軟土區瀝青路面性能的分布特征研究★

雷 電，柏魯甬，王惠敏，邵林龍，張 琛

(1.寧波市公路與運輸管理中心，浙江 寧波 315000；2.寧波正信檢測科技有限公司，浙江 寧波 315000;3.長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

浙江省地處我國東南沿海地區，廣泛分布著典型的淤泥質軟土。軟土的空間分布特性對研究軟土區瀝青路面性能至關重要。

目前，國內外學者對軟土的相關特性進行了大量的研究。陳曉平等[1]對珠江三角洲軟土的物理力學指標進行了統計分析，結果表明，近海軟土的壓縮系數與天然含水量、天然孔隙比之間存在較好的線性關系。Finno等[2]對獲取的3 m深度處的湖相軟土試樣進行了物理力學試驗，分析發現，湖相軟土的壓縮模量和壓縮系數呈現顯著的相關性。王元戰等[3]針對天津濱海淤泥質軟土的蠕變變形規律進行了研究，建立了反映濱海軟土的非線性流變本構模型。楊章財、劉用海[4-5]采用分別加載的方式對寧波軟土進行三軸剪切蠕變試驗，建立了合適的經驗模型。Geuze[6]對圓柱試樣進行扭轉試驗來研究軟土的蠕變特性，發現 Bingham黏塑性模型理論可以分析軟土的流變特性。Haefeli[7]在對軟土蠕變特性研究報告中指出，蠕變變形直接或間接地對軟土地基的力學特征產生影響。Kutter，Silva，占清華等[8-10]研究發現，經驗模型參數少，方便應用于實際工程，但其缺乏嚴密的力學理論基礎，因此需要不斷進行優化。王明磊[11]利用數值模擬與神經網絡二者相結合的方法預測了福建江陰港濱海軟土的沉降，經驗證，該方法對于分析復雜環境下濱海軟土沉降問題有較好的效果。Du等[12]采用有限元模擬分析了軟土地基4種沉降模式(均勻沉降、一端沉降、兩端沉降、中心沉降)對路面的應力造成的影響，研究發現，不均勻沉降在路面結構層間會產生較大的附加應力，且軟土地基對路面基層結構影響顯著。

綜上，目前少有研究從可視化的角度探究近海軟土的空間分布與瀝青路面性能相關性的問題，因此，本研究根據浙江省近海軟土區的實際調研數據，統計分析路面性能現狀，并采用ArcGIS軟件建立瀝青路面病害的空間分布模型，進而分析軟土空間分布與瀝青路面性能的相關性，為完善近海軟土地區瀝青路面評價奠定基礎。

1 近海軟土區瀝青路面性能現狀分析

1.1 瀝青路面性能現狀對比分析

瀝青路面性能現狀統計分析結果如圖1所示。統計指標包括路面損壞狀況指數(Pavement Condition Index，PCI)、路面行駛質量指數(Riding Quality Index，RQI)和路面使用性能指數(Pavement Quality Index，PQI)。由圖1可知，采用PCI,PQI 評價瀝青路面性能狀況時，浙江省優等路率超過了90%，次差路率低于1.5%；而采用RQI時，優等路率低于88%，次差路率高于1.5%，這說明作為沿海省份的浙江省瀝青路面平整度整體偏差。

選擇典型的軟土區——寧波市進行調研分析，圖2～圖4分別是寧波市縣、鄉道RQI,PCI,PQI現狀統計。由圖2(a)可知，寧波市縣、鄉道路RQI普遍都低于80，最大值也未超過90，說明寧波縣、鄉道路平整度整體偏差。對于海曙區和東錢湖區RQI均低于77，這可能與交通量、交通軸載以及地理位置密切相關。東錢湖附近分布著廣泛的軟土層，且四周環山，軟土層覆蓋于硬臥層上，這導致了軟土厚度的不均勻性，路面易產生不均勻沉降。此外，采用RQI對路面進行評價時，如圖2(b)可知，寧波市各地區的次差路占比較大，東錢湖和海曙區等軟土地區的縣道次差路率甚至超過20%。說明寧波市各地區瀝青路面性能與軟土的空間分布存在一定的聯系。

由圖3(a)可知，各地區縣鄉道路PCI普遍超過80并接近90，與RQI指標相比，數值偏大，說明寧波市路面損壞狀況相比于平整度較好。此外，由圖3(b)可知，海曙區和東錢湖區的路面破損狀況較差，說明寧波市各地區路面損壞狀況與軟土空間分布也存在一定的聯系。

PQI是由PCI和RQI加權綜合計算所得，其中RQI權重較小，弱化了平整度在路面性能評價中的作用。由圖4可知，PQI普遍大于80，若采用PQI對路面評價，道路的優良路率偏高，事實上寧波市各地區的平整度整體偏差，說明直接采用現行規范評價體系對近海軟土區瀝青路面性能綜合評價存在缺陷，不能真實反映近海軟土區的瀝青路面技術狀況。

綜上，浙江省國、省干道與寧波市縣、鄉道路路面性能現狀相類似，即近海地區平整度普遍偏差，統計分析可知，這與近海軟土的空間分布存在一定的聯系。此外，若直接采用現行規范評價近海地區道路路面性能，存在缺陷。

1.2 瀝青路面破損狀況統計分析

寧波市瀝青路面各類型病害占比如圖5所示。

由圖5可知，破損面積占比較大的4種典型病害是橫向裂縫、龜裂、縱向裂縫以及沉陷病害。橫向裂縫的破損面積占比最大，占比達32.61%。而沉陷病害則會導致路面平整度差，這與RQI分析結果相吻合。采用多功能檢測車對寧波市部分省道、縣道主要破損類型的破損量進行統計，如表1所示，329國道、龍溪線、新豐路等裂縫病害嚴重，而象西線、甬梁線、甬金連接線和沿海中線的沉陷病害嚴重。實際調研發現寧波近海軟土區的瀝青路面橫向裂縫和縱向裂縫的形式較為典型，常表現為貫穿整個行車道的橫向裂縫，縱向裂縫常表現為長、直、寬。因此，本研究以100 m 為統計單元，統計了部分國道、省縣干道的不同裂縫長度范圍所占比例，結果如圖6所示。

表1 路面破損狀況匯總統計 處

由圖6可知，象西線、盛寧線、龍溪線、寶瞻公路等，長度大于15 m的橫向裂縫占比均超過60%，說明近海軟土區的橫向裂縫主要以貫穿行車道的長裂縫為主；長度大于20 m的縱向裂縫占比也均超過60%。說明貫穿的橫向裂縫和較長的縱向裂縫是近海軟土區的典型病害。

為了驗證推測，采用探地雷達對常規裂縫和典型裂縫進行檢測，檢測結果如圖7,圖8所示。對比可知，常規路表裂縫的路面結構內部沒有檢測到裂縫波形圖，而典型裂縫的基層內部檢測到明顯的裂縫波形圖，說明貫穿的橫向裂縫和長直的縱向裂縫是因為基層的斷裂造成的，而基層的斷裂很大程度上是軟土地基的不均勻沉降導致的。

綜上，貫穿的橫向裂縫、長而寬的縱向裂縫以及典型的沉陷病害可能是寧波各地區軟土不均勻沉降造成的，這與車輛荷載和環境造成的病害表現形式不同，因此近海軟土區瀝青路面的破損病害具有一定的區域特征。

2 瀝青路面性能空間分布特征分析

2.1 格柵數據模型

為了分析路面性能與軟土空間分布的關系，采用柵格數據模型對地理信息數據進行柵格劃分，實現屬性數據可視化。柵格化分一般是將地理空間劃分大小、形狀相等離散單元，再根據劃分的結果把屬性數據賦予每個離散單元，最后把地理屬性進行可視化展示[13]。

2.2 ArcGIS路面性能空間數據庫

地理空間分布數據是地理信息系統實現管理和操作的基礎，路面性能空間數據庫主要包含3種數據類型，分別是空間數據、屬性數據以及關聯數據。路面性能空間數據的建立分為3個步驟：建立空間圖形數據庫;建立屬性數據庫;分析空間數據和屬性數據關聯性[14]。

1)建立空間圖形數據庫。

在ArcGIS軟件中，創建二維坐標(X，Y)下的點要素Shape file的格式文件，然后根據浙江省81個縣區(相當于是81個檢測站點)的經緯度在浙江省的行政區劃圖上對每個站點位置屬性進行賦值，得到浙江省81個路面性能檢測點的空間位置分布，最后對81個站點名稱屬性進行定義，并存儲為ArcGIS數據庫。寧波市部分國省道瀝青路面的平整度現狀見表2。

表2 寧波市部分國省道瀝青路面的平整度現狀

2)路面性能屬性數據庫的建立。

收集2019年浙江省81個縣區的病害數據。為了消除公路里程對各指標數據的影響，首先將原始數據的沉陷、縱向裂縫、橫向裂縫等病害均以面積進行統計；然后把病害指標面積分別除以公路里程；最后屬性指標確定為PCI，RQI，PQI，沉陷指數，縱縫指數，橫縫指數，龜裂指數和修補指數。

2.3 空間模型插值方法

軟土地基和道路里程是連續分布的，因此為了解決數據點稀少、離散等問題，需采用空間模型插值方法來補充柵格缺少的屬性要素值，在ArcGIS軟件中，可采用的方法有克里金插值法、樣條函數內插法、趨勢面插值法、反距離賦權插值法等。

其中反距離賦權插值法適合尺度較廣的屬性因子變化趨勢的預測。因此，本文采用反距離賦權插值方法。其插值效果主要依賴于反距離插值的冪值，如式(1)～式(3)所示。本文經過多次調整，確定冪值p為2。

(1)

(2)

(3)

其中，p為誤差參數，p值影響權重減小的速度；di0為插值點到樣本點的距離。

2.4 空間分布特征分析

采用ArcGIS軟件建立的浙江省國省干道的瀝青路面性能現狀空間分布模型圖，如圖9所示。圖9(a)～圖9(c)是瀝青路面宏觀狀況建模結果，浙江省國省道瀝青路面PCI分布范圍為(89,95)，RQI的分布范圍為(86,92)，PQI的分布范圍為(87,94)，說明浙江省的路面行駛質量較差。且近海地區的PCI，RQI，PQI分布圖都呈現淺藍色，說明浙江省的近海區域的瀝青路面性能較差。此外，浙江省中部地區的空間模型分布圖呈現深紅色，代表PCI，RQI和PQI偏大，說明中部與近海地區相比路況較好。綜上，從宏觀性能指標可知，浙江省的瀝青路面性能具有明顯的空間分布特征，近海地區路面性能狀況明顯較差，結合浙江省的軟土分布區域來看，瀝青路面性能與近海軟土的空間分布密切相關。

3 結論

1)基于路面性能狀況調查結果，浙江省和寧波市表現出相似的特征，即PQI,PCI指標沒有顯著的區域特征，但RQI普遍偏低，國際平整度IRI>2 m/km的占比超過60%，近海區域路段的IRI值甚至超過6 m/km，因此，平整度差是軟土區的典型特征之一，軟土地區瀝青路面性能評價應充分考慮平整度指標。

2)通過對路面破損狀況的統計分析得出，近海軟土區典型的路表破損病害主要以慣穿的橫向裂縫、長直縱向裂縫、龜裂以及沉陷4種病害為主。經探地雷達檢測驗證，這種路表的典型病害很大程度上是路面內部結構病害反射導致的。

3)根據路面性能空間模型分析得出，軟土區的瀝青路面性能在空間上具有一定的分布規律。PCI,PQI,RQI表現為近海區域值偏小，說明近海區域的瀝青路面性能偏差。呈現這種區域特性的原因可能是近海軟土的不均勻沉降特性導致的，揭示了軟土的空間分布與瀝青路面性能存在關聯性的客觀規律，為完善近海軟土地區瀝青路面評價奠定基礎。