路面管理系統(tǒng)

路面管理系統(tǒng)2022/11/4第四章路面使用性能預估路面在使用過程中，其使用性能會隨時間或行車荷載作用次數(shù)的增加而逐漸變壞。當損壞達到某一預定標準時，路面就應該或需要采取改建措施以恢復和提高其使用性能。WHERE？（哪一段）WHEN?（時間）WHAT?（措施）需要預先估計路面在采用新建、設加鋪層或其它各種養(yǎng)護和改建對策后，其使用性能隨時間或軸載作用次數(shù)的變化規(guī)律2022/11/4第四章路面使用性能預估本章要學習的內(nèi)容路面使用性能模型的概念路面使用性能模型建模方法和步驟各種建模方法的特點和適用條件2022/11/4第一節(jié)使用性能模型的概念各級管理系統(tǒng)需要不同的使用性能指標和預估模型在項目級系統(tǒng)中，使用性能可以用單項的路面損壞(如開裂、車轍等)指標予以定義；或者用行駛質(zhì)量指數(shù)(平整度)、抗滑能力、路面狀況指數(shù)、路面損壞率等定義。網(wǎng)級系統(tǒng)中，使用性能不僅用各個項目的狀況和趨勢表征，而且還用路網(wǎng)的總的狀況以及各類型和各等級道路的使用性能水平表征。這時，往往需要采用綜合性的指標2022/11/4一、使用性能模型的類型二種基本類型：確定型基本反應模型結(jié)構(gòu)性能模型功能性能模型使用壽命模型概率型殘存曲線模型馬爾可夫（Markov）模型半馬爾可夫模型2022/11/4一、使用性能模型的類型基本反應模型預估路面在荷載和氣候因素作用下的基本反應，如彎沉、應力和應變等可通過經(jīng)驗法、力學法或力學—經(jīng)驗法，并通過應用野外觀測數(shù)據(jù)進行標定后建模結(jié)構(gòu)性能模型結(jié)構(gòu)性能模型既可以預估路面各種單項損壞，如開裂、車轍等；也可以預估路面的綜合損壞狀況，如路面狀況指數(shù)PCI等多采用力學—經(jīng)驗法或經(jīng)驗法建模2022/11/4一、使用性能模型的類型功能性能模型功能性能模型用于預估路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI或現(xiàn)時服務能力指數(shù)PSI、表面抗滑性等。這些指標同使用者的舒適性、安全性和經(jīng)濟性密切相關可采用力學—經(jīng)驗法或經(jīng)驗法建模使用壽命模型這類模型用于預估路面達到某預定損壞狀況或服務水平時的使用壽命。如選用軸載作用次數(shù)指標，則適用于設計路面的養(yǎng)護和改建方案；如選用時間指標，則較多用于路面各種養(yǎng)護和改建方案之間的經(jīng)濟評價可分別采用力學—經(jīng)驗法和經(jīng)驗法建模2022/11/4一、使用性能模型的類型殘存曲線模型殘存曲線是路網(wǎng)內(nèi)已使用若干年(或作用次數(shù))而仍不需重大養(yǎng)護或改建的路面的殘存比例隨時間的變化曲線多用于設計路網(wǎng)內(nèi)路面的養(yǎng)護和改建方案可以根據(jù)公路部門保存的有關路面修建、養(yǎng)護和改建活動的歷史記錄，確定新建或改建后每年需養(yǎng)護或改建的路面的比例后得到2022/11/4一、使用性能模型的類型馬爾可夫模型核心內(nèi)容：狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表示路網(wǎng)內(nèi)一組具有相同屬性(結(jié)構(gòu)、交通等級、使用年齡和環(huán)境因素等方面相同)的路面，其使用性能指標在預定時段內(nèi)從某一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)的概率假設：路面使用性能指標存在著有限個狀態(tài)路面使用性能從某一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)的概率只與當前的狀態(tài)有關，而與以前的狀態(tài)無關轉(zhuǎn)移過程是靜態(tài)的，亦即轉(zhuǎn)移概率不隨時間變化。在許多情況下，這—假設不能成立2022/11/4一、使用性能模型的類型馬爾可夫過程描述了在轉(zhuǎn)移之前和之后路面處于各個狀態(tài)的概率在上述假設有效的情況下，轉(zhuǎn)移矩陣可以可靠地用以模擬路網(wǎng)內(nèi)同組路面的總的使用性能2022/11/4一、使用性能模型的類型半馬爾可夫模型除了假設轉(zhuǎn)移過程僅在某一小時段內(nèi)是靜態(tài)的之外，在其它方面部和馬爾可夫模型相同由于它承認路面狀況及氣候和交通的變化都能引起轉(zhuǎn)移過程的改變，因此更吻合實際情況2022/11/4一、使用性能模型的類型各種使用性能模型的建模方法和適用的場合2022/11/4二、影響使用性能的因素影響路面使用性能衰變的因素較多，在建立使用性能預估模型時，要充分考慮這些因素的影響特性或機理路基路面結(jié)構(gòu)交通荷載環(huán)境施工質(zhì)量養(yǎng)護水平2022/11/4二、影響使用性能的因素路面結(jié)構(gòu)在相同條件下，采用不同改建措施(如瀝青混凝土加鋪層、瀝青表處等)修建的路面，具有不同的使用性能變化特性內(nèi)因，決定性項目級使用性能模型多用于確定項目(路段)的設計方案，需要進行結(jié)構(gòu)分析常把路面各結(jié)構(gòu)層的模量和厚度選作使用性能的影響變量網(wǎng)級使用性能模型并不用于設計項目的結(jié)構(gòu)方案，可采用按材料性能(如柔性和半剛性基層)和厚度(如薄和厚面目)分類的方法，考慮路面結(jié)構(gòu)的影響2022/11/4二、影響使用性能的因素交通和環(huán)境因素交通荷載和環(huán)境的共同作用是使路面使用性能衰變的主要肇因。外因項目級使用性能模型大多選用單項損壞指標，以確定合理的改建對策和所需的結(jié)構(gòu)方案常把標準軸載累計作用次數(shù)選作主要的影響變量，并適當考慮環(huán)境因素(如溫度和濕度等)的作用網(wǎng)級使用性能模型多選用綜合指標，而這些綜合指標不僅包括交通荷載所導致的使用性能衰變的屬性，同時也蘊含了環(huán)境等非荷載因素促使使用性能變壞的內(nèi)容在這種情況下，把交通分為若干等級，并選擇時間作為影響變量．可較好地反映交通荷載和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果2022/11/4二、影響使用性能的因素施工質(zhì)量和養(yǎng)護水平施工質(zhì)量：同路面使用性能的衰變密切相關，尤其在路面竣工初期影響因素多，難以量化有區(qū)域類聚性，因而可按地區(qū)分別建立使用性能模型以反映其影響?zhàn)B護水平定期養(yǎng)護，可在不同程度上延緩路面使用性能的衰變。而不同的養(yǎng)護水平．會對路面使用性能衰變的延緩作用有不同的影響?zhàn)B護水平是養(yǎng)護技術(shù)和養(yǎng)護費用等因素的函數(shù)2022/11/4第二節(jié)建模方法一、確定型模型的建模方法在現(xiàn)有的路面管理系統(tǒng)中，較多采用確定型模型預估路面的基本反應(應力、應變或位移等)、結(jié)構(gòu)性能、功能性能和使用壽命(以累計軸載作用次數(shù)或時間計)等力學法力學-經(jīng)驗法經(jīng)驗(回歸)法2022/11/4一、確定型模型的建模方法力學法利用彈性理論模型(彈性層狀體系或彈性地基板)或粘—彈性理論模型，通過結(jié)構(gòu)分析得到路面在荷載作用下的應力、應變或位移反應路面各結(jié)構(gòu)層的計算參數(shù)(模量值)，可采用無破損試驗或鉆取試樣后由室內(nèi)試驗確定。目前較理想的方法是采用FWD進行多點路表彎沉值測定，由計算分析確定各結(jié)構(gòu)層的模量有較為成熟的理論基礎，但計算復雜，工作量大，并且只能用來建立路面的基本反應(應力、應變或彎沉等)模型如要用力學分析的結(jié)果預估路面的結(jié)構(gòu)性能和功能性能，則需采集使用性能觀測數(shù)據(jù)，以建立使用性能同路面基本反應的經(jīng)驗（回歸）關系（力學-經(jīng)驗法）2022/11/4一、確定型模型的建模方法力學-經(jīng)驗法首先：力學分析，確定路面各結(jié)構(gòu)層的模量值，計算在設計條件下的臨界應力、應變或位移值其次：建立路面反應(應力或應變等)同使用性能參數(shù)衰變速率之間的經(jīng)驗關系現(xiàn)有的各種路面結(jié)構(gòu)設計方法，大多采用疲勞開裂、車轍或路表彎沉等指標作為衡量路面結(jié)構(gòu)損壞的標準。通過室內(nèi)試驗和(或)野外觀測建立路面反應(應力、應變或位移等)同達到損壞時的標準軸載作用次數(shù)的經(jīng)驗關系（例，下頁）2022/11/4一、確定型模型的建模方法路面結(jié)構(gòu)設計方法中的疲勞方程美國瀝青協(xié)會的瀝青路面設計方法：根據(jù)室內(nèi)小梁疲勞試驗結(jié)果，并按AASHO試驗驗路觀測資料進行調(diào)整后得到輪跡帶開裂量為10％以下時瀝青混凝土面層的疲勞方程利用上述疲勞方程就可以按路面反應的實際級位預估路面的使用壽命，或者預估路面使用性能的衰變速率。然而，所能預估的僅為疲勞開裂這一種結(jié)構(gòu)性能變量2022/11/4一、確定型模型的建模方法力學-經(jīng)驗法現(xiàn)有的各種路面結(jié)構(gòu)設計方法，大多采用疲勞開裂、車轍或路表彎沉等指標作為衡量路面結(jié)構(gòu)損壞的標準。通過室內(nèi)試驗和(或)野外觀測建立路面反應(應力、應變或位移等)同達到損壞時的標準軸載作用次數(shù)的經(jīng)驗關系只能預估結(jié)構(gòu)性使用性能，無法預估功能性使用性能2022/11/4一、確定型模型的建模方法按反應級位預估功能性使用性能的方法利用AASHO試驗路的現(xiàn)時服務能力指數(shù)(PSI)公式通過結(jié)構(gòu)分析可以確定路面疲勞開裂量、車轍深度和縱坡方差隨時間的變化，由此按式(4-3)預估PSI的變壞速率重新整理AASHO試驗路資料，對各試驗路段進行結(jié)構(gòu)分析，確定相應的應力和應變級位，然后同現(xiàn)時服務能力指數(shù)的變化相關聯(lián)，提出有關的預估方程（P.Uilidtz，丹麥）2022/11/4一、確定型模型的建模方法力學-經(jīng)驗法的特點不僅可用于預估路面的使用壽命(以累計軸載作用次數(shù)計)和結(jié)構(gòu)性能(如開裂、車轍等)，而且通過將路面反應同路面服務能力相關聯(lián)，還可以進行功能性能預估理論計算(結(jié)構(gòu)分析)和實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的產(chǎn)物需要對特定路面結(jié)構(gòu)進行應力、應變或位移量分析（要考慮到交通和環(huán)境條件以及路基路面材料參數(shù)的變化）。因而，這類模型結(jié)構(gòu)復雜，計算工作量大，但外推性能好適用于項目級管理系統(tǒng)2022/11/4一、確定型模型的建模方法經(jīng)驗（回歸）方法利用多元回歸分析技術(shù)建立回歸方程，以預估使用性能變量隨某些影響變量(如年齡、交通、路面結(jié)構(gòu)等)的變化。避開了力學-經(jīng)驗法復雜的結(jié)構(gòu)分析AASHO試驗路—PSI預估公式可以預估路面服務能力隨荷載作用而下降的速率應用受到了AASHO試驗路的特定環(huán)境和特定荷載作用條件的限制，可予修正（環(huán)境、路面老化、日常養(yǎng)護水平）2022/11/4一、確定型模型的建模方法經(jīng)驗法：美國空軍PAVER管理系統(tǒng)采用路面狀況指數(shù)PCI作為使用性能變量。利用逐步同歸分析方法，對分布在全國各地的37個空軍基地的道面狀況進行分析后，整理得到PCI的預估方程y—路面建成或新近一次加鋪后的年數(shù)；yc—路面建成后到新近一次加鋪之間的年數(shù)；as—同路面總厚、路基CBR值、當量單輪的接觸面積和接觸壓力有關的函數(shù)；Ta—瀝青面層厚度（如有加鋪層、則也包括其厚度）（in）；aa—同瀝青面層厚度、基層CBR值、當量單輪的接觸面積和接觸壓力有關的函數(shù)2022/11/4一、確定型模型的建模方法經(jīng)驗法：華盛頓州管理系統(tǒng)把平整度和路面損壞狀況二方面綜合成一個評價指標R，作為使用性能變量。綜合13年的觀測資料，分別為不同類型的路面和養(yǎng)護或改建對策提出了綜合使用性能指標R的預估模型

y—年數(shù)2022/11/4一、確定型模型的建模方法經(jīng)驗法：我國（廣東、北京數(shù)據(jù)）y—路面建成后或新近一次改建后的年數(shù)；

a、b、c、d—回歸系數(shù)2022/11/4一、確定型模型的建模方法經(jīng)驗法的特點：得到的只是使用性能變量與其影響變量之間的某種程度的統(tǒng)計擬合，回避了自變量(影響變量)對因變量(使用性能變量)影響的物理性質(zhì)的機理分析可靠性不僅取決于有關資料和數(shù)據(jù)的準確與充分，而且也依賴于建模人員對所選用的使用性能變量與其影響變量之間關系的理解和認識程度當有些使用性能屬性的衰變機理尚不清楚時，采用經(jīng)驗法建模具有明顯的優(yōu)勢這類模型結(jié)構(gòu)簡單，易于更新。若所選用的使用性能參數(shù)是較綜合的指標，如PSI和PCI等，適用于網(wǎng)級系統(tǒng)；若選用單項結(jié)構(gòu)性能或功能性能指標，如開裂、車轍和平整度等，則較適用于項目級系統(tǒng)2022/11/4二、概率型模型的建模方法確定型模型的缺點：影響路面使用性能變化的因素都具有不同程度的變異性，因而使用性能變化的速率是不確定的。顯然，確定型模型無法反映使用性能變化速率的這種不確定性，因而并不能保證得到可靠預估。所以，有必要研究概率型模型的建模方法，以建立能夠表達使用性能不確定性變化的概率型模型，供路面管理系統(tǒng)尤其是網(wǎng)級管理系統(tǒng)使用概率型模型：殘存曲線模型馬爾可夫模型 （應用較多，較為完善）半馬爾可夫模型2022/11/4二、概率型模型的建模方法馬爾可夫過程建模的步驟選擇使用性能變量，定義路況狀態(tài)可采用綜合指標（如PSI、PCI等），也可采用開裂、平整度等單項指標使用性能變量，按其變化范圍劃分為若干個離散等級，稱作路況狀態(tài)為不同路面類型或各種養(yǎng)護和改建措施分別提出轉(zhuǎn)移概率矩陣在某時段，處于不同狀態(tài)的路段的百分率（概率），稱為該時段的狀態(tài)矢量陣。對于使用t年處于i狀態(tài)的路段，經(jīng)過一段時間后轉(zhuǎn)變成狀態(tài)j的概率，稱作第t年的轉(zhuǎn)移概率路段的轉(zhuǎn)移矩陣反映了路面使用性能的衰變特性利用轉(zhuǎn)移概率矩陣預估某時段處于某種路況狀態(tài)的概率。不同的路面具有不同的轉(zhuǎn)移概率，故應將路網(wǎng)劃分為具有某種程度共性的子網(wǎng)，為每個子網(wǎng)建立轉(zhuǎn)移概率矩陣2022/11/4二、概率型模型的建模方法轉(zhuǎn)移概率矩陣的建立方法經(jīng)驗判斷根據(jù)工程經(jīng)驗，可靠性較差可逐步修正完善缺少路況觀測數(shù)據(jù)時可作臨時變通方法統(tǒng)計分析具備數(shù)年路況監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用統(tǒng)計分析方法可靠性主要取決于路況數(shù)據(jù)監(jiān)測時期的長短和數(shù)據(jù)采集的精度邏輯簡單，易于理解接受，但數(shù)據(jù)采集工作量大，周期長，費用高回歸分析有限的路況數(shù)據(jù)，不足以采用統(tǒng)計分析建立可靠的轉(zhuǎn)移概率矩陣2022/11/4二、概率型模型的建模方法回歸分析方法建立概率模型案例美國亞利桑那州路面管理系統(tǒng)使用性能變量：平整度、開裂量使用性能影響變量：現(xiàn)有平整度、現(xiàn)有開裂量、上一年開裂量的變化、初裂指數(shù)北京市公路瀝青路面管理系統(tǒng)路網(wǎng)按基層類型、面層厚度和交通量等級劃分2×2×4＝16個子網(wǎng)使用性能變量：路況指數(shù)PCI、行駛質(zhì)量指數(shù)RQI和結(jié)構(gòu)能力(以路表彎沉和現(xiàn)有交通量共同表征)使用性能影響變量：路面使用年數(shù)。（以反映荷載因素和環(huán)境等非荷載因素對路面使用性能的共同影響）2022/11/4二、概率型模型的建模方法馬爾可夫概率模型的特點：能夠反映荷載、環(huán)境、材料和養(yǎng)護水平等因素的變異性所導致的使用性能變化的不確定性，使預估結(jié)果更吻合實際作為變起點模型，能夠依據(jù)最近的路段信息，對未來使用性能的變化作出預估，精度得到提高不僅可以用于預估某一路段的使用性能變化，而且也能對路網(wǎng)的整體性能做出預估模型能夠隨路況信息的積累而不斷更新；模型的結(jié)構(gòu)能夠與網(wǎng)級動態(tài)優(yōu)化方法達成最大程度的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一2022/11/4第三節(jié)建模技術(shù)一、建模的數(shù)據(jù)基礎建模所需數(shù)據(jù)類型包括：設計和施工數(shù)據(jù)路段標識、道路等級、幾何參數(shù)、路面結(jié)構(gòu)和厚度、所用材料及路基土的性能參數(shù)等養(yǎng)護和改建數(shù)據(jù)曾采取過的養(yǎng)護和改建措施的類型、時間和費用等使用性能監(jiān)測數(shù)據(jù)路面損壞狀況、結(jié)構(gòu)承載力、行駛質(zhì)量和抗滑性能等交通數(shù)據(jù)交通(日交通量、車型組成和交通增長率等)和標準軸載數(shù)(軸型、軸重和日軸載作用次數(shù)等)。環(huán)境因素溫度、降水量、凍融周期和太陽輻射等數(shù)據(jù)2022/11/4一、建模的數(shù)據(jù)基礎選擇試驗路段選擇一定數(shù)量的試驗路段以重點收集和核實與路面使用性能有關的各類數(shù)據(jù)，以提高預估模型的精度全因子難以實行，部分因子設計較合適2022/11/4二、建模的一般程序1.明確模型的用途和預估目標2.使用性能變量及其影響變量的選用原則使用性能變量主要依據(jù)整個系統(tǒng)的考慮，同評價和優(yōu)化二個子系統(tǒng)中所采用的相一致網(wǎng)級多用綜合性指標；項目級多用單項指標影響變量理論分析或?qū)嶋H經(jīng)驗3.數(shù)據(jù)收集和預處理盡可能收集全數(shù)據(jù)過濾，去偽存真2022/11/4二、建模的一般程序4.選擇模型