路面管理系統(tǒng)第4章課件

路面管理系統(tǒng)巨鎖基Tel：E-mail：第四章路面使用性能預(yù)估路面在使用過(guò)程中，其使用性能會(huì)隨時(shí)間或行車(chē)荷載作用次數(shù)的增加而逐漸變壞。當(dāng)損壞達(dá)到某一預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，路面就應(yīng)該或需要采取改建措施以恢復(fù)和提高其使用性能。WHERE？（哪一段）WHEN?（時(shí)間）WHAT?（措施）需要預(yù)先估計(jì)路面在采用新建、設(shè)加鋪層或其它各種養(yǎng)護(hù)和改建對(duì)策后，其使用性能隨時(shí)間或軸載作用次數(shù)的變化規(guī)律長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院第四章路面使用性能預(yù)估本章要學(xué)習(xí)的內(nèi)容路面使用性能模型的概念路面使用性能模型建模方法和步驟各種建模方法的特點(diǎn)和適用條件長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、使用性能模型的類(lèi)型二種基本類(lèi)型：確定型基本反應(yīng)模型結(jié)構(gòu)性能模型功能性能模型使用壽命模型概率型殘存曲線(xiàn)模型馬爾可夫（Markov）模型半馬爾可夫模型長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、使用性能模型的類(lèi)型基本反應(yīng)模型預(yù)估路面在荷載和氣候因素作用下的基本反應(yīng)，如彎沉、應(yīng)力和應(yīng)變等可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法、力學(xué)法或力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法，并通過(guò)應(yīng)用野外觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定后建模結(jié)構(gòu)性能模型結(jié)構(gòu)性能模型既可以預(yù)估路面各種單項(xiàng)損壞，如開(kāi)裂、車(chē)轍等；也可以預(yù)估路面的綜合損壞狀況，如路面狀況指數(shù)PCI等多采用力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法或經(jīng)驗(yàn)法建模長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、使用性能模型的類(lèi)型功能性能模型功能性能模型用于預(yù)估路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI或現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)PSI、表面抗滑性等。這些指標(biāo)同使用者的舒適性、安全性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)可采用力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法或經(jīng)驗(yàn)法建模使用壽命模型這類(lèi)模型用于預(yù)估路面達(dá)到某預(yù)定損壞狀況或服務(wù)水平時(shí)的使用壽命。如選用軸載作用次數(shù)指標(biāo)，則適用于設(shè)計(jì)路面的養(yǎng)護(hù)和改建方案；如選用時(shí)間指標(biāo)，則較多用于路面各種養(yǎng)護(hù)和改建方案之間的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)可分別采用力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法和經(jīng)驗(yàn)法建模長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、使用性能模型的類(lèi)型馬爾可夫模型核心內(nèi)容：狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表示路網(wǎng)內(nèi)一組具有相同屬性(結(jié)構(gòu)、交通等級(jí)、使用年齡和環(huán)境因素等方面相同)的路面，其使用性能指標(biāo)在預(yù)定時(shí)段內(nèi)從某一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)的概率假設(shè)：路面使用性能指標(biāo)存在著有限個(gè)狀態(tài)路面使用性能從某一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)的概率只與當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)，而與以前的狀態(tài)無(wú)關(guān)轉(zhuǎn)移過(guò)程是靜態(tài)的，亦即轉(zhuǎn)移概率不隨時(shí)間變化。在許多情況下，這—假設(shè)不能成立長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、使用性能模型的類(lèi)型馬爾可夫過(guò)程描述了在轉(zhuǎn)移之前和之后路面處于各個(gè)狀態(tài)的概率在上述假設(shè)有效的情況下，轉(zhuǎn)移矩陣可以可靠地用以模擬路網(wǎng)內(nèi)同組路面的總的使用性能長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、使用性能模型的類(lèi)型半馬爾可夫模型除了假設(shè)轉(zhuǎn)移過(guò)程僅在某一小時(shí)段內(nèi)是靜態(tài)的之外，在其它方面部和馬爾可夫模型相同由于它承認(rèn)路面狀況及氣候和交通的變化都能引起轉(zhuǎn)移過(guò)程的改變，因此更吻合實(shí)際情況長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、影響使用性能的因素影響路面使用性能衰變的因素較多，在建立使用性能預(yù)估模型時(shí)，要充分考慮這些因素的影響特性或機(jī)理路基路面結(jié)構(gòu)交通荷載環(huán)境施工質(zhì)量養(yǎng)護(hù)水平長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、影響使用性能的因素路面結(jié)構(gòu)在相同條件下，采用不同改建措施(如瀝青混凝土加鋪層、瀝青表處等)修建的路面，具有不同的使用性能變化特性?xún)?nèi)因，決定性項(xiàng)目級(jí)使用性能模型多用于確定項(xiàng)目(路段)的設(shè)計(jì)方案，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析常把路面各結(jié)構(gòu)層的模量和厚度選作使用性能的影響變量網(wǎng)級(jí)使用性能模型并不用于設(shè)計(jì)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)方案，可采用按材料性能(如柔性和半剛性基層)和厚度(如薄和厚面目)分類(lèi)的方法，考慮路面結(jié)構(gòu)的影響長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、影響使用性能的因素交通和環(huán)境因素交通荷載和環(huán)境的共同作用是使路面使用性能衰變的主要肇因。外因項(xiàng)目級(jí)使用性能模型大多選用單項(xiàng)損壞指標(biāo)，以確定合理的改建對(duì)策和所需的結(jié)構(gòu)方案常把標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)選作主要的影響變量，并適當(dāng)考慮環(huán)境因素(如溫度和濕度等)的作用網(wǎng)級(jí)使用性能模型多選用綜合指標(biāo)，而這些綜合指標(biāo)不僅包括交通荷載所導(dǎo)致的使用性能衰變的屬性，同時(shí)也蘊(yùn)含了環(huán)境等非荷載因素促使使用性能變壞的內(nèi)容在這種情況下，把交通分為若干等級(jí)，并選擇時(shí)間作為影響變量．可較好地反映交通荷載和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院第二節(jié)建模方法一、確定型模型的建模方法在現(xiàn)有的路面管理系統(tǒng)中，較多采用確定型模型預(yù)估路面的基本反應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變或位移等)、結(jié)構(gòu)性能、功能性能和使用壽命(以累計(jì)軸載作用次數(shù)或時(shí)間計(jì))等力學(xué)法力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)(回歸)法長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法力學(xué)法利用彈性理論模型(彈性層狀體系或彈性地基板)或粘—彈性理論模型，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析得到路面在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變或位移反應(yīng)路面各結(jié)構(gòu)層的計(jì)算參數(shù)(模量值)，可采用無(wú)破損試驗(yàn)或鉆取試樣后由室內(nèi)試驗(yàn)確定。目前較理想的方法是采用FWD進(jìn)行多點(diǎn)路表彎沉值測(cè)定，由計(jì)算分析確定各結(jié)構(gòu)層的模量有較為成熟的理論基礎(chǔ)，但計(jì)算復(fù)雜，工作量大，并且只能用來(lái)建立路面的基本反應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變或彎沉等)模型如要用力學(xué)分析的結(jié)果預(yù)估路面的結(jié)構(gòu)性能和功能性能，則需采集使用性能觀測(cè)數(shù)據(jù)，以建立使用性能同路面基本反應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)（回歸）關(guān)系（力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法）長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法首先：力學(xué)分析，確定路面各結(jié)構(gòu)層的模量值，計(jì)算在設(shè)計(jì)條件下的臨界應(yīng)力、應(yīng)變或位移值其次：建立路面反應(yīng)(應(yīng)力或應(yīng)變等)同使用性能參數(shù)衰變速率之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系現(xiàn)有的各種路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，大多采用疲勞開(kāi)裂、車(chē)轍或路表彎沉等指標(biāo)作為衡量路面結(jié)構(gòu)損壞的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和(或)野外觀測(cè)建立路面反應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變或位移等)同達(dá)到損壞時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（例，下頁(yè)）長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法現(xiàn)有的各種路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，大多采用疲勞開(kāi)裂、車(chē)轍或路表彎沉等指標(biāo)作為衡量路面結(jié)構(gòu)損壞的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和(或)野外觀測(cè)建立路面反應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變或位移等)同達(dá)到損壞時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系只能預(yù)估結(jié)構(gòu)性使用性能，無(wú)法預(yù)估功能性使用性能長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法按反應(yīng)級(jí)位預(yù)估功能性使用性能的方法利用AASHO試驗(yàn)路的現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)(PSI)公式通過(guò)結(jié)構(gòu)分析可以確定路面疲勞開(kāi)裂量、車(chē)轍深度和縱坡方差隨時(shí)間的變化，由此按式(4-3)預(yù)估PSI的變壞速率重新整理AASHO試驗(yàn)路資料，對(duì)各試驗(yàn)路段進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確定相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變級(jí)位，然后同現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)的變化相關(guān)聯(lián)，提出有關(guān)的預(yù)估方程（P.Uilidtz，丹麥）長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法的特點(diǎn)不僅可用于預(yù)估路面的使用壽命(以累計(jì)軸載作用次數(shù)計(jì))和結(jié)構(gòu)性能(如開(kāi)裂、車(chē)轍等)，而且通過(guò)將路面反應(yīng)同路面服務(wù)能力相關(guān)聯(lián)，還可以進(jìn)行功能性能預(yù)估理論計(jì)算(結(jié)構(gòu)分析)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的產(chǎn)物需要對(duì)特定路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變或位移量分析（要考慮到交通和環(huán)境條件以及路基路面材料參數(shù)的變化）。因而，這類(lèi)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算工作量大，但外推性能好適用于項(xiàng)目級(jí)管理系統(tǒng)長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法經(jīng)驗(yàn)法：美國(guó)空軍PAVER管理系統(tǒng)采用路面狀況指數(shù)PCI作為使用性能變量。利用逐步同歸分析方法，對(duì)分布在全國(guó)各地的37個(gè)空軍基地的道面狀況進(jìn)行分析后，整理得到PCI的預(yù)估方程y—路面建成或新近一次加鋪后的年數(shù)；yc—路面建成后到新近一次加鋪之間的年數(shù)；as—同路面總厚、路基CBR值、當(dāng)量單輪的接觸面積和接觸壓力有關(guān)的函數(shù)；Ta—瀝青面層厚度（如有加鋪層、則也包括其厚度）（in）；aa—同瀝青面層厚度、基層CBR值、當(dāng)量單輪的接觸面積和接觸壓力有關(guān)的函數(shù)長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、確定型模型的建模方法經(jīng)驗(yàn)法：華盛頓州管理系統(tǒng)把平整度和路面損壞狀況二方面綜合成一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)R，作為使用性能變量。綜合13年的觀測(cè)資料，分別為不同類(lèi)型的路面和養(yǎng)護(hù)或改建對(duì)策提出了綜合使用性能指標(biāo)R的預(yù)估模型

y—年數(shù)長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、概率型模型的建模方法確定型模型的缺點(diǎn)：影響路面使用性能變化的因素都具有不同程度的變異性，因而使用性能變化的速率是不確定的。顯然，確定型模型無(wú)法反映使用性能變化速率的這種不確定性，因而并不能保證得到可靠預(yù)估。所以，有必要研究概率型模型的建模方法，以建立能夠表達(dá)使用性能不確定性變化的概率型模型，供路面管理系統(tǒng)尤其是網(wǎng)級(jí)管理系統(tǒng)使用概率型模型：殘存曲線(xiàn)模型馬爾可夫模型 （應(yīng)用較多，較為完善）半馬爾可夫模型長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、概率型模型的建模方法馬爾可夫過(guò)程建模的步驟選擇使用性能變量，定義路況狀態(tài)可采用綜合指標(biāo)（如PSI、PCI等），也可采用開(kāi)裂、平整度等單項(xiàng)指標(biāo)使用性能變量，按其變化范圍劃分為若干個(gè)離散等級(jí)，稱(chēng)作路況狀態(tài)為不同路面類(lèi)型或各種養(yǎng)護(hù)和改建措施分別提出轉(zhuǎn)移概率矩陣在某時(shí)段，處于不同狀態(tài)的路段的百分率（概率），稱(chēng)為該時(shí)段的狀態(tài)矢量陣。對(duì)于使用t年處于i狀態(tài)的路段，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后轉(zhuǎn)變成狀態(tài)j的概率，稱(chēng)作第t年的轉(zhuǎn)移概率路段的轉(zhuǎn)移矩陣反映了路面使用性能的衰變特性利用轉(zhuǎn)移概率矩陣預(yù)估某時(shí)段處于某種路況狀態(tài)的概率。不同的路面具有不同的轉(zhuǎn)移概率，故應(yīng)將路網(wǎng)劃分為具有某種程度共性的子網(wǎng)，為每個(gè)子網(wǎng)建立轉(zhuǎn)移概率矩陣長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、概率型模型的建模方法轉(zhuǎn)移概率矩陣的建立方法經(jīng)驗(yàn)判斷根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可靠性較差可逐步修正完善缺少路況觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)可作臨時(shí)變通方法統(tǒng)計(jì)分析具備數(shù)年路況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。采用統(tǒng)計(jì)分析方法可靠性主要取決于路況數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)期的長(zhǎng)短和數(shù)據(jù)采集的精度邏輯簡(jiǎn)單，易于理解接受，但數(shù)據(jù)采集工作量大，周期長(zhǎng)，費(fèi)用高回歸分析有限的路況數(shù)據(jù)，不足以采用統(tǒng)計(jì)分析建立可靠的轉(zhuǎn)移概率矩陣長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、概率型模型的建模方法回歸分析方法建立概率模型案例美國(guó)亞利桑那州路面管理系統(tǒng)使用性能變量：平整度、開(kāi)裂量使用性能影響變量：現(xiàn)有平整度、現(xiàn)有開(kāi)裂量、上一年開(kāi)裂量的變化、初裂指數(shù)北京市公路瀝青路面管理系統(tǒng)路網(wǎng)按基層類(lèi)型、面層厚度和交通量等級(jí)劃分2×2×4＝16個(gè)子網(wǎng)使用性能變量：路況指數(shù)PCI、行駛質(zhì)量指數(shù)RQI和結(jié)構(gòu)能力(以路表彎沉和現(xiàn)有交通量共同表征)使用性能影響變量：路面使用年數(shù)。（以反映荷載因素和環(huán)境等非荷載因素對(duì)路面使用性能的共同影響）長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、概率型模型的建模方法馬爾可夫概率模型的特點(diǎn)：能夠反映荷載、環(huán)境、材料和養(yǎng)護(hù)水平等因素的變異性所導(dǎo)致的使用性能變化的不確定性，使預(yù)估結(jié)果更吻合實(shí)際作為變起點(diǎn)模型，能夠依據(jù)最近的路段信息，對(duì)未來(lái)使用性能的變化作出預(yù)估，精度得到提高不僅可以用于預(yù)估某一路段的使用性能變化，而且也能對(duì)路網(wǎng)的整體性能做出預(yù)估模型能夠隨路況信息的積累而不斷更新；模型的結(jié)構(gòu)能夠與網(wǎng)級(jí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法達(dá)成最大程度的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院第三節(jié)建模技術(shù)一、建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建模所需數(shù)據(jù)類(lèi)型包括：設(shè)計(jì)和施工數(shù)據(jù)路段標(biāo)識(shí)、道路等級(jí)、幾何參數(shù)、路面結(jié)構(gòu)和厚度、所用材料及路基土的性能參數(shù)等養(yǎng)護(hù)和改建數(shù)據(jù)曾采取過(guò)的養(yǎng)護(hù)和改建措施的類(lèi)型、時(shí)間和費(fèi)用等使用性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)路面損壞狀況、結(jié)構(gòu)承載力、行駛質(zhì)量和抗滑性能等交通數(shù)據(jù)交通(日交通量、車(chē)型組成和交通增長(zhǎng)率等)和標(biāo)準(zhǔn)軸載數(shù)(軸型、軸重和日軸載作用次數(shù)等)。環(huán)境因素溫度、降水量、凍融周期和太陽(yáng)輻射等數(shù)據(jù)長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院一、建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)選擇試驗(yàn)路段選擇一定數(shù)量的試驗(yàn)路段以重點(diǎn)收集和核實(shí)與路面使用性能有關(guān)的各類(lèi)數(shù)據(jù)，以提高預(yù)估模型的精度全因子難以實(shí)行，部分因子設(shè)計(jì)較合適長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、建模的一般程序1.明確模型的用途和預(yù)估目標(biāo)2.使用性能變量及其影響變量的選用原則使用性能變量主要依據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的考慮，同評(píng)價(jià)和優(yōu)化二個(gè)子系統(tǒng)中所采用的相一致網(wǎng)級(jí)多用綜合性指標(biāo)；項(xiàng)目級(jí)多用單項(xiàng)指標(biāo)影響變量理論分析或?qū)嶋H經(jīng)驗(yàn)3.數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理盡可能收集全數(shù)據(jù)過(guò)濾，去偽存真長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、建模的一般程序4.選擇模型形式和模型結(jié)構(gòu)確定性模型：依據(jù)理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)，確定模型形式(如指數(shù)形式、多項(xiàng)式等)概率型模型：要根據(jù)路面使用性能的評(píng)價(jià)系統(tǒng)和公路部門(mén)傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)習(xí)慣，確定路況狀態(tài)的劃分和組成5.建立模型及檢驗(yàn)按照各自模型的形式和結(jié)構(gòu)，采用數(shù)學(xué)方法對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)并進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，最終識(shí)別和確認(rèn)所建立的具體模型長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院二、建模的一般程序6.模型的標(biāo)定模型必須經(jīng)標(biāo)定后方能使用所建立的模型大都是通過(guò)分析路網(wǎng)長(zhǎng)期積累為路況信息得到的，因而這些模型實(shí)質(zhì)是平均模型，具有時(shí)空平均意義；而對(duì)于某一特定路段而言，其實(shí)際情況大多不能和模型相吻合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修正所建模型只能反映過(guò)去的養(yǎng)護(hù)水平，而今后的養(yǎng)護(hù)水平可能會(huì)有所變化，因此．應(yīng)根據(jù)養(yǎng)護(hù)水平的變化對(duì)模型進(jìn)行修正路面在采取改建對(duì)策后，使用性能會(huì)產(chǎn)生突變，亦即使用性能預(yù)估的起點(diǎn)將會(huì)變更，因此需要隨之改變模型的預(yù)估起點(diǎn)長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院模型的標(biāo)定特定路段的標(biāo)定概率型模型是變起點(diǎn)模型，亦即根據(jù)現(xiàn)有路況信息進(jìn)行預(yù)估，因而無(wú)須進(jìn)行這一方面的標(biāo)定