基于路面使用性能的預防性養護時機研究

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 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114)

1 背 景

瀝青路面在車輛荷載及自然環境等因素的綜合作用下，將產生裂縫、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，預防性養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濟的管養手段[1]。但預防性養護具有很強的時效性，其養護效果及經濟性與養護時機密切相關。因此，如何準確地確定預防性養護的時機對于保證養護效果至關重要[2]。目前，有的學者從養護經濟效益等出發提出了最佳養護時機決策指標及模型[1]，但未考慮路面的交通量、氣候環境、受力及實際使用性能等因素的影響，研究指標也單一。有的學者也嘗試基于經驗法或力學法或路面性能等提出了許多相應的養護時機預測模型[3]，但模型的適用性仍有待進一步分析。此外，在實際工程中，如何運用預測模型指導預防性養護施工也有待研究。

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

2 預測模型的選擇

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

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

(1)

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

2)力學法預測模型。力學法主要對瀝青路面結構進行分析，以粘-彈性理論為基礎對路面結構在荷載作用下的應力、應變進行分析，并建立路面結構的疲勞方程，結合路面的交通量對路面的養護時機進行預測，典型的力學法預測模型如式(2)：

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

(2)

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

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

(3)

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

對于經驗法模型，根據一些實際工程驗證這個預測模型可較為準確地預測路面的使用狀況，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。我國路面結構、交通量組成和氣候環境與國外差異較大，因此，這些預測模型對我國道路的適用性也有待進一步驗證。對于力學法模型，理論基礎較為成熟，當有瀝青路面各材料的準確參數及交通量數據時，可通過計算準確預測出路面的養護時機。不過，由于整條路各施工段的材料、配合比等往往難以統一，使預測計算時工作量大，難以應用到實際工程中。對于一些使用年限較長的高速公路，部分路段經歷多次養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測?；诼访媸褂眯阅茴A測模型直接從路面的使用性能出發，對其衰變規律進行研究。孫立軍[6]提出的預測模型是在對國內外預測模型進行大量研究的基礎上，結合我國的路面結構、交通量和環境等提出的適用于我國道路的預測模型。此后，國內眾多學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護時機進行分析。

為了使預測模型具有較好的適用性，應選取具有代表性的路面結構進行分析。黃咸高速全線均為瀝青混凝土路面，路面主要結構為4 cm AC13+6 cm AC20+8 cm AC25+36 cm水泥穩定碎石基層+20 cm低劑量水泥穩定碎石基層，其路面結構與我國大部分高速公路的路面結構一致。因此，本文以黃咸高速為研究對象，對高速公路的養護時機進行預測分析，為其他高速公路路面的養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，現對該路段交通量現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年交通量數據、車輛類型進行收集，并根據車輛分類及各車輛的折算系數將統計車型折算為小型標準客車。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氣候分區為1-3-1，為夏炎熱區，路面隨著重載車輛的增加，服役年限延長，瀝青路面易出現結構強度不足等病害。因此，在后期檢測過程中，應加大對黃咸高速路面結構強度檢測頻率，及時對路面結構強度不足部位采取薄層罩面等結構性補強措施。

4 路面預防性養護時機預測

路面在車輛荷載及自然環境的作用下，其路面的使用性能將不斷下降，當路面使用性能下降到一定程度時其路面使用壽命結束。所以，如何準確地預測路面使用性能的衰變過程對路面養護至關重要。

根據上述分析，采用式(3)對路面的養護時機進行預測。路面使用性能指數隨著使用年數或累計標準軸次的增加而遞減，即PPI0≥PPI。因此樣本統計分析前可將路面使用性能標準衰變方程指數回歸方程轉換為一元線性回歸方程，轉換后方程為：

lny=a+blnx(t≥0)

(4)

其中：

(5)

在分析路面預防性養護時機時，應選取對路面影響最大的關鍵指標進行研究。根據《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)[8]，黃咸高速2020年PQI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的衰變規律進行分析。黃咸高速2015年至2020年PCI和RQI數據見表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

根據樣本數據，各分項指標均以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，計算相關參數和回歸系數，并得到路面使用性能標準衰變回歸方程，式(6)和式(7)分別為上行和下行PCI標準衰變回歸方程，式(8)和式(9)分別為上行和下行RQI標準衰變回歸方程。

(6)

(7)

(8)

(9)

由于影響路面使用性能衰變規律的因素頗為復雜，路面使用性能指數的變異性較大。因此，應對線性回歸效果進行檢驗。根據線性回歸結果，對回歸方程的可靠度進行檢驗，由檢驗結果可得：分項指標PCI和RQI的衰變回歸方程的回歸結果均為顯著，路面使用性能標準衰變回歸方程和路面行駛指數標準衰變回歸方程均為可靠。根據衰變回歸方程，繪制兩項性能指標的衰變方程回歸曲線，如圖3所示。

圖3 路面使用性能標準衰變曲線

根據圖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，故在養護時，應著重關注下行路面的平整度情況。在分析元年，黃咸高速路面PCI指數明顯高于RQI指數。隨著路面服役時間的延長，路面PCI指數迅速下降，至2020年上旬后路面PCI指數即低于RQI指數。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，故在后期養護中應重點關注路面破損，每年小、中修養護時，應對路面的裂縫及坑槽等破損病害進行重點養護。根據《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)[8]中，對PCI等級劃分時，PCI≥92時，PCI等級為優，對RQI等級劃分時，RQI≥90時，RQI等級為優。根據式(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均為優以上，應在2021年針對黃咸高速公路雙向路面破損嚴重路段進行專項養護，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護。

5 結 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防性養護時機進行研究，得到以下主要結論。

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

2)黃咸高速交通組成情況逐漸偏向于重型化，后期養護中應重點關注結構強度不足等病害，及時對路面結構強度不足處進行補強。

3)黃咸高速2020年PQI扣分中PCI和RQI兩項指標扣分最多，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，應在2021年對雙向路面破損嚴重路段進行專項養護，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護。

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