随着我国社会经济的迅速发展，交通出行更加注重“安全环保、以人为本”的理念。因此，混凝土路面的结构设计除需满足道路通行的基本要求外，还需要“抗滑、耐久、低噪声”等表面功能特性。基于确保道路行车安全性能的条件下，如何限制和降低公路混凝土路面轮胎/路面噪声，特别是降低人口密集区、临近城市的快速干线以及隧道内的轮胎/路面噪声，已成为工程技术部门必须考虑和亟待解决的问题^{[1, 2]}。长期以来，国内外通过构造隔音墙、种植绿化林等方式，来减轻和降低轮胎/路面噪声对人与环境的危害程度，而此类基础设施较为昂贵，且损坏后维修困难^[3]。近年来的研究表明，混凝土路表纹理特征与轮胎/路面噪声密切相关，采用较为“安静”的混凝土路面纹理构造形式，对于缓解轮胎/路面噪声具有显著优势^{[4, 5, 6]}。

长安大学韩森教授课题组长期研究结果指出露石水泥混凝土路面具有优良的抗滑和降噪性能，其路面构造深度在0.7～1.8 mm之间，路面降噪幅度达3～4 dB(A)，是一种性能优越的新型水泥混凝土路面^[7]。刘英等人通过试验研究表明，多孔水泥混凝土路面、露石水泥混凝土路面和纵向刻槽路面噪声值与沥青路面相当并且具有良好的抗滑性能^[8]。 田波等人采用控制通过法对10种不同纹理类型混凝土路面进行轮胎/路面噪声测试，结果表明：相比刻槽混凝土路面，空隙率17%的多孔混凝土路面其轮胎/路面噪声降低约4~8 dB(A)^{[9, 10]}。凌天清等人发现在混凝土中添加陶粒可以在保证路面板力学性能和耐磨性能的前提下，通过降低路面板刚度达到降低行车噪声的目的^[11]。虽然采用新型混凝土路面(露石、多孔、陶粒)不仅具有丰富的抗滑纹理构造而且其降噪效果也非常显著，但是由于其施工成本增幅相对较大且技术推广和掌握较难，目前国内外的混凝土路表纹理仍以刻槽形式为主。宾夕法尼亚州运输研究所和宾州州立大学开展的一项基于“安全、安静、经济、寿命、耐久”等性能的研究表明：通车1年的金刚石纵向研磨混凝土路面抗滑性能等同或优于横向刻槽混凝土路面，同比其轮胎/路面噪声降低约2~5 dB(A)^[12]。亚利桑那州采用控制通过法和拖车法对多种纹理的混凝土路面噪声对比测试发现，轮胎/路面噪声水平由低到高依次是金刚石研磨、纵向等间距刻槽、横向等间距刻槽、横向随机间距刻槽^[13]。笔者曾采用随车声强测试系统对多条混凝土路面进行噪声测试的结果表明：与横向刻槽混凝土路面相比，露石混凝土路面及纵向刻槽混凝土路面的降噪效果可达2~4 dB(A)^[14]。刘亚敏及笔者利用室内轮胎下落法对不同纹理的混凝土板件进行噪声水平测试的结果表明：横向刻槽混凝土路面的噪声水平最高，其次为光面混凝土路面、纵向刻槽混凝土路面，多孔混凝土路面的噪声水平最低^{[15, 16]}。

综上所述，国内外混凝土路面的噪声研究方面主要集中在采用新型路面结构或改善纹理技术降低轮胎/路面噪声的直观分析方面，其分析方式多为简单的对比，较少涉及普通混凝土路面纹理特征与轮胎/路面噪声的相关性。因此，以最新的随车声强法采集混凝土路面噪声水平，分析探讨普通混凝土路面表面纹理及其噪声的统计相关性，对于寻求 “安全、安静、舒适”的混凝土路面纹理构造形式，从根本上抑制和缓解轮胎/路面噪声问题具有重要意义。

本研究对甘肃省内多条高速公路混凝土路面的表面纹理特征与轮胎/路面噪声进行采集，相关测站的纹理构造特征概况及其样本数量，见表 1。其中，郭家山隧道混凝土路面采用滑模摊铺施工，汪家坝隧道及乌鞘岭隧道混凝土路面采用三辊轴施工。

混凝土路面表面纹理特征中的平整度以国际平整度指数(IRI)作为评价指标，主要采用连续式平整度仪进行测试，局部未通车路段辅助以3 m直尺予以检测；以构造深度(TD)来表征混凝土路面的宏观构造，主要采用铺砂仪法进行测试；以横向力系数作为间接衡量混凝土路面细观构造的技术指标。

采用随车声强法对相关测站的混凝土路面进行轮胎/路面噪声测试，如图 1所示。测试过程中，确保测试车辆以60 km/h的恒定速度直线通过相关测试路段。每组有效数据以测试车辆保持60 km/h的速度行驶6 s的距离为基准，取平均值。轮胎/路面噪声数据的采集频率设定为10000 Hz。噪声数据的采集和分析过程，分别采用Dewesoft 7.0和Coinv DASP ^ET软件。

图 1 随车声强噪声测试系统 Fig. 1 OBSI noise test system

图选项

相关性分析是指对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度，反映当控制一个变量数值以后，另一变量的变异程度。本文采用SPSS软件统计分析刻槽混凝土路面表面纹理及其噪声的相关性。SPSS相关性分析过程中，对于不同类型的样本变量，采用的计算公式不同。混凝土路面表面构造特征与轮胎/路面噪声均属于随机变量，故采用Pearson相关模型进行双变量的相关性分析。

考虑到混凝土路面相关测试路段的平整度变异性较大，通过对样本数据进行适当筛选，剔除存在明显系统误差(局部路段接缝位置处)的样本个体后，运用Origin Pro 8.5软件对所测平整度与轮胎/路面噪声的数据样本进行回归拟合，统计结果如图 2所示。

图 2 刻槽混凝土路面平整度与轮胎路面噪声的回归分析 Fig. 2 Regression analysis of relation between roughness and tire/road noise for grooved concrete pavement

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Fig. 2 由图 2可以看出，刻槽水泥混凝土路面平整度与轮胎/路面噪声之间的拟合相似度为0.74，即可假设混凝土路面的平整度与轮胎/路面噪声之间具有某种近似的相互关系。为进一步检验这种假设的相互关系，采用SPSS 19.0统计分析软件，对两变量的测试样本进行双变量相关性分析。因不能确定相关关系是否存在，或变量之间是正相关还是负相关，故选择双侧检验对两变量进行统计量的显著性检验，进而计算两变量检验统计量的观测值和概率值。SPSS相关性分析的描述性统计量计算结果，如表 2所示。

由表 2所示的统计量分析结果可知，刻槽混凝土路面国际平整度指数的样本均值为1.73 m/km，对应轮胎/路面噪声的样本均值为103.1 dB(A)；两变量的标准差均较小，表示变量样本个体偏离样本均值的离散化程度较小，一定程度上反映了测试数据的准确性。

通过SPSS双变量相关性分析矩阵运算，得到样本变量的Pearson相关系数及T检验统计量对应的概率值P，计算结果如表 3所示。

由表 3所示的相关性分析结果可知，两变量的Pearson 相关系数为0.82，表示刻槽混凝土路面平整度与轮胎/路面噪声之间高度相关。同时，两变量不相关假设的双尾检验值为0，接受两变量在a=0.01的水平上显著相关。由此说明，刻槽混凝土路面平整度与轮胎/路面噪声之间存在高度的正相关性，即在测试范围内，混凝土路面国际平整度指数越大，对应的轮胎/路面噪声水平越高^[7]。究其原因可能是车辆高速行驶时，快速滚动的车轮与不平整的混凝土路面相接触会产生冲击振动噪声，且由于局部起伏颠簸所产生的冲击力促使胎面和胎侧发生一定程度的形变，周而复始在轮胎的变形与恢复过程中，就会产生振动噪声；混凝土路面平整度越差，对应的冲击振动噪声越大^[18]。

横向刻槽混凝土路面的构造深度与轮胎/路面噪声测试样本数据的统计结果，如图 3所示。

图 3 横向刻槽路面构造深度与轮胎/路面噪声的回归分析 Fig. 3 Regression analysis of relation between texture depth and tire/road noise for transverse grooved concrete pavement

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由图 3可以看出，横向刻槽混凝土路面的构造深度与轮胎/路面噪声数据样本之间的拟合相似度为0.63，两变量近似表现出一定程度的相关性。同样，采用SPSS双变量相关性分析予以检验，两变量的描述性统计量计算结果，如表 4所示。

由表 4所示的统计量分析结果可知，横向刻槽混凝土路面构造深度的样本均值为0.72 mm，满足我国现行行业标准对高速公路、一级公路表面宏观构造深度0.7 mm≤TD≤1.1 mm的规定。同时，两变量的标准差均较小，变量样本个体相对稳定，且无明显差异存在，一定程度上反映了测试数据的准确性。

SPSS“双变量相关性分析”得到两变量的Pearson相关系数及T检验统计量对应概率值P的计算结果，如表 5所示。

由表 5所示的相关性分析结果可知，横向刻槽混凝土路面构造深度与轮胎/路面噪声之间的Pearson 相关系数为0.79，表示两个变量显著相关。同时，假设两变量不相关的双尾检验值为0.001，接受两变量在a=0.01的水平上显著相关。由此表明，横向刻槽混凝土路面的宏观构造深度与轮胎/路面噪声之间存在显著的正相关，即在测试范围内，横向刻槽混凝土路面的构造深度越大，对应轮胎/路面噪声水平越高。主要原因可能是车辆高速行驶时，快速滚动的车轮与路面沟槽相接触，由于轮胎的镶嵌磨损会产生冲击力，促使橡胶轮胎的胎面和胎侧发生一定程度的形变，周而复始在轮胎的变形与恢复过程中，就会产生冲击振动噪声，并随混凝土路面构造深度的增加而增大^[19]。

3.2 纵向刻槽混凝土路面宏观构造与轮胎/路面噪声的相关性分析

采用与横向刻槽混凝土路面测试样本相同的分析方法，纵向刻槽混凝土路面构造深度与轮胎/路面噪声测试样本的拟合结果，如图 4所示。

图 4 纵向刻槽路面构造深度与轮胎/路面噪声的回归分析 Fig. 4 Regression analysis of relation between texture depth and tire/road noise for longitudinal grooved concrete pavement

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由图 4可以看出，纵向刻槽混凝土路面构造深度与轮胎/路面噪声数据样本的拟合相似度为0.60，即可假设两变量之间具有近似的相关关系，采用SPSS双变量相关性分析得到的描述性统计量计算结果，如表 6所示。

由表 6所示的统计量分析结果可知，纵向刻槽混凝土路面的构造深度样本均值为0.71 mm，满足我国现行行业标准的相关要求；两变量的标准差均较小，表示样本个体与样本均值较为接近，变异程度较小，与新建混凝土路面表面抗滑构造保持完整的情况相符，一定程度上反映了测试数据的准确性。

SPSS双变量相关性分析得到两变量的Pearson相关系数及T检验统计量对应概率值P的计算结果，如表 7所示。

由表 7所示的相关性分析结果可知，两变量的Pearson 相关系数为0.78，表示纵向刻槽混凝土路面构造深度与轮胎/路面噪声之间显著相关。同时，假设两变量不相关的双尾检验值为0.001，接受两变量在a=0.01的水平上显著相关。由此表明，纵向刻槽混凝土路面的宏观构造深度与轮胎/路面噪声之间存在显著的正相关，即在测试范围内，纵向刻槽混凝土路面的构造深度越大，对应的轮胎/路面噪声水平越高。

通过对所测横向刻槽及纵向刻槽混凝土路面的横向力系数与轮胎/路面噪声数据样本进行合理筛选，剔除存在明显系统误差的样本个体后，得到两变量测试样本的统计结果，如图 5所示。

图 5 横向力系数与轮胎/路面噪声的结果统计 Fig. 5 Statistics of relation between SFC and tire/road noise

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由图 5所示统计结果可以看出，刻槽混凝土路面的横向力系数与轮胎/路面噪声测试样本个体分布具有很大随机性。对于相同纹理类型的混凝土路面，轮胎/路面噪声水平相同或相近时，对应的横向力系数变化范围很大。当横向力系数达到相同水平时，对应轮胎/路面噪声亦相差较大，表明刻槽混凝土路面横向力系数与轮胎/路面噪声之间并无明显的相关关系。

SPSS双变量相关性分析得到两变量的描述性统计量计算结果，如表 8所示。

由表 8所示的统计量分析结果可知，刻槽混凝土路面的横向力系数样本均值为57.7，满足我国现行行业标准的相关要求；然而，变量的标准差较大，表示样本个体偏离样本均值的程度较大，离散化程度高。

SPSS双变量相关性分析得到两变量的Pearson相关系数及T检验统计量对应概率值P的计算结果，如表 9所示。

由表 9所示的相关性分析结果可知，刻槽混凝土路面横向力系数与轮胎/路面噪声之间的Pearson 相关系数为0.136，即|r|=0.136，表示两个变量可能存在微弱的相关性。然而，假设两变量不相关的双尾检验值为0.196，远大于a=0.05的显著性水平。由此表明，刻槽混凝土路面的横向力系数与轮胎/路面噪声之间并不存在显著的相关性。分析其原因可能是横向力系数主要与混凝土路面的材料性质、路面水膜厚度、测试速度、表面损坏及污染程度有关^[20]，对于相同纹理类型的混凝土路，横向力系数相近时路面平整度或构造深度可能相差很大，对应轮胎/路面噪声水平亦有较大差别。

(1)混凝土路面表面平整度的变化对轮胎/路面噪声水平具有一定影响，二者的变化趋势呈显著的正相关性。混凝土路面国际平整度指数越大，路面平整度及行车舒适性越差，车辆在高速行驶过程中由于局部起伏颠簸所引起的轮胎/路面噪声越大。

(2)混凝土路面表面构造深度的大小与轮胎/路面噪声水平呈明显的正相关性。混凝土路面构造深度越大，快速滚动的车轮与路面沟槽接触时产生的冲击噪声，以及由胎面和胎侧的反复变形所引起的振动噪声越大。

(3)混凝土路面横向力系数与轮胎/路面噪声水平的变化无直接关系。对于相同纹理类型的混凝土路面，轮胎/路面噪声水平相同或相近时对应横向力系数的变化范围较大且混凝土路面横向力系数达到相同水平时对应的轮胎/路面噪声亦相差很大。