公路交通荷载的影响因素分析

□刘 放

公路建设除使得物流、运输、农业的发展都更加快速外，也可以使对外联系和区域经济发展更为迅猛。但是如此快速发展的区域经济及其他行业使得道路承受更多的交通荷载，进而使得路基面受到损害。路基面在不间断的交通荷载下，会出现诸如开裂等现象，难以保障交通安全。增加道路的维护养护费用。基于动三轴，许多专家对于交通荷载下不同类型的路基动力特性做出了众多研究[1～6]。

一、公路交通荷载的特点

可以使交通荷载受到影响的因素是极为多样的。在公路交通过程中，有许多随机事件或者不确定事件出现，这也对确定这种动荷载添加了许多困难。车辆在行驶过程可以由人-车-路组成的系统，在自身和外部环境的激励下，跳跃行进在路面上，动荷载可能或高于或低于静荷载。所以，对于动荷载的作用机理和特性的分析可以从人、车、路三个方面入手。

(一)人的影响。车辆驾驶员的操作稳定性和驾驶习惯对动荷载有重要影响，比如频繁的刹车、加速、转向等都能使车轮与地面产生影响。另外，驾驶员与前车保持的车距大小以及并排行驶时与相邻车道车辆的水平距离，都会使路基中的土体单元所受到的动荷载不同。车辆的“低挡高转速”运行会造成发动机的剧烈振动，这种振动力也可能交通荷载的形成造成影响。

(二)车的影响。

1.车速。查文华等[5]建立路基动力分析耦合力学模型，通过数值分析探求不同车速下路基的动力响应规律：路基中的竖向最大动应力随行车速度增加而增大，但速度的提高对路基最大竖向动应力的影响并不显著，并且增加的幅度随速度的增大而减小。

由于车速越高车辆通过路基某土单元的时间较短，振动频率越高，而高频主要是对车辆自身的振动产生影响，对路基的影响较小，因此动应力峰值随着行车速度的增加而增大的程度不太明显。

2.载重。杨果岳等[6]通过常张高速公路的现场试验可知，车辆速度产生的路面动态响应随着速度的增加而减小，车辆荷载产生的应力变化却是随着载重的增加而增加的，且速度引起的变化幅值要小于载重引起的变化幅值。这与查文华等[7]通过模型计算得到的结论一致，车轮静载P0值越大，其所对应的路基动应力最大值就越大。由此可见，重载车辆所产生的动应力较大，对路基的破坏作用也较大，室内模拟交通荷载时必须要考虑载重的影响。

3.轮胎。汽车轮胎内压力、轮胎刚度、阻尼、轮胎与路面的附着系数均对交通荷载产生一定的影响。轮胎具有较大的阻尼时，能明显减轻交通动荷载的冲击系数。轮胎与路面的附着系数，则会直接影响车辆加速或减速等情况下水平荷载的大小，影响路基土体的受力状态。汽车轮胎内压力和刚度决定了轮胎、路面二者的接触情况。正常来说，二者接触面上有不均匀的压力分布，近椭圆形的接触形状。在现实设计道路时，上述因素基本可以忽略。将接触压力直接近似取内压力，假设压力为均匀分布在接触面上，将近椭圆形的接触形状记以圆形。通过式(1)确定圆的半径。

(1)

式中：P——作用在车轮上的荷载(kN)；

p——轮胎接触压力(kPa)；

δ——接触面当量圆半径(m)。

若车轴为双轮组，则将两侧双轮分别视为一个圆，命名为单圆荷载；如果分别视为两个圆，则命名为双圆荷载。通过式(2)、式(3)确定单、双圆荷载当量圆直径，分别计为D、d：

(2)

(3)

(三)路的影响。

1.路面的平整度。经过对比，得到了这样的结论：路面不平是影响车辆荷载最主要的因素。其他因素相比于路面平整与否的影响几乎可以忽略不计。

通常来说，即是新修道路也不可能是绝对平整的，并且不平整是随机的，因此车辆行驶所产生的动荷载也表现为随机振动，它与路面不平整振幅、不平整路面波长、车速等因素相关，将路面的不平整简化为正弦函数，得到车辆的附加动荷载为：

Fd=k1(y1-q1)=k1(y1-hsinωt)

(4)

其中：ω=2πυ/λ，v——车速，m/s；

λ——不平整路面的波长；

h——不平整路面的振幅；

k1——轮胎的刚度。

通过模型分析得到随着路面不平整波长的变化，由于可能与车辆产生共振的原因，动荷载系数会出现两个峰值，动荷载与路面波形的振幅成正比，动荷载系数出现峰值时的波长是随着车速而变化的，即路面不平整度越差，则动荷载系数越大，会极大地加速路面的破坏。这也是公路，尤其是高速公路必要要注重养护的原因。

2.路面结构。路面按刚度主要分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面，路面刚度大小对于交通荷载向路基传递和路基的变形稳定性有着直接的影响。路基中竖向最大动应力随着基层刚度的增加而降低，但基层刚度并不是越大越好，基层的模量必须保持在一个合理的范围内，才能从整体上获得好的路用性能。

二、结语

关于交通荷载对路基的影响，室内试验和数值模拟可以模拟各种工况，选择合理的参数模拟交通动荷载，最大限度地反应路基土体的真实受力情况，因此需要充分分析交通荷载的影响因素，为路基、路面结构的设计提供参考。交通荷载各个因素的影响主要有以下方面。

(一)人的驾驶习惯对交通荷载有一定的影响。前后车距决定路基土体遭受受动荷的周期，相邻车距决定路基土体遭受双向动荷的大小，刹车则决定了路基土体受到的水平剪应力大小。

(二)车速越高，路基内动应力越大，频率越高。车载越大，动应力越大。轮胎阻尼越大，接触面积越大，动应力越小。车辆纵向振动的频率随着轴数的增加而降低，能降低动应力的幅值。

(三)交通荷载的主要影响因素是路面平整度。路面平整度越差，产生的交通动荷载越大；刚性较大的路面能扩散交通动荷载对路基的影响，对路基起到保护的作用；交通动荷载向下传递是一个衰减的过程，高路堤能削弱对动应力的影响，但是却增加了附加应力，这是需要综合考虑的问题。