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原文传递基于路表纹理特性的沥青路面抗滑恢复技术决策研究

论文题名：	基于路表纹理特性的沥青路面抗滑恢复技术决策研究
关键词：	沥青路面;路表纹理;抗滑恢复技术;动摩擦系数阈值;BP神经网络;抗滑养护决策模型
摘要：	随着道路交通网的日趋完善，道路建设逐渐向管理养护转型，在役道路的及时养护维修逐渐成为交通领域内一个热点话题。对在役道路采取实时的、有效的预防性养护措施可以减少因养护维修造成的交通封闭和交通拥堵现象，排除可能存在的道路安全隐患，极大地降低路面维修成本。目前，沥青路面养护策略多以车辙、坑洞、龟裂等直观的路面病害为出发点，对路表抗滑性能的影响关注不足，尤其是雨雪天气在隧道和长下坡路段交通事故的频发与路面抗滑不足息息相关。关于沥青路面抗滑恢复的技术措施较为成熟，但主要依赖于专家的工程经验和主观判断，未有科学合理的比选决策方法。鉴于此，论文采用数值计算与仿真模拟相结合的手段，基于沥青路面路表纹理特性和车辆动力学模型，探究了典型抗滑恢复技术处理的沥青路面抗滑性能衰减规律及不同抗滑恢复技术的综合适用性，仿真分析了不同工况下路表抗滑性能阈值，采用BP神经网络算法建立了基于路表纹理特性的沥青路面抗滑恢复技术决策模型。　　首先，基于沥青路面纹理特性及Persson摩擦模型，采用ACRP系统采集路表纹理信息并计算得到不同路面状态下动摩擦系数值；干燥条件下沥青路面路表抗滑性能高于潮湿路面，速度越大两者差异性越显著，对于AC路面，当速度为55km/h时，动摩擦系数相比潮湿路面增加了0.3063。从路面角度分析，发现混合料集料和沥青品质的选择、级配、拌和等施工工艺等均对路面抗滑性能大小有显著影响，路表抗滑阈值主要受气候条件和道路设计参数的影响。　　其次，选取精表处、精细抗滑碎石封层、排水沥青路面和超薄磨耗层四种典型抗滑恢复技术为研究对象，采用ACRP系统及Persson摩擦模型对不同抗滑恢复技术的路表抗滑性能进行评价和综合适用性分析。研究表明，干燥条件下，交工时路面抗滑性能大小依次为：超薄磨耗层＞排水沥青路面＞精表处＞精细抗滑碎石封层；潮湿条件下，交工时路面抗滑性能大小依次为排水沥青路面＞超薄磨耗层＞精表处＞精细抗滑碎石封层。精表处路面运营初期抗滑性能不变或稍微提高，重交通量路段每年抗滑下降约10%，中交通量路段8%左右；精细抗滑碎石封层运营初期变化不大，第一年重交通量路段下降25%左右、中交通量路段约为17%，第二年下降有所减缓，重、中交通量路段分别下降约8%、7%；排水沥青路面第一年重交通量路段下降9%左右，随后下降速率减缓且年平均5%左右；超薄磨耗层运营后下降速度比较均衡，年平均下降10%左右。四种抗滑恢复技术下新建沥青路面的动摩擦系数变化趋势基本一致，抗滑衰减速率大小依次为：精细抗滑碎石封层＞精表处＞超薄磨耗层＞排水沥青路面，路面表层厚度和抗滑衰减速率在一定程度上呈反相关。　　再次，基于车辆动力学理论，以刹车距离、轮胎侧滑为行车安全性的评价指标，利用CarSim/TruckSim仿真得到不同类型车辆在直线路段、下坡路段及弯道路段上的路表抗滑阈值。直线路段上，随着行车速度不断提高，路表动摩擦系数阈值增幅逐渐变缓；相同行车速度下，大型车比小型车均有较大的动摩擦系数阈值，当速度为40km/h时两者相差最大，大型车所需抗滑阈值相比小型车增大了28.21%。下坡路段上，相同速度20km/h条件下，纵坡度由0.3%增大到9%时大型车需求的路表抗滑阈值增大了0.12，小型车为0.105，表明在下坡路段上大型车比小型车对纵坡度变化更加敏感。弯道路段上，当弯道半径到达一定范围（R≥95m）时，抗滑阈值会逐渐稳定并等于0.11；当超高由6%增大到10%时，速度20km/h条件下小型车需求的路表抗滑阈值降低了25.7%，速度为120km/h时需求的抗滑阈值基本保持不变，表明设计速度较低时路表抗滑性与弯道半径之间存在显著关系。　　最后，结合不同抗滑恢复技术的比选结果与不同仿真工况下沥青路面路表抗滑阈值，通过Python编程进行沥青路面抗滑阈值的快速求解并搭建了可视化的抗滑养护时机决策模型，进一步利用BP神经网络算法构建了路表抗滑恢复技术决策模型。采用ReLU激励函数和MSE损失函数构建的双隐藏层BP神经网络其测试集精确度达0.88，表明所建立的沥青路面抗滑恢复技术决策模型具有较高的精确度。进一步基于Python中Qt库开发了沥青路面抗滑养护决策系统交互程序，可为在役沥青道路提供实时、快速、可视化的抗滑养护策略。　　论文以精表处、精细抗滑碎石封层、排水沥青路面和超薄磨耗层四种典型抗滑恢复技术后处理的沥青路面路表抗滑性能为研究对象，分析了不同抗滑恢复技术的适用性及不同工况下路表抗滑阈值，采用BP神经网络算法建立了沥青路面路表抗滑恢复技术决策模型，为沥青路面抗滑养护时机和养护措施决策提供一定理论指导与技术支持。
作者：	蒋永茂
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	黄晓明
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021