基于MEPDG方法的柔性路面交通参数敏感性分析

张 然，姚晓光，张 琛

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

作者简介：张 然（1989－），女，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。

姚晓光（1991－），男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。

张 琛（1986－），男，长安大学公路学院硕士博士生，道路与铁道工程专业。

摘 要：柔性路面的交通参数敏感性分析可以用来研究不同的交通参数对路面性能的影响，进而有利于柔性路面结构的优化设计。本研究采用MEPDG方法结合统计分析软件SPSS，通过单因素敏感性分析方法分别对路面的平整度、裂缝和车辙进行不同交通参数敏感性分析，并进行了验证。研究表明：平整度和车辙对交通参数敏感性排序都为AADT＞双轮胎间距＞重型车辆百分比＞车辆运行速度，其中的重型车辆百分比为40％～45％时，两者变化比较明显，增大值分别为4．7和0．112；龟裂对交通参数的敏感性依次为双轮胎间距＞AADT＞车辆运行速度＞重型车辆百分比，双轮胎间距为由5～10时，龟裂变化比较明显；路面纵向裂缝的敏感性参数依次为AADT＞车辆运行速度＞重型车辆百分比。

关键词：道路工程；柔性路面；交通参数；敏感性分析；MEPDG

Abstract：The sensitivity analysis of traffic parameters for flexible pavement can be used to study the influence of every traffic parameters，which can help optimization design of the pavement structure．In this research，MEPDG method combined mul－tiple regression analysis soft SPSS were used．Meanwhile，the single factorial sensitivity analysis method was used to analysis different traffic parameters for IRI，cracking and rutting．The result shows that，the sensitivity of IRI and rutting to traffic parameters is AADT＞double tire spacing＞percent of heavy vehicle＞vehicle operational speed，when the percent of heavy vehicle is 40％～50％，the change is more noticeable，increases 4．7and 0．112．The sensitivity of alligator cracking to traffic parameters is double tire spacing＞AADT＞vehicle operational speed＞percent of heavy vehicle，when dual tire spacing is 5～10，the change is more obvious．The sensitivity of longitudinal cracking to traffic parameters is AADT＞vehi－cle operational speed＞percent of heavy vehicle．

Key words：Road Engineering；Flexible pavement；Traffic parameters；Sensitivity analysis；Mechanistic－empirical design guide

引 言

路面交通参数的敏感度分析是进行沥青路面结构设计的重要部分［1－2］，通过对路面交通参数的分析进而可以得出交通设计参数的变化对路面路用性能的影响，从而推荐出交通参数的建议值，有利于路面结构的优化设计［3］。然而，目前针对这一研究尤其是针对柔性路面的研究比较鲜见，且研究深度不够。

本研究采用MEPDG路面设计方法［4］，以三层沥青路面结构设计为例，同时运用拉丁超立方体抽样（LHS）［5］和SPSS软件［6］通过单因素敏感性分析［7－8］进行路面交通参数敏感度分析。

1 MEPDG方法及计算分析方法

1．1 MEPDG方法简介

美国国家公路合作研究项目（NCHRP 1－37A）经过长期的研究，耗资近700万美元于2004年推出了新路面和改造路面结构设计指南，命名为力学－经验路面设计指南（Mechanistic－Em－pirical Pavement Design Guide，MEPDG）［9，10］。

MEPDG基于力学经验法理论，为柔性路面、刚性路面和半刚性路面等多种路面类型的设计提供了统一的基础，并采用共同的交通、路基、气候和可靠的设计参数，不仅可以预测各种路面性能，同时还建立了材料、路面结构设计、施工、气候、交通和路面管理系统之间的联系［11］。

1．2 计算分析方法

首先进行参数的选取和取值范围的确定，运用拉丁超立方体抽样方法（LHS）输入空间所有参数进行分析，随后对选择的参数运用MEPDG法进行输入，随后对MEPDG输出的参数运用SPSS软件进行多元化回归分析，为保证分析的正确性以及进一步了解主要参数的具体影响性，最后再次运用MEPDG方法进行验证和分析。

本研究主要运用MEPDG进行IRI、裂缝和车辙的分析研究。计算分析流程如图1所示。

图1 计算分析流程图

2 路面结构及MEPDG参数取值

2．1 路面结构

柔性路面结构如表1所示。

表1 柔性路面结构

2．2 MEPDG参数取值

交通参数：取值范围如表2所示。

表2 交通参数的取值范围

气候参数：MEPDG设计软件的气候文件主要包括大气温度、降水量、风速、日照百分比以及相对湿度这五个指标。本研究通过“中国地下水信息网”和“中国气象科学数据共享服务网”2个数据中心获取了相关的地下水资料和气候资料［12］，并将这些数据整理成MEPDG软件中相应的文件格式进行输入。

3 交通参数的敏感度分析

3．1 IRI敏感度分析

使用多元回归分析软件SPSS进行多元回归分析，如表3所示。

表3 IRI标准回归系数（SRC）

从表3中可以看出，IRI标准回归系数排序从高到低按绝对值排列，参数的相对重要性是通过比较标准回归系数的大小。MEPDG的输出参数对IRI影响比较重要的从大到小依次为AADT、双轮胎间距、重型车辆百分比、车辆运行速度，标准回归系数绝对值为0．118～0．619，其他参数的影响很小，标准回归系数的绝对值不大于0．020，因此，路面IRI对AADT的敏感度最显著。

然而表3并没有揭示共线性多变量分析，因为大输入值的差异，等级转换与大量的运行可能导致大系数。因此运用单因素敏感度分析，通过对MEPDG每次输入参数的值进行变化来分析该参数对路面性能的敏感度。对AADT、双轮胎间距、重型车辆百分比和车辆运行速度这几个对路面影响相对较大的参数进行分析，因为其他MEPDG输出的交通参数没有显著影响IRI，分析如图2所示。

A．双车道年平均日交通量（AADT）对IRI的影响

B．双轮胎间距对IRI的影响

图2 基于MEPDG的IRI敏感性分析

根据曲线图2可知，图形的变化趋势符合SPSS软件分析结果的正负，如双轮胎间距和车辆运行速度是负的回归系数，所以相关的图表曲线是下降的趋势，而其他两个回归系数是正值，曲线是上升趋势，所以此次分析结果是具有可靠性的。同时我们可以看出，IRI的损害程度随着AADT和重型车辆百分比的增长损害程度逐渐加深，尤其是当重型车辆百分比从40％变化到45％的时候损害增长了4．7，变化较大，而随着双轮胎间距和车辆运行速度的增大，IRI逐渐降低，尤其是当双轮胎间距由5变化到10的时候，IRI的损害数值明显降低了2．5，变化最大，因此这两因素数值的增大对路面的使用是有利的。

3．2 路面龟裂敏感度分析

使用多元回归分析软件SPSS进行多元回归分析，如表4所示。

表4 路面龟裂标准回归系数

从表4可以看出，双轮胎间距、车辆运行速度、重型车辆的百分比系数为负。而AADT系数为正，MEPDG输出的设计车道卡车数量的百分比、平均轴宽度、交通增长因子（复合）不明显影响路面龟裂，绝对值不大于－0．017。双轮胎间距标准回归系数绝对值最大，为－0．368，这就说明路面龟裂对双轮胎间距的敏感度最高。

运用MEPDG对重要的几个参数进行分析，如图3所示。

图3 基于MEPDG对路面龟裂的敏感性分析

根据曲线图3可知，图形的变化趋势符合SPSS软件分析结果的正负，如双轮胎间距、车辆运行速度和重型车辆数量的百分比是负的回归系数，所以相关的图表曲线是下降的趋势，而AADT回归系数是正值，曲线是上升趋势，所以此次分析结果是具有可靠性的。路面龟裂随着年平均日交通量增长是总体增长趋势，当交通量为1000～2000时龟裂严重，在2000～3000的阶段，龟裂不再严重，而3000～4000阶段又变得严重。龟裂对双轮胎间距敏感性最大，双轮胎间距由5变为10时龟裂明显变化，龟裂损害随着运行速度的增大总体变小，重型车辆百分比只有大于56％时才会对龟裂有影响。

3．3 纵向裂缝敏感度分析

进行多元回归分析，如表5所示。

表5 纵向裂缝标准回归系数

从表5可以看出，双车道年平均日交通量、重型车辆的百分比系数为正。而车辆运行速度系数为正，MEPDG输出的平均轴宽度、交通增长因子（复合）、双轮胎间距和设计车道卡车数量的百分比不明显影响路面龟裂，绝对值不大于0．061。AADT标准回归系数绝对值最大，为0．339，这就说明路面纵向裂缝对双轮胎间距的敏感度最高。

运用MEPDG对重要的几个参数进行分析，如图4所示。

根据图4可知，图形的变化趋势符合SPSS软件分析结果的正负，如AADT和重型车辆数量的百分比是正的回归系数，所以相关的图表曲线是上升的趋势，而车辆运行速度回归系数是负值，曲线是下降趋势，所以此次分析结果是具有可靠性的。纵向裂缝随着AADT和重型车辆百分比的增大变得明显严重，重型车辆百分比为40～45％时变化明显，45～60％阶段变化缓慢。车辆运行速度越大对路面越有利。

图4 基于MEPDG的纵向裂缝敏感性分析

3．4 车辙敏感度分析

进行多元回归分析，如表6所示。

表6 车辙标准回归系数

从表6可以看出，双轮胎间距和车辆运行速度系数为负，而AADT和重型车辆百分比系数为正。MEPDG输出的设计车道卡车数量的百分比、平均轴宽度、交通增长因子（复合）不明显影响路面车辙，绝对值不大于0．119。AADT标准回归系数绝对值最大，为0．618，这就说明路面车辙对AADT的敏感度最高。

运用MEPDG对重要的几个参数进行分析，如图5所示。

根据图5可知，图形的变化趋势符合SPSS软件分析结果的正负，如AADT和重型车辆数量的百分比是正的回归系数，所以相关的图表曲线是上升的趋势，而双轮胎间距和车辆运行速度回归系数是负值，曲线是下降趋势，所以此次分析结果是具有可靠性的。车辙随着AADT和重型车辆百分比的增大而严重，AADT对车辙影响明显，重型车辆百分比为40％～45％时对车辙影响明显，变化了0．112，而为45％～60％时影响不太大；车辙随着双轮胎间距和车辆运行速度的增大逐渐损害变轻，尤其是双轮胎间距为5％～10％变化的时候车辙降低较大，降低了0．085。

图5 基于MEPDG的车辙敏感性分析

4 结论

1）双车道年平均日交通量（AADT）、双轮胎间距、重型车辆百分比和车辆运行速度是影响裂缝、车辙和IRI的主要因素，其他交通参数影响性不大。平整度、裂缝、车辙损害都是随着AADT的增大而严重，随着双轮胎间距增大而减轻。

2）平整度和车辙的敏感性交通参数排序都为AADT＞双轮胎间距＞重型车辆百分比＞车辆运行速度。平整度和车辙的损害程度随着年重型车辆百分比的增长逐渐严重，当重型车辆百分比从40％～45％，两者变化最明显，增大值分比为4．7和0．112；平整度和车辙随着车辆运行速度的增大损害减轻。

3）龟裂的敏感性交通参数依次为双轮胎间距＞AADT＞车辆运行速度＞重型车辆百分比。对双轮胎间距敏感性最大，双轮胎间距由5变为10时龟裂明显变化。龟裂损害随着运行速度和重型车辆百分比的增大而总体变小。

4）路面纵向裂缝的敏感性参数依次为AADT＞车辆运行速度＞重型车辆百分比。纵向裂缝随着AADT和重型车辆百分比的增大变得明显严重，重型车辆百分比为40％～45％时变化明显，45％～60％阶段变化缓慢。车辆运行速度越大对路面越有利。

致谢

感谢学校给予的这次投稿机会，让学生可以参与这次学术盛宴，感谢老师能够在百忙之中查阅学生的文章，并给予宝贵的意见，在此向你们表示我最诚挚的谢意！

参考文献

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