高速公路技術狀況指標相關性分析

呂紀偉

(中國鐵建投資集團有限公司 廣東珠海 519000)

1 引言

我國高速公路雖然起步比發達國家晚近半個世紀，但自20世紀80年代起步建設后，迅速進入高速發展期。根據交通運輸行業發展統計公報，截至2020年末，全國公路總里程達519.81萬km，其中公路養護里程為514.10萬km，占公路總里程比例為99.0%。高速公路里程為16.10萬km，位居全球第一。以上數據表明目前公路建設成就很大，且已進入養護時代，公路行業正面臨著巨大的養護體量，高速公路同樣如此。

高速公路建成后，由于路面工程的復雜多變、早期設計不成熟以及施工質量控制等原因，公路技術狀況在交通、環境等多重因素作用下呈現衰減的趨勢，且各項技術狀況衰減趨勢并不一致[1－4]。路面出現了坑槽、裂縫、變形等病害，這不僅影響路面使用性能，嚴重的甚至還會造成路面結構損壞，進一步影響車輛行駛安全、質量和舒適性，給維修也造成較大困難。

因此，保障高速公路的服務水平，延緩性能衰退，延長使用壽命、減少養護資金浪費是公路養護管理部門一項重要而艱巨的任務。故應當通過合理的路面性能檢測方法，科學評估高速公路技術狀況。通過路面性能分析、評價和預測來對高速公路進行科學養護，選取合適的養護技術方案和養護時機。

高速公路不同技術狀況并非獨立發展，而是相互關聯、協同演變[5－8]。一般來說各項技術狀況測試與評價均采用相對獨立的方法體系，有各自的測試方法和評價指標[9]，據此各自開展路面性能演變規律研究，并形成不同的路面性能演變模型。

針對表面性能與結構性能關系的相關研究較為匱乏，Prozzi和Madanat構建了一個遞歸非線性模型來預測瀝青路面的使用性能，模型中考慮的因素有路面結構特性、交通特性和環境條件。Culfik[10]通過統計分析發現加鋪路面使用性能與結構性能之間存在較強的相關性，研究強調了集料特性和初始基層狀況對瀝青混凝土加鋪層的影響。Alaswadko和Hassan[11]通過多元回歸分析探討了車轍深度與交通量、路面強度、氣候和排水條件的關系，結果發現路面強度為最重要的參數。國內學者孫立軍[12]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。

基于上述分析可以看出:在相關性研究方面，現有研究指出路面結構性能與表面性能間具有一定的相關性，但僅有少量探索性文獻，很難得到統一的定量關系。相關研究主要依賴各自獨立測量的數據集，關注同一時間性能之間靜態的數據關系，難以揭示路面服役期間時間序列的性能同步演化規律。

當前考慮技術狀況間耦合影響的研究較少[13－14]，使得技術指標缺乏關聯，無法分析技術狀況間高度耦合的內在機制，難以準確評價及預測路面服役性能。因此，本文對山東某高速全線進行公路技術狀況檢測與評定，并分析各技術指標的相關性，進一步揭示公路技術狀況間的相關關系。

2 路段測試方案與方法

測試評價路段為山東某高速公路，路線呈南北走向，全長73.44 km，于2016年12月建成通車。采用高速公路標準建設，雙向四車道，路基寬度28.0 m，設計速度120 km/h。試驗路在2017年、2018年和2019年的日均交通量為15 205 pcu、19 096 pcu和13 564 pcu。pcu(passenger car unit)為標準差當量數，也稱當量交通量。

2019年12月1日至12月15日期間對試驗路(樁號K192＋721～K266＋162)進行了公路技術狀況檢測，檢測里程為73.44 km，檢驗指標包括路面損壞、平整度、車轍、跳車、彎沉等。檢測和評定依據為《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)[15]、《公路瀝青路面養護技術規范》(JTG 5142—2019)[16]。

檢測時采用的主要檢測指標和對應儀器設備如表1所示。

表1 檢測指標和主要儀器設備

3 路面性能評價

首先對試驗路檢測指標結果進行分析，評價其公路技術狀況。基于《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)，根據試驗路的檢測數據，以1 km為統計單位進行分析，公路技術狀況評價指標結果如表2所示。

表2 公路技術狀況評價指標結果

由表2可知，在通車約3年后的公路技術狀況檢測與評價中，該高速整體來看表現優秀，除抗滑性能指數(SRI)總體評價(95.24%)為良，路面車轍深度指數(RDI)極少部分(0.86%)評價為良外，其他指標總體評價等級均為優，且分值很高。

4 各技術狀況評價指標相關性分析

單獨分析各項公路技術狀況評價指標后，為探究指標間的內在聯系，對各指標間的相關性進行分析。一般常用Pearson相關系數“r”衡量兩個參數之間的相關程度，其計算公式為:

式中:X和Y為兩個變量，本文指公路技術狀況評價指標；N為變量取值個數。由于測試數據均為以1 km為統計單位，因此有75個數據，即N＝75。

當r＞0時，表示兩個指標正相關；當r＜0時，表示兩變量為負相關；當r＝1時，表示兩指標為完全線性相關；當r＝0時，表示兩變量無線性相關關系。一般可按三級劃分:0＜｜r｜＜0.4為低度線性相關；0.4≤｜r｜＜0.7 為顯著性線性相關；0.7≤｜r｜＜1 為高度線性相關。

計算試驗路各公路技術狀況指標間的相關系數，結果如表3所示。根據相關系數的分級，將顯著線性相關及以上(｜r｜≥0.4)的值加粗列于表3中。繪制相關性最高的兩個指標(PQI與PCI)及相關性最差的兩個指標(PQI與 SRI)的相關性如圖1所示。

表3 試驗路公路技術狀況指標間相關系數

圖1 試驗段公路技術狀況評價指標間相關性散點圖

從圖1a可以看出，PQI與 PCI的相關性比較高，隨著PCI的增加，PQI也呈現出升高的趨勢；而由圖1b可知，PQI與SRI之間沒有呈現出明顯的相關性，與表3中其相關系數為0.01相符合。

基于功率預測的光伏微逆變器低頻電流紋波抑制策略//闞加榮,潘曉明,王銳,吳云亞,吳冬春,劉丹丹//(23):127

對于該測試路段，從表3和圖1可知:

(1)路面技術狀況指數(PQI)與路面損壞狀況指數(PCI)高度線性正相關，相關系數為0.83。

(2)路面損壞狀況指數(PCI)與路面抗滑性能指數(SRI)顯著線性負相關，相關系數為－0.50。

(3)路面抗滑性能指數(SRI)與路面結構強度指數(PSSI)顯著線性負相關，相關系數為－0.47。

根據《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)，對于該試驗路，其PQI應按下式計算:

由PQI的計算公式可知，PCI所占權重最大，為0.35，說明實際上PCI對PQI的影響較大，因此計算得到的兩指標間相關性很高，兩者的相關性表達出明確的因果關系。

5 結論

通過對山東某高速公路技術狀況檢測數據進行分析，可得出以下結論:

(1)通車約3年后，試驗路的技術狀況檢測與評價表現優秀，除抗滑性能指數(SRI)總體評價及路面車轍深度指數(RDI)極少部分評價為良外，其他指標總體評價均為優。

(2)路面技術狀況指數(PQI)與路面損壞狀況指數(PCI)高度線性正相關，這是因為PQI的計算公式中PCI權重最大。

(3)路面損壞狀況指數(PCI)與路面抗滑性能指數(SRI)顯著線性負相關，原因可能是路面紋理構造的衰減導致路面抗滑性能下降，應當引起重視，后續養護時需采取針對性措施。

(4)路面抗滑性能指數(SRI)與路面結構強度指數(PSSI)顯著線性負相關，但這并不代表兩項指標性能間有明顯關系，故試驗結果分析時既要考慮數據，也要考慮數據背后的實際意義，尤其是路面的養護歷史情況。