路面使用性能的预测

浅析路面使用性能的预测

摘要路面管理系统作为道路工程界出现的新领域，引起了各国道路管理和研究部门的关注，并在短期内取得了很大的成果。本研究简要概述了几种常见的预测模型及其影响因素。

关键词路面管理系统；影响因素；预测模型

中图分类号u416.2 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）34-0145-02

路面在使用过程中，其性能会随时间或行车荷载作用次数的增加而逐渐破坏。当损坏达到某一特定程度的时候，路面就应该采用相应的措施已恢复或提高其使用性能。在路面管理系统中，为了提出路面设计方案，对设计方案进行寿命周期费用分析并选择最佳养护政策，需要了解采用养护政策以及采取什么样的措施合适，这就需要了解路面使用性能的各项指标在不同外部条件下随时间变化的规律。而为这种预估而建立的模型成为路面使用性能预测模型。

1 预测的目的及影响使用性能的因素

1.1 预测目的

预测是对未来的推断，通常有两种预测方式，一是根据历史数据来推测将来的数据；二是根据相关因素的预估或规划推断未来的使用状况，在路面领域里主要使用前一种方式。路面预测的目的就是通过建立预测模型，为pms提供连接路面评价和优化的工具，使pms能计算较长时间内道路最小养护费用，使决策者做出道路效益

最佳投资决策。

1.2 影响使用性能的因素

影响路面使用性能衰变的因素很多，主要有路基路面结构、交通荷载、环境、施工质量和养护水平等，在建立使用性能预估模型的时候要充分考虑这些因素的影响特性或机理。

1）路面结构

在相同条件下，采用不同的改建措施修建的路面，具有不同的使用性能的变化特性。修建措施的不同，路面具有不同的结构层次和结构强度。因而，这种使用性能的变化特性的差异实质上反映了路面结构对交通和环境因素作用的承受能力。这是使用性能变化的内在因素起决定性作用。

2）交通和环境因素

交通荷载和环境的共同作用是路面性能衰减的主要肇因。无论是项目级的还是网级的使用性能模型都要把交通分为若干等级，并选择时间作为影响变量，可以较好的反应交通荷载和环境因素共同作用的结果。

3）施工质量和养护水平

路面使用性能的衰变同施工质量密切相关，尤其是在路面竣工初期，而路面在使用过程中的养护，可以在不同程度上缓解路面使用性能的衰变。

2 预测模型

1）pers

在pers（性能和经济评价系统）中，假设路面裂缝是由路面微隙和微缝展来的。在建立路面破损预测模型时，首先定义破损变量x，假设hooke定律适用，即材料模量的降低直接导致路面破损的增加。沥青老化也可以通过沥青模量与沥青层年龄的函数关系得到，由此建立路面破损与路龄的关系：

式中：e为破损材料的弹性模型，e0为材料原始弹性模型，a为破损面积，a0为路面总面积，et为在时间t材料的弹性模型，a、b、a为常量系数。路面永久变形与时间或荷载重复次数有关，在pers中，根据面层压缩应变与应力的经验关系计算。

式中：pd为永久变形，n为荷载量，s为名义应力，e为破损材料弹性模型，a、b、c、a、b、c为常量系数。

2） ohiopms

美国俄亥俄州（ohio）交通部开发了第3代pms，该系统利用野外采集的数据开发了路面破损的预测模型。预测模型采用了负指数曲线：

式中：d为路面破损，t为时间或交通量，a为路面特性参数。

3） mmopp

在路面性能数学模型mmopp （mathematicmodelofpavementperformance）中建立路面破损与荷载交通量和应力的关系。在单轴拉伸情况下材料模量的降低与横断

面面积的丧失有关，破坏率可用式（7）表示，在动态轮载下应力状况非常复杂，直接计算路面破坏需要复杂的有限元分析。替代方法是利用沥青面层底部的应变e，据此建立的经验模型如下：式中：da为由荷载重复次数dn造成的路面有效横断面面积的减少，r为应力，x为破坏指标，定义为路面损伤面积与原来面积之商，e0为材料原始弹性模量，k、e为材料常量，$e为弹性模量的降低值。

4）概率型模型

路面性能的预测有很大的不确定性，确定型模型无法解决此问题，目前不少pms系统应用概率方法开发路面性能预测模型。概率型模型包括马尔柯夫概率转移矩阵和贝叶斯概率方法。马尔柯夫模型可用于决策模型进行动态优化以得到合理的养护计划，路面性能评价采用pci，以10为间隔，将当前路况分为10个状态进行离散，形成初始状态矩阵p（0），根据日常养护和一般养护措施的应用效果，分别得到从状态i到状态j的转移概率pij及概率转移矩阵p。第2年以后各年的pci的分布可以通过以下式子计算：马尔柯夫预测模型的优点是考虑了路况预测的不确定性，在数据少时结合工程经验建模准确性相对较高，而且模型可以从使用寿命的任一年开始预测，缺点是对状态转移概率矩阵进行预测不如对路况指标进行预测直观。

5）线性rqi预测模型

式中：rqi为路面舒适性指数（0~100），rqi和iri的关系可通过式（12）得到，t为路面使用年限，a为回归参数，通过实测数据调查求得，rqimax为rqi限值（最大为100）由统计得到。

式中：irimax为路网中最大iri值，隐含值为25mkm，a0、a1为回归系数。

6）负指数rqi预测模型

式中：a0、a1为回归系数，根据调查数据计算。

7） s形rqi预测模型

式中：a0、a1为回归系数，根据调查数据计算。式（13）的特点是路面使用初期破损缓慢，一定时间后破损加剧，直到接近临界状态破损速度再度缓和。初始rqi为路网限制值rqimax，当t增大到无穷时rqi渐近于0。

8）性能折减法

折减法的基本原理认为路面破损速度与路面使用性能有关，根据数据统计分析建立不同rqi区域下的破损折减速度，由此预测各年度的rqi值。用这种方法建立的模型具有很高的灵活性，模型的函数方程理论上应该包括上述4种基本函数。但实际应用时，由于缺乏大量的数据，很难精确估计各区域的rqi折减速度，因此，在没有大量数据的情况下，建议采用上述定型预测模型。

3 结论

路面管理系统作为道路工程界出现的新领域，为路面工程个管