基于預防性養護的路面性能評價及決策方法研究

梁 斌，張曉燕，李 碩

(1.山西省交通科技研發有限公司 太原市 030032； 2.印第安納州運輸廳科技部 印第安納西拉法葉 47906)

隨著高等級公路新建任務的逐步完成，現有公路基礎設施尤其是路面的養護、維修和翻新任務已日趨繁忙，如何對龐大的公路基礎設施進行可持續的維護，就迫切需要公路建設管理部門實施和推廣路面預防性養護。對我國現行的路面結構及其路況的評定方法和指標進行了評價，并綜合國內外的研究成果及其成功經驗，在山西省路面現場實測數據的基礎上，提出了路面抗滑、行駛舒適性和結構能力等的評價指標和定量范圍，并根據山西省路面預防性養護維修實際需求，提出了定量簡化的方法，確保達到在合適的時候對合適的路面采取合適的預防性養護措施的目的。

1 路面抗滑能力檢測和評定

(1)路面抗滑能力衡量指標和檢測方法

路面抗滑能力即摩擦力通常用摩擦系數來衡量。摩擦系數又分為縱向和橫向摩擦系數，前者沿行駛方向發生在輪胎處于自由轉動或完全制動狀態，后者和行駛方向垂直并發生在彎道或高路堤上橫風作用時。縱向摩擦系數的試驗方法采用較多的是美國的ASTM E-274鎖輪法，可以按公路行駛速度進行試驗，被美國各州公路部門廣泛采用，其試驗結果是抗滑值SN。橫向摩擦系數試驗基于橫向力方法，試驗結果是橫向力系數SFC。橫向力檢測輪胎和車輛行駛方向成一橫擺角α，其值變化在7.5°～20°之間，橫向力方向速度VS和車輛行駛速度V的關系為VS=V×Sinα。由于Sinα值很小，橫向速度VS較低，使得橫向力系數主要受路表微觀紋理構造的影響，宏觀紋理構造的影響很小。但是，橫向力系數檢測設備多為連續檢測設備，從而提供了無縫覆蓋。另外，縱向摩擦系數和橫向力系數的相關性不是唯一的，因為摩擦系數是相對值，在不同速度或路表特征條件下，兩者相關關系不同。

(2)路面抗滑能力評定標準

表1是英國、澳大利亞、新西蘭、美國馬里蘭和密歇根的抗滑水平閥值。由表可見，英國、澳大利亞和新西蘭的抗滑標準相似，交叉口入口段抗滑要求最高，以考慮緊急剎車要求。但汽車專用公路抗滑要求比普通公路低，值得進一步磋商。密歇根最小SN為30，低于Kummer等人提出的抗滑最小要求，無法及時發現路面抗滑缺陷。McCullough和Rizenbergs提出的最小摩擦系數或抗滑值相同，但后者的速度較前者大。

根據我國《公路技術狀況評定標準》[1]，路面抗滑能力是將橫向力系數換算成路面抗滑性能指數：

(1)

式中，SRI為路面抗滑性能指數；SRImin為標定參數；SFC為橫向力系數；a0、a1為常數。

采用SRI評價路面抗滑有三個不足：

①影響SRI的參數只有一個即SFC，人為地把一個客觀、可測定的參數SFC換算成一個虛擬的參數SRI，繁瑣且不利于理解應用。

②是采用橫向力系數還是采用縱向摩擦系數作為評價標準，和具體的場合有關。申俊敏等[2]的研究結果表明，高速公路交通傷亡事故的主要類型是追尾，約占事故總數的63%。由于追尾事故往往涉及緊急制動距離，這就要求足夠的縱向摩擦系數。而普通公路可能由于平曲線半徑較小，采用路面橫向摩擦系數可能更合理。

③摩擦系數隨著車輛速度而變化，而現行的評定標準有必要明確規定橫向力系數的檢測速度。

分析了山西省四條高速公路橫向力系數檢測結果，大部分橫向力系數處于0.40～0.60之間。綜合以上各種因素，建議路面抗滑能力評價的量化標準見表2。

表2 路面抗滑能力評價量化標準(檢測速度：50km/h)

2 路面行駛舒適性試驗和評定

(1)行駛舒適性衡量指標和檢測方法

行車舒適性是評價路面服務能力的另一重要指標，一般采用國際平整度指數IRI衡量。IRI越大，路面粗糙度越大即平整度越差，行駛舒適性越差。現場檢測時，IRI是采用慣性縱斷面儀沿車輛輪跡等間隔測量路表高程，然后根據1/4車輛模型，對實測路面縱斷面剖面按車速80km/h模擬計算得到。

(2)行駛舒適性評定標準

表3給出的是美國聯邦公路局路面狀況評定的新舊方法，PSR是人的主觀評定結果，IRI是客觀測量結果。新建路面施工質量良好的IRI可能不超過0.8m/km，施工質量一般的IRI有可能達到1.6m/km。根據世界銀行的數據，舊路面的IRI在2.5～5.5m/km之間，路表損壞的路面IRI在4.0～11.0m/km之間。

表3 美國聯邦公路局路面平整度水平和評定標準

在我國《公路技術狀況評定標準》中，路面行駛質量指數RQI是按以下公式計算：

(5)

式中，RQI為行駛質量指數，IRI為國際平整度指數，a0為常數。

在式(5)中，路面平整度實際上是自變量，RQI是IRI的函數，正如前面討論的我國現行的路面抗滑能力評價方法一樣，路面行駛質量評價把一個客觀、可測定的參數IRI換算成一個虛擬的參數RQI，有些事倍功半。本文推薦路面行駛舒適性及其IRI評定的量化標準見表4，普通公路的IRI標準是根據美國路面結構設計允許的最大IRI值換算得到的。

表4 路面行駛舒適性及其IRI評定量化標準

3 路面結構承載能力試驗和評定

(1)路面結構承載能力衡量指標和檢測方法

FWD試驗可以確定路面的彎沉、彈性模量和剩余疲勞壽命三個強度指標，而任何一個指標都可用于評定路面結構承載能力。建議直接采用FWD荷載中心彎沉評定路面結構承載能力，主要理由是高速公路路面尤其是瀝青路面結構均為多層路面結構，而現行的基于彎沉的模量反算方法不能提供各層模量的精確解，且對彎沉的誤差比較敏感。另外，對于網級路面結構承載能力評價來說，養護維修人員關心的是路面整體結構能力，而荷載中心彎沉不僅和各層結構強度有關，還和路面損壞狀況有關。

(2)路面結構承載能力評定標準

在我國現行《公路技術狀況評定標準》中，路面結構強度是用路面結構強度指數PSSI評價，其計算公式如下：

(6)

式中，PSSI為路面結構強度指數，a0、a1=-5.19為常數，SSI為結構強度系數。

再一次要指出的是，如同前面討論的路面抗滑能力和平整度評價方法，我國現行的路面結構強度評價把一個客觀、可測定的參數彎沉換算成一個虛擬的參數PSSI，實際意義不大。另外，PSSI的計算引入了一個和路面設計彎沉有關的路面結構強度系數SSI，這不符合水泥混凝土路面結構設計理論和方法。這就進一步說明，直接采用荷載中心的FWD彎沉更符合實際。美國的有關研究人員通過大量的現場試驗，提出了路面結構承載能力的FWD彎沉評定量化標準，見表5。其中，彎沉位置為荷載中心，荷載大小為40kN，參照溫度為20℃。我國標準軸載是100kN，一側輪載為50kN；美國的標準軸載是80kN，一側輪載為40kN。本文近似地采用了圓形剛性承載板作用下的彈性半空間模型，得到了輪載40kN和50kN的彎沉換算w0,50kN=1.25×w0,40kN，從而得到路面結構承載能力FWD彎沉評定推薦標準，見表5。

表5 路面結構承載能力的FWD彎沉評定量化標準

4 預防性養護維修決策可視化和應用

(1)路面檢測數據可視化

路面性能指標檢測數據不僅數據量較大，而且變異范圍也較大，為了做好養護工作，已有很多新的養護理念[3]。本文認為最簡捷的方法是將檢測數據進行可視化處理，如統計直方圖和累計頻率分布圖。直方圖在視覺上非常直觀，易于大致了解數據分布類型，縱軸給出指標格特定分組的出現次數。但是，直方圖無法確切地告知某一特定值的準確信息，無法準確比較兩組或多組數據，需要其它信息確切地確定檢測指標的特征，分組不同結果差異較大。但累計頻率分布圖不同，不僅可以把大型數據匯集壓縮成簡單的圖形，而且適用于各種潛在分布類型的數據，能獨立地展示數據整體的變異特征，并詳細地體現多組數據的細微差異。

圖1是山西霍候高速公路橫向力系數SFC共9855個數據分布圖。從直方圖形狀看，大致為正態分布，曲線中心位于0.29～0.32范圍。而從累計頻率分布曲線看，約90%的SFC數據位于0.25～0.40，5%的SFC數據小于0.25，SFC數據中值為0.31。很顯然，累計頻率分布曲線提供的信息更全面、詳細，因此推薦采用累計頻率分布圖。

(2)預防性養護決策簡化方法

圖2給出了山西省有關公路路面摩擦系數、IRI和彎沉檢測結果累計頻率分布圖。其中圖2(a)是山西四條高速公路的橫向力系數SFC檢測結果的累計頻率分布，且曲線總體形狀均為下凸。平陽、同源和陽翼高速公路SFC分布曲線非常陡，說明該三條高速公路的抗滑性能變異性小。而平陽和同源高速的SFC分布曲線比陽翼高速的SFC曲線重心位置靠右，說明平陽和同源高速的SFC比陽翼高速的大。臨吉高速SFC分布曲線平緩，說明其抗滑性能變異性大。尤其是同其它三條高速的SFC分布曲線相比，臨吉高速SFC分布曲線的重心位置向左上方向移動且接近直線，說明臨吉高速抗滑性能比其它高速差。圖2(b)是山西六條高速公路的IRI檢測結果的累計頻率分布，從曲線的形狀來看，這六條高速公路可分為下凸和上凸，前者只有大同高速，后者包括其它五條高速，其中離軍高速接近于一條直線。當路面IRI較小時，曲線為上凸曲線；隨著IRI增大，曲線逐漸變為下凸曲線。圖2(c)是山西和美國公路的實測彎沉累計頻率分布，朔州高速公路、美國高速公路及其美國二級公路的曲線均呈上凸形狀，靈石-南關二級公路的曲線呈下凸形狀。朔州和美國高速的變化趨勢相似，且近80%的彎沉值小于0.125mm。美國普通公路和靈石-南關二級公路正好相反，前者60%以上的彎沉小于0.120mm，后者60%以上的彎沉值大于0.25mm，現場調查也表明，靈石-南關二級公路路況很差、病害多。

根據上述分析可知，當衡量指標越大路面性能越好時如摩擦系數，路面抗滑能力好的路面，其摩擦系數累計頻率分布曲線下凸，隨著抗滑能力減小，曲線逐漸變為上凸。當衡量指標越小路面性能越好時，如IRI和彎沉等，路面平整度或結構能力良好時，相應檢測數據的累計頻率分布曲線上凸，隨著平整度或結構能力變差，曲線逐漸變為下凸。因此，在選擇路面實施有關的預防性養護措施時，可以根據有關的累計頻率分布曲線確定現有路面是否合適。

5 結論

本文通過研究分析得到以下幾點結論：

(1)在我國《公路技術狀況評定標準》中，有關路面抗滑性能、行駛舒適性及路面結構承載能力的評價，均是采用一個虛擬的指數，如SRI、RQI及PSSI，這種評價方法實際意義不大且不利于工程應用，建議直接采用相對獨立的客觀參數如橫向力系數SFC、平整度指數IRI和路表FWD彎沉值來評定路面性能，更為直觀、易用。

(2)針對路面抗滑性能、路面行駛舒適性和路面結構承載能力，結合山西省乃至我國公路養護決策需求實際，提出了合理的量化評定標準。

(3)基于路面摩擦系數、平整度和彎沉檢測數據的累計頻率分布曲線，提出了預防性養護決策簡化方法，實際應用更為簡單、方便、直觀。