó)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許的最大IRI值換算得到的。

表4 路面行駛舒適性及其IRI評(píng)定量化標(biāo)準(zhǔn)

3 路面結(jié)構(gòu)承載能力試驗(yàn)和評(píng)定

(1)路面結(jié)構(gòu)承載能力衡量指標(biāo)和檢測(cè)方法

FWD試驗(yàn)可以確定路面的彎沉、彈性模量和剩余疲勞壽命三個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，而任何一個(gè)指標(biāo)都可用于評(píng)定路面結(jié)構(gòu)承載能力。建議直接采用FWD荷載中心彎沉評(píng)定路面結(jié)構(gòu)承載能力，主要理由是高速公路路面尤其是瀝青路面結(jié)構(gòu)均為多層路面結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)行的基于彎沉的模量反算方法不能提供各層模量的精確解，且對(duì)彎沉的誤差比較敏感。另外，對(duì)于網(wǎng)級(jí)路面結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，養(yǎng)護(hù)維修人員關(guān)心的是路面整體結(jié)構(gòu)能力，而荷載中心彎沉不僅和各層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有關(guān)，還和路面損壞狀況有關(guān)。

(2)路面結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

在我國(guó)現(xiàn)行《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是用路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式如下：

(6)

式中，PSSI為路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)，a0、a1=-5.19為常數(shù)，SSI為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)。

再一次要指出的是，如同前面討論的路面抗滑能力和平整度評(píng)價(jià)方法，我國(guó)現(xiàn)行的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)把一個(gè)客觀、可測(cè)定的參數(shù)彎沉換算成一個(gè)虛擬的參數(shù)PSSI，實(shí)際意義不大。另外，PSSI的計(jì)算引入了一個(gè)和路面設(shè)計(jì)彎沉有關(guān)的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)SSI，這不符合水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法。這就進(jìn)一步說(shuō)明，直接采用荷載中心的FWD彎沉更符合實(shí)際。美國(guó)的有關(guān)研究人員通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提出了路面結(jié)構(gòu)承載能力的FWD彎沉評(píng)定量化標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。其中，彎沉位置為荷載中心，荷載大小為40kN，參照溫度為20℃。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)軸載是100kN，一側(cè)輪載為50kN；美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)軸載是80kN，一側(cè)輪載為40kN。本文近似地采用了圓形剛性承載板作用下的彈性半空間模型，得到了輪載40kN和50kN的彎沉換算w0,50kN=1.25×w0,40kN，從而得到路面結(jié)構(gòu)承載能力FWD彎沉評(píng)定推薦標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。

表5 路面結(jié)構(gòu)承載能力的FWD彎沉評(píng)定量化標(biāo)準(zhǔn)

4 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修決策可視化和應(yīng)用

(1)路面檢測(cè)數(shù)據(jù)可視化

路面性能指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)不僅數(shù)據(jù)量較大，而且變異范圍也較大，為了做好養(yǎng)護(hù)工作，已有很多新的養(yǎng)護(hù)理念[3]。本文認(rèn)為最簡(jiǎn)捷的方法是將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，如統(tǒng)計(jì)直方圖和累計(jì)頻率分布圖。直方圖在視覺(jué)上非常直觀，易于大致了解數(shù)據(jù)分布類型，縱軸給出指標(biāo)格特定分組的出現(xiàn)次數(shù)。但是，直方圖無(wú)法確切地告知某一特定值的準(zhǔn)確信息，無(wú)法準(zhǔn)確比較兩組或多組數(shù)據(jù)，需要其它信息確切地確定檢測(cè)指標(biāo)的特征，分組不同結(jié)果差異較大。但累計(jì)頻率分布圖不同，不僅可以把大型數(shù)據(jù)匯集壓縮成簡(jiǎn)單的圖形，而且適用于各種潛在分布類型的數(shù)據(jù)，能獨(dú)立地展示數(shù)據(jù)整體的變異特征，并詳細(xì)地體現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的細(xì)微差異。

圖1是山西霍候高速公路橫向力系數(shù)SFC共9855個(gè)數(shù)據(jù)分布圖。從直方圖形狀看，大致為正態(tài)分布，曲線中心位于0.29～0.32范圍。而從累計(jì)頻率分布曲線看，約90%的SFC數(shù)據(jù)位于0.25～0.40，5%的SFC數(shù)據(jù)小于0.25，SFC數(shù)據(jù)中值為0.31。很顯然，累計(jì)頻率分布曲線提供的信息更全面、詳細(xì)，因此推薦采用累計(jì)頻率分布圖。

(2)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策簡(jiǎn)化方法

圖2給出了山西省有關(guān)公路路面摩擦系數(shù)、IRI和彎沉檢測(cè)結(jié)果累計(jì)頻率分布圖。其中圖2(a)是山西四條高速公路的橫向力系數(shù)SFC檢測(cè)結(jié)果的累計(jì)頻率分布，且曲線總體形狀均為下凸。平陽(yáng)、同源和陽(yáng)翼高速公路SFC分布曲線非常陡，說(shuō)明該三條高速公路的抗滑性能變異性小。而平陽(yáng)和同源高速的SFC分布曲線比陽(yáng)翼高速的SFC曲線重心位置靠右，說(shuō)明平陽(yáng)和同源高速的SFC比陽(yáng)翼高速的大。臨吉高速SFC分布曲線平緩，說(shuō)明其抗滑性能變異性大。尤其是同其它三條高速的SFC分布曲線相比，臨吉高速SFC分布曲線的重心位置向左上方向移動(dòng)且接近直線，說(shuō)明臨吉高速抗滑性能比其它高速差。圖2(b)是山西六條高速公路的IRI檢測(cè)結(jié)果的累計(jì)頻率分布，從曲線的形狀來(lái)看，這六條高速公路可分為下凸和上凸，前者只有大同高速，后者包括其它五條高速，其中離軍高速接近于一條直線。當(dāng)路面IRI較小時(shí)，曲線為上凸曲線；隨著IRI增大，曲線逐漸變?yōu)橄峦骨€。圖2(c)是山西和美國(guó)公路的實(shí)測(cè)彎沉累計(jì)頻率分布，朔州高速公路、美國(guó)高速公路及其美國(guó)二級(jí)公路的曲線均呈上凸形狀，靈石-南關(guān)二級(jí)公路的曲線呈下凸形狀。朔州和美國(guó)高速的變化趨勢(shì)相似，且近80%的彎沉值小于0.125mm。美國(guó)普通公路和靈石-南關(guān)二級(jí)公路正好相反，前者60%以上的彎沉小于0.120mm，后者60%以上的彎沉值大于0.25mm，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也表明，靈石-南關(guān)二級(jí)公路路況很差、病害多。

根據(jù)上述分析可知，當(dāng)衡量指標(biāo)越大路面性能越好時(shí)如摩擦系數(shù)，路面抗滑能力好的路面，其摩擦系數(shù)累計(jì)頻率分布曲線下凸，隨著抗滑能力減小，曲線逐漸變?yōu)樯贤埂．?dāng)衡量指標(biāo)越小路面性能越好時(shí)，如IRI和彎沉等，路面平整度或結(jié)構(gòu)能力良好時(shí)，相應(yīng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的累計(jì)頻率分布曲線上凸，隨著平整度或結(jié)構(gòu)能力變差，曲線逐漸變?yōu)橄峦?。因此，在選擇路面實(shí)施有關(guān)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施時(shí)，可以根據(jù)有關(guān)的累計(jì)頻率分布曲線確定現(xiàn)有路面是否合適。

5 結(jié)論

本文通過(guò)研究分析得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在我國(guó)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中，有關(guān)路面抗滑性能、行駛舒適性及路面結(jié)構(gòu)承載能力的評(píng)價(jià)，均是采用一個(gè)虛擬的指數(shù)，如SRI、RQI及PSSI，這種評(píng)價(jià)方法實(shí)際意義不大且不利于工程應(yīng)用，建議直接采用相對(duì)獨(dú)立的客觀參數(shù)如橫向力系數(shù)SFC、平整度指數(shù)IRI和路表FWD彎沉值來(lái)評(píng)定路面性能，更為直觀、易用。

(2)針對(duì)路面抗滑性能、路面行駛舒適性和路面結(jié)構(gòu)承載能力，結(jié)合山西省乃至我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)決策需求實(shí)際，提出了合理的量化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

(3)基于路面摩擦系數(shù)、平整度和彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)的累計(jì)頻率分布曲線，提出了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策簡(jiǎn)化方法，實(shí)際應(yīng)用更為簡(jiǎn)單、方便、直觀。