沥青路面平整度评价指标研究

(重庆交通大学经济与管理学院 重庆 400074))

随着社会的发展进步，我国公路建设事业迅速发展，人们对公路交通设施安全、畅通、迅速、舒适、方便等功能的要求愈来愈高。作为道路使用者最为关心的路面使用性能指标，平整度影响行驶质量、行驶安全、行驶速度以及车辆运营费用，同时，平整度综合反映了路面病害及路面使用状况，是关系到路面使用性能和服务性能的最重要的单项指标。

一、路面平整度的定义

有关平整度的定义,美国试验与材料协会(American Society for Testing and Material.ASTM)规定道路平整度(Traveled Surface Roughness)为路面表面相对于理想平面的竖向偏差，其影响车辆的动力性能、行车质量、动态荷载和排水[1]。1960年AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials)的道路试验表明约95%的路面服务性能来源于道路表明的平整度。从定义可以看出路面平整度是评价路面使用性能的一个重要指标，反映了公众对公路运行的满意程度。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。AASHTO 2002设计指南将路面平整度纳入设计体系，而不仅仅是将其作为施工验收控制指标,这也是各国设计体系中路面平整度的发展趋势。由此可以看出，路面平整度无论是在路面管理系统或是路面设计中都是至关重要的因素，甚至有些地方考虑用平整度表征路面性能。可见，平整度评价指标不仅可以评估路面的使用性能，也可以为养护决策提供依据。

二、沥青路面平整度评价指标研究现状

国内外路面平整度的评价指标较多，主要有断面类、动态反应类和主观类三类。断面类评价指标主要包括平整度标准差σ、功率谱密度PSD(Power spectral Density)等。主观评价指标主要有平均评分等级MPR(Mean Panel Rating)、现时服务性能等级PSR(Present Serviceability Rating)、行驶质量数RN(Ride Number)等。20世纪20年代开始出现平整度反应类测试评价方法，反应类测试设备主要包括车载式颠簸累积仪、美国公路局研制的BPR平整度仪、澳大利亚NAASRA仪等，通过测量车辆在路面上通行时车轴与车身之间的垂直位移或车身的加速度作为其对路面平整度的反映值，所提出的反应类评价指标主要有颠簸累积值VBI、国际平整度指数IRI(International Roughness Index)、断面指数Pl(Profile Index)、竖向加速度均方根RMSVA(Root Mean Square of Vertical Acceleration)等。此外，当前还出现了更为高效自动化的纵断面测试系统，如激光断面测试仪、超声波断面测试仪、法国APL纵断面分析仪和多轮式平整度测试仪等，通过测量纵向断面高程值，直接计算出国际平整度指数IRI表征路面平整度。

(一)直尺测定最大间隙h与平整度标准差σ

我国目前实行的《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60-2008)[2]规定了直尺测定最大间隙h与平整度标准差σ。这两个测定平整度的试验方法。当采用3m直尺测定路面平整度时，定义3m直尺基准面距离路表面的最大间隙h表示路面的平整度，适用于测定压实成型的路面各层表面的平整度，以评定路面的施工质量。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。来表征路面平整度，用于评定路面的施工质量和使用质量，但不适用于在己有较多坑槽、破损严重的路面上测定。

(二)国际平整度指数IRI

国际平整度指数(IRI)是美国国家公路研究计划(NCHRP)1978年提出，由世界银行推荐使用的标准平整度测试指标[3-5]。由一条单向纵断面计算得到，采用1/4车模型，以80km/h的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是一个断面类的数学统计指标，具有时间稳定性，对路面1.2-30.5m范围内的波长有较好的频率响应特征[6]，并与大多数的平整度测试结果有良好的相关关系，已成为各发达国家评价路面平整度的主要指标。美国AASHT0 2002设计指南和大部分欧洲国家均采用IRI作为平整度验收指标。

(三)功率谱密度PSD

功率谱密度(PSD)是国际标准化组织ISO(International Standard Organization)在1972年用来进行路面平整度判定的标准[6-8]。测量表明，路面平整度可模型化为随机场，它不仅在幅值上有高低起伏，而且在幅度的变化快慢(频率)上也因不同路段而有所不同。而无论是用3m法还是IRI法都不能反映这一点，因此应该用统计模型来刻画它的综合特性。目前国际上已经提出用路面功率谱密度PSD(Power Spectral Density)来代替IRI。功率谱密度表示变量在不同频率(波长)下的方差，因此可以通过分析不同波长(频率)下的高程、速度、加速度的方差来分析路面断面的不平整性。道路纵断面可以认为是由不同特性的短波、中波及长波组成，在测量平整度时，用水准仪或专门的路面计来得到路面纵断面上的平整度值，测量得到的大量路面平整度数据通过在计算机上进行处理，得到路面平整度的功率谱密度Gq(n)，进而求得平整度敏感的频率范围，有利于评价路面平整度的总体特征。

三、现有平整度评价指标存在的问题

我国道路行业路面平整度评价指标常用标准差σ和国际平整度指数IRI，而车辆工程常用功率谱密度PSD。它们虽然都是统计性指标，但指标间差异较大，有着各自的优点和缺陷:

①标准差σ的评价过程比较简单，具有较高的实际意义和理论意义，但由于连续式平整度仪的检测参照是依赖于三米长的检测横梁，其仅能获得短波长的路面纵断面剖面曲线，因此。是一个仅能反映短波长剖面的平整度指标。事实上，在正常的行驶速度条件下，人体对路面波长的敏感范围远长于1.5m(30m左右)。由此可见，平整度标准差σ不能全面地评价路面行驶质量。另一方面，对检测仪的检测波长范围极为敏感，对同一条给定路面，不同的检测波长范围将会得到不同的平整度标准差。

②PSD不仅能表现出路面波的结构，还能反映出路面的总体特征，但不能体现车辆和人的因素。

③计算IRI时采用的是1/4小客车模型，不适合评价货车行驶的舒适性，而且由于和引起的冲击动荷载相关性差，不适合用于确定路面修复的时机。其原因主要在于客车和货车的振动频率不同，而且和冲击荷载相关的是加速度而不是IRI。

④ IRI的分级临界值不能适用于所有等级的公路。IRI是在80km/h的速度下测试得到的，且它受车速的影响较大。不同等级公路的设计速度不同，自然不能采用统一的IRI分级临界值。

四、结语

本文对常用的路面平整度评价指标进行了介绍，这些评价指标虽然在一定程度上反映了路面服务性能水平以及预测了平整度随时间发展的趋势，但只是一定长度路段的一个总体概括，所能提供的路面平整度状况的附加信息较少，而实际上每个路段必定包含各自特有的平整度信息，而这些信息在路面养护决策、路面平整度检测评价、平整度变化规律分析以及车辆行驶舒适性研究等方面有着重要的作用。因此，有必要寻找一种新的分析方法来提取路面平整度的具体信息，通过尝试性的探索，弥补现行评价指标的不足之处，以完善我国路面平整度的评价方法，并在此基础上进一步对平整度变化规律进行预测，为路面养护决策提供依据。