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碩士畢業論論文:山區道路彎坡段路表性能分布特征分析

  • 發布日期:2018-02-06
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第一章 緒論
 
1.1 研究背景及意義
山區公路受地形條件限制,線形指標較低,道路多急彎陡坡,駕駛員視距受到嚴重影響。并且道路周圍環境多懸崖陡坡,行車環境惡劣。同時,對于低等級山區公路,監管部門缺乏統一管理,交通標志標牌缺失嚴重,道路安全設施不足,加劇了山區公路行車危險性。彎坡段是山區公路重要組成部分,其中曲線路段占公路里程的 60%以上。由于山區道路車流量較少,駕駛員駕駛行為趨向自由,導致車速遠高于設計車速。在線形較差的公路上超速行駛,必然增加事故發生的可能性。道路線形是決定車輛行車狀態的主要因素,當車輛通過彎坡段時,行車狀態的頻繁變化加劇路面材料的損耗狀態,從而導致路面抗滑性能降低。而山區環境潮濕,雨量較多,路面常年潮濕,加劇駕駛員行車的危險性。良好的路表性能可以為高速行駛的車輛提供路面與車輪之間的良好的附著性,提供輪胎與路面之間在安全距離內剎車所需要的摩阻力,減少交通事故隱患。因此,路面狀況是影響行車安全的主要因素之一。路表性能分布狀況不僅能反應路面磨耗狀況,還能夠較好反應車輛的車速變化、行車軌跡等,對分析線形因素對車輛行車狀態影響、線形指標評價、道路交通安全等具有重要意義。因此,本文分析路表構造深度橫向分布特征與車輛的行車軌跡之間的關系,縱向分布與車輛的加減速關系。進而分析在通過彎坡段時人-車-路的相互狀態,全面分析路表性能分布特征與線形參數、駕駛行為之間的關系,為山區公路線形設計和道路養護提供理論依據。
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1.2 國內外研究現狀
 
1.2.1 國內研究現狀
鋪沙法是路表構造深度值測量的傳統方法,但是人為誤差大,且效率較低,不能滿足實際實驗要求。隨著數字圖像處理技術的發展,王瑞宜[1]通過數碼相機對路表構造特征進行圖像采集,并通過鋪沙法對路表構造深度進行采集。分析圖像平均像素值,建立像素值與構造深度值之間的數學關系式,通過像素值與數學關系式提取路表構造深度值。宋永朝、梁乃興[2]通過數字圖像處理技術分析了露石混凝土路面紋理構造抗滑性能。通過數字圖像處理技術提取路表露石紋理信息,重建露石三維模型,分析露石顆粒表面形態特征對路面抗滑性能的影響。王軍[3]利用BP 神經網絡算法,優化像素值與構造深度值的數學關系模型。通過 BP 神經網絡算法建立瀝青路面構造深度預測模型,改進了以往 BP 神經網絡算法的不足,分析了主觀不定因素和單一因素對預測結果的影響。安徽大學曹道友[4]通過實驗分析對遺傳算法進行改進,論文介紹了選擇算子、交叉算子、變異算子在遺傳算法中的相互關系,并通過實驗對變異算子進行改進,提高了遺傳算法的效率,解決了遺傳算法中收斂速度與局部最優解的矛盾,并為改進構造深度預測模型提供數學理論。
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第二章 山區公路彎坡段路表性能分布影響因素
 
本章主要對比山嶺重丘區公路與平原微丘區公路線形指標的差異性,進而分析地形環境對道路線形參數的影響。針對瀝青路面構造深度值的影響因素進行研究。并且,分析行車荷載作用下瀝青路面構造深度值變化機理。
 
2.1 山區公路的設計特征
隨著我國經濟的發展,國家大力投資建設公路工程,道路設計理念也隨之改變,主要包括以下幾個階段。第一階段是我國正處于全面恢復建設階段。由于國家對于公路投資資金較少,且公路重要性認識不足。在該時期下,受制于中國較低的經濟水平,道路建設的目的單純滿足了人民出行的需要,因此形成了經濟型道路設計理念。在該理念的指導下,公路設計的主要問題集中于如何降低工程造價,造價成為了選擇技術標準和道路選線的主要標準。第二階段是我國正處于改革開放后全面建設時期。在改革開放的大背景下,我國經濟得到良好的發張,公路需求增加,同時由于之前對公路設計認識不足,導致交通事故頻發。因此,道路建設理念變成在滿足人民出行需求的基礎上提高設計速度。此時,道路設計理念為“安全、舒適、經濟、美觀”。具體表現形式包括加大高等級公路建設力度,強調線形組合的合理性,同時達到快速、舒適的效果。第三階段是 20 世紀 90 年代至今,隨著國家經濟的快速發展,工業技術水平也得到了較大提高,經濟與技術已不再是制約道路發展的主要原因。此時,除了考慮公路自身功能之外,更加注重對環境的影響。公路設計理念也隨之改變成“安全、環保、舒適、和諧”。具體表現為強調降低路基邊坡、少填少挖、減少因修建公路對周圍環境和生態系統的破壞。
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2.2 行車荷載下路表性能變化機理研究
路表構造深度(TD texture depth)是路面粗糙度的重要指標,是指一定面積的路表面凹凸不平的開口孔隙的平均深度。主要用于評定路表的宏觀粗糙度、排水性能及抗滑性。道路由新變舊的過程,伴隨著路表構造深度的變化。在車輛行車荷載作用下,對瀝青路面構造深度值產生影響的主要機理為壓密變形與磨耗。在瀝青道路使用初期,主要以壓密變形為主;在道路使用中后期,主要以磨光、磨耗為主。對于新建瀝青道路,路面壓實度較低,瀝青混合料在車輛荷載作用下被進一步壓密。此時,道路路面變形主要為壓密變形。實際表現為:輪跡帶處路表高度低于周圍,瀝青混合料的密實度增加,孔隙率降低,路表構造深度隨之降低。隨著車輛的反復碾壓,混合料密實度趨于穩定,但部分顆粒存在遷移現象。此時,混合料中的裸露粗集料下降,細集料隨之上升,路表密集度雖然沒有明顯變化,但路表構造深度明顯降低。在新建路面初始階段,壓密變形與集料移動對路表構造深度造成的影響往往是同時發生的,該階段路表構造深度變化顯著。
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第三章 實驗方案及數據采集............ 15
3.1 實驗路段選取原則 ............. 15
3.2 實驗方案設計 ........ 19
3.3 構造深度檢測方法 ............. 22
3.4 基于數字圖像處理技術的構造深度值提取研究 .... 25
3.5 小結 ........... 36
第四章 彎坡段路表性能縱向分布特征分析.......... 37
4.1 彎坡組合段路表性能縱向分布影響因素分析 ........ 37
4.2 坡度對路表性能縱向分布影響分析 ........... 39
4.3 彎道半徑對路表特性縱向分布影響分析 ................ 41
4.4 路表構造深度縱向分布特征分析 ............... 51
4.5 小結 ........... 53
第五章 彎坡組合段路表性能橫向分布特征分析.............. 55
5.1 彎坡組合段路表性能橫向分布影響因素分析 ........ 55
5.2 彎坡組合段路表性能橫向分布特征分類 ................ 55
5.3 路表性能橫向分布特征分析 .......... 60
5.4 基于路表性能橫向分布特征的行車軌跡研究 ........ 65
5.5 小結 ........... 66
 
第五章 彎坡組合段路表性能橫向分布特征分析
 
5.1 彎坡組合段路表性能橫向分布影響因素分析
基于路表磨耗理論,路表構造深度值橫向分布主要差異存在于輪跡帶與非輪跡帶之間,輪跡帶處由于受車輛磨耗較多,路表構造深度值要小于非輪跡帶處的構造深度值。因此,可以通過路表構造深度橫向分布來判定車輛的行車軌跡。如圖 5-1 所示:駕駛員對行車路線的選擇受到多方面因素影響,主要包括駕駛員的行車習慣、道路線形、道路環境、車輛狀況等,而行車軌跡反映駕駛員綜合考慮各方面因素后作出的最優選擇。由于不同駕駛員的行車習慣不同,對道路環境判斷不同,因此最終對路線的選擇也不同。徐進在行車軌跡決策目標分析中,通過實測,歸納總結出以下幾種典型駕駛行為。對于駕駛經驗豐富或者追求速度的駕駛員,速度決定駕駛行為及行車軌跡。駕駛員在通過彎道時,通過優化行車軌跡,維持車速穩定,減少縱向加速度變化幅度與頻率,達到時間最短的駕駛目標。時間最優主要通過緩和軌跡半徑實現。例如,行車軌跡在彎道出、入口處偏向道路外側,以保證曲中位置軌跡的緩和性,進而保持車速穩定,降低過彎時間。
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結論
 
路表構造深度影響因素較多,本文主要分析行車荷載對路表構造深度分特征的影響。基于路表磨耗理論,路表構深度分布特征影響因素分為車輛加速度和行車軌跡。車輛加速度主要影響路表構造深度縱向分布,行車軌跡主要影響路表構造深度橫向分布。速度波動幅度及波動點位置決定了彎坡組合段構造深度縱向分布特征,而曲線半徑是影響車輛速度變化的主要因素,坡度起輔助作用。基于路表構造深度縱向分布特征,分析不同線形組合下路面主要磨耗區域分布特征,如表 6.1 所示:路表構造深度橫向分布特征影響因素為車輛行車軌跡,半徑決定車輛的行車軌跡。首先通過斷面構造深度橫向分布特征及行車軌跡特征,將斷面構造深度分布特征分為:紊亂型分布和條理性分布。分析不同半徑下道路斷面構造深度橫向分布特征可知:當 R<50m,紊亂型斷面主要集中于 HY 斷面-YH 斷面之間。并且分布范圍隨半徑減小,逐漸向 QZ 斷面靠近。表明駕駛員通過彎道時,路線選擇存在多樣性。當 R>50m 時,檢測斷面構造深度值分布條理,駕駛員路線選擇相對一致。當 50m<R<170m 時,左轉車輛存在入侵對向車道行為。右轉車輛沿彎道內側行駛。當 R>170m 時,行車軌跡與路線吻合度較高。本文對路表構造深度測量采用數字圖像處理技術,在像素灰度均值提取過程中建立了灰度偏差模型,將像素灰度值與構造深度值更好結合在一起。在灰度均值與構造深度值關系模型建立過程中,采用遺傳算法,擬合效果增強。通過上述方法,增加數字圖像處理的準確性。通過路表構造深度值分布特征分析,確定不同線形組合下車輛行車狀態變化特征。綜合分析路表構造深度特征與線形參數及駕駛行為之間關系,對提高道路線形、路面設計及養護具有重要意義。通過構造深度橫向分布特征,結合車輛行車軌跡,提出路表構造深度橫向分布類型:紊亂型分布和條理型分布。根據分布類型,確定駕駛員通過該斷面時路線選擇的一致性和多樣性。一致性表明,駕駛員行車軌跡與道路線形吻合度高,線形良好;多樣性則表明行車軌跡與道路線形存在偏差,道路線形不能滿足駕駛員對行車環境的期望。因此,路表構造深度橫向分布類型可作為道路線形評價指標之一。
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參考文獻(略)
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