基于層次分析法的水泥與瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)選擇

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(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會對交通運(yùn)輸需求的大幅度增加，公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了迅猛發(fā)展，但困擾我國公路建設(shè)質(zhì)量的問題一直存在，其中最典型的就是路面的破壞，顛簸不平的路面狀況給行車帶來了嚴(yán)重的不舒適感，并埋下交通事故隱患。因此，路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對于道路管理者與使用者而言，其重要性不言而喻。

從我國高等級公路建設(shè)情況來看，主要采用了瀝青路面，水泥路面越來越少。從使用效果來看，瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象越來越突出，甚至出現(xiàn)了大量的“初期破壞”現(xiàn)象。而水泥路面在交通荷載和自然環(huán)境的綜合作用下，會出現(xiàn)各種損壞現(xiàn)象，使用性能隨之衰減。從目前工程實(shí)際情況來看，在兩種路面結(jié)構(gòu)的選擇上，僅定性地從行車舒適度、后期管理與養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行論證，缺乏有效的定量研究。

本文通過分析水泥與瀝青路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及影響因素，采用層次分析法對各影響因素進(jìn)行排序，并進(jìn)行了比選，為路面結(jié)構(gòu)選擇提供了一種新的思路。

1 影響水泥與瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)選擇因素的分析

1.1 水泥混凝土路面的優(yōu)缺點(diǎn)

水泥混凝土路面是指以水泥混凝土為主要材料做面層的路面。水泥混凝土路面是一種剛度較大、擴(kuò)散荷載應(yīng)力能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好和使用壽命長的路面結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)是：①強(qiáng)度高，對超載超限車輛適應(yīng)性好；②耐久性好；③水穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性好；④抗滑性能好。缺點(diǎn)是：①水泥和水的需要量大；②接縫(橫縱向)較多；③開放交通較遲；④養(yǎng)護(hù)修復(fù)困難，特別是沉降及短板等；⑤行車舒適度低、噪聲大等。

1.2 瀝青混凝土路面的優(yōu)缺點(diǎn)

瀝青混凝土路面是指用瀝青混凝土做面層的路面。瀝青混凝土路面屬于柔性路面的范疇，其主要優(yōu)點(diǎn)有：①行車舒適性好、噪聲小；②對路基變形或不均勻沉降的適應(yīng)性強(qiáng)；③開放交通快，碾壓后即可通車；④養(yǎng)護(hù)修復(fù)容易。缺點(diǎn)是：①水穩(wěn)定性差；②溫度穩(wěn)定性差；③耐老化性差；④平整度的保持性差，路基沉降會帶來平整度劣化，易形成車轍[1]。

1.3影響水泥與瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)選擇因素的對比分析

按一般聚類的原則，可將路面結(jié)構(gòu)選擇的影響因素歸納為4大類，分別為設(shè)計與施工難度、行車舒適度、運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)與管理、材料選擇與工程造價等。然后，在這幾類影響因素中逐步識別、分析各影響因子，并剔除相關(guān)性較大的影響因子后進(jìn)行歸類，歸類結(jié)果見表1。

2 基于層次分析法的路面結(jié)構(gòu)選擇模型

層次分析法是20世紀(jì)70年代末提出的一種系統(tǒng)分析方法，該方法適用于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、決策準(zhǔn)則較多且不宜量化的決策問題[2]。

層次分析法的基本步驟是：

Step1：明確問題，提出總目標(biāo)(路面結(jié)構(gòu)層選擇)。

Step2：建立層次結(jié)構(gòu)，把問題分解成若干層次。第一層為總目標(biāo)；中間層為準(zhǔn)則層(影響因素)；最低層為措施層(影響因子)，如圖1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)選擇影響因素及因子識別一覽表

圖1 路面結(jié)構(gòu)層選擇的AHP模型

Step3：求同一層次上的權(quán)系數(shù)(由高到低)。令當(dāng)前層因素為A1，A2，…，An，上一層因素為C，則針對因素C，對所有因素A1，A2，…，An進(jìn)行兩兩比較，得到數(shù)值αij，其定義和解釋見表2。記A=(αij)n×n，則A為因素A1，A2，…，An相應(yīng)于上一層因素C的判斷矩陣。記A的最大特征根λmax，屬于λmax的標(biāo)準(zhǔn)化的特征向量為ω=(ω1，ω2，…，ωn)T，則ω1，ω2，…，ωn給出了因素A1，A2，…，An相應(yīng)于C的按偏好程度的排序。

表2 相對重要程度定義及解釋表

(1)

如此自上而下地求下去，一直到最底層所有因素的權(quán)系數(shù)均求出來為止，根據(jù)最底層系數(shù)的分布，即可給出一個關(guān)于各方案優(yōu)先程度的排序。

由(1)式可知，若記Bk為第k層次上所有因素相對于上一層有關(guān)因素的權(quán)向量按列組成的矩陣，則第k層次的組合權(quán)系數(shù)向量Wk滿足：

Wk=Bk，Bk-1，…，B2，B1式中：B1=(1)

(2)

Step5：一致性檢驗(yàn)。得到判斷矩陣A時，利用一致性指標(biāo)CI進(jìn)行檢驗(yàn)。

(3)

一般情況下，只要CI≤0.1，就可以認(rèn)為判斷矩陣A是滿意的。從實(shí)用的角度來看，本文推薦采用近似方法計算的和積法。

3 實(shí)例分析

在對某高速公路項(xiàng)目初步設(shè)計階段路面結(jié)構(gòu)比選中，共邀請15位路基路面工程領(lǐng)域的專家(p=15)參與評價。本次評價首先利用各專家對各影響因素及影響因子的總評分，以U1為基準(zhǔn)，進(jìn)行歸一化處理后，構(gòu)造判斷矩陣，計算各風(fēng)險大類的權(quán)重。

Ui(i=1，2，…，4)={0.082，0.541，0.264，0.113}

(4)

從上述量化結(jié)果可以看出，專家組認(rèn)為行車舒適度、運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)與管理是影響路面結(jié)構(gòu)選擇的主要因素(占總影響因素的80.5%)，其次為工程造價及材料選擇。從專家組的意見來看，影響兩種路面結(jié)構(gòu)選擇的設(shè)計與施工難度因素基本不存在技術(shù)難度。經(jīng)計算，W2=(0.26，0.74)T，從定量化指標(biāo)看，瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層的量化值達(dá)到0.74，因此，應(yīng)初步選擇瀝青路面。

4 結(jié)論

4.1 從某高速公路項(xiàng)目初步設(shè)計階段路面結(jié)構(gòu)選擇的比選應(yīng)用結(jié)果來看，雖然工程推薦使用瀝青路面結(jié)構(gòu)，但從評價模型看，水泥路面結(jié)構(gòu)量化值為0.26，同樣存在一定的優(yōu)勢。也就是說，在對瀝青、水泥路面結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行演化后，定量分析能更準(zhǔn)確地為管理者決策提供依據(jù)。

4.2 從工程實(shí)際應(yīng)用來看，單純從定性比較的角度進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)選擇，存在著管理者個人的主觀偏好，明顯不能適應(yīng)路面結(jié)構(gòu)選擇的發(fā)展要求。引入層次分析法進(jìn)行定量研究，為路面結(jié)構(gòu)選擇提供了評價模型，并可以進(jìn)一步應(yīng)用多層次灰色評價、模糊層次分析法等進(jìn)行定量比選，為今后多種路面結(jié)構(gòu)層的定量比選提供了一個良好的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 章毅，李立寒.基于層次分析法的瀝青路面施工質(zhì)量評價模型[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，39(2)：253-258.

[2] 胡運(yùn)權(quán).運(yùn)籌學(xué)教程[M].第3版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

Abstract： Cement concrete and asphalt concrete pavement are two basic forms in road pavement structure selection.Limited by factors such as driving comfort level，final-period management and maintenance，high-class road pavement usually adopts asphalt concrete pavement.However，viewed from document concerning road pavement comparison and selection，most are qualitative research and lack of quantitative study.The author ranks each influencing factor adopting analytic hierarchy method and makes comparison and selection.

Key words：road pavement；cement concrete；asphalt concrete；analytic hierarchy method