沥青路面平整度评价指标研究综述
王永良1，张永平2，张洪亮3，朱月风3
（1.甘肃新路交通工程公司，甘肃 兰州 730030；2. 杭州市公路管理局，浙江 杭州 310030；
3. 长安大学公路学院，陕西 西安 710064）
摘 要：路面平整度是评定路面质量的主要技术指标之一，它关系到行车的安全、舒适以及路面和交通工具的使用寿命，因此路面平整度能够衡量一段沥青路面的优劣。从国内外路面平整度的定义出发，对目前各种沥青路面平整度评价方法的特点进行了分析，并指出了国际平整度指数的缺陷。最后，总结出了目前平整度评价指标所存在的问题，并预测了路面平整度的发展趋势。
关键词：沥青路面；平整度；国际平整度指标；评价指标
中图分类号：U416.217 文献标志码：B 文章编号：1009-7767（2014）02-0026-04
Research Overview on Evenness Evaluation Indexes of Asphalt Pavement
Wang Yongliang， Zhang Yongping，Zhang Hongliang，Zhu Yuefeng
路面平整度是影响道路使用性能、反映道路综合质量的主要因素之一，也是反映路面施工质量与服务水平的一项重要指标。不平整的路面将会增大行车阻力，使车辆产生附加振动作用，这种振动作用会造成行车颠簸，影响行车的速度和安全、驾驶的平稳和乘车的舒适，还会对路面施加冲击力，加剧路面和汽车机件损坏以及轮胎的磨损，并增大油耗，还会积滞雨水，加速路面的破坏。因此认真分析影响高速公路沥青路面平整度的因素，研究改善和提高路面平整度的技术措施非常必要。
1 路面平整度的定义
平整度是路面评价的一个重要指标，由于路面平整度问题本身的复杂性，从不同角度出发，对路面平整度所下的定义就有多种。中华人民共和国交通部标准《公路工程名词术语》及国家标准《道路工程术语标准》将“路面平整度”定义为：路表面纵向的凹凸量的偏差值。美国试验与材料协会将其定义如下：道路平整度是路面表面相对于理想平面的竖向偏差，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。1960年美国各州公路工作者协会进行的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]。美国长期路面性能（LTPP）的研究表明，路面平整度特别是初始平整度，严重影响路面使用寿命[2]。美国AASHTO 2002设计指南已经正式将路面平整度作为设计验算指标之一，不再仅仅是施工验收控制指标。
2 沥青路面平整度指标研究现状
路面平整度评价指标有断面类、反应类和主观评估类3种。主观评价指标主要有平均评分等级MPR、现时服务性能等级PSR、行驶质量数RN等。断面类评价指标主要包括平整度标准差σ、竖向加速度均方根RMSVA、坡度变化SV、功率谱密度PSD等。20世纪20年代，开始将研究重点由单纯路面断面的研究转向由于路面不平整引起车辆振动的研究，平整度反应类测试评价方法开始出现。反应类测试设备主要包括美国公路局研制的BPR平整度仪、颠簸累积仪、CHOLE仪、Mays仪、PCA仪和澳大利亚NAASRA仪等，通过采用车辆车轴累积竖向位移量来表征路面不平整度，所提出的反应类评价指标主要有颠簸累计数、国际平整度指数IRI、断面指数PI、平均调整速度RARS、半车平整度指数HRI等。
下面对国内外常用的平整度评价指标作简单介绍。
1）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年在项目1～18中提出，起初是为解决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的问题，提出需要一种标准的指标与方法能对其进行标定。在随后进行的反应类平整度系统的标定和关系研究项目提出详细的国际平整度指数（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地提出了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。由于IRI具有多种优点，它目前已经成为国际上运用最广泛的平整度指标，美国AASHTO 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。同时，AASHTO2002设计指南建立了沥青路面IRI的经验预测模型。
2）平均评分等级MPR
平均评分等级源自20世纪50年代的AASHTO道路试验。由路面专家小组沿着评价路段行驶并评分，对评分值进行统计分析处理后用1个值作为小组的最终评分值，该值称为平均评分等级(MPR)。通过MPR可以评价某路段的行驶舒适度。MPR是关于路面不平整度的主观评价指标，其形成基于心理学原理，所以必须认真遵循该原理从而得到有效的小组评分结果。
3）行驶质量数RN
行驶质量数（RN）是以使用者的感觉作为代表平整度的指标，由O～5的数字代表路面行驶质量，RN=5代表路面接近于完美。RN最初由MPR得到，后在进行平整度小组评分的同时，以断面平整度仪检测路段的高低起伏，再以数学模型将平整度仪测得的数据转换成RN值。现RN可由断面指数PI直接计算得到，其计算公式为RN=5e-160PI。研究发现， RN与MPR有很好的相关性。
4）平整度标准差σ
平整度标准差（σ）是指八轮平整度仪测试输出的平整度数据。八轮平整度仪测定时以仪器着地的8个轮为相对基准面，沿路面某纵向位置以一定间隔量（如精架每移动25cm）采集测试轮的单向垂直位移数值，再用数理统计的方法来计算l00m中所有数据（若间隔为25cm，则100m有400个数据）的方差，此方差即通常所说的标准偏差。用均方差值的大小表示实际路面的平整度时，σ越小，平整度指标越高；反之，平整度指标越低。虽然连续式平整度仪设备较复杂，但其可实现连续测试，工作效率高，能较好地反映路面凹凸程度，因此主要用于测定路面表面的平整度，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、车辙、破损严重的路面上测定。
5）直尺测定最大间隙h
3m直尺法是通过测量尺底距离路表面的最大间隙h来表示路面平整度，以mm计。它适用于测定压实成型的路面各层表面的平整度，以此评定路面的施工质量及使用质量。它也可用于路基表面成型后的施工平整度检测。3m直尺法在我国各施工工程中应用较为广泛，在按照上述方法测得h值后，可按现行JTJO71—1998《公路工程质量检验评定标准》的规定，每200m测试2处，每处要求连续检测10尺，然后计算10个最大间隙的平均值、不合格尺数及合格率。
3m直尺法由人工操作，数据采集慢，受测量人员影响，并且只能测得少量数据，因此人为因素大、精度低、测试效率低。因此，其只适用于在道路施工过程中进行质量控制，不适用于高等级公路竣工验收和日后运行中进行检测评定。
6）单向位移累积值VBI
采用车载式颠簸累积仪测量车辆在路面上通行时后轴与车厢之间的单向位移累积值（VBI），并以该累积值与测试路段长度之比值来评定路面的平整度情况，以cm/km计。颠簸累计值(m/km)是指每公里范围内车桥与车身之间相对竖向位移的累计值。VBI越大，说明路面平整度越差，舒适性也越差。该仪器适于测定路面表面的平整度，评定路面的施工质量和使用期的舒适性；但不适用于在己有较多坑槽、破损严重的路面上测定。
7）断面指数PI
断面指数（PI）也是国际常用平整度评价指标之一，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的水平比例描绘路面的起伏，然后将空白带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得到PI。空白带的宽度由各国规范规定，一般为0～5mm。当空白带为0mm时，称为总的累积不平整度TCR。目前，除可以实测得到PI值之外，还可以通过计算得到PI值，其计算方法与1/4车辆振动模型计算IRI的方法相似。
8）功率谱密度PSD
路面平整度功率谱法（PSD法）是国际标准化组织ISO在1972年用来进行路面平整度判定的标准。由于道路断面可以认为是由不同特性的短波、中波及长波组成，因此，功率谱密度表示变量在不同频率（波长）下的方差，这样可以通过分析不同频率（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，从而得知平整度敏感的频率范围，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。
3 现有平整度评价指标的缺陷
目前，国际平整度指数IRI是国际上运用最广泛的平整度指标[3]。但许多学者研究发现，IRI用于评价路面平整度具有很多缺陷，部分学者针对其缺陷提出了更为合适的平整度评价指标。
1）IRI和行驶舒适性的相关性较差[4]。首先，IRI为单位距离内车身悬架的位移，而不是与行车舒适性相关的加速度（或其他指标），和行车舒适性不直接相关[5]。其次，人的舒适性与振动的振幅、频率、持续时间和方向有关，人体对长度为0.5～2.5 m内的路面波长最为敏感[6]，但IRI对2.4～15 m的波长最敏感[7]，敏感波长范围的不同造成两者的间接相关性也较差。Papagiannakis等 [4]在频域内将车体加速度的转换函数与功率谱密度PSD相乘得到1个与行车舒适性比较相关的指标，记作RIDE。
2）计算IRI时采用的是1/4小客车模型，不能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[4]。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[8]。Rayya等[9]提出1个专用于评价货车行驶时的路面平整度的指标PIt，Todd等[10]分别采用车体的竖向加速度和动态冲击系数来评价货车的行驶舒适性和动荷载。
3）采用的车辆模型太简单。1/4车辆模型是最初为了计算方便而采用的最简单的一种模型，并不能完全真实反映车辆在外部路面激励下的振动，仅能反映竖向振动，不能体现平动和转动。
4）IRI的分级临界值不能适用于所有等级的公路[11-12]。IRI是在80 km/h的速度下测试得到的，而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。Yu等[11]提出了1个更能反映高速公路行驶质量的行驶性能指数FRN。Liu等 [12]针对城市道路车速比较低的特点，重新计算得到了城市道路IRI的分级临界值。
4 平整度评价指标发展趋势
路面平整度评价的发展过程可以初步分为3个阶段。第1阶段单纯对于路面纵断面进行研究，早期的断面类平整度测定法就处于这一阶段。第2阶段意识到路面不平整是引起车辆振动的主要原因，从而将研究重点从单纯路面断面的研究转向由于路面不平整的激励所引起车辆振动的研究，反应类平整度测定法基本就属于这一类，该阶段最大的成果就是提出了IRI。在前2个阶段中，人均没有包括在车辆模型中，平整度评价指标与人的舒适性的相关性仅通过主观评价试验进行证明。故周晓青等[13]提出，根据由路到车-路的发展趋势，在评价指标中包含人-车-路3方面的相关信息是平整度评价发展的方向。张洪亮等建立了基于人-车-路相互作用的平整度评价方法[14-16]，但是限于时间和条件，采用的车辆模型过于简单，未采用整车模型，未考虑轮胎与路面的接触特性，不能完全真实反映车辆在外部路面激励下的振动，而且也没有开发基于人-车-路相互作用的平整度测试设备和评价软件。
另外，涵洞、通道、桥梁等这些特殊路段的不平整情况比正常路段要严重得多，主要引起车辆瞬态振动[17]，这和正常路段的车辆振动明显不同。现有的各平整度评价指标均是针对正常路段，而且各指标均是建立在对整个路段的不平整进行“平均”的基础上，不适于评价这些特殊区域的不平整性。张洪亮[17]曾对路桥过渡段人-车-路的相互作用和容许差异沉降进行了系统研究，建立了包括人-车-路在内的三自由度[18]和五自由度[19-20]车辆模型，首次提出并证明宜以振动频率和最大瞬态振动值作为该区域平整度评价的舒适性指标，得到了确定容许差异沉降的方法。但限于时间和条件，仍存在部分不足，如没有提出最大瞬态振动值的评价标准以及路桥过渡段的舒适性界限值；车辆模型过于简单，人-车-路动力响应分析未考虑桥梁和搭板与车辆之间的耦合振动以及桥面和路面的不平整等。
综上，沥青路面平整度评价指标的发展趋势为：建立基于人-车-路相互作用的平整度测试设备和评价软件，并考虑轮胎与路面的接触特性；在路桥过渡段、拥包和沉陷等特殊区域的平整度舒适性评价方面也应开发出专门的测试设备和评价软件。
5 结语
路面平整度是路面重要性能指标之一，也是路面性能研究中的难点问题之一。经历了近 80 年的发展，虽然取得了较多成果，但该问题一直没有得到较好解决，还有待深入研究。路面平整度现阶段在大部分国家只是1个施工验收控制指标, 但从AASHTO2002 的规范可知, 将平整度纳入到设计体系, 从设计阶段对路面平整度进行控制, 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发展趋势之一。
收稿日期：2013-11-29
基金项目：浙江省交通厅科技计划项目（2012H50）
作者简介：王永良，男，高级工程师，学士，主要从事公路工程建设、管理和研究工作。
注：本文刊载于《市政技术》2014年第2期，第26页至第29页。