基于综合评价的水泥混凝土路面养护决策

杨义辉

重庆公共运输职业学院 重庆 402247

我国早期修建的各类高等级公路普遍采用水泥混凝土路面结构[1]，但由于水泥混凝土存在刚度大、随温度及湿度变化大等特点[2]，因此不少地区的路面出现不同程度的破坏。如何对水泥混凝土路面状况做出客观评价，在此基础上确定合理的维修养护方案显得尤为重要。

目前，我国在路面状况评价指标和方法方面的研究尚不完善，并且大部分研究成果局限于沥青路面[3]。对于水泥混凝土路面，李晓娜[1]基于断板率和裂缝长度构建了路面破损状况评价指标体系，融合路面弯沉及结构层等要素，对揭阳段路面损坏状况进行了调查和分析；朱兴龙等[2]通过调查交通量轴载情况，对路面的破损原因进行了分析；徐显练[4]针对水泥混凝土路面平整度的改善做出了研究；李素芳[5]结合《水泥混凝土路面设计规范》从路面破损情况、平整度、抗滑能力三方面提出了高速公路路况检测方法；曾胜[6]运用路面结构反算的原理和方法，基于落锤式弯沉测试评定了混凝土面板模量和基层顶面当量回弹模量；张晓云[7]基于加铺改造水泥混凝土路面，建立了以使用性能和结构性能两方面共7项指标的路面状况评价体系；苏斌[8]从混凝土面板厚度、面层弯拉强度等方面进行了研究；本文在前人研究的基础上构建了路面状况综合评价模型，将其应用于某二级公路水泥混凝土路面的调查评价，并通过统计分析做出养护决策建议。

1 评价模型

本评价模型融合路面调查、检测技术及专家咨询法建立，评价内容包括破损状况、行驶质量、抗滑性能、承载能力四个方面。所选取的评价指标分别为路面状况指数PCI、行驶质量指数RQI、构造深度TD、承载能力指数FRI，路面综合评价结果用综合评价指数PQI表示。

1.1 评价指标的选取

1.1.1 路面破损

水泥混凝土路面损坏包括面层断裂类、面层竖向位移类、面层接缝类、面层表层类等，依据路段内调查得到的损坏类型、轻重程度，制定分级标准如表1所示。

表1 水泥混凝土路面破损分类与分级

路面破损状况通常用路面状况指数PCI及断板率DBL两项指标来进行评定[10]。但在使用中发现，PCI明显偏高，有时DBL已接近优良，PCI依然接近满分，两者分离太大。水泥混凝土路面最主要病害是各种断裂，断裂对承载能力和使用性能影响最大，根据养护规范推荐的系数，只有当路面破损相当严重或某类病害大规模出现时PCI才会降至“良”[11]。考虑到PCI的上述不足，在本评价模型中，衡量路面破损状况仅采用路面状况指数PCI而不采用断板率DBL，但同时增大面断裂类损坏中纵、横、斜向裂缝，角隅断裂，断裂板的计算单扣分值系数[10]Aij，Bij(如表2所示)。

DPij=Aij·Dij·Bij

i，j——病害种类和轻重程度；

n——病害种类总数；

m——第i种病害的轻重程度等级数；

DPij——第i种病害j种轻重程度的单项扣分值；

Dij——第i种病害j种轻重程度板块数占总板块数的比例；

Aij，Bij——系数，可参考表2确定；

Wij——同时出现多种破损时，i种病害和j种轻重程度扣分修正系数；

Rij——各单项扣分值占总扣分值的比值。

表2 计算单项扣分值的系数Aij，Bij

1.1.2 行驶质量

路面行驶质量采用行驶质量指数RQI进行评定，以十分制表示[9-10]。RQI与国际平整度IRI之间的关系为：RQI=10-0.75IRI，RQI数值范围为0～10，如出现负值，则取0；如计算结果大于10，则取10。

1.1.3 抗滑性能

路面表面抗滑能力可采用侧向力系数SFC或抗滑值SRV以及构造深度TD来进行评定[10]，根据《公路养护技术规范》(JTGH10-2009)采用构造深度TD作为评价指标。

1.1.4 承载能力

1.2 路面综合评价模型

1.2.1 评价指标及评定等级

根据路面状况指数PCI、行驶质量指数RQI、构造深度TD、承载能力指数FRI计算值，建立指标评定等级如表3所示。

表3 水泥混凝土路面各评价指标等级评定标准

1.2.2 路面综合评价指数

运用加权平均法，结合相关文献及专家咨询，建立路面综合评价指数，计算式如下：

PQI=PCI′·P1+RQI′·P2+TD′·P3+FRI′·P4

PQI介于0～100，值越大，路面状况越好。其中PCI′、RQI′、TD′、FRI′是根据之前评定的等级进行赋值，如表4所示；P1、P2、P3、P4为相应权重，如表5所示；路面综合评定标准如表6所示。

表4 根据评定等级对PCI′、RQI′、TD′、FRI′赋值参考

表5 权重P1、P2、P3、P4参考取值表

表6 水泥混凝土路面综合评定标准

2 调查路段概况

该调查路段长3km，属于二级公路，双向2车道，设计轴载量100kN，车速60km/h，路基宽度10m。原路面结构为：级配碎石底基层+5%水泥稳定碎石基层+水泥混凝土面层。设计抗弯拉强度5.0MPa，土基回弹模量40MPa；水泥混凝土面板纵缝间距4.25m，横缝间距6m。

经过多年运营后，原路面出现大量裂缝、坑洞、错台等。因此，对该路段进行调查，评价其路面状况等级，以便科学合理地制定养护对策。

3 路面状况调查评价

3.1 调查方法及频率

表7 水泥混凝土路面状况调查频率及指标关系换算表

3.2 调查结果及综合评定

(1)调查路段总板块数为1000块，损坏调查及路面状况指数计算结果如表8所示。

表8 路面状况调查及PCI计算结果

(2)用连续式平整度测定车测定平整度，每100m为一测定区间，总区间数为30个，为方便记录，起点桩号记为K0+000，平整度标准差及行驶质量计算结果如表9所示。

表9 路面平整度标准差及RQI计算结果

(3)每1km测5个构造深度，共测试15处，用手工铺砂法测得构造深度如表10所示。

表10 路面构造深度测试结果(精确至0.1mm)

表11 路面板钻芯取样劈裂强度测试结果(精确至0.01MPa)

计算保证率为95%的弯拉强度代表值，即fcm代=4.76-1.645×0.29=4.28MPa，设计弯拉强度fcm设=5.0MPa，则FRI=fcm代/fcm设=4.28/5.0=0.86。

(5)根据评价模型，四项评价指标对应评定等级及对应指标取值如下：

PCI=77.28，路面破损等级为“良”，PCI′=80，P1=0.30；

RQI=6.96，行驶质量等级为“中”，RQI′=65，P1=0.25；

FRI=0.86，承载能力等级为“良”，FRI′=80，P1=0.25；

PQI=80×0.30+65×0.25+65×0.20+80×0.25=73.25，即该路段路面综合评定等级为“良”。

3.3 统计分析与养护决策

3.3.1 统计分析

(1)该调查路段，从分布数量看，由基层引起的病害数量小于混凝土板产生的破损。

(2)用连续式平整度仪测得路段的平整度标准差σ平均值为2.48，并且变异系数达到22.81%，表明平整度相对波动程度大。

(3)采用手工铺砂法测得构造深度平均值0.4mm，抗滑性能下降，这与磨损和露骨563块的调查结果相一致。

3.3.2 养护决策

根据《公路养护技术规范》，水泥混凝土路面按照工程性质、复杂程度、规模大小划分为小修保养、中修工程、大修工程、改建工程四类[10]。制定二级公路水泥混凝土路面养护决策集，如表12所示。

表12 二级公路水泥混凝土路面养护决策集

综上所述，该调查路段，养护决策为“小修保养”。

4 结论

(1)分析现有的水泥混凝土路面状况调查评价方法，基于评价内容—评价指标—调查方法的层次关系，构建了路面状况综合评价模型。

(2)建立了路面损坏评语集和路面损坏调查分析方法，以路面状况指数PCI作为评价指标，解决了路面损坏类型多、难以定量化的问题。

(3)结合调查数据，统计分析其原因，并建立起养护决策集，用以完成对路面养护的决策。