梅朝

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 湖北 武漢 430010)

自2006年10月10日交通部頒布JTG D50-2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“舊規(guī)范”)以來，中國的瀝青混凝土路面建設(shè)有了飛躍性的發(fā)展，在豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，路面設(shè)計(jì)理論也取得了豐碩的研究成果。為了適應(yīng)中國瀝青混凝土路面不斷發(fā)展的需要，2017年9月交通部頒布了JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“新規(guī)范”)。新規(guī)范引進(jìn)了美國力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法路面設(shè)計(jì)指南和JTG D40-2011《公路水泥路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中的路面結(jié)構(gòu)可靠度的設(shè)計(jì)理念，改變了過去以路表彎沉值作為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用針對(duì)具體損壞的設(shè)計(jì)指標(biāo)體系。新規(guī)范中設(shè)計(jì)指標(biāo)的改變，導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生了較大變化。交通荷載分析作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，很多學(xué)者從事了相關(guān)研究，提出了各自的路面軸載換算方法。新規(guī)范在總結(jié)這些研究的基礎(chǔ)上，規(guī)范了軸載譜及交通參數(shù)的調(diào)查分析方法。該文收集江西省昌九高速公路2009—2013年交通量數(shù)據(jù)，對(duì)比評(píng)價(jià)新舊規(guī)范中軸載換算公式，分析新規(guī)范在交通荷載分析方面相比舊規(guī)范的進(jìn)步。

1 交通量調(diào)查及分類

昌九高速公路交通量較大，而且重載車輛較多。在舊規(guī)范中，按照設(shè)計(jì)彎沉和半剛性材料層拉應(yīng)力指標(biāo)，將道路的混合交通量換算成當(dāng)量軸載作用次數(shù)，通常將車輛分成小客車、大客車、小貨車、中貨車、大貨車和集裝車，并為每一個(gè)類型的車輛選擇一個(gè)代表車型和典型軸重。新規(guī)范中，按照瀝青層疲勞和瀝青層永久變形、路基永久變形和無機(jī)結(jié)合料類結(jié)構(gòu)層疲勞3種指標(biāo)，按軸型的不同，將車輛分為11種類型，根據(jù)軸載譜進(jìn)行車輛當(dāng)量軸載換算。

根據(jù)新規(guī)范和舊規(guī)范中車型分類方式，統(tǒng)計(jì)2013年昌九高速公路的交通量數(shù)據(jù)，舊規(guī)范數(shù)據(jù)見表1，新規(guī)范數(shù)據(jù)見表2。

2 舊規(guī)范交通荷載分析

表1 舊規(guī)范交通量統(tǒng)計(jì)

表2 新規(guī)范交通量統(tǒng)計(jì)

計(jì)算中，2軸貨車的后軸軸載達(dá)到了162 kN，而規(guī)范中并沒有明確規(guī)定軸載大于130 kN時(shí)的換算方法。目前世界上采用100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載的國家最多，且中國各省已經(jīng)對(duì)部分公路超載情況采取了限制措施，超限情況不多，故以100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載。所以規(guī)范只適用于軸重小于130 kN的情況，當(dāng)軸重為130～200 kN時(shí)，借鑒國外規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。規(guī)范建議對(duì)彎沉設(shè)計(jì)的軸載換算公式n值取5.0，彎拉應(yīng)力n值取9.0，據(jù)此計(jì)算2軸貨車后軸的當(dāng)量軸次。

表3 標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)當(dāng)量軸次換算

注：注1為車輛換算時(shí)沒有6軸及6軸以上代表車型，該文按交通部門規(guī)定的限重標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)軸載分布原則，計(jì)算出前、中、后軸軸重。

結(jié)算結(jié)果表明：2軸貨車是昌九高速公路上日均軸次最多的車型，按彎沉控制時(shí)，2軸貨車的累計(jì)當(dāng)量軸次占了總軸次的65%，按彎拉控制時(shí)，2軸貨車的累計(jì)當(dāng)量軸次占了總軸次的90%，其余車型所占比例不大。以設(shè)計(jì)彎沉值作為指標(biāo)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其日平均當(dāng)量軸次N1=13 236次/d；以半剛性基層層底拉應(yīng)力為指標(biāo)，其日平均當(dāng)量軸次N1′=70 801次/d。

規(guī)范規(guī)定雙向四車道的車道系數(shù)為0.4～0.5，車道窄時(shí)選高值，車道寬時(shí)選低值。根據(jù)昌九高速公路2009—2013年交通量數(shù)據(jù)，得出交通量年平均增長率為15%，根據(jù)交通量數(shù)據(jù)，車道分布系數(shù)取0.5，設(shè)計(jì)年限按15年計(jì)，計(jì)算得到設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上的累計(jì)當(dāng)量軸次Ne，見表4。以彎沉和彎拉作為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，得到的累計(jì)當(dāng)量軸次差別較大。根據(jù)規(guī)范中對(duì)交通荷載分級(jí)的規(guī)定，以彎沉和彎拉作為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，昌九高速公路均屬特重交通等級(jí)。

表4 設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道的累計(jì)當(dāng)量軸次

3 新規(guī)范交通荷載分析

許多學(xué)者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸載及其參數(shù)，超載、重載條件下的軸載換算方法進(jìn)行了研究。同濟(jì)大學(xué)統(tǒng)計(jì)了20個(gè)省、直轄市的軸載狀況，少數(shù)地區(qū)超限情況嚴(yán)重，河北一收費(fèi)站平均超限率達(dá)到了27.81%，而大多數(shù)地區(qū)超限率不到2%。超載車在公路上運(yùn)行時(shí)，不僅增加當(dāng)量作用次數(shù)，而且因軸載提高了，對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了較大影響。路面結(jié)構(gòu)類型或厚度設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮超載車軸存在的影響，否則路面結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生過早破壞，縮短瀝青路面的使用壽命。隨著軸重的增加，超載方式下彎沉的增量大于非超載方式下彎沉的增量，也即超載引起的軸重增加對(duì)路面結(jié)構(gòu)的破壞程度要大于正常車型對(duì)路面結(jié)構(gòu)的破壞程度。所以采用舊規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)，低估了超限軸載對(duì)路面的疲勞損壞作用。

由于中國大范圍內(nèi)貨車超載比例并不高(大多數(shù)地區(qū)不超過2%)，而且在軸載換算公式中通過滿載車與超載車的系數(shù)，考慮了超載情況，即一定程度上考慮了超載對(duì)路面損壞的影響，所以新規(guī)范仍然采用100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載。新規(guī)范規(guī)定了新的軸型分類方法和車輛類型分類方法，按3個(gè)水平進(jìn)行交通荷載分析，高速公路加鋪設(shè)計(jì)應(yīng)采用第一水平。第一水平要采用稱重設(shè)備連續(xù)采集設(shè)計(jì)車道上的車輛類型、軸型組成和軸重?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)軸載譜進(jìn)行當(dāng)量軸載換算。

由于1類貨車軸載較小，進(jìn)行交通荷載分析時(shí)忽略不計(jì)，只計(jì)算2類～11類車即大型客貨車。根據(jù)昌九高速公路交通量數(shù)據(jù)，2013年大型客貨車年均日交通量為1 518 pcu/d，交通量增長率為15%，方向系數(shù)0.55。規(guī)范中車道系數(shù)為0.7～0.85，交通受非機(jī)動(dòng)車和行人影響時(shí)取低限，反之取高限，故車道系數(shù)取0.85。根據(jù)此交通參數(shù)，計(jì)算得設(shè)計(jì)車道初始年大型客貨車日均交通量為710 pcu/d。計(jì)算得15年設(shè)計(jì)期內(nèi)，大型客貨車?yán)塾?jì)為1.2×107輛，根據(jù)規(guī)范中對(duì)交通荷載分級(jí)的規(guī)定，屬于特重交通等級(jí)。

根據(jù)交通調(diào)查分析，整車貨車比例為68%，半掛車貨車比例為23%，根據(jù)公路TTC分類標(biāo)準(zhǔn)，昌九高速公路屬TTC3類。計(jì)算得車輛類型分布系數(shù)和各車型車輛的交通量見表5。根據(jù)路網(wǎng)相鄰公路的車輛滿載情況和江西省滿載情況分析，得到各類車型滿載與非滿載的比例，見表6。

表5 車輛類型分布系數(shù)和各車型的交通量

根據(jù)瀝青層疲勞和瀝青層永久變形、無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂和路基永久變形3項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)表6和規(guī)范中的滿載車和非滿載車的當(dāng)量軸載換算系數(shù)，計(jì)算得到各車型的滿載車和非滿載車所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量軸載次數(shù)，見表7。

表6 滿載車和非滿載車交通比例和交通量

由表7可以看出：以瀝青層疲勞開裂為指標(biāo)時(shí)，當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)為2.89×103萬次；以無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)為1.95×105萬次；以路基永久變形為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)為4.86×103萬次。

4 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1 車型分類

舊規(guī)范中沿用傳統(tǒng)車型分類方法，將車輛換算成6種代表車型進(jìn)行計(jì)算。這種方法比較粗糙，可能會(huì)將軸型或軸重相差很大的車型歸入同一類。而且由于車型數(shù)據(jù)比較古老、部分車型已經(jīng)停產(chǎn)、缺少6軸以上車型、分類偏少各代表軸型的選取隨意性較大，導(dǎo)致計(jì)算的當(dāng)量軸載作用次數(shù)不能很好地反映當(dāng)今交通實(shí)際情況。

表7 各車型當(dāng)量軸載作用次數(shù) 萬次

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，車輛不斷更新?lián)Q代，舊車型數(shù)據(jù)已經(jīng)不能代表路上行駛的車輛，而且難以充分考慮超載對(duì)路面的影響。新規(guī)范放棄了以具體車型做代表的思路，采用軸型作為分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)車輛組成、軸組組成和對(duì)路面的破壞作用，將車輛分為11種類型，并利用已經(jīng)成熟的軸載譜理論統(tǒng)計(jì)軸重分布，更準(zhǔn)確地分析交通參數(shù)。軸載譜通過確定各類車型在交通流中的分布百分率、各類車型的軸載組成以及各種軸載不同的分布比例等參數(shù)，能更加全面、準(zhǔn)確地反映交通荷載特性，更精確地分析交通荷載對(duì)路面的破壞作用。用于測定車輛軸重的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)正日漸普及，而且計(jì)重收費(fèi)也是中國高速公路收費(fèi)的發(fā)展趨勢，所以高速公路收費(fèi)站統(tǒng)計(jì)的交通數(shù)據(jù)也可以很好地用于荷載分析。

綜上所述，新規(guī)范中關(guān)于車型分類方法更合理，更適合車輛現(xiàn)狀，也能適應(yīng)將來發(fā)展。

4.2 交通等級(jí)劃分和交通參數(shù)

舊規(guī)范中，采用BZZ-100累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次和大客車及中型以上的各種貨車交通量作為交通等級(jí)劃分指標(biāo)，劃分為4個(gè)等級(jí)。依此計(jì)算分類，昌九高速公路屬于特重交通等級(jí)。在交通參數(shù)方面，車道分布系數(shù)范圍為0.4～0.5，車道窄時(shí)選高值，車道寬選低值。

由于新規(guī)范采用多指標(biāo)設(shè)計(jì)方法，不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同的當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)。若以此為劃分交通荷載等級(jí)的依據(jù)，使用過程中不太方便。新規(guī)范中，以路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期內(nèi)累計(jì)大型客貨車交通量為指標(biāo)，劃分為5個(gè)等級(jí)，增加了極重等級(jí)。依此計(jì)算分類，昌九高速公路屬于特重交通等級(jí)。在交通參數(shù)方面，車道系數(shù)為0.7～0.85，交通受非機(jī)動(dòng)車和行人影響嚴(yán)重時(shí)取低限，反之取高限。

由此可以看出：盡管新舊規(guī)范中關(guān)于交通等級(jí)劃分的指標(biāo)不同，不具有可比性，但是兩種方法計(jì)算得到的交通等級(jí)相同。說明新規(guī)范在交通等級(jí)劃分方面，保持了一致性；車道系數(shù)由舊規(guī)范中0.4～0.5提升到了0.7～0.85，符合目前貨車主要行駛在行車道的行為，更符合現(xiàn)狀交通情況。

4.3 當(dāng)量軸載計(jì)算

舊規(guī)范根據(jù)彎沉等效原則進(jìn)行軸載換算，可是彎沉與實(shí)際路用性能沒有直接關(guān)系，計(jì)算得到的當(dāng)量軸載也不能真實(shí)地反映車輛對(duì)路面的破壞作用。而且軸載換算公式適用于軸載小于130 kN的情況，沒有考慮超載的影響，這樣導(dǎo)致累計(jì)當(dāng)量軸次偏小。對(duì)于大于130 kN的軸載，規(guī)范只給出了推薦公式。但是長安大學(xué)研究提出，瀝青路面彎沉、彎拉應(yīng)力曲線隨軸重的增加而非線性增加，軸重50～130 kN為線性，大于130 kN為非線性。所以關(guān)于軸重大于130 kN時(shí)軸載換算公式中n的取值爭議比較多，所以舊規(guī)范推薦公式不能準(zhǔn)確反映實(shí)際軸載情況。

新規(guī)范采用與路用性能相關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算得到的當(dāng)量軸載，更符合實(shí)際情況。新規(guī)范在進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)之后，認(rèn)為中國車輛超載比例不嚴(yán)重，所以提出的計(jì)算公式同樣只適用于軸載小于130 kN的情況，但是也考慮了超載的影響，這在一定程度上能反映130 kN以上的軸載。

算例中，新舊規(guī)范不同算法得到的累計(jì)當(dāng)量軸次見表8。

由表8可以看出：新規(guī)范中以瀝青層疲勞開裂、瀝青層永久變形和路基永久變形為指標(biāo)計(jì)算的當(dāng)量軸次與舊規(guī)范相近，而以無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂為指標(biāo)計(jì)算的當(dāng)量軸次與舊規(guī)范差了一個(gè)數(shù)量級(jí)。按新規(guī)范計(jì)算得到的累計(jì)當(dāng)量軸次均比舊規(guī)范中以彎沉為指標(biāo)計(jì)算的累計(jì)當(dāng)量軸次大，這是新規(guī)范交通參數(shù)選擇更合理、考慮超載影響的體現(xiàn)。

表8 新、舊規(guī)范計(jì)算累計(jì)當(dāng)量軸次

5 結(jié)論

(1) 新規(guī)范中應(yīng)用了更詳細(xì)的車輛分類方式和軸載譜，更能準(zhǔn)確反映路面實(shí)際情況，也是將來的發(fā)展趨勢。

(2) 新、舊規(guī)范中交通等級(jí)的依據(jù)不同，但是差距不大；新規(guī)范交通參數(shù)的選擇更具現(xiàn)實(shí)性。

(3) 新規(guī)范采用與路面使用情況相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行軸載換算，反映了車輛對(duì)路面的破壞作用；新規(guī)范計(jì)算的累計(jì)當(dāng)量軸次均比舊規(guī)范中以彎沉為指標(biāo)計(jì)算的累計(jì)當(dāng)量軸次大，符合前人研究結(jié)果。