基于路面性能衰变规律的预防性养护措施和时机选择

基于路面性能衰变规律的预防性养护措施和时机选择作者：任奕谈至明孙明伟摘要：比选路面预防性养护措施和确定其实施时机是路面预防性养护技术的核心。在已有路面性能衰变模型的基础上，通过引入改善系数A和寿命系数B，建立了预防性养护后的路面性能衰变模型，并讨论了改善系数A和寿命系数B的内在含义；进而提出了利用该衰变模型和费用效益比最大为准则的选择预防性养护措施和确定其实施时机的方法。普及路面预防性养护观念、提高预防性养护技术水平是我国当前道路界面临的重大挑战。路面预防性养护的二大关键技术为选择经济合理的预防性养护措施和确定其实施时机，从理论上来说，这二项技术的实质是如何评估路面预防性养护的效益。采用路面性能衰变曲线围成的面积来近似表征预防性养护效益，以效益费用比最大为最佳预防性养护措施和时机的选择准则，是目前解决预防性养护措施和时机选择的可行方法。1预防性养护后路面性能衰变模型路面性能衰变模型应能够正确地反映路面的衰变过程和导致路面性能衰变的主要因素，随着使用年数或累计轴载作用次数的增加，各路面性能指标应逐年变差。路面使用性能预测模型主要有确定型模型和概率型模型两大类，式(1)为目前较常用的确定型路面性能衰变模型，式中a、β是两个大于零的回归参数，a的大小代表了路面使用寿命的长短，β决定了曲线的形状，它们的数值可由观测数据回归而得。式中：PPId为日常养护下各使用性能指标(PCI、RQI等)；PPId0为路面新建或最近一次大中修后某路况指标的数值，一般为100：t为自路面新建或最近一次大中修到计算时的使用时间(年)。预防性养护后路面性能衰变模型也可采用式(1)的形式，但要确定预防性养护下的模型参数a、β还面临很多困难，虽然通过预防性养护后路况数据的回归可以得到模型参数a、β的值，但由于目前我国预防性养护技术的实际应用并不广泛，数据积累严重不足，这给数据回归带来很大困难。预防性养护措施仅是对路面微小损坏的修复和预防，对路面结构改变不大，同时，影响路面使用性能变化的因素，如气候条件、交通量和轴载等，也没有改变，因此在精度要求不高的情况下，可认为预防性养护后模型参数a、β的值与日常养护下的值相同。但预防性养护对路面使用性能有所改善，同时延缓了路面性能的衰变，因此可在原模型的基础上引入两个新的系数A、B，预防性养护后各性能指标的衰变方程可表示如下：式中：PPIj为预防性养护下各使用性能指标(PCI、RQI等)；t0为实施预防性养护的时间(年)；PPIa(t0)为实施预防性养护时路况指标的数值；APPI为预防性养护后路况指标的提高值。从式(2)可以看出，系数A具有明确的数学含义，即预防性养护后路面使用性能指标的改善率，因此可称其为改善系数。改善系数A的值域为[O，1]，当A为0时，表示预防性养护后路面性能指标值没有任何提升；当A为1时，表示预防性养护后路面性能指标值达到了路面新建或最近一次大中修后的水平PPId0。系数B的大小决定了预防性养护后的路面性能曲线的衰变速度，可称为寿命系数，其值域为[0，1]。当B=O时，即图2中的曲线4，这说明预防性养护后路面使用性能曲线的衰变速度没有任何延缓，与日常养护下t0时刻后的曲线衰变速度相同，仅是t时刻后各时间点的路面性能指标值较日常养护下的值有同比例的提升。当B=1时，即图2中的曲线1，预防性养护后路面使用性能曲线的衰变速度得到了最大程度地延缓，此时路面使用性能曲线的衰变速度同新建或最近一次大中修后的路面使用性能衰变速度相同。当B在0～1之间时，说明预防性养护不同程度地延缓了路面使用性能曲线的衰变速度，增加了路面的使用寿命，预防性养护后路面性能曲线的衰变速度在日常养护下0时刻后和t0时刻后的衰变速度之间。改善系数A和寿命系数B值与采用的路况指标、预防性养护措施和实施预防性养护时的路况指数有关。在路况较好时采取预防性养护措施，虽然路面使用性能指标的提高值不大，但其改善程度较大，预防性养护措施的使用寿命也较长，因此A和B值均较大。某种预防性养护措施对某项路况指标起到很明显的改善作用时，A取较大值，如石屑封层对路况指标SFC有很明显的提升，A值可取1；而石屑封层在延缓路面损坏、增加路面使用寿命上的作用并不十分突出，所以相应的B取较小值。相反，在某种预防性养护措施对某项路况指标并没有明显改善作用时，如板底灌浆并不能有效地提升路况指标PCI的值，A取较小值；但板底灌浆可以有效预防路面出现错台、唧泥等病害，从而延缓路面损坏，增加路面使用寿命，因此B值应取较大值。2预防性养护措施初选预防性养护措施初选主要从预防性养护措施的技术特点出发，即考虑各预防性养护措施的技术特点和路面各种损坏形式的匹配情况，可通过预防性养护对策矩阵来实现。在对国内外常用路面预防性养护措施进行详细调研的基础上，根据各预防性养护措施的技术特点和路况的匹配情况，归纳出沥青和水泥混凝土路面预防性养护对策矩阵，如表1和表2所示。根据路面的损坏及交通量情况，可很容易从表1和表2中选择出所有合适的预防性养护措施，之后再对所有适合的预防性养护措施进一步进行分析，从中选择最佳措施。3预防性养护效益分析3．1预防性养护比选方案在进行费用效益分析之前，需先确定一系列预防性养护比选方案。不同预防性养护措施在不同的时机实施所对应的预防性养护效益是不同的，因此将初选后所得到的m种预防性养护措施和n个时间方案进行组合，从而得到m×n种预防性养护比选方案。时间方案的制定是以实施预防性养护的适宜时间范围为基础的，在这个适宜的时间范围内，在不同的时间点应用预防性养护措施，即可得到多种不同的时间方案。3．2效益面积若已知表征路面性能的指标，如路面平整度指数IRI、横向力系数SFC、路面状况指数PCI等衰变规律，则指标衰变曲线与上下效益基线围成的面积称之为该指标的效益面积。当采用预防性养护措施后，效益面积的增量称之为预防性养护效益面积，预防性养护效益可用效益面积来表征。就单一效益指标PPI而言，预防性养护效益面积为如图3中所示Ai。时间零点为路面新建或大、中修的初始时间，图3中的PPId(t)为日常养护时PPI的衰变曲线方程，PPIi(t)为在第j个比选方案下采取进行预防性养护措施后的衰变曲线方程，分别见式(1)和式(2)。时刻Tj0为第j个比选方案的预防性养护起始时间点，Ta1、Tjl为PPId(t)和PPIj(t)与效益计算基线的交点，即效益计算的终止时间点；y为效益计算基线，它是计算效益面积的下边界，反映在效益计算指标和时间关系图上为平行于时间t轴的直线[2]。则预防性养护效益面积Aj计算公式如式(3)所示。将式(1)和式(2)代入式(3)，便可得到预防性养护效益面积Aj，即：4最佳比选方案算得第j个比选方案的预防性养护效益面积Aj，同时确定该方案中预防性养护措施的费用Cj后，可进一步求出其效益费用比(Benefit-CostRatio，简称BCR)，其中，效益费用比最大的方案即为最佳比选方案，其效益费用比计算如式(4)所示，该方案所对应的措施和时间即为最佳预防性养护措施和时间。5结论比选路面预防性养护措施和确定其实施时机是路面预防性养护技术的核心。文章阐述利用路面性能衰变曲线来选择预防性养护措施和确定其实施时机的过程，在已有路面性能衰变模型的基础上，通过引入改善系数A和寿命系数B，建立了预防性养护后的路面性能衰变模型，并讨论了改善系数A和寿命系数B的内在含义；进而归纳了路面预防性养护对策矩阵，介绍了预防性养护效益面积计算方法；最后，提出了最佳预防性养护措施及其实施时机的选择准则。