（岩土工程专业论文）基于gis的路面性能评价技术研究.pdf

摘要 随着我国公路建设的迅猛发展，公路养护管理水平有待提高。养护管理部门面对 t f 币奘繁多而且复杂的公路养护日常管理原始资料，采用传统的手工处理方式和依靠经验 决策的管理方法已不能满足时代的要求。因此，迅速、有效地提高公路路面性能评价模 型管理工作的整体水平成为当务之急。随着计算机技术的快速发展，尤其是地理信息系 统( g i s ) 技术的发展，实现公路养护管理计算机化、可视化成为公路养护部门的必然选 择。 本文通过对路面性能评价的研究，建立了合理的评价模型，并把模型集成到g i s 平台中，形成了基于g i s 的路面性能分析评价系统。本文主要内容： 1 ) 通过对路面使用性能的分析，对适用于公路的路面性能测试手段、评价方法和 评价标准进行研究，建立了合理的路面使用性能评价模型。 2 ) 通过对不同层次公路决策、规划、养护和管理等工作流程和数据流的分析，确 定了本系统能够数据采集的内容，设计了本系统的编码方案。 3 ) 开发了一套有针对性的空间数据采集子系统，能将f w d 、雷达、摩擦系数仪和 激光断面仪等无损检测设备的检测数据集成到系统里，方便地对路面性能进 行评价分析和预测。 4 ) 使传统的路面性能评价可视化，使公路养护管理工作标准化，推动了路面性能 分析评价技术的发展。 关键词：路面性能评价模型g i s 编码方案可视化 l l a b s t r a c t w i t ht h es w i f td e v e l o p m e n to ft h ec o n s t r u c to ft h e r o a d ，t h em a i n t a i nl e v e ls h o u l db e i m p r o v e d t h eo r i g i n a ld a t ao fd a i l ym a n a g e m e n te x p r e s s w a ym a i n t e n a n c ea r es ov a r i o u s a n d c o m p l e xt h a tt r a d i t i o n a lt r e a t m e n to p e r a t e db yh a n da n de x p e r i e n c ec a n tm e e tt h en e e d s o f t h e s o c i e t y t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt oi m p r o v et h em a n a g e m e n to f t h em o d e l so f p a v e m e n t p e r f o r m a n c es w i f t l y a n d e f f e c t i v e l y f o r t u n a t e l y , t h er a p i d g r o w t h i n c o m p u t e r ， e s p e c i a l l yt h eg i st e c h n o l o g ym a k e i tf e a s i b l et oe s t a b l i s has e to f c o m p u t e r i z e dm a i n t e n a n c e m a n a g e m e n ts y s t e m ，w h i c h i st h e n e c e s s a r y c h o i c et o r e a l i z e c o m p u t e r i z a t i o na n d v i s u a l i z a t i o n t h e p a p e re s t a b l i s h e st h er e a s o n a b l ee v a l u a t em o d e lb yt h em s e a r c ho ft h ee v a l u a t i o n o fp a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n dt h es y s t e mo f p a v e m e n tp e r f o r m a n c ei sf o r m e d ，w h i c hi s b a s e do ng s t h ef o l l o wi st h em a i n c o n t e n to f t h e p a p e r ： 1 ) r e s e a r c ho nt h et e s t m e a n s ，e v a l u a t em e t h o da n ds t a n d a r do ft h e p a v e m e n t p e r f o r m a n c e ，t h er e a s o n a b l ee v a l u a t em o d e li se s t a b l i s h e d 2 ) t h e c o n t e n to fd a t a b a s eg a t h e r i n gi sc o n f i r m e da n dt h ec o d i n g p r o j e c ti sd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so f t a s kf l o wa n d d a t a b a s es t r e a mo f r o a ds e c t i o n s 3 ) t h es u b s y s t e mo fd a t a b a s eg a t h e r i n gi sc o n s t r u c t e d ，w h i c hc a l li n t e g r a t et h ed a t a f r o mt h ed e v i s e ss u c ha sf w d ，r a d a r a n dr s e 4 1t h e p a p e rm a k et h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nv i s u a l i z e d ，a n dm a k et h e m a i n t a i ns t a n d a r d ，a n da l l t h e s ep r o m o t et h ed e v e l o p m e n t o f p a v e m e n tp e r f o r m a n c e e v a l u m t i o n k e y w o r d s ：p a v e m e mp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o nm o d e lg i s c o d i n gp r o j e c tv i s u a l i z a t i o n i i i 郑州大学硕士研究生毕业论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 ，1 问题的提出 自新中国建立以来，我国的公路建设历经五十多年，取得了巨大成就。由交通部和 国家统计局联合组织实施的第二次全国公路普查结果显示，截止到2 0 0 1 年底，全国公 路总里程近1 6 9 8 万公里，居世界第四位。到2 0 0 1 年底，全国国土公路密度为1 7 7 公里百平方公里，一个干支衔接、布局合理、四通八达的公路网己初步形成。尤其 是自改革开放以来，以高速公路为代表的高等级公路建设得到了长足的发展，在这 图1 1 中国高速公路历年通车里程( 胁) 1 6 9 8 万公里的公路中，等级公路里程达1 3 3 。6 万公里，占总里程的7 8 7 。我国的 高速公路建设也取得突破性进展( 历年通车里程见图1 1 ) ，2 0 0 0 年底，全国高速公 路里程达1 6 万公里，2 0 0 1 年底，全国高速公路里程达1 9 万公里，超过了加拿大， 列世界第二位。 我国高等级公路的发展主要经历了三个阶段： 第一阶段，从无到有，初步建设。t 9 8 8 年1 0 月沪嘉高速公路建成通车，标志着 中国大陆商速公路建设实现了零的突破。1 9 8 9 年我国明确了必须发展高速公路和建设 高等级公路的策略。至1 9 9 2 年底，新建高速公路、一级公路、汽车专用二级公路里程 分别为6 5 0 k m ，3 5 0 0 k m 和2 0 0 0 k m 。 第二阶段，明确重点，上新台阶。1 9 9 3 年全国公路建设工作会议明确了2 0 0 0 前全 国公路建设的主要目标，并提出重点完成“两纵两横三个重要路段”的建设任务。从1 9 9 3 兰丝奎兰堡圭丝塞兰童些篁三 篓! 霎董篁 年到1 9 9 7 年底的5 年中，全国高等级公路建设规模扩大，建设速度加快，共建成高速 公路4 1 1 9 k m 。 第三阶段，拉动内需，加速发展。1 9 9 7 年下半年，为克服世界范围的金融危机对 我国的不利影响我国确定了实施积极财政、加快基础设施建设、扩大内需的经济政策， 决定自1 9 9 8 年起加快公路建设，并为此作出了一系列战略部署。自此，在全国范围内 迅速掀起了高等级公路建设的新高潮，1 9 9 8 年和1 9 9 9 年公路建设投资分别实际完成 2 1 6 8 亿元和2 1 5 7 亿元，分别比1 9 9 7 年增长7 2 6 和7 1 7 ，两年共建成高速公路 4 9 9 3 k m 。截止1 9 9 9 年底，公路网主骨架“五纵七横”中大部分路段高速公路项目已开 工建设。全国在建高速公路超过1 2 0 0 0 k m ，“十五”期间累计建成2 万公里高速公路【2 l 。 随着新千年的到来，我国提出将发展重点向西部转移，并着手实施西部大开发战略。 在这一战略决策中，基础设施建设是关键所在，其中公路建设被列为重点发展的内容之 一【3 1 。交通部为此提出了实现西部公路交通面貌根本性变化的三阶段发展规划，即从现 在起到2 0 1 0 年使公路交通条件得到明显改善：到2 0 2 0 年，使公路交通发展基本适应国 民经济的需要：到二十一世纪中叶，基本建成现代化的公路运输网络。其中西部地区公 路网等级规划要求省会至地市以及区域对外通道公路建成高等级公路【“。 根据十五大提出的国民经济和社会发展目标，交通部研究制定了至二十一世纪中叶 我国公路主骨架建设的目标：重点建设“五纵七横”1 2 条干线国道，总里程约3 5 公里， 由高等级公路为主组成，贯通首都和直辖市及各省( 自治区) 省会，连接所有1 0 0 万 以上人口的特大城市和9 3 的人口在5 0 万以上的大城市，串联的城市超过2 0 0 个，约 占全国城市的4 3 。 以高等级公路为主的国道主干线系统建成后，必将极大地改善我国的综合运输结 构，提高综合运输效率，缓解交通运输紧张局面，使整个公路的路网功能更好地适应国 民经济的发展要求，产生巨大的社会效益和经济效益。可以预计，随着公路主骨架建设 的推进，我国的高等级公路建设在今后几十年内仍将以较快速度向前发展。 国道主干线作为公路网中的大动脉，所承担的交通运输任务远远超过它们在公路网 中所占的比重，因此其工程结构必须具备良好的稳定性、耐久性和较高的服务水平。对 于高等级公路，客观上要求做到在设计使用年限内不需进行中断交通的大修，周时少进 行影响交通运输的局部修补和中修。但从我国目前已通车运营的高等级公路来看，情况 并非如此。许多公路的路面出现了不同程度的早期损坏，如沥青路面的开裂、沉陷、车 辙、抗滑能力不足，水泥路面的断裂、错台、接缝损坏等。一些路段的问题甚至相当严 重，极大地影响了道路的服务能力，阻碍了交通运输综合效益的发挥。这些问题的一再 出现，原因是多方面的，但总体上反映出我国的道路修筑实践仍缺乏系统的理论支持， 对路面基本工作原理，特别是在长期的交通荷载和环境等因素综合作用下路面性能变化 郑州大学硕士研究生毕业论文第l 章绪论 规律缺乏足够深刻的认识。 许多发达国家早于我国提出了提高路面性能，维持路网服务水平的要求。在过去的 五十年旱，这些国家的干线公路网均已建成，如美国国土面积与我国接近，至上世纪7 0 年代末己建成8 5 万公里的州际干线高速公路网，公路总里程达到6 2 5 8 万公里。然 而在使用过程中发现不少路面尚未达到设计使用年限即出现了结构性破坏或服务水平 严重不足的现象，必须进行改造或重建。在这些国家，每年为维护和改造现有公路网需 要投入大量的资金。道路界人士开始认识到，进行路面的设计、施工、养护、维修等工 作，应该充分考虑路面的长期性能才是有效而经济的。自8 0 年代末开始由美国发起， 许多国家逐渐开始全面系统地总结道路修筑和使用经验，开展关于路面长期性能的研 究。目前这一领域的研究已成为国际道路界普遍关注的内容之一。 纵观世界范围内道路工程技术的发展趋势，结合我国当前情况可以判定，在我国高 等级公路建设方兴未艾的今天，开展关于路面长期性能的研究，避免重复发达国家在公 路网建设中出现的问题，为我国今后的路面设计、施工、养护、维修、营运等各方面提 供全方位的技术支持，是道路工作者必然的选择。而明确路面长期性能研究的意义，结 合我国国情，制订我国路面长期性能研究的计划和策略，进而全面推进关于路面长期性 能的研究工作，显得尤为迫切和必要。 1 2 国内外研究状况 高速公路的修建只是解决交通问题的第一步，高速公路在建成后为了保持较好的使 用性能，保证国家的投资发挥最大的效益，必须对高速公路采取非常完善的养护措施。 资金和技术是决定高速公路养护质量的主要因素。目前，因我国多数高速公路投入运营 时间不长，路面还保持着较高的使用性能，所以养护资金问题暂时还不很突出。然而在 2 0 0 0 年后，一方面许多高速公路建成通车；另方面己通车的许多高速公路进入中期 使用阶段，路面损坏呈加速趋势。怎样科学合理的评价路面的使用性能，采取合理有效 的养护方案尤为重要。在养护资金增加有限的情况下，如何合理地评价路网状态和分配 养护资金，确保高速公路路网始终保持良好的行驶质量，将成为高速公路主管决策部门 不得不解决的问题。 路面管理技术的研究始于7 0 年代初期的北美，美国在经历了大规模的公路建设后， 面临着大量的、同时到来的路面养护工作，为了准确地了解公路网的破损状况，把有限 的养护资金分配到最需要养护的路段上，研究人员开发了路面破损数据检测设备，建立 了数据库，制定了评价方法、标准和优先养护排序模型。这种以计算机为管理工具的路 面管理技术被称为路面管理系统( 简称p m s ：p a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m ) 。8 0 年 代以后，路面管理系统的内容得到了扩充，技术也初步成熟。发达国家，如欧洲和澳大 利亚等先后对其进行了研究并在实际公路管理中应用。 郑州大学硕士研究生毕业论文 第l 章绪论 为了提高州际公路网的服务水平、通过科技手段增强公路运输系统的有效性，美国 联邦公路局( f h w a ) 于1 9 8 2 年委托美国国家研究院( n r c ) 的运输研究委员会开展 了一项“战略运输研究调查”。在该调查所提出建议的基础上，f h w a 和n r c 于1 9 8 7 年正式启动国家战略公路研究计划( s h r p ) ，目标是为“提高路面性能和服务寿命，在 不过分增加投资的前提下使道路更好地为客货运输服务”提供手段和帮助。路面长期性 能( l o n g t e r mp a v e m e n tp e r f o r r m a n c e 简称l t p p ) 是s h r p 的四个研究领域之一。 作为一项持续2 0 年的公路研究项目，l t p p 在s h r p 工作结束后由f h w a 负责继续 进行，研究覆盖整个北美地区。该计划的内容可以概括为：对采用不同设计方案和不同 材料、处于不同环境条件和路基状况下，经历不同荷载和养护维修措施的路面结构进行 广泛深入的调查研究，解答荷载、气候、材料变异性、施工操作、养护维修实践等长期 影响路面性能的基本问题，为增加路面使用寿命提供技术支持。 北美l t p p 研究以试验、观测以及在此基础上的数据分析为主要手段。作为研究工 作的依托，【t p p 在北美划分四个气候大区，建立了2 2 0 0 多个试验观测路段，包括一般 性路面研究( g p s ) 项目和特定性路面研究( s p s ) 项目两大类。前者是处于设计使用 期内的现有路面实体工程，分为8 种路面结构形式；后者是为特定的研究内容专门修建 的试验路段，根据考察目标不同划分为9 组试验方案。l t p p 对g p s 路段和s p s 路段的 路面性能、路面材料特性、交通状况、养护维修措施及环境状况变化等进行详尽的测试 和试验，所取得的大量数据由路面性能数据库( n p p d b ) 进行存贮和管理，进而开展 全方位的数据分析工作。现已进行的分析工作包括评价现有设计方法：改进路面维修策 略；确定荷载、环境、材料特性及其变易性、施工质量及养护水平等对路面性能的影响； 明确设计对路面性能的关键影响；修订新建路面的设计方法；等等【4 】1 5 】【6 】o l t p p 研究计划预计将持续至2 0 0 8 年左右。目前该计划己得到了广泛的国际参与， 有2 0 多个国家正式加入了i t p p 的国际协作，还有许多国家准备参加或开展类似的研 究工作c 7 3 。1 1 3 1 。 我国从1 9 8 4 年开始陆续引进了英国的b s m 路面评价系统，芬兰f p m s 路面管理 系统及世界银行h d m - i l l ( w a t a n a t a d a ，1 9 8 7 ) 公路投资效益分析模型。“七五”期 间在引进消化的基础上，通过国家重点攻关项目“干线公路路面评价养护系统成套技术” 的研究，建立了我国的干线公路路面评价养护系统即路面管理系统c p m s ( c h i n a p a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m ) 。c p m s 是一个复杂的决策系统。它涉及了道路工程、工 程经济、系统工程及计算机技术，是公路养护工程师进行路网评价、路况性能分析、养 护资金需求及养护资金优化分配的辅助决策工具。该系统与路面长期使用性能研究的方 向不同，路面长期使用性能信息管理系统旨在建立各类试验路段，全面积累与路面长期 使用性能有关的诸多数据，以便进一步建立使用性能预测模型，改善或提出新的路面设 计、改建和养护方法。 郑州大学硕士研究生毕业论文第1 章绪论 1 9 8 6 年至1 9 8 8 年在北京市试点开发了“公路桥梁管理系统第一期工程”。1 9 8 9 年5 月，交通部公路所与河南省公路管理局签定了公路桥梁省、地级管理系统项目开发 协议，该项目主要开发内容为：l 、建立省、地级公路桥梁管理基本数据库，其数据项 设置能满足当前管理需要并考虑其发展需求；2 、结合省级管理具体要求，建立桥梁管 理5 6 个基本应用功能主模块。这一系统是在原有北京市基础上，吸收国外先进技术 而开发的，也就是交通部现在在全国推广的公路桥梁管理系统c b m s 的前身，至1 9 9 5 年3 月，该系统经过改进己推出了3 个版本。现在针对个别地区的多媒体版本也正在推 广，c b m s 的多媒体版本实现了桥梁信息与g i s 的部分关联，但数据输出和查询仍以 表格形式，可视化程度不高。 g i s 是最适于进行地理空间数据处理的计算机应用系统，公路具有典型的线形地理 特征，适于应用g i s 进行形象化管理的实体。c p m s 和c b m s 是国内公路管理部门应 用较为普遍的管理系统，也是一个复杂的决策系统，它们涉及了道路工程、结构工程、 工程经济、系统工程及计算机技术，是公路养护工程师路网评价、路况性能分所、养护 资金需求及养护资金优化分配的决策工具。随着计算机技术的发展和g i s 应用的普及， 通过引入g i s 技术以进一步丰富和完善c p m s 、c b m s 的功能，已成为c p m s 、c b m s 发展的必然趋势。 1 3 建立路面性能评价系统的意义 1 3 1 养护管理系统的定义 路面管理系统( p m s ) 各国有不同的定义。在美国各州公路和运输工作者协会 ( a a s h o ) 的路面管理系统指南中，把p m s 定义为：用于决策者在公路评价养护中寻 求投资有效分配方案的工具。澳大利亚道路研究所把p m s 定义为：用于优化利用路面 养护可用资源，包含信息采集、信息分析和方案决策的管理方法【1 4 】。实际上，路面管 理系统是以现代管理科学理论为指导，以计算机为工具，采用系统分析方法使路面管理 过程系统化。 路面管理系统协调的路面管理活动包括路面的规划、设计、施工、养护、路况监测 和评价、研究等。这些活动属于不同的管理层次，并且分别隶属于不同的部门和单位， 如计划部门、设计部门、施工部门、管理部门、研究机构等c 1 5 3 g i g 。 实际上，我国目前对路面管理系统的需求还主要集中在路面养护管理方面，即路面 养护管理系统。路面养护管理系统是指最有效地利用现有资金，使公路网中的路面处于 最佳的服务水平或产生最大的经济效益。路面养护管理系统既与路面设计和施工有区 别，也与传统的公路管理不同。它是综合运用路面专业知识，用系统工程等方法，借助 计算机处理与路面养护活动有关的问题。 路面养护管理系统可以认为是路面管理系统的子系统，两者的最终目标是一致的。 郑州大学硕士研究生毕业论文第l 章绪论 两者均可以划分为网级和项目级两种系统，分别适应不同管理层次的需要，具有不同的 功能和结构。而路面性能评价模型管理系统是路面养护系统中不可缺少的部分。 1 3 2 养护管理系统的层次 路面管理系统可划分为网级路面养护管理系统和项目级路面养护管理系统两种，分 别适用干不同的管理层次具有不同的功能和结构。 网级系统是涉及整个路网的、用于指定路网养护政策、确定路网养护需求和养护 费用优化分配的宏观分析系统：项目级系统则是根据网级系统的决策，以路段为对象， 从技术和经济的角度分析养护方案的系统。 网级路面管理系统的范围，包括一个地区( 省、市) 的公路网或一大批工程项目。 它的主要任务是为管理部门进行关键性的行政决策提供对策，网级路面管理系统一般由 数据库、使用性能评价模型、对策分析模型、使用性能预估模型、分析模型和优化模型 等部分组成。 项目级路面管理系统仅针对一个工程项目，它的主要任务是为管理部门对某一工程进 行技术决策时提供对策，以选择费用一效益最佳的方案。它以数据库为核心，通过对与 路面相关的各种数据的采集形成数据库，利用这些数据进行路面使用性能评价，得出各 种相关的使用性能指数，通过这些指数确定路面所处的损坏状况。由此给出各路段的养 护、改建方案，对各方案加以经济分析比较得出适合该路段的费用一效益最佳方案。 当数据积累到足够程度后，便可以建立路面使用性能预估模型，对路面的各项使用性能 指标进行预估。 1 3 3 建立路面性能系统的内容和意义 在高速公路路面管理系统中，有大量的模型及参数需要经常性的被修改或标定，以便适 应不同条件和状况。模型和参数的个性变更通过模型参数管理系统完成。参数数据库包 含的主要数据： ( 1 ) 车辆特征 ( 2 ) 交通量换算系数 ( 3 ) 路面性能评价模型 1 ) 破损率换算系数；2 ) p c i 评价模型；3 ) p s s i 评价模型；4 ) r q i 评价模型 5 ) p q i 评价模型 ( 4 ) 路面使用性能预测模型 1 ) p c i 预测模型；2 ) p s s i 预测模型；3 ) r q i 预测模型；4 ) p q i 评价模型 ( 5 ) 评价标准 郑, j , 6 f 大学硕上研究生毕业论文第l 苹绪论 ( 6 ) 材料单价 ( 7 ) 标定方程 ( 8 ) 决策模型 建立高速公路养护管理系统的重要意义可从经济、技术和管理三方面体现： 1 1 经济方面 ( 1 ) 在资源约束条件下使路网总体效益最优； ( 2 ) 依据现有的路况水平和预算水平编制养护维修计划； ( 3 ) 分析提高或降低路面使用性能对道路使用者费用的影响程度等。 2 1 技术方面 高速公路养护管理系统能够在实施过程中逐渐积累经验和促进新技术的应用： ( 1 ) 改进典型养护和维修对策，不断修正养护经验： ( 2 ) 可以比较新旧养护技术的差异，促进养护技术的不断更新和改进： ( 3 ) 完善路面使用性能预估模型，以便更准确地预测未来路面使用性能的变化， 从而作出更符合实际的养护维修决策。 3 1 管理方面 ( 1 ) 促进养护管理体制的不断改进与完善； ( 2 ) 提供有效的路网检测和评价手段，提高养护管理的效率； ( 3 ) 可以分析不同投资水平对路网状况的影响，为管理决策部门提供充分的决策 依据。 1 4 本文主要研究内容 本文从分析我国开展路面长期性能研究的必要性、研究计划和策略入手，通过总结 和分析公路路面性能评价方法和标准，开展了一些基于g i s 的路面性能评价管理的基 础研究工作。 全文共分六章，各章内容安排如下： 第1 章绪论主要描述了论文的研究背景、高速公路养护管理系统的应用现状和存在 的问题以及建立计算机化的高速公路路面性能评价系统的意义，最后简单介绍了本文的 研究内容。 第2 章从调查我国高等级公路路面常见损坏类型入手，结合国情，提出该项研究应 遵循的基本策略，并探讨指导路面长期性能研究的方法论。重点阐述路面性能的内涵， 探讨适用于高等级公路的路面性能测试方法，从高等级公路沥青路面的功能需求出发， 郑州大学硕士研究生毕业论文第1 章绪论 研究路面性能的评价指标体系与评价标准。 第3 章从地理信息系统概念的引入，介绍了公路养护地理信息系统的国内外发展， 重点阐述了公路路面性能评价地理信息系统的功能，最后分析g i s 的未来发展趋势。 第4 章用一章的篇幅详细地对河南省公路路面性能模型管理系统的系统分析进行 了描述，主要内容包括：总体方案设计、系统建立的方法和原则、系统组成、开发步骤、 系统选型、数据组成设计、基本系统设计和基本系统组成。 第5 章主要介绍了本系统地实现，重点描述了系统的特点、系统的主界面及系统的 主要功能。 第6 章为结论与展望。 在该系统中，采用地理信息系统原理，将公路的走向、起止地点、桥梁位置、道班 位置、涵洞位景、养护单位管养范围等在地图上显著的标注出来，展现在用户面前的是 1 一张包含所有与公路养护管理有关信息的地图。用户可以在图上以鼠标点击选择输入的 方式，完成有关数据录入、查询、显示和输出。非常接近实际工作中在地图上选点、标 图作业。与传统数据库管理信息系统中单纯、抽象的文字界面相比更贴切、直观，使用 户在实际工作中始终能更现实地纵观全局。另外，将公路的各项要素与地理元素的空间 属性联系起来，既可以从地图上的路段、桥梁、涵洞等地理元素查询得到相应对象的数 字、文档、图形、图像及视频、音频信息，也可以由路段编号、桥梁编号等标识信息查 询得到其空间方面的信息。对于公路养护管理中的检测结果及调查得到的路面病害等动 态信息，可运用可视化技术将数量庞大的数据拟合到地理元素上，得到直观的复合地图， 一目了然地了解道路或桥梁的质量，为技术和管理人员制定养护管理方案提供全面的参 考。 郑州大学硕士研究生毕业论文 第2 章路面性能的评价方法与标准 第2 章路面性能评价方法与标准 2 1概述 路面性能( p a v e m e n t p e r f o r m a n c e ) 的概念早在1 9 6 2 年即由a a s h o 提出，此后 随着道路修筑技术的日益成熟和人们对道路使用经验和认识的不断增加，路厩性能的内 涵也在逐渐发展之中。人们对路面性能的要求与道路交通水平紧密相关，在早期交通条 件下，人们对道路的要求局限于不出现引起交通中断的较大损坏，故而对路面设计也仅 从结构性要求出发。随着现代高速交通的发展，人们对路面的功能和服务质量提出了更 高和更全面的要求，路面性能的内容得到了进一步的丰富“。 目前对道路路面性能的通常理解是，路面为保障客货运输( 主要是汽车运输) 车辆 的正常行驶而应具备的能力和属性。现代交通条件下的高等级公路路面的功能应体现在 满足运输车辆在一定设计使用时限内高速、安全、经济、舒适地行驶。按照功能论的思 想，从结构系统和功能系统的概念出发，可将路面性能划分为结构性能和功能性能。结 构性能指路面作为一类特定的工程结构，与周围环境进行物质和能量交换、保障结构自 身完备性的能力，目前普遍关心的结构性能是路面的强度、稳定性和耐久性；功能性能 指路面完成其功能目标需具备的必要属性及其外部表现，通常指路面的舒适性、安全性 等保证车辆行驶质量的特性。结构性能是路面性能的基础和硬件；功能性能是路面性能 的目标和软件：二者相互影响，相互配合，形成路面性能的有机整体。 考察结构性能，从实现功能效益最优的思想出发，一般要求从所在结构属性中分析 寻找对功能有影响的部分，并用适当的形式进行表达。对于路面结构性能一般从路面承 载能力和破损状况两方面进行评价。研究功能性能，一般应通过功能分析，寻找功能上 下位关系，建立功能逻辑结构。对于路面的功能性能一般通过其直接下位功能进行评价， 通常包括路面平整度、抗滑能力、噪声水平、反光特性等，目前对前两者的关注和研究 较多。 以往的路面性能评价技术对于高等级公路有许多不适应之处，有必要对适用于高等 级公路的路面性能测试手段、评价方法和评价标准进行研究。本文将首先回顾分析国外 主要公路机构开发使用的路面性能评价模型，然后分析我国道路养护技术规范中的模型 和标准。 世界上第一个路面使用性能p s i ( p r e s e n ts e r v i c e a b i l i t yi n d e x ) 是由美国a a s h o 基 于近1 0 年的试验观测结果于6 0 年代中期提出的。p s i 模型对7 0 年代的公路养护管理 技术，特别是路面管理系统的发展有着深刻的影响。以a a s h 0 的p s i 模型为范例， 加拿大、日本及我国等许多国家和地区建立了不同概念和含义的路面管理性能评价模 型，这些模型的共同特点是依靠专家评分技术。以下是三个典型模型的分析，以望通过 分析总结不同模型及建模方法特点。1 a a s h 0 的p s i ( p r e s e n t s e r v i c e a b i l i t yi n d e x ) 2 郑州大学硕士研究生毕业论文 第2 章路面性能的评价方法与标准 日本的m c i ( m a i n t e n a n c e c o n t r o li n d e x ) 3 美军的p c i ( p a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x ) 1 路面服务性能指数( p s i ) 路面服务性能指数( p s i ) 是1 9 6 0 年实施的a a s h o 道路试验的重要研究成果之一。 是公路行业第一次引用专家评分技术建立主客观联系的成功范例。在建立p s i 模型时， 研究人员把与公路有关的、职业不同的各种评价人员，如道路建设技术人员、道路养护 人员、汽车运输人员组织起来，组建一个由8 人1 6 人组成的专家评分组通过路上行 走评分，给出每个试验路段的个人评价值i p s r ( i n d i v i d u a lp r e s e n ts e r v i c e a b i l i t yr a t i n g ) 。 个人评价值i p s r 的平均值为该路段的专家评价值p s r ( p r e s e n ts e r v i c e a b i l i t yr a t i n g ) 。 在进行专家调查评分工作的同时，道路检测人员对各试验路段的路面损坏现象进行 调查，用多元回归的方法建立了这些路面破损与各路段p s r 值之间的关系。建立的关 系称为路面服务能力指数p s i 。a a s h o 在建立上述p s i 模型时，考虑了两种路面类型 ( 水泥和沥青) 和四种影响变量如下式： p s i = 5 0 3 1 9 1 l g ( 1 + s v ) 一0 0 1 i 万- - 0 2 1 r d 2 ( 沥青) p s i = 5 4 1 1 , 8 0 l g ( i + s v ) - - 0 0 5 拓面( 水泥) 式中：s v 一轮迹处纵向平整度离散度；c 一裂缝度，m 2 1 0 0 0 m 2 ； p - - 修补度( p a t c h i n g ) ，m z 1 0 0 0 m 2 ； r d 一车辙深度，c n l 。 气 一一p s i s v - - 1 1 - - p s ir d p s i ( c + p ) 01 0l j2 02 53 0 3 54 04 55 0 s v ( o 5 0 r d ( 0 05 ) ( c + p ) ( 0 5 0 0 ) ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 图2 1a a s h op s i 模型 上述模型包含了四个基本道路参数，属于三种基本损坏，即平整度，表面裂缝及车 辙。为了了解p s i 的特性，分别对三类损坏( 三种影响因素) 进行分析，从图可以直观 地看出( 见图2 1 ) ，在三种影响因素中，路面裂缝破损与车辙占有很小的比例，这两种 因素的变化对p s i 基本不产生影响。与此相反，路面平整度( s v ) 对p s l 有着显著的 影响。s v 增大时特别是在小于1 0 的范围内，p s i 变化显著。当s v = 1 0 时，p s i 能减 少4 0 ，说明6 0 年代美国的公路具有很差的平整度。同时也反映出当时的汽车减震性 能远不如现在，因而评分专家把平整度看作了一个重要的影响因素。从某种意义上看， 6 5 4 3 2 l 0 (【兰一舞车磐乏采堇隹誊 郑州大学硕士研究生毕业论文第2 覃路面性能的评价方法与标准 a a s h o 的p s i 模型是通过平整度反映驾驶舒服性的一个评价指标。 在a a s h o 道路试验之后，日本道路协会( 1 9 7 8 ) 【1 7 】模仿a a s h o 的p s i 方法，建 立了日本的p s i 模型( 式2 3 ) ，给出了对应的处置方法( 表2 1 ) ，该式为日本道路养 护技术规范所采用。加拿大则直接把p s i 改为舒适性指数r c i ( r i d i n gc o m f o r ti n d e x ) ，建 立了r c i 与道路平整度的直接关系。 p s i = 4 5 3 - - 0 5 1 8 1 9o - - 0 3 7 1 4 c o 1 7 4 ( 日本) ( 2 3 ) 式中：o 一纵向平整度标准偏差，m m ：c 一裂缝率，：d 一车辙深度，c m 表2 1日本处治方法 ip s i处治方法p s i处治方法p s i处治方法 r 3 2 1表处2 1 1罩面1 0 重建 如图2 2 所示，日本p s i 的关键影响因素正好与美国相反。平整度占很轻的比重， 说明7 0 年代末期日本的路面具有很好的平整性。相对来说，日本比较重视裂缝和车辙 的影响。因此，日本的p s i 模型应该是道路管理者的模型。 图2 2 日本p s i 模型 2 、养护管理指数( m c i ) 如果说a a s h o 的p s i 是道路使用者的评价模型，那么日本的m c i 完全是道路管 理者的模型。与a a s h o 不同的是，日本采用的专家评价组是由道路管理人员组成的， 且仅考虑路面平整度、裂缝程度及车辙对道路养护需求的影响。通过3 年对1 3 8 个路段 的观测共取得1 8 0 8 组数据。利用这些数据经过1 0 0 0 多种对数交换和指数组合通过多元 非线性分析建立了如下式的m c i 评价模型。 m c i = 1 0 一1 4 8 c o3 一o 2 9 d o ”一o 4 7o “2 m c i o = 1 0 1 5 1 c o 一一o 3 0 d o 7 m c i i = 1 0 2 2 3 c o 3 1 i ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 6 p 0 4 3 2 l 0 一一i)裁县f拦拳拣姿兰螽 m c l 2 = 1 0 0 5 4 d o 7 式中：m c i 一养护管理指数，o 1 0 d 一车辙深度，m m ； ( 2 7 ) c 一裂缝率，； 。一平整度，m m 。 日本采用了四个方程的理由是：日本大型、重载及渠化交通等特殊状况较多，多个 方程可使评价更接近于实际情况。从模型开发角度，四个方程足以应付不同的路面状 况，但使用时会给用户带来一些混乱。 为了弥补m c i 不能从道路使用者角度进行路面评价的缺陷，桥本等1 9 8 6 年提出 了简单的线性舒适性指数r c i ( r i d i n g c o m f o r t i n d e x ) ( 式2 - 8 ) 。这个模型的缺陷是 当平整度大于一定的数值如6 0 时，r c i 会给出不合理的负值。 r c i = 1 0 - - 1 7 0 o ( 2 - 8 ) 式中：r c i 一舒适性指数；o 一平整度，r a m ； 3 路面状况指数( p c i ) 一般采用路面状况指数p c i 来对路面破损状况进行评价。路面状况指数p c i 是反映 路面破损状况的一个综合指数，也是反映路面服务水平的最重要、最复杂的一个指数。 由于促使路面出现破损的原因是多方面的，路面破坏所表现的形式特征也是多种多样 的，所以要对路面破损状况进行分类，然后对每一类损坏状况迸行测量、评价扣分，最 终得出总的路面破损状况指数。 扣分法是确定路面状况指数p c i 的常用方法，对不同的破坏类型、严重程度和范围 规定不同的扣分值，按路段的损坏状况累计扣分后以剩余的数值表征路面的完好程度， 评价路面的好坏。用扣分法建立的路面评价模型p c i ( p a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x ) 一 般为非线性方程。如下式 n日l ( r ) p c i = 1 0 0 - 产q ( r i ，s j jd t j ) f ( t ，q ) ( 2 9 ) 冒百 式中：p c i 一路面状况指数； o ( ) 破损类型t ，严重程度s ，及损坏密度d 。j 时的扣分值； i 一破损类型；j 一严重程度； p 一总破损类型；m ( i ) 一第i 种破坏的损坏数量； f ( t ，q ) 重复损坏修正系数。 这种做法的好处是能够精确地计算和折算由于多种损坏所导致的总体损坏程度。由 于它是非线性的函数，而且采用了单项重复损坏修正系数，在对某种损坏类型较突出的 路段进行评价时可以避免总扣分过高或过低现象，能克服日本m c i 模型的缺陷，从理论 上说是比较完整和严谨的。 郑州大学硕士研究生毕业论文 第2 章路面性能的评价方法与标准 2 2 路面性能的评价方法和标准 由以上介绍可知，目前世界上有许多国家建立了路面使用性能评价模型这些模型都 是把路面状况的主观评分同物理指标( 车辙、平整度、破坏率) 加以联系使评价客观化 的数学公式。在模型建立时，由于给定的条件( 评价观点、方法、路面环境) 不同，因 而得到的评价模型也有差异。即使在同一个国家的不同地区建立的模型也有差别。而且， 随着高速公路和专用公路里程的增加及数据检测设备的更新，模型还需要不断地加以修 正和完善。所以，有必要对适用于高等级公路的路面性能测试手段、评价方法和评价标 准进行研究”。 2 2 1 路面结构承载能力 路面结构承载能力是路面结构抵抗外部荷载及环境因素作用，保持自身状况完好的 能力。通常可描述为路面在达到预定的损坏状况之前，还能承受的行车荷载作用次数， 或者还能使用的年数。对于柔性路面，通常采用路表面无损弯沉测定方法评定路面结构 的承载力，也即依据弯沉值的大小确定其剩余价值。承载能力是路面服务能力的基础， 它与路面的损坏状况有内在联系。在道路运营期间，路面损坏状况的发展与承载力的下 降一般是同步的。承载力强的路段，其损坏发展速度通常较缓慢：承载力弱的路段，其 损坏发展相对较迅速。 1 测试方法 对路面结构承载能力进行评价，最常见的方法是现场测定路面弯沉。弯沉测试方法 总的发展趋势是测试时对路面的加载方式愈来愈接近路面承受行车荷载的实际情况。弯 沉测试技术的发展大致经历了三个阶段：1 ) 静力弯沉测试；2 ) 稳态动力弯沉检测：3 ) 脉冲动力弯沉测试。 b e n k e l m a n 梁式弯沉仪( 简称b b ) 自5 0 年代中期开始得到了广泛应用，是目前最 常见的静力弯沉测试设备，我国公路部门过去通常采用该设备的测定指标进行路面设计 和路面养护评价。为了提高弯沉测定的精度、效率和使测定加载方式更接近于车辆荷载 情况，人们又陆续发明了自动弯沉仪、稳态动力弯沉仪和脉冲动力弯沉仪。其中，7 0 年代开发的落锤式弯沉仪( f a l l i n gw e i 曲td e f l e c t o m e t e r 简称f w d ) 作为脉冲动力弯沉 测试设备的代表，受到了人们的广泛关注和重视。国际上自7 0 年代以来对( f w d ) 进 行了大量的研究工作，目前已有5 0 多个国家和地区开展了f w d 测试方法的规范化、 标准化工作，并将其广泛应用于道路和机场的质量检测评价f 2 0 】。 由于f w d 较好地模拟了行车荷载的作用，并能够快速、安全、准确地采集到大量 的路面受荷变形信息目前己成为路面弯沉测试和结构性能评价的理想工具。国际l ，t p p 项目采用f w d 取代b e n k e l m a n 梁，用于2 0 0 0 多个的试验路段的检测和分析。 为使路面长期性能数据采集和路面性能评价的手段具有先进性，满足高等级公路的 邦州大学硕士研究生毕业论文第2 章路面性能的评价方法与标准 要求，并适应当前发展趋势，在本系统中确定f w d 为路面弯沉测试的主要设备，并为 此引进丹麦产d y n a t e s t8 0 0 0 型f w d ，该设备是国际上应用最广泛的型号，约占应用总 数的7 5 ，同时也是北美l t p p