道路交通荷載橫向分布特性分析＊

趙延慶，王國(guó)忠，譚憶秋

（1.大連理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧大連 116024；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

交通荷載是進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)時(shí)最重要的輸入?yún)?shù)，也是變異性最大、最難準(zhǔn)確測(cè)定的參數(shù).尤其是在新建路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在確定交通荷載參數(shù)時(shí)往往采用推薦值.橫向分布是交通荷載的一個(gè)重要特性，橫向分布主要用方向分布系數(shù)和車道分布系數(shù)來(lái)描述.方向分布系數(shù)用來(lái)描述一條道路在不同交通方向上交通量的差別；通常用某一個(gè)行駛方向上的卡車交通量在雙向卡車交通量中所占的比例來(lái)表示.方向分布系數(shù)較大的方向也稱為設(shè)計(jì)方向.車道分布系數(shù)用來(lái)描述在一條道路的某一交通方向上卡車數(shù)量在不同車道之間的分布；通常需確定各個(gè)車道上卡車數(shù)量在該方向所有卡車數(shù)量中所占的比例，最大的比例稱為車道分布系數(shù)，其對(duì)應(yīng)的車道稱為設(shè)計(jì)車道［1－2］.本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得出方向分布系數(shù)和車道分布系數(shù)的典型值，并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析，供路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)使用.

1 方向分布系數(shù)分析

中國(guó)目前在許多道路上實(shí)行計(jì)重收費(fèi)，并且在高速公路上基本實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)計(jì)重收費(fèi)，計(jì)重收費(fèi)數(shù)據(jù)包含了車輛的類型、數(shù)量、軸重、軸型和輪胎組成等信息.本文分別收集了江蘇和山西省高速公路網(wǎng)中主線收費(fèi)站上行和下行兩個(gè)交通方向的計(jì)重收費(fèi)數(shù)據(jù)，對(duì)于每一個(gè)收費(fèi)站，因通過(guò)各收費(fèi)亭的車輛組成可能相差很大，故收集了整個(gè)斷面所有收費(fèi)亭的數(shù)據(jù)，即收費(fèi)站的全部數(shù)據(jù).由于高速公路實(shí)行聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，一般只在出口收費(fèi)站埋設(shè)了相關(guān)檢測(cè)設(shè)備，而在入口處沒有埋設(shè)，所以對(duì)于入口車輛，是通過(guò)檢索整個(gè)計(jì)重收費(fèi)數(shù)據(jù)庫(kù)，找到該車輛在其他收費(fèi)站出網(wǎng)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)作為分析所用的數(shù)據(jù).

本文中所收集的計(jì)重收費(fèi)數(shù)據(jù)如表1所示.其中有些斷面的數(shù)據(jù)收集時(shí)間大于一年，為了消除季節(jié)變化的影響，在分析中統(tǒng)一采用一整年的數(shù)據(jù).由于兩軸四輪車輛（主要為小轎車）對(duì)于路面結(jié)構(gòu)的破壞作用很小，在路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中可以忽略不計(jì)［3－4］，故在分析中剔除兩軸四輪車輛.為表述方便，將兩軸四輪以上車輛（包括貨車和客車）統(tǒng)一稱為卡車［2，5］.分別統(tǒng)計(jì)了各斷面上行和下行方向卡車的數(shù)量，進(jìn)而求得各斷面的方向分布系數(shù)，如圖1所示.由圖1可見，方向分布系數(shù)主要集中在50%～60%，表明卡車數(shù)量在兩個(gè)方向的差別并不大，該方向分布系數(shù)范圍和美國(guó)最新推出的AASHTO 2002路面力學(xué)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法中的推薦范圍一致［2］.

表1 計(jì)重收費(fèi)斷面信息Tab.1 Information on toll station sections

圖1 各斷面方向分布系數(shù)Fig.1 Directional distribution factors for various sections

雖然兩個(gè)方向的卡車數(shù)量接近，但是卡車的裝載率可能會(huì)有較大的差別，主要體現(xiàn)為卡車在一個(gè)方向上裝載重型貨物，而在另一個(gè)方向上裝載輕型貨物或空車返回.為此，利用計(jì)重收費(fèi)數(shù)據(jù)中各車輛的軸重、軸組及輪組信息，計(jì)算了各斷面重交通方向上當(dāng)量軸載作用次數(shù)在兩個(gè)方向總作用次數(shù)中所占的比例.分別利用中國(guó)規(guī)范中以彎沉和半剛性材料層底彎拉應(yīng)力為控制指標(biāo)時(shí)的當(dāng)量軸載換算公式進(jìn)行了分析［1］.利用計(jì)重收費(fèi)數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)量軸載作用次數(shù)的方法詳見文獻(xiàn)［6］.分析結(jié)果如圖2和圖3所示，由圖可見，重交通方向ESAL比例的變化范圍明顯大于方向分布系數(shù)，基本上為50%～85%.所以當(dāng)兩個(gè)方向的交通荷載特性存在明顯區(qū)別時(shí)，應(yīng)對(duì)兩個(gè)方向的路面結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計(jì).

圖2 各斷面重交通方向ESAL所占比例（彎沉控制）Fig.2 Percentage of ESAL in heavy traffic direction for various sections（deflection control）

圖3 各斷面重交通方向ESAL所占比例（彎拉應(yīng)力控制）Fig.3 Percentage of ESAL in heavy traffic direction for various sections（flexural stress control）

2 車道分布系數(shù)分析

由于計(jì)重收費(fèi)數(shù)據(jù)是在收費(fèi)亭測(cè)量并記錄的，此時(shí)車輛已駛離了原先所占用的車道，所以無(wú)法用計(jì)重收費(fèi)數(shù)據(jù)對(duì)車道分布系數(shù)進(jìn)行分析.為此本文在江蘇、山東、山西和遼寧4省共選取了25條道路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)交通攝像，所選擇的道路包括不同等級(jí)、不同車道數(shù)及交通組成.在道路適當(dāng)?shù)奈恢冒卜艛z像機(jī)，連續(xù)拍攝各車道通過(guò)的車輛，要求拍攝角度能清楚識(shí)別各個(gè)車輛的軸載組成，以準(zhǔn)確地確定車輛類型，必要時(shí)采用兩臺(tái)攝像機(jī)從不同角度同步攝像，每個(gè)斷面交通攝像時(shí)間大約為10h.攝像完成后，在室內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行分析，讀取每個(gè)車輛的軸載組成、類型、所在車道等信息.統(tǒng)計(jì)各個(gè)車道上卡車（2軸4輪以上車輛）的數(shù)量，進(jìn)而確定各斷面的車道分布系數(shù).攝像斷面信息及車道分布系數(shù)分析結(jié)果如表2所示，表中1表示最內(nèi)側(cè)車道，依次外推.表中各斷面先按車道數(shù)，再按道路等級(jí)進(jìn)行排列.

表2 各斷面車道分布系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistic results of lane distribution factor for various sections

為了便于分析，表3列出了中國(guó)及國(guó)外典型路面設(shè)計(jì)方法中車道分布系數(shù)的推薦值［1－2，5，7］.由表3可知，中國(guó)目前規(guī)范中的推薦值基本上和AASHTO1993一樣.AI方法中≥3車道的道路車道分布系數(shù)推薦值為80%（范圍為50%～96%），明顯大于其他方法，且AI方法的推薦范圍也較寬.對(duì)于2車道，AASHTO2002的推薦值和其他方法差不多，但對(duì)于3車道和4車道，則有明顯的減小.AASHTO2002中的推薦值是對(duì)LTPP中的數(shù)據(jù)分析后得到的，對(duì)于2車道和3車道，車道分布系數(shù)的平均值為0.872，0.545，分別采用90%和60%的推薦值［2］.

表3 各設(shè)計(jì)方法中車道分布系數(shù)的推薦值Tab.3 Recommended values of lane distribution factor in various design method

表4給出了本文實(shí)測(cè)的所有道路統(tǒng)計(jì)的結(jié)果.將AASHTO2002的推薦值和表4中的數(shù)據(jù)比較，可見對(duì)于3車道和4車道，本文中的實(shí)測(cè)值和AASHTO2002的推薦值很接近.但對(duì)于2車道道路的車道分布系數(shù)相差較大，本文實(shí)測(cè)值明顯小于AASHTO2002的推薦值，這可能是由于中國(guó)卡車司機(jī)的駕駛習(xí)慣造成的，表明中國(guó)卡車司機(jī)會(huì)更多地占用超車道.表5給出了本文實(shí)測(cè)道路中高速公路和其他道路分開進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，表中數(shù)據(jù)顯示高速公路和其他道路的車道分布系數(shù)有明顯區(qū)別，這種區(qū)別是由于道路上不同交通行駛方式造成的.對(duì)于2車道高速公路，由于在路邊設(shè)有護(hù)欄，行人、自行車等不能進(jìn)入道路，行使車輛不受干擾，故卡車主要集中在外側(cè)車道行駛.但對(duì)于其他道路，由于路邊沒有護(hù)欄，行人、自行車等經(jīng)常占用路肩甚至外側(cè)行車道，為了避開行人和自行車等，不少卡車選擇內(nèi)側(cè)車道行使，故造成其他道路的車道分布系數(shù)小于高速公路的車道分布系數(shù).對(duì)于3車道的其他道路，為了避開行人和自行車等，卡車趨向于選擇內(nèi)側(cè)車道行使，而卡車又不得不為小汽車等讓開最內(nèi)側(cè)車道，所以大量卡車集中在中間車道上，而在高速公路上，卡車則可較均勻地分布在外側(cè)兩個(gè)車道上，所以3車道其他道路的車道分布系數(shù)要大于高速公路.表2中的數(shù)據(jù)也反映了這一情況，對(duì)于3車道的其他道路，都是中間車道的卡車百分比明顯高于內(nèi)側(cè)車道和外側(cè)車道.對(duì)于4車道道路，目前主要是高速公路，卡車主要在外側(cè)3個(gè)車道上行駛.

表4 所有道路車道分布系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.4 Statistic results of lane distribution factor for all sections

表5 高速公路和其他道路車道分布系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.5 Statistic results of lane distribution factor for expressway and other highways

可見，交通行駛方式對(duì)車道分布系數(shù)有重要影響，雖然表3中各方法均沒有將此因素作為一個(gè)分類依據(jù)，但AASHTO2002設(shè)計(jì)方法中提到在以后的改進(jìn)中要注意城市道路和鄉(xiāng)村道路車道分布系數(shù)的不同，也主要是考慮行人等對(duì)車道分布系數(shù)的影響［2，8］.為更客觀地反映現(xiàn)場(chǎng)情況，本文考慮高速公路和其他道路上交通行駛方式的不同，以此作為一個(gè)分類依據(jù)，分別給出車道分布系數(shù).綜合以上分析，各種情況下車道分布系數(shù)的推薦值如表6所示.

表6 車道分布系數(shù)推薦值Tab.6 Recommended values of lane distribution factor

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)大量計(jì)重收費(fèi)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)攝像數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：

1）卡車數(shù)量在兩個(gè)方向的差別并不很大，方向分布系數(shù)主要集中于50%～60%.

2）兩個(gè)方向卡車的裝載率可能會(huì)有較大的差別，重交通方向當(dāng)量軸載作用次數(shù)在總作用次數(shù)中所占的比例一般為50%～85%.當(dāng)兩個(gè)方向的交通荷載特性存在明顯區(qū)別時(shí)，應(yīng)對(duì)兩個(gè)方向的路面結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計(jì).

3）交通行駛方式對(duì)車道分布系數(shù)有明顯的影響.對(duì)于雙向兩車道道路，高速公路的車道分布系數(shù)較大，而對(duì)于雙向三車道道路，其他道路的車道分布系數(shù)較大.

4）分別對(duì)高速公路和其他公路提出了車道分布系數(shù)的推薦值，供路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)之用.

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