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柔性路面性能模型的分析评述摘要公路网络系统的维护和修缮占据国家预算的主要开支。为此，各有关机构认为开发一个智能的、有效的路面使用性能模型是十分必要的，此系统可优先考虑路面的维修和养护工作。还可用于预测路面的剩余使用寿命和修缮需求，帮助制定合理的路面维修计划，降低公路局和道路使用者的各项成本。柔性路面性能或衰败模型主要涉及车辆和环境之间复杂的相互作用，以及道路结构和路面情况。性能模型则主要涉及路面损害状况，研究人员针对包括路面开裂、松散、破洞和粗糙在内的多个问题进行了深入分析。但这些模型大多只适用于某些特定条件下的交通和环境状况，因而当下的迫切需求是，提出一个可以完美适用于不同环境的模型。本文给出了关于各种路面性能模型的详细综述，从路面材料、环境因素、交通类型和交通流量等方面进行考量，并指出这些模型中现有理论的局限和不足。1、前言路面是一种用复杂方式应对外部交通荷载和环境条件的精细物理结构，其中包含沥青混合料、土壤团块、基层土壤等异质成分，而且根据交通和环境特点的不同，在不同的地区会呈现出不同的状态。有关路面的设计、施工、维护、修缮等工作的一个关键步骤就是评估，如评估和测量路面破坏程度，即开裂、车辙和结构特性的情况，及挠度和应变对未来的性能影响。条件预测是根据性能模型产生的，其数学表达式将环境数据与一组解释变量，如材料性能、路面设计特点、交通荷载、环境因素和历史维修记录等联系起来。为了测量和预测任何路面的性能，我们应采取一种可重复的、行之有效的现场校准状态评级系统（Shahin等人，1984年）。AASHTO（1993年）定义了路面使用性能为：一段时间内路面以良好状态服务大众交通的能力；它还进一步定义了路面使用可靠性为：路面服务人为设定交通的能力。许多模型已被各种研究人员提出，用于模拟路面性能。但在讨论这些模型的细节之前，我们要将可能影响路面性能的所有因素分类列出。交通荷载的相关因素包括：交通流量、车轴负载，单轴荷载数（ESAL）、轮胎压力、车轴类型和它们的配置类型，加载时间和加载机构等。施工、结构组成和材料性能的相关因素包括：用于路面施工的主要工程特性，如土路基层的强度和承载力，土壤分类和土壤团聚体、细砂石物理性质、细砂石配比性质、土层的弹性和回弹模量，以及泊松比等。环境相关因素包括：土壤水分、土壤温度、土壤分层及周围环境、冻融循环、湿度和降水、地下水的运动、毛细水或地表水等。2、路面性能模型路面使用性能模型是一个关于外在的“时间因素”（施加载荷的时间和数量），内在因素（结构响应、材料性能、排水等）和性能指标的方程或关系。根据这些属性的包容性，我们将性能模型分为三组，分别是：（1）表面特征基础的模型：这些模型主要包括粗糙、车辙、开裂、坑洞等信息，主要是由上面列出的这些交通因素产生的。除此以外，路面的使用年限也在这种模型的考虑之中。（2）基于环境因素的模型：此模型包含各种环境因素对路面使用性能的影响作用。（3）路面性能评级模型：这些模型，它允许使用某些任意的或加权值来定义路面的性能，这些数值是限定在一定范围内的不同数值。研究者们提出了各种指标，如PSI（性能），PCI（路面状况指数），PCR（路面状况等级）等。这些指标都是基于路面的各种特性，如之前提到的两类模型和基于这些特点的综合指指标（Guptaetal，2012年）。3、基于模型的表面特性表面特征从粗糙度、车辙、开裂等几个方面进行定义，具体的分组形式讨论如下。3.1粗糙度模型用于评估路面使用性能的简单的参数是公路表面粗糙度，这主要反映的是用户的看法。粗糙的路面会直接影响到行驶质量。任何递增的表面损坏都睡引起表面粗糙度的增加。对于铺设地很薄的沥青公路，其路面可能早在车辙达到损害临界度之前就破碎了。粗糙度通常用国际平整度指数（IRI）表示，它代表在米/公里这个单位下，一个车轮的垂直运动量的累积。“四分之一”汽车模型（Sayersetal，1986年）一般是用来分析每个车轮经IRI计算后的剖面数据。Al-Suleiman等人（1989年）评估了路面使用年限和交通荷载对路面日常维护效果的影响。表面粗糙度的变化被认为是作为衡量路面恶化的重要指标。回归模型来研究日常维护支出水平、路面使用年限和表面粗糙度的变化对交通荷载的影响。HDM-4（kerali，2000年）路面恶化模型包括车辆、环境、路面结构和表面之间复杂的相互作用。路面恶化模型可以预测，已经显现出各种破损情况下的路面随时间推移的恶化情况。HDM-4粗糙度模型包含车辙深度组件、交通、路面强度和使用年限等。美国印第安纳州运输部（INDOT）（Gulanetal，2001年）用最小数量的路面类型解释变量（独立的）为未来的修复和更换计划提供了简单的新型路面使用性能预测模型。这项研究并没有产生统计方面功能强大的路面性能预测模型，这可能是由于试验段的施工和地基不均匀造成的。NCHRP1-37A项目（NCHRP，2004年）说明永久变形、热分裂和疲劳开裂是影响粗糙度的最主要的破坏因素。当地的环境条件和使用的基层材料事实上增加了这些破坏因素。基于不同基层材料，即颗粒、沥青、水泥与粒料的模型已经建立好了。基层路面的粗糙度模型如下：prozzi和madanat（2003年）分别开发了基于IRI和车辙的模型。IRI模型主要考虑混合设计因素、层的厚度、交通荷载和材料特性。3.2车辙模型永久变形或车辙是一个中等或高温条件下的载荷累积造成的载荷相关破坏，此时的沥青混凝土混合物具有最低的刚度。这个过程可分为3个阶段。最初的车辙情况出现在早期的服务生涯中，它主要是由混合物的致密化（交通压力引起的压缩效果）和塑性变形率的下降引起的。在第二阶段，车辙量保持在一个稳定的增率下较小增长，其混合物主要产生塑性剪切变形。第三阶段时会发生剪切破坏和混合流破裂。第三阶段通常不出现在目前正在使用的路面中，这主要是由于一些预防性维护性工作和康复工作。永久变形是使用经验模型进行预测的，第一和第二阶段提供了相关路面应变值数值。这些模型的具体信息会在表1中给出。其中，a，a1，b，b1，c，d，f，m，s，ε0，β，和ρ=正回归（材料）常数；m=永久变形参数在永久应变和弹性应变之间的恒定比例（即在N=1时的永久应变）；α=1–B=永久变形参数，表示在永久变形下作为负载的重复数增加的下降率。通常，α值大于0。C=T2.02755/5615.391是温度的函数（°F）,A=1/epβ是一个小于1的常数。总的永久变形量是来自所有层的车辙深度的总和：RDtotal=RDAC+RDbase+RDsubgrade（3）也可以写成：（4）其中，N=子层的数量（εP）i=子层i中的纵向塑性应变层厚度Δhi=子层i的厚度DAS和Pandey（1999年）开发了一种，从印度不同地区收集沥青路面的性能数据，来测量破损街道路面张力参数的机械设计方法。Archilla和Madanat（2001年）开发了一种用实验数据导出的经验车辙连续模型。这个模型最显著的规格特点是，它使用了传统的（预定）轴重和结构数等参数，并且它包含了融化指数项的环境因素。估计结果表明，模型很好地模拟了真实的路面行为，加入环境变量是为了避免其他重要参数方面的偏差。我们同时发现，一些由两轮车裂模型之间的参数估计导致的重要差异，会引起的非线性参数之间的相互作用。Fwa等人（2004年）利用以C–φ关系为基础的方法建立了车辙预估模型。该模型采用了被广泛使用的，有关力量关系的的表达式，作为累积损伤预警的基本表达式。该基本表达式通过合并下列影响得到改进方程，具体操作为：（1）运用C–φ之间的关系，通过应力比计算荷载的作用；（2）温度的影响；（3）加载速度的影响。3.3讨论路面之所以会产生破损问题，最重要的因素是路面的使用年限，和年平均日交通较量与交通的类型。在路面得到定期保养的条件下，粗糙度的持续降低应该被看作路面使用性能模型的一个因素，同时，它也可以被纳入如修补或密封路面之类的活动引起的维修经费的预算范围。车辙事实上是一种路面的永久变形。研究人员提出了各种各样的车辙模型，如半对数模型、指数模型、幂律模型等，这些模型都认为重复出现的过大荷载是发生车辙现象的主要原因。在实证文献中最常见的相关发现是车辙深度的凹陷形状与重复的荷载累积数量之间的关系。这种趋势已经和Maree等人（1982年）发现重型车辆模拟器的实验，以及Harvey，Popescu（2000年）实施的其他实验，如AASHO道路试验（HRB，1962年）中发现的规律相吻合。此外，大多数模型中列举了这样的凹形槽（Lister，1981年；Paterson，1987年）。一般认为，路面的表层性质是造成这些路面破损的主要原因。而其他因素主要包括：路面地基的性质和厚度，路基工程和基本层。我们已经很好地完成了针对性能预测模型的研究，但是在其他一些领域的探索仍有不足。许多粗糙和车辙模型的发展仅限于线性指标时的情况，没有考虑其他的环境因素在其中。但是现今，许多研究人员像Paterson（1987年），HDM-4（kerali，2000年），和Prozzi和Madanat（2004年）等提出，应该从正在使用的路面及其环境因素的角度考虑，建立非线性模型。当需要考虑模型之间的相关度时，统计学方法是唯一有效的手段，如模型估计等。4、基于环境因素的模型本文包含关于不同性质的路面中环境因素的影响的许多研究。在AASHTO方法中，我们考虑到环境因素，已经做了很多修改。在遇到柔性路面时，以下三大环境因素产生的影响是最令我们感兴趣的：（1）温度变化对沥青混凝土性能的影响。沥青混凝土混合料的动态模量对温度变化是很敏感的。在沥青混凝土层所做的温度分布测试，确定了混合物在整个土层内的刚度。温度分布也可作为热裂纹预测模型的输入量。（2）水分变化对路基填料和散装填料的影响。散装填料的弹性模量输入被定义为最佳的密度和水分含量。校正系数被定义为，在预测的水分含量基础上调整的弹性模量。（3）路基填料和散装填料的冻结和解冻。4.1讨论环境模型包括环境变量与不同结构性能之间的关系。上文所讨论的模型中，最重要的一个发现是，环境条件的变化是导致路面破损的最主要原因，而这取决于路基模量和ESALs。另一个值得注意的点是，它们都遵循规律，呈现出周期性波形。所有模型都是在不同的环境因素下采取的具有针对性的方案，而且每个地方的校准系数都在确定模型的精确度方面起到了重要的作用。这方面的大部分工作已经完成了，不过关于路面附近的地面条件所产生的影响，即水分渗入的现象所产生的效果还没有得到很好的确定。因此，关于这个问题进行更多的研究是很有必要的，应该进行包括温度、太阳辐射测量、水分运动和冻结在内的许多分析，由路面不同土层导致的融料现象和由不同温度条件下的真实路面的季节性因素也应该被充分考虑。简单来说，不同的材料类型对气候变化的响应不同。无论是从单一的热变化还是热/冷的温度重复周期来说，温度是热裂纹产生的另一原因。建议使用一个有效的路基回弹模量，来代表季节性变化产生的影响，特别是针对那些对湿度敏感的细粒土或显著位置上的冰融循环。如果使用季节模型的话，有效弹性模量的等效模量，会对路面产生同样效果的破坏。5、路面使用性能评价模型一段时间以来，研究人员们已经提出了各种不同的路面使用性能评价模型。路面使用服务性能的概念是在AASHO道路试验中提出的一个更好的办法。包含路面设计的因素的路面服务性能是AASHO设计方法的一个显著特点。和设计输入产生的性能指标相配合的回归模型已经被提出了。6、结论本文研究了各种柔性路面性能模型在不同路况上的柔性路面性能模型。以下是我们从文献的回顾中得出的结论：1、本文提出了各种数量和类型的性能模型，旨在预测路面的性能。影响路面性能的关键变量，包括零件结构、材料性能、设计方法、环境因素、维修作用等；并对这些因素对路面破坏的影响情况进行了深入的研究和定量的评估。2、这些模型包括各种变量，定义了结构、交通、环境和其他道路使用条件等。路面的维修同样影响到不同的模型的预测能力，所以这也应该被视为一个性能模型的变量。3、到目前为止，任何关