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1、耒宜高速公路路面中长期性能及养护维修策略研究研究报告（初稿）长沙理工大学二九年七19第一章 绪 论1.1 研究背景随着经济建设的发展，对作为先行的交通提出了愈来愈高的要求，反映在公路运输方面，是交通量的迅猛增加和车辆载重量的不断增大。交通量及轴载的增加，导致了道路状况的加速恶化，路面结构承载能力衰减加剧。为使路面服务水平维持在一定水平，给道路使用者提供快速、舒适的通行环境，需要不断地投入养护资金，及时进行路面大中修养护，采取养护措施后，路面使用性能变化又直接影响下次养护决策，及公路养护的实施时间和实施方案会对以后多面的养护资金投入、路面状况产生持续影响，如何根据高速公路具体使用性能、制定科学的
2、养护维修方案规划己是高等级公路管理部门面临的一个重要问题。目前，高速公路养护费用成为各地高速公路管理部门的主要支出，但是高额的养护费用仍然不能满足较大规模的修补，而且随着路龄的增长养护费用还有逐年上升的趋势。为避免养护维修的盲目性而带来不必要的浪费，开展道路的中长期的养护方案规划尤为重要，其目标就是要解决怎样合理地确定预算，制定计划，怎样最优分配和使用养护维修资金，确定路网中的项目的维修顺序、维修时间及维修措施等实际问题。耒宜高速公路是京珠国道主干线的重要组成部分，也是我省的南北交通大动脉。自2001年底建成通车以来，随着沿线经济社会的快速发展，耒宜高速公路车流量和交通轴载不断增大，路面出现了
3、多种类型、不同程度的损坏，给行车舒适性造成了极不利的影响，部分路段甚至对行车安全构成了威胁。耒宜高速公路养护维修任务十分繁重，养护经费连年增长，到2007年养护维修经费已突破八千万元，但仍不能满足养护维修的需要。同时耒宜高速公路的养护维修有其自身的难点：其一，耒宜高速公路为京珠高速的主干道，交通压力巨大，也给大范围的养护维修作业带来了一定的难度。其二，耒宜高速公路有普通水泥混凝土路面、沥青混凝土路面、连续配筋混凝土路面和钢筋混凝土路面等四种路面结构类型，损坏程度不一，维修方法不同。耒宜高速公路路路面性能到底处于什么样的水平、存在哪些病害、根据现有路况和交流流量及轴载的情况，耒宜高速公路应该如何
4、进行养护方案，使得其投入最小而又保证其应有的服务水平、在设计使用寿命期内到底需要进行几次大修、在若干次大修之间的年限内为保证既定的服务水平需采用什么样的维修措施（中修）、各次大中修的投入和产出如何等等，这些问题也是长期困绕着耒宜高速公路管理者的难题。因此，结合耒宜高速公路的实际情况，系统地开展本项目的工作，对于提高耒宜高速公路养护管理水平，提高现有路面的使用性能，节约并合理利用有限的养护、维修资金，延长耒宜高速公路路面的使用寿命，提高路面服务水平具有十分重要的意义。也完全符合交通部提出的变传统的出现路面破坏才采取修补的被动养护，为先预测路面的工作状况，预先采取措施，防止病害和破损的产生的主动养
5、护的精神。1.2 国内外研究概况进行路面中长期养护方案规划是一项涉及到技术、工程经济等多方面内容的复杂系统工程。目前无论是在国际上还是在国内都是一个全新的课题，尚无统一的模式。到目前为止国内外开展的多数是该课题的一些前提性课题研究，即主要集中在路面结构使用性能评价、预测等方面，近十多年来才开始路面管理系统的研究与开发，用来辅助路面养护、管理工作。1.2.1国外研究现状1.2.1.1路面结构使用性能评价模型研究路面结构使用性能是对路面结构性能状况的总体描述，在具体进行路面日常及中长期养护、维修规划设计时，简单地根据路面破损分类和单项指标评价显然是不能满足要求的，因此建立路面结构使用性能的综合评价
6、模型就显得非常必要。世界上第一个路面性能评价模型PSI是由美国AASHO基于近十年的试验观测结果于二十世纪60年代中期提出的。以AASHO的PSI模型基础为范例，包括加拿大、日本及我国在内的许多国家和地区都分别研究提出了不同性质的路面结构使用性能评价模型。这些模型的共同特点是依靠专家评分技术进行评价，其典型评价模型包括：（1）AASHO的PSI；(2)日本的MCI；(3)美军工程研究实验室的PCI。路面服务性能指数PSI是1960年计划实施的AASHO道路试验的重要研究成果之一，是公路管理行业第一次引入专家评分技术建立与工程实际客观联系的成功范例。在建立PSI模型时，研究人员把与公路相关的各种
7、不同职业的评价人员组织起来，成立了多个专家评分小组，通过在实际测试公路上行走来评分。PSI模型中包含了4个可变参数，即平整度、表面裂缝、路面修补度和车辙。在四个路面评价影响因素中，路面裂缝与车辙占很小的比重，这二种因素的变化对 PSI产生微小影响；相反，平整度（SV），尤其是当SV在10以下时影响显著。从模型参数（权重）看，PSI模型实际上是与平整度主相关的行驶舒服性模型。PSI模型反映了20世纪60年代美国公路管理的技术条件、公路部门对不同路面损坏的重视程度及研究人员的建模思路。美国研究人员将当时所能检测到的所有指标（4项参数）与PSI建立了联系，使PSI的评定结果能客观地反映路面的整体技术
8、状况，但又无法确定哪项具体的指标导致了PSI评价结果变好或变坏。路面养护管理指数MCI是日本饭岛在参考AASHO的PCI模型基础上，于1981年开发的养护管理指数MCI模型。与美国PSI不同，饭岛等采用的专家组是由道路管理人员组成的，现场评价的目的也仅考虑道路平整度、路面裂缝率和路面车辙对道路养护管理和养护需求的影响。在日本 MCI 的模型中，道路平整度占很小比重，其影响效果与日本道路养护技术规范的PSI基本相似，因此去掉平整度参数认为是合理的。日本的MCI模型由于考虑了多种关系模型以求准确处理不同的路面状况，给实际应用带来了混乱。与美国的PSI模型相比，日本的 MCI 模型是在美国PSI建模
9、的思路上的延伸，但是在将路面损坏因素分离开来，用单变量构建路面评价模型方面又具有一定的创新。与前两者不同，路面状况指数PCI是美军工程研究实验室利用专家扣分法建立的路面评价模型。用扣分法建立的路面状况评价模型PCI实际上是一种单因素非线性关系模型，它考虑了每种损坏扣分和重复损坏的影响。PCI 模型的扣分值和单项重复损坏修正系数（01.0）是根据专家经验确定的，其优点在于能够精确地计量和确定由多种损坏所导致的总体损坏程度，其缺点是必须准确取得不同损坏的扣分值和相关重复损坏修正系数，这是很难做到的。目前路面性能评价的数学模型很多，如模糊数学理论、人工神经网络和遗传算法等。模糊数学理论是在1965年
10、美国控制专家L.A.Zaden提出来的。模糊数学是用数学方法研究和处理具有“模糊性”现象的一种数学。所谓“模糊性”，主要指客观事物差异中的“不分明性”，比如路面使用性能的好与坏就是一种“不分明”性。针对现实的系统大多数属模糊系统这一客观事实，采用相当的数学理论和方法来建立模型和进行科学评价，这就是模糊评价。对于模糊理论，模糊数学理论避免了问题的部分含混与模糊性。但这种方法的一个缺点就是都要用到专家调查评分，虽然提出了惩罚函数主观调配法。但是，也同样参与了个人的看法，由于每个人对各种影响在看法上和认识上的不同，这势必会造成评判结果的差异性，因此，这两种方法的人为因素太重，缺乏客观性，也就难以得出
11、比较公正客观的评价结果。对于神经网络和遗传算法，他们作为人工智能的两个极其重要的分支，都具有十分突出的优良特性，能有效解决很多一般数学方法难以解决的问题，在很多领域得到了广泛的应用。现在在路面使用性能评价中用的较多的是BP网络，但是BP网络自身存在着收敛慢、易于局部收敛的缺陷，因此建模比较困难。遗传算法虽具有很强的全局性和鲁棒性，适应性好，但它也存在着易早熟，局部收敛性差等缺点，因此需要进行更深入的研究与改进。路面中长期使用性能的研究在国外很受重视。例如英国自1949年以后进行了6次大规模的路面结构性能与设计方法的试验验证工作，其1987年制定的路面设计方法，就是建立在对400多个试验路段长期
12、观测的路用性能数据基础上。美国各州公路工作者协会(AASHO)在1956 1960年间进行了著名的AASHO试验路研究了真实荷载作用下对路面使用性能的影响，并根据试验结果提出了AASHTO路面设计指南。西德对170个路段进行18年长期跟踪观测后，得出了半刚性路面与柔性路面使用性能比较的结论，并在第18届世界道路会议上作了介绍。在路面长期性能研究方面最为系统的应属美国。为提高本国高速公路网的服务水平，通过科技手段增强公路运输系统的有效性，美国联邦公路局(FHWA )于1982年委托美国国家研究院(NCR)的运输研究委员会开展了一项“战略运输研究调查”。在该调查所提出建议的基础上，FHWA和NRC
13、于1987正式投资5000万美元，启动国家战略公路研究计划(SHRP)，目标是为“提高路面性能和服务寿命，在不过分增加投资的前提下使道路更好地为客货运输服务”提供手段和帮助。路面长期性能(Long Term Pavement Performance简称LTPP)是SHRP的四个研究领域之一。作为一项持续20年公路研究项目，LTPP在SHRP工作结束后由FHWA负责继续进行，研究覆盖整个北美地区，该计划的内容可以概括为：对采用不同设计方案和不同材料、处于不同环境条件和路基状况下，经历不同荷载和养护维修措施的路面结构进行广泛深入的调查研究，解答荷载、气候、材料变异性、施工操作、养护维修实践等长期影
14、响路面性能的基本问题，为增加路面使用寿命提供技术支持。北美LTPP研究以试验、观测以及在此基础上的数据分析为主要技术手段。总的来说，路面工作性能的预测目前研究的都不是很深入，主要原因是道路结构是一个复杂的系统，在现有的基于力学计算的路面设计理论体系下，都是假定路面结构的各项性能是线性的，事实上构成路面结构的材料是千差万别的，而且在交通荷载和环境的共同作用下，表现的是一种非线性的响应，因此，所做出的各种预测都难以准确反映路面结构性能的真正变化趋势和未来的性状。1.2.1.2路面管理系统研究路面管理系统的研究起源于美国和加拿大，最初的目的是为了解决路面设计中的一些问题。路面管理系统的概念起源于20
15、世纪70年代的北美，许多研究者致力于引入系统分析和运筹学以建立路面设计系统（如柔性路面设计系统FPS和路面系统分析方法SAMP等）。在逐步的完善过程中，设计系统逐渐扩展为项目级路面管理系统，1971年首先出现了“路面管理系统”的术语。美国德克萨斯大学汉德森教授（Hundson）等运用运筹学和系统工程学理论开发了“路面养护管理系统”（PMS），随后美国和加拿大的许多州和省相继建立和实施网级路面管理系统。到80年代中期，约有35个州和省己经建成或基本建成路面管理系统。除此之外，其它国家也陆续开展并建立了路面管理系统，如丹麦路面管理系统（1980），英国运输和道路研究所（TRRL）的公路养护评价系统
16、（CHART，1980），新加坡提出了基于遗传算法的路面养护决策系统（PAVENET）等。在加拿大，通过“加拿大道路数据项目”的研究，“联邦技术调查公司”率先提出了科学的路面管理思想，并研制出了一套路面管理系统。80年代开发的自动化道路分析仪（ARAN车）是当时世界最先进的路面数据资料收集车辆。在英国，WDH公司研制开发出了一种路面管理系统软件，可用于路网状况的分析评价，预算分析和养护方案分析制定，并支持网络工作。总结国外路面管理系统的特点如下：（1）路面测试技术日益先进，路面数据采集设备以及相关软件研究比较成熟。已将数字图形处理技术和数字图形信息采集技术应用于公路路面管理中，并通过智能型路面分析系统对路面的结构破损和功能破损作出准确定量的评估，从而为科学的公路路面养护决策提供可靠的依据。（2）路况数据库建设日趋完善，实用化程度高。（3）以世界银行制定的公路设计和养护标准模型（HDM-）及近年
