（道路与铁道工程专业论文）复合式路面使用性能评价预测研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着城市早期修建的水泥路面的损坏，在原有旧水泥混凝土路面上加 铺沥青路面( 复合式路面) 的养护方法逐渐引起人们的重视，如何对复合式路面使 用性能进行综合评价，全国还没有统一的标准。本文针对国内复合式路面缺乏实 测数据和评价、预测方法的实际情况，提出对复合式路面采用综合模糊评价的评 价方法和马尔可夫链与灰色系统模型相结合的综合预测方法，并在此方法基础上 采用v c + 十与f o r t r a n 9 5 混合编程实现计算过程。 对复合式路面的综合模糊评价，要解决如下问题：评价指标的选择；评价指 标的测量和计算；评价指标的百分制的转换；属性测度函数的选择。 对复合式路面的预测是建立在综合模糊评价的基础上的，首先研究如何利用 少量数据进行单指标预测；其次研究如何在复合式路面使用性能的预测上引入马 尔可夫链以及如何计算马尔可夫转移概率矩阵；最后研究如何利用单指标预测与 综合模糊预测来分析路面的使用性能。 在章节构成上，本文第一章绪论，主要介绍复合式路面研究的目的及意义， 国内外设计研究现状，一般路面的评价方法；第二章主要介绍复合式路面使用性 能的要求，复合式路面的损坏状况及成因，复合式路面评价指标的选择与测量； 第三章、第四章主要介绍复合式路面使用性能的评价、预测方法，重点介绍本文 所采用的评价、预测方法；第五章复合式路面使用性能评价预测的程序实现，主 要介绍程序实现的算法以及采用该软件的计算流程；第六章实例分析，采用具体 实测数据对复合式路面使用性能进行评价、预测以验证本文介绍方法的可行性。 通过以上的计算与分析，本文可以得出结论，对复合式路面采用综合模糊评 价与基于综合模糊评价的预测，由实测数据结果可以看出该方法是完全可行的。 关键词：复合式路面，路面使用性能，综合模糊评价，马尔可夫链，灰色系统 分类号：u 4 1 6 2 2 4 a b s t r a c r a b s t r a c t a b s t r a c t ：a st h eb r e a k a g eo ft h eo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti nu r b a n ，t h e u s eo f a s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a yw a sm o r ea n dm o r ep o p u l a r w ed on o th a v et h eu n i f i e d s t a n d a r d si nh o wt oe v a l u a t et h ec o m p o s i t ep a v e m e n t ss e r v i c ep e r f o r m a n c e s e l d o m s t u d i e sw e r ec o n d u c t e do v e rc o m p o s i t ep a v e m e n t si nc h i n a t h e r e f o r es e l d o ma c t u a l t e s tm e a s u r e m e n td a t u ma n dp r e d i c t i o na n de v a l u a t i o nm e t h o d sc a nb ef o u n d a c c o r d i n g l y ，t h ea u t h o rt h e o r e t i c a l l ye s t a b l i s h e dac o m p l e xm e t h o d ，b a s e do nt h e c o m p l e xf u z z ye v a l u a t i o nm e t h o d ，t h em a r k o vc h a i nm e t h o da n dt h eg r a ys y s t e m m o d e l ，t os o l v et h ep r o b l e mo fp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o na n de v a l u a t i o no fc o m p o s i t e p a v e m e n t s f u r t h e r m o r e ，t h ea l g o r i t h mo ft h ec o m p l e xm e t h o dh a sb e e nr e a l i z e db y m i x e dv c + + a n df o r t r a n 9 5p r o g r a m m i n g t h ea u t h o rs t u d yo nc o m p l e x f u z z y e v a l u a t i o na n dp r e d i c t i o nm e t h o da sf o l l o w ： t h ec h o i c eo ft h ee v a l u a t i o ni n d e x ：t h ec o n v e r s i o no ft h eh u n d r e d - m a r ks y s t e mo ft h e e v a l u a t i o ni n d e x ；h o wt om a k eu s eo fs e l d o md a t at op r e d i c ts i n g l ei n d e xv a l u e ；h o w t om a k eu s eo fg r a ys y s t e mm o d e la n dm a r k o vc h a i nm e t h o di nt h ec o m p l e xf u z z y e v a l u a t i o na n dp r e d i c t i o n t h ef i r s tc h a p t e ro ft h ea r t i c l ei se x o r d i u m ，i n t r o d u c et h ep u r p o s eo fs t u d yt h e c o m p o s i t ep a v e m e n t s ，t h i sc h a p t e ra l s oi n t r o d u c et h ed e s i r em e t h o do ft h ec o m p o s i t e p a v e m e n t s c h a p t e r2i n t r o d u c et h er e q u i r eo fs e r v i c ep e r f o r m a n c e 、b r e a k a g es t y l e so f t h ec o m p o s i t ep a v e m e n t s 、t h ec h o i c ea n ds u r v e yo ft h ec o m p o s i t ep a v e m e n t s i n c h a p t e r3a n dc h a p t e r4t h ea u t h o rs t u d yt h em e t h o do fe v a l u a t i o na n dp r e d i c t i o nu s e d i nt h i sa r t i c l e i nc h a p t e r5t h ea l g o r i t h mo ft h ec o m p l e xm e t h o dh a sb e e nr e a l i z e db y m i x e dv c ha n df o r t r a n 9 5p r o g r a m m i n g i nt h el a s tc h a p t e rt h ea u t h o ru s et h ea c t u a l m e a s u r e m e n td a t u mt oc e r t i f i c a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o da n dt h ea c c u r a c yo ft h e p r o g r a m m i n g p a s st h ea b o v ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h i sp a p e rc a ng e tac o n c l u s i o n ，a d o p ta c o m p l e xf u z z ym e t h o di n e v a l u a t i o na n dp r e d i c t i o no fc o m p o s i t ep a v e m e n t si s f e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：c o m p o s i t ep a v e m e n t ：c o m p l e xf u z z ye v a l u a t i o nm e t h o d ；m a r k o v c h a i nm e t h o d ；g r a ys y s t e mm o d e l c l a s s n o ：u 4 1 6 2 2 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名： 签字日期：年月 日签字日期：年月日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师孔永健教授的悉心指导下完成的，孔永健教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 孑l 永健老师对我的关心和指导。 我于2 0 0 6 年7 月起作为学校和中国建筑科学院联合培养的学生到中国建筑科 学研究院软件所学习。在软件所的学习和实践工作中，建研院导师金新阳研究员 给予我悉心地指导，他严谨科学的工作态度和丰富的工作经验使我受益匪浅。在 我撰写论文的过程中，边保林老师、项目组蔡鹏助工也给我提出了很多宝贵的意 见，在此向他表示衷心的谢意。 感谢我研究生学习期间和我一起生活和学习的同学：秦元营、孙斌，他们的 工作使得本论文的成果更加丰硕。 另外感谢父母，感谢女友及家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。 最后，感谢所有给予我帮助的老师和同学们，感谢北京交通大学对我的培养 和教育。 绪论 1 绪论 本章主要介绍复合式路面国内外设计、研究现状以及国内复合式路面使用性 能的评价、预测状况，在此基础上提出研究问题，最后给出本文的主要研究内容。 1 1 复合式路面研究的目的及意义 我国水泥混凝土路面始建于六十年代中期，由于水泥混凝土路面具有强度高、 经久耐用、养护费用低等优点，八十年代以来，水泥混凝土路面在全国迅猛发展， 目前修筑的总里程已超过6 万k m 。近年来，我国现有的水泥混凝土路面，有相当一 部分已接近或超过设计年限，有的虽未达到设计年限，但由于交通量急剧增长， 汽车轴载开益重型化或设计施工等方面的原因，而出现路面损坏、使用性能下降 的情况。旧水泥混凝土路面行车舒适性差，车速难以提高，需要进行改建。 与沥青路面相比，水泥混凝土路面的修复比较困难。目前，采用的大修措施 有3 种：加铺新水泥混凝土面层、翻修和加铺沥青混凝土面层即设计成下层路面为 水泥混凝土，上层路面为沥青混凝土的复合式路面结构( p c c a c 复合式路面) 。 对于加铺新水泥混凝土面层，新旧混凝土结合面往往是一个薄弱环节，其抗剪强 度远远低于整体浇筑的混凝土抗剪强度。新混凝土的凝缩，弹性变形、塑性变形， 徐变等与旧混凝土存在差异，甚至出现裂缝。结合面上抗渗抗冻性能均会降低， 其可靠性和耐久性不好。翻修则工期长，严重影响交通，而且造价高。 相比于加铺新水泥混凝土面层和翻修，p c c a c 复合式路面具有以下优点： ( 1 ) 对交通的影响小。由于水泥混凝土的一般养生期是2 8 天，因此，无论是 加铺新水泥混凝土面层还是翻修，开放交通的时间都很长。而p c c a c 复合式路面 只需沥青混凝土摊铺碾压完后温度降至常温，即可| 丌放交通，对交通的影响小得 多。 ( 2 ) 能有效地改善路面的使用性能。p c c a c 复合式路面的表面平整无接缝、 柔性好，能较好地满足行车要求，可以提高车速，降低油耗，具有明显的行车舒 适性、耐磨性。 一 ( 3 ) 造价低。由于p c c - a c 复合式路面能充分利用旧路，加铺的沥青混凝土层 可以比较薄，因而造价比较低。 p c c - a c 复合式路面结构兼有水泥混凝上路面的结构使用寿命长和沥青混凝土 柔性路面的优良的行驶性能和环保特性，在公路改建中得到了广泛应用，城区道 路的改造很大部分都采用p c c a c 复合式路面。经过多年的工程实践检验明：p c c a c 北京交通大学硕士学位论文 复合式路面结构，刚中有柔，以刚为主，沥青混凝土面层大大缓解了行车对路面 板的冲击，使水泥混凝土板较少出现边角崩裂、板块开裂等结构破坏现象，减少 了道路的维护工程量。基于以上复合式路面所拥有的诸多好处，许多城市在对原 有旧水泥混凝土路面稍加改进的基础上加铺一层沥青混凝土，以达到改善路面使 用性能的目的。( 路面使用性能是路面为保障公路运输车辆安全正常行驶所应具 备的能力和属性，主要包括功能性能、结构性能、结构承载力、安全性能。) 随 着城市道路的发展，要满足车辆在一定使用年限内高速、安全、舒适、经济地行驶， 对路面使用功能和服务质量提出了更高要求。路面使用性能评价是在路面检测数 据的基础上。对路面各种性能满足使用要求的程度进行分析评价，根据评价结果， 有助于了解道路的现状服务水平，进行路面使用性能预测，制定城市道路路面养护 维修计划和资金分配方案。基于以上分析，在原水泥混凝土路面上加铺沥青混凝 土是改善原有路面使用性能的最佳方法，随着这种方法的普及，研究复合式路面 使用性能的评价、预测的方法是很有必要的。 1 2 复合式路面国内外设计研究方法现状 对于p c c - a c 复合式路面结构的设计，国外设计方法的共同点是基于一定的破 坏理论，在试验路的基础上提出的经验法。“重防治，轻设计”，以实用为指导 思想。缺乏对沥青面层破坏理论系统的探讨和研究，未能形成通用的设计理论。 国内的设计方法则是通过对路面的力学分析，采用荷载应力和温度应力作为 设计控制指标，以控制p c c - a c 复合式路面结构反射裂缝的产生。 1 2 1国外复合式路面设计研究现状 总结起来，国外的研究在评价旧水泥混凝土路面的基础上比较全面的设计方 法有：有效厚度法、弯沉法“1 和力学一经验法，具有代表性的是a a s h t o 法，a i 法和a r e 法等。 ( 1 ) a r e 法 该法认为，在车辆荷载与温度荷载作用下，板接缝处会产生垂直相对位移与 水平相对位移，从而导致沥青混凝土层内产生较大的拉应力与剪应力( 如图1 1 因 旧路面板的移动产生的拉应变，图1 2 因接缝两侧不同的竖向位移造成的剪应变) ， 引发反射裂缝。a r e ( a u s t i nr e s e a r c he n g i n e e r s ) 方法就是考虑了水平和垂直接 缝位移产生的反射裂缝。 2 绪论 图1 1 因旧路面板的移动产生的拉应变 f i g 1 1t 。”“8 昀! 坚“”硝0 1 63 1 曲“。6 “ 例1 3 荷载产生的弯沉差 f i g 1 3f l e x u r e b e c a u s e o f l o a d ( 2 ) a i 法 a i 沥青混凝土加铺层设计有两种方法：有效厚度法和挠度法，a i 法根据旧路面 加铺时的p s i 值，提出了全厚式沥青路面的换算系数。现有各沥青路面层有效厚度 的计算是将各层实际厚度乘以换算系数，总的有效厚度由路面所有层次有效厚度 求和得到。而所需加铺层厚度为新的全厚式路面所需厚度与旧路面有效厚度之差。 挠度法与我国常用的方法基本相同，认为沥青混凝土层的破坏的主要原因，是行 车荷载引起的竖向弯沉差( 如图1 3 荷载产生的弯沉差) ，所以设计中主要控制容许 垂直应力。该方法以弯沉差作为控制指标，采用贝克曼梁测试时旧水泥混凝土路 3 北京交通大学硕士学位论文 面弯沉差应符合如下要求嗍。( d i ，d 2 值如图1 3 所示) d i d 2 o 0 5 m m 平均辊学 o 3 6 m 聊 ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) ( 3 ) a a s h t 0 法 m , s h t o 设计方法通过“等效结构数”来确定加铺层厚度。尽管它也是经验法 的一种，但其实用性已被世界所公认，许多理论法的计算结果都与其进行参照对 比，简化公式也采用a a s h t o 经验公式的形式。主要设计参数为设计交通量与旧混 凝土板状况，厚度按下式计算： h = b ( 一吃) ( 卜3 ) 也= q c , c , g ( 卜4 ) 允一按新建公路设计时p c c 板所需厚度 九旧板有效厚度 一旧板原厚度 c 一考虑损坏接缝和裂缝是否修复的系数 c ，一考虑旧面层是否存在耐久性问题( 耐久性裂缝或反应性集料病害) 的系 数 g 一考虑疲劳损坏程度的系数 b - - 混凝土层厚与沥青层厚的当量转换系数，它是混凝土厚度缺额的函数， 由下式确定。 b = 2 2 2 3 3 + 0 o m s 3 ( h d 一吃) 2 一o 0 6 0 4 ( h d 一吃) ( 1 5 ) ( 4 ) 日本t a 法 日本t a 法与a a s h t o 法大同小异，仅仅是计算过程中的换算媒介不同，以沥青 混凝土厚度作为换算中介，设计参数为远景交通量和旧混凝土板结构状况。 ( 5 ) b e r k e l e y 分校的设计方法 该法由加州大学的m o n i s m i t h 和c o t e z e e 提出，是在二维有限元应力分祈的基 础上控制反射裂缝的设计方法。先建立路面结构的有限元离散模型，然后进行有 限元计算，把加铺层的应力、应变与允许值进行对比，从而确定加铺层厚度，各 种车辆荷载的疲劳作用按m i n e r 假定计算”。 ( 6 ) c o e 法 美国工程师部队( c o e ) 按照补足厚度缺额的概念，依据试验路的观察和分析结 果，提出了旧水泥混凝土面层上加铺沥青层的经验厚度计算公式h ： h = 彳( 见一) ( 卜6 ) 式中：丸按现有地基承载力和未来交通要求，由新建混凝土路面设计方 4 绪论 法确定的单层混凝土面层所需厚度( c m ) 旧混凝土板的厚度( c m ) 勺旧混凝土面层板的状况系数 厂控制旧混凝土面层板在加铺后裂缝进一步发展程度的系数 a 一混凝土层厚与沥青层厚的当量转换系数 1 2 2国内复合式路面设计研究现状 目前国内主要采用理论计算5 1 法进行p c c a c 复合式路面结构设计。通过对 p c c a c 复合式路面结构的力学分析，提出采用荷载应力和温度应力作为设计控制 指标。指导理论主要是弹性层状理论、有限元理论、弹性地基板理论与断裂力学 理论等。 弹性层状理论是路面力学领域旱发展较为成熟的理论，该方法把路面结构层 分为沥青层、旧水泥混凝土板和土基组成的三层体系，荷载可以考虑一个或多个 水平荷载与垂直荷载，层间结合形式可以考虑完全连续或光滑，计算指标主要有 沥青加铺层的表面弯沉值、层底弯拉应力和水泥混凝土板底的弯拉应力等，设计 参数可根据现有规范确定。该方法具有概念清晰、理论明确、与现行规范结合较 好的优点，在国内公路工程行业内较为容易接受。长安大学的胡长顺、王秉纲采 用空问等参元法及正交各向异性接触单元，对板与地基之间完全连续与绝对光滑 两种接触条件下的有限接触板进行了荷载应力计算与分析。利用弹性层状体系理 论对p c c a c 复合路面荷载应力的一般规律进行了沥青层厚度h a 对p c c 板底应力 影响系数的实用计算公式，并用三维等参元进行了验证，从而为p c c a c 复合路面 的实用设计方法研究奠定了理论基础。在对p c c a c 复合式路面结构的荷载应力与 温度应力进行广泛计算分析的基础上，确定了临界荷位，即轴载作用于p c c 板纵 缝边缘中部，相应板纵缝边缘底部为最大应力计算点。在充分考察了各主要影响 因素之后，研究绘制了荷载应力与温度应力计算诺谟图，可供生产设计使用。 我国的道路研究者也使用有限元理论进行研究。起初是利用平面有限元模型 进行计算分析，如同济大学的倪明利用平面有限元程序计算分析了中荷载和偏荷 载作用下加铺层内的应力和应变，认为加铺层的反射裂缝是由于车辆荷载主拉应 力或温度主拉应力超过材料的强度所致，偏荷载主拉应力是加铺层开裂的主要原 因。后来发展到三维有限元，曹东伟“1 考虑汽车荷载在路面上各种可能的作用位置， 应用三维有限元对加铺层进行了力学计算。分析了l 临界荷位与计算参数的影响规 律，给出了相应的回归公式。 5 北京交通大学硕士学位论文 1 3 路面使用性能的评价与预测 1 3 1路面使用性能的评价 目前对复合式路面使用住能的评价是等效为沥青混凝土路面进行的”1 ，所以要 先介绍一下对一般路面的路面使用性能是如何评价的： ( 1 ) 路面结构方面 路面结构性能，是指路面结构保持完好的程度，是路面损坏状况物理性能最 直接的反映，它不仅提供了路面结构完好程度等信息，还为确定路面所需的养护 和改建措施提供依据，并为设计、施工、养护提供反馈信息。沥青路面破损主要 表现为裂缝、松散、变形和其它四种类型。对于路面中多种不同的破损类型及不 同的严重程度，通常用路面状况指数p c i 来表示。 ( 2 ) 路面功能方面 路面的基本功能是为车辆提供快速、安全、舒适和经济的行驶表面。路面的 功能性能便是指路面满足这一基本功能的能力，它反映了路面的行驶质量与服务 水平。路面的行驶质量与路面表面的平整度特性、车辆悬挂系统的振动特性、人 对振动的反映能力或接受能力三方面因素有关，从路面状况的角度来看，影响路 面行驶质量的主要因素是路面平整度。路面平整度是评价路面的使用质量的重要 指标。可定义为路面表面诱使行驶车辆出现振动的高程变化。路面平整度好坏不 仅影响到行车舒适性、行驶安全、路面损坏和车辆损坏等方面，而且直接关系到 养护工程量的大小和路面使用的耐久性，在这一方面，人们常用行驶质量指数 ( r q i ) 、国际平整度指数( i r i ) 、路面平整度标准偏差盯等几个指标来衡量，但其 实质是一样的。 ( 3 ) 结构承载能力方面 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。它可以确定路面的剩余寿命，预估路面何 时需进行改建，并为加铺层设计提供有用的参数。对路面结构承载能力进行评价， 使路面强度满足使用要求，常用的是对路面进行弯沉测量。对于柔性路面规范 “1 提出了强度评价指标s s i ，其目的是确定路面的剩余寿命，从剩余寿命的长短， 可以判断路面结构的完好程度及其破损发展的速率。 ( 4 ) 路面安全性方面 路面的安全性主要指路面的抗滑能力，可通过路面抗滑指标来表征。常用的 检测路面抗滑能力的方法有两种，一是采用专用的检测车自动检测在潮湿或干燥 状态下的路面横向力系数s f c ，另一种为“摆式摩擦系数测定仪”，读数则为b p n 。 6 两种指标对水泥混凝土路面与沥青混凝土路面都适用，从发展的角度看，路面横 向力系数s f c 将更科学、更合理。对于沥青路面，规范上提出了不同路面等级 的s f c 、b p n 的评价指标值。 ( 5 ) 综合评价 对以上几个指标的加权求和常见的有p q i ( 综合评价指数) 或e p q i ( 高速公路路 面养护质量指数) 计算公式如下： p q ，= t x q r q i + m 2 p c i ( 1 - 7 ) 其中： t r q l 分值转换系数，t = 2 0 ； q ，吼一分别为r q i 、p c i 的权重； e p q i = w 唧+ r q i + w 州+ p s s i + wi4 p c i + w s r i + s r i ( 1 8 ) 其中： w l ，；、w 茹、7 v k 、) 为权重其值可查表。 1 3 2路面使用性能的预测 路面结构使用性能的预测研究在国内外开展的时间都比较短，各国的研究人 员都结合本国具体的路面情况提出了不同的预测模型。综合分析国内外己经建立 的模型，大致可分为： ( 1 ) 确定型预测模型 确定型预测模型又分为经验型模型、力学预测模型、力学一经验预测模型。 1 经验型模型实质上是为了避免力学预测模型或力学一经验预测模型复杂的 结构分析，在预测精度要求范围以内，采用多元回归分析技术建立的回归预测方 程。建立经验型模型首先应确定与路面某项使用性能有关的各种因素，再分析它 们之自j 的关系，通过这些确定的因素来预测路面使用性能。 2 力学预测模型是利用弹性理论模型或粘一弹性理论模型，通过结构分析得到 路面在荷载作用下的应力，应变或位移方程，模型参数由室内试验确定。该方法 有充足的理论依据，但计算过程复杂，工作量大，并且只能用来建立路面的基本 反应( 应力、应变、弯沉等) 模型，故实际应用较少。 3 力学一经验模型将上述两种方法结合起来，模型一方面是力学分析，确定路 面各结构层的模量值，计算在设计条件下的临界压力、应变或位移值，另一方面 是建立路面反应与使用性能参数衰变速率之间的经验关系。整个模型是理论计算 ( 结构分析) 与实测数据结合的产物，模型的形成与引入的变量可以根据专业知识 确定，而系数则通过使用性能参数的实测数据和结构分析得到路面反应级位进行 7 北京交通大学硕士学位论文 回归分析得出的。 ( 2 ) 概率型预测模型 由于影响路面使用性能的各种因素的不确定性和变异性，路面使用性能变化 的速率是不确定的，而确定型预测模型无法反映这种不确定性，因此产生了能够 表达路面使用性能变化不确定性的概率型预测模型。概率型模型主要有马尔可夫 概率预测模型、半马尔可夫预测模型、贝叶斯概率预测模型等，其中马尔可夫概 率预测模型最有代表性。马尔可夫概率预测模型考虑到了路面使用性能预测的不 确定性，能够较好反映各种影响因素变化所导致路面性能变化的不确定性，这一 点更符合实际情况。马尔可夫概率预测模型作为变起点模型，可以依据最新的调 查数据为预测起点，提高了预测精度，并且模型能够随路况的变化及时更新，模 型结构与网级动态优化方法可达到协调统一。 ( 3 ) 其它模型 随着人工智能技术的发展，更多的新技术己被应用到路面性能预测模型中， 如专家系统模型、人工神经网络模型”和灰色系统模型。“灰色系统”m 的概念于 1 9 8 2 年由邓聚龙教授提出，根据灰色系统理论，将信息完全已知的系统称为“白 色系统”，将信息未知的系统称为“黑色系统”，而将部分信息已知、部分信息 未知的系统称为“灰色系统”。随着灰色系统理论的逐步建立，灰色系统预测方 法在实际经济预测分析中已经发挥了重要的作用。 1 4 研究问题的提出 评价方面，目前高等级公路养护质量评定中，复合式路面等效为沥青混凝土路 面进行评价，采用规范中一般公路沥青路面状况的评价方法( 即1 3 节中介绍 的评价方法) 。该方法是一种确定性的评价方法，其优点是评价模型简单，路面综 合评定指标的各分指标清楚、直接，数据易于采集。但此评价模型在结构上存在以 下缺限：1 路面综合评定指标以及各分指标评价等级( 优、良、中、次、差) 和评价 标准本身的界限实质上无法确切知道，即等级数值范围的边界具有不确定性。是人 为主观的一种分类。2 各指标的值域不统一。3 对高等级公路，用j 乙方法没有体现 其功能和特点。4 各评价指标权重的确定不够客观。众所周知，复合式路面的路 面性能参数直接受路面材料、各结构层厚度和刚度、路基土类型和状态、温度和 湿度、交通荷载状况等多因素的综合影响，各性能参数测定值往往具有较大的变异 性和随机性。由此可以看出，要想深入了复合式路面性能参数的特点，并能深入地 进行复合式路面评价，就必需对路面性能参数进行有计划地采集，并应用不确定、 菲定值的数学方法对其统计特性和演化规律进行全面、系统地深入研究，才可以 8 改进以上缺陷，能更为准确地反映现有路面的客观实际。 预测方面，在目前对许多路面性能影响因素尚难以做到准确量化的情况下， 利用积累的经验和近几年的实测数据建立路面性能的预测模型，对路面性能的变 化情况进行模拟和预测，无论对于解决目前生产的实际需要( 如制定路面养护对 策) ，还是对实现路面长期性能的长远目标，都具有重要意义。现在已提出回归分 析、灰色系统、转移概率等方法。我国高速公路的发展时间普遍较短，尤其是复 合式路面近几年刚刚兴起，历年路面检测数据不多，采用回归分析等方法显然不 合适。但是，通过实测获得近几年的数据是完全可行的。实践证明，灰色系统预 测方法特别适用于历史数据较少且具有明显上升或下降趋势的数据的分析预测， 预测精确度较高。对于复合式路面使用性能预测系统而言，路面使用性能的历史 数据是己知的，影响路面性能的交通因素、气候因素、工程因素等又是不确定的， 导致路面使用性能变化速率的不确定性，符合灰色系统的特征，因此可以采用灰 色系统的预测理论与方法分析研究路面使用性能的发展变化规律。本文研究的复 合式路面是在原旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土路面。预测的主要目的是研 究其综合服务能力，而灰色系统只是预测单指标服务能力，所以必须在具有相对 精度单指标预测的基础上探寻能反映综合性能的预测方法。 1 5 本文的研究内容 基于以上说明，本文拟在如下方面开展研究工作： ( 1 ) 选择能全面反映复合式路丽使用性能的评价指标。 ( 2 ) 如何统一各评价指标的值域。 ( 3 ) 采用客观权重的计算方法，获得符合路网实际情况的各评价指标的权 重，然后如何根据规范进行调整。 ( 4 ) 采用不确定、非定值的方法( 综合模糊评价) 对复合式路面使用性能进 行评价。 ( 5 ) 针对复合式路面的特点，依据综合模糊评价的结果，采用灰色系统理论预 测模型与转移概率矩阵相结合的预测方法进行预测，并由近几年的实测评价指标 值柬预测该路面单指标值。由此获得该路面的综合使用性能的状况与各单指标使 用性能状况。 ( 6 ) v c + + 、f o r t r a n 联合编程，计算机实现复合式路面使用性能评价与预测 的全过程。 9 复合式路面使用性能评价指标的选择 2 复合式路面使用性能评价指标的选择 2 1 复合式路面使用性能的要求 路面使用过程中，在交通荷载和自然环境因素的反复综合作用下，其使用性 能逐渐衰退，最终达到不能满足使用要求的状态。路面使用性能衰退到一定程度 后，将影响汽车的行驶速度、旅行时间、行驶安全并增加道路运输费用。 各管理部门需要调查的路面状况数据主要有路面平整度、路面损坏、结构承 载力和抗滑能力以及交通荷载条件等方面。路面使用性能包括功能性能、结构性 能、安全性能和外观等方面，它们相互之间既有区别又有一定的联系，并从侧面 反映了路面状况对行车要求的满足情况。 2 1 1功能性能 路面的基本功能是为车辆提供快速、安全、舒适的表面，路面的功能性能主 要指路面为道路使用者所提供的行车舒适程度，它反映了路面的行使质量或服务 水平。路面行使质量的好坏与道路表面的平整度、车辆悬挂系统的振动特征及乘 车人对振动的耐受能力有关。从路面状况的角度分析，影响行使质量的主要因素 是路面的平整度。路面的平整度随车辆荷载的反复作用、周围环境温度和湿度的 影响及路面使用时间的增加而逐渐下降，当其下降到某一限值时，路面的行使质 量便不能满足车辆的行使要求，而需采取改建或重建措施以改善路面平整度状况， 恢复路面的功能。 2 1 2结构性能 路面的结构性能，主要指路面的物理状况及路面结构保持完好的程度，及路 面结构的损坏状况及路面结构的承载能力。 ( 1 ) 路面结构的损坏状况 路面结构的损坏状况，反映了路面结构在行车和自然因素作用下保持完整性 或完好性的程度。新建或改建的路面，在使用过程中会随车辆荷载和环境等因素 的作用及路面使用期的增长而出现各种损坏，需采取日常养护措施进行保养，以 延缓路面损坏的出现。在路面出现结构损坏后，则应采取相应的维修措施以减缓 损坏的发展速度。当路面的损坏状况恶化到一定程度后，便需采取改建或重建措 北京交通大学硕士学位论文 施以恢复或提高其结构的完好程度。因此，路面结构损坏状况的发生和发展与路 面的养护、维修及改建工作密切相关。 ( 2 ) 路面结构的承载能力 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能够承受的行车荷 载作用次数或是能够使用的年数。路面结构的承载能力与损坏存在着密切的内在 联系。路面在使用过程中其承载能力逐渐下降，同时损坏逐步发展。承载能力低 的路面结构，损坏发展速度较快；当承载能力下降至接近极限状态时，路面损坏 严重，此时必须采取改建或重建措施以恢复或提高路面的承载能力。 2 1 3安全性能 安全性能主要是指路面表面的抗滑能力。此外，在车辙深度超过l o 1 3 m m 的 情况下，高速行驶的车辆会因辙内积水而出现漂滑，发生交通事故。路面在使用 过程中，随着车轮对路面的不断磨损，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，便需采取措施以恢复 其抗滑能力。 2 1 4外观 外观是指路面外观给道路使用者的视觉印象，它包括反光、炫目、夜晚 能见度、表面结构和颜色均匀性等方面。 2 2 复合式路面的损坏状况 复合式路面的损坏主要分为以下四大类型：裂缝类、变形类、表面损坏类、 其他类。其中裂缝类包括纵向裂缝、横向裂缝、龟裂和块裂：变形类包括车辙、 沉陷、波浪拥包；表面损坏类包括磨损和坑槽；其他类主要包括泛油和补丁。下 面将主要介绍每一损坏类的最具有代表性的损坏。 2 2 1裂缝类损坏 裂缝类损坏从其成因分析主要分为以下两种： ( 1 ) 温度裂缝，这种裂缝主要是从上往下发展，而且大部分没有贯通。这种裂缝 多出现在南方非冰冻地区，产生的主要原因是只气温变化所引起的沥青面层的温 复合式路面使用性能评价指标的选择 度应力。由于温度应力的反复作用使沥青面层产生温度疲劳裂缝。例如在夏季， 沥青面层最高温度可达n 5 0 6 0 c ，通常一场暴雨过后，路面温度骤降至1 0 2 0 。一次大幅度降温可能产生3 0 0 x l o 。5 0 0 x l o 。的拉应变。受如此大的温 差影响，沥青面层表面的薄弱处就可能首先产生裂缝。沥青面层表面的薄弱处愈 多，产生的温度裂缝就愈多。 ( 2 ) 反射裂缝，以往习惯所称的反射裂缝是由下卧层的不连续引起的。由于下卧 层不连续处( 接缝或裂缝) 的运动，作用在热拌沥青混凝土面层底面的拉应力超过 了沥青混凝土的抗弯拉强度并使其底面开裂，裂缝逐渐向上延伸，直到穿透面层， 反映为表面裂缝。 2 2 2 变形类损坏 变形类损坏最具有代表性的是车辙又名滑移，车辙多出现在弯道处，经现场 检测发现，滑移仅发生在表面层。通过现场取样的实验分析得出：该样品油石比 偏大，细集料特别是粒径在9 5 r a m 以下的偏多。可看出在汽车高速行驶转弯时， 因车辆刹车导致该处所受剪应力增加，由于该处沥青混合料的粒径偏小，油石比 偏大，以至粒料间的嵌锁力较小，在水平荷载的作用下发生剪切破坏从而发生滑 移现象。 2 2 3表面损坏类损坏 表面损坏类最具有代表性的是坑槽。其成因主要是在降雨过程中，雨水进入 并滞留在沥青混凝土的孔隙中j 在大量快速行车的作用下，反复多次产生的动水 压力( 孔隙水压力) 使沥青从碎石表面剥落下来，局部沥青混凝土变得松散，碎石 被车轮甩出，路面产生坑槽。这种破坏现象很普遍，但通常采用半开式沥青混凝 土面层时，产生的这种水毁破坏较严重。如水透过沥青面层滞留在旧水泥混凝土 面层项面，在大量快速行车作用下，自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表 层的细料，形成灰白色浆，灰浆被行车压挤到路表面，在灰浆数量大的情况下， 不久就会产生坑槽；在数量小的情况下，可使路面产生网裂或变形。某处产生网 裂和变形后，雨水就更容易渗入，并产生恶性循环，最终导致路面破坏，这种破 坏也是常见的水破坏。沥青混凝土本身的空隙率大、压实度不够和混合料的不均 匀性是导致沥青面层产生水毁破坏的主要原因。 2 2 4其他类损坏 1 3 北京交通大学硕士学位论文 其他类损坏中最常见的是泛油和补丁，泛油是指沥青溢出表面，补丁是指各 种损坏的挖除修补。不同的规范对以上损坏类型有不通的划分，详见表2 1 。 表2 1 复合式路面车行道损坏类型表 损坏类别类型 c j j 3 6 9 0裂缝，网裂，碎裂 裂缝类c j j 3 6 2 0 0 6 线裂，网裂，碎裂 6 z 一2 0 0 2 线裂，块( 碎) 裂，龟裂 c j j 3 6 9 0松散，坑槽，脱皮，啃边 表面损坏类c j j 3 6 2 0 0 6松散，坑槽，脱皮，啃边 6 z 一2 0 0 2 坑槽，脱皮，啃边 c j j 3 6 9 0 车辙，沉陷，拥包，搓板或波浪 变形类c j j 3 6 2 0 0 6 车辙，沉陷，拥包，搓板或波浪 g z 2 0 0 2车辙，沉陷，拥包或波浪 c j j 3 0 9 0翻浆，泛油，井框高差 其它类c j j 3 6 2 0 0 6翻浆，泛油，井框高差 g z 一2 0 0 2 泛油，路框差，修补损坏 2 3 复合式路面使用性能的评价 2 3 1复合式路面使用性能评价指标的选择 我国公路养护技术规范( j t j0 7 3 - 9 6 ) 规定，路面使用性能评价内容可分 为结构状况评价和路面功能状况评价两部分，结构状况评价主要是路面损坏状况 评价( 沥青路面还有路面承载力评价) ：而功能评价主要是指路面行车舒适性评价 ( 主要与平整度有关) 和安全性评价。规范并没有关于复合式路面使用性能评价 方面的内容，在研究复合式路面使用性能的评价方法之前，我们先来分析一下规 范对沥青路面、水泥混凝土路面使用性能评价方法的规定，新老规范对沥青路面、 水泥混凝土路面使用性能评价指标关系的规定分别如图2 1 、图2 2 所示。 1 4 复合式路面使用性能评价指标的选择 图2 2 新规范( c j j 3 6 2 0 0 6 ) 车行道的评价指标体系 f i g 2 1e v a l u a t i o n i n d i c a t o r s y s t e m o f c a r l a n e i n n e w i l o r m 由图2 1 、图2 2 可以看出，与沥青路面相比，水泥混凝土路面使用性能的评 价并没有路面结构强度这一项，这是因为水泥混凝土路面结构的强度一般都比较 高，能满足路面的承载要求。平整度、破损、抗滑能力则是两种路面结构都应该 进行的评价内容，只是调查指标和评价指标有所不同。 复合式路面结构，刚中有柔，以刚为主，沥青混凝土层在很大程度上缓解了 行车对路面板的冲击，使水泥混凝土板较少出现边角崩裂、板块开裂等结构破坏 现象，水泥混凝土扳具有较高的承载能力也使复合式路面结构具有较高的强度。 结合前文对复合式路面结构使用性能现状的分析，本文认为，复合式路面结构使 用性能的评价指标关系如图2 3 所示。 圈圈圈圈 圈圈圈圈 北京交通大学硕士学位论文 图2 3 复合式路面使用性能评价指标体系 f i g 2 3e v a h t a t i o ni n d i c a t o rs y s t e mo f c o m b i n e dt y p ep a v e m e n t 2 3 2复合式路面使用性能评价指标的测量 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。 ( 1 ) 路面平整度的测量 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来量测。 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 - 7 2 纵断面分析仪。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 1 6 复合式路面使用性能评价指标的选择 加的国际研究小组，在巴西进行了大规模的路面乎整度实验。在此基础上提出了 采用国际平整度指数( i r i ) 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 )