基于沥青路面检测指标的服役性能衰变规律研究

吴志勇， 岳建洪， 陈金蓉， 张洲洋， 陈阳

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司， 四川 成都 610041；2. 四川成渝高速公路股份有限公司， 四川 成都 610021)

由于高速公路养护理论不成熟，常因养护时机不当或采用的养护方案不合理造成养护资金分配未能有效匹配地区路网养护，达不到期望效果。要在适当的时机选择合适的维修养护方式，就需要了解和掌握沥青路面使用性能的衰变特征，建立与其相关性好的性能衰变模型，通过该模型确定沥青路面养护时机。该文在梳理现有沥青路面衰变规律理论和模型的基础上，依托成渝地区3条高速公路部分路段多年检测数据，对分项指标采用合适的衰变规律模型进行拟合，分析沥青路面服役性能的衰减特征，为沥青路面预防性养护决策提供依据。

1 现有沥青路面衰变规律模型

随着评价方法及评价指标的应用，沥青路面使用性能评价模型被提出并不断更新发展。日本针对不同用户提出了不同的模型，对管理者提出了路面养护管理指数MCI评价模型，对道路使用者提出了简易的线性舒适性指数RCI模型；美国陆军建筑研究工程所开发的PAVER系统首次采用扣分法建立路面破损评价模型，用于路况评价和预测；加拿大提出路面使用性能指数PQI，其值为路面状态(裂缝等)指数CI、乘车舒适性指数RCI、路面结构适用性评级指数SAR的加权和，并以平整度指数IRI和路面状况指数PCI为指标建立了路面使用性能衰变方程。借鉴国外研究成果，中国根据各地区的实际情况提出了许多预测模型，如北京模型、广东模型、天津模型、交通科研所潘玉利博士提出的基于回归的路面使用性能评价模型。

以实测数据为基础的经验统计模型是当前路面性能预测的主流形式，其中最易于管理者应用的是路面使用性能衰变方程。各种衰变模型均以路面逐年历史检测数据为基础，借助一定的数据分析工具，采用相关数据方法拟合或分析得到。总体而言，沥青路面使用性能衰变规律可归结为凹形、凸形、反S形和直线形，分别采用多项式、指数、反S和直线等曲线形式表示(见图1、表1)。

图1 路面技术状况衰变规律

表1 路面技术状况衰变规律曲线特征

2 典型高速路段沥青路面技术状况衰变模型构建

选取成渝地区多条具有代表性的高速公路，结合历年路面各分项指标(PQI、PCI、路面行驶质量指数RQI、路面车辙深度指数RDI、路面抗滑性能指数SRI)实测数据，分别拟合或回归得到各分项指标衰变曲线，研究其衰变规律。

2.1 高速公路A

高速公路A上行K89+000—K105+000段2010—2018年路面分项指标衰减规律见图2，拟合方程见表2，拟合方程的起始年均为2010年，含2015年再次养护后各指标所拟合的衰变方程。

表2 高速公路A上行K89+000—K105+000段路面技术状况指标拟合方程

高速公路A通车伊始，交通量逐年增加，重载、超载车辆比重较大，经过多次维修养护，特别是2009年大修后，路面使用性能衰减速度整体偏快。根据图2，路面使用性能指标PQI、PCI、RQI、RDI和SRI整体呈反S形衰变趋势。1)PQI在2010—2014年呈反S形变化规律，前期衰减较缓慢，随着通车运营时间的延长，衰减速率显著增大，之后衰减趋势逐年变缓，采用反S形函数拟合具有较好的相关度；2015年左右进行一定养护维修后，PQI值明显高于2014年，路面使用性能得到一定提升；2015—2018年进行了局部修补等养护，其衰减速率小于2010—2014年。2)PCI的衰减过程与PQI指标变化过程相似，前3年衰减速率较小，2015年左右进行一定养护维修后，PCI值得到一定提升。但2015—2016年出现衰减，整体养护后PCI衰减速率较大，2015年该路段采取的养护措施并不能从所收集的资料中得到体现。3)RQI指标在2010—2012年变化较平缓，2012—2015年缓慢下降，但其衰减速率小于PQI和PCI。4)RDI值从2010年的93.18衰减至2014年的86.37，下降明显；2015—2018年从86.63下降至84.36，衰减较平缓，2015年左右实施的养护维修对车辙状况的改善并不显著。5)SRI指标在2010—2014年衰减幅度较大，2015年左右实施的养护维修对路面抗滑性能的改善作用较小。综上，2015年左右实施的养护维修对PCI的改善较明显，但对RQI、RDI和SRI等指标的改善有限。2015年左右进行的养护维修可能为局部病害整治或局部段落的铣刨换铺。

图2 高速公路A上行K89+000—K105+000段路面技术状况指标拟合

2.2 高速公路B

高速公路B上行K1854+000—K1868+000段2010—2018年路面分项指标衰减规律见图3，拟合方程见表3。

表3 高速公路B上行K1854+000—K1868+000段路面技术状况指标拟合方程

图3 高速公路B上行K1854+000—K1868+000段路面技术状况指标拟合

对高速公路B上行K1854+000—K1868+000段的RQI和RDI指标采用多项式进行拟合，未表现出明显的变化规律；其余各指标均呈现反S形衰变趋势，其中PCI指标衰变规律最显著，以PCI指标作为路面使用性能衰变趋势分析主控指标较合理。从PQI、RQI、RDI衰减曲线来看，2012年左右应该进行过相关养护维修，但养护历史资料上并未体现。PQI指标采用反S形衰变函数进行拟合，2010—2011、2015—2016年表现出明显的衰减趋势，2011—2015年衰变趋势较平缓。PCI指标采用反S形函数拟合，2010—2013年保持较小的衰变趋势，2013—2016年呈现大幅度连续衰减趋势。SRI指标的大幅度衰减出现在2011—2013年，2013—2016年SRI变化较平缓。整体而言，该路段除PCI指标外，各指标在2011—2016年的衰变规律并不显著。

2.3 高速公路C

高速公路C下行K2149+000—K2167+000段2010—2018年路面分项指标衰减规律见图4，拟合方程见表4。

表4 高速公路C下行K2149+000—K2167+000段路面技术状况指标拟合方程

图4 高速公路C下行K2149+000—K2167+000段路面技术状况指标拟合

对高速公路C下行K2149+000—K2167+000段各指标均采用反S形函数进行拟合，且各指标的规律性较强，可见，维修养护历程的未知和典型路段的选取对衰变趋势拟合的影响较大。PQI和PCI指标的衰减曲线变化规律相似，2010—2012年衰减曲线较平缓，2013—2014年衰减趋势明显。RQI指标在2010—2016年变化范围不大，呈现连续下降趋势，且各年衰减幅度基本均衡。RDI指标值由2010年的93.43下降至2014年的87.97，其中2012年衰减最明显；2012—2014年RDI基本维持在一个相对恒定的范围。SRI指标在2010—2013年下降幅度较大，随后衰变较平缓。

3 结论

(1) 采用反S形函数能较好地拟合PQI、RQI、RDI、SRI、PCI等路面使用性能指标的衰减特征，其中PQI和PCI作为路面使用性能衰变趋势分析主控指标，其衰减曲线变化规律相似。

(2) 根据路面性能模型，路面性能指标在公路新建初期衰减较慢，在使用后期衰减速率明显增大，与路面实际情况一致。

(3) 局部修补可较大幅度改善PCI指标，但对RQI、RDI、SRI等指标的影响较小。

(4) 根据路面检测指标的衰减规律可获知既有道路近期采用的养护方式，也可作为后续沥青路面预防性养护方案决策及养护规划制定的重要依据。