某普通国省干线项目的路面性能养护预测系统研究

2023-12-06张瑞

交通科技与管理 2023年22期

张瑞

（山西省公路局晋中分局,山西晋中 030600）

0 引言

国省干线公路交通量、载重量较大，极易产生质量病害，严重影响道路使用性能，威胁行车安全，对道路养护提出了更高的要求。要有效提高道路养护质量，全面掌握道路路用性能衰变规律尤为重要。为此，该文根据某国省干线公路实际情况，通过对日常养护及修复养护路段路用性能衰变情况调查研究，研发了路用性能预测系统，对提升国省干线公路养护水平、保证道路养护质量，具有重要意义[1]。

1 路面养护类型

按照现行《公路工程养护技术规程》相关规定，现阶段，我国的公路工程路面养护形式发生较大变化，由日常养护、预防性养护、维修养护、专项养护等取代最初的小、中、大修及改建工程等养护形式[2]。

2 日常养护路段

针对道路日常养护路段采用性能衰变模式实施分析，主要理论为：选取某国省干线道路作为分析目标，根据路面形式、交通量大小等各个方面实施归类并构建公路养护模型，探究路面使用性能具体影响因素[3]。

2.1 衰变模式分析

根据对该工程路面质量状况检测评定结果，得出工程路面性能衰变模式，具体如图1～4 所示。按照各种衰变模式依次构建道路路用性能指标IPPI（道路破损指标IPCI、道路行车性能指标IRQI）与时长y之间的关系式，如表1 所示。

表1 路面使用性能衰变模型、影响因素及迭代公式

图1 先慢后快型路况衰变模式

图2 先快后慢型路况衰变模式

图3 路面衰变规律近似为直线的路况衰变模式

图4 早期衰减缓慢，然后变快，后期加强养护衰减变慢的路况衰变模式

通过表1 可知，道路路用性能指标IPPI与α、β密切相关，即α、β直接决定IPCI、IRQI衰变情况。该文从路面形式、交通量两方面着手进行系统分析，最终确定利用表1 公式进行迭代计算。

2.2 模型参数分级

按照“该省公路项目基本状况明细表”，并根据现场实际勘查信息，对路面形式、交通量等相关影响因素实施分级，将该省普通国省干线公路工程整体分成507区段，总长度16 159.481 km。

（1）自然区划分级：根据各区域气候条件不同、道路长度、道路级别及面层厚度等各方面条件，将6 个二级自然区级1 个二级自然副区统一归为四类区划（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类）[4]。

（2）面层厚度：该公路工程沥青面层厚度处于3～16 cm 范围内，水泥板面厚度位于20～30 cm 范围内，具体情况如图5 所示。沥青面层厚度分级标准为各级别范围内包含足够的数据量，且必须涵盖四类区划。但由于水泥路面在各种区划内长度较短，且区段少、较分散，因此将各种区划范围内全部水泥面板厚度列为同一等级。

图5 面层（面板）厚度分布

（3）基层种类划分：该公路工程项目，基层种类主要包括柔性、刚性、半刚性基层三种形式，其中，各种基层占比依次为0.7%、3.4%和95.9%，由于柔性、刚性基层占比较小，因此将沥青及水泥路面基层均以半刚性基层实施探究。

（4）交通量划分：根据该公路工程实际情况，科学布设监测点，对道路交通量实施观测，共计布设443 个测点，按照当地交通管理部门出具的《公路日平均交通量报表》，汽车当量数CAADT以当前计费车辆划分标准实施换算。经综合分类与统计，根据四类区划内交通量基本状况，将其划分成A、B、C、D 四个等级，详细情况如表2 所示。

表2 交通量分级

2.3 模型参数标定

按照《公路工程技术状况评价标准》及该公路项目2010—2020年间路面技术状况评价中IPCI与IRQI相关信息，根据参数对上述各种相关因素实施分级，并通过Origin系统建立函数模型实施回归分析，采用相关系数、p值来表示方程拟合偏度及显著性[5]。

3 修复养护路段

根据本省国省干线公路2019—2022 年间养护基本情况，选取148 个养护路段，对其道路路用性能（IPQI）实施检测并详细记录检测数据，全面分析养护后路面IPQI值。

检测结果显示，所有测得的IPQI结果中，极大和极小值分别为98.8 和96.0，极差2.8，平均值=7.2，呈中间高、两端低、较对称的分布趋势，具体如图6 所示。

图6 2019—2022 年养护项目完工后首次路面检测IPQI 分布直方图

对样本偏度、峰值实施计算分析，验证其是否呈正态分布。按照显著性程度a=0.1，假定整体呈正态分布，通过数值运算，样本中心距B2=0.393 4，B3=0.071 8，B4=0.365 4，其偏度、峰值观测值依次为bs=0.290 8、bk=2.361 4，通过计算得到|u1|=1.474 0＜Z0.025=1.96，|u2|=1.562 7＜Z0.025=1.96，与假设一致，表明样本符合正态分布。

按照极大似然估计法，正态分布整体均值μ最大估算量为以道路养护完毕首次测得的IPQI值作为正态分布均值97.2，随后道路每年路用性能衰变状况与日常养护路段保持一致。

4 系统开发

4.1 功能需求

该国省干线公路路用性能预测系统需具备信息展示及搜索、衰变计算、参数测定等功能。具体情况如下：

（1）信息展示及搜索。使用者将“××年度公路工程基本状况明细表”及“××年度某省国省干线公路路面技术状况评价表”上传至系统内部，系统自行对表中信息实施归类并将其展现出来，使用者能够按照道路编码实施搜索。

（2）衰变计算。系统根据自身需求自动获取相关信息，当数据信息符合计算标准后，搜索相应的衰变模型实施数值模拟计算，并采用excel 表格统计相关数据。应特别强调的时excel 文件格式应与评定表格保持一致。

（3）参数设定。使用者可根据实际情况对系统内提前设置的四种衰变模式技术参数实施优化。其相关参数应储存至系统文件内。

4.2 系统实现

该国省干线公路路用性能预测系统主要是建立在Windows10 系统基础上，利用Python 系统，借助pyside2、QTdesigner、xlrd、openpyxl、configparser 等软件综合研发的测试系统，其主要功能模块划分情况如图7所示。

图7 某省普通国省干线公路路面使用性能预测系统的模块划分

5 验证

根据该省国省干线公路2020 年全线路面质量状况评定结果，采用该国省干线公路路用性能预测系统对下2021 年度道路质量状况实施预测。针对2021 年度全省开展养护并完成的310个区段，总里程约2 147.65 km，以“修复养护路段养护完毕首次测得的IPQI值为97.2”实施假设。

针对2021 年度全省开展日常养护路段总里程约10 082.22 km，根据日常养护路段对于自然区划、面层厚度、交通量分级情况实施IPCI、IPQI预测，并对道路路用性能实施计算，即：IPQI=0.6IPCI+0.4IPQI。然后对实测值与预测值实施比较，求出预测偏差并对模拟机预测系统可靠性实施检测。研究表明：2021 年IPQI实际测量值与预测值依次为90.09、88.92，相差1.17，偏差为1.3%，预测结果较为准确、可靠。