瀝青路面抗滑性能影響因素相關性分析

吳秋展

(廣東能達公路養護股份有限公司, 廣東 廣州 510045)

瀝青路面的抗滑性能是確保車輛良好運行的關鍵,它受多種因素影響,主要包括瀝青路面自身材料及外界因素兩方面,如路面材料、環境溫度、行車數量及行車速度、降雨量、車輛荷載等。但這些因素的影響程度不一致,且與抗滑性能指標橫向力系數的相關性不一樣,在路面抗滑數據不易采集的情況下,分析抗滑性能影響因素及影響因素與抗滑性能代表指標的相關性有助于掌握路面抗滑性能的現狀及發展趨勢[1]。

目前對瀝青路面抗滑性能的研究集中在瀝青路面抗滑性能影響機制、影響因素、發展規律及評價體系等方面。王永平等認為瀝青路面抗滑性能影響因素包括瀝青材料及外界車輛等,并通過分析瀝青路面抗滑性能的衰減規律構建了預測分析模型[2]。王松林等制作不同級配瀝青試件,對路面抗滑指數和磨耗指數進行測試,研究抗滑指數和磨耗指數之間的相關性,結果表明兩者之間呈現較高的指數關系,可采用磨耗指數換算得到路面抗滑指數[3]。何俊輝等分析不同集料性能指標與路面抗滑性能指標的灰色關聯關系,結果顯示集料的形狀因子對瀝青路面構造深度和擺值的影響最大,集料棱角性等指標也與路面構造深度和擺值具有較好的關聯性[4]。由于不同瀝青路面的組成材料、所處環境等不同,已有研究成果很難復制到工程實踐中,根據瀝青路面特征及多年積累的試驗監測數據進行具體分析,才能準確反映路面抗滑性能與各因素之間的關系[5]。本文根據實際瀝青路面多年來的檢測數據和環境、車輛數據,結合灰色關聯理論分析瀝青路面抗滑性能影響因素,并進行因素間相關性分析,確定因素間的關聯程度。

1 灰色關聯理論

灰色關聯理論已廣泛用于目標對象的定量演化趨勢分析,可實現小樣本、不明顯規律的模擬分析[6]。采用灰色關聯理論分析瀝青路面抗滑性能影響因素間的關聯度,實際上是分析影響因素與橫向力系數CSFC的關聯度,屬于單因素案例分析過程,橫向力系數CSFC是系統的行為。記系統行為為x0,影響x0的多因素記為xi(i=1,2,3,…,n),運用灰色關聯理論分析xi對x0的影響。記x0為參考數列,表示為:

x0={x0(k)|k=1,2,…,n}=

(x0(1),x0(2),…,x0(n))

(1)

xi(i=1,2,…,n)為x0的相關比較因素,則比較數列xi表示為:

xi={xi(k)|k=1,2,…,n}=(xi(1),

xi(2),…,xi(n));i=1,2,…,n

(2)

x0相對于xi的絕對差為:

Δi(k)=|x0(k)-xi(k)|;

k=1,2,…,n;1≤i≤m

(3)

記Δi=(Δi(1),Δi(2),…,Δi(n))為絕對差數列,γ為灰色關聯系數,則第k點對應的xi對x0的灰色關聯系數為:

γ(x0(k),xi(k))=

(4)

式中:α為分辨率系數,為常數,取值區間為[0,1],α越大,分辨率越大,一般情況下α=0.5。

當k=1,2,…,n時,xi對x0的灰色關聯度為:

i=1,2,…,m

(5)

式(5)為灰色關聯度γi的表達式,反映各影響因素xi對行為因子x0的關聯程度。

2 瀝青路面抗滑性能關聯分析

2.1 工程概況

廣東省某高速公路東段路面維修工程的標段2,樁號為K2663+654—K2698+954,長35.3 km,路面結構由上至下分別為4 cm改性瀝青GAC-16C上面層+6 cm改性瀝青GAC-20C下面層+25 cm水泥混凝土面板+18 cm水泥穩定碎石基層。設計速度為100 km/h,采用瀝青混凝土路面,主線按雙向四車道高速公路標準建設。

自建成通車以來,在反復交通荷載及不利環境因素影響下,路面網裂、連續坑槽、強度不足等病害顯現,行車安全度降低。2014年初進行部分路段病害微表處罩面等養護,2017年實施較長路段維修改造。

以2017—2021年K2665+400—K2670+400路段路面抗滑性能實測數據為例,以1 km為單位,統計橫向力系數CSFC實測值,CSFC實測值主要集中在[40,60],CSFC<48路段(對應抗滑性能指數評分低于90)的占比為17.4%左右(見表1)。

2.2 瀝青路面抗滑性能關聯度分析

以K2665+400—K2695+400路段為例進行瀝青路面抗滑性能關聯度分析。

影響瀝青路面抗滑性能的因素較多,包括日均交通量、年降水量、最高氣溫和最低氣溫、車輛荷載、路面材料等[7-8]。收集該路段2017—2021年的日均交通量、年降水量、氣溫范圍、橫向力系數實測值(見表2),路面材料、地域性等因素假定未發生變化。2017年該路段實施養護維修,橫向力系數最大,隨后隨著運營時間的推移,橫向力系數逐漸降低。

表1 某高速公路部分路段的橫向力系數

表2 K2665+400—K2695+400路段2017—2021年橫向力系數及影響因素實測數據

橫向力系數與其影響因素的相關性分析屬于單因素分析,橫向力系數記為x0,影響橫向力系數的因素記為xi(i=1,2,3,4),m=4,包括日均交通量、年降水量、最高氣溫、最低氣溫。研究時間跨度為5年,N=5。為計算簡便,采用MATLAB軟件按照灰色關聯理論進行計算,確定4項因素對橫向力系數的關聯度。

考慮到4項因素的量綱不同,在進行因素關聯度計算前按式(6)進行歸一化處理。以2017年實測數據為基礎數據,對2018—2021年實測數據進行歸一化。

(6)

式中:Xi(1)為2017年實測數據;Xi(k)為某項因素的第k年數據。

按式(3)進行各因素絕對差數列處理,分別按式(4)、式(5)計算各因素對橫向力系數的灰色關聯系數和灰色關聯度。橫向力系數和4項因素的歸一化處理及關聯度計算結果見表3。

表3 K2665+400—K2695+400路段2017—2021年數據的歸一化處理及關聯度計算結果

由表3可知:橫向力系數隨著時間的推移逐漸減小,4項影響因素在不同年份均出現波動。4項影響因素中,日均交通量與橫向力系數的關聯度最大,最低氣溫次之,年降水量最小。道路交通量是影響路面抗滑性能的最主要因素,其次是最低氣溫。

2.3 瀝青路面抗滑性能關鍵影響因素的相關性分析

將K2665+400—K2695+400路段劃分為5個路段,每個路段長6 km,每個路段中設置15個測點,檢測各測點在不同時間的路面溫度、構造深度、橫向力系數、行車速度等,分析路面抗滑性能影響因素間的相關關系。

2.3.1 橫向力系數與行車速度的相關性

在該路段前期運營中采用橫向力系數車、手工鋪砂法等測試路面性能,2019年10月測試的不同車速下橫向力系數見表4、圖1。測試時地表溫度為15 ℃,日平均交通量為3.45萬輛。從圖1可以看出:隨著行車速度的增加,路面橫向力系數先增大后減小, 60 km/h 速度下橫向力系數最大,之后隨著行車速度的增大,橫向力系數減小,且下降趨勢明顯。

對橫向力系數實測值與行車速度的關系進行回歸分析,相關系數為0.893。根據指標間相關程度(見表5),瀝青路面橫向力系數與行車速度具有高度相關性。在進行瀝青路面抗滑性能分析時,須考慮行車速度的影響。

表4 瀝青路面橫向力系數與行車速度的關系

圖1 不同行車速度下路面橫向力系數

表5 指標因素之間的相關程度

2.3.2 構造深度與地表溫度的相關性

路面構造深度可間接反映路面的抗滑性能。路面構造深度受外界溫度影響,為研究構造深度與外界溫度的相關性,采用手工鋪砂法測試不同地面溫度下路面構造深度,并對不同溫度下構造深度實測值進行回歸分析,結果見圖2。

圖2 瀝青路面構造深度與地表溫度的關系

按照線性相關擬合,路面構造深度與地表溫度的相關系數為0.933,遠大于0.800,可認為構造深度與地表溫度具有高度相關性,瀝青路面構造深度與地表溫度間的關系顯著。

2.3.3 橫向力系數與路面構造深度的相關性

對不同運營時間同一路段瀝青路面進行橫向力系數與構造深度相關性分析。構造深度為各測點實測值,橫向力系數為構造深度測點左右各50 m路段的均值。2017年、2019年橫向力系數與構造深度的關系分別見圖3、圖4。

圖3 2017年實測橫向力系數與構造深度的關系

圖4 2019年實測橫向力系數與構造深度的關系

對2017—2021年該路段路面橫向力系數與構造深度的關系進行擬合,擬合結果見表6。其中:2017年擬合數據更符合一次函數,相關系數達0.789;2019年擬合數據更符合二次函數,相關系數僅為0.467。

表6 瀝青路面橫向力系數與構造深度的相關系數

由表6可知:隨著時間的增長,路面橫向力系數和構造深度的線性相關性越來越小。2017年線性相關系數達0.789,而2019年逐漸趨向于非線性相關,相關系數僅為0.467,顯著小于2017年實測數據的相關性。其原因是2017年對該路段進行了養護,橫向力系數與構造深度的相關性最大,此后隨著病害的出現,橫向力系數與構造深度的相關性逐漸減弱。

綜上所述,經過養護后,路面橫向力系數與路面構造深度的相關性得到加強,但隨著運營時間的增長,橫向力系數與構造深度的相關性減弱,此時須同時進行橫向力系數和構造深度檢測,不能單獨以其中一項檢測結果作為路面抗滑性能評價依據。尤其是對于新攤鋪的路面,在進行路面性能檢測時,若路面橫向力系數超出規定值,而構造深度滿足要求,則須加強對瀝青路面原材料的控制,選擇優質的原材料;若構造深度不滿足要求,而路面橫向力系數滿足要求,則須分析路面原材料的配比并進行優化。在對運營路面進行檢測時,可將路面橫向力系數和構造深度共同作為路面抗滑性能評價指標。

3 結論

(1) 橫向力系數隨著時間的增長逐漸減小,4項影響因素并未呈現出與時間的相關性。日均交通量與橫向力系數的關聯度最大,為抗滑性能的重要影響因素,其次是最低氣溫,年降水量的影響最小。

(2) 瀝青路面橫向力系數與行車速度具有高度相關性,隨著行車速度的增加,橫向力系數先增大后減小,速度為60 km/h時橫向力系數最大,速度大于60 km/h時橫向力系數減小,且下降趨勢明顯。

(3) 橫向力系數與路面構造深度具有相關性。隨著路面運營時間的增長,橫向力系數與構造深度的相關性逐漸降低。進行路面養護,提高路面抗滑性能的同時,也使橫向力系數與構造深度的相關性得到增強。在道路運營中,應盡量將橫向力系數和構造深度共同作為路面抗滑性能評價指標。