郭洪江

(黑龍江職業(yè)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

隨著公路建設(shè)的不斷發(fā)展,人們對(duì)公路交通設(shè)施安全、迅速、舒適、便捷等的期望愈來(lái)愈高。美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)(American Association State Highway Transportation Officials)的道路試驗(yàn)研究表明,路面服務(wù)性能大約有95%的比重依賴于道路表面的平整度[1]。因此,路面平整度已成為評(píng)價(jià)公路路面修筑和使用質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。

路面平整度不僅影響駕駛員與乘客的乘坐舒適性,而且還與車輛振動(dòng)、油耗、輪胎磨損、運(yùn)行速度及路面所受沖擊力等有關(guān),是一個(gè)涉及人、車、路三方的重要技術(shù)指標(biāo)[1-2]。正因?yàn)槿绱?如何正確有效地評(píng)價(jià)路面平整度,一直為廣大道路工作者和車輛工作者所關(guān)注。

路面平整度的檢測(cè)和評(píng)定貫穿于路面施工質(zhì)量的檢測(cè)、評(píng)定、驗(yàn)收,以及運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)管理等整個(gè)過(guò)程,是路面施工質(zhì)量檢查、驗(yàn)收和路面使用性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在路面平整度檢測(cè)過(guò)程中,所采用的方法與儀器設(shè)備較多,采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)也各不相同,如最大間隙(δm)、平整度標(biāo)準(zhǔn)差(σ)、國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)、功率譜密度(PSD)、斷面指數(shù)(PI)、豎向加速度均方根(RMSVA)等。因?yàn)槁访嫫秸鹊臏y(cè)試方法、儀器設(shè)備不同,所以采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)也不盡一致。為使不同方法和儀器設(shè)備測(cè)定的路面平整度結(jié)果可以互相比較,需要明確一個(gè)普遍認(rèn)可、標(biāo)準(zhǔn)明確、可以統(tǒng)一的技術(shù)參數(shù)。目前,國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)已發(fā)展為各國(guó)路面平整度的通用評(píng)價(jià)指標(biāo),我國(guó)在路面管理系統(tǒng)中也普遍采用IRI作為公路路面平整度的評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。

1 國(guó)內(nèi)常用路面平整度檢測(cè)方法和儀器設(shè)備

國(guó)內(nèi)測(cè)量路面平整度的儀器設(shè)備較多,檢測(cè)方法各有不同。相應(yīng)地,采用的技術(shù)指標(biāo)也不盡相同。由于平整度檢測(cè)設(shè)備的種類、工作原理和使用方法不同,其檢測(cè)結(jié)果也存在較大差異?？傮w而言,路面平整度的檢測(cè)設(shè)備可以大致分為斷面類和反應(yīng)類。斷面類是通過(guò)測(cè)量行車方向道路表面的縱向高低變化來(lái)評(píng)價(jià)路面的平整度狀況,比較常見(jiàn)的有三米直尺、連續(xù)式平整度儀(公路連續(xù)式八輪平整度儀),以及精密水準(zhǔn)儀、車載式激光斷面儀等;反應(yīng)類則是基于測(cè)量能夠反映司機(jī)和乘客直接感受的技術(shù)參數(shù),因此可以視為舒適性指標(biāo),常用的觀測(cè)設(shè)備為車載式顛簸累積儀[2-4]。

1.1 三米直尺法

三米直尺法測(cè)量路面平整度是較早開(kāi)始采用的,是比較方便實(shí)用的檢測(cè)方法,需要配合塞尺或游標(biāo)卡尺使用。該方法的特點(diǎn)是采用的設(shè)備和工具簡(jiǎn)單、輕便,具有數(shù)據(jù)直觀、間斷測(cè)試較為靈活、受場(chǎng)地限制較少的優(yōu)勢(shì),對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)為最大間隙值(δm)。缺點(diǎn)是檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量有限、效率偏低、技術(shù)參數(shù)的長(zhǎng)距離表征性不足,同時(shí)檢測(cè)時(shí)的人工作業(yè)量偏大,速度緩慢,不適合高等級(jí)公路或較長(zhǎng)路段的試驗(yàn)檢測(cè)。

1.2 連續(xù)式平整度儀法

連續(xù)式平整度儀(公路連續(xù)式八輪平整度儀)法,一般采用人工或車輛拖拽慢行的方式進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。其機(jī)械轉(zhuǎn)向稍顯遲滯,行走軌跡控制也不夠精準(zhǔn),且不適合錯(cuò)臺(tái)明顯、坑槽或破損嚴(yán)重的路段。連續(xù)式平整度儀的機(jī)械性能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大,因其采用低速檢測(cè),對(duì)于高等級(jí)公路的大面積檢測(cè)仍有局限。連續(xù)式平整度儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化處理,即自動(dòng)采集每10 cm間距的豎向位移值求出100 m計(jì)算區(qū)間內(nèi)的路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差(σ)。其檢測(cè)精度容易受到人工操作,尤其是拖拽穩(wěn)定性的影響。

1.3 車載式顛簸累積儀法

車載式顛簸累積儀法是采用車載式顛簸累積儀測(cè)量路面平整度,以車輛后軸與車廂之間的單向位移累積值VBI(cm/km)表示路面的平整度,若VBI值較小,則表明路面平整度良好?，F(xiàn)行規(guī)范要求在測(cè)試前進(jìn)行相關(guān)性標(biāo)定,以便按著每100 m長(zhǎng)度的計(jì)算區(qū)間換算為國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)。車載式顛簸累積儀法的特點(diǎn)是檢測(cè)效率較高,可以實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)測(cè)試,對(duì)交通干擾較小,但設(shè)備復(fù)雜,且標(biāo)定后對(duì)車型、車速、車輛的減振效果都有確定的要求,使用條件相對(duì)苛刻,不易把控,故本次試驗(yàn)中暫不作探討。

1.4 車載式激光斷面儀法

近年來(lái),車載式激光斷面儀在我國(guó)的應(yīng)用日趨廣泛,是現(xiàn)代路面平整度檢測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向。車載式激光斷面儀是通過(guò)激光傳感器,測(cè)量對(duì)應(yīng)于輪跡等位置的路面相對(duì)高程(豎向位移)變化。裝載激光斷面儀的車輛沿既定路線行駛,可以在測(cè)量路面縱向斷面的同時(shí)得到路面的縱向平整度,能夠根據(jù)需要直接計(jì)算并輸出國(guó)際平整度指數(shù)(IRI),不需二次換算。另外,利用橫向布設(shè)的多個(gè)激光傳感器,還可以同時(shí)測(cè)得路面的橫坡、縱坡、車轍、轉(zhuǎn)彎曲率等技術(shù)指標(biāo)。

1.5 精密水準(zhǔn)儀法

精密水準(zhǔn)儀法屬于斷面類檢測(cè)方法,即利用精密水準(zhǔn)儀沿道路縱向測(cè)量路面相對(duì)高程的連續(xù)變化,并繪制縱斷面曲線或直接利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,計(jì)算得出路面的平整度指標(biāo),一般為國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)。精密水準(zhǔn)儀法的特點(diǎn)是操作方便、精度較高,不足之處是測(cè)量工作量非常大、速度很慢,不適合在交通量較大或有車輛高速行駛的路段測(cè)試。與其它斷面類檢測(cè)方法相似,可用于對(duì)反應(yīng)類檢測(cè)方法測(cè)試指標(biāo)的標(biāo)定且精度較高。

2 路面平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法

2.1 國(guó)際平整度指數(shù)IRI

IRI為國(guó)際平整度指數(shù)(International Roughness Index)的縮寫,該技術(shù)指標(biāo)是基于1/4車輛模型的模擬統(tǒng)計(jì)值,其定義為“試驗(yàn)車輛以較高的速度行駛,在一定行駛距離內(nèi)車身懸掛系統(tǒng)的累積位移量與行駛距離之比”,對(duì)應(yīng)數(shù)值屬于無(wú)量綱指數(shù),因“位移-距離”關(guān)系的原因,習(xí)慣上以m/km表示。

國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)可采用以下公式計(jì)算

(1)

式中:L為測(cè)試距離,km;ZM為1/4車輛模型的簧上質(zhì)量M的絕對(duì)位移,m;Zm為1/4車輛模型的簧下質(zhì)量m的絕對(duì)位移,m。

計(jì)算時(shí)采用解析法,即將各測(cè)點(diǎn)的高程代入方程并解微分方程組,一般采取數(shù)值分析方法,利用計(jì)算機(jī)編程求解。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)差σ

標(biāo)準(zhǔn)差(σ)是我國(guó)普遍采用的路面平整度評(píng)價(jià)指標(biāo),它是按著一定的步長(zhǎng),根據(jù)路面縱斷相對(duì)高程(即豎向位移)的采集數(shù)據(jù),采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差(σ),并以此表征路面平整度。

標(biāo)準(zhǔn)差(σ)可采用以下公式計(jì)算

(2)

式中:σ為標(biāo)準(zhǔn)差,mm;n為該計(jì)算區(qū)間內(nèi)所包含的縱斷相對(duì)高程數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù),個(gè);yi為該計(jì)算區(qū)間內(nèi)的第i個(gè)相對(duì)高程數(shù)據(jù),mm;ys為該計(jì)算區(qū)間內(nèi)相對(duì)高程的算術(shù)平均值,mm。

2.3 三米直尺測(cè)定的最大間隙δm

采用三米直尺檢測(cè)平整度時(shí),一般采用最大間隙δm(其單位為mm)作為平整度評(píng)價(jià)指標(biāo),一般需要連續(xù)測(cè)量10尺,以每尺的最大間隙和10個(gè)最大間隙的平均值作為評(píng)估數(shù)據(jù)。最大間隙的測(cè)量,可以使用楔形塞尺、游標(biāo)卡尺或深度尺等。

三米直尺法適用于碾壓成型后路基路面各結(jié)構(gòu)層表面的平整度測(cè)試,這是其它檢測(cè)方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

3 平整度觀測(cè)路段選擇及儀器設(shè)備

3.1 觀測(cè)路段的選擇與標(biāo)記

為保證觀測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和可比性,本次試驗(yàn)觀測(cè)路段主要選取使用狀況良好的高等級(jí)公路瀝青路面。為最大限度地減少觀測(cè)期間的交通干擾,需要在車流密度小、便于交通疏導(dǎo)的區(qū)域選取觀測(cè)路段。經(jīng)過(guò)不同時(shí)間段的跟蹤觀察,分別在哈爾濱開(kāi)發(fā)區(qū)的常州路、渤海東路、杭州路、新疆東路、溫州路,以及毗鄰的“哈爾濱—五常公路”哈爾濱起始段分別確定了觀測(cè)路段,每條觀測(cè)路段分別選取6個(gè)長(zhǎng)度為100 m的計(jì)算區(qū)間。

觀測(cè)路段確定后,在各條觀測(cè)路段的路緣石表面分別標(biāo)記路面平整度測(cè)試的起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn),以及各計(jì)算區(qū)間的起訖點(diǎn)。為保證不同測(cè)試方法觀測(cè)結(jié)果的可比性,對(duì)測(cè)試點(diǎn)的橫向位置、縱向軌跡均遵循《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定測(cè)量,并采用紅帽鋼釘、白色尼龍線、劃線筆、紅白兩色油漆等在道路表面明確標(biāo)記。

3.2 試驗(yàn)工具與觀測(cè)儀器設(shè)備

(1)試驗(yàn)工具。

根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)需要,需要的主要工具和材料包括噴漆、掃帚、毛刷、刮刀、鋼卷尺、皮尺、鋼釘、尼龍線、劃線筆、數(shù)字模板、安全服、反光錐、塞尺、游標(biāo)卡尺等。

(2)儀器設(shè)備。

根據(jù)平整度測(cè)試對(duì)比需要,本次觀測(cè)使用的儀器設(shè)備包括三米直尺、連續(xù)式平整度儀(公路連續(xù)式八輪平整度儀)、車載式激光斷面儀、精密水準(zhǔn)儀及配套水準(zhǔn)尺等。

4 觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)性分析

4.1 三米直尺法測(cè)試平整度試驗(yàn)結(jié)果

三米直尺測(cè)試平整度依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》、《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行,以最大間隙δm表示。

路面平整度觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

4.2 連續(xù)式平整度儀測(cè)試平整度試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》、《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定,采用連續(xù)式平整度儀(公路連續(xù)式八輪平整度儀)測(cè)量路面平整度,以標(biāo)準(zhǔn)差σ表示。觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 連續(xù)式平整度儀法路面平整度試驗(yàn)結(jié)果

4.3 車載式激光斷面儀平整度試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》相關(guān)規(guī)定,采用車載式激光斷面儀測(cè)量路面平整度,以國(guó)際平整度指數(shù)IRI表示。觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 車載式激光斷面儀法路面平整度試驗(yàn)結(jié)果

4.4 精密水準(zhǔn)儀平整度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)斷面類平整度測(cè)試原理,采用精密水準(zhǔn)儀在標(biāo)記的測(cè)試線路上,依次測(cè)量間距為0.25 m、0.5 m的相鄰各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)高程,通過(guò)繪制縱斷面曲線、匯總高程數(shù)據(jù),利用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算對(duì)應(yīng)的路面平整度指標(biāo)[2,6-7]。因觀測(cè)數(shù)據(jù)量較大,不再詳細(xì)贅述。

4.5 不同路面平整度儀檢測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,合格率接近96%,剔除部分超差數(shù)據(jù)后,根據(jù)不同路面平整度儀的檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)各組數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析,并求解不同路面平整度儀檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將相關(guān)性較高的關(guān)系式匯總?cè)绫?所示。

表4 不同路面平整度儀檢測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系

5 結(jié) 論

依托篩選確定的哈爾濱市常州路、渤海東路、杭州路、新疆東路、溫州路、哈五路哈爾濱出口段等6個(gè)觀測(cè)試驗(yàn)路段,設(shè)定統(tǒng)一的測(cè)試軌跡,分別使用三米直尺、連續(xù)式平整度儀(公路連續(xù)式八輪平整度儀)、車載式激光斷面儀和精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量,觀測(cè)長(zhǎng)度累計(jì)約5 000 m,獲取不同儀器設(shè)備的檢測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù),通過(guò)建立不同路面平整度儀檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性關(guān)系,得出以下結(jié)論。

(1)三米直尺與連續(xù)式平整度儀觀測(cè)數(shù)據(jù)符合二次函數(shù)關(guān)系或直線函數(shù)關(guān)系,其中二次函數(shù)關(guān)系的相關(guān)性高于直線函數(shù)關(guān)系。

(2)三米直尺與車載式激光斷面儀數(shù)據(jù)符合二次函數(shù)關(guān)系。

(3)三米直尺與精密水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)符合二次函數(shù)或直線關(guān)系,其中二次函數(shù)關(guān)系相關(guān)性較高。

(4)連續(xù)式平整度儀與車載式激光斷面儀、精密水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)關(guān)系符合線性函數(shù)關(guān)系。

(5)車載式激光斷面儀與精密水準(zhǔn)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)呈指數(shù)關(guān)系。