基于层次分析法的水泥与沥青混凝土路面结构选择

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(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

随着我国国民经济的快速发展和社会对交通运输需求的大幅度增加，公路基础设施建设得到了迅猛发展，但困扰我国公路建设质量的问题一直存在，其中最典型的就是路面的破坏，颠簸不平的路面状况给行车带来了严重的不舒适感，并埋下交通事故隐患。因此，路面结构的优劣对于道路管理者与使用者而言，其重要性不言而喻。

从我国高等级公路建设情况来看，主要采用了沥青路面，水泥路面越来越少。从使用效果来看，沥青路面的早期破坏现象越来越突出，甚至出现了大量的“初期破坏”现象。而水泥路面在交通荷载和自然环境的综合作用下，会出现各种损坏现象，使用性能随之衰减。从目前工程实际情况来看，在两种路面结构的选择上，仅定性地从行车舒适度、后期管理与养护等方面进行论证，缺乏有效的定量研究。

本文通过分析水泥与沥青路面结构的优缺点及影响因素，采用层次分析法对各影响因素进行排序，并进行了比选，为路面结构选择提供了一种新的思路。

1 影响水泥与沥青混凝土路面结构选择因素的分析

1.1 水泥混凝土路面的优缺点

水泥混凝土路面是指以水泥混凝土为主要材料做面层的路面。水泥混凝土路面是一种刚度较大、扩散荷载应力能力强、稳定性好和使用寿命长的路面结构，其主要优点是：①强度高，对超载超限车辆适应性好；②耐久性好；③水稳定性和温度稳定性好；④抗滑性能好。缺点是：①水泥和水的需要量大；②接缝(横纵向)较多；③开放交通较迟；④养护修复困难，特别是沉降及短板等；⑤行车舒适度低、噪声大等。

1.2 沥青混凝土路面的优缺点

沥青混凝土路面是指用沥青混凝土做面层的路面。沥青混凝土路面属于柔性路面的范畴，其主要优点有：①行车舒适性好、噪声小；②对路基变形或不均匀沉降的适应性强；③开放交通快，碾压后即可通车；④养护修复容易。缺点是：①水稳定性差；②温度稳定性差；③耐老化性差；④平整度的保持性差，路基沉降会带来平整度劣化，易形成车辙[1]。

1.3影响水泥与沥青混凝土路面结构选择因素的对比分析

按一般聚类的原则，可将路面结构选择的影响因素归纳为4大类，分别为设计与施工难度、行车舒适度、运营期养护与管理、材料选择与工程造价等。然后，在这几类影响因素中逐步识别、分析各影响因子，并剔除相关性较大的影响因子后进行归类，归类结果见表1。

2 基于层次分析法的路面结构选择模型

层次分析法是20世纪70年代末提出的一种系统分析方法，该方法适用于结构较为复杂、决策准则较多且不宜量化的决策问题[2]。

层次分析法的基本步骤是：

Step1：明确问题，提出总目标(路面结构层选择)。

Step2：建立层次结构，把问题分解成若干层次。第一层为总目标；中间层为准则层(影响因素)；最低层为措施层(影响因子)，如图1所示。

表1 路面结构选择影响因素及因子识别一览表

图1 路面结构层选择的AHP模型

Step3：求同一层次上的权系数(由高到低)。令当前层因素为A1，A2，…，An，上一层因素为C，则针对因素C，对所有因素A1，A2，…，An进行两两比较，得到数值αij，其定义和解释见表2。记A=(αij)n×n，则A为因素A1，A2，…，An相应于上一层因素C的判断矩阵。记A的最大特征根λmax，属于λmax的标准化的特征向量为ω=(ω1，ω2，…，ωn)T，则ω1，ω2，…，ωn给出了因素A1，A2，…，An相应于C的按偏好程度的排序。

表2 相对重要程度定义及解释表

(1)

如此自上而下地求下去，一直到最底层所有因素的权系数均求出来为止，根据最底层系数的分布，即可给出一个关于各方案优先程度的排序。

由(1)式可知，若记Bk为第k层次上所有因素相对于上一层有关因素的权向量按列组成的矩阵，则第k层次的组合权系数向量Wk满足：

Wk=Bk，Bk-1，…，B2，B1式中：B1=(1)

(2)

Step5：一致性检验。得到判断矩阵A时，利用一致性指标CI进行检验。

(3)

一般情况下，只要CI≤0.1，就可以认为判断矩阵A是满意的。从实用的角度来看，本文推荐采用近似方法计算的和积法。

3 实例分析

在对某高速公路项目初步设计阶段路面结构比选中，共邀请15位路基路面工程领域的专家(p=15)参与评价。本次评价首先利用各专家对各影响因素及影响因子的总评分，以U1为基准，进行归一化处理后，构造判断矩阵，计算各风险大类的权重。

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

(4)

从上述量化结果可以看出，专家组认为行车舒适度、运营期养护与管理是影响路面结构选择的主要因素(占总影响因素的80.5%)，其次为工程造价及材料选择。从专家组的意见来看，影响两种路面结构选择的设计与施工难度因素基本不存在技术难度。经计算，W2=(0.26，0.74)T，从定量化指标看，沥青混凝土路面结构层的量化值达到0.74，因此，应初步选择沥青路面。

4 结论

4.1 从某高速公路项目初步设计阶段路面结构选择的比选应用结果来看，虽然工程推荐使用沥青路面结构，但从评价模型看，水泥路面结构量化值为0.26，同样存在一定的优势。也就是说，在对沥青、水泥路面结构分析进行演化后，定量分析能更准确地为管理者决策提供依据。

4.2 从工程实际应用来看，单纯从定性比较的角度进行路面结构选择，存在着管理者个人的主观偏好，明显不能适应路面结构选择的发展要求。引入层次分析法进行定量研究，为路面结构选择提供了评价模型，并可以进一步应用多层次灰色评价、模糊层次分析法等进行定量比选，为今后多种路面结构层的定量比选提供了一个良好的思路。

参考文献：

[1] 章毅，李立寒.基于层次分析法的沥青路面施工质量评价模型[J].同济大学学报：自然科学版，2011，39(2)：253-258.

[2] 胡运权.运筹学教程[M].第3版.北京：清华大学出版社，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