基于高速公路舒適性的不均勻沉降標準研究

趙 巖

（長安大學公路學院1） 西安 710064） （西安公路研究院2） 西安 710054）

0 引 言

路面平整度是直接影響行車穩(wěn)定性和舒適性的關鍵因素，不良的路面平整度影響行車安全，降低行車舒適性，增大行車噪音污染，加速結構層破壞等.在路面平整度狀況同等的情況下，行駛速度越快，顛簸越大.因此，高速公路的路面平整度對行車速度、行車安全、行車的舒適性以及車輛及其零部件的壽命都有著直接影響.同時路面平整度也最能體現(xiàn)高速公路整體質量，即一條高速公路質量的好壞，集中體現(xiàn)在路面平整度上.宋永剛在研究路面平整度均方差指標與路面狀態(tài)之定量關系的基礎上，結合車輛在路面上行駛時所產(chǎn)生的振動對人體所產(chǎn)生的影響，分析研究了路面平整度均方差指標與行車舒適性之間的關系［1］.周俊等利用Cosmos／M軟件進行有限元分析，計算出各瀝青路面的豎向變形和側向隆起變形，分析不同路面結構在重載條件下的變形的規(guī)律，為路面設計根據(jù)不同的條件采用合理的路面結構提供參考［2］.造成平整度下降的一個主要原因是工后不均勻沉降.國內對此有過深入的研究［3－4］.

工后過大的不均勻沉降不僅破壞了乘車的舒適性及行車的平順性，而且使車輛無法快速行駛，且達不到高速公路“快速、安全、舒適”的目的［5］.目前基于舒適性不均勻沉降指標的研究很少有人涉及.

1 不均勻沉降控制模型的建立

路面行駛質量的好壞，同路面表面的平整度性、車輛懸掛系統(tǒng)的振動特性和人對振動的反應三方面因素有關.從路面狀況的角度，影響行駛質量的主要因素是路面平整度.在高等級公路上行駛的車輛，尤其是小轎車，車速快，道路稍不平整，就會造成車輛的顛簸，行車舒適性降低，嚴重時會危及行車安全.唐嫻研究得出“不均勻沉降對路面的基層和面層都有較大的影響.目前的沉降標準是以路面基層的層底彎拉應力作為控制指標進行計算的，是符合路面結構性能的.但是這樣計算出來的沉降指標，對汽車的行駛是不利的”的結論［6］.所以，高速公路能否成功控制路面平整度指標是決定汽車的行駛安全、高速、舒適的關鍵.

對于高等級公路的平整度各國都有較高的技術要求，但是標準并不統(tǒng)一，而且測量平整度的儀器又多種多樣.

參照我國《公路瀝青路面養(yǎng)護技術規(guī)范》（JTJ 073－2001）對平整度的養(yǎng)護質量標準（見表1），高速公路、一級公路平整度（3m直尺）要求為

表1 平整度、抗滑性能及破損狀況的養(yǎng)護質量標準［7］

圖1為路面不均勻沉降模型，為了簡化計算，不考慮其路線縱坡的影響，且該曲線是連續(xù)圓滑的，最大沉降點處于曲線中間，測量平整度的最大塞尺間隙在3m直尺的中部，且間隙值取式（1）上限7mm，則由不均勻沉降產(chǎn)生的坡度為

圖1 路面沉降斷面模型

所以，對高速公路瀝青路面來說，當不均勻沉降產(chǎn)生的坡度控制在0.47%以內，既不會影響路面功能性，也不會使路面結構損壞.因此可采用平整度指標作為高等級公路的不均勻沉降控制指標.

2 不均勻沉降控制標準

根據(jù)汽車的行駛性能與路面的功能性研究［8］，用汽車響應頻帶可以計算相應路面激勵波長，即

式中：λ為道路周期波長，m；v為汽車通過該路段的車速，m／s；f為波長對汽車產(chǎn)生的激勵頻率，s－1.

根據(jù)汽車試驗統(tǒng)計參數(shù)，汽車響應的最低頻率為fL＝0.5Hz.按式（3）計算，當設計車速為v＝120km／h，λ≈66m；當v＝100km／h，λ≈56 m.由于實際平均速度要底于設計車速，又考慮到應保證汽車的高速行駛，以及對于新建高速公路質量的高要求，速度也不應過低，λ應處于56～66m范圍為宜，本文取λ＝60m.因此，半波長為30m.按式（3）的0.47%進行計算得一般路段的不均勻沉降為14.1cm，取14.1cm作為不均勻沉降的限值.

3 工程驗算

結合蘭許高速典型斷面的沉降觀測并進行工后沉降預測結果［9］，采用本模型和計算公式確定的不均勻沉降控制標準，對實體工程進行分析.

目前不同國內高速公路初次養(yǎng)護時間一般在3～5a，取通車后1，2，3.5和5a4個時間點，采用雙曲線法進行工后沉降量預測結果，忽略橋梁及通道的沉降，并將差異沉降產(chǎn)生的坡度與本文的控制指標進行比較.選取2處典型觀測斷面結果，見表2.

表2 預測沉降及坡度計算

斷面K32＋850與K32＋879.25的差異沉降量3.5a后工后沉降為13.53cm，這段過度范圍內的坡度為0.46%，5a后差異沉降量為15.17cm，大于14.1cm的限值，過度范圍內的坡度為0.52%，略大于平整度控制指標要求的0.47%.也即是在通車后3.5a，該路段的平整度將影響到行車的舒適.

K34＋360斷面在5a后的差異沉降量為7.65cm，過度范圍內的坡度為0.28%，仍然可以保證行車的舒適.

該公路于2005年11月通車，截至本文發(fā)稿時運營已達6a.通過對觀測斷面的現(xiàn)場檢測，表2的兩個斷面工后實際沉降為13.8，6.7cm.對比發(fā)現(xiàn)，本文提出的舒適性模型具有較好的適用性和指導意義.

4 結 論

1）按照《公路瀝青路面養(yǎng)護技術規(guī)范》3m直尺建立的基于行車舒適性不均勻沉降標準即路面沉降區(qū)的坡度控制在0.47%以內，不會對行車舒適性和路面使用功能產(chǎn)生影響.

2）對車速100～120km／h車輛來說，道路周期波長取60m，采用計算模型得到的沉降限值為14.1cm.

3）通過對實體工程工后沉降預測比較，工后沉降標準控制在14.1cm以內，路面正常運營3.5～5a后，依然能保持良好的行車舒適度和服務性能.

4）本文確定的不均勻沉降控制標準可應用到新建項目的施工穩(wěn)定性監(jiān)控和安全評價.

［1］宋永剛.路面平整度均方差指標與行車舒適性的關系研究［J］.路面機械與施工技術，2005，22（12）：21－26.

［2］周 俊，劉定濤，張義朋，等.重軸載條件下瀝青路面豎向永久變形分析［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2010，34（4）：818－822.

［3］成輝平.高等級公路非飽和土路堤沉降研究［D］.西安：長安大學公路學院，1997.

［4］周虎鑫，陳榮生.軟基處理路堤工后沉降指標確定方法的研究［J］.華東公路，1995（3）：55－59.

［5］宮曉飛，劉佑榮.高速公路工后不均勻沉降造成的病害及危害特點［J］.西部探礦工程，2004（9）：193－195.

［6］唐 嫻.路基沉降機理與超限沉降標準的研究［D］.西安：長安大學公路學院，2003.

［7］交通運輸部.公路瀝青路面養(yǎng)護技術規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2003.

［8］姚祖康.路面，公路設計手冊［M］.2版.北京：人民交通出版社，1999.

［9］趙 巖.蘭許高速公路路基穩(wěn)定性分析［D］.西安：長安大學公路學院，2006.