基于指標變異性的高速公路路面性能相關性研究*

葉文亞 陳帝江 周師師

(1.寧波工程學院建筑與交通學院 寧波 315211； 2.寧波市公路與運輸管理中心 寧波 315042；3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

高速公路的路面服役性能在交通、環境等多項因素的作用下表現出復雜的衰減模式。準確的路面服役性能評價是明確路面養護需求、制定維修對策的基礎。瀝青路面服役性能主要包括路面結構性能和表面性能。良好的路面結構承載能力是路面保持其服役性能的前提，它與路表破損、平整度、耐久性等各方面都存在內部聯系。在道路使用期間，其結構承載能力等性能均呈現下降的趨勢[1]。通常來說，結構性能強的路段，它的其他性能衰減也會較為緩慢；反之，對于路面結構性能差的路段，其相關的其他性能衰變相對較快[2]。而路面結構性破壞一旦產生，維修會對道路通行能力造成嚴重影響。因此，需采取有效手段對高速公路的路面結構性能和表面性能進行檢測和綜合評價。

針對表面性能間的相互關系現已有較多研究，多聚焦于國際平整度指數(IRI)與路面病害間的關系，但針對表面性能與結構性能相關性分析的研究仍較為匱乏[3-4]。孫立軍[5]建立了路面彎沉、初始彎沉、路面結構組成系數和PCI之間的關系式，用以研究路面單點彎沉的變化。李志強[6]通過專家調查和現場試驗，對瀝青路面各類病害與結構性能的相關性進行了分析，發現路面裂縫類損壞對路面結構強度影響較大，而變形類損壞對路面結構的影響相對較弱。這些研究推動了路面結構性能與表面性能的相關性研究，但多關注2種性能均值之間的關系，少有對結構性能和表面性能的變異性進行分析，故本文擬對此進行一些探索。

1 路況介紹

1.1 路面結構

甬臺溫高速公路寧波段(一期)位于寧波沉積平原和大碶海積平原，所經線路屬于平原軟土地帶，連接北侖港和奉化市，也是寧波向南進入臺州、溫州必經之路的首段，是溝通浙江省沿海地區的一條重要通道，涉及路段全長49.3 km。

路面結構形式主要有2種，由于道路運營時間較長，經過大修加鋪后路面結構較厚，結構1為單層罩面，結構2為雙層罩面，具體結構見表1。

表1 路面結構形式

1.2 路段選取

甬臺溫高速公路寧波段(一期)路段長且交通量大。利用多功能檢測車可以覆蓋全路段檢測，但對于路面結構狀況檢測，FWD落錘式彎沉儀無法不停車檢測，封道的要求對交通流造成較大影響。因此，結合路段實際情況，考慮社會經濟效益后，選取典型路段(10 km)，對其路面結構性能展開深入分析。路段選取時考慮的因素有：

1) 10 km應分為若干路段，且不宜太過聚集。

2) 應包含有上行和下行方向的路段，且盡量均衡。

3) 該路段重車較多，應主要考慮重車道。

4) 路段需含有部分表面破損，如橫縫、坑槽、車轍。

最終選取4個典型路段，其基本信息見表2。

表2 典型路段基本信息

2 路面性能分析

2.1 表面性能

2019年11月對測試路段采用多功能檢測車進行了路表性能檢測，測試車道均為重車道。根據JTG 5210-2018 《公路技術狀況評定標準》[7]，一般可利用路面損壞狀況指數(PCI)對路表性能進行評價，路段1、路段2、路段3和路段4的PCI數據結果見表3。

表3 典型路段PCI檢測結果

由表3可見，目前各路段路面損壞狀況指數PCI結果較好，各路段路面損壞狀況性能由高到低為：路段3、路段1、路段2、路段4。

對各路段的PCI作夏皮洛-威爾克檢驗(SW)顯著性檢驗，結果發現P值均大于0.05，即4組數據均滿足正態分布，繪制各路段PCI的正態分布擬合曲線見圖1。

圖1 各路段PCI概率密度擬合圖

由圖1可見，各路段PCI的分布集中程度為：路段3>路段1>路段4>路段2，由此可知，路段3內部PCI差異較小，而路段2內部PCI值差異相對最大。這一特征可以通過一個分布參數來量化分析，即標準差(Std)，其公式為

(1)

式中：xi為第i點的參數值，μ為均值，本節參數指的是PCI值，后續彎沉值也同樣適用。

同時，考慮到當幾組數據均值差異較大時，僅比較其標準差不太合適，為消除測量尺度和量綱的影響，采用變異系數(CV)進行分析，其公式為

(2)

據此，計算得各路段PCI的標準差和變異系數見表4，可知各路段PCI值的變異程度從大到小依次為：路段3、路段4、路段2、路段1。

表4 典型路段PCI分析結果

2.2 結構性能

在路面設計、施工和運營期間，彎沉值一直是路面結構層承載能力的重要檢測指標。落錘式彎沉儀(FWD)這一動態彎沉量測儀器可以快速、無損地直接量測到路段的表面彎沉盆，從而對路段結構性能進行科學評價。

2019年11月對北侖港甬臺溫高速公路的4個典型路段進行了FWD動態彎沉測試，測試時通過封道進行交通管制。項目采用SHN-FWD-MV多點車載落錘式彎沉儀，縱向以20 m為1個測點，故路段1、2、3和4的測點個數分別為200，300，100，200。通過9個位移傳感器的測試結果得到彎沉盆數據。9個傳感器距荷載中心點的距離分別為0，200，300，450，600，900，1 200，1 500，1 800 mm，編號為D1～D9，對應的傳感器數值為d1～d9。測試采用的荷載為50 kN，荷載板半徑為15 cm。求得4個典型路段各測點彎沉盆的最大值、最小值和均值，各路段彎沉盆圖見圖2。由圖2各路段對比來看，路段3彎沉值整體偏大，說明路段3路面結構狀況較差，但其變異性較小，即路段結構較為均勻；路段4彎沉值偏大，結構較弱，此外變異性最大，路段內部結構差異性較大。各傳感器對比來看，隨著靠近加載點的位置彎沉波動較大，遠離加載點的位置彎沉波動小，而遠端彎沉值通常反映路基強度[8-9]，從整體來說這4個路段的路基強度變化較小，其中路段4相對較大。

圖2 各路段彎沉盆圖

3 結構性能與表面性能對比分析

為對比各路段的結構性能與表面性能，計算各路段路面表面性能(PCI)與結構性能(d1)的均值和變異系數，路面檢測結果圖見圖3。

圖3 路面檢測結果

由圖3可見：①各路段表面性能參數PCI的變異性較小，變異系數最大的為路段2的4.62%；結構性能參數d1的變異性相對較大，最大為路段4，達到60.53%。②若比較結構性能參數(d1)均值與表面性能參數(PCI)均值之間的關系，發現其并不十分顯著，如路段3的結構強度一直相對最差，但其表面性能較好。③若比較各參數變異性間的關系，則可看出，路段4的結構性能變異性最大(60.53%)，其表面性能變異性也較大(3.97%)，僅次于路段2。對于路段3，雖說其結構性能相對較差，但其結構性能和表面性能的差異性均為最低，即路段3內部性能較為平均。

想衡量2個變量(PCI和中心彎沉值d1)的相關性大小，常用的指標為皮爾遜相關系數r。-1≤r≤1，r值為正，則兩變量間有正相關關系，且值越大，相關性越強；r值為負，則兩變量有負相關關系，且值越小則相關性越強；若r值為0，則兩變量無相關關系。皮爾遜相關系數的公式為

(3)

表5 相關強度關系

現計算PCI的均值與d1的均值間的相關關系，r為0.08，說明2個指標均值間極弱相關或無相關。計算PCI的變異系數與d1的變異系數間的相關關系，r為0.62，說明2個指標的變異系數間為強相關，即路面損壞狀況變異系數與路面結構強度變異系數間存在強相關關系。

其原因可能是：路面結構承載能力是路面服役性能的基礎，對于路面結構強度變異較大的道路，由于基礎影響表面，導致路面表面性能變異性也會變大。反過來若表面性能變異性大，在表面性能差的路段，車輛振動加劇，其相互作用力又會對該處路面結構造成一定的損傷，導致與其他路段的結構性能差異變大。

4 結論

通過對甬臺溫高速公路寧波段的路面性能進行檢測、各路段的結構性能與表面性能的相關性分析發現，從PCI與d1均值來看，2個指標間相關性不強，相關系數僅為0.08；而從變異性來看，PCI的變異系數與d1的變異系數為0.62，說明兩指標間存在強相關關系。

路段4的結構性能和表面性能的變異性均較大，結構強度較差的路段3內部變異程度反而較好，這對于養護決策管理具有重要的指導意義。例如，對于路段4，若以其評價參數的均值作為判斷標準，可能得出不需要維修的結論；若考慮到其變異程度強，即存在極端破壞嚴重的段落，則需要引起重視，并及時維修。

指標變異系數對于路面精準維護有較好的指導作用。因此，在養護維修決策方案的制定中，對指標變異系數應當采取更多關注。