基于关联规则挖掘的水泥混凝土道面综合病害关系研究

2019-09-17龙小勇蔡良才张罗利

西华大学学报（自然科学版） 2019年5期

龙小勇，蔡良才，沈勇，邵斌，张罗利，资军

(1.空军工程大学，陕西西安710038；2.95979部队，辽宁沈阳110000；3.空军后勤部，北京100010；4.衡阳北方光电信息技术有限公司，湖南衡阳 421001)

道面预防性养护是指在道面状况良好、不影响道面结构承载力的前提下，合理地、有计划地对现有道面系统采取相对应的养护措施，以达到延缓道面性能的衰减、保持或改善道面功能状况、保持道面在整个寿命周期内具有较高效益费用比、推迟后期大修或重建时间的目的，是一种科学的、高效的养护理念[1-2]。预防性养护作为一种全新的养护理念，已经得到了广泛关注，并且在公路沥青路面养护中得到了广泛应用，取得了较好的实际效果。然而，我军机场道面养护工作仍然处于“即坏即修，不坏不修”的阶段，大修或重建时间通常提前到来，无法实现效益-费用比的最大化，甚至严重浪费了资源；因此，开展军用机场水泥混凝土道面(以下简称“水泥道面”)预防性养护研究，促进预防性养护理念在我军机场道面养护中的推广应用具有重大现实意义。而准确认识水泥道面综合病害关系是开展预防性养护研究的基础[3]。

目前关于水泥混凝土道( 路) 面综合病害关系的研究主要集中于公路领域[4-7]，而针对水泥道面综合病害关系的研究则较少[8-9]。传统的道(路)面综合病害关系研究的主要方法有经验分析、实地调研、数据统计等。这些分析方法主要的依据是当前的道(路)面状况，分析过程简单、直接，但是所得到的道(路)面关系往往单一、粗浅，所涉及的病害因素较少，分析维度较低，无法客观全面地认识道(路)面综合病害关系。

部分研究者尝试借鉴其他学科领域的方法，对道(路)面综合病害关系进行研究。关联规则挖掘是数据挖掘和统计学科的交叉技术。数据挖掘又称知识发现，是指运用某种方法对数据进行客观分析，从而挖掘出其中潜在而有价值的信息的一种技术。关联规则即有关联关系的规则，关联规则挖掘就是从大量客观数据中挖掘出事务之间可能存在的某种关联规则[10]。关联规则挖掘事先无需考虑数据变量之间的关系，而是完全基于对统计数据的充分挖掘，得到数据之间的关联规则结果，从而建立数据变量之间的关联或联系。

国内外针对关联规则挖掘开展了大量研究，并取得了丰硕的研究成果[11-16]。从应用角度梳理关联规则挖掘的研究现状可知，随着关联规则挖掘技术的不断发展，其应用领域从最初的零售业商场销售数据关联性分析，扩展到大数据分析、图书馆、情报与档案管理的信息检索、个性化服务、海洋生物数据、电子商务、中医诊断、客户关系管理、决策支持、故障诊断等众多领域。近些年，部分学者将关联规则挖掘技术应用于交通领域，取得了较好的应用效果。张绍阳等采用关联规则分析通过大量数据集中客观地发现了路面病害成因[17]。李丽萍采用关联分析技术对水泥混凝土路面病害关系进行了研究，得到了填缝料损坏、板底脱空、错台、断板之间的关联规则，并得出了它们之间的转化关系[18]。本文拟采用关联规则对季冻区水泥道面综合病害关系进行挖掘。

本文在广泛搜集和调查季冻区水泥道面病害类型及损坏程度等数据的基础上，对水泥道面典型病害发生的原因及机制进行分析和讨论，利用关联规则挖掘技术探索典型病害之间的关联规则，并基于关联规则的支持度、置信度等指标判断主导病害类型及其可能的原因，并与实际工程中病害发展情况进行对比，得到典型病害综合发展演化机制，从而建立起季冻区水泥道面综合病害关系，为下一步制定预防性养护评价指标研究提供依据。

1 季冻区水泥道面典型病害机制分析与讨论

1.1 填缝料损坏和边角剥落

新建机场一旦开放运行，在使用一段时间之后，不可避免地会出现填缝料损坏。新建机场的填缝料在自然环境(尤其是季冻区冻融循环和冻胀作用)长时间的侵蚀作用下逐渐老化。老化的填缝料，其上部硬化明显，与道面板侧壁出现轻微分离脱落；在气温反复变化作用下，填缝料因热胀冷缩进一步损坏甚至开裂，填缝料与板面侧壁之间的缝隙逐渐增大；自然降水和冰雪融水等外部水分、灰尘等其他杂物渗入缝隙；填缝料在夏季高温时膨胀溢出，在机轮荷载与道面板块的综合作用下，最终产生损坏。

填缝料的损坏接缝容易混入泥沙、灰尘、石屑等硬质杂物，这些硬质杂物和损坏剥落的硬质填缝料一并阻塞在接缝内，在一定程度上阻止了板块伸张，导致接缝处板边应力过于集中，在机轮荷载和道面板块的综合作用下，产生边角剥落现象。

1.2 表面剥落

季冻区水泥道面表面剥落产生的原因除施工质量控制不达标、施工养护措施不到位等常见的施工管理原因之外，最主要的就是冻融循环侵蚀作用。因施工工艺因素和水泥水化反应等原因，道面表面不可避免地存在微裂缝，自然降水、施工养护用水、冰雪融水等外部水分通过毛细作用经由微裂缝侵入道面板中，在冻结作用下凝结成冰，体积膨胀9%左右；冰雪融化后的微裂缝继续渗入外部水分，进而冻结成冰，体积膨胀，导致道面表面局部应力集中，引发表层轻微剥蚀。在冻融循环反复作用下，道面表面出现明显剥落损坏。

1.3 表面裂缝

1.3.1 横向裂缝或斜向裂缝

1)干缩裂缝。水泥混凝土在施工中若不采取合理措施，容易发生失水现象，尤其是在干燥的季冻区，水泥混凝土失水现象更加明显。一旦失水过多，水泥混凝土则容易发生收缩，进而导致道面局部应力集中，最终导致干缩裂缝。

2)冷缩裂缝。为了使机场道面具有较高的弯拉强度，通常采用水化速率快、水化热高的高标号水泥。由于季冻区昼夜温差较大，温度的变化导致水泥道面板出现热胀冷缩，产生温度应力造成细微的道面冷缩裂缝，在飞机荷载和雨水的反复影响下，细小的裂纹将会发展成为裂缝。

1.3.2 纵向裂缝

当基层出现压实度不足、承载力不足、因土基土质和湿度不均匀引起不均匀冻胀、机轮荷载长时间非正常作用道面等情况时，水泥道面表面会逐渐出现纵向微裂缝。外部水分沿微裂缝渗入道面结构内部，导致基层液化和软化，在机轮荷载和道面板综合作用下进一步产生唧泥和脱空，从而导致纵向裂缝进一步发展。

1.4 补丁补块

补丁是指板块损坏的部位用与原道面相同的或不同的材料修补的局部道面。补块是因设置地下管线、电缆等而开挖原道面后修补的道面板块。补丁补块反映了道面的历史损坏情况，同时补丁补块比起原道面更加容易出现二次损坏，因此将其列为一种道面损坏类型。

1.5 板块断裂类病害

道面损坏较严重的机场，往往出现较多的板块断裂类病害。断裂类病害属于道面中后期病害类型，通常是由于对早期病害的养护维修不当，放任其发展演变导致。当道面出现表面裂缝和表面剥落等表层类病害时，如果不及时维修，在水分入侵和荷载疲劳的综合作用下，表层类病害不断发展，裂缝不断扩展变深，道面板下土基承载能力不断下降，从而导致板底脱空、唧泥和错台等病害。随着水分入侵和荷载的持续综合作用，最终产生板角断裂、板块断裂甚至板块碎裂等道面结构性损坏。

1.6 板底脱空和错台

1.6.1 板底脱空及错台机制

板底脱空及错台发生的过程一般分为如下3个阶段。

1)接缝填缝料损坏。新建道面使用一段时间之后，接缝填缝料逐渐损坏，与道面板侧壁出现分离脱落，产生缝隙。填缝料损坏的另一个后果是板间传荷能力降低，在季节性温差的持续作用下，道面板块产生翘曲和缩胀变形，道面板块边部挠度增大，导致道面板底和基层之间产生缝隙。

2)水入侵。自然降雨、冰雪融水等外部水分通过接缝处缝隙渗入到道面板与基层间缝隙，导致基层液化和软化，降低基层承载能力。

3)当飞机轮胎经过相邻板块时，先压向后板，因板块与基层之间存在缝隙，机轮荷载使得后板产生向下的位移，促使道面板下缝隙中的水急速流向前板，当飞机轮胎完全脱离后板，驶入前板后，后板向上回弹，后板端部产生瞬态负压区域(即短暂真空区)，形成板底脱空；在后板的泵吸和挤压综合作用下，流入前板下的水以很快的速度向后板回流，基层表面松散的细颗粒材料被水的冲刷作用带走，一部分材料被水经由接缝缝隙带出道面，形成唧泥；另一部分淤积在后板下的缝隙中，随着“回弹-冲刷”过程的反复进行，淤积在后板缝隙处的材料逐渐增多，导致后板端部不断隆起、抬高，从而形成错台。

1.6.2 冻胀沉融对板底脱空及错台的影响

在季冻区，在不良地质、水文条件下，由于秋冬季节的温度下降，道面板下土基中的水分在温度梯度的作用下发生迁移现象，水在冻结中凝结成冰，体积不断增大，使得土基不均匀地膨胀隆起，当冻胀量达到一定程度后就会导致道面板产生错台现象。在春夏季节，随着温度场的变化，土基积聚的冰晶体逐渐融化，土基内部孔隙增大，逐渐变得松软，承载能力下降。在飞机机轮荷载和道面板反复作用下，土基下沉，逐渐形成板底脱空。特别是由于道面板下土基的土质和含水率并非均匀分布，随着填缝料损坏，水沿接缝下渗至板边下部土基，导致局部地基含水量过大；因此，接缝处冻胀现象特别明显，从而导致道面板不均匀冻胀，进而形成错台和板底脱空。

1.6.3 错台和板底脱空的危害

水泥道面在使用到一定年限的时候，不可避免地会出现错台和板底脱空等病害。一定错台量会导致机轮荷载的反复冲击，降低飞机滑行和滑跑的安全性。错台量的增加会加快道面的损坏速度，道面损坏的加速发展又将反作用于错台量的增加。水泥道面错台越严重，则道面动态荷载越大；而道面动态荷载越大，则道面损坏速率越快。道面的错台程度与道面损坏速率相互促进，形成一个恶性循环的过程。

2 基于关联规则挖掘的道面综合病害关系研究

2.1 关联规则基本概念

2.1.1 项与项集

项是数据库中最小的、不可分割的信息单位，用i表示；项集则是包含若干项的集合；设集合I={i1，i2，…，ik}，则i1，i2，…，ik为集合中的项[19]。

2.1.2 事务与事务数据库

一次处理所含若干项的集合T被定义为事务，T⊆I，并且每一个T都有唯一的标识TID[10]。事务数据库是所有事务的集合，用D表示，即D={t1，t2，…，tm}。

2.1.3 项集的频率

设U为项集，U={u1，u2，…，un}，且U包含于I，U为非空集；设Q为若干事务的集合，Q={Ti|Ti∈D，U⊆Ti}，则项集U在事务数据库D中的频率(简称为支持计数或计数)为P(U)=P(u1∧u2∧u3∧…∧un)=|Q|/|D|×100%。

2.1.4 关联规则

关联规则是形如X→Y的蕴含式，其中X⊂I，Y⊂I，并且X∩Y≠∅；X称为关联规则的规则头，Y称为关联规则的规则尾；关联规则用于揭示规则头(X)中的项出现时，规则尾(Y)中的项同时出现的规律[10]。

2.1.5 支持度和置信度

支持度(Support)是描述事务数据库中同时包含X和Y的事务数占所有事务数的比值，即包含X和Y的事务数在事务集中出现的频率，记为Support(X→Y)，即Support(X→Y)=Support(X∪Y)=P(X∪Y)[10]。

置信度(Confidence)是描述事务数据库中同时包含X和Y的事务数占包含X的事务数的比值，即在包含X的事务数中出现包含Y的事务的频率，记为Confidence(X→Y)，即Confidence(X→Y)=Support(X∪Y)/Support(X)=P(Y/X)[10-20]。

支持度用来衡量所得到的关联规则在整个事务数据库中的有用性或可用程度；置信度则用来衡量所得到的关联规则在整个事务数据库中的确定性或可靠程度[10]。一般来说，只有当支持度和置信度同时达到较高程度时，才能认为所得到的关联规则是具有价值的。

对比支持度和置信度的定义式，发现任何一条关联规则都是Confidence(X→Y)>Support(X→Y)。特别说明，关联规则所推出的结果并非是绝对的因果关系，它仅仅说明X中的项和Y中的项同时出现的可能性较大。支持度表示关联规则有用性的大小，若其值很小，则表明它在事务数据库中覆盖范围相对较小，很有可能是偶然发生的。支持度表示关联规则确定性的大小，若其值很低，则表明由X推出Y的可靠程度相对较低。若某条关联规则的支持度和置信度都比较较高，并不一定就表示该规则之间绝对存在某种关联。

为了判断关联规则是否有价值，通常给关联规则设定必须要满足的支持度阈值和置信度阈值；当一条关联规则的支持度和置信度均不小于各自的阈值时，则判定该关联规则是有价值的[10]。该支持度阈值被定义为最小支持度阈值min-sup，它规定了关联规则最低有用性或最低可用程度；该置信度阈值被定义为最小置信度阈值min-conf，它规定了关联规则的最低确定性或最低可靠程度。

2.1.6 强关联规则

满足Support(X→Y)≥min-sup(即关联规则的支持度不小于最小支持度阈值)，且同时满足Confidence(X→Y)≥min-conf(即关联规则的置信度不小于最小置信度阈值)的关联规则被定义为强关联规则。关联规则挖掘其实就是挖掘出强关联规则的过程。

2.2 基于关联规则挖掘的道面综合病害关系模型

2.2.1 道面病害分析数据库的构建

水泥道面的病害通常分为5类：接缝类、表层类、竖向位移类、修补类和断裂类。本文拟利用关联规则对这五种病害之间的关系进行定量研究。由道面损坏调查结果可知，水泥道面主要(典型)病害类型为：边角剥落(含填缝料损坏)、表面剥落、表面裂缝、补丁补块、错台(含板底脱空)、断板。由水泥道面病害分类可知，接缝类病害主要包括边角剥落和填缝料损坏，因文献[21]未将填缝料损坏纳入道面损坏调查内容，因此目前缺乏足够的填缝料损坏的数据统计；但是相关调查研究表明，填缝料损坏和边角剥落密切相关。本文将填缝料损坏纳入到边角剥落统计结果当中一并考虑，统一用接缝类病害表示。表层类病害主要包括表面剥落和表面裂缝，因二者具有高度相关性，在关联规则中将二者统一以表层类病害表示。竖向位移类主要包括错台和板底脱空，因板底脱空同样未被《军用标准》[21]列为道面损坏调查内容，因此目前缺乏板底脱空的数据统计；但是相关调查研究表明，板底脱空和错台密切相关，因此本文将板底脱空纳入到错台统计结果当中一并考虑，统一用竖向位移类病害表示。从所有道面损坏调查数据中选择具有代表性的500个道面板的病害统计数据构成病害分析数据库，用来进行关联规则分析，所选择的数据尽可能地包含上述主要病害类型，且能反映出各类病害出现频率的大小。根据所选取的道面损坏调查数据，统计出现不同病害的道面板块的数量，得到百分比统计分布如图1所示。

图1 出现各类病害的板块数统计图

统计结果显示，出现接缝类病害、表层类病害、修补类病害的板块在所选取的数据样本中占比较大，而出现竖向位移类病害和断裂类病害的板块占比相对较小；但是17.6%和14.6%的百分比，保证了这2类病害在关联规则中具有足够的样本数量。

每一类病害并不是独立地分布于各个板块中。一块道面板在使用寿命周期内将出现若干种道面病害类型，在不同寿命节点，出现的道面病害种类数也不尽相同。为了检验所选择的分析数据能否充分代表道面使用周期各个阶段，分别统计病害数1至5时所对应的板块数，并计算其百分比，统计结果如图2所示。

图2的统计结果表明，病害种类数较少时的板块数较多，而病害种类达到4和5时的板块数相对较少，这符合本文对预防性养护道面的基本要求——预防性养护主要针对道面早、中期病害，因为如果道面损坏特别严重，则预防性养护失去意义。如果道面病害种类集中的板块数量太少，则样本数据缺乏可信度。由图2可知，病害种类数为4和5的板块占比总和达到了14.8% 左右，确保了足够的样本数量，有助于更加充分地挖掘各种病害之间的关系。病害种类数的多少在一定程度上反映了道面损坏的严重程度，不同病害种类数对应的不同病害分类统计情况如图3所示。可以看出，当道面病害种类数为1时，对应的病害类型为接缝类病害和表层类病害，而没有其他病害类型；当病害种类数为2和3时，接缝类病害和表层类病害数量不断增加，同时道面开始出现一定数量的修补类病害、竖向位移类病害和少量断裂类病害；当病害种类数为4和5时，断裂类病害出现的数量开始显著增加，其他4种病害数量继续增加。由此可以得出初步猜想：接缝类病害和表层类病害属于前期病害，修补类病害和竖向位移类病害属于中期病害，断裂类病害属于道面后期病害。下文道面病害综合发展机制将会进一步讨论证实这一猜想。

图2 不同病害种类数对应板块数统计图

图3 不同病害种类数对应板块数统计图

2.2.2 模型的构建

文献[21]对每一种道面板块损坏类型的破损程度作了分级[21]。考虑到本文主要对各种损坏类型之间的关联规则进行挖掘，而破损等级对各种损坏之间的关联规则影响程度较小；因此，本文在进行关联规则分析时不区分损坏的破损等级，一旦某块道面板出现某种损坏类型，无论其破损等级如何，统一记录为出现该损坏类型。

板块间的接缝使得水泥道面无法构成连续整体，病害分布比较离散，每一块道面板相当于一个独立单元。本文以每块道面板发生的病害集合作为一个事务，以接缝类、表层类、竖向位移类、修补类和断裂类等5种病害作为项。根据病害分析数据库，建立关联规则事务数据库D，为了便于表达和分析，事务数据库采用二元形式表示——1表示病害出现，0表示病害未出现。采用EXCEL编程，对事务数据库D进行求解。根据以往关联规则的研究经验，本文选定最小支持度为10%，最小置信度为70%。将置信度和支持度均大于最小置信度和最小支持度的关联规则视为强关联规则，其他的视为弱关联规则。

2.2.3 病害间关联规则的研究

下面对模型求解结果进行关联规则挖掘。为了直观对比，将“X→Y”型和“Y→X”型关联规则的支持度和置信度分别绘制成折线图，如图4—图8所示。其中，“接缝类→Y”表示接缝类病害与其他病害之间的关联规则，“X→接缝类”表示其他病害与接缝类之间的关联规则。

(a)“接缝类→Y”的支持度与置信度 (b)“X→接缝类”的支持度与置信度

在图4(a)中，接缝类→Y的置信度和支持度随Y代表的病害不同而差异明显。接缝类→竖向位移类、接缝类→修补类、接缝类→断裂类、接缝类→表层类的置信度分别为22.59%、40.22%、19.28%、52.89%，均小于最小置信度70%，均未达到最低确定性。这说明在出现接缝类病害的道面板块中，不一定同时出现其他病害(竖向位移类、修补类、断裂类、表层类)。

在图4(b)中，X→接缝类的置信度和支持度随X代表的病害不同而差异明显。竖向位移类→接缝类、修补类→接缝类、断裂类→接缝类的置信度分别为93.18%、73.37%、95.89%，均大于最低置信度70%，具有良好的确定性；支持度分别为16.4%、29.20%、14%，均大于最低支持度10%，具有良好的有用性。因此，竖向位移类→接缝类、修补类→接缝类、断裂类→接缝类均为强关联规则，这说明出现竖向位移类病害、修补类或断裂类病害的板块中，同时出现接缝类病害的可能性很大。表层类→接缝类的置信度为58.36%，小于最小置信度70%，未达到最低确定性。这说明在出现表层类病害的道面板块中，不一定同时出现接缝类病害。

由于前文已经对所有涉及接缝类病害的关联规则作了分析讨论，下面不再对涉及此类病害的关联规则进行赘述。

在图5(a)中，竖向位移类→Y的置信度和支持度随Y代表的病害不同而差异明显。竖向位移类→表层类的置信度和支持度分别为72.73%和12.8%，均大于最低置信度和最低支持度，具有良好的确定性和有用性。因此，竖向位移类→表层类为强关联规则，这说明出现竖向位移类病害的道面板块中，同时出现表层类病害的可能性较大。竖向位移类→修补类、竖向位移类→断裂类的置信度分别为69.32%和67.05%，均小于最小置信度70%，均未达到最低确定性。这说明在出现竖向位移类病害的道面板块中，不一定同时出现修补类病害或断裂类病害。

在图5(b)中，X→竖向位移类的置信度和支持度随X代表的病害不同而差异明显。修补类→竖向位移类、表层类→竖向位移类的置信度分别为30.65%、19.45%，均小于最低置信度70%，均未达到最低确定性。这说明在出现修补类、表层类等病害的道面板块中，不一定同时出现竖向位移类病害。断裂类→竖向位移类的置信度和支持度分别为80.82%和11.80%，均大于最低置信度和最低支持度，具有良好的确定性和有用性；因此，断裂类→竖向位移类为强关联规则。这说明出现断裂类病害的板块中，同时出现竖向位移类病害的可能性较大。

由于前文已经对所有涉及接缝类病害和竖向位移类病害的关联规则进行了分析，故不再对涉及接缝类病害和竖向位移类病害的关联规则进行赘述。

在图6(a)中，修补类→Y的置信度和支持度随Y代表的病害不同而差异明显。修补类→表层类的置信度和支持度分别为89.95%和35.80%，分别大于最低置信度和最低支持度，具有良好的确定性和有用性；因此，修补类→表层类为强关联规则。这说明出现表层类病害的板块中，同时出现修补类病害的可能性很大。修补类→断裂类的置信度为30.15%，小于最小置信度70%，未达到最低确定性。这说明在出现修补类病害的道面板块中，不一定同时出现断裂类病害。

在图6(b)中，X→修补类的置信度和支持度随X代表的病害不同而差异明显。表层类→修补类的置信度为54.41%，小于最低置信度70%，未达到最低确定性。这说明在出现表层类病害的道面板块中，不一定同时出现修补类病害。断裂类→修补类的置信度和支持度分别为82.19%和12%，均大于最低置信度和最低支持度，具有良好的确定性和有用性；因此，断裂类→修补类为强关联规则。这说明出现断裂类病害的板块中，同时出现修补类病害的可能性很大。

(a) “修补类→Y”的支持度与置信度图 (b) “X→修补类”的支持度与置信度

由于前文已经对所有涉及接缝类、竖向位移类、修补类等病害的关联规则进行了分析，故不再对涉及接缝类、竖向位移类、修补类等病害的关联规则进行赘述。

在图7(a)中，修补类→Y的置信度和支持度随Y代表的病害不同而差异明显。断裂类→表层类的置信度和支持度分别为78.08%和11.40%，分别大于最低置信度和最低支持度，具有良好的确定性和有用性；因此，断裂类→表层类为强关联规则。这说明出现断裂类病害的板块中，同时出现表层类病害的可能性较大。

在图7(b)中，X→修补类的置信度和支持度随X代表的病害不同而差异明显。表层类→断裂类的置信度为17.33%，小于最低置信度70%，未达到最低确定性。这说明在出现表层类病害的道面板块中，不一定同时出现断裂类病害。

(a) “断裂类→Y”的支持度与置信度图 (b) “X→断裂类”的支持度与置信度

由于前文已经对所有涉及接缝类、竖向位移类、修补类、断裂类等病害的关联规则进行了分析，故不再对涉及接缝类、竖向位移类、修补类、断裂类等病害的关联规则进行赘述。

在图8(a)中，无论Y代表何种病害，表层类→Y的置信度均低于最小置信度，对比图4(a)可知，接缝类→Y的置信度也普遍较低，无论Y代表何种病害。这说明在出现接缝类病害或表层类病害的道面板块中，同时出现其他病害(竖向位移类、修补类、断裂类)的可能性较小。由此可以初步得出接缝类病害和表层类病害属于道面板块先导病害的推论。

将图4至图8中所有的关联规则统一绘制于图9，其中的“→”并不表示转化关系，仅表示关联规则，数字代表置信度。

(a) “表层类→Y”的支持度与置信度 (b) “X→表层类”的支持度与置信度

可以看出，竖向位移类→接缝类、修补类→接缝类、断裂类→接缝类、竖向位移类→表层类、修补类→表层类、断裂类→竖向位移类、断裂类→表层类、断裂类→修补类等8条关联规则的置信度较高。各种病害间的关联规则都可以从图9中一目了然地看出来。对于置信度较高的关联规则，本文认为在一定程度上反映了较大概率的转化关系。例如“竖向位移类→接缝类”的置信度为93.18%，即出现竖向位移类病害的道面板块中，有93.18%同时出现了接缝类病害，可以认为接缝类病害转化为竖向位移类病害的置信度为93.18%。将图9中所有非强关联规则删除，只保留强关联规则，再将强关联关系变化转化关系，得到各个病害之间的转化关系图，如图10所示。图中的“→”表示较大概率的转化关系，数字表示置信度。

图9 水泥道面病害间关联规则总结

图10 水泥道面病害转化关系图

由图10可知，道面的初期病害类型为接缝类病害和表层类病害，这2种病害都能以较大概率转化成修补类、竖向位移类、断裂类等其他3种病害。而竖向位移类病害和修补类病害属于中期病害，在损坏程度达到一定程度之后，也能以一定概率转化成断裂类病害。断裂类病害属于晚期病害，其他4种病害均能以一定概率转化成断裂类病害。

2.3 道面综合病害关系的分析与讨论

2.3.1 水泥道面病害发展的3个阶段

关联规则仅仅是从数理统计角度得出的客观规则，若脱离实际背景，许多规则或许没有任何意义。因此，必须将关联规则挖掘结果与工程实际相结合，才能得到有实际意义的道面综合病害关系。结合水泥道面病害实际发展规律和关联规则分析结果，本文认为水泥道面病害发展过程分为3个阶段：病害初发期、病害发展期、病害爆发期(如表1所示)。

表1 水泥道面病害发展3个阶段

2.3.1.1 病害初发期

初发期的主要病害种类为接缝类病害和表层类病害，主要病害形式为填缝料损坏、边角剥落、表面剥落、表面裂缝。新建机场的填缝料在自然环境长时间的侵蚀作用下逐渐老化，填缝料与道面板侧壁脱离产生缝隙，外部水分容易通过接缝损坏处下渗，在机轮荷载和道面板块的综合作用下演化成其他病害。同时，新建道面表面的表层类病害在自然环境(如冻融循环侵蚀)和机轮荷载等因素的综合作用下，会演化成其他病害。

2.3.1.2 病害发展期

发展期的主要病害种类为竖向位移类病害和修补类病害，主要病害形式为错台、板底脱空、补丁补块。已经出现接缝类病害和表层类病害的道面板块，如果不及时采取养护维修措施，在雨水侵蚀、冻融循环、机轮荷载等因素的不断作用下，将演化成板块断裂类等结构性破坏。

2.3.1.3 病害爆发期

爆发期的主要病害种类为板角断裂、板块断裂、板块碎裂等断裂类病害。如果在道面病害发展期没有及时采取有效措施进行养护维修，在长期的机轮荷载和环境因素综合作用下各种道面病害将不断增加，呈现集中爆发态势，道面使用性能急剧下降，道面呈现结构性破坏，无法满足使用要求，甚至影响飞行安全，一般需要进行大修或者改建。

2.3.2 道面病害发展演化机制分析

水泥道面病害综合发展的一般过程是：新建机场运行使用后，随着道面服役时间的增加，填缝料不断老化、损坏，在机轮荷载和道面板块综合作用下，产生边角剥落，同时水泥道面板和基层之间开始出现微小空隙。自然降水和冰雪融水等外部水分通过填缝料损坏的接缝渗入道面板与基层间的缝隙中，在水、机轮荷载及道面板持续的综合作用下，产生板底脱空及错台病害；板底脱空及错台对道面板块的受力状态产生较大影响，在机轮荷载的反复作用下导致道面板局部应力集中，特别是板边和板角处，因此导致轻度板角断裂和轻度裂缝等早期结构性破坏[18]。另一方面，道面板表面在自然环境和机轮荷载的综合作用下，逐渐出现表面剥落和表面微裂缝等表层类病害；在冰雪冻融等自然环境作用、水分侵蚀、发动机尾喷气流侵蚀、机轮荷载等因素的综合作用下，表面剥落和表面微裂缝不断发展，剥落面积和严重程度逐渐增加，不得不采取养护维修，从而形成补丁补块等修补类病害；微小裂缝不断变深变宽，水分沿裂缝侵入道面结构内部，在冻融循环和冻胀作用下，逐渐形成道面板轻度裂缝。在机轮荷载和道面板持续综合作用下，轻度板角断裂演化成重度板角断裂，轻度裂缝演化成轻度破碎板和重度断板，并最终演化成重度板块碎裂等严重结构性破坏。

从水泥道面病害综合发展的一般过程来看，其与沥青道面的病害发展过程存在明显不同，沥青道面各种病害之间的关联性相对较小，而水泥道面各种病害之间存在密切关联。结合各种病害之间的关联规则挖掘结果和道面病害实际发展特点，得到水泥道面病害综合发展演化机制如图11所示。

图11 水泥道面病害综合发展演化机制

图11全面地揭示了水泥道面病害综合发展的全过程。总的来看，水泥道面病害综合发展机制的特点为：由轻到重、由浅至深、由表及里、先慢后快，由接缝类病害和表层类病害等非结构性病害，到修补类病害和竖向位移类，最终到板块断裂类等结构性病害转变。水泥道面的每一种病害都是在前1种或几种病害的基础上演变转化而来的，而且这种转化的趋势是始终存在的。延长水泥道面使用寿命的关键就在于延缓一种病害向另一种更严重病害转化的进程。因此水泥道面预防性养护研究的重点在于病害初发期和病害发展期，也在于各种病害转化的关键节点。在土基稳定和道面结构组合合理的情况下，水泥道面填缝料损坏和边角剥落等病害是诱导道面出现板底脱空及错台的主要因素，错台及板底脱空又是导致断裂类病害等结构性破坏的主要原因。同时表面剥落和表面裂缝也是导致断裂类病害等结构性破坏的一个重要因素。