多種路面平整度儀檢測數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析

郭洪江

(黑龍江職業(yè)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

隨著公路建設(shè)的不斷發(fā)展,人們對公路交通設(shè)施安全、迅速、舒適、便捷等的期望愈來愈高。美國國家公路與運輸協(xié)會(American Association State Highway Transportation Officials)的道路試驗研究表明,路面服務(wù)性能大約有95%的比重依賴于道路表面的平整度[1]。因此,路面平整度已成為評價公路路面修筑和使用質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。

路面平整度不僅影響駕駛員與乘客的乘坐舒適性,而且還與車輛振動、油耗、輪胎磨損、運行速度及路面所受沖擊力等有關(guān),是一個涉及人、車、路三方的重要技術(shù)指標(biāo)[1-2]。正因為如此,如何正確有效地評價路面平整度,一直為廣大道路工作者和車輛工作者所關(guān)注。

路面平整度的檢測和評定貫穿于路面施工質(zhì)量的檢測、評定、驗收,以及運營期的養(yǎng)護管理等整個過程,是路面施工質(zhì)量檢查、驗收和路面使用性能評價的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在路面平整度檢測過程中,所采用的方法與儀器設(shè)備較多,采用的評價指標(biāo)也各不相同,如最大間隙(δm)、平整度標(biāo)準(zhǔn)差(σ)、國際平整度指數(shù)(IRI)、功率譜密度(PSD)、斷面指數(shù)(PI)、豎向加速度均方根(RMSVA)等。因為路面平整度的測試方法、儀器設(shè)備不同,所以采用的評價指標(biāo)也不盡一致。為使不同方法和儀器設(shè)備測定的路面平整度結(jié)果可以互相比較,需要明確一個普遍認(rèn)可、標(biāo)準(zhǔn)明確、可以統(tǒng)一的技術(shù)參數(shù)。目前,國際平整度指數(shù)(IRI)已發(fā)展為各國路面平整度的通用評價指標(biāo),我國在路面管理系統(tǒng)中也普遍采用IRI作為公路路面平整度的評價指標(biāo)[2]。

1 國內(nèi)常用路面平整度檢測方法和儀器設(shè)備

國內(nèi)測量路面平整度的儀器設(shè)備較多,檢測方法各有不同。相應(yīng)地,采用的技術(shù)指標(biāo)也不盡相同。由于平整度檢測設(shè)備的種類、工作原理和使用方法不同,其檢測結(jié)果也存在較大差異?？傮w而言,路面平整度的檢測設(shè)備可以大致分為斷面類和反應(yīng)類。斷面類是通過測量行車方向道路表面的縱向高低變化來評價路面的平整度狀況,比較常見的有三米直尺、連續(xù)式平整度儀(公路連續(xù)式八輪平整度儀),以及精密水準(zhǔn)儀、車載式激光斷面儀等;反應(yīng)類則是基于測量能夠反映司機和乘客直接感受的技術(shù)參數(shù),因此可以視為舒適性指標(biāo),常用的觀測設(shè)備為車載式顛簸累積儀[2-4]。

1.1 三米直尺法

三米直尺法測量路面平整度是較早開始采用的,是比較方便實用的檢測方法,需要配合塞尺或游標(biāo)卡尺使用。該方法的特點是采用的設(shè)備和工具簡單、輕便,具有數(shù)據(jù)直觀、間斷測試較為靈活、受場地限制較少的優(yōu)勢,對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)為最大間隙值(δm)。缺點是檢測數(shù)據(jù)數(shù)量有限、效率偏低、技術(shù)參數(shù)的長距離表征性不足,同時檢測時的人工作業(yè)量偏大,速度緩慢,不適合高等級公路或較長路段的試驗檢測。

1.2 連續(xù)式平整度儀法

連續(xù)式平整度儀(公路連續(xù)式八輪平整度儀)法,一般采用人工或車輛拖拽慢行的方式進行連續(xù)檢測。其機械轉(zhuǎn)向稍顯遲滯,行走軌跡控制也不夠精準(zhǔn),且不適合錯臺明顯、坑槽或破損嚴(yán)重的路段。連續(xù)式平整度儀的機械性能對試驗結(jié)果的影響較大,因其采用低速檢測,對于高等級公路的大面積檢測仍有局限。連續(xù)式平整度儀的檢測數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)現(xiàn)場自動化處理,即自動采集每10 cm間距的豎向位移值求出100 m計算區(qū)間內(nèi)的路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差(σ)。其檢測精度容易受到人工操作,尤其是拖拽穩(wěn)定性的影響。

1.3 車載式顛簸累積儀法

車載式顛簸累積儀法是采用車載式顛簸累積儀測量路面平整度,以車輛后軸與車廂之間的單向位移累積值VBI(cm/km)表示路面的平整度,若VBI值較小,則表明路面平整度良好?，F(xiàn)行規(guī)范要求在測試前進行相關(guān)性標(biāo)定,以便按著每100 m長度的計算區(qū)間換算為國際平整度指數(shù)(IRI)。車載式顛簸累積儀法的特點是檢測效率較高,可以實現(xiàn)高速連續(xù)測試,對交通干擾較小,但設(shè)備復(fù)雜,且標(biāo)定后對車型、車速、車輛的減振效果都有確定的要求,使用條件相對苛刻,不易把控,故本次試驗中暫不作探討。

1.4 車載式激光斷面儀法

近年來,車載式激光斷面儀在我國的應(yīng)用日趨廣泛,是現(xiàn)代路面平整度檢測技術(shù)的主要發(fā)展方向。車載式激光斷面儀是通過激光傳感器,測量對應(yīng)于輪跡等位置的路面相對高程(豎向位移)變化。裝載激光斷面儀的車輛沿既定路線行駛,可以在測量路面縱向斷面的同時得到路面的縱向平整度,能夠根據(jù)需要直接計算并輸出國際平整度指數(shù)(IRI),不需二次換算。另外,利用橫向布設(shè)的多個激光傳感器,還可以同時測得路面的橫坡、縱坡、車轍、轉(zhuǎn)彎曲率等技術(shù)指標(biāo)。

1.5 精密水準(zhǔn)儀法

精密水準(zhǔn)儀法屬于斷面類檢測方法,即利用精密水準(zhǔn)儀沿道路縱向測量路面相對高程的連續(xù)變化,并繪制縱斷面曲線或直接利用測量數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)分析,計算得出路面的平整度指標(biāo),一般為國際平整度指數(shù)(IRI)。精密水準(zhǔn)儀法的特點是操作方便、精度較高,不足之處是測量工作量非常大、速度很慢,不適合在交通量較大或有車輛高速行駛的路段測試。與其它斷面類檢測方法相似,可用于對反應(yīng)類檢測方法測試指標(biāo)的標(biāo)定且精度較高。

2 路面平整度評價指標(biāo)和計算方法

2.1 國際平整度指數(shù)IRI

IRI為國際平整度指數(shù)(International Roughness Index)的縮寫,該技術(shù)指標(biāo)是基于1/4車輛模型的模擬統(tǒng)計值,其定義為“試驗車輛以較高的速度行駛,在一定行駛距離內(nèi)車身懸掛系統(tǒng)的累積位移量與行駛距離之比”,對應(yīng)數(shù)值屬于無量綱指數(shù),因“位移-距離”關(guān)系的原因,習(xí)慣上以m/km表示。

國際平整度指數(shù)(IRI)可采用以下公式計算

(1)

式中:L為測試距離,km;ZM為1/4車輛模型的簧上質(zhì)量M的絕對位移,m;Zm為1/4車輛模型的簧下質(zhì)量m的絕對位移,m。

計算時采用解析法,即將各測點的高程代入方程并解微分方程組,一般采取數(shù)值分析方法,利用計算機編程求解。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)差σ

標(biāo)準(zhǔn)差(σ)是我國普遍采用的路面平整度評價指標(biāo),它是按著一定的步長,根據(jù)路面縱斷相對高程(即豎向位移)的采集數(shù)據(jù),采用數(shù)理統(tǒng)計方法計算標(biāo)準(zhǔn)差(σ),并以此表征路面平整度。

標(biāo)準(zhǔn)差(σ)可采用以下公式計算

(2)

式中:σ為標(biāo)準(zhǔn)差,mm;n為該計算區(qū)間內(nèi)所包含的縱斷相對高程數(shù)據(jù)的個數(shù),個;yi為該計算區(qū)間內(nèi)的第i個相對高程數(shù)據(jù),mm;ys為該計算區(qū)間內(nèi)相對高程的算術(shù)平均值,mm。

2.3 三米直尺測定的最大間隙δm

采用三米直尺檢測平整度時,一般采用最大間隙δm(其單位為mm)作為平整度評價指標(biāo),一般需要連續(xù)測量10尺,以每尺的最大間隙和10個最大間隙的平均值作為評估數(shù)據(jù)。最大間隙的測量,可以使用楔形塞尺、游標(biāo)卡尺或深度尺等。

三米直尺法適用于碾壓成型后路基路面各結(jié)構(gòu)層表面的平整度測試,這是其它檢測方法所不具備的優(yōu)點[4-5]。

3 平整度觀測路段選擇及儀器設(shè)備

3.1 觀測路段的選擇與標(biāo)記

為保證觀測結(jié)果的穩(wěn)定性和可比性,本次試驗觀測路段主要選取使用狀況良好的高等級公路瀝青路面。為最大限度地減少觀測期間的交通干擾,需要在車流密度小、便于交通疏導(dǎo)的區(qū)域選取觀測路段。經(jīng)過不同時間段的跟蹤觀察,分別在哈爾濱開發(fā)區(qū)的常州路、渤海東路、杭州路、新疆東路、溫州路,以及毗鄰的“哈爾濱—五常公路”哈爾濱起始段分別確定了觀測路段,每條觀測路段分別選取6個長度為100 m的計算區(qū)間。

觀測路段確定后,在各條觀測路段的路緣石表面分別標(biāo)記路面平整度測試的起始點、結(jié)束點,以及各計算區(qū)間的起訖點。為保證不同測試方法觀測結(jié)果的可比性,對測試點的橫向位置、縱向軌跡均遵循《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定測量,并采用紅帽鋼釘、白色尼龍線、劃線筆、紅白兩色油漆等在道路表面明確標(biāo)記。

3.2 試驗工具與觀測儀器設(shè)備

(1)試驗工具。

根據(jù)試驗觀測需要,需要的主要工具和材料包括噴漆、掃帚、毛刷、刮刀、鋼卷尺、皮尺、鋼釘、尼龍線、劃線筆、數(shù)字模板、安全服、反光錐、塞尺、游標(biāo)卡尺等。

(2)儀器設(shè)備。

根據(jù)平整度測試對比需要,本次觀測使用的儀器設(shè)備包括三米直尺、連續(xù)式平整度儀(公路連續(xù)式八輪平整度儀)、車載式激光斷面儀、精密水準(zhǔn)儀及配套水準(zhǔn)尺等。

4 觀測試驗結(jié)果及相關(guān)性分析

4.1 三米直尺法測試平整度試驗結(jié)果

三米直尺測試平整度依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》、《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定進行,以最大間隙δm表示。

路面平整度觀測試驗結(jié)果如表1所示。

4.2 連續(xù)式平整度儀測試平整度試驗結(jié)果

依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》、《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定,采用連續(xù)式平整度儀(公路連續(xù)式八輪平整度儀)測量路面平整度,以標(biāo)準(zhǔn)差σ表示。觀測試驗結(jié)果如表2所示。

表2 連續(xù)式平整度儀法路面平整度試驗結(jié)果

4.3 車載式激光斷面儀平整度試驗結(jié)果

依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》相關(guān)規(guī)定,采用車載式激光斷面儀測量路面平整度,以國際平整度指數(shù)IRI表示。觀測試驗結(jié)果如表3所示。

表3 車載式激光斷面儀法路面平整度試驗結(jié)果

4.4 精密水準(zhǔn)儀平整度試驗結(jié)果

根據(jù)斷面類平整度測試原理,采用精密水準(zhǔn)儀在標(biāo)記的測試線路上,依次測量間距為0.25 m、0.5 m的相鄰各測點的相對高程,通過繪制縱斷面曲線、匯總高程數(shù)據(jù),利用計算機編程計算對應(yīng)的路面平整度指標(biāo)[2,6-7]。因觀測數(shù)據(jù)量較大,不再詳細(xì)贅述。

4.5 不同路面平整度儀檢測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

通過對采樣數(shù)據(jù)進行分析,合格率接近96%,剔除部分超差數(shù)據(jù)后,根據(jù)不同路面平整度儀的檢測試驗結(jié)果,對各組數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析,并求解不同路面平整度儀檢測數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系。將相關(guān)性較高的關(guān)系式匯總?cè)绫?所示。

表4 不同路面平整度儀檢測數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系

5 結(jié) 論

依托篩選確定的哈爾濱市常州路、渤海東路、杭州路、新疆東路、溫州路、哈五路哈爾濱出口段等6個觀測試驗路段,設(shè)定統(tǒng)一的測試軌跡,分別使用三米直尺、連續(xù)式平整度儀(公路連續(xù)式八輪平整度儀)、車載式激光斷面儀和精密水準(zhǔn)儀進行測量,觀測長度累計約5 000 m,獲取不同儀器設(shè)備的檢測對比數(shù)據(jù),通過建立不同路面平整度儀檢測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性關(guān)系,得出以下結(jié)論。

(1)三米直尺與連續(xù)式平整度儀觀測數(shù)據(jù)符合二次函數(shù)關(guān)系或直線函數(shù)關(guān)系,其中二次函數(shù)關(guān)系的相關(guān)性高于直線函數(shù)關(guān)系。

(2)三米直尺與車載式激光斷面儀數(shù)據(jù)符合二次函數(shù)關(guān)系。

(3)三米直尺與精密水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)符合二次函數(shù)或直線關(guān)系,其中二次函數(shù)關(guān)系相關(guān)性較高。

(4)連續(xù)式平整度儀與車載式激光斷面儀、精密水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)關(guān)系符合線性函數(shù)關(guān)系。

(5)車載式激光斷面儀與精密水準(zhǔn)儀觀測數(shù)據(jù)呈指數(shù)關(guān)系。