基于綜合評價的水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)決策

楊義輝

重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院 重慶 402247

我國早期修建的各類高等級公路普遍采用水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)[1]，但由于水泥混凝土存在剛度大、隨溫度及濕度變化大等特點(diǎn)[2]，因此不少地區(qū)的路面出現(xiàn)不同程度的破壞。如何對水泥混凝土路面狀況做出客觀評價，在此基礎(chǔ)上確定合理的維修養(yǎng)護(hù)方案顯得尤為重要。

目前，我國在路面狀況評價指標(biāo)和方法方面的研究尚不完善，并且大部分研究成果局限于瀝青路面[3]。對于水泥混凝土路面，李曉娜[1]基于斷板率和裂縫長度構(gòu)建了路面破損狀況評價指標(biāo)體系，融合路面彎沉及結(jié)構(gòu)層等要素，對揭陽段路面損壞狀況進(jìn)行了調(diào)查和分析；朱興龍等[2]通過調(diào)查交通量軸載情況，對路面的破損原因進(jìn)行了分析；徐顯練[4]針對水泥混凝土路面平整度的改善做出了研究；李素芳[5]結(jié)合《水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》從路面破損情況、平整度、抗滑能力三方面提出了高速公路路況檢測方法；曾勝[6]運(yùn)用路面結(jié)構(gòu)反算的原理和方法，基于落錘式彎沉測試評定了混凝土面板模量和基層頂面當(dāng)量回彈模量；張曉云[7]基于加鋪改造水泥混凝土路面，建立了以使用性能和結(jié)構(gòu)性能兩方面共7項指標(biāo)的路面狀況評價體系；蘇斌[8]從混凝土面板厚度、面層彎拉強(qiáng)度等方面進(jìn)行了研究；本文在前人研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建了路面狀況綜合評價模型，將其應(yīng)用于某二級公路水泥混凝土路面的調(diào)查評價，并通過統(tǒng)計分析做出養(yǎng)護(hù)決策建議。

1 評價模型

本評價模型融合路面調(diào)查、檢測技術(shù)及專家咨詢法建立，評價內(nèi)容包括破損狀況、行駛質(zhì)量、抗滑性能、承載能力四個方面。所選取的評價指標(biāo)分別為路面狀況指數(shù)PCI、行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、構(gòu)造深度TD、承載能力指數(shù)FRI，路面綜合評價結(jié)果用綜合評價指數(shù)PQI表示。

1.1 評價指標(biāo)的選取

1.1.1 路面破損

水泥混凝土路面損壞包括面層斷裂類、面層豎向位移類、面層接縫類、面層表層類等，依據(jù)路段內(nèi)調(diào)查得到的損壞類型、輕重程度，制定分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 水泥混凝土路面破損分類與分級

路面破損狀況通常用路面狀況指數(shù)PCI及斷板率DBL兩項指標(biāo)來進(jìn)行評定[10]。但在使用中發(fā)現(xiàn)，PCI明顯偏高，有時DBL已接近優(yōu)良，PCI依然接近滿分，兩者分離太大。水泥混凝土路面最主要病害是各種斷裂，斷裂對承載能力和使用性能影響最大，根據(jù)養(yǎng)護(hù)規(guī)范推薦的系數(shù)，只有當(dāng)路面破損相當(dāng)嚴(yán)重或某類病害大規(guī)模出現(xiàn)時PCI才會降至“良”[11]?？紤]到PCI的上述不足，在本評價模型中，衡量路面破損狀況僅采用路面狀況指數(shù)PCI而不采用斷板率DBL，但同時增大面斷裂類損壞中縱、橫、斜向裂縫，角隅斷裂，斷裂板的計算單扣分值系數(shù)[10]Aij，Bij(如表2所示)。

DPij=Aij·Dij·Bij

i，j——病害種類和輕重程度；

n——病害種類總數(shù)；

m——第i種病害的輕重程度等級數(shù)；

DPij——第i種病害j種輕重程度的單項扣分值；

Dij——第i種病害j種輕重程度板塊數(shù)占總板塊數(shù)的比例；

Aij，Bij——系數(shù)，可參考表2確定；

Wij——同時出現(xiàn)多種破損時，i種病害和j種輕重程度扣分修正系數(shù)；

Rij——各單項扣分值占總扣分值的比值。

表2 計算單項扣分值的系數(shù)Aij，Bij

1.1.2 行駛質(zhì)量

路面行駛質(zhì)量采用行駛質(zhì)量指數(shù)RQI進(jìn)行評定，以十分制表示[9-10]。RQI與國際平整度IRI之間的關(guān)系為：RQI=10-0.75IRI，RQI數(shù)值范圍為0～10，如出現(xiàn)負(fù)值，則取0；如計算結(jié)果大于10，則取10。

1.1.3 抗滑性能

路面表面抗滑能力可采用側(cè)向力系數(shù)SFC或抗滑值SRV以及構(gòu)造深度TD來進(jìn)行評定[10]，根據(jù)《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTGH10-2009)采用構(gòu)造深度TD作為評價指標(biāo)。

1.1.4 承載能力

1.2 路面綜合評價模型

1.2.1 評價指標(biāo)及評定等級

根據(jù)路面狀況指數(shù)PCI、行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、構(gòu)造深度TD、承載能力指數(shù)FRI計算值，建立指標(biāo)評定等級如表3所示。

表3 水泥混凝土路面各評價指標(biāo)等級評定標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 路面綜合評價指數(shù)

運(yùn)用加權(quán)平均法，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及專家咨詢，建立路面綜合評價指數(shù)，計算式如下：

PQI=PCI′·P1+RQI′·P2+TD′·P3+FRI′·P4

PQI介于0～100，值越大，路面狀況越好。其中PCI′、RQI′、TD′、FRI′是根據(jù)之前評定的等級進(jìn)行賦值，如表4所示；P1、P2、P3、P4為相應(yīng)權(quán)重，如表5所示；路面綜合評定標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表4 根據(jù)評定等級對PCI′、RQI′、TD′、FRI′賦值參考

表5 權(quán)重P1、P2、P3、P4參考取值表

表6 水泥混凝土路面綜合評定標(biāo)準(zhǔn)

2 調(diào)查路段概況

該調(diào)查路段長3km，屬于二級公路，雙向2車道，設(shè)計軸載量100kN，車速60km/h，路基寬度10m。原路面結(jié)構(gòu)為：級配碎石底基層+5%水泥穩(wěn)定碎石基層+水泥混凝土面層。設(shè)計抗彎拉強(qiáng)度5.0MPa，土基回彈模量40MPa；水泥混凝土面板縱縫間距4.25m，橫縫間距6m。

經(jīng)過多年運(yùn)營后，原路面出現(xiàn)大量裂縫、坑洞、錯臺等。因此，對該路段進(jìn)行調(diào)查，評價其路面狀況等級，以便科學(xué)合理地制定養(yǎng)護(hù)對策。

3 路面狀況調(diào)查評價

3.1 調(diào)查方法及頻率

表7 水泥混凝土路面狀況調(diào)查頻率及指標(biāo)關(guān)系換算表

3.2 調(diào)查結(jié)果及綜合評定

(1)調(diào)查路段總板塊數(shù)為1000塊，損壞調(diào)查及路面狀況指數(shù)計算結(jié)果如表8所示。

表8 路面狀況調(diào)查及PCI計算結(jié)果

(2)用連續(xù)式平整度測定車測定平整度，每100m為一測定區(qū)間，總區(qū)間數(shù)為30個，為方便記錄，起點(diǎn)樁號記為K0+000，平整度標(biāo)準(zhǔn)差及行駛質(zhì)量計算結(jié)果如表9所示。

表9 路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差及RQI計算結(jié)果

(3)每1km測5個構(gòu)造深度，共測試15處，用手工鋪砂法測得構(gòu)造深度如表10所示。

表10 路面構(gòu)造深度測試結(jié)果(精確至0.1mm)

表11 路面板鉆芯取樣劈裂強(qiáng)度測試結(jié)果(精確至0.01MPa)

計算保證率為95%的彎拉強(qiáng)度代表值，即fcm代=4.76-1.645×0.29=4.28MPa，設(shè)計彎拉強(qiáng)度fcm設(shè)=5.0MPa，則FRI=fcm代/fcm設(shè)=4.28/5.0=0.86。

(5)根據(jù)評價模型，四項評價指標(biāo)對應(yīng)評定等級及對應(yīng)指標(biāo)取值如下：

PCI=77.28，路面破損等級為“良”，PCI′=80，P1=0.30；

RQI=6.96，行駛質(zhì)量等級為“中”，RQI′=65，P1=0.25；

FRI=0.86，承載能力等級為“良”，F(xiàn)RI′=80，P1=0.25；

PQI=80×0.30+65×0.25+65×0.20+80×0.25=73.25，即該路段路面綜合評定等級為“良”。

3.3 統(tǒng)計分析與養(yǎng)護(hù)決策

3.3.1 統(tǒng)計分析

(1)該調(diào)查路段，從分布數(shù)量看，由基層引起的病害數(shù)量小于混凝土板產(chǎn)生的破損。

(2)用連續(xù)式平整度儀測得路段的平整度標(biāo)準(zhǔn)差σ平均值為2.48，并且變異系數(shù)達(dá)到22.81%，表明平整度相對波動程度大。

(3)采用手工鋪砂法測得構(gòu)造深度平均值0.4mm，抗滑性能下降，這與磨損和露骨563塊的調(diào)查結(jié)果相一致。

3.3.2 養(yǎng)護(hù)決策

根據(jù)《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，水泥混凝土路面按照工程性質(zhì)、復(fù)雜程度、規(guī)模大小劃分為小修保養(yǎng)、中修工程、大修工程、改建工程四類[10]。制定二級公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)決策集，如表12所示。

表12 二級公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)決策集

綜上所述，該調(diào)查路段，養(yǎng)護(hù)決策為“小修保養(yǎng)”。

4 結(jié)論

(1)分析現(xiàn)有的水泥混凝土路面狀況調(diào)查評價方法，基于評價內(nèi)容—評價指標(biāo)—調(diào)查方法的層次關(guān)系，構(gòu)建了路面狀況綜合評價模型。

(2)建立了路面損壞評語集和路面損壞調(diào)查分析方法，以路面狀況指數(shù)PCI作為評價指標(biāo)，解決了路面損壞類型多、難以定量化的問題。

(3)結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析其原因，并建立起養(yǎng)護(hù)決策集，用以完成對路面養(yǎng)護(hù)的決策。