0 引言

2008年以来，广东省每年对普通国省干线的路面质量指数(PQI)、路况指数(PCI)、行驶质量指数(RQI)和车辙深度指数(RDI)等路况指标进行检测评定，为路面大、中修等养护措施的制订提供了决策参考。本研究将系统梳理和总结历年公路路况检测数据，对典型路面结构的路况衰变规律进行研究标定，分析研究小修保养、大中修、预防性养护等养护措施的实施效果和路况指标变化，为选择更加科学的养护措施提供借鉴与支撑。

1 路面性能预测与养护技术指标评价方法 1.1 路面使用性能指标预测方法

国外从20世纪50—60年代开始对路面使用性能的预测进行研究，北美于1987年开展了“战略公路研究计划”^[1-2]，路面长期使用性能研究是其中的重要组成部分，取得的研究成果影响最大，为美国新一代的路面设计方法提供了支撑^[3]。英国也对全国范围内400多个试验路段进行了跟踪观测，通过基于大量的观测数据，分析了路面的长期性能，提出了新的路面设计及养护方法^[4]。

综合国内外传统的预测模型，主要有确定型和概率型两类。前者是根据经验或力学模型建立特定数学形式的表达式，可预测路面使用性能参数的单一数值，即满足给定条件时模型给出的预测结果是唯一的，具体表现为力学型、经验型、力学-经验型3种模型^[5-6]。后者主要是预测路面性能的状态分布，表达了路面使用性能变化的不确定性，有剩余寿命曲线模型、马尔可夫模型等，其中马尔可夫预测模型是最为完善的概率型预测模型^[7-8]。各种路面性能预测方法各有优缺点，由于理论本身应用范围的限制或道路历史资料的缺陷，移植性差，局限性强，在实际使用过程中一般通过对特定区域和路面结构进行有针对性的模型标定。

1.2 路面养护技术指标评价方法

路面养护技术指标评价方法分为短期评价和长期评价两种方法，如图 1所示。短期评价针对通过路面大中修、预防性养护等措施，对路面技术指标的提升程度。长期评价针对路面在实施大中修、预防性养护等措施后，在一定使用期限内路面技术指标的变化规律^[9-11]，可预测路面养护工程的使用寿命，为公路养护计划的制订提供决策参考。

目前，路面养护技术指标短期评价通常采用养护工程实施前、后路面的性能指数提升值作为评价值，该方法在养护工程中得到了广泛的应用^[12-13]，计算公式为：

(1)

式中，PJ为路面技术指标短期评价值；PPI₁，PPI₀分别为路面养护工程实施后、实施前的PQI，PCI，RQI，RDI等性能指数。

理论上，PPI₁是养护工程完工时的路面性能指数值，PPI₀是养护工程实施前的路面性能指数值。但在实际路面管理工作中，每年统一检测一次路面技术状况。本研究采用养护工程实施前和完工后对应年度的路面技术指数检测值来计算短期效益，利用广东省普通国省道历年检测数据，总结了常用路面养护工程方案路况指数的变化规律，分析了路面养护工程完工后5 a内路面的PQI，PCI，RQI，RDI的指数变化。

2 典型路面结构衰变规律研究

随着使用时间或累计轴载作用次数的增加，公路的技术状况将不断恶化或产生不同程度的损坏。当损坏发展到一定程度时，就需要采取某种养护或维修措施以恢复或提高其使用性能。为了科学合理地制订公路养护资金分配方案，尽可能地维持公路的技术状况和服务水平处于好的状态，除了掌握路面当前的技术状况外，还需研究分析路面结构的衰变规律。

2.1 典型路面结构确定

本研究根据依托工程，对广东省9条国道和124条省道共计13 567 km的路面结构类型进行统计分析，发现了普通国省道路面结构类型的分布特征，使用比例排名前5位的典型路面结构如表 1所示，排名前3位的路面结构使用比例显著高于其他路面结构。

从表 1中可以看出，最常用的路面结构C4B占总里程的37.17%，超过1/3，排名在前2位的路面结构占总里程的57.73%，超过一半，且均为水泥路面。基层基本采用水泥稳定粒料基层，厚度在15~40 cm之间；在排名前5位的路面结构中，沥青路面仅占13.80%，远远低于水泥路面的57.73%。根据国省道路面结构统计结果，结合检测数据的时间维度和样本的可用性，本研究采用C4B和A1B两种典型路面结构，分别代表水泥路面和沥青路面进行路况的衰减规律研究。

2.2 建模方法

利用统计分析法建模，需要对整个路网按照路面类型、荷载情况和环境条件等因素进行分类，然后分别建立路面性能与相关影响变量之间的回归关系。传统的统计(回归)预测方法在本质上都是寻求建立原始数据的拟合模型，最大限度地提高拟合优度，并据此进行预测分析，拟合优度高并不意味着预测精度就一定高，也不代表未来的预测值就一定可靠。本研究在建立路面使用性能预测模型时采用分析-标定法，将分析与检测数据的标定结合起来。所谓分析，是指有效利用所掌握的理论知识和专家经验，充分发挥主观能动性，通过合适的途径建立理想模型；而标定则是根据路况检测数据，对理想模型的待定参数进行标定、修正和完善的过程。

为克服数据积累的时间序列较短与建立较高精度模型之间的矛盾，本研究采用时间-空间转换方法进行数据分析和统计。这种方法假设同类路面结构在相同的外界因素作用下，其性能衰减规律是一致的，即通过时间-空间的转换，将同一分组中不同路段，在不同使用年限的路面性能数据(空间上的分布)，看作同一路段在不同时期所具有的状态(时间上的变化)，以此来延长路况数据的时间序列。应用表明，基于时空转换数据的预测模型建立方法比较有效，其精度能够满足路面养护分析和决策的要求^[14-16]。

2.3 预测指标与影响因素

预测指标应考虑路面养护管理要求，采用表征综合程度的路况指标。根据现有的积累数据，采用路面PQI指数作为模型的预测指标。

影响路面使用性能的因素众多，归纳起来分为内部因素和外部因素两类。内部因素主要包括路面的结构状况及材料性能，外部因素则主要包括交通荷载、环境条件、施工质量和养护水平等。在进行路面使用性能预测时，通过区段划分考虑环境因素的差异，选取典型路面结构分别建立预测模型，以此考虑路面结构和材料的影响。采用平均日交通量(AADT)分级的方式考虑行车荷载的影响；同时将路面使用年限作为预测模型的影响变量。

2.4 模型结构与标定

由于影响因素的复杂性和路面结构本身的差异性，导致路面使用性能的衰变会出现多种不同的模式。广东省公路管理局和中公高科养护科技股份有限公司通过多年的合作研究，掌握了普通国省道路面在不同自然气候条件、交通量和养护措施等因素影响下的使用性能典型衰变模式和大中修养护周期分布特征。通过路况实际检测数据和大量试算，确定了以二次多项式、三阶段折线分别作为水泥路面和沥青路面的衰减模型结构。

模型标定考虑行车荷载影响，将AADT交通量数据分成了轻、中、重3个等级。AADT值小于3 000 pcu/d为轻交通等级，在3 000~10 000 pcu/d之间为中交通等级，大于10 000 pcu/d为重交通等级。分析时将PQI值最高的年作为起始年, PQI指标连续3 a衰减的路段作为有效数据路段，同时采用时间-空间转换方法进行数据分析和统计。不同路面类型及交通量等级下的路面有效数据统计如表 2所示。

通过分析标定，得到水泥路面的衰减规律如图 2所示。通过相应的数据拟合，水泥路面PQI的模型衰变规律为二次多项式形式，方程的拟合系数R²在不同交通量等级条件下均在0.97以上(见表 3)，拟合度较高。

通过数据分析，沥青路面的衰减规律可采用三折线模型描述，利用最小二乘法进行分段拟合。按照相应的分段标准，最终确定的不同交通量等级下指标变化(图 3)的模型公式如表 4所示。特别指出的是，利用路网定期检测数据建立起来的路面使用性能预测模型，实质上是平均模型，具有时空平均的意义。平均模型能满足宏观管理的需要，但对于特定的路段，可能会与实际情况不吻合。

3 路面养护技术指标短期评价

当路面的技术状况指标下降到一定程度时，需采用合理的养护措施提升其服务水平^[17-18]。本研究选取广东省路面改造常用的4种养护措施进行路面指标的短期评价。4种路面改造措施为白改黑(原水泥路面加铺5 cm及以下沥青混凝土)、白改黑(原水泥路面加铺8~10 cm沥青混凝土)、白改白(原水泥路面破碎后加铺新的水泥混凝土路面)、原沥青路面铣刨加铺沥青面层。每种改造措施对应的路段长度分别为8，59，17，43 km，以1 km为一个路段评价单元。分析计算了路面的PQI，PCI，RQI，RDI养护技术指标(见图 4)，并拟合出路面改造前后技术指数的短期效益，如表 5所示。

从图 4可看出，各养护措施在路面改造实施后路况水平均有大幅提升，路况指数PCI值迅速均提升至95以上；行驶质量指数RQI值基本提升至90以上(白改白为88)。

4 路面养护技术指标长期评价 4.1 白改黑(加铺5 cm及以下沥青面层)

对87 km旧水泥混凝土路面加铺5 cm及以下沥青面层的PCI，RQI，RDI进行了5 a的跟踪调查评价，拟合出各指标与路面使用年限的相关关系，如图 5所示。可以看出，PCI随使用年限的衰减呈折线关系，存在明显的拐点；路面改造完工后，3 a内PCI下降较快，第3年下降至80左右，年均每年衰减幅度为4.5；第4年之后较稳定，每年衰减幅度降至0.08。PCI的变化规律说明路面改造完工后，沥青面层不断出现反射裂缝，3 a后反射裂缝基本稳定，路面的破损率较稳定。同理，RQI和RDI随使用年限的衰减呈直线关系，衰减幅度分别为每年0.28和1.32。

4.2 白改黑(加铺8~10 cm沥青混凝土)

对59 km旧水泥混凝土路面加铺8~10 cm沥青混凝土的PCI，RQI，RDI进行3 a的跟踪调查评价，拟合出各指标与路面使用年限的相关关系，如图 6所示。PCI，RQI，RDI随使用年限的衰减均呈直线关系，每年衰减幅度分别为2.4，0.2，0.5。从PCI的变化可以看出，旧水泥路面加铺8~10 cm沥青混凝土，可有效降低路面反射裂缝的产生，路面使用3 a后，PCI仍能维持在90以上。

4.3 白改白(旧水泥板破碎后加铺新水泥混凝土)

水泥路面养护技术指标长期评价采用PCI和RQI两项指标。对17 km旧水泥混凝土板破碎后加铺新水泥混凝土路面的PCI和RQI进行5 a的跟踪调查评价，拟合出各指标与路面使用年限的相关关系，如图 7所示。PCI和RQI随使用年限的衰减均呈直线关系，每年衰减幅度分别为1.8和0.5。可以看出，水泥混凝土路面建成通车6 a内，每年需约2%左右的路面进行病害处治，路面建成第1年行驶质量指数RQI指标仅为88，需要提高水泥路面的施工工艺。

4.4 原沥青路面铣刨加铺沥青面层

对43 km旧沥青路面铣刨后加铺新沥青面层的PCI，RQI，RDI进行4 a的跟踪调查评价，拟合出各指标与路面使用年限的相关关系，如图 8所示。PCI，RQI，RDI随使用年限的衰减均呈直线关系，每年衰减幅度分别为2.7，0.7，0.5。可以看出，RQI和RDI的衰减幅度较小，可维持在90以上，路面破损变化较明显，路面使用到第4年，PCI值小于90，路面由优等状态发展为良等状态，即沥青路面使用至第4年时是实施预防性养护的最佳时机。

5 结论

针对广东省普通国省道路面质量指数(PQI)、路况指数(PCI)、行驶质量指数(RQI)和车辙深度指数(RDI)等路况指标的变化规律，分析了路面养护指标与使用年限的相关性关系，得出如下结论：

(1) 通过对路况指标的长期检测与研究，水泥路面的衰变规律可用二次多项式描述，沥青路面的衰变规律可用三折线模型描述。

(2) 旧水泥路面加铺5 cm及以下沥青面层可短期提高路面技术指标，但PCI长期效果不好，反射裂缝发展较快，路面使用第4年时，PCI降到85以下，反射裂缝基本稳定。该方案可作为短期内临时提高路面技术指标的养护措施。

(3) 旧水泥混凝土路面加铺8~10 cm沥青面层可有效提高路面技术指标，大大减缓反射裂缝的产生，PCI的衰减幅度略小于原沥青路面铣刨加铺沥青面层养护方案的衰减幅度。该方案的旧水泥路面在75~80之间时，是路面养护投资最少的养护措施。

(4) 对旧水泥路面破碎后加铺新水泥混凝土的养护方案，由于通常采用半幅通车、半幅封闭施工方案，导致RQI较低(样本数据仅为88)，PCI的衰减幅度小于沥青面层的衰减速度。该方案适用于重载交通或公路纵坡较大的路面改造。

(5) 原沥青路面铣刨后加铺新沥青面层属于沥青路面中修措施，PCI在80~85之间时，采用此养护措施可有效提高路面技术指标。PCI为沥青路面正常的衰减幅度，路面使用到第4年，PCI值小于90，路面由优等状态发展为良等状态，是实施预防性养护的最佳时机。