1 引言??
路面使用性能有功能性能和結(jié)構(gòu)性能之分，而功能性能又包含行駛質(zhì)量和安全性兩方面的內(nèi)容。本文主要研究路面行駛質(zhì)量及其發(fā)展變化規(guī)律。?
路面使用性能的預(yù)測(cè)是路面設(shè)計(jì)、路面管理、路面養(yǎng)護(hù)以及行車費(fèi)用評(píng)估等工作的前提和基礎(chǔ)。與路面設(shè)計(jì)方法相比，國內(nèi)外對(duì)于路面使用性能的研究顯得相對(duì)薄弱，對(duì)行駛質(zhì)量的研究更是少之又少。目前，隨著路面管理系統(tǒng)的推廣與普及，許多國家和地區(qū)依據(jù)各自的需要和不同的客觀條件，建立了不同形式的預(yù)測(cè)模型。這些模型可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)整個(gè)路網(wǎng)中路面性能變化規(guī)律，但就特定路段而言，不能分析路面結(jié)構(gòu)組合對(duì)路面使用性能的影響。?
在路面使用性能衰變方程?［1］的基礎(chǔ)上，本文以面層厚度、基層類型、交通量和路表初始彎沉等作為影響變量，借助北京地區(qū)的路況數(shù)據(jù)，利用分析標(biāo)定(Analyzing
Calibrating)法，建立了行駛質(zhì)量衰變方程。具體過程如下：?
(1)影響變量的確定；?
(2)模型形式的選取；?
(3)模型參數(shù)的標(biāo)定；?
(4)結(jié)構(gòu)因素的影響。
2 研究變量的確定
2.1 研究的目標(biāo)和范圍?
本文研究的主要目的在于探討隨著使用年限的增長、荷載和自然因素的重復(fù)作用，路面行駛質(zhì)量的變化規(guī)律，模型主要用于行駛質(zhì)量趨勢(shì)的定量預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，定量分析路面結(jié)構(gòu)對(duì)行駛質(zhì)量的不同影響。?
在研究過程中，本文采用了以空間代時(shí)間法，即簡(jiǎn)單認(rèn)為不同時(shí)期修建的，相同結(jié)構(gòu)的路面具有相同的行駛質(zhì)量衰變過程。?
2.2 模型指標(biāo)的選取
衡量路面功能性能的指標(biāo)主要有兩個(gè)：國際平整度指數(shù)(IRI)和路面行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)。LRI是利用平整度儀測(cè)量到的路面物理指標(biāo)(平整度)，而RQI是人們對(duì)路面功能狀況的主觀評(píng)分。人們對(duì)RQI研究相對(duì)較多，對(duì)其發(fā)展規(guī)律也較為了解。因此，為了便于與以往的研究成果相銜接，本文選用RQI作為衡量路面功能性能狀況的指標(biāo)。?
路面平整度是影響行駛質(zhì)量的最主要的因素，在計(jì)算RQI時(shí)，本文僅僅考慮了國際平整度指數(shù)(IRI)。北京地區(qū)的數(shù)據(jù)庫僅僅提供了IRI的數(shù)值，參照以前研究成果，并與目前流行的評(píng)價(jià)方法統(tǒng)一，文中采用以下方程將客觀量測(cè)的IRI值轉(zhuǎn)化為RQI值。?
RQI=5-0.34*IRI
2.3 影響因素分析
2.3.1 面層厚度
面層直接同車輪和大氣相接觸，它承受行車荷載(豎直力、水平力和沖擊力)的直接作用，同時(shí)還受到降雨的侵蝕和氣溫變化的不利影響，對(duì)路面的使用品質(zhì)有較大影響，分析表明：面層厚度對(duì)路面行駛質(zhì)量有較大影響，而不同面層類型間的差別并不顯著。因此，本文僅考慮面層厚度的影響。為了分析面層的影響，根據(jù)面層厚度將其分為：0、3.3、5.5、8.8、12及＞12(cm)五類。?
2.3.2 基層類型
基層主要承受由面層傳遞下來的車輛豎向荷載，并把它擴(kuò)散到墊層或土基中，具有足夠強(qiáng)度和剛度的基層是高水平行駛質(zhì)量的必要保證。簡(jiǎn)單地說基層有兩大類：半剛性基層和碎礫石基層。兩種類型基層的作用機(jī)理存在著本質(zhì)上的差異，而同一類基層不同材料間性能相似。因此，根據(jù)路面的基層類型將路面分為半剛性和碎礫石兩類。?
2.3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是路面具有良好行駛質(zhì)量的必要保證，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠的路面可以有效地抵抗多種因素的不良影響，進(jìn)而延緩行駛質(zhì)量的衰變進(jìn)程；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足時(shí)，路面結(jié)構(gòu)的抵抗能力降低，荷載和溫度等因素綜合作用產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)路面使用性能影響加劇，RQI衰變速率加快。?
通常，以路面的初始彎沉來衡量結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小，根據(jù)路面初始彎沉值的大小，將路面強(qiáng)度劃分為：0～30，30～45，45～60，60～90，＞90(0.01mm，標(biāo)-60)五類。?
2.3.4 交通荷載?
交通荷載是影響路面使用性能的外在決定因素，在交通荷載的重復(fù)作用下，路面的總體結(jié)構(gòu)性能減弱。路面上行駛的車輛車型繁多，各車到達(dá)時(shí)間不一，為方便起見，僅考慮交通量大小的影響，對(duì)作用時(shí)間上的差異造成的不同影響不作考慮。
北京地區(qū)的數(shù)據(jù)庫中將貨車、客車、人力畜車、拖拉機(jī)等車型分別登錄，給出了整條道路年平均日標(biāo)準(zhǔn)軸次(60KN)。考慮輪跡橫向分布系數(shù)等因素的影響，利用表1 中參數(shù)將交通量轉(zhuǎn)化為各條車道上的分布交通量。?
根據(jù)設(shè)計(jì)車道交通量差異可以將交通劃分為四個(gè)等級(jí)：特輕(≤500)、輕(500～1000)中等(1000～2000)和重(≥2000)(以標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)計(jì)，次/日/車道)。
車輛輪跡橫向分布系數(shù) 表1
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路面寬度(m) |
交通量(次/日/車道) |
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≤6 |
0.40*ESAL |
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6～7 |
0.30*ESAL |
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7～9 |
0.25*ESAL |
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9～12 |
0.225*ESAL |
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12～18 |
0.275*ESAL/2 |
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≥18 |
0.225*ESAL/2 |
3 模型形式的選擇
吸收國內(nèi)外先進(jìn)的建模經(jīng)驗(yàn)，分析我國路面行駛質(zhì)量發(fā)展變化的實(shí)際模式，在選用了標(biāo)準(zhǔn)化方程的基礎(chǔ)上，確定路面行駛質(zhì)量的預(yù)測(cè)方程如下：?
參數(shù)A，B分別反映了路面的壽命和路面變化的過程(性能曲線的形狀)，根據(jù)所選取指標(biāo)對(duì)行駛質(zhì)量發(fā)展的不同影響，將參數(shù)A，B規(guī)定為：?
式中：RQI—— 現(xiàn)時(shí)路面行駛質(zhì)量指數(shù)(Riding
Quality Index)；
RQI0——新建或新近一次改建后的初始行駛質(zhì)量指數(shù)；?
Y——新建路面或路面新近一次改建距今的使用年數(shù)；
? ESAL——日當(dāng)量軸載作用次數(shù)(次/日/車道)；?
MC——面層厚度(cm)；?
L——初始彎沉。?
A，B，a1，a2，a3，a4，b1，b2，b3，b4為回歸常數(shù)。?
RQI評(píng)分采取5分制，即最大值為5，最小值為0。一般情況下，方程中的RQI?0為5，有時(shí)略小于5，表明在使用初期路面行駛質(zhì)量狀況；A，B是兩個(gè)回歸參數(shù)，具有明確的物理含義。?
4 模型參數(shù)的標(biāo)定
綜合各個(gè)影響因素的交叉組合，共得到200類路面狀態(tài)組合。同時(shí)，考慮到半剛性基層與碎礫石基層作用機(jī)理的差異，將數(shù)據(jù)分為兩大類，每一類均含有100組有效分析數(shù)據(jù)。在分析過程中，為保證統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的代表性，對(duì)數(shù)據(jù)量小于5或數(shù)據(jù)離散性較大的組合均不予考慮。利用TSP統(tǒng)計(jì)分析軟件，經(jīng)過多次合理回歸，最終得到參數(shù)A、B的各個(gè)影響系數(shù)見表2。
A、B中各回歸參數(shù)值 表2?
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半剛性基層 |
碎礫石箕層 |
||||||||||||||
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A |
B |
A |
B |
||||||||||||
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a1 |
a2 |
a3 |
a4 |
b1 |
b2 |
b3 |
b4 |
a1 |
a2 |
a3 |
a4 |
b1 |
b2 |
b3 |
b4 |
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30. |
0.2 |
- |
- |
0.5 |
0.1 |
- |
-0.0 |
22. |
0.2 |
- |
-0.0 |
0.3 |
0.2 |
-0.1 |
- |
5 結(jié)構(gòu)組合的影響??
長期以來，道路研究和設(shè)計(jì)人員一直試圖通過控制路面的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)而掌握使用性能的衰變規(guī)律，但有關(guān)的力學(xué)理論同路面的實(shí)際情況存在著較大差異，力學(xué)分析與使用性能間的關(guān)系是間接的，不確定的，純粹的理論模式難以提供良好的分析工具，分析可知，參數(shù)(A、B)與路面行駛質(zhì)量的變化過程是一一對(duì)應(yīng)的，這就使人們對(duì)于行駛質(zhì)量發(fā)展的定量認(rèn)識(shí)成為可能。借助模型，我們可以對(duì)各種影響因素的不同作用進(jìn)行具體分析。?
5.1 基層類型的影響
在其它條件相同或相似的情況下，半剛性基層的于薄面層路面，體RQI值總是略高于碎礫石，但兩種路面的差距不大，對(duì)現(xiàn)得尤為突出，采用相同初始彎沉，兩者使用壽命差距約為1.7%。即使考慮到半剛性基層具有較強(qiáng)的抗變形能力(文中半剛性基層采用30，碎礫石基層采用45)，兩者的差距也僅為11%。但隨著面層厚度的增加，二者差距加大，尤其在路面使用后期更為明顯。半剛性基層由于摻加了水硬性材料，剛度和強(qiáng)度提高，改善了基層材料的無粘結(jié)性，提高了基層的水穩(wěn)定性，可以提供較高的承載能力，良好的抗疲勞性能，路面結(jié)構(gòu)在使用期間保持良好的整體性。因此，半剛性基層具有較高的行駛質(zhì)量就不以為奇了，并且歷時(shí)愈久愈能顯示出承受繁重交通的能力。
5.2 面層厚度的影響
隨著面層厚度的增加，參數(shù)A、 B均呈增強(qiáng)趨勢(shì)，無論對(duì)于半剛性基層還是碎礫石基層，面層厚度對(duì)RQI的衰變過程都有較大影響，面層厚度較小，參數(shù)A、B值較小，曲線衰變曲率較大，道路的早期損壞嚴(yán)重，RQI衰變速率也較大；隨著面層厚度的增大，參數(shù)A、B值較大，衰變曲線曲率變小，RQI衰變速率變緩，路面可以在較長時(shí)期內(nèi)保持較高的服務(wù)水平；薄面層(面層厚度為4cm)與厚面層(面層厚度為12cm)的使用壽命差距達(dá)30%。薄面層板體性能差，路面的早期損壞嚴(yán)重，面層厚度的增加改善了路面的板體性能，提高了路面抗變形能力，減小了傳遞到下面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力；一定厚度的面層還是基層和土基正常工作的必要保證。總的來說，面層厚度的增加延緩早期損壞的發(fā)生和發(fā)展，進(jìn)而有效地延長了道路的使用壽命。?????????
5.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響
結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀況對(duì)半剛性基層的路面影響較大，薄面層(面層厚度為4cm)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀況良好(L=30)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差(L=75)的路面使用壽命差距為24%。面層厚度的增大使其影響更為顯著。同時(shí)，隨著初始彎沉L的增大，兩種基層類型路面間性能差異減小(對(duì)于面層厚度較大的路面結(jié)構(gòu)，這種趨勢(shì)更為明顯)，參數(shù)B值甚至?xí)霈F(xiàn)碎礫石基層大于半剛性基層的情況。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增加，提高了路面應(yīng)力和變形性能，相同環(huán)境條件下，相同荷載所引起的破壞作用降低，路面能承受更大的累計(jì)軸載作用次數(shù)。???????????
5.4 結(jié)構(gòu)組合的影響?
根據(jù)行駛質(zhì)量模型，進(jìn)一步分析不同結(jié)構(gòu)組合對(duì)行駛質(zhì)量的影響。不同結(jié)構(gòu)組合路面性能表現(xiàn)為不同發(fā)展趨勢(shì)，面層厚、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的路面行駛質(zhì)量變化較為緩慢，薄面層低強(qiáng)度的路面行駛質(zhì)量衰變速率較快；比較厚面層低強(qiáng)度和薄面層高強(qiáng)度路面可以發(fā)現(xiàn)：厚面層路面的早期性能較好而薄面層高強(qiáng)度路面的后期性能較好。表明有這樣一條規(guī)律存在：面層厚度對(duì)早期行駛質(zhì)量影響較大，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定了使用后期行駛質(zhì)量的發(fā)展?fàn)顩r。?
5.5 功能曲線
根據(jù)方程進(jìn)一步分析可以得到累計(jì)軸載作用次數(shù)(ESAL)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(L)和行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)的關(guān)系曲線圖。????????????
6 結(jié)論??
(1)將行駛質(zhì)量的衰變過程與簡(jiǎn)單參數(shù)A、B聯(lián)系起來，使人們對(duì)路面行駛質(zhì)量的動(dòng)態(tài)定量預(yù)測(cè)成為可能，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)路面行駛質(zhì)量發(fā)展趨勢(shì)提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。?
(2)面層厚度對(duì)路面使用前期的行駛質(zhì)量有較大影響；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)路面使用后期的行駛質(zhì)量影響較大。?
(3)在行駛質(zhì)量的衰減過程中，結(jié)構(gòu)組合起著重要影響，不同的影響因素其作用又不盡相同，按其影響程度的差異可有以下排序：面層厚度＞初始彎沉＞基層類型。?
