高速公路沥青路面预防性养护决策研究 71页

ＴＩＡＭＪＩＮＵＭＩＮ／ＥＦ＾ＩＴＹ中国第一所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ８９５１全曰制专业学位硕士学位论文学科专业工程管理：：牛诗哲作者姓名指导教师：张连营教授天津大学研究生院２０１７年５月 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研宄成果，也不包含为获得夭旗太学或其他教育机构的学位或证一书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。ｉ学位论文作者签名签字曰期：年月曰；ｊ了学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大举有关保留、使用学位论文的规定。特授权天渗大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数椐库讲行柃索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供査阅和借阅》同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名’：导师签名：签字曰期：年Ｖ月曰签字曰期：年ｉ？月２石曰 高速公路沥青路面预防性养护决策研究ResearchonPreventiveMaintenanceDecisionofExpresswayAsphaltPavement专业学位类别：工程管理作者姓名：牛诗哲指导教师：张连营教授天津大学管理与经济学部2017年5月 摘要随着路网体系的形成，高速公路已经由建设期进入了“管养时代”。预防性养护既能够维持好的路况，也能够在整个道路寿命周期内节约养护成本。目前，我国90%甚至更高比例的高速公路为沥青路面，本文以高速公路沥青路面为对象进行预防性养护决策研究。本文深入分析了高速公路沥青路面的病害分类及产生原因，阐释了路面使用性能的评定方法，分析影响高速公路沥青路面性能预测的因素，用灰色预测方法建立了沥青路面使用性能灰色预测模型；深入研究了高速公路沥青路面预防性养护对策，分析了能够对预防性养护决策产生影响的因素，系统阐述了确定高速公路沥青路面预防性养护时机的方法，给出了改进的基于路况的预防性养护时机的确定方法，针对不同的沥青路面病害及养护措施的适用性，建立了高速公路沥青路面预防性养护措施选择决策树，对预防性养护管养水平提出了具体的提升对策，以利于预防性养护科学决策；以京秦高速公路为应用实例，分析了京秦高速公路路面病害、使用性能，用灰色预测模型对京秦高速某路段路面使用性能进行预测，验证了模型的可靠性，确定预防性养护路段，提出了预防性养护措施，并给出预防性养护管理对策，对预防性养护效益进行了分析。本文通过对高速公路沥青路面病害、路面使用性能评定及预测、预防性养护决策等的研究，为预防性养护决策提供理论基础和实践参考。关键词：高速公路，沥青路面，预防性养护，性能预测，养护决策I ABSTRACTWiththeformationoftheroadnetworksystem,thehighwayhasenteredtheeraofmanagementbytheconstructionperiod.Preventivemaintenancenotonlycanmaintaingoodroadconditions,butalsocansavemaintenancecostsinthewholelifecycleoftheroad.Atpresent,thepavementofevenmorethan90%oftheexpresswayinourcountryisasphaltpavement.Thisthesistakestheexpresswayasphaltpavementastheobjecttostudythepreventivemaintenancedecision.Thisthesisdeeplyanalysestheclassificationandcausesofexpresswayasphaltpavementdisease,explainsthevaluationmethodofpavementperformance.Thisthesisanalyzesthefactorswhichhaveinfluenceonexpresswayasphaltpavementperformanceprediction.Thisthesisestablishesasphaltpavementperformancepredictionmodelusinggreypredictionmethod.Forscientificdecisionofpreventivemaintenance，thepreventivemaintenancecountermeasuresofexpresswayasphaltpavementaredeeplyresearched.Theinfluencingfactorsofpreventivemaintenancedecisionareanalyzed.Methodstodeterminethepreventivemaintenancetimeofasphaltpavementaresystematicallyexplainedinthisthesis.Theimprovementmethodtodeterminethetimeofpreventivemaintenancebasedonroadconditionisputforward.Aimatdifferentasphaltpavementdiseasesandthepracticalityofconservationmeasures,thethesisestablisheddecisiontreesofpreventivemaintenancemeasureschooseofexpresswayasphaltpavement.Thethesisputsforwardconcretecountermeasurestoimprovethemaintenancelevelofpreventivemaintenance.TakingtheBeijingJingQinexpresswayasanapplicationexample,thisthesisprovidestheanalysisofdiseaseandpavementserviceperformanceofJingQinexpressway，andthereliabilityofthegreypredictionmodelisverifiedthroughappliedinthepavementperformancepredictionofasectioninJingQinexpressway.Thisthesisdeterminesthesectionswhichneedpreventivemaintenance,putsforwardthepreventivemaintenancemeasures,providesthecountermeasurestoimprovethepreventivemaintenancemanagementofexpressway,andanalyzesthebenefitofpreventivemaintenance.Thisthesisistoprovidethetheoreticbasisandpracticalreferenceforthepreventivemaintenancedecisionthroughtheresearchondiseasesofasphaltpavement,II pavementperformanceevaluationandforecastingandpreventivemaintenancedecision.KEYWORDS：Expressway,AsphaltPavement,PerformancePrediction,MaintenanceDecisionIII 目录摘要................................................................................................................................IABSTRACT.................................................................................................................II第1章绪论..................................................................................................................11.1研究背景和意义..............................................................................................11.2国内外研究现状..............................................................................................31.2.1高速公路沥青路面预防性养护国外研究现状....................................31.2.2高速公路沥青路面预防性养护国内研究现状....................................31.3研究内容..........................................................................................................4第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测.....................................................72.1高速公路沥青路面病害分类..........................................................................72.1.1裂缝类破坏............................................................................................72.1.2变形类破坏............................................................................................92.1.3坑槽类破坏..........................................................................................102.1.4松散破坏..............................................................................................112.1.5其他类破坏..........................................................................................122.2高速公路沥青路面使用性能评定................................................................122.2.1路面使用性能单项性能评价..............................................................142.2.2路面使用性能综合评价......................................................................162.3沥青路面使用性能预测影响因素分析........................................................172.4沥青路面使用性能预测模型........................................................................192.5本章小结........................................................................................................21第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究...................................................233.1高速公路沥青路面预防性养护决策影响因素............................................233.1.1路面状况..............................................................................................233.1.2交通量和轴载......................................................................................233.1.3养护效益..............................................................................................243.1.4行政因素..............................................................................................243.2高速公路沥青路面预防性养护时机确定....................................................243.2.1预防性养护时机确定方法..................................................................243.2.2改进的基于路况预防性养护时机确定..............................................26IV 3.3高速公路沥青路面预防性养护措施选择....................................................293.3.1常见的预防性养护措施类型..............................................................293.3.2基于路面病害的预防性养护措施决策树..........................................313.4高速公路沥青路面预防性养护管理对策....................................................333.4.1正确认识预防性养护..........................................................................333.4.2改变道路养护考核方式......................................................................343.4.3调整和完善养护工程分类..................................................................343.4.4科学决策编制计划..............................................................................353.5本章小结........................................................................................................35第4章京秦高速公路预防性养护应用实例...........................................................374.1京秦高速概况................................................................................................374.1.1基本情况..............................................................................................374.1.2原始路面结构......................................................................................384.1.3养护维修历史......................................................................................394.1.4交通状况..............................................................................................394.1.5预防性养护存在问题..........................................................................404.2京秦高速路面病害及使用性能评定............................................................414.2.1病害主要类型......................................................................................414.2.2病害原因分析......................................................................................424.2.3路面使用性能综合评价......................................................................434.3京秦高速路面使用性能灰色预测工程实例................................................454.3.1模型建立与求解..................................................................................454.3.2模型预测精度检测..............................................................................464.3.3路面性能评价指标的预测..................................................................464.3.4结果分析..............................................................................................474.4京秦高速路面预防性养护决策与管理........................................................474.4.1路面预防性养护决策..........................................................................474.4.2路面预防性养护管理..........................................................................494.5京秦高速沥青路面预防性养护效益评估....................................................514.5.1自身效益评估......................................................................................514.5.2相对经济效益分析..............................................................................534.5.3社会效益评估......................................................................................534.6本章小结........................................................................................................54第5章结论与展望....................................................................................................55V 5.1主要结论........................................................................................................555.2需要进一步研究的问题................................................................................55参考文献......................................................................................................................57致谢..............................................................................................................................61VI 第1章绪论第1章绪论1.1研究背景和意义新世纪的第一个十年，国家在全面建设小康社会的道路上大步迈进，交通运输业对于物资交换与人才流动的重要性不言而喻。高速公路作为交通运输的重要载体，如血脉一般日夜不息的供养着全国工农行业的正常运转，有介于此，“保畅”已经成为了高速公路管养人员的共同目标。改革开放以来，经济的全面发展引领了高速公路建设事业的起步，我国首条高速公路一沪嘉高速公路于1988年10月31日建成通车。由于国土广袤的特点，国内高速公路任务尤为艰巨，通过广大路桥人的不懈努力，我国高速公路路网建设取得巨大成就，截至2015年年底，高速公路路网铺设里程达到12.4万公里之多。但随着路网建设的不断完善，最早一批高速公路逐渐进入了病害多发阶段，公路养护问题也逐渐凸显了出来，高速公路养护发展如图1-1所示。因此行业内部对于交通业特别具体到高速公路方面的关注点，逐渐从新增建设慢慢转移到运营养护的方向上来。图1-1高速公路养护规模发展高速公路路面的预防性养护，是在对比经济效益的前提下，有计划的对结构尚未出现严重破坏的路面以及附属设施进行预防性的修补加固，在这一过程中不会增加路面结构承载能力。国内外的预防性养护实践证明，对道路路面进行预防1 第1章绪论性养护能够极大的延长道路适用寿命，显著增加经济效益。据资料显示，高速公路运营期间，如果实施3-4次预防性养护，可以显著提高公路路面性能，延长寿命最多可达十五年之久，且整体费用可以降低45%-50%之多。高速公路预防性养护效果如图1-2所示。美国亚利桑那州公路部门对不同的养护方法养护路面进行了研究分析，证明了预防性养护对公路使用寿命和养护费用的巨大优势，对比如表1-1所示。图1-2高速公路预防性养护效果表1-1高速公路不同路面养护方法工程费用比较序号路面养护方法所需费用1通车二十年进行大修，大修前未有维修养护比基准费用提高63%2通车十年后做中修挖补罩面比基准费用提高55%对沥青路面定期进行检测，依据检测结果分析3路面使用性能，按预防性养护标准采取预防性基准费用养护措施从“十一五”期间开始，我国开始在全国范围内推行日常养护工作。通过十几年的努力，关于预防性养护的理论正在逐步完善，高速公路管养人员也开始逐渐接触并慢慢将之实践于下辖路段之上，不论是相关资金投入还是涉及公路里程，每年上升的幅度都非常明显。随着预防性养护技术（包括材料和装备）不断完善和成熟，预防性养护的成效也开始显现。《“十三五”公路养护管理发展纲要》对全面开展预防性养护提出具体要求，对高速公路预防性养护的资金投入，明确规定不少于整体比重的8%，相关的政策要求与技术标准也在迅速制定和规范之[1]中。但随着预防性养护的发展，也有一些关于道路预防性养护的问题越来越凸显出来，比如预防性养护时机的确定、方案的决策、技术手段的研究等等一系列的2 第1章绪论急需攻克的难题，加之我国国土面积广大，地域气候差别明显，因此一些方案方法往往具有地区特点，没有互通性。目前，沥青路面仍然是我国主流，90%甚至更高比例的高速公路采用这一结构，沥青路面由于自身结构性同时满足了应用与施工需要，因此顺理成章成为了我国在高速公路路网建设中主要采用的路面形式。综上所述，本课题关于高速公路沥青路面的预防性养护研究决策具有可观的实用价值。1.2国内外研究现状1.2.1高速公路沥青路面预防性养护国外研究现状道路的预防性养护，是通过合理的费用——效益取舍，制定适当的养护规程，有系统有计划的进行养护工作。目标是在保持现有路面结构承载力的前提下，延长道路适用寿命，显著改进现有路面乃至整个公路系统的适用功能，进一步更好服务于社会需要。该养护计划争取做到推迟大修、改建以及重修工程的进度，最大限额延长道路的破坏进程。预防性养护的观念于上世纪九十年代在美国被提出，进入二十一世纪，国家道路预防性养护中心于2003年在美国密歇根州立大学成立，该机构积极开展预[2]防性养护的科研工作，并伺机将其应用于具体实践。2004年美国国家公路合作研究计划找到了一种方法，能够简洁准确的找到预防性养护的合理时间节点，实现费用与效益的最大收益。但关于养护决策方面涉及不多。2009年美国田纳西大学在当地开展积极实践，制定编写了适用于田纳西本地高速公路的相关使用指南，内容以预防性养护为主，为后来研究者提供了一些[3]以数学模型为基础的评价手段。现今时代，世界范围内以发达国家为代表的很多地区已经开始重视起道路预防性养护的作用。具体到高速公路，由于国外采用的沥青路面多为全厚式柔性结构，与国内不同，所以更多需要学习借鉴的是一种思想以及科学的模型与分析方法。1.2.2高速公路沥青路面预防性养护国内研究现状国内的公路预防性养护还处于起步阶段，在一些偏远地区甚至还没有在相关方面引起足够的重视。然而国内高速公路由于条段基数巨大，如同人口老龄化一般，高速公路的老化趋势也非常明显，预防性养护既是一种未雨绸缪的做法，在3 第1章绪论未来也必将成为管养部门的重要工作之一。目前在全国范围内的实验性工作已经开展，成效十分显著，再加上相关政策的扶持与鼓励，该项技术已经越来越被人们所接纳。但总体上说，国内的预防性养护研究从科研到实践还有很长的路要走。江苏省交通厅，早在2001年的便将《乳化沥青稀浆封层技术应用研究》项目提上日程，在随后的两年间，从原料、技术、工艺乃至具体实践、质量把控以及验收等各种环节上均投入大量人力物力，为此项技术在具体推广做出了卓越的贡献，在此基础上形成了相关的《应用指南》和《施工技术规程》。除此之外，全国各地也在积极开展道路预防性养护的相关研究与实践工作，2002年，山东省政府针对全省沥青路面进行了针对性维护，组织大量人力，采用先进设备利用高质量建筑材料，对省内路面进行灌缝修缮，平均每年维护里程数达到了200万延米，预防性养护效果显著。进而当地管养部门提出了一系列新型理念，并深刻影响了之后的公路管理与养护。2003年夏天，河北省在衡水市政府的大力支持下，在国道G307进行了12km试验段，同步碎石封层实践效果良好。2006年，东方明珠上海市，当地公路管理部门，根据两年前开展的4条试验路，补充编写了地方规范《上海市公路沥青预防性养护技术规程》，并于次年2月1日正式实施。就目前而言，关于预防性养护的技术五花八门，包括微表处、薄层罩面、就地热修补等等各种预防性养护的新工艺、新技术依次被发掘并逐步应用于实际。[4]董瑞琨、孙立军等提出将路面渗水、行车安全、沥青老化等指标系数，作为预防性养护的开展依据，并认为预防性养护时机应充分考虑这些技术指标。曾[5][6]峰在功能性评价方面，将各种养护措施的功能性与适用性加以总结。何光兵[7]根据预防性养护方式推演出实际效果。张亮针对沥青路面的各种病害，罗列出相对应的养护方案，对于预防性养护采取了模拟矩阵的方法，力求做到科学精[8]准。王志超则采取多周期决策法，希望能够对比找到预防性养护的最佳时间节点与最优养护策略，中心目的还是对于养护时机的寻找与研究。国家方面，关于道路工程的预防性养护内容已经被编入国内《公路养护技术规范》(JTGH10-2009)，以技术规范的形式被强调。1.3研究内容高速公路沥青路面性能评定及预测。通过深度研究高速公路沥青路面各类病害，探寻病害发生的深层原因，阐述高速公路沥青路面使用性能的具体评定方法，利用灰度理论建立预测模型，并对预测精度进行分析，模拟高速公路沥青路面的性能的衰减情况，预测其发展趋势。4 第1章绪论高速公路沥青路面预防性养护对策研究。分析高速公路沥青路面预防性养护决策影响因素，系统阐述确定沥青路面预防性养护时机的几种方法，给出改进的基于路况的预防性养护时机确定方法，针对不同的路面病害类型，建立出能够为沥青路面预防性养护措施选择提供依据的决策树，针对沥青路面预防性养护管养水平提出了具体的提升对策，以利于做出科学的预防性养护决策。京秦高速公路预防性养护应用实例。以京秦高速公路为研究对象，利用灰色理论对京秦高速某路段路面使用性能进行预测，提出预防性养护方案，并提出预防性养护管理层面对策，对京秦高速预防性养护做出效益评估。5 第1章绪论6 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测2.1高速公路沥青路面病害分类高速公路沥青混凝土路面的主要病害共分为五大类，分别是针对路面裂缝、路面变形、路面坑槽、松散以及其他破坏。2.1.1裂缝类破坏裂缝类破坏是高速公路最为常见的病害种类，对于高速公路沥青路面的危害不容小觑，主要有以下几种：①横向裂缝横向裂缝与行车方向相互垂直，其周围偶尔会有少量支缝发生，如图2-1所示。根据裂缝产生的原因，横向裂缝分为荷载型和非荷载型两种类型。高速公路大量、严重的超载现象是导致横缝产生的主要原因，此类裂缝是从路面的底面发生进而扩张到表面的，首先在路肩出现，之后若不及时采取措施就会发展到整幅路面。非荷载因素是形成横向裂缝的主要原因，包括沥青面层裂缝和基层反射裂缝。图2-1横向裂缝温缩裂缝是沥青面层裂缝中非常重要一种。多发生在我国北方。按照目前掌握资料与实际情况分析，温缩裂缝按照发生原因大致有两种类型，一种是由于季节变化，造成的温度下降幅度明显，路面铺筑骨料收缩，在面层之间产生拉应力，7 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测当此类应力超过了沥青混凝土本身材料的抗拉性能上限之后，造成的一种路面开[9]裂，其开裂趋势为从上而下、由表及里的。另一种是由于温度频繁发生变化而产生的温度疲劳裂缝。该类裂缝的成因主要是由于昼夜温差所致，特别是一些白天夜晚温度变化较大的地区，路面铺筑材料在汽车荷载的作用下，造成了材料的疲劳，沥青混合料不论是应力还是应变，都与理论可承受值相比产生了变化，整体性能降低。②纵向裂缝与行车方向相互平行的裂缝类型，统称为纵向裂缝，如图2-2所示。主要成因有：路面施工时，沥青接茬处的处置不当，在外部环境影响下开裂；如果轴基材料不均匀或填方路段压实度达不到规范和设计要求，经过时间的不断推移，会出现沉降，尤其是雨季，由于雨水的反复冲刷，造成高速公路基础稳固不足，由[10]下及上，反映到路面之上，形成裂缝；地基处理不当，造成的不均匀沉降；在改扩建工程中，在新建路面的接缝处，如果处理不当，也会出现纵向裂缝；从设计到施工，都会影响到高速公路边坡稳定性，边坡不够牢固进而造成路面横向裂[11]缝的出现。图2-2纵向裂缝③网状裂缝网状裂缝是指密如蛛网一般的细小裂缝，其特点是裂缝成片出现。如图2-3所示。网状裂缝的成因有：地基处理不当，材料塌陷；原材料为劣质产品，造成沥青混合料的技术规范不达标；施工不当、拌制温度、储存时间都是影响原材料[12]的重要因素，如处置不当也容易产生网状裂缝；沥青混合料每层之间的粘接不够，雨水或冰雪融化后渗入，可导致裂缝出现；通行压力加大，各类车辆的反复碾压，材料疲劳；一些强腐蚀材料的倾洒，酸雨霜冻等外界因素也会引发网状裂缝。8 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测图2-3网状裂缝2.1.2变形类破坏沥青路面的变形类破坏降低了路面的平整度与道路行驶质量指数，主要包括：车辙、沉陷和波浪拥包。①车辙高速公路沥青路面的破坏形式有很多，其中车辙影响是其中最常见的一种，车辙破坏占整个道路破坏的80%，对车辙的预防性养护非常重要。具体的车辙种类：磨耗型、结构型、失稳型、压密性等。车辙破坏如图2-4所示。磨耗型车辙是外部环境作用下的磨损所致。结构车辙产生的原因是基层或其他结构层强度不足，车辆荷载来回碾压，造成结构塑性变形。失稳型车辙是车辆作用产生的路面凹陷所致。压密性车辙是施工阶段由于碾压不足导致，主要是属[13]于施工阶段质量控制疏漏，一般不予考虑。图2-4车辙9 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测②沉陷沉陷是指高速公路沥青路面因基层或路基的局部压实不足所导致的局部凹陷，如图2-5所示。图2-5路面沉陷③波浪拥包波浪拥包多发生于道路接合处，车辆变速带来的轮胎摩擦所致。2.1.3坑槽类破坏高速公路沥青路面的水损坏，主要指雨水作用或冻融循环两类环境条件下，加之车辆荷载的反复碾压，路面缝隙中的水分产生压力，循环作用在沥青混合料上，从而降低了沥青材料的粘合特性，进而混合料的表面沥青会与集料分离，使得整体路面面层变得松散、松动，最终形成了水损作用下的高速公路沥青路面坑槽病害，坑槽破坏如图2-6所示。图2-6坑槽10 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测①水损坏导致的坑槽沥青混凝土路面的水损坏破坏是比较常见的，在降水或者雪融化产生积水的情况下，加上交通荷载和反复作用，路面会出现松散、脱落。渗水加剧了路面的损坏，如果不加以处理，就会发展为坑槽。②施工因素导致的坑槽温度过高的情况下，会使沥青混合料老化，粘结能力大幅下降，在此前提下，加之各类车辆的反复碾压，极易形成坑槽病害；而在温度过低的情况下，尤其是下承层与面层相接的部位，如果降温过快造成贴合不够紧密，也会形成坑槽。层间接触不良导致的坑槽：在施工过程中，沥青路面的层间施工应尤为注意，如不按照施工流程，不遵守工艺要求进行铺设洒布，或者是由于操作不当造成了层间污染，很容易造成路面层与层间的密实度不足、受力体系不均。在此基础上，当收到车辆碾压时，表面上层由于独自承受大量应力，没法传递、分担给基础结[14]构，裂缝病害会随之诞生，进而成为道路坑槽。③交通因素导致的坑槽高速公路的交通量与日俱增，各类严重超载的现象时有发生，这对于高速公路路面稳定性的破坏性影响不言而喻。沥青路面的疲劳裂缝早早产生，在风吹雨淋、干湿更替的外部环境作用下逐步发展为坑槽病害。另外交通事故造成的腐蚀性液体外泄，也会侵蚀沥青混合料面层，形成坑槽。更极端的情况，车辆维修时[15]千斤顶也会压迫路面出现坑槽。2.1.4松散破坏由于面层沥青与内部集料的粘接能力不足，从而产生的沥青混合料内部逐渐酥软进而出现流失现象，这种病害称之为路面松散，如图2-7所示。道路出现麻面现象或者星罗棋布的坑洞，这都是道路松散破坏的典型表现形式。道路的松散病害主要发生在表面层，由于长期处于复杂多变的自然环境中，加之高密度的车辆荷载作用，水稳性不足的沥青结构层非常容易发生松散破坏。图2-7松散11 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测2.1.5其他类破坏其它损坏类型主要以泛油和修补不良为主。泛油是指道路路表光洁，打滑现象明显，产生的原因主要是溢出的沥青填满了面层的空隙，新型泛油表现为由小变大的油斑或者沿着行车轮迹分布的带状泛油。修补不良多是由于对路面裂缝、坑槽的日常修补产生的，有时修补并不起作用，或起作用的时间不长，导致路面出现破损，如图2-8所示。图2-8修补不良2.2高速公路沥青路面使用性能评定公路技术状况评定指标主要包括以下四方面内容：路面使用性能指数（PQI）、路基技术状况指数（SCI）、桥隧构造物技术状况指数（BCI）、沿线设施技术状况指数（TCI）。这里我们只对路面使用性能指数（PQI）进行研究。路面使用性能评定包含损坏状况、行驶质量、车辙、抗滑性能和结构强度五项。路面使用性能采用路面使用性能指数（PQI）来表征，它是一项综合指标，以路面损坏状况（PCI）、路面平整度（RQI）、路面车辙（RDI）、路面抗滑性能（SRI）和路面结构强度（PSSI）五项单项性能指标为基础，通过一定的计算[16]得到。PSSI代表路面结构的强度，单独计算评价，不纳入PQI中。五项具体指标均有各自评价内容和检测内容，路面技术状况评价体系如图2-9所示。这些指标值的确定依赖于路面使用性能检测，而今，路面使用性能的检测设备越来越先进，自动化程度越来越高，给路面使用性能的正确检测提供了便利，路面技术状况检测设备如图2-10所示。12 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测路面技术状况评价路面损坏状路面结构强况指数PQI度指数PSSI路面回弹弯沉PCIRQIRDISRIL0路面破国际平路面车横向力损率整度辙深度系数DRIRIRDSFC图2-9公路路面技术状况评价体系a)路面破损快速检测仪b)多功能激光路面测试仪c)横向力系数测试仪d)路面弯沉检测仪图2-10路面检测设备13 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测2.2.1路面使用性能单项性能评价公路技术状况评定以1000m路段长度为基本评定单元。沥青路面使用性能单项性能评价包含路面损坏、平整度、车辙、抗滑性能和结构强度五个指标。①路面损坏状况指数（PCI）(2.1)(2.2)式中：DR——路面破损率。各类病害对路面造成的损坏面积之和与评定面积的比值（%）；2——第类路面损坏的面积（m）；2A——评定路面的总面积（m）；w——第类路面损坏的权重；ia——沥青路面采用15.00，水泥混凝土路面采用10.66，砂石路面采用10.10；0a——沥青路面采用0.412，水泥混凝土路面采用0.461，砂石路面采用0.487；1i——考虑损坏程度（轻、中、重）的第i项路面损坏类型；i——包含损坏程度（轻、中、重）的损坏类型总数，沥青路面取21，水泥0混凝土路面取20，砂石路面取6。PCI的检测内容是DR，其于DR的对应关系如表2-1所示。表2-1PCI－DR对应关系（路面损坏）指标对应指标值PCI90807060DR沥青路面0.42.05.511.0DR水泥路面0.84.09.518.0②路面行驶质量100RQI=(2.3)1+aea1IRI0式中：IRI——国际平整度指数；a——高速公路和一级公路取值0.026，其他等级公路取值0.0185；0a——高速公路和一级公路取值0.65，其他等级公路取值0.58。1RQI的检测内容是IRI，其于IRI的对应关系如表2-2所示。14 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测表2-2RQI－IRI对应关系（路面平整度）指标对应指标值RQI90807060IRI高速、一级公路2.33.54.35.0IRI其他等级公路3.04.55.46.2③路面车辙深度100aRD(RDRD)≤0aRDI=60a(RDRD)(RD＜RDRD)≤(2.4)1aab0(RD＞RD)b式中：RD——车辙深度（mm）；RD——车辙深度参数采用20mm；aRD——车辙深度限值采用35mm；ba——模型参数取值2.0；0a——模型参数取值4.0。1RDI的检测内容是RD，其于RD的对应关系如表2-3所示。表2-3RDI－RD对应关系（路面车辙）指标对应指标值RDI908070600RD（mm）510152035④路面抗滑性能100SRIminSRI=SRI(2.5)aSFCmin1ae10式中：SFC——横向力系数；SRI——采用35.0；mina——模型参数取值28.6；0a——模型参数取值－0.105。115 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测SRI的检测内容是SFC，其于SFC的对应关系如表2-4所示。表2-4SRI－SFC对应关系（抗滑性能）指标对应指标值SRI90807060SFC484033.527.5⑤路面结构强度100PSSI=(2.6)1+aea1SSI0ldSSI=(2.7)l0式中：SSI——路面结构强度系数；l——路面设计弯沉(mm)；dl——实测代表弯沉(mm)；0a——模型参数取值15.71；0a——模型参数取值-5.19。1PSSI的检测内容是SSI，其于SSI的对应关系如表2-5所示。表2-5PSSI－SSI对应关系（路面结构强度）指标对应指标值PSSI90807060强度系数SSI1.00.830.660.52.2.2路面使用性能综合评价路面使用性能综合评价指标——路面使用性能指数PQI是由单项性能评价指标PCI、RQI、RDI、SRI四项值加权综合得到的，赋予各单项指标一定的权重值。PQIwPCIwRQIwRDIwSRI(2.8)PCIRQIRDISRI式中各类指标权重值，如表2-6所示。16 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测表2-6PQI各分项指标的权重高速公路、一级公路二、三、四级公路路面形式权重指标的权重值的权重值wPCI0.350.60wRQI0.400.40沥青路面w0.15—RDIwSRI0.10—公路路面性能各指标评价等级可以分为优、良、中、次、差五个等级，路面技术状况评定等级和评定标准如表2-7所示。在针对某条高速公路进行沥青路面的整体使用性能综合评定时，可以根据病害的种类和严重程度，适当改变PQI计算时PCI、RQI、RDI、SRI的权重，使得PCI的分布更加明显，以便于更好地分析路面使用性能，做出更加科学的养护决策。表2-7路面技术状况评定等级和评定标准评价等级优良中次差PQI≥90≥80,＜90≥70,＜80≥60,＜70＜60PCI≥90≥80,＜90≥70,＜80≥60,＜70＜60DR沥青路面≤0.4＞0.4,≤2.0＞2.0,≤5.5＞5.5,≤11.0＞11.0DR水泥路面≤0.8＞0.8,≤4.0＞4.0,≤9.5＞9.5,≤18.0＞18.0RQI≥90≥80,＜90≥70,＜80≥60,＜70＜60IRI高速公路≤2.3＞2.3,≤3.5＞3.5,≤4.3＞4.3,≤5.0＞5.0RDI≥90≥80,＜90≥70,＜80≥60,＜70＜60RD≤5＞5,≤10＞10,≤15＞15,≤20＞20SRI≥90≥80,＜90≥70,＜80≥60,＜70＜60SFC≥48≥40,＜48≥33.5,＜40≥27.5,＜33.5＜27.52.3沥青路面使用性能预测影响因素分析高速公路使用过程中，在外部环境影响下，随着时间推移必然会出现各种道路病害，这一方面是荷载、环境等外部因素的侵蚀，另一方面是年深日久的材料老化。为了使路面使用性能处于优良的状态，就必须采用恰当的符合道路实际的17 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测方法来预测高速公路沥青路面的使用性能，更好的掌握其随着时间推移而不断发[17]展变化的规律，以便于在恰当的时机进行合理的养护措施。各类内部与外部因素都在一定程度上影响沥青路面使用性能的衰减。故为了能够更加准确地预测路面的使用性能，做出更科学有利的决策，必须在充分考虑各种因素影响的前提下建立沥青路面使用性能衰变预测模型。①路面特征因素。随着时间的推移，不同材料的属性衰变会对沥青路面使用性能产生不一样的影响。因此，在路面使用性能预测模型建立的时候，应该充分考虑路面面层和基层的类型、厚度等特征，建立不同的预测模型，以便更好的预测沥青路面的使用性能衰变规律。②交通荷载因素。交通荷载大小主要受到交通量和交通组成的影响，因为交通荷载是直接作用在沥青路上的，因此是造成沥青路面使用性能衰减的重要原因[18]之一。随着经济的发展和物流行业的进步，货车比例逐渐增多，甚至超载现象也变得十分严重，各种各样的高压和超高压轮胎也造成了路面破坏的加剧。高速公路对货车的收费是按照轴重收费的，根据规范中关于沥青路面设计弯沉的算法，超载100%对于路面的作用相当于256次标准轴载。如果交通状况不同，路面使用性能随时间的衰变规律也会不同。③环境因素。影响沥青路面使用性能的环境因素主要有两种，一是温度，而是湿度。沥青混合料在施工对于温度变化十分敏感，容易受到季节温度变化、昼夜温差的影响。湿度方面，湿度过大，尤其是在雨季，沥青混合性能较差的路面容易出现松散、坑槽等病害，沥青路面的结构承载力将受到很大的影响。发生冰冻、持续潮湿的情况时，对路面使用性能影响更严重。④工程因素。工程因素是指高速公路建设期施工单位的施工水平和运营期管理部门的管养能力。施工水平的高低，对于沥青路面使用性能的衰变快慢起到决定性的作用，尤其是在开通后2~3年内，路面使用性能下降较为明显。如果施工质量不好，道路极易出现裂缝、水损坏等早期病害，如果预防性养护不到位，极[19]易导致路面使用性能急速下降。道路养护水平高，在合适的时机选择合适的养护措施，既能够节约养护资金，又能够使高速公路沥青路面的衰变速度降低，使得全寿命周期道路养护成本最低。⑤路龄因素。路龄是指路面建成后或者是最近一次大中修、改扩建至今的时间。时间越久，病害越多，修补现象越多，而路面破损程度和结构承载能力越小[20]。随着时间推移，高速公路破损也越来越严重，从而影响路面的平整度和行车的舒适性，危及行车安全。路龄在沥青路面使用性能预测中是一项十分重要的指标。18 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测⑥其他因素。除此之外，一些高速公路的附属设置乃至气候特点，在建立性能预测模型的时候，都需要考虑对预测结果产生影响的因素。2.4沥青路面使用性能预测模型美国AASHTO通过试验研究，建立了路面服务能力的预测方程，这是世界上最早的路面使用性能预测模型。随着各国研究的深入进行，各种预测模型随之出现。目前，得到人们广为认可的模型共有两种。一类是确定型模型，是针对某项路面使用性能指标或使用寿命进行预测，如经验、力学、力学经验模型等；另一类是概率型预测模型是对某项路面性能指标进行预测，得出的是一定的概率分布，如马尔可夫、半马尔可夫及贝叶斯概率模型等。中国学者邓聚龙教授在1982年创立了一种新的理论——灰色系统理论。这里借用了灰色作为白色与黑色的渐变色这一称呼，表明该理论可以同时建立在已知的确切信息和未知的推断信息基础上。灰色系统理论对部分已知信息进行分析和研究，以便能够掌握系统运行行为和演化规律。基于灰色系统理论，可以对理[21]论体系、分析系统、方法体系、模型体系、技术体系进行研究。对基于灰色预测理论研究高速公路沥青路面使用性能预测模型而言，之前提到的PCI、RQI、RDI等沥青路面使用性能的各项评价指标是已知的，而对交通荷载因素、环境因素、工程因素等影响路面使用性能的因素是不确定的，这一特[22]点恰好满足了灰色系统的理论基础。①GM模型的建立与求解假设）为GM（1,1）建模的原始序列（）令（）为）的一次累加后的序列。则（）；其中，；令（）为（）的均值序列，则；（）那么，GM（1,1）的灰微分方程模型为：（）(2.9)将k=2,3,…,n带入公式3.1中，得（）（）19 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测（）利用最小二乘法即可以求出和，经查询文献，直接给出公式：,(2.10)其中，,,由此可以得出时间响应：（）(2.11)(2.12)其中为生成数据时间序列的预测值。②模型预测精度检验模型求解后，需要通过对残差、误差率等数据的计算，检验灰色模型G（1,1）的精度和准确性。一般按照表2-8对GM（1,1）的模型进行分级。表2-8GM（1，1）模型精度等级表等级1级(好)2级（合格）3级（勉强）4级（不合格）P＞0.95＞0.80＞0.70≤0.70C＜0.35＜0.50＜0.65＞0.65其中达到2级标准的模型视为合格。1）残差的计算公式为：(2.13)2）最小误差概率P计算公式为：=＜(2.14)其中3）标准差比计算公式为：(2.15)其中采用灰色系统理论建立高速公路沥青路面使用性能预测模型，）代表高速公路沥青路面使用性能评价体系中的某项指标已知年份的数值集合，用G（1,1）20 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测模型来预测未知年度此项使用性能指标的数值，并可以用P和C值来检测模型的精度和可靠性。2.5本章小结本章对高速公路沥青路面的常见病害进行了分类研究，包括裂缝类、变形类、坑槽类、松散及其他类破坏，深入分析了各种病害产生原因；介绍了高速公路沥青路面使用性能评定，对路面使用性能各个单项评价指标评价目标、检测内容、计算方法进行了阐释，对综合评价指标的计算做出说明和延伸；用灰色系统理论建立相应模型对高速公路是适应的，为之后模拟高速公路沥青路面性能的衰减情况提供方法依据。21 第2章高速公路沥青路面使用性能评定及预测22 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究现如今，国内高速公路多采用半刚性基层沥青混凝土路面，由于交通量、交通组成、气候、施工、材料等诸多因素的影响，极易发生各种各样的病害。识别各种病害，并在恰当的时机选择合适的预防性养护措施进行养护，加强预防性养护管理，对于防止早期病害的加剧，确保沥青路面的性能良好，保证行车安全具有非常重要的意义。3.1高速公路沥青路面预防性养护决策影响因素高速公路沥青路面预防性养护决策需要同时考虑内外因素，外部条件的制约，包括道路实际状况、服务水平高低、养护政策倾斜等诸多因素。只有充分考虑了这些因素，养护决策才更科学合理，起到更好的效果。3.1.1路面状况路面的实际状况是能够对高速公路沥青路面预防性养护决策产生影响的因素。如果路面性能各项指标有一项触及到预防性养护的阀值，就需要采取预防性养护措施来恢复路面性能。对病害进行早期的预防性养护，路面性能就会重新处[23]于良好的状态，能够防止病害持续加剧，保持高速公路的安全畅通。另外，路面的病害类型也影响着预防性养护决策，对于不同的病害类型应采取不同的预防性养护措施，对于病害程度超过预防性养护范围的，要选择进行大中修，以恢复路面性能。3.1.2交通量和轴载在道路某地点或者某断面进行观测，单位时间内通过的车辆、行人等的数量，称之为交通量。常用的平均交通量有年平均日交通量（AADT）、月平均日交通[24]量（MADT）、周平均日交通量（WADT）和平均日交通量（ADT）。交通量是高速公路路面承受的直接外部荷载的体现，是造成路面使用性能下降的最重要的外部力量。交通量越大，对路面的作用强度越大，更易造成路面的破损，造成道路使用寿命的缩短。在进行预防性养护决策时，要充分考虑交通量的大小。交通量越大的高速公路，对路面性能指标的要求越高，养护标准也就越高，预防性23 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究养护的措施和频次就越高。而且交通量大的高速公路的通行任务繁重，在选择预防性养护措施时，尽量选择不断交施工或者施工周期较短的预防性养护措施，以减少对交通的影响。交通运输业的发展，对高速、空运、水运等运输方式的数量和质量要求也与日剧增。高速公路是交通运输的主要方式，货车在高速公路交通组成中的占比也越来越大，超载运输现象也越来越明显，超载的程度也越来越严重。货车的轴载直接作用到路面上，极易造成路面损坏，特别是超载的货车。所以，如果要研究沥青路面预防性养护决策，就必须充分考虑轴载因素的影响。对于货车比例较大、超载现象严重的路段，要采取较好的预防性养护措施。3.1.3养护效益预防性养护的效益包括经济效益、社会效益，在进行预防性养护决策时需要加以考虑，进行费用效益的计算比较，说明如果不进行预防性养护措施，直接在若干年后采取大中修，哪个方案更经济，对路面的使用性能改善的贡献更大。另外还要考虑社会效益，包括在促进地区经济发展、保障路网运行效率、保障交通安全等方面的效益，3.1.4行政因素行政干预、行政因素会影响到路面养护维修对策的原则。如果是一条旅游路，对路面的美观性要求会比较高；如果养护资金有限，而部分路段需要大中修，对其他路段的预防性养护的要求就会降低；行政管理者的专业素质和倾向也会在一定程度上影响预防性养护决策。行政因素应作为沥青路面预防性养护决策时需充[25]分考虑的对象。如果决策者不能很好的进行养护决策，可以委托有专业资质的机构对高速公路的养护需求进行分析，确定急需采取养护措施的路段，筛选路段，并对路段提出经济合理的养护对策。或者邀请专业学者协助，达到科学决策的目的。3.2高速公路沥青路面预防性养护时机确定3.2.1预防性养护时机确定方法在道路新建或者大中修之后，路面还未发生大量破坏的前提下，路面状况良好，或者只有轻微病害出现前，对高速公路沥青路面进行周期性的、强制性的预防性养护，成效显著。24 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究高速公路沥青路面在正式投入使用3到5年后，或者大修一段时间后，随着时间的推移，沥青路面由于同时受到交通荷载、气候环境、太阳照射等各种因素的影响，开始氧化，出现轻微的裂缝、车辙，如果路面使用性能下降明显，还会出现疲劳裂缝、沥青混合料脱落等病害。在高速公路出现裂缝且未及时处置的情况下，水分会极容易公路面层甚至基层结构，造成路面使用性能下降更加明显。因此，当路面出现轻微病害时，就要及时采取灌封、雾封层、微表处等预防性养护处理。预防性养护需要把握好恰当的时机，过早会造成资金的浪费，过晚又起不到应有的效果，很快便需要大修处理。目前，确定预防性养护时机的方法主要有：基于路况的方法、决策树/决策矩阵法、效益费用法、寿命周期效益评估法、经济分析决策法等。①基于路况的方法基于路况的预防性养护决策方法，旨于确定预防性养护的临界破坏状态，是[26]通过对原始路面路况的检测和调查，分析路面使用性能的衰变规律后确定的。确定路面使用状况的方式有路面无破损自动检测和人工路况调查两种。根据对路况的检测数据和病害分析，可以确定需要进行预防性养护的路段和位置。由于国内高速公路沥青路面的早期破坏现象发展迅速、较为突出，采用基于路况的方法确定预防性养护时机存在困难，因此其应用并不是很广泛。②决策树/决策矩阵法决策树/决策矩阵法，是以树状图的形式，将影响预防性养护的因素（包括道路状况、外部环境以及各种性能数据等）订立相对应的规则，为决策者提供理论依据，逐步细化、逐层分解，进而选择出合理恰当的处置措施。这其中，规则的订立是重中之重，应充分考虑当地高速公路的养护数据，充分听取管养人员的意见与建议。另外，具体实施阶段不能教条的照办决策树与决策矩阵的内容，要做到因地制宜、灵活运用，具体问题具体分析。③效益费用法费效法顾名思义，是一种综合权衡具体效益价值以及费用投入的法则。预防性养护工作终究不是学术研究，作为具体工程，对比投入与产出是管养部门必须考虑的客观现实问题，在保证安全的前提下“花小钱办大事”永远是高速公路养护的最终目的。效益费用法，就是将养护投入的人力、物力、财力与路面预期延长寿命，两者换算成实际经济效益进行比对，力图找到预防性养护的最佳节点，完成高速公路运营收益的最大化。但这种通过拟合曲线进行的方法评估，实际操作中存在的局限性也不容忽视。④寿命周期效益评估法25 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究这是目前使用频率最为广泛的一种决策方法，常常应用于路面乃至高速公路整体结构的大中修以及改扩建的计划制定中。具体来说，就是在寿命周期内，评[27]估投入资本来达到路面养护的性能要求，寻求时间点和投资数的最佳值。预防性养护的中心思想就是在大量严重病害产生之前，进行养护行为，以达到延缓大规模翻修甚至重建的时间，因此，在整个运营寿命的不同时期应有不同的针对性措施，且由于预防性养护的资金属于先行预付，所以周密的经济效益分析十分重要。⑤经济分析决策法这是一种以经济学为基础的理论分析方法，通过综合对比，将不同养护时间节点、不同养护方案、不同产值预期的各种预防性养护计划进行充分考量，进而找出其中的最优解，以达到充分利用现有条件，充分调动各方资源，最终实现最高性价比的目的。需要注意的是，高速公路作为公共交通的载体，服务性功能也是其重要组成部分，切记片面追求经济利益而忽略这一点。3.2.2改进的基于路况预防性养护时机确定①基于路面的结构强度预防性养护并不会影响到路面的深层结构，大部分养护措施都是针对表层病害制定，对路面的结构性能几乎没有改进作用。预防性养护适用的前提是沥青路面未出现结构轻度不足的问题。即当PSSI≤80（SSI≥0.83）时作为不可采取预防性养护的界限。当任何一项路面状况指标达到标准，该段就具有预防性养护需求，需要采取预防性养护措施。②基于路面的行驶质量路面平整度直接涉及到车辆行驶安全，是衡量路面状况的重要标度，也是道路管理者判断道路质量好坏的重要依据之一。大部分的欧洲国家采用IRI来验收路面平整度。对于平整度的分级，《公路养护技术规范》（JTGH10-2009）、《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007）、美国AASHTO规范有着不同的标准。[28]IRI分级对比情况如表3-1所示。表3-1不同规范的平整度分级规范名称等级优良中次差《养护规范》≤44～66～88～10＞10《评定标准》≤2.32.3～3.53.5～4.34.3～5.0＞5AASHTO规范≤1.521.52～2.542.54～3.563.56～5.08＞5.0826 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究由于预防性养护特殊的方案决策、施工特点，结合国内外研究成果，本文将RQI≥85（IRI≤3）作为路面行驶质量指数预防性养护的标准。③基于路面的破损状况在现行的路面性能评价体系中，路面状况指数PCI对路面行车安全、舒适及使用寿命的影响最大。因此，对于路面状况指数的分析对比，可以掌握高速公路不同路段、不同外部环境下的病害形成特点和发展趋势。对于高速公路来沥青路[29]面说，裂缝和车辙时最为主要的破坏类型，占全部破损的80%。影响路面破损情况即PCI数据的关键要素主要所有三点，分别是裂缝状况、车辙状况以及其他损坏情况。如何能够遏制裂缝病害的产生和发展，是管养部门最为棘手的几项问题之一。裂缝是由细到宽、由短变长、由个别到多量逐渐发展起来的。沥青路面出现裂缝需要及时填补，以免雨水、杂物渗入面层和基层，加速路面的破损。当裂缝宽度小于1mm时，只会轻微渗水，裂缝发展较缓慢，不需要进行预防性养护处理；1~3mm的宽度裂缝会有少量渗水，但渗水会加速裂缝的发展，应考虑采取预防性养护措施；3~10mm的宽度裂缝，渗水情况已经相当明显，原有裂缝也会快速发展，进而产生沥青与集料粘结不足，路面会慢慢出现松散、麻面甚至是坑槽的情况，此时进行预防性养护已经是势在必行。而大于10mm宽度的裂缝，就要影响到路面的整体结构了，此类情况已经超出了预防性养护的范围。国际上，一般将裂缝率作为沥青路面裂缝病害严重程度的评价指标。我国现行规范中，将各类破损换算成一定破损面积后，计算PCI，一定程度上丢失了[30]裂缝这一重要的指标。裂缝率的计算公式为：（）(3.1)式中：—沥青路面裂缝率；—块裂和龟裂的总面积；—单根裂缝的总长度m；A—评价路段路面面积。按照上述对裂缝宽度的分析，结合京秦高速裂缝病害的情况，我们将的预防性养护区间规定为[1%—5.5%]。沥青路面其他破坏包括松散、坑槽、泛油等。这些损害对高速行车安全的威胁性较大，路面巡查中一旦发现，就会立即采取措施进行治理。④基于路面的车辙深度随着交通量的逐渐加大，特别是货车的增多和高压轮胎的使用，高速公路通行的压力较大，作为高速公路的最主要病害之一，车辙会降低沥青表层的整体厚度，雨天车辙积水，冬季结冰，车辆变道时容易失去控制，影响行车安全。车辙27 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究深入达到一定标准后，面层渗水，使得沥青膜剥落，容易导致松散和泛油，长期发展，容易造成恶性循环，影响道路行车安全。现行规范中，制定15mm的车辙病害为沥青路面的养护标准，并且以25mm为标准将车辙划分为轻、重两个程度。如果车辙深度超过10mm，则需要加铺面层，当车辙病害的深度超过了20mm，那么就意味着整个路面的结构特性将会发生破坏。美国沥青协会将12.5mm作为车辙养护的标准。AASHTO法按深度对车辙进行了划分：轻（6～13mm），中（13～25mm），重（＞25mm）。日本阪神高速公路公司将车辙划分为四个等级：A（＞20mm）、B（10～20mm），C[31]（3～10mm），OK（＜3mm）。基于以上分析，结合对京秦高速裂缝病害的了解，将车辙预防性养护的区间确定为RD[10mm,20mm]。当路面车辙小于10mm时，舒适感轻微，不会或者稍有积水，对行车安全影响不大，不需要预防性养护措施；当路面车辙在10～15mm之间时，能够感觉到不舒服，车辙有积水现象，应当考虑预防性养护措施；当路面车辙在15～20mm之间时，行车时会产生强烈的不舒适，积水明显，发生滑动的可能性比较大，必须进行预防性养护；当车辙深入大于20mm时，能够感觉到严重的颠簸，行车危险，需对铣刨车辙，超出了预防性养护的范围。⑤基于路面的抗滑性能高速公路的设计时速一般为120km/h，车速非常快，因而需要较好的抗滑性能，尤其是在雨天路滑的情况下。当抗滑能力不足时，高速行驶的汽车会产生滑溜现象，极易发生各种行车安全事故。因此，路面的抗滑性能对于保证高速公路的安全畅通非常重要。横向力系数（SFC）是高速公路抗滑能力评价的重要指标。《养护规范》中，当高速公路SFC＜40时，表示抗滑能力不足，应当采取铺罩面层等措施提高路表面的抗滑能力。《评定标准》中，将SFC=40作为良和中的分界线，将SFC=33.3作为中和次的分界值。抗滑性能下降是京秦高速公路的一项重要的短板。多年来的病害治理有许多是针对抗滑性能的专项治理。当SFC≥50时，路面抗滑能力充足，不需要进行预防性养护；当45≤SFC＜50时，路面抗滑能力较强，雨天行车较安全，有可能会导致侧滑，考虑进行预防性养护；当40≤SFC＜45时，路面抗滑能力较弱，雨天行车存在危险，由于制动原因，很可能会出现车辆侧滑的情况，对路面进行预防性养护是十分必要的；当SFC＜40时，道路抗滑能力弱，雨天行车危险，超出了预防性养护范围。28 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究3.3高速公路沥青路面预防性养护措施选择3.3.1常见的预防性养护措施类型目前，表面封层、填补裂缝和罩面铺设是预防性养护最主要的三类措施。①裂缝填封类利用专业设备，将高弹塑性填充材料灌入裂缝的填缝方式，是目前治理裂缝病害的主要手段。主要针对只有几条明显的裂缝的情况，一般用于防止水损情况的发生。常用的裂缝填封材料预期使用寿命为1～2年。各种裂缝封填技术的特[32]点和适用性如表3-2所示。表3-2裂缝填封类技术特点和适用性序号种类特点适用性易于施工，投入资金、机械和普通或改性热人工较少，施工快捷；粘弹性1纵缝、横缝沥青灌缝因材料老化而丧失，持续时间较短溶剂型常温改低温稳定性好，常温即可施工，2气候较冷区的高速公路性沥青灌缝设备简单灌缝胶、密封有很强的粘结力、防水、弹性3交通繁重，裂缝较大的路段胶较好、热稳定性好、耐久性好防渗水，保障涂层与下层粘结构层较好，单纯灌缝不能很4抗裂贴结，厚度小，减少压力集中好的防水时5压缝带防水、施工方便结构物两端裂缝②表面封层类在高速公路沥青路面的预防性养护中，该类方法的应用最为广泛，常见措施分为雾封层（FogSeal）、稀浆封层（SlurrySeal）、微表处（Micro-surfacing）、碎石封层（ChipSeal）、就地热再生（Hotin-placeRecycling）等。雾封层的预期使用寿命为2年，稀浆封层、微表处、碎石封层的预期使用寿命为2～3年，就地热再生的预期使用寿命为3～4年。各种表面封层技术的特点和适用性如表[33]3-3所示。29 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究表3-3表面封层类技术特点及适用性序号种类特点适用性1雾封层填缝、阻水；抗滑性不足中等裂缝，沥青硬化，松散防水、抗滑、改善平整度、耐轻度裂缝，渗水，严重磨耗或2稀浆封层磨，工期短、造价低、能耗少，松散，轻度车辙，摩擦系数低，适宜工程应用老化；中、轻交通轻度裂缝；轻度不平整；轻度封水、抗滑、修复车辙、改善或中度泛油；渗水；龟裂或严3微表处外观；层面薄；施工前需治理重块裂、流动性车辙不适用；原路面病害重交通车辙、沉陷、龟网裂、平整度增加抗裂，减少反射裂缝；抗4碎石封层差、摩擦系数低、渗水；中轻滑；防渗水；工期短交通表层病害，沥青20℃针入度不改善防水，提高抗滑，使路面低于20（0.1mm），不适合已5就地热再生平整，修复中等以下车辙进行过封层、罩面的路面；10℃以上方能施工③薄层罩面类薄层罩面类预防性养护措施共有四大类型。罩面的预期使用寿命为3～4年[34]年，适用于各种等级的交通量。各种薄层罩面技术特点及适用性如表3-4所示。表3-4薄层罩面技术特点及适用性序号种类特点适用性纵、横缝和轻度块裂；轻度不防裂、防渗水、抗滑性能好、1超薄磨耗层平整、松散、泛油；抗滑性能增加结构轻度严重不足；适用于新、旧路节省沥青等材料用量、对环境工期紧张、交通量小、低等级2冷薄层罩面污染少、对施工季节要求不高公路，路面存在比较多的病害改善沥青路面平整度、恢复路整体强度低，服务性能差、重3热薄层罩面面抗滑能力、在一定程度上补载交通，对抗滑性能、平整度强道路结构强度有要求的路面满足环保能耗要求的同时，具对环保要求高的地区，高等级4温薄层罩面备良好的使用性能路面30 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究3.3.2基于路面病害的预防性养护措施决策树针对高速公路沥青路面较为常见的病害，包括裂缝、车辙、平整度差、抗滑性能不足四种病害，建立预防性养护措施决策树，使得预防性养护措施的选择更加直观、方便、快捷。①基于裂缝的预防性养护措施决策树裂缝荷载裂缝非荷载裂缝龟裂网状裂缝纵向裂缝横向裂缝年均日交通量AADT/车道轻中重＜20002000-5000＞5000薄表局层面部罩封修面层补轻中轻中轻中雾裂雾稀裂碎微裂缝浆缝石缝封封表层填封填封处填层封层封层封图3-1基于裂缝的预防性养护措施决策树31 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究②基于车辙的预防性养护措施决策树车辙结构型、失稳型车辙磨耗型、压密型车辙超出车辙深度预防性养护范＜10mm10-20mm＞25mm围不碎中微作石罩修表处处封面铣层刨置图3-2基于车辙的预防性养护措施决策树③基于平整度差的预防性养护措施决策树平整度差路面病害与基层、底基层有关仅为路面表层病害超出年均日交通量AADT/车道预防性养护范＜20002000-5000＞5000围轻中轻中轻中超碎稀薄薄微薄微石浆层磨表层表封封罩罩处耗处层层面面层图3-3基于平整度差的预防性养护措施决策树32 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究④基于抗滑性能不足的预防性养护措施决策树抗滑性能差45≤SFC＜5040≤SFC＜45年均日交通量AADT/车道稀碎浆石封封层层＜20002000-5000＞5000稀超薄碎薄浆层微石薄层微封表磨表罩封罩层处耗处面层面层图3-4基于抗滑性能差的预防性养护措施决策树3.4高速公路沥青路面预防性养护管理对策3.4.1正确认识预防性养护现行的养护规范，倡导“预防为主、防治结合”，而预防性养护是一种超前的养护思路，换句话说，要防患于未然，将病害消灭在萌芽之中，充分发挥前瞻思想和意识，要科学的分析路面乃至整个高速公路运营期间的病害隐患及发展趋势，综合考虑和对比预防性养护计划的经济投入与效益产出，同时如同前文所言，由于公共设施的固有属性，高速公路的服务性功能还应充分考虑。预防性养护涉及的内容其实相当丰富，高速公路道路、桥梁及附属设施都可以涵盖其中，而具体的施行也需要具体情况具体分析，根据不同的交通压力、外部环境以及病害的产生与发展走向，在高速公路使用寿命中制定科学合理的预防[35]性养护决策，做到“未雨绸缪”，最大限度的延长道路使用寿命。除此之外，预防性养护还应争取政策和资金支持甚至可以考虑将中修工程列入进去。因为从某种意义上说,只要道路还没有达到使用年限,还在寿命期内，所采取的养护措施都是延长路面使用时间和预防路面破坏为目标,都算是预防性养护争取政策和资33 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究金支持甚至可以考虑将中修工程列入进去。因为从某种意义上说，只要道路还没有达到使用年限，还在寿命期内，所采取的养护措施都是延长路面使用时间和预[36]防路面破坏为目标，都算是预防性养护。3.4.2改变道路养护考核方式预防性养护的机械化水平已经达到了一定的水平，在技术的方面没有问题。实施不起来的原因就出在投资上。是否采取预防性养护措施，这种决策很大程度上取决于考核方式和考核指标的选择上。社会运输成本低、交通事故发生的频次小是澳大利亚公路管养部门重要的考核指标，这就引导管养部门加大预防性养护投入。现在很多道路养护单位只看到眼前的效果，认为路况还可以，就不用浪费资金进行预防性养护。如果改变考核方式，在考核指标中加入降低运输成本、降低事故发生率、行车舒适度等指标，就会对管养单位养护计划和方案的制定产生积极影响。管养单位就会从道路的才长远发生和社会效益去考虑，适时进行预防性养护工程，加强道路的预防性养护工作。3.4.3调整和完善养护工程分类目前，按照国内养护规范的分类方法，高速公路养护按照规模可划分为日常保养、小修、中修、大修和改建，共五大类。而在国外发达国家，养护分类是以养护性质划分的，有预防性养护、修复性养护、翻修、重建四大类，这种分类方法更具目的性，也将之后的管养决策制定的更有针对性。从我国现行的公路养护工程管理办法和相关的技术规范对养护工程的分类来看，还没有预防性养护。在[37]养护工程的计划中，大多数省份没有预防性养护的专项科目。这对预防性养护的推广带来了管理和制度上障碍。所以，有必要将预防性养护的相关内容，列入相关的政策与规范之中。由此可见，建议将公路养护工程分为四类，分别是预防性养护、中修、功能性大修、结构性大修，如图3-5所示。其中，预防性养护是以预防或修复路面轻微损坏为主要目标的养护作业活动，主要针对路面表面层；中修是以修复路面局部损坏为主要目标的养护作业活动，主要针对路面表面层；功能性大修是以恢复路面功能性服务能力为主要目标的养护作业活动，主要针对路面上、中、下面层；结构性大修是以结构补强为主要目标的养护作业活动，主要针对路面基层。这种分类方式是按照养护目标及处理层进行分类的，将预防性养护纳入进来，同时也结合了我国现行规范中对养护工程的分类，是比较适合我国高速公路养护实际的，可以适时进行推广学习。34 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究图3-5公路养护工程新分类3.4.4科学决策编制计划在对道路养护方案和时机进行决策时，需要从全寿命周期考虑，在保证路况[38]水平的前提下，利用科学的理念和方法，进行道路养护决策。不仅要考虑采用某种养护措施时，路面性能的变化及所产生的费用，而且要从整个寿命周期内维持道路正常运行所产生的费用和效益，因为很多时候如果不进行预防性养护，就会在很短的时间内进行大中修，反而降低了道路的使用寿命，减少了社会效益。因而，要从满足经济最优化目标的前提下，选择道路养护最佳的投资方式，在编[39]制养护计划时，充分给预防性养护投入资金。3.5本章小结本章对高速公路沥青路面预防性养护对策进行研究，旨在做出科学的预防性养护决策。分析高速公路沥青路面预防性养护决策影响因素，系统阐述确定沥青路面预防性养护时机的几种方法，给出了改进的基于路况的预防性养护时机确定方法，分析了各类别沥青路面预防性养护措施的特点和适用路况条件，针对不同的路面病害类型，建立出能够为沥青路面预防性养护措施选择提供依据的决策树，针对沥青路面预防性养护管养水平提出了具体的提升对策。35 第3章高速公路沥青路面预防性养护对策研究36 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例第4章京秦高速公路预防性养护应用实例4.1京秦高速概况4.1.1基本情况作为连接华北和东北三省的主要干道，京秦高速公路在路网中的作用不言而喻，也为秦皇岛北戴河的旅游贡献着极强的运输能力。京秦高速公路分为三段：京沈高速公路宝坻至山海关段（宝山段）、廊坊段和北戴河连接线。京秦高速分布见图4-1。其中，京沈高速公路宝山段（K102+000~K301+685.9），全长199.683km，最高设计时速为120km/h，路基宽度33.5m，1996年9月开工建设，1999年7月开始运营通车，全线从河北与天津交界的蓟运河开始，到河北与辽宁交界的山海关结束，处于平原微丘区。廊坊段（K41+904~K63+207），全长21.303km，最高设计时速为120km/h，路基宽度34.5m,1998年3月开工建设，1999年11月开始运营通车，全线从北京与香河分界处开始，到香河县与天津宝坻县分界。北戴河连接线（S1）起终点桩号为K0+000～K17+631，全长17.631km，北起于京哈高速公路K253+547北戴河互通式立交，南止于北戴河崔各庄道口，全线地处平原微丘区，其中14.0km为全封闭、全立交一级汽车专用公路，路基宽度27.0m；3.6km为一级公路，路基宽度为23m，双向四车道，封闭立交结构，2000年6月15日建成通车。京秦高速分段情况如表4-1所示。山海关宝山段廊坊段北戴河连接线蓟运河图4-1京秦高速分布图37 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例表4-1京秦高速分段情况表段落起讫桩号里程建设标准起终点玉田县北宋村蓟运河交宝山段K102+000～K301+685.9199.682双向六车道界处—冀辽界山海关香河县凌家务村—香河廊坊段K41+904～K62+20721.3双向六车道县谭家务村北戴河互通—崔各庄道北戴河连接线K0+000～K17+63117.631口4.1.2原始路面结构京秦高速公路1999年建成通车，北戴河连接线2000年竣工通车，原始路面结构如图4-2所示。廊坊段宝山段（K41+904～K63+207）（K102+000～K301+682）4cm细粒式沥青混凝土4cm细粒式沥青混凝土5cm中粒式沥青混凝土5cm中粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土18cm水泥稳定级配碎石10cm水泥稳定级配碎石20cm二灰稳定级配碎石15cm二灰稳定级配碎石20cm石灰稳定土37cm石灰土北戴河连接线（K0+000～K17+631）4cm中粒式抗滑改性沥青混凝土5cm中粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土18cm水泥稳定级配碎石17cm石灰、粉煤灰稳定级配碎石20cm石灰土图4-2路面原始结构示意图38 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例4.1.3养护维修历史本文收集了京秦高速自建成通车至今的维修养护历史（不包括日常养护和小修保养），主要包括养护年度、养护路段和养护措施等信息，具体路段养护历史如图4-3所示。此外，2015年对上行K183+500～K183+600、K184+150～K184+250、K252+640～K252+740及下行K183+750～K183+850、K184+150～K184+250路段进行路基沉陷治理工程，方案是两段铣刨顺坡加铺调平；对K162+464～K301+682部分路段进行1cmMS-3型微表处。可见京秦高速采用预防性养护的措施比较少，多为路面的中修。年份图例：部分路段病害处治，4cmAC-13沥青砼罩面部分路段病害处治，4cmSMA-13沥青砼罩面2015201320122010200920072005（4cm细粒式+5中粒式+6cm粗粒式）沥青混凝土面层18cm水泥稳定级配碎石18cm水泥稳定级配碎石10cm水泥稳定级配碎石199917cm石灰粉煤灰稳定碎石20cm二灰稳定级配碎石15cm二灰稳定级配碎石20cm石灰稳定土20cm石灰稳定土37cm石灰土桩号K0+000K017+000K041+904K063+207K102+000K161+505K162+466K217+717K221+525K262+482K301+682图4-3路面养护历史示意图4.1.4交通状况因地处京津冀，又是华北地区连接东三省的唯一高速公路通道。京秦高速车流量大，交通异常繁忙。本文对京秦主线路段和北戴河连接线2015年的交通量资料并进行了分析。ETC及MTC客车计入一型客车，MTC货车计入不超载货车。廊坊段和宝山段货车比例较高，超过车辆总数的57%，其中超重车辆比例较高，约40%的货车超重，车型分类及所占比例情况如表4-2所示。北戴河连接线主要为小汽车，货车比例低，经评定为轻交通，车型分类及所占比例情况如表4-3所示。39 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例表4-22015年京秦高速主线交通量统计结果汇总表不超载货超载30%超载30%一型客车二型客车三型客车四型客车总计车以内货车以上货车（辆/日）（辆/日）（辆/日）（辆/日）（辆/日）（辆/日）（辆/日）（辆/日）636549744852123677451547041.14%0.32%0.48%0.31%33.69%23.77%0.29%--表4-32015年北戴河连接线交通量统计结果汇总表一型客车二型客车三型客车四型客车货车年均交通量（辆/日）（辆/日）（辆/日）（辆/日）（辆/日）（辆/日）3141292737112334693.87%0.87%0.81%1.11%3.35%--本文收集了京秦高速2006至2013年各收费站年均日交通量，计算了2007年至2013年各年度交通量增长率，如图4-4所示。京秦高速交通量逐年递增，增长率相差较大。2009年和2012年增长率较大，在50%以上，其他年度增长率在10%左右。70%60%50%40%30%20%10%0%2007200820092010201120122013图4-4京秦高速交通量变化4.1.5预防性养护存在问题京秦高速作为河北省最早修建的一条高速公路，自1999年开通至今，随着时间的退役，各类病害滋生发展。管理养护履历中，除2005～2007年分阶段对40 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例全线进行了一次病害处治及罩面维修外，后续决策也多为针对病害严重路面进行的中修，较少采取预防性养护措施。可见，京秦高速通车运营十八年来还没有真正建立起预防性养护体系，对高速公路预防性养护管理和应用相对滞后，路面养护主要还是被动性养护。究其原因，除体制、技术、经费外，更多是主观观念作梗，因此，积极推广预防性养护的理念，对普及路面预防性养护工作，意义重大。4.2京秦高速路面病害及使用性能评定4.2.1病害主要类型图4-5及图4-6皆为京秦高速公路的主要病害纵向分布图。由项目路段的病害纵向分布图可以看出，病害主要以修补为主，存在少量裂缝类病害。纵向裂缝横向裂缝修补）2200m15010050折合损坏面积（008164856163171179187195203211219227235243251259267275283291299桩号图4-5路面病害空间分布情况（上行方向）纵向裂缝横向裂缝修补）2200m15010050折合损坏面积（008164856163171179187195203211219227235243251259267275283291299桩号图4-6路面病害空间分布情况（下行方向）各病害的折算总面积和占总路面面积的比例如图4-7和图4-8所示。修补病害面积占路面总面积的比例约为1.2%，上行方向和下行方向基本持平。41 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例折合破损总面积为5844.40m2，占路面面积的1.26%1.5%1.19%1.0%0.5%0.06%0.01%0.0%纵向裂缝横向裂缝修补图4-7路面病害分布比例图（上行方向）1.5%1.23%折合破损总面积为6138.19m2，占路面面积的1.33%1.0%0.5%0.06%0.02%0.0%纵向裂缝横向裂缝修补图4-8路面病害分布比例图（下行方向）4.2.2病害原因分析目前，京秦高速的主要病害以裂缝类及其修补病害为主，病害产生的原因主要有以下几个方面：1、横向裂缝横向裂缝按其成因主要可分为半刚性基层的反射裂缝和温度裂缝两大类。半刚性基层材料具有较高的强度和刚度，容易发生变形，易产生较大的干缩和温缩42 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例[40]裂缝。基层开裂时，如果面层与基层之间存在良好的联结作用，面层约束基层开裂变形的同时，在其内部便会产生拉应力和拉应变，并与行车荷载产生的应力叠加，当超过材料的抗拉极限时，沥青层底部便会发生开裂破坏。随着使用年限增长，该裂缝最终将反射至表面层。京秦高速公路地处北方沿海，温差较大，冬季寒冷，及其容易产生低温开裂。一方面，气温降低的情况下容易使得路面上下层收缩不均匀，从而造成面层开裂，产生温度裂缝；另一方面，气温时高时低，反复的升高和减低，使得沥青面层的温度应力疲劳，沥青混合料的极限拉应变减低，产生应力松弛，导致温度变化时极易产生开裂的现象。而且我们可以发现，京秦高速公路的温缩裂缝的病害随着运营年限的增加而不断增加。2、纵向裂缝对于路面的纵向裂缝，按其成因主要可分为两类：一为沉降型纵向裂缝；二为荷载型纵向裂缝。沉降型纵向裂缝产生的主要原因为高速公路路基的不均匀沉降，对于路基填土较高而地基土层承载力相对较低的路段，路基发生沉降的幅度[41]较大，纵向裂缝也比较宽。荷载型纵向裂缝主要是重载渠化交通造成的。由于行车道集中了高速公路绝大部分重载和超载车辆，这些车辆行车速度缓慢，对沥青路面表层的压强大，公路面层内的剪切应力比较大，最终引起面层发生剪切疲[42]劳而开裂。4.2.3路面使用性能综合评价2015年京秦高速公路路面技术状况各指标评价结果如表4-4和图4-9、图4-10所示。京秦高速全线路面使用性能综合指标PQI为92.79，总体评价结果为优，优等路占比97.5%，良等路占比2.5%，没有次、差路；京秦高速全线路面损坏状况指标PCI为93.04，总体评价结果为优，优等路占比83.8%，良等路占比15.9%，中等路占比0.3%，没有次、差路；京秦高速全线路面行驶质量指标RQI为94.20，评价结果为优，全部为优等路；京秦高速全线路面车辙状况指标RDI的全线平均值为90.97，评价结果为优，优等路占比69.3%，良等路占比30.4%，中等路占比0.3%，没有次、差路；京秦高速全线路面抗滑性能指标SRI为89.01，评价结果为良，优等路占比42.5%，良等路占比55.3%，中等路占比2.2%，没有次、差路。京秦高速全线路面结构强度指标PSSI为98.69，评价结果为优，全部为优等路。43 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例表4-4京秦高速公路路面总体技术状况统计表评级比例（%）评价指标指标均值优等路良等路中等路次等路差等路路面状况/PQI92.7997.5%2.5%0.0%0.0%0.0%路面损坏/PCI93.0483.8%15.9%0.3%0.0%0.0%行驶质量/RQI94.20100.0%0.0%0.0%0.0%0.0%路面车辙/RDI90.9769.3%30.4%0.3%0.0%0.0%路面抗滑/SRI89.0142.5%55.3%2.2%0.0%0.0%结构强度/PSSI98.69100.0%0.0%0.0%0.0%0.0%98.6910094.2092.7993.0490.9789.0190807060PQIPCIRQIRDISRIPSSI图4-9京秦高速公路各指标均值优良中次差100%75%50%25%0%PQIPCIRQIRDISRIPSSI图4-10京秦高速公路各指标等级分布44 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例4.3京秦高速路面使用性能灰色预测工程实例本文以京秦高速公路廊坊段为例对GM(1,1)模型进行验证，该路段桩号为K41+904~K63+207，在2013年进行了4cmAC-13C改性沥青混凝土中修罩面，近4年的路面技术状况指数如表4-5所示，以此段来验证GM（1,1）模型预测沥青路面使用性能的可靠性和准确性，并预测2017~2020年的路面技术状况指标。表4-5京秦高速公路廊坊段历年路面使用性能各项指标路面技术状况指标2013201420152016年PCI95.9695.8792.6989.13RQI94.7294.0293.1592.08RDI93.7692.1291.7190.99SRI96.6192.5389.0486.514.3.1模型建立与求解假设）为GM（1,1）建模的原始序列令（）为）的一次累加后的序列。则由（）（）;得（）；令（）为（）的均值序列，则由得（，，）代入公式2.10可得C=711.16；D=277.69；E=65203；F=185730(代入)+可得令k=0,1,2,3即可得代入公式2.12可得45 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例，，即为2013～2016年PCI的模拟值。4.3.2模型预测精度检测京秦高速廊坊段PCI模拟值与实测值的对比，如表4-6所示。表4-6PCI模拟值与实测值对比指标年份2013201420152016（）95.9695.8792.6989.1395.9695.9492.5189.210-0.070.18-0.08经计算，0.095147标准差比：＜最小误差概率：＜＞0.95可见G(1，1)模型预测路面使用性能的精度符合要求。4.3.3路面性能评价指标的预测令k=4,5,6,7即可得代入公式2.4可得，，即为2017～2020年的PCI。同理，按照GM（1,1）模型建立与求解的方法，可以预测出2017～2020年的RQI、RDI和SRI，如表4-7所示。经检验，模型精度满足要求。各项指标预测值的变化趋势如图4-11。表4-7京秦高速公路廊坊段路面使用性能各项指标预测值参数年份2017201820192020PCI86.0282.9579.9877.13RQI91.1690.2289.2888.36RDI90.4889.9389.3788.82SRI83.4980.7278.0475.4546 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例12010080PCI60RQIRDI40SRI200201220142016201820202022图4-11京秦高速公路廊坊段路面使用性能各项指标衰减趋势4.3.4结果分析京秦高速廊坊段PCI和SRI下降明显，表明路面破损面积上升幅度快，路面抗滑性能不足表现越来越明显。京秦高速廊坊段路面平整度状况较好，车辙病害表现不明显。综合考虑京秦高速路龄长、对路面服务要求高、交通量大等因素，需要对京秦高速廊坊段在2017年采取预防性养护措施，SMA罩面施工或超薄磨耗层较为合适，通过预防性养护措施施工来提高沥青路面的平整度，回复沥青路面的抗滑性能。4.4京秦高速路面预防性养护决策与管理4.4.1路面预防性养护决策因京秦高速为政府还贷高速公路，京秦管理处的专项工程需要入库后两年才能实施，因此以2015年及历年的路面使用性能实测数据为基础，对京秦高速2017公路路面性能的指标进行预测，并对指标预测值按照预防性养护的要求进行筛选，确定应该采取预防性养护措施的路段。然后，针对预防性养护需求原始分析结果进行了优化合并，得出养护路段的桩号，以便于预防性养护工程的施工。2017年京秦高速养护需求，如表4-8所示。47 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例表4-8京秦高速公路养护路段统计表方向养护范围养护里程（km）养护性质上行K0+000~K17+63117.631预防性养护下行K0+000~K17+63117.631预防性养护下行K41+904~K50+0008.096预防性养护下行K184+000~K218+00034.000预防性养护京秦高速公路养护路段路况如表4-9所示。根据养护路段路况可知，2015京秦高速上行K0+000～K17+631、下行K0+000～K17+631和下行K184+000～K218+000路段PCI较低，进行灌缝后PCI能恢复到92，由于受自然衰变影响，2017年该路段路况将处于较低水平且裂缝较多。因此，建议及时该对路段进行灌缝，加强日常养护维修，于2017年进行预防性养护。2015年下行K41+904~K50+000路段SRI较低，建议在2017年的时候采取预防性养护措施，恢复抗滑性能。此外，上行方向K186+000～K189+000、K270+000～K273+000、K281+000～K283+000路段及下行方向K275+000～K277+000等部分路段也存在抗滑不足情况，建议及时进行抗滑专项处治。表4-9京秦高速公路养护路段路况方向路段范围PCIRQIRDISRI上行K0+000~K17+63188.495.392.096.7下行K0+000~K17+63191.095.692.596.9下行K41+904~K50+00091.995.492.082.2下行K184+000~K218+00091.094.591.685.0根据路况分析和病害诊断结果，针对上行K0+000~K17+631、下行K0+000~K17+631和下行K184+000~K218+000路段提出养护方案如下：方案A：对原路面基层病害进行局部处置后，清理路面，喷洒改性乳化沥青粘层油，进行沥青混凝土薄层罩面。方案A路面结构示意图如图4-12所示。SMA薄层罩面粘层基层病害局部处理图4-12方案A路面结构示意图48 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例方案B：对需求路段实施预防性养护措施后，清理路面，喷洒改性乳化沥青粘层油，加铺超薄磨耗层。方案B路面结构示意图如图4-13所示。超薄磨耗层粘层基层病害局部处理图4-13方案B路面结构示意图该路段裂缝病害较多，彻底处治裂缝病害后进行薄层罩面可以有效控制裂缝发展，恢复路面使用性能，故建议选用方案A。对路面抗滑性能不足的路段，建议根据路况发展，结合养护资金安排，进行抗滑专项处治。可采用方案B或进行微表处提高路面抗滑性能。对养护路段实施预防性养护工程后，京秦高速的养护质量预测结果如图4-14所示，可见预防性养护对提高路面使用性能效果明显。100全幅路面90路况现状2017年预测路况802017年养护效果路面技术状况指标7060PQIPCIRQIRDISRI图4-14京秦高速路面养护质量评价结果（指标均值）4.4.2路面预防性养护管理京秦管理处作为京秦高速的运营管理单位，应该加强对高速公路预防性养护的重视，除了通过定期培训加强职工预防性养护意识外，还要在日常养护工作中，及时进行灌封、封缝、修补坑槽、清扫路面、除雪防滑等，发现问题及时处理。合理安排资金，投入合适的资金到路面预防性养护工程中来，尽量申请列入年度养护计划。①加强路面预防性养护工作49 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例要坚持按制度巡查，加强巡查力度，按巡查频次可分为日常巡查、定期巡查、特殊巡查和专项巡查，在巡查中发现问题要及时处理。路面的定期巡查每季度一次，进行路面技术状况评定。特殊巡查包括雨后、大风天气、大雾天气及雪后巡查，巡查内容包括路面坑槽、沉陷、唧浆情况，路面散落物，车辆事故引起的路面损坏，路面积水、结冰、滑溜等，密切观测病害发展速度和程度。依据巡查结果填写养护巡查日志，对发现的问题填写维修保养通知单。小修保养是高速公路预防性养护的重要组成，维修保养的对象是公路和沿线设施的轻微破损，是高速公路养护的日常工作。小修保养的维修点多，病害处理种类多，施工面广，作业分散，有时间限制，要求精细。京秦高速是半刚性基层沥青路面，路面易发生裂缝病害，导致水损坏。必须及时、精细的对发生的病害进行小修保养，如果保养不及时很有可能导致病害迅速发展，造成较严重的损坏。在京秦高速小修保养中，要及时、科学地对横向裂缝、纵向裂缝、龟裂、块状裂缝、松散、沉陷、波浪拥抱、泛油、修补不良等路面病害，一旦发现，及时按有关规范规定的时限要求进行处理。在路面灌封、坑槽修补这些小问题的维修上，要及时、快捷、使用恰当的工艺，保证质量精良，防止发生新的“易损”路面。京秦高速通过制定日常养护工作月历，确定常用项目的合理单价，建立政府采购限额以下项目承包商备选库的方式，提高路面养护的效率，确保路面预防性养护的及时性。②严格把控预防性养护工程质量在路面预防性养护工程施工中，预防性养护的工程质量对于保证养护效果非常重要，在有限的养护资金控制下，实施预防性养护措施非常难得。预防性养护工程质量的控制需要把握好六个要素。1）适用的措施。经过长时间的荷载和环境作用，路面会出现不同的病害。预防性养护措施类型多样，但是适用范围、时效性、经济性、预期寿命等情况是有差别的。同一种预防性养护技术，用在不同路段、时段上，其效果会截然不同。预防性养护的第一道工序就是彻底处理原路面的病害，包括灌封、修补坑槽等，[43]否则将难以发挥其作用，影响处置效果。2）专业的队伍。参与预防性养护工程施工的企业必须具备对应的施工资质和高速公路业绩，队伍要求技能过硬，同时人员配置要趋于合理和稳定。选择预防性养护施工单位，要在招标文件中注明所需的企业、人员的资质和业绩，确保队伍的专业性。3）精良的装备。沥青路面预防性养护技术在高速公路施工需要配备专业的机械设备，同时配套制定合理的检修计划，保证设备的正常和高效运转。此外，因专用装备的更新速度较快，公路养护管理部门需要及时了解行业装备更新动态，50 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例及时对装备进行更新，同时注意调动本单位职工发挥双创精神，对装备进行技术改造与革新，提高装备的使用效率和效果。4）优质的材料。预防性养护措施的材料包括胶结材料、砂石料、其他材料。对材料的质量要严格要求，同时，还要按照施工决策的要求选择，保证材料的合格和优质。5）严格的管理。管理涉及业主、监理、施工单位三方，业主要做好总指挥，在合同中列入质量控制和人员管理方面条款，定期开展设计、业主、建立、施工单位参加的四方工地例会，加强工程质量、进度、成本与现场安全的监督管理，在不同标段间开展劳动竞赛，做好工期要求制定严格的奖惩措施。监理、施工方要健全管理制度，严格控制工序，落实质量责任制。6）合适的季节。预防性养护工程对于高速公路的防水和封水具有十分重要的作用，处治水损坏，防止水渗入路面、路基，路造成损坏。预防性养护工程施工应尽量避开雨季。当采用乳化沥青类胶结料时，预防性养护施工必须保证施工和养护温度在15℃以上。降雨可能会导致预防性养护出现脱皮等问题，为保证施工效果，最好再施工和养护期没有降雨。4.5京秦高速沥青路面预防性养护效益评估高速公路沥青路面预防性养护的效益是从国家和地区的整体角度来看，其在自身、经济、社会三个方面都有十分可观的效益。根据本文的研究对象及研究内容，京秦高速公路沥青路面预防性养护的效益评估主要从以下三方面进行分析。4.5.1自身效益评估对高速公路沥青路面预防性养护的研究，可为高速路面养护决策提供基础资料，从而保证高速公路的安全运营和高效管理，使其在合理的养护下，达到可预期的使用性能，完成寿命期的预定功能。预防性养护效果的好坏取决于对路面使用性能（PCI）的提高和路面使用寿命的延长。预防性养护效果评价分项指标包括短期效益指标（S）和使用寿命指标（L）。短期效益指标（S）为沥青路面使用性能提高值与预期性能提高值之比。使用寿命指标（L）为实际使用寿命/预期措施使用寿命之比。将短期效益指标的权重定为0.3，使用寿命指标的权重定为0.7。可以用预防性养护效果的综合评价指标M来对效果进行定量评价。预防性养护措施预期使用寿命，如表4-10所示。综合评估指标（M）=0.3*短期效益指标（S）+0.7*使用寿命指标（L）51 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例性能提升值预期值按原路面破损PCI提升到100计算。这里给出典型预防性养护措施的预期使用寿命。表4-10预防性养护措施预期使用寿命序号预防性养护措施预期使用寿命（年）1雾封层12稀浆封层23碎石封层34微表处35超薄磨耗层46薄层罩面47就地热再生4沥青路面预防性养护评价等级可以分为优、良、差三种，可以根据综合评估指标M的计算值，确定预防性养护效果的评价等级，如表4-11所示。表4-11预防性养护效果的评价等级综合评估指标（M）＞10.8—1＜0.8评价等级优良差京秦高速公路可以采用这种方法对预防性养护措施的自身效益进行评估。通过对高速公路沥青路面预防性养护措施自身效益的研究评估，可为道路管理人员提供详尽的决策资料，充分体现了高速公路预防性养护研究带来的效益，具体有以下四个方面：①掌握路面性能现况高速公路沥青路面预防性养护是同路面的定期检查相结合进行的，通过路面预防性养护决策分析，路面管理人员能够掌握路面性能状况，发现存在的问题，进而采取相应的维护措施，消除隐患。②提供养护管理依据通过路面预防性养护能够为桥梁管理人员提供所管辖区路段内典型路段的关键数据及运营状况，为高速公路日常养护、大中修以及改、扩建决策提供重要依据。③积累公路信息数据52 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例高速公路预防性养护前期决策可以系统地收集高速公路技术资料，建立动态数据库，为道路管理提供资料，进一步为管理人员决策提供必要的数据支持[44]。④发展高速公路设计、养护及管理理论通过预防性养护，能够为养护、设计和管理等部门提供大量的信息与数据，为进一步的发展预防性养护学科提供实践比对，为发展旧路养护以及新结构的设计提供科学的理论。4.5.2相对经济效益分析高速公路预防性养护技术在带来自身效益的同时，还为相关的部门创造一定的相对效益，集中体现在道路养护以及高速公路大、中修方面的效益。由于高速公路预防性养护技术的引入，在道路病害的萌芽阶段即可进行及时的修缮补足，减少甚至消除了一些大、中修工程的产生，除减少工程款项开支以外，更是避免了因为大、中修工程造成断交，进而出现的社会经济损失。预防性养护技术对高速公路寿命的延长非常有利，这期间创造的社会价值远高于预防性养护的资金投入。如果高速公路路面不采取预防性养护措施，路面使用性能衰减会比较快，路面将很快达到寿命，即使在中期进行中修措施，对道路使用寿命的延长也是有限的。因此，无论是发达国家还是发展中国家都着力于加强预防性养护的研究与投入，使其恢复或提高技术标准，预防性养护对于延长道路使用寿命、节约养护资金具有非常重要的意义。随着越来越多的高速公路长年累月的运行，我国越来越多路段的路面面临着检测、评定及维修养护，因此预防性养护的研究预期将会带来巨大的经济效益。4.5.3社会效益评估高速公路路面预防性养护对高速公路的服务水平和道路养护质量都具大的促进作用，同时也会为社会带来巨大的效益。①促进地区经济发展高速公路路面预防性养护能使得京秦高速公路路面处于较好的状况，保证了高速公路全线的安全畅通，进而保证了当地企业所需原材料以及产品的输入、输出能力，节约成本，创造更多利润。同时，京秦高速公路交通的安全改善了地区[44]投资环境，使得区域内外的经济联系更加紧密，从而促进地区经济发展。②对公路交通事业发展的影响一是保障交通安全。京秦高速公路路面预防性养护工作能够使高速公路管理人员熟知所管辖区路段内路面的状况，确保交通安全，减少交通事故。53 第4章京秦高速公路预防性养护应用实例二是优化路网结构。京秦高速公路的安全能够保证路网的通行能力，稳定路网结构，防止所属路线和相关路线的拥挤，确保路网运行效率。三是提高地区科研水平。京秦高速公路路面预防性养护需要不断的采用新技术、新方法，优化路面使用性能评定章程，在研究过程中多种学科交叉运用，培养高速公路养护方面的科研技术人员和管理人才，可提升行业科研技术水平，促进公路交通事业的发展。4.6本章小结本章以京秦高速公路为应用实例，介绍了京秦高速公路的概况、维修历史和交通量，深入剖析了京秦高速公路路面病害及导致病害发生的原因，对京秦高速公路路面使用性能进行了评定，用灰色预测模型对京秦高速某路段路面使用性能进行预测，验证模型的可靠性，采用预防性养护决策理论确定预防性养护路段，提出预防性养护方案，并提出针对京秦高速的预防性养护管理层面对策，对京秦高速预防性养护作出效益评估。54 第5章结论与展望第5章结论与展望5.1主要结论1、本文深入剖析了高速公路沥青路面预防性养护决策的研究背景，对高速公路沥青路面预防性养护决策的研究意义非凡，深刻分析了国内外的研究现状，对本文的主要研究内容做了详细的阐述。2、本文深度研究高速公路沥青路面各类病害，探寻病害发生的深层原因，阐述高速公路沥青路面使用性能的具体评定方法，并进一步利用灰色预测理论建立高速公路路面使用性能灰色预测模型，对预测精度进行分析，模拟高速公路沥青路面的性能的衰减情况，预测其发展趋势。3、本文对高速公路沥青路面预防性养护对策进行了研究分析，分析了高速公路沥青路面预防性养护决策影响因素，系统阐述了确定沥青路面预防性养护时机的几种方法，给出了改进的基于路况的预防性养护时机确定方法，针对不同的路面病害类型，建立出能够为沥青路面预防性养护措施选择提供依据的决策树，针对沥青路面预防性养护管养水平提出了具体的提升对策，为高速公路预防性养护科学决策提供理论和实践依据。4、本文应用实例研究是以京秦高速公路为对象，研究京秦高速公路路面病害、使用性能评定，用灰色预测模型对京秦高速某路段路面使用性能进行预测，验证模型的可靠性，用预防性养护决策理论确定预防性养护路段，提出预防性养护方案，并提出预防性养护管理层面对策，对京秦高速预防性养护做出效益评估。5、本文通过对高速公路沥青路面病害及其成因、路面使用性能预测、预防性养护时机及措施选择等内容的研究，为预防性养护决策提供理论基础，使得管养单位能够根据不同的路况确定预防性养护的路段，确定最优的预防性养护方案，作出科学正确对道路有利的预防性养护决策。5.2需要进一步研究的问题1、需要结合高速公路的实际情况，更深入的研究并且完善路面性能预测模型，以便能够更准确的路面使用性能的各项指标，对预防性养护措施的选择和养护时机的确定提供更加准确的依据。55 第5章结论与展望2、预防性养护决策缺少科学的和可量化的方法，需要进一步研究科学而又适用的养护技术决策方法，才能更加有助于系统的预防性养护实施。3、需要进一步建立预防性养护决策管理体系，从决策者的层面推广预防性养护理念和技术。56 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