路面行駛質(zhì)量合理量化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)研究

梁 斌

(山西省交通科技研發(fā)有限公司 太原市 030006)

1 行駛質(zhì)量和路面平整度

行駛質(zhì)量是評(píng)價(jià)路面服務(wù)能力的另一重要指標(biāo)，是指司乘人員在車輛行駛中所感受的舒適程度，由于車輛行駛時(shí)的道路滾動(dòng)阻力在很大程度上和路面平整度相關(guān)，路面平整度對(duì)車輛行駛時(shí)的動(dòng)力特性影響很大。因此，路面平整度不僅影響行車舒適性，還影響行車噪音、車輛運(yùn)行成本(油耗、輪胎磨損和車輛機(jī)械磨損等)、駕駛疲勞、路表排水及其路面服務(wù)壽命等。同其它行駛質(zhì)量衡量指標(biāo)相比，IRI理論基礎(chǔ)完善，計(jì)算方法成熟。另外，IRI是客觀的定量指標(biāo)，檢測(cè)數(shù)據(jù)易于統(tǒng)一。

2 路面行駛質(zhì)量檢測(cè)方法

(1)縱斷面剖面測(cè)量原理

路面縱斷面剖面不僅包含路表不平整度，還包含道路縱坡及其路表構(gòu)造紋理等，路面縱斷面剖面檢測(cè)就是沿輪跡等間隔測(cè)量路表高程。路表高程測(cè)量可以采用靜態(tài)方法即水準(zhǔn)測(cè)量，也可采用動(dòng)態(tài)方法即慣性縱斷面儀方法。目前，常用的慣性縱斷面儀有三種，包括高速慣性縱斷面儀、低速縱斷面儀和便攜式縱斷面儀。慣性縱斷面儀一般含有加速度儀、超聲波(或激光儀)、速度儀三個(gè)主要的傳感器，加速度儀用于測(cè)定垂直加速度，然后通過(guò)一定的方法將該加速度轉(zhuǎn)換為加速度儀的高度，也就是基準(zhǔn)面高程；超聲波或激光儀用于測(cè)定加速度儀到路表的垂直距離；速度儀用于測(cè)定加速度儀的水平距離。所檢測(cè)的行駛路面高程zr(x)(參見(jiàn)圖1)可按以下公式計(jì)算：

zr(x)=zi(x)-Δz(x)

(1)

式中：zi(x)—加速度儀測(cè)定的基準(zhǔn)面高程，在檢測(cè)中實(shí)際上是時(shí)間的函數(shù)，需同步換算成水平距離x；

Δz(x)—超聲波或激光儀測(cè)定的加速度儀到路表的垂直距離；

x—速度儀測(cè)定的加速度儀的水平距離。

圖1 慣性縱斷面儀檢測(cè)示意圖

(2)IRI計(jì)算

圖2 四分之一車輛模擬模型

IRI的計(jì)算是采用1/4車輛模型，對(duì)實(shí)測(cè)路面縱斷面剖面按車速80km/h模擬計(jì)算得到的一個(gè)指數(shù)，見(jiàn)圖2。所謂的1/4車輛模型是指車輛一角，由1個(gè)輪胎、輪胎支撐的車軸和輪胎懸架支撐的車身組成，見(jiàn)圖2。其中，M1為四分之一車身質(zhì)量(簧載質(zhì)量)，K1和C1分別為車身彈簧系數(shù)和阻尼系數(shù)，用于模擬車輛懸掛系統(tǒng)；M2為二分之一車軸質(zhì)量(非簧載質(zhì)量)；K2和C2分別為輪胎的彈性剛度和阻尼系數(shù)。借助于1/4車輛模型計(jì)算機(jī)程序，可以模擬車輛對(duì)實(shí)際路面縱斷面剖面的兩個(gè)響應(yīng)，即車軸-車身運(yùn)動(dòng)及其車身加速度，從而可計(jì)算車身和輪胎之間的垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

3 路面行駛質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

(1)現(xiàn)行IRI評(píng)定方法

表1 FHWA路面平整度水平和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

表1給出的是美國(guó)聯(lián)邦公路局FHWA路面狀況評(píng)定的新舊方法，舊方法根據(jù)PSR(present serviceability rating)大小將路面狀況分為很好、好、一般、較差和差5類，高等級(jí)公路和普通公路的路面狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不同；新方法直接根據(jù)IRI大小將路面狀況分為2大類，也就是舒適性好和舒適性可接受。要注意的是，舊方法的IRI是從PSR換算得到的，新方法的PSR是從IRI換算得到的。另外，PSR是人的主觀評(píng)定結(jié)果，而IRI是客觀測(cè)量結(jié)果。

圖3 世界銀行舒適速度-IRI關(guān)系(瀝青路面)

在世界銀行發(fā)表的技術(shù)論文中，其作者就試圖建立路面行駛質(zhì)量的主觀評(píng)定和IRI的測(cè)量結(jié)果的相關(guān)關(guān)系。圖3給出了本文根據(jù)上述論文的數(shù)據(jù)重新繪制的瀝青路面IRI和行駛舒適速度的曲線，IRI越大，舒適速度越小，曲線的拐點(diǎn)分別出現(xiàn)在IRI大約4m/km和8m/km兩處。如圖4所示，是根據(jù)美國(guó)佛州路面行駛質(zhì)量和IRI評(píng)定數(shù)據(jù)繪制的曲線。其中，路面行駛質(zhì)量RR評(píng)定尺度為0～10，0代表路面非常粗糙，10代表路面非常平整，新路面的RR不應(yīng)低于8.0?？梢钥闯?，曲線在前半段變化速率較大，而在后半段變化速率較小。尤其是在IRI超過(guò)6.5m/km后，RR基本不變。

圖4 美國(guó)佛州行駛質(zhì)量評(píng)定-IRI關(guān)系

(2)IRI累計(jì)分布曲線。圖5(a)是2012年山西部分高速公路路面IRI實(shí)測(cè)值的累計(jì)分布，共10條高速公路。從曲線的形狀來(lái)看，這10條高速公路IRI累計(jì)分布可分為下凸和上凸兩大類，前者只有大新高速公路，后者包括其它9條高速公路。圖5(b)是2013年的IRI實(shí)測(cè)結(jié)果，其累計(jì)分布曲線也是呈現(xiàn)下凸和上凸兩大類，其中離軍高速公路接近于一條直線。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，IRI累計(jì)分布曲線的這種凹凸特征和IRI狀況有關(guān)。當(dāng)路面IRI良好時(shí)，其累計(jì)分布曲線為上凸曲線；隨著IRI狀況惡化，其累計(jì)分布曲線逐漸變?yōu)橄峦骨€，而直線是上凸和下凸之間的臨界點(diǎn)，這對(duì)于路面養(yǎng)護(hù)維修來(lái)說(shuō)應(yīng)用價(jià)值很大。

圖5 路面IRI檢測(cè)值大小及其累計(jì)分布

(3)推薦的路面IRI評(píng)定量化標(biāo)準(zhǔn)

路面平整度不僅和路表?yè)p壞有關(guān)，還和初始平整度有關(guān)。因此，路面IRI評(píng)定及其標(biāo)準(zhǔn)不僅要考慮行駛質(zhì)量要求，還要路面類型、施工水平和成本的限制。新建路面的IRI取決于施工質(zhì)量，施工質(zhì)量良好的IRI可能不超過(guò)0.8m/km，施工質(zhì)量一般的IRI有可能達(dá)到1.6m/km，而美國(guó)佛州新路面RR為8.0對(duì)應(yīng)的IRI大約為1.0m/km。根據(jù)世界銀行的數(shù)據(jù)，舊路面的IRI變化在2.5～5.5m/km之間，路表?yè)p壞的路面IRI變化在4.0～11.0m/km之間。而在美國(guó)新的路面設(shè)計(jì)方法中，高速公路瀝青路面設(shè)計(jì)壽命末期的IRI為2.5m/km。

《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》“路面平整度用路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI”計(jì)算如下：

(2)

式(2)中，a0=0.026(高速公路和一級(jí)公路)或0.0185(其它等級(jí)公路)；a1=0.65(高速公路和一級(jí)公路)或0.58(其它等級(jí)公路)。

在式(2)中，路面平整度實(shí)際上是自變量，RQI是IRI的函數(shù)。因此，標(biāo)準(zhǔn)中的“路面平整度用路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI評(píng)價(jià)”應(yīng)糾正為“路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI是用平整度IRI來(lái)評(píng)價(jià)”。另外，路面行駛質(zhì)量評(píng)價(jià)把一個(gè)客觀、可測(cè)定的參數(shù)IRI換算成一個(gè)虛擬的參數(shù)RQI，有些事倍功半。對(duì)于我國(guó)高等級(jí)公路來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)車速多處于80～120km/h，根據(jù)圖3可以得知提供行駛舒適的IRI為6～2m/km。綜合上述討論，推薦路面行駛質(zhì)量及其IRI評(píng)定的量化標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 路面行駛質(zhì)量及其評(píng)定量化標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

通過(guò)研究分析國(guó)內(nèi)外路面行駛質(zhì)量的檢測(cè)及評(píng)價(jià)資料，結(jié)合我國(guó)公路實(shí)際，得出以下兩個(gè)主要結(jié)論：

(1)在我國(guó)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中，有關(guān)路面行駛質(zhì)量的評(píng)價(jià)，采用一個(gè)虛擬的指數(shù)RQI。實(shí)際上，這些指數(shù)是通過(guò)一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的客觀參數(shù)測(cè)定的，推薦直接采用平整度指數(shù)IRI評(píng)價(jià)路面行駛質(zhì)量。

(2)提出了路面行駛質(zhì)量的合理量化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，供相關(guān)道路工作者使用時(shí)參考。