基于地下道路交通量分析對(duì)軸載換算方法的研究

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也進(jìn)入快速發(fā)展階段，為此各地紛紛修建地下道路。由于地下道路一般多建于城市中心區(qū)，就目前各城市對(duì)交通管制等措施，大車(chē)特別是大型貨車(chē)都是限制行駛的，這樣產(chǎn)生的交通載荷就較其他道路有所不同。目前地下道路路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出的，而給出的這種結(jié)構(gòu)形式可能在某個(gè)地下道路的建設(shè)中得到了應(yīng)用并使用狀況良好，在接下來(lái)的地下道路設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用，這樣使得部分地下道路路面的設(shè)計(jì)過(guò)于保守，造成了資金的浪費(fèi)或者設(shè)計(jì)不足而使地下道路路面在較短的使用期內(nèi)就出現(xiàn)了破壞。本文結(jié)合天津海河?xùn)|路地下道路站、天津西站綜合交通樞紐改造和泰達(dá)CBD地下交通空間工程等地下道路路面設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)海河?xùn)|路地下道路通行的車(chē)輛進(jìn)行調(diào)查分析，得出地下道路行駛車(chē)輛的類(lèi)型以及車(chē)輛軸載情況及車(chē)輛軸重分布規(guī)律，據(jù)此進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的換算標(biāo)準(zhǔn)軸載，使路面設(shè)計(jì)更為合理，行車(chē)更加安全，最大限度地發(fā)揮地下道路的交通功能。

1 地下道路交通量調(diào)查及分布分析

1.1 交通量調(diào)查數(shù)據(jù)

車(chē)輛主要分為客車(chē)與貨車(chē)，客車(chē)又分為小客車(chē)、中客車(chē)與大客車(chē)。小客車(chē)自身重量較輕，中客車(chē)一般為6～20個(gè)座位；大客車(chē)一般20個(gè)座位以上（包括鉸接車(chē)和雙層客車(chē)）。

為確保城市地下道路交通安全、暢通，交通管理部門(mén)采取禁止重、中型貨運(yùn)汽車(chē)通行的措施。因此，城市地下道路行駛車(chē)輛的類(lèi)型以及車(chē)輛軸載情況與其他道路有所區(qū)別。本文對(duì)天津市海河?xùn)|路地下道路進(jìn)行了實(shí)地交通量及交通組成調(diào)查，海河?xùn)|路地下道路見(jiàn)圖1。

1.2 交通量調(diào)查數(shù)據(jù)

1）各時(shí)段車(chē)輛的交通量見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 交通量時(shí)間分布

圖3 不同車(chē)型車(chē)輛數(shù)量比例

由圖 2看出，8：00—10：00、17：00—19：00為高峰小時(shí)段，大致與市民上下班（學(xué)）時(shí)間吻合，可見(jiàn)高峰交通量的主要組成部分是市民的上下班（學(xué)）的出行。由圖3可知，行駛車(chē)輛主要以小型客車(chē)為主，其交通量占全部車(chē)輛的92%，大型客車(chē)占6%，而中型客車(chē)僅占到了0.4%。

2）軸載分布調(diào)查及標(biāo)準(zhǔn)軸載。對(duì)海河?xùn)|路地下道路進(jìn)行了實(shí)地軸載調(diào)查，時(shí)間與交通量調(diào)查同步。行駛車(chē)輛的代表車(chē)型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 代表車(chē)型的參數(shù)

根據(jù)表1，可以得到車(chē)輛軸重分布規(guī)律，見(jiàn)表2。

表2 車(chē)輛軸重分布規(guī)律

由表2看出，城市地下道路的車(chē)輛載荷集中在10～80 kN，其中軸重范圍在10～20 kN的單軸單輪組占比例最高，約為93.8%；軸重范圍在40～80 kN的單軸雙輪組占比例為6.2%；軸重范圍在80 kN以上幾乎沒(méi)有，就我國(guó)現(xiàn)行的路面規(guī)范將路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的換算標(biāo)準(zhǔn)軸載確定為單軸雙輪組BZZ-100，顯然是高于本次調(diào)查的情況。

根據(jù)表2分析，道路交通軸載輕型化的特點(diǎn)，雖然軸載在10～20 kN的單軸單輪組占的比重最大，但是若把地下道路標(biāo)準(zhǔn)軸載定為20 kN，顯然忽視了大型客車(chē)對(duì)道路的影響。軸載在10～60kN的單軸雙輪組占的比重98.4%，綜合考慮以上因素，將單軸雙輪組60 kN作為城市地下道路的標(biāo)準(zhǔn)軸載較為適宜。

2 地下道路復(fù)合式路面軸載換算方法

進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析，即把不同的軸載作用次數(shù)換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)，從而得出標(biāo)準(zhǔn)載荷的累計(jì)當(dāng)量軸次，以此作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析的基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù)。然而，用怎樣的軸載換算模型將不同類(lèi)型的軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載，實(shí)現(xiàn)不同軸載之間的當(dāng)量換算是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題。在我國(guó)，現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范以路表回彈彎沉值和彎拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)指標(biāo)；現(xiàn)行的水泥混凝土路面設(shè)計(jì)是以水泥混凝土板底疲勞應(yīng)力作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。國(guó)內(nèi)地下道路多采用復(fù)合式路面，其結(jié)構(gòu)組成以水泥混凝土為基層、瀝青混凝土為面層，即在水泥混凝土上鋪筑瀝青層的路面。該復(fù)合式路面不但具有連續(xù)配筋混凝土的高強(qiáng)度，還具有瀝青混凝土路面的行車(chē)舒適性和安全性。水泥混凝土作為剛性基礎(chǔ)，主要起承重作用，瀝青混凝土表面層主要起功能作用。這種路面應(yīng)用在地下道路內(nèi)可以彌補(bǔ)混凝土路面的不足，較為適宜地下道路交通量大、渠化交通復(fù)雜、車(chē)輛的加減速比較頻繁和安全防火性能要求高等特點(diǎn)。

海河?xùn)|路地下道路也采用復(fù)合式路面，路面結(jié)構(gòu)組合為面層為瀝青混凝土+基層選用連續(xù)配筋水泥混凝土，其間設(shè)置應(yīng)力吸收層。 由于水泥混凝土板的強(qiáng)度高，復(fù)合式路面路表彎沉值很小，瀝青面層一般處于受壓狀態(tài)，即使受拉其拉應(yīng)力也很小。因此，瀝青面層底部的彎拉應(yīng)力和路表彎沉值指標(biāo)幾乎不起控制作用。同樣，在車(chē)輛載荷的作用下，水泥混凝土路面板底拉應(yīng)力也很小，遠(yuǎn)不足以達(dá)到其疲勞極限。因此，水泥混凝土板底拉應(yīng)力也起不到很好地控制作用。建立基于瀝青面層底部的拉應(yīng)變、層間剪應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)的軸載換算公式。

2.1 軸載換算基本原則

各種軸載等效換算的方法都是以軸載對(duì)路面產(chǎn)生的效應(yīng)為依據(jù)的。當(dāng)路面達(dá)到破壞條件時(shí)，不同汽車(chē)輪軸載荷所需作用的重復(fù)次數(shù)是不同的。同一種路面結(jié)構(gòu)達(dá)到相同損壞極限狀態(tài)的任意兩種車(chē)輪載荷的作用次數(shù)之比稱(chēng)為等效系數(shù)（俗稱(chēng)為車(chē)輛換算系數(shù)）。等效系數(shù)的實(shí)質(zhì)是同一次造成的損傷率的反比。如果已知等效系數(shù)，則該系數(shù)與相應(yīng)軸重的載荷作用次數(shù)的乘積，就表示對(duì)路面結(jié)構(gòu)有相同的損傷的標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)。這樣，就可以把混合交通化為單一的標(biāo)準(zhǔn)軸載交通。不同軸載作用次數(shù)等效換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)的軸載換算系數(shù)

式中：fi為等效系數(shù)；Ns為標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)；Ni為非標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。

2.2 基于瀝青層底拉應(yīng)變指標(biāo)的軸載換算方法

目前，我國(guó)最新規(guī)范中對(duì)瀝青混凝土面層的疲勞開(kāi)裂損壞選用瀝青層層底面的拉應(yīng)力作為驗(yàn)算指標(biāo)，其最大拉應(yīng)力不得超過(guò)該材料的容許拉應(yīng)力（即疲勞強(qiáng)度）。實(shí)際上，瀝青混凝土層的疲勞壽命主要受拉應(yīng)變而非拉應(yīng)力控制，以拉應(yīng)變替代拉應(yīng)力可以更好地反映瀝青混凝土的疲勞特性。此外，目前還有多種不同的力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)程序考慮疲勞開(kāi)裂，使用瀝青層層底拉應(yīng)變作為臨界設(shè)計(jì)指標(biāo)。所以針對(duì)復(fù)合式路面瀝青面層的疲勞開(kāi)裂，建立以瀝青層底拉應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)的軸載換算公式。

1）軸載換算系數(shù)。軸載換算系數(shù)可由2種方法獲得，一種方法是先根據(jù)單軸雙輪的軸載形式推導(dǎo)出換算指數(shù)n，然后再引入2個(gè)統(tǒng)計(jì)變量即輪組系數(shù)C1與軸數(shù)系數(shù)C2調(diào)整不同軸載的換算系數(shù)。我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范即采取該法；另一種方法是先將載荷按輪組數(shù)與軸數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，分別推導(dǎo)其換算系數(shù)，本次采用此種方法。為得到瀝青層層底應(yīng)變與軸載之間的關(guān)系，應(yīng)用BISAR力學(xué)分析軟件計(jì)算在單軸單輪組和單軸雙輪組軸載作用下地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)瀝青層層底拉應(yīng)變。

2）軸載與輪壓關(guān)系。隨著軸重的增加，輪壓和接地面積也隨之增加，但輪胎間距即載荷當(dāng)量圓中心距離是不隨超載程度的變化而改變的，圓心距始終保持為31.95 cm。利用比利時(shí)的軸重與接地面積的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算不同軸重作用下的輪胎接地面積。

式中：A為輪胎接地面積，cm2；P為輪胎壓力，N。

依據(jù)當(dāng)前我國(guó)道路的實(shí)際情況，采用

3）路面結(jié)構(gòu)組合和參數(shù)取值范圍。依據(jù)文獻(xiàn)資料和實(shí)際運(yùn)營(yíng)地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的組合情況以及各結(jié)構(gòu)層的參數(shù)選取，所選的各層的模量、厚度和泊松比取值范圍見(jiàn)表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)組合和參數(shù)取值范圍

2.3 建立基于瀝青層層底拉應(yīng)變的軸載換算公式

當(dāng)以瀝青層層底拉應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)時(shí)，Pi的作用次數(shù)ni，應(yīng)按式（4）換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載P的當(dāng)量作用次數(shù)N。

式中：N為標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次，次/d；ni為被換算車(chē)輛的各級(jí)軸載作用次數(shù)，次/d；P為標(biāo)準(zhǔn)軸載，kN；Pi為被換算車(chē)輛的各級(jí)軸載，kN；C為輪組系數(shù)，單軸雙輪組取1，單軸單輪組取7.29。

2.4 基于層間剪應(yīng)力指標(biāo)的軸載換算方法

地下道路復(fù)合式瀝青路面層間處治是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，層間處治的設(shè)計(jì)、材料選擇和質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的使用性能。針對(duì)復(fù)合式瀝青路面層間結(jié)合剪切疲勞問(wèn)題，建立以層間剪應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)的軸載換算公式。為得到復(fù)合式瀝青路面層間剪應(yīng)力與軸載之間的關(guān)系，應(yīng)用BISAR力學(xué)分析軟件計(jì)算在單軸單輪組和單軸雙輪組軸載作用下地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)層間剪應(yīng)力，采用與上文計(jì)算瀝青層層底拉應(yīng)變相同的路面結(jié)構(gòu)的組合、材料參數(shù)以及所作用的軸載和輪壓。

對(duì)于層間剪切疲勞軸載換算而言，層間剪切疲勞等效可以依據(jù)層狀體系理論，計(jì)算得出單后輪軸雙輪組不同軸載比條件下的層間剪應(yīng)力。

當(dāng)以層間剪應(yīng)力為指標(biāo)時(shí)，Pi的作用次數(shù)ni，應(yīng)按式（4）換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載P的當(dāng)量作用次數(shù)N。n單軸雙輪組取3.24，單軸單輪組取3.83；C單軸雙輪組取1，單軸單輪組取10.75。

以單軸雙輪組60 kN作為城市地下道路復(fù)合式瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)軸載，其參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 60 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)的參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)城市地下道路交通軸載輕型化的特點(diǎn)，降低標(biāo)準(zhǔn)軸載是合理可行的，雖然軸載在10～20 kN的單軸單輪組占的比重最大，但是若把地下道路標(biāo)準(zhǔn)軸載定為20 kN，而忽視了大型客車(chē)對(duì)道路的影響，軸載在50～60 kN的單軸雙輪組占的比重較其他軸載范圍要稍大些，綜合考慮以上因素，將單軸雙輪組60 kN作為城市地下道路的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)軸載是適宜的。

2）由于受篇幅所限文中省略了換算指數(shù)的推導(dǎo)、瀝青層底的拉應(yīng)變和層間剪應(yīng)力力學(xué)分析的較長(zhǎng)過(guò)程，直接給出了地下道路復(fù)合式路面軸載換算公式供設(shè)計(jì)參考和商榷。