行车荷载对路基路面影响分析

[摘 要] 路基、路面的服务对象是汽车，其主要功能是保证车辆平稳、安全、快速地通行。造成路基、路面结构损伤的主要原因是汽车荷载。所以，为保证路基、路面达到预定的功能，具有良好的结构性能，应对行驶中汽车进行系统分析，包括汽车轴载与轮载的大小与特性；在设计期限内，车辆通行量逐年变化的规律以及汽车轴型的分布；汽车的动态与静态荷载特性比较等。

[关键词] 汽车轴型；静态荷载；动态荷载；车辆通行量

[中图分类号] V447 [文献标识码] A 文章编号：1671-0037（2014）01-70-1

1 车辆的种类

道路上主要有两大类汽车车辆分别是货车和客车。其中货车分为整车、牵引式半挂车和牵引式挂车；客车分为大客车、中客车和小客车。

2 汽车对道路的静态压力

在道路上汽车有停止和行驶两种状态。当汽车处于停止状态时，对路面的作用力为静态压力，主要是经过轮胎施加给路面的垂直压力p。影响p的主要因素为：

2.1 轮载的大小；

2.2 轮胎的内压力pi；

2.3 轮胎与路面的接触形态和轮胎的刚度。

通常汽车轮胎与路面接触面上的压力p为（0.8～0.9）pi。货车轮胎的标准静内压力pi一般在0.4～0.7MPa范围内。一般情况下，我们假定接触面上压力是均匀分布并且直接取内压力作为接触压力。

通常情况下，我们将车轮何在简化成当量的圆形均布荷载。由此，当量圆的半径可由下列公式计算：δ=

式中：P为作用在车轮上的荷载；p为轮胎与路面接触面上的压力。

就双轮组车轴而言，若每一侧的双轮用两个圆表示称为双圆荷载；每一侧的双轮用一个圆表示，称为单圆荷载。则双圆荷载的当量直径d和单圆荷载的当量直径D计算公式分别如下：

d= D=

3 运动车辆对道路的动态影响

汽车在道路上等速行驶，路面会受到车轮给它的滚动摩擦力。路面承受的各种车轮施加的水平力Q与车轮和路面间的附着系数φ，及车轮的垂直压力P有关，即Qmax≤Pφ。

φ的取值一般不会超过0.7～0.8，影响φ值大小的因素主要是路面类型、行车速度和湿度，路面类型和湿度状态相同的状况下，车速越高，φ值越小；相同路面类型，干燥状态的φ值比潮湿状态高。要保证汽车正常行驶，路面表面必须保持足够的附着系数。附着系数的大小又与结构层承受的水平力荷载有关，特别是面层结构，直接遭受水平荷载作用，要是抗剪力不足，则会导致波浪、车辙、拥抱、推挤等破坏现象。

汽车因自身振动和路面不平，实际上给路面的荷载是轴载波动，而非静态轮载。轴载波动可近似地看做呈正态分布，它的标准差与轮载静载之比（变异系数），主要由以下因素影响：

3.1 路面平整度：平整度越差，变异系数越大。

3.2 车辆振动特性：减震装置越好，变异系数越小。

3.3 行车速度：车速越大，变异系数越大。

变异系数一般情况下都小于0.3.

在设计路面时，有时以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。冲击系数为振动轮载的最大峰值与静载之比。冲击系数与车速和路面平整性有关，车速越大，平整性越差，冲击系数就越大。

4 交通分析

每日在同一路段上，会有不同类型和不同轴重的汽车通过，而且通的车辆数也是不同的。因此我们必须将它们换算成当量标准轴载的累积作用次数。

4.1 交通量

在一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量就叫交通量。通过观测每日实际交通量可以算出初始年平均日交通量，计算公式如下：N1=/365

其中N1为初始年平均日交通量，Ni为每日实际交通量。

要想得知设计年限内累计交通量，我们还应该知道设计年限内交通量年平均增长量。在不同地区，不同经济条件下γ都是不一样的，越发达的地区γ增长较小，相对于发展中国家和经济开发区等，γ值一般较大。我们还应该通过观测的交通量来得出交通量的增长规律。确定γ值后，设计年限内累计交通量可由下式得出：[（1+γ）t-1]

式中：为设计年限内的累计交通量；N1为设计的初始年平均日交通量；γ为设计年限内交通量年平均增长率；t为设计年限。

4.2 轴载的组成与等效换算

对于路面结构的设计，除了要考虑设计期限内的累计交通量外，还应该考虑各级轴载所占比例，即轴载组成或轴载谱。可以根据交通调查得到的某一类车辆某日的轴载数，乘以其相对应的轴载谱百分率，得到所有车辆的各级轴载作用的次数。我们再以同一路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度这一原则，推算出轴载换算系数：

式中：ηi为i级轴载换算为标准轴载的换算系数；Ps为标准轴载，即双轮组单轴轴载100KN；Ns为标准轴载作用次数；Pi为i级轴载；Ni为i级轴载作用次数；α为反应轴型和轮组轮胎数影响的系数；n为与路面结构有关的系数。

收稿日期：2013年11月28日。