路面使用性能預(yù)估課件

路面使用性能預(yù)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(dāng)損壞達(dá)到某一預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時，路面就應(yīng)該或需要采取改建措施以恢復(fù)和提高其使用性能。

WHERE？（哪一段）WHEN?（時間）WHAT?（措施）需要預(yù)先估計路面在采用新建、設(shè)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)律長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院第一節(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(biāo)和預(yù)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(biāo)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(biāo)長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、使用性能模型的類型二種基本類型：確定型基本反應(yīng)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長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、使用性能模型的類型基本反應(yīng)模型預(yù)估路面在荷載和氣候因素作用下的基本反應(yīng)，如彎沉、應(yīng)力和應(yīng)變等可通過經(jīng)驗法、力學(xué)法或力學(xué)—經(jīng)驗法，并通過應(yīng)用野外觀測數(shù)據(jù)進行標(biāo)定后建模結(jié)構(gòu)性能模型結(jié)構(gòu)性能模型既可以預(yù)估路面各種單項損壞，如開裂、車轍等；也可以預(yù)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(xué)—經(jīng)驗法或經(jīng)驗法建模長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、使用性能模型的類型功能性能模型功能性能模型用于預(yù)估路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI或現(xiàn)時服務(wù)能力指數(shù)PSI、表面抗滑性等。這些指標(biāo)同使用者的舒適性、安全性和經(jīng)濟性密切相關(guān)可采用力學(xué)—經(jīng)驗法或經(jīng)驗法建模使用壽命模型這類模型用于預(yù)估路面達(dá)到某預(yù)定損壞狀況或服務(wù)水平時的使用壽命。如選用軸載作用次數(shù)指標(biāo)，則適用于設(shè)計路面的養(yǎng)護和改建方案；如選用時間指標(biāo)，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(xué)—經(jīng)驗法和經(jīng)驗法建模長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、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(shè)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(guān)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長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、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(biāo)在預(yù)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(shè)：路面使用性能指標(biāo)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(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)，而與以前的狀態(tài)無關(guān)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(shè)不能成立長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、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(shè)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長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、使用性能模型的類型半馬爾可夫模型除了假設(shè)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(rèn)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長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、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長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、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(yù)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)護水平長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、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(shè)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(shè)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)的影響長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、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(biāo)，以確定合理的改建對策和所需的結(jié)構(gòu)方案常把標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)選作主要的影響變量，并適當(dāng)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(biāo)，而這些綜合指標(biāo)不僅包括交通荷載所導(dǎo)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)果長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、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(guān)，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)長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院第二節(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(yù)估路面的基本反應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)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(xué)法力學(xué)-經(jīng)驗法經(jīng)驗(回歸)法長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法力學(xué)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(yīng)力、應(yīng)變或位移反應(yīng)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(chǔ)，但計算復(fù)雜，工作量大，并且只能用來建立路面的基本反應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變或彎沉等)模型如要用力學(xué)分析的結(jié)果預(yù)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(yīng)的經(jīng)驗（回歸）關(guān)系（力學(xué)-經(jīng)驗法）長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法力學(xué)-經(jīng)驗法首先：力學(xué)分析，確定路面各結(jié)構(gòu)層的模量值，計算在設(shè)計條件下的臨界應(yīng)力、應(yīng)變或位移值其次：建立路面反應(yīng)(應(yīng)力或應(yīng)變等)同使用性能參數(shù)衰變速率之間的經(jīng)驗關(guān)系現(xiàn)有的各種路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，大多采用疲勞開裂、車轍或路表彎沉等指標(biāo)作為衡量路面結(jié)構(gòu)損壞的標(biāo)準(zhǔn)。通過室內(nèi)試驗和(或)野外觀測建立路面反應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變或位移等)同達(dá)到損壞時的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系（例，下頁）長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中的疲勞方程美國瀝青協(xié)會的瀝青路面設(shè)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(yīng)的實際級位預(yù)估路面的使用壽命，或者預(yù)估路面使用性能的衰變速率。然而，所能預(yù)估的僅為疲勞開裂這一種結(jié)構(gòu)性能變量長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法力學(xué)-經(jīng)驗法現(xiàn)有的各種路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，大多采用疲勞開裂、車轍或路表彎沉等指標(biāo)作為衡量路面結(jié)構(gòu)損壞的標(biāo)準(zhǔn)。通過室內(nèi)試驗和(或)野外觀測建立路面反應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變或位移等)同達(dá)到損壞時的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系只能預(yù)估結(jié)構(gòu)性使用性能，無法預(yù)估功能性使用性能長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法按反應(yīng)級位預(yù)估功能性使用性能的方法利用AASHO試驗路的現(xiàn)時服務(wù)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(yù)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(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變級位，然后同現(xiàn)時服務(wù)能力指數(shù)的變化相關(guān)聯(lián)，提出有關(guān)的預(yù)估方程（P.Uilidtz，丹麥）長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、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(yù)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(xué)-經(jīng)驗法復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析AASHO試驗路—PSI預(yù)估公式可以預(yù)估路面服務(wù)能力隨荷載作用而下降的速率應(yīng)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）長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、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(yù)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(dāng)量單輪的接觸面積和接觸壓力有關(guān)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(dāng)量單輪的接觸面積和接觸壓力有關(guān)的函數(shù)長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、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(biāo)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(biāo)R的預(yù)估模型

y—年數(shù)長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、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)長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、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(guān)資料和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(guān)系的理解和認(rèn)識程度當(dāng)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(biāo)，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(biāo)，如開裂、車轍和平整度等，則較適用于項目級系統(tǒng)長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、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(yù)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(dá)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(yīng)用較多，較為完善）半馬爾可夫模型長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、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(biāo)（如PSI、PCI等），也可采用開裂、平整度等單項指標(biāo)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(yù)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(yīng)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)移概率矩陣長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、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)移概率矩陣長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、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）長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、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(dǎo)致的使用性能變化的不確定性，使預(yù)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(yù)估，精度得到提高不僅可以用于預(yù)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(yù)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(dá)成最大程度的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院第三節(jié)建模技術(shù)一、建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建模所需數(shù)據(jù)類型包括：設(shè)計和施工數(shù)據(jù)路段標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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)長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)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(guān)的各類數(shù)據(jù)，以提高預(yù)估模型的精度全因子難以實行，部分因子設(shè)計較合適長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、建模的一般程序1.明確模型的用途和預(yù)估目標(biāo)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(biāo)；項目級多用單項指標(biāo)影響變量理論分析或?qū)嶋H經(jīng)驗3.數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理盡可能收集全數(shù)據(jù)過濾，去偽存真長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、建模的一般程序4.選擇模型形式和模型結(jié)構(gòu)確定性模型：依據(jù)理論分析和工程經(jīng)驗，確定模型形式(如指數(shù)形式、多項式等)概率型模型：要根據(jù)路面使用性能的評價系統(tǒng)和公路部門傳統(tǒng)的評價習(xí)慣，確定路況狀態(tài)的劃分和組成5.建立模型及檢驗按照各自模型的形式和結(jié)構(gòu)，采用數(shù)學(xué)方法對模型中的參數(shù)進行估計并進行假設(shè)檢驗，最終識別和確認(rèn)所建立的具體模型長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、建模的一般程序6.模型的標(biāo)定模型必須經(jīng)標(biāo)定后方能使用所建立的模型大都是通過分析路網(wǎng)長期積累為路況信息得到的，因而這些模型實質(zhì)是平均模型，具有時空平均意義；而對于某一特定路段而言，其實際情況大多不能和模型相吻合，應(yīng)根據(jù)實際數(shù)據(jù)對模型進行修正所建模型只能反映過去的養(yǎng)護水平，而今后的養(yǎng)護水平可能會有所變化，因此．應(yīng)根據(jù)養(yǎng)護水平的變化對模型進行修正路面在采