公路沥青路面使用性能评价及预测研究

姚泽瑞

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

公路沥青路面具有平稳舒适、耐久抗滑性能好等优点，在我国公路工程建设中得到广泛应用。公路路面运营期间，受到车辆荷载、降雨等因素的影响，沥青混合料会出现一定程度的老化，导致使用性能大幅度降低，严重影响行车安全性和舒适度。结合交通运输部门的统计数据，每年因公路沥青路面使用性能不足导致的交通事故死亡人数数以万计。鉴于此，需要及时对破损路面进行养护，以恢复或提高路面使用性能。因此，研究公路沥青路面使用性能的评价方法和预测模型具有十分重要的工程意义。

1 公路沥青路面使用性能的基本内涵

目前，国内外学者和工程技术人员对公路沥青路面使用性能的定义尚无统一结论，但基于行车需求和舒适度，路面使用性能包括以下四个方面。

1.1 结构性能

在车辆荷载和自然环境因素的作用下，路面结构在运营期间会发生各类损坏。根据公路沥青路面的破损形态不同可大致分为裂缝类、变形类、松散类等。公路沥青路面的结构性能反映了保持路面结构完整无损坏的能力，路面的结构性能越好，路面损坏的难度越大。

1.2 结构承载力

公路沥青路面的结构承载力反映了路面的剩余寿命，即路面还能承受的轴载作用次数，可根据路面的弯沉值来估算其结构承载力。路面的结构承载力和路面的损坏状况存在密切联系，结构承载力越低，路面损坏的速度越快，当路面的结构承载力超过极限状态，路表将严重损坏。

1.3 安全性能

公路沥青路面的安全性能可用路面摩擦系数来评价，摩擦系数与集料形状和表面纹理、路面构造深度等因素有关。一般情况下，公路沥青路面的摩擦系数越大，抗滑能力越好，路面的安全性能也越好，反之亦然。

2 公路沥青路面使用性能的评价指标

公路沥青路面使用性能的评价指标包括单项指标和综合指标：单项指标只是对路面某一方面的特性进行评价；综合指标充分考虑了各单项指标对路面使用性能影响程度的不同。对单项指标赋予不同权重系数后加权平均，可以评价路面使用性能的综合状况。

根据《公路沥青路面养护技术规范》(JTG 5142—2019)（简称《规范》），公路沥青路面使用性能的评价体系主要有路面损坏状况指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面车辙深度指数RDI、路面跳车指数PBI、路面磨耗指数PWI、路面抗滑性能指数SRI、路面结构强度指数PSSI，通过对以上7 个单项指标赋予相应的权重，可以计算出路面技术状况指数PQI，以综合评价公路沥青路面使用性能。利用PQI 数据可对路面使用性能分级，分级标准见表1。

表1 公路沥青路面使用性能分级

2.1 路面行驶质量

公路沥青路面行驶质量指数可用平整度表示，计算公式如下：

式（1）中：

IRI

为路面平整度指数，m/km；

a

为计算系数，高速公路和一级公路取0.026，其他公路取0.0185；

a

为计算系数，高速公路和一级公路取0.65，其他公路取0.58。

目前检测公路沥青路面平整度的仪器包括断面类和反应类两种：断面类仪器是用来测定路面的凹凸不平状况，常用仪器有3m 直尺测量和连续式平整度仪；反应类仪器需要在专用测量车上安装传感和显示设备，一般采用激光平整度仪和车载颠簸累积仪。

2.2 路面结构承载力

路面结构承载力指数可用弯沉表示，计算公式如下：

式（2）～式（3）中：

l

为路面允许弯沉，mm；

l

为路面实测弯沉，mm；

a

、

a

为计算系数，分别取值为15.71和-5.19；

SSR

为路面结构承载力系数，无量纲。

传统的路面弯沉测量采用贝克曼梁法，由于该方法受人为因素影响大，测量速度慢，精度低，不太适用于长距离检测，目前多采用落锤弯沉仪或自动弯沉仪测定弯沉。使用弯沉仪测量时通常以100m 为间距，先测量各点弯沉的平均值，再计算路段代表弯沉值。

2.3 路面损坏状况

路面损坏状况指数可用破损率表示，计算公式如下：

式（4）～式（5）中：

ω

为第i 类路面破损的权重；

A

为第i 类路面破损的面积，m；

A

为路面破损总面积，m；

a

、

a

为计算系数，分别取15 和0.412；

DR

为路面破损率，%。

公路沥青路面破损面积检测通常采用车载高速摄像仪器，检测效率高，对行车安全影响较小。检测设备能够根据采集的图像信息自动分析，输出各种路面破损的面积。

2.4 路面抗滑能力

路面抗滑能力指数可用横向力系数SFC（侧向摩阻力与垂直荷载的比值）表示，计算公式如下：

式（6）中：

SRI

为标定系数，可取35；

a

、

a

为计算系数，分别取28.6 和-0.105。

3 公路沥青路面使用性能的评价方法

3.1 层次分析法

层次分析法是将影响公路沥青路面使用性能的各个因素划分为三个相互关联的层次（见图1），并赋予各层一定的权重系数。同时，根据上下层因素之间的相对重要性关系建立判断矩阵，进行一致性检验，基于检验结果再进行评价。

图1 路面使用性能影响因素的层次关系

矩阵的一次性检验公式如下：

式（7）中：

CR

为随机一致性指标，

CR

＜1 可认定矩阵一致性满足要求；

RI

为平均一致性指标；

CI

为一般一致性指标。

层次分析法可以把复杂问题简化为系统化的层次，所需的评价数据较少。但是，在确定各指标的相对重要性时，往往需要咨询多个专家评分，评价结果受主观影响大，可能出现同路段的公路沥青路面使用性能评分差值较大的现象。

3.2 灰色聚类法

灰色聚类法首先要建立与隶属函数相似的白化权函数或功效函数，然后将各项路面使用性能评价指标进行聚类，以得到路面路况综合级别。灰色聚类法计算较简单，既能够减少人为因素对路面状况评价结果的干扰，还能确保在路况信息较少的条件下获得较准确的评价结果，但是如果评价指标量纲不统一或白化权函数选择不合理，评价结果的准确性会产生严重偏差。

3.3 模糊数学法

模糊数学法需要建立各评价指标的隶属度函数，然后结合路面状况的实测数据得到路面使用性能的综合评价模型。该方法表征公路运营期间路面使用性能的不确定性和模糊性，符合客观规律，但如果采用线性加权平均来计算评价指标，可能使评判结果失效。

4 公路沥青路面使用性能的衰减规律和预测模型

在公路项目运营期间，公路养护人员需基于路面现状，预测未来一段时间内的使用性能衰减规律，以确定合适的养护时间和养护方案，减少养护资金投入。

4.1 路面使用性能的衰减规律

相关研究表明，公路沥青路面使用性能随运营时间的衰变模式主要有凸型曲线、凹型曲线、反S 型曲线、直线型曲线四种，如图2所示。

图2 路面使用性能衰减曲线

凸型曲线是最常见的一种路面使用性能衰减模式，表示路面使用性能衰减速度先慢后快。当公路运营超过某一时间点，路面使用性能会出现骤降。主要是因为：路面在运营初期，结构承载能力较强，能有效抵抗各种行车载荷，但随着时间推移，路面容易产生各种裂缝、变形等，会降低路面的结构能力，导致路面损坏速度越来越快。凹型曲线表示路面使用性能衰减速度先快后慢。因为设计方案不合理或施工质量控制不佳，导致路面在运营初期就出现了损坏，大幅度降低了其使用性能，养护单位会投入大量资金修补路面，以延缓路面使用性能的衰减速度。反s 型曲线可以视为凸型曲线和凹型曲线的组合，表示路面使用性能衰减速度先慢后快，再变慢，属于一种出现频率较低的路面衰减曲线。直线型曲线表征沥青路面在运营期间使用性能衰减速率基本保持定值，这说明路面运营初期就出现了较严重的损坏，后期养护单位未针对相应病害进行养护维修。

4.2 路面使用性能的预测模型

在掌握公路沥青路面使用性能衰减规律的基础上，还需要建立路面使用性能与轴载作用次数之间的关系模型。常用的沥青路面使用性能的预测模型可分为确定型和概率型两大类。

4.2.1 确定型预测模型

确定型预测模型包括经验法（如Empirical Prediction Model）和力学法。

经验型预测模型是基于路况调查数据，建立路面使用性能与影响因素之间的经验函数关系，即可预测路面使用性能随道路运营时间的变化规律，计算公式如下：

式（8）中：

C

为路面使用性能；

b

为函数斜率；

X

为公路运营时间，月；

m

为函数修正参数。

力学法基于弹性力学理论，分析路面在车辆循环荷载作用下的受力情况，根据路面结构层的力学响应规律，计算出路面损坏时的临界应力及该状态的出现时间（养护时机）。

4.2.2 概率型预测模型

相对于确定型预测模型，概率性预测模型可以考虑影响路面使用性能的不确定因素，如极端天气。概率性预测模型的分类及特点，如表2所示。

表2 路面使用性能概率性预测模型

5 结论

分析了公路沥青路面使用性能的评价指标及测量方法、评价方法、性能衰减曲线及预测模型，主要得到了以下结论：其一，公路沥青路面使用性能通常指的是功能性能、结构性能、结构承载力、安全性能四个方面；其二，公路沥青路面使用性能评价可基于《规范》中推荐的路面技术状况指数PQI 法，并利用层次分析法、灰色聚类法、模糊数学法进行校核验证；其三，路面的使用性能随运营时间的衰变模式主要有凸型曲线、凹型曲线、反S 型曲线、直线型曲线四种，其中凸型曲线最普遍；其四，公路沥青路面使用性能的预测模型有确定型和概率型两大类，前者包括经验法和力学法，后者包括Markov 模型、残存曲线模型等。