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基于灰色关联预测的沥青路面预防性养护时机 [复制链接]

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公路沥青路面发展到现阶段,我们都知道其预防性养护的重要性。发挥好路面的使用功能能,把路面使用寿命延长,延长路面大修和重建的周期,这些都要求我们重视预防性养护工作。目前,国内外开展预防性养护方面的研究很多,在预防性养护时机把握方面进行了很多探讨和研究,积累了一些适用性、可操作性的方法,具有代表性的主要有:基于路况(PCI)或时间的方法、决策树法、行驶质量指数和破坏指数法、效益费用评估法、排序法、生命周期评估法和基于老化的方法等等。路面的特殊环境和服务对象千差万别,功能的发挥所受制约和影响因素多,指标之间存在联系和制约,关系复杂,以往各种预防性养护时机确定方法受这些因素的多重影响,有时难以得出符合客观实际的研究成果。

预防性养护是公路事业发展这现阶段,对发挥社会效益和提高经济效益均很好的养护管理方法,预防性养护措施的实施时机是发挥预防性养护的有效性和经济性重要前提。半刚性基层沥青路面是我国目前路面基层的典型形式,其预防性养护要达到规范性和系统性。要作为一个系统工程进行研究,建立起决策系统必然是其整个系统的核心。这个核心的主要任务就是解决路面在相应的路段、相对的时间、需要采纳合理的养护措施这一沥青路面预防性养护问题。预防性养护的经济性关乎建设资金的效率,有效性能使资金效益最大化,这些指标的实现,采取预防性养护措施的时机很重要,养护时机如何确定,便是预防性养护的重点、难点及核心。本文针对沥青路面早期损坏的状况和特点,应用寿命周期资金法,考虑相关因素和指标,综合确定沥青路面各种预防性养护的最佳时机,通过比较其效果投资比值,得出沥青路面寿命到达四年时采取预防性养护措施的效果投资比最大,此时即为稀浆封层作为预防性养护措施的最佳养护时机。

沥青路面预防性养护时机指标

沥青路面预防性养护的定义一般是指在沥青路面状况良好的情况下,对现有路面结构系统进行有计划的、基于投资效益分析的一种养护方法和策略。既然定义为预防性养护,就是在不提高路面系统结构承载能力的前提下,使路面破坏的情况延迟发生,并使路面行车条件和使用功能得以改善或维持不降低,使路面大修周期延长、从而提高路面使用寿命。沥青路面结构作为一个综合系统,使用性能受影响因素多,不可能采用单性指标进行评价。只有把单性指标融入整个系统中,找出各单项指标在整个路面预防性养护时机确定的大系统中所发挥的不同作用。

路面状况指数

路面使用过程中产生破损,其现象是各种自然、行车、材料等因素作用于路面结构后的结果,决定路面结构是否完整,服务功能是否降低,也是预测整个路面系统的服务潜力的最重要因素之一。业界目前大多数的路面管理系统也把这一指标作为其中一项,进行采集、分析,因此,研究过程中把路面状况指数PCI作为重要指标,用于确定预防性养护实施时机。

行驶质量指数

路面的行驶质量是路面结构系统综合服务能力在路面表观的直接反映,采用行驶质量指数(RQI)作为预防性养护时机的评价指标,为的是全面衡量路面综合系统在行驶质量方面提供服务能力的状况。路面状况的对行车的直接影响,最直接的就是路面平整度,平整度是影响路面行驶质量的主要因素,平整的路面会使行驶舒适性和安全性得以提高,同时使经济性得以发挥,路面平整度就是反映上述特性的最重要标志。

抗滑系数

保证使用者行车安全是沥青路面服务功能的前提及核心,抗滑性能是路面重要功能直接影响行车安全。车辆行驶安全,要求沥青路表面具有足够的抗滑性,抗滑系数在规范中有明确的指标要求。路面的抗滑性能低于某一限度时,会对行车安全产生安全隐患,要采取经济有效的预防性养护手段来恢复和改善路面的抗滑性能,安全无小事,公路养护工作更应该把行车安全放在首位。将路面的抗滑性能作为确定预防性养护时机的一个指标是对路面服务功能的重要需求。实施中把路面抗滑系数作为衡量抗滑性能评价指标,以横向力系数(SFC)表示。

车辙

随着重载车辆的不断增加,车辙已经成为沥青路面的一项主要破坏形式,这一病害主要发生在路面投入使用一段时间后。沥青路面出现车辙后对行车的舒适性产生很大影响,更主要的是严重危及行车安全。车辙达到一定深度后,车辙内会产生积水,造成路面的抗滑性能降低,以致发生交通事故,一定深度的车辙积水会长时间集聚,造成积水渗入路面结构内部,我们都知道,水分的浸入会使路面结构在行车及冻融循环等不利条件作用下,产生其他结构病害,减低路面使用功能和寿命。现行养护技术规范中的路面结构病害分类,只将车辙化作一种路面结构破损形式,很难全面反映出车辙车辙这一破损形式对行驶舒适性和行车安全性产生的重要影响。为此,根据现实影响因素分析,将车辙作为确定预防性养护时机的指标之一很有必要。但同时又要基于路面结构状况,在采取预防性养护措施方案中,对预处理的车辙要明确深度要求,超过要求的深度界限指标时,需采取修补等对应措施。

路面使用性能的评价指标选择是确定路面预防性养护的最佳时机前提条件,现实因素决定了沥青路面使用性能的影响因素很多,不可能由单一指标决定,基于路面使用性能具有多重因素影响的基本属性,本文采用综合指数PQI对预防性养护时机进行分析。

沥青路面预防性养护时机分析方法

寿命周期法

交通发展带来了车辆结构的变化和重载交通比例的提高,这些因素的影响,直接造成半刚性基层结构的沥青路面还没有达到设计年限时即发生了结构性破坏。在路面管理系统中对预防性养护时机的经济分析时,认为寿命周期费用分析会较为客观的反映路面实际使用情况,可以确定为合理的经济分析方式。在这里我们可以运用寿命周期分析方法,确定出半刚性基层的沥青路面最合适的养护时机,这样就能够达到养护维修资金的最少投入,而带来路况质量的提高和改善,创造出预想达到的通行环境和目标。本文就是依托半刚性基层结构沥青路面的早期损坏特点,运用寿命周期费用法确定出沥青路面养护的最佳时机。

预养护效益的估算

如果路面平整度指数IRI、横向力系数SFC、路面状况指数PCI等已经是已知,那么指标衰变曲线与上下效益基线所围成的面积即称之为该指标的效益面积。确定出沥青路面养护最佳时机后,当假设实施预定养护措施以后,得到的效益面积的增量既是预养护效益面积。效益计算基线在效益计算指标和时间关系图上所反映为平行于时间轴的直线,是计算效益面积的上下边界。

效益面积增量为确定出沥青路面养护最佳时机后,是假设实施预定养护措施以后的性能衰变曲线与未采用预养措施时的性能曲线以及上下效益基线围成的面积。衡量预防性养护措施后的效果如何,则用效益面积增量与未实施预养措施时效益面积的比值来表示。基于效果费用比即可得到最佳预防性养护时机。这一时机的主要特点就是投资最小,效益最大,反映在效果费用比额E/C上,就是这一比值最大,此时既预防性养护的最佳养护时机。

预防性养护措施

稀浆封层具有低造价、施工便捷、用途广泛、污染少等特点,满足沥青路面预防性养护技术指标要求和施工特点需求。实施稀浆封层后的路面结构能使原路面结构的透水性降低,摩擦系数提高,并能够适当改善路面平整度。工程应用实施过程中施工简便快捷,是不中断交通前提下提高路面质量较快施工方式,已经是技术比较成熟并不断得到发展经多年的应用成功技术。

稀浆封层技术在路面养护工程中应用广泛,应用中将稀浆混合料摊铺在待处理的路面上,混合料要摊铺均匀,稀浆混合料在这一过程中经裹复、破乳、析水、蒸发和固化等过程后会与原路面很好的结合,形成整体结构,并且所形成的结构层具有密实、坚固、耐磨等路用性能。起到恢复路面平整度、改善路面抗滑性能、修复轻微车辙、弥合原路面裂缝等功能,有效地改善路面的使用功能,同时达到延长路面使用寿命目的。稀浆封层技术施工方法简便,采用合理的方案,选择合适的时机应用该技术可以有效地提高路面的使用寿命,提高路面使用功能,同时还可以节省投资和能源消耗,具有显著的经济效益和社会效益。这一技术还可以用在水泥混凝土路面上来取代热沥青面料做面层。但应用过程中要注意的是,在路基变形较大、路面发生结构性破坏的路面则不宜使用稀浆封层技术进行处置。本文介绍的实际应用中,采用预防性养护措施既是应用稀浆封层技术对路面进行预防性养护。

预防性养护时机的确定应用实例

预防性养护衰变曲线

(1)未采取预防性养护措施衰变规律。用选取的权重指标计算得承德市承围公路历年的PQI值。根据表中计算得到的PQI值,应用Excel进行灰色模型预测,以下PQI数据为年以后承德市承围公路10年的预测值。

(2)预防性养护措施实施后的衰变规律。预防性养护实施的目的就是通过养护合理措施的实施达到延迟路面的损坏,延长路面的使用寿命,维持和改善路面的使用功能。依据实际调查结果,运用灰色理论进行预测以后,即可根据预测值得到原路面实施应用稀浆封层微表处措施后路面性能衰变规律。

根据表中预测值,我们得到路面实施稀浆封层后的衰变规律,据此即可计算不同预防性养护措施实施时机的效益面积。公路路面的用户效益采用路面性能曲线所围成的面积来估计。如果已知性能指标的衰变曲线,则衰变曲线与上下效益基线所围成的面积称为该指标的效益面积。

预防性养护措施的效益分析

预防性养护方案制定并实施以后,预养护效益面积既是效益面积的增量。数据显示,路面寿命为四年时采取预防性养护措施的效果费用比最大,由此得出路面此时采取稀浆封层技术作为预防性养护措施效果最佳,也就是说这时即为养护最佳时机。因此应在第四年对原沥青路面采用稀浆封层进行维修改善。

结论

(1)本文首先确定了路面预养护最佳时机的寿命周期法,这一以经济分析法为基础的方法,采用结合路面性能的综合评价指标PQI确定了承德市承围公路使用稀浆封层技术时的最佳养护时机。

(2)本文通过比较分析得到:路面寿命为四年时采取预防性养护措施的效果费用比最大,由此得出路面此时采取稀浆封层技术作为预防性养护措施效果最佳,也就是说这时即为养护最佳时机。因此应在第四年对原沥青路面采用稀浆封层进行维修改善。

(3)预防性养护最佳时机要把经济决策和路面服务功能综合分析进行决策。是投资数量和收益期望关系的体现,通过在预养护最佳时机实施合理的养护措施,达到投资最小,效益最大的目的。预养护最佳时间可定义为一个预养护对策可产生最大效益的实施时间。

(4)通过对路面的预防性养护,有目的性的合理安排资金、机具设备、人力资源,避免出现阶段性供需失衡,以此来平衡整个路网的总体服务寿命。尤其是在半刚性沥青路面强度发生较大幅度衰减前,及时制定并实施合理的补强措施,来满足日益变化的交通需求。采取的方案合理,维修及时,不但对提高路面强度和服务功能有利,更能降低路面全寿命维修资金,有利于公路养护良性循环和整个事业的健康发展。

许德录

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