基于模糊层次分析法的旧水泥混凝土路面提升改造决策机制分析

■周桂梅

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

我国20 世纪后期及21 世纪初期所建设的国省道以水泥混凝土路面为主，经过长期的车辆荷载作用，水泥面板存在断板、裂缝、唧浆、板角破裂、蜂窝麻面等病害， 导致道路行车安全性及舒适性降低。 目前，运营的大部分早期修建的国省道水泥混凝土路面正面临着病害修复、提升改造的现状。

在普通国省干线公路养护系统中， 日常巡检、定期检测等获得的数据为养护决策提供大量的依据。 在实际管养过程中，科学管养计划需要考虑技术、经济、环保、美观等因素，如何确保各方平衡、达到利益最大化，是亟需解决的问题。 本研究以福建省国省道管理系统为例，结合某省道水泥混凝土路面提升改造工程，运用层次分析法进行旧水泥混凝土路面提升改造方案评价，为工程应用提供参考。

1 病害类型

水泥混凝土面板抗弯拉强度大，高等级道路面板强度一般大于4.5 MPa，但随着使用年限增长，经过长年累月的车辆荷载及自然环境作用，水泥混凝土路面的使用性能逐渐下降， 进而产生各种损坏。损坏类型的分类依据不同，病害类型也不同。 按照病害的形态分类，可分为接缝破坏和面板破坏；按照病害类型影响分类，可分为结构性病害和功能性病害。 本研究以病害形态类型进行病害分类[1]。

1.1 接缝类破坏

当水泥面板接缝竖向或者横向位移空间受限时，接缝处易产生病害，常见的接缝类破坏为：（1）唧泥；（2）错台；（3）挤碎；（4）拱起。

1.2 混凝土面板破坏

1.2.1 开裂、断板

水泥混凝土面板的病害主要为裂缝和断裂。 当板内应力超过混凝土强度时，常出现横向、纵向裂缝甚至断板，板角亦容易产生断裂。 小型裂缝对行车影响较小， 断裂裂缝则会直接破坏板块的整体性，使混凝土板丧失结构承载力，严重影响行车质量、降低路面使用寿命。

1.2.2 露骨

水泥混凝土面板在长期重荷载作用下，或施工时材料强度太低、养护不到位时，水泥表层材料脱落，细骨料被逐渐磨平，露出混凝土粗骨料。 水泥面板露骨后严重影响行车质量，急剧缩短水泥混凝土路面是使用寿命。

2 常见病害治理措施

2.1 混凝土换板

水泥混凝土是否需要整体换板或者局部换板，除了取决于面板病害外， 更主要取决于基层状态。（1）对于基层已损坏路段，水泥混凝土面板需进行整体置换，同时，混凝土板置换前应先破除旧水泥混凝土面板，对基层进行处置，基层处置合格后方可进行上次面板换板处理。 （2）对于基层完好或者较完好路段，基层功能基本保持完整，仅对旧水泥混凝土面板进行置换。 （3）对于混凝土面板内仅有一条贯穿裂缝，或一个角破损的路段，且破损板角的面积小于1/4 块板的面积时， 只需进行板块的局部更换。

2.2 裂缝维修

水泥混凝土板裂缝处理措施需依据病害程度制定方案。 当水泥板块较完整且无错台时，则只进行板块裂缝修复，无需换板。 如若板块存在错台，则需进行换板处理。

2.3 错台维修

错台治理措施视错台量而分别制定。 当水泥混凝土板块之间错台位移小于6 mm 时， 可不进行维修。当错台量为6～10 mm，可采用机械磨平。当错台量大于10 mm，则需进行水泥面板换板治理，将低位板块整板进行整板换除，同时，还应结合基层使用性能情况考虑是否需对基层进行治理。

2.4 板块脱空处治

当混凝土板板角弯沉测试在20～45（0.01 mm）时，表明老路基层存在的病害，如空隙、松散、脱空，水泥面板加铺前需对基底进行压浆处理，处理后板角总弯沉均应不大于20（0.01 mm），弯沉差应不大于6（0.01 mm），否则应重新进行压浆。

2.5 聚合物改性沥青抗裂贴

水泥混凝土面板加铺前应对面板现有包含纵横缝在内的所有裂缝铺设抗裂贴进行治理，减轻板块裂缝反射至上层沥青层。

3 养护决策影响因素分析与模型建立

当水泥混凝土路面正常的养护维护已难以满足高质量使用性能时候，需对其进行提升改造。 在实际的管养中，除需要考虑技术、经济、环保、美观等诸多因素外， 还应顾及社会民众等多方需求，如何确保各方平衡、达到利益最大化，是亟需解决的问题。 本研究运用模糊层次分析法建立旧水泥混凝土路面改造需求的指数模型，将各道路改造需求进行量化，即建立决策机制模型，为管养部门决策提供依据[2-5]。

3.1 养护决策影响因素分析

行业标准JTG 5210-2018 《公路技术状况评定标准》中对水泥混凝土路面的病害类型及技术状况进行了全面评价[6-7]，但对于路面提升改造工程而言，JTG 5210-2018《公路技术状况评定标准》所定的公路技术状况指数针对性不够。

在日常路面管养中， 如何在有限的资金下，对需提升改造的路面进行系统评价，以便于资金的合理利用显得尤为重要。 为便于养护决策，结合水泥混凝土路面特点及常见病害，分析影响养护决策的主要因素。

3.1.1 路面使用性能

路面使用性能对于道路的行驶质量起着决定性的作用，也是水泥混凝土路面提升改造的出发点和落脚点。 路面使用性能的提高，不仅改善车辆的行驶质量，对于经过城镇的道路，提升路面的使用性能， 也将道路作为城镇对外的名片和会客厅，社会意义重大。

本研究采用路面使用性能指数（PQI）代表路面的使用性能， 该指标包含了路面损坏状况指数（PCI）、路面行驶质量指数（RQI）、路面车辙深度指数（RDI）、路面抗滑性能指数（SRI）、路面结构强度指数（PSSI）等子指标（图1）。

图1 路面使用性能指数

3.1.2 交通量

轴载的作用次数直接关系到路面的使用年限，对于日常养护而言，轴载是交通量的直接反映。 对于交通量大的地区，其水泥混凝土路路面提升改造的诉求较大，改造的覆盖面及收益也较大。

3.1.3 道路等级

道路等级反映了道路在整体路网结构中的地位，对处于主要干线路网的道路，其提升改造受到多方关注，改造的必要性也较明显，在同等情况下将优先考虑进行提升改造。

3.1.4 社会效益

对于有特殊意义的道路，如扶贫、提升产业等具有较大社会效益的道路，除了要考虑上述等因素之外，还应重点关注其社会效益。

3.2 建立评价模型

3.2.1 指标权重确定方法

指标权重的合理性对评价结论的正确性和科学性具有举足轻重的作用，本研究结合公路养护实际，采用层次分析法进行指标权重分析和确定。 同时，基于道路管养的多层次性和复杂性，其指标度量是一种内涵清楚而外延不清楚的模糊概念，因此，采用模糊综合评价法来评价道路的改造需求程度情况。

3.2.2 模型建立

根据上述分析，运用层次分析法构架改造需求指数模型，见图2。

图2 改造需求指数模型

该模型中，准则层“路面使用性能”下各指标为并存关系，准则层其余指标交通量等级、道路等级、社会效益下各指标均为互斥关系，故仅对路面使用性能各指标进行权重计算。

根据上述的评价指标体系，确定准则层判断矩阵P1，路面使用性能准则层判断矩阵P11。各级指标权重计算结果及指标取值见表1。

路面使用性能包含5 个因素， 为并存关系，工程实际中检测值介于0～100，数值越大，表示该项指标表征的路面状态越好，路面使用性能越好则其改造的迫切程度越低，故其在模型中取值为100-实际检测后计算值。

交通量、道路等级、社会效益指标，为内涵清楚而外延不清楚的模糊概念，因此，采用模糊综合评价法来评价其取值，其值只能为一种状态，即各取值子集为互斥关系，具体取值见表1。

表1 指标权重及取值表

根据模型计算可得改造需求指数X，X ∈[0,100]，X 数值越大表明需求越大，X 数值越小表明需求越小， 由此可量化不同道路的改造需求程度，体现需求紧迫的相对关系。

4 工程应用分析

某地区现有3 条水泥混凝土路面上报提升改造计划，鉴于地区资金有限，需对现有3 条道路进行改造需求指数评估。依据本研究模型，3 条公路情况见表2。

根据表2 所列情况，依据表1 各指标权重及取值，可得各公路对应的指标得分，见表3。

表2 道路情况分析

表3 指标分值

根据改造需求模型，可计算得各条公路改造需求指数：

公路1 改造需求指数X1=（20×0.2+19×0.2+15×0.2+25×0.2+20×0.2）+75×0.239+100×0.071+95×0.276=71.05；

公路2 改造需求指数X2=（10×0.2+15×0.2+25×0.2+18×0.2+13×0.2）+100×0.239+80×0.071+85×0.276=69.24；

公路3 改造需求指数X3=（18×0.2+15×0.2+16×0.2+10×0.2+13×0.2）+50×0.239+80×0.071+75×0.276=52.73。

各公路改造需求指数汇总见表4。

表4 改造需求指数

由计算结果可知， 公路1 改造需求指数最高，即需求最强烈，养护部门在进行改造计划安排时应优先考虑。

5 结论

本研究运用层次分析法和模糊评价综合分析，量化决策因素，建立了水泥混凝土路面改造需求指数模型，为公路管养部门进行公路提升改造决策提供有力依据。

5.1 分析了水泥混凝土路面常见的病害类型及处理措施

水泥混凝土路面常见病害有接缝类破坏和水泥面板类破坏， 常用的病害处理措施有混凝土换板、裂缝维修、错台维修、板底脱空注浆、聚合物改性沥青抗裂贴等，实际管养中应根据具体病害情况选择适宜的处理措施。

5.2 建立了水泥混凝土路面改造需求指数模型

从路面使用性能、交通量、道路等级、社会效益为主要影响因素，作为决策指标层，建立评价模型，量化决策因素，建立了水泥混凝土路面改造需求指数模型，为公路管养部门进行公路提升改造决策提供有力依据。