雷 電，柏魯甬，王惠敏，邵林龍，張 琛

(1.寧波市公路與運(yùn)輸管理中心，浙江 寧波 315000；2.寧波正信檢測科技有限公司，浙江 寧波 315000;3.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

浙江省地處我國東南沿海地區(qū)，廣泛分布著典型的淤泥質(zhì)軟土。軟土的空間分布特性對研究軟土區(qū)瀝青路面性能至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對軟土的相關(guān)特性進(jìn)行了大量的研究。陳曉平等[1]對珠江三角洲軟土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，近海軟土的壓縮系數(shù)與天然含水量、天然孔隙比之間存在較好的線性關(guān)系。Finno等[2]對獲取的3 m深度處的湖相軟土試樣進(jìn)行了物理力學(xué)試驗(yàn)，分析發(fā)現(xiàn)，湖相軟土的壓縮模量和壓縮系數(shù)呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性。王元戰(zhàn)等[3]針對天津?yàn)I海淤泥質(zhì)軟土的蠕變變形規(guī)律進(jìn)行了研究，建立了反映濱海軟土的非線性流變本構(gòu)模型。楊章財(cái)、劉用海[4-5]采用分別加載的方式對寧波軟土進(jìn)行三軸剪切蠕變試驗(yàn)，建立了合適的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。Geuze[6]對圓柱試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來研究軟土的蠕變特性，發(fā)現(xiàn) Bingham黏塑性模型理論可以分析軟土的流變特性。Haefeli[7]在對軟土蠕變特性研究報(bào)告中指出，蠕變變形直接或間接地對軟土地基的力學(xué)特征產(chǎn)生影響。Kutter，Silva，占清華等[8-10]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)少，方便應(yīng)用于實(shí)際工程，但其缺乏嚴(yán)密的力學(xué)理論基礎(chǔ)，因此需要不斷進(jìn)行優(yōu)化。王明磊[11]利用數(shù)值模擬與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)二者相結(jié)合的方法預(yù)測了福建江陰港濱海軟土的沉降，經(jīng)驗(yàn)證，該方法對于分析復(fù)雜環(huán)境下濱海軟土沉降問題有較好的效果。Du等[12]采用有限元模擬分析了軟土地基4種沉降模式(均勻沉降、一端沉降、兩端沉降、中心沉降)對路面的應(yīng)力造成的影響，研究發(fā)現(xiàn)，不均勻沉降在路面結(jié)構(gòu)層間會(huì)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，且軟土地基對路面基層結(jié)構(gòu)影響顯著。

綜上，目前少有研究從可視化的角度探究近海軟土的空間分布與瀝青路面性能相關(guān)性的問題，因此，本研究根據(jù)浙江省近海軟土區(qū)的實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析路面性能現(xiàn)狀，并采用ArcGIS軟件建立瀝青路面病害的空間分布模型，進(jìn)而分析軟土空間分布與瀝青路面性能的相關(guān)性，為完善近海軟土地區(qū)瀝青路面評價(jià)奠定基礎(chǔ)。

1 近海軟土區(qū)瀝青路面性能現(xiàn)狀分析

1.1 瀝青路面性能現(xiàn)狀對比分析

瀝青路面性能現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖1所示。統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括路面損壞狀況指數(shù)(Pavement Condition Index，PCI)、路面行駛質(zhì)量指數(shù)(Riding Quality Index，RQI)和路面使用性能指數(shù)(Pavement Quality Index，PQI)。由圖1可知，采用PCI,PQI 評價(jià)瀝青路面性能狀況時(shí)，浙江省優(yōu)等路率超過了90%，次差路率低于1.5%；而采用RQI時(shí)，優(yōu)等路率低于88%，次差路率高于1.5%，這說明作為沿海省份的浙江省瀝青路面平整度整體偏差。

選擇典型的軟土區(qū)——寧波市進(jìn)行調(diào)研分析，圖2～圖4分別是寧波市縣、鄉(xiāng)道RQI,PCI,PQI現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)。由圖2(a)可知，寧波市縣、鄉(xiāng)道路RQI普遍都低于80，最大值也未超過90，說明寧波縣、鄉(xiāng)道路平整度整體偏差。對于海曙區(qū)和東錢湖區(qū)RQI均低于77，這可能與交通量、交通軸載以及地理位置密切相關(guān)。東錢湖附近分布著廣泛的軟土層，且四周環(huán)山，軟土層覆蓋于硬臥層上，這導(dǎo)致了軟土厚度的不均勻性，路面易產(chǎn)生不均勻沉降。此外，采用RQI對路面進(jìn)行評價(jià)時(shí)，如圖2(b)可知，寧波市各地區(qū)的次差路占比較大，東錢湖和海曙區(qū)等軟土地區(qū)的縣道次差路率甚至超過20%。說明寧波市各地區(qū)瀝青路面性能與軟土的空間分布存在一定的聯(lián)系。

由圖3(a)可知，各地區(qū)縣鄉(xiāng)道路PCI普遍超過80并接近90，與RQI指標(biāo)相比，數(shù)值偏大，說明寧波市路面損壞狀況相比于平整度較好。此外，由圖3(b)可知，海曙區(qū)和東錢湖區(qū)的路面破損狀況較差，說明寧波市各地區(qū)路面損壞狀況與軟土空間分布也存在一定的聯(lián)系。

PQI是由PCI和RQI加權(quán)綜合計(jì)算所得，其中RQI權(quán)重較小，弱化了平整度在路面性能評價(jià)中的作用。由圖4可知，PQI普遍大于80，若采用PQI對路面評價(jià)，道路的優(yōu)良路率偏高，事實(shí)上寧波市各地區(qū)的平整度整體偏差，說明直接采用現(xiàn)行規(guī)范評價(jià)體系對近海軟土區(qū)瀝青路面性能綜合評價(jià)存在缺陷，不能真實(shí)反映近海軟土區(qū)的瀝青路面技術(shù)狀況。

綜上，浙江省國、省干道與寧波市縣、鄉(xiāng)道路路面性能現(xiàn)狀相類似，即近海地區(qū)平整度普遍偏差，統(tǒng)計(jì)分析可知，這與近海軟土的空間分布存在一定的聯(lián)系。此外，若直接采用現(xiàn)行規(guī)范評價(jià)近海地區(qū)道路路面性能，存在缺陷。

1.2 瀝青路面破損狀況統(tǒng)計(jì)分析

寧波市瀝青路面各類型病害占比如圖5所示。

由圖5可知，破損面積占比較大的4種典型病害是橫向裂縫、龜裂、縱向裂縫以及沉陷病害。橫向裂縫的破損面積占比最大，占比達(dá)32.61%。而沉陷病害則會(huì)導(dǎo)致路面平整度差，這與RQI分析結(jié)果相吻合。采用多功能檢測車對寧波市部分省道、縣道主要破損類型的破損量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示，329國道、龍溪線、新豐路等裂縫病害嚴(yán)重，而象西線、甬梁線、甬金連接線和沿海中線的沉陷病害嚴(yán)重。實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)寧波近海軟土區(qū)的瀝青路面橫向裂縫和縱向裂縫的形式較為典型，常表現(xiàn)為貫穿整個(gè)行車道的橫向裂縫，縱向裂縫常表現(xiàn)為長、直、寬。因此，本研究以100 m 為統(tǒng)計(jì)單元，統(tǒng)計(jì)了部分國道、省縣干道的不同裂縫長度范圍所占比例，結(jié)果如圖6所示。

表1 路面破損狀況匯總統(tǒng)計(jì) 處

由圖6可知，象西線、盛寧線、龍溪線、寶瞻公路等，長度大于15 m的橫向裂縫占比均超過60%，說明近海軟土區(qū)的橫向裂縫主要以貫穿行車道的長裂縫為主；長度大于20 m的縱向裂縫占比也均超過60%。說明貫穿的橫向裂縫和較長的縱向裂縫是近海軟土區(qū)的典型病害。

為了驗(yàn)證推測，采用探地雷達(dá)對常規(guī)裂縫和典型裂縫進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖7,圖8所示。對比可知，常規(guī)路表裂縫的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有檢測到裂縫波形圖，而典型裂縫的基層內(nèi)部檢測到明顯的裂縫波形圖，說明貫穿的橫向裂縫和長直的縱向裂縫是因?yàn)榛鶎拥臄嗔言斐傻?，而基層的斷裂很大程度上是軟土地基的不均勻沉降?dǎo)致的。

綜上，貫穿的橫向裂縫、長而寬的縱向裂縫以及典型的沉陷病害可能是寧波各地區(qū)軟土不均勻沉降造成的，這與車輛荷載和環(huán)境造成的病害表現(xiàn)形式不同，因此近海軟土區(qū)瀝青路面的破損病害具有一定的區(qū)域特征。

2 瀝青路面性能空間分布特征分析

2.1 格柵數(shù)據(jù)模型

為了分析路面性能與軟土空間分布的關(guān)系，采用柵格數(shù)據(jù)模型對地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格劃分，實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)可視化。柵格化分一般是將地理空間劃分大小、形狀相等離散單元，再根據(jù)劃分的結(jié)果把屬性數(shù)據(jù)賦予每個(gè)離散單元，最后把地理屬性進(jìn)行可視化展示[13]。

2.2 ArcGIS路面性能空間數(shù)據(jù)庫

地理空間分布數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理和操作的基礎(chǔ)，路面性能空間數(shù)據(jù)庫主要包含3種數(shù)據(jù)類型，分別是空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。路面性能空間數(shù)據(jù)的建立分為3個(gè)步驟：建立空間圖形數(shù)據(jù)庫;建立屬性數(shù)據(jù)庫;分析空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性[14]。

1)建立空間圖形數(shù)據(jù)庫。

在ArcGIS軟件中，創(chuàng)建二維坐標(biāo)(X，Y)下的點(diǎn)要素Shape file的格式文件，然后根據(jù)浙江省81個(gè)縣區(qū)(相當(dāng)于是81個(gè)檢測站點(diǎn))的經(jīng)緯度在浙江省的行政區(qū)劃圖上對每個(gè)站點(diǎn)位置屬性進(jìn)行賦值，得到浙江省81個(gè)路面性能檢測點(diǎn)的空間位置分布，最后對81個(gè)站點(diǎn)名稱屬性進(jìn)行定義，并存儲(chǔ)為ArcGIS數(shù)據(jù)庫。寧波市部分國省道瀝青路面的平整度現(xiàn)狀見表2。

表2 寧波市部分國省道瀝青路面的平整度現(xiàn)狀

2)路面性能屬性數(shù)據(jù)庫的建立。

收集2019年浙江省81個(gè)縣區(qū)的病害數(shù)據(jù)。為了消除公路里程對各指標(biāo)數(shù)據(jù)的影響，首先將原始數(shù)據(jù)的沉陷、縱向裂縫、橫向裂縫等病害均以面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；然后把病害指標(biāo)面積分別除以公路里程；最后屬性指標(biāo)確定為PCI，RQI，PQI，沉陷指數(shù)，縱縫指數(shù)，橫縫指數(shù)，龜裂指數(shù)和修補(bǔ)指數(shù)。

2.3 空間模型插值方法

軟土地基和道路里程是連續(xù)分布的，因此為了解決數(shù)據(jù)點(diǎn)稀少、離散等問題，需采用空間模型插值方法來補(bǔ)充柵格缺少的屬性要素值，在ArcGIS軟件中，可采用的方法有克里金插值法、樣條函數(shù)內(nèi)插法、趨勢面插值法、反距離賦權(quán)插值法等。

其中反距離賦權(quán)插值法適合尺度較廣的屬性因子變化趨勢的預(yù)測。因此，本文采用反距離賦權(quán)插值方法。其插值效果主要依賴于反距離插值的冪值，如式(1)～式(3)所示。本文經(jīng)過多次調(diào)整，確定冪值p為2。

(1)

(2)

(3)

其中，p為誤差參數(shù)，p值影響權(quán)重減小的速度；di0為插值點(diǎn)到樣本點(diǎn)的距離。

2.4 空間分布特征分析

采用ArcGIS軟件建立的浙江省國省干道的瀝青路面性能現(xiàn)狀空間分布模型圖，如圖9所示。圖9(a)～圖9(c)是瀝青路面宏觀狀況建模結(jié)果，浙江省國省道瀝青路面PCI分布范圍為(89,95)，RQI的分布范圍為(86,92)，PQI的分布范圍為(87,94)，說明浙江省的路面行駛質(zhì)量較差。且近海地區(qū)的PCI，RQI，PQI分布圖都呈現(xiàn)淺藍(lán)色，說明浙江省的近海區(qū)域的瀝青路面性能較差。此外，浙江省中部地區(qū)的空間模型分布圖呈現(xiàn)深紅色，代表PCI，RQI和PQI偏大，說明中部與近海地區(qū)相比路況較好。綜上，從宏觀性能指標(biāo)可知，浙江省的瀝青路面性能具有明顯的空間分布特征，近海地區(qū)路面性能狀況明顯較差，結(jié)合浙江省的軟土分布區(qū)域來看，瀝青路面性能與近海軟土的空間分布密切相關(guān)。

3 結(jié)論

1)基于路面性能狀況調(diào)查結(jié)果，浙江省和寧波市表現(xiàn)出相似的特征，即PQI,PCI指標(biāo)沒有顯著的區(qū)域特征，但RQI普遍偏低，國際平整度IRI>2 m/km的占比超過60%，近海區(qū)域路段的IRI值甚至超過6 m/km，因此，平整度差是軟土區(qū)的典型特征之一，軟土地區(qū)瀝青路面性能評價(jià)應(yīng)充分考慮平整度指標(biāo)。

2)通過對路面破損狀況的統(tǒng)計(jì)分析得出，近海軟土區(qū)典型的路表破損病害主要以慣穿的橫向裂縫、長直縱向裂縫、龜裂以及沉陷4種病害為主。經(jīng)探地雷達(dá)檢測驗(yàn)證，這種路表的典型病害很大程度上是路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害反射導(dǎo)致的。

3)根據(jù)路面性能空間模型分析得出，軟土區(qū)的瀝青路面性能在空間上具有一定的分布規(guī)律。PCI,PQI,RQI表現(xiàn)為近海區(qū)域值偏小，說明近海區(qū)域的瀝青路面性能偏差。呈現(xiàn)這種區(qū)域特性的原因可能是近海軟土的不均勻沉降特性導(dǎo)致的，揭示了軟土的空間分布與瀝青路面性能存在關(guān)聯(lián)性的客觀規(guī)律，為完善近海軟土地區(qū)瀝青路面評價(jià)奠定基礎(chǔ)。