公路沥青路面养护决策模型优化方法研究

林立宽

(广西百色公路发展中心,广西 百色 533000)

公路沥青路面破损状况指数(PCI)是路面技术状况评定的重要指标之一，用于评价沥青路面病害发展状况。在进行养护决策分析及选择养护对策时，PCI指标常作为重要的决策指标。由于路面日常养护措施对PCI指标的计算结果影响较大，也直接影响到该评价路段的养护对策。该文将根据路面病害发展程度及养护维修情况，利用大数据统计分析方法，研究提出公路日常养护策略使用的边界条件，从而为开展公路路面养护科学决策提供数据支撑。

1 分析方法

1.1 分析思路

根据JTG 5210—2018《公路技术状况评定标准》的规定，路面损坏状况指数(PCI)的计算公式如下：

PCI=100-a0DRa1

(1)

(2)

式中：DR为路面破损率(%)；wi为第i类路面损坏的权重或换算系数，见表1；i为路面损坏类型，包括损坏程度(轻、中、重)。

由表1可看出：修补病害在破损率计算中权重仅为0.1，而重度的裂缝病害计算权重为1，即10条修补病害的影响效果等同于1条相同长度的重度裂缝。结合式(2)可知，当病害权重wi降低10倍时，相同面积的病害计入破损率DR也降低10倍，从而计算的PCI指标相应可有一定程度的提升。灌缝对于路面破损状况指标PCI的影响如表2所示。

表1 沥青路面损坏类型、权重及换算系数

表2 路面病害修补效果对比分析

由表2可看出：修复措施可显著提升原有路面PCI指标，特别是已有破损面较大的路段，通过灌缝或块状修补，可将PCI指标恢复至优良的水平。故在年度路况检测及养护资金分配前，大规模开展病害处治可有效提升整体路况，优化养护计划及养护策略。

该文在以上分析基础上，建立以路面开裂率及灌缝率组成的病害评价指标体系，通过路网大量数据的统计分析，提出基于病害评价指标体系的公路路面养护需求边界条件，可进一步优化现有路面管理系统分析模型，提高养护决策准确性及科学性。

1.2 数据来源

2007年以来，随着JTG H20—2007《公路技术状况评定标准》的颁布实施及路况快速检测装备的逐渐普及，中国各省份均开展了年度路况普查工作。特别是针对普通国省道及高速公路，随着路况普查工作的逐年开展，各省份均积累了丰富的路况数据。该文数据样本选取中国南方某省国省干线公路网约2 500 km公路路面连续7年跟踪观测数据进行统计分析。重点提取了病害明细中的条修面积及横向裂缝、纵向裂缝面积等几类数据，以每公里评价单元的数据指标作为样本单元，主要指标类型见表3。

表3 基本数据项目

1.3 评价指标

为了对沥青路面裂缝病害分布及灌缝情况进行统计分析，定义以下两个评价指标：

(1) 开裂率：指路面所有裂缝(包括已灌缝及未灌缝)面积占路面总面积的百分率：

CR=(Ar+Ac)/A×100%

(3)

(2)灌缝率：指已灌缝裂缝面积占路面所有裂缝面积的百分率：

RR=Ar/(Ar+Ac)×100%

(4)

1.4 统计方法

利用以上指标，分别计算下面几种情况下PCI指标的变化情况：① 若所有未灌缝裂缝均进行灌缝，PCI指标恢复情况：可用于评价该路段PCI指标在现有养护程度基础上仍具备的提升空间；② 若所有需灌裂缝均未灌缝，PCI指标衰减情况：可用于评价现有路面结构开裂的严重程度，即所有的裂缝均未得到处理时路面原始PCI指标情况。

PCI指标恢复情况：根据已有病害种类及数量，在计算全路段破损率时，调整该类病害的影响权重：情况①，将裂缝的权重调整为0.1代入运算；情况②,将条状修补病害的权重调整为1代入运算。

2 分析结果

(1) 实际PCI>90，CR<0.4%(图1、2)

由图1、2得知：当实际路况较好，PCI>90，CR<0.4%时，即现有路面裂缝较少时，即使全线仅有10%的裂缝得到灌缝处理，其PCI指标也能达到优等的水平，对于该类路段，维持正常的日常养护即可。

图1 未灌缝裂缝均进行灌缝

图2 所有需灌裂缝均未灌缝

(2) 实际80

图3 未灌缝裂缝均进行灌缝

图4 所有需灌裂缝均未灌缝

由图3、4得知：当80

(3) 实际80

图5 未灌缝裂缝均进行灌缝

图6 所有需灌裂缝均未灌缝

由图5、6可知：现有路况水平处于良等水平，且路面裂缝属于主导病害时，若现有灌缝率已经大于80%时，则再通过灌缝维修已无法将路面PCI指标恢复至优等；若此时灌缝率已大于70%，说明原有裂缝病害较多，其PCI指标的衰减速度将大于正常完好路面的衰减速度，有可能很快会衰减到中等的水平，此时建议采取整体性维修措施。

(4) 实际70

图7 未灌缝裂缝均进行灌缝

图8 所有需灌裂缝均未灌缝

由图7、8可知：现有路况水平处于中等，路面裂缝不属于主导病害时，此时通过灌缝措施已无法将路面PCI指标恢复至优等水平；若此时灌缝率已大于70%，其PCI指标有可能很快会衰减到次等的水平，此时建议采取整体性维修措施。

(5) 实际70

图9 未灌缝裂缝均进行灌缝

图10 所有需灌裂缝均未灌缝

由图9、10可知：现有路况水平处于中等，路面裂缝属于主导病害时，此时通过灌缝措施仅能将PCI恢复至良等水平，而无法恢复至优等水平；若此时灌缝率已大于50%，其PCI指标有可能很快会衰减到次等的水平。

(6) 综合分析(图11、12)

图11 若所有需灌缝裂缝均未灌缝，PCI指标值衰减情况

图12 若所有未灌缝裂缝均进行灌缝，PCI指标值恢复情况

由图11、12推算出通过灌缝处理即可将原有路面PCI指标恢复至优等水平的临界条件：

(1) 80

(2) 80

3 养护需求分析模型优化

基于以上数据统计及分析结果，发现利用开裂率及灌缝率这两项指标，结合PCI指标，可将养护需求分类进一步细化，区分出虽然当前破损状况指数较低，但仅经过灌缝处治，就可恢复路面PCI指标的养护需求类型路段，从而避免了养护工程投资的浪费，提高了决策的科学性及针对性。故在养护决策树的第二及第三阶段，增加开裂率及裂缝率两项指标；同时，决策树中也考虑了将车辙病害、抗滑不良及平整度不良、结构强度不足等问题进行区分，便于采取更有针对性的养护措施。利用PCI、RQI(路面状况指数)、PSSI(路面结构强度指数)及开裂率、灌缝率等几项指标，构建了公路路面养护需求分析及养护对策选择方法，如表4所示。

4 结论

通过理论计算及大数据分析，找到通过日常养护措施可有效恢复公路路面路况水平的边界条件：

(1) 80

(2) 80

同时，利用新构建的病害评价指标体系，结合PCI、RQI及PSSI等技术状况评定指标，提出了优化的养护需求分析方法，可更为准确地筛选养护需求路段，提高养护方案设计的准确性。