基于路面使用性能評(píng)價(jià)的車轍指標(biāo)研究

任瑞波，許士強(qiáng)

（山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

0 引言

瀝青路面中的瀝青材料是一種典型的粘彈性材料，對(duì)于粘彈性材料，在重復(fù)荷載作用下，將呈現(xiàn)出變形的逐漸增大，稱為變形的累積［1－2］。車轍是瀝青路面的一種損壞形式，表觀表現(xiàn)為瀝青路面輪跡帶范圍內(nèi)路面的下凹，有時(shí)伴隨輪跡帶邊緣的隆起［3］。在高等級(jí)公路瀝青路面破損中，車轍病害占有較大的比重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約80%的瀝青路面的維修養(yǎng)護(hù)是因?yàn)槁访孳囖H變形所引起。與路面裂縫、水損壞等其他病害相比，瀝青混凝土路面中的車轍危害性最大［4］。車轍的存在嚴(yán)重影響著行車舒適性和行車安全性并會(huì)誘發(fā)其他病害。由于車轍的存在，車輛在變道時(shí)易顛簸，從而使駕駛員難以對(duì)方向盤控制，可操作性變差。降雨時(shí)由于車轍的存在可使車轍內(nèi)積水，當(dāng)車輛駛過(guò)時(shí)路面水被帶起形成水霧從而影響后續(xù)車輛的駕駛員視線，更危險(xiǎn)的是當(dāng)車輪在有積水的車轍槽內(nèi)，尤其是在冬季有積水結(jié)冰的車轍槽內(nèi)行駛時(shí)，路面的抗滑能力顯著降低，車輛制動(dòng)距離增大，極易引發(fā)交通事故，嚴(yán)重影響形車安全。實(shí)驗(yàn)研究表明，在同一車速下，積水越深，滑動(dòng)摩擦系數(shù)越低，當(dāng)水深為10 mm，車速為100 km／h時(shí)，摩擦系數(shù)接近零，可認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生了漂滑現(xiàn)象［5］。由于路面車轍存在所致的路表積水成為影響行車制動(dòng)效能和操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因此，從安全性方面講，路面的容許車轍深度應(yīng)為7.6～10.0 mm。養(yǎng)護(hù)目的總體上以延長(zhǎng)公路使用壽命作為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)于安全行車需求考慮較少［6］。

SHRP在研究永久變形預(yù)測(cè)時(shí)提出，合理進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)和施工的瀝青路面中車轍的極限深度是12.5 mm［5］；AASHTO分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是將車轍深度為6 mm以下的不作考慮，日本將3 mm以下的車轍不作考慮［7］；在英國(guó)，車轍深度達(dá)到10 mm，就認(rèn)為路面達(dá)到臨界狀態(tài)，深度達(dá)到20 mm，認(rèn)為路面已進(jìn)入不利狀態(tài)［7］；殼牌瀝青路面設(shè)計(jì)方法中將高速公路的容許車轍深度規(guī)定為10 mm，地瀝青協(xié)會(huì)AI的設(shè)計(jì)方法則規(guī)定為13 mm［8］；美國(guó)和日本都認(rèn)為路面車轍的深度達(dá)到10 mm時(shí)，就應(yīng)該采取相應(yīng)的處治措施［8］。在“七五”期間，國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目“高等級(jí)公路半剛性基層、重交通道路瀝青路面面層和抗滑表層的研究”專題提出的瀝青路面車轍深度目標(biāo)是在設(shè)計(jì)年限內(nèi)車轍深度不超過(guò)15 mm［7］。

JTJ 073.22001《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》將路面車轍與路面裂縫、坑槽等損壞視為同一損壞類型，將損壞面積計(jì)入路面破損率指標(biāo)DR，并以此計(jì)算路面破損狀況指數(shù)PCI［9］。在JTG H20—2007《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中，深度為10～15 mm的車轍被定義為輕度車轍，深度在10 mm以下的車轍未做定義［10］。而且，標(biāo)準(zhǔn)中將車轍指標(biāo)僅分為“輕、重”兩個(gè)等級(jí)的做法不夠精細(xì)，且以線性分段函數(shù)來(lái)表示車轍指標(biāo)及以20 mm作為車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的做法也不盡合理。此外，僅僅考慮路面車轍深度來(lái)評(píng)價(jià)路面車轍狀況指標(biāo)明顯不足。

陸鍵等通過(guò)車轍深度主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立了車轍深度指數(shù)評(píng)價(jià)模型，但對(duì)路面車轍深度指數(shù)主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中車轍深度的表述不詳細(xì)，沒(méi)有對(duì)“輕微車轍”、“明顯車轍”、“較深車轍”和“極深車轍”明確定義［11］。田文澤提出了基于多指標(biāo)的車轍評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)多指標(biāo)考慮不足，并沒(méi)有形成一個(gè)完善的評(píng)價(jià)體系。因此，文章在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究評(píng)價(jià)狀況下，建立了一個(gè)完善的路面車轍深度評(píng)價(jià)體系［13］。

因此，在現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，圍繞現(xiàn)有車轍深度指數(shù)評(píng)價(jià)模型，進(jìn)一步明確車轍深度劃分等級(jí)，改進(jìn)車轍狀況綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。在現(xiàn)有瀝青路面車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，考慮路面不致積水的最大車轍深度，進(jìn)行車轍深度等級(jí)劃分，提出將路面車轍深度等級(jí)劃分為三個(gè)等級(jí)。采用Sigmoid函數(shù)優(yōu)化車轍的評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，通過(guò)分析路面車轍槽的幾何特征，引入車轍其他參數(shù)，將車轍評(píng)價(jià)的單項(xiàng)指標(biāo)擴(kuò)展為多項(xiàng)指標(biāo)，為行車安全和養(yǎng)護(hù)管理提供依據(jù)。

1 現(xiàn)有瀝青路面車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)

JTG H20—2007《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》［10］中考慮到車轍在路面病害中所占的比重較大并且考慮行車安全性和行駛舒適性，將路面車轍單獨(dú)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將車轍深度作為調(diào)查指標(biāo)，采用路面車轍評(píng)價(jià)模型RDI，由計(jì)算式（1）表示為式中：RD為車轍深度，mm；RDa為車轍深度參數(shù)，取值20 mm；RDb為車轍深度限值，取值35 mm；a0和a1為模型參數(shù)，分別取值2.0和4.0［10］。圖 1和表 1分別給出了車轍深度指數(shù)RDI與車轍深度RD的關(guān)系曲線及對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 RDI與RD的關(guān)系曲線圖

表1 RDI與RD對(duì)應(yīng)關(guān)系表

2 路面車轍深度等級(jí)劃分

由于車轍槽內(nèi)積水狀況取決于縱斷面狀況，因此通過(guò)建立路面車轍積水模型來(lái)確定車轍內(nèi)不致積水時(shí)的車轍深度。為了簡(jiǎn)化模型，近似假設(shè)車轍形狀為等腰三角形，當(dāng)車轍槽底標(biāo)高c點(diǎn)大于或等于車轍槽外側(cè)邊緣標(biāo)高b點(diǎn)時(shí)，轍槽內(nèi)不會(huì)積水，即槽底c點(diǎn)與車轍槽外側(cè)邊緣b點(diǎn)在同一水平線上時(shí)，RD為車轍內(nèi)不致積水的臨界車轍深度［2］。簡(jiǎn)化的車轍積水模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化的車轍積水模型圖

利用簡(jiǎn)化的車轍積水模型計(jì)算路面車轍內(nèi)不積水的臨界車轍深度RD，計(jì)算由式（2）為

式中：RD為車轍內(nèi)不致積水的臨界車轍深度，mm；B為車轍槽頂面寬度，取120 mm；i為路面橫坡度，高速公路瀝青路面取1.5%。

計(jì)算得到車轍內(nèi)不致積水的車轍深度為9 mm與國(guó)外殼牌瀝青路面設(shè)計(jì)方法中將高速公路容許車轍深度規(guī)定的10 mm基本接近。

因此，在分析國(guó)外瀝青路面車轍深度等級(jí)劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，建議將我國(guó)高速公路車轍深度程度分為“輕、中、重”三個(gè)等級(jí)，其中輕度車轍為0～9 mm；中度車轍深度為9～15 mm；而重度車轍深度大于15 mm。

3 改進(jìn)的路面車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)模型

3.1 改進(jìn)的車轍深度指數(shù)模型

采用主客觀相結(jié)合的方法進(jìn)行車轍深度指數(shù)的改進(jìn)，首先要對(duì)瀝青路面車轍深度進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)的主要依據(jù)是評(píng)價(jià)者對(duì)不同車轍深度對(duì)行車安全性和行駛舒適性影響程度的主觀判斷［11］。運(yùn)用回歸分析的模型標(biāo)定方法，將人的主觀評(píng)價(jià)和檢測(cè)器采集的客觀數(shù)據(jù)相聯(lián)系，建立起反映主觀經(jīng)驗(yàn)的評(píng)價(jià)模型，見表2。

表2 高速公路瀝青路面車轍深度主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

式中：評(píng)價(jià)模型參數(shù)取值分別為a0＝0.961、a1＝0.159和 a2＝－3.353。

車轍深度指數(shù)RDI與車轍深度RD的關(guān)系曲線及對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3和表3所示。

結(jié)合高等級(jí)公路瀝青路面車轍深度主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用MATLAB軟件，采用Sigmoid函數(shù)建立瀝青路面車轍深度指數(shù)RDI評(píng)價(jià)模型，其評(píng)價(jià)模型由式（3）表示為

圖3 改進(jìn)后RDI與RD的關(guān)系曲線圖

表3 RDI與RD對(duì)應(yīng)關(guān)系表

3.2 簡(jiǎn)化的車轍槽幾何模型

目前，一般采用車轍深度作為車轍的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是該車轍深度卻不能反映車轍對(duì)行車的全部影響。當(dāng)車輪在車轍側(cè)壁斜面上行駛時(shí)（如圖4所示），車輪除了受到槽內(nèi)斷面橫向不平整的影響外，還要受到車轍側(cè)壁的作用。在相同的車轍深度下，側(cè)壁傾斜角度越大、摩擦系數(shù)越小，車輛側(cè)向運(yùn)動(dòng)受到的阻力就越大。因此，建立瀝青路面車轍槽的簡(jiǎn)化模型（如圖5所示），通過(guò)分析瀝青路面車轍槽的幾何形狀可知，操縱穩(wěn)定性不僅與車轍深度有關(guān)，還與車轍的側(cè)壁坡度、車轍槽寬度及車轍槽的平均曲率半徑有關(guān)。

因此，為全面評(píng)價(jià)車轍的危害性，在保留現(xiàn)有車轍深度的同時(shí)還需進(jìn)一步增加車轍評(píng)價(jià)的其他指標(biāo)，具體指標(biāo)如下：

圖4 車輪位于車轍側(cè)壁斜面上的模型圖

圖5 瀝青路面車轍槽簡(jiǎn)化模型圖

（1）車轍槽深度（RD1、RD2）

國(guó)外一般采用平均深度作為車轍深度，但是其深度不能反映車轍的最大高差給行車帶來(lái)的影響［12］，實(shí)際中的車轍斷面形態(tài)各異，兩壁高差為零的情況一般很少。采用最大車轍槽深度RD1來(lái)評(píng)價(jià)車轍的嚴(yán)重程度，采用車轍槽的第二最大深度RD2作為積水深度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）車轍槽寬度（W1、W2、W3）

車轍槽的倒梯形特征使車轍槽的寬度表現(xiàn)為：車轍槽頂部水平最大寬度W1、最大可能積水寬度W2和車轍槽底部寬度W3［13］。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，轍槽頂部最大水平寬度W1數(shù)值一般為1.0～1.2 m，W3一般為 0.5～0.8 m［14］。

（3）車轍槽側(cè)壁傾角（α、β）

當(dāng)車輪行駛在傾角分別為α、β的轍槽時(shí)，傾角越大，輪胎所承受的橫向荷載也越大，車輛的操縱性穩(wěn)定性越低。因此，要對(duì)車轍槽側(cè)壁最大容許傾角進(jìn)行限定。參考徐眑的研究成果［7］，確定高等級(jí)公路瀝青車轍槽的側(cè)壁傾角容許值為6.8%。

（4）車轍槽的平均曲率半徑

車轍槽的曲率半徑能描述轍槽的綜合特征，平均曲率半徑計(jì)算式（4）為

式中：ρ為平均曲率半徑，mm；α、β分別為車轍槽側(cè)壁傾角，%；d為轍槽左側(cè)最低點(diǎn)至右側(cè)最低點(diǎn)的弧長(zhǎng)，mm。

3.3 車轍狀況綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)已有的路面車轍深度指數(shù)和增加的其他指標(biāo)來(lái)對(duì)車轍狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，建立基于安全性的車轍綜合狀況指數(shù)模型RCI。

式中：RCI為綜合狀況指數(shù)；RD1為最大車轍槽深度，mm；RD2為車轍第二最大深度，mm；W1為車轍槽頂部水平最大寬度，mm；W2為最大可能積水寬度，mm；W3為車轍槽底部寬度，mm；ρ為平均曲率半徑，mm。

然而，大多數(shù)車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算必須建立在詳細(xì)和精確的橫斷面測(cè)量基礎(chǔ)之上，需要獲得足夠詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持，對(duì)檢測(cè)設(shè)備的要求較高，因此，車轍深度指數(shù)在現(xiàn)階段甚至更長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)仍會(huì)是國(guó)內(nèi)外廣泛采用的路面車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 結(jié)論

通過(guò)研究可知：

（1）在分析國(guó)外瀝青路面車轍深度等級(jí)劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，提出了將路面車轍深度等級(jí)劃分為“輕、中、重”三個(gè)等級(jí)，其中輕度車轍為0～9 mm；中度車轍深度為9～15 mm；重度車轍深度大于15 mm。

（2）明確了高速公路瀝青路面車轍深度主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上采用Sigmoid函數(shù)優(yōu)化了瀝青路面車轍深度指數(shù)RDI評(píng)價(jià)模型，彌補(bǔ)了現(xiàn)有車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)以線性分段函數(shù)來(lái)表示及以20mm作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)不盡合理的做法。

（3）為全面評(píng)價(jià)車轍的危害性，分析了車轍槽的幾何特征，在保留現(xiàn)有車轍深度的同時(shí)增加車轍的其他指標(biāo)，提出車轍狀況綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行了初步的探討，還需進(jìn)一步明確各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重與相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

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