多种路面平整度仪检测数据的相关性分析

郭洪江

(黑龙江职业学院,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 前 言

随着公路建设的不断发展,人们对公路交通设施安全、迅速、舒适、便捷等的期望愈来愈高。美国国家公路与运输协会(American Association State Highway Transportation Officials)的道路试验研究表明,路面服务性能大约有95%的比重依赖于道路表面的平整度[1]。因此,路面平整度已成为评价公路路面修筑和使用质量的一个重要指标。

路面平整度不仅影响驾驶员与乘客的乘坐舒适性,而且还与车辆振动、油耗、轮胎磨损、运行速度及路面所受冲击力等有关,是一个涉及人、车、路三方的重要技术指标[1-2]。正因为如此,如何正确有效地评价路面平整度,一直为广大道路工作者和车辆工作者所关注。

路面平整度的检测和评定贯穿于路面施工质量的检测、评定、验收,以及运营期的养护管理等整个过程,是路面施工质量检查、验收和路面使用性能评价的关键指标之一。在路面平整度检测过程中,所采用的方法与仪器设备较多,采用的评价指标也各不相同,如最大间隙(δm)、平整度标准差(σ)、国际平整度指数(IRI)、功率谱密度(PSD)、断面指数(PI)、竖向加速度均方根(RMSVA)等。因为路面平整度的测试方法、仪器设备不同,所以采用的评价指标也不尽一致。为使不同方法和仪器设备测定的路面平整度结果可以互相比较,需要明确一个普遍认可、标准明确、可以统一的技术参数。目前,国际平整度指数(IRI)已发展为各国路面平整度的通用评价指标,我国在路面管理系统中也普遍采用IRI作为公路路面平整度的评价指标[2]。

1 国内常用路面平整度检测方法和仪器设备

国内测量路面平整度的仪器设备较多,检测方法各有不同。相应地,采用的技术指标也不尽相同。由于平整度检测设备的种类、工作原理和使用方法不同,其检测结果也存在较大差异。总体而言,路面平整度的检测设备可以大致分为断面类和反应类。断面类是通过测量行车方向道路表面的纵向高低变化来评价路面的平整度状况,比较常见的有三米直尺、连续式平整度仪(公路连续式八轮平整度仪),以及精密水准仪、车载式激光断面仪等;反应类则是基于测量能够反映司机和乘客直接感受的技术参数,因此可以视为舒适性指标,常用的观测设备为车载式颠簸累积仪[2-4]。

1.1 三米直尺法

三米直尺法测量路面平整度是较早开始采用的,是比较方便实用的检测方法,需要配合塞尺或游标卡尺使用。该方法的特点是采用的设备和工具简单、轻便,具有数据直观、间断测试较为灵活、受场地限制较少的优势,对应的技术指标为最大间隙值(δm)。缺点是检测数据数量有限、效率偏低、技术参数的长距离表征性不足,同时检测时的人工作业量偏大,速度缓慢,不适合高等级公路或较长路段的试验检测。

1.2 连续式平整度仪法

连续式平整度仪(公路连续式八轮平整度仪)法,一般采用人工或车辆拖拽慢行的方式进行连续检测。其机械转向稍显迟滞,行走轨迹控制也不够精准,且不适合错台明显、坑槽或破损严重的路段。连续式平整度仪的机械性能对试验结果的影响较大,因其采用低速检测,对于高等级公路的大面积检测仍有局限。连续式平整度仪的检测数据可以实现现场自动化处理,即自动采集每10 cm间距的竖向位移值求出100 m计算区间内的路面平整度标准差(σ)。其检测精度容易受到人工操作,尤其是拖拽稳定性的影响。

1.3 车载式颠簸累积仪法

车载式颠簸累积仪法是采用车载式颠簸累积仪测量路面平整度,以车辆后轴与车厢之间的单向位移累积值VBI(cm/km)表示路面的平整度,若VBI值较小,则表明路面平整度良好。现行规范要求在测试前进行相关性标定,以便按着每100 m长度的计算区间换算为国际平整度指数(IRI)。车载式颠簸累积仪法的特点是检测效率较高,可以实现高速连续测试,对交通干扰较小,但设备复杂,且标定后对车型、车速、车辆的减振效果都有确定的要求,使用条件相对苛刻,不易把控,故本次试验中暂不作探讨。

1.4 车载式激光断面仪法

近年来,车载式激光断面仪在我国的应用日趋广泛,是现代路面平整度检测技术的主要发展方向。车载式激光断面仪是通过激光传感器,测量对应于轮迹等位置的路面相对高程(竖向位移)变化。装载激光断面仪的车辆沿既定路线行驶,可以在测量路面纵向断面的同时得到路面的纵向平整度,能够根据需要直接计算并输出国际平整度指数(IRI),不需二次换算。另外,利用横向布设的多个激光传感器,还可以同时测得路面的横坡、纵坡、车辙、转弯曲率等技术指标。

1.5 精密水准仪法

精密水准仪法属于断面类检测方法,即利用精密水准仪沿道路纵向测量路面相对高程的连续变化,并绘制纵断面曲线或直接利用测量数据进行数学分析,计算得出路面的平整度指标,一般为国际平整度指数(IRI)。精密水准仪法的特点是操作方便、精度较高,不足之处是测量工作量非常大、速度很慢,不适合在交通量较大或有车辆高速行驶的路段测试。与其它断面类检测方法相似,可用于对反应类检测方法测试指标的标定且精度较高。

2 路面平整度评价指标和计算方法

2.1 国际平整度指数IRI

IRI为国际平整度指数(International Roughness Index)的缩写,该技术指标是基于1/4车辆模型的模拟统计值,其定义为“试验车辆以较高的速度行驶,在一定行驶距离内车身悬挂系统的累积位移量与行驶距离之比”,对应数值属于无量纲指数,因“位移-距离”关系的原因,习惯上以m/km表示。

国际平整度指数(IRI)可采用以下公式计算

(1)

式中:L为测试距离,km;ZM为1/4车辆模型的簧上质量M的绝对位移,m;Zm为1/4车辆模型的簧下质量m的绝对位移,m。

计算时采用解析法,即将各测点的高程代入方程并解微分方程组,一般采取数值分析方法,利用计算机编程求解。

2.2 标准差σ

标准差(σ)是我国普遍采用的路面平整度评价指标,它是按着一定的步长,根据路面纵断相对高程(即竖向位移)的采集数据,采用数理统计方法计算标准差(σ),并以此表征路面平整度。

标准差(σ)可采用以下公式计算

(2)

式中:σ为标准差,mm;n为该计算区间内所包含的纵断相对高程数据的个数,个;yi为该计算区间内的第i个相对高程数据,mm;ys为该计算区间内相对高程的算术平均值,mm。

2.3 三米直尺测定的最大间隙δm

采用三米直尺检测平整度时,一般采用最大间隙δm(其单位为mm)作为平整度评价指标,一般需要连续测量10尺,以每尺的最大间隙和10个最大间隙的平均值作为评估数据。最大间隙的测量,可以使用楔形塞尺、游标卡尺或深度尺等。

三米直尺法适用于碾压成型后路基路面各结构层表面的平整度测试,这是其它检测方法所不具备的优点[4-5]。

3 平整度观测路段选择及仪器设备

3.1 观测路段的选择与标记

为保证观测结果的稳定性和可比性,本次试验观测路段主要选取使用状况良好的高等级公路沥青路面。为最大限度地减少观测期间的交通干扰,需要在车流密度小、便于交通疏导的区域选取观测路段。经过不同时间段的跟踪观察,分别在哈尔滨开发区的常州路、渤海东路、杭州路、新疆东路、温州路,以及毗邻的“哈尔滨—五常公路”哈尔滨起始段分别确定了观测路段,每条观测路段分别选取6个长度为100 m的计算区间。

观测路段确定后,在各条观测路段的路缘石表面分别标记路面平整度测试的起始点、结束点,以及各计算区间的起讫点。为保证不同测试方法观测结果的可比性,对测试点的横向位置、纵向轨迹均遵循《公路路基路面现场测试规程》的相关规定测量,并采用红帽钢钉、白色尼龙线、划线笔、红白两色油漆等在道路表面明确标记。

3.2 试验工具与观测仪器设备

(1)试验工具。

根据试验观测需要,需要的主要工具和材料包括喷漆、扫帚、毛刷、刮刀、钢卷尺、皮尺、钢钉、尼龙线、划线笔、数字模板、安全服、反光锥、塞尺、游标卡尺等。

(2)仪器设备。

根据平整度测试对比需要,本次观测使用的仪器设备包括三米直尺、连续式平整度仪(公路连续式八轮平整度仪)、车载式激光断面仪、精密水准仪及配套水准尺等。

4 观测试验结果及相关性分析

4.1 三米直尺法测试平整度试验结果

三米直尺测试平整度依据《公路路基路面现场测试规程》、《公路工程质量检验评定标准》的相关规定进行,以最大间隙δm表示。

路面平整度观测试验结果如表1所示。

4.2 连续式平整度仪测试平整度试验结果

依据《公路路基路面现场测试规程》、《公路工程质量检验评定标准》相关规定,采用连续式平整度仪(公路连续式八轮平整度仪)测量路面平整度,以标准差σ表示。观测试验结果如表2所示。

表2 连续式平整度仪法路面平整度试验结果

4.3 车载式激光断面仪平整度试验结果

依据《公路路基路面现场测试规程》相关规定,采用车载式激光断面仪测量路面平整度,以国际平整度指数IRI表示。观测试验结果如表3所示。

表3 车载式激光断面仪法路面平整度试验结果

4.4 精密水准仪平整度试验结果

根据断面类平整度测试原理,采用精密水准仪在标记的测试线路上,依次测量间距为0.25 m、0.5 m的相邻各测点的相对高程,通过绘制纵断面曲线、汇总高程数据,利用计算机编程计算对应的路面平整度指标[2,6-7]。因观测数据量较大,不再详细赘述。

4.5 不同路面平整度仪检测数据相关性分析

通过对采样数据进行分析,合格率接近96%,剔除部分超差数据后,根据不同路面平整度仪的检测试验结果,对各组数据作相关性分析,并求解不同路面平整度仪检测数据之间的对应关系。将相关性较高的关系式汇总如表4所示。

表4 不同路面平整度仪检测数据的相关关系

5 结 论

依托筛选确定的哈尔滨市常州路、渤海东路、杭州路、新疆东路、温州路、哈五路哈尔滨出口段等6个观测试验路段,设定统一的测试轨迹,分别使用三米直尺、连续式平整度仪(公路连续式八轮平整度仪)、车载式激光断面仪和精密水准仪进行测量,观测长度累计约5 000 m,获取不同仪器设备的检测对比数据,通过建立不同路面平整度仪检测数据之间的相关性关系,得出以下结论。

(1)三米直尺与连续式平整度仪观测数据符合二次函数关系或直线函数关系,其中二次函数关系的相关性高于直线函数关系。

(2)三米直尺与车载式激光断面仪数据符合二次函数关系。

(3)三米直尺与精密水准仪数据符合二次函数或直线关系,其中二次函数关系相关性较高。

(4)连续式平整度仪与车载式激光断面仪、精密水准仪的数据关系符合线性函数关系。

(5)车载式激光断面仪与精密水准仪观测数据呈指数关系。