高速公路沥青路面预防性养护评价指标的研究

摘要：本文从预防性养护的基本概念出发，结合我国高速公路沥青路面预防性养护的现状特点，提出了以路面结构强度作为控制指标，建立了针对我国高速公路沥青路面性能的预防性养护评价指标，并给出了相应指标的参考权重系数。

关键词：高速公路；沥青路面；预防性养护；评价指标

中图分类号：U418

近年来我国高速公路迅猛发展，随着时间推移，投入运营的高速公路已陆续进入养护期，做好高速公路养护管理工作已成为了公路主管部门的一项工作，控制高速公路的养护费用成本也越来越受到大家的重视，如何科学、合理地进行高速公路沥青路面预防性养护, 对保持路面的使用性能、延长路面的使用寿命并降低路面的养护费用具有十分重要的现实意义。

沥青路面的预防性养护可以定义为：通过定期路况调查，及时发现路面轻微破损与病害迹象，分析研究其产生的原因，对症采取保护性养护措施，以防止微小病害进一步扩大，减缓路面使用性能恶化速度，使路面始终处于良好的服务状态的一种养护方法、养护理念。可以看出，预防性养护不涉及公路的结构性修复，其重点是保证路面结构的整体性，延缓道路的破坏速度，纠正路面的非荷载性破坏，对路面结构几乎没有改进作用。但是预防性养护可以延长路面的使用寿命，推迟昂贵的大修和重建活动，从而减少路面寿命周期的成本，节约养护维修资金，是一种费用――效益良好的养护措施。

一、国外应用的沥青路面预防性养护评价指标的研究

对预防性养护性能评价指标来说，首先要求其是可测量的，其次要求其能够指示路面的性能，尤其是评价预防性养护的功能性能，并且随着预防性养护措施的实施，这些指标会发生变化。现在不同国家不同地区的路况评价方法和指标不尽相同，如美国明尼苏达州的预防性养护路况指标采用现时服务能力等级(PSR)、路表等级(SR)和路面质量指数(PQI)；美国俄亥俄州交通运输部采用表征结构强度的路面服务能力指数(PSI)和反映路面表面损坏状况的路面状况等级(PCR)作为判断预防性养护适应性的指标；加拿大安大略公路局采用PCI作为预防性养护适应性的判断指标，其适应预防性养护的取值范围为65-85。从以上国外的预防性标准来看，其结构强度一般都在优良的阶段，路面损坏状况的评分都在中等以上[5]。

二、我国现行沥青路面预防性养护评价指标的分析

与一般公路相比，高速公路自身有着交通量大、汽车轴载重、行车速度快等特点，使得高速公路路面使用性能的现状和发展变化规律与一般公路有所不同，从而其评价指标也有所不同。《公路沥青路面养护技术规范》对路面使用性能的单项评价指标包括:路面状况指数(PCI)、路面行驶质量指数(RQI)、路面结构强度系数(SSI)、路面抗滑系数(SFC)。而路面综合评价指标是用四个分项指标加权计算得到。分析此种评价方法不难发现：

1、路面状况指数(PCI)包含了路面的全部破损类型。而预防性养护是对路面功能性的修复，其措施的执行是在路面处于良好状态或者仅有轻微病害时进行的，因而路面不可能产生规范中所罗列的全部病害。再者路面状况指数是一个相对综合的指标,反映的是路面发生病害的综合状况,不能有针对性地指导路面养护活动[1]。

2、预防性养护是有别于目前我国采用的矫正性养护，预防性养护是建立在路面结构性能良好的基础之上，对于沥青路面而言，如果路面结构的承载能力达不到要求，说明其需要大修或者重建，根本不可能采用预防性养护。所以路面综合指标的计算不能将路面结构强度系数(SSI)考虑在内。

3、目前常用的单项指标评价方法不能涵盖路面全部病害类型，而综合指标又不能很好地评价。

三、沥青路面预防性养护评价指标的确立

综合目前国内预防性养护路面性能评价指标体系的现状，根据沥青路面早期主要病害和预防性养护的特点，路面结构强度系数(SSI)应该作为制定养护措施的前提条件。即只要路面受到结构性破坏就不适合进行预防性养护，只有在路面结构强度处于良好状态时，实施预防性养护才是有效的。由此本文建立由裂缝率指数(CRI)、道路行驶质量指数(RQI)、车辙深度指数(RDI)、路面抗滑性能指数(SRI)组成的路面综合评价指标(PQI)和单项指标―路面结构强度系数(SSI)共同组成的评价体系，各评价指标之间的关系如图1所示。

1、路面结构强度系数(SSI)

路面结构强度是进行路面养护决策的重要依据，沥青路面在使用过程中，其结构强度随累计轴载作用次数的增加而逐渐衰减，故可以通过路面设计弯沉与实测弯沉的比较计算路面结构强度系数，如(1)式所示：

(1)

式中： ――路面设计弯沉值；

――路面实测弯沉代表值。

众所周知，当路面的结构强度降低到一定程度时，就需要进行大中修补强，以恢复和提高路面的使用性能。而预防性养护正是在路面结构性能良好的情况下进行的用以延长大中修的养护措施，根据预防性养护的概念，应用预防性养护过早或是过晚都起不到相应的作用，也不会使得路面使用性能达到最好。路面结构的承载能力会在使用中逐渐下降，则代表着路面弯沉的不断增加，路面结构强度系数不断减小。国内《公路养护技术规范》对SSI的界定见表1所示。

表1 路面结构强度指数SSI

对于不同的地区、不同的养护部门、运营单位和不同的养护项目，路面结构强度指数的要求也不会相同，但是要进行预防性养护的路面其结构强度指数至少要达到中等水平，即SSI至少应为0.8。

2、裂缝率指数(CRI)

路面裂缝的发展间接地反映了路面破损的趋势，沥青路面的裂缝若得不到及时地修补将对路面的使用寿命和行车舒适性带来重大的影响。对于块状或网状裂缝可以直接测量其面积，按平行于道路中线的外接矩阵面积计算；对于单根裂缝，测量实际长度后取其计算宽度为0.2m再折算成面积[1]。裂缝率的计算公式如(2)式所示：

(2)

式中： ――裂缝率(%)；

――龟裂及块裂的总面积( )；

――单根裂缝的总长度( )；

――路面的总面积( )。

裂缝率指数可以通过裂缝率计算得出，如(3)式所示：

(3)

式中： ――裂缝率(%)；

――标定系数，采用0.099597；

――标定系数，采用0.384。

3、行驶质量指数(RQI)

平整度是路面行驶舒适性、经济性和安全性最普通和最重要的标志，NCHRP(A National Cooperative Highway Research Program)的分析表明，提高路面平整度增加路面寿命可达50%。从而可知采用平整度作为预防性养护评价指标具有重要的现实意义。沥青路面的平整度一般采用行驶质量指数(RQI)为评价指标，行驶质量指数(RQI)可以由国际平整度系数(IRI)计算所得，如(4)式所示：

(4)

式中： ――国际平整度指数，m/km；

――标定系数，采用0.0185；

――标定系数，采用0.437。

4、车辙深度指数(RDI)

许多国家在进行沥青路面设计和制订养护策略时都将车辙作为重要的控制指标，如美国沥青协会路面设计方法中规定了路面允许的车辙深度为13mm 。Shell路面设计方法规定，对于高速公路允许的平均车辙深度为10mm 。英国Nottingham大学的研究将行车道出现深度为10mm 的车辙作为路面临界破坏状态,当车辙深度达到20mm 时，认为路面已完全被破坏。在我国，同济大学曾采用Delphi法对道路工程和汽车工程界部分专家开展咨询，对于高速公路而言，其允许的车辙深度为10～15mm[1]。车辙深度指数可以通过车辙深度按(5)式计算：

(5)

式中： ――车辙深度，mm；

――标定系数，采用0.0957；

――标定系数，采用0.0499。

5、路面抗滑性能指数(SRI)

路面的使用性能首先要保证使用者的安全，尤其是高速公路，路面行车速度快，路面需要具有一定的抗滑能力，才能保证行车的安全。经验表明，当路面的抗滑能力低于某一限度时，可通过经济有效的预防性养护措施来恢复路面的抗滑性能。因此，把路面的抗滑性能作为预防性养护的路况指标是具有一定的现实意义的。对于高速公路沥青路面而言，通常采用横向力系数SFC作为评价指标，路面抗滑性能指数(SRI)可以通过横向力系数(SFC)按(6)式计算：

(6)

式中： ――横向力系数；

――抗滑性能限值，采用25；

――标定系数，采用266；

――标定系数，采用-0.139。

6、路面综合评价指标(PQI)

虽然路面使用性能的单项指标能够直观的反映路面某一方面的路面状况，但是单项指标不能全面的反映路面状况，又由于路面的破坏具有复杂性，各种破坏情况之间还有着一定的联系，因此需要采用路面综合评价指标(PQI)对路面性能进行综合评价。根据预防性养护的基本原理，预防性养护是在路面结构强度未受到破坏时实施的，因此本文把路面结构强度(SSI)作为预防性养护的基本控制指标，而选择由裂缝率指数(CRI)、道路行驶质量指数(RQI)、车辙深度指数(RDI)、路面抗滑性能指数(SRI)等四项单项指标通过设定合理的权重系数组成路面综合评价指标(PQI)，如(7)式所示：

(7)

式中： ， ， ， 分别为CRI、RQI、RDI、SRI所对应的权重，其和值应为1。

通过专家调查法并根据高速公路沥青路面的实际情况，本文采用表2中的权重系数。

表2 高速公路沥青路面性能PQI的权重系数

由于高速公路所处的地理环境及交通量各不相同，其破损类型及预养护的要求也各不相同，在实际应用中应该根据具体道路的实际情况选择合适的权重系数，从而确定沥青路面预防性养护的评价指标。

四、结论

本文根据高速公路沥青路面预防性养护的特点，指出我国技术规范中的综合评价指标对路况进行评定存在的缺陷，并结合相关参考文献建立综合指标的方法，得出采用由裂缝率指数(CRI)、道路行驶质量指数(RQI)、车辙深度指数(RDI)、路面抗滑性能指数(SRI)组成的路面综合评价指标(PQI)和单项指标―路面结构强度系数(SSI)共同组成的评价体系，并通过专家调查法形成各个指标的权重，具有一定的针对性和实用性。

注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开