基于病害权重修正的路面损坏状况评定研究

郭柏林

(广东交科检测有限公司, 广州 510550)

截至2021年底,我国公路已建总里程528.07万km,其中高速公路通车里程16.91万km[1],公路养护里程525.16万km,占公路总里程99.4%。我国已进入大规模路面养护阶段,目前对路面损坏病害的采集已逐渐实现机械化与智能化,但对路面损坏病害状况的评定还有待完善。基于此,周岚[2]提出了横向裂缝评价指数、路面修补状况指数和路面表面损坏状况指数等3个新项目路面破损评价指标,采用层次分析法和熵值法提出了一种新的路面破损状况变权综合评价方法。万九鸣等[3]采用浮动权重和病害修补率等计算方法,用于评价对状况良好和恶劣的道路。杨春风等[4]建立了基于层次权变法的路面使用性能模糊评价模型,其评价结果更符合路面的实际状况。赵帅等[5]采用奖惩函数建立了动态权重路面性能指数评价指标,能直接反映不同道路病害类型的影响。张敏江等[6]采用模糊综合评价法,根据最大关联度原则判断路面状况等级。另有诸多学者采用如灰色理论、变权重、未测知度理论、分级拟合、TWW函数、经验统计回归、决策树等方法及提出余弦函数衰变模式模型对路面损坏状况进行评价分析与预测,均取得了较好的效果[7-14]。

查阅现有研究文献,路面损坏评价的方法非常多,但均鉴于对现行《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)[15](简称现行标准)中方法的拓展,对存在的问题进行了一定的改善,但他们的评价方法复杂,不便于工程实践应用。

现行标准中根据路面损坏状况指数(PCI)把路面损坏病害类型划分为11大类,各大类又分成不同层次的小类,合计21小类[15],均以损坏面积或折算的损坏面积为基本评定单元,且在路面状况损坏评定时,对沥青路面11大类损坏类型,均采用固定权重,未考虑不同的损坏类型对路面损坏状况的贡献度,这就不能准确反映路面的实际损坏情况及程度。尽管对每个损坏病害小类均进行了权重分配,但仅针对各个损坏病害大类的不同损坏程度进行了权值分配,并没有考虑各个大类损坏类型在11大类中要分配的权重。而且目前的研究者在改良现行标准存在的问题时,同样采用固定权重,也并未考虑不同损坏类型对路面状况指数评定影响重要程度不同的问题。因此,需对现行标准中的评定方法进行修正,以突出不同病害类型对路面实际状况指数的影响,更真实反映路面损坏状况,不仅为路面养护决策提供合理可靠的依据,还为今后公路技术状况评定标准的修订提供参考。

1 基于病害权重修正的路面损坏状况指数评定方法

路面损坏病害类型权重赋值的基本思想:是将影响程度越大的指标赋予其越大的权值。在路面损坏状况指数评定时:1) 若对破损路面处治不及时或不处治时,会造成结构性破坏的龟裂、块状裂缝、纵向裂缝等病害;2) 对路面行车安全将带来明显安全隐患,如波浪拥包、坑槽等病害。这些均可认定为影响程度大的损坏类型,宜赋于大的权重。

据此,通过路面病害统计分析,采用客观赋权法中的变异系数法为现行标准中11大类路面损坏病害类型中的10大类损坏类型进行权重赋值,如表1所示,以判断其对路面破损状况影响的程度,如某类型变异系数大,则说明其对路面破损状况影响大,应赋予较大的权重。其中车辙由于在评定标准中单独评定,故在此不予考虑。

表1 沥青路面损坏类型及权重[15]

路面损坏状况指数评定步骤如下:

1) 挑选有代表性的高速公路12条,以面积为单位,计算全路段某车道各损坏类型的损坏面积。

Ai=RSi1+RSi2+RSi3+…RSij

(1)

式中:Ai为某损坏类型全路段损坏面积和,i=1,2,…,10,表示有10大类损坏;RSij为第j路段的第i类损坏,j=1,2,…。

2) 求全线各损坏类型损坏面积和。

A=A1+A2+A3+…A10

(2)

式中:A为所有10大类损坏类型全线损坏面积和。

3) 计算各损坏类型损坏面积占全线所有破损面积的比例,结果如表2所示。

表2 沥青路面各病害类型损坏面积占全线损坏总面积比重

Ri=Ai/A×100

(3)

式中:Ri为某大类损坏类型在全线损坏所占比率,%。

4) 以第3步的计算结果为基础,计算12条高速公路相同损坏类型的变异系数,计算结果如表3所示。

表3 沥青路面各病害类型变异系数

从表3可以看出,在10大类损坏类型中,块状裂缝、龟裂、坑槽、横向裂缝等变异系数明显较大,表明其对路面状况损坏的影响程度较大,按照权重赋值思想,这些损坏类型应赋予较大的权重。此结论与文献[2]的研究结果基本一致,表明本文研究的方法是可行的。另外,修补的变异系数最小,说明其对路面状况损坏的影响程度最小,应赋予较小值,印证了现行标准中修补权重最低的设定。

基于此,对表3中计算结果进行归一化处理,以修补类损坏的变异系数为基准,其权重为1,其余各类型损坏变异系数与基准损坏类型变异系数的比值,即为各类型的路面状况指数评定权重值,评分结果如表4所示。

表4 沥青路面10大类损坏类型修正权重

依据表4所得权重系数,在进行路面损坏状况指数评定时,所有10大类病害类型对路面损坏状况的影响程度即可进行细分,从而解决现行标准权重针对性不足的问题。据此,各病害权重按现行标准相关方法进行计算路面破损率DR及路面损坏状况指数PCI,该评定方法即为修正权重法。

2 修正权重法的应用及效果评价

2.1 工程应用

以广东省东部及西部某2条高速公路为例,按现行标准法及修正权重法计算路面破损率DR及路面状况指数PCI,结果如表5、表6及图1所示。

(a) 东部某高速

表5 东部某高速2种权重计算方法PCI评定结果对比

表6 西部某高速2种权重计算方法PCI评定结果对比

表5、表6及图1计算结果表明:

1) 修正权重法计算的破损率不小于现行标准法的计算结果。

2) 在路段路面状况整体较好的情况下,虽然修正权重法与现行标准法计算的破损率结果有一定的差异,但对路面状况指数PCI的评定等级影响不大。

3) 部分路段修正权重法计算的路面破损率DR明显大于现行标准法计算结果,经复查路面病害记录,发现这些路段存在较大面积的龟裂、纵向裂缝、横向裂缝、松散等一类或多类病害。

2.2 效果评价

东部某高速上行方向第30路段,按现行标准法计算的破损率DR为0.43,路面状况指数PCI为89.4,路段评定为良级;但按修正权重法计算的DR为3.82,PCI为74.0,路段评定为中级,直接降低了一个等级。如果按现行标准,此段路面是不需要进行处治的,但实际上该路段有累计1.36 m2轻度龟裂,长107.3 m轻度纵向裂缝。同样,西部某高速上行方向第7路段有累计长20.7 m轻度、长15.9 m重度纵向裂缝,长53.1 m轻度、长32.0 m重度横向裂缝,按现行标准法路面状况指数评定为良级,但按修正权重法则评定为中级,直接降低了一个等级。经复查表明,这些裂缝是确实存在的,且需要立即处治。

案例表明,修正权重法计算的路面破损率不仅能反映路面损坏的实际情况,还能揭示按现行标准计算所隐藏的路面病害,即当所计算的DR值明显较大时,则此路段一定隐藏着龟裂、纵向或横向裂缝、松散、坑槽等将使路面加速损坏的病害。

路面损坏状况指数评定实践表明,修正权重法虽然一定程度会降低路面状况等级,但不会大幅度拉低整条高速的质量评定等级,且能较好地揭示路段中隐藏的较严重的病害,结果可直接用于高速公路日常管理工作或指导管养单位内控管理工作,对准确判定路面针对性处治措施具有良好的指导作用。

3 结论

1) 现行《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)在沥青路面损坏状况指数评定时,对11大类损坏类型均采用固定权重与实际状况不相符,需对现行方法进行修正,重点体现不同的损坏类型对路面损坏状况贡献程度的差异。

2) 采用客观赋权法分析不同损坏类型对路面损坏状况的影响程度,对路面状况损坏影响较大的病害类型赋予较大的权重,从而解决了现行标准中针对性不足问题。

3) 修正权重法计算的路面破损率不仅能反映路面损坏的实际情况,还能揭示按现行标准法计算所隐藏的路面病害,简便易用是对路面损坏状况指数评定方法客观合理、科学的改善。