路面管理系第4章

1、路面管理系统长沙理工大学公路工程学院道路二室巨锁基tel-mail：第 1 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院第四章 路面使用性能预估o路面在使用过程中，其使用性能会随时间或行车荷载作用次数的增加而逐渐变坏。当损坏达到某一预定标准时，路面就应该或需要采取改建措施以恢复和提高其使用性能。nwhere？（哪一段）nwhen? （时间）nwhat? （措施）o需要预先估计路面在采用新建、设加铺层或其它各种养护和改建对策后，其使用性能随时间或轴载作用次数的变化规律 第 2 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院第四章 路面使用性能预估o本章要学习的内容n路面使用性

2、能模型的概念n路面使用性能模型建模方法和步骤 n各种建模方法的特点和适用条件 第 3 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院第一节 使用性能模型的概念o各级管理系统需要不同的使用性能指标和预估模型n在项目级系统中，使用性能可以用单项的路面损坏(如开裂、车辙等)指标予以定义；或者用行驶质量指数(平整度)、抗滑能力、路面状况指数、路面损坏率等定义。n网级系统中，使用性能不仅用各个项目的状况和趋势表征，而且还用路网的总的状况以及各类型和各等级道路的使用性能水平表征。这时，往往需要采用综合性的指标 第 4 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、使用性能模型的类型o二种基本类型：n确定型p基

3、本反应模型p结构性能模型p功能性能模型p使用寿命模型n概率型p残存曲线模型p马尔可夫（markov）模型p半马尔可夫模型第 5 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、使用性能模型的类型o基本反应模型n预估路面在荷载和气候因素作用下的基本反应，如弯沉、应力和应变等n可通过经验法、力学法或力学经验法，并通过应用野外观测数据进行标定后建模 o结构性能模型n结构性能模型既可以预估路面各种单项损坏，如开裂、车辙等；也可以预估路面的综合损坏状况，如路面状况指数pci等n多采用力学经验法或经验法建模 第 6 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、使用性能模型的类型o功能性能模型n功能性能模型

4、用于预估路面行驶质量指数rqi或现时服务能力指数psi、表面抗滑性等。这些指标同使用者的舒适性、安全性和经济性密切相关n可采用力学经验法或经验法建模 o使用寿命模型n这类模型用于预估路面达到某预定损坏状况或服务水平时的使用寿命。n如选用轴载作用次数指标，则适用于设计路面的养护和改建方案；如选用时间指标，则较多用于路面各种养护和改建方案之间的经济评价n可分别采用力学经验法和经验法建模 第 7 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、使用性能模型的类型o残存曲线模型n残存曲线是路网内已使用若干年(或作用次数)而仍不需重大养护或改建的路面的残存比例随时间的变化曲线n多用于设计路网内路面的养护和

5、改建方案n可以根据公路部门保存的有关路面修建、养护和改建活动的历史记录，确定新建或改建后每年需养护或改建的路面的比例后得到 第 8 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、使用性能模型的类型o马尔可夫模型n核心内容：状态转移矩阵p表示路网内一组具有相同属性(结构、交通等级、使用年龄和环境因素等方面相同)的路面，其使用性能指标在预定时段内从某一状态转移到另一状态的概率 n假设：p路面使用性能指标存在着有限个状态p路面使用性能从某一状态转移到另一状态的概率只与当前的状态有关，而与以前的状态无关p转移过程是静态的，亦即转移概率不随时间变化。在许多情况下，这假设不能成立 第 9 页 共 42 页

6、长沙理工大学 公路工程学院一、使用性能模型的类型o马尔可夫过程描述了在转移之前和之后路面处于各个状态的概率o在上述假设有效的情况下，转移矩阵可以可靠地用以模拟路网内同组路面的总的使用性能 第 10 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、使用性能模型的类型o半马尔可夫模型n除了假设转移过程仅在某一小时段内是静态的之外，在其它方面部和马尔可夫模型相同n由于它承认路面状况及气候和交通的变化都能引起转移过程的改变，因此更吻合实际情况 第 11 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、使用性能模型的类型o各种使用性能模型的建模方法和适用的场合第 12 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程

7、学院二、影响使用性能的因素o影响路面使用性能衰变的因素较多，在建立使用性能预估模型时，要充分考虑这些因素的影响特性或机理n路基路面结构n交通荷载n环境n施工质量n养护水平第 13 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、影响使用性能的因素o路面结构n在相同条件下，采用不同改建措施(如沥青混凝土加铺层、沥青表处等)修建的路面，具有不同的使用性能变化特性 n内因，决定性n项目级使用性能模型p多用于确定项目(路段)的设计方案，需要进行结构分析p常把路面各结构层的模量和厚度选作使用性能的影响变量n网级使用性能模型p并不用于设计项目的结构方案，可采用按材料性能(如柔性和半刚性基层)和厚度(如薄和厚

8、面目)分类的方法，考虑路面结构的影响 第 14 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、影响使用性能的因素o交通和环境因素n交通荷载和环境的共同作用是使路面使用性能衰变的主要肇因。n外因n项目级使用性能模型p大多选用单项损坏指标，以确定合理的改建对策和所需的结构方案p常把标准轴载累计作用次数选作主要的影响变量，并适当考虑环境因素(如温度和湿度等)的作用n网级使用性能模型p多选用综合指标，而这些综合指标不仅包括交通荷载所导致的使用性能衰变的属性，同时也蕴含了环境等非荷载因素促使使用性能变坏的内容p在这种情况下，把交通分为若干等级，并选择时间作为影响变量可较好地反映交通荷载和环境因素共同作用

9、的结果 第 15 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、影响使用性能的因素o施工质量和养护水平n施工质量：p同路面使用性能的衰变密切相关，尤其在路面竣工初期p影响因素多，难以量化p有区域类聚性，因而可按地区分别建立使用性能模型以反映其影响 n养护水平p定期养护，可在不同程度上延缓路面使用性能的衰变。而不同的养护水平会对路面使用性能衰变的延缓作用有不同的影响 p养护水平是养护技术和养护费用等因素的函数第 16 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院第二节 建模方法o一、确定型模型的建模方法n在现有的路面管理系统中，较多采用确定型模型预估路面的基本反应(应力、应变或位移等)、结构性能、

10、功能性能和使用寿命(以累计轴载作用次数或时间计)等 n力学法n力学-经验法n经验(回归)法 第 17 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、确定型模型的建模方法o力学法n利用弹性理论模型(弹性层状体系或弹性地基板)或粘弹性理论模型，通过结构分析得到路面在荷载作用下的应力、应变或位移反应 n路面各结构层的计算参数(模量值)，可采用无破损试验或钻取试样后由室内试验确定。目前较理想的方法是采用fwd进行多点路表弯沉值测定，由计算分析确定各结构层的模量 n有较为成熟的理论基础，但计算复杂，工作量大，并且只能用来建立路面的基本反应(应力、应变或弯沉等)模型 n如要用力学分析的结果预估路面的结构性

11、能和功能性能，则需采集使用性能观测数据，以建立使用性能同路面基本反应的经验（回归）关系 （力学-经验法）第 18 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、确定型模型的建模方法o力学-经验法n首先：力学分析，确定路面各结构层的模量值，计算在设计条件下的临界应力、应变或位移值n其次：建立路面反应(应力或应变等)同使用性能参数衰变速率之间的经验关系 n现有的各种路面结构设计方法，大多采用疲劳开裂、车辙或路表弯沉等指标作为衡量路面结构损坏的标准。通过室内试验和(或)野外观测建立路面反应(应力、应变或位移等)同达到损坏时的标准轴载作用次数的经验关系（例，下页）第 19 页 共 42 页长沙理工大学

12、 公路工程学院一、确定型模型的建模方法o路面结构设计方法中的疲劳方程n美国沥青协会的沥青路面设计方法：p根据室内小梁疲劳试验结果，并按aasho试验验路观测资料进行调整后得到轮迹带开裂量为10以下时沥青混凝土面层的疲劳方程 n利用上述疲劳方程就可以按路面反应的实际级位预估路面的使用寿命，或者预估路面使用性能的衰变速率。然而，所能预估的仅为疲劳开裂这一种结构性能变量 第 20 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、确定型模型的建模方法o力学-经验法n现有的各种路面结构设计方法，大多采用疲劳开裂、车辙或路表弯沉等指标作为衡量路面结构损坏的标准。n通过室内试验和(或)野外观测建立路面反应(应

13、力、应变或位移等)同达到损坏时的标准轴载作用次数的经验关系n只能预估结构性使用性能，无法预估功能性使用性能第 21 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、确定型模型的建模方法o按反应级位预估功能性使用性能的方法n利用aasho试验路的现时服务能力指数(psi)公式 n通过结构分析可以确定路面疲劳开裂量、车辙深度和纵坡方差随时间的变化，由此按式(4-3)预估psi的变坏速率o重新整理aasho试验路资料，对各试验路段进行结构分析，确定相应的应力和应变级位，然后同现时服务能力指数的变化相关联，提出有关的预估方程 （p.uilidtz，丹麦）第 22 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学

14、院一、确定型模型的建模方法第 23 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、确定型模型的建模方法o经验（回归）方法n利用多元回归分析技术建立回归方程，以预估使用性能变量随某些影响变量(如年龄、交通、路面结构等)的变化。避开了力学-经验法复杂的结构分析oaasho试验路psi预估公式n可以预估路面服务能力随荷载作用而下降的速率n应用受到了aasho试验路的特定环境和特定荷载作用条件的限制 ，可予修正（环境、路面老化、日常养护水平）第 24 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、确定型模型的建模方法o经验法：美国空军paver管理系统n采用路面状况指数pci作为使用性能变量。n利用逐

15、步同归分析方法，对分布在全国各地的37个空军基地的道面状况进行分析后，整理得到pci的预估方程 y路面建成或新近一次加铺后的年数；yc路面建成后到新近一次加铺之间的年数；as同路面总厚、路基cbr值、当量单轮的接触面积和接触压力有关的函数；ta沥青面层厚度（如有加铺层、则也包括其厚度）（in）；aa同沥青面层厚度、基层cbr值、当量单轮的接触面积和接触压力有关的函数 100(1.487/0.1430.656/1.23scaapciyayta第 25 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、确定型模型的建模方法o经验法：华盛顿州管理系统n把平整度和路面损坏状况二方面综合成一个评价指标r，作

16、为使用性能变量。n综合13年的观测资料，分别为不同类型的路面和养护或改建对策提出了综合使用性能指标r的预估模型 y年数 第 26 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、确定型模型的建模方法o经验法：我国（广东、北京数据）ny路面建成后或新近一次改建后的年数；n a、b、c、d回归系数 100baypcie()5.0()ddycycebeijingrqieguangdong第 27 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、确定型模型的建模方法o经验法的特点：n得到的只是使用性能变量与其影响变量之间的某种程度的统计拟合，回避了自变量(影响变量)对因变量(使用性能变量)影响的物理性质的

17、机理分析n可靠性不仅取决于有关资料和数据的准确与充分，而且也依赖于建模人员对所选用的使用性能变量与其影响变量之间关系的理解和认识程度n当有些使用性能属性的衰变机理尚不清楚时，采用经验法建模具有明显的优势n这类模型结构简单，易于更新。n若所选用的使用性能参数是较综合的指标，如psi和pci等，适用于网级系统；若选用单项结构性能或功能性能指标，如开裂、车辙和平整度等，则较适用于项目级系统 第 28 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、概率型模型的建模方法o确定型模型的缺点：n影响路面使用性能变化的因素都具有不同程度的变异性，因而使用性能变化的速率是不确定的。显然，确定型模型无法反映使用性

18、能变化速率的这种不确定性，因而并不能保证得到可靠预估。n所以，有必要研究概率型模型的建模方法，以建立能够表达使用性能不确定性变化的概率型模型，供路面管理系统尤其是网级管理系统使用 o概率型模型：n残存曲线模型n马尔可夫模型 （应用较多，较为完善）n半马尔可夫模型 第 29 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、概率型模型的建模方法o马尔可夫过程建模的步骤n选择使用性能变量，定义路况状态p可采用综合指标（如psi、pci等），也可采用开裂、平整度等单项指标 p使用性能变量，按其变化范围划分为若干个离散等级，称作路况状态 n为不同路面类型或各种养护和改建措施分别提出转移概率矩阵p在某时段，

19、处于不同状态的路段的百分率（概率），称为该时段的状态矢量阵。对于使用t年处于i状态的路段，经过一段时间后转变成状态j的概率，称作第t年的转移概率 p路段的转移矩阵 反映了路面使用性能的衰变特性n利用转移概率矩阵预估某时段处于某种路况状态的概率。 n不同的路面具有不同的转移概率，故应将路网划分为具有某种程度共性的子网，为每个子网建立转移概率矩阵tijp()ttijpp第 30 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、概率型模型的建模方法o转移概率矩阵的建立方法n经验判断p根据工程经验，可靠性较差p可逐步修正完善p缺少路况观测数据时可作临时变通方法n统计分析p具备数年路况监测数据 。采用统计

20、分析方法p可靠性主要取决于路况数据监测时期的长短和数据采集的精度 p逻辑简单，易于理解接受，但数据采集工作量大，周期长，费用高 n回归分析 p有限的路况数据 ，不足以采用统计分析建立可靠的转移概率矩阵 第 31 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、概率型模型的建模方法o回归分析方法建立概率模型案例n美国亚利桑那州路面管理系统p使用性能变量：平整度、开裂量p使用性能影响变量：现有平整度、现有开裂量、上一年开裂量的变化、初裂指数n北京市公路沥青路面管理系统p路网按基层类型、面层厚度和交通量等级划分22416个子网 p使用性能变量：路况指数pci、行驶质量指数rqi和结构能力(以路表弯沉和

21、现有交通量共同表征) p使用性能影响变量：路面使用年数。（以反映荷载因素和环境等非荷载因素对路面使用性能的共同影响） 第 32 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、概率型模型的建模方法o马尔可夫概率模型的特点：n能够反映荷载、环境、材料和养护水平等因素的变异性所导致的使用性能变化的不确定性，使预估结果更吻合实际n作为变起点模型，能够依据最近的路段信息，对未来使用性能的变化作出预估，精度得到提高n不仅可以用于预估某一路段的使用性能变化，而且也能对路网的整体性能做出预估n模型能够随路况信息的积累而不断更新；模型的结构能够与网级动态优化方法达成最大程度的协调和统一 第 33 页 共 42

22、页长沙理工大学 公路工程学院第三节 建模技术o一、建模的数据基础n建模所需数据类型包括：p设计和施工数据n路段标识、道路等级、几何参数、路面结构和厚度、所用材料及路基土的性能参数等p养护和改建数据n曾采取过的养护和改建措施的类型、时间和费用等p使用性能监测数据n路面损坏状况、结构承载力、行驶质量和抗滑性能等p交通数据n交通(日交通量、车型组成和交通增长率等)和标准轴载数(轴型、轴重和日轴载作用次数等)。p环境因素n温度、降水量、冻融周期和太阳辐射等数据 第 34 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院一、建模的数据基础o选择试验路段n选择一定数量的试验路段以重点收集和核实与路面使用性能有关

23、的各类数据 ，以提高预估模型的精度n全因子难以实行，部分因子设计较合适第 35 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、建模的一般程序o1.明确模型的用途和预估目标o2.使用性能变量及其影响变量的选用原则n使用性能变量p主要依据整个系统的考虑，同评价和优化二个子系统中所采用的相一致 p网级多用综合性指标；项目级多用单项指标n影响变量p理论分析或实际经验o3.数据收集和预处理n尽可能收集全n数据过滤，去伪存真第 36 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、建模的一般程序o4.选择模型形式和模型结构n确定性模型：p依据理论分析和工程经验，确定模型形式(如指数形式、多项式等)n概率型模

24、型：p要根据路面使用性能的评价系统和公路部门传统的评价习惯，确定路况状态的划分和组成 o5.建立模型及检验n按照各自模型的形式和结构，采用数学方法对模型中的参数进行估计并进行假设检验，最终识别和确认所建立的具体模型 第 37 页 共 42 页长沙理工大学 公路工程学院二、建模的一般程序o6.模型的标定n模型必须经标定后方能使用p所建立的模型大都是通过分析路网长期积累为路况信息得到的，因而这些模型实质是平均模型，具有时空平均意义；而对于某一特定路段而言，其实际情况大多不能和模型相吻合，应根据实际数据对模型进行修正p所建模型只能反映过去的养护水平，而今后的养护水平可能会有所变化，因此应根据养护水平的变化对模型进