永州市高速公路沥青路面使用性能预测研究

2021-12-07杨雨晴胡庆国

公路与汽运 2021年6期

杨雨晴，胡庆国

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114)

湖南永州市高速公路通车时间大多在10年之内，路面均出现了裂缝、修补、坑槽和车辙等病害，加之交通量逐年增加，路面需承受的荷载增大。养护管理部门若不能及时依据路面实际检测数据进行科学的养护决策，则会迎来繁重的养护任务，甚至造成养护资金浪费。路面使用性能预测是运用数学工具分析路面性能实测数据，建立路面使用性能与影响因素之间的关系表达式预测未来各项路面使用性能，科学判断路面状况，确定路面养护需求和预防性养护时段及方案。当前已对路面使用性能预测进行了大量研究，如江红采用多元线性回归模型建立了沥青路面性能发展模型；王静采用回归分析法分别构建了甘肃省高速公路沥青路面破损状况指数和车辙深度指数预测模型，根据甘肃省高速公路性能指标大中修触发值确定路面大中修时机；Aleli Osorio-Lird等基于现场收集的数据，运用马尔科夫链和蒙特卡罗模拟研究了路面损坏随时间变化的概率；Kelvin C.P.W.等运用灰色理论法建立了平整度预测模型；Hossain M I等采用人工神经网络法，从气候和交通量等使用性能影响因素出发对路面平整度指数进行了预测；武建民运用时间序列分析法的ARIMA模型对路面使用性能进行预测，该模型能通过逐渐淘汰预测期远端样本并植入预测期近端数据来提高预测精度。建立地区性高速公路路面性能预测模型，应结合路面实测路况的衰变规律选择科学的预测模型。该文通过对湖南永州高速公路实测数据的整理和分析，采用分析误差结果较小的经验回归法建立永州市高速公路路面性能预测模型预测公路路面使用性能指标，为预防性养护维修决策提供科学依据。

1 预测指标选取

路面性能预测大多采用《公路技术状况评定标准》提出的沥青路面性能评价体系中评价指标，主要包括综合指标PQI和单项指标(路面破损状况指数PCI、抗滑能力指数SRI、行驶质量指数RQI、车辙深度指数RDI、结构强度PSSI)。考虑到综合指标由各分项指标加权求得，当某个指标值很低、其他指标值很高时，得到的综合指标有可能是一个很高的值，从而会得出错误的预防性养护结论。因此，只研究单项指标实际衰变规律，分析沥青路面是否存在某项性能方面的养护需求，从而选择合理的性能预测指标来反映路面使用品质，为确定养护维修方案提供关键性控制指标。

为确定适合永州市高速公路的预测指标，以道贺(道州—贺州)高速公路2015—2020年路面使用性能数据为依据，对单项指标分别进行分析。

(1)PSSI是路面实施预防性养护的前提，只有路面结构强度在良好以上时，才能采取预防性养护措施。一般PSSI衰减速度较慢，当路面受汽车荷载等外界因素严重影响而出现裂缝、变形等破坏时，PSSI才会加速下降。根据道贺高速公路路况数据，路面结构强度均为优，表明各路段强度满足要求且衰减速度较慢，不需对路面结构强度进行预测。

(2)PCI从病害类型、损坏程度和范围上分析路况的好坏。随着路面通车时间的增加，PCI衰减速率呈先缓慢后加快的趋势。根据现场调研，道贺高速公路沥青路面已出现裂缝、修补、坑槽、龟裂等病害。路面实施预防性养护旨在维修路面各类损坏，延缓路面性能衰减程度。因此，应将PCI作为道贺高速公路路面使用性能预测指标之一。

(3)RQI用于评价路面能否为车辆提供舒适、安全和经济的行驶环境。根据表1，道贺高速公路2015—2020年RQI值衰减变化缓慢，指标值在95左右，均为优，没有路面平整度方面的养护需求。

表1 2015—2020年道贺高速公路沥青路面使用性能统计

(4)SRI指轮胎设备沿路表滑动时产生的摩擦阻力大小，是衡量路面安全性能的重要指标。道贺高速公路SRI值每年均为优，路面抗滑性能较好，目前没有抗滑性能方面的养护需求。

(5)RDI表征路面出现车辙现象的严重程度。随着公路养护技术的发展，养护管理部门越来越看重车辙对路面性能的影响，将车辙作为重点养护对象。根据道贺高速公路路况数据，RDI是单项指标中衰减最快的性能指标，2020年车辙深度指数已衰减到良，应采取预防性养护措施、

同时，对宁道(宁远—道县)、郴宁(郴州—宁远)高速沥青路面单项指标进行分析，结合养护工作人员的建议，其路面使用性能指标情况与道贺高速公路相同。因此，选择反映路面破损状况的PCI和衰减较快的RDI作为永州市高速公路沥青路面使用性能预测指标。

2 预测模型构建

2.1 预测方法评析

目前，路面使用性能预测模型主要分为确定型模型、概率型模型和其他模型，其优缺点见表2。

表2 高速公路沥青路面性能预测模型比较

由表2可知：每种预测方法都有其适用性和局限性。1)力学法和力学-经验法通过分析路面结构在荷载或环境因素作用下的反应建立预测模型，有较强的理论依据和外推性。但模型计算量大，与路面管理收集数据不一致，故较少应用这类方法进行路面性能预测。2)经验回归法能完美避开复杂的路面结构分析，依据历史数据进行回归分析，操作简单、易理解且较容易考虑各类路面使用性能影响因素。但其精度取决于数据收集的准确性及数据的多少。3)马尔可夫模型能确定各种路面使用性能从一种状态转移到另一种状态的概率，具有无后效性等特点。但模型假设状态转移概率不随时间变化，不符合路面使用性能衰变特点，且预测结果不够直接，仍需进一步计算。4)灰色理论法能较好地解决数据量小的性能预测，短期预测精度较高。但其计算复杂，远期预测较差，容易受外界因素干扰。5)神经网络的容错能力较强。但当训练方式相互矛盾时，收敛速度非常慢。可见，没有任何一个模型完全适用于路面使用性能预测，超过了其使用范围，模型就会失去意义。

模型的准确性主要依赖于积累的路面使用性能数据是否准确、充分。根据现场调研收集的历年路况检测数据，以1 km为单位对永州高速公路2015—2020年路况数据进行整理，选择逐年下降的路况数据作为建立预测模型的原始数据，原始数据较科学、可靠。因此，采用应用较广泛、计算简单的经验回归法对永州市高速公路沥青路面进行性能预测。

2.2 模型建立

采用经验回归法构建沥青路面性能预测模型。目前，常用的回归预测方法主要有幂函数、指数函数、S形曲线及多项式预测曲线。根据永州市高速公路实际路况数据和相关文献研究成果，确定采用文献[9]中路面使用性能标准衰变方程[见式(1)]。该模型能准确地反映路面性能衰变过程且具有良好的单调性，方程参数具有明确的意义，不同参数组合能代表路面性能不同的衰变过程。

(1)

式中：PPI为PCI、RQI或其综合；PPI0为初始使用性能指数；y为使用年数；α、β为模型参数。

2.3 模型运用及验证

运用上述预测模型进行路面性能预测时需将实际检测数据换算成对应的路龄。步骤如下：

(1)将已知路面性能指标值代入预测模型，求得y0。

(2)将y0+i代入预测模型，求得第i年的性能指标预测值。

(3)对第i年路面性能指标进行相对误差计算，阈值为5%。

3 实例分析

根据2015—2020年永州市道贺高速公路路面使用性能检测数据(见表3)对路面破损状况指数PCI和车辙深度指数RDI进行预测。

表3 道贺高速公路2015—2020年路面性能指标值

3.1 PCI的预测

以2015—2020年路况数据建立道贺高速公路PCI衰变方程模型和预测曲线[见式(2)和图1]，并运用K23+000—K31+000段路况数据对PCI预测模型精度进行验证，结果见表4。

表4 道贺高速公路K23+000—K31+000段PCI预测结果

图1 道贺高速公路PCI预测曲线

R2=0.998

(2)

式中：y为自2015年的路面使用年数。

由图1可知：道贺高速公路PCI衰减速率呈先缓慢后加快的趋势。使用年数为5～6年时，PCI

下降到95左右，若不对损坏路面采取预防性养护措施，让其在自然状况下正常衰减，则在11～12年PCI将降至中及中以下。根据《公路沥青路面养护技术规范》，此时已不适合实施预防性养护，应采取中修罩面措施。按PCI标准衰变方程计算，道贺高速公路在[5.58,11.47]时段实施裂缝填缝、微表处或稀浆封层等预防性养护措施，能及时改善路面状况，减少后续养护资金。

由表4可知：PCI使用性能标准衰减方程预测精度较高，相对误差均小于5%，能较好地拟合道贺高速公路PCI衰减规律和分析路面养护需求。

3.2 RDI的预测

以2015—2020年路况数据建立道贺高速公路RDI衰变方程模型和预测曲线[见式(3)和图2]，并运用K23+000—K31+000段路况数据对RDI预测模型精度进行验证，结果见表5。

表5 道贺高速公路K23+000—K31+000段RDI预测结果

图2 道贺高速公路RDI衰变曲线

R2=0.999

(3)

由图2可知：道贺高速公路沥青路面RDI衰减速率较快，使用年数为4～5年时，RDI值为90左右，如果不采取适当的预防性养护措施，在使用年数为8～9年时将降至中的评价等级，此时应对路面采取中修罩面措施。按RDI标准衰变方程计算，道贺高速公路应在[4.39,8.22]时段实施微表处、薄层罩面等预防性养护措施。

由表5可知：运用RDI路面性能标准衰减方程对道贺高速公路进行预测，预测值和实际值相差不大，最大误差为1.72%，均小于5%。