路基路面平整度測(cè)試及技術(shù)原理

王偉

摘要：本文系統(tǒng)介紹了路面平整度概念、意義及檢測(cè)相關(guān)理論，并重點(diǎn)就不同路面平整度檢測(cè)設(shè)備、路面平整度指標(biāo)與路面波波長(zhǎng)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。從平整度檢測(cè)的目的出發(fā)，指出國(guó)際平整度指數(shù)IRI能最大程度的模擬行車過(guò)程中的人體舒適性，應(yīng)作為首選的路面平整度指標(biāo)。

關(guān)鍵字：平整度、平整度意義、測(cè)試方法、測(cè)試原理、國(guó)際平整度指數(shù)

Abstract: this paper introduces the concept, significance and the road surface flatness detection the related theory, and the key is different road surface flatness detection equipment, road surface roughness index and the road bobo long the relationship between the analysis. The purpose of testing from flatness, and points out that the international roughness index IRI driving to the maximum extent in the process of the simulation of human comfort, should be the first road roughness index.

Key word: flatness, flatness significance, test methods, test principle, international roughness index

1定義

路面平整度（Road Surface Roughness）指的是路表面縱向的凹凸量的偏差值。

路面平整度是路面評(píng)價(jià)及路面施工驗(yàn)收中的一個(gè)重要指標(biāo)，主要反映的是路面縱斷面剖面曲線的平整性。當(dāng)路面縱斷面剖面曲線相對(duì)平滑時(shí)，則表示路面相對(duì)平整，或平整度相對(duì)好，反之則表示平整度相對(duì)差。好的路面則要求路面平整度也要好。

2路面平整度檢測(cè)設(shè)備

路面平整度檢測(cè)設(shè)備主要包括斷面類和響應(yīng)類兩大類。斷面類路面平整度檢測(cè)設(shè)備是采用機(jī)械、光學(xué)等手段直接獲取路面縱斷面曲線，這類平整度檢測(cè)設(shè)備的代表有澳大利亞ARRB斷面儀和我國(guó)自行研制的達(dá)普勒斯手推式斷面儀（DAPRES）、厲普勒斯平整度儀（LIPRES）等。由于斷面類路面平整度檢測(cè)設(shè)備是直接獲取路面縱斷面曲線，因此斷面類路面平整度檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)值具有時(shí)間穩(wěn)定性。響應(yīng)類路面平整度檢測(cè)設(shè)備則無(wú)法直接獲取路面縱斷面曲線，又稱間接式平整度儀。該類設(shè)備一般通過(guò)量測(cè)裝載車的響應(yīng)量如豎向位移、垂直加速度等間接反映路面平整度。這類平整度檢測(cè)設(shè)備的代表有交通部公路科學(xué)研究所引進(jìn)的車載機(jī)械式顛簸累積儀和我國(guó)自行研制的巴普勒斯車載式顛簸累積儀（BIPRES）、瑞普勒斯電子式顛簸累積儀（RAPRES）等。響應(yīng)類路面平整度檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)值會(huì)受裝載車性能影響，不具有時(shí)間穩(wěn)定性。除此以外，還有一類路面平整度檢測(cè)設(shè)備，如連續(xù)式平整度儀、3米直尺等。這類路面平整度檢測(cè)設(shè)備無(wú)法直接獲得路面縱斷面曲線形狀，而是通過(guò)量測(cè)路面縱斷面曲線的某些幾何特征量如路表面曲線的最大偏差來(lái)表征路面平整度狀況，因而與路面縱斷面曲線直接相關(guān)，且具有時(shí)間穩(wěn)定性。斷面類和其它類平整度儀合稱直接式路面平整度儀。

斷面類路面平整度檢測(cè)設(shè)備可直接獲取路面縱斷面曲線形狀，以作為進(jìn)一步分析路面平整度的基礎(chǔ)，但斷面類路面平整度檢測(cè)設(shè)備儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。響應(yīng)類路面平整度檢測(cè)設(shè)備儀器結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但無(wú)法直接獲取路面縱斷面曲線形狀，其檢測(cè)值不具有時(shí)間穩(wěn)定性，且需經(jīng)常進(jìn)行標(biāo)定。不同類型路面平整度檢測(cè)設(shè)備其檢測(cè)速度、檢測(cè)結(jié)果精度、檢測(cè)原理上均有較大差別，見(jiàn)表1。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)應(yīng)用目的選擇合適類型的路面平整度檢測(cè)設(shè)備。

3平整度測(cè)量原理

3.1斷面式平整儀

斷面式平整度儀，利用機(jī)械原理通過(guò)測(cè)量輪等設(shè)備，直接測(cè)量路面的縱剖面。精密水平測(cè)量法與傾斜度測(cè)量法是此類儀器的基本原理。精密水平測(cè)量法就是高度直接測(cè)量，每隔0.3米放一個(gè)測(cè)站，測(cè)量高度變化，精度范圍需在0.5米以內(nèi)。傾斜度測(cè)量?jī)x構(gòu)造為一長(zhǎng)度固定的橫桿，橫桿中間有一垂直于橫桿的傾斜桿，測(cè)量時(shí)將橫桿置于路面，以傾斜桿的傾斜角度及水平基長(zhǎng)計(jì)算橫桿頭尾的高度。斷面式平整度儀有水平儀測(cè)量?jī)x、梁式斷面儀、高低平整儀、行走式平整度儀等各種形式。斷面式平整度儀的特點(diǎn)是重量較輕、自動(dòng)化程度較低。

3.2反應(yīng)式平整儀

反應(yīng)類平整度測(cè)定系統(tǒng)，是在車上安裝由一個(gè)感應(yīng)器與一個(gè)顯示器組成的儀器，可以感應(yīng)與累積車輛以一定速度經(jīng)過(guò)不平整路面時(shí)懸吊系統(tǒng)的豎向位移量。儀器得到的測(cè)定值，通常是一個(gè)計(jì)量數(shù)值，每計(jì)算一個(gè)數(shù)值相對(duì)于一定的懸吊系統(tǒng)位移量。

反應(yīng)類平整度儀測(cè)定系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)便，可用于大范圍的路面平整度狀況測(cè)定。然而，由于這類測(cè)定系統(tǒng)是對(duì)路面平整度的一個(gè)間接度量，其測(cè)定結(jié)果同測(cè)試車輛的動(dòng)態(tài)反應(yīng)狀況有關(guān)，亦即測(cè)定結(jié)果隨測(cè)試車輛機(jī)械系統(tǒng)的震動(dòng)特性與車輛行駛的速度而變化。因而，它有這樣的缺點(diǎn)：(1)時(shí)間穩(wěn)定性差。由于車輛振動(dòng)特性隨時(shí)間與其它因素而變化，同一臺(tái)儀器在不同時(shí)期測(cè)定的結(jié)果不一致；(2)轉(zhuǎn)換性差一個(gè)單位所測(cè)定的結(jié)果很少為其它單位所利用，因此，不同單位的測(cè)定結(jié)果難以進(jìn)行比較；(3)無(wú)法顯示路面表面的真實(shí)斷面，因而無(wú)法利用測(cè)定結(jié)果考察與分析影響路況的路面表面特性。

為了克服反應(yīng)類平整度測(cè)定的上述第一項(xiàng)缺點(diǎn)，須經(jīng)常對(duì)平整度儀進(jìn)行校正。校正的方法是選擇若干平整度已知的校正路段，建立反應(yīng)類儀器在校正路段上的測(cè)定結(jié)果同該路段已知參照平整度之間的回歸關(guān)系(即校正曲線)。建立這類反應(yīng)類儀器在標(biāo)定校正路段的測(cè)定結(jié)果，通常采用斷面類平整度測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定。利用此校正曲線就可以對(duì)反應(yīng)類儀器在不同時(shí)期測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種校正方法的關(guān)鍵，是要能精確的測(cè)定校正路段的縱剖面，以確定其參考平整度；并且需要一項(xiàng)單一的平整度指標(biāo)來(lái)代表校正路段的縱剖面特性，以便于與反應(yīng)類平整度儀的測(cè)定結(jié)果建立校正曲線。為克服第二項(xiàng)缺點(diǎn)，還需要尋找一個(gè)通用的平整度指標(biāo)，以便把不同儀器或不同單位測(cè)定的結(jié)果統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成這種通用指標(biāo)表示的平整度值，使它們能夠進(jìn)行比較。

3.3慣性式平整度儀

慣性式平整度儀是以慣性原理加裝非接觸式的精密光學(xué)測(cè)距儀器，直接針對(duì)路面輪廓進(jìn)行測(cè)量。這類平整度儀必需具備四大構(gòu)件，第一為測(cè)量車體與道路表面間距離的裝置，一般通過(guò)超聲波或激光來(lái)測(cè)量相對(duì)高度，激光比超聲波昂貴但更為準(zhǔn)確超聲波對(duì)于潮濕路面的測(cè)量容易產(chǎn)生誤差，擷取的間距須較大，重現(xiàn)性不如激光另外超聲波較易受溫度及路面表面紋理的影響。第二為精密的里程表，用以測(cè)量水平距離。第三為電腦系統(tǒng)，用以實(shí)時(shí)計(jì)算或換算出各類指標(biāo)。第四為慣性參考儀器，一般為加速度計(jì)，用以測(cè)量車體行進(jìn)中的垂直加速度，加速儀的訊號(hào)為一電壓值，經(jīng)儀器的轉(zhuǎn)換公式計(jì)算得加速度值，將加速度做兩次積分，可得到垂直位移量，車體與道路表面的距離經(jīng)這個(gè)位移量的校正后，可得到精確的道路輪廓。在檢測(cè)效果上，此類儀器適合搜集大量的路面平整度數(shù)據(jù)而運(yùn)用路面網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，大大改善了斷面式平整度檢測(cè)儀的缺點(diǎn)，但保持其測(cè)量原理上的優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量原理上，是對(duì)路面實(shí)際輪廓進(jìn)行測(cè)量，改善了反應(yīng)式平整度檢測(cè)系統(tǒng)的弊病，準(zhǔn)確性明顯較反應(yīng)式平整度檢測(cè)儀器高，但保持其快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。因此，即使這類儀器較為昂貴，但仍有逐漸成為主流的趨勢(shì)。

4路面平整度指標(biāo)

路面平整度指標(biāo)可分為斷面類、響應(yīng)類與其它類等。斷面類路面平整度指標(biāo)主要是國(guó)際平整度指數(shù)IRI，響應(yīng)類路面平整度指標(biāo)包括顛簸累計(jì)值VBI、豎向加速度RMSVA等，其它類路面平整度指標(biāo)包括3米直尺值Δ、平整度標(biāo)準(zhǔn)差σ等。

從世界范圍來(lái)看，國(guó)際上普遍采用世界銀行1982年巴西對(duì)比試驗(yàn)建立的國(guó)際平整度指數(shù)（International Roughness Index，簡(jiǎn)稱IRI）作為路面平整度指標(biāo)。所謂國(guó)際平整度指數(shù)，是指采用具有特定懸掛系統(tǒng)參數(shù)的四分之一車模型，模擬車輛在路面縱斷面行駛過(guò)程，并以車身相對(duì)于后軸之間的累計(jì)相對(duì)位移的大小表征路面平整度狀況。國(guó)際平整度指數(shù)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一響應(yīng)類路面平整度指標(biāo)，但由于模型車的懸掛系統(tǒng)參數(shù)為一定常數(shù)，因而其計(jì)算結(jié)果與路面縱斷面曲線直接相關(guān)，且具有時(shí)間穩(wěn)定性。此外，國(guó)際平整度指數(shù)與路段行駛舒適性直接相關(guān)，因而在世界范圍內(nèi)被廣泛采用。

5路面波波長(zhǎng)與平整度檢測(cè)設(shè)備

研究表明，人體對(duì)路面波波長(zhǎng)的敏感范圍在30米以內(nèi)，長(zhǎng)于30米的路面波對(duì)行車過(guò)程中人體舒適性無(wú)太大影響。為有效反映行車過(guò)程中人體舒適性，路面平整度檢測(cè)設(shè)備必須能有效檢測(cè)出30米內(nèi)路面波。

從檢測(cè)原理來(lái)看，3米直尺、連續(xù)式平整度儀只能夠檢測(cè)出某一路面縱斷面曲線與其兩端連線的最大高差值。3米直尺直接以其高差值作為檢測(cè)路段的路面平整度指標(biāo)，連續(xù)式平整度儀的路面平整度檢測(cè)指標(biāo)是若干連續(xù)路段最大高差值的標(biāo)準(zhǔn)差。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，上述兩種路面平整度檢測(cè)設(shè)備無(wú)法直接還原出路面縱斷面曲線形狀。這兩種平整度儀的連續(xù)采樣間隔均為3米，故只能檢測(cè)出波長(zhǎng)小于1.5米的路面波。

國(guó)際平整度指數(shù)IRI直接將路面縱斷面曲線輸入模型，利用濾波濾除路面縱斷面曲線中的長(zhǎng)波長(zhǎng)因素，并計(jì)算中、短波長(zhǎng)路面波激勵(lì)下的模型車懸掛系統(tǒng)豎向位移值。國(guó)際平整度指數(shù)IRI能反映50米以內(nèi)路面波對(duì)行駛舒適性的影響，因此國(guó)際平整度指數(shù)IRI最適宜用于衡量路面平整度狀況。任意滿足一定最大采樣間隔要求的斷面類路面平整度檢測(cè)設(shè)備其檢測(cè)值均可用于計(jì)算路面國(guó)際平整度指數(shù)IRI。

6發(fā)展趨勢(shì)

從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，采用快速、高精度路面平整度檢測(cè)設(shè)備，對(duì)路面平整度狀況進(jìn)行全面、定期檢測(cè)，以作為路面養(yǎng)護(hù)質(zhì)量評(píng)價(jià)和路面養(yǎng)護(hù)對(duì)策制定的依據(jù)，是我國(guó)路面養(yǎng)護(hù)管理與路面平整度檢測(cè)的發(fā)展方向。國(guó)際平整度指標(biāo)將逐步取代平整度標(biāo)準(zhǔn)差σ、顛簸累計(jì)值VBI等。在路面施工階段，手推式斷面儀因其檢測(cè)精度高，且檢測(cè)速度滿足路面施工階段要求，將逐步取代3米直尺而得到大范圍的應(yīng)用。在路面養(yǎng)護(hù)管理階段的路面平整度檢測(cè)中，激光斷面儀因其檢測(cè)精度較高，檢測(cè)速度快將逐步推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] JTG E60-2008. 公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程[S]. 北京：人民交通出版社，2008.

[2] JTG H10-2009. 公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2009

[3] JTJ075-94. 公路養(yǎng)護(hù)質(zhì)量檢查評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：人民交通出版社，1994.

[4] 李俊，陸鍵，王一如等. 路面平整度評(píng)價(jià)體系及其工程應(yīng)用研究[R]. 南京：東南大學(xué)交通學(xué)院，2005.

[5] 陸建，趙激廣等. 不同路面平整度檢測(cè)設(shè)備及其相關(guān)性研究. 南京：東南大學(xué)交通學(xué)院，2005.

[6] 楊炯. 路面平整度檢測(cè)原理及檢測(cè)方法. 湖南：岳陽(yáng)市交通建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站，2009.

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