基于病害特征的濕熱地區(qū)公路瀝青路面破損狀況評(píng)價(jià)研究

吳傳海，楊藝，王旺，蔡揚(yáng)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(píng)價(jià)體系是公路養(yǎng)護(hù)管理的基礎(chǔ)，從決策單元?jiǎng)澐帧⒙访嫘阅茴A(yù)測(cè)、養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)判斷到養(yǎng)護(hù)措施選擇，都離不開一套科學(xué)合理的路面性能評(píng)價(jià)體系。中國(guó)當(dāng)前采用路面損壞狀況指數(shù)PCI對(duì)損壞情況作出綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)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(qiáng)度［1］。其中，路面損壞狀況指數(shù)PCI是路面損壞的綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)，但無(wú)法從該指標(biāo)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(bǔ)，權(quán)重值將大幅下降，使得評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際路況不符。同時(shí)，橫、縱向裂縫成因不同，修補(bǔ)后均計(jì)入條狀修補(bǔ)，難以根據(jù)指標(biāo)分值提出針對(duì)性養(yǎng)護(hù)措施。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)PCI評(píng)價(jià)模型的研究主要從2個(gè)層面出發(fā)：

1） 考慮路況等級(jí)邊界模糊性的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法，如模糊數(shù)學(xué)方法［2］、灰色聚類方法［3］、集對(duì)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(jī)［7］等。此類方法用于路面性能評(píng)價(jià)時(shí)，其核心思想是對(duì)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行聚類分析。這種方法拋棄了既往固定的指標(biāo)計(jì)算公式，通過概率判定指標(biāo)的分值和等級(jí)。這些方法在一定程度上提高了指標(biāo)評(píng)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(hù)方案的問題。

2） 修正現(xiàn)有指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的計(jì)算公式。倪富健等［8］研發(fā)的高速公路路面養(yǎng)護(hù)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(píng)價(jià)體系。李海蓮［9］基于該指標(biāo)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(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。另有部分學(xué)者研究認(rèn)為現(xiàn)有指標(biāo)評(píng)價(jià)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(bǔ)3個(gè)部分［10］。

部分地方的養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)區(qū)域特性對(duì)路況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整，具體地方標(biāo)準(zhǔn)和其調(diào)整內(nèi)容見表1。此類研究多針對(duì)相應(yīng)省份病害特征來建立或修正指標(biāo)體系，提高了養(yǎng)護(hù)決策的便捷性。但各省份道路病害及其成因不同，對(duì)應(yīng)的指標(biāo)體系并不適用于濕熱地區(qū)公路瀝青路面路況評(píng)價(jià)。

表1 現(xiàn)行地方標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)體系，以期幫助路面管養(yǎng)人員快速、簡(jiǎn)便地制定路面養(yǎng)護(hù)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(guó)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(xiàng)目的31個(gè)路段，共計(jì)3 316 km。統(tǒng)計(jì)分析2022年三種典型路面結(jié)構(gòu)的路表?yè)p壞信息，結(jié)果分別如圖1～2所示。

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

圖2 路面損壞面積占比統(tǒng)計(jì)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(bǔ)為主，占比高達(dá)79.62%，其次為橫向裂縫、縱向裂縫、塊狀修補(bǔ)，四者占比合計(jì)99.40%，其余損壞占比低于1.00%。

2） 對(duì)比這三種典型路面結(jié)構(gòu)的路表?yè)p壞類型，半剛性基層瀝青路面損壞類型中以條狀修補(bǔ)、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(bǔ)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(bǔ)和塊狀修補(bǔ)，兩者共占比為97.81%。

2 路面損壞狀況分項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建

2.1 現(xiàn)行規(guī)范PCI指標(biāo)分析

在《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（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(jì)扣分法計(jì)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(bǔ)和橫、縱向裂縫為主，而修補(bǔ)權(quán)重僅為重度病害的0.1。因此，由PCI的評(píng)價(jià)結(jié)果并不能反映實(shí)際公路瀝青路面的問題。假設(shè)某路段僅存在長(zhǎng)度為3.75 m、間距為9.50 m的重度橫向裂縫，路段修補(bǔ)后，PCI評(píng)價(jià)等級(jí)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(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG 5142—2019）中，當(dāng)PCI大于90時(shí)，可采用含砂霧封層養(yǎng)護(hù)，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(wú)法直接明確路段主導(dǎo)病害，也無(wú)法知道病害分布特征，更無(wú)法直接制定養(yǎng)護(hù)措施。

2.2 路面損壞狀況分項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

在養(yǎng)護(hù)決策過程中，若評(píng)價(jià)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(bǔ)、橫向裂縫、縱向裂縫和塊狀修補(bǔ)為主；在雨季時(shí)，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(biāo)體系，該指標(biāo)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(bǔ)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(duì)定量或定性問題作出定量評(píng)價(jià)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(yàn)知識(shí)的結(jié)果，因此，本研究采用德爾菲方法建立分項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)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(jì)算表達(dá)式為：

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

在已有研究中，對(duì)裂縫的評(píng)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(duì)于不同基層的路面結(jié)構(gòu)，在裂縫率相同時(shí)，具有不同的評(píng)定分值，施加不同的養(yǎng)護(hù)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(píng)價(jià)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 橫向裂縫養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算表達(dá)式為：

式中：lL，i為縱向裂縫長(zhǎng)度，m；L為路段長(zhǎng)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(yùn)營(yíng)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(duì)于不同成因的縱向裂縫，處治措施有明顯區(qū)別。因此，針對(duì)這兩種成因建立縱向裂縫狀況指數(shù)評(píng)定公式，其計(jì)算表達(dá)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 縱向裂縫養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Maintenance standard of longitudinal crack

2.2.3 坑槽修補(bǔ)狀況指數(shù)

坑槽面積能夠以相對(duì)直觀的方式來反映路表坑槽信息。因此，參考規(guī)范［1］的評(píng)價(jià)方式，以坑槽修補(bǔ)率來計(jì)算坑槽修補(bǔ)狀況指數(shù)IPCI，P。

坑槽修補(bǔ)率αPR的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：Ai為坑槽修補(bǔ)面積，m2；A為調(diào)查路段面積，m2。

坑槽修補(bǔ)狀況指數(shù)評(píng)價(jià)模型如式（10）所示，養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 坑槽修補(bǔ)養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(duì)偏小。因此，其余破損狀況指數(shù)IPCI，a采用規(guī)范［1］的評(píng)價(jià)方式，以破損率αDR，a來計(jì)算，其表達(dá)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(píng)價(jià)指標(biāo)

權(quán)重和單項(xiàng)指標(biāo)值是影響多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的重要因素。在多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中，當(dāng)某一單項(xiàng)指標(biāo)分?jǐn)?shù)顯著低于其余指標(biāo)時(shí)，固定權(quán)重是無(wú)法體現(xiàn)評(píng)價(jià)要求的，此時(shí)權(quán)重應(yīng)隨單項(xiàng)指標(biāo)分值的變化而變化。因此，在路面損壞的多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中，指標(biāo)權(quán)重應(yīng)為單項(xiàng)指標(biāo)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(duì)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(duì)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(biāo)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(duì)信息量區(qū)分度的計(jì)算，根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)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(jì)算組合權(quán)重。

計(jì)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(biāo)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(jì)算流程包括［13］：① 病害數(shù)量無(wú)量綱化；② 計(jì)算分項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)路段的各路段占比；③ 計(jì)算分項(xiàng)指標(biāo)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(xiàng)，以熵值賦權(quán)法來計(jì)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(gè)指標(biāo)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(gè)指標(biāo)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(píng)價(jià)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(biāo)間需要進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，采用加權(quán)算術(shù)平均法；當(dāng)需要嚴(yán)懲落后指標(biāo)時(shí)，采用加權(quán)幾何平均法［12］。假設(shè)路段指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果和組合權(quán)重，其結(jié)果見表6。當(dāng)單項(xiàng)指標(biāo)相近時(shí)，采用加權(quán)幾何平均法和加權(quán)算術(shù)平均法計(jì)算的結(jié)果差異較小，加權(quán)幾何平均法的計(jì)算結(jié)果略低于加權(quán)算術(shù)平均法的；當(dāng)存在指標(biāo)顯著低于其他指標(biāo)時(shí)，則加權(quán)幾何平均法的計(jì)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(duì)比表Table 6 Comparison of weighting method

當(dāng)前，建立指標(biāo)體系以指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)為目標(biāo)，要求凸顯落后指標(biāo)，突出問題路段。因此，采用加權(quán)幾何平均法，計(jì)算路面損壞狀況綜合指數(shù)IPCI，n，其表達(dá)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(cè)結(jié)果，對(duì)比分析PCI和IPCI，n及其分項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果在路面養(yǎng)護(hù)決策中的應(yīng)用效果。

路段評(píng)價(jià)結(jié)果見表7，各路段分項(xiàng)指標(biāo)組合權(quán)重值見表8，基于養(yǎng)護(hù)類型篩選路段見表9。

表7 三個(gè)典型路段PCI、IPCI，n評(píng)價(jià)分值對(duì)比Table 7 Comparison of PCI and IPCI，n evaluation scores of three typical sections

表8 三個(gè)典型路段IPCI，n分項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重對(duì)比Table 8 Comparison of IPCI，n sub-index weights of three typical sections

表9 三個(gè)典型路段養(yǎng)護(hù)類型實(shí)施里程對(duì)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(yán)格。在案例路段中，計(jì)算出的IPCI，n分值均低于PCI分值。根據(jù)表9中養(yǎng)護(hù)類型路段長(zhǎng)度占比分布，發(fā)現(xiàn)新建指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果中，預(yù)防養(yǎng)護(hù)及修復(fù)養(yǎng)護(hù)路段長(zhǎng)度有所增加，表明增大了新建指標(biāo)判定的路段區(qū)分度。

2） 在各案例路段的分項(xiàng)指標(biāo)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(biāo)決策結(jié)果相較于《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 5421—2018），更貼近實(shí)際實(shí)施方案，以新建指標(biāo)的判定要求養(yǎng)護(hù)的路段占比，與實(shí)際實(shí)施方案的匹配度高。取具體路段單元進(jìn)行分析，如路段A某路段單元橫向裂縫及橫向條狀修補(bǔ)的長(zhǎng)度達(dá)375.62 m/km，縱向裂縫及縱向條狀修補(bǔ)的長(zhǎng)度達(dá)428.16 m/km。此時(shí)，采用超薄罩面或封層已無(wú)法解決該問題。而《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 5421—2018）推薦該路段單元采取預(yù)防養(yǎng)護(hù)措施，新建指標(biāo)推薦修復(fù)養(yǎng)護(hù)措施，實(shí)際實(shí)施方案采取銑刨重鋪。

4）IPCI，n由分項(xiàng)指標(biāo)組成，與PCI相比，對(duì)養(yǎng)護(hù)措施的選取更為便利?；诜种蹬卸ǔ雎范螁卧酿B(yǎng)護(hù)類型后，對(duì)于PCI，仍需要對(duì)路面損壞具體情況進(jìn)行溯源分析，才能決定具體養(yǎng)護(hù)措施；對(duì)于IPCI，n，可以直接由分項(xiàng)指標(biāo)制定具體養(yǎng)護(hù)措施，提高決策流程自動(dòng)化、智能化的準(zhǔn)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(bǔ)、橫向裂縫、縱向裂縫和塊狀修補(bǔ)。其中，半剛性基層瀝青路面以條狀修補(bǔ)、橫向裂縫和縱向裂縫為主；剛性基層瀝青路面以條狀修補(bǔ)和橫向裂縫為主；而組合式基層瀝青路面以條狀修補(bǔ)和塊狀修補(bǔ)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(biāo)評(píng)價(jià)體系，該評(píng)價(jià)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(bǔ)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(píng)價(jià)模型和基于成因的縱向裂縫評(píng)價(jià)模型，使得指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果不受日常養(yǎng)護(hù)影響，從指標(biāo)層面反映出路面病害特征，便于提出針對(duì)性養(yǎng)護(hù)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(shí)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(xiàng)目主導(dǎo)病害和問題路段。

4） 將指標(biāo)應(yīng)用于3個(gè)案例路段的路面損壞狀況評(píng)價(jià)，并與規(guī)范PCI的計(jì)算結(jié)果、實(shí)際養(yǎng)護(hù)方案進(jìn)行對(duì)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(píng)價(jià)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(shí)際養(yǎng)護(hù)方案，可以簡(jiǎn)化養(yǎng)護(hù)決策流程，提高制定養(yǎng)護(hù)方案的效率。