基于沥青路面使用性能衰变规律的高速公路预防性养护计划研究

苏卫国, 戴民松

(华南理工大学,广东 广州 510640)

自改革开放至今已有40余a，国内经济发展迅速，在此期间，我国公路建设规模取得了举世瞩目的成就。特别是在2000年之后，高速公路建设一路高歌猛进，形成国家高速公路网，高速公路通车里程早已达到世界第一[1-2]。近年来，公路大规模建设的时代已悄然离去，进入了时代尾声，公路的运营养护逐渐进入人们的视野，引起业内的关注。自“十二五”以来，交通运输部针对公路养护管理明确提出要建立科学的决策体系[3-4]。而以准确预测路面使用性能为基础的养护管理才是科学决策的依据，从而达到科学养护、提高路面使用质量和节约费用的目的。

沥青路面使用性能是在长期大量车辆使用和自然环境变化带来的不良条件下变得日渐衰减，大多数情况下，这一过程是缓慢发生的。为确保沥青路面使用性能能够较长时间地满足使用要求，就需要在其衰减到一定程度时采取必要的养护措施进行维护。科学合理地评判沥青路面使用性能是制定养护决策及养护计划的基础，因此，深入研究沥青路面使用性能衰变规律是进行预防性养护决策的重要内容，也是十分必要的。

1 沥青路面常见病害类型

高速公路承担着国民经济建设中重大的运输任务，交通流量大，重载车辆多，对沥青路面造成严重损害。另外还存在很多因素会影响沥青路面的使用性能，比如温度变化、流水侵蚀、化学腐蚀、强烈光照等环境因素的影响，加速了沥青路面的衰老和破坏，如图1所示。经查阅相关文献及调查资料可以看出，目前，沥青路面常见病害有裂缝类、松散类、变形类及其他等4种类型[5]，见表1。

图1 沥青路面使用性能影响因素图Figure 1 Influencing factors of asphalt pavement performance

表1 沥青路面常见病害类型Table 1 Common disease types of asphalt pavement类型级别病害描述指标纵向裂缝轻度没有或很少支缝,在缝壁处没有散落或轻微散落缝宽≤5 mm/m2重度支缝很多,在缝壁处有很多散落缝宽>5 mm/m2横向裂缝轻度没有或很少支缝,在缝壁处没有散落或轻微散落缝宽≤5 mm/m2重度支缝很多,在缝壁处有很多散落缝宽>5 mm/m2裂缝类轻度裂区没有出现变形、没有散落,裂缝较细,处于初期20 cm/m2<块度<50 cm/m2龟裂中度无散落或较轻,变形轻微,裂缝较宽,龟裂明显块度<20 cm/m2重度散落重,变形显著,裂缝很宽,龟裂破碎块度<20 cm/m2不规则裂缝轻度裂块较大,无散落或较轻,裂缝较细块度>100 cm/m2重度裂块较小,无散落或较轻,缝宽较小50 cm/m2<块度<100 cm/m2坑槽轻度较浅,面积<1 m2—重度较深,面积>1 m2—松散轻度路面磨损、粗麻,细集料出现散失—重度表面剥落,微坑很多,粗集料出现散失—松散类麻面—表面粗麻,嵌缝料出现散失—脱皮—面层出现层状脱落—啃边—路面边缘出现破碎、脱落,宽度>10 cm—沉陷轻度较浅,不影响行车舒适感深度≤25 mm重度较深,影响行车舒适感,有颠簸感深度>25 mm车辙轻度较浅深度≤25 mm重度较深深度>25 mm变形类拥包轻度波峰与波谷之间形成的高差较小深度≤25 mm重度波峰与波谷之间形成的高差较大深度>25 mm波浪轻度波峰与波谷之间形成的高差较小深度≤25 mm重度波峰与波谷之间形成的高差较大深度>25 mm搓板—纵向出现连续起伏状况—翻浆—路面出现破裂、冒浆等现象—磨光—原有粗构造消失,路面变得光滑—其他冻胀—路基中水分因冻结成冰引起路面拱起、开裂—泛油—镜面状,出现沥青膜,有轮迹—修补损坏—对破损或病害进行处置,与未修补处形成对比—

2 沥青路面使用性能评价指标

沥青路面出现裂缝、松散、变形等破坏现象时，表明路面的行驶质量在下降，从而导致行车舒适性和安全性的降低和道路维修养护费用的增加。沥青路面状况数据是评价沥青路面使用性能的基础资料，通过沥青路面使用性能的情况能够真实反映各条道路的基本情况和使用性能的发展趋势，对其进行路面基本状况评价能够有效帮助高速公路管理部门及时制定养护维修措施和合理安排养护计划。鉴于沥青路面使用性能存在多个属性，需从不同角度采用多个指标分别进行评价，从而较为全面地反映路面使用性能。根据《公路技术状况评定标准》(JTG 5210-2018)规定，沥青路面使用性能评价采用路面技术状况指标PQI(Pavement Quality or Performance Index)作为综合评价指标，包括路面损坏、平整度、车辙、路面跳车、路面磨耗、抗滑性能和结构强度7项性能评价[6]，分别采用路面损坏状况指数PCI(Pavement Surface Condition Index)、路面行驶质量指数RQI(Riding Quality Index)、路面车辙深度指数RDI(Rutting Depth Index)、路面跳车指数PBI(Riding Bumping Index)、路面磨耗指数PWI(Riding Wearing Index)、路面抗滑性能指数SRI(Skidding Resistance Index)和路面结构强度指数PSSI(Pavement Structure Strength Index)作为单项评价指标，如图2所示。其中，路面结构强度作为抽样评定指标进行单独计算，路面磨耗指数PWI和路面抗滑性能指数SRI按二选一进行计算[6]。

图2 路面性能评价指标体系Figure 2 Pavement performance evaluation index system

路面技术状况指标PQI作为综合评价指标是采用单项评价指标的加权值之和，见公式(1)，各单项评价指标的权重值参考《公路技术状况评定标准》(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为路面损坏状况指数PCI的权重值；ωRQI为路面行驶质量指数RQI的权重值；ωRDI为路面车辙深度指数RDI的权重值；ωPBI为路面车辙深度指数PBI的权重值；ωPWI为路面车辙深度指数PWI的权重值；ωSRI为路面抗滑性能指数SRI的权重值。

3 沥青路面使用性能衰变规律研究

沥青路面使用性能衰变规律的研究是在充分了解路段的路况基本信息和影响因素的情况下，通过路面使用性能预测模型对未来沥青路面的变化情况进行分析预测，从而优化确定养护时间和养护方式。常用的路面使用性能预测模型有确定型预测模型、灰色预测模型、神经网络预测模型和概率型预测模型等[7-8]。其中，灰色预测模型是应用最为简单实用的一类方法，能够利用较少的路面检测数据计算得到较好的计算结果。以某高速2015年—2018年的路面技术状况指标PQI为数据资料，见表2，利用基于灰色系统理论的GM(1,1)模型对未来几年PQI的发展规律进行探究。

表2 2015年—2018年路面技术状况指标PQI数据统计表Table 2 PQI data statistics of pavement technical status indicators in 2015-2018年份2015201620172018PQI95.7386.6583.3180.81

根据已有数据对路面技术状况指标PQI进行预测计算，详细过程如下：

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)的准光滑检验：由

ρ(2)=0.91，ρ(3)=0.47<0.5，即当k>3时，ρ(k)<0.5，满足准光滑条件。

d.累加序列X(1)的准指数规律：由

σ(1)(2)=1.91，σ(1)(3)=1.46，即当k>3时，σ(1)(k)∈[1，1.5]，σ<0.5，满足准指数规律，可建立GM(1,1)模型。

f.进行最小二乘法计算得：

-2515.56e-0.035t+2611.29。

{95.730，182.252，265.797，346.470}。

{95.73，86.52，83.55，80.67}。

i.进行误差检验。

表3 误差检验结果表Table 3 Error test results序号实测值X 0 n 预测值X∧ 0 n 残差ε 0 n 相对误差/%195.7395.7300286.6586.520.130.150383.3183.55-0.240.288480.8180.670.140.173

① 绝对关联度计算:

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

② 均方差计算:

则方差比C=S1/S0=0.027 1。

③ 小误差概率:

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。

综上所述，灰色预测模型的预测精度较好，能够满足使用要求，可计算得到2019年和2020年的路面技术状况指标PQI分别为77.90和75.22，见表4。

表4 路面技术状况指标PQI预测结果表Table 4 PQI prediction results of pavement technical con-dition index年份201520162017201820192020实测值95.7386.6583.3180.81——预测值95.7386.5283.5580.6777.9075.22

所以说，针对路面使用性能衰变规律的预测不仅可以应用于综合评价指标PQI，对于评价路面单项性能的PCI、RQI、RDI、PBI、PWI、SRI等单项评价指标也同样适用，便于实现某一单项使用性能的预测和深入研究。

4 基于路面使用性能衰变规律的预防性养护计划研究

高速公路的预防性养护[9-10]在我国兴起较晚，行业内对它的认识和了解不深，沿用以往的养护方式导致路面或其构造出现严重问题，影响养护效果。实施预防性养护的意义就在于病害早期实施补救措施，对路面的使用性能进行改善，从而达到延长沥青路面使用寿命、节约养护成本的目的。其中，预防性养护的实施时间与养护工作的经济性和有效性有直接关系[11-12]。在最佳的养护时间通过花费最少的养护成本和采用最为有效的养护措施来实现最优的养护效果是预防性养护的终极目的。基于沥青路面使用性能的衰变规律进行制定预防性养护计划变得十分必要，需针对病害制定预防性养护方案加以实施，如图3所示。

图3 预防性养护方案制定流程图Figure 3 Flow chart of preventive maintenance plan development

根据图3得到的初步预防性养护方案，在充分考虑区域的路况特点、病害类型、气候条件、养护水平及经费等问题的基础上，结合路面使用性能预测模型所得到的数据结果，给出不同养护方案的最低可接受时间和养护收益面积，再通过养护费用的计算，得到各养护方案在相应时间内使用的费用现值，最终计算得到效益费用比[13]，以此为判断指标确定最佳的养护时间，如图4所示。

图4 最佳预防性养护时机确定流程图Figure 4 Flow chart of determining the best preventive maintenance opportunity

针对不同预防性养护的实施时间方案，通过计算费用效益比，最终确定该值最大的方案为最佳。在此基础上，可以计算得到各预防性养护实施方案的等额费用年值，选择年值最小的方案作为最优预防性养护方案。

5 结论

通过对某高速2015年—2018年的路面技术状况指标PQI进行数据分析，建立了灰色预测模型来探究PQI的衰变规律，并在此基础上提出预防性养护的时机确定方法，得到如下结论：

a.了解影响沥青路面使用性能影响因素和常见病害类型，建立定量化的评价体系，是建立预测模型探究路面使用性能衰变规律和制定预防性养护计划的基础。

b.路面技术状况指标PQI预测模型的预测结果与实测值很接近，对采用的灰色预测模型进行了验证，可用于未来的路面技术状况指标PQI的预测，同时对PCI、RQI、RDI等单项评价指标的预测也适用。

c.基于路面使用性能衰变规律的预防性养护计划的制定，要以效益费用比作为评价指标，以科学的方法确定最佳预防性养护方案，从而实现优化养护方案、节约养护成本和辅助养护决策的目的。