高速公路低路堤路基服役狀態風險評估

徐敬業 徐林榮 張亮亮

摘要：高速公路低路堤受到路基高度的限制，容易產生工后沉降過大或不均勻沉降等問題。路基設計和養護規范中均未針對低路堤設計進行統一規定，導致低路堤在建設期、運營期存在影響工程正常使用的問題。借鑒地質災害風險評估理論，分析干濕循環、交通荷載等影響因素，考慮養護維修對各因素進行修正，提出了低路堤路基服役狀態評估方法。該方法運用模糊綜合評價法和物元分析方法分析建設期結構質量易損性、運營期路基危險性及養護維修修正值，得出低路堤路基綜合風險度。將該方法運用于浙北低路堤段工程實例，得到的綜合風險度為低度，服役狀態風險程度與現場調查結果基本一致，說明了該評估方法的可行性。

關鍵詞：高速公路;路堤;路基;服役狀態;風險評估

中圖分類號：U416.1 文獻標志碼：A 文章編號：20966717（2020）04003608

收稿日期：20191115

基金項目：國家自然科學基金（51778634）

作者簡介：徐敬業（1972 ），男，高級工程師，博士生，主要從事巖土工程研究，Email：837088296@qq.com。

徐林榮（通信作者），男，教授，Email：lrxu@csu.edu.cn。

Received：20191115

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 51778634）

Author brief：Xu Jingye（1972 ）， senior engineer， PhD candidate， main research interest： geotechnical engineering， Email： 837088296@qq.com.

Xu Linrong （corresponding author）， professor， Email： lrxu@csu.edu.cn.

Risk assessment of expressway lowembankmentsubgrade in service status

Xu Jingye a， Xu Linrong a，b， Zhang Liangliang a

（a. College of Civil Engineering; b. National Engineering Laboratory of Highspeed Railway Construction Technology， Central South University， Changsha 410075， P. R. China）

Abstract： The low embankment of the expressway is limited by the height of subgrade， and some special problems such as excessive settlement or uneven settlement are easily caused after construction. At present， the subgrade design and maintenance codes do not uniformly regulate the design of the low embankment， resulting in many problems that would affect the normal use of the structure during the construction and operation of the low embankment. Based on the risk assessment theory of geological disaster， this paper analyzed the effect of some factors such as drying and wetting cycle as well as traffic load on the low embankment of the expressway. In addition， considering the maintenance and repair， these factors were modified and the evaluation method of lowembankmentsubgrade in service status was proposed. Combined with fuzzy comprehensive evaluation method and matterelement analysis method， the structural quality vulnerability in construction period， the risk of subgrade in operation period and the modified value of maintenance and repair were analyzed. And then the comprehensive risk of lowembankmentsubgrade was obtained. The method was applied to a low embankment project in northern Zhejiang. The result shows that the comprehensive risk is low and the service state risk is basically consistent with the filed survey result， which illustrates the feasibility of the proposed evaluation method.

Keywords：expressway; embankment; subgrade; service status; risk assessment

高速公路廣泛采用高路堤（>2.5 m）設計方案，但采用高路堤會增大土石方工程量，而且在軟土地基廣泛分布的東南沿海地區，高路堤方案會出現路基不均勻沉降引起的縱橫向開裂、整體或局部下沉、路基滑坡或邊坡坍塌等問題[1]，因此，提出了高速公路低路堤的設計理念與方案。低路堤設計在高速公路建設中逐步得到推廣應用，如山東省濟青高速、河南省商開高速部分路段，均采用低路堤設計方案，取得了較好的社會經濟效益。高速公路采用低路堤設計具有減少占地、降低工程量、行車安全舒適、工后沉降小、施工質量易于控制、較為經濟等優點[2]。然而，隨著路堤高度的降低，低路堤設計也面臨許多問題。例如：嘉興高速公路自建成通車以來，低路堤區段出現多處路堤不均勻沉降、工后沉降偏大、路面裂縫、路面下陷、橋頭跳車、下穿構造物出現斷裂破壞等問題，造成公路的工后維護費用和工作量增大，對公路運營帶來較大影響。

雖然程平等[3]已提出公路低路堤設計指南，但對于低路堤路基施工質量和竣工質量驗收、運營期間路基使用功能的評定，仍基本沿用高路堤相關規范標準。因此，判定低路堤工程質量是否合格，技術狀況對應何種養護方案與實際情形存在偏差。Xu等[4]提出了高速公路軟土路基健康狀況評價系統，但迄今為止專門針對低路堤路基服役狀態風險評估的研究較為少見。筆者引入地質災害評估理念，提出了針對建設期結構質量易損性、運營期危險性及養護維修修正三方面的低路堤路基狀態評估理念，協助公路養護部門指導“防災減災”工作，同時，對高速公路低路堤的設計施工與養護維修提供建議。

1低路堤路基狀態評估

1.1存在的問題

1.1.1質量評定與低路堤運營狀態無對等關系

盡管路基設計規范針對路基的壓實檢測指標、路基排水系統等做出了嚴格要求，但低路堤公路在運營期依舊會出現路基強度破壞，產生超過容許值的沉降變形或不均勻沉降，以及排水系統失效等一系列問題。由此可見，僅依據竣工質量不足以判定運營期是否能滿足使用要求，即結構質量評價結果優良也難以保證運營期達到要求;反之，運營期出現的各類問題，也并不能說明竣工質量評定不合格。

1.1.2對低路堤受交通動荷載和干濕循環的影響考慮不足

目前的研究主要針對壓實度、CBR等監測手段和測試方法的修正、改良，以期得到更為精確、可靠的數據。然而，無論對現有參數測量方法（靜力測試和強度及變形）的修正改良，還是確定更加嚴格的質量驗收標準，都基本局限在路基本身范圍內，缺乏對低路堤自身特點與此類問題間關系的分析。

低路堤設計因受填土高度的影響，導致路基和地基受交通動荷載的影響更加顯著，在其長時間作用下，容易產生工后沉降過大或不均勻沉降等問題。此外，當低路堤路基（特別是低路堤軟土路基）處在水文地質條件復雜，且承受交通循環荷載和干濕循環的影響時，容易產生過大的沉降，相關設計或技術狀況評定的適用性和可操作性很差。

低路堤為應對干濕循環的影響而對路基填料有更高的要求，且路基工作區深度會延伸到地基層，因此，對于地基處理的要求，高速公路低路堤設計與高路堤設計有顯著區別，需要建立專門針對低路堤（尤其是經過軟土地基的低路堤）路基服役狀態評價體系。

1.2低路堤路基狀態評估新理念

通過對低路堤反復出現不均勻沉降及橋頭跳車等問題的分析發現，大多數問題是由于建設竣工時結構質量問題導致。鑒于此，有必要專門針對低路堤公路正式通車的初始階段就對工程的結構質量進行評估，并依照評估結果對不足之處及時做出相應修改，有效減少運營期反復維修的次數及反復出現病害的情況。

通過對低路堤干濕循環、交通荷載等外界環境的作用進行分析，可以對一段時間段內運營狀態情況進行預測。另外，在高速公路運營較長時間后，對路基、路面病害采取了相應的養護措施，后期運營狀態的發展趨勢也需要進行評估。

鑒于路基狀態主要受路基自身工程質量和外界環境影響兩項內容控制，筆者將路基工程和外界環境分別視作“承災體”和“致災體”，將通車運營這一節點視作“災前與災后階段的劃分”。目前，地質災害評價主要借助風險分析，關系為“風險性=易損性×危險性”。將建設期路基結構質量評估就等效于衡量承災體災前結構抗力的“工程易損性”[5];而交通動荷載、干濕循環造成的外界環境影響則等效于可能造成路基結構損壞的“災害危險性”，二者結合可用于預測評估“災害期望損失”情況。另外，考慮運營期對路基結構的養護維修作用，對評估結果進行修正，借鑒陳薈竹等[6]生態風險評價體系，得到低路基服役狀態風險評估關系為“綜合風險度=易損性×危險性×養護維修修正系數”，可以對低路堤服役狀態進行更加準確的評估。

2低路堤路基風險狀態評價體系

2.1建設期易損性評估指標選取

通過對高速公路路基穩定性影響因素進行分析，并參考公路路基設計相關規范，建立以路基層、地基層兩方面因素為評價指標體系。由于低路堤受交通荷載和干濕循環的影響更加顯著，對路基本身的強度和變形要求更高，因此，地基處理的方法選擇更加嚴格。為使評價結果更加準確，細化了質量控制指標中路基填料和地基處理的內容，建立的低路堤結構質量易損性指標等級劃分如表1所示。

2.2運營期危險性評估指標選取

運營期低路堤高速公路主要受交通荷載和干濕循環外部因素的影響。因此，建立了以交通荷載和干濕循環兩方面因素的評價指標體系，分別對兩因素進行細化處理。研究發現，超載對路面結構損傷極大，會導致路面結構在未達到使用年限時就出現裂縫、車轍、擁包、坑槽、沉陷等問題，大大影響道路服務功能[7]。研究發現，干濕循環會降低路基填土的強度，首次干濕循環幅度衰減較大，但經歷3～5次干濕循環后，強度降低趨于穩定[810]，且干濕循環作用下，CBR值與循環次數呈負相關[1113]，因此，選擇干濕循環次數作為干濕循環危險性評價的重要指標。所建立的低路堤運營期路基危險性預測評估指標取值范圍如表2所示。

2.3養護維修指標選取

公路管理部門會針對運營環境的特點、變化以及相應路基技術狀態，對路基進行定期養護維修。養護維修會對低路堤服役狀態評估產生積極影響，因此，在綜合風險度評估時需要對結果進行修正處理。將養護維修的影響細化為維護頻率、養護經費比重和保養頻率因素。為有效結合路基結構質量易損性和運營期危險性評定，仍舊沿用五級取值等級，如表3所示。

2.4低路堤綜合風險度

低路基服役狀態風險評估包含了路基建設期、運營期及養護維修3方面影響因素，得到地路基綜合風險度的綜合評價體系，如圖1所示。

3評價模型及方法

由于低路堤高速公路運營時間普遍較短，所暴露的問題隨機性較大，成因機理、影響因素等與高路堤相比尚不明確，故能否套用高路堤的數值模擬計算、現場試驗分析等方法，獲取低路堤各項參數取值存在較大不確定性。鑒于此，借助評估手段從路基狀態好壞等偏向定性分析的層面入手，獲取低路堤路基狀態的影響因素及其作用規律，逐步探索可用于定量計算的低路堤參數是更切合實際的做法。

3.1評價方法

模糊綜合評價法的隸屬度理論把定性評估轉化為定量評價，能較好地解決模糊、難以量化的問題。物元分析方法，是以促進事物轉化、解決不相容問題為核心，是研究解決矛盾問題的規律和方法。易損性、危險性和養護維修指標結合模糊綜合評價法和物元分析法進行評價。基于3項主要指標細化分量分析，對于采用模糊綜合評價方法的隸屬度函數借鑒徐林榮等[14]泥石流易損性評價方法，從而形成模糊矩陣。對于采用物元分析法的關聯度采用熵權法并進行歸一化處理得到關聯度函數。由于低路堤高速公路相關研究較少，可獲取的客觀數據很少，因此，使用主觀賦權AHP法確定權重，使用AHP法需結合專家經驗確定權重。

3.1.1評定等級分級

各種評價結果的集合為

式中：各元素vi（i=1、2、3、4、5）為各種可能的評價結果，本文的評價結果為

3.1.2模糊綜合評價

由各級具體細化的指標根據徐林榮等[14]的泥石流易損性評價建立隸屬度模糊矩陣，以地基指標為例，隸屬度矩陣為

各評價指標的權重向量為

模糊評價模型為

通過歸一化處理，得到易損性、危險性和養護維修修正的等級。

3.1.3物元分析法

由各級細化的指標確定關聯函數，如式（6）所示。待評事物P關于各等級j的關聯度Kj（P）為

由于用關聯度函數求出的值有正有負，為使結果與下路基評價模型相統一，需用熵權法對每列進行規格化處理，并對每行進行歸一化處理。

熵權法公式為

經過熵權法處理后，關聯度矩陣元素值取值范圍為[0，1]。

以交通荷載指標為例，關聯度矩陣為

各評價指標權重為

物元分析法評價模型為

3.2路基風險評價模型

為與路基結構質量易損度、危險度與風險度分級接軌，使用級別偏向變量處理等級隸屬度向量。基于布拉德福定律，以0.2為公差將易損度、危險度及養護維修修正值在[0，1]范圍內分為5個數值等級，依次為極低、低度、中度、高度和極高。傳統的布拉德定律中的區域分析方法，即將一定范圍內的數值作等分劃分成若干區域的方法，仍是目前處理數值分級的簡單而又常用的方法。

級別偏向變量特征值采用式（11）獲得。

式中：a=（0.2，0.4，0.6，0.8，1），分別對應5個工程易損性等級;K為采用模糊綜合評價算得的隸屬度列向量或物元分析法算得的關聯度列向量。

對結果進行偏于安全考慮，級別偏向變量特征值取兩種方法的較大者，即

式中：a*m為用模糊綜合評價求得的級別偏向變量特征值;a*w為用物元分析法求得的級別偏向變量特征值。

最后低路堤路基服役狀態綜合風險度=危險性×易損性×養護維修修正值。

4工程實例應用

4.1工程概況

浙北某高速公路低路堤路段地處浙江省北部嘉興市，位于杭嘉湖平原區（浙江省最大平原），地勢平坦。平原區東部地面標高2～4 m（黃海高程，下同），南部4～6 m，北部為太湖瀉湖的一部分，是沖湖積平原，地勢低洼，最低點位于北部太湖東側，僅1.0 m左右。以圩區為代表的微地貌，圩區高程多在1.2～1.7 m。路段軟土主要為兩層，表層0.8～2.0 m為亞黏土（俗稱素填土），該土層在路基施工時一般會被清除，下層為深厚的、含有機質的低液限淤泥質亞粘土，及灰色、深灰色、青灰色、飽和、流塑、多呈層狀和夾薄層亞砂土，含腐殖質及少量貝殼碎片，層厚3.6～17.3 m。地基土容許承載力60～65 kPa，地基土壓縮模量為8～10 MPa。地基壓縮層具有高含水量、高壓縮性、物理力學性質差等特點，因此，易變形和失穩是較為典型的軟土特征，需嚴格進行軟基處理。

交通量情況：交通量68 188輛/晝夜（按2017年平均小車交通量計算）;路面設計荷載為標準軸載100 kN;橋涵設計荷載中計算荷載為汽車超20級，驗算荷載為掛車-120;標準軸載累計作用次數為25.28×106次/車道。

所選路段均為填方路段、水網地帶，采用儲量豐富的宕渣作為路基填筑材料。對宕渣所進行顆分試驗、擊實試驗、抗壓回彈模量試驗、CBR試驗等，試驗成果如表4所示。

4.2建設期路基結構質量易損性評價

對所評低路堤路段，經調查所得結構質量易損性指標結果如表5所示。

使用AHP法得到地基指標的權重（0.167，0.167，0.5，0.166），路基指標權重為（0.235，0.082，0.234，0.449），一致性比率CR=0.001 5<0.1，符合一致性檢驗。

使用模糊綜合評價得到建設期路基結構質量易損性向量為（0.168，0.236，0.122，0.437，0.028），經過級別偏向變量處理后特征值為0.578 8，說明此低路堤路基結構易損性為中度。

使用物元分析法得到建設期路基結構質量易損性向量為（0.209，0.130，0.245，0.206，0.210），經過級別偏向變量處理后特征值為0.615 6，說明此低路堤路基結構易損性為高度。

易損性取兩種方法中的較大者，即易損性=max{a*m，a*w}。

4.3運營期路基危險性評價

嘉興市域降水的年際變化一般在1 100～1 260 mm之間，全年降水量的50%～70%集中在6月至7月上、中旬的梅汛期，經過7月下旬至8月相對高溫干旱期后進入臺汛期，此后至次年2月份進入枯水期，各月份降雨量如圖2所示。當地年平均蒸發量為910 mm，主要集中在7、8月份[15]。根據上述氣候特點，當地修建的低路堤高速公路每年需經歷3次干濕循環。運營期危險性各指標取值如表6所示。

由于干濕循環在全年不同月份對填料的影響不一樣，取最嚴重的月份即6月至8月時的計算結果作為評價結果。

使用AHP法得到交通荷載指標的權重（0.25，0.25，0.5），干濕循環指標權重為（0.5，0.25，0.25），一致性比率CR=0<0.1符合一致性檢驗。

使用模糊綜合評價得到運營期路基危險性向量為（0，0.089，0.676，0.236，0），經過級別偏向變量處理后特征值為0.630 0，說明此低路堤路基危險性為高度。

使用物元分析法得到運營期路基危險性向量為（0.151，0.159，0.138，0.150，0.402），經過級別偏向變量處理后特征值為0.698 6，說明此低路堤路基危險性為高度。

危險性取兩種方法中的較大者，即危險性=max{a*m，a*w}。

4.4養護維修修正值評價

養護維修修正值評價指標結果如表7所示。

用AHP法得到養護維修修正值指標的權重為（1/3， 1/3， 1/3），一致性比率CR=0<0.1，符合一致性檢驗。

使用模糊綜合評價得到養護維修修正值向量為（0， 0.495，0.340， 0.165， 0），經過級別偏向變量處理后特征值為0.536 4，說明此養護維修修正值為中度修正。

使用物元分析法得到養護維修修正值向量為（0.161，0.150，0.231，0.237，0.211），經過級別偏向變量處理后特征值為0.631 4，說明此養護維修修正值為高度修正。

修正值取兩種方法中的較大者，即修正值=max{a*m，a*w}。

4.5路基風險狀態評價

綜合風險度=危險度×易損度×養護維修修正值=0.271 6，說明高速公路低路堤服役狀態風險評價結果為低度，表示所建設的低路堤在運營期考慮了超載的循環交通荷載和干濕循環對路基強度折減等外界環境影響，以及在后期養護維修條件下預估其服役狀態風險為低度，不會發生路基大范圍沉陷等大的工程問題。評估結果基本與現場調查結果一致，驗證了低路堤路基風險評估模型的目的可行性。

5結論

1）為了使評價結果更加準確，借鑒地質災害風險評估理念，提出低路堤路基風險狀態評估的理念，分別針對建設期結構質量易損性、運營期危險性和養護維修修正3方面進行分析評價。

2）選取路基和地基兩方面的8項指標，構建了建設期結構質量易損性指標體系。鑒于交通荷載、干濕循環等外界環境對低路堤的影響，以及運營養護對環境影響的修正，針對循環次數、填土類型、交通量、超載比例等因素進行分析，建立了運營期路基危險性指標體系和養護維修修正指標體系。

3）高速公路低路堤服役狀態風險評估為低度，但仍需注意對超載情況進行交通控制，加強路基日常的養護。參考文獻：

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（編輯胡玥）