（交通运输规划与管理专业论文）高等级公路路基养护评价模型研究.pdf

摘要 高等级公路养护是公路运营管理中不可或缺的一个重要内容。路基是公路工程的重要 组成部分，是路面的基础。路基养护在公路养护中具有非常重要的地位。高等级公路路基养 护评价系统是在我国公路里程数不断增多，公路养护日趋重要的形式下展开研究的。它不仅 为繁重的路基养护工作、如何评价路基养护提供了解决思路，还能评价路基性能以便于为路 基养护工作者提供依据。但是路基养护评价还是个盲区，更缺乏一套完整的路基养护评价系 统。 论文旨在研究高等级公路路基养护评价方法并搭建其评价框架。论文的定位是对高等 级公路路基的养护性能进行初步评价，从而锝到路基及其子部分的养护现状及发展趋势，为 路基养护管理工作提供依据。本论文参考了国内外路基养护的相关文献和标准规范，分析对 比路基养护的主要内容，通过层次分析法建立了一套高等级公路路基养护的评价指标体系。 分析确立了路基养护的数据采集内容及数据采集检查记录表，并依据在江苏省采集的数据， 利用统计分析的方法验证检查记录调查表的科学合理性。 基于数理统计、多元回归分析以及建模理论，研究高等级公路路基评价指标与评价对 象以及评价对象与路基使用性能的关系，建立了高等级公路的路基评价模型。并依据在江苏 省采集的数据和专家调查标定评价模型，从而得到江苏省高等级公路的路基评价模型。并利 用在江苏省采集的路基养护数据对模型进行了验证。最后，在路基养护评价体系建立的情况 下，利用v i s u a lb a s i c 编程语言编制了高等级公路路基养护评价软件，扶技术上完成对路基 养护评价体系的支持。 【关键词】 路基评价模型指标养护 a b s t r a c t h i g h w a ym a i n t e n a n c ei sa l li m p o r t a n tp o t i o ni nh i g h w a yo p e r a f i o l la n dm a n a g e m e n t s u b g r a d ei s 锄i m p o t e n c ep o r o ni nh i g h w a ye n g i n e e r i n ga n dt h e b a s i so fp a v e m e n t m a i n t e n a n c ee v a l u a t i o ns y s t e mo f h i g h w a ys u b g r a d e i sd e v e l o p e d w i t h t h e i n c r e a s i n g o f h i g h w a y a n dt h ei m p o r t a a c eo fh i g h w a ym a h l t g n c e i tc 锄h e l pt oe v a l u a t es u b g r a d em a i n t e n a n c e p e r f o r m a n c es ot h a ts o m ep r o o fi sp r o v i d e df o rm a r l a g c r h o w e v e r ) m a i f l t g e d a l l c ee v a l u a t i o n s y s t e mi san e wr e s e a r c h , w h i c hn e e db es t u d i e da n dc o n s u m m a t e d t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st op r e s e n tm a i n t e n a n c ee v a l u a t i o nm e t h o d so fh i g h w a y s u b g r a d e w h i c hi se v a l u a t e de l e m e n t a r i l ys ot h a tm a i n t c r t a n c ec o n d i t i o na n dc 1 r 豇na r eo b t a i n e d t og i | i d em a i n t e n a n c ew o r k a c c o r d i n gt ot h ep a p e r sa b o u ts u b g r a d ea n ds u b g r a d em a i n t e n a n c e c o n t e n t , m a i n t a n a n c ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mi sd e v e l o p e d a n dt h ec o n t e n to f d a t ac o l l e c t i o na n d q u e s t i o n a i r ya a n a l y s e da n dd e v e l o p e d t h er a t i o n a l i z a t i o no fq u e s t i o n a i r yi sv a l i d a t e db y s t a t i s t i ca n a l y s i so f d a t ac o l l e t e di nj i a n g s up r o v i n c e b a s e do i ls t a t i s t i c ，m u l t i a n a l y s i sa n dm o d e l i n gt h e o r y , t h er e l a t i o n sa m o n ge v a l u a t i o ni n d e x , o b j e c t sa n ds u b g r a d ep e r f o r m a n c ea 旭s t u d i e da b o u th i g h w a ys u b g r a d e a n de v a l u a t i o nm o d e lo f h i g h w a ys u b g r a d ei sd e v e l o p e d b a s e do nd a t ac o l l e c t e di nj i a n g s up r o v i n c e ，e v a l u a t i o nm o d e li s d e m a r c a t e da n dv a l i d a t e d s oe v a l u a t i o nm o d e lf i tf o rj i a n g s uh i g h w a ys u b g r a d ei so b t a i n e d e v e n t u a l l y , a c c o r d i n gt oe v a l u a t i o ns y s t e mo fs u b g r a d cm a i n t e n a n c e , s o f t w a r ei sd e v e l o p e dw i t h v i s u a lb a s i cp r o g r a ml a n g u a g e k e yw o r d s s u b g r a d e e v a l u a t i o nm o d e li n d e x m a i n t e a n a c o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：壶睦k日期：筮幺! 鱼厶 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：3 , 1 4 蝴r导师签名：2 i 丝日 期：坦五竺p 第一章绪论 第一章绪论 随着我国公路建设里程的增长，高等级公路在整个公路网中所占的比重逐渐增大，高等 级公路对整个公路网和国民经济的重要性日益显著。截至2 0 0 4 年底，我国高等级公路里程 为2 9 ，9 5 万公里，占公路总里程的1 6 o ，比2 0 0 3 年末提高1 个百分点。与此同时，早期 修建的公路也相继进入养护期，其检测、养护工作被提升到前所未有的重要地位。事实上， 许多公路建成后，由于交通量增长迅速、车辆大型化、超载严重、交通渠道化等原因，使路 面路基及其他设施发生了不同程度的损坏，需要及时对路面路基及其他设施使用性能进行检 测并采取养护处理措施。并且交通部也深刻地认识到仅通过公路的建设是不能提高整个公路 网的运行效率的，因此，公路养护与公路建设已是同等重要。鉴于此，交通部及交通厅都已 经开始重视高等级公路质量的检测和养护工作的管理。 路基是公路工程的重要组成部分，是路面的基础。它承受由路面结构层传递下来的行车 荷载和自然因素的作用。路基的强度和稳定性直接影响路面的平整度和强度，是保证路面稳 定的先决条件。路基质量的好坏，将直接影响到路面的使用性能，从而对道路使用者的行车 安全性、舒适性以及行驶速度产生极大的影响。路面的损坏，往往与路基的排水不畅、路基 构造物的缺损有直接关系。随着我国公路建设里程的不断增加，公路建设对于路基性能的要 求也逐步提高，但由于公路建设环境复杂，路基工程受甭水温度等外都环境的破坏严重，往 往不能满足高等级公路对于路基强度和稳定性的严格要求。路基工作性能将直接影响路面的 强度和平整度，因此有必要进行路基工作性能的评价，从而为路基养护工作提供决策依据。 本论文依托交通部科技项目 2 5 c m 的浅度车辙、坑槽等变形；外缘不平顺，宽度差突变量2 0 c m 路 轻路肩与路面连接产生错台，错台i 2 c m 轻横向坡度有轻度不适，影响了路面排水 横向坡度不适 重坡度严重不适或没有横坡，严重影响了路面排水 裂缝或剥落 轻裂缝较窄， 5 m ，无或很少有分支；剥落面积 ，5 m m ，无或很少有分支；剥落面积i m 3 轻冲沟较轻，宽度 1 5 c m ，或集流槽出现轻度损坏 坡 边坡冲沟 重冲沟较重宽度1 5 c m ，或集流榴出现严重损坏 边坡坍塌 挖方塌方l 矗，填方冲沟，宽度3 0 c m 边 坡度不适边沟沟底级坡小于规范规定，不满足排水要求 沟 水沟阻塞边沟有淤塞，影响排水以及应有边沟而无边沟 轻有阻塞现象，可能引起墙后积水的状况 挡 泄水孔阻塞 重严重阻塞，可能引起墙后大量积水，急需维修 墙 挡强表厦剥落 墙表面园风化等碾因引起的面层剽落 挡强损坏出现裂缝、勾缝脱落、断裂、变形和坍塌等，区分严重程度 长安大学的青藏公路路基路面管理系统主要是针对路基路面使用状况的评价，选择了四 个指标：路基变形，路基强度系数，路基裂缝指标和路基附属物。其中路基附属物包括边沟、 截水沟和边坡防护等。 2 3 评价指标选取的原则 评价指标的选择要能充分的反映路基的特性，能从养护基本要求和养护评价的角度上代 表路基，反映路基的主客观信息和养护质量性能。评价指标的选择要充分考虑到高等级公路 路基和水文地质的特点，要结合标准方法和前人的研究成果。由于本项目自身的特点，评价 指标的选取还要遵循一下原则： 1 ) 客观性。选取的指标应能够反映路基构造物的特性，能代表影响路基构造物的主要 7 第二章高等级公路路基养护质量评价指标体系 因素，指标的名称和含义应符合现行的专业技术术语和概念。 2 ) 可操作性。选取的指标应能够通过直接或间接的方法测量或估测；选取的指标必须 简单、明了，易于操作。 3 ) 逻辑性。选取的指标必须具有较强的逻辑性，指标与指标之间不可冲突，不可重叠， 要有较强的关联性。 2 4 评价指标体系 2 4 1 概念 高等级公路路基养护评价指标体系是一套用来评价高等级公路路基养护质量及其使用 性能的指标体系，用于对公路路基的整体性能做初步诊断和评价，为进一步养护管理提供依 据，指导养护管理工作者的工作。 采用层次分析法建立指标体系，首先需要确立出准则层一路基养护的评价对象，然后分 析各研究对象的养护的主要特点，依据评价指标的选取原则找出高等级公路路基养护的评价 指标，从而获得指标层，并建立高等级公路路基养护评价指标体系。 2 4 2 评价对象 评价对象的确立也就是体系中准则层的确立，反映的是路基养护评价所包含的主要内 容。在本论文中的路基是指附属于路基用来支持路基路面的稳定性和排除路基路面范围内水 分的附属构造物。公路养护质量检查评定标准、高速公路养护质量检评方法和高速 公路养护管理手册中的养护检测对象大致相同，由于其不同的适用范围和实行时间而略有 不同。公路养护质量检查评定标准考虑的评价对像有四个：路肩、水沟、边坡和构造物 ( 挡墙等圬工体) ；高速公路养护质量检评方法由于其是为高速公路所设，考虑的评价对 像除了路肩、边坡、构造物和排水系统外还涉及到了路基土层( 沉降指标) ；高速公路养护 管理手册中则比较明确简单，就考虑四个典型的构造物：路肩、边坡、边沟和挡土墙。 结合路基养护的基本要求和以上标准手册的对比分析，确定路基养护评价的研究对象为 路肩、边坡、排水设施和挡土墙四个部分。 1 ) 路肩 路肩是保证道路路基、路面整体稳定性和排除路面水的重要结构，同时也是为确保临时 停车所需两侧余宽的重要组成部分。路肩养护的好坏直接关系到路基路面强度、稳定性和行 车的安全畅通。其主要功能是侧向支撑路面的基层和垫层，稳定路面各层次的结构，排出路 面积水，使路面免受雨水侵蚀。路肩分为硬路肩和土路肩两大类。 2 ) 边坡 边缓防护的主要功能是保护路基边坡表面免受雨水冲刷，防治路基病害、保证路基稳定， 改善环境景观，保护生态平衡。边坡防护主要包括植物防护和工程防护。 3 ) 排水设施 排水设施的主要功能是排除路基、路面范围内的地表水和地下水，将路基范围内的土基 湿度降低到一定限度以内，保持路基常年处于干燥状态，保证路基和路面的稳定，防止路面 8 第二章高等级公路路基养护质量评价指标体系 积水影响行车安全。捧水设施包括边沟、泄水槽、截水沟、捧水沟、跌水、急流槽、拦水带 等。 4 ) 挡土墙 挡土墙是为防止路基填土或山坡岩土坍塌而修筑的承受土体侧压力的墙式构造物，用来 支撑天然边坡或人工填土边坡以保证体的稳定。挡土墙包括重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、 扶臂式挡土墙、柱板式挡土墙、锚杆式挡土墙、加筋土挡土墙等不同结构形式。 2 4 3 评价指标 公路养护质量检查评定标准、高速公路养护质量捡评方法和 i 0 处填写比1 0 处所多的次数。 注释： 1 路肩缺损状况 轻：路肩有裂缝、划痕，轻微沉陷、隆起冲沟，较小缺口，有 2 c m ；横坡严重不适，影响了路面排水每有一处扣1 0 分 2 路肩不洁 轻；路肩上有少量杂物、垃圾、堆积物及 1 5 厘米的杂草。每有l 处扣5 分 3 边坡缺损状况 轻：边坡上有轻微裂缝、剥落，较小冲沟。每有1 处扣2 分 重：边域有大面积剥落，较大缺口，较大冲沟，宽度 1 5 c m , ，有坍塌。每有一处扣加分 4 捧水不畅 轻：沟内有淤泥，杂草，有少量的积水，捧永系统淤积。按长度计算，每1 扣1 分，累计长度不足1 米按 1 米计算。 重：沟内有大量淤泥和杂草，严重影响捧水且排水系统全截面堵塞，以及应有边沟而无边沟处。每有一处 扣2 0 分 5 捧水设施缺损状况 1 4 第三章高等级公路路基养护质量评价数据采集 轻：捧水设旖出现裂缝、剥落、缺口等，每有1 处扣2 分 重：捧水设施出现较大的缺口，倒埔及路段的缺少，每有一处扣1 0 分 6 挡土墙缺损状况 轻；挡土墙有裂缝或勾缝脱落、断裂、表面风化剥落、泄水孔堵塞等，每有l 处扣2 分 重：挡士墙出现倾斜、鼓肚、沉路、坍塌等严重损坏现象，每有一处扣i 5 分 3 3 2 扣分分值的确定 采集调查表的个关键内容就是确定扣分分值。为了确定破损等级的扣分值，本课题组 主要从以下两个方面展开：一是利用上路采集的数据，对每个破损等级的处数与专家打分得 到的该路段的主观分值建立多元线性函数，根据获得的多个路段的数据建立了扣分分值的多 元线性方程组，利用最小二乘法原理从而得到各破损等级的扣分分值；二是通过计算得到了 相应的扣分分值后，参照公路养护技术规范、公路养护质量检查评定标准、高速公路 养护质量检评方法中相应的部分对得到的分值进行调整。 根据采集实际情况，可知扣分分值与专家主观打分之间存在如下关系： 1 0 0 一；mx q = s c o r e ( 3 1 ) 式中：n 相应等级下破损的处数 d i - 相应扣分分值 s c o r e 一专家主观打分值 回归分析并调整后的扣分分值如表所示： 表3 6 扣分分值表 路 肩 边 坡 排水 设旌 轻度缺损 重度缺损 轻度不洁 重度不洁 轻度缺损 重度缺损 轻度排水不畅 重度排水不畅 轻度缺损 2 1 0 1 5 2 1 0 1 2 0 2 重度缺损 1 0 挡土墙轻度缺损2 重度煞趱l 第三章高等级公路路基养护质量评价数据采集 3 3 3 采集调查表合理性验证 调查表合理与否体现在不同人在同一道路上利用该调查表得出的分数是没有很大差异 的，即不同人员打分没有很大差异性。只有保证了表格的合理性，才能达到不同道路之间评 价等级的可比性。本论文选用单因素方差分析法验证不同人员打分的无显著差异性。由于单 因素分析只能验证一个因素即不同人员的差异，故选择使用性能相类似的路基进行调查。从 而消除不同道路所带来因素的影响。 3 1 3 1 方差分析原理 方差是一个确定的数值，是一个数字特征，方差是随机变量与其重心的偏差平方的平均 值，这个数值反应了随机变量的分散程度。方差愈大，则表明该随机变量取值愈分散。 方差分析是指通过对实验数据进行分析，检验在一定假设条件下各正态总体的均值是否 相等，由此判断各因素对实验指标的影响是否显著。方差分析按影响实验指标的因素的个数 进行分类，可分为单因素分析、双因素分析和多因素方差分析。 萃因素方差分析只考虑某一因素a 对实验指标的影响，其单因素方差分析步骤如下： ( 1 ) 检验假设 日o ：4 1 = 口2 = = 口，( 或“i = “2 = = ，= o ) ( 2 ) 进行统计分析 单因素方差分析结果如表3 7 所示。 表3 7 单因素方差分析表 方差来源平方和自由度样本方差f 值 必。 组向( 因素a ) q r 1 嘭， 叫 组内( 误差) 磊 刀一， 嘭， 总和0盯一1 q 一总偏差平方和，它是描述所获得的全部数据的全部数据离散程度的一个指标。 皱一组内偏差平方和，该指标是每个观测数据与其组内平均值的离差平方和，它反映 在抽样过程中数据误差的程度( 由各种其它随机因素引起的) ，因此也称为误差平方和。 q 一一组间偏差平方和是指各组平均值与总平均值的离差平方和t 它反映了各总体均 值之间的差异程度，也称为系统误差通过0 的大小可以反映原假设h 0 是否成立。若q 1 6 第三章高等级公路路基养护质量评价数据采集 显著地大于q ，说明各总体之间的差异显著，那么风可能不成立。可用检验统计量f 来 判断凰是否成立在给定显著性水平口的情况下，当f f l - 口( ，一l ，。一，) 时，则拒绝风， 认为因素a 对各指标的影响是显著的，否则接收风。其中：，。劳一，p 乩。一，。 3 3 3 2 合理性验证 单因素方差分析法假定风：。不同的人员打分分数都没有差别一。i - 1 0 的假定通过检验 统计量f 来判断是否成立。在给定显著性水平4 的情况下， f f 。一。( ，一1 ，矗一，) 时， 则拒绝玩，认为因素a 对各指标的影嗡是显著的，否则接收凰。 选取了宁杭高速，宁马高速，机场高速翠屏山附近等具有代表性的类似路段作为试验路 段。为了达到试验的目的以上路段基本状况都相似没有太大差异，路段选取的长度为i k m 。 2 )调查数据的方差分析 为了验证打分方法的合理性，分析不同的人员对路基的评价是否有显著影响。选取5 名养护工程师对路基现状相类似的宁杭高速、机场高速和宁马高速共五个路段进行了实地打 分，具体的打分结果如表所示： 表3 8 公路路基评分结果表 路肩边坡 排水设施挡土墙 调查者路段 缺损不洁缺损不畅缺损缺损 a9 29 09 87 08 88 6 b9 48 59 68 08 28 4 lc8 48 39 07 58 6 8 2 d 9 6 9 68 68 29 0 3 6 e3 88 09 46 59 29 0 a9 69 59 06 89 08 2 b8 89 08 87 5g o9 2 2c9 09 29 87 09 0 8 0 d9 49 0 9 4 8 68 89 6 e9 28 59 0 6 8 9 29 2 3 a8 6 8 59 48 58 47 8 b 9 28 0 8 67 59 09 2 c9 68 29 27 88 28 6 d8 8s 58 48 58 88 4 1 7 第三章高等级公路路基养护质量评价数据采集 e9 29 58 07 58 68 8 a9 28 29 47 68 68 6 b8 68 69 28 28 48 8 4c9 49 29 6缱8 89 4 d 8 4髓8 88 09 09 0 览 9 4 9 3 9 2 3 l8 2 8 6 a8 89 49 2 8 5 8 39 2 b9 09 28 4g o9 48 4 5 c9 28 79 47 68 68 6 d9 08 4 9 6 8 39 29 2 e9 68 89 2 8 4 8 08 8 研究不同的人对路肩缺损状况指标打分是否有影响 五个调查者对以上五个路段路肩缺损状况的评价分数如表3 9 所示。 表3 9 路肩缺损状况得分数据表 调查者 路式 l2345 a 9 2 9 68 69 28 8 b9 48 89 28 69 0 c8 49 0 9 6 9 49 2 d9 69 4 8 8 8 49 0 e 8 8 9 29 29 4 9 6 用单因素方差分析要检验的假设是风：“不同的人员打分分数都没有差别一，用s p s s 来分析此数据，得到如下方差分析表： 表3 ，1 0 缺损状况方差分析表 对给定的口：0 0 5 ，查表得f o ，9 ，( 4 ，2 0 ) = 2 8 6 6 ，因为f = 0 1 6 5 f o ( 4 ，2 0 ) ，所以接 受风，即不同人员的打分分值没有显著差异。 研究不同的人对其他指标打分是否有影响 同理，可得到路肩整洁性、边坡缺损及排水设施排水性能和缺损状况的方差分析表如下 所示： 墨三兰壹量丝垒堕堕至鲞笙墨墨堡竺墼墨墨叁 表3 1 1 路肩整洁性指标方差分析表 差异源s sd fm sfp - v a l u f c r “ 组间 组内 1 4 2 1 6 3 7 8 43 5 5 41 船0 4 2 3 0 1 5 3 3 2 32 8 6 6 2 0 1 8 9 总计5 2 0 ，1 62 4 表3 1 2 边坡缺损状况方差分析表 差异源s sd fm sfp v a l u e fc r i t 组间9 642 4 1 1 5 3 8 4 6o 3 6 0 4 7 22 8 6 6 组内4 1 6 2 0 2 0 s 总计5 1 22 4 表3 1 3 排水性能方差分析表 差异源 s sd f m sfp - v a l u efe r i t 组问 组内 2 3 2 0 4 7 1 6 45 9 2 6 1 6 5 5 3 0 7 o 1 9 9 7 5 4 z 8 6 6 2 0 3 5 8 总计9 5 3 ，0 42 4 表3 1 4 排水设施缺损状况方差分析表 差异源s sd fm sfp - v a l u efc r i t 组阈1 9 8 444 9 6 o 3 2 2 9 1 70 8 5 9 2 6 22 8 6 6 组内3 0 7 22 01 5 3 6 总计3 2 7 0 42 4 表3 1 5 挡土墙缺损状况方差分析表 差异源s sd fm sfp v a l u efc r i t 组闻 组内 3 9 3 6