基于路面使用性能的預(yù)防性養(yǎng)護時機研究

張顯安 ,周宇豪 ,李雪連

(1.湖北交通工程檢測中心，湖北 武漢 430000； 2.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

1 背 景

瀝青路面在車輛荷載及自然環(huán)境等因素的綜合作用下，將產(chǎn)生裂縫、破損及車轍等病害，使得路面的路用性能及使用壽命大幅下降。目前，預(yù)防性養(yǎng)護是提高路面的路用性能及延長路面的使用壽命最有效且經(jīng)濟的管養(yǎng)手段[1]。但預(yù)防性養(yǎng)護具有很強的時效性，其養(yǎng)護效果及經(jīng)濟性與養(yǎng)護時機密切相關(guān)。因此，如何準(zhǔn)確地確定預(yù)防性養(yǎng)護的時機對于保證養(yǎng)護效果至關(guān)重要[2]。目前，有的學(xué)者從養(yǎng)護經(jīng)濟效益等出發(fā)提出了最佳養(yǎng)護時機決策指標(biāo)及模型[1]，但未考慮路面的交通量、氣候環(huán)境、受力及實際使用性能等因素的影響，研究指標(biāo)也單一。有的學(xué)者也嘗試基于經(jīng)驗法或力學(xué)法或路面性能等提出了許多相應(yīng)的養(yǎng)護時機預(yù)測模型[3]，但模型的適用性仍有待進一步分析。此外，在實際工程中，如何運用預(yù)測模型指導(dǎo)預(yù)防性養(yǎng)護施工也有待研究。

本文通過對比分析目前常用的預(yù)防性養(yǎng)護時機，選擇基于路面使用性能為指標(biāo)的預(yù)測模型，對黃咸高速團風(fēng)段S78(K38+399 ～ K94+382，后簡稱黃咸高速)的交通量和路面技術(shù)狀況指數(shù)調(diào)查數(shù)據(jù)進行分析，判斷黃咸高速的養(yǎng)護時機，為確定高速公路路面的養(yǎng)護時機確定提供參考。

2 預(yù)測模型的選擇

路面隨著使用年限延長，其各項性能持續(xù)下降。為了保證路面具有較好的路用性能，應(yīng)及時對路面進行養(yǎng)護，如何準(zhǔn)確確定路面的養(yǎng)護時機是確保養(yǎng)護效果的關(guān)鍵。通過建立養(yǎng)護預(yù)測模型即可確定路面養(yǎng)護的時機，并為后續(xù)的養(yǎng)護決策提供相應(yīng)的支持。目前，預(yù)測道路養(yǎng)護時機的模型主要有三種：基于經(jīng)驗法、力學(xué)法和路面性能的預(yù)測模型。

1)經(jīng)驗法預(yù)測模型。對于經(jīng)驗法，目前較為主流的主要為美國空軍早期開發(fā)的PAVER系統(tǒng)和挪威的道路養(yǎng)護預(yù)測模型[4]。其中，挪威以平整度為基礎(chǔ)，建模時同時考慮交通量及道路所處的氣候環(huán)境等因素對路面的養(yǎng)護時機進行預(yù)測，其預(yù)測模型如式(1)：

(1)

式中，IRId為預(yù)測平整度；IRIi為初始平整度；IRIl為路齡為Al時的平整度；Al為路齡；Ad為預(yù)測年限。

2)力學(xué)法預(yù)測模型。力學(xué)法主要對瀝青路面結(jié)構(gòu)進行分析，以粘-彈性理論為基礎(chǔ)對路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變進行分析，并建立路面結(jié)構(gòu)的疲勞方程，結(jié)合路面的交通量對路面的養(yǎng)護時機進行預(yù)測，典型的力學(xué)法預(yù)測模型如式(2)：

Nf=18.4·C·[4.325×10-3εt-3.291]·(E*/6.89)-0.854

(2)

式中，Nf為荷載重復(fù)作用次數(shù)；C為與路面壓實度、瀝青含量有關(guān)的系數(shù)；E*為動態(tài)瀝青混合料模量，kPa。

3)基于路面使用性能預(yù)測模型。美國基于AASHTO試驗的結(jié)果，提出了路面使用性能評價體系，并建立了PSI評價模型[5]。至此眾多學(xué)者開始了基于路面性能的預(yù)測模型研究。其中，我國的孫立軍[6]提出的基于路面使用性能的預(yù)測模型如式(3)：

(3)

式中，PPI為路面使用性能的各分項指標(biāo)(如PCI，RQI，RDI，SRI等)；PPI0為初始使用性能指數(shù)；t為路面使用年數(shù)；ɑ，β為回歸系數(shù)。

對于經(jīng)驗法模型，根據(jù)一些實際工程驗證這個預(yù)測模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)測路面的使用狀況，但僅考慮了交通量及氣候因素，未充分考慮不同材料對路面性能的影響。我國路面結(jié)構(gòu)、交通量組成和氣候環(huán)境與國外差異較大，因此，這些預(yù)測模型對我國道路的適用性也有待進一步驗證。對于力學(xué)法模型，理論基礎(chǔ)較為成熟，當(dāng)有瀝青路面各材料的準(zhǔn)確參數(shù)及交通量數(shù)據(jù)時，可通過計算準(zhǔn)確預(yù)測出路面的養(yǎng)護時機。不過，由于整條路各施工段的材料、配合比等往往難以統(tǒng)一，使預(yù)測計算時工作量大，難以應(yīng)用到實際工程中。對于一些使用年限較長的高速公路，部分路段經(jīng)歷多次養(yǎng)護后路面所使用的材料種類多，且資料不全，也無法采用該方法預(yù)測?；诼访媸褂眯阅茴A(yù)測模型直接從路面的使用性能出發(fā)，對其衰變規(guī)律進行研究。孫立軍[6]提出的預(yù)測模型是在對國內(nèi)外預(yù)測模型進行大量研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的路面結(jié)構(gòu)、交通量和環(huán)境等提出的適用于我國道路的預(yù)測模型。此后，國內(nèi)眾多學(xué)者還對該衰變方程的適用性進行了研究與驗證[7]。因此，本文嘗試采用該模型對黃咸高速的道路養(yǎng)護時機進行分析。

為了使預(yù)測模型具有較好的適用性，應(yīng)選取具有代表性的路面結(jié)構(gòu)進行分析。黃咸高速全線均為瀝青混凝土路面，路面主要結(jié)構(gòu)為4 cm AC13+6 cm AC20+8 cm AC25+36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm低劑量水泥穩(wěn)定碎石基層，其路面結(jié)構(gòu)與我國大部分高速公路的路面結(jié)構(gòu)一致。因此，本文以黃咸高速為研究對象，對高速公路的養(yǎng)護時機進行預(yù)測分析，為其他高速公路路面的養(yǎng)護時機確定提供參考。

3 道路交通量分析

為掌握黃咸高速交通通行壓力，現(xiàn)對該路段交通量現(xiàn)狀及歷年交通量變化情況進行分析。黃咸高速公路于2013年12月建成通車，建成后兩年的試運營期車流量較小，2015年后，黃咸高速正式運營后，路面車流量逐年增加。本文從2016年開始，對至2020年交通量數(shù)據(jù)、車輛類型進行收集，并根據(jù)車輛分類及各車輛的折算系數(shù)將統(tǒng)計車型折算為小型標(biāo)準(zhǔn)客車。黃咸高速2016年至2020年期間交通量狀況及交通組成分別如圖1～2所示。

圖1 2016—2020年交通量

圖2 2016～2020年黃咸高速交通組成情況

從圖1可知，黃咸高速在2016—2020年，交通量逐年增加，2019年時車流量達到峰值。隨著交通量增加，黃咸高速養(yǎng)護壓力逐年增加。此外，與2019年相比，2020年全年入出口流量明顯下降，其主要原因為2020年受疫情影響，黃咸高速公路車流量大幅減小。從圖2可知，黃咸高速客車比例總體上逐年下降，貨車比例總體逐年上升，至2020年時，客車比例已降至54%，貨車比例已上升至46%。這說明黃咸高速交通組成情況逐漸偏向于重型化。由于黃咸高速公路路線地區(qū)氣候分區(qū)為1-3-1，為夏炎熱區(qū)，路面隨著重載車輛的增加，服役年限延長，瀝青路面易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強度不足等病害。因此，在后期檢測過程中，應(yīng)加大對黃咸高速路面結(jié)構(gòu)強度檢測頻率，及時對路面結(jié)構(gòu)強度不足部位采取薄層罩面等結(jié)構(gòu)性補強措施。

4 路面預(yù)防性養(yǎng)護時機預(yù)測

路面在車輛荷載及自然環(huán)境的作用下，其路面的使用性能將不斷下降，當(dāng)路面使用性能下降到一定程度時其路面使用壽命結(jié)束。所以，如何準(zhǔn)確地預(yù)測路面使用性能的衰變過程對路面養(yǎng)護至關(guān)重要。

根據(jù)上述分析，采用式(3)對路面的養(yǎng)護時機進行預(yù)測。路面使用性能指數(shù)隨著使用年數(shù)或累計標(biāo)準(zhǔn)軸次的增加而遞減，即PPI0≥PPI。因此樣本統(tǒng)計分析前可將路面使用性能標(biāo)準(zhǔn)衰變方程指數(shù)回歸方程轉(zhuǎn)換為一元線性回歸方程，轉(zhuǎn)換后方程為：

lny=a+blnx(t≥0)

(4)

其中：

(5)

在分析路面預(yù)防性養(yǎng)護時機時，應(yīng)選取對路面影響最大的關(guān)鍵指標(biāo)進行研究。根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)[8]，黃咸高速2020年P(guān)QI雙向平均值扣分4.98，其中PCI和RQI分別折算扣分為1.59和1.85，該兩項指標(biāo)扣分最多，黃咸高速路面性能主要受PCI和RQI影響最大。故本文分別對PCI和RQI的衰變規(guī)律進行分析。黃咸高速2015年至2020年P(guān)CI和RQI數(shù)據(jù)見表1，回歸效果檢驗見表2。

表1 PCI和RQI歷年變化情況

表2 回歸效果檢驗

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)，各分項指標(biāo)均以2015年為分析元年，對一元線性回歸方程分別進行線性回歸分析，計算相關(guān)參數(shù)和回歸系數(shù)，并得到路面使用性能標(biāo)準(zhǔn)衰變回歸方程，式(6)和式(7)分別為上行和下行PCI標(biāo)準(zhǔn)衰變回歸方程，式(8)和式(9)分別為上行和下行RQI標(biāo)準(zhǔn)衰變回歸方程。

(6)

(7)

(8)

(9)

由于影響路面使用性能衰變規(guī)律的因素頗為復(fù)雜，路面使用性能指數(shù)的變異性較大。因此，應(yīng)對線性回歸效果進行檢驗。根據(jù)線性回歸結(jié)果，對回歸方程的可靠度進行檢驗，由檢驗結(jié)果可得：分項指標(biāo)PCI和RQI的衰變回歸方程的回歸結(jié)果均為顯著，路面使用性能標(biāo)準(zhǔn)衰變回歸方程和路面行駛指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)衰變回歸方程均為可靠。根據(jù)衰變回歸方程，繪制兩項性能指標(biāo)的衰變方程回歸曲線，如圖3所示。

圖3 路面使用性能標(biāo)準(zhǔn)衰變曲線

根據(jù)圖3可知，黃咸高速公路路面雙向的PCI曲線下降趨勢基本相同，這符合路面性能的衰減規(guī)律。同樣，路面雙向的RQI曲線下降趨勢基本相同，但下行RQI后期下降速率明顯大于上行RQI下降速率，故在養(yǎng)護時，應(yīng)著重關(guān)注下行路面的平整度情況。在分析元年，黃咸高速路面PCI指數(shù)明顯高于RQI指數(shù)。隨著路面服役時間的延長，路面PCI指數(shù)迅速下降，至2020年上旬后路面PCI指數(shù)即低于RQI指數(shù)。這說明黃咸高速路面后期的路面病害主要以破損為主，隨著使用年限增長，黃咸高速的破損面積迅速上升，故在后期養(yǎng)護中應(yīng)重點關(guān)注路面破損，每年小、中修養(yǎng)護時，應(yīng)對路面的裂縫及坑槽等破損病害進行重點養(yǎng)護。根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)[8]中，對PCI等級劃分時，PCI≥92時，PCI等級為優(yōu)，對RQI等級劃分時，RQI≥90時，RQI等級為優(yōu)。根據(jù)式(6)～(9)，黃咸高速公路上行和下行PCI在2021年將降至92分以下，上行RQI將在2024年降至90分以下，下行RQI將在2023年降至90分以下。為保證黃咸高速公路的路面使用性能，確保路面的PCI和RQI均為優(yōu)以上，應(yīng)在2021年針對黃咸高速公路雙向路面破損嚴(yán)重路段進行專項養(yǎng)護，分別在2024年和2023年對路面上行和下行平整度較差路段進行專項養(yǎng)護。

5 結(jié) 論

本文通過對比分析，確定以基于路面使用性能的衰變方程為模型，對黃咸高速的路面預(yù)防性養(yǎng)護時機進行研究，得到以下主要結(jié)論。

1)通過對比分析，推薦基于路面使用性能的預(yù)測模型，并以黃咸高速為例，基于路面技術(shù)狀況指數(shù)的各個分項指標(biāo)對路面的養(yǎng)護時機進行判斷。

2)黃咸高速交通組成情況逐漸偏向于重型化，后期養(yǎng)護中應(yīng)重點關(guān)注結(jié)構(gòu)強度不足等病害，及時對路面結(jié)構(gòu)強度不足處進行補強。

3)黃咸高速2020年P(guān)QI扣分中PCI和RQI兩項指標(biāo)扣分最多，路面性能主要受PCI和RQI影響最大。

4)黃咸高速公路雙向PCI在2021年將降至92分以下，上、下行RQI分別在2024年和2023年降至90分以下，應(yīng)在2021年對雙向路面破損嚴(yán)重路段進行專項養(yǎng)護，在2024年和2023年對路面上行和下行平整度較差路段進行專項養(yǎng)護。

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