路面行駛質量合理量化評定標準研究

梁 斌

(山西省交通科技研發有限公司 太原市 030006)

1 行駛質量和路面平整度

行駛質量是評價路面服務能力的另一重要指標，是指司乘人員在車輛行駛中所感受的舒適程度，由于車輛行駛時的道路滾動阻力在很大程度上和路面平整度相關，路面平整度對車輛行駛時的動力特性影響很大。因此，路面平整度不僅影響行車舒適性，還影響行車噪音、車輛運行成本(油耗、輪胎磨損和車輛機械磨損等)、駕駛疲勞、路表排水及其路面服務壽命等。同其它行駛質量衡量指標相比，IRI理論基礎完善，計算方法成熟。另外，IRI是客觀的定量指標，檢測數據易于統一。

2 路面行駛質量檢測方法

(1)縱斷面剖面測量原理

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造紋理等，路面縱斷面剖面檢測就是沿輪跡等間隔測量路表高程。路表高程測量可以采用靜態方法即水準測量，也可采用動態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)、速度儀三個主要的傳感器，加速度儀用于測定垂直加速度，然后通過一定的方法將該加速度轉換為加速度儀的高度，也就是基準面高程；超聲波或激光儀用于測定加速度儀到路表的垂直距離；速度儀用于測定加速度儀的水平距離。所檢測的行駛路面高程zr(x)(參見圖1)可按以下公式計算：

zr(x)=zi(x)-Δz(x)

(1)

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

Δz(x)—超聲波或激光儀測定的加速度儀到路表的垂直距離；

x—速度儀測定的加速度儀的水平距離。

圖1 慣性縱斷面儀檢測示意圖

(2)IRI計算

圖2 四分之一車輛模擬模型

IRI的計算是采用1/4車輛模型，對實測路面縱斷面剖面按車速80km/h模擬計算得到的一個指數，見圖2。所謂的1/4車輛模型是指車輛一角，由1個輪胎、輪胎支撐的車軸和輪胎懸架支撐的車身組成，見圖2。其中，M1為四分之一車身質量(簧載質量)，K1和C1分別為車身彈簧系數和阻尼系數，用于模擬車輛懸掛系統；M2為二分之一車軸質量(非簧載質量)；K2和C2分別為輪胎的彈性剛度和阻尼系數。借助于1/4車輛模型計算機程序，可以模擬車輛對實際路面縱斷面剖面的兩個響應，即車軸-車身運動及其車身加速度，從而可計算車身和輪胎之間的垂直相對運動。

3 路面行駛質量評定標準

(1)現行IRI評定方法

表1 FHWA路面平整度水平和評定標準

表1給出的是美國聯邦公路局FHWA路面狀況評定的新舊方法，舊方法根據PSR(present serviceability rating)大小將路面狀況分為很好、好、一般、較差和差5類，高等級公路和普通公路的路面狀況評定標準不同；新方法直接根據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是人的主觀評定結果，而IRI是客觀測量結果。

圖3 世界銀行舒適速度-IRI關系(瀝青路面)

在世界銀行發表的技術論文中，其作者就試圖建立路面行駛質量的主觀評定和IRI的測量結果的相關關系。圖3給出了本文根據上述論文的數據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，曲線的拐點分別出現在IRI大約4m/km和8m/km兩處。如圖4所示，是根據美國佛州路面行駛質量和IRI評定數據繪制的曲線。其中，路面行駛質量RR評定尺度為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不應低于8.0。可以看出，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6.5m/km后，RR基本不變。

圖4 美國佛州行駛質量評定-IRI關系

(2)IRI累計分布曲線。圖5(a)是2012年山西部分高速公路路面IRI實測值的累計分布，共10條高速公路。從曲線的形狀來看，這10條高速公路IRI累計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實測結果，其累計分布曲線也是呈現下凸和上凸兩大類，其中離軍高速公路接近于一條直線。從本質上來說，IRI累計分布曲線的這種凹凸特征和IRI狀況有關。當路面IRI良好時，其累計分布曲線為上凸曲線；隨著IRI狀況惡化，其累計分布曲線逐漸變為下凸曲線，而直線是上凸和下凸之間的臨界點，這對于路面養護維修來說應用價值很大。

圖5 路面IRI檢測值大小及其累計分布

(3)推薦的路面IRI評定量化標準

路面平整度不僅和路表損壞有關，還和初始平整度有關。因此，路面IRI評定及其標準不僅要考慮行駛質量要求，還要路面類型、施工水平和成本的限制。新建路面的IRI取決于施工質量，施工質量良好的IRI可能不超過0.8m/km，施工質量一般的IRI有可能達到1.6m/km，而美國佛州新路面RR為8.0對應的IRI大約為1.0m/km。根據世界銀行的數據，舊路面的IRI變化在2.5～5.5m/km之間，路表損壞的路面IRI變化在4.0～11.0m/km之間。而在美國新的路面設計方法中，高速公路瀝青路面設計壽命末期的IRI為2.5m/km。

《公路技術狀況評定標準》“路面平整度用路面行駛質量指數RQI”計算如下：

(2)

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

在式(2)中，路面平整度實際上是自變量，RQI是IRI的函數。因此，標準中的“路面平整度用路面行駛質量指數RQI評價”應糾正為“路面行駛質量指數RQI是用平整度IRI來評價”。另外，路面行駛質量評價把一個客觀、可測定的參數IRI換算成一個虛擬的參數RQI，有些事倍功半。對于我國高等級公路來說，其設計車速多處于80～120km/h，根據圖3可以得知提供行駛舒適的IRI為6～2m/km。綜合上述討論，推薦路面行駛質量及其IRI評定的量化標準見表2。

表2 路面行駛質量及其評定量化標準

4 結論

通過研究分析國內外路面行駛質量的檢測及評價資料，結合我國公路實際，得出以下兩個主要結論：

(1)在我國《公路技術狀況評定標準》中，有關路面行駛質量的評價，采用一個虛擬的指數RQI。實際上，這些指數是通過一個相對獨立的客觀參數測定的，推薦直接采用平整度指數IRI評價路面行駛質量。

(2)提出了路面行駛質量的合理量化評定標準，供相關道路工作者使用時參考。