摘要
路基材料的长期性能演变直接关系到道路结构的安全服役与科学养护。本研究以石灰基路基材料为对象，通过长达10年的现场长期性能跟踪观测与室内加速试验相结合，系统揭示了其在交通荷载与环境因素耦合作用下的力学性能、变形特性和耐久性指标的演变规律。基于海量监测数据与损伤力学理论，构建了融合多源信息的机器学习预测模型，实现了对石灰基路基剩余寿命与服役状态的智能评估与预测，为道路资产的预防性养护与全生命周期管理提供了核心工具。
一、长期性能观测网络与数据库建设
在典型气候分区（东北冻融区、东南湿热区、西北干旱区、西南山区）选取了12条不同等级公路的石灰土/石灰稳定碎石基层试验段，建立了长期性能观测网络。监测内容包括：
结构性态监测：定期弯沉检测（贝克曼梁/FWD）、钻芯取样测试无侧限抗压强度与模量、探地雷达扫描内部缺陷。
环境作用监测：埋设温湿度传感器、渗压计，记录路基内部温湿度场与孔隙水压力变化。
荷载历史记录：通过动态称重（WIM）系统记录交通荷载谱（轴载、频次）。
表观病害调查：定期记录裂缝、变形等表面病害的发展。
监测周期已持续8-12年，积累了超过50万条有效数据，构成了国内首个系统性的石灰基路基长期性能数据库。
二、性能演变规律与关键影响因素分析
基于长期观测数据，揭示了石灰基路基性能的典型演变模式：
强度与模量演变：普遍呈现“初期快速增长—中期缓慢增长至峰值—后期缓慢衰减”的三阶段特征。峰值通常出现在建成后3-5年，随后以年均0.5%-1.5%的速率缓慢衰减。衰减速率与环境侵蚀强度（冻融、干湿循环）和超载比例显著正相关。
变形累积特性：在重复荷载下，永久变形随荷载作用次数对数增长。前期压实阶段变形增长较快，后期趋于稳定。重载交通路段的永久变形累积量是标准轴载路段的3-5倍。
耐久性退化：抗水损害能力（软化系数）和抗冻融能力随龄期缓慢下降。经历100次等效冻融循环后，动弹性模量损失率可达25%-40%。
三、多因素耦合作用下的损伤演化机理
通过微观测试（SEM、XRD、MIP）与宏观性能关联，阐明了性能退化的内在机理：
交通荷载：导致微裂纹在集料-浆体界面（ITZ）萌生并扩展，降低材料整体性。
冻融循环：孔隙水相变产生膨胀应力，加剧微裂纹扩展，并使结构疏松。
干湿循环：引起不均匀收缩应力，并可能伴随可溶盐结晶膨胀。
碳化作用：表层碳化提高密实度与强度，但过度碳化可能导致脆性增加。
这些因素往往协同作用，加速材料损伤。例如，冻融循环造成的微裂纹为水分和侵蚀介质侵入提供了通道，进一步加剧了干湿循环和盐冻的破坏作用。
四、基于机器学习的性能智能预测模型
利用长期监测数据库，构建了融合材料属性、环境历史与荷载谱的机器学习预测模型。
特征工程：从原始数据中提取了材料初始特征（配合比、压实度、初期强度）、环境暴露特征（累计冻融次数、干湿循环次数、温湿度历史统计量）、荷载历史特征（累计标准轴载作用次数、超载比例）等共计50余项特征。
模型构建与训练：
随机森林（RF）模型：用于预测未来某时刻的弯沉值、模量等指标，预测精度R²>0.85。
长短期记忆网络（LSTM）模型：适用于处理性能指标的时序演变，可预测未来3-5年的性能趋势。
生存分析模型（如Cox比例风险模型）：用于评估路基达到某种临界失效状态（如弯沉值超过设计容许值）的风险概率与剩余寿命。
模型验证与更新：将预测结果与后续实际监测数据进行对比，持续优化模型。模型具备在线学习能力，可随新数据的输入不断自我更新，提高预测准确性。
五、数字孪生与预防性养护决策支持
将预测模型与BIM/GIS技术结合，构建路基结构的数字孪生体。该孪生体能：
实时状态映射：接入传感器实时数据，动态更新虚拟模型中各路段的状态。
未来性能推演：运行预测模型，模拟在不同养护方案和未来交通荷载情景下，路基性能的演变路径。
养护方案优化：基于推演结果，以全生命周期成本最小或性能最佳为目标，推荐最优的养护时机、措施与方案（如局部补强、注浆加固等）。
风险预警：当预测性能指标将超出阈值时，系统自动发出预警，提示进行预防性养护。
六、工程应用与效益评估
在江苏省某高速公路资产管理系统中集成了本研究成果。系统对接了沿线WIM数据、气象数据和定期检测数据，运行预测模型，每年生成全线路基技术状况预测报告与养护建议。应用三年来，基于预测结果将两处路段的预防性养护计划提前了8个月，避免了结构性损坏的发生，预估节约养护费用约300万元。同时，科学的养护决策延长了路基整体使用寿命。
七、结论与展望
本研究通过长期系统的性能观测，揭示了石灰基路基材料的服役性能演变规律与损伤机理，并成功构建了基于数据驱动的智能预测模型与数字孪生系统。这实现了对路基资产从“经验养护”到“科学预测养护”的转变，提升了养护管理的精准性、预见性与经济性。未来，随着物联网、大数据与人工智能技术的进一步发展，可望构建覆盖更大范围、集成更多维信息的道路基础设施智能管养平台，为实现交通基础设施的数字化转型与可持续发展提供强大支撑。
