基于灰色關(guān)聯(lián)分析的路面性能預(yù)估及養(yǎng)護策略研究

摘要 研究以某高速路段道路技術(shù)狀況作為研究對象，對典型路面病害及路面結(jié)構(gòu)形式進行分析，通過GM（1，1）模型對路面性能進行灰色關(guān)聯(lián)預(yù)測，重點考察了公路技術(shù)狀況指數(shù)MQI、路面損壞指數(shù)PCI、路面車轍深度RDI及路面抗滑指數(shù)SRI隨時間增長的變化規(guī)律，根據(jù)路面性能衰減趨勢及其分類等級評估標準，提出了養(yǎng)護時機及對應(yīng)的養(yǎng)護措施。

關(guān)鍵詞 路面性能；變化規(guī)律；灰色關(guān)聯(lián)；養(yǎng)護措施

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0148-03

0 引言

十三五期間，我國的高等級路面建設(shè)水平和技術(shù)得到了飛速發(fā)展，道路養(yǎng)護也由原先的被動養(yǎng)護向預(yù)防性養(yǎng)護轉(zhuǎn)變，而預(yù)防性養(yǎng)護的關(guān)鍵是對道路性能尤其是典型病害的長期觀測、評估分析[1]。美國AASHTO協(xié)會采用PSI來表征道路的服務(wù)能力水平，重點查考了路面平整度、裂縫、車轍等病害對道路性能影響程度，并衍生出PCI、MCI、RCI等指數(shù)評估路面性能[2-4]。我國的公路技術(shù)狀況評定標準采用了路面破損、行駛質(zhì)量、車轍深度、抗滑指數(shù)、結(jié)構(gòu)承載力五個分項指標和一個綜合指標[5]。與此同時，國內(nèi)外相關(guān)學者也對道路性能評估模型進行改進，但相關(guān)研究均是選取的特定分析路段的瀝青路面病害進行技術(shù)狀況分析，但受不同地區(qū)氣候變化、交通量差別等因素影響，路面性能預(yù)估及養(yǎng)護策略均會產(chǎn)生差異[6]，因此，該文結(jié)合某高速公路路面病害調(diào)研結(jié)果，進行特定性關(guān)聯(lián)分析，為預(yù)防性養(yǎng)護提供策略研究。

1 工程背景

某高速公路全長約138 km，路基寬24.5 m，車道設(shè)計為雙向四個行車道，車速設(shè)計為120 km/h，通車時間為2017年。該高速公路路面結(jié)構(gòu)形式設(shè)計為：瀝青混凝土+水泥穩(wěn)定碎石+級配碎石，近年來隨著交通流量的持續(xù)攀升，該高速公路的交通重載軸載問題日益突出，從而導致部分路段路面出現(xiàn)裂縫、坑塘等病害，管養(yǎng)單位對此也實施了相關(guān)養(yǎng)護與處治，經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計病害結(jié)果如表1所示。

根據(jù)路面病害調(diào)查結(jié)果顯示，該高速路段均存在各類典型路面病害，其中，橫向裂縫、縱向裂縫、路面車轍等病害較多，一方面與當?shù)氐穆坊刭|(zhì)地形結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面也與路面結(jié)構(gòu)及路面材料的選擇有關(guān)。為預(yù)估該高速公路路面性能及制定相應(yīng)養(yǎng)護策略，該文基于灰色關(guān)聯(lián)法對路面性能展開預(yù)測，并對后續(xù)養(yǎng)護策略進行了探討。

2 灰色理論及模型建立

2.1 灰色理論

灰色系統(tǒng)的相關(guān)理論研究最早由我國著名學者鄧聚龍?zhí)岢?，該理論主要通過對已有的調(diào)查數(shù)據(jù)進行處理分析，得到相關(guān)數(shù)據(jù)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，并可以開展相關(guān)研究結(jié)論的預(yù)測，通過近30年的技術(shù)研究，灰色理論已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、經(jīng)濟、交通等眾多領(lǐng)域，目前，將灰色理論應(yīng)用在高速公路尤其是路面性能分析預(yù)測的相關(guān)研究較少，該文擬通過對四種不同路面結(jié)構(gòu)的路面技術(shù)狀況進行灰色理論分析，得到相關(guān)研究結(jié)論。

2.2 灰色模型

GM（1，1）模型是單變量一階微分方程，被廣泛應(yīng)用在灰色預(yù)測分析中，其建模過程為：

（1）數(shù)據(jù)處理

設(shè)原始數(shù)據(jù)序列為x（0）（1），x（0）（2），...，x（0）（n），記為：

X（0）=[x（0）（1），x（0）（2），...，x（0）（n），] （1）

其中，x（0）（k）≥0，k=1，2，...，n。

對序列X（0）做一次累加處理，得到新的序列：

X（0）=[x（1）（1），x（1）（2），...，x（1）（n），] （2）

其中，x（1）（k）=Σk i=1x（0）（i），k=1，2，...，n。

對X作緊鄰均值生成序列，得到：

Z（1）=[z（1）（2），z（1）（3），...，z（1）（n）] （3）

其中，z（1）（k）=x（1）（k）+x（1）（k?1） 2 ，k=2，3，...，n。

令X（0）（k）+az（1）（k）=b，則得到數(shù)據(jù)矩陣

?Z（1）（2） 1 x（0）（2）

?Z（1）（3） 1 x（0）（3）

X= ... Y= ... （4）

?Z（1）（n） 1 x（0）（n）

設(shè)a?=（a，b）T，對其進行最小二乘估計，則有：

a?=（XTX）?1XTY （5）

對其進行預(yù)測模型建立，得到：

dx（1） dt +aX（1）=b （6）

其中，a——模型中的發(fā)展系數(shù)，b——灰色作用量。

3 路面性能灰色關(guān)聯(lián)分析

研究對路面結(jié)構(gòu)Ⅰ—Ⅳ代表性路段進行2018—2022公路技術(shù)狀況評定數(shù)據(jù)的匯總，主要包括公路技術(shù)狀況指數(shù)MQI、路面損壞指數(shù)PCI、路面車轍深度RDI、路面抗滑指數(shù)SRI，上述四個指標根據(jù)優(yōu)（≥90）、良（80～90）中（70～80）次（60～70）差（<60）進行分級劃分，四組路面性能數(shù)據(jù)采用GM（1，1）模型計算，并進行預(yù)測精度分析，相關(guān)指標匯總預(yù)測精度結(jié)果如表2所示。

通過對上述4條路段的4種指標進行GM（1，1）預(yù)測精度分析，其相對誤差均小于1%，表明該模型能夠較好地對瀝青路面性能進行預(yù)估，研究基于GM（1，1）模型對2023—2030年期間的路面技術(shù)性能進行預(yù)測，結(jié)果如圖1～4所示。

4 路面養(yǎng)護策略研究

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析對部分路段進行性能預(yù)估分析，得到了相關(guān)指數(shù)隨年限增加的變化曲線，以工程背景高速公路為例，進行其道路養(yǎng)護時機及養(yǎng)護需求分析統(tǒng)計，如表3所示。

根據(jù)GM（1，1）模型對路面性能的長期預(yù)測分析，建議在2024年之前對該路段進行日常養(yǎng)護和簡單的預(yù)防性養(yǎng)護進行病害修復，在2024年左右進行霧封層、微表處或碎石封層類的專項養(yǎng)護，而到2028年時，路面MQI等指標均處于良好狀況，但DRI值偏低，建議采用超薄磨耗層、熱拌薄層罩面等重強度養(yǎng)護措施，到2030年時，所有性能指標均低于85，建議采用銑刨重鋪等措施進行大修。

5 結(jié)語

該文對某高速路段的路面病害和結(jié)構(gòu)進行調(diào)研，通過GM（1，1）模型對路面性能進行灰色關(guān)聯(lián)分析，得到以下結(jié)論：

（1）GM（1，1）模型能夠較好地對高速公路技術(shù)性能進行灰色關(guān)聯(lián)分析和預(yù)測，相對誤差小于1%，可預(yù)測得到隨時間變化的路面技術(shù)性能變化趨勢規(guī)律；

（2）根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)預(yù)測，建議其在2024年前、2024年、2028年及2030年可分別采用日常養(yǎng)護、封層修復、罩面修復和銑刨重鋪等養(yǎng)護措施進行針對性處治。

參考文獻

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收稿日期：2024-07-03

作者簡介：趙斌（1987—），男，本科，研究方向：交通工程、道路橋梁、公路養(yǎng)護。