基于正交分析的高速公路瀝青路面狀況影響因素研究

林 翔

(1.公路養(yǎng)護技術(shù)國家工程研究中心，北京 100095; 2.中公高科養(yǎng)護科技股份有限公司，北京 100095)

0 引言

預(yù)測路面使用性能衰變趨勢是研究路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，提升路面使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)難題。多年來，國內(nèi)外眾多專家學者在這方面開展了廣泛的研究，提出了多種路面使用性能衰變模型。國外在此方面的研究起步較早，也取得了較多的研究成果，如美國路面長期使用性能(Long Term Pavement Performance,LTPP)研究計劃[1-5]。由于我國自然經(jīng)濟條件、路面結(jié)構(gòu)形式、養(yǎng)護設(shè)計規(guī)范等均與美國不同，很多情況下我們不能直接應(yīng)用LTPP的結(jié)論。我國于2000年開始，由交通運輸部先后立項開展了瀝青路面長期性能研究、環(huán)道足尺加速加載試驗等課題，對公路路面長期結(jié)構(gòu)行為的掌握逐漸深入。但由于觀測時間較短，觀測樣本有限，影響因素復雜等多種原因，目前針對全國范圍或某一特定區(qū)域，均沒能提出一套準確預(yù)測路面使用性能衰變規(guī)律的方法或模型。本研究基于對我國北方某省高速公路網(wǎng)路面技術(shù)狀況開展的連續(xù)12年跟蹤觀測數(shù)據(jù)，進行路面使用性能影響因素分析，總結(jié)路面破損狀況指數(shù)(Pavement Surface Condition Index，PCI)衰變規(guī)律，為后期優(yōu)化路面養(yǎng)護設(shè)計方法提供數(shù)據(jù)支撐[6]。

1 影響因素篩選

引發(fā)高速公路路面使用性能衰變的影響因素較多，主要包括交通量、路面結(jié)構(gòu)組合、材料性能、施工質(zhì)量控制、使用年限、氣候條件、養(yǎng)護干預(yù)等[7]。在開展路面使用性能衰變規(guī)律分析前，應(yīng)先分析各種影響因素對其路面性能指標變化的敏感性，結(jié)合已掌握的數(shù)據(jù)條件，確定主要影響因素[8]。

本研究所采用路況數(shù)據(jù)均來自同一省份，在氣候條件、養(yǎng)護干預(yù)程度、施工技術(shù)水平等方面差異性并不大[9]。另外，由于全省高速公路建設(shè)及養(yǎng)護已形成典型的養(yǎng)護方案，故路面結(jié)構(gòu)組合及路面材料類型也較為統(tǒng)一。在本研究中，選定了交通量、材料老化、結(jié)構(gòu)形式等3方面作為主要影響因素進行分析。

(1)交通量：高速公路交通量調(diào)查中，能夠長期持續(xù)獲得的數(shù)據(jù)就是斷面交通量數(shù)據(jù)，常用的統(tǒng)計指標為年均日當量交通量(Average Daily Traffic，AADT)。對于軸載作用次數(shù)、重車交通量等指標不宜持續(xù)獲得，故本研究采用AADT指標表征道路交通量水平。統(tǒng)計了數(shù)據(jù)省份各路線代表性斷面AADT分布情況，如圖1所示。可發(fā)現(xiàn)，該省各路線AADT指標可明顯地區(qū)分出3個檔次：>40 000,20 000～40 000，<20 000，可作為本研究的3個取值范圍[10-11]。

圖1 路網(wǎng)各路線交通量分布Fig.1 Traffic distribution of each route in road network

(2)材料老化：材料老化對路面結(jié)構(gòu)使用性能將產(chǎn)生較大影響。表征材料老化的指標包括直接指標及間接指標兩方面[12-13]。其中，直接指標主要指通過對既有路面瀝青混合料進行抽提篩分，并通過室內(nèi)試驗檢測其瀝青各項性能，如針入度、軟化點等。該類數(shù)據(jù)需開展專項調(diào)查，不宜進行長期且連續(xù)觀測。而間接指標主要指路面結(jié)構(gòu)使用年限、累計交通軸載作用次數(shù)等，對于路面結(jié)構(gòu)使用年限可通過調(diào)查建養(yǎng)歷史資料獲得，而累計交通軸載作用次數(shù)則需通過開展專門的軸載調(diào)查才能收集到。綜合數(shù)據(jù)獲得難易程度、數(shù)據(jù)代表性及可持續(xù)性等方面考慮，本研究挑選路面結(jié)構(gòu)使用年限作為表征材料老化程度的指標。統(tǒng)計了數(shù)據(jù)省份各路線路面結(jié)構(gòu)使用年限分布情況，如圖2所示。可發(fā)現(xiàn)，該省各路線路面結(jié)構(gòu)使用年限指標可明顯區(qū)分出3個檔次：>15 a,7～15 a，<7 a，可作為本研究的3個取值范圍。

圖2 路網(wǎng)各路線路面結(jié)構(gòu)使用年限分布Fig.2 Life distribution of pavement structure of each route in road network

(3)結(jié)構(gòu)形式：路面結(jié)構(gòu)組合形式對于路面長期性能的影響至關(guān)重要。對于本次數(shù)據(jù)樣本而言，路面結(jié)構(gòu)均采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，瀝青面層在建設(shè)之初幾乎都采用三層瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)形式，材料類型以SMA及AC為主[14-15]。使用運營期間的養(yǎng)護工程以加鋪4 cm瀝青混凝土為主。目前有部分路段經(jīng)歷過一次加鋪，也有部分路段先后經(jīng)歷了兩次加鋪。基于以上管養(yǎng)特點，本研究選擇瀝青層總厚度作為區(qū)分結(jié)構(gòu)形式的分析指標。統(tǒng)計了數(shù)據(jù)省份各路線代表性路段瀝青面層厚度指標分布情況，如圖3所示。可發(fā)現(xiàn)，該省各路線瀝青面層總厚度可明顯區(qū)分出3個檔次：>22 cm,18～22 cm，<18 cm，可作為本研究的3個取值范圍。

圖3 路網(wǎng)各路線瀝青面層厚度分布Fig.3 Asphalt surface layer thickness distribution of each route in road network

2 試驗方案設(shè)計

根據(jù)以上分析，篩選出本區(qū)域內(nèi)影響路面長期使用性能的3個關(guān)鍵因素，并分別劃分出了3個數(shù)據(jù)區(qū)間[16]。一般情況下，為分析各種因素對路面使用性能的影響效果，應(yīng)建立3×3×3=27種組合型式，分別對其路面使用性能進行跟蹤觀測[17-18]。但受限于本區(qū)域路網(wǎng)的建養(yǎng)方式特點，很難湊齊同時滿足這27種因素組合的觀測路段，故本研究利用正交表來安排與分析多因素條件下路面使用性能的變化規(guī)律。在全部27種水平組合中，挑選有代表性的水平組合，建立了3×3=9種組合矩陣，如表1所示。通過跟蹤這9種代表性路段的路面使用性能指標，分析其數(shù)據(jù)之間相關(guān)關(guān)系，對各影響因素對于路面使用性能的影響程度進行定量化評價。正交試驗設(shè)計方案如表2所示。

表1 水平因素Tab.1 Horizontal factors

表2 正交試驗設(shè)計方案Tab.2 Orthogonal experimental design scheme

3 正交試驗分析

本研究重點分析交通量、路齡及路面結(jié)構(gòu)層厚度等因素對于路面病害發(fā)展規(guī)律的影響程度，故針對正交試驗設(shè)計出的9種代表性路段，分別跟蹤其路面破損狀況指數(shù)PCI指標值及其衰變幅度，檢測結(jié)果見表3。

表3 正交試驗結(jié)果Tab.3 Orthogonal test result

3.1 正交直觀分析

通過比較分析，繪制出每一個影響因子的絕對數(shù)值與其數(shù)據(jù)水平的變化關(guān)系圖，同時通過極差來判斷該因素對指標的影響程度。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，進行直觀分析的結(jié)果見表4～表5。表中，對于影響因素A(AADT)而言，K1=PCI路段1+PCI路段2+PCI路段3，k1=(1/3)K1，該指標可表征影響因素A在水平1條件下PCI指標的平均水平。通過比較k1、k2及k3的大小，可定量化提出影響因素A的最優(yōu)水平。同時，通過比較3個影響因素極差值的大小，可比較出各因素對于PCI指標影響程度的大小。

表4 PCI指標值正交直觀分析Tab.4 Orthogonal visual analysis of PCI values

表5 PCI指標衰減值正交直觀分析Tab.5 Orthogonal visual analysis of PCI attenuations

從直觀分析的結(jié)果可以看出:

(1)3個試驗因素的極差值都大于誤差列的極差值，說明試驗效果是顯著的，達到了使交通量、路齡和瀝青層厚度這3個因素成為路面破損狀況指數(shù)PCI主要影響因素的目的。

(2)高速公路路面破損狀況指數(shù)PCI影響最顯著的因素是瀝青層結(jié)構(gòu)厚度，其次是交通量，最后是路齡。

(3)對于PCI指標衰變速度而言，交通量是其影響最顯著的因素，其次是瀝青層厚度，最后是路齡。

將各指標隨因素的水平變化情況用圖表示出來，如圖4～圖5所示。

圖4 各指標隨因素水平的變化(PCI值)Fig.4 Each indicator varying with different factor level (PCI)

圖5 各指標隨因素水平的變化(PCI衰減值)Fig.5 Each indicator varying with different factor level (PCI attenuation)

由上圖4及圖5可看出：

(1)隨著交通量的增長，路面破損狀況指數(shù)PCI逐漸降低，且呈現(xiàn)先加速下降后逐漸平穩(wěn)的趨勢。

(2)隨著交通量的增長，路面破損狀況指數(shù)PCI逐漸降低，而PCI降低的速度要比交通量增長的速度慢。

(3)隨著瀝青層厚度的減薄，路面破損狀況指數(shù)PCI逐漸降低，且當瀝青層厚度小于22 cm后，PCI指標出現(xiàn)加速下降的趨勢，而瀝青層厚度在 18～22 cm與小于18 cm兩檔區(qū)間內(nèi)PCI指標相差不大。

3.2 正交方差分析

為了更準確地評價各因素對于路面破損狀況指標的影響程度，本研究針對正交分析數(shù)據(jù)開展方差分析，從而做出影響因素對于評價指標的作用是否顯著的結(jié)論，并提出定量化的數(shù)量估計。正交方差分析表如表6所示。

根據(jù)方差分析的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)瀝青層厚度對路面破損狀況指數(shù)PCI的影響比較顯著；交通量對其的影響是一般顯著；而路齡的影響是不顯著。由于在路面結(jié)構(gòu)使用壽命周期中，存在多次預(yù)防養(yǎng)護及功能性修復活動，均可恢復路表面PCI指標，故路齡因素對于PCI指標的影響在本次試驗分析中顯著性并不突出，與路表面病害直接相關(guān)的交通量因素顯著性一般，而瀝青層厚度對于路面病害的發(fā)展影響相對最為顯著。

表6 正交方差分析表Tab.6 Orthogonal variance analysis table

(2)在分析PCI指標衰減速度的試驗中發(fā)現(xiàn)，交通量與瀝青層厚度兩個因素的影響均高度顯著，而路齡的影響也是一般顯著，這說明3個因素均對PCI的衰變產(chǎn)生了顯著影響。

4 結(jié)論

本研究基于正交試驗方法，分析提出3種影響因素中，交通量與瀝青層厚度的影響程度要高于路齡因素，故在進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計及病害診斷時，應(yīng)優(yōu)先考慮以上兩種因素的作用效果。同時，在分析PCI指標衰變速度的影響因素時，路齡因素計算結(jié)果也是比較顯著，故在分析路面使用性能衰變規(guī)律時，也應(yīng)重點考慮路齡的影響。在路面建設(shè)及養(yǎng)護的過程中，建議在條件許可的情況下，采用瀝青層厚度大于22 cm的結(jié)構(gòu)組合形式，以實現(xiàn)更為優(yōu)越的路面使用性能要求。

由于正交試驗設(shè)計過程中對影響因素及影響水平的劃分，以及各因素間是否存在交互作用等，均影響著研究結(jié)論的深度和詳細程度。故應(yīng)繼續(xù)擴大樣本量，針對不同氣候分區(qū)及結(jié)構(gòu)組合類型，開展長期的跟蹤觀測，進一步驗證本研究結(jié)論。