重载车辆对路面的动荷冲击作用分析

李晓娜，李云涛

(1.长沙理工大学;2.广西交通科学研究院)

近年来，随着我国经济的持续快速发展，道路交通行业亦得到了迅猛发展，道路交通运输行业出现了运量大、超载超限车辆多、车速偏高等的现象，严重影响了公路桥梁等基础设施的安全运营和长期性能。因此，车辆荷载作用下地面结构的动力响应及其结构设计问题，已受到国内外广泛关注。在车辆—地面结构动力系统动力学的研究中，首先需要对车辆荷载特性进行研究。目前，常用的车辆荷载主要有动力荷载、移动恒载、随机移动荷载等三种形式。后两种动荷形式固然有接近实际车辆—路面作用的优越性，但却增加了问题的复杂性。实际上，不平整地面结构所承受的车辆荷载具有大小、空间、时间上非均匀的随机特征。

国外有试验实测认为，交通荷载作用下地基的竖向土压力变化波形可采用半波正弦曲线来描述。然而，前人研究采用的车速普遍较低，大大低于等级公路的常见车速，且对车速、不平整、重载等多因素交互作用下的动载研究不够。因此，将路面平整度进行特征值简化，采用常用的1/4车辆模型，通过振动方程求解建立车辆动荷载模型，分析路面载重因素对其影响规律。

1 车辆动荷作用模型的建立

依据文献，将车辆简化为双自由度的1/4车辆模型，见图1，分别考察车辆在不同载重条件下的动荷系数。路面平整度以简化后的正弦波波长和波幅为表征指标。

图1 1/4车辆模型

其中m1为非悬挂系统质量，包括轮圈、轮胎、轮轴等;m2为悬挂系统质量，包括车厢、载重等;k1为轮胎刚度系数;k2为悬挂系刚度系数;c1为轮胎阻尼系数;c2为悬挂系缓冲器阻尼系数;y1为下自由度垂直绝对位移;y2为上自由度垂直绝对位移;y0为路面不平度激励。根据达朗贝尔原理，二自由度车辆模型的振动微分方程为

式中：g为重力常数;pd(t)为车辆附加动荷载。

2 不同载重条件对车辆动载的影响

重点考虑重载的影响，通过动载系数表达重载车辆行驶于不平整路面带来的冲击破坏作用。车辆满载m1=550 kg，m2=4 450 kg，超载率是在满载的基础上计算。为研究高速与重载的相互作用下的车辆动载，取车速恒为100 km/h。表征路面平整度的波长λ依次取1 m、10 m、30 m、40 m，波幅h依次取0.002 m、0.005 m、0.01 m、0.02 m。其他参数取值见表1。

表1 1/4车辆模型参数

图2是由式(2)计算得到以载重为自变量时的最大动荷系数。从图2中可以看出，不同平整度条件下，车辆的最大动荷载系数在不同的超载率范围内变化趋势不尽相同。但可以明显看出，波幅越大(路面平整度越差)，车辆动荷载系数越大。在图(a)～(c)中，曲线整体呈递减趋势，虽然在超载很严重(超载率为50% ～100%)的情况下，(a)、(b)两图的最大动荷系数普遍偏小，均在1.16以下。究其原因，这应该是路面平整度状况、车辆行驶速度及载重状态等多因素交互作用的结果。

更有意思的是，(c)、(d)两图的曲线峰值接近(1.75左右)，然而曲线形状却差异很大。(c)的曲线走向接近指数函数曲线形式，在超载率为0时(即满载，无超载的情况)出现峰值;而(d)呈现出开口向下的抛物线形式，在超载率约70%的情况下出现峰值。对比4幅图，如果以波长为自变量来考虑，4幅图的曲线有整体从短波长向长波长平移的趋势。这是因为，实际行驶的车辆在受到随机的路面平整度因素影响的同时，还受到车辆自身悬挂系统和非悬挂系统振动的自振频率及其与路面的共振的影响。平整度、车速、载重各参数在变化时，这个复杂的振动系统将重新调整振动状态，表现为不同的动载作用和峰值范围。

根据邓学钧等人的研究，单因素条件下最大动荷载系数与车速呈正相关关系，即载重状态和路面平整度条件一定时，车辆行驶速度越快，对路面产生的动荷冲击作用越强烈;而载重与最大动荷系数呈负相关关系，即车辆行驶速度和路

③回填压脚。为提高滑坡西侧段坡体的稳定性，减少抗滑桩数量，对该段坡脚采取了回填压脚措施，并压实。回填高度至路基设计标高(约340 m)，边部以1∶1.5填方坡率放坡至地面，具体可根据现场地形地物情况进行调整。回填压脚用料可采用上部滑坡体削方产生的土石方，减少废方。

④综合治水。鉴于本滑坡稳定性对水相当敏感，本次治理设计将治水作为一个重点项目。

为防止在雨季地下水含量提高而软化滑动带，提高滑动带强度，在二级平台位置内侧起往上1 m位置设置一排仰斜排水孔。仰斜排水孔横向间距5 m，孔径110 mm，仰角5°，每孔深25 m。孔内安放直径为90 mm的PVC花管。同时在二级平台内侧设置排水沟，仰斜排水孔排水至该排水沟内。排水沟通过引水沟接入路基排水系统。

首先，可以王国维词学为突破口，梳理围绕《人间词话》所展开的词体美学方面的阐发和论争，以其接受史研究展现现代词学家有关词体美学观念的分歧，以及背后的学术渊源。王国维以“境界”为中心，开创新的词学批评范式③。关于王国维的境界说历来争论不断，我们可以此为切入点考察现代词学家的境界观。例如缪钺、浦江清对王国维“境界”的阐发，任访秋、朱光潜的新解，唐圭璋、夏承焘、詹安泰的质疑，以及顾随在其基础上所提出的“高致”说等，以此呈现在现代文论的发展场域中，持不同文学观念的学人对于境界乃至词体美感特质理解的差异性，反顾现代美学观念在词学话语中的多种面相。

按平面图所示位置结合实际地形在滑坡周界外5～50 m外修建截水沟，以便将滑坡体以外的水尽快排出，防止地表水进入滑体内而恶化滑坡稳定性。

⑤夯填裂缝。滑体后缘的凹槽、滑体上的裂缝以及滑体后缘的裂缝需开挖后再用粘土进行夯填，夯填要密实。不得使滑体后壁处形成临空面。

⑥路基恢复。抗滑桩施工完毕再进行滑体前缘路基形态的恢复。且路基恢复时，在挖至路床底部标高后，再往下反开挖2.0m，对开挖面进行冲击碾压处理后再进行回填，以确保压实度满足规范要求，同时以避免开挖滑体前缘引起滑体复活。

(2)圆形截面抗滑桩分项设计。圆形截面抗滑桩均采用钻孔灌注桩。

第一级圆形截面抗滑桩编号为Y1型抗滑桩，布置在滑坡体中部。在抗滑桩桩型上拟采用直径1.5 m的钻孔桩。桩心间距2.5 m(沿路线走向方向38.65°)。桩长9～16 m，主滑断面处采用16 m桩长，往滑体两侧逐渐减小桩长。桩深入中风化砂岩深度须达到总桩长的1/2。

第二级圆形截面抗滑桩编号为Y2型抗滑桩，布置于路堑边坡一级平台，根据计算结果，抗滑桩拟采用直径1.5 m的钻孔桩，分两排布置。每排桩桩心间距3.65～4.15 m(沿路线走向方向 38.65°)，排距 3.0 m(沿滑坡主轴方向153.35°)。桩长18～25 m，在主滑断面处采用 25 m 桩长，往滑体两侧逐渐减小桩长。桩深入滑面以下深度须达到总桩长的1/2。

抗滑桩均采用C30混凝土浇筑。

抗滑桩按抗弯构件进行设计。

①Y1圆形截面抗滑桩设计(第一级抗滑桩，布置于滑体中部位置)

a设计基本参数

桩长h=16 m;受荷段h1=8 m;锚固段总长h2=8 m。桩截面：圆桩，直径1.5 m，沿路线走向方向桩心间距2.5 m。

地基系数 K=0.4×106kPa/m。

桩身混凝土强度等级：C30。

b桩身内力计算

采用抗滑桩计算程序进行桩身内力计算。

桩身最大剪力 Qmax=3 375 kN;最大弯矩 Mmax=10 069 kN·m。按弯矩、剪力进行纵筋、箍筋配筋。

②Y2圆形截面抗滑桩设计(第二级抗滑桩，布置于路堑边坡一级平台)

a设计基本参数

桩长h=25 m;受荷段h1=12.5 m;锚固段总长 h2=12.5 m。桩截面：圆桩，直径1.5 m。分两排布置。每排桩沿路线走向方向桩间距3.65～4.15 m，沿滑坡主轴方向的排距为3.0 m。地基系数K=0.12×106kPa/m。桩身混凝土强度等级：C30。

③桩身内力计算。采用抗滑桩计算程序进行桩身内力计算。

桩身最大剪力 Qmax=3 135 kN;最大弯矩 Mmax=14 368 kN·m。按弯矩、剪力进行纵筋、箍筋配筋。

高速公路滑坡防治需要全面考虑，在进行设计时应贯彻以下原则：(1)充分考虑滑坡的变形破坏机制，力求对症下药，安全有效;(2)滑坡地质结构体与防护工程结构最佳配合;(3)技术可行，经济合理，施工较方便;(4)地形设计、地质设计与生态设计三者相结合。

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［1］公路路基设计规范(JTG D30-2004)［S］.

［2］建筑边坡工程技术规范(GB50330-2002)［S］.

［3］混凝土结构设计规范(GB50010-2002)［S］.

［4］地质灾害防治工程设计规范(DB50/5029-2004)［S］.