林 翔

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

0 引言

預(yù)測(cè)路面使用性能衰變趨勢(shì)是研究路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，提升路面使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)難題。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者在這方面開(kāi)展了廣泛的研究，提出了多種路面使用性能衰變模型。國(guó)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(guó)路面長(zhǎng)期使用性能(Long Term Pavement Performance,LTPP)研究計(jì)劃[1-5]。由于我國(guó)自然經(jīng)濟(jì)條件、路面結(jié)構(gòu)形式、養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范等均與美國(guó)不同，很多情況下我們不能直接應(yīng)用LTPP的結(jié)論。我國(guó)于2000年開(kāi)始，由交通運(yùn)輸部先后立項(xiàng)開(kāi)展了瀝青路面長(zhǎng)期性能研究、環(huán)道足尺加速加載試驗(yàn)等課題，對(duì)公路路面長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)行為的掌握逐漸深入。但由于觀測(cè)時(shí)間較短，觀測(cè)樣本有限，影響因素復(fù)雜等多種原因，目前針對(duì)全國(guó)范圍或某一特定區(qū)域，均沒(méi)能提出一套準(zhǔn)確預(yù)測(cè)路面使用性能衰變規(guī)律的方法或模型。本研究基于對(duì)我國(guó)北方某省高速公路網(wǎng)路面技術(shù)狀況開(kāi)展的連續(xù)12年跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)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(hù)設(shè)計(jì)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(hù)干預(yù)等[7]。在開(kāi)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(duì)其路面性能指標(biāo)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(lái)自同一省份，在氣候條件、養(yǎng)護(hù)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(hù)已形成典型的養(yǎng)護(hù)方案，故路面結(jié)構(gòu)組合及路面材料類(lèi)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(jìn)行分析。

(1)交通量：高速公路交通量調(diào)查中，能夠長(zhǎng)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(jì)指標(biāo)為年均日當(dāng)量交通量(Average Daily Traffic，AADT)。對(duì)于軸載作用次數(shù)、重車(chē)交通量等指標(biāo)不宜持續(xù)獲得，故本研究采用AADT指標(biāo)表征道路交通量水平。統(tǒng)計(jì)了數(shù)據(jù)省份各路線(xiàn)代表性斷面AADT分布情況，如圖1所示?？砂l(fā)現(xiàn)，該省各路線(xiàn)AADT指標(biāo)可明顯地區(qū)分出3個(gè)檔次：>40 000,20 000～40 000，<20 000，可作為本研究的3個(gè)取值范圍[10-11]。

圖1 路網(wǎng)各路線(xiàn)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(duì)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(biāo)包括直接指標(biāo)及間接指標(biāo)兩方面[12-13]。其中，直接指標(biāo)主要指通過(guò)對(duì)既有路面瀝青混合料進(jìn)行抽提篩分，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)其瀝青各項(xiàng)性能，如針入度、軟化點(diǎn)等。該類(lèi)數(shù)據(jù)需開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查，不宜進(jìn)行長(zhǎng)期且連續(xù)觀測(cè)。而間接指標(biāo)主要指路面結(jié)構(gòu)使用年限、累計(jì)交通軸載作用次數(shù)等，對(duì)于路面結(jié)構(gòu)使用年限可通過(guò)調(diào)查建養(yǎng)歷史資料獲得，而累計(jì)交通軸載作用次數(shù)則需通過(guò)開(kāi)展專(zhuān)門(mén)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(biāo)。統(tǒng)計(jì)了數(shù)據(jù)省份各路線(xiàn)路面結(jié)構(gòu)使用年限分布情況，如圖2所示?？砂l(fā)現(xiàn)，該省各路線(xiàn)路面結(jié)構(gòu)使用年限指標(biāo)可明顯區(qū)分出3個(gè)檔次：>15 a,7～15 a，<7 a，可作為本研究的3個(gè)取值范圍。

圖2 路網(wǎng)各路線(xiàn)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(duì)于路面長(zhǎng)期性能的影響至關(guān)重要。對(duì)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(lèi)型以SMA及AC為主[14-15]。使用運(yùn)營(yíng)期間的養(yǎng)護(hù)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(guò)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(diǎn)，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(biāo)。統(tǒng)計(jì)了數(shù)據(jù)省份各路線(xiàn)代表性路段瀝青面層厚度指標(biāo)分布情況，如圖3所示?？砂l(fā)現(xiàn)，該省各路線(xiàn)瀝青面層總厚度可明顯區(qū)分出3個(gè)檔次：>22 cm,18～22 cm，<18 cm，可作為本研究的3個(gè)取值范圍。

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

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，篩選出本區(qū)域內(nèi)影響路面長(zhǎng)期使用性能的3個(gè)關(guān)鍵因素，并分別劃分出了3個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)間[16]。一般情況下，為分析各種因素對(duì)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(duì)其路面使用性能進(jìn)行跟蹤觀測(cè)[17-18]。但受限于本區(qū)域路網(wǎng)的建養(yǎng)方式特點(diǎn)，很難湊齊同時(shí)滿(mǎn)足這27種因素組合的觀測(cè)路段，故本研究利用正交表來(lái)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(guò)跟蹤這9種代表性路段的路面使用性能指標(biāo)，分析其數(shù)據(jù)之間相關(guān)關(guān)系，對(duì)各影響因素對(duì)于路面使用性能的影響程度進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表1 水平因素Tab.1 Horizontal factors

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.2 Orthogonal experimental design scheme

3 正交試驗(yàn)分析

本研究重點(diǎn)分析交通量、路齡及路面結(jié)構(gòu)層厚度等因素對(duì)于路面病害發(fā)展規(guī)律的影響程度，故針對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(biāo)值及其衰變幅度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

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

3.1 正交直觀分析

通過(guò)比較分析，繪制出每一個(gè)影響因子的絕對(duì)數(shù)值與其數(shù)據(jù)水平的變化關(guān)系圖，同時(shí)通過(guò)極差來(lái)判斷該因素對(duì)指標(biāo)的影響程度。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，進(jìn)行直觀分析的結(jié)果見(jiàn)表4～表5。表中，對(duì)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(biāo)可表征影響因素A在水平1條件下PCI指標(biāo)的平均水平。通過(guò)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(shí)，通過(guò)比較3個(gè)影響因素極差值的大小，可比較出各因素對(duì)于PCI指標(biāo)影響程度的大小。

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

表5 PCI指標(biāo)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(gè)試驗(yàn)因素的極差值都大于誤差列的極差值，說(shuō)明試驗(yàn)效果是顯著的，達(dá)到了使交通量、路齡和瀝青層厚度這3個(gè)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(duì)于PCI指標(biāo)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(biāo)隨因素的水平變化情況用圖表示出來(lái)，如圖4～圖5所示。

圖4 各指標(biāo)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(biāo)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(zhǎng)，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(shì)。

(2)隨著交通量的增長(zhǎng)，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(zhǎng)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(dāng)瀝青層厚度小于22 cm后，PCI指標(biāo)出現(xiàn)加速下降的趨勢(shì)，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(biāo)相差不大。

3.2 正交方差分析

為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)各因素對(duì)于路面破損狀況指標(biāo)的影響程度，本研究針對(duì)正交分析數(shù)據(jù)開(kāi)展方差分析，從而做出影響因素對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的作用是否顯著的結(jié)論，并提出定量化的數(shù)量估計(jì)。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(duì)路面破損狀況指數(shù)PCI的影響比較顯著；交通量對(duì)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(hù)及功能性修復(fù)活動(dòng)，均可恢復(fù)路表面PCI指標(biāo)，故路齡因素對(duì)于PCI指標(biāo)的影響在本次試驗(yàn)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(duì)于路面病害的發(fā)展影響相對(duì)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(biāo)衰減速度的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，交通量與瀝青層厚度兩個(gè)因素的影響均高度顯著，而路齡的影響也是一般顯著，這說(shuō)明3個(gè)因素均對(duì)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(yàn)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(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及病害診斷時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮以上兩種因素的作用效果。同時(shí)，在分析PCI指標(biāo)衰變速度的影響因素時(shí)，路齡因素計(jì)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(shí)，也應(yīng)重點(diǎn)考慮路齡的影響。在路面建設(shè)及養(yǎng)護(hù)的過(guò)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(shí)現(xiàn)更為優(yōu)越的路面使用性能要求。

由于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)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(xì)程度。故應(yīng)繼續(xù)擴(kuò)大樣本量，針對(duì)不同氣候分區(qū)及結(jié)構(gòu)組合類(lèi)型，開(kāi)展長(zhǎng)期的跟蹤觀測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證本研究結(jié)論。