路面不平度綜述

孫建禹

摘要：通過對(duì)路面不平度的原理、特點(diǎn)及其產(chǎn)生影響的綜合論述，分析其施工中產(chǎn)生因素及控制措施，并對(duì)路面不平度的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：原理；施工控制；發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代汽車運(yùn)輸中，為實(shí)現(xiàn)公路交通的高速、舒適、快捷、安全，對(duì)路面的使用性能要求越來越高。作為車輛運(yùn)行環(huán)境的路面，其表面功能的優(yōu)劣直接反映了道路的使用性能。當(dāng)車輛行駛在公路上時(shí)，人們感覺到的并非是路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，而是與路面不平度、溜滑、噪聲等有關(guān)的功能性能。所以，現(xiàn)在在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，人們不再單純以表征路面結(jié)構(gòu)性使用性能（路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性）的彎沉、疲勞、永久變形、溫度應(yīng)力、層間剪應(yīng)力、基底應(yīng)力等指標(biāo)為控制指標(biāo)，而是將路面的功能性、使用性能也納入其中，并且擴(kuò)展到舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)四個(gè)方面。

我們常說公路交通環(huán)境是人—車—路的綜合環(huán)境，作為這個(gè)綜合環(huán)境狀況的直接體現(xiàn)，路面不平度一直都受到人們的關(guān)注。

1 路面不平度的概念

1.1正名

路面不平度[1]有以下三種說法：

路面平整度：道路工程沿用已久，通常說法。

路面平度：用于表示路面平度與車輛振動(dòng)輸入關(guān)系時(shí)的說法。

路面不平度：這是車輛工程當(dāng)中常用的名詞。源于英文Roughness（即Road Surface Roughness）。用它來表達(dá)時(shí)恰好詞能達(dá)意：在不平度增大時(shí)，表示的是路面更為不平整。

本文使用路面不平度的說法，但引用資料時(shí)，為尊重原文和習(xí)慣，有些仍采用路面平整度的說法。

1.2路面不平度的分類

路面不平度通常按波長(zhǎng)分類。在道路縱斷面上即沿行車方向，根據(jù)波長(zhǎng)可分為：長(zhǎng)波、短波和粗糙紋理三種類型。其中長(zhǎng)波引起車輛的低頻振動(dòng)，短波引起車輛的高頻振動(dòng)，而粗糙紋理則引起輪胎的行駛噪音。

在道路橫斷面上，不平度表現(xiàn)為車轍和橫斷面的不平，車轍增加了車輛在行駛過程中的振動(dòng)，橫斷面不平則會(huì)引起車輛的側(cè)傾。

1.3路面不平度的定義

路面不平度：道路表面對(duì)于理想平面的偏離，它具有影響車輛動(dòng)力性能、行駛質(zhì)量和路面動(dòng)力荷載三者的數(shù)值特征[2]。

2 路面不平度的測(cè)量與評(píng)價(jià)

路面不平度是路面評(píng)價(jià)及道路施工驗(yàn)收中的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了車輛行駛的舒適度、安全性和使用年限。其檢測(cè)能為決策者提供重要的信息，使決策者為路面的維修、養(yǎng)護(hù)及翻修等作出優(yōu)化決策；另一方面，還能準(zhǔn)確地提供路面施工質(zhì)量信息，為路面施工提供一個(gè)質(zhì)量評(píng)定的客觀指標(biāo)。

2.1不平度的測(cè)量

路面不平度的測(cè)量?jī)x器主要分為兩大類：第一類為縱斷面測(cè)定（直接式檢測(cè)類），即測(cè)出路面縱斷面剖面曲線，然后對(duì)曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)分析得出不平度指標(biāo)；第二類為車輛對(duì)路面的反應(yīng)測(cè)定（響應(yīng)式檢測(cè)類），即測(cè)出車輛對(duì)路面縱斷面變化的力學(xué)響應(yīng)，然后對(duì)該力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析得出路面不平度指標(biāo)。

我國目前采用能夠輸出國際不平度指數(shù)IRI的測(cè)試設(shè)備，主要有精密水準(zhǔn)儀（IRI的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備）、車載式顛簸累積儀、手推式斷面儀、激光斷面儀。

2.2不平度的評(píng)價(jià)方法

2.2.1客觀評(píng)價(jià)

國際不平度指數(shù)IRI是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化的不平度客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。其定義為標(biāo)準(zhǔn)車身懸架的總位移（單位m）與行駛距離（單位km）之比。模型以四分之一車為研究對(duì)象。當(dāng)1/4車輛以一定速度沿路表縱斷面行駛時(shí)，在路面不平度Y的輸入激勵(lì)作用下，系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，計(jì)算每公里行駛距離內(nèi)系統(tǒng)的相對(duì)豎向位移累計(jì)值，以m/km表示。

國際不平度指數(shù)IRI可以客觀定量分析路面不平度，而且高效快捷，科學(xué)合理，易于重現(xiàn)，同時(shí)采用IRI來評(píng)價(jià)路面可與國際評(píng)價(jià)指標(biāo)保持一致，便于國際技術(shù)交流，提高我們的技術(shù)水平。

2.2.2主觀評(píng)價(jià)

主觀評(píng)價(jià)就是用乘車人的主觀感覺對(duì)路面平整狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)是對(duì)不同平整度的路面在路表形狀和行駛感覺等方面特性的主觀描述。評(píng)估者對(duì)照這些描述評(píng)價(jià)路面的實(shí)際狀況，確定IRI值。

3 路面不平度對(duì)行車及車輛的影響

車輛在不平整的路面行駛，會(huì)使車速下降，增大燃油消耗數(shù)量，加大車輛磨損程度，不平的路面會(huì)使車輛在行駛過程中產(chǎn)生行駛阻力和振動(dòng)，直接影響行車平順性和乘坐舒適性以及承載系統(tǒng)的可靠性和壽命[3]。同時(shí)阻力和振動(dòng)也嚴(yán)重影響到行車過程中的操作穩(wěn)定性。

3.1行車經(jīng)濟(jì)性

下圖1是根據(jù)哈爾濱—大慶高速公路交通的發(fā)展，分析了不平度對(duì)通車第一年的車輛運(yùn)營費(fèi)用的影響，同時(shí)預(yù)測(cè)了不平度對(duì)設(shè)計(jì)年限末第二十年的車輛運(yùn)營費(fèi)用的影響。

一方面通過零件維修等費(fèi)用明顯地反映出路面不平整造成車輛振動(dòng)使零件與車輛損壞的費(fèi)用增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過油耗；另一方面，由于路面不平整使車速降低，也將使運(yùn)營費(fèi)用增加。

3.2行車舒適性

行車舒適性是行駛質(zhì)量的直接體現(xiàn)，是對(duì)不平度的主觀評(píng)價(jià)。行車舒適性討論的是人—車—路相互作用系統(tǒng)，由人的心理、生理和機(jī)械等復(fù)雜因素的綜合，最后產(chǎn)生系統(tǒng)的輸入—人對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)。

評(píng)分試驗(yàn)是度量人對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)，作為刺激的車身振動(dòng)有各種復(fù)雜的頻波組成，準(zhǔn)確測(cè)量車身振動(dòng)是比較困難的，并且刺激的等量變化并不一定引起感覺上的等量變化，所以只能采取描述的方法，然后采用一定的比較尺度將其量化。評(píng)分時(shí)先要求評(píng)分人確定自己的感覺屬于哪一個(gè)范圍，然后給出相應(yīng)的評(píng)分?？刹捎脙?yōu)、良、中、次、差來描述主觀感受，分別量化以5、4、3、2、1分值。

下圖2為評(píng)定出路面不平度與行車舒適性評(píng)分之間關(guān)系示意圖。

可以看出，IRI小于1.5時(shí)，行駛舒適性評(píng)分幾乎不隨IRI的減小而增加；而當(dāng)IRI大于2.35時(shí)，行駛質(zhì)量評(píng)分隨IRI的增加而明顯減小，同時(shí)也表明，當(dāng)IRI小至一定數(shù)值時(shí)，再通過減小IRI值提高路面行駛質(zhì)量意義不大，而為此付出的代價(jià)卻是很大的。

4 不平度的施工控制

路面不平度的施工控制是一項(xiàng)綜合的系統(tǒng)工程，它是路面施工全過程中各環(huán)節(jié)質(zhì)量的最終體現(xiàn)。其控制的好壞可直接體現(xiàn)施工單位機(jī)械設(shè)備的水平和施工人員的素質(zhì)高低，同時(shí)路面不平度又是重要的施工驗(yàn)收指標(biāo)。

造成路面不平度的因素眾多而且復(fù)雜，就某一結(jié)構(gòu)層而言，其材料（級(jí)配、最大粒徑、均勻性等）、攤鋪、壓實(shí)、施工溫度等都會(huì)對(duì)該層的不平度產(chǎn)生較大影響，就各結(jié)構(gòu)層層間而言，下一層的不平度將直接影響到上一層的不平度。

4.1每一結(jié)構(gòu)層的施工控制

4.1.1混合料質(zhì)量

①級(jí)配

混合料級(jí)配對(duì)不平度的影響非常大。細(xì)集料或填料用量過多會(huì)導(dǎo)致瀝青用量相對(duì)過大，給攤鋪、碾壓造成困難，使路面的平整度難以保證，而且通車后會(huì)因承載力不足，造成擁包、車轍等現(xiàn)象；粗集料用量過多或主料粒徑過大，在攤鋪時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉溝、麻坑等現(xiàn)象，碾壓時(shí)壓實(shí)不均而直接影響到路面的平整度。所以必須保證混合料級(jí)配設(shè)計(jì)的合理性，使0.075mm、2.36mm、4.75mm粒徑的通過量接近級(jí)配范圍的中限，上面層粒料最大粒徑不得超過層厚的二分之一，中、下面層粒料最大粒徑不能超過層厚的三分之二。

②骨料來源

施工中骨料往往來自多個(gè)不同的料場(chǎng)，規(guī)格與質(zhì)量參差不齊，因而會(huì)引起混合料級(jí)配發(fā)生變化，所以在施工中必須嚴(yán)格控制材料來源，以確保骨料質(zhì)量合格。

③離析

骨料離析：混合料在拌和、傳送、運(yùn)輸過程中，由于高度原因和自重差異，粗骨料會(huì)滾落，形成第一次集中；混合料卸向攤鋪機(jī)時(shí)，粗骨料滾落到攤鋪機(jī)料斗兩邊，形成第二次集中；攤鋪機(jī)的螺旋布料器輸送骨料時(shí)，粗骨料會(huì)滾落到擋料板附近，形成第三次集中。骨料一旦集中，就易被擊碎，改變了原來的配合比，局部壓實(shí)系數(shù)也發(fā)生變化，最終影響路面的平整度。

溫度離析：主要是混合料由拌和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)綌備伂F(xiàn)場(chǎng)的過程中，混合料表面、與車廂接觸部位溫度較中心部位溫度下降快，形成溫度離析。因?yàn)闇囟入x析的存在，碾壓時(shí)溫度不一致而致使壓實(shí)效果不一樣，從而引起平整度的變化。

4.1.2攤鋪

攤鋪是路面施工過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，攤鋪機(jī)械、攤鋪工藝、攤鋪方法都直接影響到路面的平整度。

①松鋪層

在保證松鋪厚度的同時(shí)，要保證松鋪層具有良好平整度。松鋪層凹凸不平將引起松鋪厚度不一致，導(dǎo)致壓縮量的不均勻，從而影響到路面的平整度。

②攤鋪基準(zhǔn)

攤鋪機(jī)熨平板裝有自動(dòng)調(diào)平裝置，但調(diào)平系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)本身也不是絕對(duì)準(zhǔn)確的，它的誤差也是引起松鋪層不平度的主要原因。因此，也需采取措施減小調(diào)平基準(zhǔn)誤差。

③ 攤鋪速度

速度變化的影響是多方面的。首先，使每單位長(zhǎng)度上振搗的次數(shù)發(fā)生變化，造成壓實(shí)度差異，導(dǎo)致平整度下降；其次，速度的變化對(duì)供料造成影響，造成松鋪層表面的不平整；另外，攤鋪機(jī)快慢不均，則會(huì)導(dǎo)致攤鋪層松鋪密度不均勻，進(jìn)而影響平整度的質(zhì)量。

鑒于攤鋪速度的變化造成的多方面不良影響，在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)過程中，必須保證攤鋪速度的恒定。

④ 攤鋪寬度

攤鋪寬度大，混合料的離析會(huì)很明顯，易出現(xiàn)橫向的不平整；另一方面，攤鋪寬度過大，兩邊的熨平板整體剛度下降，兩邊與中間的攤鋪層密實(shí)程度不同，碾壓后也會(huì)形成橫向的不平整；再者，由于兩邊粗骨料含量過大，空隙率加大滲水現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)，中間骨料偏細(xì)，抗滑能力低，熱穩(wěn)定性下降，這些都是造成路面早期損壞的重要原因。

基于以上分析，攤鋪寬度過大弊多利少，如果路面較寬，應(yīng)采用多幅攤鋪辦法，從而提高攤鋪質(zhì)量。

4.1.3碾壓

碾壓是路面施工的最后一道工序。碾壓作業(yè)對(duì)平整度的影響主要有以下幾方面：一是碾壓速度過快或碾壓初始溫度過高使混合料產(chǎn)生推移，形成波浪或擁包；二是局部過碾，形成壓痕或深度輪跡超差；三是碾壓終了溫度過低，形成無法消除的輪跡而產(chǎn)生平整度超差現(xiàn)象；四是碾壓程序控制不正確，造成局部的不平整。

針對(duì)以上幾方面影響，可用如下控制措施：第一，遵守正確的碾壓原則，即由底到高，由內(nèi)到外，由兩邊到中心碾壓；第二，堅(jiān)持合理的碾壓程序，壓實(shí)按初壓、復(fù)壓、終壓三個(gè)階段連續(xù)進(jìn)行，中間不得停頓，直至成型；第三，應(yīng)根據(jù)壓路機(jī)的數(shù)量和機(jī)型確定一次碾壓的長(zhǎng)度，同時(shí)壓路機(jī)應(yīng)跟隨攤鋪機(jī)呈階梯形碾壓，避免在折口處產(chǎn)生輪跡。

4.1.4接縫處理

接縫在路面施工是不可避免的，接縫處理的好，對(duì)獲得良好的平整度起著至關(guān)重要的作用。

①縱向接縫：通常由多幅攤鋪形成，一般為熱接縫，只要選擇合適的搭接量即可獲得良好的質(zhì)量；若采用冷接縫，應(yīng)將邊緣切削整齊，形成平接縫，以使后來的搭接容易控制。

②橫向搭接：橫向搭接盡可能采用平接縫。攤鋪機(jī)起步時(shí)一定要調(diào)整好松鋪厚度，碾壓時(shí)要橫向碾壓，使壓路機(jī)處于已壓實(shí)的混合料上，深入新鋪層的寬度15cm，每壓一遍向新鋪混合料移動(dòng)15—20cm；在改為縱向碾壓時(shí)，要特別注意杜絕與接縫垂直碾壓，防止引起新舊層錯(cuò)位。

4.2不平度的層間影響即不平度傳遞方面因素

不平度傳遞是指路面下層的不平整向上反射的過程。松鋪路面由于受攤鋪?zhàn)鳂I(yè)和參考基準(zhǔn)的制約，其本身并不是絕對(duì)平整的，而且松鋪面層在經(jīng)受壓實(shí)之后，路面的凹凸波形還會(huì)進(jìn)一步調(diào)整，有些會(huì)加劇，有些會(huì)減緩，這種在不平度傳遞過程中對(duì)最終壓實(shí)后的路面譜做出的調(diào)整，是由于路面松鋪厚度差異和壓縮比不均勻而造成的，它取決于以下三方面因素：

①下層路面凹凸不平的路面譜；

②路面不同部位材料壓縮量的不均勻性，它本身是由于材料組成和溫度不均勻以及碾壓工藝和碾壓參數(shù)不一致造成的；

③松鋪層表面的不平整和碾壓過程中由于材料的推移等原因所帶來的附加不平整，后者與壓路機(jī)的性能和操作有很大關(guān)系。

理論研究表明，理想情況下層間不平度的傳遞服從相似準(zhǔn)則規(guī)律，即假設(shè)攤鋪后表面是絕對(duì)平整的，由于底層表面的凹凸將導(dǎo)致松鋪層厚度差異，在同樣的壓實(shí)功作用下，鋪層較厚處的壓縮量較大，鋪層較薄處的壓縮量較小，這樣，下層路面的凹凸不平將以某種相似的規(guī)律反映到壓實(shí)后的上層路面，只是凹凸不平度程度會(huì)有所下降。

實(shí)際情況下，這種理想化的假設(shè)是根本不存在的，因?yàn)橛写罅康碾S機(jī)因素，例如攤鋪層表面不平度及其影響因素、壓縮量不均勻及其影響因素、壓實(shí)過程中材料推移和碾壓工藝及其影響因素等參與和影響著一傳遞過程，會(huì)嚴(yán)重地破壞和歪曲建立在相似準(zhǔn)則基礎(chǔ)上的傳遞規(guī)律。

為保證路面在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)始終保持良好的平整度狀態(tài)，提供良好的行車環(huán)境，就需要我們通過養(yǎng)護(hù)、維修等一些技術(shù)措施來降低因平整度衰減造成的對(duì)路面服務(wù)質(zhì)量的影響。

5 總結(jié)及路面不平度研究的發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和高等級(jí)公路通車?yán)锍痰脑黾?，公路運(yùn)輸中車速高、載重大的狀況變得普遍。在高速、重載車輛的作用下，路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)更加顯著，由此而產(chǎn)生的材料松散、疲勞開裂等動(dòng)態(tài)破壞模式在路面損壞現(xiàn)象中也變得尤為突出。目前，世界各國在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多以靜止的車輛荷載作用下的結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，這在荷載不太大，車速不太高的情況下是基本合理的，但在明顯的運(yùn)動(dòng)荷載作用下，靜力荷載模式與車輛行駛過程中對(duì)地面的實(shí)際作用力之間的差異越來越大，地面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性也遠(yuǎn)非靜力學(xué)特征所能描述。

因此在處理車輛荷載作用下地面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問題時(shí)，應(yīng)該注意到這個(gè)特性：路面不平度施加在車輛上的激勵(lì)是隨機(jī)的，它不僅對(duì)車輛振動(dòng)有重要影響，而且與地面動(dòng)力響應(yīng)也在著密切聯(lián)系，而對(duì)于隨機(jī)性問題，只有用概率方法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法加以研究，才能得出可靠的有益于實(shí)際應(yīng)用的結(jié)論。有鑒于此，近年來集概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等有關(guān)理論于一體的車輛—地面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)越來越受到人們的重視，并以此為手段以功率譜密度為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)路面不平度進(jìn)行了大量的研究。

通過大量路段數(shù)年實(shí)測(cè)不平度的資料進(jìn)行功率譜分析，發(fā)現(xiàn)路面功率譜可以深刻反映路面性能，是研究路面性能、汽車—路面系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的良好指標(biāo)，可用PSD代替IRI，并且隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，尤其是激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大大提高了路面不平度測(cè)試的頻率、精度，使進(jìn)行精確的功率譜分析成為可能。

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