浅析水泥混凝土路面平整度对行驶舒适性的影响

2021-03-04葛景平葛昕妍

甘肃科技 2021年21期

葛景平，葛昕妍

（1.金川集团工程建设有限公司，甘肃金昌 737100；2.广汽研究院，广东广州 511400）

水泥混凝土路面具有抗弯强度大、弯沉变形小、耐久性好、使用年限长、经济效益高等优点，适用于各交通等级道路。水泥混凝土路面的平整度是路面使用功能的主要指标之一。随着高速公路和高等级公路将大量修建水泥路面，行车速度将大幅提高。因而对路面平整、舒适度也将相应地提出更高的要求。因此，如何提高水泥路面的平整度及相应的检测手段和措施的研究是亟需解决的问题[1]。

1 路面平整度对舒适性的影响

1.1 路面平整度

路面平整度是相对于一个基准几何平面，路面纵横方向的凹凸量，也称路面不平度。路面平整度是一个整体性指标；一方面反映路面的施工质量和现有路面的破坏程度，另一方面可用来评定汽车的行驶条件，即舒适性和经济性，以及对路面使用年限的影响[2]。

1.2 路面的不平整性形成的原因

首先是由于施工引起的路面不平整，这种不平整是影响水泥路面平整度的主要因素，一旦形成就难以改变。其次是使用后板块不均匀沉降造成错台，填缝料处理不当及路面的破坏。纵向不平整主要表现在高低起伏的波浪、错台和坑槽。横向主要表现为车辙和板块起伏。横向不平整对行车影响较小，一般以测量纵向平整度为主[3]。

1.3 平整度对行驶舒适性的影响

平整度对行驶舒适性的影响主要表现为纵向高低畸变，即不同频率和不同振幅的波使行驶在路面上的汽车产生垂直和水平的振动，从而影响乘客的舒适性、行车速度和安全。

2 路面平整度检测仪器的选择

2.1 检测仪器分类

根据目前路面平整度测量仪器和检测方法的发展情况，测定平整度的方法和仪器很多，大体可分为两类：

（1）断面类。直接量测轨迹的纵断面。主要类型有3 m 直尺、移动支架式测平仪。这类仪器的特点是能直接反映路面断面平整度的真实情况，物理概念明确，比较直观。缺点是测量速度比较慢，测点的随机性较大。可用于路面质量验收和路况评价。

（2）反应类。量测仪器对路表不平整的动态反应。主要类型有颠簸累积仪、测振仪、加速度仪等。这类仪器的特点：一是测量的速度较快，一般能每小时测30～40 km。二是测量的数据量较大，能从宏观和整体上反映路面的平整度和舒适度。仪器一般安装在汽车上，测量起来比较方便。缺点是其量测指标对路面平整度只能作粗略的宏观评价，不能反映出路表真实断面。由于这是一种间接的测量，其测定结果随检测系统的特性和行驶的速度变化而变化，不同的仪器在不同的时间测出的结果都会不一致，需经常对仪器进行标定。这类仪器一般价格都比较高，可用于路况调查和评价，不宜用于路面的竣工验收。

2.2 对平整度仪器的要求

（1）能在短时间内测出大量数据。

（2）使用和携带比较方便，测量方法比较简便。

（3）各种类型的仪器之间指标能进行换算。

（4）结构坚固简便，适合于工程使用，价格比较低廉。

2.3 水泥路面平整度检测仪器的选定

经过对目前各种类型的平整度仪的调查，实地对比测试和比较，建议使用以下几种水泥路面平整度检测仪器：

（1）3 m 直尺。由于3 m 直尺使用、操作简便，价格便宜，携带方便，适合于大量基层单位使用。而且其量测指标物理概念明确，也是其他类型平整度仪进行转换和对比的标准和依据。因此虽然它的量测速度慢且测点存在一定的随机性、局限性，仍保留作为水泥路面平整度仪器。

（2）八轮仪。该仪器的作用原理是以3 m 八轮行走架为基准，沿车道某一纵向位置连续量取三米直线中点的路面偏差，并进行画图和计算断面偏差标准差值。该仪器能做到连续测量，测量的数据量较大，测量速度较快，使用方便，测量精度较高，指标比较合理，能反映出路面的真实断面情况，是比较理想的路面平整度仪。

（3）颠簸累积仪。这类仪器种类比较多，一般安装在汽车上，其作用原理是在汽车车架底和车轴之间设置位移传感装置，测量汽车在不平整的路面上行驶时，车轴与车架间由于弹簧变形而产生的压缩和伸长的累积量。该仪器价格较便宜，仪器结构简单耐用，使用方便，精度较高，体积小，便于推广使用。

3 研究的方法及依据

课题采取了把路面平整度与汽车行驶及人的舒适性联系起来进行研究的方法。用各种不同的平整度测试仪，在不同类型的水泥混凝土路面上作了一些对比测试，对各种仪器的优缺点进行了对比分析，还分析了施工工艺对水泥路面平整度的影响，得出了初步结论。

评价路面平整度与舒适度的方法，以研究汽车在不平整的路面上行驶与人体感觉之间的关系为依据。因人体对振动作用的反应是一个十分复杂的过程，所以舒适性研究是一个比较困难的问题。目前国际标准化组织已制订出人承受全身振动评价的国际标准，我国也确定了以“等效采用”的编制国家标准的原则。这样，舒适度的评价就可以通过汽车的振动特性来研究和确定路面平整度对人体舒适度的影响和关系。

4 初步结论

4.1 路面的不平整对行驶舒适度的影响

（1）路面大范围的不平整对舒适性影响较大。由汽车振动特性的分析可知，汽车振动（激振）频率对人体舒适度的影响有一个敏感带，即在1～10 Hz范围内影响显著并有激振和放大振幅的可能。其对应于路面不平整度的影响波长在5～18 m（正常车速80 km/h），而在高频部分振动衰减较快，对舒适性影响逐渐减弱，也就是说大波长的起伏对舒适性影响较大，而且车速越高，相应的波长也越长。因此，路面小范围（3 m 以内）的不平整对舒适性有一定影响，但影响不大，而大的基面（5 m 以上）的不平整对舒适性影响最大。

（2）不同路面结构型式对汽车行驶舒适性的影响。根据不同路面结构型式对汽车行驶舒适性的影响测试结果看，水泥路面的舒适性明显不如沥青路面，这与一般普遍的感觉和观点一致。其原因主要是由于路面结构和材料特性不同所致，一是水泥路面有较多的接缝。二是水泥路面是刚性材料，不能像沥青路面具有减振和缓冲的作用。所以，水泥路面的平整度的标准应与沥青路面有所区别，应适当提高标准，同时施工时应采取有效措施，保证平整度。

（3）不同类型水泥混凝土路面对汽车行驶舒适度的影响。根据对无缝水泥路面（连续配筋）和有缝水泥路面舒适度的测量结果看，水泥路面众多的伸缩缝对舒适性有一定影响，但影响不算太大。这是因为现阶段水泥路面的缩缝一般都采用切缝工艺，因此在短期内接缝处比较平整，不会影响舒适度。但有缩缝的路面经过若干年（约3 年）的使用后，由于基层质量问题以及板块间的不均匀沉陷等影响，板块间会产生一些相对位移，在接缝处造成不平整，会对舒适性有一定影响。

4.2 不同平整度检测仪测试结果对比

根据对3 m 直尺、8 轮仪和颠簸累积仪的测试情况对比，有如下几点结论：

（1）由于3 m 直尺、8 轮仪测量的物理意义不同，因此相关性不明显，对实地测得的结果明显不同。

（2）3 m 直尺和8 轮仪只能测量路面小波长范围内（3 m 以内）的不平整度，而这种小波长的不平整对应到汽车的振动为高频振动，只是影响舒适度的一部分，而且随着车速的提高，衰减较快。因此它们只能部分地反映路面的舒适度，与实际情况还有一定差异，不能全面正确地反映汽车行驶的舒适度。另外，这两种仪器都是静态的测量方法，无法测量接缝等对舒适度的影响。

（3）单以反映路面高差来看，3 m 直尺和8 轮仪所测得的高差值也不能完全反映路面的真实高差。如3 m 直尺所测得的只是正向高差，即始终是一个方向的高差，而这个高差一般比相对于基准面（平均高差面）的高差值要大。又如8 轮仪测量的结果随路面起伏的波长而变化，当波长与轮距相等时，测得的结果为真实值的2 倍；当波长为1／2 轮距时，测得的结果为0。因此这两种仪器测出的结果是相对的，局部正确。

（4）颠簸累积仪虽然是测量汽车的振动，但方法较粗糙，测得的结果比较粗，难以正确、全面地反映舒适度。

（5）建议逐步过渡到采用加速度仪作为测量和评价水泥路面的平整度的标准仪器。