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user: 3. 预防性养护指标 3.1. 预防性养护指标选取原则 预防性养护指标是实施预防性养护的前提，从目前国内外应用情况来看，主要分为两类：1) 由路面使用性能综合评价指标组成的指标体系；2) 由路面使用性能综合评价指标体系和单项性能指标体系组成的指标体系。从实际使用效果来看，第一类指标简单明了，但是涵盖面小，不利于进行预防性养护对策的制定；第二类指标，涵盖内容较为全面，有利于针对性制定预防性养护对策 [ 13 ]。 良好的预防性养护指标体系应满足以下条件 [ 14 ] ：1) 具有可测量性，指标数据可随着路龄的增长持续跟踪观测；2) 能够反映路面使用性能状况，特别是实际路用功能；3) 指标应随着预防性养护措施的应用发生改变。 目前，我国现行公路状况评定标准 [ 15 ] 包含5个分项指标，它们分别是路面结构强度指数PSSI、路面状况损坏指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面车辙深度指数RDI、路面抗滑性能指数SRI，上述5项指标从不同的方面反映了路面的性能水平。RQI、RDI、PCI、SRI、PSSI等指标作为高速公路日常检测的一部分，上述数据获取完善、简单、有效。因此，将上述几项指标作为预防性养护指标是合理的并且可操作性强。本文以高速公路检测数据为基础，结合已有预防性养护研究成果及试验段跟踪数据情况对各个指标作用、阈值进行论述。 3.2. 各个指标值域范围确定 3.2.1. PCI指标范围确定 笔者对山东省内的11条高速公路，共计5244.0 km路面破损率检测数据进行统计分析。鉴于山东高速公路管理养护及预防性养护现状，对于路面PCI指标低于70或者PCI等于100的路面不计入统计分析范围，统计分析所用PCI数据为100 m检测数据。 在分析汇总之前，为下文方便叙述，首先对三个指标进行定义：1) 病害覆盖率：在统计PCI值域范围内，发生某种病害的百米段数量与百米段数量的比值，该指标体现某种病害的普遍程度；2) 平均病害种类：在统计PCI值域范围内，各个百米段病害种类累计值与百米段数量的比值，该指标体现了路段内病害表现形式的多寡程度；3) 病害种类贡献率：统计PCI值域范围内，各个百米段某种病害种类累计值与所有病害种类累计值的比值，该指标体现了某种病害在所统计单元内病害种类数量上所占的比重。上述三项指标都是统计意义上的数量指标，它们与PCI指标相互补充，可以从不同的方面反映路面实际状况，汇总数据见表2。 表2显示，路面病害存在类型最多的是纵向裂缝、横向裂缝及相应病害修补，龟裂、坑槽、松散、沉陷、破浪拥包、泛油及修补等病害数量极少；路面平均病害种类随着PCI值域的不断减小而增大，PCI指标处于95~100时为1.2，PCI指标处于70~75时达到4.5。 Table 2 Statistics of pavement disease 项次 项目(个) PCI值域 70~75 75~80 80~85 85~90 90~95 95~100 1 百米段数量 470 1107 2566 4626 9469 7759 2 龟裂(轻) 41 40 78 85 89 16 3 龟裂(中) 0 0 2 0 0 0 4 龟裂(重) 0 0 1 0 0 0 5 块状裂缝(轻) 117 168 132 73 21 3 6 块状裂缝(重) 5 6 4 0 0 0 7 纵向裂缝(轻) 450 998 2013 2607 1996 279 8 纵向裂缝(重) 171 284 512 464 135 3 9 横向裂缝(轻) 445 970 1866 2276 3317 713 10 横向裂缝(重) 148 232 348 335 159 17 11 坑槽(轻) 7 19 26 33 11 5 12 坑槽(重) 0 0 0 1 0 0 13 松散(轻) 10 20 21 25 11 6 14 松散(重) 0 1 0 1 0 1 15 沉陷(轻) 0 1 0 1 0 0 16 沉陷(重) 0 0 0 0 0 0 17 波浪拥包(轻) 0 0 0 0 0 0 18 波浪拥包(重) 0 0 0 0 0 0 19 泛油 0 0 0 2 2 0 20 修补 0 0 0 0 0 0 21 龟裂修补 6 11 16 64 66 2 22 块裂修补 19 63 190 169 112 13 23 纵裂修补 265 699 1903 3542 4527 1427 24 横裂修补 281 732 2001 3723 7124 6318 25 坑槽修补 53 157 338 599 723 394 26 病害种类汇总 2018 4401 9451 14，000 18，293 9197 27 平均病害个数 4.5 4.2 3.5 2.9 1.7 1.2 表2. 路面病害统计情况 图1. 路面病害相关参数分析。(a) 病害覆盖率雷达分布图；(b)病害种类贡献率雷达分布图；(c) 主要病害覆盖率变化率情况；(d) 平均病害种类变化率 图1(a)显示，病害种类覆盖率最大是横裂修补、纵裂修补、纵向裂缝(轻)、横向裂缝(轻)等4种病害，纵向裂缝(重)、横向裂缝(重)、块状裂缝(轻)及坑槽修补等相对次之，其他类型病害最少；不同的PCI值域范围内，每种病害的覆盖率是不尽相同的，当PCI值域大于80~85时，病害种类覆盖率从大到小依次是横裂修补、纵裂修补、横或纵向裂缝(轻)；当PCI值域小于80~85时，病害种类覆盖率依次是纵向裂缝(轻)、横向裂缝(轻)、横裂修补、纵裂修补、纵向裂缝(重)、横向裂缝(重)。 图1(b)显示，病害种类贡献率最大的是横裂修补、纵裂修补、横向裂缝(轻)、纵向裂缝(轻)等4种病害，其他类型病害的病害种类贡献率相对很小；不同的PCI值域范围内，每种病害的种类贡献率也是不尽相同的，当PCI值域大于80~85时，病害覆盖率从大到小依次是横裂修补、纵裂修补、横向或纵向裂缝(轻)；当PCI值域小于80~85时，横向或纵向裂缝(轻)、横裂或纵裂修补。 通过以上数据表明以下几点：1) 统计PCI值域范围内，无论是病害种类覆盖率、病害种类贡献率，占据绝对比例的是横裂修补、纵裂修补、横向裂缝(轻)及纵向裂缝(轻)等四种病害，上述四种病害实际皆属于裂缝范畴，其他病害类型所占比例较小或极少，即山东地区高速公路病害的表现类型实际相对单一，多以裂缝范畴的病害形式出现；2) 以PCI值域80~85作为分界点，横、纵裂修补与横、纵向裂缝(轻)数据大小存在明显转换。即，当PCI值域大于80~85时，病害种类覆盖率、贡献率以横、纵向裂缝的修补为主；当PCI值域小于80~85时，病害种类覆盖率、贡献率以横、纵向裂缝(轻)为主，这一定程度上表明，路面横向、纵向裂缝的出现速度高于路面裂缝的修补速度。 为进一步分析路面病害的演变情况，我们将路面主要病害覆盖率的变化率、平均病害种类变化率进行了分析，结果见图1(c)、图1(d)，结合路面病害覆盖率、贡献率等指标，通过综合分析后得到路面病害演变阶段如下： 1) 病害演变阶段I (90~95)，此阶段为轻微裂缝的发展最迅速阶段：路面状态良好，路面病害以横向裂缝(轻)及相应修补为主，但裂缝种类、覆盖率迅速扩展，平均病害种类由1.2提高到1.7，增加了43.4%；横、纵向裂缝覆盖率由95~100时的9.2%、3.6%迅速提高到35.0%、21%，分别提高了280.4%、483.3%。 2) 病害演变阶段II (85~90)，此阶段为病害种类及严重裂缝发展最迅速阶段：路面状态相对良好，路面病害以横向、纵向裂缝(轻)及相应修补为主，但是其他形式病害加快出现，严重病害种类、覆盖率迅速提高。平均病害种类由1.7提高到2.9，增加了近69.2%；横向裂缝(重)、纵向裂缝(重)由90~95时的1.4%、1.7%分别提高到7.2%、10%，分别提高了415.2%、488.2%，即相对严重病害路面覆盖率迅速提高。 3) 病害演变阶段III (80~85)，此阶段为裂缝处置的转折阶段：路面状况进一步下降，横向、纵向裂缝(轻)及相应修补覆盖率、贡献率基本一致，裂缝的未修补量首次超过裂缝的修补量；严重病害种类进一步提高，横、纵向裂缝(重)、块状裂缝覆盖率分别由85~90时的7.4%、10.2%、1.6%分别提高到13.6%、20%、5.1%，分别提高了83.7%、96.1%、218.8%。此时，路面常规的预防性养护技术(表处类)虽然短期可以显著提升路面PCI值，但是由于横、纵裂缝(重)等裂缝已经大量形成，裂缝等病害很快反射到表面，效果不佳，此时宜根据裂缝病害成因情况实施就地热再生或铣刨罩面。 综上认为，PCI指标虽然是一项综合性评价指标，涵盖病害形式众多，但是对于路面预防性养护需求的路段来说，其路面病害的形式实际上是比较单一的，主要以裂缝范畴类病害为主。PCI指标不同阶段可以明显的反应路面病害发展的复杂程度、严重程度。我们根据各个阶段的病害演变特点及各种预防性养护措施特点提出相应预防性养护指标，见表3。 Table 3 PCI index and disease development tren 值域范围 阶段 阶段特点 养护重点 适用预防性养护措施 90~95 I 路面状态良好，轻微裂缝发展最迅速阶段 对于微裂缝的防治 雾封层等涂层类技术 85~90 II 病害种类及严重裂缝类型发展最迅速阶段 对于微裂缝及相对严重裂缝范畴病害的综合防治 微表处、超薄罩面等表处类技术(厚度小于2 cm) 80~85 III 未处置裂缝的覆盖率、贡献率超过裂缝修补，路面养护效果出现转折 路面整体性能的综合养护 就地热再生、铣刨罩面等 表3. PCI指标与病害发展趋势 3.2.2. RQI指标确定 RQI反映路面为车辆提供快速、安全、舒适和经济性的能力，高速公路对平整度的要求要求高，施工质量好，保证了路面初始行驶舒适性，除非特重交通条件下，其衰减都是较慢的，本文参照目前公路沥青路面养护设计规范 [ 16 ] 要求，将RQI > 85作为预防性养护的阈值。 3.2.3. RDI指标确定 RDI是反映路面车辙状态的指标，通常认为当路面车辙深度RD ≤ 5 mm时，不需要进行车辙的修复，此时RDI ≥ 90；当路面车辙深度 ≥ 10 mm，即当RDI < 80时，高速公路雨天行车危险性较高。因此，目前现行公路沥青路面养护设计规范及部分地方标准将RDI ≥ 80作为预防性养护的低限阈值 [ 17 ] [ 18 ]，但是不同的预防性养护技术对于车辙的处理的效果是不同的，含砂雾封层等涂层类技术不具备处理车辙效果，表处类等其他养护技术一般处理车辙深度在15~25 mm。 根据上述情况，本文认为应以RDI为90作为分界值，当RDI ≥ 90时，适用于进行涂层类预防性养护技术；RDI < 90时，适用于进行表处类或其他中后期预防性养护技术，具体养护措施需要根据实际车辙深度及养护措施处置效果进行进一步确定。 3.2.4. 路面抗滑性指标 路面抗滑性能指数SRI代表了路面行驶安全性，它与路面PCI、RDI等指标关联性不大，作为独立指标存在。预防性养护技术之于路面抗滑性能主要考虑两个因素，一种是对路面抗滑功能的恢复，另外一种是实施后应不降低或不明显降低路面抗滑效果。目前，除涂层类技术外(雾封层为代表)，其他预防性养护措施都具有抗滑功能修复的效果，因此预防性养护抗滑指标的阈值需要结合涂层类技术的效果及特点来进行确定。 2017年度7月，课题组进行了涂层类预防性养护试验段铺筑，包括西尔玛雾封层(陶土、乳化沥青)、star-seal supreme等2种技术；每种类型试验段长度都约为1000 m，试验段原路面技术状况均为优。2种表面封层技术都添加了玄武岩砂作为外加剂。施工均为双层施工，施工前后对路面构造深度、摆式摩擦进行了检测，施工两月后进行了路面横向力系数检测，试验结果见图2、表4。 图2. 施工前后检测数据。(a) 涂层类构造深度变化；(b) 涂层类摆式摩擦变化 Table 4 Change of lateral force coefficient of pavement (100 measured data value 序号 雾封层 star-seal supreme 实施前 60 d后 实施前 60 d后 1 52 50 53 54 2 51 49 53 52 3 53 49 54 51 4 54 50 59 54 5 58 61 59 57 6 58 62 57 59 7 58 61 62 58 8 62 59 62 56 9 62 59 61 58 10 61 64 54 54 代表值(SFC) 57 56 57 55 表4. 路面横向力系数变化情况(100测定数据值) 图2显示，涂层类技术施工后，路面构造深度均降低，摆式摩擦系数升高；两种涂层类技术洒布一层后，路面构造深度分别降低15.2%、14.5%，摆式摩擦系数分别提高44.8%、47.8%；洒布两层后，构造深度分别降低28.9%、28.4%，摆式摩擦系数分别提高59.4%，51.6%。 表4表明，开放交通60天后，实施涂层类技术的路段其横向力系数已经下降到原路面或相近路段水平。数据表明，其横向力系数代表值比养护前分别下降了1、2，下降百分比分别为1.7%、3.5%；现场观测显示，雾封层、star-seal supreme材料仍然较好的附着、填充于路面表面及细小缝隙处，但是最表面的材料已被磨损掉，致使路面抗滑值恢复到的与原路面基本相当的水平。长安大学王朝辉 [ 19 ] 统计数据显示，国内雾封层技术实施后，路面抗滑性能平均降低约7.3%，但不同雾封层材料差异明显，离散性大，即对抗滑值的影响与材料、施工具有明显关系；根据上述数据，我们得到以下结论： 1) 含砂雾封层、star-seal supreme等涂层类技术，在开放交通初期可以明显提高路面的抗滑性能，但是交通开放后，路面抗滑性能衰减迅速，直至下降到与原路面或附近未实施路段抗滑水平相当；涂层类技术主要的作用在于防水、补充缺失的沥青胶浆以及延缓沥青膜的进一步剥落； 2) 在材料及施工质量良好的情况下，雾封层技术能够很小程度降低路面抗滑性能，考虑检测误差等因素，甚至可以认为没有影响。 目前现行公路沥青路面养护设计规范规定路面摩擦性能用路面摩擦系数指数SRI < 75作为预防性养护的标准，SRI指标按式1进行计算： S R I = 100 − S R I min 1 + a 0 e min a 1 ， S F C 式1 式1中： S F C 为横向力系数(Side-way Force Coefficient)；SRI min 为标定参数，采用35.0；a 0 为模型参数，采用28.6；a 1 为模型参数，采用−0.105。 按照公式1，计算得到对应的路面横向力系数SFC为37，但是高速公路车辆行驶速度高，为保证行驶安全性，路面抗滑性能应满足更高的要求。表5为山东地区4条典型高速公路路面抗滑值检测数据，其中SFC数据为95%的置信度下路面横向力系数代表值；由于每条高速车道数、交通流组成不同，为有效比较，表5中当量小客车交通量为折算到单车道、单方向当量交通量。结果表明，在两年时间内各个高速路面横向力系数SFC分别下降了3、6、8、12，即不同交通量等级条件下路面抗滑代表值下降程度是不同的。因此，不同交通量等级的高速公路，可以设定不同的抗滑阈值。 每一种预防性养护技术都具有相应的预期使用寿命，通常期望涂层类技术的寿命为1~2年。结合前文论述的涂层类对路面抗滑的影响，综合考虑目前预防性养护现状及公路技术状况评定标准，本文将交通量较低的高速路面的横向力系数SFC阈值定为45、交通量大路面的阈值系数SFC定为48，其目的是保证涂层类技术应用于路面后，在涂层类技术预期寿命使用期间，路面抗滑性能保持相对良以上水平。 Table 5 Anti-skid attenuation results of expressway pavemen 高速项目 当量小客车交通量(辆/日) 2017年度(SFC) 2019年度(SFC) 差值 G3(威乳) 4255 58.3 55.1 −3 G1(济莱) 10507 56.2 50.2 −6 G2(绕城) 11682 58.6 50.8 −8 G4(京台) 17333 58.9 47.3 −12 表5. 高速公路路面抗滑衰减结果