软土区沥青路面性能的分布特征研究★

雷 电，柏鲁甬，王惠敏，邵林龙，张 琛

(1.宁波市公路与运输管理中心，浙江 宁波 315000；2.宁波正信检测科技有限公司，浙江 宁波 315000;3.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

浙江省地处我国东南沿海地区，广泛分布着典型的淤泥质软土。软土的空间分布特性对研究软土区沥青路面性能至关重要。

目前，国内外学者对软土的相关特性进行了大量的研究。陈晓平等[1]对珠江三角洲软土的物理力学指标进行了统计分析，结果表明，近海软土的压缩系数与天然含水量、天然孔隙比之间存在较好的线性关系。Finno等[2]对获取的3 m深度处的湖相软土试样进行了物理力学试验，分析发现，湖相软土的压缩模量和压缩系数呈现显著的相关性。王元战等[3]针对天津滨海淤泥质软土的蠕变变形规律进行了研究，建立了反映滨海软土的非线性流变本构模型。杨章财、刘用海[4-5]采用分别加载的方式对宁波软土进行三轴剪切蠕变试验，建立了合适的经验模型。Geuze[6]对圆柱试样进行扭转试验来研究软土的蠕变特性，发现 Bingham黏塑性模型理论可以分析软土的流变特性。Haefeli[7]在对软土蠕变特性研究报告中指出，蠕变变形直接或间接地对软土地基的力学特征产生影响。Kutter，Silva，占清华等[8-10]研究发现，经验模型参数少，方便应用于实际工程，但其缺乏严密的力学理论基础，因此需要不断进行优化。王明磊[11]利用数值模拟与神经网络二者相结合的方法预测了福建江阴港滨海软土的沉降，经验证，该方法对于分析复杂环境下滨海软土沉降问题有较好的效果。Du等[12]采用有限元模拟分析了软土地基4种沉降模式(均匀沉降、一端沉降、两端沉降、中心沉降)对路面的应力造成的影响，研究发现，不均匀沉降在路面结构层间会产生较大的附加应力，且软土地基对路面基层结构影响显著。

综上，目前少有研究从可视化的角度探究近海软土的空间分布与沥青路面性能相关性的问题，因此，本研究根据浙江省近海软土区的实际调研数据，统计分析路面性能现状，并采用ArcGIS软件建立沥青路面病害的空间分布模型，进而分析软土空间分布与沥青路面性能的相关性，为完善近海软土地区沥青路面评价奠定基础。

1 近海软土区沥青路面性能现状分析

1.1 沥青路面性能现状对比分析

沥青路面性能现状统计分析结果如图1所示。统计指标包括路面损坏状况指数(Pavement Condition Index，PCI)、路面行驶质量指数(Riding Quality Index，RQI)和路面使用性能指数(Pavement Quality Index，PQI)。由图1可知，采用PCI,PQI 评价沥青路面性能状况时，浙江省优等路率超过了90%，次差路率低于1.5%；而采用RQI时，优等路率低于88%，次差路率高于1.5%，这说明作为沿海省份的浙江省沥青路面平整度整体偏差。

选择典型的软土区——宁波市进行调研分析，图2～图4分别是宁波市县、乡道RQI,PCI,PQI现状统计。由图2(a)可知，宁波市县、乡道路RQI普遍都低于80，最大值也未超过90，说明宁波县、乡道路平整度整体偏差。对于海曙区和东钱湖区RQI均低于77，这可能与交通量、交通轴载以及地理位置密切相关。东钱湖附近分布着广泛的软土层，且四周环山，软土层覆盖于硬卧层上，这导致了软土厚度的不均匀性，路面易产生不均匀沉降。此外，采用RQI对路面进行评价时，如图2(b)可知，宁波市各地区的次差路占比较大，东钱湖和海曙区等软土地区的县道次差路率甚至超过20%。说明宁波市各地区沥青路面性能与软土的空间分布存在一定的联系。

由图3(a)可知，各地区县乡道路PCI普遍超过80并接近90，与RQI指标相比，数值偏大，说明宁波市路面损坏状况相比于平整度较好。此外，由图3(b)可知，海曙区和东钱湖区的路面破损状况较差，说明宁波市各地区路面损坏状况与软土空间分布也存在一定的联系。

PQI是由PCI和RQI加权综合计算所得，其中RQI权重较小，弱化了平整度在路面性能评价中的作用。由图4可知，PQI普遍大于80，若采用PQI对路面评价，道路的优良路率偏高，事实上宁波市各地区的平整度整体偏差，说明直接采用现行规范评价体系对近海软土区沥青路面性能综合评价存在缺陷，不能真实反映近海软土区的沥青路面技术状况。

综上，浙江省国、省干道与宁波市县、乡道路路面性能现状相类似，即近海地区平整度普遍偏差，统计分析可知，这与近海软土的空间分布存在一定的联系。此外，若直接采用现行规范评价近海地区道路路面性能，存在缺陷。

1.2 沥青路面破损状况统计分析

宁波市沥青路面各类型病害占比如图5所示。

由图5可知，破损面积占比较大的4种典型病害是横向裂缝、龟裂、纵向裂缝以及沉陷病害。横向裂缝的破损面积占比最大，占比达32.61%。而沉陷病害则会导致路面平整度差，这与RQI分析结果相吻合。采用多功能检测车对宁波市部分省道、县道主要破损类型的破损量进行统计，如表1所示，329国道、龙溪线、新丰路等裂缝病害严重，而象西线、甬梁线、甬金连接线和沿海中线的沉陷病害严重。实际调研发现宁波近海软土区的沥青路面横向裂缝和纵向裂缝的形式较为典型，常表现为贯穿整个行车道的横向裂缝，纵向裂缝常表现为长、直、宽。因此，本研究以100 m 为统计单元，统计了部分国道、省县干道的不同裂缝长度范围所占比例，结果如图6所示。

表1 路面破损状况汇总统计 处

由图6可知，象西线、盛宁线、龙溪线、宝瞻公路等，长度大于15 m的横向裂缝占比均超过60%，说明近海软土区的横向裂缝主要以贯穿行车道的长裂缝为主；长度大于20 m的纵向裂缝占比也均超过60%。说明贯穿的横向裂缝和较长的纵向裂缝是近海软土区的典型病害。

为了验证推测，采用探地雷达对常规裂缝和典型裂缝进行检测，检测结果如图7,图8所示。对比可知，常规路表裂缝的路面结构内部没有检测到裂缝波形图，而典型裂缝的基层内部检测到明显的裂缝波形图，说明贯穿的横向裂缝和长直的纵向裂缝是因为基层的断裂造成的，而基层的断裂很大程度上是软土地基的不均匀沉降导致的。

综上，贯穿的横向裂缝、长而宽的纵向裂缝以及典型的沉陷病害可能是宁波各地区软土不均匀沉降造成的，这与车辆荷载和环境造成的病害表现形式不同，因此近海软土区沥青路面的破损病害具有一定的区域特征。

2 沥青路面性能空间分布特征分析

2.1 格栅数据模型

为了分析路面性能与软土空间分布的关系，采用栅格数据模型对地理信息数据进行栅格划分，实现属性数据可视化。栅格化分一般是将地理空间划分大小、形状相等离散单元，再根据划分的结果把属性数据赋予每个离散单元，最后把地理属性进行可视化展示[13]。

2.2 ArcGIS路面性能空间数据库

地理空间分布数据是地理信息系统实现管理和操作的基础，路面性能空间数据库主要包含3种数据类型，分别是空间数据、属性数据以及关联数据。路面性能空间数据的建立分为3个步骤：建立空间图形数据库;建立属性数据库;分析空间数据和属性数据关联性[14]。

1)建立空间图形数据库。

在ArcGIS软件中，创建二维坐标(X，Y)下的点要素Shape file的格式文件，然后根据浙江省81个县区(相当于是81个检测站点)的经纬度在浙江省的行政区划图上对每个站点位置属性进行赋值，得到浙江省81个路面性能检测点的空间位置分布，最后对81个站点名称属性进行定义，并存储为ArcGIS数据库。宁波市部分国省道沥青路面的平整度现状见表2。

表2 宁波市部分国省道沥青路面的平整度现状

2)路面性能属性数据库的建立。

收集2019年浙江省81个县区的病害数据。为了消除公路里程对各指标数据的影响，首先将原始数据的沉陷、纵向裂缝、横向裂缝等病害均以面积进行统计；然后把病害指标面积分别除以公路里程；最后属性指标确定为PCI，RQI，PQI，沉陷指数，纵缝指数，横缝指数，龟裂指数和修补指数。

2.3 空间模型插值方法

软土地基和道路里程是连续分布的，因此为了解决数据点稀少、离散等问题，需采用空间模型插值方法来补充栅格缺少的属性要素值，在ArcGIS软件中，可采用的方法有克里金插值法、样条函数内插法、趋势面插值法、反距离赋权插值法等。

其中反距离赋权插值法适合尺度较广的属性因子变化趋势的预测。因此，本文采用反距离赋权插值方法。其插值效果主要依赖于反距离插值的幂值，如式(1)～式(3)所示。本文经过多次调整，确定幂值p为2。

(1)

(2)

(3)

其中，p为误差参数，p值影响权重减小的速度；di0为插值点到样本点的距离。

2.4 空间分布特征分析

采用ArcGIS软件建立的浙江省国省干道的沥青路面性能现状空间分布模型图，如图9所示。图9(a)～图9(c)是沥青路面宏观状况建模结果，浙江省国省道沥青路面PCI分布范围为(89,95)，RQI的分布范围为(86,92)，PQI的分布范围为(87,94)，说明浙江省的路面行驶质量较差。且近海地区的PCI，RQI，PQI分布图都呈现浅蓝色，说明浙江省的近海区域的沥青路面性能较差。此外，浙江省中部地区的空间模型分布图呈现深红色，代表PCI，RQI和PQI偏大，说明中部与近海地区相比路况较好。综上，从宏观性能指标可知，浙江省的沥青路面性能具有明显的空间分布特征，近海地区路面性能状况明显较差，结合浙江省的软土分布区域来看，沥青路面性能与近海软土的空间分布密切相关。

3 结论

1)基于路面性能状况调查结果，浙江省和宁波市表现出相似的特征，即PQI,PCI指标没有显著的区域特征，但RQI普遍偏低，国际平整度IRI>2 m/km的占比超过60%，近海区域路段的IRI值甚至超过6 m/km，因此，平整度差是软土区的典型特征之一，软土地区沥青路面性能评价应充分考虑平整度指标。

2)通过对路面破损状况的统计分析得出，近海软土区典型的路表破损病害主要以惯穿的横向裂缝、长直纵向裂缝、龟裂以及沉陷4种病害为主。经探地雷达检测验证，这种路表的典型病害很大程度上是路面内部结构病害反射导致的。

3)根据路面性能空间模型分析得出，软土区的沥青路面性能在空间上具有一定的分布规律。PCI,PQI,RQI表现为近海区域值偏小，说明近海区域的沥青路面性能偏差。呈现这种区域特性的原因可能是近海软土的不均匀沉降特性导致的，揭示了软土的空间分布与沥青路面性能存在关联性的客观规律，为完善近海软土地区沥青路面评价奠定基础。