基于高速公路舒適性的不均勻沉降標(biāo)準(zhǔn)研究

趙 巖

（長安大學(xué)公路學(xué)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響行車穩(wěn)定性和舒適性的關(guān)鍵因素，不良的路面平整度影響行車安全，降低行車舒適性，增大行車噪音污染，加速結(jié)構(gòu)層破壞等.在路面平整度狀況同等的情況下，行駛速度越快，顛簸越大.因此，高速公路的路面平整度對行車速度、行車安全、行車的舒適性以及車輛及其零部件的壽命都有著直接影響.同時路面平整度也最能體現(xiàn)高速公路整體質(zhì)量，即一條高速公路質(zhì)量的好壞，集中體現(xiàn)在路面平整度上.宋永剛在研究路面平整度均方差指標(biāo)與路面狀態(tài)之定量關(guān)系的基礎(chǔ)上，結(jié)合車輛在路面上行駛時所產(chǎn)生的振動對人體所產(chǎn)生的影響，分析研究了路面平整度均方差指標(biāo)與行車舒適性之間的關(guān)系［1］.周俊等利用Cosmos／M軟件進(jìn)行有限元分析，計算出各瀝青路面的豎向變形和側(cè)向隆起變形，分析不同路面結(jié)構(gòu)在重載條件下的變形的規(guī)律，為路面設(shè)計根據(jù)不同的條件采用合理的路面結(jié)構(gòu)提供參考［2］.造成平整度下降的一個主要原因是工后不均勻沉降.國內(nèi)對此有過深入的研究［3－4］.

工后過大的不均勻沉降不僅破壞了乘車的舒適性及行車的平順性，而且使車輛無法快速行駛，且達(dá)不到高速公路“快速、安全、舒適”的目的［5］.目前基于舒適性不均勻沉降指標(biāo)的研究很少有人涉及.

1 不均勻沉降控制模型的建立

路面行駛質(zhì)量的好壞，同路面表面的平整度性、車輛懸掛系統(tǒng)的振動特性和人對振動的反應(yīng)三方面因素有關(guān).從路面狀況的角度，影響行駛質(zhì)量的主要因素是路面平整度.在高等級公路上行駛的車輛，尤其是小轎車，車速快，道路稍不平整，就會造成車輛的顛簸，行車舒適性降低，嚴(yán)重時會危及行車安全.唐嫻研究得出“不均勻沉降對路面的基層和面層都有較大的影響.目前的沉降標(biāo)準(zhǔn)是以路面基層的層底彎拉應(yīng)力作為控制指標(biāo)進(jìn)行計算的，是符合路面結(jié)構(gòu)性能的.但是這樣計算出來的沉降指標(biāo)，對汽車的行駛是不利的”的結(jié)論［6］.所以，高速公路能否成功控制路面平整度指標(biāo)是決定汽車的行駛安全、高速、舒適的關(guān)鍵.

對于高等級公路的平整度各國都有較高的技術(shù)要求，但是標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，而且測量平整度的儀器又多種多樣.

參照我國《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ 073－2001）對平整度的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（見表1），高速公路、一級公路平整度（3m直尺）要求為

表1 平整度、抗滑性能及破損狀況的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［7］

圖1為路面不均勻沉降模型，為了簡化計算，不考慮其路線縱坡的影響，且該曲線是連續(xù)圓滑的，最大沉降點(diǎn)處于曲線中間，測量平整度的最大塞尺間隙在3m直尺的中部，且間隙值取式（1）上限7mm，則由不均勻沉降產(chǎn)生的坡度為

圖1 路面沉降斷面模型

所以，對高速公路瀝青路面來說，當(dāng)不均勻沉降產(chǎn)生的坡度控制在0.47%以內(nèi)，既不會影響路面功能性，也不會使路面結(jié)構(gòu)損壞.因此可采用平整度指標(biāo)作為高等級公路的不均勻沉降控制指標(biāo).

2 不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)汽車的行駛性能與路面的功能性研究［8］，用汽車響應(yīng)頻帶可以計算相應(yīng)路面激勵波長，即

式中：λ為道路周期波長，m；v為汽車通過該路段的車速，m／s；f為波長對汽車產(chǎn)生的激勵頻率，s－1.

根據(jù)汽車試驗統(tǒng)計參數(shù)，汽車響應(yīng)的最低頻率為fL＝0.5Hz.按式（3）計算，當(dāng)設(shè)計車速為v＝120km／h，λ≈66m；當(dāng)v＝100km／h，λ≈56 m.由于實際平均速度要底于設(shè)計車速，又考慮到應(yīng)保證汽車的高速行駛，以及對于新建高速公路質(zhì)量的高要求，速度也不應(yīng)過低，λ應(yīng)處于56～66m范圍為宜，本文取λ＝60m.因此，半波長為30m.按式（3）的0.47%進(jìn)行計算得一般路段的不均勻沉降為14.1cm，取14.1cm作為不均勻沉降的限值.

3 工程驗算

結(jié)合蘭許高速典型斷面的沉降觀測并進(jìn)行工后沉降預(yù)測結(jié)果［9］，采用本模型和計算公式確定的不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，對實體工程進(jìn)行分析.

目前不同國內(nèi)高速公路初次養(yǎng)護(hù)時間一般在3～5a，取通車后1，2，3.5和5a4個時間點(diǎn)，采用雙曲線法進(jìn)行工后沉降量預(yù)測結(jié)果，忽略橋梁及通道的沉降，并將差異沉降產(chǎn)生的坡度與本文的控制指標(biāo)進(jìn)行比較.選取2處典型觀測斷面結(jié)果，見表2.

表2 預(yù)測沉降及坡度計算

斷面K32＋850與K32＋879.25的差異沉降量3.5a后工后沉降為13.53cm，這段過度范圍內(nèi)的坡度為0.46%，5a后差異沉降量為15.17cm，大于14.1cm的限值，過度范圍內(nèi)的坡度為0.52%，略大于平整度控制指標(biāo)要求的0.47%.也即是在通車后3.5a，該路段的平整度將影響到行車的舒適.

K34＋360斷面在5a后的差異沉降量為7.65cm，過度范圍內(nèi)的坡度為0.28%，仍然可以保證行車的舒適.

該公路于2005年11月通車，截至本文發(fā)稿時運(yùn)營已達(dá)6a.通過對觀測斷面的現(xiàn)場檢測，表2的兩個斷面工后實際沉降為13.8，6.7cm.對比發(fā)現(xiàn)，本文提出的舒適性模型具有較好的適用性和指導(dǎo)意義.

4 結(jié) 論

1）按照《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》3m直尺建立的基于行車舒適性不均勻沉降標(biāo)準(zhǔn)即路面沉降區(qū)的坡度控制在0.47%以內(nèi)，不會對行車舒適性和路面使用功能產(chǎn)生影響.

2）對車速100～120km／h車輛來說，道路周期波長取60m，采用計算模型得到的沉降限值為14.1cm.

3）通過對實體工程工后沉降預(yù)測比較，工后沉降標(biāo)準(zhǔn)控制在14.1cm以內(nèi)，路面正常運(yùn)營3.5～5a后，依然能保持良好的行車舒適度和服務(wù)性能.

4）本文確定的不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)可應(yīng)用到新建項目的施工穩(wěn)定性監(jiān)控和安全評價.

［1］宋永剛.路面平整度均方差指標(biāo)與行車舒適性的關(guān)系研究［J］.路面機(jī)械與施工技術(shù)，2005，22（12）：21－26.

［2］周 俊，劉定濤，張義朋，等.重軸載條件下瀝青路面豎向永久變形分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2010，34（4）：818－822.

［3］成輝平.高等級公路非飽和土路堤沉降研究［D］.西安：長安大學(xué)公路學(xué)院，1997.

［4］周虎鑫，陳榮生.軟基處理路堤工后沉降指標(biāo)確定方法的研究［J］.華東公路，1995（3）：55－59.

［5］宮曉飛，劉佑榮.高速公路工后不均勻沉降造成的病害及危害特點(diǎn)［J］.西部探礦工程，2004（9）：193－195.

［6］唐 嫻.路基沉降機(jī)理與超限沉降標(biāo)準(zhǔn)的研究［D］.西安：長安大學(xué)公路學(xué)院，2003.

［7］交通運(yùn)輸部.公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2003.

［8］姚祖康.路面，公路設(shè)計手冊［M］.2版.北京：人民交通出版社，1999.

［9］趙 巖.蘭許高速公路路基穩(wěn)定性分析［D］.西安：長安大學(xué)公路學(xué)院，2006.