蘇衛(wèi)國(guó), 戴民松

(華南理工大學(xué),廣東 廣州 510640)

自改革開放至今已有40余a，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，在此期間，我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模取得了舉世矚目的成就。特別是在2000年之后，高速公路建設(shè)一路高歌猛進(jìn)，形成國(guó)家高速公路網(wǎng)，高速公路通車?yán)锍淘缫堰_(dá)到世界第一[1-2]。近年來(lái)，公路大規(guī)模建設(shè)的時(shí)代已悄然離去，進(jìn)入了時(shí)代尾聲，公路的運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)逐漸進(jìn)入人們的視野，引起業(yè)內(nèi)的關(guān)注。自“十二五”以來(lái)，交通運(yùn)輸部針對(duì)公路養(yǎng)護(hù)管理明確提出要建立科學(xué)的決策體系[3-4]。而以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)路面使用性能為基礎(chǔ)的養(yǎng)護(hù)管理才是科學(xué)決策的依據(jù)，從而達(dá)到科學(xué)養(yǎng)護(hù)、提高路面使用質(zhì)量和節(jié)約費(fèi)用的目的。

瀝青路面使用性能是在長(zhǎng)期大量車輛使用和自然環(huán)境變化帶來(lái)的不良條件下變得日漸衰減，大多數(shù)情況下，這一過(guò)程是緩慢發(fā)生的。為確保瀝青路面使用性能能夠較長(zhǎng)時(shí)間地滿足使用要求，就需要在其衰減到一定程度時(shí)采取必要的養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行維護(hù)?？茖W(xué)合理地評(píng)判瀝青路面使用性能是制定養(yǎng)護(hù)決策及養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的基礎(chǔ)，因此，深入研究瀝青路面使用性能衰變規(guī)律是進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策的重要內(nèi)容，也是十分必要的。

1 瀝青路面常見病害類型

高速公路承擔(dān)著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中重大的運(yùn)輸任務(wù)，交通流量大，重載車輛多，對(duì)瀝青路面造成嚴(yán)重?fù)p害。另外還存在很多因素會(huì)影響瀝青路面的使用性能，比如溫度變化、流水侵蝕、化學(xué)腐蝕、強(qiáng)烈光照等環(huán)境因素的影響，加速了瀝青路面的衰老和破壞，如圖1所示。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)及調(diào)查資料可以看出，目前，瀝青路面常見病害有裂縫類、松散類、變形類及其他等4種類型[5]，見表1。

圖1 瀝青路面使用性能影響因素圖Figure 1 Influencing factors of asphalt pavement performance

表1 瀝青路面常見病害類型Table 1 Common disease types of asphalt pavement類型級(jí)別病害描述指標(biāo)縱向裂縫輕度沒有或很少支縫,在縫壁處沒有散落或輕微散落縫寬≤5 mm/m2重度支縫很多,在縫壁處有很多散落縫寬>5 mm/m2橫向裂縫輕度沒有或很少支縫,在縫壁處沒有散落或輕微散落縫寬≤5 mm/m2重度支縫很多,在縫壁處有很多散落縫寬>5 mm/m2裂縫類輕度裂區(qū)沒有出現(xiàn)變形、沒有散落,裂縫較細(xì),處于初期20 cm/m2<塊度<50 cm/m2龜裂中度無(wú)散落或較輕,變形輕微,裂縫較寬,龜裂明顯塊度<20 cm/m2重度散落重,變形顯著,裂縫很寬,龜裂破碎塊度<20 cm/m2不規(guī)則裂縫輕度裂塊較大,無(wú)散落或較輕,裂縫較細(xì)塊度>100 cm/m2重度裂塊較小,無(wú)散落或較輕,縫寬較小50 cm/m2<塊度<100 cm/m2坑槽輕度較淺,面積<1 m2—重度較深,面積>1 m2—松散輕度路面磨損、粗麻,細(xì)集料出現(xiàn)散失—重度表面剝落,微坑很多,粗集料出現(xiàn)散失—松散類麻面—表面粗麻,嵌縫料出現(xiàn)散失—脫皮—面層出現(xiàn)層狀脫落—啃邊—路面邊緣出現(xiàn)破碎、脫落,寬度>10 cm—沉陷輕度較淺,不影響行車舒適感深度≤25 mm重度較深,影響行車舒適感,有顛簸感深度>25 mm車轍輕度較淺深度≤25 mm重度較深深度>25 mm變形類擁包輕度波峰與波谷之間形成的高差較小深度≤25 mm重度波峰與波谷之間形成的高差較大深度>25 mm波浪輕度波峰與波谷之間形成的高差較小深度≤25 mm重度波峰與波谷之間形成的高差較大深度>25 mm搓板—縱向出現(xiàn)連續(xù)起伏狀況—翻漿—路面出現(xiàn)破裂、冒漿等現(xiàn)象—磨光—原有粗構(gòu)造消失,路面變得光滑—其他凍脹—路基中水分因凍結(jié)成冰引起路面拱起、開裂—泛油—鏡面狀,出現(xiàn)瀝青膜,有輪跡—修補(bǔ)損壞—對(duì)破損或病害進(jìn)行處置,與未修補(bǔ)處形成對(duì)比—

2 瀝青路面使用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

瀝青路面出現(xiàn)裂縫、松散、變形等破壞現(xiàn)象時(shí)，表明路面的行駛質(zhì)量在下降，從而導(dǎo)致行車舒適性和安全性的降低和道路維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的增加。瀝青路面狀況數(shù)據(jù)是評(píng)價(jià)瀝青路面使用性能的基礎(chǔ)資料，通過(guò)瀝青路面使用性能的情況能夠真實(shí)反映各條道路的基本情況和使用性能的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行路面基本狀況評(píng)價(jià)能夠有效幫助高速公路管理部門及時(shí)制定養(yǎng)護(hù)維修措施和合理安排養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。鑒于瀝青路面使用性能存在多個(gè)屬性，需從不同角度采用多個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而較為全面地反映路面使用性能。根據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210-2018)規(guī)定，瀝青路面使用性能評(píng)價(jià)采用路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI(Pavement Quality or Performance Index)作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括路面損壞、平整度、車轍、路面跳車、路面磨耗、抗滑性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度7項(xiàng)性能評(píng)價(jià)[6]，分別采用路面損壞狀況指數(shù)PCI(Pavement Surface Condition Index)、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI(Riding Quality Index)、路面車轍深度指數(shù)RDI(Rutting Depth Index)、路面跳車指數(shù)PBI(Riding Bumping Index)、路面磨耗指數(shù)PWI(Riding Wearing Index)、路面抗滑性能指數(shù)SRI(Skidding Resistance Index)和路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI(Pavement Structure Strength Index)作為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖2所示。其中，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作為抽樣評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，路面磨耗指數(shù)PWI和路面抗滑性能指數(shù)SRI按二選一進(jìn)行計(jì)算[6]。

圖2 路面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Figure 2 Pavement performance evaluation index system

路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)是采用單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)值之和，見公式(1)，各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值參考《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210-2018)中表7.4.3。

PQI=PCI×ωPCI+RQI×ωRQI+RDI×ωRDI+

PBI×ωPBI+PWI×ωPWI+SRI×ωSRI

(1)

式中：ωPCI為路面損壞狀況指數(shù)PCI的權(quán)重值；ωRQI為路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI的權(quán)重值；ωRDI為路面車轍深度指數(shù)RDI的權(quán)重值；ωPBI為路面車轍深度指數(shù)PBI的權(quán)重值；ωPWI為路面車轍深度指數(shù)PWI的權(quán)重值；ωSRI為路面抗滑性能指數(shù)SRI的權(quán)重值。

3 瀝青路面使用性能衰變規(guī)律研究

瀝青路面使用性能衰變規(guī)律的研究是在充分了解路段的路況基本信息和影響因素的情況下，通過(guò)路面使用性能預(yù)測(cè)模型對(duì)未來(lái)瀝青路面的變化情況進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，從而優(yōu)化確定養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)方式。常用的路面使用性能預(yù)測(cè)模型有確定型預(yù)測(cè)模型、灰色預(yù)測(cè)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型和概率型預(yù)測(cè)模型等[7-8]。其中，灰色預(yù)測(cè)模型是應(yīng)用最為簡(jiǎn)單實(shí)用的一類方法，能夠利用較少的路面檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到較好的計(jì)算結(jié)果。以某高速2015年—2018年的路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI為數(shù)據(jù)資料，見表2，利用基于灰色系統(tǒng)理論的GM(1,1)模型對(duì)未來(lái)幾年P(guān)QI的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行探究。

表2 2015年—2018年路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 PQI data statistics of pavement technical status indicators in 2015-2018年份2015201620172018PQI95.7386.6583.3180.81

根據(jù)已有數(shù)據(jù)對(duì)路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，詳細(xì)過(guò)程如下：

a.原始序列:

{95.73，86.65，83.31，80.81}。

b.累加序列:

{95.73，182.38，265.69，346.50}。

c.原始序列X(0)的準(zhǔn)光滑檢驗(yàn)：由

ρ(2)=0.91，ρ(3)=0.47<0.5，即當(dāng)k>3時(shí)，ρ(k)<0.5，滿足準(zhǔn)光滑條件。

d.累加序列X(1)的準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律：由

σ(1)(2)=1.91，σ(1)(3)=1.46，即當(dāng)k>3時(shí)，σ(1)(k)∈[1，1.5]，σ<0.5，滿足準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律，可建立GM(1,1)模型。

f.進(jìn)行最小二乘法計(jì)算得：

-2515.56e-0.035t+2611.29。

{95.730，182.252，265.797，346.470}。

{95.73，86.52，83.55，80.67}。

i.進(jìn)行誤差檢驗(yàn)。

表3 誤差檢驗(yàn)結(jié)果表Table 3 Error test results序號(hào)實(shí)測(cè)值X 0 n 預(yù)測(cè)值X∧ 0 n 殘差ε 0 n 相對(duì)誤差/%195.7395.7300286.6586.520.130.150383.3183.55-0.240.288480.8180.670.140.173

① 絕對(duì)關(guān)聯(lián)度計(jì)算:

|s|=[X(0)(2)-X(0)(1)]+

② 均方差計(jì)算:

則方差比C=S1/S0=0.027 1。

③ 小誤差概率:

0.007 5<0.674 5·S0=4.40；

0.122 5<0.674 5·S0=4.40；

0.247 5<0.674 5·S0=4.40；

0.132 5<0.674 5·S0=4.40。

綜上所述，灰色預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度較好，能夠滿足使用要求，可計(jì)算得到2019年和2020年的路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI分別為77.90和75.22，見表4。

表4 路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI預(yù)測(cè)結(jié)果表Table 4 PQI prediction results of pavement technical con-dition index年份201520162017201820192020實(shí)測(cè)值95.7386.6583.3180.81——預(yù)測(cè)值95.7386.5283.5580.6777.9075.22

所以說(shuō)，針對(duì)路面使用性能衰變規(guī)律的預(yù)測(cè)不僅可以應(yīng)用于綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)PQI，對(duì)于評(píng)價(jià)路面單項(xiàng)性能的PCI、RQI、RDI、PBI、PWI、SRI等單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)也同樣適用，便于實(shí)現(xiàn)某一單項(xiàng)使用性能的預(yù)測(cè)和深入研究。

4 基于路面使用性能衰變規(guī)律的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計(jì)劃研究

高速公路的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)[9-10]在我國(guó)興起較晚，行業(yè)內(nèi)對(duì)它的認(rèn)識(shí)和了解不深，沿用以往的養(yǎng)護(hù)方式導(dǎo)致路面或其構(gòu)造出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，影響?zhàn)B護(hù)效果。實(shí)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的意義就在于病害早期實(shí)施補(bǔ)救措施，對(duì)路面的使用性能進(jìn)行改善，從而達(dá)到延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命、節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本的目的。其中，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的實(shí)施時(shí)間與養(yǎng)護(hù)工作的經(jīng)濟(jì)性和有效性有直接關(guān)系[11-12]。在最佳的養(yǎng)護(hù)時(shí)間通過(guò)花費(fèi)最少的養(yǎng)護(hù)成本和采用最為有效的養(yǎng)護(hù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的養(yǎng)護(hù)效果是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的終極目的?；跒r青路面使用性能的衰變規(guī)律進(jìn)行制定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計(jì)劃變得十分必要，需針對(duì)病害制定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案加以實(shí)施，如圖3所示。

圖3 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案制定流程圖Figure 3 Flow chart of preventive maintenance plan development

根據(jù)圖3得到的初步預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案，在充分考慮區(qū)域的路況特點(diǎn)、病害類型、氣候條件、養(yǎng)護(hù)水平及經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合路面使用性能預(yù)測(cè)模型所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，給出不同養(yǎng)護(hù)方案的最低可接受時(shí)間和養(yǎng)護(hù)收益面積，再通過(guò)養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的計(jì)算，得到各養(yǎng)護(hù)方案在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)使用的費(fèi)用現(xiàn)值，最終計(jì)算得到效益費(fèi)用比[13]，以此為判斷指標(biāo)確定最佳的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，如圖4所示。

圖4 最佳預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)確定流程圖Figure 4 Flow chart of determining the best preventive maintenance opportunity

針對(duì)不同預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的實(shí)施時(shí)間方案，通過(guò)計(jì)算費(fèi)用效益比，最終確定該值最大的方案為最佳。在此基礎(chǔ)上，可以計(jì)算得到各預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實(shí)施方案的等額費(fèi)用年值，選擇年值最小的方案作為最優(yōu)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某高速2015年—2018年的路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立了灰色預(yù)測(cè)模型來(lái)探究PQI的衰變規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的時(shí)機(jī)確定方法，得到如下結(jié)論：

a.了解影響瀝青路面使用性能影響因素和常見病害類型，建立定量化的評(píng)價(jià)體系，是建立預(yù)測(cè)模型探究路面使用性能衰變規(guī)律和制定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的基礎(chǔ)。

b.路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值很接近，對(duì)采用的灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，可用于未來(lái)的路面技術(shù)狀況指標(biāo)PQI的預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)PCI、RQI、RDI等單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)測(cè)也適用。

c.基于路面使用性能衰變規(guī)律的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的制定，要以效益費(fèi)用比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以科學(xué)的方法確定最佳預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化養(yǎng)護(hù)方案、節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本和輔助養(yǎng)護(hù)決策的目的。