公路瀝青路面使用性能評價及預(yù)測研究

姚澤瑞

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

公路瀝青路面具有平穩(wěn)舒適、耐久抗滑性能好等優(yōu)點，在我國公路工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。公路路面運營期間，受到車輛荷載、降雨等因素的影響，瀝青混合料會出現(xiàn)一定程度的老化，導(dǎo)致使用性能大幅度降低，嚴重影響行車安全性和舒適度。結(jié)合交通運輸部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每年因公路瀝青路面使用性能不足導(dǎo)致的交通事故死亡人數(shù)數(shù)以萬計。鑒于此，需要及時對破損路面進行養(yǎng)護，以恢復(fù)或提高路面使用性能。因此，研究公路瀝青路面使用性能的評價方法和預(yù)測模型具有十分重要的工程意義。

1 公路瀝青路面使用性能的基本內(nèi)涵

目前，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員對公路瀝青路面使用性能的定義尚無統(tǒng)一結(jié)論，但基于行車需求和舒適度，路面使用性能包括以下四個方面。

1.1 結(jié)構(gòu)性能

在車輛荷載和自然環(huán)境因素的作用下，路面結(jié)構(gòu)在運營期間會發(fā)生各類損壞。根據(jù)公路瀝青路面的破損形態(tài)不同可大致分為裂縫類、變形類、松散類等。公路瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能反映了保持路面結(jié)構(gòu)完整無損壞的能力，路面的結(jié)構(gòu)性能越好，路面損壞的難度越大。

1.2 結(jié)構(gòu)承載力

公路瀝青路面的結(jié)構(gòu)承載力反映了路面的剩余壽命，即路面還能承受的軸載作用次數(shù)，可根據(jù)路面的彎沉值來估算其結(jié)構(gòu)承載力。路面的結(jié)構(gòu)承載力和路面的損壞狀況存在密切聯(lián)系，結(jié)構(gòu)承載力越低，路面損壞的速度越快，當(dāng)路面的結(jié)構(gòu)承載力超過極限狀態(tài)，路表將嚴重損壞。

1.3 安全性能

公路瀝青路面的安全性能可用路面摩擦系數(shù)來評價，摩擦系數(shù)與集料形狀和表面紋理、路面構(gòu)造深度等因素有關(guān)。一般情況下，公路瀝青路面的摩擦系數(shù)越大，抗滑能力越好，路面的安全性能也越好，反之亦然。

2 公路瀝青路面使用性能的評價指標(biāo)

公路瀝青路面使用性能的評價指標(biāo)包括單項指標(biāo)和綜合指標(biāo)：單項指標(biāo)只是對路面某一方面的特性進行評價；綜合指標(biāo)充分考慮了各單項指標(biāo)對路面使用性能影響程度的不同。對單項指標(biāo)賦予不同權(quán)重系數(shù)后加權(quán)平均，可以評價路面使用性能的綜合狀況。

根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》(JTG 5142—2019)（簡稱《規(guī)范》），公路瀝青路面使用性能的評價體系主要有路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、路面車轍深度指數(shù)RDI、路面跳車指數(shù)PBI、路面磨耗指數(shù)PWI、路面抗滑性能指數(shù)SRI、路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI，通過對以上7 個單項指標(biāo)賦予相應(yīng)的權(quán)重，可以計算出路面技術(shù)狀況指數(shù)PQI，以綜合評價公路瀝青路面使用性能。利用PQI 數(shù)據(jù)可對路面使用性能分級，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 公路瀝青路面使用性能分級

2.1 路面行駛質(zhì)量

公路瀝青路面行駛質(zhì)量指數(shù)可用平整度表示，計算公式如下：

式（1）中：

IRI

為路面平整度指數(shù)，m/km；

a

為計算系數(shù)，高速公路和一級公路取0.026，其他公路取0.0185；

a

為計算系數(shù)，高速公路和一級公路取0.65，其他公路取0.58。

目前檢測公路瀝青路面平整度的儀器包括斷面類和反應(yīng)類兩種：斷面類儀器是用來測定路面的凹凸不平狀況，常用儀器有3m 直尺測量和連續(xù)式平整度儀；反應(yīng)類儀器需要在專用測量車上安裝傳感和顯示設(shè)備，一般采用激光平整度儀和車載顛簸累積儀。

2.2 路面結(jié)構(gòu)承載力

路面結(jié)構(gòu)承載力指數(shù)可用彎沉表示，計算公式如下：

式（2）～式（3）中：

l

為路面允許彎沉，mm；

l

為路面實測彎沉，mm；

a

、

a

為計算系數(shù)，分別取值為15.71和-5.19；

SSR

為路面結(jié)構(gòu)承載力系數(shù)，無量綱。

傳統(tǒng)的路面彎沉測量采用貝克曼梁法，由于該方法受人為因素影響大，測量速度慢，精度低，不太適用于長距離檢測，目前多采用落錘彎沉儀或自動彎沉儀測定彎沉。使用彎沉儀測量時通常以100m 為間距，先測量各點彎沉的平均值，再計算路段代表彎沉值。

2.3 路面損壞狀況

路面損壞狀況指數(shù)可用破損率表示，計算公式如下：

式（4）～式（5）中：

ω

為第i 類路面破損的權(quán)重；

A

為第i 類路面破損的面積，m；

A

為路面破損總面積，m；

a

、

a

為計算系數(shù)，分別取15 和0.412；

DR

為路面破損率，%。

公路瀝青路面破損面積檢測通常采用車載高速攝像儀器，檢測效率高，對行車安全影響較小。檢測設(shè)備能夠根據(jù)采集的圖像信息自動分析，輸出各種路面破損的面積。

2.4 路面抗滑能力

路面抗滑能力指數(shù)可用橫向力系數(shù)SFC（側(cè)向摩阻力與垂直荷載的比值）表示，計算公式如下：

式（6）中：

SRI

為標(biāo)定系數(shù)，可取35；

a

、

a

為計算系數(shù)，分別取28.6 和-0.105。

3 公路瀝青路面使用性能的評價方法

3.1 層次分析法

層次分析法是將影響公路瀝青路面使用性能的各個因素劃分為三個相互關(guān)聯(lián)的層次（見圖1），并賦予各層一定的權(quán)重系數(shù)。同時，根據(jù)上下層因素之間的相對重要性關(guān)系建立判斷矩陣，進行一致性檢驗，基于檢驗結(jié)果再進行評價。

圖1 路面使用性能影響因素的層次關(guān)系

矩陣的一次性檢驗公式如下：

式（7）中：

CR

為隨機一致性指標(biāo)，

CR

＜1 可認定矩陣一致性滿足要求；

RI

為平均一致性指標(biāo)；

CI

為一般一致性指標(biāo)。

層次分析法可以把復(fù)雜問題簡化為系統(tǒng)化的層次，所需的評價數(shù)據(jù)較少。但是，在確定各指標(biāo)的相對重要性時，往往需要咨詢多個專家評分，評價結(jié)果受主觀影響大，可能出現(xiàn)同路段的公路瀝青路面使用性能評分差值較大的現(xiàn)象。

3.2 灰色聚類法

灰色聚類法首先要建立與隸屬函數(shù)相似的白化權(quán)函數(shù)或功效函數(shù)，然后將各項路面使用性能評價指標(biāo)進行聚類，以得到路面路況綜合級別。灰色聚類法計算較簡單，既能夠減少人為因素對路面狀況評價結(jié)果的干擾，還能確保在路況信息較少的條件下獲得較準(zhǔn)確的評價結(jié)果，但是如果評價指標(biāo)量綱不統(tǒng)一或白化權(quán)函數(shù)選擇不合理，評價結(jié)果的準(zhǔn)確性會產(chǎn)生嚴重偏差。

3.3 模糊數(shù)學(xué)法

模糊數(shù)學(xué)法需要建立各評價指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，然后結(jié)合路面狀況的實測數(shù)據(jù)得到路面使用性能的綜合評價模型。該方法表征公路運營期間路面使用性能的不確定性和模糊性，符合客觀規(guī)律，但如果采用線性加權(quán)平均來計算評價指標(biāo)，可能使評判結(jié)果失效。

4 公路瀝青路面使用性能的衰減規(guī)律和預(yù)測模型

在公路項目運營期間，公路養(yǎng)護人員需基于路面現(xiàn)狀，預(yù)測未來一段時間內(nèi)的使用性能衰減規(guī)律，以確定合適的養(yǎng)護時間和養(yǎng)護方案，減少養(yǎng)護資金投入。

4.1 路面使用性能的衰減規(guī)律

相關(guān)研究表明，公路瀝青路面使用性能隨運營時間的衰變模式主要有凸型曲線、凹型曲線、反S 型曲線、直線型曲線四種，如圖2所示。

圖2 路面使用性能衰減曲線

凸型曲線是最常見的一種路面使用性能衰減模式，表示路面使用性能衰減速度先慢后快。當(dāng)公路運營超過某一時間點，路面使用性能會出現(xiàn)驟降。主要是因為：路面在運營初期，結(jié)構(gòu)承載能力較強，能有效抵抗各種行車載荷，但隨著時間推移，路面容易產(chǎn)生各種裂縫、變形等，會降低路面的結(jié)構(gòu)能力，導(dǎo)致路面損壞速度越來越快。凹型曲線表示路面使用性能衰減速度先快后慢。因為設(shè)計方案不合理或施工質(zhì)量控制不佳，導(dǎo)致路面在運營初期就出現(xiàn)了損壞，大幅度降低了其使用性能，養(yǎng)護單位會投入大量資金修補路面，以延緩路面使用性能的衰減速度。反s 型曲線可以視為凸型曲線和凹型曲線的組合，表示路面使用性能衰減速度先慢后快，再變慢，屬于一種出現(xiàn)頻率較低的路面衰減曲線。直線型曲線表征瀝青路面在運營期間使用性能衰減速率基本保持定值，這說明路面運營初期就出現(xiàn)了較嚴重的損壞，后期養(yǎng)護單位未針對相應(yīng)病害進行養(yǎng)護維修。

4.2 路面使用性能的預(yù)測模型

在掌握公路瀝青路面使用性能衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上，還需要建立路面使用性能與軸載作用次數(shù)之間的關(guān)系模型。常用的瀝青路面使用性能的預(yù)測模型可分為確定型和概率型兩大類。

4.2.1 確定型預(yù)測模型

確定型預(yù)測模型包括經(jīng)驗法（如Empirical Prediction Model）和力學(xué)法。

經(jīng)驗型預(yù)測模型是基于路況調(diào)查數(shù)據(jù)，建立路面使用性能與影響因素之間的經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系，即可預(yù)測路面使用性能隨道路運營時間的變化規(guī)律，計算公式如下：

式（8）中：

C

為路面使用性能；

b

為函數(shù)斜率；

X

為公路運營時間，月；

m

為函數(shù)修正參數(shù)。

力學(xué)法基于彈性力學(xué)理論，分析路面在車輛循環(huán)荷載作用下的受力情況，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)層的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，計算出路面損壞時的臨界應(yīng)力及該狀態(tài)的出現(xiàn)時間（養(yǎng)護時機）。

4.2.2 概率型預(yù)測模型

相對于確定型預(yù)測模型，概率性預(yù)測模型可以考慮影響路面使用性能的不確定因素，如極端天氣。概率性預(yù)測模型的分類及特點，如表2所示。

表2 路面使用性能概率性預(yù)測模型

5 結(jié)論

分析了公路瀝青路面使用性能的評價指標(biāo)及測量方法、評價方法、性能衰減曲線及預(yù)測模型，主要得到了以下結(jié)論：其一，公路瀝青路面使用性能通常指的是功能性能、結(jié)構(gòu)性能、結(jié)構(gòu)承載力、安全性能四個方面；其二，公路瀝青路面使用性能評價可基于《規(guī)范》中推薦的路面技術(shù)狀況指數(shù)PQI 法，并利用層次分析法、灰色聚類法、模糊數(shù)學(xué)法進行校核驗證；其三，路面的使用性能隨運營時間的衰變模式主要有凸型曲線、凹型曲線、反S 型曲線、直線型曲線四種，其中凸型曲線最普遍；其四，公路瀝青路面使用性能的預(yù)測模型有確定型和概率型兩大類，前者包括經(jīng)驗法和力學(xué)法，后者包括Markov 模型、殘存曲線模型等。