基于正交分析的高速公路沥青路面状况影响因素研究

预测路面使用性能衰变趋势是研究路面结构设计方法，提升路面使用寿命的关键技术难题。多年来，国内外众多专家学者在这方面开展了广泛的研究，提出了多种路面使用性能衰变模型。国外在此方面的研究起步较早，也取得了较多的研究成果，如美国路面长期使用性能(Long Term Pavement Performance，LTPP)研究计划[1-5]。由于我国自然经济条件、路面结构形式、养护设计规范等均与美国不同，很多情况下我们不能直接应用LTPP的结论。我国于2000年开始，由交通运输部先后立项开展了沥青路面长期性能研究、环道足尺加速加载试验等课题，对公路路面长期结构行为的掌握逐渐深入。但由于观测时间较短，观测样本有限，影响因素复杂等多种原因，目前针对全国范围或某一特定区域，均没能提出一套准确预测路面使用性能衰变规律的方法或模型。本研究基于对我国北方某省高速公路网路面技术状况开展的连续12年跟踪观测数据，进行路面使用性能影响因素分析，总结路面破损状况指数(Pavement Surface Condition Index，PCI)衰变规律，为后期优化路面养护设计方法提供数据支撑[6]。

(2)材料老化:材料老化对路面结构使用性能将产生较大影响。表征材料老化的指标包括直接指标及间接指标两方面[12-13]。其中，直接指标主要指通过对既有路面沥青混合料进行抽提筛分，并通过室内试验检测其沥青各项性能，如针入度、软化点等。该类数据需开展专项调查，不宜进行长期且连续观测。而间接指标主要指路面结构使用年限、累计交通轴载作用次数等，对于路面结构使用年限可通过调查建养历史资料获得，而累计交通轴载作用次数则需通过开展专门的轴载调查才能收集到。综合数据获得难易程度、数据代表性及可持续性等方面考虑，本研究挑选路面结构使用年限作为表征材料老化程度的指标。统计了数据省份各路线路面结构使用年限分布情况，如图2所示。可发现，该省各路线路面结构使用年限指标可明显区分出3个档次:＞15a，7～15a，＜7a，可作为本研究的3个取值范围。

(3)结构形式:路面结构组合形式对于路面长期性能的影响至关重要。对于本次数据样本而言，路面结构均采用半刚性基层沥青路面结构，沥青面层在建设之初几乎都采用三层沥青混凝土的结构形式，材料类型以SMA及AC为主[14-15]。使用运营期间的养护工程以加铺4cm沥青混凝土为主。目前有部分路段经历过一次加铺，也有部分路段先后经历了两次加铺。基于以上管养特点，本研究选择沥青层总厚度作为区分结构形式的分析指标。统计了数据省份各路线代表性路段沥青面层厚度指标分布情况，如图3所示。可发现，该省各路线沥青面层总厚度可明显区分出3个档次:＞22cm，18～22cm，＜18cm，可作为本研究的3个取值范围。

根据以上分析，筛选出本区域内影响路面长期使用性能的3个关键因素，并分别划分出了3个数据区间[16]。一般情况下，为分析各种因素对路面使用性能的影响效果，应建立3×3×3=27种组合型式，分别对其路面使用性能进行跟踪观测[17-18]。但受限于本区域路网的建养方式特点，很难凑齐同时满足这27种因素组合的观测路段，故本研究利用正交表来安排与分析多因素条件下路面使用性能的变化规律。在全部27种水平组合中，挑选有代表性的水平组合，建立了3×3=9种组合矩阵，如表1所示。通过跟踪这9种代表性路段的路面使用性能指标，分析其数据之间相关关系，对各影响因素对于路面使用性能的影响程度进行定量化评价。正交试验设计方案如表2所示。

本研究重点分析交通量、路龄及路面结构层厚度等因素对于路面病害发展规律的影响程度，故针对正交试验设计出的9种代表性路段，分别跟踪其路面破损状况指数PCI指标值及其衰变幅度，检测结果见表3。

通过比较分析，绘制出每一个影响因子的绝对数值与其数据水平的变化关系图，同时通过极差来判断该因素对指标的影响程度。根据以上数据，进行直观分析的结果见表4~表5。表中，对于影响因素A(AADT)而言，K1=PCI路段1+PCI路段2+PCI路段3，k1=(1/3)K1，该指标可表征影响因素A在水平1条件下PCI指标的平均水平。通过比较k1、k2及k3的大小，可定量化提出影响因素A的最优水平。同时，通过比较3个影响因素极差值的大小，可比较出各因素对于PCI指标影响程度的大小。