重載交通條件下交通參數分析及瀝青路面設計

季新友，席華琳，任 勇

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

由于經濟持續高速增長，新舊經濟體制過渡期市場行為一定程度的無序性，運輸相關行業片面追求短期利益，公路運輸缺乏有效的執法等原因，我國公路超載運輸現象迅速發展，愈演愈烈。主要物流干道上實際行駛著大量軸重超過13t的車輛，這些車輛對路面的破壞是主導性的。由于超出了《公路瀝青路面設計規范》（JTJ 014—97，以下簡稱“規范”）的適用范圍，加上設計交通量參數的獲取手段太過粗糙，路面設計與其服務對象存在比較大的偏差。面對全新重載交通道路的特征，重載當量換算往往超出常規的軸載換算范圍，按一般規范方法換算勢必產生較大誤差，因而有必要對之進行研究，以便在路面設計中準確反映重載的影響。

1 府店公路貨運超載現狀

受榆林市交通局的委托，項目組對府店公路進行了全面的超載運輸調查和分析，獲得了寶貴的超載運輸第一手資料。世界七大煤田之一的榆林神府煤田是我國著名的優質大煤田，作為神府煤田主要運輸通道的府店公路，也因承擔極繁重的運煤車輛而成為我國典型的超載道路。府店公路是陜煤外運的主要通道，是陜西省榆林地區東北部連接山西省通往北京最便捷的道路，也是府谷至內蒙古自治區新街國防公路的一部分。調查中，選取了原府店公路華龍橋收費站和孤山煤檢站2個點。因此，本次調查結果應能相對很好地代表府店路上的運輸情況。

為了說明超載的現狀，引入“裝載率”概念：

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

圖1 標載5t以上貨車裝載率分析

2 超載的主要路面相關特征

圖2是府店路軸載抽查后軸重的分布情況。我國軸載管理工作的長時期欠缺，已經使得公路上運營的貨車實際后軸重達到了世所罕有的規模。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30.3t。總的單軸超限率竟高達72%。在嚴格軸載管理的國家，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，經常性超載的車輛一般都把氣壓打到超過標準氣壓，而且，從統計的角度看，日常裝載貨物越重的貨車氣壓也傾向越大。對府店公路上行駛的運煤車調查發現，該公路上行駛的車輛輪胎額定內壓為0.8MPa左右，但實際內壓一般達到1.1MPa，而1s+1d～2d類的集裝箱車輪胎內壓高達1.3MPa。可以推斷，府店公路上運煤車輛的輪胎接地壓力遠遠大于規范中0.7MPa的設計標準。因為瀝青面層的大部分破壞類型與接地壓力的相關性超過與軸載的相關性，輪胎壓力過度增加對瀝青路面的危害最大，超載盛行是我國很多新通車瀝青路面早期損壞的重要原因。對于水泥混凝土路面而言，輪壓過大將加速路表面的沖刷。

由比利時設計法知，車輛的軸重與輪胎壓力存在統計意義上的線性關系。本次調查結果證實了這一點。按照輪壓范圍分組統計軸重平均值，與輪壓范圍中值可以建立很好的相關關系，由計算可知，0.7MPa對應的平均輪重正好是約5t（軸重10t）。這一關系的現實意義在于：

a）在進行面層應力計算分析或結構設計時，在每一軸重下只計算最有現實意義的輪壓及相應的荷載圖式；

b）材料(尤其是面層材料)對荷載的應力響應往往體現為對接觸壓力的響應，材料組成設計試驗時，為了能模擬重載交通，有必要增加試驗的標準荷載級位，在很多情況下就是增加壓力，增加多少，荷載和輪壓的關系就是依據。

3 重載條件下的標準軸重

軸載標準與設計標準軸重，是關系密切但意義不同的2個概念。前者是通過立法確立的對運輸相關行業具有普遍約束力的軸載最高限額；后者則是在對適用范圍內的交通特性，是在對軸載組成進行廣泛的調查和分析的基礎上所選取的最能代表行車對路面作用的軸重，被用作換算和設計的標準和確定各種力學性能檢測加荷級位的依據。在執法有保證的情況下，對路面起主要破壞作用的軸重往往富集于軸載標準附近。換言之，隨著法律健全程度的提高，軸載標準中的單軸標準與設計標準軸重在數值上趨于相等。

如前述，我國道路的實際軸載譜整體大大超過10t軸載標準（見圖2）。盡管這一現象已引起各方面的高度關注，但構建一個有效維護軸重標準的體系不是一蹴而就的。務實的做法是，接受軸重和輪路作用模式變化的事實，同時兼及即將推開的軸載管理，來進行重載交通路面的研究和設計。

我國路面設計方法有2個設計指標：容許彎沉指標和容許層底拉應力。容許彎沉公式是建立在大規模的道路交通量調查和路面狀態評價基礎上的，而容許彎拉應力公式則需要大量的材料疲勞試驗結果。如果仍以10t作為標準軸重，為適用重載交通，勢必要重新進行超大軸次和荷次的彎沉和拉應力公式的修訂工作。這一途徑除了帶來巨大的工作量外，當消耗大量時間獲得成果付諸應用時，情況肯定又有變化。倘若可以通過提高設計標準軸重的辦法，使得重載交通當量軸次降到這些公式的適用范圍內，則層底容許拉應力的原研究成果仍然有效，容許彎沉公式也僅需補充一些驗證工作。

剔除路面極不友好車型后，重載交通的累計當量軸次（標準10t）一般不會超過1.2億次。八五典型結構研究的結合通行能力不考慮超載的BZZ-100當量軸次最高分級為1800萬次，而我國容許彎沉公式研究時，所調查公路的BZZ-100當量軸次最大為1470萬次。如圖2所示，軸載譜峰值位于12～14t之間，可以認為13t和14t作為重載交通標準軸重較為合適。相比之下，14t更代表當前一個階段重載交通的狀態，13t則在能夠代表建立健全中的超限運輸管理下的重載交通的狀況。再考慮13t正好是法國等國家和IRU的單軸載標準，設計標準軸重推薦采用13t。

4 重載條件下的瀝青路面設計

交通量當今國際上最具影響力的軸次換算方法仍然是美國的AASHTO方法，它是世界上唯一經歷大規模環道試驗路檢驗的設計方法，它采用的是現時服務能力指數（PSI）作為指標，以PSI=2.5或2作為破壞標準，比較適合于作為道路的壽命分析。AASHTO換算因次n是一個范圍，與我國瀝青路面軸載換算方法中的n接近。但AASHO試驗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，試驗時的美國法定單軸載只有8.2t，目前也只有9.1t。此外，美國的軸載管理相當規范，根本不存在我國這么嚴重的超載現象。因此，在我國目前重載條件下的軸次換算，非常值得研究。

累計當量軸次換算公式多采用N1/N2=P2/P1的形式。我國規范在推導時采用N1/N2=（P2/P1）b/c形式，其中，c=0.2，為設計彎沉值lr=AN-c的回歸指數。對90余種典型路面結構（施加由10t一直到18t單軸荷載）進行理論計算，得出在超載條件下b=1的結論。規范的b=0.87得到了山西彎沉實測的吻合結果，說明10t時路面結構的力學響應還處在線性階段。但天津10～18t的彎沉實測得出b=1.26，表明重載條件下力學響應已經進入非線性階段。理論分析和實測結果表明，隨著軸載的增加路表彎沉和結構層層底拉應力逐漸增加，也就是說隨著荷載的增加，瀝青路面呈現出明顯的非線性，這表明在軸載換算公式中，指數n不是一個定值，而是隨軸載增大而增大。通過分析不同路面結構下軸載換算系數與軸載的關系發現軸載換算系數主要與軸載有關，因而忽略路面結構不同對軸載換算系數所造成的誤差，利用回歸分析可得到軸載換算系數與軸載的關系式：

式中：f1i、f2i——雙輪組單軸載；

pi——換算為標準軸載；

ps——的軸載換算系數；

c1、——軸數系數；

c2、——輪組系數。

其他的重載研究者也都得出了超載時換算系數增大的結論。西安公路交通大學的王選倉教授在瀝青路面上得出了類似結果，水泥混凝土路面更提出n=21的結論。同濟大學的彭波對水泥混凝土路面的研究也得出規范公式低估重載破壞的結論。但是，一方面由于各研究結論實測驗證均顯不足；另一方面研究多從結構承載力入手，而重載造成的早期破壞，多為路面面層破壞。因此可以說，重載交通軸載換算的研究還很不成熟。

選好了合適的設計標準軸重，有了適用的換算公式，并不一定能保證得到正確的路面設計交通量參數。目前，各省在國道和主干線上，均設有連續或間歇式交通量觀測站，積累了大量的資料，但這些資料都是通行能力口徑統計的，不能直接用于軸次計算。參考圖2可以看出，軸載譜以10t軸重為分界。小于10t的荷載表征區域內交通，特點是短途、少超載；大于10t的荷載表征區間交通，特點是長途、基本超載。在不同的地區，這2個域的強度是不一樣的。過境交通為主的地區，主要是大于10t域，而在發達地區內部，或鄰近城鎮之間，則主要是小于10t域。同樣的交通量和交通組成，實際當量軸次可能會相差很大。很多路面設計單位根據歷史交通量資料，僅僅補充目測空、滿載就計算當量軸次，是極不準確的。

圖3是合理的累計軸次計算流程。本方案在府店一級公路的瀝青路面設計中得到了很好的應用。本文有關超載特征的分析也遵循了這個流程。為了充分利用歷史交通資料和其他通行能力口徑統計的交通量資料，車型組成調查和軸載調查是必不可少的，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。各省很有必要建立年度的軸載調查和分析制度，全面監控全省范圍的貨運超載發展變化狀況。所得的結果，還可以有如下三個用途：

a）作為新路建設和改擴建路面設計的軸次計算的依據；

b）可以評價超限管理措施的成效；

c）用以預估路面損壞，提高養護資金調配的科學性和合理性。

圖3 累計軸次計算流程

5 結論

5.1 府店公路運輸的超限超載現象已經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30.3t。91%的后輪胎壓超過0.7MPa，更有49%超過1.1MPa，而1s+1d～2d類的集裝箱車輪胎內壓高達1.3MPa。輪胎壓力與軸重存在很好的統計上的線性關系。

5.2 為了能使用現行路面設計方法設計超載路面結構，應對結構設計的加荷圖式和設計標準軸重都做出相應調整，通過研究，推薦重載路面的設計標準軸重采用13t。

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

5.4 推薦了軸次計算的工作流程，其科學性、合理性已經得到了工程應用的檢驗。

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