城市交通環(huán)境、交通安全與道路表面特性關(guān)系
一、概述
大規(guī)模城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，一方面為緩解城市交通擁擠、保持城市活力提供了基礎(chǔ)，另—一方面又破壞了原有的環(huán)境平衡，產(chǎn)生了新的污染源。為使人類住區(qū)環(huán)境優(yōu)美、條件舒適、有利工作、方便生活，實現(xiàn)城市持續(xù)發(fā)展，在當(dāng)前大力進行城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時期，必須吸取國外的經(jīng)驗教訓(xùn)，必須吸取當(dāng)代科學(xué)研究的成果，在新的基礎(chǔ)上，結(jié)合國情同步實現(xiàn)城市交通環(huán)境建設(shè)，以免留下難以彌補的后遺癥。
城市交通環(huán)境并沒有一個確切的定義。在人們所熟悉的交通噪聲與車輛排放的廢氣污染的基礎(chǔ)上，隨著人們對環(huán)境認識與要求的發(fā)展，交通環(huán)境的涵義在延伸；隨著對交通環(huán)境研究的深入，認識還在不斷深化，形成新的分類。
交通安全涉及面很寬。快速交通的發(fā)展出現(xiàn)了許多與低速交通不同的新情況、新問題，在解決這些問題的發(fā)展過程中形成了新概念、新方法。
本文的重點從城市交通環(huán)境與交通安全的角度談道路表面特性。
道路表面特性是近年來開拓的、正在不斷深化的技術(shù)領(lǐng)域，雖然我國在這一領(lǐng)域剛剛起步，但必須迎頭趕上。這不僅僅是因為道路表面特性對滑溜有重要的影響，也不僅僅是因為現(xiàn)在發(fā)動機噪聲已經(jīng)能控制得很低，防治噪聲的主攻方向已轉(zhuǎn)到滾動噪聲，還因為我們的指導(dǎo)思想不能只是被動地去防、去治，而應(yīng)該吸取世界各國的經(jīng)驗教訓(xùn)，主動地在污染源上、在事故源上下功夫。輪胎與路面相互作用就是一個污染源和事故源。還應(yīng)該指出從環(huán)境與安全兩方面來說道路表面特性不僅僅都與之有關(guān)，而且深入研究發(fā)現(xiàn)兩者對表面特性的要求有矛盾的一面。既相互聯(lián)系又相互矛盾，如何結(jié)合國情予以統(tǒng)一，這是新的出發(fā)點，也是我們的特色。
二、交通噪聲
1．滾動噪聲
由于成功地減少了車身振動以及發(fā)動機的噪聲，成功地實現(xiàn)了對喇叭使用的管理，國外防治交通噪聲的工作已經(jīng)深入到了車輛與道路表面相互作用而產(chǎn)生噪聲的領(lǐng)域；而且由被動地設(shè)置隔音板發(fā)展到主動地修建低噪聲路面，以至于吸收噪聲的路面。
在輪胎與路面相互作用過程中由于氣體的壓縮與膨脹，以及空氣高速流等所產(chǎn)生的滾動噪聲一般為9dB左右，高可達15dB。多孔的吸聲路面可降低滾動噪聲6～7dB，吸收發(fā)動機噪聲4～8dB。因此，對于交通噪聲為70～80dB的一般狀況(表1)，從車輛與路面相互作用的領(lǐng)域采取措施，來降低噪聲其效果是可觀的。某城市三環(huán)路內(nèi)噪聲(dD) 表1
2．道路表面構(gòu)造
深入研究噪聲生成機理，發(fā)現(xiàn)對一定速度下影響噪聲的兩大因素——道路表面構(gòu)造與輪胎的認識過于膚淺；以鋪砂法測定路面表面的構(gòu)造深度，或以多輪儀實測統(tǒng)計的均方差(σ)表示的路面子整度都過于籠統(tǒng)。
起伏不平的道路表面需要用譜的概念來表達：構(gòu)造深度是幅值，同一構(gòu)造深度出現(xiàn)的機遇是頻率、間距是波長。這樣，道路表面構(gòu)造是一組不同構(gòu)造深度的分布：道路表面構(gòu)造特性，可以用分布函數(shù)宋表達，譜分析的方法來研究。
PIARC(國際道路會議常設(shè)委員會)提出texture分為mlerotexture、macrotex)。為了把道路表面特性區(qū)分為texture與roughness(或ND—我們把texture譯成紋理。這樣，按PIARC的劃分標(biāo)準(zhǔn)如PIARC的紋理構(gòu)造分類標(biāo)準(zhǔn)如表2
很有意義的是：
1)在波長10～500mm內(nèi)，~1000Hz的低頻噪聲隨紋理的幅值而增大；
2)在波長0．5一lOmm內(nèi)， 1000Hz的高頻噪聲隨紋理的幅值而減小。
噪聲級和紋理之間并非簡單的疊加關(guān)系，加上道路表面結(jié)構(gòu)層最大粒徑Dmax對噪聲級的影響說明存在一個紋理的最佳組合。而紋理是依靠原材料的選擇，混合料的組成設(shè)計以及工藝來實現(xiàn)的。
3．最大粒徑Dmax
骨料最大粒徑D，。的確定將影響到紋理波長，而骨料級配將影響到紋理的組成。從噪聲的角度看，骨料避免采用>10mm的粒徑，粒徑大噪聲愈嚴重；Dmax＝8mm是良好的，但Dmax＝4~6mm將更好。
4．孔隙率
除紋理之外，道路表結(jié)構(gòu)層孔隙率是影響噪聲的一個重要參數(shù)。研究結(jié)果表明：當(dāng)孔隙率達到10％時，將產(chǎn)生吸聲效果，當(dāng)孔隙率大于20％時，才有高效率。
Von Meier 1992提出的設(shè)計目標(biāo)是使快速路上最大頻率為fmax＝1000Hz、低速路上為fmax＝600Hz時，路面具有最大的吸收量。
5．吸聲路面結(jié)構(gòu)層
為提高吸聲效果應(yīng)使吸收的頻率波帶盡可能的寬，除了孔隙率外還與材料的塑性和結(jié)構(gòu)層的厚度有關(guān)。Meier建議對高速路采用層厚38mm，低速路采用層厚63mm。
德國Karlsrchc大學(xué)運輸工程研究所在1992年第七屆瀝青路面結(jié)構(gòu)會議上發(fā)表的成果：多孔滲水的瀝青磨耗層可降低滾動噪聲3dB，發(fā)動機及行駛噪聲6dB。他們發(fā)現(xiàn)，隨著多孔滲水路面結(jié)構(gòu)厚度的增加，吸聲特性隨之改變。用Kundt駐波管記錄證明，隨著厚度增加多數(shù)聲源的峰值均被減弱到低頻范圍；因此，除高頻交通滾動噪聲外，那些市區(qū)內(nèi)占多數(shù)的低頻發(fā)動機空轉(zhuǎn)噪聲，低速駕駛噪聲，加速交通噪聲均可有效降低。
所鋪筑試驗路段的結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1 試驗路段結(jié)構(gòu)示意圖
6．小結(jié)
防治噪聲有汽車制造行業(yè)方面的問題(如減少發(fā)動機噪聲，輪胎材料與花紋的設(shè)計等)，有管理方面的問題(如對喇叭使用的管理)等等，這里討論的是交通環(huán)境方面的問題。
道路表面也是為交通的實現(xiàn)創(chuàng)造一個什么樣環(huán)境的問題，從上面的分析可以看到它對于噪聲有舉足輕重的影響，這方面的研究工作在我國還是——個空白。而在歐洲噪聲與滑溜已經(jīng)成為道路大中修決策的一個依據(jù)。根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展水平，滾動噪聲問題在我國公路建設(shè)方面已經(jīng)開始提到議事日程，而在人口密集的大城市，至少在城市快速干線建設(shè)時，更是不得不考慮的問題。與其被動地在城市快速干線兩側(cè)修建防噪聲墻，莫不如主動地從道路表面這個污染源著手，大幅度地降低滾動噪聲。
究竟采用什么技術(shù)措施?因為道路表面所提供的交通環(huán)境，不僅影響噪聲，還對交通安全、振動、地面沉降等問題有不可忽視的影響，所以還需要從其他角度上論證。
噪聲的產(chǎn)生還有諸如橋頭跳車、橋面伸縮縫跳車、橋涵等交通基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)振動，結(jié)構(gòu)物聲波反射引起的共振等等方面因素，雖然這些涉及交通規(guī)劃、結(jié)構(gòu)物選型與構(gòu)造等等，而且處理不當(dāng)在特殊條件下也可能產(chǎn)生很大影響和危害，但由于內(nèi)容具體而分散，就不在戰(zhàn)略研究時，細細討論了。
三、地面沉降
大城市地面沉降屬于世界性的環(huán)境問題。大約在30年代逐漸引起人們注意，由于建筑物的開裂，道路與橋梁的損壞，地下管線的變形與位移，雨水和污水管道的受阻，更新抽水設(shè)備和增加能源消耗等等問題的出現(xiàn)，1964年在日本東京召開第一屆地面沉降國際會議以來受到各國以及聯(lián)合國的重視。
地面沉降加快的主要原因是城市建設(shè)與工業(yè)發(fā)展對地下水開采量的不斷增長。采取限制開采地下水和回灌地表水等措施后，地面沉降得以控制。之后人們注意到城市鋪裝率提高后，環(huán)境的改變限制了雨水對地下水的自然補給，透水路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想應(yīng)運而生，70年代日本一些城市的試點經(jīng)驗證明了有效性。透水路面結(jié)構(gòu)并沒有得到及時的推廣，原因主要不在于堵塞的清理技術(shù)有待發(fā)展，而是路面結(jié)構(gòu)的耐久性受到了考驗。經(jīng)過了十多年在瀝青改性、混合料設(shè)計、清掃機具等方面的技術(shù)研究，上述問題的解決方法有了很大的提高。特別是高速交通發(fā)展后，為解決
雨天的交通安全以及噪聲、車轍等問題，在國外多孔隙瀝青混合料磨耗層(PAWC)，即透水路面結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵技術(shù)．已經(jīng)在日本和歐洲各國得到了更多的應(yīng)用與深入研究。盡管PAWC的養(yǎng)護費用較高，使用壽命較短，但荷蘭的費用效益分析證明，與傳統(tǒng)的密實式瀝青混凝土相比較，是可行的。因此需要從城市交通環(huán)境的多方面，結(jié)合中國的實際來決定技術(shù)主攻方向。
四、滑溜
交通事故往往有它的綜合原因，但愈來愈多的實測證明，特別是在高速交通下，交通事故的發(fā)生與中面的滑溜有關(guān)。所以在飛機降落時，機場向飛行人員提供的地面數(shù)據(jù)，除了風(fēng)向、風(fēng)力等等之外，包括跑道的摩擦系數(shù)。今天，為防止交通事故的發(fā)生、對道路表面特性的要求，已經(jīng)不僅是一個摩擦系數(shù)所能概括。潮濕的路面雖然降低了摩擦系數(shù)，但水膜引起的危害，也不僅是單一提高摩擦系數(shù)的問題。
雨中高速行駛時，路面排水問題顯得非常必要。對于密實式的路表，重力水停留在路表，當(dāng)輪胎與路面接觸時，重力水通過路表的紋理、輪胎的花紋向兩旁與前方排出，此時路表剩下一層薄膜水。只有穿過這層水膜時，輪胎便可與路表的干燥部分相接觸從而產(chǎn)生粘著力，這需要靠路表的微紋理結(jié)構(gòu)與輪胎的花紋來實現(xiàn)。也就是說潮濕時，摩擦系數(shù)的實現(xiàn)首先有個排水過程，這個過程取決行駛速度、紋理結(jié)構(gòu)與輪胎花紋。來不及實現(xiàn)這個排水過程時，出現(xiàn)水飄現(xiàn)象，高速行駛的安全得不到保障。
對于多孔隙的瀝青面層，雨水已向下通過孔隙排出，只有少得可以忽略的重力水需要排除，需要輪胎花紋起的作用也已很小。
此外，在密實式的路表高速行駛時，重力水的排除，產(chǎn)生了霧狀的水花，調(diào)整輪胎花紋的設(shè)計只能在有限的程度上減少水霧的發(fā)生。對于多孔隙的瀝青面層，水霧的產(chǎn)生可減少90％。
上述種種，確實是一個交通安全問題，但從另外一個角度來看，實際上仍然是在車輛與路面相互作用過程中，為交通提供什么樣的道路表面環(huán)境，所以也可以說是一個交通環(huán)境問題。
五、經(jīng)濟效益
第七屆國際瀝青路面結(jié)構(gòu)會議指出，車輛營運費用和道路建設(shè)與養(yǎng)護費用總和之比，對于低交通容量是二倍的關(guān)系，而對于高、中交通容量竟達到20倍。
道路表面特性對于車輛營運費用有重要的影響。道路交通對車輛營運費的影響可區(qū)分為線型、交通與路況三大部分。線型包括彎道、坡度、長度、橫斷面諸要素；交通包括組成和數(shù)量；而路況，目前籠統(tǒng)地用平整度表示。
車輛營運費包括油耗、輪胎磨損、零件損壞、車輛折舊、勞務(wù)等，當(dāng)路況損壞嚴重時，燃料、零件、輪胎等消耗劇增，也導(dǎo)致道路養(yǎng)護投資行為。
為了評價道路工程建設(shè)與養(yǎng)護項目投資的必要性，近年內(nèi)正在完善與建立各種經(jīng)濟評價模型，其中燃料、輪胎等消耗與干整度關(guān)系的建立，填補了無論是公路或是城市道路在這方面的空白。
誠如本報告開始時提到科學(xué)地反映道路表面特性時，應(yīng)采用譜分析的方法。比較深入而全面地采用譜以表達道路表面特性的是1992年第七屆國際瀝青路面結(jié)構(gòu)會議(圖2)。
由圖2可以看到?jīng)Q定輪胎損耗的路表特性是粗紋理與大紋理部分,決定油耗的路表特性是大紋理與短波部分，而決定零件損耗的路表特性是大紋理、短波與中波部分。
不言而喻，雖然改用國際嚴整度指數(shù)(1R1)表達路面平整度狀況，較采用多輪儀實測統(tǒng)計的均方差(σ)或反應(yīng)類平整度儀進了一步，但IRI所包含的頻帶過寬，致使經(jīng)濟評價模型的精度偏低。建立各有效頻帶范圍內(nèi)的路表特征指標(biāo)與相應(yīng)的費用
(1992年第七屆國際瀝青路面結(jié)構(gòu)會議資料)
指標(biāo)的經(jīng)濟模型，將大大提高經(jīng)濟評價對決策的精度，并有益于指導(dǎo)路面結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計與施工。
六、研究方向
道路表面特性是一個國際上正在深入研究的新的領(lǐng)域：一方面正在從經(jīng)驗向建立理論體系轉(zhuǎn)化，另一方面正在由滑溜、噪聲等個別問題向多功能、全功能方向轉(zhuǎn)化。圖2是近年來認識的一個階段總結(jié)。高速交通對路面有舒適性、經(jīng)濟性、安全性和環(huán)境的四大功能要求。在經(jīng)濟效益這一節(jié)里我們分析了道路表面構(gòu)造深度對燃料、零件、輪胎等不同車輛運營費用有著敏感影響的不同分布的頻帶范圍。圖2還反映了構(gòu)造深度對其他三個功能起影響作用的頻帶范圍：噪聲——粗紋理與大紋理；摩擦——微紋理為主；粘結(jié)——粗紋理；接觸——大紋理與短波長；低速交通下的舒適性——短波、中波與大紋理；高速交通下的舒適性——短波、中波與長波。還有一些新的功能問題正在開始，例如眩目、視覺疲勞這個與交通環(huán)境、交通安全相關(guān)的問題。
除了在乎整度與抗滑兩方面已經(jīng)起步，我國在道路表面特性的其他方面應(yīng)該說是空白。為了使我國正進入的城市交通建設(shè)大發(fā)展并能與國際接軌，為使我國正在建設(shè)的城市快速干線在功能上真正能達到城市交通規(guī)劃的要求，我們應(yīng)該加快在道路表面特性領(lǐng)域的研究步伐。結(jié)合我國具體發(fā)展速度，當(dāng)前結(jié)合城市交通環(huán)境與交通安全，還是應(yīng)該做一點實的、基礎(chǔ)性的工作，即重點放在解決噪聲與滑溜兩個方面。在解決道路表面多孔結(jié)構(gòu)層的同時，逐步結(jié)合城市地面沉降問題，開展吸聲、透水路面結(jié)構(gòu)的研究。然后才是多功能、全功能的問題。
道路表面多孔瀝青結(jié)構(gòu)層，從不同的角度已有多種稱呼，如透水瀝青、排水瀝青、多孔隙磨耗層。這種與傳統(tǒng)瀝青混合料采用密實式原則相悖的面層模式是當(dāng)前國際上發(fā)展的一種趨勢，歸納起來優(yōu)點是：
1)由于路表水能迅速下滲并在路面體內(nèi)排出，排水效率高，能提高輪胎與路面的附著力，防止水漂事故發(fā)生，減少濺水和噴霧，提高了雨天行車的能見度。
2)由于孔隙的吸聲作用，噪聲可降低3—5dB，比一般瀝青路面需要設(shè)置噪聲防護擋墻的地段，擋墻可低lm，甚至于不少路段可取消擋墻。
3)由于粗糙的路表可以形成漫反射，消除或減緩鏡面反射，夜晚能增加街燈照度，減緩來自車燈眩目，白天可防止陽光耀眼。
正是因為與傳統(tǒng)的密實式原則不同，所以需要有一系列的研究工作先行是：
1)集料的選擇、標(biāo)準(zhǔn)與加工工藝技術(shù)
為保證多孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，集料必須抗壓碎，同時嚴格要求規(guī)格、尺寸、形狀。這兩方面的要求大大增加了碎石加工工藝的難度，除了需要配置圓錐式或槌式破碎機之外，需要相應(yīng)的配套設(shè)備，實現(xiàn)科學(xué)管理。
2)瀝青改性實用技術(shù)
由于孔隙≥20％，因此被削弱了的嵌擠作用所形成的強度必須要靠瀝青的粘結(jié)作用來彌補，以形成結(jié)構(gòu)強度。孔隙大，加速了瀝青的老化。試驗表明瀝青用量從3．7％增加到5．0％時，初始滲透性下降50％。凡此種種對瀝青提出了嚴格的需要，需要改性。瀝青改性的研究已有數(shù)十年的歷史，需要加強的是結(jié)合國情的應(yīng)用技術(shù)研究。
3)混合料組成設(shè)計與施工工藝
路面的各種功能并不能完全兼容，也并不一定需要全功能，前面已經(jīng)指出各種功能之間還存在相互矛盾的一面，各種功能要求對路表特性有不同的敏感區(qū)域，因此必須結(jié)合國情(功能要求應(yīng)分清輕重緩急；材料供應(yīng)與工藝、設(shè)備有不同的條件)設(shè)計出不同的一定條件下最滿意的材料組成。
以上討論了道路表面多孔瀝青結(jié)構(gòu)層這一研究方向，應(yīng)該指出，這只不過是當(dāng)前來看很有前景的一個技術(shù)途徑，從車輛與路面相互作用這一污染源和事故源來解決城市道路交通環(huán)境與安全問題，完全可能也應(yīng)該有其他技術(shù)途徑，例如德國的瀝青碎石瑪?shù)僦?Stone Asphalt Mastic)。只是現(xiàn)在來看它的降低噪聲的性能還差一些，所以從環(huán)境和安全的角度建議當(dāng)前先重點向多孔表層發(fā)展。在道路表面特性這一研究領(lǐng)域的初始階段，強調(diào)車輛與路面相互作用的理論研究，其重要性在于指引著新技術(shù)的開拓。
參考文獻
1 第七屆國際瀝青路面結(jié)構(gòu)會議報告．倫敦，1992
2 第十六屆世界道路會議論文集．維也納，1979
3 第二屆道路表面特性會議論文集．柏林，1992
4 中國道路工程學(xué)會1993年年會論文集．四川德陽，1993
