公路交通荷載的影響因素分析

□劉 放

公路建設除使得物流、運輸、農業的發展都更加快速外，也可以使對外聯系和區域經濟發展更為迅猛。但是如此快速發展的區域經濟及其他行業使得道路承受更多的交通荷載，進而使得路基面受到損害。路基面在不間斷的交通荷載下，會出現諸如開裂等現象，難以保障交通安全。增加道路的維護養護費用。基于動三軸，許多專家對于交通荷載下不同類型的路基動力特性做出了眾多研究[1～6]。

一、公路交通荷載的特點

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

(一)人的影響。車輛駕駛員的操作穩定性和駕駛習慣對動荷載有重要影響，比如頻繁的剎車、加速、轉向等都能使車輪與地面產生影響。另外，駕駛員與前車保持的車距大小以及并排行駛時與相鄰車道車輛的水平距離，都會使路基中的土體單元所受到的動荷載不同。車輛的“低擋高轉速”運行會造成發動機的劇烈振動，這種振動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]建立路基動力分析耦合力學模型，通過數值分析探求不同車速下路基的動力響應規律：路基中的豎向最大動應力隨行車速度增加而增大，但速度的提高對路基最大豎向動應力的影響并不顯著，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路基某土單元的時間較短，振動頻率越高，而高頻主要是對車輛自身的振動產生影響，對路基的影響較小，因此動應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]通過常張高速公路的現場試驗可知，車輛速度產生的路面動態響應隨著速度的增加而減小，車輛荷載產生的應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]通過模型計算得到的結論一致，車輪靜載P0值越大，其所對應的路基動應力最大值就越大。由此可見，重載車輛所產生的動應力較大，對路基的破壞作用也較大，室內模擬交通荷載時必須要考慮載重的影響。

3.輪胎。汽車輪胎內壓力、輪胎剛度、阻尼、輪胎與路面的附著系數均對交通荷載產生一定的影響。輪胎具有較大的阻尼時，能明顯減輕交通動荷載的沖擊系數。輪胎與路面的附著系數，則會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。汽車輪胎內壓力和剛度決定了輪胎、路面二者的接觸情況。正常來說，二者接觸面上有不均勻的壓力分布，近橢圓形的接觸形狀。在現實設計道路時，上述因素基本可以忽略。將接觸壓力直接近似取內壓力，假設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——接觸面當量圓半徑(m)。

若車軸為雙輪組，則將兩側雙輪分別視為一個圓，命名為單圓荷載；如果分別視為兩個圓，則命名為雙圓荷載。通過式(2)、式(3)確定單、雙圓荷載當量圓直徑，分別計為D、d：

(2)

(3)

(三)路的影響。

1.路面的平整度。經過對比，得到了這樣的結論：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。

通常來說，即是新修道路也不可能是絕對平整的，并且不平整是隨機的，因此車輛行駛所產生的動荷載也表現為隨機振動，它與路面不平整振幅、不平整路面波長、車速等因素相關，將路面的不平整簡化為正弦函數，得到車輛的附加動荷載為：

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；

h——不平整路面的振幅；

k1——輪胎的剛度。

通過模型分析得到隨著路面不平整波長的變化，由于可能與車輛產生共振的原因，動荷載系數會出現兩個峰值，動荷載與路面波形的振幅成正比，動荷載系數出現峰值時的波長是隨著車速而變化的，即路面不平整度越差，則動荷載系數越大，會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護的原因。

2.路面結構。路面按剛度主要分為柔性路面、剛性路面和半剛性路面，路面剛度大小對于交通荷載向路基傳遞和路基的變形穩定性有著直接的影響。路基中豎向最大動應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合理的范圍內，才能從整體上獲得好的路用性能。

二、結語

關于交通荷載對路基的影響，室內試驗和數值模擬可以模擬各種工況，選擇合理的參數模擬交通動荷載，最大限度地反應路基土體的真實受力情況，因此需要充分分析交通荷載的影響因素，為路基、路面結構的設計提供參考。交通荷載各個因素的影響主要有以下方面。

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

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

(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，產生的交通動荷載越大；剛性較大的路面能擴散交通動荷載對路基的影響，對路基起到保護的作用；交通動荷載向下傳遞是一個衰減的過程，高路堤能削弱對動應力的影響，但是卻增加了附加應力，這是需要綜合考慮的問題。