基于修复度和性能衰变的预防养护时机.docx

    基于修复度和性能衰变的预防养护时机    李巧茹, 王雪娇, 王少航, 杨雨楠(1.河北工业大学土木与交通学院, 天津 300401; 2.天津公路工程设计研究院有限公司, 天津 300171; 3.中国市政工程华北设计研究总院有限公司, 天津 300381)作为一种主动性养护方式,预防养护不仅能延缓结构性大修时间,还能有效节省养护资金,其核心内容是在合适时间采取合适的养护措施全国二级及以上等级公路95%以上的路面是沥青路面,且沥青路面具有行车舒适、施工期短、养护维修简便等优点,因此,以高速公路沥青路面为例进行预防养护时机研究公路养护事业不断发展,沥青路面预防养护技术应用广泛,路面使用性能评价标准已趋于成熟张金喜等[1]分析不同养护模式下的高速公路沥青路面状况指数变化规律;任奕等[2]基于路面性能衰变规律,进行预防养护措施和时机选择;苏卫国等[3]探究出沥青路面使用性能衰变规律是制定预防养护计划的重要内容许多学者针对路面性能衰变规律进行养护时机研究,但目前仍存在路面病害严重程度不明确、技术适用性不强、预防养护时机把握不当等问题,影响预防养护技术对路面功能状况的修复改善效果,起不到延长路面使用寿命的作用。

许多国家已经意识到养护效果对养护时机确定的作用,开始在性能恢复值基础上进行相关研究[4],并指出除重新铺筑路面外,采用任何措施性能值均不会恢复至原始路面水平[5]然而,国内通常在路面性能跃迁值情况、病害严重程度上进行研究张童童[6]提出预防养护后路面性能跃迁值;李山[7]提出养护后路面使用性能提升值的概念;张海[8]重点分析性能提升值、措施使用寿命等指标的选取;曹明明等[9]将沥青路面技术状况衰变特征与养护后评估进行关联;丁梦华等[10]基于严重程度和性能衰变,对独立车辙养护进行优先排序现有研究方法已经不能满足预防养护时机的精确化确定,此外,病害的严重程度只能反映病害当前的严重程度[11],无法反映路面使用性能随养护时间、养护措施等的发展和衰变因此,如何针对养护修复性能,提出一种从路面使用性能、养护修复度2个维度进行预防养护时机确定方法,对精细化预防养护作业十分重要为此,本文基于养护修复度的概念,提出一种从路面使用性能、养护修复度2个维度进行沥青路面预防养护时机确定方法,并结合某高速公路实测数据,进行成本效益分析和环境影响分析,从而为高速公路沥青路面预防养护经济合理化、绿色低碳化提供精确科学的指导。

1 养护修复度定义和评价指标选取1.1 养护修复度定义为从路面使用性能指数(pavement performance index,PPI)、养护修复度2个维度确定沥青路面预防养护最佳时机,提出沥青路面预防养护修复度的概念1)式中:J为沥青路面预防养护修复度;Y为养护后沥青路面使用性能PPI值1.2 养护评价指标1.2.1 修复度指标参考《公路沥青路面养护技术规范》(JTG5142—2019),并结合文献[12],选取路面状况指数(pavement surface condition Index,PCI)、行驶质量指数(riding quality index,RQI)、车辙深度指数(rutting depth index,RDI)和抗滑系数(skidding resistance index,SRI)作为路面使用性能评价指标,沥青路面使用性能修复度评价体系如图1所示图1 预防养护路面性能修复度评价体系Fig.1 Evaluation system of performance repairing degree of preventive maintenance pavement1.2.2 使用性能评价指标路面使用性能指标阈值是确定沥青路面养护时机中常用的指标[13]。

一方面,单项指标以结构力学性能发展到关键性能的点为预防养护界限,具有易操作性,但作为养护阈值,仅对应于单个病害,而忽略其他病害特征,不能准确地反映进行预防养护的最佳时机另一方面,综合指标反映沥青路面结构的整体性能,通过分项指标加权计算得出,能够对各种病害进行综合考虑因此,在确定沥青路面预防养护阈值时,将单项指标和综合指标相结合各评价指标的权重值参考《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)路面使用性能指数PPI计算公式为PPI=ωPCI·PCI+ωRQI·RQI+ωRDI·RDI+ωSRI·SRI(2)式中ωPCI、ωRQI、ωRDI、ωSRI分别为PCI、RQI、RDI、SRI的权重根据《公路沥青路面养护技术规范》(JTG5142—2019),结合使用性能评价指标相关文献[14-15],选择沥青路面预防养护综合指标PPI控制在80以上,各单项指标的范围为:80≤PCI≤100、80≤RQI≤100、70≤RDI≤100、80≤SRI≤100、0.5%

考虑路面修复的短期效果和长期效果,采用多元线性回归分析建立预防养护路面使用性能修复度评价模型,以沥青路面使用性能PPI的修复值Y为因变量,自变量x包括养护措施、养护服役时间和分车道的交通量,则多元线性回归模型为(3)式中:Y为沥青路面使用性能PPI的修复值;xi为影响因素;βi为对应影响因素的偏回归系数;ε为随机误差项为探究养护措施、养护服役时间和分车道交通量3个因素的变化对以上4个评价指标产生的影响,将养护措施、养护措施服役时间和分车道的交通量作为自变量分别进行拟合预防养护措施主要包括AC-13、AC-16、SMA-13、超薄磨耗层、热再生和微表处6种[16];措施服役时间取1、3、5、7、9、11的6个时间点[17];分车道交通等级分为轻交通、中等交通、重交通和特重交通4个等级[18]其中,轻交通为大客车及中型以上的各种货车交通量Q(4)式中:Q为养护措施性能修复度评价矩阵;R为养护服役时间性能修复度评价矩阵;U为分车道交通量性能修复度评价矩阵;q为预防养护措施个数;r为养护服务时间点数;u为分车道交通量等级数;k为使用性能修复度评价指标通过多元线性回归分析,将养护措施、养护服役时间和分车道交通量(自变量)对沥青路面预防养护使用性能修复值(因变量)的影响进行定量分析,研究不同PPI值和不同养护修复度下的效益,从路面使用性能、养护修复度2个维度确定预防养护最佳时机,为选择合适的养护计划方案提供依据。

3 基于养护修复度和性能衰变的预防养护时机决策模型3.1 预防养护计划生成在考虑沥青路面病害养护修复度的情况下,建立预防养护计划矩阵,由m×n个元素组成,即(5)式中:i表示当初始沥青路面使用性能PPI0持续到PPIi的预防养护时间;j表示路面养护修复度,%,用来表征沥青路面预防养护修复度J根据沥青路面病害养护施工水平特点,预防养护的修复度无法达到100%[5],考虑到养护措施、养护服役时间和分车道的交通量3种因素影响,将路面使用性能修复度分为5个等级(20%、40%、60%、80%、95%)进行预防养护计划矩阵分析,如图2所示Ti为执行养护计划pij的时间;TLi为预防养护后PPI降至阈值的时间图2 预防养护计划矩阵Fig.2 Preventive maintenance plan matrix3.2 性能退化曲线分析为预测沥青路面性能退化,本文采用同济大学孙立军提出的标准衰变模型[19](6)式中:PPI0为初始使用性能指数;y为使用年限;α、β为模型的回归参数α为寿命因子,一般取值为 3～15;β为形状因子,一般取值为0.2～2.0图3(a)显示随着β值的增加,曲线从凹形变为反S形,表明路面性能衰变规律先快后慢,然后先慢后快再缓慢的过程;图3(b)表明当α增加时,曲线从凹形变为反S形再逐渐转变为凸形,表征路面性能衰变规律由先快后慢,然后变为先慢后快再缓慢,最后逐渐变为先慢后快的过程。

图3 性能退化曲线参数分析Fig.3 Parameter analysis of performance degradation curve传统的最佳时机决策模型中,性能退化曲线分析是在性能退化速率一个方面进行表征的在本决策模型中,沥青路面预防养护对性能退化曲线的影响主要表现在2个方面:沥青路面使用性能的修复程度和退化速率的减缓,两者均取决于养护时间、措施和成本养护后服务性能的退化速度明显较慢,表现为退化曲线的回归系数增加,预防养护前后使用性能退化曲线如图4所示图4 预防养护使用性能退化曲线Fig.4 Performance degradation curve of preventive maintenance图4中,i为预防养护时间;j为路面养护修复度;PPI′为预防养护后的使用性能;Δij为PPI的修复值;α0、β0和αij、βij为养护前后退化曲线中的回归系数;Aij为沥青路面预防养护的效益面积;TLi为预防养护后PPI′降至阈值的时间修复值Δij与养护成本Cij的相关性[20]为(7)式中:C0为独立于性能养护程度的固定成本;P为沥青路面养护表面积;q为可通过反分析方法得到的成本参数。

3.3 环境-效益、成本效益分析沥青路面预防养护的综合效益分析[21]通常使用“效益面积”方法进行量化,如图4中阴影面积所示,计算式为(8)在“碳达峰、碳中和”理念下,将环境效益分析纳入最佳养护时机的分析方法,降低寿命周期环境影响及费用,对提高养护方案的效益及可持续性具有重要意义效益-环境指标包括效益-能耗和效益-温室气体排放,沥青路面预防养护工程效益-环境指标计算过程如下9)G=∑Mi·gi+∑mi·si+∑Fi·si·Ni·ρ(10)(11)式中:E为沥青路面预防养护所需能耗,MJ;E0为沥青路面预防养护作业所需能耗,MJ;G为温室气体排放量,kg;BER为效益-能耗指标;BGR效益-温室气体排放指标;Ne为使用年限内当量轴载累计作用次数;t为养护作用时间;v为车辆的行驶车速;养护作业时Mi为第i种原材料质量,kg;gi为第i种原材料单位质量温室气体排放量,kg/kg;mi为第i种能源消耗质量,kg;Fi为第i种车辆的油耗值,MJ/L;si为第i种能源单位质量消耗排放温室气体量,kg/kg;Ni为路段在分析期内交通量;ρ为燃油密度,kg/L经济性分析部分采用效益-费用指标进行评价分析,效益-费用指标可表征路面养护寿命周期内所能达到的性价比,效益-费用指标测算为(12)(13)式中:EUACij为当量平均年度预防养护费用;Cij为预防养护成本;d为社会贴现率,一般取值为8%。

养护方案决策综合指标W[21]为W=BER·ω1+BGR·ω2+BCR·ω3(14)式中ω1、ω2、ω3分别为相应的权重值,采用路面养护方案决策中确定的权重值,分别为0.14、0.14、0.72BER、BGR、BCR代表单位养护产生的环境效益和经济效益,较大的值表示较好的预防养护计划,从而确定预防养护的最佳时机因此,BCRij、BERij、BGRij的最大值用于确定最佳预防养护方案,包括最佳时间Ti和相应的养护修复度J预防养护修复度J确定后,根据沥青路面预防养护修复度评价模型,可确定在一定交通负荷下实施的预防养护措施,从而使预防养护措施选择理论依据更加充分3.4 最佳时机的决策过程基于沥青路面养护修复程度,对高速公路沥青路面预防养护进行效益-费用分析、环境影响分析,确定沥青路面预防养护最佳时机,决策方法如图5所示图5 预防养护最佳时机的决策过程Fig.5 Decision-making process o。