桥面铺装验评标准Word文档格式.docx
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路面平整度是路面评价的一个重要指标，不仅影响驾驶员及乘客行驶舒适性，而且还与车辆振动、运行速度、轮胎摩擦与磨损及车辆运营费用等有关，是一个涉及人、车、路3方面的指标。
路面平整度也是路面使用性能指标之一，1960年AASHTO道路试验研究表明大约95%的路面服务性能来自于道路表面的平整度[1]。
LTPP（LongTermPavementPerformance）的研究表明，路面平整度特别是初始路面平整度，严重影响路面使用寿命[2]。
经过40余年的研究，AASHTO2002设计指南正式将路面不平整度作为设计验算指标之一[3]，不只作为路面施工验收控制指标，而是设计阶段控制指标。
各方面研究结果表明：
一方面，人们意识到路面平整度的重要性；
另一方面，对路面平整度的复杂性认识不够，大多根据经验从施工角度控制路面不平整度，而对路面不平整度引发路车相互振动及对人体的影响等深层次的理论研究较少，故无法掌握其发展规律，也就无法真正控制路面平整度。
目前世界各国路面平整度的测定方法与指标各异，至今都没有得到一个统一的指标与测定方法。
本文从路面平整度的定义出发，回顾了路面平整度测定方法发展过程，介绍国内外常用路面平整度评价指标及其中存在的问题并提出改进建议，对于路面平整度的研究热点问题———人车路相关性研究等方面作了全面的阐述。
1 路面平整度的定义
由于路面平整度问题本身的复杂性，从不同的角度出发，对路面不平整度所下的定义就有多种[1，4～7]。
交通部标准《公路工程名词术语》（JTJ002-87）及国家标准《道路工程术语标准》（GBJ124-88）将路面平整度（SurfaceEvenness）定义为：
路表面纵向的凹凸量的偏差值。
该定义只从路的特性出发，对人车方面涉及较少；
由于没有设定参照高程，不利于测定。
美国试验与材料协会（ASTM）的定义（E867）为：
道路平整度（TraveledSurfaceRoughness）是路面表面相对于理想平面的竖向偏差，而这种偏差会影响到车辆动力特性、行驶质量、路面所受动荷载及排水[6]。
这个定义合理性在于：
它明确了路面平整度测量的参照系，利于测定；
定义中将人车路3方面因素综合进行了考虑，并对其所导致的影响论述清楚；
但该定义也没有提供路面平整度量化的方法和标准。
综合分析目前各类平整度的定义可知，ASTM的定义可以实现人车路系统的优化，进而为制定合理的路面标准提供理论基础，所以得到广泛认可。
2 路面平整度测定方法与仪器发展[7～10]
自从人类修建道路以来，就对路面行驶舒适度很敏感。
人们认识到路面不平整是其主要影响因素，所以努力寻找能客观量测路面平整度的方法与仪器。
测定方法大体上可划分为3大类：
（1）断面类平整度测定；
（2）反应类平整度测定；
（3）主观评估法。
断面类平整度测定方法可分为两类：
静态纵断面测定与动态纵断面测定。
早期路面平整度测定主要是通过静态法量测路表面的凹凸变化，沿行驶车辆的轮迹量测路表面的高程，得到纵断面，通过数学分析后采用一综合性统计量表征其平整度。
水准测量就是应用水准仪量测路表高程，再得到路面纵断面。
水准测量速度太慢，不适用于较长路段及大面积施工验收。
之后发展了3m直尺测量方法，它是目前我国路面平整度主要测量方法之一，也是施工阶段控制路面平整度常用的方法，《公路工程质量检验评定标准》中对该方法有详细要求与标准。
随后又推出了滑动直尺测量方法，它通过记录直尺中心处的偏差来测定平整度，结果以每英里的偏差表示。
由于滑动直尺滑动时会有磨损与破坏等明显的不足，很快就在其基础上改进得到三轮仪，这也是英国运输和道路研究所（TRRL）研制的梁式断面仪的雏形。
由于三轮仪是通过3点与地面接触，当其前轮、中轮及后轮经过路面颠簸处时，会分别记录1次，使某些路面变形在量测时增长了2倍，又由于基准长度有限，某些波长路面变形无法量测。
为了克服三轮仪的这个问题，在前后轮处增加一系列的轮子，以所有轮子平均高程作为参照高程，量测中心轮对于参照高程的偏差。
这种方法一直延续到今，如Profilograph及我国西安公路研究所、北京市政工程研究院及上海市政工程研究院于上世纪80年代初期所研制的连续式平整度仪等。
直至该阶段，所用测量方法是直接测量道路表面凹凸状况得到纵断面。
工程师又发明了很多巧妙的方法间接得到路面纵断面，主要是惯性断面仪，在测试车车身上安置竖向加速度计得到惯性参考系来计算车身的高程，然后再通过接触式或非接触式设备量测车身同路表面之间的距离，两者相结合得到路面纵断面高程，这类仪器有通用汽车公司的GMR类断面仪、法国桥路中心试验室（LCPC）的APL、各式激光断面仪等。
上世纪20年代，公路工程师与汽车工程师意识到路面不平整度是引起车辆振动的主要原因，从而尝试通过量测车辆振动反应来量测路面不平整度。
最早是纽约州通过测量客车悬挂系统的位移来评价路面不平整度。
由于车辆机械振动系统自身属性的差异对测量结果影响很大，接下来近10年内，试图建立标准化的测试车系统。
1941年美国公路局研制BPR平整度仪，TRRL利用相同原理开发了颠簸累积仪（BI），我国交通部公路科学研究所七五期间研制了简单式颠簸累积仪。
该类平整度仪就是一辆单轮拖车，通过机械式积分器记录车辆振动反应量。
该拖车尺寸、各部件的质量以及轮胎、悬挂系统都是标准配制，目的是使不同设备上的测量结果具有可比性。
上世纪60年代AASHO道路试验开发了另一种重要的平整度测量仪器CHLOE。
CHLOE由一辆带两个小轮的拖车组成，通过记录两轮上的坡度偏差（SV）来表示平整度，而AASHTO通过SV建立路面服务性能指数（PSI）。
由于以上设备测量时车速不能太快，为了能以正常行驶车速测量路面平整度，在上世纪60年代，开发了如Mays仪、PCA仪及澳大利亚NAASRA仪等平整度仪。
这些仪器将测量设备直接安装在测量车内，通过测量累积车轴竖向位移量来表征车辆不平整度。
这一类仪器就是反应类平整度测量系统（RTRRMS）。
到了上世纪70年代后期，美国基本上一半的州使用这类仪器测定不平整度。
主观评估法，当精度要求不高时，可组织评分小组，根据乘车的体验或目测检查，对路面的行驶舒适性给予评分，依据小组平均评分的高低，评估路面的平整度。
3 路面平整度评价指标
平整度测量的最基本的目的就是用一个或几个参数来评价路段的平整度，所用参数就是路面平整度评价指标。
该评价指标要能灵敏地而真实地反映所测量路段的相应断面信息，且能通过一定的计算方法计算得到。
平整度发展过程中，路面平整度测定的方法与仪器较多，采用的指标各异，路面平整度的评价指标较多。
国内外常用的平整度评价指标主要有：
国际平整度指数IRI、直尺测定最大间隙与平整度标准差σ、纵断面指数PI、功率谱密度（PSD）、平均评分等级MPR（MeanPanelRating）、行驶质量数RN和竖向加速度均方根RMSVA等。
（1）国际平整度指数IRI[7，11～13]
虽然反应类平整度测定系统（RTRRMS）测定快速而低廉，是上世纪70年代应用较广的一种平整度测定方法，但由于RTRRMS类仪器在较差路段上测量值偏高而在较好路段上测量值偏低，对于测量系统本身的依赖性较高，需要有一种标准的指标与方法能对其进行标定。
美国国家公路研究计划（NCHRP）1978年在项目1-18中提出该问题，在随后进行的反应类平整度系统的标定和关系研究项目提出了国际平整度指数（IRI）的概念，而世界银行1982年在巴西进行的国际平整度实验则完整而系统的提出了IRI的计算模型与计算方法。
IRI由一条单向纵断面计算得到，采用1/4车模型（由固定的弹簧体质量与非弹簧体质量以及弹簧和阻尼组成），以80km/h速度在已知断面上行驶，计算一定行驶距离内悬挂系统的累积位移作为IRI。
IRI是综合了断面类与动态类平整度测定方法的优点而得到的一个评价指标，静态断面高程数据经过数学模型计算后得到的动态变量。
IRI具有以下特点：
IRI与车辆振动的动态反应相关，通过1/4车模型建立了与车辆性能相关性；
IRI直接与路段断面高程相关，保证结果具有时间稳定性；
IRI可以通过最广泛使用的仪器测量得到（如水准仪或RTRRMS仪），结果具有有效性；
IRI可以在世界范围内进行转换（有标准计算程序），具有可转移性。
由于IRI以上特点，IRI成为目前国际上运用最广泛的平整度指标。
大部分欧洲国家采用IRI作为路面平整度验收指标。
（2）直尺测定最大间隙与平整度标准差σ
将直尺直接置于测量路段得到路面与直尺之间的最大间隙量作为平整度指标，直尺的长度在不同的国家与地区有所不同，大部分是3m直尺。
当采用3m直尺测定路面平整度时，常采用最大间隙作为测定指标。
当采用连续式平整度仪检测时，一般采用路面平整度标准差σ来表征路面平整度。
这两个指标也是目前我国路面施工、验收与评价中最常用的指标。
《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ071-94）规定，在施工过程中用3m直尺检测，对高速公路及一级公路的上面层要求不大于3mm，对中下面层要求不大于5mm；
在交工验收阶段，用连续式平整度仪检测，全线连续检测的平整度标准差不大于1.8mm。
为了客观准确高效地评定路面平整度，国内进行了相关研究建立IRI与国内常用评价指标之间的关系[14～17]，并进一步引入到规范中来。
交通部公路所1998年完成国际平整度指数IRI专项研究，提出了σ（mm）与IRI（m/km）的关系：
σ=0.6×
IRI。
在《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ071-98）中引用该研究成果提出了IRI的规定值，并将各项指标标准有所提高，对于高速公路及一级公路全线连续检测的平整度标准差不大于1.2mm或IRI不大于2.0m/km。
（3）断面指数PI
PI也是国际常用平整度指标之一，利用断面式平整度仪测量出路面两轮迹带的平整度。
加州断面仪是最常用仪器，它以7m的金属轻横杆作为参考高程，中央装置随路面起伏移动的测绘轮，使用纸带记录器以1/300的水平比例描绘的路面起伏，然后将空白带（BlankingBand）放在断面图的中心位置上，则部分的波浪起伏会高出或低于空白带，而呈现扇型区域，量测每个扇型的高度并相加，再将该值除以水平距离则得到断面指数PI。
空白带的宽度由各国规范规定，一般为0～5mm，当空白带为0mm时，称为总的累积不平整度TCR。
目前，除了可以实测得到PI值之外，还可以通过计算得到PI，其计算方法与1/4模型车计算IRI的方法相似。
不过，各种质量体的比例、弹簧系数、阻尼系数与之不同。
北美地区多用PI作为新建路面平整度验收指标。
（4）功率谱密度（PSD）[18]
道路断面可以认为是由不同特性的短波、中波及长波组成。
功率谱密度表示变量在不同频率（波长）下的方差，这样可以分析不同频率（波长）下的高程、速度、加速度的方差来分析路面断面的不平整性。
经过滤波或车辆振动系统作用后的功率谱分析可以比较不同波长下输入、输出的变化，从而知道平整度敏感的频率范围，什么频率下经过系统作用后被放大，什么频率下经过作用后振动被减弱。
有利于评价动力反应类平整度的特征，也为车辆振动系统的优化提供分析基础。
研究各种不平整度等级路面的PSD曲线发现了一个一致的趋势：
PSD曲线下的面积与不平整度（采用IRI值）成线性变化，PSD曲线的形状保持一致[12]。
这点是目前室内对路面平整度进行仿真的理论基础。
（5）平均评分等级（MPR）
平均评分等级来自上世纪50年代的AASHTO道路试验。
由路面专家小组沿着评价路段行驶并评分，对评分值进行统计分析处理后用一个值作为小组的最终评分值，该值称为平均评分等级（MPR）。
通过MPR可以评价某路段的行驶舒适度。
小组评分结果主要取决于在评分之前对评分小组成员进行的关于路面特性或质量的定义的培训。
MPR是一个关于路面不平整度的主观评价指标，MPR的形成基于心理学原理，所以必须认真遵循该原理从而得到一个有效的小组评分结果。
（6）行驶质量数RN
ASTM的RN是以使用者的感觉作为代表平整度的指标，由0到5的数字代表路面行驶质量，RN=5代表路面接近于完美。
RN最初由MPR得到，后在进行平整度小组评分同时，以断面平整度仪检测路段的高低起伏，再以数学模型将平整度仪测得的数据转换成RN值。
现RN可由PI直接计算得到，其计算公式为RN=5e-160×
PI。
研究发现，虽然RN是完全从理论方法得到的评价指数，而MPR是一个主观评价指标，但两者有很好的相关性。
（7）竖向加速度均方根（RMSVA）
竖向加速度均方根RMSVA是空间竖向加速度的均方根（SVA）。
而断面高程的坡度的变化同间距的比值称之为空间竖向加速度（SVA）。
RMSVA对断面数据采点间距也很敏感。
还有其他一些路面平整度评价指标如平整度指数RI、指标系数SI、颠簸累计数、坡度变化SV等，在此就不一一详述。
4 路面平整度评价研究问题及建议
4.1 路面平整度评价模型及其与人体行驶舒适度的关系
由前述可知，路面平整度问题本身的复杂性，导致了路面平整度评价的复杂性。
从路面平整度评价发展过程来看，可以初步分为2个阶段。
第1阶段主要是寻找能真实反映路面纵断面的方法，这一阶段考虑较多的因素是路面本身，对于路面平整度评价模型研究较少，基本上是对于路面断面测量数据进行数学统计分析得到评价指标，早期的断面类平整度测定法就处于这一阶段。
第2阶段意识到路面不平整度是引起车辆振动的主要原因，从而将研究重点从单纯路面断面的研究转向由于路面不平整的激励引起车辆振动的研究，对于路与车之间的关系考虑较多，提出了一些不平整度理论模型，反映类平整度测定法基本就属于这一类。
这一阶段最大的成果就是通过IRI的研究提出了1/4车辆模型，并以单位距离内的累积位移量代表路面不平整度，从而在指标中综合考虑了路与车的因素。
从路面平整度评价发展趋势可知，模型是逐步完善，考虑因素是逐渐增加，最初指标只是关于路面的信息，当前的指标包括了车-路之间的信息，今后的发展方向应该在评价指标中包含人-车-路3方面相关信息。
目前路面平整度评价主要模型是1/4车辆模型，是最简单的一种车辆模型，并不能完全真实反映车辆在外部路面激励下的振动，最初提出这种模型是为了计算简便，由于目前采用标准计算程序，模型的复杂性已不是问题，可以建立更为客观的模型，如1/2车模型或整车模型[19]，从而使评价值能更客观反映实际情况。
路面平整度评价要得到对于人体行驶舒适度客观评价，行驶舒适度主要是由行驶振动引起，振动的振幅、频率、持续时间以及方向决定了其对人体影响的严重程度。
由于人体各部分都有其自振频率，因此，人体存在最为敏感的振动频率。
根据人体对于各种响应的敏感性分析表明，人体对于加速度响应最为敏感。
人体腹腔对于5Hz左右的竖向振动会发生共振，所以人体对于这一频率的承受能力最低[12]。
研究表明目前的不平整度指数如IRI等与人体舒适性程度的相关性不大。
IRI直接采用竖向累积位移作为评价指标，而研究表明人体舒适度与竖向位移相关性并不大，与竖向位移的二次导数即加速度相关性更大[20]，故可在这方面进行深入研究，从而找到一种比IRI更能反映人体舒适度的评价指标。
4.2 路面初始平整度（InitialRoughness）的研究
路面初始平整度一般是指路面施工之后、开放交通之前这段时期内路面表面的平整状态，由施工验收规范所规定的路面平整度值所控制。
由于路面平整度与路面服务性能及费用有直接的关系，路面初始平整度非常重要。
因为随着时间发展，路面初始平整度标准越高越有利于得到耐久的路面服务性能，所以很有必要提高路面初始平整度。
北美地区大量调查表明，路面初始平整度的少量提高也会显著地提高路面长期性能（路面不平整度及裂缝方面）[21]。
通过延缓路面不平整度的发展，路面每年养护费用及其整个寿命周期费用也会显著减少。
因此，北美地区路面发包商提供承包商各种激励（奖金）来提高路面平整度，且认为项目初期额外投资会收到成倍的回报，最终能显著降低路面养护维修费用。
LTPP的研究表明路面平整度，特别是初始路面平整度，严重影响路面使用寿命[2]。
通过比较我国与北美地区及欧洲的规范可知，相对于大部分国家而言，我国现行规范对于路面平整度的规定值偏高，我国与Spain所要求的值相近，IRI都是2.0m/km（对于高等级公路），而加拿大Quebec州IRI是1.2m/km，Sweden为1.4m/km[22]，美国大部分州要求在0.79～1.58m/km。
我国对于路面初始平整度规范值确定及路面平整度与路面使用寿命关系的研究方面研究进行较少。
上世纪90代中期，我国部分高速公路修建时过分强调平整度，为了达到过高的平整度而降低了对压实度的要求，最终导致了路面的早期破坏，使路面寿命降低，这是不科学的。
可以对全国典型气候地区及各代表性施工水平进行调查研究的基础上确定初始路面平整度与环境因素、施工水平、路面材料及路面结构之间的关系，进而通过长期性能研究得到路面初始平整度值与路面寿命的关系，最终得到符合我国实际情况的路面初始平整度值。
5 结语
路面平整度是路面重要性能指标之一，也是路面性能研究中难点问题之一，经历了近80年的发展，虽然取得了较多成果，但该问题一直没有得到较好解决，还有待深入研究。
从路面平整度的发展过程中，可以得到以下结论：
（1）路面评价与检测中，非接触式断面仪将成为主要的路面平整度检测仪器，而在施工过程中，则使用3m直尺或手推式激光断面仪等简便易行的路面检测仪器。
（2）在较长一段时期内，随着快速非接触式断面仪的开发与推广，IRI会成为路面平整度统一的评价指标。
而研究的深入和测试手段的进步以及路面平整度理论模型的完善，使将路面平整度评价与人体舒适度从理论上结合起来成为可能，进而在评价指标中综合考虑人-车-路3者之间的关系，这是路面平整度评价指标发展的必然趋势。
（3）路面平整度现阶段在大部分国家只是一个施工验收控制指标，但从AASHTO2002的规范可知，将平整度纳入到设计体系，从设计阶段对路面平整度进行控制，而不仅仅是将其作为施工验收控制指标，这也是各国设计体系中路面平整度发展趋势之一。
参考文献：
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