公路交通荷載的影響因素分析

□劉 放

公路建設(shè)除使得物流、運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)的發(fā)展都更加快速外，也可以使對(duì)外聯(lián)系和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展更為迅猛。但是如此快速發(fā)展的區(qū)域經(jīng)濟(jì)及其他行業(yè)使得道路承受更多的交通荷載，進(jìn)而使得路基面受到損害。路基面在不間斷的交通荷載下，會(huì)出現(xiàn)諸如開裂等現(xiàn)象，難以保障交通安全。增加道路的維護(hù)養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。基于動(dòng)三軸，許多專家對(duì)于交通荷載下不同類型的路基動(dòng)力特性做出了眾多研究[1～6]。

一、公路交通荷載的特點(diǎn)

可以使交通荷載受到影響的因素是極為多樣的。在公路交通過(guò)程中，有許多隨機(jī)事件或者不確定事件出現(xiàn)，這也對(duì)確定這種動(dòng)荷載添加了許多困難。車輛在行駛過(guò)程可以由人-車-路組成的系統(tǒng)，在自身和外部環(huán)境的激勵(lì)下，跳躍行進(jìn)在路面上，動(dòng)荷載可能或高于或低于靜荷載。所以，對(duì)于動(dòng)荷載的作用機(jī)理和特性的分析可以從人、車、路三個(gè)方面入手。

(一)人的影響。車輛駕駛員的操作穩(wěn)定性和駕駛習(xí)慣對(duì)動(dòng)荷載有重要影響，比如頻繁的剎車、加速、轉(zhuǎn)向等都能使車輪與地面產(chǎn)生影響。另外，駕駛員與前車保持的車距大小以及并排行駛時(shí)與相鄰車道車輛的水平距離，都會(huì)使路基中的土體單元所受到的動(dòng)荷載不同。車輛的“低擋高轉(zhuǎn)速”運(yùn)行會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的劇烈振動(dòng)，這種振動(dòng)力也可能交通荷載的形成造成影響。

(二)車的影響。

1.車速。查文華等[5]建立路基動(dòng)力分析耦合力學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值分析探求不同車速下路基的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律：路基中的豎向最大動(dòng)應(yīng)力隨行車速度增加而增大，但速度的提高對(duì)路基最大豎向動(dòng)應(yīng)力的影響并不顯著，并且增加的幅度隨速度的增大而減小。

由于車速越高車輛通過(guò)路基某土單元的時(shí)間較短，振動(dòng)頻率越高，而高頻主要是對(duì)車輛自身的振動(dòng)產(chǎn)生影響，對(duì)路基的影響較小，因此動(dòng)應(yīng)力峰值隨著行車速度的增加而增大的程度不太明顯。

2.載重。楊果岳等[6]通過(guò)常張高速公路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，車輛速度產(chǎn)生的路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)隨著速度的增加而減小，車輛荷載產(chǎn)生的應(yīng)力變化卻是隨著載重的增加而增加的，且速度引起的變化幅值要小于載重引起的變化幅值。這與查文華等[7]通過(guò)模型計(jì)算得到的結(jié)論一致，車輪靜載P0值越大，其所對(duì)應(yīng)的路基動(dòng)應(yīng)力最大值就越大。由此可見，重載車輛所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力較大，對(duì)路基的破壞作用也較大，室內(nèi)模擬交通荷載時(shí)必須要考慮載重的影響。

3.輪胎。汽車輪胎內(nèi)壓力、輪胎剛度、阻尼、輪胎與路面的附著系數(shù)均對(duì)交通荷載產(chǎn)生一定的影響。輪胎具有較大的阻尼時(shí)，能明顯減輕交通動(dòng)荷載的沖擊系數(shù)。輪胎與路面的附著系數(shù)，則會(huì)直接影響車輛加速或減速等情況下水平荷載的大小，影響路基土體的受力狀態(tài)。汽車輪胎內(nèi)壓力和剛度決定了輪胎、路面二者的接觸情況。正常來(lái)說(shuō)，二者接觸面上有不均勻的壓力分布，近橢圓形的接觸形狀。在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)道路時(shí)，上述因素基本可以忽略。將接觸壓力直接近似取內(nèi)壓力，假設(shè)壓力為均勻分布在接觸面上，將近橢圓形的接觸形狀記以圓形。通過(guò)式(1)確定圓的半徑。

(1)

式中：P——作用在車輪上的荷載(kN)；

p——輪胎接觸壓力(kPa)；

δ——接觸面當(dāng)量圓半徑(m)。

若車軸為雙輪組，則將兩側(cè)雙輪分別視為一個(gè)圓，命名為單圓荷載；如果分別視為兩個(gè)圓，則命名為雙圓荷載。通過(guò)式(2)、式(3)確定單、雙圓荷載當(dāng)量圓直徑，分別計(jì)為D、d：

(2)

(3)

(三)路的影響。

1.路面的平整度。經(jīng)過(guò)對(duì)比，得到了這樣的結(jié)論：路面不平是影響車輛荷載最主要的因素。其他因素相比于路面平整與否的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

通常來(lái)說(shuō)，即是新修道路也不可能是絕對(duì)平整的，并且不平整是隨機(jī)的，因此車輛行駛所產(chǎn)生的動(dòng)荷載也表現(xiàn)為隨機(jī)振動(dòng)，它與路面不平整振幅、不平整路面波長(zhǎng)、車速等因素相關(guān)，將路面的不平整簡(jiǎn)化為正弦函數(shù)，得到車輛的附加動(dòng)荷載為：

Fd=k1(y1-q1)=k1(y1-hsinωt)

(4)

其中：ω=2πυ/λ，v——車速，m/s；

λ——不平整路面的波長(zhǎng)；

h——不平整路面的振幅；

k1——輪胎的剛度。

通過(guò)模型分析得到隨著路面不平整波長(zhǎng)的變化，由于可能與車輛產(chǎn)生共振的原因，動(dòng)荷載系數(shù)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，動(dòng)荷載與路面波形的振幅成正比，動(dòng)荷載系數(shù)出現(xiàn)峰值時(shí)的波長(zhǎng)是隨著車速而變化的，即路面不平整度越差，則動(dòng)荷載系數(shù)越大，會(huì)極大地加速路面的破壞。這也是公路，尤其是高速公路必要要注重養(yǎng)護(hù)的原因。

2.路面結(jié)構(gòu)。路面按剛度主要分為柔性路面、剛性路面和半剛性路面，路面剛度大小對(duì)于交通荷載向路基傳遞和路基的變形穩(wěn)定性有著直接的影響。路基中豎向最大動(dòng)應(yīng)力隨著基層剛度的增加而降低，但基層剛度并不是越大越好，基層的模量必須保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，才能從整體上獲得好的路用性能。

二、結(jié)語(yǔ)

關(guān)于交通荷載對(duì)路基的影響，室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬可以模擬各種工況，選擇合理的參數(shù)模擬交通動(dòng)荷載，最大限度地反應(yīng)路基土體的真實(shí)受力情況，因此需要充分分析交通荷載的影響因素，為路基、路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。交通荷載各個(gè)因素的影響主要有以下方面。

(一)人的駕駛習(xí)慣對(duì)交通荷載有一定的影響。前后車距決定路基土體遭受受動(dòng)荷的周期，相鄰車距決定路基土體遭受雙向動(dòng)荷的大小，剎車則決定了路基土體受到的水平剪應(yīng)力大小。

(二)車速越高，路基內(nèi)動(dòng)應(yīng)力越大，頻率越高。車載越大，動(dòng)應(yīng)力越大。輪胎阻尼越大，接觸面積越大，動(dòng)應(yīng)力越小。車輛縱向振動(dòng)的頻率隨著軸數(shù)的增加而降低，能降低動(dòng)應(yīng)力的幅值。

(三)交通荷載的主要影響因素是路面平整度。路面平整度越差，產(chǎn)生的交通動(dòng)荷載越大；剛性較大的路面能擴(kuò)散交通動(dòng)荷載對(duì)路基的影響，對(duì)路基起到保護(hù)的作用；交通動(dòng)荷載向下傳遞是一個(gè)衰減的過(guò)程，高路堤能削弱對(duì)動(dòng)應(yīng)力的影響，但是卻增加了附加應(yīng)力，這是需要綜合考慮的問題。