高速公路技術(shù)狀況指標(biāo)相關(guān)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(fā)達國家晚近半個世紀，但自20世紀80年代起步建設(shè)后，迅速進入高速發(fā)展期。根據(jù)交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)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(yǎng)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(shù)據(jù)表明目前公路建設(shè)成就很大，且已進入養(yǎng)護時代，公路行業(yè)正面臨著巨大的養(yǎng)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(fù)雜多變、早期設(shè)計不成熟以及施工質(zhì)量控制等原因，公路技術(shù)狀況在交通、環(huán)境等多重因素作用下呈現(xiàn)衰減的趨勢，且各項技術(shù)狀況衰減趨勢并不一致[1－4]。路面出現(xiàn)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(jié)構(gòu)損壞，進一步影響車輛行駛安全、質(zhì)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(wù)水平，延緩性能衰退，延長使用壽命、減少養(yǎng)護資金浪費是公路養(yǎng)護管理部門一項重要而艱巨的任務(wù)。故應(yīng)當(dāng)通過合理的路面性能檢測方法，科學(xué)評估高速公路技術(shù)狀況。通過路面性能分析、評價和預(yù)測來對高速公路進行科學(xué)養(yǎng)護，選取合適的養(yǎng)護技術(shù)方案和養(yǎng)護時機。

高速公路不同技術(shù)狀況并非獨立發(fā)展，而是相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同演變[5－8]。一般來說各項技術(shù)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(biāo)[9]，據(jù)此各自開展路面性能演變規(guī)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(jié)構(gòu)性能關(guān)系的相關(guān)研究較為匱乏，Prozzi和Madanat構(gòu)建了一個遞歸非線性模型來預(yù)測瀝青路面的使用性能，模型中考慮的因素有路面結(jié)構(gòu)特性、交通特性和環(huán)境條件。Culfik[10]通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)加鋪路面使用性能與結(jié)構(gòu)性能之間存在較強的相關(guān)性，研究強調(diào)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(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)路面強度為最重要的參數(shù)。國內(nèi)學(xué)者孫立軍[12]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，用以研究路面單點彎沉的變化。

基于上述分析可以看出:在相關(guān)性研究方面，現(xiàn)有研究指出路面結(jié)構(gòu)性能與表面性能間具有一定的相關(guān)性，但僅有少量探索性文獻，很難得到統(tǒng)一的定量關(guān)系。相關(guān)研究主要依賴各自獨立測量的數(shù)據(jù)集，關(guān)注同一時間性能之間靜態(tài)的數(shù)據(jù)關(guān)系，難以揭示路面服役期間時間序列的性能同步演化規(guī)律。

當(dāng)前考慮技術(shù)狀況間耦合影響的研究較少[13－14]，使得技術(shù)指標(biāo)缺乏關(guān)聯(lián)，無法分析技術(shù)狀況間高度耦合的內(nèi)在機制，難以準(zhǔn)確評價及預(yù)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(shù)狀況檢測與評定，并分析各技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)性，進一步揭示公路技術(shù)狀況間的相關(guān)關(guān)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(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，雙向四車道，路基寬度28.0 m，設(shè)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(biāo)準(zhǔn)差當(dāng)量數(shù)，也稱當(dāng)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(shù)狀況檢測，檢測里程為73.44 km，檢驗指標(biāo)包括路面損壞、平整度、車轍、跳車、彎沉等。檢測和評定依據(jù)為《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)[15]、《公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》(JTG 5142—2019)[16]。

檢測時采用的主要檢測指標(biāo)和對應(yīng)儀器設(shè)備如表1所示。

表1 檢測指標(biāo)和主要儀器設(shè)備

3 路面性能評價

首先對試驗路檢測指標(biāo)結(jié)果進行分析，評價其公路技術(shù)狀況?；凇豆芳夹g(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)，根據(jù)試驗路的檢測數(shù)據(jù)，以1 km為統(tǒng)計單位進行分析，公路技術(shù)狀況評價指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表2 公路技術(shù)狀況評價指標(biāo)結(jié)果

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

4 各技術(shù)狀況評價指標(biāo)相關(guān)性分析

單獨分析各項公路技術(shù)狀況評價指標(biāo)后，為探究指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，對各指標(biāo)間的相關(guān)性進行分析。一般常用Pearson相關(guān)系數(shù)“r”衡量兩個參數(shù)之間的相關(guān)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(shù)狀況評價指標(biāo)；N為變量取值個數(shù)。由于測試數(shù)據(jù)均為以1 km為統(tǒng)計單位，因此有75個數(shù)據(jù)，即N＝75。

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

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

表3 試驗路公路技術(shù)狀況指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)

圖1 試驗段公路技術(shù)狀況評價指標(biāo)間相關(guān)性散點圖

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

基于功率預(yù)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(shù)狀況指數(shù)(PQI)與路面損壞狀況指數(shù)(PCI)高度線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.83。

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

(3)路面抗滑性能指數(shù)(SRI)與路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)(PSSI)顯著線性負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.47。

根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)，對于該試驗路，其PQI應(yīng)按下式計算:

由PQI的計算公式可知，PCI所占權(quán)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(biāo)間相關(guān)性很高，兩者的相關(guān)性表達出明確的因果關(guān)系。

5 結(jié)論

通過對山東某高速公路技術(shù)狀況檢測數(shù)據(jù)進行分析，可得出以下結(jié)論:

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

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

(3)路面損壞狀況指數(shù)(PCI)與路面抗滑性能指數(shù)(SRI)顯著線性負相關(guān)，原因可能是路面紋理構(gòu)造的衰減導(dǎo)致路面抗滑性能下降，應(yīng)當(dāng)引起重視，后續(xù)養(yǎng)護時需采取針對性措施。

(4)路面抗滑性能指數(shù)(SRI)與路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)(PSSI)顯著線性負相關(guān)，但這并不代表兩項指標(biāo)性能間有明顯關(guān)系，故試驗結(jié)果分析時既要考慮數(shù)據(jù)，也要考慮數(shù)據(jù)背后的實際意義，尤其是路面的養(yǎng)護歷史情況。