基于区域特征的路面智能化设计与优化

曹建伟

(安徽宏泰交通工程设计研究院有限公司，安徽 合肥 230088)

基于区域特征的路面智能化设计与优化

曹建伟

(安徽宏泰交通工程设计研究院有限公司，安徽 合肥 230088)

文章阐述了基于区域特征的路面智能化设计方法的设计思路、流程以及区域化设计方法的主要特点，通过与我国目前传统的设计方法比较，提出路面智能化设计方法具有先进性、灵活性与紧密型的优点，为类似工程的智能化设计提供了一种可行的方法。

设计方法；路面；区域特征；智能化；性能预估

路面智能化设计是根据不同地区的自然气候特点与实际使用经验，推荐出一种或几种适合该地区特点的路面结构方案，并结合当地的交通量资料推荐出每个方案中各个结构层的合理厚度，通过调查该地区的气温、降雨量等气候资料对每个路面结构方案在使用年限内的病害发展情况及养护费用等进行预测比较，从而得到最符合我们要求的路面结构方案[1]-[3]。为使智能化设计推荐的路面结构方案准确合理，需要在前期做大量的准备工作，主要包括以下三个方面：

(1)搜集各个地区的气候资料，主要包括温度资料与降雨量资料；

(2)调査各个地区的典型路面结构、使用经验及病害发展状况；

(3)对不同类型路面结构的适用性及优化方法展开研究，以便针对不同的地区推荐出合理优化的路面结构方案。

1 设计思路与流程

基于区域的路面标准化设计是工程师根据不同地区的自然气候特点与实际使用经验，推荐出适合该地区特点的路面结构方案，并调査收集该地区的气候资料对推荐的路面结构方案在使用年限内的病害发展情况及养护费用等进行预估，通过观察各种病害的预估结果及调整结构方案，从而得到最符合我们要求的路面结构方案。与我国目前传统的设计方法相比，路面智能化设计方法充分体现了地的差异性，而且在设计时不再仅仅以路表弯沉和层底拉应力为设计指标，而是全面考虑了一定可靠度条件下车辙、裂缝等路用性能的变化，因此更加科学与合理。

2 基于区域特征的路面智能化设计方法

2.1 资料收集

资料收集工作，主要包括设计地区的自然气候资料、交通量以及当地的典型结构与使用经验资料的收集。自然气候资料主要包括该地区的温度数据与降雨量数据。资料收集作为区域化标准设计的第一步，具有非常重要的意义。一方面，自然气候资料与交通量的准确性直接影响最终方案的选择；另一方面，典型结构与使用经验的调查也会影响下一步方案的选择，因此必须慎重对待。在进行资料收集时应注意以下问题：

(1)气温、降雨量等气候资料应从当地的气象站中取得，如果当地没有气象站，可以参考同纬度气候相似的其他地区的资料；

(2)在进行典型路面结构的调查时，应同时对目前道路的使用情况(如车辙、开裂等)进行记录，以便给路面结构方案的推荐提供合理的依据；

(3)若该地区具有相应的地方标准时，在进行典型结构的总结整理时应尽量参考。

2.2 方案推荐

方案推荐是建立在对该地区典型路面调查基础上的。通过对该地区目前常用路面结构、使用状况及地方标准展开调查，吸收当地的设计、施工经验作为方案推荐的重要依据，使我们的方案推荐能与当地的实际情况紧密结合，从而更加合理、可靠[4]-[5]。

2.3 确定厚度组合

在确定了推荐方案的各层材料之后，我们需要进一步确定其厚度。在计算结构层厚度时，仍然以路表弯沉与层底拉应力为指标，使推荐出来的路面结构满足传统规范的要求，即采用弹性层状体系理论计算得到的路表计算弯沉值小于设计弯沉值、沥青层底拉应力小于容许拉应力(柔性基层沥青路面)、半刚性基层及底基层拉应力小于容许拉应力(半刚性基层沥青路面)。

在这一步骤中，区域化标准设计方法与目前采用的传统的设计方法相同，都需要填写设计年限、特征年交通量、车型比例、车道系数等数据，计算设计年限内的累计当量轴次，并依此来确定路面结构的合理厚度[1，6，7]。

2.4 性能预估

有了前面得到的具体的路面结构方案，便可对此路面结构全寿命周期内的使用性能进行预估[8]-[9]。预估的内容主要包括以下几个方面：

2.4.1 材料参数预估

考虑到地区及季节的差异性，路面材料的设计参数(主要是模量)不是固定的，而是会随着气候条件(主要是温度)的变化而产生较大程度的改变，因此对整个路面结构的整体性能产生影响。在进行区域化标准设计时，主要通过对不同气候条件下的材料参数进行预估来体现这种地区差异性，使设计方法最大程度考虑路面的实际使用条件。材料参数预估主要包括以下几个方面：

(1)沥青层动态模量预估

由于路面在实际使用过程中处于车辆动载的作用下，因此在进行区域标准化设计时我们采用动态模量。预估模型参考了国内外先进的研究成果，充分考虑了温度条件、各筛孔通过率、有效沥青用量、空隙率、沥青针人度、软化点、加载频率等与沥青混合料动态模量密切相关的因素，因此得到的预估结果准确可靠，为路面性能的预估打下基础。

(2)半刚性基层模量衰减预估

半刚性基层的模量，在实际使用过程中由于开裂等原因会造成模量的衰减，在进行区域标准化设计时，要充分考虑半刚性基层模量衰减对路面性能的影响，比传统的设计方法更接近实际。

(3)粒料与土基模量预估

粒料与土基动态模量的预估模型，是参照现有国内外研究成果并结合大量试验数据回归而成。

2.4.2 路用性能预估

在区域标准化设计中，我们选用的路用性能指标必须能够被普遍接受且能够反映出路面承载力、行车安全性、舒适性等路面性能的变化。根据以上原则，我们选取车辙、路面疲劳裂缝、半刚性基层反射裂缝、温度裂缝、平整度及路面状况指数作为路用性能的设计指标。这些设计指标的预估模型，主要是借鉴国内外一些比较成熟的研究成果并结合各个地区的实际情况进行修正，使它们能够比较准确地反映设计年限内路用性能的变化。相应的路用性能预估有：(1)车辙预估；(2)路面疲劳裂缝预估；(3)半刚性基层反射裂缝预估；(4)温度裂缝预估；(5)平整度预估；(6)路面状况指数预估。

2.5 方案比选

通过对推荐路面结构方案的性能预估结果进行比较，看是否有路用性能在设计年限内超出我们所能接受的范围(如车辙深度太大或裂缝率太大)，如果超出则需要对材料参数或结构层厚度进行调整，例如提高有效沥青用量、减少孔隙率、增加某一层厚度等。如果所有的路用性能均能满足要求，则对各种推荐方案全寿命周期内的费用进行比较,可以考虑将全寿命周期内费用最低的推荐方案作为最终的选择方案。

3 结语

区域化设计方法与传统设计方法相比，主要有以下几个方面的优点：

(1)设计方法的先进性：传统的设计方法是半经验半理论的设计方法,它以路表弯沉和层底拉应力为设计指标，不能反映路面在使用过程中各种路用性能的变化，并且材料设计与结构设计相分离。而区域标准化设计方法从根本上说是基于路用性能的设计方法，它以路用性能为指标，并且实现了材料设计与结构设计的一体化功能。

(2)与实际联系的紧密性：传统的设计方法对地区差异性的考虑很少，而且没有考虑到路面结构在实际使用过程中材料参数的变化。区域标准化设计克服了这些缺陷，充分考虑了地区差异性及半刚性基层模量衰减等因素对路面设计的影响。

(3)方案设计与比选的灵活性：在用传统的设计方法进行路面结构设计时，对于同时都满足弯沉和层底拉应力的两种不同结构来说，除了从经济上很难从其他方面进行对比。而对于区域标准化设计方法来说，既可以从经济上比较，又可以从各个路用性能方面比较，而且在方案设计与比选时可以对某一路用性能进行侧重，例如在南方高温地区可以侧重选择车辙深度较小的路面结构方案。

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(责任编辑：窦静)

This paper elaborates design ideas, processes, and regionalization design method of pavement intelligent design method based on regional characteristics. Compared with the traditional design method, the pavement intelligent design method has the following advantages. It is more advanced, flexible and practical, so it can provide a feasible method for similar intelligent design of engineering.

the design methods; pavement; regional characteristics; intelligent; performance prediction

2015—12—16

曹建伟(1966—)，男，安徽黄山人，高级工程师，研究方向：公路设计与管理。

U416.2

A

1672—9536(2016)01—0025—03