一种长寿命路面结构优选新方法

1.本发明属于道路工程技术领域，涉及一种长寿命路面结构优选新方法。


背景技术：

2.据2020年交通运输行业发展统计公报数据，截至目前，全国公路和道路养护总里程已达到514.4万公里，占公路总里程的99％，公路和道路养护市场巨大，养护体量和养护费用高昂，因此，研究低维护的长寿命道路对于提高交通建设和城市高质量发展具有重要的推动作用。
3.当前长寿命路面常用的结构形式主要有全厚式沥青路面结构、半刚性基层路面结构、柔性基层路面结构以及组合式沥青路面结构。在长寿命路面结构设计中，往往存在多种路面结构能够满足《沥青路面设计规范》(jtg d50-2017)规定的设计指标。在路面结构满足规定的设计指标后，决策者一般会根据自己的经验判断，确定各性能指标的重要程度，从中选取出最优的路面结构。采用经验判断的方式，随意性较大，会造成准确性与可靠性稍差。
4.长寿命路面的路用性能会受到路面结构永久变形量、疲劳特性、路基顶部压应变等性能指标的影响，因此，如何从不同的路面结构中科学的选取一个具有最优路用性能的长寿命路面结构是一个复杂的综合性问题。为了兼顾路面结构的永久变形量、疲劳特性、路基顶部压应变等性能指标，本专利发明了一种长寿命路面结构优选新方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种长寿命路面结构优选新方法，该方法是在路面结构满足规范提出的设计指标的情况下，以路面结构的沥青混合料永久变形量、沥青混合料层疲劳开裂、路基顶部压应变等性能指标作为评价指标，采取平衡的思想，从中选取出一个最优的路面结构。
6.本发明的技术方案是：
7.本发明提供的一种长寿命路面结构优选新方法，包括以下步骤：
8.步骤一、根据交通参数、环境因素、土基状况与材料特性因素初拟几种长寿命路面结构；
9.步骤二、采用kenpave软件对初拟的路面结构进行验算；
10.步骤三、根据现有规范、规程所规定的室内试验方法，分别获取m个路面结构方案的n项性能指标,组成决策矩阵x，并进行标准化处理，将决策矩阵x转换为标准化决策矩阵y；
11.路面结构方案集：w＝{w1，w2，
…
，wn}；路用性能指标集：v＝{v1，v2，
…
，vn}
[0012][0013]
式中：i表示第i项路用性能指标，j表示第j个路面结构方案，m表示初拟的路面结
构的数量，n表示用到的路用性能指标的数量；
[0014]
标准化处理，将决策矩阵x转换为标准化决策矩阵y
[0015]
y"
ij
＝max{x
ij
}-x
ij
[0016][0017][0018]
式中：y"
ij
为逆向指标，y
ij
为标准化路用性能指标；
[0019]
步骤四、根据标准化决策矩阵y，采用熵权法和变异系数法分别对第i项性能指标进行赋权；
[0020]
首先采用熵权法对第i项指标进行赋权
[0021][0022]
若f
ij
＝0，则f
ij
lnf
ij
＝0
[0023][0024]
式中：f
ij
表示的是第j个路面结构方案中第i项路用性能指标占总体的比重，ei表示的是第i项路用性能指标的熵值，di表示的是第i项路用性能指标的熵权；
[0025]
其次，采用变异系数法对第i项指标进行赋权
[0026][0027][0028][0029][0030]
式中：表示的是第i项路用性能指标的均值，si表示的是第i项路用性能指标的标准差，vi表示的是第i项路用性能指标的变异系数，pi表示的是第i项路用性能指标的权重；
[0031]
步骤五、组合赋权确定权重，并将组合赋权得到的权重与标准化决策矩阵y相乘，得到最终的平衡度得分；
[0032][0033]hi
＝y
ij
×
wi[0034]
式中：wi表示的是第i项路用性能指标组合赋权的权重，hi表示的是第i项路用性能指标的平衡度得分；
[0035]hi
越大，则表示此路面结构路用性能就越优，根据计算的平衡度的大小，选取路面结构。
[0036]
进一步地，在步骤一中，根据当地的交通量、环境因素及土基状况初拟的长寿命路面结构形式有：刚性基层路面结构、柔性基层路面结构、全厚式沥青路面结构以及组合式沥青路面结构。
[0037]
进一步地，在步骤二中，采用kenpave软件对路面结构方案进行验算，判断是否满足规范的设计指标。对于长寿命路面，验证的设计指标主要是：沥青层层底拉应变、路基顶面压应变。沥青层层底拉应变应不大于70με，采用改性沥青时应不大于100με。路基顶面压应变应不大于220με。满足上述的设计指标，基本可以满足长寿命路面的需求。
[0038]
进一步地，在步骤三中，决策变量x
1j
表示的是路面结构永久变形量的试验数据；x
2j
表示路面结构疲劳开裂的试验数据，采用疲劳开裂来表征路面结构的疲劳特性；x
3j
表示的是路基顶面压应变的试验数据。对原始指标值进行预处理时，逆向指标需要先进行正向化处理，之后进行标准化处理，而正向指标只需要标准化处理即可，通过预处理可将数据转化到[0,1]区间，以便对各项性能指标进行评价。
[0039]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0040]
此方法的优点在于能够兼顾各项性能指标，避免了过度放大某一指标的重要性，并且对数据要求较低，工作量较少，能够客观的选取到最优的路面结构。用此方法，可以在长寿命路面结构设计中，优选出路用性能最好的路面结构，从而提高长寿命路面的使用年限。
[0041]
本发明采用了原理相似的熵权法与变异系数法进行组合赋权，在传统熵权法的基础上，加入变异系数法，避免出现因单一方法计算权重值而产生评价结果差异较大的情况，更加准确反映设计指标的权重，相比于单独考虑长寿命路面的各项性能指标，本发明所提出的方法采用了多目标平衡的思想，通过组合赋权的方式，综合考虑了路面结构的各项性能指标，从而选取最优的路面结构，达到提高长寿命路面使用年限的目标。
附图说明
[0042]
图1为一种长寿命路面结构优选新方法的流程示意图
具体实施方式
[0043]
下面结合实例对本发明进行详细的描述。
[0044]
首先，根据交通参数、环境因素、土基状况与材料特性等因素初拟几种长寿命路面结构。
[0045]
其中，交通参数主要包括车辆类型、交通量及各级轴载的作用次数换算成标准轴
载的作用次数，可通过交通抽样调查获取。环境条件可以通过气候分区获取，同时可以由当地的气象局获得降雨量、温度等影响路面材料物理状态的主要环境因素。土基需要承担道路结构及车辆荷载的重量，要满足在车辆长时间的运行中，不会发生沉降。结构层材料则根据道路各结构层承担的作用，进行选取。初拟的路面结构如下表所示。
[0046]
表1初拟路面结构1
[0047][0048]
表2初拟路面结构2
[0049][0050]
表3初拟路面结构3
[0051][0052]
表4初拟路面结构4
[0053][0054]
之后，将拟定路面结构中各结构层厚度、材料模量、计算点位和荷载类型等信息输入到kenpave软件中，通过软件可计算出路面结构的沥青层层底拉应变及路基顶面压应变，判断其是否满足设计指标的要求。
[0055]
表5设计指标数据表
[0056]
路面结构沥青层层底拉应变(με)路基顶部压应变(με)初拟路面结构145.1139.4初拟路面结构281.5197.8初拟路面结构339.293.4初拟路面结构438.6100.7
[0057]
沥青层层底拉应变应不大于70με，采用改性沥青时应不大于100με。路基顶面压应变应不大于220με。初拟的路面结构均可以满足设计指标要求。
[0058]
采用本发明，对算例拟定的路面结构进行优选。本算例所采用的性能指标有：沥青混合料永久变形量，沥青混合料层疲劳开裂次数及路基顶部压应变。根据《沥青路面设计规范》(jtg d50-2017)，沥青混合料层永久变形量可通过对各沥青混合料层的变形量进行计算，得到总的变形量。疲劳开裂次数可根据沥青混合料层层底拉应力进行计算。路面结构各性能指标的计算结果如表6所示。
[0059]
表6决策矩阵
[0060][0061]
对原始指标值进行预处理，将决策矩阵变为标准化决策矩阵，如表7。
[0062]
逆向指标正向化预处理：y"
ij
＝max{x
ij
}-x
ij
[0063]
标准化预处理：
[0064]
表7标准化决策矩阵
[0065][0066]
根据标准化决策矩阵，采用熵权法计算各指标的熵值及熵权，如表8。
[0067]
第i项指标的比重：
[0068]
第i项指标的熵值：若f
ij
＝0，则f
ij
lnf
ij
＝0
[0069]
第i项指标的熵权：
[0070]
表8熵权计算表
[0071][0072]
根据标准化决策矩阵，采用变异系数法计算变异系数,如表9。
[0073]
第i项指标的均值：
[0074]
第i项指标的标准差：
[0075]
变异系数：
[0076]
计算各设计指标的权重：
[0077]
表9变异系数计算表
[0078][0079][0080]
计算组合权重
[0081]
组合赋权：
[0082]
通过计算，得到的组合权重为：0.377，0.320，0.303。
[0083]
计算得到最终的平衡度得分，如表10所示。
[0084]
平衡度得分：hi＝y
ij
×
wi[0085]
表10平衡度得分表
[0086]
计算结果路面结构1路面结构2路面结构3路面结构4平衡度得分0.5250.350.7810.602
[0087]
最后，对路面结构的平衡度得分进行对比，平衡度得分越高，则综合性能越优。路面结构3具有最优的路用性能。
[0088]
本发明可以为长寿命路面结构的选取提供一种新的选择方法，达到路用性能最优，使用寿命最长的目的。
[0089]
本发明基于长寿命路面结构的验算指标，对长寿命路面结构的性能优良与否，做了综合的权重评价，结果具有较高的可靠性与稳健性。针对不同地区长寿命路面常见的道路病害，可针对性的提高相应指标的权重，以适用于不同地区长寿命路面结构的选取。通过采用此方法，综合考虑了路面结构的各项性能指标，避免了过度放大某一指标的重要性，可以选取到综合性能最优的路面结构。
[0090]
综上所述，运用本发明可以针对预填骨料混凝土工作性能，力学性能及收缩性能的多目标平衡需求，基于响应面模型分别建立单一响应关系，采用期望函数法使得在满足可接受多目标响应需求的范围内，获得预填骨料混凝土灌浆材料参数的最优组合，在组分取值均适中时使复合合意性d值最大，并能够方便地确定多重目标响应需求下的灌浆材料参数可行域范围。
[0091]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。