重载交通条件下交通参数分析及沥青路面设计

季新友，席华琳，任 勇

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

0 引言

由于经济持续高速增长，新旧经济体制过渡期市场行为一定程度的无序性，运输相关行业片面追求短期利益，公路运输缺乏有效的执法等原因，我国公路超载运输现象迅速发展，愈演愈烈。主要物流干道上实际行驶着大量轴重超过13t的车辆，这些车辆对路面的破坏是主导性的。由于超出了《公路沥青路面设计规范》（JTJ 014—97，以下简称“规范”）的适用范围，加上设计交通量参数的获取手段太过粗糙，路面设计与其服务对象存在比较大的偏差。面对全新重载交通道路的特征，重载当量换算往往超出常规的轴载换算范围，按一般规范方法换算势必产生较大误差，因而有必要对之进行研究，以便在路面设计中准确反映重载的影响。

1 府店公路货运超载现状

受榆林市交通局的委托，项目组对府店公路进行了全面的超载运输调查和分析，获得了宝贵的超载运输第一手资料。世界七大煤田之一的榆林神府煤田是我国著名的优质大煤田，作为神府煤田主要运输通道的府店公路，也因承担极繁重的运煤车辆而成为我国典型的超载道路。府店公路是陕煤外运的主要通道，是陕西省榆林地区东北部连接山西省通往北京最便捷的道路，也是府谷至内蒙古自治区新街国防公路的一部分。调查中，选取了原府店公路华龙桥收费站和孤山煤检站2个点。因此，本次调查结果应能相对很好地代表府店路上的运输情况。

为了说明超载的现状，引入“装载率”概念：

调查抽检了1422个有效样本，从店塔到府谷的车辆基本为运煤的满载车辆，满载率高达97.7%，单元货车的平均装载率为177%，半挂车的平均实载率为357%，全部货车的平均实载率为252%。90%以上的被查车辆超载。图1是标载5t以上货车超载情况。

图1 标载5t以上货车装载率分析

2 超载的主要路面相关特征

图2是府店路轴载抽查后轴重的分布情况。我国轴载管理工作的长时期欠缺，已经使得公路上运营的货车实际后轴重达到了世所罕有的规模。不仅是表征轴载整体情况的轴载谱峰值（约为13t）大大超出法定最大轴重，分布域（变异性）也很大，最大单轴重竟达30.3t。总的单轴超限率竟高达72%。在严格轴载管理的国家，货车后轴重分布是峰值接近法定限值的窄波。

图2 货车后轴轴重分布

由于高气压可以减少行车阻力，经常性超载的车辆一般都把气压打到超过标准气压，而且，从统计的角度看，日常装载货物越重的货车气压也倾向越大。对府店公路上行驶的运煤车调查发现，该公路上行驶的车辆轮胎额定内压为0.8MPa左右，但实际内压一般达到1.1MPa，而1s+1d～2d类的集装箱车轮胎内压高达1.3MPa。可以推断，府店公路上运煤车辆的轮胎接地压力远远大于规范中0.7MPa的设计标准。因为沥青面层的大部分破坏类型与接地压力的相关性超过与轴载的相关性，轮胎压力过度增加对沥青路面的危害最大，超载盛行是我国很多新通车沥青路面早期损坏的重要原因。对于水泥混凝土路面而言，轮压过大将加速路表面的冲刷。

由比利时设计法知，车辆的轴重与轮胎压力存在统计意义上的线性关系。本次调查结果证实了这一点。按照轮压范围分组统计轴重平均值，与轮压范围中值可以建立很好的相关关系，由计算可知，0.7MPa对应的平均轮重正好是约5t（轴重10t）。这一关系的现实意义在于：

a）在进行面层应力计算分析或结构设计时，在每一轴重下只计算最有现实意义的轮压及相应的荷载图式；

b）材料(尤其是面层材料)对荷载的应力响应往往体现为对接触压力的响应，材料组成设计试验时，为了能模拟重载交通，有必要增加试验的标准荷载级位，在很多情况下就是增加压力，增加多少，荷载和轮压的关系就是依据。

3 重载条件下的标准轴重

轴载标准与设计标准轴重，是关系密切但意义不同的2个概念。前者是通过立法确立的对运输相关行业具有普遍约束力的轴载最高限额；后者则是在对适用范围内的交通特性，是在对轴载组成进行广泛的调查和分析的基础上所选取的最能代表行车对路面作用的轴重，被用作换算和设计的标准和确定各种力学性能检测加荷级位的依据。在执法有保证的情况下，对路面起主要破坏作用的轴重往往富集于轴载标准附近。换言之，随着法律健全程度的提高，轴载标准中的单轴标准与设计标准轴重在数值上趋于相等。

如前述，我国道路的实际轴载谱整体大大超过10t轴载标准（见图2）。尽管这一现象已引起各方面的高度关注，但构建一个有效维护轴重标准的体系不是一蹴而就的。务实的做法是，接受轴重和轮路作用模式变化的事实，同时兼及即将推开的轴载管理，来进行重载交通路面的研究和设计。

我国路面设计方法有2个设计指标：容许弯沉指标和容许层底拉应力。容许弯沉公式是建立在大规模的道路交通量调查和路面状态评价基础上的，而容许弯拉应力公式则需要大量的材料疲劳试验结果。如果仍以10t作为标准轴重，为适用重载交通，势必要重新进行超大轴次和荷次的弯沉和拉应力公式的修订工作。这一途径除了带来巨大的工作量外，当消耗大量时间获得成果付诸应用时，情况肯定又有变化。倘若可以通过提高设计标准轴重的办法，使得重载交通当量轴次降到这些公式的适用范围内，则层底容许拉应力的原研究成果仍然有效，容许弯沉公式也仅需补充一些验证工作。

剔除路面极不友好车型后，重载交通的累计当量轴次（标准10t）一般不会超过1.2亿次。八五典型结构研究的结合通行能力不考虑超载的BZZ-100当量轴次最高分级为1800万次，而我国容许弯沉公式研究时，所调查公路的BZZ-100当量轴次最大为1470万次。如图2所示，轴载谱峰值位于12～14t之间，可以认为13t和14t作为重载交通标准轴重较为合适。相比之下，14t更代表当前一个阶段重载交通的状态，13t则在能够代表建立健全中的超限运输管理下的重载交通的状况。再考虑13t正好是法国等国家和IRU的单轴载标准，设计标准轴重推荐采用13t。

4 重载条件下的沥青路面设计

交通量当今国际上最具影响力的轴次换算方法仍然是美国的AASHTO方法，它是世界上唯一经历大规模环道试验路检验的设计方法，它采用的是现时服务能力指数（PSI）作为指标，以PSI=2.5或2作为破坏标准，比较适合于作为道路的寿命分析。AASHTO换算因次n是一个范围，与我国沥青路面轴载换算方法中的n接近。但AASHO试验路使用的卡车上安装的是充气压力75～80psi（0.52～0.56MPa）的斜纹（bias-bly）轮胎，而且，试验时的美国法定单轴载只有8.2t，目前也只有9.1t。此外，美国的轴载管理相当规范，根本不存在我国这么严重的超载现象。因此，在我国目前重载条件下的轴次换算，非常值得研究。

累计当量轴次换算公式多采用N1/N2=P2/P1的形式。我国规范在推导时采用N1/N2=（P2/P1）b/c形式，其中，c=0.2，为设计弯沉值lr=AN-c的回归指数。对90余种典型路面结构（施加由10t一直到18t单轴荷载）进行理论计算，得出在超载条件下b=1的结论。规范的b=0.87得到了山西弯沉实测的吻合结果，说明10t时路面结构的力学响应还处在线性阶段。但天津10～18t的弯沉实测得出b=1.26，表明重载条件下力学响应已经进入非线性阶段。理论分析和实测结果表明，随着轴载的增加路表弯沉和结构层层底拉应力逐渐增加，也就是说随着荷载的增加，沥青路面呈现出明显的非线性，这表明在轴载换算公式中，指数n不是一个定值，而是随轴载增大而增大。通过分析不同路面结构下轴载换算系数与轴载的关系发现轴载换算系数主要与轴载有关，因而忽略路面结构不同对轴载换算系数所造成的误差，利用回归分析可得到轴载换算系数与轴载的关系式：

式中：f1i、f2i——双轮组单轴载；

pi——换算为标准轴载；

ps——的轴载换算系数；

c1、——轴数系数；

c2、——轮组系数。

其他的重载研究者也都得出了超载时换算系数增大的结论。西安公路交通大学的王选仓教授在沥青路面上得出了类似结果，水泥混凝土路面更提出n=21的结论。同济大学的彭波对水泥混凝土路面的研究也得出规范公式低估重载破坏的结论。但是，一方面由于各研究结论实测验证均显不足；另一方面研究多从结构承载力入手，而重载造成的早期破坏，多为路面面层破坏。因此可以说，重载交通轴载换算的研究还很不成熟。

选好了合适的设计标准轴重，有了适用的换算公式，并不一定能保证得到正确的路面设计交通量参数。目前，各省在国道和主干线上，均设有连续或间歇式交通量观测站，积累了大量的资料，但这些资料都是通行能力口径统计的，不能直接用于轴次计算。参考图2可以看出，轴载谱以10t轴重为分界。小于10t的荷载表征区域内交通，特点是短途、少超载；大于10t的荷载表征区间交通，特点是长途、基本超载。在不同的地区，这2个域的强度是不一样的。过境交通为主的地区，主要是大于10t域，而在发达地区内部，或邻近城镇之间，则主要是小于10t域。同样的交通量和交通组成，实际当量轴次可能会相差很大。很多路面设计单位根据历史交通量资料，仅仅补充目测空、满载就计算当量轴次，是极不准确的。

图3是合理的累计轴次计算流程。本方案在府店一级公路的沥青路面设计中得到了很好的应用。本文有关超载特征的分析也遵循了这个流程。为了充分利用历史交通资料和其他通行能力口径统计的交通量资料，车型组成调查和轴载调查是必不可少的，前者在通行能力口径和路面损坏口径间建立接口，后者则可以得到每种车型的换算系数。各省很有必要建立年度的轴载调查和分析制度，全面监控全省范围的货运超载发展变化状况。所得的结果，还可以有如下三个用途：

a）作为新路建设和改扩建路面设计的轴次计算的依据；

b）可以评价超限管理措施的成效；

c）用以预估路面损坏，提高养护资金调配的科学性和合理性。

图3 累计轴次计算流程

5 结论

5.1 府店公路运输的超限超载现象已经到了触目惊心的程度，90%以上的载货货车超载，54%的后轴单轴重超限，轴载谱的第二峰值约为13t，最大后轴重竟达30.3t。91%的后轮胎压超过0.7MPa，更有49%超过1.1MPa，而1s+1d～2d类的集装箱车轮胎内压高达1.3MPa。轮胎压力与轴重存在很好的统计上的线性关系。

5.2 为了能使用现行路面设计方法设计超载路面结构，应对结构设计的加荷图式和设计标准轴重都做出相应调整，通过研究，推荐重载路面的设计标准轴重采用13t。

5.3 超载加荷图式使轴次换算系数增加了，推荐考虑材料非线性力学响应的轴次换算因次取值方案。

5.4 推荐了轴次计算的工作流程，其科学性、合理性已经得到了工程应用的检验。

[1]王选仓，等.重载沥青路面的研究[J].西安公路交通大学学报，1998，（4）：7-10.

[2]黄文元.高等级公路重载交通沥青路面设计的研究[D].北京：交通部公路科学研究所，2000.

[3]Peter ESebaaly,Nader Tabatabee.Effect of Tire Pa-rameterson Pavements Damage and Load-Equivalency Factors[J].Journal of Transportation Engineering,1992，（6）：805-819.

[4]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京：人民交通出版社，1998.

[5]李佩芬.津围公路路面弯沉分析[J].天津市政工程，2001，（6）：8-10.

[6]李毅，郭金胜，等.重载沥青路面厚度设计方法研究[J].云南交通科技，2001，（8）：27-29.