基于模糊理论的路面结构优选研究

1基于模糊理论的沥青路面结构优选许新权1，郑南翔2,吴传海1，袁美俊2（1.广东交通集团检测中，广州，5104202.长安大学公路学院，西安，710064）摘要：本文对提出的四种路面结构进行各种性能的分析，考虑甘肃省的气候、交通、地理、筑路材料、经济性、路面寿命，应用模糊评判模型对四种路面结构在甘肃河西地区进行了综合性能评价，并推荐了最优的路面结构，分析表明应用模糊评判模型可以考虑不同地区的特点优选路面结构。关键词：沥青路面；模糊理论；结构优选；分析中图分类号：U416.217文献标识码：AStudyonstructureoptimizationofasphaltpavementBasedonthefuzzytheoryXuXinquan1,ZhengNanxiang2,WuChuanhai1,YuanMeijun2(1.GuangdongCommunicationGroupTestingCenter,Guangzhou,5104202.Chang,anUniversity,xi,an,710064)Abstract:Inthispaper,analyzedthevariousperformanceofthefourdiffientpavementstructure,AccordingtotheclimateinGansuProvince,transportation,geography,roadbuildingmaterials,economiclevel,theroadlife,evaluatetheComprehensiveperformanceofthefourpavementstructurebasedonfuzzyevaluationmodelinthefourareasoftheGansuHexi,andrecommendtheoptimalstructureoftheroad,theanalysisshowsthatfuzzyevaluationmodelcanconsiderthecharacteristicsofdifferentareasforthepavementstructureoptimization.Keyword:asphaltpavement;FuzzyTheory;structureoptimization;analysis0引言在路面结构设计中，合理地选择路面结构类型，对充分利用地方资源，节约资金和能源，提高道路服务水平具有重要意义[1]。从路面结构的特点可以看出，路面的性能由多种因素确定，单项指标只能表征路面在某一方面的性能，并不能全面地评价路面的综合性能，对于路面结构的优选这样一个既含有定量因素，又包括定性因素的评价问题，运用传统数学方法来建立标准的切实可行的综合评价模型，使定性评价数量化是比较困难的。然而，模糊数学的创立和发展为解决这一问题提供了可能。利用模糊数学中的综合评判原理，就能建立起相对科学、切实可行的路面类型优选的综合评判数学模型[2]。因此本文选用模糊综合评价方法结合当地的环境、交通特点评价不同路面的优劣。1路面综合性能模糊评价模型1.1综合评判模型[3]选用模糊综合评价模型评价沥青路面结构的优劣，计算模型如下：设有m个拟定的路面结构类型所组成的方案集：12mVvvv，，，其中jv为第j个结构类型。评价结构类型优劣程度的评价因素或指标共有n个，其中定量因素为1n个，定性因素2n个（1n+2n=n），计定量因素集为1U、定性因素集为2U，由所有影响因素组成的因素集为U：12UUU即：12111nnnUuuuuu，，，，，其中iu为第i个影响因素（或评判因素，简称因素）。单因素评判时，第i影响因素的单因素评判集为：12iiiimRrrr，，，将全体影响因素的单因素评判结果集成，即得单因素评判矩阵：11121122122212mmnnnnmrrrRRrrrRRrrr，，，，，，，，，，，，2其中，ijr为第i个因素iu对j结构类型jv的隶属度。由于影响因素在模糊综合评判中所处地位和所起的作用不同，因此对各个影响因素赋予不同的权重，从而得反映各影响因素重要程度的因素权重集：12inAaaaa，，，,其中ia为第i因素iu的权重，0ia，11niia。那么，模糊综合评判结果即得评判集：12mBARbbb，，，式中ib为综合考虑所有因素的影响时，评判对象对第j个结构类型jv的隶属度，即评判指标：1niiijibar根据评判指标ib的大小，即可以对结构类型的优劣进行排序，ib值越大，表示第j个结构类型越好，从而对结构类型进行优选推荐。1.2模糊关系的量化模糊关系的量化就是确定单因素模糊评判矩阵R，即确定隶属度ijr。根据影响因素的性质，以下从定量因素和定性因素两个方面来分析。（1）定量因素的隶属度由于定量因素的指标值之间往往量纲是不同的，而且指标值可能的变化范围的差异也较大，为了便于比较，按照最优值相对隶属度为1的原则，定义隶属度。为此对于值越大越优型因素（所谓越大越型因素是指因素指标值以最大值为最优，反之则为越小越优型因素）的隶属度为：maxijijijyry对于越小越优型因素，其隶属度为：min1maxijijijijyyry式中ijy为第j个结构类型中i项因素的指标值；maxijy与minijy分别为各类结构中i项因素指标的最大值和最小值。（2）定性因素的隶属度定性因素以模糊语言来表示，例如优、良、中、差等，并以此来表示不同结构类型相对比较而言的性能。以有利于结构类型的性能者为优，最不利者为劣，一般可以分为5级，即优、良、中、次、差，相对应的隶属度分为1、0.75、0.5、0.25、0。对于处于等级中间过渡的状态者可以用线性内插的办法，确定其相应的隶属度。对于某些定性的因素还可以分几个子因素，按照百分比分别加算，然后归一，表示该因素的几个侧面的综合因素。2基于模糊理论的沥青路面结构评价优选2.1评价因素或指标的选择路面结构由路基、垫层、基层和面层组成，为了保证公路上最大限度的满足车辆运行的要求，提高车速、增强安全性和舒适性，降低运输成本和延长公路的使用年限，要求公路沥青路面必须具有下述一系列的基本性能[4]：（1）承载能力，（2）稳定性，（3）耐久性，（4）表面平整，（5）表面抗滑性能，（6）经济。沥青路面结构优选的目标是技术上可行、可靠、先进、耐久，能提供畅通、安全、舒适的行车环境，经济上要求合理，投资节省力求取得最好的经济社会综合效益。根据沥青路面结构的基本要求，选用如下单项指标标来分别评价路面结构的单项性能：（1）对路面结构承载能力，选用路面表面的弯沉和层底拉应力表征路面的整体承载能力和抗拉的能力；（2）对路面结构的稳定性，选用路面表面的车辙深度来表征路面结构的高温稳定性，然后根据路面调查的结果，确定不同路面结构在相同的条件下产生的裂缝数和水损害的特点分别评述不同路面结构的抗裂性能和抗水损害的性能；3（3）对路面结构耐久性，选择沥青路面结构的预估寿命作为评价路面耐久性的指标；（4）对路面表面抗滑性能，选用摩擦系数表征路面表面的抗滑性能；（5）对路面结构的经济性，对于不同的路面结构由于人工、机械花费的费用基本上相同，因此本文只选用路面结构修建时的材料价格来表征路面结构经济的优劣。2.2基于模糊理论的沥青路面结构评价优选以甘肃河西走廊地区为例评价推荐的路面结构的适用性的优劣。拟定的四种沥青路面结构见表1。表1路面结构表路面结构1路面结构2路面结构3路面结构4材料厚度(cm)材料厚度(cm)材料厚度(cm)材料厚度(cm)AC164AC164SUP165SUP164AC205AC206SUP257SUP205AC256ATB2515OGDM196基层30级配碎石20基层40基层40底基层20底基层20底基层20底基层20土基150土基150土基150土基150由上述四种路面结构组成的评价集：121234mVvvv，，，结构，结构，结构，结构1）评价的因素的确定根据影响路面性能的因素确定的评价因素及指标见下表2。表2路面结构性能评价因素及指标影响因素评价指标承载能力弯沉抗弯拉的能力层底拉应力高温稳定性车辙深度抗裂性能裂缝率抗水损害的性能路面排水的能力耐久性疲劳寿命抗滑性摩擦系数经济性初期造价由上述因素组成因素集为：U12345678uuuuuuuu，，，，，，，=（承载能力，抗弯拉德能力，高温稳定性，抗裂性，抗水损坏的能力，耐久性，抗滑性，经济性）其中承载能力、抗弯拉的能力、高温稳定性、耐久性、抗滑性、经济性为定量因素，根据计算的结果确定。而抗裂性和抗水损害的性能为定性的因素，根据甘肃沥青路面调查的结果选用相对合理的隶属度。2）不同路面结构的评价指标值的确定为了考虑重载交通的影响，路表弯沉值和层底拉应力选用160KN轴载作用的计算结果，用路面力学计算程序对拟定的路面结构的路表弯沉，层底拉应力进行了计算，并预估了不同路面的车辙深度及疲劳寿命，如下表3。表3不同路面结构在160KN轴载作用下指标值指标路面结构类型路面结构1路面结构2路面结构3路面结构4路表弯沉（0.01mm）27.7435.5326.7826.2层底拉应力(MPa)0.12830.12620.099430.099384预估车辙深度（mm）29.9527.5922.1013.7预估的疲劳寿命（次）1.88E+071.69E+072.91E+073.29E+07对于路面结构的低温抗裂性和抗水损害的能力只能根据路面调查的结果定性的描述，从甘肃省高等级公路沥青路面结构调查的结果来看，沥青路面结构1的裂缝最多，路面结构3的裂缝次之，路面结构2的裂缝较少，路面结构4的裂缝最少。路面的抗水损害的能力，沥青路面结构4的下面层设置了排水层，抗水损害的能力最好，其次是路面结构2，再次是路面结构1，最差的是路面结构3。对于路面结构的抗滑性能，用路面竣工时的测试数据评价，武威试验路面层竣工时对不同路面结构的构造深度进行了检验，具体的数值见下表4。对于不同路面结构的材料造价，根据当地的材料价格进行计算。各路面结构的路面宽度取10.5m，路段长度取1km进行计算比较。计算结果如表4所示。表4不同路面结构的构造深度及造价指标路面结构类型路面结构1路面结构2路面结构3路面结构4构造深度（mm）0.570.570.840.84造价（万元）227.07272.37223.34254.75表5定量因素隶属度计算结果指标路面结构类型路面结构1路面结构2路面结构3路面结构4路表弯沉0.9570.7370.9841.000层底拉应力0.7750.7911.0001.000加速加载车辙深度0.4570.5360.7201.000预估的疲劳寿命0.5710.5140.8841.000摩擦系数0.6790.6791.0001.000造价0.9860.8201.0000.8853）计算各因素的隶属度（1）定量因素的隶属度计算，根据定量因素的隶属度的计算方法，计算各因素的隶属度见表5。（2）定性因素的隶属度计算根据甘肃省高等级公路沥青路面调查的结果在同样荷载的作用下，沥青路面结构四的车辙最小，也没有发生水损坏，因此路面结构四的抗裂性和抗水损害的隶属度取值最大，而路面结构3产生的裂缝较多，其抗裂性的隶属度最小，路面结构一的基层材料采用悬浮结构，抗水损害的能力最差，其抗水损坏的隶属度最小。具体的取值见表6。表6定性因素隶属度计算结果指标路面结构类型结构1结构2结构3结构4抗裂性0.550.850.50.81抗水损害的性能0.70.90.70.9由上述各因素的隶属度计算的结果可以得到单因素评判矩阵：1280.9570.7370.9841.0000.7150.7911.0001.0000.4570.5360.7201.0000.5710.5140.8841.0000.6790.6791.0001.0000.986