重載交通下山區公路路面病害與道路線形關系分析

■顏 海 胡昌斌 林歡歡

（1.福建省公路事業發展中心，福州 350899；2.福州大學土木工程學院，福州 350116）

山區公路路面經常過早發生病害，且病害的分布隨著線形的不同有所不同[1]。 山區公路的地形地貌比較復雜，特點是圓曲路段較多，尤其是彎坡組合路段較多。 當重載車輛的行駛速度較緩慢時，由于橫向超高的存在，車輪與路面之間的橫向摩阻力較大，車輪有向圓曲線路段內側滑移的趨勢；車速較高時，車輛受到較大的離心力，輪胎與路面之間的橫向摩阻力易達到路面的附著極限，車輛也就容易發生事故[2-3]。 在重載車輛作用下，山區道路的線形對重載車輛的動力學變化起一定的作用。 重載車輛在山區公路上行駛時，道路的轉彎段、道路的上坡段、道路的下坡段和直線段對車輛的受力分布有著不同的影響[4]。 另外，車輛類型也會影響其動荷載特性。 經調研發現，山區公路路面發生病害的種類較多[5]，而且在連續轉彎路段、彎坡路段的下坡路段更易發生破壞，這種現象可能與車輛在此位置的荷載有關。 以往對于路面發生過早破壞現象的研究，通常從路面結構、材料種類、材料的配合比、施工工藝以及養護等方面考慮，而對變化的道路線形因素考慮較少[6-7]。

為研究路面病害與道路線形的關系，同時考慮不同路段上重載車輛對路面病害的影響，本研究對福建省G319 漳州至龍巖路段、G324 漳州段以及G205 南平段進行了交通量的調查，尤其對G319 漳州段病害較為嚴重的K142+500～K153+500 段進行了病害統計，繪制出病害—線形圖，進一步揭示路面病害與道路線形之間的關系，分析了山區公路線形位置與路面過早發生破壞之間的特征。

1 交通量調查

本研究對不同路段的重載車輛進行了調查，調查結果見表1。

表1 不同路段交通量調查結果

G205 南平段交通等級為中交通， 其中雙軸車所占比例為74.4%，而三軸車、四軸車所占比例較少，共占20.6%。 G324 漳州段交通等級為重交通，其中車輛以雙軸車、三軸車為主，兩者所占比例共計80.4%，四軸車輛也占到15.6%，五軸車最少，僅為4.0%。G319 龍巖段交通等級為特重交通，雙軸車輛、 三軸車輛、 四軸車輛之和所占總體比例為90.8%，其中以三軸車、四軸車為主，分別所占總體比例的34.4%、30.4%。

通過調查還發現，各路段的超載現象都比較嚴重，其中國道319 龍巖段尤為突出。 G319 龍巖段內雙軸雙輪車輛、三軸雙輪車輛超載比例較大，占總車輛數的39.6%。 雙軸雙輪車輛、三軸雙輪車輛分別超載73%、88%， 其中三軸雙輪車輛的最高載重可達54 t，達到規范上限的2.45 倍。G324 漳州段上車輛類型主要為雙軸車、三軸車，單軸雙輪和雙軸雙輪車輛的超載分別為56.2%、51.2%。 G205 南平段主要車型為2 型雙軸車，但單軸雙輪車的超載百分比達到62.9%。

綜上，福建山區公路國道上的車輛主要為三軸車、四軸車等中大型貨車，且在交通日益繁重的當今社會，超載現象越來越普遍，這就致使路面過早發生破壞，道路的實際使用壽命遠低于其設計使用年限。

2 國道319 線南靖段路面情況

為進一步揭示重載交通下山區公路病害與道路線形的關系，本研究在G319 漳州—龍巖路段、G324 漳州段及G205 南平段重載交通情況調查的基礎上，對典型的山區公路代表路段G319 漳州段K142+500～K153+500 段進行病害統計分析。

2.1 路段基本情況

國道319 線南靖段前期為水泥混凝土路面，后期改為瀝青混凝土路面， 車輛的設計行駛速度為40 km/h，公路等級為二級。G319 南靖段的樁號范圍為K92+900～K153+700， 該路段總長為60.8 km，除集鎮路段外，大多數路段為雙向兩車道，路面寬度為12 m，屬于典型的山區公路重載交通路段。 對該路段進行交通量普查，調查結果顯示，該路段上、下行交通量分別為12204、13100 輛/晝夜。該路段實施白改黑項目之前，其上、下行舊板斷板率分別為12.4%、9.7%，實施白改黑項目之后，僅一年時間，道路出現了多處的病害，并加以修補。

該路段內共有7 種結構，病害調查涉及的路面結構有打裂壓穩段、涵洞段、過渡段3 種，其中打裂壓穩段結構最為普遍，其他結構的長度很少，路面結構如表2 所示。

表2 國道319 南靖段路面結構

2.2 線形狀況

G319 南靖段（K92+900～K153+700）屬于典型的山區公路，線形比較復雜。 平面線形有直線型、基本型、復曲線型、S 形曲線以及卵型。經統計，轉彎段的累計長度占該路段全長的43%，其中圓曲線半徑最小值為23 m， 圓曲線半徑小于200 m 的累計路段長度占該路段轉彎累計長度的58.5%，全路段上行方向的高程設計總體為上升趨勢，且最大縱坡達到了7.58%。 G319 南靖段道路線形見圖1。

圖1 縱斷面高程

對于彎道數目的調查，經過統計得知，在全路段內有260 個彎道。 由設計資料得知，在彎坡段，超高過渡段的長度大多情況下要比相應的緩和曲線的長度長，故超高過渡段起點往往在直線段上。平曲線半徑不大于200 m 的轉彎段的分布見圖3，可知在K93～K128 范圍內的小半徑彎道路段較K128～K153 范圍內的小半徑彎道路段少，另外，在K128～K153 范圍內存在較多半徑小于50 m 的彎道，最小圓曲線半徑達到23 m，可知后者的道路狀況較前者差。

圖2 彎道交點分布情況

2.3 氣候與交通狀況

漳州市南靖縣年平均溫度21℃，1985 年最高日氣溫36.3℃，最低-4.7℃；無霜期達330 d 以上，年日照2 000～2 300 h，年積溫7 701.5℃，年降雨量1 000～1 700 mm，雨季集中在3—6 月；年平均風力二級，每年6—9 月常有臺風襲來，最大風力達12 級；但在高溫季節，臺風也有助于降低氣溫和解除旱象；全年降水量可達1 319.7 mm 以上，全年日降水量≥0.1 mm 日數有179 d，≥50 mm 日數有2 d[8]。

國道319 南靖段屬于重載交通路段，該路段主要軸型為雙軸車、三軸車、四軸車以及五軸車，其所占總車輛比例分別為26.0%、34.4%、30.4%和4.0%。該路段車輛類型主要以三軸車、四軸車為主。 根據該路段設計資料可得，該路段的上、下行交通量分別為12 204、13 100 輛/晝夜，可知，下行交通量比上行交通量多896 輛/晝夜。對該路段的近5 年交通量進行統計分析，結果見圖3。將該路段歷年的統計交通量轉化為等效當量軸重，具體結果見圖4。

圖3 每晝夜交通車輛車型占比

圖4 每晝夜等效當量軸數

從圖4 可知，2012—2016 年內，國道319 南靖段有各種貨車，從小型貨車到集裝箱貨車，各類車輛的增長率分別為-7.15%、-21.08%、-16.95%、70.78%、71.81%。從中可以發現，小型貨車、中型貨車和大型貨車的數量呈現減少趨勢，但特大型貨車以及集裝箱貨車的數量有了較大的增長，這說明國道319 南靖段上的貨車類型向著多軸化、 重載車型的發展。從統計的等效當量軸數的角度來看，統計當量軸載數大致呈上升的趨勢，2016 年每晝夜等效當量軸數較2012 年增長28.22%，這說明國道319 南靖段的交通荷載呈現越來越嚴峻的形勢。

綜上所述，國道319 南靖段的交通量呈現日益嚴重的形勢， 車輛的發展類型由輕載逐漸向多軸、重載的方向發展，其中特大型貨車和集裝箱貨車的數量增加幅度較大。 道路結構設計在沒有發生優化的情況下， 路面將承受越來越嚴重的荷載負擔，致使路面過早發生破壞的現象。

3 現場病害調查

本次現場病害統計路段是G319 南靖段，樁號K142+500～K153+500 段總長為11 km。 該路段線形復雜、病害較多，因此該段為本次病害與線形關系調查的主要路段。 本段道路的特點線形比較復雜、重載車輛多、路面發生病害較多，能夠代表山區公路的眾多特點，因此選取本段用以研究道路線形與路面病害之間的關系；在現場病害調查時，不計橋頭、橋面以及涵洞處的病害；調查對象為病害修補的位置以及新出現的松散、車轍、坑槽和裂縫等。

3.1 病害類型

為了更好地理解路面病害與道路線形之間的關系，在此約定：直線路段為圓曲線半徑不小于550 m 的路段；平坡路段的縱坡不大于1%；彎坡路段的坡度大于1%、圓曲線半徑小于550 m。 根據對道路線形的約定，為了便于統計病害的位置與道路線形的關系，在此，把路線分為以下幾個方面：（1）根據平曲線與豎曲線的特性， 把線形分為平直線段、直坡段、彎道平坡段、彎坡段4 種；（2）縱坡根據坡度大小劃分為3 個區段：0%～3%、3%～5%、5%～8%；（3）根據轉彎位置的不同，將彎坡位置分為5 個區段：坡腳轉彎階段、上坡轉彎階段、坡頂轉彎階段、下坡轉彎階段、坡底轉彎階段。

路面發生病害種類較多，在此將路面出現的病害類型根據出現的頻率分為典型病害和特殊病害2 種。（1）典型病害。根據路面病害調查發現，該路段破損修補現象較多，尤其是下行方向。 在所有病害中，坑槽病害最多，其次是路面出現松散的現象較多。 部分路段出現車轍，但并不是太嚴重。 （2）特殊病害。 通過對該路段的調查發現，彎坡路段出現坑槽病害的現象居多，尤其在下坡彎轉路段、下坡坡底轉彎路段， 這些坑槽病害的一個顯著的特點是相鄰坑槽之間的距離差別不大，可視為等間距坑槽。

3.2 路面病害與道路線形的關系

通過對現場道路線形、病害的調查，為了便于觀察病害類型、位置與道路線形的關系，將病害的大致分布與道路線形繪于一張圖上，同時為了觀察病害的位置，在路線繪制過程中包含平面圖和縱斷面2 個主要內容，具體見圖5。

圖5 病害與路線分布圖

從圖5 可知：（1）雙向兩車道路面（K150+500～K151+500）發生破損的現象較雙向四車道路面（K152～K153+500）出現病害的概率大，這是因為道路由多車道變為雙向兩車道時，在日常車輛數不變的情況下， 路面受到車輛荷載作用的次數增加，破損處的瀝青路面殘余應力緩和時間段較多車道段，路面受損程度加?。唬?）下行方向的路面較上行方向的路面發生病害的程度更加嚴重。 通過現場路面病害調查以及車流量的觀察，不難發現：下行方向的重車數量較上行方向的重車數量多，這說明重載車行駛時輪胎對路面的作用力在一定程度上加劇了路面的破壞；（3）在坡度較大但路面長度較小的路段（K146）易出現路面修補現象；（4）在上坡急轉彎路段（K147+35、K149+800 等），路面易出現破損現象；（5）在轉彎上坡段（K149+900）、轉彎下坡段（K142+810）出現了等間距的坑槽現象。這說明在車輛經過連續多次轉彎后，車身容易出現俯仰現象，對路面產生間歇性的沖擊力，使路面發生破損；（6）長下坡且連續轉彎路段易出現病害。從圖5（c）中可以看出，沿下行方向為下坡路段，相對于（K145～K146）非連續下坡路段來說，車輛在連續下坡且連續反向轉彎路段，路面更容易磨損、坑槽等病害；（7）車輛在彎坡路段行駛時，內側車輪帶路面較外側車輪帶路面更易出現磨損以及坑槽等病害，如K149+900、K147+480～K147+510、K150+510～K150+600 等路段，這是因為車輛在轉彎路段行駛時，通常車速較低，車輛有向圓曲線內側滑移的趨勢，內側車輪的垂向力以及橫向力均有增大，同時對路面的作用力也加強，這樣就加劇了路面的破壞。

為進一步研究路面病害與道路線形、縱坡以及彎坡位置的關系，將病害與線形關系、病害與縱坡關系、病害與彎坡位置關系繪成圖，具體見圖6。

圖6 國道319 南靖段病害統計

從圖6 可知：（1）平縱組合線形、縱坡以及彎坡位置均對路面發生病害有著不同的影響；（2）從圖6（a）中可以看出，彎坡路段出現病害的現象較其他道路線形多，占病害總長度的56.6%，彎道平坡和直線坡度病害比例接近，分別占病害總長度的22.4%、18.45%。 直線段出現的病害較少，占病害總長度的2.55%，由此可以看出，不同的道路線形，病害發生的概率為：彎坡路段＞彎道平坡段＞直線坡度段＞直線段；（3）從圖6（b）可知，不同的縱坡對路面產生的病害分布有影響，但影響程度差別不大。 通過調查統計， 在坡度0%～3%、3%～5%、5%～8%范圍內，病害在各縱坡范圍內的長度所占病害總長度的比例分別為35.23%、30.81%、33.4%，縱坡段病害占總長度路段的40.5%，這說明縱坡對瀝青路面病害的分布影響較大；（4）從圖6（c）可知，不同的彎坡位置對于路面病害的分布有著不用的影響，其中下坡轉彎段出現的病害最多，下坡轉彎段病害長度占病害總長度41.63%， 坡底轉彎路段和坡腳轉彎路段出現的病害長度分別占病害總長度的20.12%、16.8%，上坡轉彎路段病害長度所占病害總長度的14.24%。坡頂轉彎段出現的病害相對較少，僅為7.13%。 由此看來，不同的彎坡位置發生病害的概率大小依次為：下坡轉彎路段＞坡底轉彎路段＞坡腳轉彎路段＞上坡轉彎路段＞坡頂轉彎路段。

4 現場試驗

本研究通過G319 線南靖段現場車輛動荷載測試試驗，從車輛輪胎與路面之間的接觸力來研究車輛在不同道路線形行駛過程中對路面的作用特性，進而揭示病害與道路線形之間的關系。

4.1 現場測試系統

本試驗采用型號為HFC4250KR1K3 的江淮牌的重型半掛牽引試驗車，采用型號為AKL9404GXH的開樂牌試驗掛車。 試驗車的滿載重量為50 120 kg，搭載LW-2T-60K-S 型測試傳感器和QuantumX 數據采集系統，見圖7。

圖7 六軸試驗車輛

根據調研，福建省山區公路線形復雜，主要有直線平坡、直線縱坡、轉彎平坡、轉彎縱坡4 種路線組合。 本次試驗選取更具有山區公路特點的G319典型路段K142+500～K153+500 段作為試驗路段。

4.2 結果分析

由于測試路段較長、工況復雜、數據量大且處理繁瑣，本研究選取具有代表性的路段進行車輛動荷載數據分析。 其中直線平坡為K151+940～K152+60 段，直線縱坡段為K148+440～K148 +580 段，轉彎平坡為K147+328～K147+470 段，轉彎縱坡為K144+680～K144+880 段。 由圖8～11 可知，六軸重載車輛在滿載情況下，在直線平坡路段、直線縱坡路段、轉彎平坡路段、轉彎縱坡路段上行駛時車輛動荷載變化特性不同。車輛動荷載的特性與道路線形有著密不可分的聯系。

圖8 直線平坡路段車輪垂向力變化

圖9 直線縱坡路段車輪垂向力變化

圖10 轉彎平坡路段車輪垂向力變化

圖11 轉彎縱坡路段車輪垂向力變化

路表不平整是導致車輛隨機振動的主要激勵來源，因此在直線平坡路段的垂向荷載也會出現隨機波動。 直線縱坡段（上坡）時，后軸車輪垂向力略微增加、前軸車輪垂向力略微減小，這是由于上坡時車輛整體重心后移，致使車輛后軸車輪沿垂直路面的作用力增加。 轉彎平坡段（左轉）前軸左側車輪垂向力先減小后增加；后軸左（右）側車輪垂向力先增加后減小。 連續轉彎縱坡路段，車輛外側車輪垂向力增加，內側車輪垂向力減小。

山區公路復雜變化的道路線形，尤其是車輛在連續、多次轉彎路段上行駛時，車輛易出現頻繁性、間歇性的制動現象，同時使得車輪與路面之間的荷載變化幅度加大。 車輛動荷載在不同路段上的波動程度從大到小排序為： 轉彎縱坡路段＞轉彎平坡路段＞直線縱坡路段＞直線平坡路段。 道路線形多次、連續變化誘發車輛頻繁性、 間歇性的制動現象，這是車輛發生俯仰現象的主要原因。

5 山區公路路面病害與道路線形關系分析

山區公路線形種類繁多，主要由平曲線的三要素（直線、平曲線、緩和曲線）組合而成。 其中，對平曲線而言， 其形式較多， 主要包括基本形、S 型、卵形、凸形、C 形、復合形曲線等。 對縱斷面而言，縱曲線類型主要有凸形曲線和凹形曲線。 不同的平曲線、豎曲線、橫向超高的組合，可得到多種復雜路線組合。 以重載交通國道319 南靖K142+500～K153+500 段為例， 依次闡述山區公路的路面病害特點以及山區公路路面病害與道路線形的關系。

5.1 山區公路路面的病害特征

（1）車道少的路段較車道數多的路段路面出現病害的現象多，如K150+500 兩車道路段的路面病害比K151+500～K153+500 四車道路段的路面病害嚴重；（2）在連續反向轉彎的上、下坡路段，路面容易出現大面積的病害，彎坡路段出現的病害占病害總長度的56.6%，其中下坡轉彎段路面更易出現病害，占病害總長度的41.63%，主要的病害類型為坑槽、表面磨損，車轍病害也有出現，如K148+700 處轉彎上坡段；（3）同一路段下，轉彎下坡段比轉彎上坡段更易出現病害。 如K145+600～K145+900、K146+500～K146+800、K147+700～K148；（4）連續下坡轉彎路段，在新連續修補的路段，又出現多出坑槽，如K146+500～K146+600、K147+600～K147+800 以 及K148+500 處；（5）在小半徑上坡轉彎段以及下坡轉彎段，路面出現等間距的坑槽現象，如K142+810～K142+910、K149+500～K149+900；（6）全程路段（K142+500～K153+500）共11 km，從圖6 可知下坡路段較上坡路段出現連續修補現象嚴重。

5.2 山區公路路面病害與道路線形的關系

（1）彎坡路段路面較平坡直線段路面易出現病害。 通過對國道319 南靖段調查發現，在連續轉彎的上下坡路段，路面易出現大面積的病害，病害的種類主要為坑槽和表面磨損，同時出現等間距坑槽這類典型的病害。 這是因為車輛經過連續反向轉彎后，車身會產生橫向的左右側傾，會加大車輪與路面的橫向力；由于存在連續的上下坡路段，車輛在行駛時間歇性、頻繁性的制動，會加大車輪與路面的縱向力，同時造成車輛在豎向方向的上下震動，車輪與路面的接觸力也會有突跳現象；（2）車道數較少的路段，路面易出現病害。 通過現場勘查發現，雙向兩車道路段遠比雙向四車道路段更容易發生路面破壞的現象。 分析認為在同等交通量或同等軸載數的情況下， 由于多車道數起到分流車輛的作用，當車道數較少時，單位時間內單向單車道路面受到等效軸載數比單向雙車道路面受到的等效軸載數多，路面受到車輛荷載作用的頻率加大，也促使路面出現破壞；（3）連續反向小半徑彎道路段和較大縱坡路段之間的線形組合，路面易出現坑槽病害。 在現場調查發現，在多次連續反向轉彎后的彎坡路段，當車輛下坡轉彎行駛時，車輛會在下坡轉彎處采取制動措施，此時車身不僅有橫向的向外側傾現象，經過多次點制動措施后，車身還會發生俯仰運動， 增加車輛的波動性和車輪垂向力峰值，在這種荷載作用下，路面將在車輪垂向力較大的峰值位置產生間歇性的破壞。 隨著路線趨于平緩，車輛俯仰行為所產生的能量逐漸降低，最終垂向力趨于由路面不平整度引起的圍繞某一值的上下穩定波動；（4）在連續下坡路段容易出現車轍病害。 經過對現場路面病害特點分布的調研發現，下坡路段的路面較上坡路段的路面易發生破損的現象，連續下坡路段病害更為明顯。同時通過對現場車輛行駛行為觀察發現，該路段重載車輛多為滿載或超載行駛，當車輛在較大縱坡路段行駛時，尤其是下坡路段路面車輛會控制車速以保障行車安全行駛，制動車輪與路面之間的縱向荷載增加，以及制動時車輪對路面的沖擊荷載增加，均促使了路面發生過早破壞現象。

6 結論

通過本研究的現場調查和試驗分析， 結論如下：（1）在車輛行駛行為易發生改變的位置（小半徑彎道路段、連續轉彎路段、下坡轉彎路段等），路面過早出現病害的現象較為嚴重。 調查顯示道路線形的變化，誘發了車輛行駛行為的改變；在特殊路段車輛動荷載的變化，加速路面發生破壞的進程；（2）車輛動荷載的特性與道路線形密切相關，其動荷載在路段上的波動程度排序為：轉彎縱坡路段＞轉彎平坡路段＞直線縱坡路段＞直線平坡路段。 道路線形多次、連續變化誘發車輛頻繁性、間歇性的制動等現象， 使得車輪與路面之間的荷載變化幅度加大，對路面易形成不同程度的沖擊荷載；（3）少車道路段比多車道路段容易出現病害，連續轉彎下坡路段比連續轉彎上坡路段路面更易出現病害。 公路線形對路面發生病害存在一定影響，各種線形對路面產生病害的概率不同，不同線形下路面發生破壞概率的大小為：彎坡路段＞彎道平坡路段＞直線縱坡路段＞直線路段；（4）不同的彎坡位置發生病害的概率依次為：下坡轉彎路段＞坡底轉彎路段＞坡腳轉彎路段＞上坡轉彎路段＞坡頂轉彎路段。 連續反向轉彎路段與上下坡組合線形下， 路面易出現病害，病害種類較多，主要為坑槽和表面磨損。