龚 勋
(长沙理工大学，湖南 长沙 410076)
莲易高速路面使用性能评价与预测
龚 勋
(长沙理工大学，湖南 长沙 410076)
通过资料收集和实地调研，详细的介绍了莲易高速公路典型病害及其分布情况，在此基础上，利用回归分析的方法建立路面性能的预测模型，对其进行预测，为水泥混凝土路面在运营期内的预防性养护时机提供依据，具有重要的实践意义。
水泥混凝土路面，使用性能，预测模型
0 引言
水泥混凝土路面在交通运输中扮演着重要的角色，但随着道路使用年数的增加，道路交通量的大幅度提高，道路会出现不同程度的病害，道路的服务水平和质量也逐年下降。为了更好的研究水泥混凝土路面，国内外学者进行了大量的研究。
如赵华等以山西省运煤专线为依托工程，通过ANSYS有限元软件对其双层钢筋混凝土路面结构的应力进行分析，得出配筋率和板厚是影响钢筋混凝土路面应力的两个重要因素[1]。
S.K.wang、黄仰贤、Ebethard等分别使用有限元法计算了不同类型地基上水泥混凝土路面板的挠度和应力，通过对结果的研究分析，得到了考虑接缝传荷能力和板底局部脱空等条件下的计算方法[2-4]。
秦仁杰等以长永高速公路为工程依托，通过调查，详细的介绍了脱空材料所要达到的性能要求，并针对长永高速公路现阶段病害情况给出了合理的灌浆处治方案[5]。
田波将驶进、驶离板弯沉比较法和判断弯沉绝对值法这两种方法相结合，检测板底的脱空状况，同时给出了不同强度地基发生板底脱空时的弯沉值大小[6]。
肖益民通过研究发现行车荷载、环境因素等是引起水泥混凝土路面发生错台病害的重要原因，同时对不同程度的错台病害给出了相应的处治措施[7]。
袁玉卿等为了研究APP油毡的层间工作性能，进行了剪切试验和拉拔试验，同时通过得到的数据建立有限元模型进行研究分析，并将其应用于工程实际，获得了良好的使用性能[8]。
为了更好的研究莲易高速的道路使用情况，通过其基本的道路情况建立的路面使用性能预测模型对其未来几年的路面使用性能进行评价预测，为水泥混凝土道路的养护决策提供依据，具有重要的指导作用。
1 工程概况
莲易(莲花冲—易家湾)高速公路是上海—昆明320国道湘境内的一段，全长48.13 km。通车后先后进行过两次维修改善工程，一期改善工程于2001年进行，并将该K1100+495～K1125+20，K1132路段的混凝土板改为3块板，二期改善工程于2004年进行。
莲易高速公路在大量交通荷载和外部环境的共同作用下，路面性能有很大程度的衰减。虽然莲易高速公路分别在2001年和2004年进行了两次维修改善工程，但是根据相关报告，破碎板和裂缝类是莲易高速公路的主要病害，并且在2011年和2012年，莲易高速公路破碎板类病害数量所占比例分别达到57.97%和95.41%，裂缝类病害数量所占比例分别达到40.51%和96.23%。通过分析发现，莲易高速公路全程分布大量不良地质，在施工过程不当和重载交通作用下，导致莲易高速公路出现大量病害。裂缝类病害：仅K1102，K1106，K1107和K1132的裂缝较少，基本上没有病害。K1100～K1125，K1132的裂缝病害相比剩下路段的裂缝类病害较少。而K1094～K1109，K1126～K1141段路基含有大量高液限土，其前期强度较高，后期吸水膨胀强度降低，路基易出现沉降，所以该段的裂缝类病害最为严重。下行病害数量较上行病害要少。破碎板病害在K1101，K1116，K1117，K1121和K1132五段的数量很少，基本上没有，而K1093～K1100，K1133～K1141和K1101～K1131三段，由于含有大量的红砂岩土质，大量出现破碎板病害。同时发现莲易高速公路一期维修工程更换的3块板比二期维修工程更换的2块板的路面破损情况要好，说明3块板路段要比2块板寿命长。而且为了改善莲易高速公路的使用性能，每年都需要投入大量的人力物力，但是莲易高速公路使用性能却没有明显的改善，每年依旧会出现很多病害，严重影响莲易高速公路路面的使用性能。
2 莲易高速公路路面使用性能预测
2.1 使用性能衰变模式及路段划分
随着道路运营时间的增加，路面将出现使用性能下降等状况。由于环境条件、路面类型、交通状况的差异将会导致路面出现不同形式的衰减。采用回归分析对水泥混凝土路面的性能进行预测。通过对湖南省高速公路的调查分析，结果表明：反s曲线是路面使用性能衰减的主要模型，即：在道路使用初期，采取合理的养护措施，路面使用性能保持在较高的水平之上；在道路使用中期，随着交通荷载的迅猛增加，路面使用性能有较大程度的下降；在道路使用后期，路面使用性能维持在一定程度上，如图1所示。
参照国内外成功经验，选取路面性能衰变方程如下：
式中：PPI——日常养护下各路况指标(包括PCI，RDI，RQI和PSSI)；
PPI0——路面新建或最近一次大中修后某路况指标的数值，一般为100；
t——路龄；
α，β——模型参数。
该性能衰变方程形式比较简单，便于回归，选定路面使用年数作为唯一变量，这样既充分的考虑了交通荷载的作用也较好的考虑了其他因素。路面新建时性能最优，所以，一般情况下，PPI0=100，有时也可能略小于100。
根据病害的调查统计情况，以及历年检测数据，并运用动态聚类得到路段划分，并按公里取整，结果见表1。
表1 莲易高速公路分段及编号表
2.2 路面使用性能预测模型及预测结果
基于历年的路面性能数据，按照指数模型进行回归分析，得到莲易高速公路路段1和路段2的PCI，RQI的使用性能预测模型分别为：
1)路段1。
2)路段2。
基于莲易高速公路路面使用性能预测模型对莲易高速公路路面的PCI，RQI进行预测，结果如表2，表3所示，相应的预测曲线如图2，图3所示。
表2 路段1路面PCI，RQI预测结果
表3 路段2路面PCI，RQI预测结果
基于历年的路面使用性能养护数据，采用回归分析方法，利用指数函数模型对其进行拟合，得到了莲易高速公路水泥混凝土路面PCI，RQI指标的衰减规律。最后，利用指数回归模型对莲易高速公路未来几年路面使用性能进行预测，为养护管理提供科学依据。由水泥路面预测可看出，水泥路面的各项指标呈下降趋势，且衰变速率较大，从表2，表3可以看出，路段2的各项性能预测指标均高于路段1。从图2，图3中可以看出，初期时，莲易高速PCI，RQI衰减的比较慢，经过一段时间的使用后，衰减速率先变快后变慢。同时可以看到，上述预测的路面状况指数主要为差、次等级，说明莲易高速公路破坏严重，不能满足行车要求，所以应对其进行大修养护。
3 结语
在收集和阅读了大量国内外研究成果之后，基于莲易高速公路的基本情况，建立预测模型，得到以下结论：1)现场调研结果表明，莲易高速典型病害主要为裂缝、破碎板、板角断裂。2)根据莲易高速公路历年检测报告建立路面性能使用模型，通过对莲易高速公路PCI，RQI预测结果可以看出，莲易高速公路现有的路面性能已经不能满足大量交通的行车舒适性，应及时进行大修工作，也为后续科学决策和养护资金投入提供了依据。
[1] 赵 华，陈拴发.双层钢筋混凝土路面温度应力有限元分析[J].中外公路，2010，30(6)：69-73.
[2] 黄仰贤.路面分析与设计[M].北京：人民交通出版社，1994：35-47.
[3] Cheung,Y.K.,Zienkiewicz.O.C..Platesand tanks on elastic foundation application of finite element method[J].Iternational Joumal of Solids and Structures，1965,1(4):451-461.
[4] Wang，S.K.，Sargious，M.,Cheung，Y.K..Advanced analysis of rigid Pavements[J].Transportation Engineering Joumal，ASCE，1974,98(2):21-44.
[5] 秦仁杰，张映雪.旧水泥混凝土板脱空处治技术研究[J].公路与汽运，2002(1)：25-27.
[6] 田 波.水泥混凝土路面脱空的检测及对策[J].华东公路，2002，134(2)：58-62.
[7] 肖益民.水泥混凝土错台的原因分析及处治方法[J].工程与建设，2007，21(4)：632-634.
[8] 袁玉卿，高丹盈，王选仓.APP油毡用于旧水泥路面沥青加铺层间防裂[J].武汉理工大学学报，2012，34(4)：48-51.
On performance evaluation and predication of Lianhuachong-Yijiawan Expressway
Gong Xun
(ChangshaUniversityofTechnology,Changsha410076,China)
By the document collection and site investigation,the paper introduces the classical diseases and their distribution along Lianhuachong-Yijiawan Expressway,adopts the return analysis method to establish the predication model of the roadbed performance based on the previous points,and undertakes the predication,so as to provide some reference for the maintenance of the cement concrete roadbed in the operation and it is meaningful for practice.
cement concrete roadbed,performance,forecasting model
1009-6825(2016)29-0158-03
2016-08-09
龚 勋(1981- )，男
U416.2
A
