高速公路低路堤路基服役狀態(tài)風(fēng)險評估

徐敬業(yè) 徐林榮 張亮亮

摘要：高速公路低路堤受到路基高度的限制，容易產(chǎn)生工后沉降過大或不均勻沉降等問題。路基設(shè)計和養(yǎng)護規(guī)范中均未針對低路堤設(shè)計進行統(tǒng)一規(guī)定，導(dǎo)致低路堤在建設(shè)期、運營期存在影響工程正常使用的問題。借鑒地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估理論，分析干濕循環(huán)、交通荷載等影響因素，考慮養(yǎng)護維修對各因素進行修正，提出了低路堤路基服役狀態(tài)評估方法。該方法運用模糊綜合評價法和物元分析方法分析建設(shè)期結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性、運營期路基危險性及養(yǎng)護維修修正值，得出低路堤路基綜合風(fēng)險度。將該方法運用于浙北低路堤段工程實例，得到的綜合風(fēng)險度為低度，服役狀態(tài)風(fēng)險程度與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果基本一致，說明了該評估方法的可行性。

關(guān)鍵詞：高速公路;路堤;路基;服役狀態(tài);風(fēng)險評估

中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：20966717（2020）04003608

收稿日期：20191115

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51778634）

作者簡介：徐敬業(yè)（1972 ），男，高級工程師，博士生，主要從事巖土工程研究，Email：837088296@qq.com。

徐林榮（通信作者），男，教授，Email：lrxu@csu.edu.cn。

Received：20191115

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 51778634）

Author brief：Xu Jingye（1972 ）， senior engineer， PhD candidate， main research interest： geotechnical engineering， Email： 837088296@qq.com.

Xu Linrong （corresponding author）， professor， Email： lrxu@csu.edu.cn.

Risk assessment of expressway lowembankmentsubgrade in service status

Xu Jingye a， Xu Linrong a，b， Zhang Liangliang a

（a. College of Civil Engineering; b. National Engineering Laboratory of Highspeed Railway Construction Technology， Central South University， Changsha 410075， P. R. China）

Abstract： The low embankment of the expressway is limited by the height of subgrade， and some special problems such as excessive settlement or uneven settlement are easily caused after construction. At present， the subgrade design and maintenance codes do not uniformly regulate the design of the low embankment， resulting in many problems that would affect the normal use of the structure during the construction and operation of the low embankment. Based on the risk assessment theory of geological disaster， this paper analyzed the effect of some factors such as drying and wetting cycle as well as traffic load on the low embankment of the expressway. In addition， considering the maintenance and repair， these factors were modified and the evaluation method of lowembankmentsubgrade in service status was proposed. Combined with fuzzy comprehensive evaluation method and matterelement analysis method， the structural quality vulnerability in construction period， the risk of subgrade in operation period and the modified value of maintenance and repair were analyzed. And then the comprehensive risk of lowembankmentsubgrade was obtained. The method was applied to a low embankment project in northern Zhejiang. The result shows that the comprehensive risk is low and the service state risk is basically consistent with the filed survey result， which illustrates the feasibility of the proposed evaluation method.

Keywords：expressway; embankment; subgrade; service status; risk assessment

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(biāo)準(zhǔn)。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(fēng)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(biāo)、路基排水系統(tǒng)等做出了嚴(yán)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(dá)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(yán)格的質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)，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(dāng)?shù)吐返搪坊ㄌ貏e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(fēng)險分析，關(guān)系為“風(fēng)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(fēng)險評價體系，得到低路基服役狀態(tài)風(fēng)險評估關(guān)系為“綜合風(fēng)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(zhǔn)確的評估。

2低路堤路基風(fēng)險狀態(tài)評價體系

2.1建設(shè)期易損性評估指標(biāo)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(biāo)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(yán)格。為使評價結(jié)果更加準(zhǔn)確，細(xì)化了質(zhì)量控制指標(biāo)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(biāo)等級劃分如表1所示。

2.2運營期危險性評估指標(biāo)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(biāo)體系，分別對兩因素進行細(xì)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(dá)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[810]，且干濕循環(huán)作用下，CBR值與循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)[1113]，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(biāo)。所建立的低路堤運營期路基危險性預(yù)測評估指標(biāo)取值范圍如表2所示。

2.3養(yǎng)護維修指標(biāo)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(fēng)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(xì)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。

2.4低路堤綜合風(fēng)險度

低路基服役狀態(tài)風(fēng)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(fēng)險度的綜合評價體系，如圖1所示。

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(biāo)結(jié)合模糊綜合評價法和物元分析法進行評價。基于3項主要指標(biāo)細(xì)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

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

3.1.2模糊綜合評價

由各級具體細(xì)化的指標(biāo)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(biāo)為例，隸屬度矩陣為

各評價指標(biāo)的權(quán)重向量為

模糊評價模型為

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(xì)化的指標(biāo)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

由于用關(guān)聯(lián)度函數(shù)求出的值有正有負(fù)，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

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(biāo)為例，關(guān)聯(lián)度矩陣為

各評價指標(biāo)權(quán)重為

物元分析法評價模型為

3.2路基風(fēng)險評價模型

為與路基結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損度、危險度與風(fēng)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桑?.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。

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

式中：a*m為用模糊綜合評價求得的級別偏向變量特征值;a*w為用物元分析法求得的級別偏向變量特征值。

最后低路堤路基服役狀態(tài)綜合風(fēng)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(biāo)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(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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。

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(biāo)結(jié)果如表5所示。

使用AHP法得到地基指標(biāo)的權(quán)重（0.167，0.167，0.5，0.166），路基指標(biāo)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。

易損性取兩種方法中的較大者，即易損性=max{a*m，a*w}。

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(dāng)?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(dāng)?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(biāo)取值如表6所示。

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(yán)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(biāo)的權(quán)重（0.25，0.25，0.5），干濕循環(huán)指標(biāo)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。

危險性取兩種方法中的較大者，即危險性=max{a*m，a*w}。

4.4養(yǎng)護維修修正值評價

養(yǎng)護維修修正值評價指標(biāo)結(jié)果如表7所示。

用AHP法得到養(yǎng)護維修修正值指標(biāo)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。

修正值取兩種方法中的較大者，即修正值=max{a*m，a*w}。

4.5路基風(fēng)險狀態(tài)評價

綜合風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(zhǔn)確，借鑒地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估理念，提出低路堤路基風(fēng)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(biāo)，構(gòu)建了建設(shè)期結(jié)構(gòu)質(zhì)量易損性指標(biāo)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(biāo)體系和養(yǎng)護維修修正指標(biāo)體系。

3）高速公路低路堤服役狀態(tài)風(fēng)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。參考文獻(xiàn)：

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（編輯胡玥）