摘要：為科學(xué)準(zhǔn)確地分析高速公路瀝青路面使用性能的影響因素，保證高速公路的高效營運(yùn)和科學(xué)養(yǎng)護(hù)。本文依托實(shí)際工況，詳細(xì)分析了實(shí)際交通量、路面結(jié)構(gòu)與材料、路面養(yǎng)護(hù)歷史、溫濕度狀況及線形指標(biāo)等因素對(duì)高等級(jí)公路路面性能的影響，然后基于層次分析法（AHP），將路面使用性能影響因素作為目標(biāo)層建立層次結(jié)構(gòu)，進(jìn)行各影響因素的敏感性分析，最終得到高等級(jí)公路路面性能的影響因素敏感性排序，對(duì)高速公路科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：道路工程；科學(xué)養(yǎng)護(hù)；層次分析；路面性能；敏感程度排序

中圖分類號(hào)：U414"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673-6478（2023）02-0147-09

Evaluation of Influencing Factors of High?grade Highway Pavement Performance Based on Analytic Hierarchy Process

DING Longting YUAN Fan SHEN Quanjun YANG Jia WANG Xuancang ZHANG Mengyuan

（1. Innovation Research Institute of Shandong Hi?speed Group Co.， Ltd.， Jinan Shandong 250001， China;2. China West China Engineering Design and Construction Co.， Ltd.， Chengdu Sichuan 610000， China;3. Chongqing Huyu Expressway Co.， Ltd.， Chongqing 400000， China; 4.? School of Highway， Chang 'an University， Xi 'an Shaanxi 710064， China）

Abstract： In order to analyze the factors affecting the performance of highway asphalt pavement scientifically and accurately and ensure the efficient operation and scientific maintenance of the highway， this paper analyzes the effects of actual traffic volume， pavement structure and materials， pavement maintenance history， temperature and humidity conditions， and alignment indicators on the pavement performance of high?grade highways in detail， based on actual working conditions. The performance influencing factors are used as the target layer to establish a hierarchical structure， sensitivity analysis of each influencing factor is conducted， and finally the sensitivity ranking of the influencing factors of high?grade highway pavement performance is obtained， which has important guiding significance for scientific highway maintenance decision?making.

Key words： road engineering; scientific conservation; analytic hierarchy process; pavement performance; sensitivity ranking

0 引言

近年來我國交通業(yè)快速發(fā)展，高速公路修建的里程數(shù)逐年增加，但隨著交通量增加及超載現(xiàn)象嚴(yán)重等原因，高速公路路面使用性能衰減較快。為有效預(yù)防路面使用性能下降，需要對(duì)影響路面性能的因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行養(yǎng)護(hù)，從而延長路面使用壽命[1?2]。高等級(jí)公路瀝青路面使用性能是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、施工水平、交通荷載、環(huán)境因素和養(yǎng)護(hù)狀況等多因素綜合作用的結(jié)果?[3?5]。因此，科學(xué)、準(zhǔn)確地分析高等級(jí)公路路面使用性能的影響因素對(duì)其高效運(yùn)營和科學(xué)養(yǎng)護(hù)具有重要意?義。

常用路面使用性能評(píng)價(jià)方法是通過實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合專家評(píng)價(jià)建立線性或非線性回歸模型。近年來，不同學(xué)者采取不同方法對(duì)路面使用性能的影響因素進(jìn)行研究。湖南大學(xué)王昌衡?[6]利用模糊集對(duì)路面使用性能進(jìn)行分析，將影響路面性能的交通、環(huán)境、排水等因素利用模糊隸屬關(guān)系計(jì)算各因素的聯(lián)系度，利用置信度準(zhǔn)則對(duì)路面性能進(jìn)行前瞻性判定；玉俊峰等?[7]通過物元法進(jìn)行路面使用性能評(píng)價(jià)，并通過實(shí)例驗(yàn)證了物元法在瀝青路面使用性能綜合評(píng)價(jià)中應(yīng)用的適用性；唐鵬等[8]運(yùn)用聯(lián)系函數(shù)理論，通過連續(xù)2次集對(duì)同、異、反分析，構(gòu)建瀝青路面使用性能系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)模型，與規(guī)范評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)該模型可以較好地反映路面的使用狀況；李巧茹等[9]通過主成分分析與支持向量機(jī)結(jié)合的方法構(gòu)建了PCA?SVM模型用來評(píng)價(jià)高速公路的路面使用性能，并用羅寧高速對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果證明了模型的準(zhǔn)確性，此模型解決了傳統(tǒng)路面使用性能評(píng)價(jià)方法的主觀性強(qiáng)及已有模型的缺陷；趙靜等[10]通過灰色關(guān)聯(lián)度分析對(duì)影響路面使用性能的多因素進(jìn)行降維，選擇關(guān)聯(lián)度大的因素進(jìn)行支持向量機(jī)回歸非線性預(yù)測，提出GRA?SVR模型評(píng)價(jià)瀝青路面使用性能，并用廣云高速實(shí)測車轍指數(shù)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

傳統(tǒng)模型預(yù)測方法具有層次清晰、計(jì)算簡化的優(yōu)點(diǎn)，但受主觀性的影響較大，難以對(duì)路面性能影響因素進(jìn)行準(zhǔn)確排序。本文依托實(shí)際工程，通過分析實(shí)際交通量、路面結(jié)構(gòu)與材料、路面養(yǎng)護(hù)歷史、溫濕度狀況及線形指標(biāo)等因素對(duì)高等級(jí)公路路面性能的影響，基于層次分析法（Analytic hierarchy process， AHP），將路面使用性能作為目標(biāo)層建立層次結(jié)構(gòu)，分析各影響因素的敏感程度，并得到敏感程度排序，進(jìn)而指導(dǎo)采取匹配的養(yǎng)護(hù)措施，利于高等級(jí)公路的科學(xué)養(yǎng)護(hù)。

1 層次分析法（AHP）基本原理

AHP是一種將半定量、半定性的問題轉(zhuǎn)化為完全定量的分析方法。將問題轉(zhuǎn)化為層次化的結(jié)構(gòu)，通過各層的有序遞進(jìn)，將同一層的兩個(gè)元素之間的重要程度關(guān)系采用一定的數(shù)值表示，利用專家的經(jīng)驗(yàn)對(duì)各指標(biāo)比較打分，將所有元素中的重要程度定量化，結(jié)果用權(quán)重表示?[11?12]。具體分析步驟如下：

（１）依據(jù)所需建立的決策體系，建立遞進(jìn)的層次結(jié)構(gòu)。

（２）根據(jù)層次分析法的打分標(biāo)準(zhǔn)，采用專家打分法構(gòu)建比較矩陣。

2 基于實(shí)際工況的路面性能影響因素分析

影響瀝青路面使用性能的因素分為內(nèi)在因素和外在因素，內(nèi)在因素主要包括路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及路面材料性能，外在因素主要包括交通荷載和環(huán)境因素，本部分以國內(nèi)YQ高速公路為例，詳細(xì)分析實(shí)際交通量、路面結(jié)構(gòu)與材料、路面養(yǎng)護(hù)歷史、溫濕度狀況及線形指標(biāo)對(duì)路面使用性能的影響。

2.1 實(shí)際交通量

（１）交通量

YQ高速是國家高速公路網(wǎng)蘭海高速G75的組成部分，于2004年12月建成通車。根據(jù)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)斷面交通量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合新冠疫情對(duì)交通量的影響，選取其2016年—2019年交通量情況進(jìn)行分析，如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可知，YQ高速各路段交通量在2017年達(dá)到最大，最大增長率為e—f段，達(dá)到19.02%，a—b段交通量增長率最小，為3.7%，主要是由于該年份貴州省為促進(jìn)當(dāng)?shù)芈糜?，推行了多?xiàng)優(yōu)惠措施，使得該年交通量達(dá)到最大。2017年YQ高速各路段交通量平均增長率為10.45%，2018年為 %，2019年為3.5%。

由表3可知a—b段交通量最大，故以此路段進(jìn)一步分析，將a—b段作為高速典型路段進(jìn)一步分析，結(jié)果見表4。

由表4可以得出，YQ高速（a—b段）月均日交通量最大值出現(xiàn)月份與車型有關(guān)，總體來看YQ高速（a—b段）客車日交通量在1月、2月、8月更大，而貨車月均日交通量一般在9月、11月和3月更大。表5為YQ高速（a—b段）2016年—2019年高溫月份月均日交通量統(tǒng)計(jì)情況。

由表5數(shù)據(jù)可以得知，YQ高速（a—b段）高溫月份（7月、8月）月均日交通量處于較高的水平，尤其是超大型貨車比例依然較大，這對(duì)高速公路路面抗車轍損壞有著較高的要求，對(duì)路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策也有較大的影響。

（２）交通量荷載等級(jí)分析

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）規(guī)定，路面結(jié)構(gòu)所承受的交通荷載應(yīng)按照表6進(jìn)行分級(jí)。

設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)交通量按式（6）計(jì)算：

以2019年交通量數(shù)據(jù)為初始設(shè)計(jì)年份，按15年為設(shè)計(jì)使用年限，以6%交通增長率，計(jì)算各路段累計(jì)大型客車和貨車交通量，確定特重交通等級(jí)。表7為YQ高速設(shè)計(jì)期內(nèi)累計(jì)當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載次數(shù)計(jì)算參數(shù)表。

（３）實(shí)際交通量對(duì)路面性能的影響

路面的使用性能與交通量大小、交通組成有重要的關(guān)系，在不同交通量、不同交通組成作用下的路面，其破損形式也不同。例如，車輛荷載是路面車轍形成的關(guān)鍵因素，YQ高速交通量較大，尤其是大型客車及中型以上貨車數(shù)量較多，在路面高溫的耦合作用下，導(dǎo)致了路面車轍的形成與發(fā)展。為方便計(jì)算，假設(shè)車輛為勻速行駛，得到的車轍隨軸重的變化如圖1所示。

由圖1可知，路面車轍隨軸重的增加而增大，其增加規(guī)律近似線性，且軸重增加到200kN時(shí)，車轍較100kN時(shí)增大25%左右。根據(jù)實(shí)際情況，超載車輛車速較低，因此對(duì)路面的路用時(shí)間更長，對(duì)車轍的影響更大。導(dǎo)致路面的結(jié)構(gòu)性能衰變的一個(gè)重要因素是交通量，路面使用性能衰減速率隨著交通量的增大而加?快。

2.2 路面結(jié)構(gòu)與材料

（１）路面結(jié)構(gòu)

根據(jù)重慶及其周邊地區(qū)高速公路路面結(jié)構(gòu)調(diào)查，將其按照面層厚度不同分為三個(gè)路面等級(jí)，見表8。由表可知YQ高速屬于典型Ⅰ級(jí)。

?圖2為不同的路面結(jié)構(gòu)分別在重、特重交通荷載下，路面性能呈現(xiàn)出的不同變化趨勢。

由圖2變化規(guī)律可知，隨著路面使用年限（路齡）的增大，路面破損指標(biāo)PCI值呈逐年降低的趨勢，且隨著使用年限增大，其降低的速率逐漸加快；路面破損指標(biāo)PCI值與路面結(jié)構(gòu)厚度和交通荷載等級(jí)密切相關(guān)，具體表現(xiàn)為在交通荷載等級(jí)相同的情況下，路面厚度結(jié)構(gòu)越大，其PCI衰減程度越小。面層厚度較厚、交通荷載等級(jí)較低的路面，在使用過程中，路面破損比較緩慢；路面厚度較厚、交通荷載等級(jí)較高的路面，在較早時(shí)期，路面破損比較緩慢，隨著路齡的增加，路面的破損指標(biāo)PCI值下降速度不斷加快。如圖中路面結(jié)構(gòu)Ⅱ、特重交通等級(jí)PCI衰減曲線與路面結(jié)構(gòu)Ⅰ、重交通等級(jí)PCI衰減曲線對(duì)比，前者后期衰減速率明顯比后者更快；路面結(jié)構(gòu)Ⅰ、特重交通等級(jí)PCI變化曲線表示路面面層厚度較薄、交通荷載等級(jí)較高的路面，在車輛作用過程中，路面破損值PCI變化較快的狀況；而路面結(jié)構(gòu)Ⅲ、重交通等級(jí)PCI變化曲線則表示在道路使用較長時(shí)間后使用性能還能保持比較好的狀況。

瀝青路面的早期性能與路面結(jié)構(gòu)層厚度等級(jí)密切相關(guān)，到了道路壽命周期的中后期，路面的交通荷載等級(jí)對(duì)路用性能的影響更大。

（２）路面材料

YQ高速路面大修方案為加鋪4cmSM?A?13，為分析路面材料對(duì)高速公路路面使用性能的影響，調(diào)查了YQ高速路面大修時(shí)材料性質(zhì)及特點(diǎn)。YQ高速路面大修采用花崗巖作為瀝青混合料的粗集料，花崗巖屬于酸性集料，與瀝青黏結(jié)性不佳，會(huì)限制或降低SMA瀝青路面的使用性能?；◢弾r母材較脆、集料針片狀含量偏高，壓實(shí)過程中容易發(fā)生折斷、壓碎等破壞，集料的壓碎、折斷等造成混合料級(jí)配發(fā)生變化，同時(shí)斷裂面沒有瀝青膠結(jié)料，會(huì)導(dǎo)致混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、疲勞性能等均大幅下降。特別是上下坡路段重載車輛頻繁制動(dòng)與加速，瀝青表面層將被進(jìn)一步壓實(shí)，其表面的外漏粗集料相互間被壓得更為緊密，路面構(gòu)造深度減小，路面抗滑能力減弱。

YQ高速路面大修采用的瀝青及抗剝落劑指標(biāo)檢測結(jié)果如表9所示。

由表9中YQ高速路面大修時(shí)期所用瀝青的試驗(yàn)結(jié)果來看，YQ高速路面大修時(shí)期所用瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。但從具體試驗(yàn)數(shù)值來看，瀝青的軟化點(diǎn)、60℃動(dòng)力黏度、溶解度等指標(biāo)處于技術(shù)要求的較低水平，因此其高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性的提升效果并不明顯，尤其在其鋪筑的路面服役后，其鋪筑路面的使用性能衰減較快。

2.3 路面養(yǎng)護(hù)歷史

（１）中修后路面性能的衰變特征

YQ高速近年來除常規(guī)日常養(yǎng)護(hù)外，2007—2010年期間對(duì)局部路段龜裂、車轍、沉陷等病害進(jìn)行了校正性維修及微表處、罩面等養(yǎng)護(hù)處理。部分路段于2009—2010年進(jìn)行了中修罩面，加鋪了4cm改性瀝青AC?13C。中修加鋪前后路面性能衰變狀況如表10所示。

從圖3可以看出，YQ高速路面性能呈下降趨勢，2010年時(shí)上下行車道整體路面性能PQI小于84。對(duì)其進(jìn)行中修后，路面使用性能基本能達(dá)到原路面使用狀態(tài)，甚至超過原路面使用性能，上下行車道整體路面性能PQI大于90，但隨著時(shí)間及車輛作用，路面整體性能逐年呈下降趨勢。

（２）大修后路面性能的衰變特征

YQ高速全線路段于2015年完成路面大修，大修方案為路面維修處治后在原有路面結(jié)構(gòu)上加鋪一層SMA?13罩面（4cm）。大修加鋪前后路面性能衰變狀況如表11和圖4所示。

從圖4可以看出，YQ高速自2010年進(jìn)行中修后，隨著時(shí)間及車輛作用，路面整體性能逐年呈下降趨勢，2015年上下行車道整體路面性能PQI已小于85。2015年進(jìn)行加鋪一層SMA?13罩面大修后，路面使用性能基本能達(dá)到新修道路路面使用狀態(tài)，上下行車道整體路面性能PQI大于96。隨著車輛荷載作用，路面整體性能逐年呈下降趨勢，至2019年路面整體使用性能PQI在90左右。

2.4 溫濕度狀況

（１）溫度狀況

調(diào)查了YQ高速范圍內(nèi)綦江、南川、永川、合川及涪陵等幾個(gè)重要區(qū)域的溫度情況，得到其途經(jīng)地區(qū)代表氣溫如表12。

調(diào)查的幾個(gè)區(qū)域年平均氣溫為16℃～18℃，最熱月份平均氣溫為26℃～29℃，最冷月平均氣溫為4℃～8℃。重慶（綦江站）極端最高溫可達(dá)42.7℃。瀝青路面在高溫環(huán)境下由于汽車荷載的反復(fù)作用，往往容易產(chǎn)生車轍。瀝青混合料在被碾壓成型前是由礦料、瀝青及空氣組成的松散混合物，經(jīng)碾壓后，高溫下處于半流動(dòng)狀態(tài)的瀝青及瀝青與礦粉組成的砂膠被擠進(jìn)礦料間隙中。在汽車荷載作用下，此密實(shí)過程還會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。在輪胎荷載作用下，瀝青及瀝青膠漿產(chǎn)生流動(dòng)，從而使混合料的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。這部分半固態(tài)物質(zhì)除部分填充混合料空隙外，還將隨瀝青混合料自由流動(dòng)，從而使路面受載處被壓縮而變形。

（２）濕度狀況

濕度影響路面結(jié)構(gòu)層承載力及抗滑性能，進(jìn)一步影響車輛行駛安全，重慶市（綦江站）各月份最大降雨量如表13所示。

重慶降水充沛，年平均降水量在1"300～1"350mm之間。降雨的空間分布基本上也呈南高北低的走勢。降水的年內(nèi)分配不均，5～9月的汛期降水占全年的70%以上。該地區(qū)瀝青路面相對(duì)濕度和路基含水率均處于較高水平，嚴(yán)重影響了瀝青路面的使用性能。

2.5 線形指標(biāo)

對(duì)YQ高速部分長大縱坡段進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)全線縱坡 3%，共27處，均存在不同程度的車轍情況，且路面抗滑性相對(duì)較差。重載車輛在上坡路段由坡底至坡頂運(yùn)行過程中，減速明顯，減速的幅度隨著坡度的增大而增大。同樣的坡度下，隨著坡長增加，車速逐漸降低，從坡底至坡中車輛的減速幅度往往要大于從坡中到坡頂。在上坡路段，沿路面表面的車輛重力的水平分力會(huì)阻礙車輛的行駛，此時(shí)車輛需要增加牽引力來克服水平阻力才能保持正常前進(jìn)，縱坡越大、車輛載重越大，水平阻力就越大，一些超載嚴(yán)重、改裝的車輛，在爬坡一段距離后已不是連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其間隙的跳動(dòng)將對(duì)路面產(chǎn)生一個(gè)附加的沖擊力，車輛車況越差，其爬坡性能越差，此現(xiàn)象越嚴(yán)重，對(duì)路面的沖擊和損壞程度也越大。

3 基于AHP的路面性能影響因素敏感性排序

將影響路面使用性能的因素分為隨時(shí)間變化和不隨時(shí)間變化兩類。其中隨時(shí)間變化的因素主要是指環(huán)境因素、荷載因素、養(yǎng)護(hù)歷史，不隨時(shí)間變化的因素主要是指道路本身的屬性，包括路面結(jié)構(gòu)、材料及線形指標(biāo)，如表14所示。擬采用層次分析法對(duì)這些因素進(jìn)行敏感性分析，通過專家打分的方法確定對(duì)路面使用性能影響因素的敏感性。

根據(jù)影響高等級(jí)公路路面性能的因素進(jìn)行兩兩對(duì)比賦值，構(gòu)建比較矩陣。設(shè)交通量為 ，路面結(jié)構(gòu)為 ，材料類型為 、養(yǎng)護(hù)歷史為 、溫度為 、濕度為 、線形指標(biāo)為 。經(jīng)過專家打分建立比較矩陣如表15所示。

根據(jù)式（2）～（5）求得 并歸一化，求出權(quán)重向量 ：

=（0.27249，0.27246，0.26535，0.05167，0.06017，0.04353，0.03433）^ＴI=0.02922

R=0.022lt;0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

敏感性分析結(jié)果如下：₁gt;₂gt;₃gt;₅gt;₄gt;₆gt;₇

由分析結(jié)果可知影響高等級(jí)公路路面性能的因素中道路本身屬性所占權(quán)重較大，主要是因?yàn)榈缆方Y(jié)構(gòu)和材料是路面性能的根本保障，需控制在較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。影響路面性能的另一個(gè)重要因素是交通荷載，路面性能衰減速率隨著交通量的增大而加快，所以得到路面性能影響因素的敏感程度排序?yàn)椋?/p>

道路屬性gt;交通參數(shù)gt;溫度gt;養(yǎng)護(hù)歷史gt;濕?度。

從影響因素的敏感程度分析可以看出，交通參數(shù)和溫度是影響路面性能的兩大重要外因，因此路面科學(xué)養(yǎng)護(hù)時(shí)需重點(diǎn)考慮交通量狀況和所屬地區(qū)溫濕度的影響情況。

4 結(jié)語

本文依托高等級(jí)公路實(shí)際工況分析了路面性能的主要影響因素，基于層次分析法得到各影響因素的敏感程度排序。主要研究結(jié)論如?下：

（1）通過實(shí)際依托工況的交通量數(shù)據(jù)，分析計(jì)算了設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)大型客車及貨車交通量，確定了其交通等級(jí)，基于實(shí)際交通量與路面性能指標(biāo)的關(guān)系，分析了交通荷載對(duì)路面性能衰減的實(shí)際作用影響。

（2）通過對(duì)路面典型結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行分級(jí)，研究了不同路面結(jié)構(gòu)在重、特重交通荷載下的路面性能衰變規(guī)律，并深入分析了路面材料及養(yǎng)護(hù)歷史對(duì)瀝青路面性能的影響情況。

（3）調(diào)查了依托工程途經(jīng)區(qū)域溫、濕度狀況及長大縱坡段路面狀況，研究了溫、濕度及線形指標(biāo)對(duì)瀝青路面性能的影響規(guī)律。

（4）系統(tǒng)分析了高等級(jí)公路路面性能影響因素，基于層次分析法得到各影響因素的敏感程度排序，有利于采取合適的養(yǎng)護(hù)措施，研究成果對(duì)指導(dǎo)高等級(jí)公路科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策具有重要意?義。

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