沥青路面使用性能预测模型

沥青路面使用性能预测模型研究
摘要：科学合理的预测路面使用性能的变化规律是制定中长期预防性养护规划制的关键。

本文主要介绍了沥青路面的使用性能pci、rqi、弯沉等指标的预测模型，结合深圳地区的道路情况确定出适用于深圳地区的参数。

考虑到环境因素对路面使用性能的影响，本文通过收集深圳地区的气象资料确定了深圳地区的环境影响修正系数，使路面性能的预测模型更加符合当地的特点。

关键词：道路工程；预防性养护；使用性能；预测模型；
study of asphalt pavement performance prediction model yang jin1, lian meng2, chen zhang3
(1、shenzhen expressway engineering consultants co.,ltd，shenzhen，518034；
2、shenzhen expressway company limited，shenzhen，518034；
3、school of transportation engineering of tongji university，shanghai，200092 )
abstract: to predict the disciplinarian of pavement performance rationally is the key to draft a road maintenance programming. this paper introduce the prediction model of asphalt pavement performance include pci, rqi, deflection, and then determine the parameters of shenzhen area based on the road condition of shenzhen area. considering the effect of environmental factors on the pavement performance, based
on the collection of the shenzhen area of meteorological data this paper determine the correction coefficient of environmental impact of the shenzhen area, make pavement performance prediction model compliance with local characteristics.
1引言
路面使用性能的变化规律是路面设计和管理的最基本、最核心的理论基础，是制定路面预防性养护规划、计划的依据。

掌握路面的使用性能是一项非常复杂的任务，不仅要知道路面是怎样表现性能的，而且还应知道路面为什么会表现出这样的性能，即要研究路面使用性能的内在机理（结构行为）。

沥青路面的结构行为决定了沥青路面的使用性能（外在表现），沥青路面的使用性能又是研究结构行为的基础。

根据《公路技术状况评定标准》（jtg h20-2007），路面的使用性能用路面损坏状况（pci）、行驶质量（rqi）、抗滑性能（sri）和结构强度（pssi）描述。

其中pci综合考量了路面的表面损坏和变形情况，rqi关系到路面所提供的服务质量，而pssi则反映了路面的结构强度，因此是养护分析的关键。

本节将对这3个指标的预测做重点介绍。

而sri与材料特性和交通量存在较大关联，一般可通过工程经验判定。

2pci预测模型
根据国内外路面使用性能的监测和研究成果，以pci为代表的
路面使用性能的衰变可分为4种形式，如图1所示：
图1路面使用性能的典型衰变模式
4种衰变模式的共同特点是随着使用时间或荷载作用次数的增加，使用性能呈下降趋势，即路况在不断恶化，所能提供的服务能力日益衰减，但4种模式反映的衰变过程有快有慢。

模式a：凸型曲线（先慢后快）。

国外路面的衰变模式大多呈现这种形状。

此种损坏模式，一定程度上反映出路面结构能力同其功能性能之间的良好的相关性。

路面使用初期，由于路面结构能力较强，能有效抵御包括行车荷载、环境因素造成的损坏，损坏速度缓慢。

但随着时间的推移和行车荷载作用次数的增加，路面难免产生疲劳和裂缝、变形等损坏，这些损坏降低了路面的结构能力；在荷载和环境的综合作用下，路面损坏的速率越来越快。

模式b：凹型曲线（先快后慢）。

路面初期、早期的使用性能下降很快，而后期变慢。

这种形式在我国极为普遍。

由于设计和施工的诸多原因，路面投入使用后，很快出现损坏；而损坏的出现会大大降低路面服务能力。

养护部门不得不投入较多的资金进行路面的维护，以延缓其恶化速率，使道路在较长的时间内仅能以较低水平提供服务。

模式c：反s型曲线。

路面使用初期，由于路面结构抗力较强，路面的损坏较少，服务能力衰变较慢；而后随着荷载作用年限的增加，损坏速度有所增加；而到了使用性能后期，路面的损坏又趋缓慢。

这种形式可以看作是前两种形式的结合，一定程度上也反映出
整体强度对路面使用性能的影响。

模式d描述的是路面投入营运后使用性能随使用年限的增加近似呈直线递减，路面早期损坏快，后期又缺乏必要的养护维修措施。

根据研究结论，形如式（2-1）的衰变方程具有极好的适应性，能正确反映路面使用性能衰变的全过程，拟合衰变的4种模式，且物理意义明确，只要采用不同的参数取值，就能模拟多种衰变过程。

经验表明，式（2-1）可以很好地模拟pci的衰变，因此pci衰变方程可写为：
（2-1）
式中：—路面使用性能指标初始值，一般为100；
—路龄；
a，b—模型参数，可用下列方程表达：
（2-2）
（2-3）
（2-4）
（2-5）
（2-6）
式中：——新建路面面层厚度（cm）；
——标准轴次/天/车道；
——初始弯沉（0.01mm）；
、、、、、、——回归系数。

本文结合深高速直管深圳地区高速公路的相关资料以及路面使
用性能检测数据，通过分析计算确定上述式（2-2）～（2-6）中的各项参数，即可分别得到各条高速公路的pci预测模型，以供后续分析时使用。

pci衰变方程中用到的参数如下表所示：
表1pci衰变模型中的参数取值
3rqi预测模型
类似地，仍沿用式（2-1）的方程形式，便可得到rqi的衰变方程：
（3-1）
参数a、b又可定义为：
式中、、、为回归参数，在a、b的计算式中各不相同；其他参数含义可参考第二节。

4弯沉预测模型
根据同济大学的研究成果，选用如下方程形式模拟路面弯沉的变化规律：
（4-1）
式中：—路面弯沉；
—路面初始弯沉；
—与路面结构组成有关的参数，根据深圳地区路面结构的特点可取为1.0274。

根据《公路技术状况评定标准》（jtg h20-2007），已知路面弯沉可计算出路面结构强度指数pssi：
（4-2）
（4-3）
式中：——路面设计弯沉（mm）；
——实测代表弯沉（mm）；
、——模型参数，分别取为15.71和-5.19。

因此，可按照式（4-1）～（4-3）预测pssi的衰变规律。

5环境因素的影响
环境因素对路面使用性能有显著影响，因此必须考虑环境因素带来的模型修正。

在诸多环境因素中，温度和湿度对路面使用性能的影响最大。

本研究收集了深圳市气象局的深圳地区1953～2008年气候资料，在此基础上考虑上述模型的地区修正系数。

5.1 温度因素
表征温度的指标很多，包括年平均气温、年较差、积温、月平均气温等，理论分析表明，温差和平均气温对路面的物理、力学性能影响最大。

因此可选用年平均气温和年较差为温度参数。

年平均气温是一年内气温的平均值，年较差是一年内最高月平均气温和最低月平均气温的差值。

同济大学的研究表明，年较差和年平均气温有较强的相关性，随着年平均气温的增加，年较差减小。

因此，在年平均气温和年较
差中只需选择一个作为表征温度因素的唯一变量，由于年平均气温更直观易理解，本研究中选择了年平均气温来表征温度因素。

对深圳地区的温度数据进行统计后汇总于表2，深圳地区年平均气温为22.6℃。

表2深圳地区气温资料（单位：℃）
5.2 湿度因素
这里所说的湿度是指路面的干湿状况，它从地面水分收支各分量的分布和变化中可以基本反映出来。

通常用来表征干湿状况的指标有潮湿系数、干燥度、水分盈亏量、蒸发比和蒸发差等，虽然意义不同但本质一致。

本研究采用潮湿系数来反映湿度因素。

潮湿系数是年降水量与年蒸发量的比值：
对深圳地区的降水量参数统计分析后汇总于表3，可知其年平均降水量为1982mm。

将温度参数和降水量参数代入式（5-1）～（5-8），可得其年蒸发力为950mm，潮湿系数为0.77。

表3深圳地区降水量资料单位：mm
5.3 环境因素与地区系数
本文的前面几个章节已经指出，路面使用性能方程可以由和两个参数唯一确定。

而不同地区路面使用性能的差异又可以用地区系数来表征。

由于在以往的研究中北京地区的路面性能数据量大、类
型齐全、模型精度高，因此其他地区的地区系数可以以北京地区的和为基准。

地区系数的定义如下：
（5-9）
式中：、——各地区的、地区系数；
、——各地区第i种路面状态的、值；
、——北京地区第i种路面状态的、值。

由上式可知，只要求得深圳地区的地区系数，就可对深圳地区路面使用性能方程的关键参数进行修正。

根据同济大学的研究，地区系数和环境参数存在较强的相关性，已知年平均气温和潮湿系数即可求得地区系数：
（5-10）
（5-11）
将深圳地区的潮湿系数和年平均气温带入式（5-10）～（5-11），可得其地区系数=1.0606，=0.9647。

用该系数对路面使用性能模型修正后即可对深圳地区的路面使用性能进行预测与分析。

6结论
根据目前的实践水平，采用路面状况指数pci作为表征路面损坏状况的测度，采用行驶质量指数rqi作为表征路面行驶舒适性的指标，采用路面回弹弯沉作为表征路面结构总体抗力的指标，可以较好的反应路面的使用性能。

根据3个指标的预测模型，结合深圳地区的情况可以确定出预测模型中的相关参数。

通过收集深圳地区的气象资料，建立了深圳地区的环境影响修正系数。

这些理论模型
的建立和参数的标定为今后深圳地区路面使用性能的预测以及中
长期预防性养护规划的制定提供了理论基础。

参考文献
1孙立军等. 沥青路面结构行为理论. 北京：人民交通出版社，2005
2许志军. 沥青路面结构性能模拟，同济大学道路与交通工程系硕士论文. 上海，1994
3陈子健. 沥青路面行驶质量研究，同济大学道路与交通工程系硕士论文. 上海，1996
4刘喜平. 环境因素对路面使用性能的影响，同济大学道路与交通工程系硕士论文. 上海，1993
作者简历：
杨进，男，1981年9月生，博士研究生学历，博士学位，工程师，主要从事道路试验检测、道路养护管理系统、路面结构和材料设计等研究工作。

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。