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沥青路面关键质量指标与付费系数研究 摘要 将路面的实际质量水平与付给承包商的费用直接挂钩，是最终产品规范的重 要内容。本文提出以沥青路面可靠度理论为基础确定沥青路面的关键指标和权重， 旨在通过对沥青路面关键指标以及付费系数调整指标与付费系数的研究，建立一 套完整的计算综合付费系数的体系，基本实现对沥青路面产品进行“优质优价”的 调控。 本文首先介绍了沥青路面可靠度的概念和计算方法。为了得到沥青路面可靠 度计算的参考数据，运用数理统计的方法，对大量的路面结构参数样本数据进行 了统计分析，确定了沥青路面结构参数概率分布类型和变异范围。 其次，以可靠度理论为基础，提出一种确定沥青路面关键指标和权重的新方 法。从沥青混合料的动态模量出发，探讨了沥青混合料的动态模量与抗压模量的 关系，利用均值和方差的传递方法得到了沥青混合料中的沥青含量、o 0 7 5 m m 筛 孔的通过率和沥青混合料的空隙率的平均值和变异系数与抗压模量的平均值和变 异系数之间的关系方程式。通过变化的沥青面层厚度的平均值和变异系数以及变 化的抗压模量的平均值和变异系数，求出了对应的沥青路面结构可靠度，实现了 沥青面层厚度、沥青含量、0 0 7 5 m m 筛孔的通过率和沥青混合料的空隙率对沥青 路面结构可靠度的敏感性分析。通过分析结果确定沥青路面的关键质量指标为沥 青面层厚度、沥青含量、0 0 7 5 m m 筛孔的通过率和沥青混合料的空隙率，并根据 这四个关键指标对结构可靠度影响程度的大小确定了相对权重。针对关键指标不 能完整反映路面的质量水平，本文采用沥青面层离析率和路面平整度作为付费系 数调整指标。 最后，基于沥青路面关键指标的p w l 的计算，确定了单个关键付费系数的计 算方法，考虑关键指标的权重，并结合两个付费系数调整指标，得出综合付费系 数。综合付费系数与路面产品原始合同额之积即为业主应当向承包商支付的实际 费用。 关键词：沥青路面；动态模量；最终产品规范；关键指标；付费系数；可靠度 a b s t r a c t t h ed i r e c tr e l a t i o nb e t w e e na c t u a lp a v e m e n tq u a l i t yl e v e l sa n dc o n t r a c t o r s f e e s1 s t h em a j o rc o n t e n to fe n d r e s u l ts p e c i f i c a t i o n s o nt h eb a s i so fa s p h a l tp a v e m e n t r e l i a b i l i t yt h e o r y , k e yq u a l i t yp a r a m e t e r s a n dw e i g h t so fa s p h a l tp a v e m e n t sa r e d e t e r m i n e di nt h i st h e s i s as e to fc o m p l e t es y s t e mf o rc a l c u l a t i n gc o m p r e h e n s i v ep a y f a c t o ri se s t a b l i s h e db ys t u d y i n go nt h ek e yp a r a m e t e r s ，a d j u s t m e n tp a r a m e t e r sa n dp a y f a c t o ro fa s p h a l tp a v e m e n t s ，s oa st oi m p r o v et h ec h a r g eo f “t h eh i g hq u a l i t ya n d f a v o r a b l ep r i c e o na s p h a l tp a v e m e n tp r o d u c t sb a s i c a l l y t h ec o n c e p ta n dc a l c u l a t i o nm e t h o do fa s p h a l tp a v e m e n tr e l i a b i l i t y a r e i n t r o d u c e di nt h et h e s i s t oa c q u i r er e f e r e n c e dd a t af o rr e l i a b i l i t yc a l c u l a t i o n ，t h e m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sm e t h o di su s e da n dm u c hs a m p l ed a t ao fa s p h a l tp a v e m e n t s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r es t a t is t i c a l l ya n a l y z e d ，t h u sp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nt y p e sa n d v a r i a t i o nr a n g e so fp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d t h e n ，b a s e do nr e l i a b i l i t yt h e o r y , an e wm e t h o do fd e t e r m i n i n gk e yq u a l i t y p a r a m e t e r sa n dw e i g h t so fa s p h a l tp a v e m e n t si sp u tf o r w a r d i nt h et h e s i s s t a r t i n gf r o m d y n a m i cm o d u l u so fa s p h a l tm i x t u r e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nd y n a m i cm o d u l u s a n d c o m p r e s s i v em o d u l u so fa s p h a l tm i x t u r ei se x p l o r e da n dt h ea v e r a g ea n dv a r i a t i o n c o e f f i c i e n te q u a t i o n so fc o m p r e s s i v em o d u l u sw h i c ha r er e l a t e dt ot h ea v e r a g e sa n d v a r i a t i o nc o e f f i c i e n t so fa s p h a l tc o n t e n t ，p a s s i n gp e r c e n t a g eo fo 0 7 5 m ms c r e e na n d a i rv o i d si so b t a i n di nt h et h e s i s a c c o r d i n gt oc h a n g e da v e r a g ea n dv a r i a t i o n c o e f f i c i e n to fa s p h a l ts u r f a c e st h i c k n e s sa n dc o m p r e s s i v em o d u l u s ，t h ec o r r e s p o n d i n g a s p h a l tp a v e m e n tr e l i a b i l i t y i so b t a i n e d a n dt h es e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h i c k n e s s ， a s p h a l tc o n t e n t ，a i rv o i d sa n dt h ep a s s i n gp e r c e n t a g eo f o 0 75 r a ms c r e e ni sr e a l i z e d b y a n a l y z i n gt h er e s u l t s ，a s p h a l tp a v e m e n t s k e yq u a l i t yp a r a m e t e r sa r ea s p h a l t s u r f a c e s t h i c k n e s s ，a s p h a l tc o n t e n t ，t h ep a s s i n gp e r c e n t a g eo f0 0 7 5 m ms c r e e n a n da s p h a l t m i x t u r e sa i rv o i d s a c c o r d i n gt ot h ei n f l u e n c ed e g r e eo ff o u rk e yp a r a m e t e r so n s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y , t h e r e l a t i v ew e i g h t sa r ed e t e r m i n e d i nv i e wo ff o u rk e y p a r a m e t e r sn o tr e f l e c t i n gt h eq u a l i t yl e v e lo ft h ep a v e m e n t sc o m p l e t e l y , s e g r e g a t i o n r a t ea n dp a v e m e n te v e n n e s so fa s p h a l ts u r f a c e sa r eu s e di nt h et h e s i s a sp a yf a c t o r a d j u s t m e n tp a r a m e t e r s a tl a s t ，b a s e do nt h ec a l c u l a t i o n p a v e m e n t s ，t h ec o m p u t a t i o n a l m e t h o do f i i i o fpw lf o rk e yp a r a m e t e r so fa s p h a l t f a c t o rf o rl ek e y , a r a m e t e r p a yt a c t o r t o rs i n g l ek e yp a r a m e t e rl s 沥青路面关键质量指标与付费系数研究 d e t e r m i n e d t a k i n gt h ek e yp a r a m e t e r s w e i g h t si n t oc o n s i d e r a t i o n ，a n dc o m b i n i n gt h e t w oa d j u s t m e n tp a r a m e t e r s ，t h ef i n a ls y n t h e s i sp a yf a c t o ri so b t a i n e d a n dt h ef i n a l c o n c l u s i o ni st h a tt h eo u t o f - p o c k e tc o s tt h a tt h eo w n e rm u s tp a yt ot h ec o n t r a c t o ri s t h em u l t i p l i c a t i o no fs y n t h e s i sp a yf a c t o ra n do r i g i n a lc o n t r a c te x p e n s eo fp r o d u c t k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t s ；d y n a m i cm o d u l u s ；e n d r e s u l ts p e c i f i c a t i o n s ；k e y p a r a m e t e r ；p a yf a c t o r ；r e l i a b i l i t y i v 硕士学位论文 插图索引 图2 1 应力强度分布曲线的相关关系1 0 图2 2 概率密度曲线1 1 图2 3 长潭西线高速公路混合料空隙率分布图2 2 图2 4 长潭西线高速公路上面层厚度分布图2 2 图2 5 长潭西线高速公路路面回弹弯沉分布图2 3 图2 6 临长高速公路沥青面层平整度分布图2 3 图2 7 临长高速公路路面构造深度分布图2 3 图2 8 选取的典型路面结构2 8 图3 1 路面结构示意图3 7 图3 2 弯沉可靠度指标与面层厚度变异系数的回归关系图4 l 图3 3 弯沉可靠度指标与沥青含量变异系数的回归关系图4 1 图3 4 弯沉可靠度指标与0 0 7 5 m m 通过率变异系数的回归关系图4 l 图3 5 弯沉可靠度指标与空隙率变异系数的回归关系图4 2 图3 6 结构可靠度指标与面层厚度平均值的回归关系图4 5 图3 7 结构可靠度指标与沥青含量平均值的回归关系图4 5 图3 8 结构可靠度指标与o 0 7 5 m m 通过率平均值的回归关系图4 5 图3 9 结构可靠度指标与空隙率平均值的回归关系图4 6 图4 1 付费系数计算方法的调查结果5 2 图4 2p w l 示意图5 2 图4 3 面层离析率与付费系数的关系5 7 v i i 沥青路面关键质量指标与付费系数研究 附表索引 表2 1 现行规范隐含可靠度1 3 表2 2 江苏省沥青路面可靠度水平的推荐值1 4 表2 3 路面主要参数分布类型检验结果表2 2 表2 4 长潭西线高速公路沥青混凝土劈裂强度数据统计分析结果2 4 表2 5 临长高速公路上面层厚度数据统计分析结果2 4 表2 6 临长高速公路中面层厚度数据统计分析结果2 4 表2 7 临长高速公路下面层厚度数据统计分析结果2 4 表2 8 临长高速公路上基层厚度数据统计分析结果2 5 表2 9 临长高速公路下基层厚度数据统计分析结果2 5 表2 1 0 临长高速公路底基层厚度数据统计分析结果2 5 表2 1 1 规范推荐的材料性能的变异系数及概率分布2 6 表2 1 2 规范推荐的结构层厚度变异系数及概率分布类型2 7 表3 1 选定的沥青混合料材料参数的平均值与变异系数平均值3 7 表3 2 选定的路面结构设计参数的平均值、变异系数平均值和概率分布3 8 表3 3 第1 组沥青混合料三个参数变异系数对应的抗压模量变异系数3 9 表3 4 第2 组沥青混合料三个参数变异系数对应的抗压模量变异系数3 9 表3 5 第l 组参数变异系数计算出的弯沉可靠度结果4 0 表3 6 第2 组参数变异系数计算出的弯沉可靠度结果4 0 表3 7 参数变异系数对弯沉可靠度指标的敏感性分析结果4 2 表3 8 沥青混合料三个参数平均值对应的抗压模量平均值4 3 表3 9 面层厚度平均值计算出的结构可靠度结果4 3 表3 1 0 沥青含量平均值计算出的结构可靠度结果4 4 表3 1 10 0 7 5 m m 通过率平均值计算出的结构可靠度结果4 4 表3 1 2 空隙率平均值计算出的结构可靠度结果4 4 表3 1 3 参数平均值对结构可靠度指标的敏感性分析结果4 6 表3 1 4 沥青面层离析的特征4 8 表3 1 5 不同离析类型的计算权重系数4 9 表4 1 由质量指标上下限值和样本数量确定的满足规范的百分比5 3 表4 2 付费系数与p w l 的关系方程式5 6 表4 3 基于路面平整度的付款系数5 7 v i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 鸯雪蒸 日期：御年j 月0 日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 卜如 月月 f f年年 叩1 龟议 蠢谤。鸯蓝 硕十学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 改革开发以来的2 0 多年，是我国公路历史上交通发展速度最快，规模最大， 最具活力的时期。自1 9 8 8 年沈大高速公路及沪嘉高速公路建成通车以来，高等级 公路以前所未有的速度发展，我国的公路事业进入了以建设高速公路、一级公路 等高等级公路为主的新时代。在高速公路建设中，由于沥青路面具有表面平整、 无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、施工期短和维修方便等优良特性和 优异的使用性能，为此，高速公路绝大部分都是沥青路面。目前，我国己经建成 的高等级公路中大部分采用了沥青路面。然而，令人担忧的是国内己经建成的多 条沥青路面高速公路出现了严重的早期破坏，如开裂、剥落、泛油、拥包等破坏 现象，严重影响了行车舒适性和行车安全。 我国沥青路面高速公路早期损害的严重，已经影响了我国公路行业的迅速发 展。这些年来，各级交通部门对路面质量问题不可谓不重视，大部分施工企业和 监理单位也都把质量当作大事来抓。为了解决高速公路的质量问题，各级高速公 路建设部门采取了一系列的措施，包括采用更加先进的施工机械、更加科学的施 工组织管理方法、推广应用s u p e r p a v e 技术、采用水稳碎石基层代替二灰碎石基层、 提高沥青路面的压实度，减少沥青路面现场空隙率、改善沥青混合料的级配组成、 使各沥青层厚度与最大公称尺寸相匹配、沥青路面厚度增加到1 8 c m 等等。通过上 述措施的实施，高速公路沥青路面的早期破损问题已得到了部分解决，但其他病 害如车辙、反射裂缝又接踵而来，沥青路面总体质量并无很大改观。我国修建的 高速公路半刚性基层沥青路面大都达不到设计使用年限，一般使用5 年左右就需 要进行大中修，严重妨碍了高速公路的畅通。 造成沥青路面早期损坏的原因很复杂，既有技术上的问题，也有管理上的问 题。工程管理的不合理，是造成沥青路面早期损坏的非常重要的原因。目前的状 况是，我们国家拥有一整套沥青路面设计、施工规范，我国的建设单位使用了优 良的材料和设备，设计、施工的各项指标都满足我国现行规范的要求，但沥青路 面的使用寿命与发达国家相比仍相去甚远。我国现行的高速公路建设方法的主要 特点是：业主全面负责高速公路建设，包括技术标准制定、执行及控制；施工单 位和监理单位由业主招标确定，施工单位按业主要求进行施工，监理单位按业主 要求进行监理，工程检测由业主委托检测单位定期进行。其中，对沥青路面产品 质量的评定，主要采用单点控制，仅仅采用合格与不合格这样单一的标准并不十 沥青路面关键质量指标与付费系数研究 分合理。比如，有的施工单位为了更有效地达到规范和设计要求l l 可能会刻意提 高生产标准，这必然会导致其生产成本的增加，此时，如果只是一味地强调产品 是否合格，显然已经不能完全体现生产成果的品质。另一方面，若生产的产品按 单点控制标准评定是不合格的，但是通过相关的评价、审核，认为该项产品的使 用并不会严重影响路面的安全性、舒适性，从而拒绝接受该产品可能不利于合理 利用有限的投资和限制浪费资源。因此，这些建设管理方法存在的主要弊端有： 其一，业主承担着主要的工作压力，负责繁重的质量管理工作，导致业主( 或者业 主代表) 机构庞大，许多工作力不从心；其二，施工单位必须严格按照规范或者业 主要求进行，缺乏工作动力，不利于主动地改善质量；其三，工程监理效果也决 定着工程质量，但监理单位素质良秀不齐，有些监理单位起不到应有的作用。 结合目前我国在进行沥青路面建设过程中的现状，有必要引进一种新型的规 范最终产品规范( e n d r e s u l ts p e c i f i c a t i o n s 或者“q c q a ”规范) 。目前我国采 用的沥青路面施工技术规范是一种对施工进行技术指导的方法规范( m e t h o d s p e c i f i c a t i o n s ) ，规定施工单位应该如何去生产产品，包括施工单位要用的所有材 料、设计、施工设备和操作方法等内容。而最终产品规范立足于沥青路面施工完 成后的各项性能j 按照优质优价的基本出发点，建立起进一步保证沥青路面施工 质量的措施。它的目标是要求沥青路面完工之后应达到一定的质量水平，即提出 需要建设的是什么样的产品。在此种规范的范畴里，施工单位对路面的质量负全 部责任，业主进行质量保证试验并管理产品验收程序。最终产品规范调整了业主 和施工单位的责任和权利，使业主方的管理工作更多地集中于原材料质量和施工 完成后路面的性能，通过准确的奖罚措施促进质量的进一步提高。如何安排生产、 实现沥青路面各项性能是承包人的主要工作。最终产品规范的实施给与了承包人 管理上更大的自由，但通过质量奖罚措旌对承包人在质量方面的约束得到加强， 激励承包人主动地改善沥青路面质量，进一步促进承包人质量第一的意识，有利 于进一步调动承包人工作主动性。 在沥青路面最终产品规范中，沥青路面和一般的产品一样，业主被看作一般 的“买主”，施工单位被看作一般的“卖主”。该规范的实质是优质优价，因此，如何 建立与沥青路面路用性能相关的技术指标，并把这些指标与路面付费直接挂钩是 问题的关键。因为沥青路面质量的影响因素众多，所以选取指标时应该秉着全面 性和代表性的原则考虑到众多方面的影响。关键指标的正确选取才能真实地全面 地体现沥青路面的实际质量水平。科学地确定关键指标的权重，合理地制定付费 系数，业主才能充分发挥经济杠杆的作用，调动承包人主动改善沥青路面质量的 积极性，充分体现优质优价，对沥青路面质量进行宏观控制。 目前国内外对最终产品规范中关键指标及其权重的确定，大部分都是通过专 家咨询打分确定的。通过这种方式确定的关键指标及其权重，在实际工程的运用 硕士学位论文 中取得了一定的成果，但是从这种评价体系的基本思路和方法的探讨中，不难发 现，评价过程中含有比较多的主观色彩，而评价结果的客观性和可靠性较低，值 得我们进一步的探讨完善。随着我国的沥青路面结构设计理论研究的不断深入发 展，一种充分考虑各设计参数随机性、变异性和可靠度的概率设计方法将最终取 代现行的定值设计方法。我国公路工程结构可靠度设计统一标准( g b t 5 0 2 8 3 1 9 9 9 ) 中明确规定，公路工程必须严格实施质量管理和控制，以保证结构在设 计基准期内有规定的可靠度，达到预定的安全性、适用性和耐久性n 1 。通过应用以 概率为基础的结构可靠度理论来确定最终产品规范中的关键指标及其权重，尽可 能少一些主观判断，多一些定量化。只有使关键指标、权重和评价标准更加客观， 才能保证业主对沥青路面路用性能最终评判得出的结论更加逼近真实值。 1 2 研究现状 1 2 1 国外的研究现状 上世纪6 0 年代末，美国联邦公路局开始鼓励运输部门和承包商使用质量控制 和质量保证规范( q c q a 规范) 。同时美国联邦公路局为州公路运输部门组织了一 系列关于这种规范的基本概念与优点的指导研讨会心1 。7 0 年代，美国很多机构如 国家公路合作研究计划( n c h r p ) 、美国试验与材料协会( a s t m ) 、国家沥青路 面协会( n a p a ) 、美国联邦公路局( f h w a ) 和美国承包商总协会( a g c ) 举办 了深入的研讨会口 9 1 。这些会议报告中的绝大多数是对在实施热拌沥青混凝土质量 控制和质量保证规范( q c q a 规范) 过程中得到的经验和遇到的问题的汇编。1 9 8 7 年，德克萨斯交通部( t x d o t ) 联合运输研究中心( c t r ) 、德克萨斯大学奥斯汀 分校致力于对热拌沥青混凝土最终产品规范的研究，调查了亚利桑那、阿肯色、 加利福尼亚、佛罗里达、伊利诺斯、印地安那等1 6 个州的质量控制和质量保证规 范，编制了“热拌沥青混凝土最终产品规范的发展”研究报告。这个研究成果进行 部分修改后，成了后来的德克萨斯交通部规范1 3 0 0 7 的最初内容n 们。1 9 8 7 年9 月， 德克萨斯热拌沥青路面协会发表了“基于统计学的最终产品规范”n 。 1 9 9 7 年7 月，w i l l i a m 等人为了发展和完善最终产品规范，通过电话调查了阿 拉巴马、亚利桑那、阿肯色、加利福尼、亚科罗拉多、乔治亚、伊利诺斯、爱荷 华、肯塔基、马里兰、密歇根等1 9 个州质量控制和质量保证规范的应用情况，所 调查的1 9 个州热拌沥青路面施工均已采用了最终产品规范。w i l l i a m 等人对这1 9 个州的调查，包含了“哪些项目应用了最终产品规范”、“对哪些指标进行了评价”、 “哪些指标与付费系数联系在一起”、“是否有奖励措施”、“是否需要承包商提供质 量控制计划”、“由哪个机构对路面质量进行测量”等六个问题。调查结果显示，1 9 个州中大多数都采用了沥青含量、孔隙率、级配和密度作为评价指标，并且将这 沥青路面关键质量指标j 付费系数研究 些指标与付费系数联系起来。除了马里兰、北达科他、弗吉尼亚和威斯康星4 个 州，其余的15 个州都使用了奖励措施，但是马里兰州在其方法上包括了奖励措施 【1 2 o 2 0 0 1 年7 月，怀俄明州大学和怀俄明州交通部联合对5 0 个州进行了问卷调查， 对沥青路面最终产品规范的应用情况进行了进一步调查。调查的手段是采取调查 表的形式，将准备好的调查表分发到5 0 个州公路局，有4 5 个州公路局对问卷进 行了响应。调查结果表明，4 5 个公路局中的其中4 0 个或者说是将近9 0 的公路 局都采用了沥青路面最终产品规范，没有采用的州也表示在不久的将来有采用最 终产品规范的计划。调查显示美国采用最终产品规范的州均将最终产品规范用于 州际公路和主要干道上以及沥青混合料量大于5 0 0 0 吨的项目，但只有8 0 的州公 路局将最终产品规范用于次要公路上和小于5 0 0 0 吨的项目。不同的州对于q c q a 体系中责任的分配上有所不同在质量保证( q a ) 体系中，所有的州都认为应由业 主来执行q a 试验，但不同的州进行q a 试验的目的不同。有些州采用q a 试验来 验证q c 试验的结果。有的州采用q a 试验来调整支付因素。有6 7 的州采用q a 试验作为q c 试验的校准，4 1 的州采用q a 试验作为最终支付因素的调整，还有 1 5 的州将q a 试验用于初步相关系数的计算。同时，q a 试验的数量和q c 试验 的数量的比例( q a ：q c ) 大约是从1 ：1 到1 ：1 0 n 3 1 。 2 0 0 3 年1 2 月，l a y c e e 对科罗拉多州、怀俄明州、南达科塔这三个州应用质 量控制和质量保证规范( q c q a ) 的项目进行了分析，主要针对项目中参数的变 异性进行了研究。通过对这三个州相似项目的参数变异性进行比较，看哪个州有 最低的参数变异性。结果显示南达科塔的级配和设计孔隙率有最低的变异性，科 罗拉多州的密度和沥青含量有最低的变异性，怀俄明州的变异性在三个里面最大 1 4 】 o 2 0 0 6 年7 月，r a d h a 等人通过对过去五年里特拉华交通部收集的现场、实验 室和道路使用中的数据进行了分析，结果显示特拉华州热拌沥青混凝土路面的验 收和付费主要以沥青含量、以2 3 8 m m 和0 0 7 5 m m 的筛孔控制的级配和试验室密 度作为关键指标。并且通过复合公式计算了付费系数，付费系数最高为1 0 5 ，最 低为o 5 0 7 5 n 5 1 。 2 0 0 6 年1 1 月，r o d 对多个州的热拌沥青混凝土路面质量保证试验检测数据进 行了分析，比较了承包商和交通部门得到的数据之间的差异n 6 1 。 美国交通运输研究报告中一篇题为公路质量保证条款汇编的报告指 出，最终产品规范应该对新建成路面产品的一些性能进行评价n7 1 。目前，基于路 面性能的产品规范以及产品性能关联规范还没有系统地运用于工程建设，美国交 通部( d o t ) 和许多州的交通部等政府部门都在积极研究基于路面性能的产品规范 【t s 硕士学位论文 最终产品规范相对于方法规范而言，更进一步地明确了质量控制( q c ) 质量 保证( q a ) 的职责，能够充分发动施工单位的技术革新能力，也有利于减少检测 机构的负担，提高路面的质量水平n9 1 。 最终产品规范在加拿大的应用也较为广泛，应用较为成熟的有安大略省和阿 尔伯塔省。其中安大略省规范在国际沥青工业界享有盛誉。对于采用最终产品规 范的省份而言，不同的省采用的规范具体形式有所不同，采用的验收方法、验收 指标等也有很大区别。大部分的省都采用沥青含量、集料等级、压实度、平整度 和离析作为评价的性能指标，也有的省份采用室内孔隙率、面层厚度等作为验收 的指标。规范所适用的样本的大小在不同的省之间也有很大的区别。同时，绝大 部分的省都同时采用了奖励和惩罚的政策，也有少部分的省只采用惩罚措施而不 采用奖励措施，当然，也有极少部分的省份的规范中没有采用相关的支付调整乜0 1 。 1 2 2 国内的研究现状 2 0 0 0 年9 月，加拿大安大略省运输部沥青部主管谭启纲博士应江苏省交通科 学研究院的邀请来江苏作技术交流，介绍了安大略省最终产品规范的应用背景、 方法和实施效果。这是我国第一次引入沥青路面最终产品规范的概念。2 0 0 1 年， 江苏省交通科学研究院承担了江苏省交通科技项目江苏省高速公路沥青路面最 终产品规范的研究，这个项目是在国内第一次系统地进行沥青路面最终产品规范 的理论研究。随着课题的研究和对最终产品规范的不断深入，最终产品规范全新 的质量控n 质量保证体系得到了业内人士的广泛关注。2 0 0 3 年，宁沪高速公路股 份有限公司有意改变以往高速公路建设的单一模式，拟在沪宁高速公路拓宽改造 工程中应用最终产品规范。这是国内首次结合实体工程进行沥青路面最终产品规 范的应用研究瞳们。 江苏省交通科学研究院在参考国内外最终产品规范的基础上初步制定了该省 的沥青路面最终产品规范。在这个规范中，课题组利用统计学知识确定沥青混合料 以及沥青路面芯样取样频率及取样方法。并且综合考虑国外的经验，通过省内专 家问卷调查意见确定了沥青路面的关键指标及权重，确定的关键指标为沥青混合料 级配、油石比、室内空隙率和路面压实度，其权重分别为0 3 、0 2 、0 2 、0 3 。课 题组在参考了加拿大安大略省和阿尔伯塔省的规范及美国a a s h t o 规范、德州规 范、印第安纳州规范后，主要借鉴美国a a s h t o 规范制定了江苏省最终产品规范 的付款系数计算体系乜训。 谭冬萍对质保规范中的质量控n 质量保证体系进行研究，在对比质保规范和 传统规范中质量控制质量保证体系的基础上，通过收集国外资料并进行调研，确 定沥青路面的关键指标和质量保证的试验频率，从而来控制路面质量凹。 陈贵通过对水泥混凝土路面参数大量样本的统计分析，确定了参数的概率分 沥青路面关键质量指标与付费系数研究 布类型。并以可靠性理论为基础，根据各参数对可靠度的敏感性分析结果确定水 泥混凝土路面的关键指标和权重。针对关键指标不能完整反应路面的质量水平， 利用白化权函数灰色聚类法评价路面的使用性能，以路面平整度和抗滑构造深度 等指标通过聚类分析得出的灰色聚类值对付费进行了调整瞳引。 张永清、贾双盈利用三角白化权函数确定评价指标的隶属函数，利用灰聚类 的方法评定该沥青路面使用质量的等级。并且通过专家咨询，采用逐对比较法， 确定了各指标的权重心引。 郭大进、沙爱民等人运用层次分析法( a h p 法) ，通过同步采集和分析沥青 路面施工过程中直接影响工程质量的重要检测数据。结合多位专家意见筛选出可 供用于沥青路面质量过程控制的关键指标。并通过专家投票数对所有相关指标两 两进行比较，确定了指标重要性标度后，采用“德尔菲法”获取指标评语的原始数据， 然后对相对重要性数据进行算术平均，得到指标相对重要性的统计结果。在求得所 有指标间相对重要性数据的基础上，构造判断矩阵，并根据改进的a h p 法，计算出了 各级指标的指标权重乜钔。 1 3 本文主要内容 在最终产品规范体系下，沥青路面的关键指标是指决定路面质量的一系列检 测指标或者试验指标，而且这些指标能较方便地量测出具体的量值，以便与最后 的付费系数挂钩；沥青路面的付费系数是指业主用以向施工单位付费的一个乘数 因子，将它与最初的合同额相乘即得到最终支付费用。随着我国公路工程领域越 来越重视路面施工和设计参数的变异性对路面质量的影响，本文基于数理统计学 和沥青可靠度理论，从沥青路面的力学角度，确定了沥青路面的四个关键指标和 权重。在参考国外的付费系数计算方法后，根据沥青路面的四个关键指标和两个 调整指标，得到了沥青路面的综合付费系数。本文具体的研究内容如下： ( 1 ) 介绍了最终产品规范的框架以及相对于传统的方法规范的优点。 ( 2 ) 从结构可靠性理论出发，探讨了沥青路面可靠性度量和计算方法。运用 数理统计的方法，得到了湖南省两条沥青路面高速公路的路面参数的概率分布类 型和参数变异系数范围。描述了沥青路面结构可靠度敏感性分析的概念，汇总了 国内关于沥青路面结构设计参数的变异性对可靠度的敏感性分析成果。 ( 3 ) 从沥青混合料的动态模量出发，探讨了沥青混合料的动态模量与抗压模 量的关系，得到了沥青混合料中的沥青含量、0 0 7 5 m m 筛孔的通过率和沥青混合 料的空隙率的平均值和变异系数与抗压模量的平均值和变异系数之间的关系方程 式。通过变化的沥青面层厚度的平均值和变异系数以及变化的抗压模量的平均值 和变异系数，求出了对应的沥青路面结构可靠度，实现了沥青面层厚度、沥青含 量、0 0 7 5 m m 筛孔的通过率和沥青混合料的空隙率对沥青路面结构可靠度的敏感 硕士学位论文 性分析。通过分析结果确定沥青路面的关键指标和权重。从路面功能性能出发确 定了两个付费系数调整指标。 ( 4 ) 参考国外付费系数的计算方法，根据沥青路面的关键指标及其权重和两 个付费系数调整指标，求出了沥青路面的综合付费系数。 本文的主要内容可概括为沥青路面关键指标及其权重的确定和沥青路面综合 付费系数的计算。 沥青路面关键质量指标与付费系数研究 第2 章沥青路面结构可靠性分析 我国现行的沥青路面结构设计方法以弹性层状体系理论为依据，各层在水平 方向为无限，竖向有一定的厚度，材料为各向同性，按线弹性理论考虑荷载综合 效应，建立以弯沉设计指标和整体性材料层底拉应力为验算指标的多层弹性体系 计算方法。此种设计方法中，路基回弹模量和基层材料回弹模量按一定的保证率 选定。其他设计参数均选用某一定值，没有考虑或只片面考虑了它们的变异阳副。 这种设计方法难以定量说明设计出的路面结构的安全性和可靠度。路面的概率极 限状态解决了这一难题，它不仅在考虑路面结构的客观不定型和路面性能评价方 面较定值法优越，而且可以指导施工，提供适宜的施工质量控制指标。概率设计 方法不仅是对现行设计方法的改进，而且对验证现行设计方法提供了科学依据， 为路面设计提供了按任一可靠度水平设计厚度的有效方法乜引。 2 1 沥青路面可靠度理论 工程结构可靠度设计统一标准( g b t5 0 2 8 3 1 9 9 9 ) q b 定义，结构在规定的 时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率称为结构可靠度。定义中所说的“规 定的时间”是指结构的设计基准期；“规定的条件”是指正常设计、正常施工和正常 使用的条件，人为的过失在结构可靠度中是不考虑的；“预定的功能”是指结构的 安全性、适用性和耐久性，也可统称为结构的可靠性，其具体要求随各类结构而 异。 2 1 1 结构的极限状态 结构可靠与不可靠的界限，称为极限状态。我国将极限状态分为承载能力极 限状态和正常使用极限状态两类。承载能力极限状态是指对应于结构、结构构件 达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态；正常使用极限状 态是指对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态。 工程结构的可靠度通常受各种作用效应、材料性能、结构几何参数、计算模 式准确程度等很多因素的影响。在进行结构可靠度分析时，应针对所要求的结构 功能，把这些有关因素作为基本变量来考虑。由几个基本变量托，恐，的组 合，用以描述结构功能的函数，称之为结构功能函数，其函数表达式： z = g ( x l ，x 2 ，墨) ( 2 1 ) 结构的极限状态用方程描述为： z = g ( x 1 ，x 2 ，x n ) = 0 8 - ( 2 2 ) 硕卜学位论文 对于承载能力极限状态，如将结构抗力方面的基本变量组合成综合抗力r ， 作用( 荷载) 方面的基本变量组合成综合作用效应s ，则式( 2 1 ) 可写成： z = g ( r ，研嘲- s ( 2 3 ) 功能函数z = r s 可能出现如下三种情况： z = r s o ，结构处于可靠状态； z = r s 0 ”、“z 0 】 ( 2 4 ) 竹= p z = g ( x i ，恐，墨) s ) = e 五g 炳 f 厶沙卜 ( 2 1 3 ) 可靠度也可以按抗力小于效应这一条件进行计算。此时，抗力r 落于宽度为办 区间内的概率为 d ，- 熟2 胚，+ 刳= 厶协 ( 2 1 4 ) l2i 一7 如果在两个随机变量中，已知其中一个概率密度函数和另一个分布函数，则 可应用下列两式计算失效概率： p r = l - p r = ，一e 五g 灿 e 以。沙卜 = 1 - e 矗g 灿【1 一层( ，) k ( 2 1 5 ) = e 乓g 院g 协 式中，凡( ) 尔的分布函数。 同样，失效概率也可以表示为： 哆= 1 一e 厶) e 五g 必 办 - i - e 厶砸一b 舫 ( 2 1 6 ) = e b 城( ，沙 式中，尉卜$ 的分布函数。 由图2 1 可知，结构失效概率的大小与抗力和效应的概率密度曲线重叠区的大 小有关。重叠区越小则失效概率越小；反之，重叠区越大则可靠度越小。而重叠 区的大小与抗力和效率的概率密度的离散程度有关。如图2 2 ，两条抗力的概率密 度曲线有相同的均值，但由于离散程度不同，即变异系数大小不同，从而与效应 的概率密度曲线重叠区的大小不同。当两曲线均值相同，变异系数小的曲线可靠 度更大。 厶( ，) 五( 占) 0 图2 2 概率密度曲线 2 1 3 可靠指标夕的两个常用公式 2 i 3 i 正态模式 如果综合变量s 和r 均是正态分布得到的。根据概率论定理，此时，结构的 功能函数z = r s 也服从正态分布。z 的平均值为彪= 如一心；标准差为 吃= 蠢+ 一。式中心、i t s 分别为r 、s 的平均值；o r 、o s 分别为r 、s 的标准 差。 则可靠指标为： 沥青路面关键质量指标与付费系数研究 2了d菰r一s ( 2 2 1 3 2 对数正态模式 如果综合变量s 和r 均是对数正态分布得到的。则可靠指标为： ：丝： o z f l i l i 鲤 l 风 ( 2 1 8 ) 以上两个常用的可靠指标卢的计算公式都是根据相互独立的两个正态变量获 得的，即通过正态化使功能函数z 也为正态变量，由此，可靠度p 挪失效概率p ，为： e = 够) ( 2 1 9 ) b = ( - ) = 1 一) ( 2 2 0 ) 2 1 4 沥青路面可靠度分析概率模型 根据我国现行的公路沥青路面设计规范( j t gd 5 0 2 0 0 6 ) 的设计理论，沥 青路面结构可靠度可以理解为：对于正常设计、正常施工和正常使用的路面结构， 在路面达到