公路瀝青路面使用性能評價及預測研究

姚澤瑞

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

公路瀝青路面具有平穩舒適、耐久抗滑性能好等優點，在我國公路工程建設中得到廣泛應用。公路路面運營期間，受到車輛荷載、降雨等因素的影響，瀝青混合料會出現一定程度的老化，導致使用性能大幅度降低，嚴重影響行車安全性和舒適度。結合交通運輸部門的統計數據，每年因公路瀝青路面使用性能不足導致的交通事故死亡人數數以萬計。鑒于此，需要及時對破損路面進行養護，以恢復或提高路面使用性能。因此，研究公路瀝青路面使用性能的評價方法和預測模型具有十分重要的工程意義。

1 公路瀝青路面使用性能的基本內涵

目前，國內外學者和工程技術人員對公路瀝青路面使用性能的定義尚無統一結論，但基于行車需求和舒適度，路面使用性能包括以下四個方面。

1.1 結構性能

在車輛荷載和自然環境因素的作用下，路面結構在運營期間會發生各類損壞。根據公路瀝青路面的破損形態不同可大致分為裂縫類、變形類、松散類等。公路瀝青路面的結構性能反映了保持路面結構完整無損壞的能力，路面的結構性能越好，路面損壞的難度越大。

1.2 結構承載力

公路瀝青路面的結構承載力反映了路面的剩余壽命，即路面還能承受的軸載作用次數，可根據路面的彎沉值來估算其結構承載力。路面的結構承載力和路面的損壞狀況存在密切聯系，結構承載力越低，路面損壞的速度越快，當路面的結構承載力超過極限狀態，路表將嚴重損壞。

1.3 安全性能

公路瀝青路面的安全性能可用路面摩擦系數來評價，摩擦系數與集料形狀和表面紋理、路面構造深度等因素有關。一般情況下，公路瀝青路面的摩擦系數越大，抗滑能力越好，路面的安全性能也越好，反之亦然。

2 公路瀝青路面使用性能的評價指標

公路瀝青路面使用性能的評價指標包括單項指標和綜合指標：單項指標只是對路面某一方面的特性進行評價；綜合指標充分考慮了各單項指標對路面使用性能影響程度的不同。對單項指標賦予不同權重系數后加權平均，可以評價路面使用性能的綜合狀況。

根據《公路瀝青路面養護技術規范》(JTG 5142—2019)（簡稱《規范》），公路瀝青路面使用性能的評價體系主要有路面損壞狀況指數PCI、路面行駛質量指數RQI、路面車轍深度指數RDI、路面跳車指數PBI、路面磨耗指數PWI、路面抗滑性能指數SRI、路面結構強度指數PSSI，通過對以上7 個單項指標賦予相應的權重，可以計算出路面技術狀況指數PQI，以綜合評價公路瀝青路面使用性能。利用PQI 數據可對路面使用性能分級，分級標準見表1。

表1 公路瀝青路面使用性能分級

2.1 路面行駛質量

公路瀝青路面行駛質量指數可用平整度表示，計算公式如下：

式（1）中：

IRI

為路面平整度指數，m/km；

a

為計算系數，高速公路和一級公路取0.026，其他公路取0.0185；

a

為計算系數，高速公路和一級公路取0.65，其他公路取0.58。

目前檢測公路瀝青路面平整度的儀器包括斷面類和反應類兩種：斷面類儀器是用來測定路面的凹凸不平狀況，常用儀器有3m 直尺測量和連續式平整度儀；反應類儀器需要在專用測量車上安裝傳感和顯示設備，一般采用激光平整度儀和車載顛簸累積儀。

2.2 路面結構承載力

路面結構承載力指數可用彎沉表示，計算公式如下：

式（2）～式（3）中：

l

為路面允許彎沉，mm；

l

為路面實測彎沉，mm；

a

、

a

為計算系數，分別取值為15.71和-5.19；

SSR

為路面結構承載力系數，無量綱。

傳統的路面彎沉測量采用貝克曼梁法，由于該方法受人為因素影響大，測量速度慢，精度低，不太適用于長距離檢測，目前多采用落錘彎沉儀或自動彎沉儀測定彎沉。使用彎沉儀測量時通常以100m 為間距，先測量各點彎沉的平均值，再計算路段代表彎沉值。

2.3 路面損壞狀況

路面損壞狀況指數可用破損率表示，計算公式如下：

式（4）～式（5）中：

ω

為第i 類路面破損的權重；

A

為第i 類路面破損的面積，m；

A

為路面破損總面積，m；

a

、

a

為計算系數，分別取15 和0.412；

DR

為路面破損率，%。

公路瀝青路面破損面積檢測通常采用車載高速攝像儀器，檢測效率高，對行車安全影響較小。檢測設備能夠根據采集的圖像信息自動分析，輸出各種路面破損的面積。

2.4 路面抗滑能力

路面抗滑能力指數可用橫向力系數SFC（側向摩阻力與垂直荷載的比值）表示，計算公式如下：

式（6）中：

SRI

為標定系數，可取35；

a

、

a

為計算系數，分別取28.6 和-0.105。

3 公路瀝青路面使用性能的評價方法

3.1 層次分析法

層次分析法是將影響公路瀝青路面使用性能的各個因素劃分為三個相互關聯的層次（見圖1），并賦予各層一定的權重系數。同時，根據上下層因素之間的相對重要性關系建立判斷矩陣，進行一致性檢驗，基于檢驗結果再進行評價。

圖1 路面使用性能影響因素的層次關系

矩陣的一次性檢驗公式如下：

式（7）中：

CR

為隨機一致性指標，

CR

＜1 可認定矩陣一致性滿足要求；

RI

為平均一致性指標；

CI

為一般一致性指標。

層次分析法可以把復雜問題簡化為系統化的層次，所需的評價數據較少。但是，在確定各指標的相對重要性時，往往需要咨詢多個專家評分，評價結果受主觀影響大，可能出現同路段的公路瀝青路面使用性能評分差值較大的現象。

3.2 灰色聚類法

灰色聚類法首先要建立與隸屬函數相似的白化權函數或功效函數，然后將各項路面使用性能評價指標進行聚類，以得到路面路況綜合級別。灰色聚類法計算較簡單，既能夠減少人為因素對路面狀況評價結果的干擾，還能確保在路況信息較少的條件下獲得較準確的評價結果，但是如果評價指標量綱不統一或白化權函數選擇不合理，評價結果的準確性會產生嚴重偏差。

3.3 模糊數學法

模糊數學法需要建立各評價指標的隸屬度函數，然后結合路面狀況的實測數據得到路面使用性能的綜合評價模型。該方法表征公路運營期間路面使用性能的不確定性和模糊性，符合客觀規律，但如果采用線性加權平均來計算評價指標，可能使評判結果失效。

4 公路瀝青路面使用性能的衰減規律和預測模型

在公路項目運營期間，公路養護人員需基于路面現狀，預測未來一段時間內的使用性能衰減規律，以確定合適的養護時間和養護方案，減少養護資金投入。

4.1 路面使用性能的衰減規律

相關研究表明，公路瀝青路面使用性能隨運營時間的衰變模式主要有凸型曲線、凹型曲線、反S 型曲線、直線型曲線四種，如圖2所示。

圖2 路面使用性能衰減曲線

凸型曲線是最常見的一種路面使用性能衰減模式，表示路面使用性能衰減速度先慢后快。當公路運營超過某一時間點，路面使用性能會出現驟降。主要是因為：路面在運營初期，結構承載能力較強，能有效抵抗各種行車載荷，但隨著時間推移，路面容易產生各種裂縫、變形等，會降低路面的結構能力，導致路面損壞速度越來越快。凹型曲線表示路面使用性能衰減速度先快后慢。因為設計方案不合理或施工質量控制不佳，導致路面在運營初期就出現了損壞，大幅度降低了其使用性能，養護單位會投入大量資金修補路面，以延緩路面使用性能的衰減速度。反s 型曲線可以視為凸型曲線和凹型曲線的組合，表示路面使用性能衰減速度先慢后快，再變慢，屬于一種出現頻率較低的路面衰減曲線。直線型曲線表征瀝青路面在運營期間使用性能衰減速率基本保持定值，這說明路面運營初期就出現了較嚴重的損壞，后期養護單位未針對相應病害進行養護維修。

4.2 路面使用性能的預測模型

在掌握公路瀝青路面使用性能衰減規律的基礎上，還需要建立路面使用性能與軸載作用次數之間的關系模型。常用的瀝青路面使用性能的預測模型可分為確定型和概率型兩大類。

4.2.1 確定型預測模型

確定型預測模型包括經驗法（如Empirical Prediction Model）和力學法。

經驗型預測模型是基于路況調查數據，建立路面使用性能與影響因素之間的經驗函數關系，即可預測路面使用性能隨道路運營時間的變化規律，計算公式如下：

式（8）中：

C

為路面使用性能；

b

為函數斜率；

X

為公路運營時間，月；

m

為函數修正參數。

力學法基于彈性力學理論，分析路面在車輛循環荷載作用下的受力情況，根據路面結構層的力學響應規律，計算出路面損壞時的臨界應力及該狀態的出現時間（養護時機）。

4.2.2 概率型預測模型

相對于確定型預測模型，概率性預測模型可以考慮影響路面使用性能的不確定因素，如極端天氣。概率性預測模型的分類及特點，如表2所示。

表2 路面使用性能概率性預測模型

5 結論

分析了公路瀝青路面使用性能的評價指標及測量方法、評價方法、性能衰減曲線及預測模型，主要得到了以下結論：其一，公路瀝青路面使用性能通常指的是功能性能、結構性能、結構承載力、安全性能四個方面；其二，公路瀝青路面使用性能評價可基于《規范》中推薦的路面技術狀況指數PQI 法，并利用層次分析法、灰色聚類法、模糊數學法進行校核驗證；其三，路面的使用性能隨運營時間的衰變模式主要有凸型曲線、凹型曲線、反S 型曲線、直線型曲線四種，其中凸型曲線最普遍；其四，公路瀝青路面使用性能的預測模型有確定型和概率型兩大類，前者包括經驗法和力學法，后者包括Markov 模型、殘存曲線模型等。