李保忠

(山东中坚工程质量检测有限公司，山东 济南 250000)

随着我国基建事业的不断推进，高速公路里程数不断突破新高，同时汽车保有量及交通量也在急剧增加，给经济发展带来了机遇的同时也产生了诸多问题，由于交通压力的剧增，高速公路早期病害发生也越来越早，严重影响道路的使用年限，甚至会产生行车安全隐患[1,2]。因此，及早的发现病害并给予重视，采取恰当的养护措施，可以避免早期病害不断发展成为严重病害，极大的节省大中修费用，在经济效益和行车舒适程度提高方面具有着较大效益。

早期病害不能仅靠道路巡查、日常养护发现，不仅效率较低，同时对病害记录不全面。应采用良好的分析手段和预测方法，建立一套完善的道路早期病害发现、分析及养护手段。目前我国针对早期病害的预测有大量的研究，可以采用有效手段来预测病害的发生，但针对预测结果，选用经济有效养护手段的方案较少[4-6]。

1 高速公路技术状况分析方法

我国高速公路性能指标经过多年的研究和大量的分析总结，并通过了全国各地试验数据的论证，具有较强的适用性和针对性，一般选用路面性能综合评价指数PQI来对道路的路用性能进行评判。其中PQI为多个细分指标计算得来，包括路面损坏指标PCI，路面行驶质量指数RQI，车辙深度指数RDI，路面抗滑指数SRI，这些细分指标可以单独用来评价道路的一些典型病害。各项指标的详细分析如下。

(1)PCI反映的是道路的结构性破坏程度，包括路面裂缝、松散剥落、板底脱空等。根据每种病害的损害程度、损伤面积以及分布状况所占的不同权重，综合计算可得出PCI得分，100分为满分，数值越大表明道路结构越好。

(2)RQI反映的是道路的平整度，一般用来形容路面行驶舒适度，数值越大表明道路平整度较好，即行驶舒适性越高。

(3)RDI反映的是路面车辙对行车影响。车辙深度、宽度以及分布情况均作为RDI的评分项，严重的车辙首先会提供水分进入道路内部的渠道，加速道路结构性破坏；车辆在道路上行驶时，车辙会导致车轮受力不均，降低车辆抓地力，严重影响行车安全性。

(4)SRI反映的是路面提供的抗滑性能。这一性能与行车安全息息相关，良好的抗滑性能可以提高车辆与面层的摩擦力、增大汽车抓地力，减小车辆刹车距离等。

2 灰色模型建立

2.1 灰色理论原理

灰色理论自提出以来，极大的推进了各行各业与统计领域的协同发展。灰色理论是指基于现有的部分数据，结合实际情况采取一定的手段预测出未知的部分数据。灰色理论的基本原理在于理论认为在某一组数据之中，必然存在某一种规律，可以解释整组数据。基于已有数据，通过对数据规律的展现，基于此种规律来重新组合搭建模型，预测数据，并得出一组未知数据。因此，称之为灰色关联理论。灰色理论本质上是属于经验分析法的一种，灰色理论对于数据少且数据有一定规律的数据分析具有较高的精确度。灰色理论与常见的回归分析法有所差异。首先，数据之间一定要有某种联系，或明显上升，或明显下降等。借助灰色关联分析法，可以计算出各组数据之间的关联程度，即数据之间联系的紧密程度，通过此种紧密程度的确定来白化未知的数据。

与传统的数学分析方法相比，灰色分析法具有以下其他分析法不具备的特征。最重要的特点也是目前灰色关联分析法所常用的重要原因是对数据要求较低，为了基于现行数据对未知数据进行预测，而当现有数据较少时，其他分析方法并不能进行准确预测分析。而灰关联法对数据量要求较少，因此可以在数据较少的情况下完成整组数据的计算和分析。其次，整体性。灰关联法的分析并不是两个数据之间或某一个数据与其他数据之间进行比较分析得出结果，而是整组数据在一起，基于相互之间的关联度进行排序，得出的是一个整体性的、有系统的结果。再者，非对称性。由于每个数据之间相互关联程度不同，因此相互之间的影响程度也有差异，此种方式与现实情况更加吻合，可以更加客观的表现出实际的情况。最后，在本文的模型选取中。基于现有的测得的少量的数据进行预测，借助预测出的数据来建立模型来推测道路的养护时机。由于道路数据采集年限较短，数据量不足以运用理论分析方法进行预测，这一理论刚好可以应用于道路性能指标预测领域。

2.2 基于灰色理论的预测模型建立

(1)

将新序列用微分方程表示为：

。

(2)

式中的a，b为辨识参数。将式(1)离散化得差分方程：

x(0)(t)+ax(1)(t)=b,t=2,3,…,n

。

(3)

对x(1)(t)作紧邻均值生成序列Z(1)=(z(1)(1),z(1)(2),…,z(1)(n))，其中：

(4)

用Z(t)取代式(2)中的x(1)(t)，即x(0)(t)+az(1)(t)=b，将此称为GM(1，1)的原始矩阵，矩阵表达式为Y=XB，其中：

Y=[x(0)(2),x(0)(3),…,x(0)(n)]T

。

(5)

(6)

B=[ab]T，用最小二乘求得：

B=(XTX)-1(XTY)

。

(7)

将参数a，b带入式(1)并求解，得到：

(8)

再进行累减还原，得到原序列的预测值为：

x(0)*(t+1)=x(1)*(t+1)-x(1)*(t)

。

(9)

3 沥青路面养护决策

3.1 养护方案的确定

养护决策的确定首先需要根据路面性能预测结果对道路进行分级考虑，且不同的路面性能指标对应的养护方案也存在较大差异，同时综合考虑造价、成本以及养护的工作量，最终确定最佳的养护方案。路面使用性能单项指标表现的是路面单一或者某一类型病害的情况，如，结构强度、车辙情况、抗滑系数及行车舒适度等，因此，在选择养护决策时要统筹规划，保证养护质量与养护成本控制。一般应遵循以下原则。

(1)道路养护首要考虑结构强度，结构强度决定道路的使用寿命，结构性问题或者病害通常比较严重，结构问题对行车安全造成较大的隐患。一般根据PCI指标来进行判断，PCI指标为优、良范围内时，日常养护就能满足道路行驶质量和安全性，当指标降低到中及以下时，应及时进行中修罩面以防止PCI指数加速下降；当结构强度不满足强度要求时，应选择大修补强以保证道路承载能力；在道路大中修设计前通常主要考虑旧路面的PCI指数，决定其设计指标和大中修程度。

(2)路面行驶质量决定行车舒适度，在经济快速发展的今天，行驶过程中不再仅对行驶速度提出更高的要求，同时舒适度的指标逐渐在驾驶员的心中提高了权重。在道路养护中，一般结构强度满足要求的情况下，PQI指数为优、良、中以上时，日常养护即可；降低至次以下时可选择罩面微表处等手段来提高道路行驶品质。

(3)抗滑指标决定了行驶安全性，抗滑性能在道路施工结束验收过程中就应该给予较高的关注，行车安全问题不可忽视。同时，在道路日常检测过程中，养护单位对此应加以重视，一般情况下，道路抗滑性能下降一般较慢，但对于建筑集料较差或者行车荷载碾压超预期的道路，抗滑性能的下降将会极快。因此对抗滑系数较低的路面应及时采取措施如加铺抗滑表层、微表处等养护手段保证车辆行驶安全。

3.2 实例分析

基于二广高速近年来路面指标实测数据，根据上述灰色模型进行预测，计算得出未来几年道路水平各指标的下降情况，并绘制指标得分随年份的变化示意图，如图1所示。

图1 二广高速各指标随年份的变化曲线

根据查阅资料与以往经验，基于不同指标的得分提出有效的预防性养护手段，见表1。

由表1可知，近年来二广高速PCI指标下降较快，说明近年来道路结构性破坏严重，在2018年以后就应该进行罩面处理以防止继续对道路结构层的损伤。SRI指标下降缓慢，说明道路磨损程度较低，道路抗滑性能基本没有下降。在各指标的下降趋势与养护时间的交点选取养护节点，尽早提出养护方案，可以有效降低养护成本。

表1 二广高速评价指标与养护时机及养护需求

3.3 养护措施

雾封层、微表处在早期预防性养护中应用较为广泛，对多种早期病害有着显著的改善作用，能够极大地提高道路的使用寿命，减少后期养护成本。

(1)雾封层

雾封层是一种简单有效的预防性养护方案。它采用将普通乳化沥青喷洒在病害道路上表面，通过乳化沥青的蔓延渗透将病害覆盖，以减轻道路病害情况，提高道路行车水平。对道路早期病害如松散、剥落、裂缝等有较好的改善效果。由于喷洒乳化沥青后会降低道路的抗滑性能，研究人员提出将一些抗滑材料撒布在乳化沥青层，以提高道路的抗滑性能，使得雾封层成为近年来利用率最广的预防性养护方案之一。

(2)微表处

微表处与雾封层是非常接近的两种养护方案，区别在于微表处并不采用普通乳化沥青，而是采用粘结力更强，耐久性、抗老化性更改性的乳化沥青，将沥青与具有一定级配的细集料混合拌制成一种流动性较强的混合材料。通过洒布车将混合材料均匀摊铺在需要养护的道路表面，摊铺厚度在4cm以上。除了改善道路裂缝、松散、剥落等早期病害外，对车辙坑槽等也有较好的改善效果，适用于道路结构良好但表面病害严重的道路。相对于雾封层，具有更好的养护效果。不仅养护范围更广可以改善较多严重的病害外，同时因为掺加了一定级配及改性乳化沥青，使得其耐久性更好。极大地提高道路的使用寿命。

4 结 论

(1)详细介绍了道路性能分析方法，分析了灰色理论应用于道路性能预测模型的可行性，在深入理解灰色理论的基础上，建立模型用来预测道路各项使用性能的变化趋势。

(2)分析了道路养护方案与养护决策原则，基于二广高速某段往年各项指标的已有数据，借助灰色关联模型预测其未来各项指标的趋势，对其路用性能进行分析评价，并根据经验及规范，提出有针对性的预防性养护方案。介绍了目前应用最为广泛的养护措施及其适用范围。