趙天紅ZHAO Tian-hong

（中交路橋華南工程有限公司，中山 528400）

0 引言

隨著我國高速公路工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，加強(qiáng)對高速公路瀝青路面使用性能的預(yù)測與評價(jià)工作也變得尤為重要。通過積極開展高速公路瀝青路面使用性能的預(yù)測與評價(jià)，并對高速公路瀝青路面使用過程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行合理控制，制定切實(shí)可行的高速公路瀝青路面使用性能評價(jià)預(yù)測體系，提高評價(jià)結(jié)果的可信度，在最大程度上保證高速公路瀝青路面的服務(wù)質(zhì)量。

1 高速公路瀝青路面使用性能評價(jià)指標(biāo)分析

1.1 瀝青路面使用性能評價(jià)概述

瀝青路面的使用性能是進(jìn)行高速公路運(yùn)營維護(hù)工作的主要參考指標(biāo)，因此需保證評價(jià)結(jié)果符合高速公路的實(shí)際路況，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性、客觀性。在對高速公路瀝青路面的各項(xiàng)路況數(shù)據(jù)進(jìn)行提取時(shí)，須合理利用相關(guān)公式，通過計(jì)算機(jī)設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，實(shí)現(xiàn)工作優(yōu)化和成本控制。此外可按一定屬性對瀝青路面的性能進(jìn)行分類記錄和統(tǒng)計(jì)，針對重要指標(biāo)，應(yīng)采取單獨(dú)評價(jià)的方式，并將各類重要指標(biāo)進(jìn)行組合分析，以分析結(jié)果為基礎(chǔ)，構(gòu)建全路段瀝青路面評價(jià)體系，提高高速公路瀝青路面性能評價(jià)效率。高速公路瀝青路面使用性能的評價(jià)內(nèi)容可分為路面結(jié)構(gòu)性評價(jià)和路面功能性評價(jià)。路面結(jié)構(gòu)性評價(jià)是以提高行車安全系數(shù)為目的，對路面損壞程度和路面承載能力進(jìn)行評價(jià)；路面功能性評價(jià)是以提高行車舒適度為目的，對路面抗滑性能及平整度進(jìn)行評價(jià)。

1.2 高速公路瀝青路面使用性能評價(jià)指標(biāo)分析

近年來我國陸地交通運(yùn)輸體系建設(shè)越來越完善，高速公路路面施工技術(shù)、施工質(zhì)量也得到了極大改善，但在后期使用中，應(yīng)針對性地對高速公路瀝青路面使用性能評價(jià)方法進(jìn)行合理優(yōu)化，保證路面使用性能評價(jià)指標(biāo)選取的科學(xué)性，為路面養(yǎng)護(hù)管理工作提供真實(shí)可靠的參考數(shù)據(jù)。在進(jìn)行高速公路瀝青路面功能性評價(jià)工作時(shí)，應(yīng)以路面行駛質(zhì)量為基礎(chǔ)，對路面平整度、抗滑系數(shù)、振動(dòng)特性和振動(dòng)幅度等數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并將其作為路面功能性評價(jià)的基礎(chǔ)指標(biāo)。在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)性評價(jià)時(shí)，應(yīng)將路面損壞程度作為主要評價(jià)指標(biāo)，對路面使用壽命進(jìn)行合理預(yù)測，并通過分析路面承載性能，確定瀝青路面所能承受的軸載作用次數(shù)[1]。

1.3 路面使用性能評價(jià)過程中的影響因素

在對高速公路瀝青路面的使用性能進(jìn)行評價(jià)時(shí)，須充分考慮以下影響因素：路面結(jié)構(gòu)類型如地基結(jié)構(gòu)、地基深度，路面溫度、濕度，瀝青路面等級，以及評價(jià)路段的車流量等。由于在高速公路的使用過程中，車輛荷載過大，路面濕度過大，都將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)受到一定程度的損壞，出現(xiàn)開裂、瀝青脫落等現(xiàn)象，并影響路面平整度，嚴(yán)重影響行車舒適度，因此須對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，及時(shí)進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)工作，保證路面結(jié)構(gòu)性能不受影響，提高評價(jià)結(jié)果的精確性。

2 高速公路瀝青路面使用性能評價(jià)方法分析

2.1 路面損壞狀況評價(jià)分析

高速公路瀝青路面的損壞狀況分為路面破損、路面開裂、路面塌方等多個(gè)等級。通過對路面損壞狀況進(jìn)行合理評價(jià)，可以保證對高速公路瀝青路面的使用性能進(jìn)行科學(xué)分析，并對后續(xù)瀝青路面耐久度、使用年限等數(shù)據(jù)的預(yù)測工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段我國主要利用路面破損率計(jì)算公式DR對路面損壞狀況進(jìn)行合理評價(jià)分析，并通過路面損壞狀況指標(biāo)PCI對路面損壞狀況的評價(jià)分析結(jié)果進(jìn)行整合加工，其具體計(jì)算公式如下所示：

式中：D為路面折合破損面積之和，Wi為檢測路面中不同路面災(zāi)害的占比，Aij為檢測路面的損壞面積，A為檢測路面的面積，通常情況下a0取15.0，a1取0.412，該標(biāo)準(zhǔn)采用統(tǒng)一單位m2，PCI評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。分析表1可知，路面損壞程度越嚴(yán)重，則路面的功能性評價(jià)結(jié)果就越差，說明路面的行車安全系數(shù)、行車舒適度指標(biāo)越低。而路面損壞狀況指標(biāo)PCI則是路面損壞狀況的直接映射，通過合理分析路面損壞率（DR）與路面損壞狀況指標(biāo)（PCI），可以對高速公路的路面耐久度進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，同時(shí)根據(jù)高速公路瀝青路面組合預(yù)測模型，對路面使用性能的衰變系數(shù)進(jìn)行合理計(jì)算，以科學(xué)合理地制定路面養(yǎng)護(hù)措施，延長高速公路的使用年限。

表1路面損壞狀況指標(biāo)PCI評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 路面平整度評價(jià)分析

在評價(jià)過程中，須以路面國際平整度指數(shù)IRI為參考指標(biāo)，對路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，完成路面平整度分析工作。高速公路瀝青路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI計(jì)算公式如下所示：

式中：IRI為國際路面平整度指數(shù)，單位為m/km；a0為路面平整度參數(shù)，高速公路和一級公路取值為0.026，a1為預(yù)測模型參數(shù)，高速公路和一級公路取值為0.65，其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2路面行駛質(zhì)量指數(shù)（RQI）評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 路面車轍狀況評價(jià)分析

由于近年來我國高速公路通車量逐漸增加，通過瀝青路面進(jìn)行重物運(yùn)輸?shù)能囕v也越來越多，高強(qiáng)度的荷載易導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生永久變形，即形成車轍，致使高速公路瀝青路面行車安全系數(shù)降低，因此須對瀝青路面車轍狀況進(jìn)行精準(zhǔn)評價(jià)?，F(xiàn)階段我國主要利用車轍深度RD作為車轍狀況評價(jià)分析主要參考指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上對路面車轍深度指數(shù)RDI進(jìn)行合理計(jì)算，其具體計(jì)算公式如下所示：

式中：RD為車轍深度，RDa為車轍深度參數(shù)，取值通常為10.0，a0為模型參數(shù)，取值為1.0，a1為模型參數(shù)，取值為3.0。

2.4 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評價(jià)

在對高速公路瀝青路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)前，須進(jìn)行路面強(qiáng)度檢測工作，現(xiàn)階段主要通過回彈法和鉆芯法對瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度檢測。分析各大高速公路瀝青路面強(qiáng)度檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)路基保護(hù)層的厚度超過2cm且瀝青混合料的直徑大于0.4cm，不超過0.6cm時(shí)，瀝青路面的回彈值較低，因此為降低回彈值對瀝青路面強(qiáng)度檢測結(jié)果的影響程度，須結(jié)合施工圖紙，利用路基保護(hù)層測定儀來精確定位保護(hù)層內(nèi)直徑較大的瀝青混合料位置，導(dǎo)致瀝青路面強(qiáng)度檢測成本過高。為節(jié)約檢測成本，提高檢測精度，保證檢測效率，可利用鉆芯法對瀝青路基進(jìn)行靜荷載檢測，以確定路面的抗壓強(qiáng)度以及存在的質(zhì)量問題。同時(shí)須結(jié)合瀝青路面的實(shí)際使用情況，對檢測方法進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，保證路面承載性能檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常情況下可以利用路面結(jié)構(gòu)靜荷載計(jì)算公式S=（0.004-0.01）b對路面承載性能進(jìn)行計(jì)算。在高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的實(shí)際檢測過程中，須通過校正快壓法對檢測結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理，以1h為間隔，適當(dāng)增加路面載荷，并保證荷載總增加量不小于路面額定載荷值的兩倍。

在完成高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測工作后，還須借助檢測儀器，對路面彎沉值進(jìn)行合理測量，通過路面實(shí)際彎沉系數(shù)對瀝青路面的塑性應(yīng)變大小進(jìn)行合理評價(jià)，若彎沉值測量結(jié)果偏大，則說明該路段瀝青路面塑性應(yīng)變與設(shè)計(jì)要求存在一定偏差，耐磨損能力較低。高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo)如下所示：

式中：SSL為路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)，其值為路面設(shè)計(jì)彎沉與實(shí)際彎沉比為設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道的累計(jì)當(dāng)量軸次，A1為公路等級系數(shù)，A2為面層類型系數(shù)，A3為路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)，γ為設(shè)計(jì)年限內(nèi)交通量的平均年增長率（%），N1為營運(yùn)第一年雙向日平均當(dāng)量軸次，τ為結(jié)構(gòu)系數(shù)，a0通常取15.71，a1取5.19，該評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用統(tǒng)一單位mm[2]。PSSI評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的取值范圍為0~100，取值越低，表示高速公路路面強(qiáng)度越弱，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)（PSSI）評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 高速公路路面使用性能衰變預(yù)測方法

3.1 建立概率型路面性能預(yù)測模型

通過建立概率型預(yù)測模型，可以對高速公路瀝青路面使用性能在衰變過程中存在的不確定性進(jìn)行高精度表達(dá)，并可以該模型為基礎(chǔ)，繪制瀝青路面使用性能的殘存預(yù)測曲線，通過一定的分析優(yōu)化，即可建立馬爾可夫模型，在一定程度上提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，幫助相關(guān)部門制定高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)管理策略。馬爾可夫預(yù)測模型是應(yīng)用最為廣泛的概率型高速公路瀝青路面使用性能衰變預(yù)測模型，可以在一定程度上完善預(yù)測內(nèi)容，優(yōu)化預(yù)測工作的結(jié)構(gòu)。馬爾可夫預(yù)測模型的主要應(yīng)用方式是，通過分析高速公路瀝青路面使用性能的殘存預(yù)測曲線，以優(yōu)化瀝青路面養(yǎng)護(hù)管理為目標(biāo)，建立瀝青路面使用性能的轉(zhuǎn)移概率矩陣，通過對該矩陣進(jìn)行合理計(jì)算，以判斷出在未來某一時(shí)間段內(nèi)瀝青路面處于某一路況的相對概率。馬爾可夫概率型路面性能衰變預(yù)測模型能夠有效解決預(yù)測過程中存在的不確定性，同時(shí)由于該模型屬于隨機(jī)可變預(yù)測模型，可以根據(jù)瀝青路面的實(shí)際使用情況，對模型的內(nèi)置算法進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，在一定程度上降低了預(yù)測工程的難度。同時(shí)為保證模型預(yù)測結(jié)果更符合實(shí)際，在使用概率型預(yù)測模型對高速公路瀝青路面的使用性能進(jìn)行相應(yīng)預(yù)測時(shí)，應(yīng)充分考慮天氣狀況、地質(zhì)災(zāi)害等自然因素的影響。

3.2 基于不同組合方法建立組合預(yù)測模型

基于不同組合方法建立組合預(yù)測模型，即是在高速公路瀝青路面評價(jià)方法的基礎(chǔ)上，對車輛行駛質(zhì)量指標(biāo)RQI，路面損壞狀況指標(biāo)PCI、路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI等多種評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行組合分析，根據(jù)分析結(jié)果建立對應(yīng)模型。同時(shí)為保證組合預(yù)測模型的合理性，在模型建立初期應(yīng)充分考慮車輛荷載、路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等影響因素，對模型進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，并根據(jù)預(yù)測內(nèi)容及路面實(shí)際情況，科學(xué)選取路面性能衰變預(yù)測指標(biāo)，及時(shí)進(jìn)行瀝青路面數(shù)據(jù)采集工作，根據(jù)評價(jià)指標(biāo)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理。為最大程度保證預(yù)測效果，節(jié)約預(yù)測成本，一般情況下路面損壞狀況指標(biāo)PCI、路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI、車輛行駛質(zhì)量指標(biāo)RQI作為瀝青路面性能衰變組合預(yù)測模型的基礎(chǔ)指標(biāo)。

同時(shí)由于瀝青路面使用性能評價(jià)方法復(fù)雜，評價(jià)指標(biāo)數(shù)量較多，以此為基礎(chǔ)建立的組合預(yù)測模型，還須考慮路面抗滑性能、跳車指數(shù)等影響因素，導(dǎo)致建模工作相對困難，且也不利于制定瀝青路面養(yǎng)護(hù)管理策略，導(dǎo)致該模型雖然預(yù)測結(jié)構(gòu)精確，但卻極少投入到實(shí)際應(yīng)用中。但近年來人工智能網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，本著“突出重點(diǎn)”的建模原則，以瀝青路面實(shí)際使用時(shí)長、路面通車量、自然環(huán)境作為瀝青路面使用性能衰變組合預(yù)測模型的參考指標(biāo)，以對上述基礎(chǔ)指標(biāo)在組合預(yù)測模型中的權(quán)重占比進(jìn)行修正，建立GA-灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法，并對組合預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立平滑指數(shù)法預(yù)測模型，將瀝青路面實(shí)際使用時(shí)長和路面通車量因作為GA-灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法的輸入，以年為單位，對瀝青路面的使用性能進(jìn)行預(yù)測。利用GA-灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法和平滑指數(shù)法預(yù)測模型，可以極大地減少自然環(huán)境因素對預(yù)測結(jié)果的影響程度，同時(shí)降低建模工作量，進(jìn)一步提高了預(yù)測效率。

3.3 模糊預(yù)測法

模糊預(yù)測法是一種基于決策樹的高速公路瀝青路面使用性能預(yù)測模型，該模型以廣度優(yōu)先搜素作為核心算法。用M表示高速公路瀝青路面使用性能衰變因素，C表示高速公路瀝青路面使用性能衰變因素的對應(yīng)特點(diǎn)，N表示高速公路瀝青路面使用性能衰變因素對于其特點(diǎn)的量化程度，R表示模糊預(yù)測結(jié)果。當(dāng)高速公路瀝青路面使用性能衰變因素具有多種特點(diǎn)時(shí)，C就具有多元性，模糊預(yù)測結(jié)果Rn則表示為：

其中，Ci表示高速公路瀝青路面使用性能衰變因素M的第i個(gè)特點(diǎn)，Ni表示高速公路瀝青路面使用性能衰變因素M第i個(gè)特點(diǎn)對應(yīng)的量化程度。當(dāng)模糊預(yù)測結(jié)果中的量化目標(biāo)存在模糊特性時(shí)，就用“高速公路瀝青路面使用性能衰變因素，特征，模糊量值”的結(jié)構(gòu)來描述預(yù)測結(jié)果。如果用μ（x）表示模糊量化程度，則模糊預(yù)測結(jié)果可表示為：

同理若M擁有許多特點(diǎn)，則C也擁有多元性，即模糊預(yù)測結(jié)果表示為：

其中，Ci表示M的第i個(gè)特征，μ（x）表示M第i個(gè)特點(diǎn)對應(yīng)的模糊量化程度。如果高速公路瀝青路面使用性能衰變因素?cái)?shù)量為M并且每個(gè)高速公路瀝青路面使用性能衰變因素都擁有n個(gè)相同的特點(diǎn)，對應(yīng)的量值都擁有模糊特性，則此時(shí)的模糊預(yù)測結(jié)果表示為：

式中：Mi表示第i個(gè)高速公路瀝青路面使用性能衰變因素，Cy表示高速公路瀝青路面使用性能衰變因素的第j個(gè)特點(diǎn)，μ（ij）表示第i個(gè)高速公路瀝青路面使用性能衰變因素的第j個(gè)特點(diǎn)代表的模糊量化程度?？赏ㄟ^模糊預(yù)測法，結(jié)合高速公路瀝青路面使用性能衰變因素的特點(diǎn)量化程度及模糊性質(zhì)，對路面使用環(huán)境變化范圍、路面耐久度、使用年限等數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)測。

4 總結(jié)

通過分析路面實(shí)際情況，科學(xué)選取瀝青路面使用性能評價(jià)指標(biāo)，建立瀝青路面使用性能評價(jià)方法，并以評價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ)，建立組合型預(yù)測模型、概率型預(yù)測模型等基礎(chǔ)預(yù)測模型，并利用GA-灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹等智能算法對預(yù)測模型進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，在最大程度上保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。