城市交通环境、交通安全与道路表面特性关系

一、概述
大规模城市交通基础设施建设，一方面为缓解城市交通拥挤、保持城市活力提供了基础，另—一方面又破坏了原有的环境平衡，产生了新的污染源。为使人类住区环境优美、条件舒适、有利工作、方便生活，实现城市持续发展，在当前大力进行城市交通基础设施建设时期，必须吸取国外的经验教训，必须吸取当代科学研究的成果，在新的基础上，结合国情同步实现城市交通环境建设，以免留下难以弥补的后遗症。
城市交通环境并没有一个确切的定义。在人们所熟悉的交通噪声与车辆排放的废气污染的基础上，随着人们对环境认识与要求的发展，交通环境的涵义在延伸；随着对交通环境研究的深入，认识还在不断深化，形成新的分类。
交通安全涉及面很宽。快速交通的发展出现了许多与低速交通不同的新情况、新问题，在解决这些问题的发展过程中形成了新概念、新方法。
本文的重点从城市交通环境与交通安全的角度谈道路表面特性。
道路表面特性是近年来开拓的、正在不断深化的技术领域，虽然我国在这一领域刚刚起步，但必须迎头赶上。这不仅仅是因为道路表面特性对滑溜有重要的影响，也不仅仅是因为现在发动机噪声已经能控制得很低，防治噪声的主攻方向已转到滚动噪声，还因为我们的指导思想不能只是被动地去防、去治，而应该吸取世界各国的经验教训，主动地在污染源上、在事故源上下功夫。轮胎与路面相互作用就是一个污染源和事故源。还应该指出从环境与安全两方面来说道路表面特性不仅仅都与之有关，而且深入研究发现两者对表面特性的要求有矛盾的一面。既相互联系又相互矛盾，如何结合国情予以统一，这是新的出发点，也是我们的特色。
二、交通噪声
1．滚动噪声
由于成功地减少了车身振动以及发动机的噪声，成功地实现了对喇叭使用的管理，国外防治交通噪声的工作已经深入到了车辆与道路表面相互作用而产生噪声的领域；而且由被动地设置隔音板发展到主动地修建低噪声路面，以至于吸收噪声的路面。
在轮胎与路面相互作用过程中由于气体的压缩与膨胀，以及空气高速流等所产生的滚动噪声一般为9db左右，高可达15db。多孔的吸声路面可降低滚动噪声6～7db，吸收发动机噪声4～8db。因此，对于交通噪声为70～80db的一般状况(表1)，从车辆与路面相互作用的领域采取措施，来降低噪声其效果是可观的。某城市三环路内噪声(dd) 表1

2．道路表面构造
深入研究噪声生成机理，发现对一定速度下影响噪声的两大因素——道路表面构造与轮胎的认识过于肤浅；以铺砂法测定路面表面的构造深度，或以多轮仪实测统计的均方差(σ)表示的路面子整度都过于笼统。
起伏不平的道路表面需要用谱的概念来表达：构造深度是幅值，同一构造深度出现的机遇是频率、间距是波长。这样，道路表面构造是一组不同构造深度的分布：道路表面构造特性，可以用分布函数宋表达，谱分析的方法来研究。
piarc(国际道路会议常设委员会)提出texture分为mlerotexture、macrotex)。为了把道路表面特性区分为texture与roughness(或nd—我们把texture译成纹理。这样，按piarc的划分标准如piarc的纹理构造分类标准如表2

很有意义的是：
1)在波长10～500mm内，~1000hz的低频噪声随纹理的幅值而增大；
2)在波长0．5一lomm内， 1000hz的高频噪声随纹理的幅值而减小。
噪声级和纹理之间并非简单的叠加关系，加上道路表面结构层最大粒径dmax对噪声级的影响说明存在一个纹理的最佳组合。而纹理是依靠原材料的选择，混合料的组成设计以及工艺来实现的。
3．最大粒径dmax
骨料最大粒径d，。的确定将影响到纹理波长，而骨料级配将影响到纹理的组成。从噪声的角度看，骨料避免采用>10mm的粒径，粒径大噪声愈严重；dmax＝8mm是良好的，但dmax＝4~6mm将更好。
4．孔隙率
除纹理之外，道路表结构层孔隙率是影响噪声的一个重要参数。研究结果表明：当孔隙率达到10％时，将产生吸声效果，当孔隙率大于20％时，才有高效率。
von meier 1992提出的设计目标是使快速路上最大频率为fmax＝1000hz、低速路上为fmax＝600hz时，路面具有最大的吸收量。
5．吸声路面结构层
为提高吸声效果应使吸收的频率波带尽可能的宽，除了孔隙率外还与材料的塑性和结构层的厚度有关。meier建议对高速路采用层厚38mm，低速路采用层厚63mm。
德国karlsrchc大学运输工程研究所在1992年第七届沥青路面结构会议上发表的成果：多孔渗水的沥青磨耗层可降低滚动噪声3db，发动机及行驶噪声6db。他们发现，随着多孔渗水路面结构厚度的增加，吸声特性随之改变。用kundt驻波管记录证明，随着厚度增加多数声源的峰值均被减弱到低频范围；因此，除高频交通滚动噪声外，那些市区内占多数的低频发动机空转噪声，低速驾驶噪声，加速交通噪声均可有效降低。
所铺筑试验路段的结构如图1。

图1 试验路段结构示意图
6．小结
防治噪声有汽车制造行业方面的问题(如减少发动机噪声，轮胎材料与花纹的设计等)，有管理方面的问题(如对喇叭使用的管理)等等，这里讨论的是交通环境方面的问题。
道路表面也是为交通的实现创造一个什么样环境的问题，从上面的分析可以看到它对于噪声有举足轻重的影响，这方面的研究工作在我国还是——个空白。而在欧洲噪声与滑溜已经成为道路大中修决策的一个依据。根据经济发展水平，滚动噪声问题在我国公路建设方面已经开始提到议事日程，而在人口密集的大城市，至少在城市快速干线建设时，更是不得不考虑的问题。与其被动地在城市快速干线两侧修建防噪声墙，莫不如主动地从道路表面这个污染源着手，大幅度地降低滚动噪声。
究竟采用什么技术措施?因为道路表面所提供的交通环境，不仅影响噪声，还对交通安全、振动、地面沉降等问题有不可忽视的影响，所以还需要从其他角度上论证。
噪声的产生还有诸如桥头跳车、桥面伸缩缝跳车、桥涵等交通基础设施的结构振动，结构物声波反射引起的共振等等方面因素，虽然这些涉及交通规划、结构物选型与构造等等，而且处理不当在特殊条件下也可能产生很大影响和危害，但由于内容具体而分散，就不在战略研究时，细细讨论了。
三、地面沉降
大城市地面沉降属于世界性的环境问题。大约在30年代逐渐引起人们注意，由于建筑物的开裂，道路与桥梁的损坏，地下管线的变形与位移，雨水和污水管道的受阻，更新抽水设备和增加能源消耗等等问题的出现，1964年在日本东京召开第一届地面沉降国际会议以来受到各国以及联合国的重视。
地面沉降加快的主要原因是城市建设与工业发展对地下水开采量的不断增长。采取限制开采地下水和回灌地表水等措施后，地面沉降得以控制。之后人们注意到城市铺装率提高后，环境的改变限制了雨水对地下水的自然补给，透水路面结构的设计思想应运而生，70年代日本一些城市的试点经验证明了有效性。透水路面结构并没有得到及时的推广，原因主要不在于堵塞的清理技术有待发展，而是路面结构的耐久性受到了考验。经过了十多年在沥青改性、混合料设计、清扫机具等方面的技术研究，上述问题的解决方法有了很大的提高。特别是高速交通发展后，为解决
雨天的交通安全以及噪声、车辙等问题，在国外多孔隙沥青混合料磨耗层(pawc)，即透水路面结构的一个关键技术．已经在日本和欧洲各国得到了更多的应用与深入研究。尽管pawc的养护费用较高，使用寿命较短，但荷兰的费用效益分析证明，与传统的密实式沥青混凝土相比较，是可行的。因此需要从城市交通环境的多方面，结合中国的实际来决定技术主攻方向。

四、滑溜
交通事故往往有它的综合原因，但愈来愈多的实测证明，特别是在高速交通下，交通事故的发生与中面的滑溜有关。所以在飞机降落时，机场向飞行人员提供的地面数据，除了风向、风力等等之外，包括跑道的摩擦系数。今天，为防止交通事故的发生、对道路表面特性的要求，已经不仅是一个摩擦系数所能概括。潮湿的路面虽然降低了摩擦系数，但水膜引起的危害，也不仅是单一提高摩擦系数的问题。
雨中高速行驶时，路面排水问题显得非常必要。对于密实式的路表，重力水停留在路表，当轮胎与路面接触时，重力水通过路表的纹理、轮胎的花纹向两旁与前方排出，此时路表剩下一层薄膜水。只有穿过这层水膜时，轮胎便可与路表的干燥部分相接触从而产生粘着力，这需要靠路表的微纹理结构与轮胎的花纹来实现。也就是说潮湿时，摩擦系数的实现首先有个排水过程，这个过程取决行驶速度、纹理结构与轮胎花纹。来不及实现这个排水过程时，出现水飘现象，高速行驶的安全得不到保障。
对于多孔隙的沥青面层，雨水已向下通过孔隙排出，只有少得可以忽略的重力水需要排除，需要轮胎花纹起的作用也已很小。
此外，在密实式的路表高速行驶时，重力水的排除，产生了雾状的水花，调整轮胎花纹的设计只能在有限的程度上减少水雾的发生。对于多孔隙的沥青面层，水雾的产生可减少90％。
上述种种，确实是一个交通安全问题，但从另外一个角度来看，实际上仍然是在车辆与路面相互作用过程中，为交通提供什么样的道路表面环境，所以也可以说是一个交通环境问题。
五、经济效益
第七届国际沥青路面结构会议指出，车辆营运费用和道路建设与养护费用总和之比，对于低交通容量是二倍的关系，而对于高、中交通容量竟达到20倍。
道路表面特性对于车辆营运费用有重要的影响。道路交通对车辆营运费的影响可区分为线型、交通与路况三大部分。线型包括弯道、坡度、长度、横断面诸要素；交通包括组成和数量；而路况，目前笼统地用平整度表示。
车辆营运费包括油耗、轮胎磨损、零件损坏、车辆折旧、劳务等，当路况损坏严重时，燃料、零件、轮胎等消耗剧增，也导致道路养护投资行为。
为了评价道路工程建设与养护项目投资的必要性，近年内正在完善与建立各种经济评价模型，其中燃料、轮胎等消耗与干整度关系的建立，填补了无论是公路或是城市道路在这方面的空白。
诚如本报告开始时提到科学地反映道路表面特性时，应采用谱分析的方法。比较深入而全面地采用谱以表达道路表面特性的是1992年第七届国际沥青路面结构会议(图2)。
由图2可以看到决定轮胎损耗的路表特性是粗纹理与大纹理部分,决定油耗的路表特性是大纹理与短波部分，而决定零件损耗的路表特性是大纹理、短波与中波部分。
不言而喻，虽然改用国际严整度指数(1r1)表达路面平整度状况，较采用多轮仪实测统计的均方差(σ)或反应类平整度仪进了一步，但iri所包含的频带过宽，致使经济评价模型的精度偏低。建立各有效频带范围内的路表特征指标与相应的费用

(1992年第七届国际沥青路面结构会议资料)
指标的经济模型，将大大提高经济评价对决策的精度，并有益于指导路面结构的功能设计与施工。
六、研究方向
道路表面特性是一个国际上正在深入研究的新的领域：一方面正在从经验向建立理论体系转化，另一方面正在由滑溜、噪声等个别问题向多功能、全功能方向转化。图2是近年来认识的一个阶段总结。高速交通对路面有舒适性、经济性、安全性和环境的四大功能要求。在经济效益这一节里我们分析了道路表面构造深度对燃料、零件、轮胎等不同车辆运营费用有着敏感影响的不同分布的频带范围。图2还反映了构造深度对其他三个功能起影响作用的频带范围：噪声——粗纹理与大纹理；摩擦——微纹理为主；粘结——粗纹理；接触——大纹理与短波长；低速交通下的舒适性——短波、中波与大纹理；高速交通下的舒适性——短波、中波与长波。还有一些新的功能问题正在开始，例如眩目、视觉疲劳这个与交通环境、交通安全相关的问题。
除了在乎整度与抗滑两方面已经起步，我国在道路表面特性的其他方面应该说是空白。为了使我国正进入的城市交通建设大发展并能与国际接轨，为使我国正在建设的城市快速干线在功能上真正能达到城市交通规划的要求，我们应该加快在道路表面特性领域的研究步伐。结合我国具体发展速度，当前结合城市交通环境与交通安全，还是应该做一点实的、基础性的工作，即重点放在解决噪声与滑溜两个方面。在解决道路表面多孔结构层的同时，逐步结合城市地面沉降问题，开展吸声、透水路面结构的研究。然后才是多功能、全功能的问题。
道路表面多孔沥青结构层，从不同的角度已有多种称呼，如透水沥青、排水沥青、多孔隙磨耗层。这种与传统沥青混合料采用密实式原则相悖的面层模式是当前国际上发展的一种趋势，归纳起来优点是：
1)由于路表水能迅速下渗并在路面体内排出，排水效率高，能提高轮胎与路面的附着力，防止水漂事故发生，减少溅水和喷雾，提高了雨天行车的能见度。
2)由于孔隙的吸声作用，噪声可降低3—5db，比一般沥青路面需要设置噪声防护挡墙的地段，挡墙可低lm，甚至于不少路段可取消挡墙。
3)由于粗糙的路表可以形成漫反射，消除或减缓镜面反射，夜晚能增加街灯照度，减缓来自车灯眩目，白天可防止阳光耀眼。
正是因为与传统的密实式原则不同，所以需要有一系列的研究工作先行是：
1)集料的选择、标准与加工工艺技术
为保证多孔结构的稳定性，集料必须抗压碎，同时严格要求规格、尺寸、形状。这两方面的要求大大增加了碎石加工工艺的难度，除了需要配置圆锥式或槌式破碎机之外，需要相应的配套设备，实现科学管理。
2)沥青改性实用技术
由于孔隙≥20％，因此被削弱了的嵌挤作用所形成的强度必须要靠沥青的粘结作用来弥补，以形成结构强度。孔隙大，加速了沥青的老化。试验表明沥青用量从3．7％增加到5．0％时，初始渗透性下降50％。凡此种种对沥青提出了严格的需要，需要改性。沥青改性的研究已有数十年的历史，需要加强的是结合国情的应用技术研究。
3)混合料组成设计与施工工艺
路面的各种功能并不能完全兼容，也并不一定需要全功能，前面已经指出各种功能之间还存在相互矛盾的一面，各种功能要求对路表特性有不同的敏感区域，因此必须结合国情(功能要求应分清轻重缓急；材料供应与工艺、设备有不同的条件)设计出不同的一定条件下最满意的材料组成。
以上讨论了道路表面多孔沥青结构层这一研究方向，应该指出，这只不过是当前来看很有前景的一个技术途径，从车辆与路面相互作用这一污染源和事故源来解决城市道路交通环境与安全问题，完全可能也应该有其他技术途径，例如德国的沥青碎石玛蒂脂(stone asphalt mastic)。只是现在来看它的降低噪声的性能还差一些，所以从环境和安全的角度建议当前先重点向多孔表层发展。在道路表面特性这一研究领域的初始阶段，强调车辆与路面相互作用的理论研究，其重要性在于指引着新技术的开拓。

参考文献
1 第七届国际沥青路面结构会议报告．伦敦，1992
2 第十六届世界道路会议论文集．维也纳，1979
3 第二届道路表面特性会议论文集．柏林，1992
4 中国道路工程学会1993年年会论文集．四川德阳，1993