系統識別號 | U0002-1209200617231200 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2006.00304 |
論文名稱(中文) | 柔性鋪面績效預測模式之建立 |
論文名稱(英文) | Development of Performance Prediction Models for Flexible Pavements |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 土木工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Civil Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 94 |
學期 | 2 |
出版年 | 95 |
研究生(中文) | 吳佩樺 |
研究生(英文) | Pei-Hua Wu |
學號 | 692311573 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2006-07-13 |
論文頁數 | 151頁 |
口試委員 |
指導教授
-
李英豪(yinghaur@mail.tku.edu.tw)
委員 - 劉明仁 委員 - 顏少棠 |
關鍵字(中) |
柔性鋪面 車轍 疲勞裂縫 美國長程鋪面績效LTPP 績效 預測模式 |
關鍵字(英) |
Flexible Pavement Rutting Fatigue Cracking LTPP Performance Prediction Model |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
績效預測模式普遍應用於鋪面設計、評估、維修及路網管理各個方面。AASHTO2002手冊應用力學經驗方法改進了許多問題,但受到績效預測精確度的影響非常明顯。本研究利用美國長程鋪面績效資料庫(http://www.datapave.com)來探討與驗證現有柔性鋪面績效預測模式,由研究結果發現預測模式與資料庫之現地調查值有明顯差異,其模式預測結果是非常需要改進。因此,本研究嘗試利用上述之資料庫對於柔性鋪面之車轍及疲勞裂縫預測模式做進一步的改善。 針對反應變數進行探討分析時發現,由常態分配對於隨機誤差與連續變異情形,可能不適用傳統統計迴歸方法來構建預測模式。因此,本研究於後續分析時採用廣義線性模式(GLM)與廣義相加模式(GAM)對於反應變數的分佈情形均不給予任何假設,而是採用以概似估計法的方式測試分配適用度,其中以柏松分配之適用性較良好。並配合Box-Cox power transformation轉換法、視覺圖的技術,以及李英豪教授建議的系統化之統計與工程分析方法應用於構建預測模式中。 本研究將構建完成之預測模式檢定其適合度及針對相關的參數進行敏感度分析,最後建構之模式其適用情形與過去模式相比,有的到良好的改善。對目前建立之模式於未來亦可作更進一步之改進,使其更為完善。 |
英文摘要 |
Performance predictive models have been used in various pavement design, evaluation, rehabilitation, and network management activities. The improved 2002 AASHTO guide adopted mechanistic empirical pavement design approach which considerably depends upon the accuracy of pavement performance predictions. The prediction accuracy of existing flexible pavement performance prediction models was first investigated using the Long-Term Pavement Performance database (http://www.datapave.com or LTPP DataPave Online) and the results showed that it is greatly in need for improvement. Thus, this study strives to develop improved rutting and fatigue cracking prediction models for flexible pavements using the aforementioned database. Exploratory data analysis (EDA) of the response variables indicated that the normality assumption with random errors and constant variance using conventional regression techniques might not be appropriate for prediction modeling. Therefore, without assuming the error distribution of the response variable, generalized linear model (GLM) and general additive model (GAM) along with quasi-likelihood estimation method were Poisson distribution were adopted in the subsequent analysis. Box-Cox power transformation technique, visual graphical techniques, as well as the systematic statistical and engineering approach proposed by Lee were frequently adopted during the prediction modeling process. The goodness of the model fit was further examined through the significant testing and various sensitivity analyses of pertinent explanatory parameters. The tentatively proposed predictive models appeared to reasonably agree with the pavement performance data although their further enhancements are possible and recommended. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 目錄 I 圖目錄 V 表目錄 IX 第1章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究內容與方法 2 1.4 研究流程 4 1.5 論文組織架構 5 第2章 文獻回顧 6 2.1 柔性鋪面 6 2.1.1 柔性鋪面之種類 6 2.1.2 柔性鋪面破壞原因及型態 7 2.2 長程鋪面績效計畫LTPP 11 2.2.1 發展背景 11 2.2.2 LTPP資料庫簡介 12 2.3 多層彈性理論 13 2.3.1 Boussinesq 理論 14 2.3.2 多層彈性系統 14 2.3.3 多層彈性理論鋪面設計程式 16 2.4 鋪面績效預測模式相關研究 17 2.4.1 模式之構建與應用 17 2.4.2 早期鋪面設計公式 19 2.4.3 車轍績效預測模式 20 2.4.4 疲勞裂縫績效預測模式 22 2.5 AASHTO 柔性鋪面設計 23 2.5.1 研究發展背景 23 2.5.2 AASHTO 2002新設計理念 24 2.5.3 AASHTO 2002設計方法概述 25 2.5.4 軸重分佈頻譜 28 2.5.5 AASHTO 2002預測模式及設計流程 28 2.5.5.1 車轍預測模式 28 2.5.5.2 疲勞裂縫預測模式 32 2.6 統計方法 34 2.6.1 假設檢定 34 2.6.2 變異數分析 34 2.6.2.1 單變量 35 2.6.2.2 多變量 35 2.6.3 迴歸分析 35 2.6.3.1 簡單迴歸分析 36 2.6.3.2 複迴歸分析 36 2.6.4 統計軟體S-Plus介紹 37 2.7 小結 38 第3章 資料處理與彈性模數之探討 39 3.1 研究使用程式簡介 39 3.1.1 DataPave軟體 39 3.1.2 Design Guide 2002程式 43 3.2 模式參數資料擷取 45 3.2.1 一般基本資料 47 3.2.2 鋪面材料資料 48 3.2.3 交通調查資料 50 3.2.4 氣候環境資料 51 3.2.5 現地破壞資料 52 3.2.6 養護維修資料 53 3.2.7 BISAR程式所需相關資料與參數分析 54 3.3 試驗室與回算彈性模數之探討 55 3.3.1 LTPP回算報告 55 3.3.2 相關資料之擷取篩選與匯整 58 3.3.3 分析結果與比較 58 第4章 車轍績效預測模式 68 4.1 純經驗預測模式 68 4.1.1 資料擷取和初步分析 70 4.1.2 預測結果與分析 74 4.2 力學-經驗預測模式 86 4.2.1 資料擷取和初步分析 86 4.2.2 模式預測結果 89 4.3 純經驗法與DG2002程式結果比較 94 4.4 構建績效預測模式 98 4.4.1 選取相關參數 98 4.4.2 相關參數分析 99 4.4.3 線性迴歸結果 103 4.4.4 廣義線性模式之應用 106 4.4.5 全區預測模式之構建 107 4.4.6 分區預測模式之構建 112 4.4.7 預測模式敏感度分析 114 4.5 小結 117 第5章 疲勞裂縫績效預測模式 118 5.1 力學-經驗預測模式 118 5.1.1 資料擷取之初步分析 119 5.1.2 模式預測結果與分析 121 5.2 AI與程式結果比較 133 5.3 構建績效預測模式 136 5.3.1 全區預測模式之構建 136 5.3.2 分區預測模式之構建 139 5.3.3 全區預測模式之構建 140 5.3.4 預測模式敏感度分析 142 5.4 小結 143 第6章 結論與建議 144 6.1 結論 144 6.2 建議 145 參考文獻 147 圖目錄 圖1-1 研究流程圖 4 圖2-1 疲勞裂縫 10 圖2-2 車轍 10 圖2-3 三層系統接觸面積應力示意圖 15 圖2-4 三種應力之圖解法 15 圖2-5 歷年鋪面預測模式發展與推論空間擴展方式 18 圖2-6 模式構建的方法 19 圖2-7 車轍預測模式預測結果 22 圖2-8 設計週期之溫度分佈 30 圖2-9 鋪面結構橫斷面示意圖 31 圖3-1 選擇路段之方法 41 圖3-2 DataPave 3.0版資料擷取模式 41 圖3-3 DataPave Online版資料擷取模式 42 圖3-4 DG2002設計軟體的使用介面 43 圖3-5 顏色編碼 44 圖3-6 DG2002程式設計程序 44 圖3-7 Access程式關聯性資料庫 46 圖3-8 預測模式所需資料型態 46 圖3-9 MODCOMP4程式回算流程圖 57 圖3-10 面層之試驗室與回算值比較 60 圖3-11 底層之試驗室與回算值比較 61 圖3-12 基層之試驗室與回算值比較 61 圖3-13 路基之試驗室與回算值比較 62 圖3-14 試驗路段AASHTO土壤分類指數與試驗室MR值比較 62 圖4-1 部份路段歷年車轍深度調查值 73 圖4-2 全部地區模式預測結果 74 圖4-3 全區車轍資料依氣候狀態之分佈情形 75 圖4-4 四種氣候狀態分區之車轍預測結果 76 圖4-5 產生車轍破壞之相關影響因子 77 圖4-6 空氣含量於車轍深度預測之影響 78 圖4-7 路基土壤通過200號篩於車轍深度預測之影響 79 圖4-8 累積交通量於車轍深度預測之影響 79 圖4-9 地理位置對車轍深度預測之影響 80 圖4-10 鋪面底層型態分類對車轍深度預測之影響 81 圖4-11 氣候狀態分區對車轍深度預測之影響 82 圖4-12 冰凍指數與年平均溫度對車轍深度之影響 82 圖4-13 年平均降雨量對車轍深度預測之影響 83 圖4-14 累積交通量對車轍深度預測之影響 84 圖4-15 面層厚度對車轍深度預測之影響 84 圖4-16 底層厚度對車轍深度預測之影響 85 圖4-17 瀝青黏滯度對車轍深度預測之影響 85 圖4-18 46個路段之車轍深度歷年調查狀態 88 圖4-19 AI車轍模式預測結果 89 圖4-20 Shell車轍模式預測結果 90 圖4-21 地理位置和破壞比值對車轍深度之影響 91 圖4-22 鋪面底層分類和破壞比值對車轍深度之影響 91 圖4-23 累積交通量和破壞比值對車轍深度之影響 92 圖4-24 壓應變與面層厚度對車轍深度之影響 93 圖4-25 面層彈性模數和破壞比值對車轍深度之影響 93 圖4-26 路基回彈模和破壞比值對車轍深度之影響 94 圖4-27 DG2002程式預測結果 95 圖4-28 SHRP P-020預測結果 95 圖4-29 DG2002程式分區預測結果 96 圖4-30 影響車轍之相關因子 99 圖4-31 年平均車轍深度與其他參數之關係(一) 100 圖4-32 年平均車轍深度與其他參數之關係(二) 100 圖4-33 面層厚度、壓應變與破壞比值之關係 101 圖4-34 不同氣候狀態下交通量對車轍深度之影響 102 圖4-35 不同氣候狀態下年平均溫度對車轍深度之影響 102 圖4-36 車轍深度之資料分佈 108 圖4-37 Box and Cox Transformation 轉換結果圖 110 圖4-38 轉換後全部地區之車轍深度預測結果 111 圖4-39 轉換後潮濕地區之車轍深度預測結果 113 圖4-40 轉換後不冰凍地區之車轍深度預測結果 114 圖4-41 全區模式之敏感度分析 115 圖4-42 潮濕模式之敏感度分析 116 圖4-43 不冰凍模式之敏感度分析 116 圖5-1 40個路段歷年疲勞裂縫調查值 121 圖5-2 AI疲勞裂縫模式預測結果 122 圖5-3 Shell疲勞裂縫模式預測結果 123 圖5-4 U.S.Army疲勞裂縫模式預測結果 123 圖5-5 Mn/ROAD疲勞裂縫模式預測結果 124 圖5-6 AI疲勞裂縫預測模式與資料庫結果比較 124 圖5-7 鋪面底層型態對疲勞裂縫預測之影響 125 圖5-8 年平均交通量對疲勞裂縫預測之影響 126 圖5-9 產生疲勞裂縫之相關影響因子 127 圖5-10 地理位置分佈情形對疲勞裂縫預測之影響 128 圖5-11 氣候狀態分區對疲勞裂縫預測之影響 129 圖5-12 年平均降雨量對疲勞裂縫預測之影響 129 圖5-13 冰凍指數與年平均溫度對疲勞裂縫 130 圖5-14 累積交通量分佈情形對疲勞裂縫預測之影響 130 圖5-15 面層厚度對疲勞裂縫預測之影響 131 圖5-16 底層厚度對疲勞裂縫預測之影響 132 圖5-17 動態彈性模數對疲勞裂縫預測之影響 132 圖5-18 面層彈性模數對疲勞裂縫預測之影響 133 圖5-19 AI與LTPP現地量測疲勞裂縫比較圖 135 圖5-20 DG2002與LTPP現地量測疲勞裂縫比較圖 135 圖5-21 疲勞裂縫百分比之資料分佈 136 圖5-22 全部地區之疲勞裂縫初步建構結果 138 圖5-23 轉換後全部地區之疲勞裂縫預測結果 141 表目錄 表2-1 LTPP柔性鋪面破壞定義 9 表2-2 LTPP計劃之鋪面研究定義 13 表3-1 FHWA與LTPP車輛等級分類編號對照表 51 表3-2 路段8129/30之車轍調查值對照表 53 表3-3 土壤之加州承載比與資料庫CODE之對應表 60 表3-4 現有預測模式所需因子 63 表3-5 DG2002程式所需因子 65 表4-1 全部地區之預測模式所需參數 69 表4-2 潮濕-不冰凍地區之預測模式所需參數 69 表4-3 潮濕-冰凍地區之預測模式所需參數 69 表4-4 乾燥-不冰凍地區之預測模式所需參數 70 表4-5 乾燥-冰凍地區之預測模式所需參數 70 表4-6 柔性鋪面車轍預測模式 86 表4-7 全區與分區模式之迴歸結果 97 表4-8 DG2002程式與SHRP P-020之線性迴歸結果 97 表4-9 影響因子對車轍深度之迴歸結果 103 表4-10 不同區域對車轍深度之迴歸結果 105 表4-11 不同分配之連結函數與變異數 107 表4-12 全區模式構建之迴歸結果 109 表4-13 轉換後全區模式構建之迴歸結果 112 表5-1 柔性鋪面疲勞破壞預測模式 118 表5-2 DG2002與AI之線性迴歸結果 134 表5-3 全區模式構建之迴歸結果 138 表5-4 不同區域參數對疲勞裂縫之影響 139 表5-5 轉換後全區模式構建之迴歸結果 142 |
參考文獻 |
參考文獻 1. 林家吉,「非破壞性測驗評估鋪面的力學分析」,淡江大學土木工程研究所碩士論文,1992。 2. 陳又菁,「鋪面撓度值在養護整修策略上之應用」,台灣大學土木工程研究所碩士論文,1993。 3. 張嘉麟,動態反算於衝擊性撓度法之應用研究,淡江大學土木工程研究所碩士論文,1995。 4. 交通部台灣區國道新建工程局,「台灣地區柔性路面厚度設計手冊研擬」,1996。 5. 石俊雄,撓度指標法之視窗化資料庫回算軟體建立,淡江大學土木工程研究所碩士論文,1997。 6. 林惠玲,陳正倉,「統計學-方法與應用」,2001。 7. 蔡攀鰲,「公路工程學」,鵬逞實業有限公司,2003。 8. 江克培,基因演算法應用於衝擊性撓度儀回算之研究,淡江大學土木工程研究所碩士論文,2004。 9. 中華鋪面工程學會,「英漢鋪面工程名詞彙編」,社團法人中華鋪面工程學會,2004。 10. AASHTO, “AASHTO Interim Guide for the Design of Flexible Pavement Structure,” 1972. 11. AASHTO, “AASHTO Guide for Design of Pavement Structures,” 1986. 12. AASHTO, “AASHTO Guide for Design of Pavement Structures,” 1993. 13. Ali, H. A., S. D. Tayabji, and F. L. Torre, “Calibration of Mechanistic-Empirical Rutting Models for In-Service Pavements,” Transportation Research Record 1629, Transportation Research Board, Washington, D. C., pp. 159-168, 1998. 14. Ali, H. A. and S. D. Tayabji, “Evaluation of Mechanistic-Empirical Performance Prediction Models for Flexible Pavement,” Transportation Research Record 1629, Transportation Research Board, Washington, D. C., pp. 169-180, 1998. 15. ARA, Inc. ERES Consultants Division. “Guide for Mechanistic- Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structure,” NCHRP Research 1-37A Rep., Transportation Research Board, National Research Council, Washington, D. C., 2004. 16. Asphalt Institute, “Soil Manual for Design of Asphalt Pavement Structures,” College Park, Md., 1961. 17. Asphalt Institute, “Research and Development of the Asphalt Institute’s Thickness Design Manual MS-1,” 9th Ed., College Park, Md., 1982. 18. ASTM, “Standard Specification for Viscosity-Graded Asphalt Cement for Use in Pavement Construction,” ASTM D 3381-92, pp. 303-304, 1992. 19. Ayres, M. and M. Witczak, “Mechanistic Probabilistic System to Evaluate Flexible Pavement Performance,” Transportation Research Record 1629, Transportation Research Board, Washington, D. C., pp. 137-148, 1998. 20. Boussinesq, J., “Application des Potentiels a l’etude de l’equilibre et du Mouvement des Soilds Elastiques,” Gauthier-Villars, Paris., 1885. 21. Burmister, D. M., “The Theory of Stresses and Displacements in Layered Systems and Applications to the Design of Airport Runways,” Proceeding, Highway Research Board, Vol. 23, pp.126-144., 1943. 22. Burmister, D. M., “The General Theory of Stresses and Displacements in Layered Soil Systems,” Journal of Applied Physics, Vol. 16, pp. 84-94, 126-127, 296-302., 1945. 23. Chen, D. H., M. Zaman, J. Laguros, and A. Soltani, “Assessment of Computer Programs for Analysis of Flexible Pavement Structure,” Transportation Research Record 1482, Transportation Research Board, Washington, D.C., pp. 123-133, 1995. 24. Chen, J. S., C. H. Lin, E. Stein, and J. Hothan, “Development of a Mechanistic-Empirical Model to Characterize Rutting in Flexible Pavements,” J. Transp. Eng., 130(4), pp. 519-525, 2004. 25. Claussen, A. I. M., J. M. Edwards, P. Sommer, and P. Uge, “Asphalt Pavement Design-The Shell Mothod,” Proceedings, 4th International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements, Vol. 1, pp.39-74, 1997. 26. Collop, A. C., D. Cebon, and M. S. A. Hardy, “Viscoelastic Approach to Rutting in Flexible Pavements,” Journal of Transportation Engineering, Vol. 121(1), 82-93, 1995. 27. Das, A., and B. B. Pandey, “Mechanistic-empirical design of bituminous roads: an Indian perspective,” Journal of Transportation Engineering, Vol. 125(5), pp. 463-471, 1999. 28. FHWA, “Mechanistic Evaluation of Test Data from LTPP Flexible Pavement Test Sections,” Final Report, Vol. 1, Publication No. FHWA-RD-98-020, 1998. 29. FHWA, “Back-Calculation of Layer Parameters for LTPP Test Sections Volume Ⅱ: Layered Elastic Analysis for Flexible and Rigid Pavements,” Publication No. FHWA-RD-01-113, 2002. 30. FHWA, “Distress Identification Manual for the Long-Term Pavement Performance Program,” Publication No. FHWA-RD-03-031, 2003. 31. FHWA, “Long-Term Pavement Performance Information Management System: Pavement Performance Database Users Reference Guide,” Publication No. FHWA-RD-03-088, 2004. 32. Foster, C. R., and R. G. Ahlvin, “Stresses and Deflections Induced by a Uniform Circular Load,” Proceedings, Highway Research Board, Vol. 33, pp. 467-470., 1954. 33. Hajek, J.J., and O. Selezeva, “Estimaing Cumulative Traffic Loads,” Final Report for phase 1, Federal Highway Administration, Publication No. FHWA-RD-00-054, 2000. 34. Huang, Y. H., Pavement Analysis and Design, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1993. 35. HRB, “The AASHTO Road Test,” Report 5, Pavement Research, Special Report 61 E, Publication No. 954, Nation Academy of Sciences-Nation Research Council, 1962. 36. Jones, A., “Tables of Stresses in Three-Layer Elastic Systems,” Bulletin 342, Highway Research Board, pp. 176-214, 1962. 37. Lee, Y. H., “Development of Pavement Prediction Models,” Ph.D. Thesis, University of Illinois, Urbana, 1993. 38. Miner, M. A., “Cumulative Damage in Fatigue,” Transactions of the ASME, Vol. 67, pp.159-164, 1945. 39. Nelder, J.A. and R.W.M. Wedderburn, “Generalized Linear Models,” Journal of the Royal Statistical Society (Series A) 135, pp. 370-384, 1972. 40. Ramsamooj, D. V., J. Ramadan, and G. S. Lin, “Model Prediction of Rutting in Asphalt Concrete,” Journal of Transportation Engineering, Vol. 124(5), pp. 448-456, 1998. 41. Shell International Petroleum Company, “Shell Pavement Design Manual-Asphalt Pavements and Overlays for Road Traffic,” London, 1978. 42. Shell International Petroleum Company, “Shell Pavement Design Method for Use on a Personal Computer, User Manual,” London, 1994. 43. Shock, J. F., and F. N. Finn, “Thickness Design Relationships for Asphalt Pavements,” Proceedings, 1st International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements, University of Michigan, Ann Arbor, Mich., pp. 52-83, 1962. 44. Shook, J. F., F. N. Finn, M. W. Witczak, and C. L. Monismith, “Thickness Design of Asphalt Pavements-the Asphalt Institute method,” Proceedings, 5th International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements, Vol. 1, The Netherlands, pp. 17-44, 1982. 45. SHRP, “Early Analyses of LTPP General Pavement Studies Data,” Volume 3-Sensitivity Analyses for Selected Pavement Distresses, Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, D. C., 1993. 46. S-Plus 61 Guide Statistics volume1. 47. Timm, D. H., and D. E. Newcomb, “Calibration of flexible pavement performance equations for Mn/ROAD,” TRB Paper #03-2012, Transportation Research Board 82nd Annual Meeting, Washington, D.C., 2003. 48. Venables, W. N. and B. D. Ripley, “Modern Applied Statistics with S (4th ed.),” New York: Springer-Verlag, 2002. 49. Wang Y, K. C. Mahboub, and D. E. Hancher, “Survival Analysis of Fatigue Cracking for Flexible Pavement Based on Long-Term Pavement Performance Data,” Journal of Transportation Engineering, Vol. 131, No.8, 2005. 50. White, T. D., J. E. Haddock, A. J. Hand, and H. Fang, “Contribution of pavement structure layers to rutting of hot mix asphalt pavements.” NCHRP Rep. 468, Transportation Research Board, National Research Council, Washington, D.C., 2002. |
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