淺析水泥混凝土路面平整度對(duì)行駛舒適性的影響

葛景平，葛昕妍

（1.金川集團(tuán)工程建設(shè)有限公司，甘肅 金昌 737100；2.廣汽研究院，廣東 廣州 511400）

水泥混凝土路面具有抗彎強(qiáng)度大、彎沉變形小、耐久性好、使用年限長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，適用于各交通等級(jí)道路。水泥混凝土路面的平整度是路面使用功能的主要指標(biāo)之一。隨著高速公路和高等級(jí)公路將大量修建水泥路面，行車速度將大幅提高。因而對(duì)路面平整、舒適度也將相應(yīng)地提出更高的要求。因此，如何提高水泥路面的平整度及相應(yīng)的檢測(cè)手段和措施的研究是亟需解決的問(wèn)題[1]。

1 路面平整度對(duì)舒適性的影響

1.1 路面平整度

路面平整度是相對(duì)于一個(gè)基準(zhǔn)幾何平面，路面縱橫方向的凹凸量，也稱路面不平度。路面平整度是一個(gè)整體性指標(biāo)；一方面反映路面的施工質(zhì)量和現(xiàn)有路面的破壞程度，另一方面可用來(lái)評(píng)定汽車的行駛條件，即舒適性和經(jīng)濟(jì)性，以及對(duì)路面使用年限的影響[2]。

1.2 路面的不平整性形成的原因

首先是由于施工引起的路面不平整，這種不平整是影響水泥路面平整度的主要因素，一旦形成就難以改變。其次是使用后板塊不均勻沉降造成錯(cuò)臺(tái)，填縫料處理不當(dāng)及路面的破壞。縱向不平整主要表現(xiàn)在高低起伏的波浪、錯(cuò)臺(tái)和坑槽。橫向主要表現(xiàn)為車轍和板塊起伏。橫向不平整對(duì)行車影響較小，一般以測(cè)量縱向平整度為主[3]。

1.3 平整度對(duì)行駛舒適性的影響

平整度對(duì)行駛舒適性的影響主要表現(xiàn)為縱向高低畸變，即不同頻率和不同振幅的波使行駛在路面上的汽車產(chǎn)生垂直和水平的振動(dòng)，從而影響乘客的舒適性、行車速度和安全。

2 路面平整度檢測(cè)儀器的選擇

2.1 檢測(cè)儀器分類

根據(jù)目前路面平整度測(cè)量?jī)x器和檢測(cè)方法的發(fā)展情況，測(cè)定平整度的方法和儀器很多，大體可分為兩類：

（1）斷面類。直接量測(cè)軌跡的縱斷面。主要類型有3 m 直尺、移動(dòng)支架式測(cè)平儀。這類儀器的特點(diǎn)是能直接反映路面斷面平整度的真實(shí)情況，物理概念明確，比較直觀。缺點(diǎn)是測(cè)量速度比較慢，測(cè)點(diǎn)的隨機(jī)性較大。可用于路面質(zhì)量驗(yàn)收和路況評(píng)價(jià)。

（2）反應(yīng)類。量測(cè)儀器對(duì)路表不平整的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。主要類型有顛簸累積儀、測(cè)振儀、加速度儀等。這類儀器的特點(diǎn)：一是測(cè)量的速度較快，一般能每小時(shí)測(cè)30～40 km。二是測(cè)量的數(shù)據(jù)量較大，能從宏觀和整體上反映路面的平整度和舒適度。儀器一般安裝在汽車上，測(cè)量起來(lái)比較方便。缺點(diǎn)是其量測(cè)指標(biāo)對(duì)路面平整度只能作粗略的宏觀評(píng)價(jià)，不能反映出路表真實(shí)斷面。由于這是一種間接的測(cè)量，其測(cè)定結(jié)果隨檢測(cè)系統(tǒng)的特性和行駛的速度變化而變化，不同的儀器在不同的時(shí)間測(cè)出的結(jié)果都會(huì)不一致，需經(jīng)常對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定。這類儀器一般價(jià)格都比較高，可用于路況調(diào)查和評(píng)價(jià)，不宜用于路面的竣工驗(yàn)收。

2.2 對(duì)平整度儀器的要求

（1）能在短時(shí)間內(nèi)測(cè)出大量數(shù)據(jù)。

（2）使用和攜帶比較方便，測(cè)量方法比較簡(jiǎn)便。

（3）各種類型的儀器之間指標(biāo)能進(jìn)行換算。

（4）結(jié)構(gòu)堅(jiān)固簡(jiǎn)便，適合于工程使用，價(jià)格比較低廉。

2.3 水泥路面平整度檢測(cè)儀器的選定

經(jīng)過(guò)對(duì)目前各種類型的平整度儀的調(diào)查，實(shí)地對(duì)比測(cè)試和比較，建議使用以下幾種水泥路面平整度檢測(cè)儀器：

（1）3 m 直尺。由于3 m 直尺使用、操作簡(jiǎn)便，價(jià)格便宜，攜帶方便，適合于大量基層單位使用。而且其量測(cè)指標(biāo)物理概念明確，也是其他類型平整度儀進(jìn)行轉(zhuǎn)換和對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。因此雖然它的量測(cè)速度慢且測(cè)點(diǎn)存在一定的隨機(jī)性、局限性，仍保留作為水泥路面平整度儀器。

（2）八輪儀。該儀器的作用原理是以3 m 八輪行走架為基準(zhǔn)，沿車道某一縱向位置連續(xù)量取三米直線中點(diǎn)的路面偏差，并進(jìn)行畫圖和計(jì)算斷面偏差標(biāo)準(zhǔn)差值。該儀器能做到連續(xù)測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)量較大，測(cè)量速度較快，使用方便，測(cè)量精度較高，指標(biāo)比較合理，能反映出路面的真實(shí)斷面情況，是比較理想的路面平整度儀。

（3）顛簸累積儀。這類儀器種類比較多，一般安裝在汽車上，其作用原理是在汽車車架底和車軸之間設(shè)置位移傳感裝置，測(cè)量汽車在不平整的路面上行駛時(shí)，車軸與車架間由于彈簧變形而產(chǎn)生的壓縮和伸長(zhǎng)的累積量。該儀器價(jià)格較便宜，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單耐用，使用方便，精度較高，體積小，便于推廣使用。

3 研究的方法及依據(jù)

課題采取了把路面平整度與汽車行駛及人的舒適性聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行研究的方法。用各種不同的平整度測(cè)試儀，在不同類型的水泥混凝土路面上作了一些對(duì)比測(cè)試，對(duì)各種儀器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，還分析了施工工藝對(duì)水泥路面平整度的影響，得出了初步結(jié)論。

評(píng)價(jià)路面平整度與舒適度的方法，以研究汽車在不平整的路面上行駛與人體感覺(jué)之間的關(guān)系為依據(jù)。因人體對(duì)振動(dòng)作用的反應(yīng)是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，所以舒適性研究是一個(gè)比較困難的問(wèn)題。目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織已制訂出人承受全身振動(dòng)評(píng)價(jià)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也確定了以“等效采用”的編制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的原則。這樣，舒適度的評(píng)價(jià)就可以通過(guò)汽車的振動(dòng)特性來(lái)研究和確定路面平整度對(duì)人體舒適度的影響和關(guān)系。

4 初步結(jié)論

4.1 路面的不平整對(duì)行駛舒適度的影響

（1）路面大范圍的不平整對(duì)舒適性影響較大。由汽車振動(dòng)特性的分析可知，汽車振動(dòng)（激振）頻率對(duì)人體舒適度的影響有一個(gè)敏感帶，即在1～10 Hz范圍內(nèi)影響顯著并有激振和放大振幅的可能。其對(duì)應(yīng)于路面不平整度的影響波長(zhǎng)在5～18 m（正常車速80 km/h），而在高頻部分振動(dòng)衰減較快，對(duì)舒適性影響逐漸減弱，也就是說(shuō)大波長(zhǎng)的起伏對(duì)舒適性影響較大，而且車速越高，相應(yīng)的波長(zhǎng)也越長(zhǎng)。因此，路面小范圍（3 m 以內(nèi)）的不平整對(duì)舒適性有一定影響，但影響不大，而大的基面（5 m 以上）的不平整對(duì)舒適性影響最大。

（2）不同路面結(jié)構(gòu)型式對(duì)汽車行駛舒適性的影響。根據(jù)不同路面結(jié)構(gòu)型式對(duì)汽車行駛舒適性的影響測(cè)試結(jié)果看，水泥路面的舒適性明顯不如瀝青路面，這與一般普遍的感覺(jué)和觀點(diǎn)一致。其原因主要是由于路面結(jié)構(gòu)和材料特性不同所致，一是水泥路面有較多的接縫。二是水泥路面是剛性材料，不能像瀝青路面具有減振和緩沖的作用。所以，水泥路面的平整度的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與瀝青路面有所區(qū)別，應(yīng)適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)施工時(shí)應(yīng)采取有效措施，保證平整度。

（3）不同類型水泥混凝土路面對(duì)汽車行駛舒適度的影響。根據(jù)對(duì)無(wú)縫水泥路面（連續(xù)配筋）和有縫水泥路面舒適度的測(cè)量結(jié)果看，水泥路面眾多的伸縮縫對(duì)舒適性有一定影響，但影響不算太大。這是因?yàn)楝F(xiàn)階段水泥路面的縮縫一般都采用切縫工藝，因此在短期內(nèi)接縫處比較平整，不會(huì)影響舒適度。但有縮縫的路面經(jīng)過(guò)若干年（約3 年）的使用后，由于基層質(zhì)量問(wèn)題以及板塊間的不均勻沉陷等影響，板塊間會(huì)產(chǎn)生一些相對(duì)位移，在接縫處造成不平整，會(huì)對(duì)舒適性有一定影響。

4.2 不同平整度檢測(cè)儀測(cè)試結(jié)果對(duì)比

根據(jù)對(duì)3 m 直尺、8 輪儀和顛簸累積儀的測(cè)試情況對(duì)比，有如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）由于3 m 直尺、8 輪儀測(cè)量的物理意義不同，因此相關(guān)性不明顯，對(duì)實(shí)地測(cè)得的結(jié)果明顯不同。

（2）3 m 直尺和8 輪儀只能測(cè)量路面小波長(zhǎng)范圍內(nèi)（3 m 以內(nèi)）的不平整度，而這種小波長(zhǎng)的不平整對(duì)應(yīng)到汽車的振動(dòng)為高頻振動(dòng)，只是影響舒適度的一部分，而且隨著車速的提高，衰減較快。因此它們只能部分地反映路面的舒適度，與實(shí)際情況還有一定差異，不能全面正確地反映汽車行駛的舒適度。另外，這兩種儀器都是靜態(tài)的測(cè)量方法，無(wú)法測(cè)量接縫等對(duì)舒適度的影響。

（3）單以反映路面高差來(lái)看，3 m 直尺和8 輪儀所測(cè)得的高差值也不能完全反映路面的真實(shí)高差。如3 m 直尺所測(cè)得的只是正向高差，即始終是一個(gè)方向的高差，而這個(gè)高差一般比相對(duì)于基準(zhǔn)面（平均高差面）的高差值要大。又如8 輪儀測(cè)量的結(jié)果隨路面起伏的波長(zhǎng)而變化，當(dāng)波長(zhǎng)與輪距相等時(shí)，測(cè)得的結(jié)果為真實(shí)值的2 倍；當(dāng)波長(zhǎng)為1／2 輪距時(shí)，測(cè)得的結(jié)果為0。因此這兩種儀器測(cè)出的結(jié)果是相對(duì)的，局部正確。

（4）顛簸累積儀雖然是測(cè)量汽車的振動(dòng)，但方法較粗糙，測(cè)得的結(jié)果比較粗，難以正確、全面地反映舒適度。

（5）建議逐步過(guò)渡到采用加速度儀作為測(cè)量和評(píng)價(jià)水泥路面的平整度的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

5 水泥混凝土路面不平整的原因

5.1 施工方面的原因

（1）模板頂面標(biāo)高控制不嚴(yán)，模板支設(shè)扭曲變形，相鄰模板連接有高低錯(cuò)臺(tái)，模板安裝固定不牢，導(dǎo)致水泥混凝土路面表面凹凸不平。

（2）水泥混凝土拌合不均，塌落度控制不嚴(yán)，運(yùn)輸產(chǎn)生離析，攤鋪不連續(xù)不均勻，造成路面不平整。

（3）水泥混凝土振搗提漿厚度不足，石子外露，在抹平、拉槽或拉毛時(shí)造成不平整。

（4）施工管理控制不嚴(yán)，造成表面及邊角破損，形成路面不平整。

5.2 水泥混凝土路面接縫方面的原因

（1）水泥混凝土路面的橫向脹縫、橫向縮縫及橫向施工縫相鄰板塊間產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，縮縫的高差超過(guò)規(guī)定的要求。

（2）路面接縫中的砂石未清理干凈，灌縫過(guò)晚，造成路面板邊角破壞。灌縫材料高于或低于路面板表面。影響路面的行車舒適。

5.3 行車使用期養(yǎng)護(hù)方面的原因

（1）路面基層由于水的滲入，產(chǎn)生唧泥或凍脹，造成混凝土板塊變形破壞，影響路面平整。（2）養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，板角、板邊、板塊破損形成坑槽，造成路面不平整。（3）接縫養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，造成路面不平整。（4）路面未采取保護(hù)措施，直接在其上拌合砂漿或混凝土，造成路面污染，影響路面平整。

6 提高水泥混凝土路面平整度的主要措施

6.1 施工方面的措施

（1）模板安裝和固定、標(biāo)高嚴(yán)格控制，防止模板變形。（2）混凝土拌和及攤鋪要均勻。（3）混凝土振搗均勻密實(shí)，表面浮漿控制在3～5 mm，加強(qiáng)抹面。（4）表面壓紋和拉毛應(yīng)順直、平整、均勻，嚴(yán)禁深淺不一。（5）橫向脹縫、橫向縮縫、橫向施工縫應(yīng)盡量設(shè)置在同一位置，并采用切縫。

6.2 設(shè)計(jì)方面的措施

（1）盡量采用連續(xù)配筋混凝土或鋼纖維混凝土路面，減少橫向縫。（2）采取優(yōu)質(zhì)填縫料，提高填縫施工和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

6.3 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)方面的措施

（1）加強(qiáng)水泥路面的養(yǎng)護(hù)，發(fā)現(xiàn)破損，及時(shí)修補(bǔ)。（2）保持路面清潔，及時(shí)清除路面雜物。

7 研究思路

下一步計(jì)劃通過(guò)對(duì)車、路、人系統(tǒng)的理論分析研究和實(shí)地測(cè)量，探討在給定的舒適度標(biāo)準(zhǔn)下，通過(guò)對(duì)車輛行駛振動(dòng)特性的研究，來(lái)確定對(duì)路面平整度的要求，具體的就是要確定路面譜（即路面縱向波長(zhǎng)和豎向高差值）的變化范圍和控制幅度，以及提高水泥路面平整度的措施，根據(jù)舒適度標(biāo)準(zhǔn)提出相應(yīng)路面平整度的指標(biāo)。