公路桥梁台背回填质量评价方法研究

梁涛;邹道光;杨丰华;李蕊;张久鹏;裴建中

【摘 要】To evaluate the construction quality of backfilling of highway bridge abutment,analytic hierarchy process (AHP)and fuzzy comprehensive evaluation(FCE)methods were applied to make a comparison,and the settlement monitoring data of abutment backfilling were used to validate the reliability of the methods.Furthermore,the scope of application was analyzed.The study shows AHP is more accurate when compared with FCE.The former method can only decide the relative merits of given backfilling,while the latter can grade the construction of a great number of backfilling projects and evaluate the quality simultaneously.%运用层次分析法和模糊综合评判法评价台背回填工程的质量，并对回填工程的实际沉降监测数据与评价结果进行比较。结果表明：用层次分析法得到的评价结果比用模糊综合评判法得到的结果更准确；但层次分析法仅能判断台背回填质量的相对优劣，而模糊综合评判可给出各台背回填工程的分数，可同时对大量回填工程的质量进行评判。 【期刊名称】《筑路机械与施工机械化》 【年(卷),期】2016(033)012 【总页数】6页(P118-122,127)

【关键词】台背回填;质量评价;层次分析;模糊综合评判 【作 者】梁涛;邹道光;杨丰华;李蕊;张久鹏;裴建中

【作者单位】铜川公路管理局，陕西 铜川 727031;长安大学 公路学院，陕西 西安 710064;陕西铁路工程职业学院 管理工程系，陕西 渭南 714000;长安大学 公路学院，陕西 西安 710064;长安大学 公路学院，陕西 西安 710064;长安大学 公路学院，陕西 西安 710064 【正文语种】中 文 【中图分类】U414.03

随着高速公路的建设，桥梁、隧道和涵洞等构筑物所占比重不断增大［1-3］。许多工程在建成通车不久后就出现大量病害，其中台背回填中路桥过渡段出现的桥头“跳车”是最常见的病害类型之一，给道路结构及驾驶员带来的安全隐患不容小觑［4-5］。

很多研究者运用力学模型和数学方法构建台背回填路堤的沉降预测模型以及桥台对台后填土的力学响应模型，分析桥头“跳车”的动力响应问题等［6-8］。在台背回填中哪种设计因素或哪个回填措施的改变对台背回填的质量影响更大，是施工的关键。因此，适当分析已有台背回填方案，找到台背回填质量控制的关键因素，是本文研究的主要内容。

按照使用的数学方法，一般的数学模型主要分为3类:确定性模型、随机性模型和模糊性模型。确定性模型是指实际研究对象之间具有明确关系，可用方程式、网络结构图等表示的关系，使用的方法多为经典数学方法;随机性模型指实际研究对象具有一定的随机性，通常选择概率统计及随机过程等理论确定其模型;模糊性模型则指实际研究对象及其关系具有模糊性，在分析这些问题时，常常需要借助模糊理论和模糊逻辑等。

由于台背回填中的影响因素较多，相互之间又有一定的交叉影响，且影响因素之间具有一定的模糊性，所以先考虑使用模糊性模型进行分析。从原理来讲，层次分析

法和模糊综合评判都适用于工程问题的分析［9-10］。因此，本文分别采用层次分析法和模糊综合评判法对台背回填质量进行评价。 2.1 层次分析法概述

层次分析法用于解决由于因素的不确定性造成人们在比较、判断、评价、决策时难以量化，从而不能准确判断的问题。 2.2 层次分析法计算步骤 2.2.1 建立层次结构模型

层次结构模型通常包括3个部分:目标层、准则层和方案层。目标层是层次分析法中的最高层，是需要分析的实际问题;准则层是中间层，具体内容为实际问题的影响因素;方案层则是层次分析法中的最底层，具体内容是解决实际问题的具体方案。其中，准则层可以按照影响因素的复杂程度分成若干层，但每一层中的元素最好不要超过9个，否则会因元素过多而造成困难，具体结构如图1所示。 2.2.2 各构造层次的成对比较矩阵

在准则层中，各因素对上一层因素的相对重要程度不同，因此需要对全部因素作两两相互对比，从而得到成对比较矩阵。因素比较之后的重要性按照重要性标度表1取值。

根据表1可计算图1中结构的比较矩阵，准则层对目标层的成对比较矩阵A=(aij)5×5(i，j=1、2、3、4、5)和方案层对准则层的成对比较矩阵Bk= (bij)3×3(i，j=1、2、3;k=1、2、3、4、5)。其中，aij表示因素Bi与Bj对选择最佳方案G的重要性之比，bij表示方案Di与Dj对于准则Bk的优越性的比较尺度。

2.2.3 权向量计算及一致性检验

(1)计算权向量。权向量的计算主要是比较矩阵的最大特征根和特征向量，理论上是根据定义计算，但是当矩阵的阶数比较高时，一般选择简便算法对其进行计算。

有研究者发现，采用幂法、和法和根法得到的最大特征根和特征向量的结果相差均比较小，在具体计算时可任选一种。对于图1所示的最佳方案选择结构，其各层次的最大特征根和特征向量可分别表示:准则层对目标层的最大特征根为λ(2)，特征向量为;方案层对准则层的最大特征根为λ(k3)，最大特征向量为4、5)。 (2)一致性检验。对于每一个成对比较矩阵计算得到的最大特征根和与之对应的特征向量，需要利用一致性指标(CI)、随机一致性指标(RI)和一致性比率(CR)做一致性检验。如果检验通过，特征向量归一化后即为权向量;若不通过，需要重新构造成对比较矩阵。

式中:λmax为比较矩阵的最大特征值;n为比较矩阵的阶数。当CI值越大则比较矩阵的不一致程度越大;CI=0时，比较矩阵为一致阵。

随机一致性指标RI衡量CI值，用于确定比较矩阵不一致程度的容许范围。随机一致性指标RI的取值见表2。表2中，n为1或2时，RI=0，是因为1、2阶的比较矩阵总是一致阵。一致性比率CR是一致性指标C与随机一致性指标R的比值，当n≥3、C＜0.1时，比较矩阵的不一致程度在容许范围之内。 2.2.4 组合权向量计算及组合一致性检验

通常由各准则层对目标层的权向量ω(2)和方案层对准则层的权向量算方案层对目标层的权向量ω(3)=W(3)ω(2)，称为组合权向量。为了明确组合权向量是否可以作为最终的决策依据，还需进行组合一致性检验，即逐层进行一致性检验。如果检验通过，则可按照组合权向量表示的结果进行决策，否则需重新考虑模型或构造一致性比率CR较大的成对比较矩阵。 2.3 台背回填质量影响因素的层次分析 2.3.1 建立层次结构模型

在运用层次分析法评价影响台背回填质量的因素时，首先需要建立台背回填质量影响因素层次结构模型。根据研究目的可知，目标层的质量即为台背回填质量。

在台背回填中，主要通过设计和施工2个方面来控制台背回填的质量，由于环境因素具有不可控性，在设计和施工过程中都需进行必要的考虑，因此不单独列出;由于台背填土高度主要由桥梁标高决定，且台背回填高度对台背回填施工质量的影响较大，因此将其与设计和施工影响平行考虑;需要单独考虑的还有地基土质类型。由此，初步设定准则层为设计指标、施工情况、台背回填高度和地基土质类型4个因素。

方案层选择3种已经回填完成的实际工程的设计施工方案(表3)，详细结构如图2所示。表3中主要列出台背回填中的主要设计因素，施工压实机械选择为工程1最优，工程2、3次之，施工组织设计是工程1、2略优于工程3。 2.3.2 构造各层次中的成对比较矩阵

按照层次结构图中所列的影响因素，邀请专家对影响因素进行两两比较，并按照重要性标度表给出分数，从而得到比较矩阵。 准则层对目标层的比较矩阵 子准则层对准则层的比较矩阵 设计内容: 施工状况:

方案层对准则层的比较矩阵 地基处治: 回填材料: 桥台类型: 压实机械 施工组织: 填土高度: 地基土质

2.3.3 各比较矩阵的权向量计算及一致性检验

为简化计算过程，采用和法计算各比较矩阵的权向量和最大特征根，并对每一层作一致性检验。通过计算结果显示，准则层对目标层、子准则层对准则层、方案层对准则层均满足一致性。

2.3.4 组合权向量计算及一致性检验根据结构图2和各比较矩阵的权向量可知子准则层对准则层的权向量

子准则层对目标层的组合权向量ω(3)= W(3)ω(2)=［0.256 3，0.144 8，0.032 7，0.095 1，0.031 7，0.398 4，0.040 9］T，CR(3)=0.013 6＜0.1，满足一致性。方案层对准则层的权向量

方案层对目标层的组合权向量ω(4)=W(4)ω(3)=［0.433 7，0.232 6，0.333 7］T，CR(4)=0.008 9＜0.1，满足一致性。

根据上述计算结果，可以得到台背回填质量的各个影响因素的权重，如图3所示。从图3中可以得到以下几点。

(1)设计对台背回填质量的影响最大，填土高度次之，施工状况的影响较小，而地基土质的影响则微乎其微。

(2)设计内容中各因素对台背回填质量的影响从大到小依次为:地基处治、回填材料、桥台类型。从权重上来看，地基处治对台背回填质量的影响程度仅略大于回填材料。因为地基是整个回填工程的基础承重层，其受力情况比较复杂，如果地基处治出现问题，必然会对台背回填主体造成影响。

(3)台背回填工程实例的台背回填质量从好到差排序为:工程1、工程2、工程3。目前用于判断台背回填工程质量好坏的指标主要是压实度和工后沉降。在工程1、2、3的压实度均满足要求后，对其工后沉降量进行为期一年的监测，工程1的沉降量为30 mm，工程2的沉降量为43 mm，工程3的沉降量为39 mm，与评价结果基本相符。

综上所述，层次分析法在确定各因素对台背回填质量的影响程度方面具有一定的合理性，可用此方法进行设计方案比选、施工质量预判等。 3.1 模糊综合评判法的步骤

运用模糊综合评判法评判工程质量时一般分为2步:先对每个因素进行单因素评判;再对所有因素进行综合评判。

在具体评判中，首先要确定影响因素，建立影响因素集U;其次判断各因素的权重，建立因素权重集G;然后对评判的对象建立备择集V;进而对每一个影响因素进行单因素评判，得到每一个影响因素对备择集的隶属程度，并构成判断矩阵R;接下来进行综合评判，可表示为Q=GR，其中，为模糊算子;最后，根据评判方法做出评判或计算综合评判值。

评判方法一般有最大隶属度法、加权平均法和模糊分布法。最大隶属度法仅考虑最大评判指标的贡献而舍去了其他评判指标的影响;因此，当最大评判指标不止一个的时候，无法使用最大隶属度法，一般选择加权平均法，加权平均法无法用于非数性量对象的评判，模糊分布法则是将评判指标归一化后直接作为评判结果。在评判工程质量时，对于最后的评判指标处理多选用最大隶属度法。

上述评判步骤为一级模糊综合评判，它是模糊综合评判的基本步骤和初始模型。但是，一级模糊综合评判法仅适用于比较简单的问题，对于影响因素较多的问题，一级模糊综合评判难以给出合理的结果，必须采用多级模糊综合评判法。

多级模糊综合评判就是多次叠加的一级模糊综合评判。在多级综合模糊评判中，由于涉及到的因素较多，可先根据因素性质的不同进行分类，然后对每一类中各个因素进行评判，最后再在各类之间进行综合评判;或者当因素可以分为多个层次的时候，可先按最低层次的各因素进行评判，然后层层递进直至最高层次，最终得到总的评判结果。

3.2 模糊综合评判在台背回填工程中的应用

本节先采用层次分析法确定台背回填影响因素的权重，再通过一级模糊综合评判模型判断台背回填质量。

(1)建立因素集。影响台背回填的主要因素有地基处治、回填材料、桥台类型、填土高度、地基土质和施工状况等。因此，因素集U={地基处治，回填材料，桥台类型，填土高度，地基土质，施工状况}。

(2)建立权重集。根据层次分析法计算结果，可以得到权重集G={0.256 3，0.144 8，0.032 7，0.398 4，0.040 9，0.126 8}。

(3)建立备择集。因为评判目的是判断台背的回填质量，总评判结果应该是质量等级。因此，备择集V={优，良，中，差}。其中，“优”表示各设计内容完全达到规范要求，施工状况良好，台后过渡段无“跳车”现象，评分为90～100。“良”表示各设计内容完全达到规范要求，施工状况满足要求，台后过渡段有较小沉降差，基本不发生“跳车”现象，评分为80～89。“中”表示各设计内容基本达到规范要求，施工状况满足要求，台后过渡段有轻微“跳车”现象，评分为60～79。“差”表示设计内容未达到规范要求，施工状况不满足要求，台后过渡段产生“跳车”现象，评分小于60。

(4)单因素模糊评判。针对工程1台背回填工程的每一个因素进行单因素评价，得到单因素评价结果R1=(0.7，0.3，0，0)，R2=(0.4，0.6，0，0)，R3=(0.5，0.5，0，0)，R4=(0.2，0.7，0.1，0)，R5= (0，0.3，0.6，0.1)，R6=(0，0.9，0.1，0)。

(5)模糊综合评判。运用一级模糊综合评判计算评判指标Q=GR={0.256 3，0.398 4，0.100 0，0.040 9}。

(6)评判指标的处理。采用模糊分布法，归一化得到QT={0.322，0.500，0.126，0.052}。

为了对台背回填质量有较为直观的认识，对评价集中的优、良、中、差4个等级

进行量化，得到V={优，良，中，差}=［95，85，70，50］T。然后得到工程的质量评分为S=QTV=0.322×95+0.5×85+0.126×70+ 0.052×50=84.51。 由计算结果可知，84.51处在80～89范围内，因此，工程1的台背回填质量为良。 根据上文所述的评价方法和计算步骤，可以计算得到不同台背的回填质量，只要因素集、备择集的选择和评价指标一致，即可将各工程的最后评分进行比较，从而根据各工程的得分高低，判断各工程的优劣。

(1)由于台背回填中的影响因素较多，且相互之间又有一定的交叉影响，准确判断各因素对台背回填质量的影响比重较为困难。因此，选择层次分析法和模糊综合评判法来评价台背回填质量。

(2)层次分析法的优势在于，通过建立比较矩阵并进行一致性检验，来降低人为主观因素的干扰，使经过计算得到的各影响因素的台背回填质量权重较为准确。通过这一方法，既可以得到台背回填质量影响因素中的关键影响因素，还可以对各工程的台背回填质量排序，进行方案比选。

(3)模糊综合评判法的优势是可以判断出每个台背回填质量的优劣，并可以通过打分的方式给台背回填工程的质量一个分数。在相同评判指标下，根据分数的不同，可以对各个台背回填工程的回填质量进行比较。

(4)当影响因素较多或较为复杂的时候，有时会出现综合模糊评判失效的问题。可先采用层次分析法确定各影响因素的权重，再使用一级综合模糊评判模型对台背回填质量进行评判，避免了综合模糊评判失效。

参考文献:

［1］赵青龙.搅拌工艺对沥青混合料搅拌均匀性的影响［D］.西安:长安大学，2015.

［2］曹勇涛.热沥青混合料在搅拌过程中的不均匀性及其质量控制［D］.西安:长

安大学，2008.

［3］施昌权.浅谈沥青拌和站出现异常混合料的原因及其解决方法［J］.交通工程，2011(2):177-178.

［4］胡建军.浅谈公路沥青路面施工技术要点［J］.东方企业文化·东方智慧，2012(4):192，178.

［5］韩冰，林明星，丁凤华.机器视觉技术及其应用分析［J］.农业装备与车辆工程，2008(10):24-27.

［6］姒绍辉，胡伏原，顾亚军，等.一种基于不规则区域的高斯滤波去噪算法［J］.计算机科学，2014，41(11):313-316.

［7］张英烈.人群密度估计研究及其在医院中的应［D］.杭州:杭州电子科技大学，2015.

［8］肖大雪.浅析数学形态学在图像处理中的应用［J］.科技广场，2013(5):10-19.

［9］李晓飞，马大玮，粘永健，等.图像腐蚀和膨胀的算法研究［J］.影像技术，2005(1):37-39.

［10］范敏，陈曦，王楷，等.基于对比度与最小凸包的显著性区域检测算法［J］.仪器仪表学报，2014，35(10):2328-2334.素分析［J］.交通运输工程学报，2005，5(3):36-40.

［6］程兴新，王选仓，高志伟.基于路面破坏响应的差异沉降控制标准［J］.长安大学学报:自然科学版，2010，38(5):31-34.

［7］张洪亮.路桥过渡段车路动力学分析及容许差异沉降研究［D］.西安:长安大学，2003.

［8］邢玉东，王常明，张立新，等.阜新-朝阳高速公路段湿陷性黄土路基处理方法及效果［J］.吉林大学学报:地球科学版，2008，38(1):98-104.

［9］刘锡荟，刘立泉.模糊数学在结构工程中的应用［J］.建筑结构学报，1982(5):32-45.

［10］孙海霞，王忠，梁玉舫.模糊数学在道路工程质量评价中的应用［J］.沈阳工业大学学报，2006，28(2):193-195. 【相关文献】

［1］潘晓东，杜志刚，杨晓光.桥头跳车对行车安全影响评价指标的研究［J］.同济大学学报:自然科学版，2006，34(5):634-637.

［2］王俊刚.高速公路桥头跳车交通影响分析与处治措施［D］.长春:吉林大学，2012.

［3］赵衡，刘晓明.桥头跳车引起的路面受力计算分析［J］.公路交通科技，2005，22(5):59-62. ［4］陶向华.路桥过渡段差异沉降控制标准与人车路相互作用［D］.南京:东南大学，2006. ［5］刘萌成，黄晓明，陶向华.桥台后高填方路堤工后沉降影响因设计了基于机器视觉技术的沥青混合料花白料识别方法。

检测结果表明:本研究检测沥青混凝土搅拌均匀性特征的准确率为97.8%，花白料面积和面积比检测准确率为98.4%，整体准确率为98.1%，沥青混凝土图像的平均检测速率为第幅0.09 s。因此，本研究方法准确率高、速率快、整体效率好。