基于關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的水泥混凝土道面綜合病害關(guān)系研究

龍小勇，蔡良才，沈 勇，邵 斌，張羅利，資 軍

(1.空軍工程大學(xué)，陜西 西安710038；2.95979部隊，遼寧 沈陽110000；3.空軍后勤部，北京100010；4.衡陽北方光電信息技術(shù)有限公司，湖南 衡陽 421001)

道面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是指在道面狀況良好、不影響道面結(jié)構(gòu)承載力的前提下，合理地、有計劃地對現(xiàn)有道面系統(tǒng)采取相對應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施，以達(dá)到延緩道面性能的衰減、保持或改善道面功能狀況、保持道面在整個壽命周期內(nèi)具有較高效益費用比、推遲后期大修或重建時間的目的，是一種科學(xué)的、高效的養(yǎng)護(hù)理念[1-2]。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)作為一種全新的養(yǎng)護(hù)理念，已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注，并且在公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用，取得了較好的實際效果。然而，我軍機(jī)場道面養(yǎng)護(hù)工作仍然處于“即壞即修，不壞不修”的階段，大修或重建時間通常提前到來，無法實現(xiàn)效益-費用比的最大化，甚至嚴(yán)重浪費了資源；因此，開展軍用機(jī)場水泥混凝土道面(以下簡稱“水泥道面”)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究，促進(jìn)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理念在我軍機(jī)場道面養(yǎng)護(hù)中的推廣應(yīng)用具有重大現(xiàn)實意義。而準(zhǔn)確認(rèn)識水泥道面綜合病害關(guān)系是開展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究的基礎(chǔ)[3]。

目前關(guān)于水泥混凝土道( 路) 面綜合病害關(guān)系的研究主要集中于公路領(lǐng)域[4-7]，而針對水泥道面綜合病害關(guān)系的研究則較少[8-9]。傳統(tǒng)的道(路)面綜合病害關(guān)系研究的主要方法有經(jīng)驗分析、實地調(diào)研、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。這些分析方法主要的依據(jù)是當(dāng)前的道(路)面狀況，分析過程簡單、直接，但是所得到的道(路)面關(guān)系往往單一、粗淺，所涉及的病害因素較少，分析維度較低，無法客觀全面地認(rèn)識道(路)面綜合病害關(guān)系。

部分研究者嘗試借鑒其他學(xué)科領(lǐng)域的方法，對道(路)面綜合病害關(guān)系進(jìn)行研究。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘是數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計學(xué)科的交叉技術(shù)。數(shù)據(jù)挖掘又稱知識發(fā)現(xiàn)，是指運用某種方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀分析，從而挖掘出其中潛在而有價值的信息的一種技術(shù)。關(guān)聯(lián)規(guī)則即有關(guān)聯(lián)關(guān)系的規(guī)則，關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘就是從大量客觀數(shù)據(jù)中挖掘出事務(wù)之間可能存在的某種關(guān)聯(lián)規(guī)則[10]。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘事先無需考慮數(shù)據(jù)變量之間的關(guān)系，而是完全基于對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的充分挖掘，得到數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則結(jié)果，從而建立數(shù)據(jù)變量之間的關(guān)聯(lián)或聯(lián)系。

國內(nèi)外針對關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘開展了大量研究，并取得了豐碩的研究成果[11-16]。從應(yīng)用角度梳理關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的研究現(xiàn)狀可知，隨著關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域從最初的零售業(yè)商場銷售數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析，擴(kuò)展到大數(shù)據(jù)分析、圖書館、情報與檔案管理的信息檢索、個性化服務(wù)、海洋生物數(shù)據(jù)、電子商務(wù)、中醫(yī)診斷、客戶關(guān)系管理、決策支持、故障診斷等眾多領(lǐng)域。近些年，部分學(xué)者將關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)應(yīng)用于交通領(lǐng)域，取得了較好的應(yīng)用效果。張紹陽等采用關(guān)聯(lián)規(guī)則分析通過大量數(shù)據(jù)集中客觀地發(fā)現(xiàn)了路面病害成因[17]。李麗萍采用關(guān)聯(lián)分析技術(shù)對水泥混凝土路面病害關(guān)系進(jìn)行了研究，得到了填縫料損壞、板底脫空、錯臺、斷板之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，并得出了它們之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系[18]。本文擬采用關(guān)聯(lián)規(guī)則對季凍區(qū)水泥道面綜合病害關(guān)系進(jìn)行挖掘。

本文在廣泛搜集和調(diào)查季凍區(qū)水泥道面病害類型及損壞程度等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對水泥道面典型病害發(fā)生的原因及機(jī)制進(jìn)行分析和討論，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)探索典型病害之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，并基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持度、置信度等指標(biāo)判斷主導(dǎo)病害類型及其可能的原因，并與實際工程中病害發(fā)展情況進(jìn)行對比，得到典型病害綜合發(fā)展演化機(jī)制，從而建立起季凍區(qū)水泥道面綜合病害關(guān)系，為下一步制定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)評價指標(biāo)研究提供依據(jù)。

1 季凍區(qū)水泥道面典型病害機(jī)制分析與討論

1.1 填縫料損壞和邊角剝落

新建機(jī)場一旦開放運行，在使用一段時間之后，不可避免地會出現(xiàn)填縫料損壞。新建機(jī)場的填縫料在自然環(huán)境(尤其是季凍區(qū)凍融循環(huán)和凍脹作用)長時間的侵蝕作用下逐漸老化。老化的填縫料，其上部硬化明顯，與道面板側(cè)壁出現(xiàn)輕微分離脫落；在氣溫反復(fù)變化作用下，填縫料因熱脹冷縮進(jìn)一步損壞甚至開裂，填縫料與板面?zhèn)缺谥g的縫隙逐漸增大；自然降水和冰雪融水等外部水分、灰塵等其他雜物滲入縫隙；填縫料在夏季高溫時膨脹溢出，在機(jī)輪荷載與道面板塊的綜合作用下，最終產(chǎn)生損壞。

填縫料的損壞接縫容易混入泥沙、灰塵、石屑等硬質(zhì)雜物，這些硬質(zhì)雜物和損壞剝落的硬質(zhì)填縫料一并阻塞在接縫內(nèi)，在一定程度上阻止了板塊伸張，導(dǎo)致接縫處板邊應(yīng)力過于集中，在機(jī)輪荷載和道面板塊的綜合作用下，產(chǎn)生邊角剝落現(xiàn)象。

1.2 表面剝落

季凍區(qū)水泥道面表面剝落產(chǎn)生的原因除施工質(zhì)量控制不達(dá)標(biāo)、施工養(yǎng)護(hù)措施不到位等常見的施工管理原因之外，最主要的就是凍融循環(huán)侵蝕作用。因施工工藝因素和水泥水化反應(yīng)等原因，道面表面不可避免地存在微裂縫，自然降水、施工養(yǎng)護(hù)用水、冰雪融水等外部水分通過毛細(xì)作用經(jīng)由微裂縫侵入道面板中，在凍結(jié)作用下凝結(jié)成冰，體積膨脹9%左右；冰雪融化后的微裂縫繼續(xù)滲入外部水分，進(jìn)而凍結(jié)成冰，體積膨脹，導(dǎo)致道面表面局部應(yīng)力集中，引發(fā)表層輕微剝蝕。在凍融循環(huán)反復(fù)作用下，道面表面出現(xiàn)明顯剝落損壞。

1.3 表面裂縫

1.3.1 橫向裂縫或斜向裂縫

1)干縮裂縫。水泥混凝土在施工中若不采取合理措施，容易發(fā)生失水現(xiàn)象，尤其是在干燥的季凍區(qū)，水泥混凝土失水現(xiàn)象更加明顯。一旦失水過多，水泥混凝土則容易發(fā)生收縮，進(jìn)而導(dǎo)致道面局部應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致干縮裂縫。

2)冷縮裂縫。為了使機(jī)場道面具有較高的彎拉強(qiáng)度，通常采用水化速率快、水化熱高的高標(biāo)號水泥。由于季凍區(qū)晝夜溫差較大，溫度的變化導(dǎo)致水泥道面板出現(xiàn)熱脹冷縮，產(chǎn)生溫度應(yīng)力造成細(xì)微的道面冷縮裂縫，在飛機(jī)荷載和雨水的反復(fù)影響下，細(xì)小的裂紋將會發(fā)展成為裂縫。

1.3.2 縱向裂縫

當(dāng)基層出現(xiàn)壓實度不足、承載力不足、因土基土質(zhì)和濕度不均勻引起不均勻凍脹、機(jī)輪荷載長時間非正常作用道面等情況時，水泥道面表面會逐漸出現(xiàn)縱向微裂縫。外部水分沿微裂縫滲入道面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，導(dǎo)致基層液化和軟化，在機(jī)輪荷載和道面板綜合作用下進(jìn)一步產(chǎn)生唧泥和脫空，從而導(dǎo)致縱向裂縫進(jìn)一步發(fā)展。

1.4 補(bǔ)丁補(bǔ)塊

補(bǔ)丁是指板塊損壞的部位用與原道面相同的或不同的材料修補(bǔ)的局部道面。補(bǔ)塊是因設(shè)置地下管線、電纜等而開挖原道面后修補(bǔ)的道面板塊。補(bǔ)丁補(bǔ)塊反映了道面的歷史損壞情況，同時補(bǔ)丁補(bǔ)塊比起原道面更加容易出現(xiàn)二次損壞，因此將其列為一種道面損壞類型。

1.5 板塊斷裂類病害

道面損壞較嚴(yán)重的機(jī)場，往往出現(xiàn)較多的板塊斷裂類病害。斷裂類病害屬于道面中后期病害類型，通常是由于對早期病害的養(yǎng)護(hù)維修不當(dāng)，放任其發(fā)展演變導(dǎo)致。當(dāng)?shù)烂娉霈F(xiàn)表面裂縫和表面剝落等表層類病害時，如果不及時維修，在水分入侵和荷載疲勞的綜合作用下，表層類病害不斷發(fā)展，裂縫不斷擴(kuò)展變深，道面板下土基承載能力不斷下降，從而導(dǎo)致板底脫空、唧泥和錯臺等病害。隨著水分入侵和荷載的持續(xù)綜合作用，最終產(chǎn)生板角斷裂、板塊斷裂甚至板塊碎裂等道面結(jié)構(gòu)性損壞。

1.6 板底脫空和錯臺

1.6.1 板底脫空及錯臺機(jī)制

板底脫空及錯臺發(fā)生的過程一般分為如下3個階段。

1)接縫填縫料損壞。新建道面使用一段時間之后，接縫填縫料逐漸損壞，與道面板側(cè)壁出現(xiàn)分離脫落，產(chǎn)生縫隙。填縫料損壞的另一個后果是板間傳荷能力降低，在季節(jié)性溫差的持續(xù)作用下，道面板塊產(chǎn)生翹曲和縮脹變形，道面板塊邊部撓度增大，導(dǎo)致道面板底和基層之間產(chǎn)生縫隙。

2)水入侵。自然降雨、冰雪融水等外部水分通過接縫處縫隙滲入到道面板與基層間縫隙，導(dǎo)致基層液化和軟化，降低基層承載能力。

3)當(dāng)飛機(jī)輪胎經(jīng)過相鄰板塊時，先壓向后板，因板塊與基層之間存在縫隙，機(jī)輪荷載使得后板產(chǎn)生向下的位移，促使道面板下縫隙中的水急速流向前板，當(dāng)飛機(jī)輪胎完全脫離后板，駛?cè)肭鞍搴?，后板向上回彈，后板端部產(chǎn)生瞬態(tài)負(fù)壓區(qū)域(即短暫真空區(qū))，形成板底脫空；在后板的泵吸和擠壓綜合作用下，流入前板下的水以很快的速度向后板回流，基層表面松散的細(xì)顆粒材料被水的沖刷作用帶走，一部分材料被水經(jīng)由接縫縫隙帶出道面，形成唧泥；另一部分淤積在后板下的縫隙中，隨著“回彈-沖刷”過程的反復(fù)進(jìn)行，淤積在后板縫隙處的材料逐漸增多，導(dǎo)致后板端部不斷隆起、抬高，從而形成錯臺。

1.6.2 凍脹沉融對板底脫空及錯臺的影響

在季凍區(qū)，在不良地質(zhì)、水文條件下，由于秋冬季節(jié)的溫度下降，道面板下土基中的水分在溫度梯度的作用下發(fā)生遷移現(xiàn)象，水在凍結(jié)中凝結(jié)成冰，體積不斷增大，使得土基不均勻地膨脹隆起，當(dāng)凍脹量達(dá)到一定程度后就會導(dǎo)致道面板產(chǎn)生錯臺現(xiàn)象。在春夏季節(jié)，隨著溫度場的變化，土基積聚的冰晶體逐漸融化，土基內(nèi)部孔隙增大，逐漸變得松軟，承載能力下降。在飛機(jī)機(jī)輪荷載和道面板反復(fù)作用下，土基下沉，逐漸形成板底脫空。特別是由于道面板下土基的土質(zhì)和含水率并非均勻分布，隨著填縫料損壞，水沿接縫下滲至板邊下部土基，導(dǎo)致局部地基含水量過大；因此，接縫處凍脹現(xiàn)象特別明顯，從而導(dǎo)致道面板不均勻凍脹，進(jìn)而形成錯臺和板底脫空。

1.6.3 錯臺和板底脫空的危害

水泥道面在使用到一定年限的時候，不可避免地會出現(xiàn)錯臺和板底脫空等病害。一定錯臺量會導(dǎo)致機(jī)輪荷載的反復(fù)沖擊，降低飛機(jī)滑行和滑跑的安全性。錯臺量的增加會加快道面的損壞速度，道面損壞的加速發(fā)展又將反作用于錯臺量的增加。水泥道面錯臺越嚴(yán)重，則道面動態(tài)荷載越大；而道面動態(tài)荷載越大，則道面損壞速率越快。道面的錯臺程度與道面損壞速率相互促進(jìn)，形成一個惡性循環(huán)的過程。

2 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的道面綜合病害關(guān)系研究

2.1 關(guān)聯(lián)規(guī)則基本概念

2.1.1 項與項集

項是數(shù)據(jù)庫中最小的、不可分割的信息單位，用i表示；項集則是包含若干項的集合；設(shè)集合I={i1，i2，…，ik}，則i1，i2，…，ik為集合中的項[19]。

2.1.2 事務(wù)與事務(wù)數(shù)據(jù)庫

一次處理所含若干項的集合T被定義為事務(wù)，T?I，并且每一個T都有唯一的標(biāo)識TID[10]。事務(wù)數(shù)據(jù)庫是所有事務(wù)的集合，用D表示，即D={t1，t2，…，tm}。

2.1.3 項集的頻率

設(shè)U為項集，U={u1，u2，…，un}，且U包含于I，U為非空集；設(shè)Q為若干事務(wù)的集合，Q={Ti|Ti∈D，U?Ti}，則項集U在事務(wù)數(shù)據(jù)庫D中的頻率(簡稱為支持計數(shù)或計數(shù))為P(U)=P(u1∧u2∧u3∧…∧un)=|Q|/|D|×100%。

2.1.4 關(guān)聯(lián)規(guī)則

關(guān)聯(lián)規(guī)則是形如X→Y的蘊含式，其中X?I，Y?I，并且X∩Y≠?；X稱為關(guān)聯(lián)規(guī)則的規(guī)則頭，Y稱為關(guān)聯(lián)規(guī)則的規(guī)則尾；關(guān)聯(lián)規(guī)則用于揭示規(guī)則頭(X)中的項出現(xiàn)時，規(guī)則尾(Y)中的項同時出現(xiàn)的規(guī)律[10]。

2.1.5 支持度和置信度

支持度(Support)是描述事務(wù)數(shù)據(jù)庫中同時包含X和Y的事務(wù)數(shù)占所有事務(wù)數(shù)的比值，即包含X和Y的事務(wù)數(shù)在事務(wù)集中出現(xiàn)的頻率，記為Support(X→Y)，即Support(X→Y)=Support(X∪Y)=P(X∪Y)[10]。

置信度(Confidence)是描述事務(wù)數(shù)據(jù)庫中同時包含X和Y的事務(wù)數(shù)占包含X的事務(wù)數(shù)的比值，即在包含X的事務(wù)數(shù)中出現(xiàn)包含Y的事務(wù)的頻率，記為Confidence(X→Y)，即Confidence(X→Y)=Support(X∪Y)/Support(X)=P(Y/X)[10-20]。

支持度用來衡量所得到的關(guān)聯(lián)規(guī)則在整個事務(wù)數(shù)據(jù)庫中的有用性或可用程度；置信度則用來衡量所得到的關(guān)聯(lián)規(guī)則在整個事務(wù)數(shù)據(jù)庫中的確定性或可靠程度[10]。一般來說，只有當(dāng)支持度和置信度同時達(dá)到較高程度時，才能認(rèn)為所得到的關(guān)聯(lián)規(guī)則是具有價值的。

對比支持度和置信度的定義式，發(fā)現(xiàn)任何一條關(guān)聯(lián)規(guī)則都是Confidence(X→Y)>Support(X→Y)。特別說明，關(guān)聯(lián)規(guī)則所推出的結(jié)果并非是絕對的因果關(guān)系，它僅僅說明X中的項和Y中的項同時出現(xiàn)的可能性較大。支持度表示關(guān)聯(lián)規(guī)則有用性的大小，若其值很小，則表明它在事務(wù)數(shù)據(jù)庫中覆蓋范圍相對較小，很有可能是偶然發(fā)生的。支持度表示關(guān)聯(lián)規(guī)則確定性的大小，若其值很低，則表明由X推出Y的可靠程度相對較低。若某條關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持度和置信度都比較較高，并不一定就表示該規(guī)則之間絕對存在某種關(guān)聯(lián)。

為了判斷關(guān)聯(lián)規(guī)則是否有價值，通常給關(guān)聯(lián)規(guī)則設(shè)定必須要滿足的支持度閾值和置信度閾值；當(dāng)一條關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持度和置信度均不小于各自的閾值時，則判定該關(guān)聯(lián)規(guī)則是有價值的[10]。該支持度閾值被定義為最小支持度閾值min-sup，它規(guī)定了關(guān)聯(lián)規(guī)則最低有用性或最低可用程度；該置信度閾值被定義為最小置信度閾值min-conf，它規(guī)定了關(guān)聯(lián)規(guī)則的最低確定性或最低可靠程度。

2.1.6 強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則

滿足Support(X→Y)≥min-sup(即關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持度不小于最小支持度閾值)，且同時滿足Confidence(X→Y)≥min-conf(即關(guān)聯(lián)規(guī)則的置信度不小于最小置信度閾值)的關(guān)聯(lián)規(guī)則被定義為強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘其實就是挖掘出強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則的過程。

2.2 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的道面綜合病害關(guān)系模型

2.2.1 道面病害分析數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

水泥道面的病害通常分為5類：接縫類、表層類、豎向位移類、修補(bǔ)類和斷裂類。本文擬利用關(guān)聯(lián)規(guī)則對這五種病害之間的關(guān)系進(jìn)行定量研究。由道面損壞調(diào)查結(jié)果可知，水泥道面主要(典型)病害類型為：邊角剝落(含填縫料損壞)、表面剝落、表面裂縫、補(bǔ)丁補(bǔ)塊、錯臺(含板底脫空)、斷板。由水泥道面病害分類可知，接縫類病害主要包括邊角剝落和填縫料損壞，因文獻(xiàn)[21]未將填縫料損壞納入道面損壞調(diào)查內(nèi)容，因此目前缺乏足夠的填縫料損壞的數(shù)據(jù)統(tǒng)計；但是相關(guān)調(diào)查研究表明，填縫料損壞和邊角剝落密切相關(guān)。本文將填縫料損壞納入到邊角剝落統(tǒng)計結(jié)果當(dāng)中一并考慮，統(tǒng)一用接縫類病害表示。表層類病害主要包括表面剝落和表面裂縫，因二者具有高度相關(guān)性，在關(guān)聯(lián)規(guī)則中將二者統(tǒng)一以表層類病害表示。豎向位移類主要包括錯臺和板底脫空，因板底脫空同樣未被《軍用標(biāo)準(zhǔn)》[21]列為道面損壞調(diào)查內(nèi)容，因此目前缺乏板底脫空的數(shù)據(jù)統(tǒng)計；但是相關(guān)調(diào)查研究表明，板底脫空和錯臺密切相關(guān)，因此本文將板底脫空納入到錯臺統(tǒng)計結(jié)果當(dāng)中一并考慮，統(tǒng)一用豎向位移類病害表示。從所有道面損壞調(diào)查數(shù)據(jù)中選擇具有代表性的500個道面板的病害統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)成病害分析數(shù)據(jù)庫，用來進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則分析，所選擇的數(shù)據(jù)盡可能地包含上述主要病害類型，且能反映出各類病害出現(xiàn)頻率的大小。根據(jù)所選取的道面損壞調(diào)查數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出現(xiàn)不同病害的道面板塊的數(shù)量，得到百分比統(tǒng)計分布如圖1所示。

圖1 出現(xiàn)各類病害的板塊數(shù)統(tǒng)計圖

統(tǒng)計結(jié)果顯示，出現(xiàn)接縫類病害、表層類病害、修補(bǔ)類病害的板塊在所選取的數(shù)據(jù)樣本中占比較大，而出現(xiàn)豎向位移類病害和斷裂類病害的板塊占比相對較?。坏?7.6%和14.6%的百分比，保證了這2類病害在關(guān)聯(lián)規(guī)則中具有足夠的樣本數(shù)量。

每一類病害并不是獨立地分布于各個板塊中。一塊道面板在使用壽命周期內(nèi)將出現(xiàn)若干種道面病害類型，在不同壽命節(jié)點，出現(xiàn)的道面病害種類數(shù)也不盡相同。為了檢驗所選擇的分析數(shù)據(jù)能否充分代表道面使用周期各個階段，分別統(tǒng)計病害數(shù)1至5時所對應(yīng)的板塊數(shù)，并計算其百分比，統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

圖2的統(tǒng)計結(jié)果表明，病害種類數(shù)較少時的板塊數(shù)較多，而病害種類達(dá)到4和5時的板塊數(shù)相對較少，這符合本文對預(yù)防性養(yǎng)護(hù)道面的基本要求——預(yù)防性養(yǎng)護(hù)主要針對道面早、中期病害，因為如果道面損壞特別嚴(yán)重，則預(yù)防性養(yǎng)護(hù)失去意義。如果道面病害種類集中的板塊數(shù)量太少，則樣本數(shù)據(jù)缺乏可信度。由圖2可知，病害種類數(shù)為4和5的板塊占比總和達(dá)到了14.8% 左右，確保了足夠的樣本數(shù)量，有助于更加充分地挖掘各種病害之間的關(guān)系。病害種類數(shù)的多少在一定程度上反映了道面損壞的嚴(yán)重程度，不同病害種類數(shù)對應(yīng)的不同病害分類統(tǒng)計情況如圖3所示。可以看出，當(dāng)?shù)烂娌『ΨN類數(shù)為1時，對應(yīng)的病害類型為接縫類病害和表層類病害，而沒有其他病害類型；當(dāng)病害種類數(shù)為2和3時，接縫類病害和表層類病害數(shù)量不斷增加，同時道面開始出現(xiàn)一定數(shù)量的修補(bǔ)類病害、豎向位移類病害和少量斷裂類病害；當(dāng)病害種類數(shù)為4和5時，斷裂類病害出現(xiàn)的數(shù)量開始顯著增加，其他4種病害數(shù)量繼續(xù)增加。由此可以得出初步猜想：接縫類病害和表層類病害屬于前期病害，修補(bǔ)類病害和豎向位移類病害屬于中期病害，斷裂類病害屬于道面后期病害。下文道面病害綜合發(fā)展機(jī)制將會進(jìn)一步討論證實這一猜想。

圖2 不同病害種類數(shù)對應(yīng)板塊數(shù)統(tǒng)計圖

圖3 不同病害種類數(shù)對應(yīng)板塊數(shù)統(tǒng)計圖

2.2.2 模型的構(gòu)建

文獻(xiàn)[21]對每一種道面板塊損壞類型的破損程度作了分級[21]?？紤]到本文主要對各種損壞類型之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行挖掘，而破損等級對各種損壞之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則影響程度較?。灰虼?，本文在進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則分析時不區(qū)分損壞的破損等級，一旦某塊道面板出現(xiàn)某種損壞類型，無論其破損等級如何，統(tǒng)一記錄為出現(xiàn)該損壞類型。

板塊間的接縫使得水泥道面無法構(gòu)成連續(xù)整體，病害分布比較離散，每一塊道面板相當(dāng)于一個獨立單元。本文以每塊道面板發(fā)生的病害集合作為一個事務(wù)，以接縫類、表層類、豎向位移類、修補(bǔ)類和斷裂類等5種病害作為項。根據(jù)病害分析數(shù)據(jù)庫，建立關(guān)聯(lián)規(guī)則事務(wù)數(shù)據(jù)庫D，為了便于表達(dá)和分析，事務(wù)數(shù)據(jù)庫采用二元形式表示——1表示病害出現(xiàn)，0表示病害未出現(xiàn)。采用EXCEL編程，對事務(wù)數(shù)據(jù)庫D進(jìn)行求解。根據(jù)以往關(guān)聯(lián)規(guī)則的研究經(jīng)驗，本文選定最小支持度為10%，最小置信度為70%。將置信度和支持度均大于最小置信度和最小支持度的關(guān)聯(lián)規(guī)則視為強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，其他的視為弱關(guān)聯(lián)規(guī)則。

2.2.3 病害間關(guān)聯(lián)規(guī)則的研究

下面對模型求解結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘。為了直觀對比，將“X→Y”型和“Y→X”型關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持度和置信度分別繪制成折線圖，如圖4—圖8所示。其中，“接縫類→Y”表示接縫類病害與其他病害之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，“X→接縫類”表示其他病害與接縫類之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則。

(a)“接縫類→Y”的支持度與置信度 (b)“X→接縫類”的支持度與置信度

在圖4(a)中，接縫類→Y的置信度和支持度隨Y代表的病害不同而差異明顯。接縫類→豎向位移類、接縫類→修補(bǔ)類、接縫類→斷裂類、接縫類→表層類的置信度分別為22.59%、40.22%、19.28%、52.89%，均小于最小置信度70%，均未達(dá)到最低確定性。這說明在出現(xiàn)接縫類病害的道面板塊中，不一定同時出現(xiàn)其他病害(豎向位移類、修補(bǔ)類、斷裂類、表層類)。

在圖4(b)中，X→接縫類的置信度和支持度隨X代表的病害不同而差異明顯。豎向位移類→接縫類、修補(bǔ)類→接縫類、斷裂類→接縫類的置信度分別為93.18%、73.37%、95.89%，均大于最低置信度70%，具有良好的確定性；支持度分別為16.4%、29.20%、14%，均大于最低支持度10%，具有良好的有用性。因此，豎向位移類→接縫類、修補(bǔ)類→接縫類、斷裂類→接縫類均為強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，這說明出現(xiàn)豎向位移類病害、修補(bǔ)類或斷裂類病害的板塊中，同時出現(xiàn)接縫類病害的可能性很大。表層類→接縫類的置信度為58.36%，小于最小置信度70%，未達(dá)到最低確定性。這說明在出現(xiàn)表層類病害的道面板塊中，不一定同時出現(xiàn)接縫類病害。

由于前文已經(jīng)對所有涉及接縫類病害的關(guān)聯(lián)規(guī)則作了分析討論，下面不再對涉及此類病害的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行贅述。

在圖5(a)中，豎向位移類→Y的置信度和支持度隨Y代表的病害不同而差異明顯。豎向位移類→表層類的置信度和支持度分別為72.73%和12.8%，均大于最低置信度和最低支持度，具有良好的確定性和有用性。因此，豎向位移類→表層類為強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，這說明出現(xiàn)豎向位移類病害的道面板塊中，同時出現(xiàn)表層類病害的可能性較大。豎向位移類→修補(bǔ)類、豎向位移類→斷裂類的置信度分別為69.32%和67.05%，均小于最小置信度70%，均未達(dá)到最低確定性。這說明在出現(xiàn)豎向位移類病害的道面板塊中，不一定同時出現(xiàn)修補(bǔ)類病害或斷裂類病害。

在圖5(b)中，X→豎向位移類的置信度和支持度隨X代表的病害不同而差異明顯。修補(bǔ)類→豎向位移類、表層類→豎向位移類的置信度分別為30.65%、19.45%，均小于最低置信度70%，均未達(dá)到最低確定性。這說明在出現(xiàn)修補(bǔ)類、表層類等病害的道面板塊中，不一定同時出現(xiàn)豎向位移類病害。斷裂類→豎向位移類的置信度和支持度分別為80.82%和11.80%，均大于最低置信度和最低支持度，具有良好的確定性和有用性；因此，斷裂類→豎向位移類為強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。這說明出現(xiàn)斷裂類病害的板塊中，同時出現(xiàn)豎向位移類病害的可能性較大。

由于前文已經(jīng)對所有涉及接縫類病害和豎向位移類病害的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行了分析，故不再對涉及接縫類病害和豎向位移類病害的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行贅述。

在圖6(a)中，修補(bǔ)類→Y的置信度和支持度隨Y代表的病害不同而差異明顯。修補(bǔ)類→表層類的置信度和支持度分別為89.95%和35.80%，分別大于最低置信度和最低支持度，具有良好的確定性和有用性；因此，修補(bǔ)類→表層類為強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。這說明出現(xiàn)表層類病害的板塊中，同時出現(xiàn)修補(bǔ)類病害的可能性很大。修補(bǔ)類→斷裂類的置信度為30.15%，小于最小置信度70%，未達(dá)到最低確定性。這說明在出現(xiàn)修補(bǔ)類病害的道面板塊中，不一定同時出現(xiàn)斷裂類病害。

在圖6(b)中，X→修補(bǔ)類的置信度和支持度隨X代表的病害不同而差異明顯。表層類→修補(bǔ)類的置信度為54.41%，小于最低置信度70%，未達(dá)到最低確定性。這說明在出現(xiàn)表層類病害的道面板塊中，不一定同時出現(xiàn)修補(bǔ)類病害。斷裂類→修補(bǔ)類的置信度和支持度分別為82.19%和12%，均大于最低置信度和最低支持度，具有良好的確定性和有用性；因此，斷裂類→修補(bǔ)類為強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。這說明出現(xiàn)斷裂類病害的板塊中，同時出現(xiàn)修補(bǔ)類病害的可能性很大。

(a) “修補(bǔ)類→Y”的支持度與置信度圖 (b) “X→修補(bǔ)類”的支持度與置信度

由于前文已經(jīng)對所有涉及接縫類、豎向位移類、修補(bǔ)類等病害的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行了分析，故不再對涉及接縫類、豎向位移類、修補(bǔ)類等病害的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行贅述。

在圖7(a)中，修補(bǔ)類→Y的置信度和支持度隨Y代表的病害不同而差異明顯。斷裂類→表層類的置信度和支持度分別為78.08%和11.40%，分別大于最低置信度和最低支持度，具有良好的確定性和有用性；因此，斷裂類→表層類為強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。這說明出現(xiàn)斷裂類病害的板塊中，同時出現(xiàn)表層類病害的可能性較大。

在圖7(b)中，X→修補(bǔ)類的置信度和支持度隨X代表的病害不同而差異明顯。表層類→斷裂類的置信度為17.33%，小于最低置信度70%，未達(dá)到最低確定性。這說明在出現(xiàn)表層類病害的道面板塊中，不一定同時出現(xiàn)斷裂類病害。

(a) “斷裂類→Y”的支持度與置信度圖 (b) “X→斷裂類”的支持度與置信度

由于前文已經(jīng)對所有涉及接縫類、豎向位移類、修補(bǔ)類、斷裂類等病害的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行了分析，故不再對涉及接縫類、豎向位移類、修補(bǔ)類、斷裂類等病害的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行贅述。

在圖8(a)中，無論Y代表何種病害，表層類→Y的置信度均低于最小置信度，對比圖4(a)可知，接縫類→Y的置信度也普遍較低，無論Y代表何種病害。這說明在出現(xiàn)接縫類病害或表層類病害的道面板塊中，同時出現(xiàn)其他病害(豎向位移類、修補(bǔ)類、斷裂類)的可能性較小。由此可以初步得出接縫類病害和表層類病害屬于道面板塊先導(dǎo)病害的推論。

將圖4至圖8中所有的關(guān)聯(lián)規(guī)則統(tǒng)一繪制于圖9，其中的“→”并不表示轉(zhuǎn)化關(guān)系，僅表示關(guān)聯(lián)規(guī)則，數(shù)字代表置信度。

(a) “表層類→Y”的支持度與置信度 (b) “X→表層類”的支持度與置信度

可以看出，豎向位移類→接縫類、修補(bǔ)類→接縫類、斷裂類→接縫類、豎向位移類→表層類、修補(bǔ)類→表層類、斷裂類→豎向位移類、斷裂類→表層類、斷裂類→修補(bǔ)類等8條關(guān)聯(lián)規(guī)則的置信度較高。各種病害間的關(guān)聯(lián)規(guī)則都可以從圖9中一目了然地看出來。對于置信度較高的關(guān)聯(lián)規(guī)則，本文認(rèn)為在一定程度上反映了較大概率的轉(zhuǎn)化關(guān)系。例如“豎向位移類→接縫類”的置信度為93.18%，即出現(xiàn)豎向位移類病害的道面板塊中，有93.18%同時出現(xiàn)了接縫類病害，可以認(rèn)為接縫類病害轉(zhuǎn)化為豎向位移類病害的置信度為93.18%。將圖9中所有非強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則刪除，只保留強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，再將強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系變化轉(zhuǎn)化關(guān)系，得到各個病害之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖，如圖10所示。圖中的“→”表示較大概率的轉(zhuǎn)化關(guān)系，數(shù)字表示置信度。

圖9 水泥道面病害間關(guān)聯(lián)規(guī)則總結(jié)

圖10 水泥道面病害轉(zhuǎn)化關(guān)系圖

由圖10可知，道面的初期病害類型為接縫類病害和表層類病害，這2種病害都能以較大概率轉(zhuǎn)化成修補(bǔ)類、豎向位移類、斷裂類等其他3種病害。而豎向位移類病害和修補(bǔ)類病害屬于中期病害，在損壞程度達(dá)到一定程度之后，也能以一定概率轉(zhuǎn)化成斷裂類病害。斷裂類病害屬于晚期病害，其他4種病害均能以一定概率轉(zhuǎn)化成斷裂類病害。

2.3 道面綜合病害關(guān)系的分析與討論

2.3.1 水泥道面病害發(fā)展的3個階段

關(guān)聯(lián)規(guī)則僅僅是從數(shù)理統(tǒng)計角度得出的客觀規(guī)則，若脫離實際背景，許多規(guī)則或許沒有任何意義。因此，必須將關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)果與工程實際相結(jié)合，才能得到有實際意義的道面綜合病害關(guān)系。結(jié)合水泥道面病害實際發(fā)展規(guī)律和關(guān)聯(lián)規(guī)則分析結(jié)果，本文認(rèn)為水泥道面病害發(fā)展過程分為3個階段：病害初發(fā)期、病害發(fā)展期、病害爆發(fā)期(如表1所示)。

表1 水泥道面病害發(fā)展3個階段

2.3.1.1 病害初發(fā)期

初發(fā)期的主要病害種類為接縫類病害和表層類病害，主要病害形式為填縫料損壞、邊角剝落、表面剝落、表面裂縫。新建機(jī)場的填縫料在自然環(huán)境長時間的侵蝕作用下逐漸老化，填縫料與道面板側(cè)壁脫離產(chǎn)生縫隙，外部水分容易通過接縫損壞處下滲，在機(jī)輪荷載和道面板塊的綜合作用下演化成其他病害。同時，新建道面表面的表層類病害在自然環(huán)境(如凍融循環(huán)侵蝕)和機(jī)輪荷載等因素的綜合作用下，會演化成其他病害。

2.3.1.2 病害發(fā)展期

發(fā)展期的主要病害種類為豎向位移類病害和修補(bǔ)類病害，主要病害形式為錯臺、板底脫空、補(bǔ)丁補(bǔ)塊。已經(jīng)出現(xiàn)接縫類病害和表層類病害的道面板塊，如果不及時采取養(yǎng)護(hù)維修措施，在雨水侵蝕、凍融循環(huán)、機(jī)輪荷載等因素的不斷作用下，將演化成板塊斷裂類等結(jié)構(gòu)性破壞。

2.3.1.3 病害爆發(fā)期

爆發(fā)期的主要病害種類為板角斷裂、板塊斷裂、板塊碎裂等斷裂類病害。如果在道面病害發(fā)展期沒有及時采取有效措施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，在長期的機(jī)輪荷載和環(huán)境因素綜合作用下各種道面病害將不斷增加，呈現(xiàn)集中爆發(fā)態(tài)勢，道面使用性能急劇下降，道面呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，無法滿足使用要求，甚至影響飛行安全，一般需要進(jìn)行大修或者改建。

2.3.2 道面病害發(fā)展演化機(jī)制分析

水泥道面病害綜合發(fā)展的一般過程是：新建機(jī)場運行使用后，隨著道面服役時間的增加，填縫料不斷老化、損壞，在機(jī)輪荷載和道面板塊綜合作用下，產(chǎn)生邊角剝落，同時水泥道面板和基層之間開始出現(xiàn)微小空隙。自然降水和冰雪融水等外部水分通過填縫料損壞的接縫滲入道面板與基層間的縫隙中，在水、機(jī)輪荷載及道面板持續(xù)的綜合作用下，產(chǎn)生板底脫空及錯臺病害；板底脫空及錯臺對道面板塊的受力狀態(tài)產(chǎn)生較大影響，在機(jī)輪荷載的反復(fù)作用下導(dǎo)致道面板局部應(yīng)力集中，特別是板邊和板角處，因此導(dǎo)致輕度板角斷裂和輕度裂縫等早期結(jié)構(gòu)性破壞[18]。另一方面，道面板表面在自然環(huán)境和機(jī)輪荷載的綜合作用下，逐漸出現(xiàn)表面剝落和表面微裂縫等表層類病害；在冰雪凍融等自然環(huán)境作用、水分侵蝕、發(fā)動機(jī)尾噴氣流侵蝕、機(jī)輪荷載等因素的綜合作用下，表面剝落和表面微裂縫不斷發(fā)展，剝落面積和嚴(yán)重程度逐漸增加，不得不采取養(yǎng)護(hù)維修，從而形成補(bǔ)丁補(bǔ)塊等修補(bǔ)類病害；微小裂縫不斷變深變寬，水分沿裂縫侵入道面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在凍融循環(huán)和凍脹作用下，逐漸形成道面板輕度裂縫。在機(jī)輪荷載和道面板持續(xù)綜合作用下，輕度板角斷裂演化成重度板角斷裂，輕度裂縫演化成輕度破碎板和重度斷板，并最終演化成重度板塊碎裂等嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性破壞。

從水泥道面病害綜合發(fā)展的一般過程來看，其與瀝青道面的病害發(fā)展過程存在明顯不同，瀝青道面各種病害之間的關(guān)聯(lián)性相對較小，而水泥道面各種病害之間存在密切關(guān)聯(lián)。結(jié)合各種病害之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)果和道面病害實際發(fā)展特點，得到水泥道面病害綜合發(fā)展演化機(jī)制如圖11所示。

圖11 水泥道面病害綜合發(fā)展演化機(jī)制

圖11全面地揭示了水泥道面病害綜合發(fā)展的全過程?？偟膩砜?，水泥道面病害綜合發(fā)展機(jī)制的特點為：由輕到重、由淺至深、由表及里、先慢后快，由接縫類病害和表層類病害等非結(jié)構(gòu)性病害，到修補(bǔ)類病害和豎向位移類，最終到板塊斷裂類等結(jié)構(gòu)性病害轉(zhuǎn)變。水泥道面的每一種病害都是在前1種或幾種病害的基礎(chǔ)上演變轉(zhuǎn)化而來的，而且這種轉(zhuǎn)化的趨勢是始終存在的。延長水泥道面使用壽命的關(guān)鍵就在于延緩一種病害向另一種更嚴(yán)重病害轉(zhuǎn)化的進(jìn)程。因此水泥道面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究的重點在于病害初發(fā)期和病害發(fā)展期，也在于各種病害轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵節(jié)點。在土基穩(wěn)定和道面結(jié)構(gòu)組合合理的情況下，水泥道面填縫料損壞和邊角剝落等病害是誘導(dǎo)道面出現(xiàn)板底脫空及錯臺的主要因素，錯臺及板底脫空又是導(dǎo)致斷裂類病害等結(jié)構(gòu)性破壞的主要原因。同時表面剝落和表面裂縫也是導(dǎo)致斷裂類病害等結(jié)構(gòu)性破壞的一個重要因素。

3 結(jié)論

1)季凍區(qū)水泥道面典型病害的形成原因和發(fā)展機(jī)制不同于以往的傳統(tǒng)認(rèn)識，由于受到冰雪凍融循環(huán)和凍脹等自然環(huán)境的影響，其典型病害的機(jī)制更加復(fù)雜。結(jié)合季凍區(qū)特點進(jìn)行典型病害機(jī)制分析對于開展道面綜合病害關(guān)系研究很有必要。

2)本文利用關(guān)聯(lián)規(guī)則分析得到了典型病害間的轉(zhuǎn)化關(guān)系：接縫類病害導(dǎo)致豎向位移類病害，進(jìn)而演化成斷裂類病害。表層類病害一部分導(dǎo)致修補(bǔ)類病害，進(jìn)而演化成斷裂類病害；另一部分直接發(fā)展演化成斷裂類病害。

3)文章結(jié)合關(guān)聯(lián)規(guī)則分析結(jié)果和實際病害發(fā)展情況，得到了季凍區(qū)水泥道面的主導(dǎo)病害為：填縫料損壞、表面剝落、表面裂縫、錯臺和板底脫空等病害。本文確定了季凍區(qū)水泥混凝土道面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的重點內(nèi)容為：及時有效地延緩各種主導(dǎo)病害向更嚴(yán)重的病害轉(zhuǎn)變演化的進(jìn)程。