基于路面使用性能評(píng)價(jià)的車(chē)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(chēng)為變形的累積［1－2］。車(chē)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(chē)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?chē)轍變形所引起。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(chē)轍危害性最大［4］。車(chē)轍的存在嚴(yán)重影響著行車(chē)舒適性和行車(chē)安全性并會(huì)誘發(fā)其他病害。由于車(chē)轍的存在，車(chē)輛在變道時(shí)易顛簸，從而使駕駛員難以對(duì)方向盤(pán)控制，可操作性變差。降雨時(shí)由于車(chē)轍的存在可使車(chē)轍內(nèi)積水，當(dāng)車(chē)輛駛過(guò)時(shí)路面水被帶起形成水霧從而影響后續(xù)車(chē)輛的駕駛員視線，更危險(xiǎn)的是當(dāng)車(chē)輪在有積水的車(chē)轍槽內(nèi)，尤其是在冬季有積水結(jié)冰的車(chē)轍槽內(nèi)行駛時(shí)，路面的抗滑能力顯著降低，車(chē)輛制動(dòng)距離增大，極易引發(fā)交通事故，嚴(yán)重影響形車(chē)安全。實(shí)驗(yàn)研究表明，在同一車(chē)速下，積水越深，滑動(dòng)摩擦系數(shù)越低，當(dāng)水深為10 mm，車(chē)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(chē)轍存在所致的路表積水成為影響行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍的極限深度是12.5 mm［5］；AASHTO分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是將車(chē)轍深度為6 mm以下的不作考慮，日本將3 mm以下的車(chē)轍不作考慮［7］；在英國(guó)，車(chē)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(chē)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(chē)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(zhuān)題提出的瀝青路面車(chē)轍深度目標(biāo)是在設(shè)計(jì)年限內(nèi)車(chē)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(chē)轍與路面裂縫、坑槽等損壞視為同一損壞類(lèi)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(chē)轍被定義為輕度車(chē)轍，深度在10 mm以下的車(chē)轍未做定義［10］。而且，標(biāo)準(zhǔn)中將車(chē)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(chē)轍指標(biāo)及以20 mm作為車(chē)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(chē)轍深度來(lái)評(píng)價(jià)路面車(chē)轍狀況指標(biāo)明顯不足。

陸鍵等通過(guò)車(chē)轍深度主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立了車(chē)轍深度指數(shù)評(píng)價(jià)模型，但對(duì)路面車(chē)轍深度指數(shù)主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中車(chē)轍深度的表述不詳細(xì)，沒(méi)有對(duì)“輕微車(chē)轍”、“明顯車(chē)轍”、“較深車(chē)轍”和“極深車(chē)轍”明確定義［11］。田文澤提出了基于多指標(biāo)的車(chē)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(chē)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(chē)轍深度指數(shù)評(píng)價(jià)模型，進(jìn)一步明確車(chē)轍深度劃分等級(jí)，改進(jìn)車(chē)轍狀況綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。在現(xiàn)有瀝青路面車(chē)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(chē)轍深度，進(jìn)行車(chē)轍深度等級(jí)劃分，提出將路面車(chē)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(chē)轍的評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，通過(guò)分析路面車(chē)轍槽的幾何特征，引入車(chē)轍其他參數(shù)，將車(chē)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(chē)安全和養(yǎng)護(hù)管理提供依據(jù)。

1 現(xiàn)有瀝青路面車(chē)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(chē)轍在路面病害中所占的比重較大并且考慮行車(chē)安全性和行駛舒適性，將路面車(chē)轍單獨(dú)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將車(chē)轍深度作為調(diào)查指標(biāo)，采用路面車(chē)轍評(píng)價(jià)模型RDI，由計(jì)算式（1）表示為式中：RD為車(chē)轍深度，mm；RDa為車(chē)轍深度參數(shù)，取值20 mm；RDb為車(chē)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(chē)轍深度指數(shù)RDI與車(chē)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(chē)轍深度等級(jí)劃分

由于車(chē)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(chē)轍積水模型來(lái)確定車(chē)轍內(nèi)不致積水時(shí)的車(chē)轍深度。為了簡(jiǎn)化模型，近似假設(shè)車(chē)轍形狀為等腰三角形，當(dāng)車(chē)轍槽底標(biāo)高c點(diǎn)大于或等于車(chē)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(chē)轍槽外側(cè)邊緣b點(diǎn)在同一水平線上時(shí)，RD為車(chē)轍內(nèi)不致積水的臨界車(chē)轍深度［2］。簡(jiǎn)化的車(chē)轍積水模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化的車(chē)轍積水模型圖

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

式中：RD為車(chē)轍內(nèi)不致積水的臨界車(chē)轍深度，mm；B為車(chē)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(chē)轍內(nèi)不致積水的車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍深度程度分為“輕、中、重”三個(gè)等級(jí)，其中輕度車(chē)轍為0～9 mm；中度車(chē)轍深度為9～15 mm；而重度車(chē)轍深度大于15 mm。

3 改進(jìn)的路面車(chē)轍評(píng)價(jià)指標(biāo)模型

3.1 改進(jìn)的車(chē)轍深度指數(shù)模型

采用主客觀相結(jié)合的方法進(jìn)行車(chē)轍深度指數(shù)的改進(jìn)，首先要對(duì)瀝青路面車(chē)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(chē)轍深度對(duì)行車(chē)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(jiàn)表2。

表2 高速公路瀝青路面車(chē)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(chē)轍深度指數(shù)RDI與車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍槽幾何模型

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

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

圖4 車(chē)輪位于車(chē)轍側(cè)壁斜面上的模型圖

圖5 瀝青路面車(chē)轍槽簡(jiǎn)化模型圖

（1）車(chē)轍槽深度（RD1、RD2）

國(guó)外一般采用平均深度作為車(chē)轍深度，但是其深度不能反映車(chē)轍的最大高差給行車(chē)帶來(lái)的影響［12］，實(shí)際中的車(chē)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(chē)轍槽深度RD1來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)轍的嚴(yán)重程度，采用車(chē)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(chē)轍槽寬度（W1、W2、W3）

車(chē)轍槽的倒梯形特征使車(chē)轍槽的寬度表現(xiàn)為：車(chē)轍槽頂部水平最大寬度W1、最大可能積水寬度W2和車(chē)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(chē)轍槽側(cè)壁傾角（α、β）

當(dāng)車(chē)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(chē)輛的操縱性穩(wěn)定性越低。因此，要對(duì)車(chē)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(chē)轍槽的側(cè)壁傾角容許值為6.8%。

（4）車(chē)轍槽的平均曲率半徑

車(chē)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(chē)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(chē)轍狀況綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)已有的路面車(chē)轍深度指數(shù)和增加的其他指標(biāo)來(lái)對(duì)車(chē)轍狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，建立基于安全性的車(chē)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(chē)轍槽深度，mm；RD2為車(chē)轍第二最大深度，mm；W1為車(chē)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(chē)轍槽底部寬度，mm；ρ為平均曲率半徑，mm。

然而，大多數(shù)車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍深度等級(jí)劃分為“輕、中、重”三個(gè)等級(jí)，其中輕度車(chē)轍為0～9 mm；中度車(chē)轍深度為9～15 mm；重度車(chē)轍深度大于15 mm。

（2）明確了高速公路瀝青路面車(chē)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(chē)轍深度指數(shù)RDI評(píng)價(jià)模型，彌補(bǔ)了現(xiàn)有車(chē)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(chē)轍的危害性，分析了車(chē)轍槽的幾何特征，在保留現(xiàn)有車(chē)轍深度的同時(shí)增加車(chē)轍的其他指標(biāo)，提出車(chē)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)。

［1］ 任瑞波，鐘岱輝，孔軍，等.瀝青路面層狀粘彈性半空間軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的求解［J］.山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，17（4）：1－7.

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