Performance evaluation of Portland cement concrete pavement based on fuzzy complex matter element method
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摘要: 分析了现行水泥路面养护技术规范, 提出了适用于旧水泥混凝土路面养护和罩面需求的水泥路面性能评价指标体系和评价方法。采用路面状况指数、行驶质量指数和国际摩阻系数等指标评价路面的使用性能, 采用断板率、基层顶面当量回弹模量、接缝传荷能力和板底脱空率等指标评价路面的结构状况。考虑到各评价指标分级的模糊性, 应用模糊物元分析法建立了多指标的路面状况评定方法, 其中的权重确定综合了AHP法和熵值法, 以求同时反映评价分级的主观性和实测数据的客观性。分析结果表明: 实际路段的路面性能对应“中”的关联度最大(0.562 4), 对应“次”的关联度次之(0.319 4), 根据最大关联度原则, 该路段的路面性能属于“中”级偏“次”, 与实际情况相符, 表明评价指标体系和方法可行。Abstract: The needs of maintenance and overlay for Portland cement concrete pavement (PCCP) were considered, the current Chinese technical specifications of cement concrete pavement maintenance were analyzed, and new evaluation index system and method were put forward. Pavement condition index (PCI), running quality index (RQI) and international friction index (IFI) were used to evaluate the functional performance of PCCP. The ratio of broken plate (DBL), the resilience modulus of base course, the load transferring capacity of the joint and the ratio of voided plate were used to evaluate the structural status of PCCP. A systematic pavement performance evaluation model was established by using fuzzy complex matter element method, and the fuzzy in classification of every index was considered. The weight of each index was determined by integrating analytic hierarchy process (AHP) method and entropy method to consider data objectivity and classification subjectivity. Computation result shows that the maximum correlation degree of evaluated pavement is 0.562 4 to the medium grade, and the second largest correlation degree is 0.319 4 to the poor grade, which means that the state of evaluated pavement is medium closely to poor grade according to the principle of maximum correlation, and is fit with the actual situation. The result indicates that the evaluation index system and method are feasible.
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0. 引言
中国《公路水泥混凝土路面养护技术规范》 (JTJ 073.1—2001) [1] (以下简称《养护规范》) 从路面破损状况、结构承载能力、路面行驶质量和抗滑能力4个方面评价水泥路面性能, 其中, 路面破损状况用路面状况指数PCI、断板率DBL评定, 结构承载能力用接缝传荷能力(Kj) 和板底脱空率评定, 路面行驶质量用行驶质量指数(RQI) 评定, 抗滑能力用侧向力系数(SFC) 或抗滑值(SRV) 以及构造深度2项指标评定。但是存在2个问题: 在结构承载能力的评价方面, 只提出了指标, 没有提出分级标准, 且没有基层承载能力方面的指标; 只是提出了多个单项评定指标, 没有一个综合评价指标。因而不同路段间难以进行比较, 也难以进行养护维修方案的决策优化[2-7]。
由于水泥混凝土路面性能评价是一个多因素综合判断的问题, 且在路况调查过程中不可避免地含有调查者的主观判断, 存在一定的人为差异和“轻”与“中”、“中”与“重”等之间的界限模糊现象。鉴于此, 本文在《养护规范》的基础上提出一套反映路面结构性破损和功能性损坏状况的指标体系及分级标准, 并应用模糊物元法对路面性能进行了评价。
1. 水泥路面性能评价指标
路面破损一般可分为2大类: 结构性破损和功能性破损。通过对国内外评价指标的分析, 以及检测技术的发展, 本文提出的路面评价指标包括以下2部分, 水泥路面评定指标体系及其分级标准见表 1。
表 1 评价指标及分级Table 1. Evaluation indexes and classification评价目标A 评价指标B 评价因素C 评价等级 优良 中 次 差 A1: 路面性能 B1: 路面使用性能 C1: 路面状况指数PCI 100~70 69~55 54~40 39~20 C2: 路面行驶质量RQI 10.0~7.0 6.9~4.5 4.4~2.0 1.9~0 C3: 路面抗滑能力IFI 0.322~0.257 0.256~0.154 0.153~0.012 0.011~0 B2: 路面结构状况 C4: 断板率DBL/% 0~5 6~10 11~20 21~40 C5: 基层顶面当量回弹模量Et/MPa > 295 265~295 215~264 < 214 C6: 接缝传荷能力Kj/% > 80 56~80 31~55 0~30 C7: 板底脱空率RV/% 0~5 6~10 11~20 21~40 1.1 路面使用性能评价指标
采用路况指数PCI反映路面损坏状况, 采用路面行驶质量指数RQI评价路面行驶质量, 采用国际摩阻系数IFI评定路面抗滑能力, 应用IFI可对各种路面抗滑测试方法和设备进行统一[7-8]。
1.2 路面结构状况评价指标
由于路面板在使用过程中厚度、强度和弹性模量相对比较稳定, 对路面受力和使用寿命有显著影响的是基层和面板接缝处的情况, 因此, 本文提出采用断板率DBL、基层顶面当量回弹模量Et、接缝传荷能力Kj、板底脱空率RV来评定路面的结构状况。当采用FWD弯沉盆特征参数反算Et时, 其分级标准可参考文献[9]。
2. 路面性能的模糊物元评价
物元分析方法的主要思想是把事物用“事物、特征、量值”3个要素来描述, 并组成有序三元组的基本元, 即物元。如果其量值具有模糊性, 便构成了模糊物元[10]。
给定路况各分项指标的等级标准, 根据道路的实际量值来判断路面的综合状况, 就是一个识别问题。它由“测值、评价指标、分级标准”组成物元, 因此, 可以应用模糊物元分析方法建立水泥路面多指标性能参数的路况评定模型。
2.1 模糊复合物元评价步骤
(1) 根据各指标的实测值以与相应的分级界限值, 计算n个特征(评价指标) C1、C2、…、Cn对应的m个事物(分级标准) 的隶属度μ (xji) (j=1, 2, …, m; i=1, 2, …, n; xji为第j个比较事物Mj的第i个特征Ci的量值)。
(2) 由隶属度函数μ (xji) 确定关联系数kji, 并建立模糊复合物元Rmn。
(3) 按照M (·, +) 运算模式计算各评价指标对应分级标准的关联系数kji与各评价指标的关联系数权重向量W, 得到路面性能对应分级标准的关联度, 建立关联度复合模糊物元。
(4) 根据最大关联度原则评判路面性能所对应的分级。
2.2 模糊物元分析参数的确定
2.2.1 隶属度
对于路面性能评价, 分类参数的实测值均具有离散性, 当观测次数较多时, 可近似认为这些观测数据x对同一类别的隶属函数μ (x) 为正态型, 即
μ(x)=exp[-(x-pq)2] (1)p=a+b2q=a-b1.665
式中: a、b为物元量值范围(a, b) 的边界值。
2.2.2 关联系数
在经典域与节域重合的条件下, 关联函数和隶属度函数等价, 可以互换, 只要确定其中任一函数, 另一个函数也随之确定, 因此, 关联系数kji可由隶属度函数μ (xji) 确定
kji=μ(xji) (2)
式中: kji为第i个特征的第j个比较事物Mj与标准事物Mo之间的关联系数。
2.2.3 关联度
关联度是两事物之间关联性大小的度量。若按关联变换求出的关联系数进行加权平均, 则可得到第j个比较事物Mj与标准事物Mo之间的关联度, 用Koj表示, 即
Κoj=n∑i=1Wikji (3)
式中: Wi为第i个比较事物Mi与标准事物Mo之间的关联系数权重。
2.2.4 权重
运用综合评价方法对路面性能作出评价时, 对指标权重的确定显得尤为重要, 往往影响到评价结果的客观性。考虑到对水泥路面的评价中既包含有基于专家群体的知识、经验和价值的判断等主观因素, 也有实际检测数据的客观信息特征, 因此, 本文将主观赋权法(层次分析法AHP) 和客观赋权法(熵值法) 结合起来确定评价指标的权重, 以求更客观全面地反映各评价指标的重要性和问题的实际情况。
设AHP法给出的主观权重为W′i, 熵值法给出的客观权重为W″i, 则最终确定的权重Wi为
Wi=W′iW″in∑i=1W′iW″i (4)
3. 实例分析
3.1 确定路面性能的复合模糊物元
评价路段各评价因素的实测值见表 2。将实测值及相应各指标的分级界限代入式(1), 得到模糊复合物元中评价量值Mj对应的评价因素Ci的相应量值的隶属度μ (xji), 见表 3。
表 2 评价因素实测值Table 2. Test values of evaluation indexesC1 C2 C3 C4/% C5/MPa C6/% C7/% 47 6.1 0.261 15 249 65.8 17 表 3 评价因素隶属度Table 3. Degrees of membership of evaluation indexes评价因素 优良 中 次 差 C1 0.011 7 0.051 8 1.000 0 0.134 9 C2 0.169 6 0.947 1 0.030 0 0.000 0 C3 0.586 9 0.447 1 0.012 8 0.000 0 C4 0.000 0 0.002 0 1.000 0 0.210 3 C5 0.233 5 0.051 8 0.914 1 0.283 5 C6 0.017 3 0.987 3 0.090 0 0.000 4 C7 0.000 0 0.000 0 0.895 0 0.310 0 路况的模糊复合物元R7×4为
R7×4=[优良中次差ΡCΙ值0.01170.05181.00000.1349RQΙ值0.16960.94710.03000.0000ΙFΙ值0.58690.44710.01280.0000DBL值0.00000.00201.00000.2103Et0.23350.05180.91410.2835Κj0.01730.98730.09000.0004RV0.00000.00000.89500.3100] (5)
3.2 确定权重
3.2.1 AHP法权重
表 4 评价因素的AHP法权重Table 4. AHP weights of evaluation indexes评价因素 B1 B2 AHP权重 0.750 0.250 W′i=m∑j=1BjCnj C1 0.163 0.122 3 C2 0.540 0.405 0 C3 0.297 0.222 8 C4 0.118 0.029 5 C5 0.564 0.141 0 C6 0.055 0.013 8 C7 0.263 0.065 8 3.2.2 熵值法权重
对表 3确定的各评价因素隶属度μ (xji) 做标准化处理, 得到yij, 计算结果见表 5。
表 5 评价因素yijTable 5. yijof evaluation indexes评价因素 优良 中 次 差 C1 0.009 8 0.043 2 0.834 4 0.112 6 C2 0.147 9 0.825 9 0.026 2 0.000 0 C3 0.560 7 0.427 1 0.012 2 0.000 0 C4 0.000 0 0.001 6 0.824 9 0.173 5 C5 0.157 5 0.034 9 0.616 4 0.191 2 C6 0.015 8 0.901 6 0.082 2 0.000 4 C7 0.000 0 0.000 0 0.742 7 0.257 3 因为评价量值分为4级, 即m=4, 所以
k=1ln(m)=0.72135
根据k值和表 5中数据yij, 得到C1~C7的信息熵值ei及差值hi, 最后计算各评价因素的权重Wi, 结果见表 6。
表 6 评价因素的熵权重Table 6. Entropy weights of evaluation indexes评价因素 信息熵ei=-km∑i=1yijln(yij) hi=1-ei W″i=hin∑i=1hi C1 0.417 0 0.583 0 0.149 3 C2 0.386 7 0.613 3 0.157 0 C3 0.534 9 0.465 1 0.119 1 C4 0.341 2 0.658 8 0.168 7 C5 0.737 8 0.262 2 0.067 1 C6 0.265 1 0.734 9 0.188 2 C7 0.411 3 0.588 7 0.150 7 3.2.3 综合权重
根据AHP法和熵值法各自确定的权重, 确定各评价指标的综合权重Wi, 结果见表 7。
表 7 评价因素的综合权重Table 7. Complex weights of evaluation indexes评价因素 权重 AHP法 熵值法 综合权重 C1 0.122 3 0.149 3 0.134 9 C2 0.405 0 0.157 0 0.470 0 C3 0.222 8 0.119 1 0.196 1 C4 0.029 5 0.168 7 0.036 8 C5 0.141 0 0.067 1 0.069 9 C6 0.013 8 0.188 2 0.019 1 C7 0.065 8 0.150 7 0.073 2 3.3 路面性能的模糊物元评价
由表 7中的综合权重Wi构成权重复合物元为
RWi=[ΡCΙ值RQΙ值ΙFΙ值DBL值EtΚjRVWi0.13490.47000.19610.03680.06990.01910.0732] (6)
将式(5) 确定的模糊复合物元R7×4及权重复合物元RWi, 按照M (·, +) 运算, 即先乘后加, 得到路面性能的关联度复合物元R为
R=[优良中次差Κoj0.21300.56240.31940.0685] (7)
从式(7) 可以看出: 该路段的路面性能对应“中”的关联度最大, 为0.562 4, 对应“次”的关联度次之, 为0.319 4, 因此, 根据最大关联度原则, 该路段的路面性能属于“中”级偏“次”, 与实际情况相符。
4. 结语
(1) 在中国现行《养护规范》的基础上, 考虑到路面罩面的工程实际需要, 提出了新的水泥路面性能的评价指标体系。
(2) 将主观赋权法和客观赋权法结合起来确定评价指标的权重, 以求更客观全面地反映各评价指标的重要性和问题的实际情况。
(3) 在模糊物元分析的基础上, 结合较客观全面的综合权重, 建立了基于综合权重的模糊物元分析方法, 为路面性能的综合评价提供了一条新的途径, 算例分析结果表明该方法是可行的。
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表 1 评价指标及分级
Table 1. Evaluation indexes and classification
评价目标A 评价指标B 评价因素C 评价等级 优良 中 次 差 A1: 路面性能 B1: 路面使用性能 C1: 路面状况指数PCI 100~70 69~55 54~40 39~20 C2: 路面行驶质量RQI 10.0~7.0 6.9~4.5 4.4~2.0 1.9~0 C3: 路面抗滑能力IFI 0.322~0.257 0.256~0.154 0.153~0.012 0.011~0 B2: 路面结构状况 C4: 断板率DBL/% 0~5 6~10 11~20 21~40 C5: 基层顶面当量回弹模量Et/MPa > 295 265~295 215~264 < 214 C6: 接缝传荷能力Kj/% > 80 56~80 31~55 0~30 C7: 板底脱空率RV/% 0~5 6~10 11~20 21~40 表 2 评价因素实测值
Table 2. Test values of evaluation indexes
C1 C2 C3 C4/% C5/MPa C6/% C7/% 47 6.1 0.261 15 249 65.8 17 表 3 评价因素隶属度
Table 3. Degrees of membership of evaluation indexes
评价因素 优良 中 次 差 C1 0.011 7 0.051 8 1.000 0 0.134 9 C2 0.169 6 0.947 1 0.030 0 0.000 0 C3 0.586 9 0.447 1 0.012 8 0.000 0 C4 0.000 0 0.002 0 1.000 0 0.210 3 C5 0.233 5 0.051 8 0.914 1 0.283 5 C6 0.017 3 0.987 3 0.090 0 0.000 4 C7 0.000 0 0.000 0 0.895 0 0.310 0 表 4 评价因素的AHP法权重
Table 4. AHP weights of evaluation indexes
评价因素 B1 B2 AHP权重 0.750 0.250 W′i=m∑j=1BjCnj C1 0.163 0.122 3 C2 0.540 0.405 0 C3 0.297 0.222 8 C4 0.118 0.029 5 C5 0.564 0.141 0 C6 0.055 0.013 8 C7 0.263 0.065 8 表 5 评价因素yij
Table 5. yijof evaluation indexes
评价因素 优良 中 次 差 C1 0.009 8 0.043 2 0.834 4 0.112 6 C2 0.147 9 0.825 9 0.026 2 0.000 0 C3 0.560 7 0.427 1 0.012 2 0.000 0 C4 0.000 0 0.001 6 0.824 9 0.173 5 C5 0.157 5 0.034 9 0.616 4 0.191 2 C6 0.015 8 0.901 6 0.082 2 0.000 4 C7 0.000 0 0.000 0 0.742 7 0.257 3 表 6 评价因素的熵权重
Table 6. Entropy weights of evaluation indexes
评价因素 信息熵ei=-km∑i=1yijln(yij) hi=1-ei W″i=hin∑i=1hi C1 0.417 0 0.583 0 0.149 3 C2 0.386 7 0.613 3 0.157 0 C3 0.534 9 0.465 1 0.119 1 C4 0.341 2 0.658 8 0.168 7 C5 0.737 8 0.262 2 0.067 1 C6 0.265 1 0.734 9 0.188 2 C7 0.411 3 0.588 7 0.150 7 表 7 评价因素的综合权重
Table 7. Complex weights of evaluation indexes
评价因素 权重 AHP法 熵值法 综合权重 C1 0.122 3 0.149 3 0.134 9 C2 0.405 0 0.157 0 0.470 0 C3 0.222 8 0.119 1 0.196 1 C4 0.029 5 0.168 7 0.036 8 C5 0.141 0 0.067 1 0.069 9 C6 0.013 8 0.188 2 0.019 1 C7 0.065 8 0.150 7 0.073 2 -
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