水泥混凝土路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)性能改善模型研究

陳富強，陳富堅，楊大田，黃 慧

（1.廣西公路管理局，廣西 南寧530028;2.桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林541004; 3.重慶交通大學(xué)，重慶400074；4.廣西公路技工學(xué)校，廣西 南寧530028）

水泥混凝土路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)性能改善模型研究

陳富強1，陳富堅2，楊大田3，黃 慧4

（1.廣西公路管理局，廣西 南寧530028;2.桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林541004; 3.重慶交通大學(xué)，重慶400074；4.廣西公路技工學(xué)校，廣西 南寧530028）

為研究水泥混凝土路面處于不同路況時實施某類養(yǎng)護(hù)對策的路面性能改善規(guī)律，進(jìn)而解決預(yù)防性養(yǎng)護(hù)行為效益難以量化等關(guān)鍵性問題，基于VISUAL BASIC聚類分析方法以及依托工程的大量檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行性能改善模型的構(gòu)建，研究結(jié)果表明：表征路面養(yǎng)護(hù)行為瞬時性能改善程度的路面性能突變值具有較好的可預(yù)測性，性能突變值與養(yǎng)護(hù)前的國際平整度之間普遍具有顯著的線性相關(guān)性，而養(yǎng)護(hù)前后國際平整度比值與養(yǎng)護(hù)前的國際平整度之間的相關(guān)性普遍相對較差，研究結(jié)果可為水泥混凝土路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時機的高效切入及養(yǎng)護(hù)成本效益分析提供重要的理論基礎(chǔ)，并具有重要的工程應(yīng)用價值.

道路工程；水泥混凝土路面；性能改善模型；聚類分析；性能突變值；平整度比值

水泥混凝土路面由于其特有的結(jié)構(gòu)特征，使得其損壞特征、衰變規(guī)律、養(yǎng)護(hù)切入時機、養(yǎng)護(hù)效益評價分析等方面都與瀝青路面有著較大的不同，特別是預(yù)養(yǎng)護(hù)效益的量化方面更為錯綜復(fù)雜，已經(jīng)成為國際上預(yù)養(yǎng)護(hù)研究工作者一直在致力解決的關(guān)鍵性問題。國內(nèi)外目前已有的相關(guān)研究成果表明：以路面性能曲線下的面積代替養(yǎng)護(hù)效益的效益面積法不僅能較好地量化預(yù)養(yǎng)護(hù)效益，而且也符合預(yù)養(yǎng)護(hù)理念和規(guī)律，在工程實踐中得到了較為廣泛的應(yīng)用[1-4]。

然而，基于效益面積法的量化模型，其根本前提是需首先掌握各種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施對路面性能瞬間提高值的預(yù)測和養(yǎng)護(hù)后路面性能衰變規(guī)律的預(yù)測。目前，國際上對預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施（單項或組合措施）對路面性能改善預(yù)測方面曾進(jìn)行過探索性研究。S.Labi等[5]根據(jù)美國印第安納州總長5 000英里的路段建立了裂縫填封（傳統(tǒng)密封材料）、裂縫密封（廢舊橡膠粉）、接縫/隆起部位打磨和薄層罩面等各種常用養(yǎng)護(hù)措施的改善效果的預(yù)估模型；Kathleen T.Hall等[6]在LTPP SPS-6數(shù)據(jù)分析合同中對養(yǎng)護(hù)和維修措施的效益進(jìn)行了研究；Joanna K.Ambroz等[7]也對LTPP SPS-6試驗路進(jìn)行了初步評價和分析，得到了不同維修措施實施后的IRI年增長率；此外，加州、伊利諾斯州、愛荷華州、南達(dá)科他州和印第安納州等也在金剛石銑刨對性能改善方面進(jìn)行了較為深入的研究。相比之下，由于國內(nèi)開展水泥混凝土路面預(yù)養(yǎng)護(hù)研究時間并不長，而且主要集中于養(yǎng)護(hù)材料、養(yǎng)護(hù)工藝等研究方面，再加上預(yù)養(yǎng)護(hù)的效益通常要在多年之后才能顯現(xiàn)，短期內(nèi)難以對其進(jìn)行評價等因素，國內(nèi)尚未大范圍開展專門針對水泥混凝土路面性能改善方面的研究，也尚未形成較為完整且成熟的研究成果[8-9]。

主要依托交通部西部交通科技項目以及實體項目廣西某高速公路工程，基于VISUAL BASIC聚類分析方法進(jìn)行模型的分析，研究水泥混凝土路面預(yù)養(yǎng)護(hù)條件下的性能衰變規(guī)律，定量地預(yù)測具體預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施的性能改善規(guī)律，包括路面性能瞬間提高值的預(yù)測和養(yǎng)護(hù)后路面性能衰變規(guī)律的預(yù)測，以期為水泥混凝土路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時機的高效切入及養(yǎng)護(hù)成本效益分析提供必要的理論基礎(chǔ)，具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 路面性能改善度量指標(biāo)

1.1 表征路面性能改善的基本型式

在各種預(yù)養(yǎng)護(hù)（組合）措施中，有些措施的實施并不產(chǎn)生即時的性能改善，而只是使路面性能衰變速率得以緩和；有些措施會有一個即時的性能改善，但對衰變速率減緩并無貢獻(xiàn)；有些措施則不但會獲得一個即時的性能改善，還使路面的衰減速率得以緩和。總體上，實施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施后其性能變化可表征為以下3種模式：①無突變，衰變率減緩；②有突變且保持同樣的衰變率；③有突變同時衰變率減緩。

1.2 預(yù)養(yǎng)護(hù)性能改善的度量指標(biāo)

養(yǎng)護(hù)性能改善包括養(yǎng)護(hù)后路面使用性能的提高（下降型指標(biāo)）或下降（上升型指標(biāo)），可體現(xiàn)在兩方面：一是在養(yǎng)護(hù)短時間內(nèi)，路面使用性能提高；二是處治后路面衰減速率的下降。不同養(yǎng)護(hù)措施的性能改善通常可用路面性能突變值（PJ）、路面衰變率的減緩值（DRR）或年均衰減率（AADR）來表示[5]。

1）路面性能突變值。路面性能突變值是一種用于路面養(yǎng)護(hù)短期效益評價的數(shù)學(xué)指標(biāo)，它提供了養(yǎng)護(hù)短期效益評價的最直接和最有效的方式。性能突變值可以反映相應(yīng)維護(hù)后路面性能曲線形狀的改變，圖1中的MB段表示性能突變值，即

圖1 路面性能改善度量指標(biāo)示意圖Fig.1 Diagram of performance improvement indicators

2）衰變減緩率(DRR)。隨著時間或累計軸載的增長，路況會逐漸惡化。DRR的概念就是進(jìn)行養(yǎng)護(hù)后，路況惡化曲線的斜率變得平緩。衰變減緩率是以圖2中的AM和MC斜率差來計量的，即

3）年均衰減率（AADR）。通常認(rèn)為，采取某項預(yù)養(yǎng)護(hù)措施或某一系列措施之后，在短期內(nèi)其逐年性能衰減率變化可能并不明顯，而且期間可能還會實施其他的預(yù)養(yǎng)護(hù)措施，因此，從這個層面考慮，預(yù)養(yǎng)護(hù)措施實施后一段時間內(nèi)，其逐年性能衰減率可認(rèn)為保持一相同值。即

2 預(yù)養(yǎng)護(hù)性能改善模型分析

在模型構(gòu)建中所用到的某高速公路依托工程數(shù)據(jù)具體參閱文獻(xiàn)[8，10]。性能改善模型的分析過程分3步進(jìn)行，首先對全體路段（此處每公里為一個路段）的總體情況進(jìn)行初步分析，得到各相關(guān)指標(biāo)間的總體相關(guān)關(guān)系，然后基于路段所采取的養(yǎng)護(hù)行為（類型）進(jìn)行聚類分析，再對各聚類路段進(jìn)行詳細(xì)分析。限于篇幅，此處僅對性能突變值(PJ)進(jìn)行探討，性能減緩率（含DRR，AADR）另撰文研究。

2.1 總體狀況分析

養(yǎng)護(hù)維修前后路段的路面性能會發(fā)生變化，分析總體狀況的目的是找出性能指標(biāo)之間的相關(guān)規(guī)律，以確定出可以反映路面性能改善規(guī)律又適合工程地特點的指標(biāo)，為下一步詳細(xì)分析提供指標(biāo)基礎(chǔ)。路段中路面性能改善總體狀況如圖2至圖6所示。

圖2 路面性能突變值(PJ)與養(yǎng)護(hù)前性能（IRIb）關(guān)系圖Fig.2 Relationship between PJ and IRIbbefore maintenance

圖3 路面性能突變值(PJ)與養(yǎng)護(hù)后性能（IRIa）關(guān)系圖Fig.3 Total relationship between PJ and IRIaafter maintenance

圖4 路面平整度比值(λ)與養(yǎng)護(hù)前性能（IRIb）關(guān)系圖Fig.4 Relationship betweenλand IRIbbefore maintenance

圖5 路面平整度比值(λ)與養(yǎng)護(hù)后性能（IRIa）關(guān)系圖Fig.5 Relationship betweenλ and IRIaafter maintenance

圖6 養(yǎng)護(hù)前性能（IRIb）與養(yǎng)護(hù)前性能（IRIa）關(guān)系圖Fig.6 Relationship between IRIband IRIabefore maintenance

由以上各關(guān)系圖可以看出，路面性能突變值(PJ)、養(yǎng)護(hù)維修后的平整度IRIa、養(yǎng)護(hù)維修前的平整度IRIb以及養(yǎng)護(hù)維修前后平整度比值（λ）四者的關(guān)系總體表現(xiàn)為：① PJ與 IRIb關(guān)系顯著，而與IRIa不存在明顯相關(guān)性(圖3，圖4)；② λ與IRIb之間存在明顯的相關(guān)性，但與IRIa之間未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性(圖5，圖6)；③IRIb與IRIa之間未存在明顯的相關(guān)性(圖7)。根據(jù)四者之間所表現(xiàn)出的顯著關(guān)系情況，下面將專門針對路面性能突變值(PJ)與維修前的平整度IRIb、養(yǎng)護(hù)維修前后平整度比值（λ）與維修前IRIb之間的關(guān)系展開詳細(xì)的聚類分析，以獲得不同養(yǎng)護(hù)策略下路面處于不同IRI狀況時的路面性能改善模型。

2.2 路面性能改善聚類分析

2.2.1 聚類原則與方法

采用VISUAL BASIC編輯器對柳王路的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，首先針對各路段進(jìn)行破碎板、裂縫、斷角、錯臺、唧泥、填縫料損壞、坑洞病害的處理情況，根據(jù)這7種主要損壞的養(yǎng)護(hù)維修與否進(jìn)行聚類分析，理論上可得到27=128類（見表1），從依托工程的實際情況來看，共有31類（見表2）。然后根據(jù)數(shù)據(jù)透視表與透視圖功能，分別對各聚類數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到各種養(yǎng)護(hù)維護(hù)對策下的路面性能改善程度，并據(jù)此得到不同平整度下采取各種養(yǎng)護(hù)措施的性能改善規(guī)律，為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時機的確定提供有力的基礎(chǔ)。

2.2.2 實際聚類分析路段

聚類分析中只對數(shù)據(jù)點多于5個的聚類進(jìn)行線性回歸分析。匹配條件的聚類分別為7，11，15，31，67，71，74，75，79，103，111，127共12個（見表2）。

表1 聚類分析的原則Tab.1 Principles for cluster analysis

2.2.3 聚類分析結(jié)果與分析

路面性能突變值的規(guī)律分析主要研究不同養(yǎng)護(hù)對策及對策組合下，不同路面狀況下所引起的路面性能突變值以及養(yǎng)護(hù)前后IRI比值（λ）的變化規(guī)律。通過繪制它們之間的關(guān)系圖并進(jìn)行線性分析，就可以得到12種聚類分析路段中，其性能突變值、平整度比值與養(yǎng)護(hù)措施實施前的平整度之間的相關(guān)關(guān)系。分析結(jié)果表明，性能變值與養(yǎng)護(hù)前的IRI值之間普遍具有較好的線性相關(guān)性，而養(yǎng)護(hù)前后IRI的比值與養(yǎng)護(hù)前的IRI值之間的相關(guān)性普遍相對較差，部分聚類（如第103類、第127類）甚至不表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性。各聚類的性能突變值與養(yǎng)護(hù)前IRI值之間函數(shù)關(guān)系匯總結(jié)果以及各聚類的養(yǎng)護(hù)前后IRI比值（λ）與養(yǎng)護(hù)前IRI值之間函數(shù)關(guān)系匯總結(jié)果分別如表2和表3所示。

表2 性能突變值模型匯總表Tab.2 Performance mutation models for different measures

表3 IRI比值（λ）模型匯總表Tab.3 IRI ratio models for different measures

可以看出，性能突變值和養(yǎng)護(hù)前后IRI比值均具有較好的可預(yù)測性，實際工程中可根據(jù)性能突變值與養(yǎng)護(hù)前IRI值之間的顯著的相關(guān)關(guān)系式，得到路面處于不同IRI時實施某種養(yǎng)護(hù)對策所能帶來的路面性能的改善值，即根據(jù)養(yǎng)護(hù)維修行為實施前的路況以及所采取的養(yǎng)護(hù)維修行為，可得出對應(yīng)的路面突變值用于路面成本效益分析。同時，今后尚需進(jìn)一步加強路面數(shù)據(jù)觀測和采集，以不斷增強模型的適用性，同時也為養(yǎng)護(hù)維修行為實施后路面性能衰減率的研究提供更加堅固的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

1）性能突變值與養(yǎng)護(hù)前的IRI值之間普遍具有較好的線性相關(guān)性，而養(yǎng)護(hù)前后IRI的比值與養(yǎng)護(hù)前的IRI值之間的相關(guān)性普遍相對較差。

2）性能突變值具有較好的可預(yù)測性。實際工程中可根據(jù)所構(gòu)建的性能突變值函數(shù)模型關(guān)系，以及養(yǎng)護(hù)維修行為實施前的路況和所采取的養(yǎng)護(hù)維修行為，得到路面處于不同IRI時實施某種養(yǎng)護(hù)對策所能帶來的路面性能的改善值并用于路面成本效益分析，便于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時機的高效切入。

3）路面性能突變值(PJ)、養(yǎng)護(hù)維修后的平整度IRIa、養(yǎng)護(hù)維修前的平整度IRIb以及養(yǎng)護(hù)維修前后平整度比值（λ）四者相關(guān)分析表明，PJ與IRIb關(guān)系顯著，而與IRIa不存在明顯相關(guān)性；λ與IRIb之間存在較為顯著的相關(guān)性，但與IRIa之間未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性；IRIb與IRIa之間未存在明顯的相關(guān)性。據(jù)此明確了養(yǎng)護(hù)維修前的平整度IRIb可作為路面性能改善模型建立的基本參數(shù)。

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Study on Preventive Maintenance Performance Improvement of Cement Concrete Pavement

Chen Fuqiang1，Chen Fujian2，Yang Datian3，Huang Hui4
(1.Guangxi Highway Administration,Nanning 530028；2.College of Architecture and Traffic Engineering，Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004；3.Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074；4.Guangxi Highway Technical School,Nanning 530028,China)

To study pavement performance improvement of cement concrete pavement under different road conditions and various maintenance measures,and then to solve the key problems including quantizing cost-benefit of preventive maintenance performance,the paper establishes performance improvement model based on VISUAL BASIC clustering analysis method and large quantities of project data.Results have shown that pavement performance jump (PJ)has good predictability and has significant linear correlation with international roughness index before maintenance action(IRIb).However,there is a relatively poor relationship between IRI ratio(λ)and IRIb. The results can provide important theoretical basis for preventive maintenance timing and cost-benefit analysis, and it also has an important value in engineering applications.

road engineering;cement concrete pavement;performance improvement model;cluster analysis; performance jump;IRI ratio

U416.2

A

1005-0523（2015）06-0027-06

(責(zé)任編輯 劉棉玲)

2015－06－01

國家自然科學(xué)基金項目(71363012)；交通部西部交通建設(shè)科技項目(20073182201-9)；廣西交通科技項目(20122636，20152615)

陳富強(1978—)，男，高級工程師，博士，主要研究方向為道路工程。

陳富堅（1974—），男，副教授，博士，主要研究方向為道路工程與安全。