徐敬業(yè)，徐林榮,b，張亮亮

(中南大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，長沙 410075)

高速公路廣泛采用高路堤(>2.5 m)設(shè)計方案，但采用高路堤會增大土石方工程量，而且在軟土地基廣泛分布的東南沿海地區(qū)，高路堤方案會出現(xiàn)路基不均勻沉降引起的縱橫向開裂、整體或局部下沉、路基滑坡或邊坡坍塌等問題[1]，因此，提出了高速公路低路堤的設(shè)計理念與方案。低路堤設(shè)計在高速公路建設(shè)中逐步得到推廣應(yīng)用，如山東省濟青高速、河南省商開高速部分路段，均采用低路堤設(shè)計方案，取得了較好的社會經(jīng)濟效益。高速公路采用低路堤設(shè)計具有減少占地、降低工程量、行車安全舒適、工后沉降小、施工質(zhì)量易于控制、較為經(jīng)濟等優(yōu)點[2]。然而，隨著路堤高度的降低，低路堤設(shè)計也面臨許多問題。例如：嘉興高速公路自建成通車以來，低路堤區(qū)段出現(xiàn)多處路堤不均勻沉降、工后沉降偏大、路面裂縫、路面下陷、橋頭跳車、下穿構(gòu)造物出現(xiàn)斷裂破壞等問題，造成公路的工后維護費用和工作量增大，對公路運營帶來較大影響。

雖然程平等[3]已提出公路低路堤設(shè)計指南，但對于低路堤路基施工質(zhì)量和竣工質(zhì)量驗收、運營期間路基使用功能的評定，仍基本沿用高路堤相關(guān)規(guī)范標準。因此，判定低路堤工程質(zhì)量是否合格，技術(shù)狀況對應(yīng)何種養(yǎng)護方案與實際情形存在偏差。Xu等[4]提出了高速公路軟土路基健康狀況評價系統(tǒng)，但迄今為止專門針對低路堤路基服役狀態(tài)風險評估的研究較為少見。筆者引入地質(zhì)災(zāi)害評估理念，提出了針對建設(shè)期結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性、運營期危險性及養(yǎng)護維修修正三方面的低路堤路基狀態(tài)評估理念，協(xié)助公路養(yǎng)護部門指導(dǎo)“防災(zāi)減災(zāi)”工作，同時，對高速公路低路堤的設(shè)計施工與養(yǎng)護維修提供建議。

1 低路堤路基狀態(tài)評估

1.1 存在的問題

1.1.1 質(zhì)量評定與低路堤運營狀態(tài)無對等關(guān)系 盡管路基設(shè)計規(guī)范針對路基的壓實檢測指標、路基排水系統(tǒng)等做出了嚴格要求，但低路堤公路在運營期依舊會出現(xiàn)路基強度破壞，產(chǎn)生超過容許值的沉降變形或不均勻沉降，以及排水系統(tǒng)失效等一系列問題。由此可見，僅依據(jù)竣工質(zhì)量不足以判定運營期是否能滿足使用要求，即結(jié)構(gòu)質(zhì)量評價結(jié)果優(yōu)良也難以保證運營期達到要求；反之，運營期出現(xiàn)的各類問題，也并不能說明竣工質(zhì)量評定不合格。

1.1.2 對低路堤受交通動荷載和干濕循環(huán)的影響考慮不足 目前的研究主要針對壓實度、CBR等監(jiān)測手段和測試方法的修正、改良，以期得到更為精確、可靠的數(shù)據(jù)。然而，無論對現(xiàn)有參數(shù)測量方法(靜力測試和強度及變形)的修正改良，還是確定更加嚴格的質(zhì)量驗收標準，都基本局限在路基本身范圍內(nèi)，缺乏對低路堤自身特點與此類問題間關(guān)系的分析。

低路堤設(shè)計因受填土高度的影響，導(dǎo)致路基和地基受交通動荷載的影響更加顯著，在其長時間作用下，容易產(chǎn)生工后沉降過大或不均勻沉降等問題。此外，當?shù)吐返搪坊?特別是低路堤軟土路基)處在水文地質(zhì)條件復(fù)雜，且承受交通循環(huán)荷載和干濕循環(huán)的影響時，容易產(chǎn)生過大的沉降，相關(guān)設(shè)計或技術(shù)狀況評定的適用性和可操作性很差。

低路堤為應(yīng)對干濕循環(huán)的影響而對路基填料有更高的要求，且路基工作區(qū)深度會延伸到地基層，因此，對于地基處理的要求，高速公路低路堤設(shè)計與高路堤設(shè)計有顯著區(qū)別，需要建立專門針對低路堤(尤其是經(jīng)過軟土地基的低路堤)路基服役狀態(tài)評價體系。

1.2 低路堤路基狀態(tài)評估新理念

通過對低路堤反復(fù)出現(xiàn)不均勻沉降及橋頭跳車等問題的分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)問題是由于建設(shè)竣工時結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題導(dǎo)致。鑒于此，有必要專門針對低路堤公路正式通車的初始階段就對工程的結(jié)構(gòu)質(zhì)量進行評估，并依照評估結(jié)果對不足之處及時做出相應(yīng)修改，有效減少運營期反復(fù)維修的次數(shù)及反復(fù)出現(xiàn)病害的情況。

通過對低路堤干濕循環(huán)、交通荷載等外界環(huán)境的作用進行分析，可以對一段時間段內(nèi)運營狀態(tài)情況進行預(yù)測。另外，在高速公路運營較長時間后，對路基、路面病害采取了相應(yīng)的養(yǎng)護措施，后期運營狀態(tài)的發(fā)展趨勢也需要進行評估。

鑒于路基狀態(tài)主要受路基自身工程質(zhì)量和外界環(huán)境影響兩項內(nèi)容控制，筆者將路基工程和外界環(huán)境分別視作“承災(zāi)體”和“致災(zāi)體”，將通車運營這一節(jié)點視作“災(zāi)前與災(zāi)后階段的劃分”。目前，地質(zhì)災(zāi)害評價主要借助風險分析，關(guān)系為“風險性=易損性×危險性”。將建設(shè)期路基結(jié)構(gòu)質(zhì)量評估就等效于衡量承災(zāi)體災(zāi)前結(jié)構(gòu)抗力的“工程易損性”[5]；而交通動荷載、干濕循環(huán)造成的外界環(huán)境影響則等效于可能造成路基結(jié)構(gòu)損壞的“災(zāi)害危險性”，二者結(jié)合可用于預(yù)測評估“災(zāi)害期望損失”情況。另外，考慮運營期對路基結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護維修作用，對評估結(jié)果進行修正，借鑒陳薈竹等[6]生態(tài)風險評價體系，得到低路基服役狀態(tài)風險評估關(guān)系為“綜合風險度=易損性×危險性×養(yǎng)護維修修正系數(shù)”，可以對低路堤服役狀態(tài)進行更加準確的評估。

2 低路堤路基風險狀態(tài)評價體系

2.1 建設(shè)期易損性評估指標選取

通過對高速公路路基穩(wěn)定性影響因素進行分析，并參考公路路基設(shè)計相關(guān)規(guī)范，建立以路基層、地基層兩方面因素為評價指標體系。由于低路堤受交通荷載和干濕循環(huán)的影響更加顯著，對路基本身的強度和變形要求更高，因此，地基處理的方法選擇更加嚴格。為使評價結(jié)果更加準確，細化了質(zhì)量控制指標中路基填料和地基處理的內(nèi)容，建立的低路堤結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性指標等級劃分如表1所示。

2.2 運營期危險性評估指標選取

運營期低路堤高速公路主要受交通荷載和干濕循環(huán)外部因素的影響。因此，建立了以交通荷載和干濕循環(huán)兩方面因素的評價指標體系，分別對兩因素進行細化處理。研究發(fā)現(xiàn)，超載對路面結(jié)構(gòu)損傷極大，會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)在未達到使用年限時就出現(xiàn)裂縫、車轍、擁包、坑槽、沉陷等問題，大大影響道路服務(wù)功能[7]。研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)會降低路基填土的強度，首次干濕循環(huán)幅度衰減較大，但經(jīng)歷3～5次干濕循環(huán)后，強度降低趨于穩(wěn)定[8-10]，且干濕循環(huán)作用下，CBR值與循環(huán)次數(shù)呈負相關(guān)[11-13]，因此，選擇干濕循環(huán)次數(shù)作為干濕循環(huán)危險性評價的重要指標。所建立的低路堤運營期路基危險性預(yù)測評估指標取值范圍如表2所示。

表2 危險性指標取值范圍Table 2 Range of risk indicators

2.3 養(yǎng)護維修指標選取

公路管理部門會針對運營環(huán)境的特點、變化以及相應(yīng)路基技術(shù)狀態(tài)，對路基進行定期養(yǎng)護維修。養(yǎng)護維修會對低路堤服役狀態(tài)評估產(chǎn)生積極影響，因此,在綜合風險度評估時需要對結(jié)果進行修正處理。將養(yǎng)護維修的影響細化為維護頻率、養(yǎng)護經(jīng)費比重和保養(yǎng)頻率因素。為有效結(jié)合路基結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性和運營期危險性評定，仍舊沿用五級取值等級，如表3所示。

表3 養(yǎng)護維修修正值指標取值范圍Table 3 Value range of maintenance repair correction value indicators

2.4 低路堤綜合風險度

低路基服役狀態(tài)風險評估包含了路基建設(shè)期、運營期及養(yǎng)護維修3方面影響因素，得到地路基綜合風險度的綜合評價體系，如圖1所示。

圖1 綜合風險度評價體系Fig.1 Comprehensive risk assessment system

3 評價模型及方法

由于低路堤高速公路運營時間普遍較短，所暴露的問題隨機性較大，成因機理、影響因素等與高路堤相比尚不明確，故能否套用高路堤的數(shù)值模擬計算、現(xiàn)場試驗分析等方法，獲取低路堤各項參數(shù)取值存在較大不確定性。鑒于此，借助評估手段從路基狀態(tài)好壞等偏向定性分析的層面入手，獲取低路堤路基狀態(tài)的影響因素及其作用規(guī)律，逐步探索可用于定量計算的低路堤參數(shù)是更切合實際的做法。

3.1 評價方法

模糊綜合評價法的隸屬度理論把定性評估轉(zhuǎn)化為定量評價，能較好地解決模糊、難以量化的問題。物元分析方法，是以促進事物轉(zhuǎn)化、解決不相容問題為核心，是研究解決矛盾問題的規(guī)律和方法。易損性、危險性和養(yǎng)護維修指標結(jié)合模糊綜合評價法和物元分析法進行評價?；?項主要指標細化分量分析，對于采用模糊綜合評價方法的隸屬度函數(shù)借鑒徐林榮等[14]泥石流易損性評價方法，從而形成模糊矩陣。對于采用物元分析法的關(guān)聯(lián)度采用熵權(quán)法并進行歸一化處理得到關(guān)聯(lián)度函數(shù)。由于低路堤高速公路相關(guān)研究較少，可獲取的客觀數(shù)據(jù)很少，因此，使用主觀賦權(quán)AHP法確定權(quán)重，使用AHP法需結(jié)合專家經(jīng)驗確定權(quán)重。

3.1.1 評定等級分級 各種評價結(jié)果的集合為

V=(v1,v2,v3,v4,v5)

(1)

式中：各元素vi(i=1、2、3、4、5)為各種可能的評價結(jié)果，本文的評價結(jié)果為

V=(極低，低，中，高，極高)

(2)

3.1.2 模糊綜合評價 由各級具體細化的指標根據(jù)徐林榮等[14]的泥石流易損性評價建立隸屬度模糊矩陣，以地基指標為例，隸屬度矩陣為

(3)

各評價指標的權(quán)重向量為

(4)

模糊評價模型為

(5)

通過歸一化處理，得到易損性、危險性和養(yǎng)護維修修正的等級。

3.1.3 物元分析法 由各級細化的指標確定關(guān)聯(lián)函數(shù)，如式(6)所示。待評事物P關(guān)于各等級j的關(guān)聯(lián)度Kj(P)為

(6)

式中：|X0ji|=b0ji-a0jiρ(xi,x0ji)=|xi-(aji+bji)/2|-(bji-aji)/2ρ(xi,x0pi)=|xi-(api+bpi)/2|-(bpi-api)/2

由于用關(guān)聯(lián)度函數(shù)求出的值有正有負，為使結(jié)果與下路基評價模型相統(tǒng)一，需用熵權(quán)法對每列進行規(guī)格化處理，并對每行進行歸一化處理。

熵權(quán)法公式為

(7)

經(jīng)過熵權(quán)法處理后，關(guān)聯(lián)度矩陣元素值取值范圍為[0,1]。

以交通荷載指標為例，關(guān)聯(lián)度矩陣為

(8)

各評價指標權(quán)重為

(9)

物元分析法評價模型為

(10)

3.2 路基風險評價模型

為與路基結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損度、危險度與風險度分級接軌，使用級別偏向變量處理等級隸屬度向量?；诓祭赂６?，以0.2為公差將易損度、危險度及養(yǎng)護維修修正值在[0，1]范圍內(nèi)分為5個數(shù)值等級，依次為極低、低度、中度、高度和極高。傳統(tǒng)的布拉德定律中的區(qū)域分析方法，即將一定范圍內(nèi)的數(shù)值作等分劃分成若干區(qū)域的方法，仍是目前處理數(shù)值分級的簡單而又常用的方法。

級別偏向變量特征值采用式(11)獲得。

(11)

式中：a=(0.2,0.4,0.6,0.8,1)，分別對應(yīng)5個工程易損性等級；K為采用模糊綜合評價算得的隸屬度列向量或物元分析法算得的關(guān)聯(lián)度列向量。

對結(jié)果進行偏于安全考慮，級別偏向變量特征值取兩種方法的較大者，即

(12)

最后低路堤路基服役狀態(tài)綜合風險度=危險性×易損性×養(yǎng)護維修修正值。

4 工程實例應(yīng)用

4.1 工程概況

浙北某高速公路低路堤路段地處浙江省北部嘉興市，位于杭嘉湖平原區(qū)(浙江省最大平原)，地勢平坦。平原區(qū)東部地面標高2～4 m(黃海高程，下同)，南部4～6 m，北部為太湖瀉湖的一部分，是沖湖積平原，地勢低洼，最低點位于北部太湖東側(cè)，僅1.0 m左右。以圩區(qū)為代表的微地貌，圩區(qū)高程多在1.2～1.7 m。路段軟土主要為兩層，表層0.8～2.0 m為亞黏土(俗稱素填土)，該土層在路基施工時一般會被清除，下層為深厚的、含有機質(zhì)的低液限淤泥質(zhì)亞粘土，及灰色、深灰色、青灰色、飽和、流塑、多呈層狀和夾薄層亞砂土，含腐殖質(zhì)及少量貝殼碎片，層厚3.6～17.3 m。地基土容許承載力60～65 kPa，地基土壓縮模量為8～10 MPa。地基壓縮層具有高含水量、高壓縮性、物理力學(xué)性質(zhì)差等特點，因此，易變形和失穩(wěn)是較為典型的軟土特征，需嚴格進行軟基處理。

交通量情況：交通量68 188輛/晝夜(按2017年平均小車交通量計算)；路面設(shè)計荷載為標準軸載100 kN；橋涵設(shè)計荷載中計算荷載為汽車-超20級，驗算荷載為掛車-120；標準軸載累計作用次數(shù)為25.28×106次/車道。

所選路段均為填方路段、水網(wǎng)地帶，采用儲量豐富的宕渣作為路基填筑材料。對宕渣所進行顆分試驗、擊實試驗、抗壓回彈模量試驗、CBR試驗等，試驗成果如表4所示。

表4 填料物理力學(xué)性質(zhì)Table 4 Physical and mechanical properties of the filler

4.2 建設(shè)期路基結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性評價

對所評低路堤路段，經(jīng)調(diào)查所得結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性指標結(jié)果如表5所示。

表5 建設(shè)結(jié)構(gòu)易損性指標實際取值Table 5 Actual value of construction structure vulnerability index

使用AHP法得到地基指標的權(quán)重(0.167,0.167,0.5,0.166)，路基指標權(quán)重為(0.235,0.082,0.234,0.449)，一致性比率CR=0.001 5<0.1，符合一致性檢驗。

使用模糊綜合評價得到建設(shè)期路基結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性向量為(0.168,0.236,0.122，0.437,0.028)，經(jīng)過級別偏向變量處理后特征值為0.578 8，說明此低路堤路基結(jié)構(gòu)易損性為中度。

使用物元分析法得到建設(shè)期路基結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性向量為(0.209,0.130,0.245,0.206,0.210)，經(jīng)過級別偏向變量處理后特征值為0.615 6，說明此低路堤路基結(jié)構(gòu)易損性為高度。

4.3 運營期路基危險性評價

嘉興市域降水的年際變化一般在1 100～1 260 mm之間，全年降水量的50%～70%集中在6月至7月上、中旬的梅汛期，經(jīng)過7月下旬至8月相對高溫干旱期后進入臺汛期，此后至次年2月份進入枯水期，各月份降雨量如圖2所示。當?shù)啬昶骄舭l(fā)量為910 mm，主要集中在7、8月份[15]。根據(jù)上述氣候特點，當?shù)匦藿ǖ牡吐返谈咚俟访磕晷杞?jīng)歷3次干濕循環(huán)。運營期危險性各指標取值如表6所示。

圖2 嘉興市多年平均月、年降水量Fig.2 Average monthly and annual precipitation of Jiaxing

表6 運營期路基危險性指標實際取值Table 6 Actual value of subgrade risk indicators during operation period

由于干濕循環(huán)在全年不同月份對填料的影響不一樣，取最嚴重的月份即6月至8月時的計算結(jié)果作為評價結(jié)果。

使用AHP法得到交通荷載指標的權(quán)重(0.25,0.25,0.5)，干濕循環(huán)指標權(quán)重為(0.5,0.25,0.25)，一致性比率CR=0<0.1符合一致性檢驗。

使用模糊綜合評價得到運營期路基危險性向量為(0,0.089，0.676,0.236,0)，經(jīng)過級別偏向變量處理后特征值為0.630 0，說明此低路堤路基危險性為高度。

使用物元分析法得到運營期路基危險性向量為(0.151,0.159,0.138,0.150,0.402)，經(jīng)過級別偏向變量處理后特征值為0.698 6，說明此低路堤路基危險性為高度。

4.4 養(yǎng)護維修修正值評價

養(yǎng)護維修修正值評價指標結(jié)果如表7所示。

表7 養(yǎng)護維修修正值指標實際取值Table 7 Actual value of maintenance repair correction value indicator

用AHP法得到養(yǎng)護維修修正值指標的權(quán)重為(1/3, 1/3, 1/3)，一致性比率CR=0<0.1，符合一致性檢驗。

使用模糊綜合評價得到養(yǎng)護維修修正值向量為(0, 0.495，0.340, 0.165, 0)，經(jīng)過級別偏向變量處理后特征值為0.536 4，說明此養(yǎng)護維修修正值為中度修正。

使用物元分析法得到養(yǎng)護維修修正值向量為(0.161,0.150,0.231,0.237,0.211)，經(jīng)過級別偏向變量處理后特征值為0.631 4，說明此養(yǎng)護維修修正值為高度修正。

4.5 路基風險狀態(tài)評價

綜合風險度=危險度×易損度×養(yǎng)護維修修正值=0.271 6，說明高速公路低路堤服役狀態(tài)風險評價結(jié)果為低度，表示所建設(shè)的低路堤在運營期考慮了超載的循環(huán)交通荷載和干濕循環(huán)對路基強度折減等外界環(huán)境影響，以及在后期養(yǎng)護維修條件下預(yù)估其服役狀態(tài)風險為低度，不會發(fā)生路基大范圍沉陷等大的工程問題。評估結(jié)果基本與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致，驗證了低路堤路基風險評估模型的目的可行性。

5 結(jié)論

1)為了使評價結(jié)果更加準確，借鑒地質(zhì)災(zāi)害風險評估理念，提出低路堤路基風險狀態(tài)評估的理念，分別針對建設(shè)期結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性、運營期危險性和養(yǎng)護維修修正3方面進行分析評價。

2)選取路基和地基兩方面的8項指標，構(gòu)建了建設(shè)期結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性指標體系。鑒于交通荷載、干濕循環(huán)等外界環(huán)境對低路堤的影響，以及運營養(yǎng)護對環(huán)境影響的修正，針對循環(huán)次數(shù)、填土類型、交通量、超載比例等因素進行分析，建立了運營期路基危險性指標體系和養(yǎng)護維修修正指標體系。

3)高速公路低路堤服役狀態(tài)風險評估為低度，但仍需注意對超載情況進行交通控制，加強路基日常的養(yǎng)護。