公路建设场地分类研究

严 伟，康 虔,2，肖葵香 ，黄细和，谢春玲，3

(1. 湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410075；2. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；3. 中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410075)

公路建设场地分类研究

严 伟1，康 虔1,2，肖葵香1，黄细和1，谢春玲1，3

(1. 湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410075；2. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；3. 中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410075)

针对干线公路设计时对公路建设场地类别评判的需要，将未确知度理论与层次分析法相结合，建立了山区公路建设场地评价模型。从地质条件、地貌条件、环境条件3个方面综合考虑，筛选出岩石单轴饱和抗压强度、岩体结构特征、岩体软化系数等9个起主要作用的影响因素建立未确知测度综合评判模型。采用运用成熟的AHP法对各判别指标权重进行计算，最后依据置信度识别准则对公路建设场地类别进行划分。将该模型应用到湖南S304公路改造项目中，得出该建设场地属于建设条件困难场地，与事实相符合。结果证明该模型可用于公路建设场地分类，其分析结果可作为设计和施工的重要依据。

道路工程；山区公路；场地分类；未确知测度；建设场地

0 引 言

公路建设对地方经济有着重要的影响，公路建设的等级和规模取决于社会经济水平，而公路建设的发展也制约着社会经济的发展水平。我国公路建设在最近几十年内快速发展，公路路网规模的不断扩大、公路修建的等级不断提高，对公路工程设计与施工提出了更高的要求[1]。公路建设属于带状工程，在山区修筑公路关注的重点不但包括岩土质量，更应该关注建设场地条件。公路建设场地条件决定了公路路基的稳定分析、建造工艺以及支挡结构的选用，这包括公路路基高填与深挖的边坡，桥梁墩台，隧道洞口的仰边坡、浅埋与偏压边坡等复杂问题，对山区公路建设场地进行分类研究是一个重要问题[2]。

公路建设场地分类的难点在于表征该场地的地理条件和地质条件的影响因素极具模糊性和不确定性，我国大部分设计人员目前还仅仅局限于根据单一影响因素，采用专家经验法对公路建设场地进行分类。然而，仅仅靠专家意见进行取舍掩盖了由多因素组成系统的复杂性，随着高等级公路向工程地质条件复杂地区的延伸，采用以上方法进行公路建设场地类别的确定不能充分反映出实际情况，已经不能满足公路建设的需要[3-5]。UM理论可以高效处理不兼容的模糊问题分类，为公路建设场地分类提供了一条有效途径。

因此，笔者借鉴未确知测度理论[6]的思想将公路建设场地评价与其影响因素之间的关系看成一种未确知系统，并引入层次分析法确定各指标权重，将二者优化组合，构建了山区公路建设场地评价模型，较好地消除人为因素带来的偏差，使评价结果相对更加准确，弥补了以往研究的不足，从而为工程的设计与施工提供合理的决策依据。

1 公路建设场地分类模型

1.1 未确知测度理论

设评价对象集X={X1，X2，X3，…，Xn}，评价指标集I={I1，I2，…，Im}。若xij表示第i个评价对象Xi关于第j个评价指标Ij的测量值，则有m维向量xi=(xi1，xi2，…，xim)。设评价等级空间U={C1，C2，…，Cp}，第k个评价等级Ck为xij的等级值；设第k级比第k+1级危险性大，记为Ck>Ck+1；若C1>C2>…>Cp，或C1

若μijk=μ(xij∈Ck)为测量值xij属于第k个评价等级Ck的程度，且μ满足：

0≤μ(xij∈Ck)≤1(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；k=1，2，…，p)

(1)

μ(xij∈U)=1(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

(2)

(3)

1.2 构造单指标未确知测度矩阵

构造单指标测度函数μ(xij∈Ck)(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；k=1，2，…，p)，可求Xi的各个指标测度值μijk，构造单指标测度评价矩阵A=(μijk)m×p如下：

(4)

1.3 层次分析法确定指标权重

在缺乏样本数据及大量定性指标时，AHP法或简单的关联函数方法较为适用。本研究拟采用应用较为成熟的层次分析法对各指标权重进行计算，详细计算过程可参考文献[7]。

1.4 预测矩阵的确定

(5)

1.5 置信度评价及预测结果

本次研究引入置信度评价准则对预测结果进行计算，设λ为置信度(λ≥0.5，通常取λ=0.5或0.6)，若C1>C2>…>Cp，且令

(6)

则认为评价对象的风险等级为CP0。

2 模型验证

2.1 构建公路建设场地评价模型指标体系

笔者通过查阅相关规范、借鉴前人已有的研究成果[3,8-10]并与有丰富现场经验的地质、路基专家协商,从地质条件、地貌条件、环境条件3个方面综合考虑岩体单轴饱和抗压强度(I1)、岩体完整性系数(I2)、岩体软化系数(I3)、地表相对高差(I4)、地表坡度(I5)、场地地震烈度(I6)、日最大降水量(I7)、地下水状况(I8)、地表水情况(I9)共9个指标影响。通过赋值的方法将定性指标转变为半定量指标，使其能够参与到模型的构建中，以得到较为准确的预测结果。依据分级标准化法将各指标分为5级，评价等级集为{C1，C2，C3，C4，C5}即Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级，分别表示建设条件极困难、建设条件困难、建设条件一般、建设条件良好、建设条件极好，每级都设置一个取值标准，分级标准见表1与表2。其中，指标I1，I2，I3根据规范[8]进行分级并取值；I4，I5参考文献[3]进行分级并取值；I6，I7参考文献[10]进行分级并取值；其余指标根据文献[9]进行分级并取值。

表1 定量指标分级标准Table 1 Classification criterion of quantitative index

(续表1)

决策者在实际操作中首先需要采用折线法构造单指标未确知测度函数，再根据该指标的实测值，在图上查得其未确知测度值，计算过程可见图1。公路建设场地评价定量指标的单指标测度函数分别如图2。

其中：βi+1取值为该等级内的平均值。根据该指标实测值x0与测度函数直线的交点到y轴投影的距离即可得出该实测值对应的未确知测度值。

图2 各指标测度函数Fig.2 Uncertainty measurement function of all indexes表2 定性指标分级标准Table 2 Classification criterion of qualitative indexes

影响程度分级赋值地下水情况I8地表水系情况I9Ⅰ级(C1)1地下水非常丰富,有大量涌水地表水系非常丰富,存在江河Ⅱ级(C2)2地下水丰富,有少量涌水地表水系丰富,河沟密布

(续表2)

影响程度分级赋值地下水情况I8地表水系情况I9Ⅲ级(C3)3地下水发育地表水系发育Ⅳ级(C4)4地下水较发育地表水系较发育Ⅴ级(C5)5地下水不发育地表水系不发育

2.2 实例验证

2.2.1 确定单指标测度矩阵

湖南省十二五规划项目“太平至柳家垭公路”拟按二级公路标准建设，路基宽度8.50 m，路面宽度7.00 m，设计速度40 km/h。该项目地处石门县西北部，属中低山地貌，沿线主要为山地，山体陡峻，地形切割较深，区域地质稳定、地质构造简单。地面高程一般在180～680 m，相对高差大于400 m，地表平均坡度为42°，建设场地各项指标统计值可见表3。将各项指标统计值代入到图2对应的单指标未确知测度函数中，得到相应的单指标测度评价矩阵，见式(7)。

表3 各单指标统计值Table 3 Measured data of all indexes

(7)

2.2.2 指标权重计算

[7]，根据层次分析法基本定义，构造各指标权重判断矩阵D，见式(8)。

(8)

可得各指标权重W为：

W={0.042 5，0.312 6，0.033 1，0.033 1，0.146 5，0.214 7，0.060 5，0.096 5，0.060 5}

(9)

2.2.3 建设场地分类结果

由式(5)得预测矩阵B如下：

B=(μik)1×5=[0.223 5，0.016 6，0.185 9，0.540 9，0.033 1]

选取置信度λ=0.5，由式(9)可得太平至柳家垭公路工程属于Ⅳ类建设场地，即建设条件困难的场地。从测度函数的评价矩阵可知，影响公路建设场地类别的主要指标是岩体完整性系数、场地地震烈度、山坡坡度及地下水情况，这就是对公路设计及施工难度影响最大的几个因素，关系到路基建造工艺以及支挡结构，是影响公路造价的主要因素。

为了验证本方法的合理性，采用文献[3]中所提及的二次模糊分类法对石门县太平至柳家垭公路建设场地进行评价，所得结果也是Ⅳ类建设场地。但是笔者所用方法操作更为简便，易于设计人员在现场进行场地类别判定，具有更好的适用性。

3 结 语

基于未确知测度理论，建立山区公路建设场地评价模型。综合考虑地貌、地质、环境等影响因素的相互作用，将山区公路建设场地分为建设条件极好、建设条件良好、建设条件一般、建设条件困难、建设条件极困难5个等级进行分析评价。

对影响公路建设施工难易和路基稳定性的因素进行分析，选取山区公路建设场地的岩体单轴饱和抗压强度、岩体完整性系数、岩体软化系数、山地相对高差、山地坡度陡缓、场地地震烈度、日最大降水量、地下水情况、地表水系情况九项指标作为该评判模型的判别指标。

将该模型对石门县太平至柳家垭公路建设场地进行评价。模型分析结果表明，太平至柳家垭公路属于第Ⅳ类场地，较好地符合了项目工可研究的实际情况。证明该评价模型具有工程可靠性，能作为公路设计人员进行建设场地类别判定的一种方法，具有推广价值。

该模型在地质因素方面只考虑了对工程建设影响较大的岩体性质，工程土体性质如弹性参数、液塑限指标；环境因素只选取了地表水系、地下水情况及日最大降水量，而气候、天气等影响因素尚未在系统中反映，有待进一步研究将其完善。

参考文献(References)：

[1] 马辉,王建军,付会萍，等. 基于公平性的干线公路网布局方法[J]. 长安大学学报(自然科学版),2013,33(1):78-84.MAHui,WANGJianjun,FUHuiping,etal.Layoutmethodofarterialhighwaynetworkbasedonfairness[J].Journal of Chang’an University( Natural Science Edition),2013,33(1):78-84.

[2] 黄新进. 山区公路半填半挖路基稳定性分析方法[D].长沙：湖南大学,2006:1- 29. HUANG Xinjin.StabilityAnalysisMethodforHalfFillingandHalfDiggingRoadbedinMountainArea[D]. Changsha:Hunan University, 2006:1-29.

[3] 苏永华,封立志,蒋德松. 西南山区公路建设场地模糊分类系统研究[J]. 湖南大学学报,2008,35(3):19-23. SU Yonghua, FENG Lizhi, JIANG Desong. Research on the fuzzy classification system of mountain highway site in southwest[J].JournalofHunanUniversity, 2008,35(3):19-23.

[4] 李淑庆,唐伯明,蒙华，等. 重庆市国省干线公路灾害调查与特征分析[J]. 重庆交通学院学报, 2006,25(4):35- 40. LI Shuqing, TANG Boming, MENG Hua, et al. Investigation and analysis of trunk highway disaster characters of Chongqing[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity,2006,25(4):35- 40.

[5] 中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路路基设计规范 JTG D30-2015[S].北京：人民交通出版社,2015. China Communications Second Highway Survey. Design and Research Institute Co.,Ltd.SpecificationsforDesignofHighwaySubgrades：JTG D30-2015[S].Beijing：China Communications Press,2015.

[6] 王光远.论未确知性信息及其数学处理[J].哈尔滨建筑工程学院学报,1990,23(4):52 -58. WANG Guangyuan. Uncertainty information and its mathematical treatment[J].JournalofHarbinArchitectureandEngineeringInstitute,1990,23(4):52-58.

[7] 王新民, 康虔, 秦健春,等. 层次分析法-可拓学模型在岩质边坡稳定性安全评价中的应用[J]. 中南大学学报,2013,44(6):2455-2462. WANG Xinmin, KANG Qian, QIN Jianchun, et al. Application of AHP-extenics model to safety evaluation of rock slope stability[J].JournalofCentralSouthUniversity,2013,44(6):2455-2462.

[8] 中华人民共和国国家标准编写组.工程岩体分级标：GB 50218-2014[S]. 北京：中国计划出版社,2014. The National Standards Compilation Group of Peoples Republic of China.ClassificationCriterionofEngineeringRocks:GB 50218-2014[S].Beijing: China Planning Press,2014.

[9] 《工程地质手册》编写委员会. 工程地质手册[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,2007. Engineering Geological Manuals Committee.EngineeringGeologyManual[M]. 4th ed. Beijing：China Architecture and Building Press,2007.

[10] 薛鹏涛. 公路三级自然区划研究[D]. 西安, 长安大学,2012:15-29. XUE Pengtao.StudyontheThirdClassNaturalDivisionsforHighway[D]. Xi’an: Chang’an University,2012:15-29.

Research of Classification System of Mountain Highway Site

YAN Wei1，KANG Qian1,2，XIAO Kuixiang1，HUANG Xihe1，XIE Chunling1,3

(1. Hunan Zhongda Design Institute Co.,Ltd .,Changsha 410075, Hunan, P.R.China;2 School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, P.R.China；3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, Hunan, P.R. China)

To meet the demand for highway construction site classification and evaluation in trunk road design, the “mountain highway site evaluation model” was established by combining the unascertained degree theory with AHP. The three aspects of geological conditions, geomorphic conditions, environmental conditions were overall considered, and the nine dominating factors including the saturated uniaxial compressive strength of rock mass, characteristics of rock mass structures, rock softening coefficient etc had been selected to work as unascertained measure model discrimination index. AHP was used to check the index weight respectively and finally highway construction site types were classified by reliability recognition criterion. This proposed model was used in S304 highway retrofit project in Hunan province and generated the result that this jobsite fell into category of difficult construction constraints,which well coincides with the reality. Thus it is proved that this model can be applied to highway construction site type classification and the analysis results can provide significant basis for highway design and construction.

highway engineering;highway; classification of site; uncertainty measurement; site

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.12

2015-04-13；

2015-06-02

国家自然科学基金项目(51378512)

严 伟(1983—)，男，湖南华容人，工程师，硕士，主要从事道路勘查与设计方面的工作。E-mail：63615815@qq.com。

U412;X951

A

1674-0696(2016)04-056-04