吳秋展

(廣東能達(dá)公路養(yǎng)護(hù)股份有限公司, 廣東 廣州 510045)

瀝青路面的抗滑性能是確保車(chē)輛良好運(yùn)行的關(guān)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(huán)境溫度、行車(chē)數(shù)量及行車(chē)速度、降雨量、車(chē)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(biāo)橫向力系數(shù)的相關(guān)性不一樣,在路面抗滑數(shù)據(jù)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(biāo)的相關(guān)性有助于掌握路面抗滑性能的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[1]。

目前對(duì)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(jī)制、影響因素、發(fā)展規(guī)律及評(píng)價(jià)體系等方面。王永平等認(rèn)為瀝青路面抗滑性能影響因素包括瀝青材料及外界車(chē)輛等,并通過(guò)分析瀝青路面抗滑性能的衰減規(guī)律構(gòu)建了預(yù)測(cè)分析模型[2]。王松林等制作不同級(jí)配瀝青試件,對(duì)路面抗滑指數(shù)和磨耗指數(shù)進(jìn)行測(cè)試,研究抗滑指數(shù)和磨耗指數(shù)之間的相關(guān)性,結(jié)果表明兩者之間呈現(xiàn)較高的指數(shù)關(guān)系,可采用磨耗指數(shù)換算得到路面抗滑指數(shù)[3]。何俊輝等分析不同集料性能指標(biāo)與路面抗滑性能指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)關(guān)系,結(jié)果顯示集料的形狀因子對(duì)瀝青路面構(gòu)造深度和擺值的影響最大,集料棱角性等指標(biāo)也與路面構(gòu)造深度和擺值具有較好的關(guān)聯(lián)性[4]。由于不同瀝青路面的組成材料、所處環(huán)境等不同,已有研究成果很難復(fù)制到工程實(shí)踐中,根據(jù)瀝青路面特征及多年積累的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析,才能準(zhǔn)確反映路面抗滑性能與各因素之間的關(guān)系[5]。本文根據(jù)實(shí)際瀝青路面多年來(lái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和環(huán)境、車(chē)輛數(shù)據(jù),結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)理論分析瀝青路面抗滑性能影響因素,并進(jìn)行因素間相關(guān)性分析,確定因素間的關(guān)聯(lián)程度。

1 灰色關(guān)聯(lián)理論

灰色關(guān)聯(lián)理論已廣泛用于目標(biāo)對(duì)象的定量演化趨勢(shì)分析,可實(shí)現(xiàn)小樣本、不明顯規(guī)律的模擬分析[6]。采用灰色關(guān)聯(lián)理論分析瀝青路面抗滑性能影響因素間的關(guān)聯(lián)度,實(shí)際上是分析影響因素與橫向力系數(shù)CSFC的關(guān)聯(lián)度,屬于單因素案例分析過(guò)程,橫向力系數(shù)CSFC是系統(tǒng)的行為。記系統(tǒng)行為為x0,影響x0的多因素記為xi(i=1,2,3,…,n),運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論分析xi對(duì)x0的影響。記x0為參考數(shù)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(guān)比較因素,則比較數(shù)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(duì)于xi的絕對(duì)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(duì)差數(shù)列,γ為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù),則第k點(diǎn)對(duì)應(yīng)的xi對(duì)x0的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為:

γ(x0(k),xi(k))=

(4)

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

當(dāng)k=1,2,…,n時(shí),xi對(duì)x0的灰色關(guān)聯(lián)度為:

i=1,2,…,m

(5)

式(5)為灰色關(guān)聯(lián)度γi的表達(dá)式,反映各影響因素xi對(duì)行為因子x0的關(guān)聯(lián)程度。

2 瀝青路面抗滑性能關(guān)聯(lián)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(biāo)段2,樁號(hào)為K2663+654—K2698+954,長(zhǎng)35.3 km,路面結(jié)構(gòu)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(wěn)定碎石基層。設(shè)計(jì)速度為100 km/h,采用瀝青混凝土路面,主線按雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

自建成通車(chē)以來(lái),在反復(fù)交通荷載及不利環(huán)境因素影響下,路面網(wǎng)裂、連續(xù)坑槽、強(qiáng)度不足等病害顯現(xiàn),行車(chē)安全度降低。2014年初進(jìn)行部分路段病害微表處罩面等養(yǎng)護(hù),2017年實(shí)施較長(zhǎng)路段維修改造。

以2017—2021年K2665+400—K2670+400路段路面抗滑性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,以1 km為單位,統(tǒng)計(jì)橫向力系數(shù)CSFC實(shí)測(cè)值,CSFC實(shí)測(cè)值主要集中在[40,60],CSFC<48路段(對(duì)應(yīng)抗滑性能指數(shù)評(píng)分低于90)的占比為17.4%左右(見(jiàn)表1)。

2.2 瀝青路面抗滑性能關(guān)聯(lián)度分析

以K2665+400—K2695+400路段為例進(jìn)行瀝青路面抗滑性能關(guān)聯(lián)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(chē)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(shù)實(shí)測(cè)值(見(jiàn)表2),路面材料、地域性等因素假定未發(fā)生變化。2017年該路段實(shí)施養(yǎng)護(hù)維修,橫向力系數(shù)最大,隨后隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的推移,橫向力系數(shù)逐漸降低。

表1 某高速公路部分路段的橫向力系數(shù)

表2 K2665+400—K2695+400路段2017—2021年橫向力系數(shù)及影響因素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

橫向力系數(shù)與其影響因素的相關(guān)性分析屬于單因素分析,橫向力系數(shù)記為x0,影響橫向力系數(shù)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(shí)間跨度為5年,N=5。為計(jì)算簡(jiǎn)便,采用MATLAB軟件按照灰色關(guān)聯(lián)理論進(jìn)行計(jì)算,確定4項(xiàng)因素對(duì)橫向力系數(shù)的關(guān)聯(lián)度。

考慮到4項(xiàng)因素的量綱不同,在進(jìn)行因素關(guān)聯(lián)度計(jì)算前按式(6)進(jìn)行歸一化處理。以2017年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)2018—2021年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。

(6)

式中:Xi(1)為2017年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);Xi(k)為某項(xiàng)因素的第k年數(shù)據(jù)。

按式(3)進(jìn)行各因素絕對(duì)差數(shù)列處理,分別按式(4)、式(5)計(jì)算各因素對(duì)橫向力系數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度。橫向力系數(shù)和4項(xiàng)因素的歸一化處理及關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 K2665+400—K2695+400路段2017—2021年數(shù)據(jù)的歸一化處理及關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

由表3可知:橫向力系數(shù)隨著時(shí)間的推移逐漸減小,4項(xiàng)影響因素在不同年份均出現(xiàn)波動(dòng)。4項(xiàng)影響因素中,日均交通量與橫向力系數(shù)的關(guān)聯(lián)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(guān)鍵影響因素的相關(guān)性分析

將K2665+400—K2695+400路段劃分為5個(gè)路段,每個(gè)路段長(zhǎng)6 km,每個(gè)路段中設(shè)置15個(gè)測(cè)點(diǎn),檢測(cè)各測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間的路面溫度、構(gòu)造深度、橫向力系數(shù)、行車(chē)速度等,分析路面抗滑性能影響因素間的相關(guān)關(guān)系。

2.3.1 橫向力系數(shù)與行車(chē)速度的相關(guān)性

在該路段前期運(yùn)營(yíng)中采用橫向力系數(shù)車(chē)、手工鋪砂法等測(cè)試路面性能,2019年10月測(cè)試的不同車(chē)速下橫向力系數(shù)見(jiàn)表4、圖1。測(cè)試時(shí)地表溫度為15 ℃,日平均交通量為3.45萬(wàn)輛。從圖1可以看出:隨著行車(chē)速度的增加,路面橫向力系數(shù)先增大后減小, 60 km/h 速度下橫向力系數(shù)最大,之后隨著行車(chē)速度的增大,橫向力系數(shù)減小,且下降趨勢(shì)明顯。

對(duì)橫向力系數(shù)實(shí)測(cè)值與行車(chē)速度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析,相關(guān)系數(shù)為0.893。根據(jù)指標(biāo)間相關(guān)程度(見(jiàn)表5),瀝青路面橫向力系數(shù)與行車(chē)速度具有高度相關(guān)性。在進(jìn)行瀝青路面抗滑性能分析時(shí),須考慮行車(chē)速度的影響。

表4 瀝青路面橫向力系數(shù)與行車(chē)速度的關(guān)系

圖1 不同行車(chē)速度下路面橫向力系數(shù)

表5 指標(biāo)因素之間的相關(guān)程度

2.3.2 構(gòu)造深度與地表溫度的相關(guān)性

路面構(gòu)造深度可間接反映路面的抗滑性能。路面構(gòu)造深度受外界溫度影響,為研究構(gòu)造深度與外界溫度的相關(guān)性,采用手工鋪砂法測(cè)試不同地面溫度下路面構(gòu)造深度,并對(duì)不同溫度下構(gòu)造深度實(shí)測(cè)值進(jìn)行回歸分析,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 瀝青路面構(gòu)造深度與地表溫度的關(guān)系

按照線性相關(guān)擬合,路面構(gòu)造深度與地表溫度的相關(guān)系數(shù)為0.933,遠(yuǎn)大于0.800,可認(rèn)為構(gòu)造深度與地表溫度具有高度相關(guān)性,瀝青路面構(gòu)造深度與地表溫度間的關(guān)系顯著。

2.3.3 橫向力系數(shù)與路面構(gòu)造深度的相關(guān)性

對(duì)不同運(yùn)營(yíng)時(shí)間同一路段瀝青路面進(jìn)行橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度相關(guān)性分析。構(gòu)造深度為各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值,橫向力系數(shù)為構(gòu)造深度測(cè)點(diǎn)左右各50 m路段的均值。2017年、2019年橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的關(guān)系分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 2017年實(shí)測(cè)橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的關(guān)系

圖4 2019年實(shí)測(cè)橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的關(guān)系

對(duì)2017—2021年該路段路面橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的關(guān)系進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見(jiàn)表6。其中:2017年擬合數(shù)據(jù)更符合一次函數(shù),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.789;2019年擬合數(shù)據(jù)更符合二次函數(shù),相關(guān)系數(shù)僅為0.467。

表6 瀝青路面橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的相關(guān)系數(shù)

由表6可知:隨著時(shí)間的增長(zhǎng),路面橫向力系數(shù)和構(gòu)造深度的線性相關(guān)性越來(lái)越小。2017年線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.789,而2019年逐漸趨向于非線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)僅為0.467,顯著小于2017年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性。其原因是2017年對(duì)該路段進(jìn)行了養(yǎng)護(hù),橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的相關(guān)性最大,此后隨著病害的出現(xiàn),橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的相關(guān)性逐漸減弱。

綜上所述,經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)后,路面橫向力系數(shù)與路面構(gòu)造深度的相關(guān)性得到加強(qiáng),但隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng),橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的相關(guān)性減弱,此時(shí)須同時(shí)進(jìn)行橫向力系數(shù)和構(gòu)造深度檢測(cè),不能單獨(dú)以其中一項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果作為路面抗滑性能評(píng)價(jià)依據(jù)。尤其是對(duì)于新攤鋪的路面,在進(jìn)行路面性能檢測(cè)時(shí),若路面橫向力系數(shù)超出規(guī)定值,而構(gòu)造深度滿足要求,則須加強(qiáng)對(duì)瀝青路面原材料的控制,選擇優(yōu)質(zhì)的原材料;若構(gòu)造深度不滿足要求,而路面橫向力系數(shù)滿足要求,則須分析路面原材料的配比并進(jìn)行優(yōu)化。在對(duì)運(yùn)營(yíng)路面進(jìn)行檢測(cè)時(shí),可將路面橫向力系數(shù)和構(gòu)造深度共同作為路面抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 結(jié)論

(1) 橫向力系數(shù)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小,4項(xiàng)影響因素并未呈現(xiàn)出與時(shí)間的相關(guān)性。日均交通量與橫向力系數(shù)的關(guān)聯(lián)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(shù)與行車(chē)速度具有高度相關(guān)性,隨著行車(chē)速度的增加,橫向力系數(shù)先增大后減小,速度為60 km/h時(shí)橫向力系數(shù)最大,速度大于60 km/h時(shí)橫向力系數(shù)減小,且下降趨勢(shì)明顯。

(3) 橫向力系數(shù)與路面構(gòu)造深度具有相關(guān)性。隨著路面運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng),橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的相關(guān)性逐漸降低。進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù),提高路面抗滑性能的同時(shí),也使橫向力系數(shù)與構(gòu)造深度的相關(guān)性得到增強(qiáng)。在道路運(yùn)營(yíng)中,應(yīng)盡量將橫向力系數(shù)和構(gòu)造深度共同作為路面抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。