基于路面使用性能的预防性养护时机研究

2022-10-28张显安周宇豪李雪连

四川建材 2022年10期

张显安 ,周宇豪 ,李雪连

(1.湖北交通工程检测中心，湖北武汉 430000； 2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114)

1 背景

沥青路面在车辆荷载及自然环境等因素的综合作用下，将产生裂缝、破损及车辙等病害，使得路面的路用性能及使用寿命大幅下降。目前，预防性养护是提高路面的路用性能及延长路面的使用寿命最有效且经济的管养手段[1]。但预防性养护具有很强的时效性，其养护效果及经济性与养护时机密切相关。因此，如何准确地确定预防性养护的时机对于保证养护效果至关重要[2]。目前，有的学者从养护经济效益等出发提出了最佳养护时机决策指标及模型[1]，但未考虑路面的交通量、气候环境、受力及实际使用性能等因素的影响，研究指标也单一。有的学者也尝试基于经验法或力学法或路面性能等提出了许多相应的养护时机预测模型[3]，但模型的适用性仍有待进一步分析。此外，在实际工程中，如何运用预测模型指导预防性养护施工也有待研究。

本文通过对比分析目前常用的预防性养护时机，选择基于路面使用性能为指标的预测模型，对黄咸高速团风段S78(K38+399 ～ K94+382，后简称黄咸高速)的交通量和路面技术状况指数调查数据进行分析，判断黄咸高速的养护时机，为确定高速公路路面的养护时机确定提供参考。

2 预测模型的选择

路面随着使用年限延长，其各项性能持续下降。为了保证路面具有较好的路用性能，应及时对路面进行养护，如何准确确定路面的养护时机是确保养护效果的关键。通过建立养护预测模型即可确定路面养护的时机，并为后续的养护决策提供相应的支持。目前，预测道路养护时机的模型主要有三种：基于经验法、力学法和路面性能的预测模型。

1)经验法预测模型。对于经验法，目前较为主流的主要为美国空军早期开发的PAVER系统和挪威的道路养护预测模型[4]。其中，挪威以平整度为基础，建模时同时考虑交通量及道路所处的气候环境等因素对路面的养护时机进行预测，其预测模型如式(1)：

(1)

式中，IRId为预测平整度；IRIi为初始平整度；IRIl为路龄为Al时的平整度；Al为路龄；Ad为预测年限。

2)力学法预测模型。力学法主要对沥青路面结构进行分析，以粘-弹性理论为基础对路面结构在荷载作用下的应力、应变进行分析，并建立路面结构的疲劳方程，结合路面的交通量对路面的养护时机进行预测，典型的力学法预测模型如式(2)：

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

(2)

式中，Nf为荷载重复作用次数；C为与路面压实度、沥青含量有关的系数；E*为动态沥青混合料模量，kPa。

3)基于路面使用性能预测模型。美国基于AASHTO试验的结果，提出了路面使用性能评价体系，并建立了PSI评价模型[5]。至此众多学者开始了基于路面性能的预测模型研究。其中，我国的孙立军[6]提出的基于路面使用性能的预测模型如式(3)：

(3)

式中，PPI为路面使用性能的各分项指标(如PCI，RQI，RDI，SRI等)；PPI0为初始使用性能指数；t为路面使用年数；ɑ，β为回归系数。

对于经验法模型，根据一些实际工程验证这个预测模型可较为准确地预测路面的使用状况，但仅考虑了交通量及气候因素，未充分考虑不同材料对路面性能的影响。我国路面结构、交通量组成和气候环境与国外差异较大，因此，这些预测模型对我国道路的适用性也有待进一步验证。对于力学法模型，理论基础较为成熟，当有沥青路面各材料的准确参数及交通量数据时，可通过计算准确预测出路面的养护时机。不过，由于整条路各施工段的材料、配合比等往往难以统一，使预测计算时工作量大，难以应用到实际工程中。对于一些使用年限较长的高速公路，部分路段经历多次养护后路面所使用的材料种类多，且资料不全，也无法采用该方法预测。基于路面使用性能预测模型直接从路面的使用性能出发，对其衰变规律进行研究。孙立军[6]提出的预测模型是在对国内外预测模型进行大量研究的基础上，结合我国的路面结构、交通量和环境等提出的适用于我国道路的预测模型。此后，国内众多学者还对该衰变方程的适用性进行了研究与验证[7]。因此，本文尝试采用该模型对黄咸高速的道路养护时机进行分析。

为了使预测模型具有较好的适用性，应选取具有代表性的路面结构进行分析。黄咸高速全线均为沥青混凝土路面，路面主要结构为4 cm AC13+6 cm AC20+8 cm AC25+36 cm水泥稳定碎石基层+20 cm低剂量水泥稳定碎石基层，其路面结构与我国大部分高速公路的路面结构一致。因此，本文以黄咸高速为研究对象，对高速公路的养护时机进行预测分析，为其他高速公路路面的养护时机确定提供参考。

3 道路交通量分析

为掌握黄咸高速交通通行压力，现对该路段交通量现状及历年交通量变化情况进行分析。黄咸高速公路于2013年12月建成通车，建成后两年的试运营期车流量较小，2015年后，黄咸高速正式运营后，路面车流量逐年增加。本文从2016年开始，对至2020年交通量数据、车辆类型进行收集，并根据车辆分类及各车辆的折算系数将统计车型折算为小型标准客车。黄咸高速2016年至2020年期间交通量状况及交通组成分别如图1～2所示。

图1 2016—2020年交通量

图2 2016～2020年黄咸高速交通组成情况

从图1可知，黄咸高速在2016—2020年，交通量逐年增加，2019年时车流量达到峰值。随着交通量增加，黄咸高速养护压力逐年增加。此外，与2019年相比，2020年全年入出口流量明显下降，其主要原因为2020年受疫情影响，黄咸高速公路车流量大幅减小。从图2可知，黄咸高速客车比例总体上逐年下降，货车比例总体逐年上升，至2020年时，客车比例已降至54%，货车比例已上升至46%。这说明黄咸高速交通组成情况逐渐偏向于重型化。由于黄咸高速公路路线地区气候分区为1-3-1，为夏炎热区，路面随着重载车辆的增加，服役年限延长，沥青路面易出现结构强度不足等病害。因此，在后期检测过程中，应加大对黄咸高速路面结构强度检测频率，及时对路面结构强度不足部位采取薄层罩面等结构性补强措施。

4 路面预防性养护时机预测

路面在车辆荷载及自然环境的作用下，其路面的使用性能将不断下降，当路面使用性能下降到一定程度时其路面使用寿命结束。所以，如何准确地预测路面使用性能的衰变过程对路面养护至关重要。

根据上述分析，采用式(3)对路面的养护时机进行预测。路面使用性能指数随着使用年数或累计标准轴次的增加而递减，即PPI0≥PPI。因此样本统计分析前可将路面使用性能标准衰变方程指数回归方程转换为一元线性回归方程，转换后方程为：

lny=a+blnx(t≥0)

(4)

其中：

(5)

在分析路面预防性养护时机时，应选取对路面影响最大的关键指标进行研究。根据《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)[8]，黄咸高速2020年PQI双向平均值扣分4.98，其中PCI和RQI分别折算扣分为1.59和1.85，该两项指标扣分最多，黄咸高速路面性能主要受PCI和RQI影响最大。故本文分别对PCI和RQI的衰变规律进行分析。黄咸高速2015年至2020年PCI和RQI数据见表1，回归效果检验见表2。

表1 PCI和RQI历年变化情况

表2 回归效果检验

根据样本数据，各分项指标均以2015年为分析元年，对一元线性回归方程分别进行线性回归分析，计算相关参数和回归系数，并得到路面使用性能标准衰变回归方程，式(6)和式(7)分别为上行和下行PCI标准衰变回归方程，式(8)和式(9)分别为上行和下行RQI标准衰变回归方程。

(6)

(7)

(8)

(9)

由于影响路面使用性能衰变规律的因素颇为复杂，路面使用性能指数的变异性较大。因此，应对线性回归效果进行检验。根据线性回归结果，对回归方程的可靠度进行检验，由检验结果可得：分项指标PCI和RQI的衰变回归方程的回归结果均为显著，路面使用性能标准衰变回归方程和路面行驶指数标准衰变回归方程均为可靠。根据衰变回归方程，绘制两项性能指标的衰变方程回归曲线，如图3所示。

图3 路面使用性能标准衰变曲线

根据图3可知，黄咸高速公路路面双向的PCI曲线下降趋势基本相同，这符合路面性能的衰减规律。同样，路面双向的RQI曲线下降趋势基本相同，但下行RQI后期下降速率明显大于上行RQI下降速率，故在养护时，应着重关注下行路面的平整度情况。在分析元年，黄咸高速路面PCI指数明显高于RQI指数。随着路面服役时间的延长，路面PCI指数迅速下降，至2020年上旬后路面PCI指数即低于RQI指数。这说明黄咸高速路面后期的路面病害主要以破损为主，随着使用年限增长，黄咸高速的破损面积迅速上升，故在后期养护中应重点关注路面破损，每年小、中修养护时，应对路面的裂缝及坑槽等破损病害进行重点养护。根据《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)[8]中，对PCI等级划分时，PCI≥92时，PCI等级为优，对RQI等级划分时，RQI≥90时，RQI等级为优。根据式(6)～(9)，黄咸高速公路上行和下行PCI在2021年将降至92分以下，上行RQI将在2024年降至90分以下，下行RQI将在2023年降至90分以下。为保证黄咸高速公路的路面使用性能，确保路面的PCI和RQI均为优以上，应在2021年针对黄咸高速公路双向路面破损严重路段进行专项养护，分别在2024年和2023年对路面上行和下行平整度较差路段进行专项养护。