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沥青路面预防性养护决策方法的研究与技术应用

曾峰  
【摘要】:高等级公路是庞大的社会公共资产,路面预防性养护技术是提高公共资产的服务水平,实现资产保值和增值的重要技术手段。尽管路面预防性养护技术在美国等发达国家已得到了广泛的应用,然而在实际应用中,对于预防性养护技术的决策往往是基于工程师的主观经验。当前我国对于路面预防性养护技术的研究大多停留在具体养护措施的应用技术层面上,对于预防性养护决策技术的研究也同样未取得实质性进展。本文的研究目的即是试图深入揭示路面预防性养护技术的核心内涵,建立科学的、可量化的预防性养护技术决策体系,促进路面预防性养护技术在我国的推广与应用。研究的主要内容包括预防性养护技术的核心内涵、功能性和结构性应用效果评价、预防性养护的决策理论与方法、养护路段的划分方法、养护时机的确定方法以及预防性养护方案的设计方法等方面。 我国目前对预防性养护的理念和内涵仍未有统一的规定,本文将预防性养护技术的核心内涵总结为:第一,预防性养护技术是一种“未雨绸缪”式的技术;第二,预防性养护技术可修复路面功能性损坏,延缓结构性损坏;第三,预防性养护技术是在路面全寿命周期内多阶段、系统性的养护策略。 对预防性养护措施的应用效果进行评价,有助于奠定预防性养护决策的工程技术基础。本文从功能性和结构性两方面对预防性养护措施的应用效果进行了评价。在功能性评价方面,从密水和排水性能、抗车辙能力、抗滑能力和平整度的改善等角度,对雾封层、微表处、超薄磨耗层( UTAC-10和Novachip?)以及薄层热拌沥青混凝土(AC-13C、SMA-13、SMA-10以及OGFC-13)的应用效果进行了评价和对比,总结了这些养护措施的使用性能和适用条件,进而提出了养护措施的主要功能属性和附属功能属性的概念,明确了这些措施的各种功能属性。 在结构性效果评价方面,首先对实测弯沉盆进行了误差分析,证明了常用的x±ks方法处理误差数据的局限性,引入了t分布检验法用于误差检验。其次评价了温度对动态弯沉盆的影响,得出了相关的统计检验结果。随后考虑到跟踪检测数据的自相关性,建立了结构性效果评价的重复测量数据分析模型。最后利用该模型对雾封层、微表处和Novachip?试验段4年的FWD检测数据进行了分析,评价和对比了养护措施的结构性应用效果,分析结果发现,所评价的养护措施对于保护路面结构并未表现出积极作用。 目前对于预防性养护的决策大多是基于工程师的主观经验,本文在预防性养护决策理论的研究方面,引入了决策科学的相关理论,建立了标准的预防性养护决策模型,并从功能属性、适用条件、结构厚度、养护强度、路用性能、工程因素和用户因素七个方面对预防性养护措施的属性进行了度量和评价,建立了属性的无量纲化步骤。在预防性养护决策方法研究方面,首先对决策树法进行了改进,建立了决策树模型的应用步骤,并以广东省预防性养护决策树模型为实例,示范了决策树的建立过程。其次对加权法进行了改进,引入了主观赋值的SWING法和客观赋值的熵值法以及权重的修正方法。 传统的决策方法难以考虑预防性养护决策问题多目标、多属性的特点,具有较大的局限性。本文对决策科学中的相关理论进行了比选,最后根据现阶段我国预防性养护技术的实际特点,选择了层次分析理论作为预防性养护的决策技术,建立了该理论的标准应用步骤。并以效益、成本和风险为准则,以抗滑能力、平整度的改善、修复裂缝、业主成本、用户成本、质量风险、资金风险和工期风险为子准则,分别利用层次分析法和可以考虑反馈作用的网络层次分析法对6种预防性养护措施进行了选择,得到了相关的选择结果,并对结果进行了敏感性分析,证明了层次分析理论用于预防性养护决策问题的优越性。 公路的不同组成路段具有不同的养护需求,因此有必要对公路路段进行划分,以便精确地确定不同路段的养护需求。传统的路段划分方法具有很大的局限性,本文引入了聚类分析理论用于养护路段划分,建立了系统聚类法、动态聚类法和有序聚类法用于路段划分的标准步骤,提出了三种聚类分析方法的适用条件,对每种方法均以实例进行验证。 在养护时机研究方面,首先分析了目前我国关于养护时机判断指标的局限性,提出了养护需求时机和最佳养护时机的概念;其次建立了SFC、IRI、RD和CR用于养护需求时机的判断标准;再次评价了NCHRP研究中关于最佳养护时机的判断方法,指出了该方法的不足,提出了相关的改进意见;随后指出了目前我国在判断最佳预防性养护时机研究方面遇到的主要障碍,并提出了相关研究建议。 最后通过对所有研究成果的总结,提出了短期预防性养护方案和中长期预防性养护方案的设计思想,建立了两种方案的应用步骤和设计方法。


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