（道路与铁道工程专业论文）路面使用性能的评价与预测.pdf

摘要 y 5 8 8 0 2 7 摘要 路面使用性能的评价和预测是路面管理系统的重要环节，对合理地确定养 护措施起着重要作用。n # i - 在这两个方面已经进行了大量的研究，目前我国在 这方面也作了一定的工作，但由于我们起步较晚，仍然没有一套成熟的理论和 方法。本文尝试提出用集对分析的理论和集对分析理论与神经网络模型结合的 方法对路面使用性能进行综合评价的方法，同时提出用神经网络对路面性能进 行预测。 本文用集对分析理论对路面使用性能进行综合评价，解决了综合评价等级 过粗，不能反映实际情况问题，并且构造了求联系度的公式；同时在集对分析 基础上进一步探讨，作者提出集对分析和神经网络结合的方法应用于路面使用 性能的综合评价，这种方法综合利用了两种方法的优点，摒弃各自缺点。 路面性能的预测就是通过对过去和现在路面状况的调查研究，运用与计算 机相结合的数学模型，对路面性能的发展变化趋势做出推测和估计的方法。本 文建立了基于b p 算法的神经网络模型，通过实测数据对路面使用性能进行了预 测。 本文提出的评价模型和预测模型在理论上都是可行的。但是，目前很难找 到比较完整、全面的实测数据，所以无法真正对这种评价和预测方法的合理性 和实用性进行进一步考证。通过本文的研究，作者只能认为，本文所用的方法 在理论上是可行的，但能否成熟地应用于路面使用性能的评价和预测，还要待 进一步研究。 关键词：路面使用性能，路面使用性能评价，路面使用性能综合评价， 路面使用性能预测，集对分析，人工神经网路模型，b p 算法。 未经作者、导师鲻慧 勿全文公布 a b s t r a c t a b s t r a c t p 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 na n d p r e d i c t i s i m p o r t a n t t op a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m ( p m s ) ，i t i ss i g n i f i c a n tt or e a s o n a b l yd e t e r m i n em a i n t e n a n c e a n dr e h a b i l i t a t i o ns t r a t e g i e so fh i g h w a y ag o o dm a n yr e s e a r c hh a sb e e nm a d ei n o v e r s e a s ，t h o u g hw eh a v eb e g u nt op a ya t t e n t i o nt o t h i sa n dh a v ed o n es o m e r e s e a r c h ，w eh a v en o tas e to f m a t u r et h e o r ya n dm e t h o ds i n c ew es t a r ts ol a t e l y t h ea r t i c l et r i e st os y n t h e t i c a l l ya p p r a i s ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eb ys e to f a n a l y s i s t h e o r ya n ds e to fa n a l y s i st h e o r yi n t e g r a t e dw i t ha r t i f i c i a ln e t w o r km o d e l a n dt o p r e d i c tp a v e m e n tp e r f o r m a n c eb y a r t i f i c i a ln e t w o r km o d e l p a v e m e n t p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o ni st h a te s t i m a t i o nt h a tp a v e m e n t p e r f o r m a n c es a t i s f i e sd e m a n do fu s e rb yp a v e m e n tc o n d i t i o n d a t a t h es e to f a n a l y s i st h e o r yi m p r o v e ss y n t h e t i ce v a l u a t i o nr o u g hg r a d et h a tc a n tr e f l e c ta c t u a l p a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n dc o n s t r u c t sf o r m u l ao fr e l a t i o nd e g r e e b a s i n go ns e to f a n a l y s i st h e o r yt h ea u t h o rb r i n gf o r w a r dt h em e t h o dt h a tw a si n t e g r a t e ds e to f a n a l y s i s w i t ha r t i f i c i a ln e t w o r km o d e l ，t h em e t h o dw a s a p p l i e d t op a v e m e n t p e r f o r m a n c es y n t h e t i ce v a l u a t i o n t h ew a ym a k e su s e so fa d v a n t a g eo ft h et w o m o d e l sa n da b a n d o n e d d i s a d v a n t a g ef t h et w o m o d e l s p a v e m e n tp e r f o r m a n c e sp r e d i c ti s 也em e t h o dt h a tp r e d i c t sa n dr e c k o n sf u t u r e c o n d i t i o no fp a v e m e n t p e r f o r m a n c e sb yp a s t a n d n o w a d a y ss e a r c h d a t aa n d m a t h e m a t i c sm o d e li m e g r a t e dw i t l c o m p u t e r t h ea u t h o re s t a b l i s h e s a r t i f i c i a l n e t w o r km o d e la n d p r e d i c t sp a v e m e n tp e r f o r m a n c e s - - b pp a v e m e n ta r t i f i c i a l n e t w o r ka n db e t t e rd e c i d e sm a i n t e n a n c ea n dr e h a b i l i t a t i o ns t r a t e g i e s e v a l u a t i o nm o d e la n d p r e d i c tm o d e l i nt h ep a p e ri sf e a s i b l ei nt h et h e o r y b a t w ec a n ltf u t u r et e s t i f yr a t i o n a l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo f e v a l u a t i o n m o d e la n d p r e d i c t m o d e lf o rn oi n t e g r a t ea n dc o m p r e h e n s i v el o c a l ed a t a t h ea u t h o rt h i n kt h a ts e to f a n a l y s i st h e o r ya n ds e to fa n a l y s i st h e o r yi n t e g r a t e d 、撕t ha r t i f i c i a ln e t w o r km o d e l o fe v a l u a t i o na n da r t i f i c i a ln e t w o r km o d e lo f p r e d i c ti sf e a s i b l ei nt h et h e o r y , b u t f e a s i b i l i t yo f t h e s em o d e l sd e m a n dt h es t u d yi nt h ef u t u r e 1 i a b s t r a c t k e yw o r d s ：p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c ee s t i m a t i o n ，p a v e m e n t p e r f o r m a n c es y n t h e t i c a l l ye s t i m a t i o n ，p a v e m e n t p e r f o r m a n c e s p r e d i c t ，s e t o f a n a l y s i st h e o r y , a r t i f i c i a l n e t w o r k m o d e l ，b p a r i t h m e t i c i i i 第一章序论 第一章序论 1 1 国内外研究的现状 路面管理系统的概念形成于六十年代，七十年代出版了第一本有关路面管 理的专著，同时，第一个路面管理系统开始运行。公路路面是投资额很大的资 产，并且为了保持和改善现有路网的路面状况和服务水平，每年要花费高额资 金，而各国都面临资金不足的问题。怎样使用好有限的资金，提供尽可能高的 服务水平，是道路管理部门需优先解决的任务，而路况的好坏将直接影响到用 户。因此，路面管理系统的研究，引起各国公路管理部门和研究人员的极大兴 趣，成为公路领域的“热点”，不到2 0 年的时间即取得很大成就，使路面管理 系统的理论和方法日趋达到成熟m 】。 我国路面管理系统的研究起始于1 9 8 4 年，也基本上形成了一个相对固定的 模式。最近几年我国是公路的“大建设时期”，目前高速公路总里程跃居世界 第二位。而发达国家目前已经从公路的建设时期转向公路养护管理时期，这是 公路行业发展的必然阶段。因此我国今后的几年路面养护管理显得尤为重要。 目前管理部门对于路面管理系统非常重视，因为它为管理部门的决策人提供分 析的工具和方法，帮助他们考虑和分析比较各项可能的方案。八十年代中期， 交通部公路研究所与英国合作，在辽宁省营口市移植了地区级路面管理系统。 此后，西安公路交通大学、同济大学、交通部公路研究所等单位与国内不同地 区公路管理部门合作，开展了路面管理系统的研究开发工作，使国内的路面管 理系统基础理论日趋成熟。目前已经有相当多的省市或地区相继建立了各自的 公路或城市道路路面管理系统。 、 尽管在路面管理系统方面已经进行了大量的研究，但目前在路面性能的评 价和预测中仍然存在如下的问题： ( 1 ) 路面性能评价和预测模型，以及路面性能的评价指标尚需进一步的探 第一章序论 讨。 ( 2 ) 因为各地方资金限制，完善、系统的实测数据太少。因此怎么利用有限 的数据来建立合理的模型值得探讨。 ( 3 ) 目前评价和预测模型仍以经验为主，缺乏理论依据，需要进一步完善。 1 2 基本概念 1 2 1 路面使用性能 路面使用性能是从侧面反映路面状况对行车要求的满足和适应程度。路面 使用性能可分为功能性能、结构性能、结构承载力、安全性和外观。 1 2 2 路面使用性能的评价 路面使用性能评价是依据所采集到的路面状况数据，对路面性能满足使用 要求的程度做出判断。利用这判断，可以了解路网的服务水平，判别路网内 需要采取的养护和改建措施路段，为之选择相应的养护和改建对策，并作为项 目优先排序的一项依据。同时，对影响路面使用性能的因素进行分析，是路面 养护、道路经济分析及路面管理系统的重要组成部分。在路面管理系统中，路 面使用性能评价的目的，是了解各路段的服务水平和状况，对于需要采取措施 的项目，进一步选择合适的养护和改建对策，以估算所需费用，并为养护对策 的确定提供确定的依据。对路面使用性能的评价可按单项使用性能评价，如行 驶质量评价、损坏状况评价、结构承载力和抗滑能力的评价。同时，为使路网 或某个路段的使用性能具有可比性，采用综合评价指标把各项性能属性的评价 组合在一起。路面使用性能的评价流程图见图1 1 。 1 2 3 路面使用性能的预测 预测是对事物的过去和现在状况调查研究的基础上，运用现代科学技术手 段，对未来事件或现在事件的未来后果做出推测或估计的方法，是通过现在认 识未来的活动的手段。路面性能的预测就是通过对过去和现在路面状况的调查 研究，运用与计算机相结合数学模型，对路面性能的发展变化趋势做出推测和 - 2 第一章序论 图卜1 路面使用性能评价流程图 图1 - 2 路面使用性能预测流程图 3 第一章序论 估计的方法。路面在使用过程中，其损坏程度随着时间或轴载作用次数的增加 而逐渐加剧。当损坏达到某一程度时。路面就需要采取养护或改建措施以恢复 和提高其使用性能。公路管理部门为了合理分配有限的资金以维护尽可能高的 路网使用性能水平，需要进行短期规划。为此必须确定何时应采取养护或改建 措施以及采取何种措施最为经济。为此目的，就要预测路面的使用性能的变化， 可以观察路面使用性能的衰减规律，结合养护标准，决定路面何时需要养护和 改建。路面使用性能的评价方法见图l 一2 。 1 3 本文研究的目的和框架 路面性能的采集、评价和预测是建立路面管理系统的基础。首先通过对路 面使用性能的评价可使道路管理者清晰地掌握路面的单项及总体性能的情况， 合理地制定养护计划，及时实旖相应的维护措施，以确保道路必要的使用性能。 另外对于路面使用性能的预测以及结合经济的投资、效益分析及决策也都必须 建立在对路面现状评价的基础上。路面使用性能的预测为公路管理部门合理分 配有限的资金以维护尽可能高的路网使用性能水平，需要进行短期规划，为此 必须确定何时采取养护或改建最为经济。因此研究路面使用性能的评价和预测 具有重要意义。 作者针对目前路面性能评价和预测存在的问题，对路面性能评价和预测模 型进行了探讨，试图提出新的方法和模型和对现有的方法和模型进行改进。 本文第一章介绍了国内外现状和些基本概念；第二章介绍路面使用性能 的影响因素和路面破损分类：第三章对路面使用性能评价作了探讨，提出自己 的评价方法；第四章对路面使用性能预测方法进行了研究，提出用神经网络模 型进行预测的方法；第五章小结。 第二章路面使用性能和评价指标 第二章路面使用性能和评价指标 第一节路面使用性能和影响因素 1 1 路面使用性能 自从c a r e y 和i r i c k a 在1 9 6 0 年提出路面服务能力使用性能这一概念以 来，有关路面使用性能的定义和范畴有了很大的变化和扩展。如今，比较一致 的认识是路面使用性能包括五个方面：功能性能、结构性能、结构承载力、安 全性和外观。 1 1 1 功能性能 路面的基本功能是为车辆提供快速、安全、舒适和经济的行驶。路面的功 能性能是指路面满足这一基本功能的能力，它反应了路面的行驶质量或服务水 平。路面的行驶质量同以下几个因素有关系：( 1 ) 路面的平整度特性；( 2 ) 车 辆悬挂系统的振动特性；( 3 ) 人对振动的反应或接收能力。从路面的角度看， 影响行驶质量的主要因素是路面平整度。 路面平整度随车辆荷载的反复作用、周围环境( 温度和湿度) 周期变化的 影响和路龄期的增加而逐渐下降。当平整度下降到某一限值时，路面的行驶质 量不能满足行车对路面的的基本功能的要求，便要采取改建或重建措施改善平 整度来恢复路面的功能。 1 1 2 结构性能 路面的结构性能，是指路面结构保持完好的程度。 路面在使用过程中会随着行车荷载和环境等因素的作用及路面龄期的增长 而出现各种损坏。这些损坏可按形态和影响程度的不同归纳为四大类： ( 1 ) 裂缝和断裂类( 路面结构的整体性受到损坏) ； ( 2 ) 永久变形类( 路面结构仍保持整体性，但形状在各种因素的作用下产生 较大的交化) ； 第二章路面使用性能和评价指标 ( 3 ) 表面损坏类( 路面表层部分材料的散失或磨损) ； ( 4 ) 其它类。 路面结构出现损坏，会在不同程度上影响路面的平整度，即影响路面的行 驶质量。平整度可以在一定的程度上反映路面的损坏状况。然而，平整度主要 反映的是道路使用者可能有的反应，而路面损坏状况则主要表征路面结构的完 好程度，为防止损坏加速发展，需采取养护维修、改建或重建措施，以恢复或 提高其结构完备性。因此，路面结构损坏的发生、发展同路面养护管理措旌密 切相关。 1 1 3 承载力 路面结构的承载能力，是指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，通常采用路表面无破损弯沉测定方法，评定路面结构的承 载能力，即依据弯沉值的大小，确定其剩余寿命。 路面的结构承载能力同损坏状况有着内在联系。在使用过程中，路面的承 载能力逐渐下降，与此同时，损坏程度逐步发展。承载能力低的路面结构，其 损坏状况达到严重程度时，必须采取改建措旌( 如设加铺层) ，以恢复或提高其 承载力。 1 1 4 安全性 安全性主要是指路表面的抗滑能力。此外，在车辙深度超过1 0 1 3 r a m 情况 下，高速行驶的车辆会因车辙内积水而出现漂滑，产生交通事故。 路表面的抗滑能力可采用各种量测仪器进行测定，以摩阻系数或抗滑指数 表征。随着车轮的不断磨损，路表面的抗滑能力因集料被磨光而逐渐下降；当 表面的抗滑能力下降到不安全或不可接受的水平时，需采取措施( 如铺设抗滑 磨耗层) 以恢复其抗滑能力。 1 1 5 外观 美观是指路面给道路使用者的视觉印象，它包括反光和眩目、夜晚能见度、 表面结构和颜色的均匀性等。 第二章路面使用性能和评价指标 1 2 路面使用性能的影响因素 建立可靠的路面使用性能的评价模型和预测模型，首先需要分析路面性能 的影响因素。即使在路况预测模型中未考虑全部的影响因素，对这些影响因素 的研究也有助于确定预测模型的适用范围。这些影响因素包括以下几类： 1 2 1 路面类型 路面类型包括面层类型、基层类型、面层厚度、基层厚度及路面材料特性。 显而易见，不同的路面类型所表现的路面性能是不尽相同的。路面性能预测模 型通常以路面结构为基础建立。例如，h d m i i i 采用了与战略厚度和性能相关的 结构数s n c 来代表路面结构数。其它系统中，一般将路面按面层类型、厚度基 层类型和厚度分组，分别建立各组的预测模型。 1 2 2 气候条件 气候因素包括温度和湿度。温度影响沥青混合料的蠕变性能，如车辙，也 是某些裂缝的影响因素。湿度影响路基的承载力，降低路面强度。在降水量较 大或冬季温差较大的冰冻地区，路面状况容易变坏。如果冰冻和潮湿现象同时 发生情况会更加严重，冻融循环容易导致路面的冻胀和翻浆。气候对路面性能 的影响可以按照气候分区或气候指标来考虑。在战略公路研究项目s h a r p 中， 气候被看作分区的重要依据之一。气候条件对路面性能的影响，带有不确定性， 因而在系统中只能进行定性分析。 1 2 3 路龄因素 路龄被定义为现在到路面新建、改建或最后一次大、中修的时间。路面损 坏状况与路龄有很大的关系，随着路龄的增加，路面产生疲劳破坏，材料逐渐 老化。大部分经验型预测模型中，建立了路况指数与路龄的关系。应该指出路 龄通过环境及其它与交通量无关的因索发生作用，对平整度有很大影响。 1 2 4 公路等级 在高速公路及其它等级公路上，服务能力指数p s r 的恶化要比一般公路上 严重一些，原因是由于高等级公路上较大的交通量造成的。 第二章路面使用性能和评价指标 i 2 5 交通量 交通量是引起路面疲劳破损的直接原因。轴载交通量对于路面状况恶化起 着非常重要的作用，在同样的条件下，轴载交通量越大，路况恶化就越快。但 是也有例外情况，例如有些专家在分析交通荷载和路面平整度关系时发现，交 通荷载对路面平整度的影响不明显。一般的交通量是依据交通观测站的观测资 料而得到的，但因观测站的车辆分类是以车辆的空间特性进行分类的，对于路 面的设计和管理不太适用。为此，同济大学提出了一种近似计算的方法：( 1 ) 采用目测调查的方法，确定每一分类中所包括的车型，并确定出每一类的轴载 分布情况，计算每种轴载的换算关系，进而求得该类车的平均换算系数；( 2 ) 以平均系数乘以交通量，即可获得交通的标准轴载次数。 1 2 6 养护水平 较好的路面养护材料能延长路面正常的使用寿命。因此，养护水平对路面 使用性能有很大影响。研究发现老路的路面性能预测曲线斜率较缓甚至趋于零， 原因可能是日常养护及其养护措施在发生作用。开发路面性能预测模型时需要 注意路龄较大时预测曲线斜率可能小于零，这显然不符合路面性能发展规律， 原因是由于老路养护力度要比一般公路大的多。 1 2 7 路面材料和施工 材料性能直接影响路面的性能。材料的性能不仅存在着地区差异，而且， 即使是同一地区，其性能也都表现出不同的特性。其次，旌工水平的高低，不 同的施工单位的施工质量的差异，会使同一结构的路面表现不同的性能。材料 和施工质量对路面性能的影响，现在趟不能进行定量分析，也只能进行定性分 析。 1 2 8 养护水平 v i s s e r 等认为平整度是结构数变量的连续函数，这说明路面强度与平整度有 比较直接的联系。由于路面强度、裂缝、坑槽、拥包等破损也破坏了路面的完 整性，导致了路面不平整度的加剧，因此平整度也是路面强度及裂缝、坑槽、 拥包等的函数。因此，较好的路面养护能延长路面的正常使用寿命。对路面损 第二章路面使用性能和评价指标 坏进行及时的养护，可以延缓路面损坏的加剧。如在下图可以对不同的养护投 资水平对路面是用性能的影响进行分析。 被。 1 2 9 其它因素 其它因素对路面性括车辆特性，排水和植 在交通荷载和自然环境的综合作用下，道路路面会逐渐变得凹凸不平，表 面也会出现形形色色的破损现象。这些破损现象会随着时间的推移而曰趋严重， 到达一定程度后会影响汽车行驶速度、旅行时间、行驶安全性和道路运输费用。 为了评估和预测这些损坏对路面使用性能和汽车运输费用及行驶舒适性的影响 效果，需要研究各种损坏产生的原因并合理地对它们进行分类，以便精确地测 量和计算它们对路面性能和寿命的影响。 路面破损从大的方面可分为二类：结构性破损和功能性破损。结构性破损 是由于路面各层承载能力降低引起的，反映在表面上往往是裂缝。功能性损坏 是由于路面提供给道路用户服务能力下降引起，反映在路面上则是平整度降低 和车辙加深。正确认识这些原因并及时处理，避免上述现象加剧。 2 1 功能性破损的分类和分析 根据我国的路况调查发现，常见的功能性破损有不平整性、坑洞、拥包、 9 第二章路面使用性能和评价指标 泛油、波浪、修补、车辙和局部裂缝。 2 1 1 局部裂缝 局部裂缝一般是在路面使用3 5 年后发生的，其表现多是细线状裂缝。引 起局部裂缝的原因可归纳为基层和路基的压实度不均匀、施工质量控制不严格 及局部材料质量等问题。严重的局部性破裂将导致结构性破坏。 2 1 2 纵向不平性 纵向不平整性一般用平整度来描述，它定义为在道路纵断面方向上产生的 波长短的凹凸不平现象。不平整的道路在我国公路网中低等级的公路上到处可 见，是非常普通的一种破损现象。造成这种普遍现象的原因有三个：一是路面 的人工摊铺；二是筑路材料及路基的承载不均匀，特别是在薄面层的情况尤为 突出。尽管这几年大量机械化旋工的高速公路及汽车专用公路大大提高了路面 平整度，但整个路网平整度低下的状况没有得到根本的改变。 2 1 3 车辙 车辙是在道路横断面上由于车辆轮胎重复行驶久而久之产生的一种路面沉 陷现象。产生车辙的原因可归纳为重载交通的作用、渠化交通和路面材料质量 低下等。夏季高温也是影响车辙的因素之一。车辙现象在一般公路上很少见到， 原因是汽车的混合行驶轮迹分布在很宽的范围内，从整体上降低了发生深车辙 的可能性。由于高速公路的运营历史很短，而且交通量远未达到饱和状态，因 而还没有出现严重的车辙现象。随着交通量的增加，跟其它发达国家一样，高 速公路及汽车专用公路上的车辙必须予以充分考虑，包括评价方法和处治对策。 2 1 4 桥头跳车 桥头跳车现象发生在桥、涵洞等构造物与路面交接部位，由于路面材料压 实不均匀而产生的与构造物间的高差所致。车辆行驶时桥头跳车会引起车辆跳 动，严重的会导致交通事故。桥头跳车现象是常见的破损，但在一般公路上由 于车速较低未引起足够的重视，而高速公路上则需要把它看作严重破损之一。 2 1 5 剥落、松散和坑洞 由于沥青混合物骨料和沥青粘结性下降产生的骨料松散、脱落，严重的将 第二章路面使用性能和评价指标 形成坑洞，导致这一现象的原因一般认为是骨料质量差和混合物浸水分离。 2 1 6 刨光 刨光是路表面材料光滑，轮胎走过时易于滑动的现象。导致这种现象的原 因是混合料的质量不佳及碾压不足。 2 1 7 波浪、拥包和泛油 波浪是沿道路纵向形成的一种波长较短振幅较大的凹凸现象。拥包是表面 的局部隆起。泛油则是路面上发生沥青浸出而降低了路面抗滑性能，导致这种 现象的原因多为沥青材料质量差和施工控制不良。 2 1 8 修补 修补不良也是一种破损。修补后的路面由于与原路面存在结构材料差异而 衔接不良。修补往往会导致路面的不平整。 2 _ 2 结构性破损 结构性破损反映到路面上就是各种形态的裂缝，如龟裂、块裂、纵裂和横 裂。这些裂缝是由于路基下沉、路面材料品质不良、旖工控制不合格、渗水和 交通荷载剪切作用引起的。常见的结构性破损有如下几类： 2 2 1 横向裂缝( t r a v e r s ec r a c k i n g ) 横向裂缝通常在温度变化大的地区发生。夏季完好的路面到了冬季会由于 路面温度收缩产生纵向近似等间距的横向裂缝。横向裂缝一般贯通整个路面宽 度，纵向间距约为5 - 1 0 m 不等。 2 2 2 纵向裂缝( l o n g i t u d i n a lc r a c k i n g ) 沿路面行车方向产生的长裂缝。纵向裂缝常以单条裂缝出现，温度和路基 软化是产生纵向裂缝的重要原因。 2 2 - 3 龟裂( a l l i g a t o rc r a c k i n g ) 路面由于压实不足、路基下沉等原因产生的小网状裂缝。由于其形状类似 乌龟背壳，俗称为龟裂。 2 2 4 块裂( b l o c kc r a c k i n g ) 第二章路面使用性能和评价指标 路面上产生的不规则的大网格式网状裂缝。块裂的网格在形状和尺寸上都 有别于龟裂， 表2 - 2 1路面破损类型分类 类型分级外观描述分级指标 轻初期龟裂、缝细、无散落、无变形块度：2 0 c m 5 0 c m 龟裂中裂块较大缝宽，散落轻块度： 2 0 c m 块裂 轻缝细，不散落或轻微散落块度： l o o c m 缝重缝宽，裂块小块度：5 0 c m - l o o c m 纵裂 轻缝壁无散落或轻微散落缝宽： 5 m m 轻缝壁无散落或轻微散落缝宽： s m m 松坑槽 轻坑浅，面积较少( 1 m 2 )坑深： 2 5 m m 轻细集料散失，路表粗麻 类松散 重细集料散失，路表剥落 轻深度浅，行车无明显不适感深度：_ 2 5 m m 轻变形较浅深度：_ 2 5 m m 波浪轻波风波谷高差小高差：翌5 r a m 类 拥包重波风波谷高差小高差： 2 5 r a m 泛油路表呈现沥青膜，发亮、有轮印 其修补 露骨 它麻面 磨光 2 3 路面破损分类 我国已经有较长时间的路面破损调查历史。公路养护技术规范 ( j t j - 0 7 3 9 6 ) 规定每年例行一次弯沉和好路率调查，这一规定在公路行业形成 了一种传统。表2 - 2 1 是公路养护技术规范采用的路面破损分类。 第二章路面使用性能和评价指标 第三节路面使用性能指标的测量 以往，道路养护管理部门主要通过目测调查测定路面损坏类型、严重程度 和范围，凭经验和判断逐个项目地编制年度养护计划。然而个人的经验往往容 易片面，而对于同一种路面状况，不同的人员会有不一致的看法。为了快速、 准确地获得用于决策的各种数据，近年来，国内外公路技术人员开发了各种各 样的公路及路面数据检测设备，如路线几何数据监测仪、路面弯沉自动检测仪、 路面抗滑性能检测仪、路面平整度自动监测仪和路面破损摄影仪。这些用于检 测公路几何及路面性能数据的成套设备被称为数据检测系统。 3 1 路面弯沉的测量 测定路面结构承载能力的目的是：( 1 ) 鉴别路网内路面结构承载能力较差或 不足之处，以确定需要改建措施的路段；( 2 ) 预估现有路面的剩余寿命，以制定 今后的改建计划g ( 3 ) 研究结构能力随时间的变化，或分析路面出现过早损坏的 原因；( 4 ) 为加铺层结构设计提供设计参数和依据。 结构承载能力测定一般可分为无破损试验和破损试验两类。破损类测定， 是从路面各结构内钻试件，在实验室内进行物理一力学性质试验，确定各项计 算参数，由此计算出结构承载能力。无破损类测定，则不损坏路面结构，通过 路表弯沉测定估算路面的结构能力。显然，这类测定方法比破损类方法优越。 目前使用的弯沉测定系统有4 种：( 1 ) 贝克曼梁弯沉仪；( 2 ) 自动弯沉仪：( 3 ) 稳态动弯沉仪；( 4 ) 脉冲弯沉仪( f w d ) 。前两种为静态测定，得到路表最大弯沉 值；后两种为动态测定，可得到最大弯沉值和弯沉盆。 3 1 1 静态弯沉测定 贝克曼梁弯沉仪( b e n k e l m a n ) 自5 0 年代中期开始得到广泛的应用，是目 前最常见的静力弯沉设备，我国公路部门通常采用该设备的测定指标进行路面 设计和路面评价。贝克曼梁弯沉仪得到的是测定车辆载重下的最大回弹弯沉值。 自动弯沉仪可连续进行弯沉测定，并自动记录测定结果。车辆行驶的速度 1 3 - 第二章路面使用性能和评价指标 为3 5 o n j h 。每天约可测3 0 k i n 。测量精度为o o l m m 左右。国外生产的自动弯 沉仪有英国运输和道路研究所( t r r l ) 、法国桥路实验中心( l c p c ) 和美国加 州。而自动弯沉仪测到的是最大总弯沉值和总弯沉曲线。 3 1 - 2 动态弯沉测定 稳态弯沉仪利用震动力发生器在路面上作用一固定频率的正弦动荷载，通 过沿荷载轴线相隔一定间距布置的速度传感器( 检波器) ，量测路表面的动弯沉 曲线。目前用在公路上的有轻型动弯沉仪( 如d y n a f l e c t 和r o a dr a t e r ) ，所作 用的动荷载约为5 k 2 、，：应用于机场的有重型动弯沉仪，作用的动荷载约达1 5 0 k n 。 为了保证施加震动荷载时仪器不跳离路面，仪器的自重必须大于动荷载。因此， 在施加动荷载前，路面实际上已受到较重的静载作用，这将影响测定的结果。 脉冲或落锤弯沉仪( f w d ) 以s o 3 0 0 k g 质量从4 4 0 c m 高度下落，作用 于弹簧和椽胶垫，通过3 0 m 直径承载板，传给路面半正弦脉冲力。通过改变质 量或落高，可以施加不同级位的动荷载( 从1 5 k n 到1 2 5 k ) 。脉冲力持续时间 约为o 0 2 8 s 。利用沿荷载轴线布置的速度传感器，可以量测到各级位动荷载作用 下的路表动弯沉曲线。由于仪器本身重量轻，路面受到预加荷载较小，因而比 稳定动弯沉仪对测定结果的影响要小。 动态弯沉测定，可以得到最大弯沉值和弯沉盆。由此可按两种方法评定路 面结构承载能力： 通过对路面各结构层模量的估算，应用理论解分析路面的结构能力。 利用路基模量估算值，直接评定路面结构的承载力。 第一种方法可用于评定沥青路面和水泥路面结构；而第二种方法仅可用于 评定沥青路面结构。 3 1 3 贝克曼梁和f w d 的相关性 落锤式弯沉仪( f w d ) 是七十年代末期发展起来的高科技路面检测系统，测 速快，精度高，操作方便。f w d 检测的完整的弯沉盆信息为分析路面结构层材料 性能提供了基础。至今，f w d 己在6 0 多个国家和地区得到较广泛的应用，关于 f w o 应用技术的研究已成为国际上的前沿课题。 第二章路面使用性能和评价指标 鉴于我国以往对路面承载力建立的评价指标采用b e n k e l m a n ( 简称b b ) 梁测 定的静态弯沉指标，为使新的测试方法保持与原有标准的衔接性，有必要对f w d 和b e n k ei m a n 梁测定的弯沉指标进行对比研究。 东南大学1 9 9 0 年曾对5 个试验路段进行f w d 和b b 对比试验，有其中4 种不 同结构的沥青路面汇总得到： d s s = 1 3 2 7 d m 一8 6 5 ( f o 9 8 )( 2 - 3 一1 ) 对一条碎石路面得到： d = 1 d n 一1 3 8 5 4 ( r - - 0 9 9 )( 2 - 3 2 ) 交通部研究所1 9 9 0 年在河北正定实验路段和定州实体工程上进行f g d 与凹 对比试验，得到关系式： d = 1 0 6 d f 一1 6 ( f o 9 0 5 3 )( 2 - 3 - 3 ) 1 9 9 5 年上海市政管理处和同济大学采用p h o e n i x 进行f w d 对比试验后，建 立相关式： d s b = 1 4 3 d f 一8 9 6 ( r - - 0 9 6 )( 2 - 3 - 4 ) 国外对f w d 和b b 等测试指标的关系也进行过类似的研究，其中大多数认 为，在相同条件下f w d 与b b 测定结果有相关性。如1 9 8 3 年美国w s p o t 材料 实验室在试验基础上建立的相关关系： d ；0 9 3 7 4 8 d m , d + 3 38 5 ( r = 0 9 3 ，n = 7 1 3 )( 2 - 3 5 ) 1 9 8 9 年f o r e s t 根据对比试验进行回归得到 d 日b = 1 1 0 9 d f ( r = o 9 8 ，n = 5 5 )( 2 - 3 6 ) 1 9 8 9 年华盛顿交通局在干线上进行试验，取得回归相关式 d b b = o 9 0 5 d m o + 3 9 1 ( r = 0 9 5 ，n = 4 8 7 )( 2 - 3 7 ) 由以上结果可以看出，尽管f w d 与b b 的对比测试能够得到较好的相关关 系，但对于不同的路面结构、不同的测试设备型号和不同的测试要求，所建立 第二章路面使用性能和评价指标 的f w d - - b b 相关关系有所不同。因此，采用f w d 测试数据与b b 指标转换的 方法评价路面承载能力，需要考虑具体情况的相似性。对于不同的路面结构， 应先积累对比数据，建立可靠的相关关系后应用。 任何一种弯沉测试方法所测得的路表弯沉大小都受到路面结构组合、结构层 厚度和刚度、路基土的类型和状态、温度和湿度、交通水平以及龄期等诸多因 素的影响。f w d 除具有测试准确、安全、高效的特点外，较其它测试方法更为 优越之处在于其测试结果能够提供较多的反映路面结构特性的信息，利用这些 数据信息，可以更深入地研究路面材料性能的变化和路面结构动力相应特征的 重要规律。 3 2 路面平整度量测 由于平整度对道路及道路用户在经济及技术上都有影响，因而有必要对平 整度进行经常性地检测及评价。为此，很早以前研究人员就研究开发了路面平 整度检测设备及仪器。这些仪器从测量方法上一般分为两大类既断面类仪器和 反映类仪器。断面类平整度仪，顾名思义是通过测量路面行车带纵向断面形状 ( 高程) 数据来计算平整度的仪器。反映类平整度仪则是通过安装在车体上的 仪器，表2 3 1 给出了国内常用的平整度测试仪。交通部公路科学研究所在8 0 年代末期从英国引进了车载和拖车式颠簸累积仪，从澳大利亚引进了r r d a s ， 从法国引进了a p l 一7 2 纵断面分析仪。 表2 - 3 1 常用平整度测试设备 n o 种类仪器开发国别( 组织)测量方式 1 断面类 水准仪世界银行静态 2 断面类 t r rt2 来蜒式平罄序柠 美国静态 3 断面类 一p 一7 2 平整度仪法国动态 4 反映类车载式颠簸累计仪 英国动态 l 5 反映类拖车式颠簸累计议 英国动态 l 6 反映类r r d a s 平整度仪 澳大利亚动态 l 7 断面类m 匣r l r n 英国静态 3 2 1 车载式颠簸累积仪 1 6 第二章路面使用性能和评价指标 车载式颠簸累积仪必须安装在汽车上才能工作，共分为三部分：连接后轴 与仪器的钢丝绳、纵向位移积分仪和计数器。这种颠簸累积仪的工作原理非常 简单，它通过测量车体与后轴的相对位移单向累积数值来间接计算路面平整度。 测量时单向位移累积值每达到1 英寸( 2 5 4 r a m ) 计数器记录一个数。路面平整 度b l ( m m k m ) 通过( 2 3 8 ) 计算。例如在5 0 0 m 路段上记数9 0 次，该路段平整 度b i 为4 5 7 2 m m k n a 。 b i ：2 5 4 c n( 2 3 8 ) 上 式中：剧一路面平整度( m m b n ) ： c 7 v 一颠簸累积数( 次) ： 工一测量长度数( 南w ) ： 2 5 4 一换算系数。 车载式颠簸累积仪结构简单，测试速度快( 3 2 k m h ) ，适用于大规模平整度 的检测。由于车体和后轴的相对位移和频率取决于车辆本身的性能和状况，特 别是装载质量和车辆减振系统的性能和车速，因此可以预见颠簸累积仪在不同 车辆上会得到不同的路面平整度b i 值，这是反映类平整度仪的共同特点。不同 平整度仪器的数据也存在很大差异 3 2 2 测定结果的标定 平整度测定的方法和仪器很多，相应采用的指标也各不相同。为了使采用 不同的方法和仪器测定的结果可以相比较，需要寻找一个标准的( 或通用的) 平整度指标有良好的相关关系。 为了解决上述问题，世界银行于1 9 8 2 年组织了巴西、英国、美国、法国等 国家参加的国际研究小组，在巴西进行了大规模的路面平整度实验。在此基础 上提出了采用国际平整度指数( 珏u ) 的建议。因而，目前我国规范规定的连续 式路面平整度仪测定结果就存在国际平整度指数( i r i ) 的标定问题。i r 能够广 泛采用的原因是因为它有以下优点： ( 1 ) 具有时间和空间稳定性。由于i r i 表示的是纵断面各点的高程偏差的统 计值，因而无论何时何地只要路面纵断面具有相同的高程偏差分布，就会给出 第二章路面使用性能和评价指标 相同的叫值。 ( 2 ) i r i 与几乎所有的平整度仪都有很好的相关性。数据资料所给的平整度 指标是颠簸累积值b i 。 3 2 _ 3 标定方法 国际平整度指数与各种平整度测定方法测定的平整度指标具有很好的相关 关系，因此。我们把国际平整度指数( i r i ) 作为标准的平整度指标，各种平整 度测定仪的测定仪器的测定结果都需要经试验标定成i r i 值。 按道路平整度的变化范围，选择平整度级差大致相等的标定路段8 1 2 段， 路段最小长度2 0 0 m ，测定速度为5 b n h ，每段重复测定3 5 次，取其平均值。 标定路段的纵断面，采用普通水准仪测定，测点最大间距5 0 e r a 。得到各测 点高程后，按递归方程解算该标定路段的1 r i 。各标定的1 r i 和相应的平整度仪 测定值b i ，经统计分析( 线形回归) ，得到平整度仪的标定方程： i r = a + b b i ( 2 3 - 9 ) 平整度测定工作需延续较长时间。为保证测定结果的可靠性，选择2 3 段 控制，定期进行仪器性能检测和重演性实验，容许偏差应控制在5 。 交通部公路研究所经过多年对国际平整度指数u 与连续式平整度仪所测 平整度标准差口的对比试验，得出i r i 与一的相关关系为： 盯= o 0 1 3 + o 5 9 2 6 i m( 2 - 3 1 0 ) r = o 9 8 7 5 或o - = 0 6 1 r i( 2 - 3 11 ) 3 3 路面破损状况的量测 路面破损状况是道路工程师用来判断路面罩面的主要依据。在路面四大破 损指标中，表面破损( 裂缝类) 最难测量，传统方法是人工目测。国外也研究 开发了摄影摄像车等高效检测设备，这些设备提高了检测难度，保证了野外的 安全，但由于技术成本高，操作技术困难，很难在一般国、省干线公路上推广 使用。 3 3 1 高效摄影破损检测 第二章路面使用性能和评价指标 8 0 年代末期，交通部公路研究所从法国引进了一台野外高速摄影室内人工 判读的表面破损摄影车。摄影车由装载车、同步摄影机、光源设备和发电机四 大部件组成。 装载车提供发电机，并带动摄影机以一定的速度前进。车载3 5 r a m 同步摄 影机与车辆行驶速度同步的速度转动，转动的速度为车速的二百分之一。例如， 车速为6 0 k m h 时，同步摄影机转速为6 0 2 0 0 = - 8 3 3 m m s 。随着车辆的行驶，摄 影车不断地摄取路面影像，每个影像代表路面长宽为6 c m x 4 6 m 。病害摄影一 般在夜间进行，车前灯光设备以与路面成3 0 。的角度提供2 0 c m 长的光带，以便 使路面破损能清楚地显示出来。摄影机胶带卷盒装有1