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硕士毕业论论文:山区道路弯坡段路表性能分布特征分析

  • 发布日期:2018-02-06
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第一章 绪论
 
1.1 研究背景及意义
山区公路受地形条件限制,线形指标较低,道路多急弯陡坡,驾驶员视距受到严重影响。并且道路周围环境多悬崖陡坡,行车环境恶劣。同时,对于低等级山区公路,监管部门缺乏统一管理,交通标志标牌缺失严重,道路安全设施不足,加剧了山区公路行车危险性。弯坡段是山区公路重要组成部分,其中曲线路段占公路里程的 60%以上。由于山区道路车流量较少,驾驶员驾驶行为趋向自由,导致车速远高于设计车速。在线形较差的公路上超速行驶,必然增加事故发生的可能性。道路线形是决定车辆行车状态的主要因素,当车辆通过弯坡段时,行车状态的频繁变化加剧路面材料的损耗状态,从而导致路面抗滑性能降低。而山区环境潮湿,雨量较多,路面常年潮湿,加剧驾驶员行车的危险性。良好的路表性能可以为高速行驶的车辆提供路面与车轮之间的良好的附着性,提供轮胎与路面之间在安全距离内刹车所需要的摩阻力,减少交通事故隐患。因此,路面状况是影响行车安全的主要因素之一。路表性能分布状况不仅能反应路面磨耗状况,还能够较好反应车辆的车速变化、行车轨迹等,对分析线形因素对车辆行车状态影响、线形指标评价、道路交通安全等具有重要意义。因此,本文分析路表构造深度横向分布特征与车辆的行车轨迹之间的关系,纵向分布与车辆的加减速关系。进而分析在通过弯坡段时人-车-路的相互状态,全面分析路表性能分布特征与线形参数、驾驶行为之间的关系,为山区公路线形设计和道路养护提供理论依据。
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1.2 国内外研究现状
 
1.2.1 国内研究现状
铺沙法是路表构造深度值测量的传统方法,但是人为误差大,且效率较低,不能满足实际实验要求。随着数字图像处理技术的发展,王瑞宜[1]通过数码相机对路表构造特征进行图像采集,并通过铺沙法对路表构造深度进行采集。分析图像平均像素值,建立像素值与构造深度值之间的数学关系式,通过像素值与数学关系式提取路表构造深度值。宋永朝、梁乃兴[2]通过数字图像处理技术分析了露石混凝土路面纹理构造抗滑性能。通过数字图像处理技术提取路表露石纹理信息,重建露石三维模型,分析露石颗粒表面形态特征对路面抗滑性能的影响。王军[3]利用BP 神经网络算法,优化像素值与构造深度值的数学关系模型。通过 BP 神经网络算法建立沥青路面构造深度预测模型,改进了以往 BP 神经网络算法的不足,分析了主观不定因素和单一因素对预测结果的影响。安徽大学曹道友[4]通过实验分析对遗传算法进行改进,论文介绍了选择算子、交叉算子、变异算子在遗传算法中的相互关系,并通过实验对变异算子进行改进,提高了遗传算法的效率,解决了遗传算法中收敛速度与局部最优解的矛盾,并为改进构造深度预测模型提供数学理论。
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第二章 山区公路弯坡段路表性能分布影响因素
 
本章主要对比山岭重丘区公路与平原微丘区公路线形指标的差异性,进而分析地形环境对道路线形参数的影响。针对沥青路面构造深度值的影响因素进行研究。并且,分析行车荷载作用下沥青路面构造深度值变化机理。
 
2.1 山区公路的设计特征
随着我国经济的发展,国家大力投资建设公路工程,道路设计理念也随之改变,主要包括以下几个阶段。第一阶段是我国正处于全面恢复建设阶段。由于国家对于公路投资资金较少,且公路重要性认识不足。在该时期下,受制于中国较低的经济水平,道路建设的目的单纯满足了人民出行的需要,因此形成了经济型道路设计理念。在该理念的指导下,公路设计的主要问题集中于如何降低工程造价,造价成为了选择技术标准和道路选线的主要标准。第二阶段是我国正处于改革开放后全面建设时期。在改革开放的大背景下,我国经济得到良好的发张,公路需求增加,同时由于之前对公路设计认识不足,导致交通事故频发。因此,道路建设理念变成在满足人民出行需求的基础上提高设计速度。此时,道路设计理念为“安全、舒适、经济、美观”。具体表现形式包括加大高等级公路建设力度,强调线形组合的合理性,同时达到快速、舒适的效果。第三阶段是 20 世纪 90 年代至今,随着国家经济的快速发展,工业技术水平也得到了较大提高,经济与技术已不再是制约道路发展的主要原因。此时,除了考虑公路自身功能之外,更加注重对环境的影响。公路设计理念也随之改变成“安全、环保、舒适、和谐”。具体表现为强调降低路基边坡、少填少挖、减少因修建公路对周围环境和生态系统的破坏。
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2.2 行车荷载下路表性能变化机理研究
路表构造深度(TD texture depth)是路面粗糙度的重要指标,是指一定面积的路表面凹凸不平的开口孔隙的平均深度。主要用于评定路表的宏观粗糙度、排水性能及抗滑性。道路由新变旧的过程,伴随着路表构造深度的变化。在车辆行车荷载作用下,对沥青路面构造深度值产生影响的主要机理为压密变形与磨耗。在沥青道路使用初期,主要以压密变形为主;在道路使用中后期,主要以磨光、磨耗为主。对于新建沥青道路,路面压实度较低,沥青混合料在车辆荷载作用下被进一步压密。此时,道路路面变形主要为压密变形。实际表现为:轮迹带处路表高度低于周围,沥青混合料的密实度增加,孔隙率降低,路表构造深度随之降低。随着车辆的反复碾压,混合料密实度趋于稳定,但部分颗粒存在迁移现象。此时,混合料中的裸露粗集料下降,细集料随之上升,路表密集度虽然没有明显变化,但路表构造深度明显降低。在新建路面初始阶段,压密变形与集料移动对路表构造深度造成的影响往往是同时发生的,该阶段路表构造深度变化显著。
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第三章 实验方案及数据采集............ 15
3.1 实验路段选取原则 ............. 15
3.2 实验方案设计 ........ 19
3.3 构造深度检测方法 ............. 22
3.4 基于数字图像处理技术的构造深度值提取研究 .... 25
3.5 小结 ........... 36
第四章 弯坡段路表性能纵向分布特征分析.......... 37
4.1 弯坡组合段路表性能纵向分布影响因素分析 ........ 37
4.2 坡度对路表性能纵向分布影响分析 ........... 39
4.3 弯道半径对路表特性纵向分布影响分析 ................ 41
4.4 路表构造深度纵向分布特征分析 ............... 51
4.5 小结 ........... 53
第五章 弯坡组合段路表性能横向分布特征分析.............. 55
5.1 弯坡组合段路表性能横向分布影响因素分析 ........ 55
5.2 弯坡组合段路表性能横向分布特征分类 ................ 55
5.3 路表性能横向分布特征分析 .......... 60
5.4 基于路表性能横向分布特征的行车轨迹研究 ........ 65
5.5 小结 ........... 66
 
第五章 弯坡组合段路表性能横向分布特征分析
 
5.1 弯坡组合段路表性能横向分布影响因素分析
基于路表磨耗理论,路表构造深度值横向分布主要差异存在于轮迹带与非轮迹带之间,轮迹带处由于受车辆磨耗较多,路表构造深度值要小于非轮迹带处的构造深度值。因此,可以通过路表构造深度横向分布来判定车辆的行车轨迹。如图 5-1 所示:驾驶员对行车路线的选择受到多方面因素影响,主要包括驾驶员的行车习惯、道路线形、道路环境、车辆状况等,而行车轨迹反映驾驶员综合考虑各方面因素后作出的最优选择。由于不同驾驶员的行车习惯不同,对道路环境判断不同,因此最终对路线的选择也不同。徐进在行车轨迹决策目标分析中,通过实测,归纳总结出以下几种典型驾驶行为。对于驾驶经验丰富或者追求速度的驾驶员,速度决定驾驶行为及行车轨迹。驾驶员在通过弯道时,通过优化行车轨迹,维持车速稳定,减少纵向加速度变化幅度与频率,达到时间最短的驾驶目标。时间最优主要通过缓和轨迹半径实现。例如,行车轨迹在弯道出、入口处偏向道路外侧,以保证曲中位置轨迹的缓和性,进而保持车速稳定,降低过弯时间。
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结论
 
路表构造深度影响因素较多,本文主要分析行车荷载对路表构造深度分特征的影响。基于路表磨耗理论,路表构深度分布特征影响因素分为车辆加速度和行车轨迹。车辆加速度主要影响路表构造深度纵向分布,行车轨迹主要影响路表构造深度横向分布。速度波动幅度及波动点位置决定了弯坡组合段构造深度纵向分布特征,而曲线半径是影响车辆速度变化的主要因素,坡度起辅助作用。基于路表构造深度纵向分布特征,分析不同线形组合下路面主要磨耗区域分布特征,如表 6.1 所示:路表构造深度横向分布特征影响因素为车辆行车轨迹,半径决定车辆的行车轨迹。首先通过断面构造深度横向分布特征及行车轨迹特征,将断面构造深度分布特征分为:紊乱型分布和条理性分布。分析不同半径下道路断面构造深度横向分布特征可知:当 R<50m,紊乱型断面主要集中于 HY 断面-YH 断面之间。并且分布范围随半径减小,逐渐向 QZ 断面靠近。表明驾驶员通过弯道时,路线选择存在多样性。当 R>50m 时,检测断面构造深度值分布条理,驾驶员路线选择相对一致。当 50m<R<170m 时,左转车辆存在入侵对向车道行为。右转车辆沿弯道内侧行驶。当 R>170m 时,行车轨迹与路线吻合度较高。本文对路表构造深度测量采用数字图像处理技术,在像素灰度均值提取过程中建立了灰度偏差模型,将像素灰度值与构造深度值更好结合在一起。在灰度均值与构造深度值关系模型建立过程中,采用遗传算法,拟合效果增强。通过上述方法,增加数字图像处理的准确性。通过路表构造深度值分布特征分析,确定不同线形组合下车辆行车状态变化特征。综合分析路表构造深度特征与线形参数及驾驶行为之间关系,对提高道路线形、路面设计及养护具有重要意义。通过构造深度横向分布特征,结合车辆行车轨迹,提出路表构造深度横向分布类型:紊乱型分布和条理型分布。根据分布类型,确定驾驶员通过该断面时路线选择的一致性和多样性。一致性表明,驾驶员行车轨迹与道路线形吻合度高,线形良好;多样性则表明行车轨迹与道路线形存在偏差,道路线形不能满足驾驶员对行车环境的期望。因此,路表构造深度横向分布类型可作为道路线形评价指标之一。
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