城市交通環境、交通安全與道路表面特性關系

一、概述
大規模城市交通基礎設施建設，一方面為緩解城市交通擁擠、保持城市活力提供了基礎，另—一方面又破壞了原有的環境平衡，產生了新的污染源。為使人類住區環境優美、條件舒適、有利工作、方便生活，實現城市持續發展，在當前大力進行城市交通基礎設施建設時期，必須吸取國外的經驗教訓，必須吸取當代科學研究的成果，在新的基礎上，結合國情同步實現城市交通環境建設，以免留下難以彌補的后遺癥。
城市交通環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上，隨著人們對環境認識與要求的發展，交通環境的涵義在延伸；隨著對交通環境研究的深入，認識還在不斷深化，形成新的分類。
交通安全涉及面很寬。快速交通的發展出現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展過程中形成了新概念、新方法。
本文的重點從城市交通環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領域，雖然我國在這一領域剛剛起步，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，也不僅僅是因為現在發動機噪聲已經能控制得很低，防治噪聲的主攻方向已轉到滾動噪聲，還因為我們的指導思想不能只是被動地去防、去治，而應該吸取世界各國的經驗教訓，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。還應該指出從環境與安全兩方面來說道路表面特性不僅僅都與之有關，而且深入研究發現兩者對表面特性的要求有矛盾的一面。既相互聯系又相互矛盾，如何結合國情予以統一，這是新的出發點，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動機的噪聲，成功地實現了對喇叭使用的管理，國外防治交通噪聲的工作已經深入到了車輛與道路表面相互作用而產生噪聲的領域；而且由被動地設置隔音板發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域采取措施，來降低噪聲其效果是可觀的。某城市三環路內噪聲(dD) 表1

2．道路表面構造
深入研究噪聲生成機理，發現對一定速度下影響噪聲的兩大因素——道路表面構造與輪胎的認識過于膚淺；以鋪砂法測定路面表面的構造深度，或以多輪儀實測統計的均方差(σ)表示的路面子整度都過于籠統。
起伏不平的道路表面需要用譜的概念來表達：構造深度是幅值，同一構造深度出現的機遇是頻率、間距是波長。這樣，道路表面構造是一組不同構造深度的分布：道路表面構造特性，可以用分布函數宋表達，譜分析的方法來研究。
PIARC(國際道路會議常設委員會)提出texture分為mlerotexture、macrotex)。為了把道路表面特性區分為texture與roughness(或ND—我們把texture譯成紋理。這樣，按PIARC的劃分標準如PIARC的紋理構造分類標準如表2

很有意義的是：
1)在波長10～500mm內，~1000Hz的低頻噪聲隨紋理的幅值而增大；
2)在波長0．5一lOmm內， 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系，加上道路表面結構層最大粒徑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，混合料的組成設計以及工藝來實現的。
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，道路表結構層孔隙率是影響噪聲的一個重要參數。研究結果表明：當孔隙率達到10％時，將產生吸聲效果，當孔隙率大于20％時，才有高效率。
Von Meier 1992提出的設計目標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．吸聲路面結構層
為提高吸聲效果應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構層的厚度有關。Meier建議對高速路采用層厚38mm，低速路采用層厚63mm。
德國Karlsrchc大學運輸工程研究所在1992年第七屆瀝青路面結構會議上發表的成果：多孔滲水的瀝青磨耗層可降低滾動噪聲3dB，發動機及行駛噪聲6dB。他們發現，隨著多孔滲水路面結構厚度的增加，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，那些市區內占多數的低頻發動機空轉噪聲，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構如圖1。

圖1 試驗路段結構示意圖
6．小結
防治噪聲有汽車制造行業方面的問題(如減少發動機噪聲，輪胎材料與花紋的設計等)，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境方面的問題。
道路表面也是為交通的實現創造一個什么樣環境的問題，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成為道路大中修決策的一個依據。根據經濟發展水平，滾動噪聲問題在我國公路建設方面已經開始提到議事日程，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。
究竟采用什么技術措施?因為道路表面所提供的交通環境，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。
噪聲的產生還有諸如橋頭跳車、橋面伸縮縫跳車、橋涵等交通基礎設施的結構振動，結構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劃、結構物選型與構造等等，而且處理不當在特殊條件下也可能產生很大影響和危害，但由于內容具體而分散，就不在戰略研究時，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，更新抽水設備和增加能源消耗等等問題的出現，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合國的重視。
地面沉降加快的主要原因是城市建設與工業發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，環境的改變限制了雨水對地下水的自然補給，透水路面結構的設計思想應運而生，70年代日本一些城市的試點經驗證明了有效性。透水路面結構并沒有得到及時的推廣，原因主要不在于堵塞的清理技術有待發展，而是路面結構的耐久性受到了考驗。經過了十多年在瀝青改性、混合料設計、清掃機具等方面的技術研究，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)，即透水路面結構的一個關鍵技術．已經在日本和歐洲各國得到了更多的應用與深入研究。盡管PAWC的養護費用較高，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境的多方面，結合中國的實際來決定技術主攻方向。
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，交通事故的發生與中面的滑溜有關。所以在飛機降落時，機場向飛行人員提供的地面數據，除了風向、風力等等之外，包括跑道的摩擦系數。今天，為防止交通事故的發生、對道路表面特性的要求，已經不僅是一個摩擦系數所能概括。潮濕的路面雖然降低了摩擦系數，但水膜引起的危害，也不僅是單一提高摩擦系數的問題。
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生粘著力，這需要靠路表的微紋理結構與輪胎的花紋來實現。也就是說潮濕時，摩擦系數的實現首先有個排水過程，這個過程取決行駛速度、紋理結構與輪胎花紋。來不及實現這個排水過程時，出現水飄現象，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，產生了霧狀的水花，調整輪胎花紋的設計只能在有限的程度上減少水霧的發生。對于多孔隙的瀝青面層，水霧的產生可減少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境，所以也可以說是一個交通環境問題。
五、經濟效益
第七屆國際瀝青路面結構會議指出，車輛營運費用和道路建設與養護費用總和之比，對于低交通容量是二倍的關系，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；交通包括組成和數量；而路況，目前籠統地用平整度表示。
車輛營運費包括油耗、輪胎磨損、零件損壞、車輛折舊、勞務等，當路況損壞嚴重時，燃料、零件、輪胎等消耗劇增，也導致道路養護投資行為。
為了評價道路工程建設與養護項目投資的必要性，近年內正在完善與建立各種經濟評價模型，其中燃料、輪胎等消耗與干整度關系的建立，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地反映道路表面特性時，應采用譜分析的方法。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構會議(圖2)。
由圖2可以看到決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(1R1)表達路面平整度狀況，較采用多輪儀實測統計的均方差(σ)或反應類平整度儀進了一步，但IRI所包含的頻帶過寬，致使經濟評價模型的精度偏低。建立各有效頻帶范圍內的路表特征指標與相應的費用

(1992年第七屆國際瀝青路面結構會議資料)
指標的經濟模型，將大大提高經濟評價對決策的精度，并有益于指導路面結構的功能設計與施工。
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域：一方面正在從經驗向建立理論體系轉化，另一方面正在由滑溜、噪聲等個別問題向多功能、全功能方向轉化。圖2是近年來認識的一個階段總結。高速交通對路面有舒適性、經濟性、安全性和環境的四大功能要求。在經濟效益這一節里我們分析了道路表面構造深度對燃料、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——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境、交通安全相關的問題。
除了在乎整度與抗滑兩方面已經起步，我國在道路表面特性的其他方面應該說是空白。為了使我國正進入的城市交通建設大發展并能與國際接軌，為使我國正在建設的城市快速干線在功能上真正能達到城市交通規劃的要求，我們應該加快在道路表面特性領域的研究步伐。結合我國具體發展速度，當前結合城市交通環境與交通安全，還是應該做一點實的、基礎性的工作，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構層的同時，逐步結合城市地面沉降問題，開展吸聲、透水路面結構的研究。然后才是多功能、全功能的問題。
道路表面多孔瀝青結構層，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。這種與傳統瀝青混合料采用密實式原則相悖的面層模式是當前國際上發展的一種趨勢，歸納起來優點是：
1)由于路表水能迅速下滲并在路面體內排出，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、標準與加工工藝技術
為保證多孔結構的穩定性，集料必須抗壓碎，同時嚴格要求規格、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，需要相應的配套設備，實現科學管理。
2)瀝青改性實用技術
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作用來彌補，以形成結構強度。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十年的歷史，需要加強的是結合國情的應用技術研究。
3)混合料組成設計與施工工藝
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域，因此必須結合國情(功能要求應分清輕重緩急；材料供應與工藝、設備有不同的條件)設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構層這一研究方向，應該指出，這只不過是當前來看很有前景的一個技術途徑，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境與安全問題，完全可能也應該有其他技術途徑，例如德國的瀝青碎石瑪蒂脂(Stone Asphalt Mastic)。只是現在來看它的降低噪聲的性能還差一些，所以從環境和安全的角度建議當前先重點向多孔表層發展。在道路表面特性這一研究領域的初始階段，強調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的開拓。
參考文獻
1 第七屆國際瀝青路面結構會議報告．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 中國道路工程學會1993年年會論文集．四川德陽，1993