路面行驶质量合理量化评定标准研究

梁 斌

(山西省交通科技研发有限公司 太原市 030006)

1 行驶质量和路面平整度

行驶质量是评价路面服务能力的另一重要指标，是指司乘人员在车辆行驶中所感受的舒适程度，由于车辆行驶时的道路滚动阻力在很大程度上和路面平整度相关，路面平整度对车辆行驶时的动力特性影响很大。因此，路面平整度不仅影响行车舒适性，还影响行车噪音、车辆运行成本(油耗、轮胎磨损和车辆机械磨损等)、驾驶疲劳、路表排水及其路面服务寿命等。同其它行驶质量衡量指标相比，IRI理论基础完善，计算方法成熟。另外，IRI是客观的定量指标，检测数据易于统一。

2 路面行驶质量检测方法

(1)纵断面剖面测量原理

路面纵断面剖面不仅包含路表不平整度，还包含道路纵坡及其路表构造纹理等，路面纵断面剖面检测就是沿轮迹等间隔测量路表高程。路表高程测量可以采用静态方法即水准测量，也可采用动态方法即惯性纵断面仪方法。目前，常用的惯性纵断面仪有三种，包括高速惯性纵断面仪、低速纵断面仪和便携式纵断面仪。惯性纵断面仪一般含有加速度仪、超声波(或激光仪)、速度仪三个主要的传感器，加速度仪用于测定垂直加速度，然后通过一定的方法将该加速度转换为加速度仪的高度，也就是基准面高程；超声波或激光仪用于测定加速度仪到路表的垂直距离；速度仪用于测定加速度仪的水平距离。所检测的行驶路面高程zr(x)(参见图1)可按以下公式计算：

zr(x)=zi(x)-Δz(x)

(1)

式中：zi(x)—加速度仪测定的基准面高程，在检测中实际上是时间的函数，需同步换算成水平距离x；

Δz(x)—超声波或激光仪测定的加速度仪到路表的垂直距离；

x—速度仪测定的加速度仪的水平距离。

图1 惯性纵断面仪检测示意图

(2)IRI计算

图2 四分之一车辆模拟模型

IRI的计算是采用1/4车辆模型，对实测路面纵断面剖面按车速80km/h模拟计算得到的一个指数，见图2。所谓的1/4车辆模型是指车辆一角，由1个轮胎、轮胎支撑的车轴和轮胎悬架支撑的车身组成，见图2。其中，M1为四分之一车身质量(簧载质量)，K1和C1分别为车身弹簧系数和阻尼系数，用于模拟车辆悬挂系统；M2为二分之一车轴质量(非簧载质量)；K2和C2分别为轮胎的弹性刚度和阻尼系数。借助于1/4车辆模型计算机程序，可以模拟车辆对实际路面纵断面剖面的两个响应，即车轴-车身运动及其车身加速度，从而可计算车身和轮胎之间的垂直相对运动。

3 路面行驶质量评定标准

(1)现行IRI评定方法

表1 FHWA路面平整度水平和评定标准

表1给出的是美国联邦公路局FHWA路面状况评定的新旧方法，旧方法根据PSR(present serviceability rating)大小将路面状况分为很好、好、一般、较差和差5类，高等级公路和普通公路的路面状况评定标准不同；新方法直接根据IRI大小将路面状况分为2大类，也就是舒适性好和舒适性可接受。要注意的是，旧方法的IRI是从PSR换算得到的，新方法的PSR是从IRI换算得到的。另外，PSR是人的主观评定结果，而IRI是客观测量结果。

图3 世界银行舒适速度-IRI关系(沥青路面)

在世界银行发表的技术论文中，其作者就试图建立路面行驶质量的主观评定和IRI的测量结果的相关关系。图3给出了本文根据上述论文的数据重新绘制的沥青路面IRI和行驶舒适速度的曲线，IRI越大，舒适速度越小，曲线的拐点分别出现在IRI大约4m/km和8m/km两处。如图4所示，是根据美国佛州路面行驶质量和IRI评定数据绘制的曲线。其中，路面行驶质量RR评定尺度为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不应低于8.0。可以看出，曲线在前半段变化速率较大，而在后半段变化速率较小。尤其是在IRI超过6.5m/km后，RR基本不变。

图4 美国佛州行驶质量评定-IRI关系

(2)IRI累计分布曲线。图5(a)是2012年山西部分高速公路路面IRI实测值的累计分布，共10条高速公路。从曲线的形状来看，这10条高速公路IRI累计分布可分为下凸和上凸两大类，前者只有大新高速公路，后者包括其它9条高速公路。图5(b)是2013年的IRI实测结果，其累计分布曲线也是呈现下凸和上凸两大类，其中离军高速公路接近于一条直线。从本质上来说，IRI累计分布曲线的这种凹凸特征和IRI状况有关。当路面IRI良好时，其累计分布曲线为上凸曲线；随着IRI状况恶化，其累计分布曲线逐渐变为下凸曲线，而直线是上凸和下凸之间的临界点，这对于路面养护维修来说应用价值很大。

图5 路面IRI检测值大小及其累计分布

(3)推荐的路面IRI评定量化标准

路面平整度不仅和路表损坏有关，还和初始平整度有关。因此，路面IRI评定及其标准不仅要考虑行驶质量要求，还要路面类型、施工水平和成本的限制。新建路面的IRI取决于施工质量，施工质量良好的IRI可能不超过0.8m/km，施工质量一般的IRI有可能达到1.6m/km，而美国佛州新路面RR为8.0对应的IRI大约为1.0m/km。根据世界银行的数据，旧路面的IRI变化在2.5～5.5m/km之间，路表损坏的路面IRI变化在4.0～11.0m/km之间。而在美国新的路面设计方法中，高速公路沥青路面设计寿命末期的IRI为2.5m/km。

《公路技术状况评定标准》“路面平整度用路面行驶质量指数RQI”计算如下：

(2)

式(2)中，a0=0.026(高速公路和一级公路)或0.0185(其它等级公路)；a1=0.65(高速公路和一级公路)或0.58(其它等级公路)。

在式(2)中，路面平整度实际上是自变量，RQI是IRI的函数。因此，标准中的“路面平整度用路面行驶质量指数RQI评价”应纠正为“路面行驶质量指数RQI是用平整度IRI来评价”。另外，路面行驶质量评价把一个客观、可测定的参数IRI换算成一个虚拟的参数RQI，有些事倍功半。对于我国高等级公路来说，其设计车速多处于80～120km/h，根据图3可以得知提供行驶舒适的IRI为6～2m/km。综合上述讨论，推荐路面行驶质量及其IRI评定的量化标准见表2。

表2 路面行驶质量及其评定量化标准

4 结论

通过研究分析国内外路面行驶质量的检测及评价资料，结合我国公路实际，得出以下两个主要结论：

(1)在我国《公路技术状况评定标准》中，有关路面行驶质量的评价，采用一个虚拟的指数RQI。实际上，这些指数是通过一个相对独立的客观参数测定的，推荐直接采用平整度指数IRI评价路面行驶质量。

(2)提出了路面行驶质量的合理量化评定标准，供相关道路工作者使用时参考。