基于病害特征的湿热地区公路沥青路面破损状况评价研究

吴传海，杨艺，王旺，蔡扬发，杨海明

（1.广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510420；2.广东交科技术研发有限公司，广东 广州 510550）

路面性能评价体系是公路养护管理的基础，从决策单元划分、路面性能预测、养护时机判断到养护措施选择，都离不开一套科学合理的路面性能评价体系。中国当前采用路面损坏状况指数PCI对损坏情况作出综合评价，评价内容包括路面损坏、平整度、车辙、抗滑性能、磨耗、跳车及路面结构强度［1］。其中，路面损坏状况指数PCI是路面损坏的综合性评价指标，但无法从该指标分值反映出病害类型。以广东省为代表的湿热地区，公路沥青路面病害多为横、纵向裂缝。当横、纵向裂缝经过修补，权重值将大幅下降，使得评价结果与实际路况不符。同时，横、纵向裂缝成因不同，修补后均计入条状修补，难以根据指标分值提出针对性养护措施。

目前，国内针对PCI评价模型的研究主要从2个层面出发：

1） 考虑路况等级边界模糊性的数学评价方法，如模糊数学方法［2］、灰色聚类方法［3］、集对分析方法［4］、未确知度理论［5］、神经网络算法［6］、支持向量机［7］等。此类方法用于路面性能评价时，其核心思想是对指标参数进行聚类分析。这种方法抛弃了既往固定的指标计算公式，通过概率判定指标的分值和等级。这些方法在一定程度上提高了指标评定结果的合理性，但没有从根本上解决PCI难以因地制宜地制定养护方案的问题。

2） 修正现有指标评价体系的计算公式。倪富健等［8］研发的高速公路路面养护管理决策支持系统是基于江苏省高速公路重新建立的路面性能评价体系。李海莲［9］基于该指标体系，综合甘肃省高速公路路表病害特征，构建了西北寒旱地区的高速公路评价指标权重。另有部分学者研究认为现有指标评价体系的局限性主要源于PCI。因此，将PCI划分为横向裂缝、路面表面损坏和路面修补3个部分［10］。

部分地方的养护标准根据区域特性对路况评定标准进行了调整，具体地方标准和其调整内容见表1。此类研究多针对相应省份病害特征来建立或修正指标体系，提高了养护决策的便捷性。但各省份道路病害及其成因不同，对应的指标体系并不适用于湿热地区公路沥青路面路况评价。

表1 现行地方标准Table 1 Local standards

因此，本研究基于湿热地区公路沥青路面病害，拟建立一套路面损坏状况指标体系，以期帮助路面管养人员快速、简便地制定路面养护方案。

1 湿热地区公路沥青路面病害特征分析

湿热地区是指中国光、热、水资源丰富的地区，雨热同季。受特殊气候及地质条件的影响，公路沥青路面易出现横向裂缝、纵向裂缝、坑槽等病害。本研究选取以广东省为代表的湿热地区的典型公路项目的31个路段，共计3 316 km。统计分析2022年三种典型路面结构的路表损坏信息，结果分别如图1～2所示。

图1 路段里程统计Fig.1 Road mileage statistics

图2 路面损坏面积占比统计Fig.2 Statistics of pavement damage area proportion

从图1～2可以看出：

1） 湿热地区公路沥青路面损坏类型以条状修补为主，占比高达79.62%，其次为横向裂缝、纵向裂缝、块状修补，四者占比合计99.40%，其余损坏占比低于1.00%。

2） 对比这三种典型路面结构的路表损坏类型，半刚性基层沥青路面损坏类型中以条状修补、横向裂缝、纵向裂缝三者占比最高，共占比为95.94%；刚性基层沥青路面的基层存在切缝，以条状修补和横向裂缝两者占比最高，两者共占比为95.67%；而组合式基层沥青路面，占比最高的损坏类型为条状修补和块状修补，两者共占比为97.81%。

2 路面损坏状况分项评价指标构建

2.1 现行规范PCI指标分析

在《公路技术状况评定标准》（JTG 5210—2018）［1］中，沥青路面损坏类型（包含损坏程度）共21种，采用累计扣分法计算PCI。根据本研究沥青路面病害特征分析，发现湿热地区公路沥青路面损坏以块状修补和横、纵向裂缝为主，而修补权重仅为重度病害的0.1。因此，由PCI的评价结果并不能反映实际公路沥青路面的问题。假设某路段仅存在长度为3.75 m、间距为9.50 m的重度横向裂缝，路段修补后，PCI评价等级为优。

在该案例中，该路段的PCI为92.11。在《公路沥青路面养护技术规范》（JTG 5142—2019）中，当PCI大于90时，可采用含砂雾封层养护，但该路段横向裂缝密集，采用含砂雾封层并不适用。这表明通过PCI无法直接明确路段主导病害，也无法知道病害分布特征，更无法直接制定养护措施。

2.2 路面损坏状况分项评价指标

在养护决策过程中，若评价结果能直接体现路段主导病害，决策的烦琐程度将大大降低。从调研广东省公路沥青路面的损坏状况发现，湿热地区公路沥青路面损坏以条状修补、横向裂缝、纵向裂缝和块状修补为主；在雨季时，沥青路面存在坑槽病害暴发的可能性。因此，构建基于湿热地区沥青路面病害特征的路面损坏状况指标体系，该指标体系包括路面损坏状况综合指数IPCI，n、横向裂缝状况指数IPCI，t、纵向裂缝状况指数IPCI，l、坑槽修补状况指数IPCI，p和其余破损状况指数IPCI，a。

德尔菲方法是一种对定量或定性问题作出定量评价的匿名调查方法，通常需要经过多轮的意见收集和反馈调整，方能使得专家意见收敛统一［11］。由于调查过程是匿名的，能够完全得到基于专家丰富经验知识的结果，因此，本研究采用德尔菲方法建立分项指标评价模型。

2.2.1 横向裂缝状况指数

横向裂缝分布情况采用横向裂缝间距αTCS来表征，其计算表达式为：

式中：αTCS为横向裂缝间距，m/条；L为路段长度，m；N为横向裂缝数量；l为横向裂缝总长度，m；B为车道宽度，m。

在已有研究中，对裂缝的评定通常是建立在半刚性基层的裂缝。但不同基层类型的路面结构裂缝发展速率存在差别，对于不同基层的路面结构，在裂缝率相同时，具有不同的评定分值，施加不同的养护措施。在湿热地区，目前应用里程较多的路面结构主要为半刚性基层、刚性基层和组合式基层路面结构。因此，本研究基于德尔菲方法，分别建立了这三种基层类型下的横向裂缝状况指数评价模型。

1） 半刚性基层。

2） 刚性基层。

3） 组合式基层。

相应的横向裂缝养护标准见表2。

表2 横向裂缝养护标准Table 2 Maintenance standard of transverse crack

2.2.2 纵向裂缝状况指数

纵向裂缝分布情况采用纵向裂缝密度αLCD表征，其计算表达式为：

式中：lL，i为纵向裂缝长度，m；L为路段长度，m.

以广东省为代表的湿热地区，软土分布广泛，局部路段的路基在运营期内易出现沉降。辖区内路面纵向裂缝可分为两种：① 由于路基横向不均匀沉降产生的纵向裂缝；② 由于路面疲劳开裂产生的纵向裂缝。对于不同成因的纵向裂缝，处治措施有明显区别。因此，针对这两种成因建立纵向裂缝状况指数评定公式，其计算表达式为：

1） 路基不均匀沉降。

2） 路面疲劳开裂。

相应的纵向裂缝养护标准见表3。

表3 纵向裂缝养护标准Table 5 Maintenance standard of longitudinal crack

2.2.3 坑槽修补状况指数

坑槽面积能够以相对直观的方式来反映路表坑槽信息。因此，参考规范［1］的评价方式，以坑槽修补率来计算坑槽修补状况指数IPCI，P。

坑槽修补率αPR的计算表达式为：

式中：Ai为坑槽修补面积，m2；A为调查路段面积，m2。

坑槽修补状况指数评价模型如式（10）所示，养护标准见表4。

表4 坑槽修补养护标准Table 4 Maintenance standard of potholes patching

2.2.4 其余破损状况指数

根据统计数据发现，其余破损病害面积占比低于1%，在各路段作为主导病害的概率相对偏小。因此，其余破损状况指数IPCI，a采用规范［1］的评价方式，以破损率αDR，a来计算，其表达式为：

式中：Ai为第i类路面破损面积，m2；A为调查路面面积，m2；ωi为第i类路面损坏的权重；n为包含损坏程度的损坏类型总数。

3 路面损坏状况综合评价指标

权重和单项指标值是影响多项指标综合评价结果的重要因素。在多项指标综合评价中，当某一单项指标分数显著低于其余指标时，固定权重是无法体现评价要求的，此时权重应随单项指标分值的变化而变化。因此，在路面损坏的多项指标综合评价中，指标权重应为单项指标的属性权重和基于病害数量的客观权重的组合权重。

3.1 组合权重

组合权重从病害属性和病害数量对路面损坏程度作出综合判断。属性权重和客观权重的组合，也可视为一种权重的求取过程，即将属性权重和客观权重视为两组被加权对象。病害属性和病害数量存在的关系为：若是病害数量相近，则组合权重应接近属性权重；若是病害数量相差较大，则组合权重应提高病害数量较大的指标权重。因此，组合权重的建立可基于两组权重的信息量来确定。均方差法、主成分分析法、熵值赋权法和粗糙集方法的本质都是对信息量区分度的计算，根据评价对象的分辨信息量数量差异，信息量越大，则权重越高［12］。本研究选用成熟的熵值赋权法计算组合权重。

计算的具体流程为：

1） 结合层次分析法和德尔菲法，求取属性权重，各指标属性权重见表5。

表5 属性权重Table 5 Attribute weights

2） 采用熵值赋权法，求取客观权重。

客观权重具体计算流程包括［13］：① 病害数量无量纲化；② 计算分项指标对应路段的各路段占比；③ 计算分项指标熵值及熵权值。

3） 将属性权重和客观权重视为被加权项，以熵值赋权法来计算属性权重和客观权重的加权系数。

式中：wk为第k个指标组合权重；a1、a2分别为属性权重和客观权重的加权系数；wk，1、wk，2分别为第k个指标的属性权重和客观权重。

3.2 路面损坏状况综合指数

综合性评价通常采用加权算术平均法或加权几何平均法，当各指标间需要进行补偿时，采用加权算术平均法；当需要严惩落后指标时，采用加权几何平均法［12］。假设路段指标评价结果和组合权重，其结果见表6。当单项指标相近时，采用加权几何平均法和加权算术平均法计算的结果差异较小，加权几何平均法的计算结果略低于加权算术平均法的；当存在指标显著低于其他指标时，则加权几何平均法的计算结果明显低于加权算术平均法的。

表6 加权方法对比表Table 6 Comparison of weighting method

当前，建立指标体系以指导养护为目标，要求凸显落后指标，突出问题路段。因此，采用加权几何平均法，计算路面损坏状况综合指数IPCI，n，其表达式为：

4 应用效果分析

通过典型路段路面损坏状况的检测结果，对比分析PCI和IPCI，n及其分项指标的计算结果在路面养护决策中的应用效果。

路段评价结果见表7，各路段分项指标组合权重值见表8，基于养护类型筛选路段见表9。

表7 三个典型路段PCI、IPCI，n评价分值对比Table 7 Comparison of PCI and IPCI，n evaluation scores of three typical sections

表8 三个典型路段IPCI，n分项指标权重对比Table 8 Comparison of IPCI，n sub-index weights of three typical sections

表9 三个典型路段养护类型实施里程对比Table 9 Mileage comparison of three typical sections maintenance types

由表7～9可知：

1） 路面损坏状况综合指数IPCI，n相较于路面损坏状况指数PCI更为严格。在案例路段中，计算出的IPCI，n分值均低于PCI分值。根据表9中养护类型路段长度占比分布，发现新建指标的评价结果中，预防养护及修复养护路段长度有所增加，表明增大了新建指标判定的路段区分度。

2） 在各案例路段的分项指标组合权重值中，路段A以横向裂缝为主导病害，路段B和路段C以横向裂缝和纵向裂缝为主导病害，坑槽和其余病害权重均偏低，这与本研究路面病害调研的结果相符。

3） 新建指标决策结果相较于《公路沥青路面养护设计规范》（JTG 5421—2018），更贴近实际实施方案，以新建指标的判定要求养护的路段占比，与实际实施方案的匹配度高。取具体路段单元进行分析，如路段A某路段单元横向裂缝及横向条状修补的长度达375.62 m/km，纵向裂缝及纵向条状修补的长度达428.16 m/km。此时，采用超薄罩面或封层已无法解决该问题。而《公路沥青路面养护设计规范》（JTG 5421—2018）推荐该路段单元采取预防养护措施，新建指标推荐修复养护措施，实际实施方案采取铣刨重铺。

4）IPCI，n由分项指标组成，与PCI相比，对养护措施的选取更为便利。基于分值判定出路段单元的养护类型后，对于PCI，仍需要对路面损坏具体情况进行溯源分析，才能决定具体养护措施；对于IPCI，n，可以直接由分项指标制定具体养护措施，提高决策流程自动化、智能化的准确度。

5 结论

1） 通过调查湿热地区公路沥青路面的损坏状况，发现湿热地区公路沥青路面损坏类型主要为条状修补、横向裂缝、纵向裂缝和块状修补。其中，半刚性基层沥青路面以条状修补、横向裂缝和纵向裂缝为主；刚性基层沥青路面以条状修补和横向裂缝为主；而组合式基层沥青路面以条状修补和块状修补为主。

2） 基于湿热地区公路沥青路面损坏类型调研结果，采用德尔菲方法构建了路面损坏状况指标评价体系，该评价体系包含路面损坏状况综合指数IPCI，n、横向裂缝状况指数IPCI，t、纵向裂缝状况指数IPCI，l、坑槽修补状况指数IPCI，p和其余破损状况指数IPCI，a，并提出了基于沥青路面基层类型的横向裂缝评价模型和基于成因的纵向裂缝评价模型，使得指标评价结果不受日常养护影响，从指标层面反映出路面病害特征，便于提出针对性养护措施。

3） 基于熵值理论，建立了属性权重和客观权重的组合权重，实现不同路段路面损坏状况综合指数的变权综合，突出项目主导病害和问题路段。

4） 将指标应用于3个案例路段的路面损坏状况评价，并与规范PCI的计算结果、实际养护方案进行对比。该结果表明，相较于路面损坏状况指数PCI，路面损坏状况综合指数IPCI，n评价结果的路段区分度更高，更贴近湿热地区公路沥青路面实际养护方案，可以简化养护决策流程，提高制定养护方案的效率。