瀝青路面平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

(重慶交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 重慶 400074))

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)迅速發(fā)展，人們對(duì)公路交通設(shè)施安全、暢通、迅速、舒適、方便等功能的要求愈來(lái)愈高。作為道路使用者最為關(guān)心的路面使用性能指標(biāo)，平整度影響行駛質(zhì)量、行駛安全、行駛速度以及車(chē)輛運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，同時(shí)，平整度綜合反映了路面病害及路面使用狀況，是關(guān)系到路面使用性能和服務(wù)性能的最重要的單項(xiàng)指標(biāo)。

一、路面平整度的定義

有關(guān)平整度的定義,美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)(American Society for Testing and Material.ASTM)規(guī)定道路平整度(Traveled Surface Roughness)為路面表面相對(duì)于理想平面的豎向偏差，其影響車(chē)輛的動(dòng)力性能、行車(chē)質(zhì)量、動(dòng)態(tài)荷載和排水[1]。1960年AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials)的道路試驗(yàn)表明約95%的路面服務(wù)性能來(lái)源于道路表明的平整度。從定義可以看出路面平整度是評(píng)價(jià)路面使用性能的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了公眾對(duì)公路運(yùn)行的滿意程度。LTPP(Long Term Pavement Performance)的研究表明，路面平整度特別是初始路面平整度，嚴(yán)重影響路面使用壽命。AASHTO 2002設(shè)計(jì)指南將路面平整度納入設(shè)計(jì)體系，而不僅僅是將其作為施工驗(yàn)收控制指標(biāo),這也是各國(guó)設(shè)計(jì)體系中路面平整度的發(fā)展趨勢(shì)。由此可以看出，路面平整度無(wú)論是在路面管理系統(tǒng)或是路面設(shè)計(jì)中都是至關(guān)重要的因素，甚至有些地方考慮用平整度表征路面性能。可見(jiàn)，平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅可以評(píng)估路面的使用性能，也可以為養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)。

二、瀝青路面平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外路面平整度的評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，主要有斷面類、動(dòng)態(tài)反應(yīng)類和主觀類三類。斷面類評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括平整度標(biāo)準(zhǔn)差σ、功率譜密度PSD(Power spectral Density)等。主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有平均評(píng)分等級(jí)MPR(Mean Panel Rating)、現(xiàn)時(shí)服務(wù)性能等級(jí)PSR(Present Serviceability Rating)、行駛質(zhì)量數(shù)RN(Ride Number)等。20世紀(jì)20年代開(kāi)始出現(xiàn)平整度反應(yīng)類測(cè)試評(píng)價(jià)方法，反應(yīng)類測(cè)試設(shè)備主要包括車(chē)載式顛簸累積儀、美國(guó)公路局研制的BPR平整度儀、澳大利亞NAASRA儀等，通過(guò)測(cè)量車(chē)輛在路面上通行時(shí)車(chē)軸與車(chē)身之間的垂直位移或車(chē)身的加速度作為其對(duì)路面平整度的反映值，所提出的反應(yīng)類評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有顛簸累積值VBI、國(guó)際平整度指數(shù)IRI(International Roughness Index)、斷面指數(shù)Pl(Profile Index)、豎向加速度均方根RMSVA(Root Mean Square of Vertical Acceleration)等。此外，當(dāng)前還出現(xiàn)了更為高效自動(dòng)化的縱斷面測(cè)試系統(tǒng)，如激光斷面測(cè)試儀、超聲波斷面測(cè)試儀、法國(guó)APL縱斷面分析儀和多輪式平整度測(cè)試儀等，通過(guò)測(cè)量縱向斷面高程值，直接計(jì)算出國(guó)際平整度指數(shù)IRI表征路面平整度。

(一)直尺測(cè)定最大間隙h與平整度標(biāo)準(zhǔn)差σ

我國(guó)目前實(shí)行的《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60-2008)[2]規(guī)定了直尺測(cè)定最大間隙h與平整度標(biāo)準(zhǔn)差σ。這兩個(gè)測(cè)定平整度的試驗(yàn)方法。當(dāng)采用3m直尺測(cè)定路面平整度時(shí)，定義3m直尺基準(zhǔn)面距離路表面的最大間隙h表示路面的平整度，適用于測(cè)定壓實(shí)成型的路面各層表面的平整度，以評(píng)定路面的施工質(zhì)量。當(dāng)采用連續(xù)式平整度儀檢測(cè)時(shí)，一般采用路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差。來(lái)表征路面平整度，用于評(píng)定路面的施工質(zhì)量和使用質(zhì)量，但不適用于在己有較多坑槽、破損嚴(yán)重的路面上測(cè)定。

(二)國(guó)際平整度指數(shù)IRI

國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)是美國(guó)國(guó)家公路研究計(jì)劃(NCHRP)1978年提出，由世界銀行推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)平整度測(cè)試指標(biāo)[3-5]。由一條單向縱斷面計(jì)算得到，采用1/4車(chē)模型，以80km/h的速度在已知斷面上行駛，計(jì)算一定行駛距離內(nèi)懸掛系統(tǒng)的累積位移作為IRI。IRI是一個(gè)斷面類的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，具有時(shí)間穩(wěn)定性，對(duì)路面1.2-30.5m范圍內(nèi)的波長(zhǎng)有較好的頻率響應(yīng)特征[6]，并與大多數(shù)的平整度測(cè)試結(jié)果有良好的相關(guān)關(guān)系，已成為各發(fā)達(dá)國(guó)家評(píng)價(jià)路面平整度的主要指標(biāo)。美國(guó)AASHT0 2002設(shè)計(jì)指南和大部分歐洲國(guó)家均采用IRI作為平整度驗(yàn)收指標(biāo)。

(三)功率譜密度PSD

功率譜密度(PSD)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO(International Standard Organization)在1972年用來(lái)進(jìn)行路面平整度判定的標(biāo)準(zhǔn)[6-8]。測(cè)量表明，路面平整度可模型化為隨機(jī)場(chǎng)，它不僅在幅值上有高低起伏，而且在幅度的變化快慢(頻率)上也因不同路段而有所不同。而無(wú)論是用3m法還是IRI法都不能反映這一點(diǎn)，因此應(yīng)該用統(tǒng)計(jì)模型來(lái)刻畫(huà)它的綜合特性。目前國(guó)際上已經(jīng)提出用路面功率譜密度PSD(Power Spectral Density)來(lái)代替IRI。功率譜密度表示變量在不同頻率(波長(zhǎng))下的方差，因此可以通過(guò)分析不同波長(zhǎng)(頻率)下的高程、速度、加速度的方差來(lái)分析路面斷面的不平整性。道路縱斷面可以認(rèn)為是由不同特性的短波、中波及長(zhǎng)波組成，在測(cè)量平整度時(shí)，用水準(zhǔn)儀或?qū)ｉT(mén)的路面計(jì)來(lái)得到路面縱斷面上的平整度值，測(cè)量得到的大量路面平整度數(shù)據(jù)通過(guò)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理，得到路面平整度的功率譜密度Gq(n)，進(jìn)而求得平整度敏感的頻率范圍，有利于評(píng)價(jià)路面平整度的總體特征。

三、現(xiàn)有平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)存在的問(wèn)題

我國(guó)道路行業(yè)路面平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)常用標(biāo)準(zhǔn)差σ和國(guó)際平整度指數(shù)IRI，而車(chē)輛工程常用功率譜密度PSD。它們雖然都是統(tǒng)計(jì)性指標(biāo)，但指標(biāo)間差異較大，有著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺陷:

①標(biāo)準(zhǔn)差σ的評(píng)價(jià)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，具有較高的實(shí)際意義和理論意義，但由于連續(xù)式平整度儀的檢測(cè)參照是依賴于三米長(zhǎng)的檢測(cè)橫梁，其僅能獲得短波長(zhǎng)的路面縱斷面剖面曲線，因此。是一個(gè)僅能反映短波長(zhǎng)剖面的平整度指標(biāo)。事實(shí)上，在正常的行駛速度條件下，人體對(duì)路面波長(zhǎng)的敏感范圍遠(yuǎn)長(zhǎng)于1.5m(30m左右)。由此可見(jiàn)，平整度標(biāo)準(zhǔn)差σ不能全面地評(píng)價(jià)路面行駛質(zhì)量。另一方面，對(duì)檢測(cè)儀的檢測(cè)波長(zhǎng)范圍極為敏感，對(duì)同一條給定路面，不同的檢測(cè)波長(zhǎng)范圍將會(huì)得到不同的平整度標(biāo)準(zhǔn)差。

②PSD不僅能表現(xiàn)出路面波的結(jié)構(gòu)，還能反映出路面的總體特征，但不能體現(xiàn)車(chē)輛和人的因素。

③計(jì)算IRI時(shí)采用的是1/4小客車(chē)模型，不適合評(píng)價(jià)貨車(chē)行駛的舒適性，而且由于和引起的沖擊動(dòng)荷載相關(guān)性差，不適合用于確定路面修復(fù)的時(shí)機(jī)。其原因主要在于客車(chē)和貨車(chē)的振動(dòng)頻率不同，而且和沖擊荷載相關(guān)的是加速度而不是IRI。

④ IRI的分級(jí)臨界值不能適用于所有等級(jí)的公路。IRI是在80km/h的速度下測(cè)試得到的，且它受車(chē)速的影響較大。不同等級(jí)公路的設(shè)計(jì)速度不同，自然不能采用統(tǒng)一的IRI分級(jí)臨界值。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)常用的路面平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了介紹，這些評(píng)價(jià)指標(biāo)雖然在一定程度上反映了路面服務(wù)性能水平以及預(yù)測(cè)了平整度隨時(shí)間發(fā)展的趨勢(shì)，但只是一定長(zhǎng)度路段的一個(gè)總體概括，所能提供的路面平整度狀況的附加信息較少，而實(shí)際上每個(gè)路段必定包含各自特有的平整度信息，而這些信息在路面養(yǎng)護(hù)決策、路面平整度檢測(cè)評(píng)價(jià)、平整度變化規(guī)律分析以及車(chē)輛行駛舒適性研究等方面有著重要的作用。因此，有必要尋找一種新的分析方法來(lái)提取路面平整度的具體信息，通過(guò)嘗試性的探索，彌補(bǔ)現(xiàn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的不足之處，以完善我國(guó)路面平整度的評(píng)價(jià)方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)平整度變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，為路面養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)。