嚴(yán) 偉，康 虔,2，肖葵香 ，黃細(xì)和，謝春玲，3

(1. 湖南中大設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410075)

公路建設(shè)場地分類研究

嚴(yán) 偉1，康 虔1,2，肖葵香1，黃細(xì)和1，謝春玲1，3

(1. 湖南中大設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410075)

針對干線公路設(shè)計時對公路建設(shè)場地類別評判的需要，將未確知度理論與層次分析法相結(jié)合，建立了山區(qū)公路建設(shè)場地評價模型。從地質(zhì)條件、地貌條件、環(huán)境條件3個方面綜合考慮，篩選出巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體軟化系數(shù)等9個起主要作用的影響因素建立未確知測度綜合評判模型。采用運(yùn)用成熟的AHP法對各判別指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計算，最后依據(jù)置信度識別準(zhǔn)則對公路建設(shè)場地類別進(jìn)行劃分。將該模型應(yīng)用到湖南S304公路改造項目中，得出該建設(shè)場地屬于建設(shè)條件困難場地，與事實相符合。結(jié)果證明該模型可用于公路建設(shè)場地分類，其分析結(jié)果可作為設(shè)計和施工的重要依據(jù)。

道路工程；山區(qū)公路；場地分類；未確知測度；建設(shè)場地

0 引 言

公路建設(shè)對地方經(jīng)濟(jì)有著重要的影響，公路建設(shè)的等級和規(guī)模取決于社會經(jīng)濟(jì)水平，而公路建設(shè)的發(fā)展也制約著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平。我國公路建設(shè)在最近幾十年內(nèi)快速發(fā)展，公路路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、公路修建的等級不斷提高，對公路工程設(shè)計與施工提出了更高的要求[1]。公路建設(shè)屬于帶狀工程，在山區(qū)修筑公路關(guān)注的重點不但包括巖土質(zhì)量，更應(yīng)該關(guān)注建設(shè)場地條件。公路建設(shè)場地條件決定了公路路基的穩(wěn)定分析、建造工藝以及支擋結(jié)構(gòu)的選用，這包括公路路基高填與深挖的邊坡，橋梁墩臺，隧道洞口的仰邊坡、淺埋與偏壓邊坡等復(fù)雜問題，對山區(qū)公路建設(shè)場地進(jìn)行分類研究是一個重要問題[2]。

公路建設(shè)場地分類的難點在于表征該場地的地理條件和地質(zhì)條件的影響因素極具模糊性和不確定性，我國大部分設(shè)計人員目前還僅僅局限于根據(jù)單一影響因素，采用專家經(jīng)驗法對公路建設(shè)場地進(jìn)行分類。然而，僅僅靠專家意見進(jìn)行取舍掩蓋了由多因素組成系統(tǒng)的復(fù)雜性，隨著高等級公路向工程地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)的延伸，采用以上方法進(jìn)行公路建設(shè)場地類別的確定不能充分反映出實際情況，已經(jīng)不能滿足公路建設(shè)的需要[3-5]。UM理論可以高效處理不兼容的模糊問題分類，為公路建設(shè)場地分類提供了一條有效途徑。

因此，筆者借鑒未確知測度理論[6]的思想將公路建設(shè)場地評價與其影響因素之間的關(guān)系看成一種未確知系統(tǒng)，并引入層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，將二者優(yōu)化組合，構(gòu)建了山區(qū)公路建設(shè)場地評價模型，較好地消除人為因素帶來的偏差，使評價結(jié)果相對更加準(zhǔn)確，彌補(bǔ)了以往研究的不足，從而為工程的設(shè)計與施工提供合理的決策依據(jù)。

1 公路建設(shè)場地分類模型

1.1 未確知測度理論

設(shè)評價對象集X={X1，X2，X3，…，Xn}，評價指標(biāo)集I={I1，I2，…，Im}。若xij表示第i個評價對象Xi關(guān)于第j個評價指標(biāo)Ij的測量值，則有m維向量xi=(xi1，xi2，…，xim)。設(shè)評價等級空間U={C1，C2，…，Cp}，第k個評價等級Ck為xij的等級值；設(shè)第k級比第k+1級危險性大，記為Ck>Ck+1；若C1>C2>…>Cp，或C1

若μijk=μ(xij∈Ck)為測量值xij屬于第k個評價等級Ck的程度，且μ滿足：

0≤μ(xij∈Ck)≤1(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；k=1，2，…，p)

(1)

μ(xij∈U)=1(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

(2)

(3)

1.2 構(gòu)造單指標(biāo)未確知測度矩陣

構(gòu)造單指標(biāo)測度函數(shù)μ(xij∈Ck)(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；k=1，2，…，p)，可求Xi的各個指標(biāo)測度值μijk，構(gòu)造單指標(biāo)測度評價矩陣A=(μijk)m×p如下：

(4)

1.3 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

在缺乏樣本數(shù)據(jù)及大量定性指標(biāo)時，AHP法或簡單的關(guān)聯(lián)函數(shù)方法較為適用。本研究擬采用應(yīng)用較為成熟的層次分析法對各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計算，詳細(xì)計算過程可參考文獻(xiàn)[7]。

1.4 預(yù)測矩陣的確定

(5)

1.5 置信度評價及預(yù)測結(jié)果

本次研究引入置信度評價準(zhǔn)則對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行計算，設(shè)λ為置信度(λ≥0.5，通常取λ=0.5或0.6)，若C1>C2>…>Cp，且令

(6)

則認(rèn)為評價對象的風(fēng)險等級為CP0。

2 模型驗證

2.1 構(gòu)建公路建設(shè)場地評價模型指標(biāo)體系

筆者通過查閱相關(guān)規(guī)范、借鑒前人已有的研究成果[3,8-10]并與有豐富現(xiàn)場經(jīng)驗的地質(zhì)、路基專家協(xié)商,從地質(zhì)條件、地貌條件、環(huán)境條件3個方面綜合考慮巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度(I1)、巖體完整性系數(shù)(I2)、巖體軟化系數(shù)(I3)、地表相對高差(I4)、地表坡度(I5)、場地地震烈度(I6)、日最大降水量(I7)、地下水狀況(I8)、地表水情況(I9)共9個指標(biāo)影響。通過賦值的方法將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榘攵恐笜?biāo)，使其能夠參與到模型的構(gòu)建中，以得到較為準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。依據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)化法將各指標(biāo)分為5級，評價等級集為{C1，C2，C3，C4，C5}即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級，分別表示建設(shè)條件極困難、建設(shè)條件困難、建設(shè)條件一般、建設(shè)條件良好、建設(shè)條件極好，每級都設(shè)置一個取值標(biāo)準(zhǔn)，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1與表2。其中，指標(biāo)I1，I2，I3根據(jù)規(guī)范[8]進(jìn)行分級并取值；I4，I5參考文獻(xiàn)[3]進(jìn)行分級并取值；I6，I7參考文獻(xiàn)[10]進(jìn)行分級并取值；其余指標(biāo)根據(jù)文獻(xiàn)[9]進(jìn)行分級并取值。

表1 定量指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification criterion of quantitative index

(續(xù)表1)

決策者在實際操作中首先需要采用折線法構(gòu)造單指標(biāo)未確知測度函數(shù)，再根據(jù)該指標(biāo)的實測值，在圖上查得其未確知測度值，計算過程可見圖1。公路建設(shè)場地評價定量指標(biāo)的單指標(biāo)測度函數(shù)分別如圖2。

其中：βi+1取值為該等級內(nèi)的平均值。根據(jù)該指標(biāo)實測值x0與測度函數(shù)直線的交點到y(tǒng)軸投影的距離即可得出該實測值對應(yīng)的未確知測度值。

圖2 各指標(biāo)測度函數(shù)Fig.2 Uncertainty measurement function of all indexes表2 定性指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification criterion of qualitative indexes

影響程度分級賦值地下水情況I8地表水系情況I9Ⅰ級(C1)1地下水非常豐富,有大量涌水地表水系非常豐富,存在江河Ⅱ級(C2)2地下水豐富,有少量涌水地表水系豐富,河溝密布

(續(xù)表2)

影響程度分級賦值地下水情況I8地表水系情況I9Ⅲ級(C3)3地下水發(fā)育地表水系發(fā)育Ⅳ級(C4)4地下水較發(fā)育地表水系較發(fā)育Ⅴ級(C5)5地下水不發(fā)育地表水系不發(fā)育

2.2 實例驗證

2.2.1 確定單指標(biāo)測度矩陣

湖南省十二五規(guī)劃項目“太平至柳家埡公路”擬按二級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬度8.50 m，路面寬度7.00 m，設(shè)計速度40 km/h。該項目地處石門縣西北部，屬中低山地貌，沿線主要為山地，山體陡峻，地形切割較深，區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造簡單。地面高程一般在180～680 m，相對高差大于400 m，地表平均坡度為42°，建設(shè)場地各項指標(biāo)統(tǒng)計值可見表3。將各項指標(biāo)統(tǒng)計值代入到圖2對應(yīng)的單指標(biāo)未確知測度函數(shù)中，得到相應(yīng)的單指標(biāo)測度評價矩陣，見式(7)。

表3 各單指標(biāo)統(tǒng)計值Table 3 Measured data of all indexes

(7)

2.2.2 指標(biāo)權(quán)重計算

[7]，根據(jù)層次分析法基本定義，構(gòu)造各指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣D，見式(8)。

(8)

可得各指標(biāo)權(quán)重W為：

W={0.042 5，0.312 6，0.033 1，0.033 1，0.146 5，0.214 7，0.060 5，0.096 5，0.060 5}

(9)

2.2.3 建設(shè)場地分類結(jié)果

由式(5)得預(yù)測矩陣B如下：

B=(μik)1×5=[0.223 5，0.016 6，0.185 9，0.540 9，0.033 1]

選取置信度λ=0.5，由式(9)可得太平至柳家埡公路工程屬于Ⅳ類建設(shè)場地，即建設(shè)條件困難的場地。從測度函數(shù)的評價矩陣可知，影響公路建設(shè)場地類別的主要指標(biāo)是巖體完整性系數(shù)、場地地震烈度、山坡坡度及地下水情況，這就是對公路設(shè)計及施工難度影響最大的幾個因素，關(guān)系到路基建造工藝以及支擋結(jié)構(gòu)，是影響公路造價的主要因素。

為了驗證本方法的合理性，采用文獻(xiàn)[3]中所提及的二次模糊分類法對石門縣太平至柳家埡公路建設(shè)場地進(jìn)行評價，所得結(jié)果也是Ⅳ類建設(shè)場地。但是筆者所用方法操作更為簡便，易于設(shè)計人員在現(xiàn)場進(jìn)行場地類別判定，具有更好的適用性。

3 結(jié) 語

基于未確知測度理論，建立山區(qū)公路建設(shè)場地評價模型。綜合考慮地貌、地質(zhì)、環(huán)境等影響因素的相互作用，將山區(qū)公路建設(shè)場地分為建設(shè)條件極好、建設(shè)條件良好、建設(shè)條件一般、建設(shè)條件困難、建設(shè)條件極困難5個等級進(jìn)行分析評價。

對影響公路建設(shè)施工難易和路基穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，選取山區(qū)公路建設(shè)場地的巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度、巖體完整性系數(shù)、巖體軟化系數(shù)、山地相對高差、山地坡度陡緩、場地地震烈度、日最大降水量、地下水情況、地表水系情況九項指標(biāo)作為該評判模型的判別指標(biāo)。

將該模型對石門縣太平至柳家埡公路建設(shè)場地進(jìn)行評價。模型分析結(jié)果表明，太平至柳家埡公路屬于第Ⅳ類場地，較好地符合了項目工可研究的實際情況。證明該評價模型具有工程可靠性，能作為公路設(shè)計人員進(jìn)行建設(shè)場地類別判定的一種方法，具有推廣價值。

該模型在地質(zhì)因素方面只考慮了對工程建設(shè)影響較大的巖體性質(zhì)，工程土體性質(zhì)如彈性參數(shù)、液塑限指標(biāo)；環(huán)境因素只選取了地表水系、地下水情況及日最大降水量，而氣候、天氣等影響因素尚未在系統(tǒng)中反映，有待進(jìn)一步研究將其完善。

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Research of Classification System of Mountain Highway Site

YAN Wei1，KANG Qian1,2，XIAO Kuixiang1，HUANG Xihe1，XIE Chunling1,3

(1. Hunan Zhongda Design Institute Co.,Ltd .,Changsha 410075, Hunan, P.R.China;2 School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, P.R.China；3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, Hunan, P.R. China)

To meet the demand for highway construction site classification and evaluation in trunk road design, the “mountain highway site evaluation model” was established by combining the unascertained degree theory with AHP. The three aspects of geological conditions, geomorphic conditions, environmental conditions were overall considered, and the nine dominating factors including the saturated uniaxial compressive strength of rock mass, characteristics of rock mass structures, rock softening coefficient etc had been selected to work as unascertained measure model discrimination index. AHP was used to check the index weight respectively and finally highway construction site types were classified by reliability recognition criterion. This proposed model was used in S304 highway retrofit project in Hunan province and generated the result that this jobsite fell into category of difficult construction constraints,which well coincides with the reality. Thus it is proved that this model can be applied to highway construction site type classification and the analysis results can provide significant basis for highway design and construction.

highway engineering;highway; classification of site; uncertainty measurement; site

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.12

2015-04-13；

2015-06-02

國家自然科學(xué)基金項目(51378512)

嚴(yán) 偉(1983—)，男，湖南華容人，工程師，碩士，主要從事道路勘查與設(shè)計方面的工作。E-mail：63615815@qq.com。

U412;X951

A

1674-0696(2016)04-056-04