重載交通條件下交通參數(shù)分析及瀝青路面設(shè)計(jì)

季新友，席華琳，任 勇

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

由于經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，新舊經(jīng)濟(jì)體制過(guò)渡期市場(chǎng)行為一定程度的無(wú)序性，運(yùn)輸相關(guān)行業(yè)片面追求短期利益，公路運(yùn)輸缺乏有效的執(zhí)法等原因，我國(guó)公路超載運(yùn)輸現(xiàn)象迅速發(fā)展，愈演愈烈。主要物流干道上實(shí)際行駛著大量軸重超過(guò)13t的車輛，這些車輛對(duì)路面的破壞是主導(dǎo)性的。由于超出了《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 014—97，以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）的適用范圍，加上設(shè)計(jì)交通量參數(shù)的獲取手段太過(guò)粗糙，路面設(shè)計(jì)與其服務(wù)對(duì)象存在比較大的偏差。面對(duì)全新重載交通道路的特征，重載當(dāng)量換算往往超出常規(guī)的軸載換算范圍，按一般規(guī)范方法換算勢(shì)必產(chǎn)生較大誤差，因而有必要對(duì)之進(jìn)行研究，以便在路面設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確反映重載的影響。

1 府店公路貨運(yùn)超載現(xiàn)狀

受榆林市交通局的委托，項(xiàng)目組對(duì)府店公路進(jìn)行了全面的超載運(yùn)輸調(diào)查和分析，獲得了寶貴的超載運(yùn)輸?shù)谝皇仲Y料。世界七大煤田之一的榆林神府煤田是我國(guó)著名的優(yōu)質(zhì)大煤田，作為神府煤田主要運(yùn)輸通道的府店公路，也因承擔(dān)極繁重的運(yùn)煤車輛而成為我國(guó)典型的超載道路。府店公路是陜煤外運(yùn)的主要通道，是陜西省榆林地區(qū)東北部連接山西省通往北京最便捷的道路，也是府谷至內(nèi)蒙古自治區(qū)新街國(guó)防公路的一部分。調(diào)查中，選取了原府店公路華龍橋收費(fèi)站和孤山煤檢站2個(gè)點(diǎn)。因此，本次調(diào)查結(jié)果應(yīng)能相對(duì)很好地代表府店路上的運(yùn)輸情況。

為了說(shuō)明超載的現(xiàn)狀，引入“裝載率”概念：

調(diào)查抽檢了1422個(gè)有效樣本，從店塔到府谷的車輛基本為運(yùn)煤的滿載車輛，滿載率高達(dá)97.7%，單元貨車的平均裝載率為177%，半掛車的平均實(shí)載率為357%，全部貨車的平均實(shí)載率為252%。90%以上的被查車輛超載。圖1是標(biāo)載5t以上貨車超載情況。

圖1 標(biāo)載5t以上貨車裝載率分析

2 超載的主要路面相關(guān)特征

圖2是府店路軸載抽查后軸重的分布情況。我國(guó)軸載管理工作的長(zhǎng)時(shí)期欠缺，已經(jīng)使得公路上運(yùn)營(yíng)的貨車實(shí)際后軸重達(dá)到了世所罕有的規(guī)模。不僅是表征軸載整體情況的軸載譜峰值（約為13t）大大超出法定最大軸重，分布域（變異性）也很大，最大單軸重竟達(dá)30.3t?？偟膯屋S超限率竟高達(dá)72%。在嚴(yán)格軸載管理的國(guó)家，貨車后軸重分布是峰值接近法定限值的窄波。

圖2 貨車后軸軸重分布

由于高氣壓可以減少行車阻力，經(jīng)常性超載的車輛一般都把氣壓打到超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣壓，而且，從統(tǒng)計(jì)的角度看，日常裝載貨物越重的貨車氣壓也傾向越大。對(duì)府店公路上行駛的運(yùn)煤車調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該公路上行駛的車輛輪胎額定內(nèi)壓為0.8MPa左右，但實(shí)際內(nèi)壓一般達(dá)到1.1MPa，而1s+1d～2d類的集裝箱車輪胎內(nèi)壓高達(dá)1.3MPa?？梢酝茢?，府店公路上運(yùn)煤車輛的輪胎接地壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范中0.7MPa的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)闉r青面層的大部分破壞類型與接地壓力的相關(guān)性超過(guò)與軸載的相關(guān)性，輪胎壓力過(guò)度增加對(duì)瀝青路面的危害最大，超載盛行是我國(guó)很多新通車瀝青路面早期損壞的重要原因。對(duì)于水泥混凝土路面而言，輪壓過(guò)大將加速路表面的沖刷。

由比利時(shí)設(shè)計(jì)法知，車輛的軸重與輪胎壓力存在統(tǒng)計(jì)意義上的線性關(guān)系。本次調(diào)查結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。按照輪壓范圍分組統(tǒng)計(jì)軸重平均值，與輪壓范圍中值可以建立很好的相關(guān)關(guān)系，由計(jì)算可知，0.7MPa對(duì)應(yīng)的平均輪重正好是約5t（軸重10t）。這一關(guān)系的現(xiàn)實(shí)意義在于：

a）在進(jìn)行面層應(yīng)力計(jì)算分析或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在每一軸重下只計(jì)算最有現(xiàn)實(shí)意義的輪壓及相應(yīng)的荷載圖式；

b）材料(尤其是面層材料)對(duì)荷載的應(yīng)力響應(yīng)往往體現(xiàn)為對(duì)接觸壓力的響應(yīng)，材料組成設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，為了能模擬重載交通，有必要增加試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)荷載級(jí)位，在很多情況下就是增加壓力，增加多少，荷載和輪壓的關(guān)系就是依據(jù)。

3 重載條件下的標(biāo)準(zhǔn)軸重

軸載標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸重，是關(guān)系密切但意義不同的2個(gè)概念。前者是通過(guò)立法確立的對(duì)運(yùn)輸相關(guān)行業(yè)具有普遍約束力的軸載最高限額；后者則是在對(duì)適用范圍內(nèi)的交通特性，是在對(duì)軸載組成進(jìn)行廣泛的調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上所選取的最能代表行車對(duì)路面作用的軸重，被用作換算和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和確定各種力學(xué)性能檢測(cè)加荷級(jí)位的依據(jù)。在執(zhí)法有保證的情況下，對(duì)路面起主要破壞作用的軸重往往富集于軸載標(biāo)準(zhǔn)附近。換言之，隨著法律健全程度的提高，軸載標(biāo)準(zhǔn)中的單軸標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸重在數(shù)值上趨于相等。

如前述，我國(guó)道路的實(shí)際軸載譜整體大大超過(guò)10t軸載標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖2）。盡管這一現(xiàn)象已引起各方面的高度關(guān)注，但構(gòu)建一個(gè)有效維護(hù)軸重標(biāo)準(zhǔn)的體系不是一蹴而就的。務(wù)實(shí)的做法是，接受軸重和輪路作用模式變化的事實(shí)，同時(shí)兼及即將推開(kāi)的軸載管理，來(lái)進(jìn)行重載交通路面的研究和設(shè)計(jì)。

我國(guó)路面設(shè)計(jì)方法有2個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)：容許彎沉指標(biāo)和容許層底拉應(yīng)力。容許彎沉公式是建立在大規(guī)模的道路交通量調(diào)查和路面狀態(tài)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上的，而容許彎拉應(yīng)力公式則需要大量的材料疲勞試驗(yàn)結(jié)果。如果仍以10t作為標(biāo)準(zhǔn)軸重，為適用重載交通，勢(shì)必要重新進(jìn)行超大軸次和荷次的彎沉和拉應(yīng)力公式的修訂工作。這一途徑除了帶來(lái)巨大的工作量外，當(dāng)消耗大量時(shí)間獲得成果付諸應(yīng)用時(shí)，情況肯定又有變化。倘若可以通過(guò)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸重的辦法，使得重載交通當(dāng)量軸次降到這些公式的適用范圍內(nèi)，則層底容許拉應(yīng)力的原研究成果仍然有效，容許彎沉公式也僅需補(bǔ)充一些驗(yàn)證工作。

剔除路面極不友好車型后，重載交通的累計(jì)當(dāng)量軸次（標(biāo)準(zhǔn)10t）一般不會(huì)超過(guò)1.2億次。八五典型結(jié)構(gòu)研究的結(jié)合通行能力不考慮超載的BZZ-100當(dāng)量軸次最高分級(jí)為1800萬(wàn)次，而我國(guó)容許彎沉公式研究時(shí)，所調(diào)查公路的BZZ-100當(dāng)量軸次最大為1470萬(wàn)次。如圖2所示，軸載譜峰值位于12～14t之間，可以認(rèn)為13t和14t作為重載交通標(biāo)準(zhǔn)軸重較為合適。相比之下，14t更代表當(dāng)前一個(gè)階段重載交通的狀態(tài)，13t則在能夠代表建立健全中的超限運(yùn)輸管理下的重載交通的狀況。再考慮13t正好是法國(guó)等國(guó)家和IRU的單軸載標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸重推薦采用13t。

4 重載條件下的瀝青路面設(shè)計(jì)

交通量當(dāng)今國(guó)際上最具影響力的軸次換算方法仍然是美國(guó)的AASHTO方法，它是世界上唯一經(jīng)歷大規(guī)模環(huán)道試驗(yàn)路檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，它采用的是現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)（PSI）作為指標(biāo)，以PSI=2.5或2作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，比較適合于作為道路的壽命分析。AASHTO換算因次n是一個(gè)范圍，與我國(guó)瀝青路面軸載換算方法中的n接近。但AASHO試驗(yàn)路使用的卡車上安裝的是充氣壓力75～80psi（0.52～0.56MPa）的斜紋（bias-bly）輪胎，而且，試驗(yàn)時(shí)的美國(guó)法定單軸載只有8.2t，目前也只有9.1t。此外，美國(guó)的軸載管理相當(dāng)規(guī)范，根本不存在我國(guó)這么嚴(yán)重的超載現(xiàn)象。因此，在我國(guó)目前重載條件下的軸次換算，非常值得研究。

累計(jì)當(dāng)量軸次換算公式多采用N1/N2=P2/P1的形式。我國(guó)規(guī)范在推導(dǎo)時(shí)采用N1/N2=（P2/P1）b/c形式，其中，c=0.2，為設(shè)計(jì)彎沉值lr=AN-c的回歸指數(shù)。對(duì)90余種典型路面結(jié)構(gòu)（施加由10t一直到18t單軸荷載）進(jìn)行理論計(jì)算，得出在超載條件下b=1的結(jié)論。規(guī)范的b=0.87得到了山西彎沉實(shí)測(cè)的吻合結(jié)果，說(shuō)明10t時(shí)路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)還處在線性階段。但天津10～18t的彎沉實(shí)測(cè)得出b=1.26，表明重載條件下力學(xué)響應(yīng)已經(jīng)進(jìn)入非線性階段。理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，隨著軸載的增加路表彎沉和結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力逐漸增加，也就是說(shuō)隨著荷載的增加，瀝青路面呈現(xiàn)出明顯的非線性，這表明在軸載換算公式中，指數(shù)n不是一個(gè)定值，而是隨軸載增大而增大。通過(guò)分析不同路面結(jié)構(gòu)下軸載換算系數(shù)與軸載的關(guān)系發(fā)現(xiàn)軸載換算系數(shù)主要與軸載有關(guān)，因而忽略路面結(jié)構(gòu)不同對(duì)軸載換算系數(shù)所造成的誤差，利用回歸分析可得到軸載換算系數(shù)與軸載的關(guān)系式：

式中：f1i、f2i——雙輪組單軸載；

pi——換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載；

ps——的軸載換算系數(shù)；

c1、——軸數(shù)系數(shù)；

c2、——輪組系數(shù)。

其他的重載研究者也都得出了超載時(shí)換算系數(shù)增大的結(jié)論。西安公路交通大學(xué)的王選倉(cāng)教授在瀝青路面上得出了類似結(jié)果，水泥混凝土路面更提出n=21的結(jié)論。同濟(jì)大學(xué)的彭波對(duì)水泥混凝土路面的研究也得出規(guī)范公式低估重載破壞的結(jié)論。但是，一方面由于各研究結(jié)論實(shí)測(cè)驗(yàn)證均顯不足；另一方面研究多從結(jié)構(gòu)承載力入手，而重載造成的早期破壞，多為路面面層破壞。因此可以說(shuō)，重載交通軸載換算的研究還很不成熟。

選好了合適的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸重，有了適用的換算公式，并不一定能保證得到正確的路面設(shè)計(jì)交通量參數(shù)。目前，各省在國(guó)道和主干線上，均設(shè)有連續(xù)或間歇式交通量觀測(cè)站，積累了大量的資料，但這些資料都是通行能力口徑統(tǒng)計(jì)的，不能直接用于軸次計(jì)算。參考圖2可以看出，軸載譜以10t軸重為分界。小于10t的荷載表征區(qū)域內(nèi)交通，特點(diǎn)是短途、少超載；大于10t的荷載表征區(qū)間交通，特點(diǎn)是長(zhǎng)途、基本超載。在不同的地區(qū)，這2個(gè)域的強(qiáng)度是不一樣的。過(guò)境交通為主的地區(qū)，主要是大于10t域，而在發(fā)達(dá)地區(qū)內(nèi)部，或鄰近城鎮(zhèn)之間，則主要是小于10t域。同樣的交通量和交通組成，實(shí)際當(dāng)量軸次可能會(huì)相差很大。很多路面設(shè)計(jì)單位根據(jù)歷史交通量資料，僅僅補(bǔ)充目測(cè)空、滿載就計(jì)算當(dāng)量軸次，是極不準(zhǔn)確的。

圖3是合理的累計(jì)軸次計(jì)算流程。本方案在府店一級(jí)公路的瀝青路面設(shè)計(jì)中得到了很好的應(yīng)用。本文有關(guān)超載特征的分析也遵循了這個(gè)流程。為了充分利用歷史交通資料和其他通行能力口徑統(tǒng)計(jì)的交通量資料，車型組成調(diào)查和軸載調(diào)查是必不可少的，前者在通行能力口徑和路面損壞口徑間建立接口，后者則可以得到每種車型的換算系數(shù)。各省很有必要建立年度的軸載調(diào)查和分析制度，全面監(jiān)控全省范圍的貨運(yùn)超載發(fā)展變化狀況。所得的結(jié)果，還可以有如下三個(gè)用途：

a）作為新路建設(shè)和改擴(kuò)建路面設(shè)計(jì)的軸次計(jì)算的依據(jù)；

b）可以評(píng)價(jià)超限管理措施的成效；

c）用以預(yù)估路面損壞，提高養(yǎng)護(hù)資金調(diào)配的科學(xué)性和合理性。

圖3 累計(jì)軸次計(jì)算流程

5 結(jié)論

5.1 府店公路運(yùn)輸?shù)某蕹d現(xiàn)象已經(jīng)到了觸目驚心的程度，90%以上的載貨貨車超載，54%的后軸單軸重超限，軸載譜的第二峰值約為13t，最大后軸重竟達(dá)30.3t。91%的后輪胎壓超過(guò)0.7MPa，更有49%超過(guò)1.1MPa，而1s+1d～2d類的集裝箱車輪胎內(nèi)壓高達(dá)1.3MPa。輪胎壓力與軸重存在很好的統(tǒng)計(jì)上的線性關(guān)系。

5.2 為了能使用現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)超載路面結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的加荷圖式和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸重都做出相應(yīng)調(diào)整，通過(guò)研究，推薦重載路面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸重采用13t。

5.3 超載加荷圖式使軸次換算系數(shù)增加了，推薦考慮材料非線性力學(xué)響應(yīng)的軸次換算因次取值方案。

5.4 推薦了軸次計(jì)算的工作流程，其科學(xué)性、合理性已經(jīng)得到了工程應(yīng)用的檢驗(yàn)。

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