冀北地区高速公路沥青路面使用性能衰变规律研究 96页

UDC：学校代码：10084中文图书分类号：U418学号：2015210216密级：公开河北建筑工程学院硕士学位论文（全日制）题目：冀北地区高速公路沥青路面使用性能衰变规律研究英文题目：STUDYONTHEDECAYLAWOFASPHALTPAVEMENTPERFORMANCEINTHENORTHOFHEBEIPROVINCE论文作者：冀伟专业学位类别及代码：工程硕士(0852)领域及代码：建筑与土木工程(085213)申请学位：工程硕士指导教师：李章珍教授答辩日期：2018年6月授予学位单位：河北建筑工程学院 独创性声明本人郑重声明：此处所提交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除已注明部分外，不包含他人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的集体和个人，均已在论文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日河北建筑工程学院学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解河北建筑工程学院有关保留、使用学位论文的规定。特授权河北建筑工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。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。本学位论文属于（请在以下相应的方框内打“√”）保密□在年解密后适用本授权书不保密□作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日 摘要摘要经过大规模的公路建设，我国高速公路的通车里程已基本满足经济发展的需求，公路交通发展的主要任务已从建设时代过渡到养护时代。冀北地区属于我国寒冷地区，气温低、低温持续时间长、温差大，地质条件复杂，道路所处环境恶劣。高速公路路面结构易产生不同类型、不同程度的损坏，使用性能逐年下降。通过研究路面使用性能的衰变规律，当路面使用性能降低到一定水平时，及时采取相应的养护或改建措施，可以提高路面使用性能，延长使用寿命。因此，对冀北地区高速公路沥青路面使用性能衰变规律的研究是十分必要的。本文以冀北地区高速公路实际情况为依托，主要进行了以下几个方面的研究：（1）对冀北地区多条高速公路病害数据进行统计，确定其主要病害类型，对病害产生的原因进行分析，为路面病害的防治对策提供理论指导。（2）应用灰色关联度理论对使用性能指标进行分析，确定使用性能综合指标与各分项指标的灰色关联度的大小关系，再根据多条高速公路使用性能各指标历年的变化规律，确定了冀北地区高速公路沥青路面评价的决定性指标。（3）引入时间序列的分析方法，分别对养护前后路面车辙深度进行计算，通过回归分析，得到养护前后冀北地区高速公路沥青路面车辙预测模型。（4）运用SPSS软件对冀北地区多条高速公路实测PCI数据进行回归分析和误差分析，最终选择S型模型作为路面损坏状况的预测模型，并提出了S型中参数β和k的函数关系式。（5）分析沥青路面抗滑性能的作用机理，介绍灰色GM（1,1）模型的基本理论，利用该模型对冀北地区高速公路抗滑性能进行验算。（6）应用已建立的模型对冀北地区实际高速公路罩面层使用寿命进行了确定。关键词：沥青路面；使用性能；评价指标；预测模型Ⅰ 河北建筑工程学院硕士学位论文AbstractAfterlarge-scalehighwayconstruction,themileageofhighwaysinChinahasbasicallymettheneedsofeconomicdevelopment.Themaintaskofhighwaytrafficdevelopmenthasshiftedfromtheeraofconstructiontotheeraofconservation.ThenorthofHebeiProvincebelongstothecoldregionofourcountry,withthefeaturesoflowtemperature,longdurationoflowtemperature,largetemperaturedifferenceandcomplicatedgeologicalconditions.Duetotheharshenvironmentoftheroad,thehighwaypavementstructureiseasytoproducedifferenttypesanddifferentdegreesofdamage,andtheserviceperformanceisdecliningyearbyyear.Bystudyingthelawofdecayofpavementperformance,whentheperformanceoftheroadsurfaceisreducedtoacertainlevel,appropriatemeasuresforconservationorreconstructioncanbetakenintimetoimprovepavementperformanceandprolongservicelife.Therefore,itisverynecessarytostudythedecaylawofserviceperformanceofasphaltpavementinthehighwayinthenorthofHebeiProvince.BasedontheactualsituationofthehighwayinthenorthofHebeiProvince,thispapermainlystudiesthefollowingaspects:(1)BasedonthestatisticsofdiseasedatainanumberofthehighwayinthenorthofHebeiProvince,themaintypesofdiseasesareidentifiedandthecausesofthediseasesareanalyzedtoprovidetheoreticalguidanceforthepreventionandtreatmentofroaddiseases.(2)Thegrayrelationaldegreetheoryisusedtoanalyzetheuseperformanceindextodeterminetherelationshipbetweenthecomprehensiveindexofperformanceandthegrayrelationaldegreeofeachitemindex.Accordingtothechangesofvariousindicatorsofhighwayperformanceovertheyears,determinethedecisiveindicatorsofhighwayasphaltpavementevaluationinthenorthofHebeiProvince(3)Thetimeseriesanalysismethodwasintroducedtocalculatetherutdepthofthepavementbeforeandafterconservation.Throughregressionanalysis,theruttingpredictionmodelfortheasphaltpavementofthehighwayinthenorthofHebeiProvincebeforeandafterconservationwasobtained.(4)TheSPSSsoftwareisusedtocarryoutregressionanalysisanderroranalysisonthemeasuredPCIdataofanumberofexpresswaysinnorthernHebeiⅡ AbstractProvince.Finally,theSmodelisselectedasthepredictionmodeloftheroaddamagecondition,andthefunctionformulaofβandkintheSmodelisproposed.(5)Themechanismofanti-skidperformanceofasphaltpavementisanalyzed.ThebasictheoryofgrayGM(1,1)modelisintroduced.Theanti-skidperformanceofhighwayinnorthernHebeiProvinceischecked.(6)TheestablishedmodelisusedtodeterminetheservicelifeoftheactualhighwaycoversurfaceinthenorthofHebeiProvince.Keywords:asphaltpavement;performance;evaluationindex;predictionmodel.Ⅲ 目录目录摘要....................................................................................................................IAbstract...............................................................................................................II第1章绪论...................................................................................................-1-1.1研究目的与意义........................................................................................-1-1.2国内外研究现状........................................................................................-2-1.2.1国外研究现状.................................................................................-2-1.2.2国内研究现状.................................................................................-3-1.3研究内容及技术路线.................................................................................-4-1.3.1研究内容..........................................................................................-4-1.3.2技术路线..........................................................................................-5-第2章冀北地区高速公路沥青路面病害统计及原因分析.........................-6-2.1病害检测路段的选择................................................................................-6-2.2病害统计及结果........................................................................................-6-2.2.1病害统计.........................................................................................-6-2.2.2病害结果.......................................................................................-13-2.3冀北地区高速公路沥青路面病害原因分析..........................................-13-2.3.1横向裂缝.......................................................................................-13-2.3.2纵向裂缝.......................................................................................-14-2.3.3龟裂和块状裂缝...........................................................................-15-2.3.4修补...............................................................................................-15-2.3.5松散、坑槽...................................................................................-16-2.4小结...........................................................................................................-16-第3章冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价指标的确定...............-18-3.1我国现行沥青路面使用性能评价指标分析..........................................-18-3.2冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价..........................................-19-3.2.1灰色关联分析方法.......................................................................-19-3.2.2案例分析.......................................................................................-21-3.3冀北地区高速公路沥青路面使用性能指标统计..................................-25-3.4冀北地区高速公路沥青路面使用性能指标的选择..............................-30-3.5指标选取分析..........................................................................................-31-IV 河北建筑工程学院硕士学位论文3.6小结...........................................................................................................-32-第4章冀北地区高速公路沥青路面车辙预测模型的建立.......................-33-4.1预测指标的确定......................................................................................-33-4.2沥青路面车辙影响因素分析..................................................................-33-4.3路段选取及数据的统计整理..................................................................-35-4.4路面车辙预测模型的建立......................................................................-36-4.4.1建模原则.......................................................................................-36-4.4.2路面车辙深度时间序列预测模型的建模方法...........................-36-4.4.3沥青路面车辙深度预测模型的建立...........................................-39-4.5小结...........................................................................................................-48-第5章冀北地区高速公路沥青路面路面损坏预测模型的建立...............-50-5.1路面使用性能预测模型..........................................................................-50-5.1.1S型模型........................................................................................-50-5.1.2孙立军模型...................................................................................-51-5.1.3指数模型.......................................................................................-51-5.2路面损坏状况衰变趋势..........................................................................-51-5.3预测模型的比选......................................................................................-53-5.3.1模型参数计算...............................................................................-53-5.3.2模型结果分析...............................................................................-56-5.4预测模型的研究......................................................................................-61-5.5小结...........................................................................................................-64-第6章冀北地区高速公路沥青路面抗滑性能预测模型的建立...............-65-6.1沥青路面抗滑机理分析..........................................................................-65-6.2沥青路面抗滑影响因素分析..................................................................-66-6.2.1路面因素.......................................................................................-66-6.2.2车辆因素.......................................................................................-67-6.2.3环境因素.......................................................................................-67-6.3抗滑性能预测模型建立..........................................................................-68-6.3.1GM(1,1)模型的建立.....................................................................-68-6.3.2模型预测精度检验.......................................................................-70-6.3.3预测模型的应用...........................................................................-71-6.4小结..........................................................................................................-74-第7章基于路面使用性能衰变的高速公路罩面层使用寿命的确定.......-75-V 目录7.1模型的形式..............................................................................................-75-7.2案例分析..................................................................................................-77-7.3模型参数确定..........................................................................................-77-7.4罩面时间确定..........................................................................................-79-7.5小结..........................................................................................................-80-第8章结论与展望.......................................................................................-81-8.1结论..........................................................................................................-81-8.2展望..........................................................................................................-81-参考文献.........................................................................................................-83-攻读硕士学位期间所发表的学术成果.........................................................-86-个人简历.........................................................................................................-87-致谢...............................................................................................................-88-VI 第1章绪论第1章绪论1.1研究目的与意义2017年全国交通运输会议指出，截止到2016年底，我国高速公路总里程已突破13万公里。回顾我国高速公路发展的几十年，从1999年的1万公里，到2014年的11万公里，位居世界第一，再到2016年底的13万公里，我国高速公路实现了从无到有、从少到多、从慢到快的发展。在这么多年高速公路建设中，沥青混凝土路面因其良好的使用性能，已成为我国在建或已建高速公路主要的路[1]面结构形式。良好的路面使用性能是高速公路行车安全的重要保障，但投入使用的沥青混凝土路面，随着使用年限的增加，及受各种环境因素、荷载因素的影响，使用性能逐渐降低，最终可能不能满足交通运输的要求。但是如若能掌握路面使用性能的衰变规律，了解其衰减趋势，在路面性能降低到一定水平时，采取一些维修措施，就可延缓路面使用性能的衰减，甚至提高使用性能，恢复原有路面的服务水平，这就是公路养护的意义。我国高速公路经过几十年的建设，通车里程基本满足经济发展的需求，另一方面，早些年新建高速公路的服务水平开始逐年下降，有的甚至不能满足基本通行能力，这时，公路养护就显得尤为重要，不仅使旧路面得以重生，还减少了资金的浪费。而在养护的过程中，如何达到最优的养护效果已成为高速公路养护发展的关键。冀北地区主要以张家口、承德为主，属于我国寒冷地区，由于冀北地区气温低、低温持续时间长、温差大、地质条件复杂，道路所处环境恶劣，所以道路路面结构易产生不同类型、不同程度的损坏。本文主要以张家口、承德地区为基础，研究冀北地区高速公路沥青路面使用性能代表性评价指标及其衰变规律，通过这项研究，得到冀北地区不同影响因素作用下高速公路沥青路面的使用性能衰变规律，对现有路面使用性能进行预测，从而指导公路建设和养护，保证路面有一个良好的使用性能，达到安全、舒适的高速公路特性，这样才能发挥高速公路建设的最大效益。-1- 河北建筑工程学院硕士学位论文1.2国内外研究现状美国的AASHTO通过大量的试验，于1962年最早提出了路面使用性能的概念。并且提出用能力指数PSI来评价沥青路面的服务能力和路面使用性能，其模[2]型为：PSIPSI(PSIPSI)(ESALESAL/）。PSI模型的提出对世界各国00tt[3]研究路面性能的评价及发展路面管理系统的都有着深远的影响。此后，很多国家和地区的研究人员经过实测、观测、试验研究，相继提出了不同的路面使用性[4,5,6]能评价指标及相应的路面使用性能评价模型。1.2.1国外研究现状路面养护必须要对现有路面进行评价，沥青路面评价在国外的研究起步较早，且欧美等一些发达国家在早些年已成形成了相应的技术标准和规范，其中美国所取得的成果最为系统。在1962年PSI模型提出之后，各国各地区纷纷开始了对沥青路面使用性能的研究，均是以PSI为例，结合地域特点，建立不同的沥青路面使用性能指标。如日本引用了PSI，但把公式中的系数做了重新分布。之后，随着研究的深入，沥青路面使用性能评价越来越成熟，指标也越来越成熟化、多样化，例如日本后来提出的路面维修管理指数MCI；还有美国各州的PCI、SCI、PQI、PER，丹麦的PSR等；另外一些学者从其他方面对沥青路面使用性能进行了评价，例如，1992年C.H.Tuang用UPDI（UnifiedPavementDeterioratonIndex）作为评价指标，该评价方法把路面的损坏分为各种类型，如车辙、坑槽等，最后[7][8]依据各种损坏类型对路面使用性能的影响程度进行分级；DongZJ着重研究了道路沥青路面抗车辙性能的评价问题。沥青路面使用性能评价模型随着评价方法及评价指标的提出而被引入。日本先后提出了几个模型，分别针对不同的用户，其中提出的路面养护管理指数MCI评价模型，是面对管理者的评价模型，而之后提出简易的线性舒适性指数RCI模型则是面对道路使用者对路面使用性能的评价；美国陆军建筑研究工程所开发了PAVER系统，主要用于路况的评价、预测，这是首次提出用扣分法建立路面[9]破损评价模型；世界银行为建立发展中国家道路投资评估模型，提出了世界银[10]行公路设计和养护标准模型(HDM-Ⅲ)，并在对路面使用性能评价模型的不断[11]研究下，又提出了改进后的HDM-4模型；20世纪80年代末，加拿大提出了指数PQI，其值为CI、RCI、SAR三个指标的加权和，安大略省和亚伯达省分别[12]以IRI和PCI为指标，建立路面使用性能衰变方程。90年代初，英国、法国等15个欧洲国家进行了大量的研究项目，研究了欧洲许多国家的路面使用性能，-2- 第1章绪论[13]分析了影响路面使用性能的因素，并开展了路面使用性能的评价。随着对路面衰变性能研究的深入及数学理论和计算机技术的发展，许多数学方法及预测技术被逐渐引入，进行路面使用性能的研究。常见的有灰色理论、层[14]次分析法、遗传算法、神经网络等，均已应用于路面使用性能的预测模型中。建模者根据实际的需要或所要解决问题的需求，选取相应的方法，达到其建模的目的。例如，MadanatandBen-Akiva为考虑沥青路面状况检测时的测量误差，建[15]立了隐藏式的马儿科夫模型；PabloLuisDurango为了能够实时补充路面状况检测数据，及时更新模型结构，提高预测精度，建立了自适应控制式的马尔可夫[16]模型；密里根州为能对路面有较长期的规划，提出将对数曲线与马儿科夫模[17,18]型相结合的思路，从而建立了组合型的路面使用性能预测模型；而Rumelhart和McCelland对传统的神经网络进行了改进，提出BP神经网络预测模型，并逐[19]渐在路面使用性能预测中应用。1.2.2国内研究现状我国路面使用性能评价的研究始于1984年，交通部根据路面养护的实际情况，先后颁布了数本标准和规范，从最早的《公路养护技术规范》（JTJ073-85）到现在路面使用性能评价的常用规范——《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007），可以看出，虽然我国在沥青路面使用性能评价方面起步较晚，但经过几十年的努力，我国在公路养护方面也取得了很大的进步。在这些规范和标准的指导下，公路养护日趋成熟。在评价模型方面，在借鉴国外成果的基础上，我国各地区根据实际情况，也b[20]aydy建立了许多预测模型。目前主要有：北京模型，PCI100e、RQIce、Le1/m/PCI；广东模型，RQI5.0edyYaeb0NYe100bN；天津模型，e00、eb；PCI(10)PPIPPI{1exp[()]}ll10孙立军模型，0y0等。同时，一些学者也为、我国公路养护事业做出了贡献，他们总结前人研究的成果，根据具体情况，进行[20]了许多的研究。姚跃凯在调查新疆地区路况、收集大量数据的基础上，对所收集数据进行回归分析，将PCI、RQI和弯沉作为新疆地区沥青路面使用性能指[21]标，并得出了新疆地区沥青路面使用性能预测模型；何征峰基于八达岭高速公路的路况数据，将不同交通流轴载作为影响因素引入到孙立军模型中，并测算出相关参数的数值。[22]另外，许多数学方法和新技术同样在国内进行了应用。例如，李孝兵建-3- 河北建筑工程学院硕士学位论文立了混合遗传神经网络的路面评价模型，这一模型将神经网络和遗传算法的优点[23]相结合；张涛在多年实测数据的基础上，以MATLAB软件为平台，利用神经[24]网络工具箱对沥青路面使用性能进行预测；蒋金刚在对京秦高速的路面状况进行了调查、取样、试验和分析的，将指数平滑法引入到沥青路面的使用性能预测的模型中。在沥青路面使用性能评价与预测的过程中，各国家或学者均希望能从客观的角度反映出路面的实际情况，然而路面作为一个复杂的系统，本身就存在着许多不确定性，再加上外界环境等的影响，使得评价和预测模型的建立更为困难。因此，在路面使用性能评价领域仍有许多问题需要进一步解决。我国目前对路面使用性能衰变规律研究还处于起步阶段，由于我国地域环境广阔，大部分模型仅依靠局部地区数据基础所建立，所以局限性较大，可移植性也差。因此对于特殊地区，有必要对其路面使用性能进行调查和数据的统计，研究其使用性能衰变规律，为高速公路的建设和养护提供理论指导。1.3研究内容及技术路线1.3.1研究内容（1）结合冀北地区高速公路沥青路面病害特点以及现有规范等资料，确定冀北地区高速公路沥青路面主要病害类型。（2）根据冀北地区高速公路使用性能多年实测数据，进行沥青路面使用性能各指标随路龄的衰变规律分析，确定冀北地区高速公路沥青路面使用性能决定性指标。（3）根据各条高速公路沥青路面使用性能的衰变规律，考虑各条高速公路的路面结构、材料、交通荷载、面层厚度等因素，分析影响路面使用性能衰变的关键性因素，建立冀北地区高速公路沥青路面使用性能的衰变模型。（4）路面使用性能衰变模型对养护决策的指导应用。-4- 第1章绪论1.3.2技术路线收集分析现有国内外相关资料冀北地区高速公路沥青路面病害调查及原因分析冀北地区高速公路沥青路面使用性能指标随路龄的衰变规律分析确定冀北地区高速公路沥青路面使用性能指标国内外路面使用性能评价模型比较分析影响路面使用性能衰变的关键性因素建立冀北地区高速公路沥青路面使用性能衰变模型应用预测模型，为养护决策提供指导图1-1技术路线图Figure1-1Technicalroute-5- 河北建筑工程学院硕士学位论文第2章冀北地区高速公路沥青路面病害统计及原因分析投入使用的沥青路面由于外界环境及交通荷载的作用，各种病害会不断的出[25]现，我国现行规范中将病害分为四种类型：裂缝或断裂类、变形类、松散类、其他类如修补等。由于每一种病害类型都有不同的轻重分级，所以《公路技术状况评定标准》（JTGH20—2007）中根据不同分级将每种病害类型给予一定的权重来统一其病害面积，并对各种病害进行了详细的描述。冀北地区主要的路面形式是沥青路面，但由于冀北地区日温差大，冬季寒冷（最冷月平均温度0～-10℃和<-10℃），而且低温持续时间长，沥青路面使用不久就会产生各种形式的病害[26]。2.1病害检测路段的选择为全面了解冀北地区高速公路沥青路面的状况，选择多条路段进行病害统计。为使结果不失普遍性，本文选择不同路龄和不同路面结构的高速公路作为典型路段，对其病害数据整理分析。检测路段的具体情况如表2-1。表2-1调查路段的具体情况Table2-1Thespecificcircumstancesoftheinvestigationsection路线名称桩号位置公路等级通车年份调查时间承唐高速承德段K806+000～K888+279高速2010.112015.06张涿高速张家口段K00+502～K83+405高速2012.122014宣大高速K142+360～K242+000高速2000.122012.11张承高速张家口至崇礼段K26+000～K40+000高速2010.092016.112.2病害统计及结果2.2.1病害统计2.2.1.1承唐高速承德段承唐高速公路是国家高速公路网中规划长春至深圳（纵三）高速公路的重要组成部分、河北省高速公路网“五纵六横七条线”规划中的“纵1”的重要路段，同时也是承德市“一环八射”高速公路布局规划项目之一，属于国家、省重点建设项-6- 第2章冀北地区高速公路沥青路面病害统计及原因分析目。本文所取路段为K806+000～K888+279段，对该路段进行检测结果统计，其结果如下。上行病害检测结果：表2-2承唐高速K806+000～K888+279段上行病害数量表Table2-2ChengTanghigh-speedK806+000~K888+279sectionofthenumberofuplinkdisease病害类型龟裂纵向裂缝横向裂缝修补2病害数量（m）0.5795.94125.86828.03百分比0.05%9.13%11.98%78.83%龟裂纵向裂缝0.05%9.13%横向裂缝11.98%修补78.83%图2-1承唐高速K806+000～K888+279段上行病害分布图Figure2-1ChengTanghigh-speedK806+000~K888+279upstreamdiseasedistribution下行病害检测结果：表2-3承唐高速K806+000～K888+279段下行病害数量表Table2-3ChengTanghigh-speedK806+000~K888+279sectionofthenumberofdownlinkdisease病害类型龟裂纵向裂缝横向裂缝修补2病害数量（m）1.43105.49185.54807.73百分比0.13%8.59%16.86%73.42%-7- 河北建筑工程学院硕士学位论文龟裂纵向裂缝0.13%9.59%横向裂缝16.86%修补73.42%图2-2承唐高速K806+000～K888+279段下行病害分布图Figure2-2ChengTanghigh-speedK806+000~K888+279downstreamdiseasedistribution由表2-2和图2-1可以看出，承唐高速K806+000～K888+279段上行主要病害为修补，其他病害均为裂缝类；由表2-3和图2-2可以看出，承唐高速K806+000～K888+279段下行主要病害亦为修补，其他病害均为裂缝类；很明显，承唐高速K806+000～K888+279段修补占有较大比例，但裂缝类病害也存在。2.2.1.2张涿高速张家口段张涿高速公路是首都环线高速公路（国家高速编号G95）的一部分，是一条绕行北京、连接张家口市与西北各省区及京津地区的快速通道，是首都环线高速公路中的西环。本文所取路段为张涿高速张家口段K0+502～K83+405段。对该路段进行检测结果统计，其结果如下。上行病害检测结果：表2-4张涿高速K0+502～K83+405段上行病害数量表Table2-4ZhangZhuohigh-speedK0+502~K83+405sectionofthenumberofuplinkdisease病害类型龟裂块状裂缝纵向裂缝横向裂缝修补2病害数量（m）5.491.274.8172.2751.42百分比4.06%0.94%3.56%53.43%38.01%-8- 第2章冀北地区高速公路沥青路面病害统计及原因分析块状裂缝0.94%龟裂4.06%纵向裂缝3.56%修补38.01%横向裂缝53.43%图2-3张涿高速K0+502～K83+405段上行病害分布图Figure2-3ZhangZhuohigh-speedK0+502~K83+405upstreamdiseasedistribution下行病害检测结果：表2-5张涿高速K0+502～K83+405段下行病害数量表Table2-5ZhangZhuohigh-speedK0+502~K83+405sectionofthenumberofdownlinkdisease病害类型纵向裂缝横向裂缝修补2病害数量（m）11.5839.2041.05百分比12.61%42.69%44.70%纵向裂缝12.61%修补44.70%横向裂缝42.69%图2-4张涿高速K0+502～K83+405段下行病害分布图Figure2-4ZhangZhuohigh-speedK0+502~K83+405downstreamdiseasedistribution由表2-4可以看出，张涿高速K0+502～K83+405段上行主要病害为横向裂缝，其次为修补；由表2-5可以看出，张涿高速K0+502～K83+405段下行病害类型仅有横向裂缝、纵向裂缝和修补，横向裂缝和修补所占面积相当。由表2-4和表2-5可以看出，张涿高速K0+502～K83+405段上下行病害中，裂缝类总面22积为134.62m，修补总面积为92.47m。可以看出，虽然张涿高速K0+502～-9- 河北建筑工程学院硕士学位论文K83+405段裂缝类占较大面积，但修补仍必须予以重视。2.2.1.3宣大高速宣大高速公路西起河北阳原县冀晋交界，与山西京大高速公路相连，东至宣化与京张高速公路相接，该高速工程建设分三期实施，其中第三期为水泥路面，一期和二期为沥青路面，所以本文选取第一期和第二期为研究路段，所选里程为K142+360～K242+000段，对该路段进行检测结果统计，其结果如下。上行病害检测结果：表2-6宣大高速K142+360～K242+000段上行病害数量表Table2-6XuandahighspeedK142+360~K242+000sectionofthenumberofuplinkdisease病害类型龟裂纵向裂缝横向裂缝松散修补2病害数量（m）3.8364.2322.5720.40658.66百分比0.5%8.34%2.93%2.65%85.57%龟裂纵向裂缝0.50%横向裂缝8.34%2.93%松散2.65%修补85.58%图2-5宣大高速K142+360～K242+000段上行病害分布图Figure2-5XuandahighspeedK142+360~K242+000upstreamdiseasedistribution下行病害检测结果：表2-7宣大高速K142+360～K242+000段下行病害数量表Table2-7XuandahighspeedK142+360~K242+000sectionofthenumberofdownlinkdisease病害类型龟裂块状裂缝纵向裂缝横向裂缝坑槽松散修补病害数量（m2）79.52170.25243.64151.492.318.63665.83百分比6.02%12.88%18.43%11.46%0.17%0.65%50.38%-10- 第2章冀北地区高速公路沥青路面病害统计及原因分析龟裂块状裂缝6.02%12.88%修补50.39%纵向裂缝18.43%松散坑槽横向裂缝0.65%0.17%11.46%图2-6宣大高速K142+360～K242+000段下行病害分布图Figure2-6XuandahighspeedK142+360~K242+000downstreamdiseasedistribution由表2-6可以看出，宣大高速K142+360～K242+000段上行主要病害类型以修补为主，裂缝类和其他类仅占病害总面积的14.42%；由表2-7可以看出，宣大高速K142+360～K242+000段下行主要病害类型以修补为主，但裂缝类和其他类所占比例明显高于上行。但总体来说，宣大高速K142+360～K242+000段修补面积所占比例较大。2.2.1.6张承高速张家口至崇礼段张承高速公路张家口至崇礼段，是河北省高速公路网布局“五纵、六横、七条线”中的重要组成部分，是北京外围高速公路大环线的重要路段，该工程起点与丹拉高速公路连接，终点为崇礼县城北。本文选张承高速公路张家口至崇礼段K26+000～K40+000段，对该路段进行检测结果统计，其结果如下。上行病害检测结果：表2-8张承高速K26+000～K40+000段上行病害数量表Table2-8Zhangchenghigh-speedK26+000~K40+000sectionofthenumberofuplinkdisease病害类型纵向裂缝横向裂缝泛油裂缝修补块状修补2病害数量（m）62.571.31.4172.70.9百分比20.34%23.09%0.45%55.93%0.29%-11- 河北建筑工程学院硕士学位论文块状修纵向裂补缝0.29%20.24%横向裂裂缝修缝补泛油23.09%55.93%0.45%图2-7张承高速K26+000～K40+000段上行病害分布图Figure2-7Zhanchenghigh-speedK26+000~K40+000upstreamdiseasedistribution下行病害检测结果：表2-9张承高速K26+000～K40+000段下行病害数量表Table2-9Zhangchenghigh-speedK26+000~K40+000sectionofthenumberofdownlinkdisease病害类型纵向裂缝横向裂缝裂缝修补块状修补2病害数量（m）93.73.4107.8204.8百分比22.87%0.83%26.31%49.99%纵向裂缝22.87%横向裂缝0.83%块状修补49.99%裂缝修补26.31%图2-8张承高速K26+000～K40+000段下行病害分布图Figure2-8Zhanchenghigh-speedK26+000~K40+000downstreamdiseasedistribution2015年对张承高速K26+000～K40+000段的调查着重区分了修补类型，由表2-8和图2-7可以看出，上行中裂缝修补占有较大的比例，而快状修补较少，对于其他病害，主要是横向裂缝和纵向裂缝为主；由表2-9和图2-8可以看出，块状修补占多数，其次为裂缝修补和纵向裂缝。虽然张承高速K26+000～K40+000段中修补的类型不一样，但总体来看，病害类型以修补类为主，裂缝其次。-12- 第2章冀北地区高速公路沥青路面病害统计及原因分析2.2.2病害结果由以上对冀北地区高速公路沥青面病害数据的整理及调查可以得出，在所选的4条高速公路8个路段中，纵向裂缝、横向裂缝、龟裂、块状裂缝、坑槽、松散、泛油及修补这几种病害类型均有出现。其中，纵向裂缝、横向裂缝和修补在每个路段中均出现，龟裂和块状裂缝在多数路段中出现，坑槽、松散和泛油只有个别路段中有。可以判定，冀北地区高速沥青路面典型病害为裂缝类和修补。对于裂缝类病害中的四种类型，在每个路段的主要类型不一致，所以根据裂缝类病害各类型所占比例的大小对以上8个路段病害数据进行整理，见表2-10。表2-10裂缝类病害统计结果Table2-10Statisticalresultsofcrackdiseases线路名称龟裂块状裂缝纵向裂缝横向裂缝上行√承唐高速承德段下行√上行√张涿高速张家口段下行√上行√宣大高速下行√上行√张承高速张家口至崇礼段下行√注：√表示该公路裂缝类主要病害。由表2-10以看出，每条公路裂缝类病害存在着差异，承唐高速承德段、张涿高速张家口段以及张承高速张家口至崇礼段上行均为横向裂缝，宣大高速和张承高速张家口至崇礼段下行为纵向裂缝。但是整体来说，横向裂缝占多数，所以，对于冀北地区高速公路裂缝类病害中，主要是横向裂缝。2.3冀北地区高速公路沥青路面病害原因分析针对横向裂缝、纵向裂缝、龟裂和块状裂缝以及修补，结合冀北地区高速公路实际情况分析其病害形成原因。2.3.1横向裂缝在容易产生不均匀沉降的地方通常易产生横向裂缝，如桥涵两头；另外由于施工控制不当，也容易产生横向裂缝，例如在摊铺沥青混合料时，由于未处理好-13- 河北建筑工程学院硕士学位论文[27]横向施工缝，导致缝隙间隙大，粘结力不强，进而造成横向裂缝。而造成造成冀北地区高速公路沥青路面横向裂缝的主要原因有两个：①受温度影响，冀北地区冬季气温较低，尤其在温度骤降的情况下，沥青面层中产生的温度应力大于其极限抗拉强度，从而产生裂缝；②反射裂缝，冀北地区高速公路多数为半刚性[28]基层，半刚性基层由于本身的材料特性不可避免的会产生干缩和温缩裂缝。（a）张承高速（b）张石高速图2-9横向裂缝Figure2-9Horizontalcracks2.3.2纵向裂缝纵向裂缝通常以单根裂缝形式出现，很少伴有支缝。在冀北地区冻胀所产生的破坏是引起纵向裂缝的主要原因，在冻胀时期，由于冬季路肩大幅积雪，被覆盖的道路具有一定的隔热效果，从而导致道路上的冻胀不均匀，导致道路上出现直线纵向裂缝。（a）宣大高速（b）张承高速（c）张石高速图2-10纵向裂缝Figure2-10Longitudinalcracks-14- 第2章冀北地区高速公路沥青路面病害统计及原因分析2.3.3龟裂和块状裂缝龟裂和块状裂缝都是相互交错的裂缝，只是龟裂为小网格裂缝，块状裂缝为矩形裂块。当结构设计不合理、路基压实度不足、路面材料配比不当或未搅拌均匀等易产生龟裂；而基层整体强度不足、沥青面层偏薄、交通量超过设计能力或温度收缩等均易产生块状裂缝。对于宣大高速下行龟裂和块状裂缝所占比例较大，是因为宣大高速是山西北部通往北京及东北地区的必经之路，另外主要承担着晋煤外运的作用，调查中也发现，大量重型车辆在行车道上行驶，这样车辆荷载的反复作用下，必然导致龟裂和块状裂缝的产生。图2-11龟裂和块状裂缝Figure2-11Cracksandmassivecracks2.3.4修补修补是指路面发生了破损，将原破损部分进行挖除，用相同或相近的材料替[29]换，恢复路面的行驶功能。上面已经分析，冀北地区高速公路典型病害为裂缝类，尤其是横向裂缝，由于裂缝类病害的产生，及时的裂缝处理增加了修补的[27]面积，从而使得修补的所占比例超过裂缝类病害的比例，文献中提到，国内的高速公路多数修补后不理想，修补工艺不完善、路基病害处理不彻底，有时出现压实不足、新旧路接缝处粘结不牢，由于这些原因，病害可能不久就会复发，所以修补质量必须予以保障。（a）承唐高速（b）丹拉高速-15- 河北建筑工程学院硕士学位论文（c）张石高速图2-12修补Figure2-12Patch2.3.5松散、坑槽在调查中发现，松散、坑槽病害虽然所占比例较少，但在某些路段上仍然存在。松散产生主要是由于沥青和矿料之间的粘附性差，沥青从矿料表面剥离所致。坑槽大多为表面层产生坑槽，是其他病害恶化的结果，由于水或者沥青本身等的因素，导致沥青与集料间的粘结力降低，再加上车辆荷载及车轮的带动作用，逐步出现松散掉粒现象，最终演变成坑槽。（a）张承高速松散（b）张石高速坑槽图2-13其他病害Figure2-13Otherdiseases2.4小结本章选取冀北地区4条高速公路共8个路段进行了病害数据的统计，以及相近高速公路的现场调查，发现冀北地区高速公路沥青路面典型病害为裂缝类和修补，但修补所占比例较高，其中裂缝类病害中以横向裂缝为主；对病害产生的原-16- 第2章冀北地区高速公路沥青路面病害统计及原因分析因进行了分析，其中横向裂缝的产生是由冀北冷地区低温收缩或半刚性基层收缩裂缝造成的，纵向裂缝的产生是冻胀的结果，龟裂和块状裂缝则是由于长期的重载交通的结果；高速公路为保障其行驶质量，及时对出现的破损进行维修养护，从而出行修补面积逐渐大于其他病害面积的现象。-17- 河北建筑工程学院硕士学位论文第3章冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价指标的确定沥青路面使用性能评价是依靠采集的路面状况数据，判断目前的路况是否能够满足基本的使用要求，最终确定出具有可行性的沥青路面养护策略，有效的促进公路管理部门进行科学的管理。3.1我国现行沥青路面使用性能评价指标分析目前我国现行的沥青路面评价规范有《公路技术状况评定标准》（JTG[30,31]H20-2007）和《公路沥青路面养护技术规范》（JTJ073.2-2001），文献对两本规范进行了对比分析，认为《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007）更适合于沥青路面使用性能的评价，所以本文依托《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007）中提出的评价指标开展相关问题的研究。《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007）中路面使用性能的综合评价指[32]标为路面使用性能指数PQI，其值是各单项指标与其权重系数的组合，其关系式如下：PQIwPCIwRQIwRDIwSRI（3-1）PCIRQIRDISRI式中：PQI——路面使用性能指数（PavementQualityorPerformanceIndex）；PCI——路面损坏状况指数（PavementSurfaceConditionIndex）；RQI——路面行驶质量指数（RidingQualityIndex）；RDI——路面车辙深度指数（RuttingDepthIndex）；SRI——路面抗滑性能指数（SkiddingResistanceIndex）w——PCI在PQI中的权重；PCIw——RQI在PQI中的权重；RQIw——RDI在PQI中的权重；RDIw——RDI在PQI中的权重。SRI-18- 第3章冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价指标的确定3.2冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价针对《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007）中对沥青路面使用性能的[33,34,35]评价指标和评价方法，文献中提出了其自身存在的一些不足之处，例如当各单项评价指标价值没有太大差异的前提下，评价等级的划分还是有很大的变化；路面使用性能综合评价过程不够直接等。在冀北地区特殊的自然气候条件下，路面使用性的评价是否也存在特殊性，需要进一步研究。本文对多条高速公路沥青路面使用性能指标的历年检测数据进行整理，应用灰色关联理论，研究各分项指标和综合指标的关系，为冀北地区高速公路沥青路面的评价提供理论基础。3.2.1灰色关联分析方法3.2.1.1灰色关联理论的概述灰色理论认为，尽管客观系统表现现象复杂，但在离散的数据中必然蕴含着某种内在规律。由于路面使用性能变化的影响因素较多，有内因如材料性质，沥青用量、结构厚度等，有外因如路龄、荷载、养护水平等，且这些因素具有不同的变异性，这就表现出明显的灰色性，因此可用灰色理论来研究这种因素之间的[35,36]不确定性。3.2.1.2灰色关联度（1）确定行为序列设X为系统因素，其在序号k上的观测数据为x()(kk1,2,,)n，那么因素iiX的行为序列为：iX=（x(1),(2),x,())xn（3-2）iiii（2）计算初值像设D为序列算子，在式（3-3）成立的条件下，则称D为初值化算子，XD11i1为X在初值化算子D下的像，称为初值像。i1XD=（x(1),(2),dxd,())xnd，其中（3-3）i1i1i1i1xkdxk()=()/(1)x，x（1）0，k1,2,,ni1iii由上式可得初值像矩阵，如式（3-4）。-19- 河北建筑工程学院硕士学位论文x(1)/x(1)x(2)/x(1)xn()/x(1)111111x(1)/x(1)x(2)/x(1)xn()/x(1)222222（3-4）x(1)/x(1)x(2)/x(1)xn()/x(1)mmmmmmmn（3）计算零化像设D为序列算子，在式（3-5）成立的条件下，则称D为始点零化算子，XDi0000为X始的始点零化像，记为XDX（x(1),x(2),,xn())。iiiiiiXD（x(1),(2),dxd,())xnd其中（3-5）iiiixkd()xk()/(1)x，（k1,2,,)niii设系统特征序列变为：Xn（)（x(1),(2),x,())xn。根据式（3-5）可得零0000化像矩阵，如式（3-6）所示。x(1)-x(1)x(2)-x(1)xn()-x(1)000000x(1)-(1)xx(2)-(1)xxn()-(1)x111111（3-6）x(1)-x(1)x(2)-x(1)x-1()-nx(1)m-1m-1m-1m-1mm-1mn（4）计算绝对关联度根据沥青路面实际情况，将路面使用性能指数（PQI）作为系统特征序列Xni（)(1,2,,)n，对序列进行始点零化像变换，根据式（3-7）和式（3-8）计0算绝对关联度。n1n1001001s0=xk0()xn0()，sii=xk()xni()k22k22n100100sis0=(()xkixk0())(()xnixn0())（3-7）k221+s+s0i=（3-8）0i1+s+sss00ii（5）计算相对关联度先对原始序列进行初值像变化，再对变换结果进行零化像变换，根据变换结果按式（3-9）和式（3-10）计算特征序列与行为序列的相对关联度。-20- 第3章冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价指标的确定n1n1,010,010s0=xk0()xn0()，sii=xk()xni()k22k22n1,,00100sis0=(()xkiixk0())(()xnxn0())（3-9）k22，,1+s+s0i=（3-10）0i,,,,1+s+sss00ii（6）计算灰色综合关联度综合关联度是反映系统特征序列Xn()与作为行为序列Xn()的相似程度，0i还反映出Xn()与Xn()相应于始点的变化速率的接近程度，所以灰色综合关联0i度是可以较全面的反映序列紧密程度的一项指标。(1)（3-11）0i0i0i可看作灰色绝对关联度对综合关联度的贡献度，一般取0.5。3.2.2案例分析本文以承德某高速（一）、承德某高速（二）和张承高速张家口至崇礼段历年使用性能实测数据为依托，进行各评价指标关联度的分析。各条高速公路所选路段如下：表3-1各公路路段选取Table3-1SelectionofEachRoadSection公路名称所选年份上行下行承德某高速（一）2012年-2014年K31+000～K41+000K44+000～K54+000承德某高速（二）2011年-2015年K28+000～K38+000K41+000～K51+000张承高速张家口至崇礼段2013年-2015年K40+000～K50+000K27+000～K37+000下面以承德某高速（一）上行所选路段为例，介绍灰色关联度的计算过程。首先对所选路段历年评价指标值取平均数，具体结果如下表所示。-21- 河北建筑工程学院硕士学位论文表3-2路面使用性能指标Table3-2Roadsurfaceperformanceindex年份2012年2013年2014年指标PQI95.4993.7890.83PCI97.8895.6190.49RQI93.7194.1692.86RDI96.9088.4688.45SRI92.1079.3487.55（1）确定特征序列与行为序列设PQI作为系统的特征序列X，PCIRQIRDI、、和SRI作为行为序列分别0记为X、X、X和X，如表3-3所示。1234表3-3特征序列与行为序列Table3-3FeatureSequenceandBehaviorSequence路况指标Xi(3)XiXi(1)Xi(2)Xi(3)X095.4993.7890.83X197.8895.6190.49X293.7194.1692.86X396.9088.4688.45X492.1079.3487.55（2）计算绝对关联度对表3-3数据按式（3-6）进行始点零化像，计算结果如表3-4所示。-22- 第3章冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价指标的确定表3-4原始数据始点零化像Table3-4Originaldatazeropointimage0X（3）i0Xi000X（1）X（2）X（3）iii0X0.00-1.71-4.6600X0.00-2.27-7.3910X0.000.45-0.8520X0.00-8.44-8.4530X0.00-12.76-4.554根据表3-4数据，由式（3-7）计算得：s4.04，s5.96，s0.03，012s12.67，s15.04，ss-1.92，ss4.07，ss8.63，34102030ss11.00。根据上述结果，代入式（3-8），可计算得到路面使用性能综合指40标和各分项指标的绝对关联度，结果如下：0i01,02,03,040.85,0.55,0.67,0.65（3）计算相对关联度先对表3-2数据按式（3-4）进行初值化像，计算结果如表3-5所示。表3-5原始数据初值化像Table3-5RawdatainitializedimageXi(3)XiXi(1)Xi(2)Xi(3)X01.000.980.95X11.000.980.92X21.001.000.99X31.000.910.91X41.000.860.95然后对表3-5数据进行始点零化像，计算结果如表3-6所示。-23- 河北建筑工程学院硕士学位论文表3-6原始数据初值化像数据的始点零化像Table3-6OrigindataInitializationZeropointimageofdata0X（3）i0Xi000X（1）X（2）X（3）iii0X0.00-0.02-0.0500X0.00-0.02-0.0810X0.000.00-0.0120X0.00-0.09-0.0930X0.00-0.14-0.054,,,,,由式（3-9）可得：s0.042，s0.061，s0，s0.131，s0.163，01234,,,,,,,,ss0.019，ss0.043，ss0.088，ss0.121。根据上述结10203040果，代入式（3-10）中，可计算得到路面使用性能各分项指标和综合指标的相对关联度，其结果如下：0i01,02,03,040.98,0.96,0.93,0.91（4）计算灰色综合关联度根据上述绝对关联度和相对关联度的结果，代入式（3-11），可计算得到路面使用性能综合指标与各分项指标的灰色综合关联度，结果如下：0i01,02,03,040.917,0.758,0.801,0.777由以上结果可以看出，以承德某高速（一）上行部分路段为例的冀北地区高速公路沥青路面使用性能综合指标与各分项指标的灰色综合关联度的关系为，即PCI>RDI>SRI>RQI。01030402对其余所选路段进行上述计算，其汇总结果如下：-24- 第3章冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价指标的确定表3-7所选路段灰色综合关联度计算结果Table3-7CalculationResultsofGrayComprehensiveRelevanceofSelectedRoutes路段名称综合关联度承德某高速（一）上行PCI>RDI>SRI>RQI01030402承德某高速（一）下行PCI>SRI>RDI>RQI01040302承德某高速（二）上行01040203PCI>SRI>RQI>RDI承德某高速（二）下行PCI>SRI>RDI>RQI01040302张承高速张家口至崇礼段上行PCI>SRI>RDI>RQI01040302张承高速张家口至崇礼段下行01040302PCI>SRI>RDI>RQI由表3-7可以看出，除个别路段RDI值最小外，其余均是RQI最小。这显然与《公路技术状况评价标准》（JTGH20-2007）提出的各分项指标的权重有所差异。《公路技术状况评价标准》（JTGH20-2007）中提到的高速公路和一级公路所占权重中最大的是路面行驶质量RQI，但这里可以看出RQI所占权重最小，而路面破损指数PCI所占权重最大。所以，冀北地区高速公路沥青路面使用性能的评价，需要考虑该地区的特殊性，在大量数据的统计下，对冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价模型做更深入的研究。3.3冀北地区高速公路沥青路面使用性能指标统计为对冀北地区高速公路沥青路面使用性能有更为深入的了解，本文收集了多条高速公路历年实测数据，然后进行数据的统计整理。所收集高速公路概况如下表。-25- 河北建筑工程学院硕士学位论文表3-8冀北地区部分高速公路概况Table3-8OverviewofSomeExpresswaysinNorthHebeiProvince序号路线名称路面类型起讫桩号通车年份1承德某高速（一）沥青路面K10+528～K62+2002011年12月2宣大高速一期沥青路面K210+900～K248+6001999年9月3宣大高速二期沥青路面K142+360～K210+9002000年10月4张涿高速张家口段沥青路面K00+000～K82+7002012年12月5承唐高速承德段沥青路面K806+000～K888.2792010年11月6京藏高速丹拉段沥青路面K148+189～K247+0002005年9月7京新高速京化段二期沥青路面K91+000～K183+9942010年K0+600～K16+635（一）2009年6月8张承高速张家口至崇礼段沥青路面K16+635～K62+078（二）2010年10月9张石高速张家口段一期沥青路面K0+780～K91+0212006年12月10张石高速张家口段二期沥青路面K130+000～K207+0002007年11月11张石高速张家口段三期沥青路面K0+000～K58+7002011年10月根据表3-8看出，以上收集公路里程均不相同，所以本文对每条公路随机选取10km进行统计，各公路历年路面使用性能指标统计如下。表3-9承德某高速（一）历年使用性能指标统计Table3-9Chengdeahigh-speed(I)statisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears指标上行K15+000～K25+000（1#）下行K32+000～K42+000（2#）年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI201296.5293.4896.7491.9097.0294.0797.0890.19201394.8791.9289.2184.3495.5394.6786.6587.21201478.3388.6489.3577.2990.8493.9689.2285.84-26- 第3章冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价指标的确定表3-10宣大高速一期历年使用性能指标统计Table3-10XuanDahigh-speedIstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears指标上行K220+000～K230+000（1#）下行K235+000～K245+000（2#）年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI200687.3194.1986.6293.1286.0993.7986.6993.222010100.0096.1497.1798.69100.0096.4297.6698.64201291.1894.4193.4789.8079.6592.9291.7292.98201391.8394.6494.6491.5079.3493.3894.0292.61表3-11宣大高速二期历年使用性能指标统计Table3-11XuanDahigh-speedIIstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears指标上行K156+000～K166+000（1#）下行K172+000～K182+000（2#）年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI200692.2893.4282.3393.2294.6794.2486.8693.40200791.57———90.63———200883.72——87.4184.47——71.01200982.2993.8282.83—83.5993.0185.91—2010100.0096.3996.6098.74100.0096.0796.6699.23201293.0094.5691.0595.3493.0293.7591.5888.48201393.4694.7992.0396.1093.0293.6692.2686.54表3-12张涿高速张家口段历年使用性能指标统计Table3-12Zhangzhuohigh-speedZhangjiakousectionstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears指标上行K10+000～K20+000（1#）下行K27+000～K37+000（2#）年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI201495.1295.1595.4195.8393.5393.6796.1599.93201596.3095.1491.9293.8094.7894.6092.7896.32-27- 河北建筑工程学院硕士学位论文表3-13承唐高速承德段历年使用性能指标统计Table3-13ChengTanghigh-speedChengdesectionstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears指标上行K820+000～K830+000（1#）下行K843+000～K853+000（2#）年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI201486.4094.8094.70—88.4194.5194.80—201594.1395.0695.7195.6895.2894.7295.4996.28表3-14京藏高速丹拉段历年使用性能指标统计Table3-14Jingzanghigh-speedDanlasectionstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears指标上行K160+000～K170+000（1#）下行K200+000～K210+000（2#）年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI201181.1195.23——81.2794.25——201276.3394.9691.10—77.4894.4890.96—表3-15京新高速京化段二期历年使用性能指标统计Table3-15Jingxinhigh-speedJinghuasectionIIstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears指标上行K100+000～K110+000（1#）下行K150+000～K160+000（2#）年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI201189.5494.09——92.6891.38——201289.5993.9494.42—87.0891.0487.75—201494.5594.8891.7892.9687.8692.0684.2294.04表3-16张承高速张家口至崇礼段一历年使用性能指标统计Table3-16Zhangchenghigh-speedZhangjungkoutoChonglisectionIstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears指标上行K05+000～K15+000（1#）下行K05+000～K15+000（2#）年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI201184.1993.14——87.5693.28——201392.2894.6489.6095.3991.7694.4990.1295.95201492.0094.6292.2597.0390.0894.0992.1396.88201581.7094.1692.2796.5581.1393.9292.6897.08201696.2793.3493.6099.0496.5793.2194.1696.37-28- 第3章冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价指标的确定表3-17张承高速张家口至崇礼段二历年使用性能指标统计Table3-17Zhangchenghigh-speedZhangzhangkoutoChonglisectionIIstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears上行K24+000～K34+000（1#）下行K45+000～K55+000（2#）指标年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI201189.7593.68——83.2693.43——201396.2794.6389.2694.9393.5894.5892.7096.05201495.3394.0591.9195.5488.7594.1392.9496.16201593.0194.1492.5296.5187.6994.2494.0497.58201696.8992.8691.9698.9097.5893.8594.2598.16表3-18张石高速张家口段一期历年使用性能指标统计Table3-18Zhangshihigh-speedZhangjiakousectionIstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears指标上行K20+000～K30+000（1#）下行K60+000～K70+000（2#）年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI201184.5393.52——82.7794.43——201279.9588.8389.96—81.2994.4191.20—201487.7493.9589.6186.4677.0694.8887.5690.22表3-19张石高速张家口段二期历年使用性能指标统计Table3-19Zhangshihigh-speedZhangjiakousectionIIstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears上行K150+000～K160+000（1#）下行K180+000～K190+000（2#）指标年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI201185.9293.66——90.0994.34——201281.5593.5491.74—86.0393.4195.93—201479.7094.0689.3394.7482.9495.0392.5896.45-29- 河北建筑工程学院硕士学位论文表3-20张石高速张家口段三期历年使用性能指标统计Table3-20Zhangshihigh-speedZhangjiakousectionIIIstatisticsoftheperformanceindicatorsovertheyears指标上行K40+000～K50+000（1#）下行K10+000～K20+000（2#）年份PCIRQIRDISRIPCIRQIRDISRI201286.3092.5093.49—84.3093.8495.00—201490.7895.2991.9896.7890.3095.2491.4196.27根据表3-9～表3-20，所收集来的公路使用年限不同，短有一两年，长至十几年，对于较长使用年限的公路，必然进行过养护维修，通过现有资料发现，宣大高速于2010年上半年完成了中修罩面工程，张承高速张家口至崇礼段于2016年养护部门也进行了全线的罩面处治，所以可以看出罩面后路面使用性能各指标显著增加。3.4冀北地区高速公路沥青路面使用性能指标的选择[37]文献中提出，作为路面的长期使用性能指标，应满足以下两点：①能够反映路面性能在长期使用过程中的变化；②能够反映导致路面性能变化的外界和路面自身的影响作用。显然从某一高速公路单一指标的对比无法选择出满足以上两条标准的指标。为了满足以上两条标准以及确定哪些指标对冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价更具有代表性，对以上收集的公路检测数据进行整理，按照路龄，取上述各路段沥青路面使用性能各指标的平均值。其结果见表3-21所示。表3-21使用性能各指标平均值Table3-21Performanceindicatorsusingtheaverage路龄123456789PCI89.9290.9391.4090.1488.7184.1884.0183.2582.94RQI93.3193.3594.0194.1694.1893.5694.4294.4293.42RDI95.5891.6091.0891.2693.7388.6689.5588.5983.97SRI91.0591.8392.1695.0196.6695.0694.3879.21—为探究冀北地区高速公路沥青路面使用性能长期的变化过程，对表3-21数据进行处理，得各指标随路龄的变化曲线，如图3-1所示。-30- 第3章冀北地区高速公路沥青路面使用性能评价指标的确定100100959590908585PCIRQI808075757070123456789123456789路龄/（年）路龄/（年）PCI变化曲线RQI变化曲线100100959590908585RDISRI80807575707012345678123456789路龄/（年）路龄/（年）RDI变化曲线SRI变化曲线图3-1路面使用性能指标变化曲线Figure3-1Pavementperformanceindexchanges由图3-1可以看出，PCI、RDI、SRI变化曲线均随着路龄的增加而出现较大的波动，而RQI变化曲线不仅历年的数值较高，且不随使用年限的增加而衰减，若以RQI作为冀北地区高速公路沥青路面使用性能的代表指标，则很难区分冀北地区高速公路沥青路面使用性能的优劣，所以本文将PCI、RDI和SRI作为冀北地区高速沥青路面使用性能的决定性指标。3.5指标选取分析上述检测结果整理可得，路面行驶质量指数RQI不作为冀北地区高速公路沥青路面使用性能的决定性指标。为分析其原因，第一步必须考虑哪些因素对[38]RQI有影响。路面行驶质量主要用平整度来表示，而平整度的影响因素较多，如沥青混凝土拌和不均匀、施工不连续、路基不均匀沉降、桥梁伸缩缝、压实度不够等。针对以上路面行驶质量指数RQI的影响因素，本文做如下研究。假设：投入使用的是一条质量状况为合格水平的道路，路面使用性能的衰减从投入使用后开始。这样的假设排除施工工艺的影响，剩余的主要因素便为路龄、交通量、-31- 河北建筑工程学院硕士学位论文路面结构、环境因素以及养护水平，然而这些同样是PCI、RDI和SRI的影响因素，但从图3-1中看出，PCI、RDI和SRI均随着路龄的增加而衰减，只有RQI变化平稳。另外根据灰色理论的分析，在冀北地区高速公路沥青路面使用性能综合指标与各分项指标的灰色综合关联度的关系大都为PCI>SRI>RDI>RQI。一般来说，PCI的降低必然导致RQI的降低，然而图3-1表现出的是PCI衰减，RQI大致不变，这显然在理论上不相符。通过第二章病害数据的统计发现，冀北地区高速公路典型病害类型为修补和裂缝类，以裂缝类为主的病害随着高速公路使用年限的增加而增多，这就使得路面损坏指数PCI逐年降低。虽然及时的修补使得一些损坏得以修复，但实施过修补的部位，其使用性能、行驶质量等明显低于原路面，修补归为路面损坏的一种病害类型，修补面积的增加，在数值上的表示即为PCI指数的逐年降低，另外，部分道路的养护维修不能阻止整体道路路面损坏状况的下降。另一方面，冀北地区高速公路沥青路面主要病害为裂缝类，高速公路对病害及时的修补，使得路面行驶质量得以恢复，在数值上的表示便是不随使用年限的增加而衰减。3.6小结本章分析了我国现行路面使用性能评价指标，然后以多条高速公路历年实测指标为依据，运用灰色关联度理论对《公路技术状况评价标准》（JTGH20-2007）中沥青路面使用性能指标进行了分析，结果表明在冀北地区高速公路沥青路面使用性能综合指标与各分项指标的灰色综合关联度的关系大都为PCI>SRI>RDI>RQI。为选择冀北地区高速公路沥青路面使用性能的代表指标，对8条公路共12个路段的使用性能指标进行统计，统计结果表明，PCI、RDI、SRI变化曲线均随着路龄的增加而出现较大的波动，而RQI变化曲线不仅历年的数值较高，且不随着使用年限的增加而衰减。为分析RQI不作为决定性指标的原因，本章对第二章提到的冀北地区高速公路沥青路面典型病害类型为裂缝类和修补作进一步分析，将其与路面使用性能联系起来，为结论的正确性提供了支撑，最终确定以PCI、RDI和SRI作为冀北地区高速公路沥青路面使用性能的决定性指标。-32- 第4章冀北地区高速公路沥青路面车辙预测模型的建立第4章冀北地区高速公路沥青路面车辙预测模型的建立[32]车辙的形成，本质上来说，就是高温（气温大于25℃）使沥青及沥青与[39,40]矿粉组成的胶浆产生流动性，导致骨料移动，从而产生变形，形成车辙。通[41]过大量的观测和计算试验路段发现：以半刚性材料作为基层的高速公路，车辙产生的概率为90%以上，而冀北地区现行公路大多采用半刚性基层，车辙的产生是必然的；虽然我国寒冷地区日平均温度≤5℃的天数为90～145d，但是在夏季，其最高气温可达40℃，再加上寒冷地区为了提高沥青混合料的低温性能，在混合[42,43]料设计时，一般沥青用量较大，集料偏细，也会引起路面车辙的产生。路面车辙预测模型的建模过程一般考虑的主要问题有以下几点：①预测指标；②影响因素变量；③选择模型形式和模型结构。建模时，首先需要选定模型的预测指标及主要影响变量，然后将相关历史和现状的数据资料尽可能收集齐全，所收集来的数据可存在着一定的误差，所以可以通过统计分析予以剔除；最后依据理论分析和工程经验确定模型的结构形式，最后确定具体的模型。4.1预测指标的确定目前路面车辙的评价指标主要有路面车辙深度指数（RDI）和路面车辙深度（RD）。我国现行《公路技术状况评定标准》(JTGH20-2007)中使用RDI值作为评价指标，与RD存在对应关系：100aRD（RDRD）0aRDI60aRDRD（-）(RDRDRD)（4-1）1aab0（RDRD)b一般公路经过检测后在公路技术状况评定汇总报告中，以RDI作为路面车辙评价指标，由于其为百分制，在目前的检测中广泛应用。RD值是由现场检测而得，数据比较直观，能够直接反应出路面的车辙深度，所以本文选择RD值作为路面车辙模型预测指标。4.2沥青路面车辙影响因素分析影响路面车辙的因素有很多，不仅有混合料自身的影响，还有外界环境条件的原因。如图4-1所示。-33- 河北建筑工程学院硕士学位论文混合料的性能：材料性质、沥青用量、混合料级配内部因素路面结构：结构组合形式、基层类型、面层厚度影响路面施工质量：路面压实度、热料离析程度、层间粘结情况因素外交通情况：荷载、渠化交通、交通量部因素环境因素：温度、湿度纵坡：坡度大小、速度大小图4-1路面车辙影响因素Figure4-1Rutinfluencefactors以上是前人对沥青路面车辙影响因素的研究总结，结合现阶段实际情况来看，在建立车辙预测模型时，将所有影响因素纳入模型之中还远远不可能实现，而且从实际情况来看也没有必要。对于一些在预测模型中影响不大的因素，或者对预测指标影响不显著的因素，既增加建模的工作量，又不能使预测精度得以提高。因此，应该针对具体的研究对象，按照具体情况需要，突出重点因素，弱化次要因素，对模型影响变量进行选取。目前的现状和技术手段对于材料对路面车辙的影响还无法进行量化，只能定性地进行分析，本文假定目前投入使用的公路材料性质及混合料级配满足规范要求。而施工质量有明显的地区类聚性，所以这里假定冀北地区高速公路的施工质量相近，在建模时不予考虑。这里近似认为冀北地区环境因素的影响是相似的并具有周期性的，可以通过时间变量加以反映，因此在建立路面车辙模型时，对于[44]环境因素不做单独考虑。胡萌通过有限元分析得到：不同结构组合的沥青路面车辙发展规律大致相同，即荷载作用初期车辙发展较快，随后车辙发展进入稳[45]定增长阶段，但荷载作用末期，车辙有可能加速发展，进入破坏阶段。董秩运用ABAQUS软件模拟了半刚性基层路面和柔性基层路面车辙形成过程，结果表明：车辙变形主要发生在沥青面层中，也就是说，基层类型对车辙的影响作用并不大，另外冀北地区高速公路大都采用半刚性基层，所以建模时将不区分基层类型。另外董秩也提出，路面纵坡对路面车辙的产生影响不大，本着“突出重点，[39]弱化次要”的原则，这里对纵坡不予考虑。国内外许多研究表明，在面层处于18～36cm的厚度范围时，车辙的发展速率与路面厚度无关，所选高速公路面层-34- 第4章冀北地区高速公路沥青路面车辙预测模型的建立厚度在18cm以上，对面层厚度不予区分。在预测模型中，常将标准轴载累积作用次数或路面使用年限作为主要的影响变量，其实这二者是完全等价的，当数据[46]精度较差时采用时间参数较为合适。4.3路段选取及数据的统计整理在选择预测指标和影响变量之后，就需要收集相关数据资料对其进行统计整理，为路面车辙预测模型的建立提供数据基础。本节以第三章统计整理所得RDI值为基础数据，根据对所收集资料及具体路面车辙深度的观察，所收集典型公路路面车辙深度RD均小于20mm，根据4-1式可反算求得相应的RD值。RD值随时间变化如表4-1和图4-2所示。表4-1RD随时间变化表Table4-1TableofRDovertime路龄123456789RD/(mm)2.214.204.464.623.145.675.235.718.0210.008.00）6.00mm（4.00RD/2.000.00012345678910路龄/（年）图4-2RD随时间变化图Figure4-2DiagramofRDovertime由表4-1和图4-2可以看出，经过数据的统计整理，其数据基本满足模型建立的数量，其中前四年的RD值逐渐上升，到第五年突然下降，这可能是公路进行了罩面或其他养护维修，例如京秦高速公路于1999年9月通车，2006年进行的第一次罩面处理，本文数据收集符合实际意义。由于养护维修使得RD值的下降，所以本文对养护前后的沥青路面车辙深度分别进行分析，养护后的路龄将不延续之前的使用年限。-35- 河北建筑工程学院硕士学位论文4.4路面车辙预测模型的建立4.4.1建模原则根据以上的分析，车辙的衰变可以看作时间变量的函数。时间序列的方法可以用来解决该问题，时间序列分析就是从中寻找和分析事物的变化特征、发展趋势和规律，在时间序列方法中，可以利用往年的RD值作为表征各种因素作用的替代指标，这是因为往年的RD值是各种影响因素共同作用的结果，具有一定的代表性。4.4.2路面车辙深度时间序列预测模型的建模方法路面车辙深度时间序列预测模型建模方法一般进行以下三个步骤：①建模基本要求，②趋势项计算，③随机项参数计算等。（1）路面车辙深度时间序列预测模型的基本要求路面车辙深度时间序列预测模型的基本要求，是指对基础年份数据量的要求，简而言之，就是进行路面车辙深度时间序列模型预测的最少数据。路面车辙深度时间序列随机项预测模型的阶数一般为四阶或二阶。从实际分析的精度要求来看，可以取模型阶数为二阶，即对路面车辙深度随机项，若数据采样时间点均匀分布，则预测时间点的路面车辙深度可以表示为：xxx（t）（4-2）t1t12t2式中：x——t年车辙深度值；txx,——前两个均匀分布点的路面车辙深度值；tt12（t）——均值是0的随机项；,——相应项的系数。模型计算的关键是确定上述两系数的值。12为计算上述两个系数的值，至少需要建立一个具有两个线性方程组成的方程组，才可以计算出相应的系数值，即：xxxt1t12t2（4-3）xxxt11t2t1由此可见，建立路面车辙深度时间序列模型预测的前提是：已知等时间间隔的四个时间点的路面车辙深度值，如表4-2所示。-36- 第4章冀北地区高速公路沥青路面车辙预测模型的建立表4-2路面车辙深度观察数据时间序列Table4-2Pavementruttingdepthobservationdatatimeseries路龄t0t1t2t3RD实测值R0R1R2R3（2）路面车辙深度时间序列预测模型的趋势项确定趋势项的确定，必须了解车辙的发展机理和一般道路的车辙发展趋势。车辙[46]形成大致为三个阶段，即：第一阶段，变形主要来源于沥青混合料体积的变化，变形很快，但变形速率却不断减少；第二阶段，变形速率很小且接近常数，虽然变形仍与体积变化有关，但剪切变形开始逐渐增大；第三阶段，剪切变形居主导地位，此时混合料体积不发生变化。在实际工程中，考虑行车安全舒适性等诸多因素，在进入第三阶段之前已经进行维修，所以对车辙的预测通常着眼于第一和第二阶段。610y=1.7608ln(x)+2.47375R²=0.89028y=2.4192ln(x)+3.2336）4）R²=0.78456mm3y=0.7492x+1.9997mm（R²=0.7432（4y=0.9795x+2.61152R²=0.796RD/RD/21000123450246路龄/（年）路龄/（年）图4-3养护前路面车辙深度变化图图4-4养护后路面车辙深度变化图Figure4-3ChangesofruttingdepthbeforemaintenanceFigure4-4Pavementruttingdepthaftercuring图4-3和图4-4分别对养护前后路面车辙深度进行线性函数和对数函数的拟合，这是因为一般时间序列趋势项为线性函数，即yabt。但从图4-3可以看出，对数函数的拟合明显优于线性函数，而图4-4可以看出，两种函数形式对养护后路面车辙深度的拟合相差不多，结合车辙的发展趋势综合考虑，本文确定以yaln(t1)作为趋势项，其中a为与路面车辙影响因素有关的常系数，时间序列预测模型趋势项计算的目的就是为了确定该常系数的值。根据最小二乘原理，应使时间序列样本观测值与模型计算值之间的差值最小，32即min[Raiiln(t1)]。这里可将该式对a求偏导，为使计算值最优，可令偏i0导数值为0，建立如下等式：-37- 河北建筑工程学院硕士学位论文32[Rialn(ti1)][ln(ti1)]0（4-4）i0由此可得常系数值计算公式：3Rtiiln(1)i0a（4-5）32[ln(ti1)]i0计算得a值，接着就可以计算不同时间观测点的样本趋势项和随机项的值：yaln(t1)ii（4-6）xRyiii（3）路面车辙深度时间序列预测模型的随机项参数计算对于随机项的计算，在已知四个连续时间点的随机项x、x、x、x后，便可0123以进行随机项参数的计算：①设随机项参数为、，则可以列出下式：12xxx31221（4-7）xxx21120②由克莱姆法则，随机项的系数可由下式确定：xx31xx20xx30-xx12（4-8）12xx21xx20-x1xx10xx232xx12x2-xx13（4-9）22xx21xx20-x1xx10③对于预测年份t4，其路面车辙深度随机项与趋势项可按下式进行计算：yaln(t1)t（4-10）xxxt1t12t2则预测年份路面车辙深度可表示为：Ryx（4-11）ttt-38- 第4章冀北地区高速公路沥青路面车辙预测模型的建立4.4.3沥青路面车辙深度预测模型的建立4.4.3.1养护前路面车辙预测模型建立养护前路面车辙实测值如表4-3所示。表4-3养护前路面车辙深度实测值Table4-3Ruttingdepthbeforemaintenancepavementmeasuredvalue路龄1234RD/(mm)2.214.204.464.62根据时间序列计算过程，对上述车辙深度值进行预测，以第5年预测值为例，其计算过程如表4-4所示。表4-4养护前第5年路面车辙深度预测值计算Table4-4PredictionofPavementRutDepthintheFifthYearbeforeMaintenanceR1R2R3R4ay1y2y3y42.214.204.464.623.1882.2103.5024.4205.131x1x2x3x412y5x5R50.0000.6980.040-0.5110.058-0.7365.712-0.0595.653从第5年之后，每年预测值均依据其前4年的数据进行计算，其前4年的数据为实测值或预测值，按式（4-2）～式（4-11）进行计算，将实测值与预测值进行汇总，如表4-5所示。表4-5养护前路面车辙深度变化表Table4-5RoutinePavementDepthChangesbeforeMaintenance路龄1234567891011RD/（mm）2.214.204.464.625.6536.5216.5726.6287.2897.8717.846通过运用时间序列的分析方法，得到了未经养护沥青路面车辙深度的变化规律。本文使用SPSS统计软件对表4-5中的数据进行几种曲线形式的估计，从而得到合适的预测模型，相关曲线及相应模型形式如表4-6所示。-39- 河北建筑工程学院硕士学位论文表4-6参与拟合的曲线形式Table4-6Curvetypesinvolvedinthefit序号曲线名称曲线模型形式1Linearyx0122Quadraticyx+x012x3Compoundy0101x4Growthye5Logarithmicyx+ln()01236Cubicyx+xx012301/x7Sye1x8Exponentialye09Inverseyx/01110Poweryx（）0111Logisticyx1/01对表4-5所得数据进行回归，其模型汇总和参数估计值如下表所示。-40- 第4章冀北地区高速公路沥青路面车辙预测模型的建立表4-7模型汇总和参数估计值Table4-7ModelSummaryandParameterEstimate模型汇总参数估计值方程2RFdf1df2Sig常数b1b2b3线性0.925110.306190.0002.7360.512——对数0.962226.631190.0002.1102.323——倒数0.81038.275190.0007.421-5.882——二次0.96198.560280.0001.7910.948-0.0360.005三次0.96666.226370.0001.2441.400-0.126—复合0.80938.033190.0002.9851.107——幂0.955191.682190.0002.5110.492——S0.927115.030190.0002.072-1.339——增长0.80938.033190.0001.0930.102——指数0.80938.033190.0002.9850.102——Logistic0.80938.033190.0000.3350.102——2由表4-7可以看出，R均大于0.6，说明以上模型均能较好的拟合养护前沥2青路面车辙深度变化规律，但可以看出，R较大的三个模型分别为对数曲线方2程、二次曲线方程和三次曲线方程，且三个曲线方程R值相差不多，所以进一步分别用这三个曲线方程对表4-5数据拟合，进一步分析。（1）对数曲线拟合所得结果如下：表4-8模型汇总Table4-8ModelSummary22RR调整后R估计值的标准误差0.9810.9620.9580.364表4-9ANOVATable4-9ANOVA内容平方和df均方FSig回归29.961129.961226.6310.000残差1.19090.132——总计31.15110———-41- 河北建筑工程学院硕士学位论文表4-10系数分析Table4-10CoefficientAnalysis未标准化系数标准化系数内容tSigB标准误βln（路龄）2.3230.1540.98115.0540.000（常数）2.1100.269—7.8470.000（2）二次曲线拟合所得结果如下：表4-11模型汇总Table4-11ModelSummary22RR调整后R估计值的标准误差0.9800.9610.9510.390表4-12ANOVATable4-12ANOVA内容平方和df均方FSig回归29.936214.96898.5600.000残差1.21580.152——总计31.15110———表4-13系数分析Table4-13CoefficientAnalysis未标准化系数标准化系数内容tSigB标准误β路龄0.9480.1641.7825.7840.000路龄（2）-0.0360.013-0.842-2.7340.026（常数）1.7910.428—4.1840.003（3）三次曲线拟合所得结果如下：表4-14模型汇总Table4-14ModelSummary22RR调整后R估计值的标准误差0.9830.9660.9510.389-42- 第4章冀北地区高速公路沥青路面车辙预测模型的建立表4-15ANOVATable4-15ANOVA内容平方和df均方FSig回归30.091310.03066.2260.000残差1.06070.151——总计31.15110———表4-16系数分析Table4-16CoefficientAnalysis未标准化系数标准化系数内容tSigB标准误β路龄1.4000.4762.6302.9420.022路龄（2）-0.1260.090-2.928-1.4030.203路龄（3）0.0050.0051.2761.0110.346（常数）1.2440.689—1.8050.1142在统计学中，R为称决定系数，是趋势线拟合程度的指标，它的数值大小2可以反映趋势线的估计值与对应的实际数据之间的拟合程度，R值越高，趋势线的可靠性就越高；估算值的标准误差是说明实际值与估算值之间相对偏离程度的指标，主要用来衡量回归方程的代表性，估算标准误差越小，则估算量与其真实值的近似误差越小。F值表示整个拟合方程的显著性，F越大，表示方程越显著，拟合程度也就越好，方程的拟合有意义；P值即F值所对应的Sig值，反映某一事件发生的可能性大小，P值越小表明结果越显著，P>0.05认为没有统计意义，0.010.90<0.35>0.95二级0.01～0.050.80～0.900.35～0.500.80～0.95三级0.05～0.100.70～0.800.50～0.650.70～0.80四级0.10～0.200.60～0.700.65～0.850.60～0.70一般情况下，最常用的是相对误差检验指标。通过上述各项指标的检验，如果模型预测精度在二级(良好)水平以上，可以利用预测模型的计算结果，如果预测精度达不到要求，则需要进行残差修正。6.3.3预测模型的应用本文以承德某高速(一)为例，由于该路段收集的数据时间较短，路况数据信息不足，所以应用灰色理论建模，建立沥青路面抗滑性能预测模型。具体的灰色建立过程如下：（1）由检测所得该路段2012～2014年的路面抗滑性能指数为：SRI(92.17,87.42,84.36)则原始数据列为：(0)X(92.17,87.42,84.36)（2）对原始数据列进行一次累加（1-AGO），得到新数据列为：(1)X(92.17,179.59,263.95)(0)()0xk()（3）对X进行准光滑性检验。由()k,k2,3,,n。得：(1)xk(1)(2)0.95,(3)0.47，当k3时，准光滑条件满足。-71- 河北建筑工程学院硕士学位论文(1)()1(1)xk()（4）检验X是否具有准指数规律。由()k得：(1)xk(1)(1)(1)(1)(2)1.95,(3)1.47。当k3时，()[1,1.5]k，0.5。准指数规律()1满足，可对X建立GM1,1模型。()1(1)1(1)(1)（5）对X作紧邻均值生成。令z()k(x()kx(k1)),k2,3,,n，2(1)(1)(1)得：Z(z(2),z(3))（135.88,221.77)于是：(1)(0)z(2)1x(2)(1)(0)Bz(3)1=-135.881，Yx(3)=87.42-221.77184.36(1)(0)zn()1xn()T（6）对参数序列aˆ(,)ab进行最小二乘估计。得：0.073TT1aˆ(BB)(BY)=98.379及时间响应式：(1)(0)bbak0.073kxˆ(k1)(x(1))e=-1255.488e+1347.658aa(1)（7）求X的预测值。Xˆ(1)(xˆ(1)(1),xˆ(1)(2),xˆ(1)(3))=(92.170,180.555,262.718)(0)(0)(1)(1)（8）还原求出X的预测值。由xˆ(k1)xˆ(k1)xˆ()k得：Xˆ(0)(xˆ(0)(1),xˆ(0)(2),xˆ(0)(3))=(92.170,88.385,82.163)（9）检验误差。①计算平均相对误差：-72- 第6章冀北地区高速公路沥青路面抗滑性能预测模型的建立表6-2误差检验表Table6-2Errortesttable实测值预测值残差相对误差序号(0)(0)(0)(0)(0)(0)()/kx(0)()kxk()xkˆ()()kx()kxˆ()ki192.1792.17000287.4288.385-0.9650.011384.3682.1632.1970.026n1平均相对误差为k0.0123，0.01<<0.05，精度为二级，满足精度3k1要求。②计算X与Xˆ的绝对关联度：(0)(0)1(0)(0)s[x(2)x(1)][x(3)x(1)]8.6552(0)(0)1(0)(0)s[xˆ(2)xˆ(1)][xˆ(3)xˆ(1)]8.7892ssˆ0.1341+ssˆ则：==0.9930.90，关联度为一级，满足要求。1+ssˆssˆ③计算均方差比值：33121(0)2()k0.411；Sk1(())1.751；S11.323；3k13k133(0)1(0)21(0)2xx()87.983k；S2(x()kx)10.325；S23.213；3k13k1S所以：1C0.412，0.35SRI>RDI>RQI。另外对冀北地区多条高速公路使用性能指标进行统计分析，最终确定以PCI、RDI和SRI作为冀北地区高速公路沥青路面使用性能的决定性指标。（3）引入时间序列的分析方法，提出以yatln(1)作为趋势项进行时间序列的计算，结合实际情况，分别对养护前后路面车辙深度进行计算；最后通过SPSS软件对实测数据和预测数据进行回归分析，得到养护前后冀北地区高速公路沥青路面车辙预测模型。（4）对冀北地区多条高速公路实测PCI数据进行回归分析和误差分析，最终选择S模型作为冀北地区高速公路沥青路面损坏状况的预测模型；将面层厚度、交通情况、结构强度以及修补作为模型的影响变量，S型模型中的参数β和k看作模型因子，认为所有影响因素都将决定参数β和k的值，并且给出了β和k的函数关系式。（5）分析了沥青路面抗滑性能的作用机理，介绍了灰色GM（1,1）模型的基本理论，利用该模型对冀北地区高速公路进行验算，表明采用该模型，预测结果有较高精度。（6）应用已建立的模型对河北宣大高速罩面后使用寿命进行确定，对高速公路路面养护具有指导意义。8.2展望关于沥青路面使用性能衰变规律的研究，由于本人水平有限，仅进行了部分-81- 河北建筑工程学院硕士学位论文研究，希望在以后能有进一步的研究。（1）收集更多的冀北地区高速公路沥青路面实测数据。本文虽然在建立模型时收集了多条高速公路检测数据，但有些公路使用年限较短，或者有些虽然较长，但部分数据缺失，所以在预测模型的精度上存在一定的误差。在今后的研究工作中希望能收集更多的实测数据来提高模型的精度。（2）通过试验方法进行模型的建立。本文预测模型的建立均依据现场实测数据，在今后的研究中希望引入试验的方法，将更多影响路面使用性能的因素纳入到模型中，使模型更符合实际状况。-82- 参考文献参考文献[1]龙晓洪.高速公路沥青路面使用性能评价、预测和养护规划研究[D].华东交通大学,2008.[2]AASHTOguidelinesforpavementmanagementsystems.AASHTO.1991[3]姚慧.新疆地区沥青路面使用性能评价方法研究[D].长安大学,2010.[4]Lu,P.andTolliver,D.(2012).PavementTreatmentShort-TermEffectivenessinIRIChangeUsingLong-TermPavementProgramData.J.Transp.Eng.,138(11)，1297-1302[5]Prozzj,J.andMadanat,S.(2002)ANonlinearModelforPredictingPavementServiceability.ApplicationsofAdvancedTechnologiesinTransportation2002：481-488[6]Alsherri,A.andGeorge,K.(1988).ReliabilityModelforPavementPerformance.J.Transp.Eng.,114(3)：294-306[7]王新.沥青路面使用性能评价方法研究[D].大连理工大学,2008.[8]DongZJ,GongXB,XiaoGQ,etal.RuttingResistanceEvaluationofStructuralCombinationsofAsphaltPavementSubjectedtoHeavyDuty[C].AdvancedEngineeringForum.2012,5:316-321.[9]M.Y.ShahinPavementmanagementPAVERUpdateIn78thAnnualMeeting(CD-ROM),TRB,NationalresearchCouncil.Wshington.D.D.1999.[10]N.D.LeaInternationalLtd.MODELLINGROADDETERIORATIONANDMAINTENANCEEFFECTSINHDM-4.RETA5549-REGHighwayDevelopmentandManagementResearchFinalReport,1995.[11]RoltJ,CCParkman.CharacterisationofPavementStrengthinHDM-IIIandchangesadoptedforHDM-4.10thInternationalConferenceoftheRoadEngineeringAssociationofAsiaandAustralia.2000.[12]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京:人民交通出版社.2005.[13]COST324:Longtermperformanceofroadpavements,finalreportoftheaction.EuropeanCommission,DirectorGeneralfortransport,1997.[14]WangK.C.P,ZaniewskJ.andWayG.ProbabilisticBehaviorofPavements.JournalofTransportationEngineering,AmericanSocietyofCivilEngineers,Vol.120,No.3,1994.PavementPreventiveMaintenanceGuidelinesJanuary2001(UpdatedMarch27,2001)[R].F.Report,2001.[15]VincentM.Guillaumot，PabloL.Durango-Cohen，SamerM.Madanat.AdaptiveOptimizationofInfrastructureMaintenanceandInspectionDecisionsunderPerformanceModelUncertainty[J].JournalofInfrastructureSystems，2003，9(4).[16]PabloLuisDurango.AdaptiveOptimizationModelsforInfrastructureManagement[D].UniversityofCalifornia，2002.[17]D,L.B.GY.DevelopmentofRoughnessThresholdsforPreventiveMaintenanceActionAimedatReducingDynamicLoads[J].TransportationResearchRecord,2002:26-33.-83- 河北建筑工程学院硕士学位论文[18]PavementPreventiveMaintenanceGuidelinesJanuary2001(UpdatedMarch27,2001)[R].F.Report,2001.[19]韩燕华.基于BP神经网络的路面使用性能预测[J].土工基础,201327(3):83-85.[20]姚跃凯.新疆地区沥青路面使用性能衰变规律研究[D].西安：长安大学,2010.[21]M.Y.ShahinPavementmanagementPAVERUpdateIn78thAnnualMeeting(CD-ROM),TRB,NationalresearchCouncil.Wshington.D.D.1999.[22]李孝兵.基于遗传神经网络的路面使用性能评价及预测[D].武汉：武汉理工大学,2006.[23]张涛.基于人工神经网络的路面使用性能预测[D].黑龙江,哈尔滨工业大学,2009.[24]蒋金刚.基于指数平滑法的沥青路面预防性养护时机与对策研究[D].石家庄:河北工业大学,2010.[25]王中平.公路沥青路面预防性养护新技术[M].北京：中国矿业大学出版社,2015[26]刘东.寒冷地区沥青路面病害特征与合理结构研究综述[A]..中国交通土建工程学术论文集（2006）[C].:,2006:4.[27]姬猛.福泉高速公路沥青路面病害成因分析与治理技术研究[D].西安：长安大学,2013[28]艾长发,黄兵,宋琼瑶等.寒冷地区沥青路面主导病害调研与分析[J].重庆交通学院学报.2007,(03):73-77+87.[29]王俊杰.基于预防性养护的高速公路沥青路面使用性能评价和预测模型研究[D].北京交通大学,2009.[30]侯超平.高等级沥青路面使用性能预测模型及预防护性养护措施研究[D].重庆交通大学,2015.[31]李娜.公路沥青混凝土路面预防性养护使用性能预测与决策模型的研究[D].北京交通大学,2010.[32]易辉.高速公路沥青路面使用性能评价及预测研究[D].长安大学,2014.[33]孔祥杰.沥青路面性能衰变预测及养护维修决策方法研究[D].北京工业大学,2015.[34]刘大彬.高速公路半刚性基层沥青路面养护维修方案选择研究[D].长安大学,2013.[35]姚玉玲,李学红,张毕超等.沥青路面预防性养护时机综合评价指标体系[J].交通运输工程学报,2007,7(5):48-53.[36]胡苏娜.高速公路沥青路面使用性能预测研究[D].重庆交通大学,2015.[37]武建民.半刚性基层沥青路面使用性能衰变规律研究[D].长安大学,2005.[38]周迎新.沥青路面检测与养护技术研究[M].北京.中国建材工业出版社.2015.[39]汤文.沥青路面车辙预估模型研究[D].同济大学交通运输工程学院,2009.[40]周锫.半刚性基层沥青路面车辙破坏机理与高温车辙变形特性分析[D].长沙理工大学,2014.[41]郝朝.成渝高速公路沥青路面车辙病害分析与防治措施[D].重庆交通大学,2016.[42]艾长发.高寒地区沥青路面行为特性与设计方法研究[D].西南交通大学,2008.[43]鲁正兰.沥青路面车辙预估方法的研究[D].同济大学交通运输工程学院,2006.[44]胡萌,张久鹏,黄晓明等.半刚性基层沥青路面车辙特性分析[J].公路交通科技,2011,28(6):14-18,46-84- 参考文献[45]董轶.高等级沥青路面车辙的非线性有限元分析[D].上海大学,2010.[46]徐刚.基于时间序列的沥青路面使用性能预测模型[D].东南大学,2010.[47]李卫.长万高速公路沥青路面使用性能研究[D].重庆交通大学,2009.[48]林峰.寒区沥青路面预防性养护技术研究[D].湖南大学,2011.[49]李宇炜.高速公路沥青路面预防性养护时机研究[D].兰州交通大学,2014.[50]李爱军.高速公路沥青路面路况评价与养护决策的研究[D].河北工业大学,2002.[51]崔文博.基于路面使用性能衰变规律的预防性养护时机研究[D].长安大学,2011.[52]向超.高速公路沥青路面性能预测模型与预防性养护措施研究[D].华南理工大学,2011.[53]王玉顺,朱敏清.高速公路沥青路面预测性养护技术与应用[M].中国建材工业出版社,2008.[54]张亮.沥青路面性能预测及预防性养护技术方案选择分析[D].华南理工大学,2012.[55]孙立军,许志军,陈子建.沥青路面的行为函数[J].同济大学学报(自然科学版),2003,(05):558-561+585.[56]王笑风高速公路半刚性基层沥青路面预防性养护体系研究[D]长安大学,2007.[57]王利利,张金喜,张晨,赵恩强.水泥混凝土路面抗滑性能变化规律探讨[J].公路工程,2008,(05):5-8+28.[58]厉业锋.基于模型分析法多指标评价沥青路面的抗滑性能[J].北方交通,2014,(10):49-52.[59]曹毅.高速公路罩面后路面使用性能变化规律研究[D].石家庄:河北工业大学,2014.[60]王书云.基于生心理因素的沥青路面性能关键参数研究[D].北京工业大学,2010.[61]吴琦沥青路面抗滑性能数值模拟研究[D].东南大学,2014.[62]王利利.路面抗滑性能变化特性研究[D].北京工业大学,2008.[63]董昭.加速磨耗试验与沥青路面材料抗滑性能衰变规律研究[D].长安大学,2011.[64]贾永新.高速公路沥青路面抗滑性能影响因素分析[J].北方交通,2009,(04):13-15.[65]张永利.沥青路面抗滑性能的影响因素分析[J].河南科技,2013,(05):130-131.[66]张新天,高金岐,原文生,刘晓惠.沥青路面抗滑表层构造特征及其影响因素分析[J].北京建筑工程学院学报,2005,(02):33-36.[67]郑木莲,李海滨,孟建党.沥青路面养护与维修技术[M].北京:中国建筑出版社,2012.-85- 攻读硕士学位期间所发表的学术成果攻读硕士学位期间所发表的学术成果已发表的学术论文：1.冀伟,樊旭英,李章珍.寒冷地区普通公路与高速公里路沥青路面病害对比分析[J].北方交通,2017,（07）:93-95.2.李章珍,冀伟,樊旭英.基于沥青路面使用性能指标的罩面层使用寿命预测研究[J].路基工程,2017,(03):6-9.3.李章珍,冀伟,梁朋涛,李印冬.混合型温拌剂对沥青性能影响的研究[J].公路与汽运,2017(05):65-67+71.4.王海龙,冀伟,樊旭英,李章珍.基于灰色关联度理论寒冷地区沥青路面使用性能指标的分析[J].河北建筑工程学院学报,2017,(02):1-4.5.樊旭英,冀伟,李章珍.寒冷地区高速公路沥青路面典型病害调查与分析[J].中国公路,2017,(08):104-106.已授权的专利：1.李章珍;冀伟;董捷;冯世鹏;赵国栋;苏建遥.一种混凝土试块放置架，ZL201621285813.02.李章珍;董捷;苏建遥;冀伟.一种沥青路面室内切割夹具，ZL201620417181.2-86- 个人简历个人简历姓名冀伟性别男出生年月1991年11月政治面貌团员民族汉籍贯内蒙古兴和县毕业院校河北建筑工程学院所在学院土木工程学院学科专业建筑与土木工程硕士学位工程硕士研究方向桥梁与隧道工程联系方式指导教师姓名李章珍职称教授工作单位河北建筑工程学院掌握的专业掌握桥梁通、Midas等桥梁设计软件；了解统计学基本知识，并掌握SPSS技能软件；熟练操作沥青实验相关仪器设备。2011年09月—2015年06月，河北建筑工程学院，本科，土木工程专业；教育及工作2015年09月—2018年06月，河北建筑工程学院，硕士研究生，建筑与背景土木工程专业（桥梁与隧道工程方向）。参与科研项目：1.河北省科技厅应用基础研究计划项目寒冷地区沥青路面使用性能衰变规律研究（项目编号：15967619D）；2.河北省交通运输厅科技计划项目寒冷地区公路沥青路面预防性养护技术应用效果评价研究（项目编号：Y-2014037）；3.张家口市科学技术研究与发展计划项目沥青路面功能性使用性能研究科研及工程（项目编号：1411056A）；实践经历4.河北建筑工程学院研究生创新基金混合型温拌剂对沥青性能影响的研究（项目编号：XB201606）。实践经历：1.2016年06月—2016年09月，中国铁路设计集团有限公司实习，从事高速铁路辅助设计；2.2017年09月—2018年05月，内蒙古规划院实习，从事路桥设计。2013年09月，荣获第九届全国周培源大学生力学竞赛河北赛区三等奖；2014年05月，荣获2013-2014学年校级优秀团员；2014年06月，荣获第三届北京市大学生建筑结构设计竞赛二等奖；获奖情况2014年11月，荣获单项奖学金；2016年10月，荣获2015年度研究生三等奖学金；2017年10月，荣获2016年度研究生二等奖学金；2017年11月，荣获2016年度研究生科技创新奖学金。-87- 致谢致谢时光如水，岁月如梭，研究生学习已悄然接近尾声，马上要离开母校，有激动、有不舍。一路走来，颔额回首，感慨良多。感谢我的导师李章珍教授，李老师严谨的治学作风、平易近人的处事态度使我受益终身；感谢我的指导教师樊旭英老师，樊老师细心认真、精益求精，每每遇到问题都能给予正确的引导；感谢董捷老师，董老师知识渊博、求真务实，给予很多启发。三年的学习、生活过程中，深深受益于各位老师的关心、支持和谆谆教诲，在此，谨向各位老师表示崇高的敬意和诚挚谢意！论文的完稿离不开同门师兄弟及同窗们的帮助。感谢师姐高凤春的指引，感谢师弟李印冬的鼎力相助，感谢同窗苏建遥、梁朋涛、赵国栋、穆柏林等的帮助，在此表示深深的谢意！在七年的河北建筑工程学院学习、生活中，感谢学院的各位老师给于的帮助与教诲！感谢身边一同走过的兄弟姐妹们，因为有他们才让我感受到家的温暖，衷心的祝愿他们前程似锦、鹏程万里！感谢我的家人，他们默默的支持与鼓励成为我前进的动力，这份恩情，无以言表！最后，衷心感谢评审论文和出席答辩的各位专家在百忙之中给予论文评阅与指正！2018年06月-88-