沥青路面摊铺的平整度传递规律及其预测与控制.doc

工程机械理论第六章 沥青路面摊铺的平整度传递规律及其预测与控制路面平整度是评价路面使用性能的一个重要指标，它直接影响着车辆在路面上的行驶质量和高速公路基本功能的充分发挥。因此路面平整度的改善和提高一直作为沥青路面施工中的一项关键技术而受到公路科技界关注和重视。尽管已经存在着不少有关沥青路面平整度的研究文献，但在施工过程中进行大规模的试验研究，特别是将影响平整度的基本因素分离出来，在获取大量试验数据的基础上对它们的传递规律进行概率统计分析至少在国内还没有这样做过。提高沥青路面平整度和研究其传递机理与规律的试验研究，对于提高沥青路面的施工技术，使之建立在更为科学的基础上，无疑有着重要的理论指导意义和工程应用价值。§6.1影响沥青路面平整度的基本因素 路面的平整度是一项综合性指标，涉及到施工过程各个环节的许多因素，它是路面施工全过程各个环节质量的最终体现。然而尽管造成路面不平整的因素众多而复杂，但从影响的根源和机理上来分析，主要来自以下三个最基本的源泉。6.1.1 摊铺作业与基准方面的因素 沥青摊铺机的摊铺作业是通过浮动熨平板与热沥青混合料的相互作用来进行的。浮动熨平板的工作原理如图6-1所示。当摊铺作业处于稳定工况下，作用在浮动熨平板上的各外力(拖点牵引力P、熨平板重力W、水平摊铺阻力H、垂直摊铺阻力V、料堆推移阻力H1)对牵引点O的转矩处于平衡状态，熨平板的位置保持稳定不变，摊铺厚度是一常值。上述力平衡关系的任何破坏都会导致熨平板位置的变化而影响摊铺路面的平整度。从破坏力平衡的角度出发，影响摊铺平整度的基本因素无非是摊铺阻力(H与V力之合力)的变化，包括它的大小和方向;料堆推移阻力及其作用点的变化，牵引点o的高度变化。对引起上述基本变化的原因又可进一步作以下分析：（1）引起摊铺阻力波动的主要原因首先是摊铺速度的波动，其次则是混合料组成的不均匀和温度的不均匀(粘度的变化)，这些都会引起混合料内部以及混合料与熨平板之间的摩擦力和粘性力的变化;（2）料堆推移阻力及其作用高度的波动主要是由于混合料供给量和分料量的变化而引起熨平板前方料堆大小和料位高度发生变化而造成的； （3）牵引点高度的变化则是由于摊铺机行走在高低不平的支承面上而引起的。 从以上的分析中可以看到，为了获得平整的摊铺表面，从摊铺机的操作方面来说，就应尽可能地保持摊铺机的稳定作业，亦即稳定的摊铺速度、稳定的刮板输送器供料量、稳定的螺旋输送器送料量，从而保持熨平板前方料堆大小和料位高度的恒定不变。 从热拌混合料的质量控制来说，则要求搅拌设备生产的热拌混合料，其集料级配、沥青含量以及混合料的温度尽可能保持均匀，而且在运输和摊铺过程中不发生集料的离析和混合料温降的不均匀。在早期生产的摊铺机，上述因素的控制全靠操作手的熟练技巧来实现，而支承面的凹凸不平则只能依靠浮动熨平板的滤波作用来减弱。这些无疑是困难的，而且也不可能获得很高的调节精度，因而摊铺路面的平整度也较差。现代高性能的摊铺机由于采用了机电液一体化的自动控制技术，在性能上有很大改善，这些自动控制装置主要有摊铺行走速度的自动调节装置、混合料供给量和料位高度的自动调节装置以及针对牵引点高程干扰和混合料阻力变化而设置的熨平板自动调平系统。虽然带有上述装置的现代摊铺机其松铺层表面的平整度可达到很高的水平，但是自动调节系统本身也不可能没有一点误差，因而影响摊铺表面平整度的基本因素或多或少依然存在，摊铺出来的路面也不可能是绝对平的。 对于装有熨平板自动调平装置的摊铺机来说，调平系统的参考基准本身也不可能是绝对准确的，它的误差显然也是引起铺筑路面不平的一个重要来源。通常有三种方法用来建立摊铺机自动调平系统的纵向参考基准:固定在路面侧边的弦线基准、沿着接缝相邻路面滑动的调平滑靴基准和均衡梁式移动参考基准。 弦线参考基准本身的误差主要来源于挂线支撑立杆的高程误差和弦线的挠度误差。前者包含了水准标尺的误差、测量读数的误差和立杆的安装误差;后者则包含了弦线的张紧度、传感器对弦线的压力及其在弦线上滑移所引起的误差。对于调平滑靴基准来说，误差主要来源于滑靴支承表面的不平整以及由于滑靴的跳动等原因引起的误差。 图6-1浮动熨平板工作原理 图 6-2平均化处理的高频滤波作用 对于均衡梁式的移动参考基准，误差的主要来源虽然与调平滑靴相同，但由于经过多次平均化处理，特别是现代的跨越式均衡梁基准采用了多滑靴弹性浮动支承的结构和大大加长了均衡梁的长度以及跨接于熨平板前后分别支承在未铺和已铺路面上的结构，极大地改善了参考基准的精度。平均化处理实际上起了一个滤波器的作用，它可以将支承面凹凸不平的高频波滤掉但仍留下缓慢变化的趋势项(见图6-2)。从图6-2中可以看到经过平均化处理后路面平整度的高频部分没有了，但缓慢变化的趋势项仍继续存在。因此，当采用调平滑靴基准和平均梁式基准时都不可能校证高程的偏差，但却能较好地改善车辆在其上行驶的平顺性，因为缓慢变化的趋势项并不影响车辆的颠簸。 20世纪九十年代末开发的非接触式均衡梁采用连续发射超声脉冲的方法来检测固定在熨平板大臂上均衡梁至路面的距离，并通过信号处理的方法进行平均化处理同样可以得到一条虚拟的基准线，而且大大简化了结构以及均衡梁的安装和操作，是一种很有发展前景的移动基准。最后需指出的是，以上所讨论的在摊铺作业过程中影响路面平整度的各种因素都将最终反映在松铺层的平整度上。6.1.2 碾压作业方面的因素 碾压作业方面的因素可以分成两类。一类是通过材料的压缩传递到成型路面上来的，另一类则是在碾压过程中直接加到成型路面上的。 属于前者的有以下三方面的因素： (1)施加给铺层材料的压实作用不均匀，亦即材料所受到的压实力或压实功不一致。导致这种不一致的原因主要是碾压参数(速度、频率、振幅等)和碾压工艺的不一致。 (2)松铺层混合料的密度和力学特性不均匀，亦即材料抵抗压实的性能不一致。导致这种不一致的原因有松铺层混合料的预压密实度不均匀;混合料的材料离析和温度离析。 (3)松铺层的厚度不均匀，这种不均匀是由于松铺层和下层路面不平整所造成的。前两方面的因素最终都将归结为铺层材料压缩比(松铺层混合料密度与压实后混合料密度之比)的变化，亦即它们的影响最终是通过压缩比的不均匀反映出来的。后一方面的因素则是直接通过压缩量的变化传递给成型路面的。 在碾压过程中还有另一类因素，它们的影响机理与第一类完全不同，这些因素的影响不是通过压缩比或压缩量的变化传递给成型路面的，而是在碾压过程中碾轮直接引起的铺层材料隆起或凹陷。此种情况通常是由于材料的推移和压路机操作不当造成的。 在碾轮与混合料的相互作用中碾轮为克服滚动阻力会产生一定的切向推力，这种切向推力在被动轮上远较驱动轮为大，所以通常不应用被动轮来对沥青材料进行碾压。此外，在变换碾压方向时制动、停车、反向加速所引起的惯性力以及上、下坡时的爬坡阻力都会导致滚轮对材料切向推力的增大，从而引起材料的推移。在机手的操作方面，急剧的起步、制动、在热铺层上停车、漏压或过度碾压、在变换碾压方向时没停止振动机构的工作等操作不当的情况，也会在成型路面上引起鼓包和压痕等缺陷。所有上述各种因素引起的路面材料隆起和凹陷都将直接叠加到成型路面的平整度上。6.1.3 下层路面不平整的影响下层路面凹凸不平对成型路面平整度的影响是通过不同渠道传递给成型路面的: (1)作为摊铺机行驶的支承表面，下层路面的凹凸不平将使熨平板大臂牵引点的高程发生变化，从而导致熨平板仰角的变化而影响摊铺表面的平整度。 (2)作为移动基准的支承表面，下层路面的凹凸不平将引起基准本身的误差，从而影响摊铺表面的平整度。 以上两方面的因素都是通过松铺层表面的不平整传递给成型路面的。 (3)下层路面的凹凸不平还会影响松铺层的厚度发生变化，从而导致混合料压缩量的变化，而反射到成型路面上来，所以它的影响是通过碾压过程压缩量的不同传递给成型路面的。 从以上对影响沥青路面平整度因素的分析中可以指出:影响沥青路面平整度的因素十分众多，而且大多数带有很大的随机性，它们都是通过一些基本渠道传递给成型路面的，而压实过程则是完成此种传递过程的最终环节。§6.2沥青路面平整度的传递机理6.2.1 理想条件下下层路面平整度的传递设有一铺设并压实好的下层路面，它的表面是凹凸不平的(如图6-3所示)，现来考察当在其上铺设一层新的路面经压实后，上层路面的平整情况。此时假设在理想情况下，摊铺后的表面是绝对平整的，而且路面上每一点的材料在压实前的密度是完全相同的，而在压实后各点的密度同样是绝对一致的。由于底层表面的凹凸将导致松铺层厚度的差异，在凹处的厚度较大而在凸处的厚度则较小。显然，在同样的压实度下，铺层较厚处的压缩量较大而铺层较薄处的压缩量则较小。这样，下层路面的凹凸不平将以某种相似的规律反映到压实后的上层路面上来，只是凹凸不平的程度会有下降而已。 图 6-3理想情况下下层路面平整度的传递原理 图6-4 路面单元柱体受压缩的情况实际上在上述理想情况下，这种凹凸不平的传递是可以计算出来的。当松铺路面结构材料受到垂直压缩力的作用时，它处于三向压缩的状态。由于路面两个横向的法向应力可以视为相等，则当在路面上任取一单元柱体进行考察时(图6-4)，其压实后和压实前的体积之比存在着以下关系： （6-1）式中：V所考察柱体压实后的体积； V 所考察柱体压实前的体积； 路面结构材料的竖向应变； 路面结构材料的横向和竖向应变之比（泊桑比）。设松铺层材料的密度为，压实后的密度为，则 （6-2）式中：所考察的柱体的质量。由式（6-1）可得 （6-3）将表达式（6-2）代入式（6-3），经整理后可得 （6-4） 从式（6-4）中可看到如密度和均为不变的常数，则压缩量与松铺厚度成正比。 将式（6-4）推广到图6-3的情况，则有： （6-5） （6-6）将式（6-6）代入式（6-5），经整理后可得上层路面平整度传递量H2的表达式如下： （6-7）或 （6-8）式（6-8）是一个无量纲相似不变量的表达式，它表明在理想情况下平整度传递是服从相似准则规律的。6.2.2 理想条件下松铺层平整度的传递 摊铺表面的不平整显然同样会反映到压实后的表面上来，但并不是简单地叠加在从下层反射上来的路面谱上，因为通过碾压过程这种不平整同样会因压缩而得到减缓。图6-5显示了摊铺表面的凹凸不平在压缩过程中被减缓的情况。从图6-5中可看到在假定下层表面绝对平整和材料密实均匀一致的情况下，摊铺表面的凹凸不平同样会相似地再现在压实后的表面上。 图6-5 摊铺表面不平整的传递原理实际上摊铺表面平整度的传递量同样可按6.2.1的方法计算如下。从图6-5中可知与松铺层厚度相应的压缩量为，而根据式（6-4）可得： （6-9） (6-10)将式（6-10）代入式（6-9），经过整理后即可得传递量H2的表达式： （6-11）上式表明了在理想条件下，松铺层平整度的传递过程同样服从相似准则的规律。 6.2.3各基本因素综合作用下的平整度传递原理在以上的讨论中都假定了在压实前和压实后混合料的密度是绝对均匀的，亦即压缩比是不变的。但是在实际情况下这种理想化的假设是不可能存在的，首先混合料的压缩比不可能是一常值，其次在碾压过程中还有一些直接作用于成型路面的因素会进一步增大路面的不平整。这些都是必须在平整度传递过程中加以考虑的，而且它们都是一些随机性的变量。此外下层路面和松铺层表面路面谱的叠加作用也带有很大的随机性，这也是在研究平整度的传递过程时必须考虑的。正是由于有大量的随机因素参与和影响着平整度的传递过程，它们会严重地破坏和歪曲这种建立在相似准则基础上的传递规律。一、压缩比不均匀对平整度传递的影响热沥青混合料经过搅拌、运输、摊铺等工艺过程最终铺设在下层路面上，由于在这些过程中或多或少地存在着离析和温度不均匀的问题，松铺层的材料密度和力学特性都不可能是绝对均匀的，因而即便在相同的压实作用下，路面各部位的压缩量也不会是相同的。实际上在碾压过程中由于碾压工艺和碾压参数的不一致，还会进一步导致压缩量的变化，而所有这些因素的影响都是通过压缩比的不均匀传递给成型路面的。在上述这些因素当中，当使用高性能的压路机并正确操作时，碾压工艺和碾压参数的不一致可以降至最小，通常它的影响不会占主要地位，而材料的离析和碾压温度不均匀却往往难以控制，它们是在压实过程中影响平整度的主要因素。在实际施工中所有上述因素以及它们的综合作用都带有很大的随机性，不可能用某种确定性模型来计算，因而只能通过大量的统计分析，从概率的意义上给出一个压缩量或压缩比的变化范围。二、压实过程中的附加不平整对平整度传递的影响在碾压过程中当压路机滚轮与松铺材料相互作用时存在着水平的推移力，当变换碾压方向时要经历制动、停车、反向起步的过程，在这一过程中由于机器的惯性，减速和加速引起的惯性力都会加强滚轮对松铺材料的推移作用，从而引起松铺材料的隆起；而另一方面碾压速度的变换过程又会强化压路机对过渡区域的压实作用，从而增加前进、倒退过渡部位材料的压缩量。当压路机选用和操作不当时，例如用被动轮向前压实松铺材料，制动和倒车起步过猛、在变换碾压方向时没有停止振动机构的工作等都有可能引起过渡部位的严重凹凸波浪。这些因素的特点是它们的影响没有通过中间变量而直接叠加到成型路面上。现代高性能的沥青路面压实机械通常都是双驱双振的，它们的滚轮较宽而线压力相对较小，有些机型还配备有起振和行驶的顺序控制系统，能保证按“先停振后停车，先行走后起振"的顺序平缓地变换碾压方向。因此，选用高性能的专用沥青路面压路机、采用错轮碾压和重叠碾压等方法，避免在同一.部位重复倒车以及正确地操作压路机，就可以大大减轻在碾压过程中的附加不平整。三、各种因素综合作用下的平整度传递虽然在实际条件下，下层路面的高程与松铺层的高程，以及混合料在压实前、后的密度、都是一些随机变量，但对于任一路面单元柱体的混合料来说，它在压缩过程中的变形仍应遵守式（6-6）所表达的关系：设在图6-6中代表下层路面凹凸不平纵断面的平均线，它在高度方向的坐标为：代表松铺层纵断面的平均线，它的坐标为：则代表了压实后成型路面在相应纵断面上的平均线，它的坐标为。根据式（6-6）的关系可写出在各纵断面对应点上混合料压缩量与相应松铺层的关系：图6-6 各基本因素综合作用下的平整度传递原理由于 在以上两式中消去，经整理后可得 （6-12）设q为混合料的压缩比，即 ，并略去材料的横向变形（=0），则可将式（6-12）改写为 （6-13）式（6-13）表示了下层路面纵断面高程和松铺层高程的波动、压缩比的波动与成型路面纵断面的波动之间在压实过程中的传递关系，但并没有包括在碾压过程中直接叠加在成型路面上附加的不平整。因此，实际成型路面纵断面的波幅还应叠加上碾压过程附加不平整的波幅，由此： （6-14） 应该指出式（6-14）只是代表了各种影响成型路面平整度基本因素在碾压过程中的传递关系，因为 、 和都是一些随机变量，因此用式（6-14）来直接计算是没有实际意义的。但式（6-14）却可以为进一步估算这种传递关系的概率统计规律提供依据。 以上的分析可以得出以下几点结论：1）参与和影响平整度传递的并不仅仅是下层表面的不平整，而且所有影响摊铺和压实过程平整度的因素，包括来自摊铺作业和基准方面的因素，以及压实作业方面的因素，都参与了这种平整度的传递过程，而上层路面的平整度则是所有这些因素综合作用的结果。2）响平整度的因素十分众多，但它们的影响都是通过以下四个基本随机变量传递给成型路面的：松铺层的平整度，下层路面的平整度，压缩比的不均匀度和碾压过程的附加不平整。3）所有上述这些影响平整度的因素以及它们的叠加综合作用都带有很大的随机性和不确定性，任何企图用建立某种数学模型的方式来计算上、下层平整度之间的传递关系都会变得脱离实际，因而也是不可取的。4）参与和影响路面平整度的各种因素大多带有很大的不确定性，但是它们都是有界的，而且因受到某种确定性趋势的制约，而在总体上呈现某种统计意义上的规律性。因此，通过对大量数据的概率统计分析将有可能获取平整度传递过程的某种统计规律。§6.3平整度传递规律的试验研究 如前所述，路面平整度的传递规律只能通过概率统计的方式来获取，而大量的实验数据则是这种分析的基础。试验研究的目的首先是希望在分离影响平整度传递过程基本因素的基础上，揭示出在不同条件下它们在传递过程中所占的比例，从而可以有针对性地在施工中采取措施来改善沥青路面的平整度。研究的第二个目的是希望通过大量平整度测试数据的统计分析，获取路面平整度传递过程的概率统计规律，从而合理地确定路面各结构层平整度的控制数值。由于影响沥青路面平整度的因素通常是相互关联的，对它们的分离有较大难度，因而需要在试验研究的方法和手段方面进行某些必要的准备。6.3.1试验方案和方法的准备首先讨论利用随机误差的分配和传播理论来分离平整度影响因素的可能性。众所周知，随机误差的传播理论可表达如下：设某一产品的质量指标Z是由若干独立的基本因素x1，x2，.xn决定的；亦即 如这些自变量均为某种常态分布的随机变量，则因变量Z亦为一常态随机变量，且在因变量的均方差z与自变量的均方差1，2，n 之间存在有以下关系： （6-15）式中：为传递系数。以上关系为分离自变量的均方差提供了某些可能： （1）如果有某一难以分离的自变量，其自身虽然无法测量，但它与另一可测量的自变量合成之后却是可以测量的，那么只要测定了合成变量与另一个变量之后就可以根据公式（6-15）推算出这一自变量的均方差；（2）如果在n个自变量中有某个自变量既难以测量又无法与另一个自变量合成，但其余的自变量却都是可以测量的，或与其他自变量合成后也是可以测量的，那么在测定因变量的基础上仍可以根据式（6-15）推算出所要分离的自变量的均方差；（3）由于随机误差这种平方和的关系放大了自变量均方差之间的差异，将使其中的某些均方差值处于主导地位，当这种差异大到一定程度时，那些较小的均方差值已可略去不计。例如设，当为的3倍时，与的差异也只有5%；当为的5倍时，这种差异为2%；当10倍时则差异仅为0.5%。将上述原则应用与沥青路面平整度影响因素的分解，就有可能将它们的均方差从成型路面平整度的均方差中分离出来。影响路面平整度的因素基本上可以分为三类，即摊铺作业与参考基准方面的因素、碾压作业方面的因素和下层路面平整度方面的因素。如果进一步从传递机理的角度来分析，则可以指出摊铺作业的因素和基准误差的因素都是通过松铺层的平整度传递到成型路面上来的。因此，两者的均方差可以合成为一新的自变量松铺层平整度的均方差来参与成型路面平整度的综合过程，亦即 （6-16）式中 松铺层平整度的均方差；摊铺参考基准误差的均方差；基准误差传递到松铺层平整度上的均方差；基准误差的传递系数；摊铺作业因素传递到松铺层平整度上的均方差。这样，如果能直接测定出松铺层平整度的均方差，即可避免测定基准误差和传递系数的种种困难而通过式（6-13）在已知的基础上推算出来。关于基准误差还应指出，当采用多点浮动均衡梁式的移动基准时，由于平均化作用已将绝大部分频率较高的成分滤去，而只剩下缓慢变化的高程误差，它们对以3米作为测量支承长度的均方差测定并无影响，因而传递到松铺层上的基准误差将会大大减少。在对平整度传递方面的因素作进一步分析时则可指出，传递过程中离析、温度不均匀、碾压参数不一致等因素对平整度的影响是通过压缩量的不均匀来传递的，因而可通过压实度的测定来估计；而碾压过程中由于材料推移、操作不当等因素造成的附加不平整将直接反映在压实成型的路面上，其传递系数等于1。虽然它本身很难独立测定，但在采用高性能的沥青路面压实机械和正确操作压路机的情况下，这种附加不平整通常是很小的。如前所述，影响沥青路面平整度的各种因素从传递机理的角度考虑可归纳为四个基本因素：松铺层平整度、压缩比不均匀、下承层的不平整和碾压过程中的附加不平整。它们的均方差与因变量（成型路面平整度）之间存在着式（6-14）所表述的传递关系。对式（6-14）分别求对q，的偏导数，可得：， ， ，根据误差传递理论，即可从式（6-14）中推出平整度传递过程中因变量和自变量均方差之间的传递关系 （6-17）式中：成型路面平整度的均方差；下承层路面平整度的均方差；松铺层路面平整度的均方差；路面材料压缩比的均方差；碾压过程附加不平整的均方差。如前所述，在使用高性能的压路机和正确操作的条件下，一般是很小的，而且很难单独进行测量，因而可以将它与合成一并来考虑。设 （6-18）则式（6-17）可改写为 （6-19）这样，根据表达式（6-16）和式（6-19），通过直接测定以及对不同试验工况的结果进行对比就可以在成型路面平整度的均方差中将各基本因素的均方差分离出来，并确定它们在因变量均方差的综合过程中各自所占的比例。为进行上述工作首先要解决松铺层平整度的测量问题，为此自制了3m滑靴式的平整度跟踪测量仪，在使用中取得了较好效果。同时在制订摊铺工艺时也作了相应考虑，在摊铺下面层时采用了双挂线参考基准，而在中面层和上面层的摊铺中采用了多点浮动均衡梁式的移动基准，这样的工艺安排为设计不同的试验工况提供了可能。此外，为了能对不同试验工况的结果进行对比，必须要求基层、下面层、中面层、上面层平整度的检测应该在同一测量带上逐一进行。在上述准备工作的基础上制订了上面层、中面层、下面层平整度传递过程中的试验方案（见表6-1）。各试验方案是基于以下几点考虑来制订的：表6-1 面层平整度传递过程的试验方案试验方案试验工况上面层摊铺中面层摊铺下面层摊铺试验条件采用多点浮动式移动基准，下承面平整度高采用多点浮动式移动基准，下承面平整度较差采用双挂线弦线基准，下承面平整度差测定值、分离值、（1）在上面层的试验工况中，由于中面层的摊铺已经采用了多点移动基准，所以当再次采用多点移动基准来摊铺上面层时，在所测定的松铺层均方差中参考基准误差的影响已极小而可略去不计。此时松铺层平整度的均方差即可代表摊铺作业因素反映在松铺层平整度上的均方差。（2）在中面层的试验工况中，摊铺作业因素引起的松铺层平整度均方差应该和上面层摊铺时相当。参考基准误差传递到松铺层平整度上的均方差，由于采用了多点移动基准，同样应是很小的，但因其参考表面（下面层）的平整度较差，可能还会有部分谐波未被完全滤去，因而可在测量的基础上根据式（6-16）推算出来。（3）在下面层的试验工况中，摊铺基准采用的是弦线参考基准，它的误差较大，因而在松铺层平整度均方差中占有较大比重，而的值较小且可认为是已知的。此时基准误差传递到松铺层平整度上的均方差可以在测定的基础上按式（6-16）推算出。（4）在上述三种试验方案中，碾压过程影响因素的均方差均可在测定、的基础上根据式（6-19）推算出。6.3.2 松铺层平整度均方差及自动找平作业和基准误差影响的估计在对松铺层平整度的测试数据进行分析时，所显示的一个重要特点就是在不同的试验工况下，有着很大的差异，而且主要是由于采用不同参考基准而引起的。这表明摊铺参考基准的误差在松铺层平整度均方差的综合过程中起着举足轻重的作用。表6-2列出了在不同的试验工况下的一些典型的测试结果。表6-2 不同试验工况条件下的典型测试结果 序号试验工况松铺层平整度均方差下承面平整度均方差（mm）碾压因素波动均方差(%)成型路面平整度均方差（mm）（mm）(mm)(mm)1上面层摊铺（右）K6+7008000.4600.460.510.860.512下面层摊铺（右）K3+2503300.501.231.331.580.871.223下面层摊铺（右）K3+2504500.500.891.021.980.881.054下面层摊铺（左）K1+6207100.501.911.972.041.821.965下面层摊铺（左）K2+2703600.500.881.012.590.671.046上面层摊铺（右）K7+8009000.4100.410.750.540.42从表6-2中可看到序号1的试验结果中，由于上面层的摊铺采用了两次多点移动基准的摊铺工艺，下承面（中面层）的平整度已经相当高（=0.51mm）。以如此高平整度的表面作为参考基准再进行一次平均化处理，其基准误差已可略去不计，因而可认为=0而=。从序号1的数据中还可看到均方差在数值上是很小的（=0.46），这说明在采用高性能沥青摊铺机的场合，摊铺作业本身可以达到很高的精确度。序号2的试验是在采用弦线基准的条件下进行的，对挂线误差也未做严格要求，此时松铺层平整度的均方差将受基准误差的影响而大大增加。将序号2的试验结果与序号1相比较，前者的是后者的2.9倍。图6-7是序号2试验的松铺层平整度测试曲线，从图中可以看到在整个测区内除了K2+298313(图中4853m处)的区段外，其余部分的测试数据还是相当平稳的，除K2+300（图中50米处）的桩号外在其余各桩号上的测试数据变化也不大（最大与最小之差为1.64mm）。但是在K2+300（图6-7中50m处）桩号上的测试数据在该桩号附近大幅度跳动，显然这是挂线的过失误差所造成的。由于这一原因，尽管测试数据从整体上看比较平稳，但整个测量区段的松铺层均方差仍高达1.33mm。实际上采用常规的DS3级水准仪进行高程测量，由于其标尺的刻度分辨率为5mm，再加上扶尺不正引起的误差，在不经心的情况下发生35mm的读数误差是完全有可能的。弦线支撑点的安装误差，如用钢卷尺随意量一下，发生23mm的误差也是常事。至于由于弦线张紧度不够而导致12mm的垂度误差则是更容易发生的。因此在没有严格控制的情况下，弦线参考基准产生±（58）mm的最大误差范围是完全可能的，当然由于浮动熨平板的滤波作用，这些误差传递到松铺层上时将会有较大的减缓。图6-8显示了由于弦线张紧度不够而造成的松铺层表面参照基准弦线下垂的仿形结果。可以明显地看到图中的曲线是由两类波形组成的，较高频率的波动反映了各种随机因素的作用，而缓慢变化的趋势项则显示了悬链线的形状。它在每个立杆处有一高点，而在两杆之间的中部有一低点，明显的表示出仿照松弛弦线下垂的形状。总结以上讨论，对于松铺层以至于成型路面平整度的好坏，弦线参考基准的误差起着十分重要的作用，在许多场合下往往处在主导的地位。鉴于此，在试验路段的施工中提出了一系列严格控制弦线基准误差的措施。实施这些措施后，下面层摊铺作业的平整度有了明显提高，在严格控制弦线基准误差的情况下，松铺层平整度的均方差大体上可控制在1mm左右（参看序号3试验结果），而下面层成型路面的平整度则可控制在0.91.1mm的范围内。 图6-8 弦线张紧度不足对松铺层表面的影响从松铺层平整度的测试资料中还常常可以看到由于摊铺机操作不当而导致平整度严重恶化的情况。当摊铺机操作不当时，例如长时间停机待料，随意摇动厚度调节手柄，因自卸卡车卸料衔接不好或螺旋分料器操作不当造成的分料器外侧缺料等都可能严重破坏松铺层的平整度，从而最终导致成型路面平整度的恶化。序号4的测量结果就是一典型的实例（参看图6-9），在这一例子中松铺层的平整度均方差高达1.97mm，而成型路面的平整度也相应变坏，均方差达到了1.96mm。图6-9 序号4试验的松铺层平整度测试结果6.3.3下承面平整度反射作用的估计一般都认为下承面的凹凸不平会是导致成型路面不平整的一个重要因素，但是不论是我们的试验研究还是理论分析的结果都表明，对这一认识需要作出某些修正。下承面平整度对上层路面平整度的影响是不能一概而论的，在某些场合下它的影响可能会大一些，而在多数场合下这种影响并不会很大。序号5的试验结果就是一个实际的例子，它的试验工况是在下面层摊铺，在这里可以看到尽管基层路面平整度的均方差高达2.59mm，但由于松铺层平整度的均方差相对较低（=1.01mm），而经受压实后的下面层，其平整度的均方差仍只有1.04，远低于序号4的试验结果，而与序号3的结果相近。从随机误差传递理论的角度来分析，在式（6-17）中可以看到下承面平整度的传递系数与松铺层平整度的传递系数是不一样的，前者为而后者则为。考虑到沥青混合料的压缩比通常在0.750 .85之间，则后者的传递系数将会是前者的35.6倍。经平方的放大作用后两者差异还将进一步扩大，这表明下承面平整度对成型路面的影响将远远小于松铺层平整度的影响，特别是对于采用弦线参考基准的下面层摊铺来说，基层平整度的影响通常是很小的。当然，还应看到当松铺层的平整度大幅提高后，例如在摊铺上面层的场合，摊铺作业已经达到了很高的精度，而且使用了支承在中面层的移动式参考基准。此时中面层平整度的影响程度就相对突出了。序号6的试验结果就是这样一个实例，在这里可能看到下承面（中面层）平整度的影响因素在上面层平整度均方差的综合过程中所占的比例约为13%。6.3.4 碾压因素对成型路面平整度影响的估计如前所述碾压因素对路面平整度的影响主要是由压缩比的不均匀和碾压过程的附加不平整两部分组成的，而且可以合成为一个因素并用均方差来估计。在已测定了、的条件下，即可按式（6-17）来估算。由于下面层的厚度较大，集料粒径也较大，因而较难压实，的数值会大一些；中间层的则较小，而上面层由于摊铺厚度为40mm，压实较易均匀，值还会更小一些。表6-3是根据试验资料整理的估算结果。表6-3 压缩比波动的均方差的估算结果试验工况上面层摊铺中面层摊铺下面层摊铺碾压因素均方差的波动范围0.551.250.61.40.81.76.3.5 平整度传递过程中各基本因素所占比例和上面层平整度的质量检验结果在分离各基本因素均方差的基础上，对上面层、中面层、下面层平整度均方差的构成进行了分解。通常，平整度均方差的测定数据呈某种离散型的概率分布，其两端较小和较大的部分出现的概率很小但却可在变量轴上延伸很长。在归纳平整度的波动范围时，如将区间概率确定得过大，就会使平整度的变化范围扩展得很大，也就失去了实际参考的价值。因此在数据处理时舍弃了两端过小和过大的部分，按85%的“概率”给出平整度均方差的变化范围。根据10km试验路段测试数据归纳的沥青路面层各结构层平整度均方差的波动范围及其基本构成列于表6-4。表6-4 各层路面平整度均方差的波动范围及其基本构成各层路面平 整度均方差（mm）的波动范围平整度均方差的基本构成松铺层平整度均方差（mm）下承面平整度均方差(mm)碾压因素均方差(mm)上面层0.400.600.400.5000.400.500.500.800.551.25中面层0.500.800.400.500.250.350.500.600.801.200.601.40下面层0.801.200.400.500.651.150.751.251.302.500.801.70按交通部发布的公路路基路面现场测试规程（JTJ059-95）对10km试验路段全线进行了表面层平整度质量检测，其检测结果列于表6-5。表6-5 试验路段路面平整度质量检验结果平均值（mm）标准差(mm)变异系数(%)代表值(mm)备注0.5020.05911.80.512表中代表值的计算取置信概率为95%需要指出，表6-5的检测结果以及表6-4所列的数据是在对施工各环节进行了严格控制的条件下取得的，应该说已接近于所使用机械工作精度的极限。它们只是说明了在使用现代高性能摊铺、压实机械的条件下可能达到的水平，在一般施工条件下是不适宜作为对路面平整度的施工质量标准来要求的。§6.4 平整度传递的概率统计规律6.4.1 平整度均方差的概率分布路面平整度均方差由于各种随机因素的作用，即使在严格采用同样摊铺、碾压工艺的条件下，通常仍将呈现为带有一定离散性的概率分布特性。图6-12、图6-13、图6-14是10km试验路段下面层、中面层、上面层平整度均方差的频率分布直方图。从这些图形中可看到平整度均方差的概率分布显然是一种非常态分布，从频率密度变化的走向来看可归纳出以下一些特点：（1）与常态分布不同，频率密度分布在分布区间左方并没有负数，直方图的起始点甚至并不是从零开始的。这一现象可以解释如下：平整度最好的极限情况只能是路面绝对平整而无任何微小起伏，此时路面平整度的均方差为零。因此平整度指标的非负性是显而易见的；同时在一定的条件下，路面的铺筑精度也不可能达到零误差，因而平整度的均方差就不可能为零。显然，概率密度曲线的起始点将受到一定条件下的极限铺筑精度的制约而趋向于这一极限精度。（2）如以来表示概率密度为零处的平整度均方差（横坐标x=），则的数值将取决于松铺层的平整度、下承面的平整度、压缩比的均匀性和碾压过程的附加不平整这些随机因素综合作用的结果。显然，这些因素的随机误差愈大则值也愈大。这一点在对比图6-12 和图6-13、图6-14时就可明显地看出，下面层、中面层、上面层平整度频率分布直方图的起始点是不一样的，下面层最大（=