摘 要
為了明確瀝青路面使用性能檢測與評價研究現(xiàn)狀，對瀝青路面使用性能評價、路用性能檢測方法、指標(biāo)、模型等熱點問題進(jìn)行了綜述，分析了瀝青路面使用性能檢測與評價的發(fā)展歷程，介紹了路面使用性能檢測方法，探討了路面使用性能評價中對評價指標(biāo)及評價模型的研究，探討了現(xiàn)有路面使用性能評價存在的問題和未來的研究方向。綜合分析表明：檢測技術(shù)的綜合化、快速化、精確化以及對評價模型的改進(jìn)、評價指標(biāo)的細(xì)化是未來路面使用性能檢測與評價的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 瀝青路面 | 路面使用性能 | 檢測與評價 | 評價指標(biāo)
我國高速公路建設(shè)開始于上世紀(jì)八十年代，截止到2020年年底，高速公路總里程已突破16.1*10^4km，位居世界第一瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。隨著通車?yán)锍毯褪褂媚晗薜牟粩嘣鲩L，我國高速公路由快速建設(shè)階段向養(yǎng)護(hù)管理階段過渡，養(yǎng)護(hù)管理任務(wù)十分艱巨。準(zhǔn)確而高效的路面數(shù)據(jù)采集和分析評價是路面養(yǎng)護(hù)管理工作的關(guān)鍵基礎(chǔ)，并為路面養(yǎng)護(hù)維修決策提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)，因此路面使用性能檢測和評價就顯得尤為重要。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，自動化檢測設(shè)備已經(jīng)成為路面檢測的主要方式，但是基于圖像的路面檢測技術(shù)只能識別二維的路面病害，對于擁包、波浪、沉陷等三維病害尚未能準(zhǔn)確識別，后期的處理需要和人工檢測相結(jié)合，工作量較大[1-2]。如何開發(fā)出準(zhǔn)確而高效的路面病害識別算法和路面三維檢測技術(shù)成為了目前路面檢測研究的熱點。路面使用性能評價也存在著評價結(jié)果與實際路況不相符、缺乏針對性和預(yù)見性等問題，但是目前的路面性能評價研究大多集中在對綜合使用性能評價上，對單項評價指標(biāo)的選取及合理性上卻少有涉及，復(fù)雜的綜合性能評價也難以應(yīng)用到實際中，而合理的單項評價指標(biāo)則是綜合評價的基礎(chǔ)[3]。
鑒于此，本文在概述國內(nèi)外路面使用性能檢測與評價的基礎(chǔ)上介紹了路面使用性能檢測方法，分析了路面使用性能評價中對單項評價指標(biāo)及評價模型的研究，探討了現(xiàn)有路面使用性能檢測與評價存在的問題及未來的發(fā)展方向。
1、瀝青路面使用性能檢測與評價發(fā)展歷程
1.1路面使用性能檢測發(fā)展歷程
路面狀況檢測是路面使用性能評價和養(yǎng)護(hù)管理決策的基礎(chǔ)。路面檢測方法經(jīng)歷了人工測量、半自動化檢測、自動化檢測三個發(fā)展階段，見表1。
隨著現(xiàn)代計算機、通信、電子的發(fā)展和結(jié)合，現(xiàn)代檢測技術(shù)更加先進(jìn)和智能化，新的技術(shù)如：激光技術(shù)、線掃描技術(shù)、探地雷達(dá)、立體成像技術(shù)等也都不斷應(yīng)用到路面檢測中，產(chǎn)生了自動化檢測設(shè)備[4]。根據(jù)圖像的采集方式，自動化檢測設(shè)備的發(fā)展可分為六個階段[5-11]，見表2。
我國對路面自動檢測技術(shù)的研究最早開始于20世紀(jì)80年代后期，國內(nèi)第一輛路 面智能檢測車是2002年11月由南京理工大學(xué)研發(fā)，該檢測車能在70km/h的速度下采集路面破損圖像、車轍和平整度等數(shù)據(jù)，對路面裂縫的識別精度達(dá)到3~5mm,車轍和平整度的檢測精度分別為1mm和0.1mm[12]。2004年11月，南京理工大學(xué)的賀安之等研制出了JG-1型激光三維路面狀況智能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)對裂縫和坑槽的測量精度分別為1mm和5mm[13]。武大卓越自2004年研制出第一輛路面智能檢測車至今共進(jìn)行了四次技術(shù)升級，第四代智能檢測系統(tǒng)ZOYOM-RTM已經(jīng)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平[14]。此外交通運輸部公路科學(xué)研究院也研發(fā)了CiCS路況快速檢測系統(tǒng)，長安大學(xué)研制出了CT-501A型高速激光道路檢測車和道路綜合信息采集車[15]。
1.2路面使用性能評價發(fā)展歷程
路面使用性能評價始千20世紀(jì)60年代初期美國的AASHTO試驗路，提出了路面使用性能評價指標(biāo)，建立了PSI(Present Serviceability In-dex)路面評價模型[16]。
1978年，日本道路協(xié)會根據(jù)AASHTO的PSI建模方法，去掉了路面修補率這一參數(shù)，將路面裂縫度換成路面裂縫率，標(biāo)定了美國的PSI模型參數(shù)，建立了新的PSI模型。日本建設(shè)省土木研究所研究員(飯島等，1981年)在參考美國和日本PSI的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了養(yǎng)護(hù)管理指數(shù)MCI(Maintenance ControlIndex)。橋本(1986年）通過研究建立了單因素的行駛舒適性指數(shù)RCI(Riding Comfort Index)，從而彌補了日本MCI模型不能充分反映道路平整度對道路用戶的影響的缺陷。
英國路況檢測評定規(guī)范(2007年)采用基于SCANNER Surveys的道路狀況指數(shù)RCI(Road Condition Indicator)多參數(shù)評定模型，來描述英國公路網(wǎng)的路面使用性能。
20世紀(jì)80年代末期，交通部公路科學(xué)研究院根據(jù)我國路面損壞的特點建立了PCI路面評價模型[17]。這個模型既包含路面破損指標(biāo)DR，又包含了行駛舒適性指標(biāo)BI，在概念上存在模糊性。在路面管理系統(tǒng)CPMS及《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG H1O-2009)中則采用了分項指標(biāo)建模方法，分別建立了PCI和RQI評價模型來評價路面損壞狀況和行駛舒適性。另外還提出了路面結(jié)構(gòu)強度評價模型，將路面結(jié)構(gòu)強度系數(shù)SSI與PCI和RQI實現(xiàn)了量綱一致。發(fā)展到如今形成了現(xiàn)階段的PQI評價模型[18]，該模型包含了路面損壞、路面平整度、路面車轍、抗滑性能和路面結(jié)構(gòu)強度五項技術(shù)內(nèi)容。并通過權(quán)重累加得到路面性能綜合評價指標(biāo)PQI。
2、瀝青路面單項使用性能檢測與評價
2.1路面破損狀況檢測與評價
2.1.1路面破損狀況調(diào)查方法
路面破損狀況的調(diào)查主要是確定各個路段內(nèi)路面損壞的類型、嚴(yán)重程度及破損范圍。傳統(tǒng)的路面破損調(diào)查主要是采用人工調(diào)查的方法。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了半自動化及自動化的檢測設(shè)備，但由于其各自的缺陷，并沒有成為路面檢測的發(fā)展方向。而攝影測量技術(shù)能全面采集路面破損信息，并且能與車輛相結(jié)合，使得采集效率得到大大提高。多功能道路檢測車正是在這種情況下得到了長足的發(fā)展，國內(nèi)外對此作了大量的研發(fā)工作，開發(fā)了不同的路面多功能檢測系統(tǒng)。目前的研究主要集中在對路面圖像的處理上，如何使得圖像處理速度和精度得到提高成為了關(guān)鍵性的問題。
2.1.2路面破損狀況評價
我國的路面破損狀況評價是采用綜合指標(biāo)PCI(Pavement Condition Index)來評定的，它是通過對各種損壞類型面積的權(quán)重累加計算破損率得到。英國和加拿大采用的路面服務(wù)指數(shù)PSI(Pavement Condition Index)[19]，日本交通部采用的路面修復(fù)指數(shù)PRI(Pavement Rehabilitation In-dex)[20]都是綜合指標(biāo)。通過在實際中的運用發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的PCI評價指標(biāo)和模型并不能很好的反映實際路面破損情況和使用性能，會出現(xiàn)PCI的值與實際路況不相符、缺乏針對性和預(yù)見性等問題，鑒于此研究者提出了新的評價指標(biāo)和評價模型。除了用單指標(biāo)表征路面破損狀況，也可以采用多指標(biāo)。
番玉利[21]提出通過縱向平整度指數(shù)和病害折合破損率兩個指標(biāo)來計算路面PCI的值。
吳傳海[22]提出了新的路面破損狀況評價指標(biāo)：路面車轍代表深度、路面裂縫率和路面修補率，并給出了計算公式。
①路面車轍代表深度計算公式：
②路面裂縫率計算公式：
③路面修補率計算公式：
曾江洪[23]則在此評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上又增加了坑槽率指標(biāo)，使得路面破損評價和路面養(yǎng)護(hù)更具有針對性。劉憲明[24]運用探地雷達(dá)檢測和現(xiàn)場取樣的方法驗證了這種評價方法的可行性和適用性。
鑒于路面破損類型的多樣性和破損程度的模糊性，胡章立[25]運用層次分析法建立路面破損狀況模糊綜合評價模型，具有一定的實用性，但是其中的判斷矩陣的確定還具有主觀性，有待于進(jìn)一步的改善。楊輝[26]將未確知測度理論應(yīng)用到高速公路瀝青路面破損狀況評價中，選取路面車轍、裂縫、坑槽和修補狀況建立評價指標(biāo)體系，實踐證明未確知測度理論在確定路面破損狀況級別和排序上有較高的準(zhǔn)確性和實用性。陳少文[27]采用現(xiàn)場調(diào)研，對比分析等手段，對比了人工檢測和自動檢測路面破損狀況的優(yōu)缺點，提出了不同測試方法的適用范圍。張敏[28]應(yīng)用街道影響采集與分析技術(shù)，對瀝青路面破損狀況進(jìn)行了采集及分析，并建立了評價指標(biāo)。魯澤康[29]基于模量衰減理論，對半剛性基層瀝青路面破損狀況進(jìn)行了綜合評定。劉瓊[30]提出不同病害類型的權(quán)重，采用路面破損率評價路面破損狀況。肖濤[31]對比了我國與美國的瀝青路破損狀況評價方法，指出了我國現(xiàn)有破損模型的不足。從對路面破損狀況評價的研究來看路面破損狀況的評價方法和評價指標(biāo)越來越趨向于多樣化，雖然是對現(xiàn)有規(guī)范的改進(jìn)但是都有著各自的缺陷。目前我國的路面破損中包括車轍，而又將車轍作為單獨的一項來評價，顯然存在著重復(fù)。有關(guān)路面損壞狀況與路面平整度、車轍之間的復(fù)雜關(guān)系的研究尚存在著欠缺；由于檢測技術(shù)的進(jìn)步，已能全面獲取路面的三維圖像，因此有理由推斷其三維的評價指標(biāo)將會是今后新的發(fā)展方向。
2.2路面平整度檢測與評價
2.2.1路面平整度調(diào)查方法
平整度調(diào)查方法見表3。
2.2.2路面平整度評價
由于平整度測定方法和儀器較多，導(dǎo)致其評價指標(biāo)也是各異，目前國內(nèi)外常用的評價指標(biāo)有：直尺測定最大間隙、平整度標(biāo)準(zhǔn)差、國際平整度指數(shù)IRI、縱斷面指數(shù)PI、功率譜密度PSD、平均評分等級MPR、行駛質(zhì)量數(shù)RN、豎向加速度均方根RMSVA等[32]。為了使不同測定方法得出的評價指標(biāo)能夠相互比較，并且在時間和空間上具有穩(wěn)定性，世界銀行1982年在巴西進(jìn)行了國際平整度試驗提出了國際平整度指數(shù)(IRI)[33]。采用1/4車模型，以80km/h的速度在路面上行駛，計算一定行駛距離內(nèi)懸掛系統(tǒng)的累積位移值作為IRI。
周曉青等人[34]通過研究國際平整度指數(shù)IRI與舒適度指數(shù)RN及RN與路面行駛質(zhì)量水平之間的關(guān)系，建立了以IRI作為路面行駛質(zhì)量水平的評價標(biāo)準(zhǔn)，給出了他們之間的關(guān)系，見表4。
斷面類平整度測定方法對路面平整度的評價考慮的只是路面本身的狀況，反應(yīng)類測定方法對平整度的評價對于路和車之間的關(guān)系考慮的較多，路面平整度是人對行駛舒適性的客觀評價，所以平整度的評價應(yīng)該是人一車一路三方面信息的綜合反映。張洪亮等[35]將乘客的豎向加權(quán)加速度均方根值作為路面平整度評價指標(biāo)，建立了考慮人—車一路相互作用的三自由度振動模型的評價方法，其最大的特點就是能針對不同路面和不同等級的公路進(jìn)行評價，且與實際情況較為符合。為了計算簡便，IRI采用了1/4車模型，實際上該模型并不能真實反映車輛的振動情況，研究者對半車模型和整車模型均作了相關(guān)研究[36]。王德珍[37]采用人工和自動方法測試了路面不平整度，并提出了包子路面平整度的措施。從平整度評價相關(guān)研究來看，考慮人體舒適度的平整度研究是主要的研究方向。咼潤華[38]等開發(fā)了三維線激光輪廓儀，用于測試路面不平整度，并驗證了其精度。王大為[39]介紹了德國不限速高速公路的不平整度評價方法，強調(diào)了功率譜密度評價不平整度的科學(xué)性。
由于平整度反映的是沿行車帶方向的路面高程變化，并不能反映出橫向的路況，會出現(xiàn)當(dāng)車轍嚴(yán)重時對平整度的評價反而較好，與實際情況不符，所以對平整度的評價應(yīng)當(dāng)是二維的；車輛震動對測量結(jié)果的影響不可避免，這個問題的解決有待于更加先進(jìn)的檢測設(shè)備；在數(shù)據(jù)處理上沒法排除因其他路面病害如裂縫對平整度測量結(jié)果的影響，這種問題的解決可以先對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和提取，獲得有效的路面檢測數(shù)據(jù)，再對路面平整度進(jìn)行評價。
2.3路面抗滑性能檢測與評價
2.3.1路面抗滑性能檢測方法
路面抗滑性能測試方法見表5。
2.3.2路面抗滑性能評價
路面摩擦系數(shù)是表征路面抗滑性能的安全指標(biāo)，路面抗滑性能評價對于行車安全具有重要的意義。我國路面抗滑性能的檢測指標(biāo)主要有兩個：摩擦擺值(BPN)和橫向力系數(shù)(SFC)。對千高速公路而言，應(yīng)該采用橫向力系數(shù)(SFC)作為評價路面抗滑性能的主要指標(biāo)。這些評價指標(biāo)都是宏觀測量的結(jié)果。
實際上瀝青路面的抗滑性能與混合料表面的凹凸分布有著密切的關(guān)系，通過對微觀結(jié)構(gòu)的研究就可以定量的評價路面的抗滑性能。
黃寶濤[40]采用離散型外露尺寸函數(shù)研究了瀝青路面微觀凹凸隨機分布特性，建立了瀝青路面微觀結(jié)構(gòu)和路面抗滑性能之間的關(guān)系，其研究結(jié)果表明瀝青混合料的級配不同，路面微觀凸凹的分維數(shù)值也不同；分維數(shù)值越大，外露尺寸函數(shù)的指數(shù)值越大，抗滑性能也就越好。
童申家[41]基于變異函數(shù)理論，通過分析路面紋理分形特性，建立路面紋理分形維數(shù)和集料粒徑分布分形維數(shù)之間的關(guān)系，提出了以路面紋理分形維數(shù)作為瀝青路面抗滑性能評價指標(biāo)，試驗結(jié)果表明該指標(biāo)評價是合理的。
除了對抗滑性評價指標(biāo)的研究，目前國內(nèi)外還提出了其他抗滑性能評價模型[42-43]，見表6。
由于抗滑性能測試設(shè)備和方法的多樣性，不同設(shè)備測試結(jié)果之間轉(zhuǎn)換性較差，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致對同一路段很難得到相同的評價結(jié)果，未來路面抗滑性能檢測和評價將會是向更加精確化和統(tǒng)一化方向發(fā)展，目前對于特殊條件下路面的抗滑性研究較少，對于濕度變化、緊急剎車、輪胎的磨損等對抗滑性的影響還有待于進(jìn)一步的研究和發(fā)展。將分形方法用千抗滑性能的定量評價之中的研究相繼開展，相信將會是抗滑性能評價研究新方向。
2.4路面車轍檢測與評價
2.4.1路面車轍的檢測
目前，瀝青路面車轍檢測方法可分為人工方法、半自動方法和自動化方法，主要方法及其特點匯總于表7。古佳[44]基于模糊數(shù)學(xué)原理，對瀝青路面抗滑的多種影響因素進(jìn)行了嫡權(quán)法和層次分析法的綜合權(quán)重計算。徐鵬等[45]對于瀝青路面車轍的智能檢測方法進(jìn)行了論述，馬建等[46]綜述了瀝青路面車轍檢測技術(shù)。
2.4.2路面車轍評價
目前國內(nèi)外普遍采用單一的車轍深度作為車轍主要評價指標(biāo)，在一定程度上能評價路面車轍的嚴(yán)重程度，車轍寬度也可以作為另外一項評價指標(biāo)與車轍深度一起形成二維評價體系。作為三維的評價指標(biāo)，凹凸變形體積量和變形累積面積能全面精確的反應(yīng)路面車轍狀況，但是仍處于研究階段并未用于實踐。
侯相深[47]從車輛行駛的安全性角度出發(fā)，提出采用車轍最大深度(RD1)、車轍寬度(WI、W2、W3）、車轍最大可能積水面積(Aw)、車轍槽的平均曲率半徑(p)等多個指標(biāo)來表征車轍的狀況，見圖1。進(jìn)而對其作出多指標(biāo)的評價，但其并沒有給出一個綜合評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)。
任瑞波[48]運用Sigmoid 函數(shù)探索了RDI評價模型，通過求解車轍內(nèi)不致積水的臨界車轍深度，將車轍深度等級作進(jìn)一步的細(xì)化，并在保留現(xiàn)有車轍深度指數(shù)評價模型的基礎(chǔ)上對評價模型提出了改進(jìn)，同時提出新的評價指標(biāo)車轍槽深度、寬度、車轍槽曲率半徑等對車轍進(jìn)行綜合評價，彌補了現(xiàn)有評價指標(biāo)和模型的缺陷。
改進(jìn)前后RDI與RD對應(yīng)關(guān)系見表8。
車轍評價指標(biāo)雖然由一維的車轍深度逐漸向二維和三維的方向發(fā)展，但對它的檢測和計算則非常困難，需要借助千更加先進(jìn)的檢測設(shè)備。由千缺乏實踐經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)，尚無法確定其具體的評價標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)車轍和路面破損結(jié)合在一起時會使路面狀況更加復(fù)雜，所以對路面車轍二維和三維評價指標(biāo)的研究就有重要的意義，將會是今后發(fā)展的方向。
2.5路面結(jié)構(gòu)強度檢測與評價
2.5.1路面結(jié)構(gòu)強度測定
路面彎沉檢測方法見表9。
2.5.2路面結(jié)構(gòu)強度評價
路面結(jié)構(gòu)強度是路面使用性能中一項重要的檢測指標(biāo)，也是路面能為人們提供服務(wù)的前提。目前，世界各國普遍采用彎沉作為瀝青路面結(jié)構(gòu)強度的檢測指標(biāo)，它反映的是路面的整體結(jié)構(gòu)強度，并不能反映某一結(jié)構(gòu)層承載能力的變化，但是至今國內(nèi)外任然沒有找到能夠代替彎沉評價路面承載能力的更好的方法。
在國內(nèi)外不管是經(jīng)驗法還是力學(xué)經(jīng)驗法進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計都將滿足路面承載能力及其設(shè)計控制作為主要的設(shè)計內(nèi)容，在力學(xué)經(jīng)驗法設(shè)計中更將彎沉作為路面結(jié)構(gòu)承載能力的表征[38]。我國瀝青路面以半剛性基層為主，在設(shè)計時以設(shè)計彎沉作為控制指標(biāo)，所以用彎沉評價路面的承載能力比較合理，但是隨著設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變，對于改建及加鋪設(shè)計的厚瀝青面層或是柔性基層路面進(jìn)行評價時會出現(xiàn)明顯的不合理，路面彎沉值將會超過設(shè)計值。相信以后會出現(xiàn)更多的柔性基層路面，因此有必要研究并針對不同路面結(jié)構(gòu)建立不同的評價標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)瀝青路面內(nèi)部產(chǎn)生水損壞或是產(chǎn)生沖刷時，路面的承載能力也會下降，但是彎沉確實不能反映出這種情況，而彎沉盆能夠反映出路面結(jié)構(gòu)每一層承載能力的變化，如何將彎沉盆用于路面結(jié)構(gòu)承載能力的評價或是建立新的評價指標(biāo)和體系也值得研究。
3、結(jié)論
a)現(xiàn)有的路面檢測設(shè)備種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)不一，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，路面檢測設(shè)備將會由人工及半自動化檢測向自動化檢測發(fā)展、由靜態(tài)檢測向動態(tài)檢測發(fā)展、由有損檢測向無損檢測發(fā)展、由單項檢測向集成化檢測發(fā)展，檢測速度更快檢測結(jié)果更加精確。
b)對路面評價模型而言，不管是對現(xiàn)有評價模型的改進(jìn)還是提出新的評價模型，都很少給出其評價標(biāo)準(zhǔn)，缺乏實際工程的支撐。通過大量實際工程的驗證才能更好的將新的模型完善。
c)就現(xiàn)有路面評價指標(biāo)來說，對指標(biāo)的完善和細(xì)化是很有必要的。例如平整度沒有考慮橫向變化，車轍評價指標(biāo)可以向著二維和三維的方向發(fā)展，破損評價指標(biāo)可以細(xì)化，抗滑性評價指標(biāo)可以向微觀方向發(fā)展，強度評價指標(biāo)則可以考慮加入彎沉盆。通過對單項指標(biāo)的細(xì)化和完善將會使現(xiàn)有路面性能評價體系更加完善。