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1、路面平整度评价发展及趋势周晓青 1，孙立军 1，颜利 21同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海200092；2长沙理工大学道路工程交通部重点实验室，湖南长沙410076摘 要：从路面平整度的定义出发，回顾了路面平整度的测定方法及评价指标的发展过程。分析了路面平整度各种评价指标，随后，总结了路面平整度研究中的重点问题，并提出了建议。最后，指出了路面平整度的发展趋势。关键词：路面平整度；测定方法；评价指标；国际平整度指数0前言路面平整度是路面评价的一个重要指标，不仅影响驾驶员及乘客行驶舒适性，而且还与车辆振动、运行速度、轮胎摩擦与磨损及车辆运营费用等有关，是一个涉及人、车、路3 方面的指标
2、。路面平整度也是路面使用性能指标之一，1960 年 AASHTO 道路试验研究表明大约 95%的路面服务性能来自于道路表面的平整度 1。LTPP(Long Term Pavement Performance)的研究表明，路面平整度特别是初始路面平整度，严重影响路面使用寿命 2。经过 40 余年的研究， AASHTO2002 设计指南正式将路面不平整度作为设计验算指标之一 3，不只作为路面施工验收控制指标，而是设计阶段控制指标。各方面研究结果表明：一方面，人们意识到路面平整度的重要性；另一方面，对路面平整度的复杂性认识不够，大多根据经验从施工角度控制路面不平整度，而对路面不平整度引发路车相互振动
3、及对人体的影响等深层次的理论研究较少，故无法掌握其发展规律，也就无法真正控制路面平整度。目前世界各国路面平整度的测定方法与指标各异，至今都没有得到一个统一的指标与测定方法。本文从路面平整度的定义出发，回顾了路面平整度测定方法发展过程，介绍国内外常用路面平整度评价指标及其中存在的问题并提出改进建议，对于路面平整度的研究热点问题人车路相关性研究等方面作了全面的阐述。1路面平整度的定义由于路面平整度问题本身的复杂性，从不同的角度出发，对路面不平整度所下的定义就有多种 1，47 。交通部标准公路工程名词术语(JTJ002-87)及国家标准道路工程术语标准(GBJ124-88)将路面平整度(Surfac
4、e Evenness)定义为：路表面纵向的凹凸量的偏差值。该定义只从路的特性出发，对人车方面涉及较少；由于没有设定参照高程，不利于测定。美国试验与材料协会(ASTM)的定义(E867)为：道路平整度(Traveled Surface Roughness)是路面表面相对于理想平面的竖向偏差，而这种偏差会影响到车辆动力特性、行驶质量、路面所受动荷载及排水 6。这个定义合理性在于：它明确了路面平整度测量的参照系，利于测定；定义中将人车路 3 方面因素综合进行了考虑，并对其所导致的影响论述清楚；但该定义也没有提供路面平整度量化的方法和标准。综合分析目前各类平整度的定义可知，ASTM 的定义可以实现人车
5、 路系统的优化，进而为制定合理的路面标准提供理论基础，所以得到广泛认可。2路面平整度测定方法与仪器发展 710自从人类修建道路以来，就对路面行驶舒适度很敏感。人们认识到路面不平整是其主要影响因素，所以努力寻找能客观量测路面平整度的方法与仪器。测定方法大体上可划分为 3 大类：(1)断面类平整度测定；(2)反应类平整度测定；(3)主观评估法。断面类平整度测定方法可分为两类：静态纵断面测定与动态纵断面测定。早期路面平整度测定主要是通过静态法量测路表面的凹凸变化，沿行驶车辆的轮迹量测路表面的高程，得到纵断面，通过数学分析后采用一综合性统计量表征其平整度。水准测量就是应用水准仪量测路表高程，再得到路面
6、纵断面。水准测量速度太慢，不适用于较长路段及大面积施工验收。之后发展了 3m 直尺测量方法，它是目前我国路面平整度主要测量方法之一，也是施工阶段控制路面平整度常用的方法，公路工程质量检验评定标准中对该方法有详细要求与标准。随后又推出了滑动直尺测量方法，它通过记录直尺中心处的偏差来测定平整度，结果以每英里的偏差表示。由于滑动直尺滑动时会有磨损与破坏等明显的不足，很快就在其基础上改进得到三轮仪，这也是英国运输和道路研究所(TRRL)研制的梁式断面仪的雏形。由于三轮仪是通过 3 点与地面接触，当其前轮、中轮及后轮经过路面颠簸处时，会分别记录 1 次，使某些路面变形在量测时增长了 2 倍，又由于基准长
7、度有限，某些波长路面变形无法量测。为了克服三轮仪的这个问题，在前后轮处增加一系列的轮子，以所有轮子平均高程作为参照高程，量测中心轮对于参照高程的偏差。这种方法一直延续到今，如 Profilograph 及我国西安公路研究所、北京市政工程研究院及上海市政工程研究院于上世纪 80 年代初期所研制的连续式平整度仪等。直至该阶段，所用测量方法是直接测量道路表面凹凸状况得到纵断面。工程师又发明了很多巧妙的方法间接得到路面纵断面，主要是惯性断面仪，在测试车车身上安置竖向加速度计得到惯性参考系来计算车身的高程，然后再通过接触式或非接触式设备量测车身同路表面之间的距离，两者相结合得到路面纵断面高程，这类仪器有
8、通用汽车公司的 GMR 类断面仪、法国桥路中心试验室(LCPC)的 APL、各式激光断面仪等。上世纪 20 年代，公路工程师与汽车工程师意识到路面不平整度是引起车辆振动的主要原因，从而尝试通过量测车辆振动反应来量测路面不平整度。最早是纽约州通过测量客车悬挂系统的位移来评价路面不平整度。由于车辆机械振动系统自身属性的差异对测量结果影响很大，接下来近 10 年内，试图建立标准化的测试车系统。1941 年美国公路局研制 BPR平整度仪，TRRL 利用相同原理开发了颠簸累积仪(BI)，我国交通部公路科学研究所七五期间研制了简单式颠簸累积仪。该类平整度仪就是一辆单轮拖车，通过机械式积分器记录车辆振动反应
9、量。该拖车尺寸、各部件的质量以及轮胎、悬挂系统都是标准配制，目的是使不同设备上的测量结果具有可比性。上世纪 60 年代 AASHO 道路试验开发了另一种重要的平整度测量仪器 CHLOE。CHLOE 由一辆带两个小轮的拖车组成，通过记录两轮上的坡度偏差(SV)来表示平整度，而 AASHTO 通过 SV 建立路面服务性能指数(PSI)。由于以上设备测量时车速不能太快，为了能以正常行驶车速测量路面平整度，在上世纪 60 年代，开发了如 Mays仪、PCA 仪及澳大利亚 NAASRA 仪等平整度仪。这些仪器将测量设备直接安装在测量车内，通过测量累积车轴竖向位移量来表征车辆不平整度。这一类仪器就是反应类
10、平整度测量系统(RTRRMS)。到了上世纪 70 年代后期，美国基本上一半的州使用这类仪器测定不平整度。主观评估法，当精度要求不高时，可组织评分小组，根据乘车的体验或目测检查，对路面的行驶舒适性给予评分，依据小组平均评分的高低，评估路面的平整度。3路面平整度评价指标平整度测量的最基本的目的就是用一个或几个参数来评价路段的平整度，所用参数就是路面平整度评价指标。该评价指标要能灵敏地而真实地反映所测量路段的相应断面信息，且能通过一定的计算方法计算得到。平整度发展过程中，路面平整度测定的方法与仪器较多，采用的指标各异，路面平整度的评价指标较多。国内外常用的平整度评价指标主要有：国际平整度指数 IRI
11、、直尺测定最大间隙与平整度标准差 、纵断面指数 PI、功率谱密度(PSD)、平均评分等级 MPR(Mean Panel Rating)、行驶质量数 RN 和竖向加速度均方根RMSVA 等。(1)国际平整度指数 IRI7，1113虽然反应类平整度测定系统(RTRRMS)测定快速而低廉，是上世纪 70 年代应用较广的一种平整度测定方法，但由于 RTRRMS 类仪器在较差路段上测量值偏高而在较好路段上测量值偏低，对于测量系统本身的依赖性较高，需要有一种标准的指标与方法能对其进行标定。美国国家公路研究计划(NCHRP)1978 年在项目 1-18 中提出该问题，在随后进行的反应类平整度系统的标定和关系
12、研究项目提出了国际平整度指数(IRI)的概念，而世界银行 1982 年在巴西进行的国际平整度实验则完整而系统的提出了 IRI 的计算模型与计算方法。IRI 由一条单向纵断面计算得到，采用 1/4 车模型(由固定的弹簧体质量与非弹簧体质量以及弹簧和阻尼组成)，以 80km/h 速度在已知断面上行驶，计算一定行驶距离内悬挂系统的累积位移作为 IRI。IRI 是综合了断面类与动态类平整度测定方法的优点而得到的一个评价指标，静态断面高程数据经过数学模型计算后得到的动态变量。IRI 具有以下特点：IRI 与车辆振动的动态反应相关，通过 1/4 车模型建立了与车辆性能相关性；IRI 直接与路段断面高程相关
13、，保证结果具有时间稳定性；IRI 可以通过最广泛使用的仪器测量得到(如水准仪或 RTRRMS仪)，结果具有有效性；IRI 可以在世界范围内进行转换(有标准计算程序)，具有可转移性。由于 IRI 以上特点，IRI 成为目前国际上运用最广泛的平整度指标。大部分欧洲国家采用 IRI 作为路面平整度验收指标。(2)直尺测定最大间隙与平整度标准差 将直尺直接置于测量路段得到路面与直尺之间的最大间隙量作为平整度指标，直尺的长度在不同的国家与地区有所不同，大部分是 3m 直尺。当采用 3m 直尺测定路面平整度时，常采用最大间隙作为测定指标。当采用连续式平整度仪检测时，一般采用路面平整度标准差 来表征路面平整
14、度。这两个指标也是目前我国路面施工、验收与评价中最常用的指标。公路沥青路面施工技术规范(JTJ071-94)规定，在施工过程中用 3m 直尺检测，对高速公路及一级公路的上面层要求不大于 3mm，对中下面层要求不大于 5mm；在交工验收阶段，用连续式平整度仪检测，全线连续检测的平整度标准差不大于 1.8mm。为了客观准确高效地评定路面平整度，国内进行了相关研究建立 IRI 与国内常用评价指标之间的关系 1417，并进一步引入到规范中来。交通部公路所 1998 年完成国际平整度指数 IRI 专项研究，提出了 (mm)与 IRI(m/km)的关系：=0.6IRI。在公路沥青路面施工技术规范(JTJ0
15、71-98)中引用该研究成果提出了 IRI 的规定值，并将各项指标标准有所提高，对于高速公路及一级公路全线连续检测的平整度标准差不大于 1.2mm 或 IRI 不大于 2.0m/km。(3)断面指数 PIPI 也是国际常用平整度指标之一，利用断面式平整度仪测量出路面两轮迹带的平整度。加州断面仪是最常用仪器，它以 7m 的金属轻横杆作为参考高程，中央装置随路面起伏移动的测绘轮，使用纸带记录器以 1/300 的水平比例描绘的路面起伏，然后将空白带(Blanking Band)放在断面图的中心位置上，则部分的波浪起伏会高出或低于空白带，而呈现扇型区域，量测每个扇型的高度并相加，再将该值除以水平距离则
16、得到断面指数 PI。空白带的宽度由各国规范规定，一般为 05mm，当空白带为 0mm 时，称为总的累积不平整度 TCR。目前，除了可以实测得到 PI 值之外，还可以通过计算得到 PI，其计算方法与 1/4 模型车计算 IRI 的方法相似。不过，各种质量体的比例、弹簧系数、阻尼系数与之不同。北美地区多用 PI 作为新建路面平整度验收指标。(4)功率谱密度(PSD) 18道路断面可以认为是由不同特性的短波、中波及长波组成。功率谱密度表示变量在不同频率(波长) 下的方差，这样可以分析不同频率(波长) 下的高程、速度、加速度的方差来分析路面断面的不平整性。经过滤波或车辆振动系统作用后的功率谱分析可以比较不同波长下输入、输出的变化，从而知道平整度敏感的频率范围，什么频率下经过系统作用后被放大，什么频率下经过作用后振动被减弱。有利于评价动力反应类平整度的特征，也为车辆振动系统的优化提供分析基础。研究各种不平整度等级路面的 PSD 曲线
