基于预防性养护的路面性能评价及决策方法研究

梁 斌，张晓燕，李 硕

(1.山西省交通科技研发有限公司 太原市 030032； 2.印第安纳州运输厅科技部 印第安纳西拉法叶 47906)

随着高等级公路新建任务的逐步完成，现有公路基础设施尤其是路面的养护、维修和翻新任务已日趋繁忙，如何对庞大的公路基础设施进行可持续的维护，就迫切需要公路建设管理部门实施和推广路面预防性养护。对我国现行的路面结构及其路况的评定方法和指标进行了评价，并综合国内外的研究成果及其成功经验，在山西省路面现场实测数据的基础上，提出了路面抗滑、行驶舒适性和结构能力等的评价指标和定量范围，并根据山西省路面预防性养护维修实际需求，提出了定量简化的方法，确保达到在合适的时候对合适的路面采取合适的预防性养护措施的目的。

1 路面抗滑能力检测和评定

(1)路面抗滑能力衡量指标和检测方法

路面抗滑能力即摩擦力通常用摩擦系数来衡量。摩擦系数又分为纵向和横向摩擦系数，前者沿行驶方向发生在轮胎处于自由转动或完全制动状态，后者和行驶方向垂直并发生在弯道或高路堤上横风作用时。纵向摩擦系数的试验方法采用较多的是美国的ASTM E-274锁轮法，可以按公路行驶速度进行试验，被美国各州公路部门广泛采用，其试验结果是抗滑值SN。横向摩擦系数试验基于横向力方法，试验结果是横向力系数SFC。横向力检测轮胎和车辆行驶方向成一横摆角α，其值变化在7.5°～20°之间，横向力方向速度VS和车辆行驶速度V的关系为VS=V×Sinα。由于Sinα值很小，横向速度VS较低，使得横向力系数主要受路表微观纹理构造的影响，宏观纹理构造的影响很小。但是，横向力系数检测设备多为连续检测设备，从而提供了无缝覆盖。另外，纵向摩擦系数和横向力系数的相关性不是唯一的，因为摩擦系数是相对值，在不同速度或路表特征条件下，两者相关关系不同。

(2)路面抗滑能力评定标准

表1是英国、澳大利亚、新西兰、美国马里兰和密歇根的抗滑水平阀值。由表可见，英国、澳大利亚和新西兰的抗滑标准相似，交叉口入口段抗滑要求最高，以考虑紧急刹车要求。但汽车专用公路抗滑要求比普通公路低，值得进一步磋商。密歇根最小SN为30，低于Kummer等人提出的抗滑最小要求，无法及时发现路面抗滑缺陷。McCullough和Rizenbergs提出的最小摩擦系数或抗滑值相同，但后者的速度较前者大。

根据我国《公路技术状况评定标准》[1]，路面抗滑能力是将横向力系数换算成路面抗滑性能指数：

(1)

式中，SRI为路面抗滑性能指数；SRImin为标定参数；SFC为横向力系数；a0、a1为常数。

采用SRI评价路面抗滑有三个不足：

①影响SRI的参数只有一个即SFC，人为地把一个客观、可测定的参数SFC换算成一个虚拟的参数SRI，繁琐且不利于理解应用。

②是采用横向力系数还是采用纵向摩擦系数作为评价标准，和具体的场合有关。申俊敏等[2]的研究结果表明，高速公路交通伤亡事故的主要类型是追尾，约占事故总数的63%。由于追尾事故往往涉及紧急制动距离，这就要求足够的纵向摩擦系数。而普通公路可能由于平曲线半径较小，采用路面横向摩擦系数可能更合理。

③摩擦系数随着车辆速度而变化，而现行的评定标准有必要明确规定横向力系数的检测速度。

分析了山西省四条高速公路横向力系数检测结果，大部分横向力系数处于0.40～0.60之间。综合以上各种因素，建议路面抗滑能力评价的量化标准见表2。

表2 路面抗滑能力评价量化标准(检测速度：50km/h)

2 路面行驶舒适性试验和评定

(1)行驶舒适性衡量指标和检测方法

行车舒适性是评价路面服务能力的另一重要指标，一般采用国际平整度指数IRI衡量。IRI越大，路面粗糙度越大即平整度越差，行驶舒适性越差。现场检测时，IRI是采用惯性纵断面仪沿车辆轮迹等间隔测量路表高程，然后根据1/4车辆模型，对实测路面纵断面剖面按车速80km/h模拟计算得到。

(2)行驶舒适性评定标准

表3给出的是美国联邦公路局路面状况评定的新旧方法，PSR是人的主观评定结果，IRI是客观测量结果。新建路面施工质量良好的IRI可能不超过0.8m/km，施工质量一般的IRI有可能达到1.6m/km。根据世界银行的数据，旧路面的IRI在2.5～5.5m/km之间，路表损坏的路面IRI在4.0～11.0m/km之间。

表3 美国联邦公路局路面平整度水平和评定标准

在我国《公路技术状况评定标准》中，路面行驶质量指数RQI是按以下公式计算：

(5)

式中，RQI为行驶质量指数，IRI为国际平整度指数，a0为常数。

在式(5)中，路面平整度实际上是自变量，RQI是IRI的函数，正如前面讨论的我国现行的路面抗滑能力评价方法一样，路面行驶质量评价把一个客观、可测定的参数IRI换算成一个虚拟的参数RQI，有些事倍功半。本文推荐路面行驶舒适性及其IRI评定的量化标准见表4，普通公路的IRI标准是根据美国路面结构设计允许的最大IRI值换算得到的。

表4 路面行驶舒适性及其IRI评定量化标准

3 路面结构承载能力试验和评定

(1)路面结构承载能力衡量指标和检测方法

FWD试验可以确定路面的弯沉、弹性模量和剩余疲劳寿命三个强度指标，而任何一个指标都可用于评定路面结构承载能力。建议直接采用FWD荷载中心弯沉评定路面结构承载能力，主要理由是高速公路路面尤其是沥青路面结构均为多层路面结构，而现行的基于弯沉的模量反算方法不能提供各层模量的精确解，且对弯沉的误差比较敏感。另外，对于网级路面结构承载能力评价来说，养护维修人员关心的是路面整体结构能力，而荷载中心弯沉不仅和各层结构强度有关，还和路面损坏状况有关。

(2)路面结构承载能力评定标准

在我国现行《公路技术状况评定标准》中，路面结构强度是用路面结构强度指数PSSI评价，其计算公式如下：

(6)

式中，PSSI为路面结构强度指数，a0、a1=-5.19为常数，SSI为结构强度系数。

再一次要指出的是，如同前面讨论的路面抗滑能力和平整度评价方法，我国现行的路面结构强度评价把一个客观、可测定的参数弯沉换算成一个虚拟的参数PSSI，实际意义不大。另外，PSSI的计算引入了一个和路面设计弯沉有关的路面结构强度系数SSI，这不符合水泥混凝土路面结构设计理论和方法。这就进一步说明，直接采用荷载中心的FWD弯沉更符合实际。美国的有关研究人员通过大量的现场试验，提出了路面结构承载能力的FWD弯沉评定量化标准，见表5。其中，弯沉位置为荷载中心，荷载大小为40kN，参照温度为20℃。我国标准轴载是100kN，一侧轮载为50kN；美国的标准轴载是80kN，一侧轮载为40kN。本文近似地采用了圆形刚性承载板作用下的弹性半空间模型，得到了轮载40kN和50kN的弯沉换算w0,50kN=1.25×w0,40kN，从而得到路面结构承载能力FWD弯沉评定推荐标准，见表5。

表5 路面结构承载能力的FWD弯沉评定量化标准

4 预防性养护维修决策可视化和应用

(1)路面检测数据可视化

路面性能指标检测数据不仅数据量较大，而且变异范围也较大，为了做好养护工作，已有很多新的养护理念[3]。本文认为最简捷的方法是将检测数据进行可视化处理，如统计直方图和累计频率分布图。直方图在视觉上非常直观，易于大致了解数据分布类型，纵轴给出指标格特定分组的出现次数。但是，直方图无法确切地告知某一特定值的准确信息，无法准确比较两组或多组数据，需要其它信息确切地确定检测指标的特征，分组不同结果差异较大。但累计频率分布图不同，不仅可以把大型数据汇集压缩成简单的图形，而且适用于各种潜在分布类型的数据，能独立地展示数据整体的变异特征，并详细地体现多组数据的细微差异。

图1是山西霍候高速公路横向力系数SFC共9855个数据分布图。从直方图形状看，大致为正态分布，曲线中心位于0.29～0.32范围。而从累计频率分布曲线看，约90%的SFC数据位于0.25～0.40，5%的SFC数据小于0.25，SFC数据中值为0.31。很显然，累计频率分布曲线提供的信息更全面、详细，因此推荐采用累计频率分布图。

(2)预防性养护决策简化方法

图2给出了山西省有关公路路面摩擦系数、IRI和弯沉检测结果累计频率分布图。其中图2(a)是山西四条高速公路的横向力系数SFC检测结果的累计频率分布，且曲线总体形状均为下凸。平阳、同源和阳翼高速公路SFC分布曲线非常陡，说明该三条高速公路的抗滑性能变异性小。而平阳和同源高速的SFC分布曲线比阳翼高速的SFC曲线重心位置靠右，说明平阳和同源高速的SFC比阳翼高速的大。临吉高速SFC分布曲线平缓，说明其抗滑性能变异性大。尤其是同其它三条高速的SFC分布曲线相比，临吉高速SFC分布曲线的重心位置向左上方向移动且接近直线，说明临吉高速抗滑性能比其它高速差。图2(b)是山西六条高速公路的IRI检测结果的累计频率分布，从曲线的形状来看，这六条高速公路可分为下凸和上凸，前者只有大同高速，后者包括其它五条高速，其中离军高速接近于一条直线。当路面IRI较小时，曲线为上凸曲线；随着IRI增大，曲线逐渐变为下凸曲线。图2(c)是山西和美国公路的实测弯沉累计频率分布，朔州高速公路、美国高速公路及其美国二级公路的曲线均呈上凸形状，灵石-南关二级公路的曲线呈下凸形状。朔州和美国高速的变化趋势相似，且近80%的弯沉值小于0.125mm。美国普通公路和灵石-南关二级公路正好相反，前者60%以上的弯沉小于0.120mm，后者60%以上的弯沉值大于0.25mm，现场调查也表明，灵石-南关二级公路路况很差、病害多。

根据上述分析可知，当衡量指标越大路面性能越好时如摩擦系数，路面抗滑能力好的路面，其摩擦系数累计频率分布曲线下凸，随着抗滑能力减小，曲线逐渐变为上凸。当衡量指标越小路面性能越好时，如IRI和弯沉等，路面平整度或结构能力良好时，相应检测数据的累计频率分布曲线上凸，随着平整度或结构能力变差，曲线逐渐变为下凸。因此，在选择路面实施有关的预防性养护措施时，可以根据有关的累计频率分布曲线确定现有路面是否合适。

5 结论

本文通过研究分析得到以下几点结论：

(1)在我国《公路技术状况评定标准》中，有关路面抗滑性能、行驶舒适性及路面结构承载能力的评价，均是采用一个虚拟的指数，如SRI、RQI及PSSI，这种评价方法实际意义不大且不利于工程应用，建议直接采用相对独立的客观参数如横向力系数SFC、平整度指数IRI和路表FWD弯沉值来评定路面性能，更为直观、易用。

(2)针对路面抗滑性能、路面行驶舒适性和路面结构承载能力，结合山西省乃至我国公路养护决策需求实际，提出了合理的量化评定标准。

(3)基于路面摩擦系数、平整度和弯沉检测数据的累计频率分布曲线，提出了预防性养护决策简化方法，实际应用更为简单、方便、直观。