基于高速公路舒适性的不均匀沉降标准研究

赵 岩

（长安大学公路学院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响行车稳定性和舒适性的关键因素，不良的路面平整度影响行车安全，降低行车舒适性，增大行车噪音污染，加速结构层破坏等.在路面平整度状况同等的情况下，行驶速度越快，颠簸越大.因此，高速公路的路面平整度对行车速度、行车安全、行车的舒适性以及车辆及其零部件的寿命都有着直接影响.同时路面平整度也最能体现高速公路整体质量，即一条高速公路质量的好坏，集中体现在路面平整度上.宋永刚在研究路面平整度均方差指标与路面状态之定量关系的基础上，结合车辆在路面上行驶时所产生的振动对人体所产生的影响，分析研究了路面平整度均方差指标与行车舒适性之间的关系［1］.周俊等利用Cosmos／M软件进行有限元分析，计算出各沥青路面的竖向变形和侧向隆起变形，分析不同路面结构在重载条件下的变形的规律，为路面设计根据不同的条件采用合理的路面结构提供参考［2］.造成平整度下降的一个主要原因是工后不均匀沉降.国内对此有过深入的研究［3－4］.

工后过大的不均匀沉降不仅破坏了乘车的舒适性及行车的平顺性，而且使车辆无法快速行驶，且达不到高速公路“快速、安全、舒适”的目的［5］.目前基于舒适性不均匀沉降指标的研究很少有人涉及.

1 不均匀沉降控制模型的建立

路面行驶质量的好坏，同路面表面的平整度性、车辆悬挂系统的振动特性和人对振动的反应三方面因素有关.从路面状况的角度，影响行驶质量的主要因素是路面平整度.在高等级公路上行驶的车辆，尤其是小轿车，车速快，道路稍不平整，就会造成车辆的颠簸，行车舒适性降低，严重时会危及行车安全.唐娴研究得出“不均匀沉降对路面的基层和面层都有较大的影响.目前的沉降标准是以路面基层的层底弯拉应力作为控制指标进行计算的，是符合路面结构性能的.但是这样计算出来的沉降指标，对汽车的行驶是不利的”的结论［6］.所以，高速公路能否成功控制路面平整度指标是决定汽车的行驶安全、高速、舒适的关键.

对于高等级公路的平整度各国都有较高的技术要求，但是标准并不统一，而且测量平整度的仪器又多种多样.

参照我国《公路沥青路面养护技术规范》（JTJ 073－2001）对平整度的养护质量标准（见表1），高速公路、一级公路平整度（3m直尺）要求为

表1 平整度、抗滑性能及破损状况的养护质量标准［7］

图1为路面不均匀沉降模型，为了简化计算，不考虑其路线纵坡的影响，且该曲线是连续圆滑的，最大沉降点处于曲线中间，测量平整度的最大塞尺间隙在3m直尺的中部，且间隙值取式（1）上限7mm，则由不均匀沉降产生的坡度为

图1 路面沉降断面模型

所以，对高速公路沥青路面来说，当不均匀沉降产生的坡度控制在0.47%以内，既不会影响路面功能性，也不会使路面结构损坏.因此可采用平整度指标作为高等级公路的不均匀沉降控制指标.

2 不均匀沉降控制标准

根据汽车的行驶性能与路面的功能性研究［8］，用汽车响应频带可以计算相应路面激励波长，即

式中：λ为道路周期波长，m；v为汽车通过该路段的车速，m／s；f为波长对汽车产生的激励频率，s－1.

根据汽车试验统计参数，汽车响应的最低频率为fL＝0.5Hz.按式（3）计算，当设计车速为v＝120km／h，λ≈66m；当v＝100km／h，λ≈56 m.由于实际平均速度要底于设计车速，又考虑到应保证汽车的高速行驶，以及对于新建高速公路质量的高要求，速度也不应过低，λ应处于56～66m范围为宜，本文取λ＝60m.因此，半波长为30m.按式（3）的0.47%进行计算得一般路段的不均匀沉降为14.1cm，取14.1cm作为不均匀沉降的限值.

3 工程验算

结合兰许高速典型断面的沉降观测并进行工后沉降预测结果［9］，采用本模型和计算公式确定的不均匀沉降控制标准，对实体工程进行分析.

目前不同国内高速公路初次养护时间一般在3～5a，取通车后1，2，3.5和5a4个时间点，采用双曲线法进行工后沉降量预测结果，忽略桥梁及通道的沉降，并将差异沉降产生的坡度与本文的控制指标进行比较.选取2处典型观测断面结果，见表2.

表2 预测沉降及坡度计算

断面K32＋850与K32＋879.25的差异沉降量3.5a后工后沉降为13.53cm，这段过度范围内的坡度为0.46%，5a后差异沉降量为15.17cm，大于14.1cm的限值，过度范围内的坡度为0.52%，略大于平整度控制指标要求的0.47%.也即是在通车后3.5a，该路段的平整度将影响到行车的舒适.

K34＋360断面在5a后的差异沉降量为7.65cm，过度范围内的坡度为0.28%，仍然可以保证行车的舒适.

该公路于2005年11月通车，截至本文发稿时运营已达6a.通过对观测断面的现场检测，表2的两个断面工后实际沉降为13.8，6.7cm.对比发现，本文提出的舒适性模型具有较好的适用性和指导意义.

4 结 论

1）按照《公路沥青路面养护技术规范》3m直尺建立的基于行车舒适性不均匀沉降标准即路面沉降区的坡度控制在0.47%以内，不会对行车舒适性和路面使用功能产生影响.

2）对车速100～120km／h车辆来说，道路周期波长取60m，采用计算模型得到的沉降限值为14.1cm.

3）通过对实体工程工后沉降预测比较，工后沉降标准控制在14.1cm以内，路面正常运营3.5～5a后，依然能保持良好的行车舒适度和服务性能.

4）本文确定的不均匀沉降控制标准可应用到新建项目的施工稳定性监控和安全评价.

［1］宋永刚.路面平整度均方差指标与行车舒适性的关系研究［J］.路面机械与施工技术，2005，22（12）：21－26.

［2］周 俊，刘定涛，张义朋，等.重轴载条件下沥青路面竖向永久变形分析［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010，34（4）：818－822.

［3］成辉平.高等级公路非饱和土路堤沉降研究［D］.西安：长安大学公路学院，1997.

［4］周虎鑫，陈荣生.软基处理路堤工后沉降指标确定方法的研究［J］.华东公路，1995（3）：55－59.

［5］宫晓飞，刘佑荣.高速公路工后不均匀沉降造成的病害及危害特点［J］.西部探矿工程，2004（9）：193－195.

［6］唐 娴.路基沉降机理与超限沉降标准的研究［D］.西安：长安大学公路学院，2003.

［7］交通运输部.公路沥青路面养护技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2003.

［8］姚祖康.路面，公路设计手册［M］.2版.北京：人民交通出版社，1999.

［9］赵 岩.兰许高速公路路基稳定性分析［D］.西安：长安大学公路学院，2006.