路面不平度综述

摘要：通过对路面不平度的原理、特点及其产生影响的综合论述，分析其施工中产生因素及控制措施，并对路面不平度的发展趋势进行了探讨。

关键词：原理；施工控制；发展趋势

现代汽车运输中，为实现公路交通的高速、舒适、快捷、安全，对路面的使用性能要求越来越高。作为车辆运行环境的路面，其表面功能的优劣直接反映了道路的使用性能。当车辆行驶在公路上时，人们感觉到的并非是路面结构的强度与稳定性，而是与路面不平度、溜滑、噪声等有关的功能性能。所以，现在在进行路面结构设计时，人们不再单纯以表征路面结构性使用性能（路面结构强度与稳定性）的弯沉、疲劳、永久变形、温度应力、层间剪应力、基底应力等指标为控制指标，而是将路面的功能性、使用性能也纳入其中，并且扩展到舒适性、安全性、经济性和环境保护四个方面。

我们常说公路交通环境是人―车―路的综合环境，作为这个综合环境状况的直接体现，路面不平度一直都受到人们的关注。

1 路面不平度的概念

1.1正名

路面不平度[1]有以下三种说法：

路面平整度：道路工程沿用已久，通常说法。

路面平度：用于表示路面平度与车辆振动输入关系时的说法。

路面不平度：这是车辆工程当中常用的名词。源于英文Roughness（即Road Surface Roughness）。用它来表达时恰好词能达意：在不平度增大时，表示的是路面更为不平整。

本文使用路面不平度的说法，但引用资料时，为尊重原文和习惯，有些仍采用路面平整度的说法。

1.2路面不平度的分类

路面不平度通常按波长分类。在道路纵断面上即沿行车方向，根据波长可分为：长波、短波和粗糙纹理三种类型。其中长波引起车辆的低频振动，短波引起车辆的高频振动，而粗糙纹理则引起轮胎的行驶噪音。

在道路横断面上，不平度表现为车辙和横断面的不平，车辙增加了车辆在行驶过程中的振动，横断面不平则会引起车辆的侧倾。

1.3路面不平度的定义

路面不平度：道路表面对于理想平面的偏离，它具有影响车辆动力性能、行驶质量和路面动力荷载三者的数值特征[2]。

2 路面不平度的测量与评价

路面不平度是路面评价及道路施工验收中的一个重要指标，反映了车辆行驶的舒适度、安全性和使用年限。其检测能为决策者提供重要的信息，使决策者为路面的维修、养护及翻修等作出优化决策；另一方面，还能准确地提供路面施工质量信息，为路面施工提供一个质量评定的客观指标。

2.1不平度的测量

路面不平度的测量仪器主要分为两大类：第一类为纵断面测定（直接式检测类），即测出路面纵断面剖面曲线，然后对曲线进行数学分析得出不平度指标；第二类为车辆对路面的反应测定（响应式检测类），即测出车辆对路面纵断面变化的力学响应，然后对该力学响应进行数学分析得出路面不平度指标。

我国目前采用能够输出国际不平度指数IRI的测试设备，主要有精密水准仪（IRI的标准测试设备）、车载式颠簸累积仪、手推式断面仪、激光断面仪。

2.2不平度的评价方法

2.2.1客观评价

国际不平度指数IRI是一项标准化的不平度客观评价指标。其定义为标准车身悬架的总位移（单位m）与行驶距离（单位km）之比。模型以四分之一车为研究对象。当1/4车辆以一定速度沿路表纵断面行驶时，在路面不平度Y的输入激励作用下，系统产生振动，计算每公里行驶距离内系统的相对竖向位移累计值，以m/km表示。

国际不平度指数IRI可以客观定量分析路面不平度，而且高效快捷，科学合理，易于重现，同时采用IRI来评价路面可与国际评价指标保持一致，便于国际技术交流，提高我们的技术水平。

2.2.2主观评价

主观评价就是用乘车人的主观感觉对路面平整状况进行评价。依据是对不同平整度的路面在路表形状和行驶感觉等方面特性的主观描述。评估者对照这些描述评价路面的实际状况，确定IRI值。

3 路面不平度对行车及车辆的影响

车辆在不平整的路面行驶，会使车速下降，增大燃油消耗数量，加大车辆磨损程度，不平的路面会使车辆在行驶过程中产生行驶阻力和振动，直接影响行车平顺性和乘坐舒适性以及承载系统的可靠性和寿命[3]。同时阻力和振动也严重影响到行车过程中的操作稳定性。

3.1行车经济性

下图1是根据哈尔滨―大庆高速公路交通的发展，分析了不平度对通车第一年的车辆运营费用的影响，同时预测了不平度对设计年限末第二十年的车辆运营费用的影响。

一方面通过零件维修等费用明显地反映出路面不平整造成车辆振动使零件与车辆损坏的费用增加幅度远远超过油耗；另一方面，由于路面不平整使车速降低，也将使运营费用增加。

3.2行车舒适性

行车舒适性是行驶质量的直接体现，是对不平度的主观评价。行车舒适性讨论的是人―车―路相互作用系统，由人的心理、生理和机械等复杂因素的综合，最后产生系统的输入―人对振动的反应。

评分试验是度量人对振动的反应，作为刺激的车身振动有各种复杂的频波组成，准确测量车身振动是比较困难的，并且刺激的等量变化并不一定引起感觉上的等量变化，所以只能采取描述的方法，然后采用一定的比较尺度将其量化。评分时先要求评分人确定自己的感觉属于哪一个范围，然后给出相应的评分。可采用优、良、中、次、差来描述主观感受，分别量化以5、4、3、2、1分值。

下图2为评定出路面不平度与行车舒适性评分之间关系示意图。

可以看出，IRI小于1.5时，行驶舒适性评分几乎不随IRI的减小而增加；而当IRI大于2.35时，行驶质量评分随IRI的增加而明显减小，同时也表明，当IRI小至一定数值时，再通过减小IRI值提高路面行驶质量意义不大，而为此付出的代价却是很大的。

4 不平度的施工控制

路面不平度的施工控制是一项综合的系统工程，它是路面施工全过程中各环节质量的最终体现。其控制的好坏可直接体现施工单位机械设备的水平和施工人员的素质高低，同时路面不平度又是重要的施工验收指标。

造成路面不平度的因素众多而且复杂，就某一结构层而言，其材料（级配、最大粒径、均匀性等）、摊铺、压实、施工温度等都会对该层的不平度产生较大影响，就各结构层层间而言，下一层的不平度将直接影响到上一层的不平度。

4.1每一结构层的施工控制

4.1.1混合料质量

①级配

混合料级配对不平度的影响非常大。细集料或填料用量过多会导致沥青用量相对过大，给摊铺、碾压造成困难，使路面的平整度难以保证，而且通车后会因承载力不足，造成拥包、车辙等现象；粗集料用量过多或主料粒径过大，在摊铺时会产生拉沟、麻坑等现象，碾压时压实不均而直接影响到路面的平整度。所以必须保证混合料级配设计的合理性，使0.075mm、2.36mm、4.75mm粒径的通过量接近级配范围的中限，上面层粒料最大粒径不得超过层厚的二分之一，中、下面层粒料最大粒径不能超过层厚的三分之二。

②骨料来源

施工中骨料往往来自多个不同的料场，规格与质量参差不齐，因而会引起混合料级配发生变化，所以在施工中必须严格控制材料来源，以确保骨料质量合格。

③离析

骨料离析：混合料在拌和、传送、运输过程中，由于高度原因和自重差异，粗骨料会滚落，形成第一次集中；混合料卸向摊铺机时，粗骨料滚落到摊铺机料斗两边，形成第二次集中；摊铺机的螺旋布料器输送骨料时，粗骨料会滚落到挡料板附近，形成第三次集中。骨料一旦集中，就易被击碎，改变了原来的配合比，局部压实系数也发生变化，最终影响路面的平整度。

温度离析：主要是混合料由拌和现场运输到摊铺现场的过程中，混合料表面、与车厢接触部位温度较中心部位温度下降快，形成温度离析。因为温度离析的存在，碾压时温度不一致而致使压实效果不一样，从而引起平整度的变化。

4.1.2摊铺

摊铺是路面施工过程中最为关键的环节之一，摊铺机械、摊铺工艺、摊铺方法都直接影响到路面的平整度。

①松铺层

在保证松铺厚度的同时，要保证松铺层具有良好平整度。松铺层凹凸不平将引起松铺厚度不一致，导致压缩量的不均匀，从而影响到路面的平整度。

②摊铺基准

摊铺机熨平板装有自动调平装置，但调平系统的参考基准本身也不是绝对准确的，它的误差也是引起松铺层不平度的主要原因。因此，也需采取措施减小调平基准误差。

③ 摊铺速度

速度变化的影响是多方面的。首先，使每单位长度上振捣的次数发生变化，造成压实度差异，导致平整度下降；其次，速度的变化对供料造成影响，造成松铺层表面的不平整；另外，摊铺机快慢不均，则会导致摊铺层松铺密度不均匀，进而影响平整度的质量。

鉴于摊铺速度的变化造成的多方面不良影响，在摊铺作业过程中，必须保证摊铺速度的恒定。

④ 摊铺宽度

摊铺宽度大，混合料的离析会很明显，易出现横向的不平整；另一方面，摊铺宽度过大，两边的熨平板整体刚度下降，两边与中间的摊铺层密实程度不同，碾压后也会形成横向的不平整；再者，由于两边粗骨料含量过大，空隙率加大渗水现象严重，同时，中间骨料偏细，抗滑能力低，热稳定性下降，这些都是造成路面早期损坏的重要原因。

基于以上分析，摊铺宽度过大弊多利少，如果路面较宽，应采用多幅摊铺办法，从而提高摊铺质量。

4.1.3碾压

碾压是路面施工的最后一道工序。碾压作业对平整度的影响主要有以下几方面：一是碾压速度过快或碾压初始温度过高使混合料产生推移，形成波浪或拥包；二是局部过碾，形成压痕或深度轮迹超差；三是碾压终了温度过低，形成无法消除的轮迹而产生平整度超差现象；四是碾压程序控制不正确，造成局部的不平整。

针对以上几方面影响，可用如下控制措施：第一，遵守正确的碾压原则，即由底到高，由内到外，由两边到中心碾压；第二，坚持合理的碾压程序，压实按初压、复压、终压三个阶段连续进行，中间不得停顿，直至成型；第三，应根据压路机的数量和机型确定一次碾压的长度，同时压路机应跟随摊铺机呈阶梯形碾压，避免在折口处产生轮迹。

4.1.4接缝处理

接缝在路面施工是不可避免的，接缝处理的好，对获得良好的平整度起着至关重要的作用。

①纵向接缝：通常由多幅摊铺形成，一般为热接缝，只要选择合适的搭接量即可获得良好的质量；若采用冷接缝，应将边缘切削整齐，形成平接缝，以使后来的搭接容易控制。

②横向搭接：横向搭接尽可能采用平接缝。摊铺机起步时一定要调整好松铺厚度，碾压时要横向碾压，使压路机处于已压实的混合料上，深入新铺层的宽度15cm，每压一遍向新铺混合料移动15―20cm；在改为纵向碾压时，要特别注意杜绝与接缝垂直碾压，防止引起新旧层错位。

4.2不平度的层间影响即不平度传递方面因素

不平度传递是指路面下层的不平整向上反射的过程。松铺路面由于受摊铺作业和参考基准的制约，其本身并不是绝对平整的，而且松铺面层在经受压实之后，路面的凹凸波形还会进一步调整，有些会加剧，有些会减缓，这种在不平度传递过程中对最终压实后的路面谱做出的调整，是由于路面松铺厚度差异和压缩比不均匀而造成的，它取决于以下三方面因素：

①下层路面凹凸不平的路面谱；

②路面不同部位材料压缩量的不均匀性，它本身是由于材料组成和温度不均匀以及碾压工艺和碾压参数不一致造成的；

③松铺层表面的不平整和碾压过程中由于材料的推移等原因所带来的附加不平整，后者与压路机的性能和操作有很大关系。

理论研究表明，理想情况下层间不平度的传递服从相似准则规律，即假设摊铺后表面是绝对平整的，由于底层表面的凹凸将导致松铺层厚度差异，在同样的压实功作用下，铺层较厚处的压缩量较大，铺层较薄处的压缩量较小，这样，下层路面的凹凸不平将以某种相似的规律反映到压实后的上层路面，只是凹凸不平度程度会有所下降。

实际情况下，这种理想化的假设是根本不存在的，因为有大量的随机因素，例如摊铺层表面不平度及其影响因素、压缩量不均匀及其影响因素、压实过程中材料推移和碾压工艺及其影响因素等参与和影响着一传递过程，会严重地破坏和歪曲建立在相似准则基础上的传递规律。

为保证路面在设计使用年限内始终保持良好的平整度状态，提供良好的行车环境，就需要我们通过养护、维修等一些技术措施来降低因平整度衰减造成的对路面服务质量的影响。

5 总结及路面不平度研究的发展趋势

随着社会经济的发展和高等级公路通车里程的增加，公路运输中车速高、载重大的状况变得普遍。在高速、重载车辆的作用下，路面结构的动态效应更加显著，由此而产生的材料松散、疲劳开裂等动态破坏模式在路面损坏现象中也变得尤为突出。目前，世界各国在进行路面结构设计多以静止的车辆荷载作用下的结构为研究对象，这在荷载不太大，车速不太高的情况下是基本合理的，但在明显的运动荷载作用下，静力荷载模式与车辆行驶过程中对地面的实际作用力之间的差异越来越大，地面结构的动力学特性也远非静力学特征所能描述。

因此在处理车辆荷载作用下地面结构的动力响应问题时，应该注意到这个特性：路面不平度施加在车辆上的激励是随机的，它不仅对车辆振动有重要影响，而且与地面动力响应也在着密切联系，而对于随机性问题，只有用概率方法、数理统计方法加以研究，才能得出可靠的有益于实际应用的结论。有鉴于此，近年来集概率论、数理统计、随机振动、结构动力学等有关理论于一体的车辆―地面结构系统动力学越来越受到人们的重视，并以此为手段以功率谱密度为评价指标对路面不平度进行了大量的研究。

通过大量路段数年实测不平度的资料进行功率谱分析，发现路面功率谱可以深刻反映路面性能，是研究路面性能、汽车―路面系统动力学的良好指标，可用PSD代替IRI，并且随着现代测试技术的发展，尤其是激光技术的广泛应用，大大提高了路面不平度测试的频率、精度，使进行精确的功率谱分析成为可能。

参考文献：

[1]赵继海，王哲人，等.路面不平度的测量分析与应用[M].北京：北京理工大学社，2000

[2]SayersMW，etal.GuidelinesforconductingAndcalibratingroadroughnessmeasurements[R].WorldBankTechnicalPaperNumber46，1986.

[3]刘云，钱振东路面平整度及车辆振动模型的研究综述[J]公路交通科技，2008，25（1）：51-5