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

0 引言

預測路面使用性能衰變趨勢是研究路面結構設計方法，提升路面使用壽命的關鍵技術難題。多年來，國內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]。由于我國自然經濟條件、路面結構形式、養護設計規范等均與美國不同，很多情況下我們不能直接應用LTPP的結論。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、環道足尺加速加載試驗等課題，對公路路面長期結構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域，均沒能提出一套準確預測路面使用性能衰變規律的方法或模型。本研究基于對我國北方某省高速公路網路面技術狀況開展的連續12年跟蹤觀測數據，進行路面使用性能影響因素分析，總結路面破損狀況指數(Pavement Surface Condition Index，PCI)衰變規律，為后期優化路面養護設計方法提供數據支撐[6]。

1 影響因素篩選

引發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、路面結構組合、材料性能、施工質量控制、使用年限、氣候條件、養護干預等[7]。在開展路面使用性能衰變規律分析前，應先分析各種影響因素對其路面性能指標變化的敏感性，結合已掌握的數據條件，確定主要影響因素[8]。

本研究所采用路況數據均來自同一省份，在氣候條件、養護干預程度、施工技術水平等方面差異性并不大[9]。另外，由于全省高速公路建設及養護已形成典型的養護方案，故路面結構組合及路面材料類型也較為統一。在本研究中，選定了交通量、材料老化、結構形式等3方面作為主要影響因素進行分析。

(1)交通量：高速公路交通量調查中，能夠長期持續獲得的數據就是斷面交通量數據，常用的統計指標為年均日當量交通量(Average Daily Traffic，AADT)。對于軸載作用次數、重車交通量等指標不宜持續獲得，故本研究采用AADT指標表征道路交通量水平。統計了數據省份各路線代表性斷面AADT分布情況，如圖1所示。可發現，該省各路線AADT指標可明顯地區分出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：材料老化對路面結構使用性能將產生較大影響。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，并通過室內試驗檢測其瀝青各項性能，如針入度、軟化點等。該類數據需開展專項調查，不宜進行長期且連續觀測。而間接指標主要指路面結構使用年限、累計交通軸載作用次數等，對于路面結構使用年限可通過調查建養歷史資料獲得，而累計交通軸載作用次數則需通過開展專門的軸載調查才能收集到。綜合數據獲得難易程度、數據代表性及可持續性等方面考慮，本研究挑選路面結構使用年限作為表征材料老化程度的指標。統計了數據省份各路線路面結構使用年限分布情況，如圖2所示。可發現，該省各路線路面結構使用年限指標可明顯區分出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 路網各路線路面結構使用年限分布Fig.2 Life distribution of pavement structure of each route in road network

(3)結構形式：路面結構組合形式對于路面長期性能的影響至關重要。對于本次數據樣本而言，路面結構均采用半剛性基層瀝青路面結構，瀝青面層在建設之初幾乎都采用三層瀝青混凝土的結構形式，材料類型以SMA及AC為主[14-15]。使用運營期間的養護工程以加鋪4 cm瀝青混凝土為主。目前有部分路段經歷過一次加鋪，也有部分路段先后經歷了兩次加鋪。基于以上管養特點，本研究選擇瀝青層總厚度作為區分結構形式的分析指標。統計了數據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。可發現，該省各路線瀝青面層總厚度可明顯區分出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 試驗方案設計

根據以上分析，篩選出本區域內影響路面長期使用性能的3個關鍵因素，并分別劃分出了3個數據區間[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]。但受限于本區域路網的建養方式特點，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，分析其數據之間相關關系，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、路齡及路面結構層厚度等因素對于路面病害發展規律的影響程度，故針對正交試驗設計出的9種代表性路段，分別跟蹤其路面破損狀況指數PCI指標值及其衰變幅度，檢測結果見表3。

表3 正交試驗結果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值與其數據水平的變化關系圖，同時通過極差來判斷該因素對指標的影響程度。根據以上數據，進行直觀分析的結果見表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PCI主要影響因素的目的。

(2)高速公路路面破損狀況指數PCI影響最顯著的因素是瀝青層結構厚度，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PCI逐漸降低，且呈現先加速下降后逐漸平穩的趨勢。

(2)隨著交通量的增長，路面破損狀況指數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PCI逐漸降低，且當瀝青層厚度小于22 cm后，PCI指標出現加速下降的趨勢，而瀝青層厚度在 18～22 cm與小于18 cm兩檔區間內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據開展方差分析，從而做出影響因素對于評價指標的作用是否顯著的結論，并提出定量化的數量估計。正交方差分析表如表6所示。

根據方差分析的結果，可以發現：

(1)瀝青層厚度對路面破損狀況指數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。由于在路面結構使用壽命周期中，存在多次預防養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現，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的衰變產生了顯著影響。

4 結論

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，故在進行路面結構設計及病害診斷時，應優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，路齡因素計算結果也是比較顯著，故在分析路面使用性能衰變規律時，也應重點考慮路齡的影響。在路面建設及養護的過程中，建議在條件許可的情況下，采用瀝青層厚度大于22 cm的結構組合形式，以實現更為優越的路面使用性能要求。

由于正交試驗設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，均影響著研究結論的深度和詳細程度。故應繼續擴大樣本量，針對不同氣候分區及結構組合類型，開展長期的跟蹤觀測，進一步驗證本研究結論。