（道路与铁道工程专业论文）路面平整度评价及预测理论的基础研究.pdf

摘要 摘要 平整度是路面舒适性和安全性的关键评价内容，也是路面养护决策的重要指 标。国内外通常采取的评价方法都带有一定的主观性。为了能对路面的舒适安全 性做出客观、统一的评价，本文在对国内外大量文献研究的基础上，设计了比较 新颖的实验方案，并在实际道路上，使用路面平整度检测设备和生理检测仪器， 对不同路面平整度条件下人体生理指标的客观变化进行测量。实验表明，路面平 整度对人的生理指标有一定的影响，用心率来表示行驶的舒适安全性，符合实际 情况，测试路段上的心率级差与国际平整度指数均值之间存在对数函数关系。初 步探讨了路面平整度生理评价方法的可行性。 根据平整度生理评价研究成果，对某地区2 0 0 8 年普通公路检测得到的国际 平整度指数数据，通过对路面类型与路面结构、交通荷载、路龄等影响路面平整 度因素的分析，结合调查地区实际情况，采用按面层厚度分类的方式考虑沥青混 凝土路面结构的影响，同时将路龄作为模型的影响变量，根据时空转换的思路， 分别建立路面平整度的数值预测模型和分布预测模型。 通过舒适安全性和经济性评价，初步研究沥青混凝土路面的平整度养护标准 范围。并在此基础上，结合平整度预测模型，探讨了基于概率分布的养护标准的 研究思路。研究认为，基于分布预测的路面平整度养护标准考虑到了样本数据的 概率分布形式和变异性，与数值预测相比更符合实际情况，更加科学合理。据此 可为相关公路养护管理部门提供参考。 关键词国际平整度指数；舒适安全性；评价；预测；养护 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p a v e m e n tr o u g h n e s si sn o to n l yak e yt oe v a l u a t er i d i n gc o m f o r ta n dt r a f f i c s a f e t y , b u ta l s oa ni m p o r t a n ti n d e xf o rt h ep a v e m e n tm a i n t e n a n c ed e c i s i o nm a k i n g t h ee v a l u a t i o nm e t h o dc o m m o n l yu s e di nc h i n aa n da b r o a dh a sc e r t a i ns u b j e c t i v i t y i no r d e rt oe v a l u a t er i d i n gc o m f o r ta n dt r a f f i cs a f e t yo fp a v e m e n to b j e c t i v e l ya n d u n i f o r m l y , t h i sr e s e a r c hd e s i g n sau n i q u et e s ts c h e m eb a s e do np l e n t yo fd o m e s t i ca n d o v e r s e a sd o c u m e n t s o nt h er e a lr o a d ，t h eo b j e c t i v ec h a n g eo fp h y s i o l o g i c a li n d e xo f h u m a nb o d yw a sm e a s u r e di nd i f f e r e n tr o u g h n e s sc o n d i t i o nb yu s i n gb o t hp a v e m e n t t e s te q u i p m e n ta n dp h y s i o l o g i c a ld e t e c t o r b ys u m m a r i z i n gt h ed a t a ，ac e r t a i n i n f l u e n c eo fp a v e m e n tr o u g h n e s so np h y s i o l o g i c a li n d e xo fh u m a nb o d yi sp r o v e d u s i n gh e a r tr a t et od e s c r i b er i d i n gc o m f o r ta n dt r a f f i cs a f e t yi sa c c o r dw i t ht h ef a c t f u r t h e r m o r e ，t h e r ei st h el o g a r i t h m i cf u n c t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er a n g eo fh e a r t r a t ea n dt h em e a no fi n t e r n a t i o n a l p l a y s i o l o g i c a l e v a l u a t i o no np a v e m e n t r o u g h n e s si n d e x ( i r i ) t h ef e a s i b i l i t y o f r o u g h n e s si sp r e l i m i n a r i l yd i s c u s s e di nt h i s p a p c l a c c o r d i n gt o t h e p h y s i o l o g i c a l e v a l u a t i o no n p a v e m e n tr o u g h n e s s ，b y s u m m a r i z i n gt h ep a v e m e n tr o u g h n e s sd a t ao fs o m ea r e a i n2 0 0 8 ，t h er o u g h n e s s i n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h et y p e o fp a v e m e n t s t r u c t u r e ，t r a f f i cl o a d ，a n da g eo fr o a d a c c o r d i n gt op r a c t i c a ls i t u a t i o no fs o m ea r e a ， t h ea s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tw a sc l a s s i f i e dw i t hs o m et y p e sb yl a y e rt h i c k n e s s t h e d a t aw e r et r a n s f o r m e db yt h ec o n s i d e ro fs p a c e t i m e ，a n dt h e nt h en u m e r i c a lv a l u e p r e d i c t i o nm o d e la n dt h ed i s t r i b u t i n gp r e d i c t i o nm o d e lo fi n t e r n a t i o n a lr o u g h n e s s i n d e xw e r ee s t a b l i s h e db yu s i n gt h ea g eo f r o a da st h ei n d e p e n d e n t v a r i a b l e w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fe v a l u a t i o no fr i d i n gc o m f o r t ，t r a f f i cs a f e t ya n d e c o n o m y , t h i sp a p e re l e m e n t a r i l yr e c o m m e n d e dap a v e m e n tr o u g h n e s sm a i n t e n a n c e c r i t e r i o nr a n g eo fa s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t b a s e do nt h ec r i t e r i o n ，aw a yo f r e s e a r c h o nm a i n t e n a n c ec r i t e r i o nb yc o n s i d e r i n gt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fr o u g h n e s sw a s d i s c u s s e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed i s t r i b u t i n gp r e d i c t i o nm o d e lo fi r ic o n s i d e r s b o t hd i s t r i b u t i n gf o r ma n dv a r i a b i l i t yo ft h er o u g h n e s ss a m p l e ，t h em o d e la c c o r d sw i t h t h ef a c ta n di ti sm o r er a t i o n a lt h a nt h en u m e r i c a lv a l u ep r e d i c t i o nm o d e l i ti sh o p e f u l t op r o v i d et h ep r a c t i c a lr e f e r e n c ef o rm eh i g h w a ym a n a g e ra n dt h e r e l e v a n t t e c h n o l o g i s t k e yw o r d si n t e m a t i o n a lr o u g h n e s si n d e x ，r i d i n gc o m f o r ta n d t r a f f i cs a f e t y , e v a l u a t i o n ， p r e d i c t i o n ，m a i n t e n a n c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 虢址嗍茸耳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：立丝鏖。导师签名： 日期：触够 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及必要性 1 1 1 研究背景 近十年来，伴随着我国经济的高速发展，公路交通建设实现了巨大的增长( 如 图1 - 1 所示) 【1 h 8 1 。截至2 0 0 8 年底，全国公路总里程达3 7 3 0 2 万公里，比上年 末增加1 4 6 4 万公里，公路网密度为3 8 8 6 公里百平方公里【8 1 。 注：2 0 0 6 年开始全国公路总里程包含村道里程。 图1 - 1近年来全国公路里程发展趋势图( 2 0 0 0 2 0 0 7 ) 【1 h 8 】 f i g 1 1t h ed e v e l o p m e n tt r e n d c h a r to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nc h i n a ( 2 0 0 0 2 0 0 7 ) 同时，公路技术等级显著提高，全国等级公路里程达到2 7 7 8 5 万公里，除 高速和等外公路外，其余各等级公路占7 2 9 【8 j 。 然而，公路总量的持续增长也导致了交通事故的增加，并带来了巨大的养护 需求。 1 1 2 研究必要性 伴随公路运输繁忙而来的就是公路交通事故的增加，其中很大一部分与路面 性能有关。现代交通运输所追求的舒适、安全，在相当大的程度上受路面性能状 况及其发展制约。 调查资料显示，全世界每年有1 2 0 多万人死于道路交通事故，造成的经济损 失约为5 1 8 0 亿美元。我国道路交通安全形势严峻，是交通事故发生率较高的国 家之一j 当前我国每年发生道路交通事故5 0 多万起，死亡1 0 多万人，伤3 0 多 万人，直接经济损失3 0 多亿元人民1 9 。 北京t 业 i 学倾l 学位论土 表1 - i田外各因票对交通曲故的影响程度 t a b l el io v er s e a ss t u d yo nv a r i o u s l a c t o r s e f f e c to e t r a f f i ca c c i d e n t 原因美国( ) 英国( ) 澳大利( ) 单纯路 单纯人 单纯车 路和人 人和车 路和车 人、车、路共同 从国外的研究( 见表1 1 ) 可以看出，与人有关的原凶占9 3 9 4 ，与车 有关的占8 1 2 ，与道路有关的原因大约占2 8 3 4 ，这表明人是事故的 关键因素；同时，虽然单纯由道路环境因素引发的道路交通事故所占比例较小， 但是与其有关的交通事故所占比例也较高。 我国学者在对各影响因素在道路交通事故中所占比例的研究中，得到了和国 外基本一致的结果( 见幽1 2 ) 。同时还指出，采用传统的分析方法( 单因素法) 分析中国道路交通事故影响因素时，人的因素所占比例超过9 0 的原因在于， 记录时一般将与人有关的事故就认为人是主要因素，而事实上缩小了道路环境因 素所起的作用。这也在一定程度上降低了研究者对这些因素的关注程度，对道路 交通安全状况的改善起到了一定的负面作用。 因此，如何科学评价路对人的影响是亟待解决的问题。 人9 0 4 ：i 0 道路环境 3 。 国】2 我国道路交通事敞影响因素所占比例【9 i f i 9 1 - 2 t h ep r o p o r t i o no f v a r i o u s f a c t o r s e f f e c t o n t r a f f i ca c c i d e n t i n c h i n a 另一方面，随着公路建设逐渐步出高峰期，我国必然会迎来大规模的公路养 护管理时代。 第1 苹绪论 公路养护管理是长期、持续和无止境的，发达国家的公路发展历程已经充分 证明了这一点【1 0 】。我国在经历了近二十年的大规模公路建设之后，公路发展的重 点也逐渐转向了公路养护管理。大批公路已经陆续进入大中修养护时期。按照平 均5 1 0 年的大中修养护周期计算，到2 0 1 0 年，我国高速公路的大中修养护速 度将超过建设速度( 见图1 3 ) 【1 1 】【1 2 1 。巨大的养护需求给公路养护管理工作带来 了前所未有的压力。 因此，科学合理的预测路面性能的发展变化成为养护决策的关键。 图1 - 3 我国高速公路养护规模发展趋势图 1 q 1 1 2 1 f 逸。1 - 3t h ed e v e l o p m e n tt r e n dc h a r to ff r e e w a ym a i n t e n a n c ei nc h i n a 1 2 国内外研究现状 在公路养护管理中，最重要的是路面的养护。路面在使用过程中，使用性能 会因为各种因素的影响而逐渐发生改变。 1 2 1 路面性能定义及分类 1 9 6 2 年，g a r e y 和i r i c k 首次提出了路面使用性能( p e r f o r m a n c e ) 的概念， 并将其定义为“路面服务能力的演变历程”，并按此定义提出了路面服务指数p s i ( p a v e ：m e n ts e r v i c e a b i l i t yi n d e x ) 这一使用性能指标【1 3 】【1 4 l 。 1 9 9 2 年，w d o p a t e r s o n 从道路使用者的角度给出了使用性能的新定义，即 “路面为道路使用者提供的服务的变化趋势。，【1 4 】【1 5 】。从道路使用者的角度看， 希望道路具有：较佳的行车舒适性；高质量的行车运营条件，以最大限度地降低 车辆损害的风险；行车安全：最小的环境影响。 姚祖康将路面性能分为功能性能、结构性能、结构承载力、安全性和外观五 个方面【1 6 1 ，这种分类科学、合理的考虑了路面破损机因和破损形状。 考虑到实际的数据检测、用途和路面整体性能评价等因素，本文根据国外路 北京t 业大学t 学硕+ 学位论文 面管理技术发展趋势和我国的传统、相关养护规范，采用潘玉利提出的分类标准， 将路面性能按舒适性、安全性、使用状况和路面承载能力四大方面( 如图1 4 ) ， 其相应指标为平整度、路面抗滑、路面表面破损和路面整体弯沉。 1r1 安全性使用 _ - - 。- - _ _ _ _ 隧滚耋霪釜翻瞬面 除嘲区 s f c 或b p n p ( 一f j p q i 图1 - 4 路面性能评价指标体系图 f i g 1 - 4t h es y s t e mo fp a v e m e n tp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e x 有时为了使路网或者各个路段的路面性能具有可比性，可建立综合评价模 型。而单项指标主要反映路面的某项使用品质，用于确定具体的养护措施，其发 展规律对科学研究与养护决策也是非常重要的。 1 9 6 0 年，a a s h t o 道路试验研究表明大约9 5 的路面服务性能来自道路表面 的平整度【l 引。路面平整度是评价路面舒适安全性的关键指标，同时也与车辆振动、 运行速度、轮胎摩擦与磨损及车辆运营费用等有关。 此外，在路面性能评价体系中的四大技术内容中，已有研究对路面破损、平 整度和结构强度等三项主要性能之间的关系进行了分析，并在此基础上提出了结 构强度指标p s s i 与破损指标p c i 及平整度指标r q i 之间的关系模型。可以通过 p s s i p c i 及p s s i r q i 的模型关系，科学客观的确定养护性质模型决策参数的方 法，判断路面是否需要小修、中修或大修【l 9 。 由此可见，路面平整度状况是对路面安全舒适性评价及养护决策有着至关重 要的作用。因此，本文主要研究路面性能中的平整度指标。 圈围圈圈 第1 章绪论 曼! ! 曼! 曼! 曼曼! 曼蔓詈曼曼! ! 曼蔓! 曼曼皇曼蔓量! 曼曼曼曼! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼! ! i 一| 1 1 1 皇曼! 曼曼 1 2 2 路面平整度评价研究现状 1 2 2 1 路面平整度的概念及评价指标 由于路面平整度问题本身的复杂性，从不同的角度出发，对路面平整度所下 的定义就有多种。交通部标准公路工程名词术语( j t j 0 0 2 8 7 ) 及国家标准道 路工程术语标准( g b j l 2 4 8 8 ) 将路面平整度定义为：路表面纵向的凹凸量的偏 差值1 2 0 j 。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。 美国材料试验协会( a s t m ) 对平整度的定义为路面表面相对于理想平面的 竖向偏差，其影响车辆的动力性能、行驶质量、动态荷载和排水，例如，纵断面、 横断面和横坡【2 l 】。这个定义包括了影响路面平整度的因素，明确了路面平整度测 量的参照面，避免了由于采用不同仪器测量而引起的基准面差异所造成的平整度 测量结果的差异，利于测定；更重要的是，该定义给出了区分平整度与粗糙度、 平整度与道路纵坡的标准，综合考虑了粗糙度和纵坡不能明显表现的交通系统中 人、车、路三大方面，更全面、更人性化，为制定合理的路面标准提供理论基础， 因此得到了广泛认可。 国内外常用的平整度评价指标主要有：国际平整度指数i r i 、行驶质量质量 r q i 和直尺测定最大间隙与平整度标准差o 、功率谱密度( p s d ) 、平均评分等级 m p r ( m e a np a n e lr a t i n g ) 和竖向加速度均方根r m s v a 等。 其中，国际平整度指数i r i 可以通过最广泛使用的仪器测量得到，其结果可 以在世界范围内进行转换，因此，成为目前国际上运用最广泛的平整度指标。 行驶质量指数r q i 是通过专家打分与实测数据回归得到，其表达式如下四】： r 缈= 酽1 0 0 式中： 尺路面行驶质量； 1 r 国际平整度指数( i n t e m a t i o n a lr o u g h n e s si n d e x ，r n k m ) ； 高速公路和一级公路采用0 0 2 6 ，其他等级公路采用0 0 1 8 5 ； q 高速公路和一级公路采用0 6 5 ，其他等级公路采用0 5 8 。 1 2 2 2 路面平整度的舒适性评价 路面平整度影响驾驶员和乘客的行驶舒适性。行驶舒适度主要是由行驶时的 气 北京丁业大学工学硕士学位论文 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。人体存在最为敏感的振动频率。根据研究表明，人体对于加速度最为敏感。 人体腹腔对于5 h z 左右的竖向振动会发生共振，因此对于这一频率的承受能力 最低【2 3 1 。 已有研究采用c a 一1 4 1 汽车的模型，输入路面谱计算司机座椅处加速度谱， 并按照i s o 人体承受振动标准，计算其疲劳一熟练程度降低限，得到不同行驶车 速下司机不降低工作效率的持续工作时间【2 4 】，见表1 2 ： 表1 2不同行驶车速下司机不降低工作效率的持续工作时间【2 4 】 t a b l e1 - 2t h ew o r kt i m eo fd r i v e rw i t hn or e d u c eo fe f f i c i e n c yi nv a r i o u ss p e e d 路名京塘西长安街工人体育场东路八达岭 路面功率谱密度1 0 。6 m 3 3 97 52 5 18 2 不同车速下，正 1 0 0 k m h 2 小时1 小时 1 0 分钟 5 0 分钟 常工作持续时间1 2 0 k m h1 5 小时5 0 分钟5 分钟4 0 分钟 1 2 2 3 路面平整度的安全性评价 路面平整度不仅反映了路面的行驶舒适性，也从一定程度上反映出路面是否 安全。 前苏联科学家巴布可夫对路面平整度与交通安全的关系进行了论述。调查表 明，路面坑槽和起伏容易引发交通事故，将其统称为变形的路面。根据统计数据， 在不良的道路条件引起的交通事故中，1 3 1 8 是由路面不平整引起的，变形 路面在整体道路中的比例，与单位万车公里的事故率之间存在着一定的相关关 系，如图1 5 示【2 5 j ： 图1 - 5 变形路面比重与事故率的相关关系图 2 5 】 f i g 1 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e np a v e m e n td i s t o r t i o nr a t ea n dt r a f f i ca c c i d e n tr a t e 通过对交通事故机理的分析表明，路面不平整导致的行车安全下降的原因是 多方面的：首先，不平整路段开始处的事故达大部分是由于前面行驶的车辆速度 第l 苹绪论 突然降低，其后的车辆来不及采取措施而与其相撞造成的；而在不平整路面的中 间部分，事故的发生往往是由于行车绕避本车道的坑槽而驶入其他车道，因此引 发了碰撞；另外，路面不平整会导致车辆本身的振动幅度增大。这也是引发碰撞 的诱因之一；最后，道路不平整使得驾驶员的劳动幅度大幅增加，如果产生了工 作过载的现象，则会引发驾驶失误，严重的就会导致交通事故。 路面平整度的安全性能指标，称为安全系数k 。其公式为： k ：a i a o ( 1 2 ) 式中： k 路面平整度安全系数； q 汽车在特定路段上的垂直加速度； 同一汽车在平整路段上的垂直加速度。 平整段上汽车的垂直加速度约为自由落体加速度的o 3 倍。平整度好的路面， 比值k = 1 ；尚属满意的路面，k 值为1 - - 2 ；不满意的路面，k 2 。专家认为， k 值超过5 o 的路段属于危险路段。 前苏联的专家在研究中以冲击仪所获得的平整度指标代表路面平整度，并分 析相应的事故率水平，得到了表1 3 所示的路面平整度的安全性能分类表。在表 中，冲击仪指标取值越高，说明路面的平整度越差。 表1 3 路面平整度的安全性能分类表【2 5 】 t a b l e1 - 3t h es a f e t yc l a s s i f i c a t i o no fp a v e m e n tr o u g h n e s s 冲击仪测得的平整度( c m k m )8 01 5 02 0 02 5 0 事故率系数 1 o1 41 7 2 o 由此可知，路面越不平整，事故率越高。但这个趋势并不是单调变化的。 实验表明，由于路面不平整而引起的行车不安全具有区间特性：在初级的路面不 平整状况下，车辆很少因此减速，这时事故率开始上升；如果不平整的程度达到 一个临界值( 在表中表现为冲击仪指标为2 5 0 - - 一3 0 0 c m k m ) ，事故率系数达到了 最高点；而此后，随着路面不平整状况的进一步加剧，驾驶员普遍感觉到了这种 状况，并大幅降低了车速，交通事故率反而降低了。同样，根据前苏联的研究结 果，当路面不平整度达到冲击仪指标为6 0 0 c m k m 时，事故率系数大致降低到了 1 5 。虽然事故率有所下降，但这种状态下的道路是不可取的。因为行车稳定性 北京t 业大学工学硕士学位论文 受到了严重影响，车辆颠簸剧烈，行车速度下降，交通效率与路面使用者的舒适 性和运营经济性都显著下降，因此应该尽量避免【2 副。 以上研究结果表明，一方面，人们意识到路面平整度对舒适安全性影响的重 要性，但多采用专家主观评分方法进行评价；另一方面，对路面平整度的复杂性 认识不够，大多是根据经验从施工养护角度控制路面平整度，而对路面平整度对 人体生心理反应的影响等客观评价研究较少，故无法掌握其影响规律，因此也就 无法真正控制路面平整度。 1 2 3 路面平整度预测研究现状 路面平整度预测是通过特定方法，对路面现在和历史数据进行加工，建立预 测模型，模拟路面平整度随时间、荷载作用等变化的规律，对未来一定时期内路 面平整度发展进行预测，为路面设计寿命周期费用分析、路面养护和重建优化决 策分析等提供应用。 平整度的预测模型主要有多元线性回归模型、时间序列模型与l o g i s t i c 回归 模型等，并且预测指标主要以路面行驶质量r q i 为主。 其中，最典型的模型是刘伯莹等依据广东和北京两省市干线公路网沥青路面 近年来积累的路况资料，通过整理和分析建立的r q i 预估模型忙6 j ： y 路面建成后或新近一次改建后的年数； a 、b 回归系数； ( 1 3 ) c 、d 回归系数。 对于国际平整度指数i r i ，也有一些研究建立了预测模型。 ( 1 ) 挪威公路局平整度预测模型2 7 】 挪威公路局开发了路面管理系统( p m s ) 并建立了平整度预测模型。其为在 考虑路面结构、横断面、交通量和气候等影响因素基础上开发的确定型模型。但 模型适用范围受影响因素作用较大，当影响因素发生变化时需要进行修正。 i d = i 砒i + u r il i r i , ) ( - 鲁- 节5 q ( 1 - 4 ) 式中： 删：某年预测平整度； 第1 章绪论 i r i i 初始平整度： 啦路龄为a l 的平整度； 4 预测年限路龄； 4 有平整度记录的某年路龄。 ( 2 ) l o g i s t i c 模型【2 8 】 目前，普遍认为以通车时间t 为独立变量的l o g i s t i c 回归模型，可以准确预 测路面平整度i r i 的发展趋势。在国外也有许多路面管理系统采用l o g i s t i c 模型 对i r i 进行预测： 删2 而i r i m 戤面- - 1 r 雨m i n 4 - 败佃 ( 1 5 ) 式中：i r 一路面平整度预测值； a o 、口，一标定参数。 ( 3 ) a r i z o n a 州模型【2 9 】 美国a r i z o n a 州通过对三个地区不同路龄的路面使用性能变量以及其影 响变量进行分析后，得到了典型的概率型回归模型： 吣= o 1 3 8 r + 2 6 5 r 9 2 一o 1 2 5 ( 1 6 ) 式中：欲。一第二年平整度的变化； r 一现有的开裂量和平整度； 毽一地区系数。 ( 4 ) 冯德成等人根据黑龙江省1 9 9 2 年5 月路况调查资料， 得到了平整度与累计交通荷载的关系模式【3 0 】： r = r p 州 通过回归分析， ( 1 7 ) 式中：r 一初始平整度； a 一不同路面结构及不同的基层潮湿类型所影响的平整度发展速度；a 值 越大，发展速度越快； m 一交通荷载。 ( 5 ) 倪富健等人根据京沪高速公路每3 个月为一周期的平整度实测数据， 北京工业大学工学硕七学位论文 建立了几个有不同数量滞后值的时间序列路面平整度预测模型，根据与实测值的 比较，找出最优的时间序列路面平整度预测模型【3 1 1 。 i r i ( t + 1 ) = f li r i ( t ) ，i r i ( t - 1 ) ，丁( f ) l ( 1 8 ) 式中：删一路面平整度； f 一标定参数。 上述的几个回归模型和时间序列模型都可拟合路面的衰变情况，客观的反映 出路面平整度随着使用年数、荷载等因素变化而衰减的规律。但在实际情况中， 网级路面管理系统水平的平整度历史数据，是很难达到足够数量的预测时序的。 因此，时间序列预测方法不太适合于本文对于路面平整度预测基础理论的研究。 初步考虑，基于本研究所收集的数据，建立能反映这些数据变化规律的路面平整 度预测模型。 1 3 主要研究内容 我国公路总量的持续增长导致了交通事故的增加，并带来巨大的养护需求。 路面平整度是路面舒适性和安全性的重要评价指标，并对路面养护决策起着至关 重要的作用。本文对平整度的评价及预测理论进行了基础研究，以期对路面设计 寿命周期费用分析、路面养护和重建优化决策分析等提供借鉴和指导作用。 全文共分5 章，除第1 章绪论之外，其余各章内容安排如下： 第2 章路面平整度生理评价适用性研究。 在对国内外大量文献研究的基础上，设计了独特的实验方案，并在实际道路 上，使用路面平整度检测设备和生理检测仪器，对不同路面平整度条件下人体生 理指标的客观变化进行测量。经过数据分析初步进行路面平整度生理评价适用性 的研究。 第3 章路面平整度数值预测模型构建。 根据平整度生理评价适用性的初步研究，对某地区2 0 0 8 年公路检测得到的 国际平整度指数( i 刚) 数据，通过对路面类型与路面结构、交通荷载、路龄等 影响路面平整度因素的分析，结合调查地区实际情况，采用按面层厚度分类的方 式考虑沥青混凝土路面结构的影响，同时将路龄作为模型的影响变量，根据时空 转换的思路，构建路面平整度数值预测模型。 第4 章路面平整度分布预测模型构建。 对路面平整度分布预测模型的形式提出对数正态的假设，并加以验证。通过 对模型进行标定的结果，研究沥青混凝土路面平整度分布曲线随时间的变化规 律。 第5 章路面平整度养护标准的探讨。 根据舒适安全性和经济性评价，初步提出沥青混凝土路面平整度的养护标准 第1 章绪论 建议范围。并在此基础上，结合平整度数值预测模型和分布预测模型的应用，探 讨基于概率分布的养护标准的研究思路。 警型 魁 删 剧 型 器 蠖 螺避 乩屑 _ 怕 幅 ， 籁 粗累 1 蚤譬 目 淤 热 挺皋 酱曩 巅 剥 副 求制 吣 靛 辎 辎 io导ci o 工_ u o d【暑u：扫口。一蔼一a日警o o上卜协一一皿 匝霉嘏黑s仪将心1匝 霉蚂野熙仪将寸一 仪皋迥亏l；_千匿扑h扑k爿h谣暑 第2 章路面平整度生理评价适用性研究 第2 章路面平整度生理评价适用一陛研究 路面平整度是评价路面使用性能的一个重要指标，它不仅反映了行驶舒适 性，也在一定程度上影响道路安全。从路面平整度评价发展趋势可知，模型是逐 步完善的，考虑因素也是逐渐增加的。最初的指标只是关于路面的信息，当前的 指标包括了车一路之间信息，今后的发展方向应该在评价指标中同时包含人、车、 路3 方面的相关信息1 2 0 】。 2 1 路面平整度生理评价研究现状分析 为了评价不同路面性能的舒适安全性，很多学者通过收集大量数据，使用模 糊数学口2 】等方法，建立其与交通事故之间的关系。但由于我国事故数据往往难于 获得，此种方法可行性不高。 因此，对待此类闯题，为了将人的信息逐渐渗透到路面性能的评价过程中， 国内外通常采用主客观相结合的方法进行评价( 如图2 1 所示) ，即组织有经验 的人员，包括相关研究人员、道路用户、道路工程师和道路管理人员等，针对路 面使用性能某一方面的属性进行主观评价，同时使用仪器采集客观调查与之相对 应的路况数据，将这两方面结果进行属性匹配综合，用于评价路面现状，而二者 之间存在的某种数学关系可以通过评价模型得以反映。现有标准规范中的路面行 驶质量指数( r q i ) 与路面车辙深度指数( i i ) 就是基于这种方法产生的评价 指标【1 2 】【3 3 1 。 图2 - 1 主客观相结合评价方法【1 2 j f i g 2 - 1 t h es u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o d 但是，无论是从道路用户的角度出发对车辆行驶的舒适性和安全性进行评 价，还是站在道路管理者的角度对路面结构保持完好的程度做出评估，都带有一 定的主观性，评价结果取决于个体的主观感受程度和判断能力，因人而异，难免 缺乏科学依据，且难于量化。因此，我们急需寻找一种媒介，将人的主观感受通 过某些生理指标的变化表现出来。为了能对路面的舒适安全性做出统一的评价， 北g i n i n i n 镕z 可以通过使用路面平整度检测设备和生理检测仪器对不同平整度条件下，人体生 理指标的变化进行测量，通过分析建立起二方面客观测量值之间的关系，从而评 价路面平整度的状况。这种建立评价模型的方法，可以使平整度评价避免个人的 主观随意性，而且评价结果也更为直观，便于理解和相互比较。 国外已有若干学者尝试用生理指标来研究如何评价路面平整度。目前在机械 行业被广泛采用的i s 0 2 6 3 t m e c h a n i c a lv i b r a t i o n a n ds h o c k - - e v a l u a t i o no f h u m a n e x p o s u r et ow h o l e - b o d yv i b r a t i o n - p a r t1 ：g e n e r a lr e q u i r e m e n t s “给出了人体承 受全身振动的加权加速度均方根近似阈值。此规范的优点是把运行参数路面 平整度、车辆特性和人的感觉融合在一体进行考虑，但是它仅给出的乘车舒适性 是建立在客观振动指标和人时振动感觉上的一个模糊概念，没有给出人的感觉的 量化指标，缺乏人体耐振试验数据。 日本的马场功生等人为了掌握人们对凹凸不平的路面有什么反应，用搬运东 西的手推车进行了段差实验，即在平坦的地面上铺上厚板，通过推动手推车来上 下移动，测定行驶前、行驶中、行驶后人的脑电波对段差的冲击有什么反应的实 验。并认为道路纵断面高程的变化与脑电波的变化是对应的( 见图2 2 ) 1 3 s l 。 f i g2 - 2 r e l a t i o n s h i pb e t w e e np a v e m e n te l e v a t i o na n db r a i n w a v e 奥津大树等人认为，经过1 0 个电极测定的脑电波会被用预先确定的代表基 础数据感性矩阵的感性谱来确定数值( 分别代表j o y 、s w o s s 、s a d n e s s 、r e l a x 等四 类感觉) ，认为这个生理评价值可以当作道路使用者对路面状况的感觉，并通过 在实际道路上测量的结果验证了这一结论( 见图2 - 3 ) 1 3 6 。 第2 章路面平整度生理评价适用性研究 1 0 0 0 2 0 0 0 距离( m ) 图2 - 3 机场跑道 p j 值与感性谱值之间的关系【3 6 】 f i g 2 - 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e na i r p o r tr u n w a yi r ia n dt h es e n s i b i l i t ys p e c t r u m 稻见有梨等通过对受冲击的频度影响的行车道振动数与所有被测试者的行 驶不舒适度的均值相比较可以看出，二者之间有较好的相关性( 见图2 - 4 ) 3 7 】。 1234 56789 o 鼹段号j 行 车 邀 振 动 熟 图2 4 行驶不舒适度与行车道振动数之间的关系【3 7 】 f i g 2 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr i d i n gu n c o m f o r t a b l e n e s sa n dd r i v e w a yl i b r a t i o n 为了追求行驶的舒适安全性，国内也逐渐开始关注路面性能与交通安全的关 系，但相关研究资料较少，目前还没有人系统地用生理指标来研究路面平整度评 价问题。对此，本研究设计了相关实验方案，具体按以下步骤进行。 2 2 路面平整度生理评价适用性研究实验方案 2 2 1 实验总体构想 本实验目的是将工学与医学相结合，把行车过程中经过道路的路面平整度和 - 1 5 n i t n 学i 学| 学位女 实验人员心车变化作为评价尺度，定量评价路面平整度对人体生理的影响。 实验中根据研究需要对实验条件进行控制，并从三个步骤进行实验设计：分 析一分类筛选一实地采集数据。通过分析发现道路线形、车速、环境这些外界 刺激与人体生理指标有着较强的相关性m 】。因此，要研究路面平整度对生理的影 响，就要严格控制好以上指标，尽量选择能突出、准确反映二者关系的实验仪器 与设备。本着减少次要因素对实验结果的影响，尽量突出路面平整度与生理反应 的关系的原则，对实验影响因素进行筛选、归类，把次要的因素剔除，最后选出 实验指标及仪器、实验道路、实验车、实骑人员、环境及其他等5 个因素作为研 究对象，之后进行实地采集数据。 2 2 2 实验指标及仪器 路面平整度生理评价适用性研究实验的指标及仪器包括路面平整度实验指 标及仪器与生理实验指标及仪器两个方面。 2221 路面平整度实验指标及仪器 国际平整度指数( i r i ) 是目前国际上运用最广泛的平整度指标。1 9 8 2 年， 世界银行在巴西进行的国际平整度指数实验完整而系统地提出了i r i 的计算模型 与计算方法。它由一条单向纵断面计算得到，采用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的l ，4 车模型，以8 0 k m 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i r i 。其具有与车辆性能相关性、 时间稳定性、结果有效性和可转移性等特点口目m 】e 4 1 l 。 幽2 - 5 撒光道路断面测试系统 f i 9 2 - 5 t h el a s e lp r o f i l o m e t e r 激光道路断面测试系统是通过安装在左右轮迹带上方的两个激光传感器、加 速度传感器和距离传感器，分别测量激光传感器到断面的垂向距离( 利用激光的 光时差原理) 、激光传感器的垂向加速度( 削除车的影响) 和沿断面纵向行驶的 距离，可计算得到断面的高程，进而确定国际平整度指数( 实验设备见图2 5 ) 。 第2 章路面平整度生理评价适月性究 它具有自动化程度高、数据精确、快速检测可不影响交通等优点p “。设备操作界 面如图2 - 6 。 ； t m ， $ 目# i日 i 堕 f t * # i i ! ! = 二二：一s 一：丽：一 1 j ：i； # 目d 5 日 g 啦： i8 7 【u ) 6 f l 庄* t m 一旷( 山) * t 娃舭d ： o 1 7 u ) # * t n n u j 1 1m 1 2l i |卜gi 目# 十度“n l r i 旧一” | 4 1 4 j 。 、。，。j l j k 。，l 一 i 。：i：。；j 。* m o kn o 五t - 二厶珈二 - *#4一 ， ”一，v 臣亟口臣匦 口i i 口晒j 蔓口臣叵口 图2 4 1 激光道路断面目4 试系统控制界面 f i g2 - 6 t h ec o n t r o l i n t e r f a c eo f p a v e m e