[PPT]高速公路半刚性基层沥青路面预防性养护体系研究

1、高速公路半刚性基层沥青路面预防性养护体系研究路面预防性养护意义高速公路快速发展养护维修成为公路建设的继续高速公路沥青路面早期破坏比较严重研究高速公路沥青路面预防性养护技术成为迫切需要国外研究投入力度大，技术应用范围广，取得了一定的经济效益。研究成果是根据本国公路结构形式，交通状况，材料性质和地理环境条件等建立起来的，有一定的局限性。无法直接应用国外研究状况分析国内研究状况分析现行公路沥青路面养护技术规范规定对路面进行预防性、经常性的周期性养护。规范中没有路面预防性养护的明确定义。国内相关研究要么太过笼统，要么太具体，没有形成系统的方法和理论。预防性养护研究尚处于起步阶段 。高速公路半刚性基层沥

2、青路面结构特性路面结构层层间状态特性路面抗裂特性研究路面耐水特性路面养护特性路面荷载特性层间连续条件很难一直成立!路面结构层层间状态特性路面抗裂特性 路面耐水特性自上而下的水损坏 自下而上的水损坏 路面荷载特性 半刚性基层沥青路面对大交通量及重载交通的敏感性大，而超限超载现象在我国又是客观存在。不同车道路面的使用性能和承担的轴载差别巨大，理论上已构成完全不同的路面，在养护中应当分别采取有针对性的、不同的维修措施。 养护维修特性半刚性基层损坏后没有愈合能力，且无法进行修补。半刚性基层“补强”设计在理论上成立，在现实中却很难实现。 结构性损坏 功能性损坏 较易处理必需进行基层修复或补强设计高速公路

3、半刚性基层沥青路面结构特性分析路面预防性养护定义路面预防性养护定义 根据实施的时间、养护工作的规模定义 预防性养护是涵盖了路面日常养护、小修保养以及根据路面性能及时地实施一些专项养护措施的养护活动。路面预防性养护广义概念路面预防性养护是为了防止路面过早出现严重的早期损坏，维持或改善道路通车条件，阻止大中修、重建活动的提前到来，力争延长路面使用寿命而在合适的时间、适当的路段、采取经济有效处置措施的养护活动。技术分析角度定义路面预防性养护是在路面良好或有轻微病害的时候，通过采取一定的养护措施，防止沥青面层过早损坏，避免半刚性基层非正常损坏，维持或改善路面行车舒适性、安全性的养护活动。预防性养护体系

4、框架研究内容1 路面预防性养护执行环境分析2 路面预防性养护评价体系研究3 路面使用性能参数修正预测模型4 路面预防性养措施应用决策研究5 路面最佳预防性养护时机研究预防性养护的核心是建立一个有效的决策系统，解决在一定的路段、一定的时间、采取一定的养护措施的问题。另外，预防性养护作为一种养护理念，其最终的贯彻实施不是单纯依靠具体技术的发展与创新，还取决于养护管理体制的健全和完善。因此，结合建立的体系框架需要对以下几方面进行研究： 路面预防性养护执行环境分析 在推广执行路面预防性养护的过程中，有很多因素影响制约着预防性养护技术的具体执行。因此，必须分析预防性养护本身的特点，以及影响其推广执行的因

5、素，为路面预防性养护构建一个良好的执行环境。需要从我国高速公路现行管理体制入手，分析路面养护管理的具体表现形式，总结影响预防性养护实施的主要因素；针对目前预防性养护存在的一些问题，提出一定的措施保证预防性养护技术的执行。路面预防性养护执行环境分析 我国高速公路管理体制 现行体制大体可分为：两个类型，五种模式，具体结构见图。 路面预防性养护执行环境分析 养护管理的表现形式 1）行政事业型。 2）企业化管理方式。 3）事、企结合的管理方式。 4）“一路一公司”的特管方式。 路面预防性养护执行环境分析 预防性养护管理的特点 1）针对路面病害的防治，养护行为具有超前性，同时又具有一定的局限性。 2）养

6、护行为具有很强的针对性。 3）养护行为具有严密的计划性和周期性。 4）养护行为具有长远综合经济效益和社会效益。 路面预防性养护执行环境分析 预防性养护实施中存在的问题 1）公众的认知程度2）管理体制的影响3）养护资金的影响4）微观企业行为的影响 5）养护专业化的影响 6）养护技术的影响路面预防性养护执行环境分析 构建预防性养护技术执行环境 现行沥青路面养护规范评价体系现行沥青路面养护规范评价体系分析 其中路面状况指数（PCI）包含了全部破损类型。而由预防性养护定义知道，预防性养护措施的执行是在路面处于良好或仅有轻微病害时进行的，路面不可能产生规范中所罗列的全部病害，所以必须基于路面预防性养护的

7、实施特点对路面病害进行归类定义。再者路面状况指数（PCI）是一个相对综合的指标，反映的是路面发生病害的综合状况，不能有针对性地指导路面养护活动。 现行沥青路面养护规范评价体系现行沥青路面养护规范路面综合指标PQI计算模型分析1）路面综合评定指标 (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。2）指标权重修正优、良、中、次、差5个等级所划分值域的中间值。3）利用路面状况指数不能体现路面主要病害在综合指标中的作用。4）对属于同一等级的路段无法再进行优劣比较。 路面预防性养护评价体系考虑实施路面预防性养护的前提条件是路面处于优良或具有轻微病害的状态

8、，将高速公路沥青路面破损状况评价指标分解为：路面裂缝路面车辙路面修补基于预防性养护技术的路面破损分类 路面预防性养护评价体系路面使用性能评价体系现行养护规范预防性养护评价体系路面预防性养护评价体系路面代表车辙深度：式中： 评定路段内车辙检测值的平均值； 评定路段内车辙检测的断面总数； 置信水平（保证率），一般取95或90； 评定路段内车辙检测值的标准差； 评价指标优良中次差车辙深度Dr（mm）5（5，10（10，15（15，2020路面预防性养护评价体系路面裂缝率： 单根裂缝的总长度 ；评价路段路面面积，以平方米计。 龟裂及块裂的总面积 ； 裂缝状况评价标准评价指标优良中次差裂缝率Ck（）3（

9、3，5（5，15（15，3030路面预防性养护评价体系式中：路面修补率：修补总面积； 评价路段路面总面积；评价指标优良中次差修补率Lr（）3(3，5.4(5.4，14.4(14.4，28.928.9修补总面积； 评价路段路面总面积；路面预防性养护评价体系路面综合评价 路面预防性养护评价体系路面综合评价 基于三角白化权函数的路面使用性能聚类评估 1）分项指标评价体系参考规范在建立路面单项评价指标时，将路面使用质量分为“优、良、中、次、差”5 个等级，其实质可看作灰色概念。为了方便应用根据划分的灰类，对5个单项评价指标取值范围人为地划分为5个灰数域与之相对应，并对一些评价指标作一定的处理。对于路面

10、行使质量指数取国际平整度指数，取值范围为212。抗滑性能指标由横向力系数SFC（取值范围为：1555）取倒数后乘以100表示，由此得到的取值范围为1.86.7，值越小表示抗滑能力越好。路面裂缝率、路面车辙深度和路面修补率三个评价指标根据前面所论述的来确定。下面给出了5个单项评价指标的灰类划分。路面预防性养护评价体系路面综合评价 1）分项指标评价体系 高速公路沥青路面性能评价指标体系 指标代号权重优良中次差12345平整度X12X144X166X188X11010X112抗滑X21.8X222X22.52.5X23.33.3X255X26.7车辙X32X355X31010X31515X32020

11、X340裂缝X40.2X433X455X41515X43030X440修补X50.2X533X55.45.4X514.414.4X528.928.9X535路面预防性养护评价体系路面综合评价 基于三角白化权函数的路面使用性能聚类评估 2）确定分指标的权重上表中的各分项指标的权重通过专家咨询，采用逐对比较法确定。将5个单项指标两两逐对比较，由专家判断确定各指标的相对重要性。若前1个指标比后1个重要，则前者得1分，后者得0分，若二者相当各得0.5分，累计各指标的得分，并进行正则化计算，求得分指标权重系数向量： 路面预防性养护评价体系3）三角白化权函数求出各分指标取数域延拓值和临界值。 基于三角白化

12、权函数的路面使用性能聚类评估 路面综合评价 路面预防性养护评价体系路面综合评价 算例分析 各路段分项指标值指标路段1路段2路段3路段4路段5平整度X17.55.86.88.63.2抗滑X22.82.42.431.9车辙X32114144.52.9裂缝X473.753.54.5修补X5106524.8给定一个分指标权重系数向量，对5条路段的分项指标来进行聚类综合评价。 路面预防性养护评价体系算例分析 各路段综合聚类系数及评价结果路段号熵评价结果10.0516 0.4084 0.7101 0.3658 0.0600 1.28100.7101中20.2225 0.7377 0.4836 0.0855

13、 0.0000 1.15740.7377良30.1602 0.6586 0.5730 0.1467 0.00001.19060.6586良40.3384 0.3517 0.4131 0.3076 0.0500 1.48230.4131中50.7922 0.4808 0.0713 0.0000 0.0000 0.83500.7922优利用以上方法除了可以对各个路段进行综合聚类评价以外，另外对于属于同一灰类的路段可以根据其综合聚类系数和灰类聚类系数的熵值进一步比较路段之间的优劣，判断路段所处的状态。 路面使用性能双参数修正预测模型 路面性能预测模型回顾 力学预测模型 力学经验预测模型 经验回归预测

14、模型 概率型预测模型 智能型预测模型 路面使用性能双参数修正预测模型 路面性能预测模型回顾 力学模型和力学经验模型有较为成熟的理论基础，但是该类模型结构复杂，计算工作量大。 经验模型寻求对现有数据的最佳拟合，由于实际情况极难完全反映，因此所建立的模型容易出现一些偏差或错误。 马尔可夫模型对未来路面使用性能的预测仅与当前路面状况相关这一假设与实际是很难相符的。 利用人工智能法建立的预测模型能够模拟人类的思考和判断过程，但需要大量的历史数据进行模拟训练。 目前我国路面使用性能建模面临的问题是用以建立模型及检验模型的可靠数据严重不足，缺乏必要的路面性能实测数据的积累。路面使用性能双参数修正预测模型

15、路面性能标准衰变方程分析 路面性能指数 初始路面性能指数 模型参数，寿命因子，形状因子。路龄，自变量；路面性能标准衰变方程分析 值对性能曲线的影响 （0.6 ）值对性能曲线的影响 （=12）值从4增大到12时，曲线形状的变化并不明显，即路面性能以基本相同的走向发展变化，只是到达初始值63.2的时间有所不同。 总结两参数在方程中的作用可知，路面性能曲线形状主要受形状因子参数控制，曲线对形状因子的敏感性要比 寿命因子大。 路面使用性能双参数修正预测模型 路面性能标准衰变方程分析 模型参数分析 PCI反算形状因子（西三线） PCI反算形状因子（西临线） 寿命因子和形状因子都应该是动态变化的路面使用性

16、能双参数修正预测模型 通过分析可以认为两参数唯一确定路面衰变模式，可以大体描述路面性能的衰变趋势，但无法精确反映路面的动态变化特性。两参数应该是在外部因素的作用下，随路龄动态变化的。在设计轴载作用下，路面的设计和施工水平基本决定了路面的使用寿命，但交通轴载、环境状况、路面养护等外部因素则影响路面性能衰变的速率。 路面性能标准衰变方程分析 路面使用性能双参数修正预测模型路面使用性能双参数修正预测模型双参数修正建模 形状因子为重要的动态参数，依据“后今薄古”的思想，采用参数自适应跟踪算法处理。该思想包括两层含义。第一层含义认为距离预测年第n1年越远年份的数据对预测值的影响越小，距离预测年第n1年越

17、近年份的数据对预测值的影响越大，也就是说越新的数据越是能反映当前的情况。第二层含义体现在对数据资料的更新上，即根据分析对早期的实测数据进行合理的取舍。 路面使用性能双参数修正预测模型双参数修正建模 对于寿命因子根据道路交通量实际增长规律，视其为交通轴载的函数进行修正。 路面使用性能双参数修正预测模型双参数修正建模 路面使用性能双参数修正预测模型双参数修正建模 算例分析 西三线1号路段PCI值曲线 西三线2号路段PCI值曲线 路面使用性能双参数修正预测模型1）两种修正法的单独应用不仅说明了两个参数动态变化的事实，而且进一步验证了两个参数对预测结果的影响程度不同。不同预测方法结果比较显示，双参数修

18、正的预测值和实测值最接近，误差最小。 2）如果路面使用性能衰变比较稳定，则预测值也趋于稳定，且预测误差较小。相反，如果路面使用性能衰变幅度较大，预测值则会以相同趋势变化，但预测误差相对较大。 3）在建模时，针对形状因子采用的是参数自适应跟踪法。该法借鉴的是一种 “厚今薄古”的思想，即在处理历史数据的时候，认为离预测年越近的历史数据，越应该受到重视，离预测年越远的历史数据，重视程度就应该越低；对于过于久远的历史数据，甚至可以不予考虑。路面预防性养护措施应用决策目前，国内缺乏对沥青路面预防性养护技术深刻的认识和研究，以至于一些人对整个预防性养护体系存在片面、模糊的理解。片面认为预防性养护就是简单地

19、执行某种养护措施，夸大其养护效果。就沥青路面预防性养护措施而言，它包含了多种具体的养护技术，而不是某一、两种养护技术就能代表的，并且每一种养护措施都有其自身的特点。 路面预防性养护措施应用决策根据目前常用养护措施，结合前面对沥青路面预防性养护所下的定义，把沥青路面预防性养护技术大体归结为4类：1）裂缝填封；2）局部缺陷修补；3）表面封层；4）薄层罩面。 预防性养护技术归类路面预防性养护措施应用决策预防性养护措施的适用性分析 裂缝填封和局部缺陷修补属于不确定性实施措施，表面封层和薄层罩面属于确定性实施措施。路面预防性养护措施应用决策沥青路面病害推荐预防性养护措施病害类型表现形式处置措施裂缝龟裂轻

20、表面封层、薄层罩面中谨慎采取预防性养护措施重局部修补纵向裂缝裂缝处置横向裂缝裂缝处置不规则裂缝裂缝处置车辙失稳车辙没有可采用的预防性养护措施压密型车辙表面封层、薄层罩面修补类坑槽局部修补泛油表面封层松散、麻面雾封层、表面封层、薄层罩面磨光表面封层、薄层罩面唧浆局部修补啃边局部修补路面预防性养护措施应用决策裂缝填封适用对象分析表龟裂纵裂横裂不规则裂缝轻中重轻重轻重轻重裂缝填封*注：代表有效可行； *代表需谨慎或特殊处理； 代表不可行。路面预防性养护措施应用决策注：代表有效可行；*代表需谨慎或特殊处理；代表不可行。几种养护措施的适用性分析表薄层罩面雾封层稀浆封层微表处石屑封层平整度与稳定性无关与稳

21、定性有关车辙10mm10mm R25mm*25mm *不需处理的微裂缝松散、麻面泛油磨光交通量ADT/车道20002000ADT5000*路面预防性养护措施应用决策沥青路面预防性养护是许多养护措施的集成，而不是某一、两种养护措施所能代表的。每一类养护措施具有自身的技术特点，它们各自使用的材料不同、施工工艺不同、预期使用寿命不同、成本造价不同、适用的对象不同等等。它们具有一定的共性，都是在不改变结构承载能力的情况下，在一定范围内恢复或改善路面服务能力；延缓面层沥青的老化；防止、减少水分进入路面结构内部，降低路面的破坏率。路面预防性养护措施应用决策路面预防性养护决策框架 为解决预养护路段的确定和预

22、养护措施的选择问题，利用前面确立的路面预防性评价体系，然后结合形成的常用预养护措施的对策集，最终制定路面预防性养护决策框架。 1）路面强度评价。检测路面强度，只有强度指标达到要求的路面才考虑进行预防性养护。2）初级阶段预防性养护技术措施决策。对于路面强度满足要求的路面，根据路面实际状况进行必要的局部缺陷修补、裂缝填封以及车辙修复。这些养护措施的决策过程体现在日常养护行为中。3）路面单项评价指标值的分析。对路面进行全面评价形成单项评价指标，这些评价指标是进行预防性养护的基础。实际上每个单项指标都应该存在一个阈值，以便用来进行预防性养护决策。4）中、高级阶段预防性养护技术决策。在对各单项指标的评价

23、值进行分析之后，根据交通量确定相应的封层或薄层罩面等预防性养护措施。 路面预防性养护措施应用决策路面预防性养护决策框架 各单项指标预养护决策阈值表评价指标控制性阈值极限阈值控制指标裂缝率(%)修补率(%)抗滑系数（SFC）路面行驶质量（RQI）强度指数（SSI）阈值5.45407.00.83针对不同的单项评价指标定义两种阈值。第一种阈值为控制性阈值，即当评价指标值达到设定值之前都可以采取预防性养护措施，而一旦超过此值则不再适合预防性养护，此类阈值适用于路面破损指标裂缝率和修补率。第二种阈值为极限阈值，即当评价指标值到达设定值时必须采取一定的养护措施，此类阈值适用于路面舒适性和安全性指标。根据第

24、三章制定的评价标准，然后结合主客观判断给出各单项指标阈值的推荐值，见下表。在确定评价指标的阈值时，需要结合气候分区深入研究路面性能的衰变过程，因此为使决策更加合理此研究必须深化。 路面预防性养护最佳养护时机利用建立的养护措施集合和决策框架可以来选择不同的预防性养护措施，但给出的结果是在某一时间段内都可以进行预防性养护。对于四大类中的路面局部缺陷修补和裂缝填封，养护措施的实施完全体现在平时的日常养护活动中。这两类养护行为具有很大的随意性，技术上很难确定一个固定的养护周期。另外两类养护技术根据其技术特点都应该有一定的计划性和周期性。需针对同一种预防性养护技术寻求确定其最佳养护时机的方法。 在费用效

25、益分析方法的基础上，结合路面性能参数的变化来定义预防性养护的效益值，即根据分析期内实施预防性养护前后路面性能指标曲线面积的变化综合定义效益值。路面预防性养护最佳养护时机基于路面性能指标的养护效益分析 性能指标随路龄递减 对于随路龄递减的路面性能指标（平整度指标和抗滑系数），在分析期内以实施一次预防性养护措施为例，未实施和实施预防性养护措施其曲线变化见下图，然后定义基于路面性能的养护效益。未实施预防性养护的路面性能曲线实施预防性养护后路面性能曲线路面预防性养护最佳养护时机基于路面性能指标的养护效益分析 性能指标随路龄递增 对于随路龄递增的路面性能指标（路面车辙、裂缝率和修补率），在分析期内以实施

26、一次预防性养护措施为例，分析未实施和实施预防性养护措施的路面性能曲线变化见下图，然后定义基于路面性能的养护效益。未实施预防性养护的路面性能曲线 实施预防性养护后路面性能曲线路面预防性养护最佳养护时机基于分项性能指标的综合效益评价 确定分析期 定义相对效益： 定义综合效益： 路面预防性养护最佳养护时机基于分项性能指标的综合效益评价 路面预防性养护最佳养护时机费用分析等额年费用值 费用折算成现值： 路面预防性养护最佳养护时机养护时机的决策指标 综合前面分析，可以形成四个决策指标：综合效益值、等额年费用值、效益指数和路面服务寿命变化量。根据这四个决策指标可制定不同的决策原则。 1）费用最小原则。2）

27、最大综合效益原则。 3）最大单位费用效益原则。 4）最长服务年限原则。5）综合平衡原则。 路面预防性养护最佳养护时机养护时机决策步骤分析路面预防性养护最佳养护时机算例1 未实施措施的各分项路面性能指标衰变回归方程：分项指标名称衰变回归方程备注行驶质量指数RQI100.87t0.1058t为路龄路面抗滑摆值VBPN=49.761.46t裂缝率Ck=0.3863t车辙深度Dr=0.692t1.8分项指标名称衰变回归方程备注行驶质量指数RQI100.732t0.0089t代表实施养护措施后的时间路面抗滑摆值VBPN=49.31.48t裂缝率Ck=1.5969t车辙深度Dr=3.4599e0.1336

28、t利用西临线有限的路面检测数据对决策方法进行检验。针对路龄分别为4、6、8年时实施罩面养护等三种方案进行分析。假设不同时间实施罩面后路面性能衰变方程保持不变。 路面预防性养护最佳养护时机算例1 决策指标计算结果实施时间综合效益等额年费用/元效益指数服务寿命变化量/年40.116939067.2721.56021.660.208427375.6454.85310.480.279020097.881002.4结果显示：三个方案中处置实施时间越晚，越能够得到良好的综合效益，等额年费用最低，效益指数最大，获得的额外服务寿命越长。但事实上，这是不符合工程实际的。造成这种计算结果的原因在于对于不同方案采用了统一的回归方程，没有体现路面性能在不同的处置时间对应着不同衰变方程的事实。综合效益分析的精度主要取决于所描述的路面性能曲线的准确程度。 路面预防性养护最佳养护时机算例2 假设的路况指数衰变方程实施时间路况指数（PCI）衰变方程备