基于病害特征的濕熱地區(qū)公路瀝青路面破損狀況評價研究

吳傳海，楊藝，王旺，蔡揚發(fā)，楊海明

（1.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420；2.廣東交科技術(shù)研發(fā)有限公司，廣東 廣州 510550）

路面性能評價體系是公路養(yǎng)護管理的基礎(chǔ)，從決策單元劃分、路面性能預(yù)測、養(yǎng)護時機判斷到養(yǎng)護措施選擇，都離不開一套科學(xué)合理的路面性能評價體系。中國當(dāng)前采用路面損壞狀況指數(shù)PCI對損壞情況作出綜合評價，評價內(nèi)容包括路面損壞、平整度、車轍、抗滑性能、磨耗、跳車及路面結(jié)構(gòu)強度［1］。其中，路面損壞狀況指數(shù)PCI是路面損壞的綜合性評價指標，但無法從該指標分值反映出病害類型。以廣東省為代表的濕熱地區(qū)，公路瀝青路面病害多為橫、縱向裂縫。當(dāng)橫、縱向裂縫經(jīng)過修補，權(quán)重值將大幅下降，使得評價結(jié)果與實際路況不符。同時，橫、縱向裂縫成因不同，修補后均計入條狀修補，難以根據(jù)指標分值提出針對性養(yǎng)護措施。

目前，國內(nèi)針對PCI評價模型的研究主要從2個層面出發(fā)：

1） 考慮路況等級邊界模糊性的數(shù)學(xué)評價方法，如模糊數(shù)學(xué)方法［2］、灰色聚類方法［3］、集對分析方法［4］、未確知度理論［5］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法［6］、支持向量機［7］等。此類方法用于路面性能評價時，其核心思想是對指標參數(shù)進行聚類分析。這種方法拋棄了既往固定的指標計算公式，通過概率判定指標的分值和等級。這些方法在一定程度上提高了指標評定結(jié)果的合理性，但沒有從根本上解決PCI難以因地制宜地制定養(yǎng)護方案的問題。

2） 修正現(xiàn)有指標評價體系的計算公式。倪富健等［8］研發(fā)的高速公路路面養(yǎng)護管理決策支持系統(tǒng)是基于江蘇省高速公路重新建立的路面性能評價體系。李海蓮［9］基于該指標體系，綜合甘肅省高速公路路表病害特征，構(gòu)建了西北寒旱地區(qū)的高速公路評價指標權(quán)重。另有部分學(xué)者研究認為現(xiàn)有指標評價體系的局限性主要源于PCI。因此，將PCI劃分為橫向裂縫、路面表面損壞和路面修補3個部分［10］。

部分地方的養(yǎng)護標準根據(jù)區(qū)域特性對路況評定標準進行了調(diào)整，具體地方標準和其調(diào)整內(nèi)容見表1。此類研究多針對相應(yīng)省份病害特征來建立或修正指標體系，提高了養(yǎng)護決策的便捷性。但各省份道路病害及其成因不同，對應(yīng)的指標體系并不適用于濕熱地區(qū)公路瀝青路面路況評價。

表1 現(xiàn)行地方標準Table 1 Local standards

因此，本研究基于濕熱地區(qū)公路瀝青路面病害，擬建立一套路面損壞狀況指標體系，以期幫助路面管養(yǎng)人員快速、簡便地制定路面養(yǎng)護方案。

1 濕熱地區(qū)公路瀝青路面病害特征分析

濕熱地區(qū)是指中國光、熱、水資源豐富的地區(qū)，雨熱同季。受特殊氣候及地質(zhì)條件的影響，公路瀝青路面易出現(xiàn)橫向裂縫、縱向裂縫、坑槽等病害。本研究選取以廣東省為代表的濕熱地區(qū)的典型公路項目的31個路段，共計3 316 km。統(tǒng)計分析2022年三種典型路面結(jié)構(gòu)的路表損壞信息，結(jié)果分別如圖1～2所示。

圖1 路段里程統(tǒng)計Fig.1 Road mileage statistics

圖2 路面損壞面積占比統(tǒng)計Fig.2 Statistics of pavement damage area proportion

從圖1～2可以看出：

1） 濕熱地區(qū)公路瀝青路面損壞類型以條狀修補為主，占比高達79.62%，其次為橫向裂縫、縱向裂縫、塊狀修補，四者占比合計99.40%，其余損壞占比低于1.00%。

2） 對比這三種典型路面結(jié)構(gòu)的路表損壞類型，半剛性基層瀝青路面損壞類型中以條狀修補、橫向裂縫、縱向裂縫三者占比最高，共占比為95.94%；剛性基層瀝青路面的基層存在切縫，以條狀修補和橫向裂縫兩者占比最高，兩者共占比為95.67%；而組合式基層瀝青路面，占比最高的損壞類型為條狀修補和塊狀修補，兩者共占比為97.81%。

2 路面損壞狀況分項評價指標構(gòu)建

2.1 現(xiàn)行規(guī)范PCI指標分析

在《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG 5210—2018）［1］中，瀝青路面損壞類型（包含損壞程度）共21種，采用累計扣分法計算PCI。根據(jù)本研究瀝青路面病害特征分析，發(fā)現(xiàn)濕熱地區(qū)公路瀝青路面損壞以塊狀修補和橫、縱向裂縫為主，而修補權(quán)重僅為重度病害的0.1。因此，由PCI的評價結(jié)果并不能反映實際公路瀝青路面的問題。假設(shè)某路段僅存在長度為3.75 m、間距為9.50 m的重度橫向裂縫，路段修補后，PCI評價等級為優(yōu)。

在該案例中，該路段的PCI為92.11。在《公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（JTG 5142—2019）中，當(dāng)PCI大于90時，可采用含砂霧封層養(yǎng)護，但該路段橫向裂縫密集，采用含砂霧封層并不適用。這表明通過PCI無法直接明確路段主導(dǎo)病害，也無法知道病害分布特征，更無法直接制定養(yǎng)護措施。

2.2 路面損壞狀況分項評價指標

在養(yǎng)護決策過程中，若評價結(jié)果能直接體現(xiàn)路段主導(dǎo)病害，決策的煩瑣程度將大大降低。從調(diào)研廣東省公路瀝青路面的損壞狀況發(fā)現(xiàn)，濕熱地區(qū)公路瀝青路面損壞以條狀修補、橫向裂縫、縱向裂縫和塊狀修補為主；在雨季時，瀝青路面存在坑槽病害暴發(fā)的可能性。因此，構(gòu)建基于濕熱地區(qū)瀝青路面病害特征的路面損壞狀況指標體系，該指標體系包括路面損壞狀況綜合指數(shù)IPCI，n、橫向裂縫狀況指數(shù)IPCI，t、縱向裂縫狀況指數(shù)IPCI，l、坑槽修補狀況指數(shù)IPCI，p和其余破損狀況指數(shù)IPCI，a。

德爾菲方法是一種對定量或定性問題作出定量評價的匿名調(diào)查方法，通常需要經(jīng)過多輪的意見收集和反饋調(diào)整，方能使得專家意見收斂統(tǒng)一［11］。由于調(diào)查過程是匿名的，能夠完全得到基于專家豐富經(jīng)驗知識的結(jié)果，因此，本研究采用德爾菲方法建立分項指標評價模型。

2.2.1 橫向裂縫狀況指數(shù)

橫向裂縫分布情況采用橫向裂縫間距αTCS來表征，其計算表達式為：

式中：αTCS為橫向裂縫間距，m/條；L為路段長度，m；N為橫向裂縫數(shù)量；l為橫向裂縫總長度，m；B為車道寬度，m。

在已有研究中，對裂縫的評定通常是建立在半剛性基層的裂縫。但不同基層類型的路面結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展速率存在差別，對于不同基層的路面結(jié)構(gòu)，在裂縫率相同時，具有不同的評定分值，施加不同的養(yǎng)護措施。在濕熱地區(qū)，目前應(yīng)用里程較多的路面結(jié)構(gòu)主要為半剛性基層、剛性基層和組合式基層路面結(jié)構(gòu)。因此，本研究基于德爾菲方法，分別建立了這三種基層類型下的橫向裂縫狀況指數(shù)評價模型。

1） 半剛性基層。

2） 剛性基層。

3） 組合式基層。

相應(yīng)的橫向裂縫養(yǎng)護標準見表2。

表2 橫向裂縫養(yǎng)護標準Table 2 Maintenance standard of transverse crack

2.2.2 縱向裂縫狀況指數(shù)

縱向裂縫分布情況采用縱向裂縫密度αLCD表征，其計算表達式為：

式中：lL，i為縱向裂縫長度，m；L為路段長度，m.

以廣東省為代表的濕熱地區(qū)，軟土分布廣泛，局部路段的路基在運營期內(nèi)易出現(xiàn)沉降。轄區(qū)內(nèi)路面縱向裂縫可分為兩種：① 由于路基橫向不均勻沉降產(chǎn)生的縱向裂縫；② 由于路面疲勞開裂產(chǎn)生的縱向裂縫。對于不同成因的縱向裂縫，處治措施有明顯區(qū)別。因此，針對這兩種成因建立縱向裂縫狀況指數(shù)評定公式，其計算表達式為：

1） 路基不均勻沉降。

2） 路面疲勞開裂。

相應(yīng)的縱向裂縫養(yǎng)護標準見表3。

表3 縱向裂縫養(yǎng)護標準Table 5 Maintenance standard of longitudinal crack

2.2.3 坑槽修補狀況指數(shù)

坑槽面積能夠以相對直觀的方式來反映路表坑槽信息。因此，參考規(guī)范［1］的評價方式，以坑槽修補率來計算坑槽修補狀況指數(shù)IPCI，P。

坑槽修補率αPR的計算表達式為：

式中：Ai為坑槽修補面積，m2；A為調(diào)查路段面積，m2。

坑槽修補狀況指數(shù)評價模型如式（10）所示，養(yǎng)護標準見表4。

表4 坑槽修補養(yǎng)護標準Table 4 Maintenance standard of potholes patching

2.2.4 其余破損狀況指數(shù)

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其余破損病害面積占比低于1%，在各路段作為主導(dǎo)病害的概率相對偏小。因此，其余破損狀況指數(shù)IPCI，a采用規(guī)范［1］的評價方式，以破損率αDR，a來計算，其表達式為：

式中：Ai為第i類路面破損面積，m2；A為調(diào)查路面面積，m2；ωi為第i類路面損壞的權(quán)重；n為包含損壞程度的損壞類型總數(shù)。

3 路面損壞狀況綜合評價指標

權(quán)重和單項指標值是影響多項指標綜合評價結(jié)果的重要因素。在多項指標綜合評價中，當(dāng)某一單項指標分數(shù)顯著低于其余指標時，固定權(quán)重是無法體現(xiàn)評價要求的，此時權(quán)重應(yīng)隨單項指標分值的變化而變化。因此，在路面損壞的多項指標綜合評價中，指標權(quán)重應(yīng)為單項指標的屬性權(quán)重和基于病害數(shù)量的客觀權(quán)重的組合權(quán)重。

3.1 組合權(quán)重

組合權(quán)重從病害屬性和病害數(shù)量對路面損壞程度作出綜合判斷。屬性權(quán)重和客觀權(quán)重的組合，也可視為一種權(quán)重的求取過程，即將屬性權(quán)重和客觀權(quán)重視為兩組被加權(quán)對象。病害屬性和病害數(shù)量存在的關(guān)系為：若是病害數(shù)量相近，則組合權(quán)重應(yīng)接近屬性權(quán)重；若是病害數(shù)量相差較大，則組合權(quán)重應(yīng)提高病害數(shù)量較大的指標權(quán)重。因此，組合權(quán)重的建立可基于兩組權(quán)重的信息量來確定。均方差法、主成分分析法、熵值賦權(quán)法和粗糙集方法的本質(zhì)都是對信息量區(qū)分度的計算，根據(jù)評價對象的分辨信息量數(shù)量差異，信息量越大，則權(quán)重越高［12］。本研究選用成熟的熵值賦權(quán)法計算組合權(quán)重。

計算的具體流程為：

1） 結(jié)合層次分析法和德爾菲法，求取屬性權(quán)重，各指標屬性權(quán)重見表5。

表5 屬性權(quán)重Table 5 Attribute weights

2） 采用熵值賦權(quán)法，求取客觀權(quán)重。

客觀權(quán)重具體計算流程包括［13］：① 病害數(shù)量無量綱化；② 計算分項指標對應(yīng)路段的各路段占比；③ 計算分項指標熵值及熵權(quán)值。

3） 將屬性權(quán)重和客觀權(quán)重視為被加權(quán)項，以熵值賦權(quán)法來計算屬性權(quán)重和客觀權(quán)重的加權(quán)系數(shù)。

式中：wk為第k個指標組合權(quán)重；a1、a2分別為屬性權(quán)重和客觀權(quán)重的加權(quán)系數(shù)；wk，1、wk，2分別為第k個指標的屬性權(quán)重和客觀權(quán)重。

3.2 路面損壞狀況綜合指數(shù)

綜合性評價通常采用加權(quán)算術(shù)平均法或加權(quán)幾何平均法，當(dāng)各指標間需要進行補償時，采用加權(quán)算術(shù)平均法；當(dāng)需要嚴懲落后指標時，采用加權(quán)幾何平均法［12］。假設(shè)路段指標評價結(jié)果和組合權(quán)重，其結(jié)果見表6。當(dāng)單項指標相近時，采用加權(quán)幾何平均法和加權(quán)算術(shù)平均法計算的結(jié)果差異較小，加權(quán)幾何平均法的計算結(jié)果略低于加權(quán)算術(shù)平均法的；當(dāng)存在指標顯著低于其他指標時，則加權(quán)幾何平均法的計算結(jié)果明顯低于加權(quán)算術(shù)平均法的。

表6 加權(quán)方法對比表Table 6 Comparison of weighting method

當(dāng)前，建立指標體系以指導(dǎo)養(yǎng)護為目標，要求凸顯落后指標，突出問題路段。因此，采用加權(quán)幾何平均法，計算路面損壞狀況綜合指數(shù)IPCI，n，其表達式為：

4 應(yīng)用效果分析

通過典型路段路面損壞狀況的檢測結(jié)果，對比分析PCI和IPCI，n及其分項指標的計算結(jié)果在路面養(yǎng)護決策中的應(yīng)用效果。

路段評價結(jié)果見表7，各路段分項指標組合權(quán)重值見表8，基于養(yǎng)護類型篩選路段見表9。

表7 三個典型路段PCI、IPCI，n評價分值對比Table 7 Comparison of PCI and IPCI，n evaluation scores of three typical sections

表8 三個典型路段IPCI，n分項指標權(quán)重對比Table 8 Comparison of IPCI，n sub-index weights of three typical sections

表9 三個典型路段養(yǎng)護類型實施里程對比Table 9 Mileage comparison of three typical sections maintenance types

由表7～9可知：

1） 路面損壞狀況綜合指數(shù)IPCI，n相較于路面損壞狀況指數(shù)PCI更為嚴格。在案例路段中，計算出的IPCI，n分值均低于PCI分值。根據(jù)表9中養(yǎng)護類型路段長度占比分布，發(fā)現(xiàn)新建指標的評價結(jié)果中，預(yù)防養(yǎng)護及修復(fù)養(yǎng)護路段長度有所增加，表明增大了新建指標判定的路段區(qū)分度。

2） 在各案例路段的分項指標組合權(quán)重值中，路段A以橫向裂縫為主導(dǎo)病害，路段B和路段C以橫向裂縫和縱向裂縫為主導(dǎo)病害，坑槽和其余病害權(quán)重均偏低，這與本研究路面病害調(diào)研的結(jié)果相符。

3） 新建指標決策結(jié)果相較于《公路瀝青路面養(yǎng)護設(shè)計規(guī)范》（JTG 5421—2018），更貼近實際實施方案，以新建指標的判定要求養(yǎng)護的路段占比，與實際實施方案的匹配度高。取具體路段單元進行分析，如路段A某路段單元橫向裂縫及橫向條狀修補的長度達375.62 m/km，縱向裂縫及縱向條狀修補的長度達428.16 m/km。此時，采用超薄罩面或封層已無法解決該問題。而《公路瀝青路面養(yǎng)護設(shè)計規(guī)范》（JTG 5421—2018）推薦該路段單元采取預(yù)防養(yǎng)護措施，新建指標推薦修復(fù)養(yǎng)護措施，實際實施方案采取銑刨重鋪。

4）IPCI，n由分項指標組成，與PCI相比，對養(yǎng)護措施的選取更為便利。基于分值判定出路段單元的養(yǎng)護類型后，對于PCI，仍需要對路面損壞具體情況進行溯源分析，才能決定具體養(yǎng)護措施；對于IPCI，n，可以直接由分項指標制定具體養(yǎng)護措施，提高決策流程自動化、智能化的準確度。

5 結(jié)論

1） 通過調(diào)查濕熱地區(qū)公路瀝青路面的損壞狀況，發(fā)現(xiàn)濕熱地區(qū)公路瀝青路面損壞類型主要為條狀修補、橫向裂縫、縱向裂縫和塊狀修補。其中，半剛性基層瀝青路面以條狀修補、橫向裂縫和縱向裂縫為主；剛性基層瀝青路面以條狀修補和橫向裂縫為主；而組合式基層瀝青路面以條狀修補和塊狀修補為主。

2） 基于濕熱地區(qū)公路瀝青路面損壞類型調(diào)研結(jié)果，采用德爾菲方法構(gòu)建了路面損壞狀況指標評價體系，該評價體系包含路面損壞狀況綜合指數(shù)IPCI，n、橫向裂縫狀況指數(shù)IPCI，t、縱向裂縫狀況指數(shù)IPCI，l、坑槽修補狀況指數(shù)IPCI，p和其余破損狀況指數(shù)IPCI，a，并提出了基于瀝青路面基層類型的橫向裂縫評價模型和基于成因的縱向裂縫評價模型，使得指標評價結(jié)果不受日常養(yǎng)護影響，從指標層面反映出路面病害特征，便于提出針對性養(yǎng)護措施。

3） 基于熵值理論，建立了屬性權(quán)重和客觀權(quán)重的組合權(quán)重，實現(xiàn)不同路段路面損壞狀況綜合指數(shù)的變權(quán)綜合，突出項目主導(dǎo)病害和問題路段。

4） 將指標應(yīng)用于3個案例路段的路面損壞狀況評價，并與規(guī)范PCI的計算結(jié)果、實際養(yǎng)護方案進行對比。該結(jié)果表明，相較于路面損壞狀況指數(shù)PCI，路面損壞狀況綜合指數(shù)IPCI，n評價結(jié)果的路段區(qū)分度更高，更貼近濕熱地區(qū)公路瀝青路面實際養(yǎng)護方案，可以簡化養(yǎng)護決策流程，提高制定養(yǎng)護方案的效率。