基于灰色关联分析的路面性能预估及养护策略研究

摘要 研究以某高速路段道路技术状况作为研究对象，对典型路面病害及路面结构形式进行分析，通过GM（1，1）模型对路面性能进行灰色关联预测，重点考察了公路技术状况指数MQI、路面损坏指数PCI、路面车辙深度RDI及路面抗滑指数SRI随时间增长的变化规律，根据路面性能衰减趋势及其分类等级评估标准，提出了养护时机及对应的养护措施。

关键词 路面性能；变化规律；灰色关联；养护措施

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）19-0148-03

0 引言

十三五期间，我国的高等级路面建设水平和技术得到了飞速发展，道路养护也由原先的被动养护向预防性养护转变，而预防性养护的关键是对道路性能尤其是典型病害的长期观测、评估分析[1]。美国AASHTO协会采用PSI来表征道路的服务能力水平，重点查考了路面平整度、裂缝、车辙等病害对道路性能影响程度，并衍生出PCI、MCI、RCI等指数评估路面性能[2-4]。我国的公路技术状况评定标准采用了路面破损、行驶质量、车辙深度、抗滑指数、结构承载力五个分项指标和一个综合指标[5]。与此同时，国内外相关学者也对道路性能评估模型进行改进，但相关研究均是选取的特定分析路段的沥青路面病害进行技术状况分析，但受不同地区气候变化、交通量差别等因素影响，路面性能预估及养护策略均会产生差异[6]，因此，该文结合某高速公路路面病害调研结果，进行特定性关联分析，为预防性养护提供策略研究。

1 工程背景

某高速公路全长约138 km，路基宽24.5 m，车道设计为双向四个行车道，车速设计为120 km/h，通车时间为2017年。该高速公路路面结构形式设计为：沥青混凝土+水泥稳定碎石+级配碎石，近年来随着交通流量的持续攀升，该高速公路的交通重载轴载问题日益突出，从而导致部分路段路面出现裂缝、坑塘等病害，管养单位对此也实施了相关养护与处治，经调查统计病害结果如表1所示。

根据路面病害调查结果显示，该高速路段均存在各类典型路面病害，其中，横向裂缝、纵向裂缝、路面车辙等病害较多，一方面与当地的路基地质地形结构有关，另一方面也与路面结构及路面材料的选择有关。为预估该高速公路路面性能及制定相应养护策略，该文基于灰色关联法对路面性能展开预测，并对后续养护策略进行了探讨。

2 灰色理论及模型建立

2.1 灰色理论

灰色系统的相关理论研究最早由我国著名学者邓聚龙提出，该理论主要通过对已有的调查数据进行处理分析，得到相关数据间的内在关联，并可以开展相关研究结论的预测，通过近30年的技术研究，灰色理论已被广泛应用在工业、经济、交通等众多领域，目前，将灰色理论应用在高速公路尤其是路面性能分析预测的相关研究较少，该文拟通过对四种不同路面结构的路面技术状况进行灰色理论分析，得到相关研究结论。

2.2 灰色模型

GM（1，1）模型是单变量一阶微分方程，被广泛应用在灰色预测分析中，其建模过程为：

（1）数据处理

设原始数据序列为x（0）（1），x（0）（2），...，x（0）（n），记为：

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

其中，x（0）（k）≥0，k=1，2，...，n。

对序列X（0）做一次累加处理，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。

对X作紧邻均值生成序列，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，则得到数据矩阵

−Z（1）（2） 1 x（0）（2）

−Z（1）（3） 1 x（0）（3）

X= ... Y= ... （4）

−Z（1）（n） 1 x（0）（n）

设â=（a，b）T，对其进行最小二乘估计，则有：

â=（XTX）−1XTY （5）

对其进行预测模型建立，得到：

dx（1） dt +aX（1）=b （6）

其中，a——模型中的发展系数，b——灰色作用量。

3 路面性能灰色关联分析

研究对路面结构Ⅰ—Ⅳ代表性路段进行2018—2022公路技术状况评定数据的汇总，主要包括公路技术状况指数MQI、路面损坏指数PCI、路面车辙深度RDI、路面抗滑指数SRI，上述四个指标根据优（≥90）、良（80～90）中（70～80）次（60～70）差（<60）进行分级划分，四组路面性能数据采用GM（1，1）模型计算，并进行预测精度分析，相关指标汇总预测精度结果如表2所示。

通过对上述4条路段的4种指标进行GM（1，1）预测精度分析，其相对误差均小于1%，表明该模型能够较好地对沥青路面性能进行预估，研究基于GM（1，1）模型对2023—2030年期间的路面技术性能进行预测，结果如图1～4所示。

4 路面养护策略研究

根据灰色关联分析对部分路段进行性能预估分析，得到了相关指数随年限增加的变化曲线，以工程背景高速公路为例，进行其道路养护时机及养护需求分析统计，如表3所示。

根据GM（1，1）模型对路面性能的长期预测分析，建议在2024年之前对该路段进行日常养护和简单的预防性养护进行病害修复，在2024年左右进行雾封层、微表处或碎石封层类的专项养护，而到2028年时，路面MQI等指标均处于良好状况，但DRI值偏低，建议采用超薄磨耗层、热拌薄层罩面等重强度养护措施，到2030年时，所有性能指标均低于85，建议采用铣刨重铺等措施进行大修。

5 结语

该文对某高速路段的路面病害和结构进行调研，通过GM（1，1）模型对路面性能进行灰色关联分析，得到以下结论：

（1）GM（1，1）模型能够较好地对高速公路技术性能进行灰色关联分析和预测，相对误差小于1%，可预测得到随时间变化的路面技术性能变化趋势规律；

（2）根据灰色关联预测，建议其在2024年前、2024年、2028年及2030年可分别采用日常养护、封层修复、罩面修复和铣刨重铺等养护措施进行针对性处治。

参考文献

[1]吕纪伟.高速公路技术状况指标相关性分析[J].铁道建筑技术，2022（4）：83-86.

[2]王思敏.公路路面技术状况评定关键要素分析[J].交通世界，2021（33）：107-108.

[3]张艳红，侯芸，董元帅.内蒙古自治区沥青路面技术状况评定优化及验证[J].筑路机械与施工机械化，2020（4）：74-78.

[4]马进.基于沥青路面使用性能衰变规律的养护规划技术研究[J].西部交通科技，2018（8）：15-17+47.

[5]何芳，张海斌，陈默.柳南高速路面技术状况检测与评价分析[J].西部交通科技，2016（5）：28-31.

[6]刘婷.我国高速公路沥青路面主要施工技术研究[J].西部交通科技，2019（1）：1-3+10.

收稿日期：2024-07-03

作者简介：赵斌（1987—），男，本科，研究方向：交通工程、道路桥梁、公路养护。