水泥混凝土路面錯臺分級方法

唐伯明，馬國民，2，談至明

（1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)道路建設(shè)與維護(hù)技術(shù)教育部工程研究中心，重慶400074；2.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧530028；3.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

錯臺是水泥混凝土路面最主要的病害之一，其存在會顯著降低路面使用性能、加速路面結(jié)構(gòu)性破壞、增加道路使用成本等［1－2］.因此有必要對水泥混凝土路面錯臺進(jìn)行合理的分級，進(jìn)而提出每個錯臺水平對應(yīng)的處治措施.但是目前國內(nèi)外已有錯臺量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)具有較大的主觀性和差異性，如表1.

表1 部分區(qū)域和地區(qū)的錯臺量分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Regional evaluation criteria for joint faulting mm

因此有必要根據(jù)不同地區(qū)水泥混凝土路面實(shí)際結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境等制定相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn).通過檢測重慶地區(qū)2段典型路段的錯臺量和局部平整度指標(biāo)建立錯臺量和局部平整度的相關(guān)關(guān)系模型，并結(jié)合局部平整度指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)確定出錯臺量的分級標(biāo)準(zhǔn).驗(yàn)證結(jié)果表明所確定的標(biāo)準(zhǔn)符合實(shí)際路面情況.該方法簡單易行，適用于我國實(shí)際情況.

1 局部平整度指標(biāo)與錯臺量

1.1 局部平整度指標(biāo)

路面平整度是路面使用性能評價(jià)的一個重要指標(biāo)，它直接反映了路面行駛的舒適性及安全性，是一個涉及人、車、路三方面的指標(biāo).但是目前國內(nèi)外普遍采用的國際平整度指標(biāo)（IRI）算法中僅利用路面波中波長大于0.39m、小于98.40m 之間的部分來計(jì)算IRI［3－8］，而類似于錯臺、橋頭搭板的跳動及坑槽等病害對應(yīng)的路面波則在濾波過程中被濾除，所以用國際平整度指標(biāo)來評價(jià)這些病害是不合理的.限于國際平整度指標(biāo)本身存在的局限性，國內(nèi)外學(xué)者嘗試著去尋找能夠有效評價(jià)該類病害的方法和指標(biāo)，Louisiana州的Mark Martinez等的研究結(jié)果表明可以用局部平整度來對該類病害進(jìn)行評價(jià)并用局部平整度指標(biāo)（the local roughness index）評價(jià)該類病害引起的不平度［9］.即用加速度傳感器檢測選定路段的垂直加速度信號隨行駛里程的變化譜，然后確定各個錯臺在該譜中的具體位置，最后截取每個錯臺位置對應(yīng)的1.5m 范圍內(nèi)的加速度信號進(jìn)行方差的平方計(jì)算，方差平方計(jì)算公式如式（1）所示.每個位置對應(yīng)的方差平方計(jì)算結(jié)果即為該位置處錯臺量對應(yīng)的局部平整度指標(biāo)（LRI）.

式中：LRI為局部平整度，m4·s－8；x為每個采樣點(diǎn)的加速度值，m·s－2；x—為截取區(qū)間內(nèi)加速度信號的樣本均值m·s－2；N為參與計(jì)算的加速度值個數(shù).

Louisiana州交通局通過評分小組實(shí)際乘坐舒適感得出的局部平整度分級標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示.表2的分級標(biāo)準(zhǔn)是評分小組通過乘坐車輛駛過實(shí)際路面時的舒適感來建立的，所以該標(biāo)準(zhǔn)能與路面的實(shí)際行駛性能相吻合.

表2 局部平整度分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation criteria of the LRI （m4·s－8）

用式（1）計(jì)算的局部平整度指標(biāo)的量綱是隨機(jī)變量x量綱的4次方，物理意義不明確，方次較高且較為復(fù)雜.為便于實(shí)際應(yīng)用，有必要對其進(jìn)行簡化.由概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中知方差描述的是隨機(jī)變量在其數(shù)學(xué)期望附近的分散程度，其量綱是隨機(jī)變量量綱的平方，不便于實(shí)際應(yīng)用，所以引入標(biāo)準(zhǔn)差的概念，即方差的算術(shù)平方根.方差和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算原理是一致的，因此采用標(biāo)準(zhǔn)差作為局部平整度指標(biāo)來進(jìn)行研究，新的局部平整度公式如式（2）：

式中：LRIn為修整后的局部平整度指標(biāo)，m·s－2；xi為每個采樣點(diǎn)的加速度值，m·s－2.

結(jié)合式（2）和國內(nèi)路面使用性能分級指標(biāo)的表達(dá)習(xí)慣，將表2中的局部平整度進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到的局部平整度分級標(biāo)準(zhǔn)如表3所示.

表3 轉(zhuǎn)換后的局部平整度分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 The grading standards for local roughness index after transformation （m·s－2）

1.2 錯臺量

水泥混凝土路面相鄰板間的相對高差定義為錯臺量.當(dāng)車輛的駛?cè)氚灞锐偝霭甯邥r規(guī)定為正，反之為負(fù)［10］.如圖1.

不同國家和地區(qū)錯臺病害的檢測方法不一致.典型的檢測方法有2種：一種是手工法，即用手工檢測的方法檢測錯臺量，例如美國Georgia DOT 和LTPP（long－term pavement perfomance program）都用手工錯臺儀（the georgia faultmeter）來檢測錯臺量；另一種是利用錯臺的存在會顯著影響路面平整度的特性，通過檢測平整度指標(biāo)（IRI）來間接測試錯臺量.不同規(guī)范和指南中對錯臺測量位置的規(guī)定也不一致，例如AASHTO（American Association of State Highway and Transportation）規(guī)定錯臺的檢測位置是接縫前后縱向距離為300mm 的兩點(diǎn)的高差；而LTPP 指南的檢測位置是距離行車道邊線300～800mm范圍的接縫上某一位置處混凝土板的相對高差［11］.

圖1 錯臺量正負(fù)的規(guī)定Fig.1 The definition of the positive and negative for faulting values

2 錯臺量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定方法及實(shí)例

在重慶地區(qū)選擇典型路段測量局部平整度指標(biāo)和錯臺量，建立二者的相關(guān)關(guān)系；再通過局部平整度與路面服務(wù)水平之間的關(guān)系推導(dǎo)出錯臺量與路面服務(wù)水平之間的關(guān)系，從而建立符合各地實(shí)際情況的錯臺量分級標(biāo)準(zhǔn).

2.1 檢測路段簡介

省道S104 重慶市巴南區(qū)南彭南湖橋（K29＋300）至碑埡（K47＋900），全長18.6km，路基寬度8.50m，路面寬度7.00m，路肩寬度2×0.75m.荷載等級為公路－II，設(shè)計(jì)行車速度為60km·h－1，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ－100，交通等級為特重交通.在該路段上選擇2段長度都為1km 的路段進(jìn)行檢測，第1段是K43＋000～K44＋000，標(biāo)記為1號測試路段，該段上錯臺病害較嚴(yán)重且存在錯臺的位置也較為集中；第2段是K46＋000～K47＋000，標(biāo)記為2號測試路段，該路段除了錯臺病害以外，斷板、唧泥等病害也較為普遍.

2.2 錯臺量與局部平整度數(shù)據(jù)采集和處理

2.2.1 測試路段標(biāo)記和路面病害調(diào)研

用油漆在測試路段的每塊板和起終點(diǎn)上做標(biāo)記，為了能使后續(xù)工作重復(fù)利用該標(biāo)記，所作的標(biāo)記應(yīng)遠(yuǎn)離輪跡帶且要準(zhǔn)確、清晰和規(guī)范，如圖2.

圖2 測試路段起終點(diǎn)的標(biāo)記Fig.2 Marking the starting points and the end points for the represent sections

影響水泥混凝土路面平整度的因素除了錯臺以外，還有坑槽、麻面以及接縫的碎裂等，所以在分析錯臺量對局部平整度的影響過程中，完全剔除其他因素對局部平整度的影響是得出準(zhǔn)確可靠的結(jié)論的重要條件之一，所以準(zhǔn)確、客觀地對路面上各種病害進(jìn)行調(diào)研就顯得尤為重要.本研究在對路面病害進(jìn)行調(diào)研時，考慮到選定的測試路段總長度較短，因此用數(shù)碼相機(jī)連續(xù)拍攝每塊板的路面表面狀況，同時用鋼卷尺準(zhǔn)確測量每塊板的長度和各種病害的大小.

2.2.2 錯臺量的檢測

數(shù)顯胎紋儀具有測試精度高（0.001mm）、測試方便、本身體積和質(zhì)量小、不用目讀以及可以離開測試點(diǎn)后再讀數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，所以首創(chuàng)性的應(yīng)用量程為25 cm 的數(shù)顯胎紋儀檢測錯臺量.經(jīng)結(jié)合測試路段現(xiàn)場車輛行駛的輪跡分布情況，選擇的測量位置分別為距離板邊50cm 和170cm 兩點(diǎn)和離路中心50cm的一點(diǎn)，測試點(diǎn)平面分布如圖3所示.

圖3 錯臺量測試點(diǎn)位置平面分布（單位：cm）Fig.3 The test positions for the faulting values（units：cm）

由于篇幅限制，只列出1號測試路段的部分錯臺量檢測數(shù)據(jù)，如表4所示.

表4 1號測試路段的部分錯臺量Tab.4 Parts of joint faulting for section 1test

2.2.3 局部平整度的檢測

用ITS智能交通檢測車檢測垂直加速度隨行駛里程變化的數(shù)據(jù)，該檢測車的主要組成結(jié)構(gòu)如圖4所示.該檢測車主要由OES非接觸式車速儀、cw98存儲式智能五輪儀、加速度傳感器（KISTLER）以及智能模塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（CRONOS PL）等測試元件組裝而成.該檢測車最大優(yōu)點(diǎn)是各個傳感器能同步檢測，測得的數(shù)據(jù)也能同步輸出.為了盡可能提高檢測信號的分辨率，采集信號的時間間隔選用1ms.另外，選用30，40，50及60km·h－1四個速度對每個測試路段進(jìn)行檢測，每個速度重復(fù)檢測一次.

為了使檢測得的數(shù)據(jù)具有可移植性和避免車輛懸掛系統(tǒng)的性能衰減給研究結(jié)果帶來的影響，將加速度傳感器安裝在懸掛系統(tǒng)以下的車輛前軸上.也為了準(zhǔn)確定位測試路段的起終點(diǎn)，進(jìn)而易于找到錯臺位置對應(yīng)的加速度信號突變位置，檢測時在測試路段的起點(diǎn)和終點(diǎn)處各放一塊高為30cm 的木板.每個路段以不同車速或同一車速反復(fù)進(jìn)行檢測時車輛的行駛軌跡應(yīng)盡可能重合.

2.2.4 數(shù)據(jù)處理

用IMC公司開發(fā)的Famos軟件處理加速度數(shù)據(jù).某速度條件下其中一條測試路段的加速度信號隨行駛距離的分布如圖5所示，將測得的路面波進(jìn)行濾波，以剔除路面波中的高頻成分，從而使加速度信號的突變情況更為明顯，在FAMOS 中可選用SMO3命令直接實(shí)現(xiàn)濾波過程.

為了使得到的結(jié)果更為可靠，從測得的錯臺數(shù)據(jù)中排除接縫附近具有其他病害的路面板，經(jīng)篩選后得到滿足條件的接縫有28個.選定了有待分析的接縫后可以進(jìn)行局部平整度的計(jì)算，具體計(jì)算方法：首先確定每個錯臺在加速度信號隨里程變化譜中的具體位置，然后截取該位置對應(yīng)的1.5 m 長度范圍內(nèi)的加速度信號數(shù)據(jù)進(jìn)行局部平整度指標(biāo)計(jì)算，由于篇幅限制只列出部分計(jì)算結(jié)果，如表5.

2.3 建立錯臺量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 建立錯臺量與局部平整度相關(guān)關(guān)系模型

從表5可見，錯臺量與局部平整度之間有很好的相關(guān)關(guān)系，在同一速度條件下，錯臺量越大，局部平整度越大，如圖6a.車輛速度對平整度的影響也非常明顯，對于同一錯臺量而言，當(dāng)車輛行駛速度越大時局部平整度也越大.如錯臺量為6.7 mm 時局部平整度隨車輛行駛速度的變化如圖6b.

從圖6b可以得知，車輛的行駛速度與局部平整度具有明顯的相關(guān)性，但錯臺量是一客觀存在的量，其評價(jià)指標(biāo)的大小不應(yīng)隨車速變化而變化，因此應(yīng)該對該指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化.采用的方法是將存在錯臺量的道路的設(shè)計(jì)速度代入表5中每個錯臺量對應(yīng)的回歸方程中，用該速度對應(yīng)的局部平整度指標(biāo)來評價(jià)錯臺量引起的平整度［9］.例如，S104 的設(shè)計(jì)速度為60km·h－1.因此檢測車輛用60km·h－1的檢測速度行駛是合理可靠的，所以將該設(shè)計(jì)速度代入表5中每個錯臺量對應(yīng)的回歸方程中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化.例如，當(dāng)錯臺量為5.5 mm 時對應(yīng)的回歸方程為y＝1.374 5e0.0291x，當(dāng)x＝60km·h－1時，得到的局部平整度指標(biāo)為7.85m·s－2.同理，將60km·h－1代入各個錯臺量對應(yīng)的回歸模型后得到28個接縫對應(yīng)的局部平整度指標(biāo).

將錯臺量和對應(yīng)的局部平整度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖7所示，得到的回歸模型如式（3）.

式中：f為錯臺量，mm；n為錯臺量個數(shù).相關(guān)系數(shù)R能夠反映2個變量間的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)｜R｜＞0.8時，2個變量間有很好的相關(guān)關(guān)系；當(dāng)｜R｜＜0.3時，相關(guān)關(guān)系不好［12］.式（3）表明錯臺量與局部平整度之間相關(guān)系數(shù)R＞0.8，所以二者之間具有很好的相關(guān)關(guān)系.

圖7 錯臺量與局部平整度指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系Fig．7 Correlation of joint faulting and local roughness index

2.3.2 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型式（3）的有效性，選擇2個試驗(yàn)路段中測點(diǎn)3處錯臺量對應(yīng)的加速度傳感器測得的加速度信號進(jìn)行分析，從2個測試路段上測點(diǎn)3處的錯臺量值中選擇滿足條件的接縫，并計(jì)算檢測速度為60km·h－1時每個測點(diǎn)的局部平整度指標(biāo)值，然后將計(jì)算得的局部平整度值代入模型式（3）中，進(jìn)而反算出對應(yīng)的錯臺量值（理論錯臺量），最后將通過局部平整度指標(biāo)反算得的理論錯臺量與實(shí)測得的錯臺量進(jìn)行求差比較，具體數(shù)值如表6所示.

表6 理論與實(shí)測錯臺量Tab.6 The theoretical and test faulting values

從表6中可以看出，除了編號12處的理論錯臺量與實(shí)際錯臺量的偏差大于1mm 以外，其他編號處的理論錯臺量與實(shí)際測得的錯臺量的偏差都在1mm 以內(nèi).目前常用錯臺量檢測儀的測量誤差一般也在1mm 左右，所以式（3）是有效的.

2.4 建立錯臺量的分級標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合表3和式（3）進(jìn)行計(jì)算后可得到所選典型路段的錯臺量分級標(biāo)準(zhǔn).如表7所示.

表7 錯臺量與路面服務(wù)水平間的關(guān)系Tab.7 The relationship between the joint faulting values and ride quality

在表7的錯臺量分級標(biāo)準(zhǔn)確定過程中，只考慮了行駛質(zhì)量水平，沒有考慮道路等級、道路的養(yǎng)護(hù)資金、養(yǎng)護(hù)水平等其他因素，而且所采集的數(shù)據(jù)樣本數(shù)量不是很多.各地在采用這種方法時，可進(jìn)一步細(xì)化考慮，對整個路網(wǎng)內(nèi)不同等級的道路進(jìn)行分組，檢測得到各種等級道路上的錯臺量和局部平整度指標(biāo)，然后按同樣的方法建立與實(shí)際道路狀況相吻合的錯臺量分級標(biāo)準(zhǔn).

3 結(jié)語

結(jié)合重慶市水泥混凝土路面錯臺病害評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定實(shí)例，提出了一種基于路面行駛質(zhì)量水平的錯臺量分級方法：選擇典型的水泥混凝土路面，檢測并計(jì)算出各測試路段的錯臺量和局部平整度，然后通過回歸分析建立錯臺量與局部平整度之間的相關(guān)關(guān)系模型，最終由局部平整度與行駛質(zhì)量水平的關(guān)系建立基于行駛質(zhì)量水平的錯臺量分級標(biāo)準(zhǔn).由于這種方法是根據(jù)實(shí)際路面調(diào)查數(shù)據(jù)而建立的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，所以較符合實(shí)際情況.這種方法簡單易行，對其他地區(qū)錯臺量評價(jià)指標(biāo)的制定具有較好的借鑒意義.但是本次研究所用的數(shù)據(jù)量有限，且研究的路段只局限于重慶市內(nèi)典型的二級公路路段，至于采用其他地區(qū)和其他等級的公路上采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時是否也能得出同樣的結(jié)論，在這方面有必要做進(jìn)一步的研究.

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