基于瀝青路面使用性能衰變規(guī)律的高速公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計劃研究

蘇衛(wèi)國, 戴民松

(華南理工大學(xué),廣東 廣州 510640)

自改革開放至今已有40余a，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，在此期間，我國公路建設(shè)規(guī)模取得了舉世矚目的成就。特別是在2000年之后，高速公路建設(shè)一路高歌猛進(jìn)，形成國家高速公路網(wǎng)，高速公路通車?yán)锍淘缫堰_(dá)到世界第一[1-2]。近年來，公路大規(guī)模建設(shè)的時代已悄然離去，進(jìn)入了時代尾聲，公路的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)逐漸進(jìn)入人們的視野，引起業(yè)內(nèi)的關(guān)注。自“十二五”以來，交通運(yùn)輸部針對公路養(yǎng)護(hù)管理明確提出要建立科學(xué)的決策體系[3-4]。而以準(zhǔn)確預(yù)測路面使用性能為基礎(chǔ)的養(yǎng)護(hù)管理才是科學(xué)決策的依據(jù)，從而達(dá)到科學(xué)養(yǎng)護(hù)、提高路面使用質(zhì)量和節(jié)約費(fèi)用的目的。

瀝青路面使用性能是在長期大量車輛使用和自然環(huán)境變化帶來的不良條件下變得日漸衰減，大多數(shù)情況下，這一過程是緩慢發(fā)生的。為確保瀝青路面使用性能能夠較長時間地滿足使用要求，就需要在其衰減到一定程度時采取必要的養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行維護(hù)?？茖W(xué)合理地評判瀝青路面使用性能是制定養(yǎng)護(hù)決策及養(yǎng)護(hù)計劃的基礎(chǔ)，因此，深入研究瀝青路面使用性能衰變規(guī)律是進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策的重要內(nèi)容，也是十分必要的。

1 瀝青路面常見病害類型

高速公路承擔(dān)著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中重大的運(yùn)輸任務(wù)，交通流量大，重載車輛多，對瀝青路面造成嚴(yán)重?fù)p害。另外還存在很多因素會影響瀝青路面的使用性能，比如溫度變化、流水侵蝕、化學(xué)腐蝕、強(qiáng)烈光照等環(huán)境因素的影響，加速了瀝青路面的衰老和破壞，如圖1所示。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)及調(diào)查資料可以看出，目前，瀝青路面常見病害有裂縫類、松散類、變形類及其他等4種類型[5]，見表1。

圖1 瀝青路面使用性能影響因素圖Figure 1 Influencing factors of asphalt pavement performance

表1 瀝青路面常見病害類型Table 1 Common disease types of asphalt pavement類型級別病害描述指標(biāo)縱向裂縫輕度沒有或很少支縫,在縫壁處沒有散落或輕微散落縫寬≤5 mm/m2重度支縫很多,在縫壁處有很多散落縫寬>5 mm/m2橫向裂縫輕度沒有或很少支縫,在縫壁處沒有散落或輕微散落縫寬≤5 mm/m2重度支縫很多,在縫壁處有很多散落縫寬>5 mm/m2裂縫類輕度裂區(qū)沒有出現(xiàn)變形、沒有散落,裂縫較細(xì),處于初期20 cm/m2<塊度<50 cm/m2龜裂中度無散落或較輕,變形輕微,裂縫較寬,龜裂明顯塊度<20 cm/m2重度散落重,變形顯著,裂縫很寬,龜裂破碎塊度<20 cm/m2不規(guī)則裂縫輕度裂塊較大,無散落或較輕,裂縫較細(xì)塊度>100 cm/m2重度裂塊較小,無散落或較輕,縫寬較小50 cm/m2<塊度<100 cm/m2坑槽輕度較淺,面積<1 m2—重度較深,面積>1 m2—松散輕度路面磨損、粗麻,細(xì)集料出現(xiàn)散失—重度表面剝落,微坑很多,粗集料出現(xiàn)散失—松散類麻面—表面粗麻,嵌縫料出現(xiàn)散失—脫皮—面層出現(xiàn)層狀脫落—啃邊—路面邊緣出現(xiàn)破碎、脫落,寬度>10 cm—沉陷輕度較淺,不影響行車舒適感深度≤25 mm重度較深,影響行車舒適感,有顛簸感深度>25 mm車轍輕度較淺深度≤25 mm重度較深深度>25 mm變形類擁包輕度波峰與波谷之間形成的高差較小深度≤25 mm重度波峰與波谷之間形成的高差較大深度>25 mm波浪輕度波峰與波谷之間形成的高差較小深度≤25 mm重度波峰與波谷之間形成的高差較大深度>25 mm搓板—縱向出現(xiàn)連續(xù)起伏狀況—翻漿—路面出現(xiàn)破裂、冒漿等現(xiàn)象—磨光—原有粗構(gòu)造消失,路面變得光滑—其他凍脹—路基中水分因凍結(jié)成冰引起路面拱起、開裂—泛油—鏡面狀,出現(xiàn)瀝青膜,有輪跡—修補(bǔ)損壞—對破損或病害進(jìn)行處置,與未修補(bǔ)處形成對比—

2 瀝青路面使用性能評價指標(biāo)

瀝青路面出現(xiàn)裂縫、松散、變形等破壞現(xiàn)象時，表明路面的行駛質(zhì)量在下降，從而導(dǎo)致行車舒適性和安全性的降低和道路維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的增加。瀝青路面狀況數(shù)據(jù)是評價瀝青路面使用性能的基礎(chǔ)資料，通過瀝青路面使用性能的情況能夠真實反映各條道路的基本情況和使用性能的發(fā)展趨勢，對其進(jìn)行路面基本狀況評價能夠有效幫助高速公路管理部門及時制定養(yǎng)護(hù)維修措施和合理安排養(yǎng)護(hù)計劃。鑒于瀝青路面使用性能存在多個屬性，需從不同角度采用多個指標(biāo)分別進(jìn)行評價，從而較為全面地反映路面使用性能。根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210-2018)規(guī)定，瀝青路面使用性能評價采用路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI(Pavement Quality or Performance Index)作為綜合評價指標(biāo)，包括路面損壞、平整度、車轍、路面跳車、路面磨耗、抗滑性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度7項性能評價[6]，分別采用路面損壞狀況指數(shù)PCI(Pavement Surface Condition Index)、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI(Riding Quality Index)、路面車轍深度指數(shù)RDI(Rutting Depth Index)、路面跳車指數(shù)PBI(Riding Bumping Index)、路面磨耗指數(shù)PWI(Riding Wearing Index)、路面抗滑性能指數(shù)SRI(Skidding Resistance Index)和路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI(Pavement Structure Strength Index)作為單項評價指標(biāo)，如圖2所示。其中，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作為抽樣評定指標(biāo)進(jìn)行單獨計算，路面磨耗指數(shù)PWI和路面抗滑性能指數(shù)SRI按二選一進(jìn)行計算[6]。

圖2 路面性能評價指標(biāo)體系Figure 2 Pavement performance evaluation index system

路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI作為綜合評價指標(biāo)是采用單項評價指標(biāo)的加權(quán)值之和，見公式(1)，各單項評價指標(biāo)的權(quán)重值參考《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210-2018)中表7.4.3。

PQI=PCI×ωPCI+RQI×ωRQI+RDI×ωRDI+

PBI×ωPBI+PWI×ωPWI+SRI×ωSRI

(1)

式中：ωPCI為路面損壞狀況指數(shù)PCI的權(quán)重值；ωRQI為路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI的權(quán)重值；ωRDI為路面車轍深度指數(shù)RDI的權(quán)重值；ωPBI為路面車轍深度指數(shù)PBI的權(quán)重值；ωPWI為路面車轍深度指數(shù)PWI的權(quán)重值；ωSRI為路面抗滑性能指數(shù)SRI的權(quán)重值。

3 瀝青路面使用性能衰變規(guī)律研究

瀝青路面使用性能衰變規(guī)律的研究是在充分了解路段的路況基本信息和影響因素的情況下，通過路面使用性能預(yù)測模型對未來瀝青路面的變化情況進(jìn)行分析預(yù)測，從而優(yōu)化確定養(yǎng)護(hù)時間和養(yǎng)護(hù)方式。常用的路面使用性能預(yù)測模型有確定型預(yù)測模型、灰色預(yù)測模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型和概率型預(yù)測模型等[7-8]。其中，灰色預(yù)測模型是應(yīng)用最為簡單實用的一類方法，能夠利用較少的路面檢測數(shù)據(jù)計算得到較好的計算結(jié)果。以某高速2015年—2018年的路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI為數(shù)據(jù)資料，見表2，利用基于灰色系統(tǒng)理論的GM(1,1)模型對未來幾年P(guān)QI的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行探究。

表2 2015年—2018年路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 2 PQI data statistics of pavement technical status indicators in 2015-2018年份2015201620172018PQI95.7386.6583.3180.81

根據(jù)已有數(shù)據(jù)對路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI進(jìn)行預(yù)測計算，詳細(xì)過程如下：

a.原始序列:

{95.73，86.65，83.31，80.81}。

b.累加序列:

{95.73，182.38，265.69，346.50}。

c.原始序列X(0)的準(zhǔn)光滑檢驗：由

ρ(2)=0.91，ρ(3)=0.47<0.5，即當(dāng)k>3時，ρ(k)<0.5，滿足準(zhǔn)光滑條件。

d.累加序列X(1)的準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律：由

σ(1)(2)=1.91，σ(1)(3)=1.46，即當(dāng)k>3時，σ(1)(k)∈[1，1.5]，σ<0.5，滿足準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律，可建立GM(1,1)模型。

f.進(jìn)行最小二乘法計算得：

-2515.56e-0.035t+2611.29。

{95.730，182.252，265.797，346.470}。

{95.73，86.52，83.55，80.67}。

i.進(jìn)行誤差檢驗。

表3 誤差檢驗結(jié)果表Table 3 Error test results序號實測值X 0 n 預(yù)測值X∧ 0 n 殘差ε 0 n 相對誤差/%195.7395.7300286.6586.520.130.150383.3183.55-0.240.288480.8180.670.140.173

① 絕對關(guān)聯(lián)度計算:

|s|=[X(0)(2)-X(0)(1)]+

② 均方差計算:

則方差比C=S1/S0=0.027 1。

③ 小誤差概率:

0.007 5<0.674 5·S0=4.40；

0.122 5<0.674 5·S0=4.40；

0.247 5<0.674 5·S0=4.40；

0.132 5<0.674 5·S0=4.40。

綜上所述，灰色預(yù)測模型的預(yù)測精度較好，能夠滿足使用要求，可計算得到2019年和2020年的路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI分別為77.90和75.22，見表4。

表4 路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI預(yù)測結(jié)果表Table 4 PQI prediction results of pavement technical con-dition index年份201520162017201820192020實測值95.7386.6583.3180.81——預(yù)測值95.7386.5283.5580.6777.9075.22

所以說，針對路面使用性能衰變規(guī)律的預(yù)測不僅可以應(yīng)用于綜合評價指標(biāo)PQI，對于評價路面單項性能的PCI、RQI、RDI、PBI、PWI、SRI等單項評價指標(biāo)也同樣適用，便于實現(xiàn)某一單項使用性能的預(yù)測和深入研究。

4 基于路面使用性能衰變規(guī)律的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計劃研究

高速公路的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)[9-10]在我國興起較晚，行業(yè)內(nèi)對它的認(rèn)識和了解不深，沿用以往的養(yǎng)護(hù)方式導(dǎo)致路面或其構(gòu)造出現(xiàn)嚴(yán)重問題，影響?zhàn)B護(hù)效果。實施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的意義就在于病害早期實施補(bǔ)救措施，對路面的使用性能進(jìn)行改善，從而達(dá)到延長瀝青路面使用壽命、節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本的目的。其中，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的實施時間與養(yǎng)護(hù)工作的經(jīng)濟(jì)性和有效性有直接關(guān)系[11-12]。在最佳的養(yǎng)護(hù)時間通過花費(fèi)最少的養(yǎng)護(hù)成本和采用最為有效的養(yǎng)護(hù)措施來實現(xiàn)最優(yōu)的養(yǎng)護(hù)效果是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的終極目的?；跒r青路面使用性能的衰變規(guī)律進(jìn)行制定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計劃變得十分必要，需針對病害制定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案加以實施，如圖3所示。

圖3 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案制定流程圖Figure 3 Flow chart of preventive maintenance plan development

根據(jù)圖3得到的初步預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案，在充分考慮區(qū)域的路況特點、病害類型、氣候條件、養(yǎng)護(hù)水平及經(jīng)費(fèi)等問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合路面使用性能預(yù)測模型所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，給出不同養(yǎng)護(hù)方案的最低可接受時間和養(yǎng)護(hù)收益面積，再通過養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的計算，得到各養(yǎng)護(hù)方案在相應(yīng)時間內(nèi)使用的費(fèi)用現(xiàn)值，最終計算得到效益費(fèi)用比[13]，以此為判斷指標(biāo)確定最佳的養(yǎng)護(hù)時間，如圖4所示。

圖4 最佳預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時機(jī)確定流程圖Figure 4 Flow chart of determining the best preventive maintenance opportunity

針對不同預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的實施時間方案，通過計算費(fèi)用效益比，最終確定該值最大的方案為最佳。在此基礎(chǔ)上，可以計算得到各預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實施方案的等額費(fèi)用年值，選擇年值最小的方案作為最優(yōu)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案。

5 結(jié)論

通過對某高速2015年—2018年的路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立了灰色預(yù)測模型來探究PQI的衰變規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的時機(jī)確定方法，得到如下結(jié)論：

a.了解影響瀝青路面使用性能影響因素和常見病害類型，建立定量化的評價體系，是建立預(yù)測模型探究路面使用性能衰變規(guī)律和制定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計劃的基礎(chǔ)。

b.路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果與實測值很接近，對采用的灰色預(yù)測模型進(jìn)行了驗證，可用于未來的路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI的預(yù)測，同時對PCI、RQI、RDI等單項評價指標(biāo)的預(yù)測也適用。

c.基于路面使用性能衰變規(guī)律的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計劃的制定，要以效益費(fèi)用比作為評價指標(biāo)，以科學(xué)的方法確定最佳預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案，從而實現(xiàn)優(yōu)化養(yǎng)護(hù)方案、節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本和輔助養(yǎng)護(hù)決策的目的。