基于指標(biāo)變異性的高速公路路面性能相關(guān)性研究*

葉文亞 陳帝江 周師師

(1.寧波工程學(xué)院建筑與交通學(xué)院 寧波 315211； 2.寧波市公路與運(yùn)輸管理中心 寧波 315042；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

高速公路的路面服役性能在交通、環(huán)境等多項(xiàng)因素的作用下表現(xiàn)出復(fù)雜的衰減模式。準(zhǔn)確的路面服役性能評(píng)價(jià)是明確路面養(yǎng)護(hù)需求、制定維修對(duì)策的基礎(chǔ)。瀝青路面服役性能主要包括路面結(jié)構(gòu)性能和表面性能。良好的路面結(jié)構(gòu)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(nèi)部聯(lián)系。在道路使用期間，其結(jié)構(gòu)承載能力等性能均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)[1]。通常來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)的路段，它的其他性能衰減也會(huì)較為緩慢；反之，對(duì)于路面結(jié)構(gòu)性能差的路段，其相關(guān)的其他性能衰變相對(duì)較快[2]。而路面結(jié)構(gòu)性破壞一旦產(chǎn)生，維修會(huì)對(duì)道路通行能力造成嚴(yán)重影響。因此，需采取有效手段對(duì)高速公路的路面結(jié)構(gòu)性能和表面性能進(jìn)行檢測(cè)和綜合評(píng)價(jià)。

針對(duì)表面性能間的相互關(guān)系現(xiàn)已有較多研究，多聚焦于國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)與路面病害間的關(guān)系，但針對(duì)表面性能與結(jié)構(gòu)性能相關(guān)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(jié)構(gòu)組成系數(shù)和PCI之間的關(guān)系式，用以研究路面單點(diǎn)彎沉的變化。李志強(qiáng)[6]通過(guò)專(zhuān)家調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)瀝青路面各類(lèi)病害與結(jié)構(gòu)性能的相關(guān)性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)路面裂縫類(lèi)損壞對(duì)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，而變形類(lèi)損壞對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較弱。這些研究推動(dòng)了路面結(jié)構(gòu)性能與表面性能的相關(guān)性研究，但多關(guān)注2種性能均值之間的關(guān)系，少有對(duì)結(jié)構(gòu)性能和表面性能的變異性進(jìn)行分析，故本文擬對(duì)此進(jìn)行一些探索。

1 路況介紹

1.1 路面結(jié)構(gòu)

甬臺(tái)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(jīng)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(jìn)入臺(tái)州、溫州必經(jīng)之路的首段，是溝通浙江省沿海地區(qū)的一條重要通道，涉及路段全長(zhǎng)49.3 km。

路面結(jié)構(gòu)形式主要有2種，由于道路運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)大修加鋪后路面結(jié)構(gòu)較厚，結(jié)構(gòu)1為單層罩面，結(jié)構(gòu)2為雙層罩面，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)形式

1.2 路段選取

甬臺(tái)溫高速公路寧波段(一期)路段長(zhǎng)且交通量大。利用多功能檢測(cè)車(chē)可以覆蓋全路段檢測(cè)，但對(duì)于路面結(jié)構(gòu)狀況檢測(cè)，F(xiàn)WD落錘式彎沉儀無(wú)法不停車(chē)檢測(cè)，封道的要求對(duì)交通流造成較大影響。因此，結(jié)合路段實(shí)際情況，考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益后，選取典型路段(10 km)，對(duì)其路面結(jié)構(gòu)性能展開(kāi)深入分析。路段選取時(shí)考慮的因素有：

1) 10 km應(yīng)分為若干路段，且不宜太過(guò)聚集。

2) 應(yīng)包含有上行和下行方向的路段，且盡量均衡。

3) 該路段重車(chē)較多，應(yīng)主要考慮重車(chē)道。

4) 路段需含有部分表面破損，如橫縫、坑槽、車(chē)轍。

最終選取4個(gè)典型路段，其基本信息見(jiàn)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(duì)測(cè)試路段采用多功能檢測(cè)車(chē)進(jìn)行了路表性能檢測(cè)，測(cè)試車(chē)道均為重車(chē)道。根據(jù)JTG 5210-2018 《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[7]，一般可利用路面損壞狀況指數(shù)(PCI)對(duì)路表性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，路段1、路段2、路段3和路段4的PCI數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 典型路段PCI檢測(cè)結(jié)果

由表3可見(jiàn)，目前各路段路面損壞狀況指數(shù)PCI結(jié)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(duì)各路段的PCI作夏皮洛-威爾克檢驗(yàn)(SW)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)P值均大于0.05，即4組數(shù)據(jù)均滿足正態(tài)分布，繪制各路段PCI的正態(tài)分布擬合曲線見(jiàn)圖1。

圖1 各路段PCI概率密度擬合圖

由圖1可見(jiàn)，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(nèi)部PCI差異較小，而路段2內(nèi)部PCI值差異相對(duì)最大。這一特征可以通過(guò)一個(gè)分布參數(shù)來(lái)量化分析，即標(biāo)準(zhǔn)差(Std)，其公式為

(1)

式中：xi為第i點(diǎn)的參數(shù)值，μ為均值，本節(jié)參數(shù)指的是PCI值，后續(xù)彎沉值也同樣適用。

同時(shí)，考慮到當(dāng)幾組數(shù)據(jù)均值差異較大時(shí)，僅比較其標(biāo)準(zhǔn)差不太合適，為消除測(cè)量尺度和量綱的影響，采用變異系數(shù)(CV)進(jìn)行分析，其公式為

(2)

據(jù)此，計(jì)算得各路段PCI的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)見(jiàn)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(jié)果

2.2 結(jié)構(gòu)性能

在路面設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)期間，彎沉值一直是路面結(jié)構(gòu)層承載能力的重要檢測(cè)指標(biāo)。落錘式彎沉儀(FWD)這一動(dòng)態(tài)彎沉量測(cè)儀器可以快速、無(wú)損地直接量測(cè)到路段的表面彎沉盆，從而對(duì)路段結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

2019年11月對(duì)北侖港甬臺(tái)溫高速公路的4個(gè)典型路段進(jìn)行了FWD動(dòng)態(tài)彎沉測(cè)試，測(cè)試時(shí)通過(guò)封道進(jìn)行交通管制。項(xiàng)目采用SHN-FWD-MV多點(diǎn)車(chē)載落錘式彎沉儀，縱向以20 m為1個(gè)測(cè)點(diǎn)，故路段1、2、3和4的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為200，300，100，200。通過(guò)9個(gè)位移傳感器的測(cè)試結(jié)果得到彎沉盆數(shù)據(jù)。9個(gè)傳感器距荷載中心點(diǎn)的距離分別為0，200，300，450，600，900，1 200，1 500，1 800 mm，編號(hào)為D1～D9，對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)值為d1～d9。測(cè)試采用的荷載為50 kN，荷載板半徑為15 cm。求得4個(gè)典型路段各測(cè)點(diǎn)彎沉盆的最大值、最小值和均值，各路段彎沉盆圖見(jiàn)圖2。由圖2各路段對(duì)比來(lái)看，路段3彎沉值整體偏大，說(shuō)明路段3路面結(jié)構(gòu)狀況較差，但其變異性較小，即路段結(jié)構(gòu)較為均勻；路段4彎沉值偏大，結(jié)構(gòu)較弱，此外變異性最大，路段內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異性較大。各傳感器對(duì)比來(lái)看，隨著靠近加載點(diǎn)的位置彎沉波動(dòng)較大，遠(yuǎn)離加載點(diǎn)的位置彎沉波動(dòng)小，而遠(yuǎn)端彎沉值通常反映路基強(qiáng)度[8-9]，從整體來(lái)說(shuō)這4個(gè)路段的路基強(qiáng)度變化較小，其中路段4相對(duì)較大。

圖2 各路段彎沉盆圖

3 結(jié)構(gòu)性能與表面性能對(duì)比分析

為對(duì)比各路段的結(jié)構(gòu)性能與表面性能，計(jì)算各路段路面表面性能(PCI)與結(jié)構(gòu)性能(d1)的均值和變異系數(shù)，路面檢測(cè)結(jié)果圖見(jiàn)圖3。

圖3 路面檢測(cè)結(jié)果

由圖3可見(jiàn)：①各路段表面性能參數(shù)PCI的變異性較小，變異系數(shù)最大的為路段2的4.62%；結(jié)構(gòu)性能參數(shù)d1的變異性相對(duì)較大，最大為路段4，達(dá)到60.53%。②若比較結(jié)構(gòu)性能參數(shù)(d1)均值與表面性能參數(shù)(PCI)均值之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其并不十分顯著，如路段3的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一直相對(duì)最差，但其表面性能較好。③若比較各參數(shù)變異性間的關(guān)系，則可看出，路段4的結(jié)構(gòu)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(duì)于路段3，雖說(shuō)其結(jié)構(gòu)性能相對(duì)較差，但其結(jié)構(gòu)性能和表面性能的差異性均為最低，即路段3內(nèi)部性能較為平均。

想衡量2個(gè)變量(PCI和中心彎沉值d1)的相關(guān)性大小，常用的指標(biāo)為皮爾遜相關(guān)系數(shù)r。-1≤r≤1，r值為正，則兩變量間有正相關(guān)關(guān)系，且值越大，相關(guān)性越強(qiáng)；r值為負(fù)，則兩變量有負(fù)相關(guān)關(guān)系，且值越小則相關(guān)性越強(qiáng)；若r值為0，則兩變量無(wú)相關(guān)關(guān)系。皮爾遜相關(guān)系數(shù)的公式為

(3)

表5 相關(guān)強(qiáng)度關(guān)系

現(xiàn)計(jì)算PCI的均值與d1的均值間的相關(guān)關(guān)系，r為0.08，說(shuō)明2個(gè)指標(biāo)均值間極弱相關(guān)或無(wú)相關(guān)。計(jì)算PCI的變異系數(shù)與d1的變異系數(shù)間的相關(guān)關(guān)系，r為0.62，說(shuō)明2個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)間為強(qiáng)相關(guān)，即路面損壞狀況變異系數(shù)與路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變異系數(shù)間存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。

其原因可能是：路面結(jié)構(gòu)承載能力是路面服役性能的基礎(chǔ)，對(duì)于路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變異較大的道路，由于基礎(chǔ)影響表面，導(dǎo)致路面表面性能變異性也會(huì)變大。反過(guò)來(lái)若表面性能變異性大，在表面性能差的路段，車(chē)輛振動(dòng)加劇，其相互作用力又會(huì)對(duì)該處路面結(jié)構(gòu)造成一定的損傷，導(dǎo)致與其他路段的結(jié)構(gòu)性能差異變大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)甬臺(tái)溫高速公路寧波段的路面性能進(jìn)行檢測(cè)、各路段的結(jié)構(gòu)性能與表面性能的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，從PCI與d1均值來(lái)看，2個(gè)指標(biāo)間相關(guān)性不強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)僅為0.08；而從變異性來(lái)看，PCI的變異系數(shù)與d1的變異系數(shù)為0.62，說(shuō)明兩指標(biāo)間存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。

路段4的結(jié)構(gòu)性能和表面性能的變異性均較大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差的路段3內(nèi)部變異程度反而較好，這對(duì)于養(yǎng)護(hù)決策管理具有重要的指導(dǎo)意義。例如，對(duì)于路段4，若以其評(píng)價(jià)參數(shù)的均值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，可能得出不需要維修的結(jié)論；若考慮到其變異程度強(qiáng)，即存在極端破壞嚴(yán)重的段落，則需要引起重視，并及時(shí)維修。

指標(biāo)變異系數(shù)對(duì)于路面精準(zhǔn)維護(hù)有較好的指導(dǎo)作用。因此，在養(yǎng)護(hù)維修決策方案的制定中，對(duì)指標(biāo)變異系數(shù)應(yīng)當(dāng)采取更多關(guān)注。