劉晨陽(yáng)，馮繼豪，張永祥，徐廣印

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2. 生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002)

超載運(yùn)輸車(chē)輛對(duì)瀝青路面的破壞及制動(dòng)距離的影響

劉晨陽(yáng)1,2，馮繼豪1,2，張永祥1,2，徐廣印1,2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2. 生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002)

利用現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法，在不同超載率情況下，對(duì)2種典型的路面和3種不同的初速度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，以設(shè)計(jì)彎沉值和瀝青層層底拉應(yīng)力為指標(biāo)，當(dāng)車(chē)輛軸載為160 kN時(shí)，對(duì)路面的破壞卻增加了近8倍；當(dāng)車(chē)輛軸載為300 kN時(shí)，對(duì)路面的破壞增加了近119倍；以半剛性材料層的拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)，車(chē)輛軸載為200 kN時(shí)，對(duì)路面的破壞卻增加了256倍；車(chē)輛軸載為300 kN時(shí)，對(duì)路面的破壞增加了6 561倍。當(dāng)車(chē)輛初速度為30 km·h-1時(shí)，超載率為50%時(shí)，制動(dòng)距離增加近3 m，超載率為100%時(shí)，制動(dòng)距離增加近6 m；當(dāng)車(chē)輛初速度為50 km·h-1時(shí)，超載率為50%時(shí)，制動(dòng)距離增加超過(guò)8 m；超載率為100%時(shí)，制動(dòng)距離增加超過(guò)16 m；當(dāng)車(chē)輛初速度為90 km·h-1時(shí)，超載率為50%時(shí)，制動(dòng)距離增加近27 m；超載率為100%時(shí)，制動(dòng)距離增加超過(guò)53 m。

超載運(yùn)輸；瀝青公路；危害；制動(dòng)距離

隨著公路運(yùn)輸車(chē)輛越來(lái)越多，運(yùn)輸市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，貨運(yùn)經(jīng)營(yíng)者為了節(jié)約成本，獲得更多的利益，大多數(shù)人都選擇超載運(yùn)輸來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。但是超載運(yùn)輸會(huì)給公路帶來(lái)巨大的危害，當(dāng)超限超載運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)者盈利1元時(shí)，將會(huì)以付出100元的公路損壞為代價(jià)，使中國(guó)每年用于公路養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用增加數(shù)百億元[1]。此外，超載運(yùn)輸還會(huì)影響車(chē)輛的剎車(chē)距離，對(duì)于超載運(yùn)輸?shù)能?chē)輛，由于載重過(guò)大，產(chǎn)生的慣性也大大增加，制動(dòng)距離就會(huì)更長(zhǎng)，容易引發(fā)交通事故[2]。20世紀(jì)初期，歐爾德和哥德貝爾通過(guò)對(duì)路面板的斷裂試驗(yàn)觀察，提出載荷應(yīng)力計(jì)算公式。1958年，美國(guó)公路部門(mén)對(duì)各類(lèi)車(chē)輛軸載重量對(duì)各種結(jié)構(gòu)的公路路面損壞程度之后，得出車(chē)輛對(duì)路面的損壞程度與車(chē)輛實(shí)際軸載質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)軸載質(zhì)量之比的n次方之間成正比例的關(guān)系。孫立軍等[3]對(duì)公路柔性路面進(jìn)行了研究，得出軸載換算公式；王選倉(cāng)等[4]通過(guò)線(xiàn)性和非線(xiàn)性的方法研究車(chē)輛軸重對(duì)彎沉和彎拉的影響，得出彎沉和彎拉的等效換算軸載公式；周樂(lè)燕等[5]對(duì)瀝青路面使用壽命進(jìn)行研究，建立了軸重超載的標(biāo)準(zhǔn)軸載換算公式。李盛等[6]對(duì)剛性層瀝青層破壞進(jìn)行研究，得出車(chē)轍深度隨軸載作用次數(shù)增加而增加；張敏江等[7]研究車(chē)輛超載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)及車(chē)轍的影響分析，得出要使重載車(chē)輛作用下的路面結(jié)構(gòu)使用壽命達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的使用壽命，應(yīng)增加路面結(jié)構(gòu)層的厚度。由于車(chē)輛長(zhǎng)度、寬度和高度超過(guò)國(guó)家規(guī)定限制或公路特殊限定標(biāo)準(zhǔn)的情況較少，且對(duì)公路及交通安全危害較小。在2004年，國(guó)家發(fā)改委頒布了《關(guān)于在全國(guó)開(kāi)展車(chē)輛超限超載治理工作的實(shí)施方案》[8]為集中治理各類(lèi)超限超載的運(yùn)輸車(chē)輛，制定了統(tǒng)一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。所以，本文僅研究超載車(chē)輛的車(chē)貨總質(zhì)量和車(chē)輛軸載質(zhì)量的對(duì)公路的破壞及剎車(chē)距離的影響，以期為運(yùn)輸管理提供依據(jù)。

1 超載運(yùn)輸車(chē)輛對(duì)瀝青路面的破壞

對(duì)于以路面設(shè)計(jì)彎沉值和瀝青層底層的拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的公路[9]，對(duì)于軸載重量大于25 kN的車(chē)輛，各級(jí)軸載P1對(duì)瀝青路面的作用次數(shù)n1，可按照式(1)對(duì)車(chē)輛的實(shí)際軸載作用次數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量作用次數(shù)N。

(1)

式中：N為標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量次數(shù)；ni為被換算車(chē)輛的各級(jí)軸載作用次數(shù)；P為標(biāo)準(zhǔn)軸載，kN；Pi為被換算車(chē)輛的各級(jí)軸載，kN；k為被換算車(chē)輛的類(lèi)型數(shù)；C1為軸數(shù)系數(shù)，C1=1+1.2(m-1)，m是軸數(shù)。對(duì)于車(chē)輛的輪軸之間距離大于3 m時(shí)，按照1個(gè)單獨(dú)的輪軸計(jì)算，對(duì)于車(chē)輛的輪軸之間距離小于3 m時(shí)，要重新計(jì)算軸數(shù)系數(shù)；C2為輪組系數(shù)，單輪組6.4，雙輪組1，4輪組0.38。

對(duì)于以半剛性材料層的拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的路面[9]，對(duì)于軸載重量大于50 kN的車(chē)輛，各級(jí)軸載P1的作用次數(shù)n1，可按照式(2)對(duì)車(chē)輛的實(shí)際軸載作用次數(shù)換算標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量作用次數(shù)N。

(2)

從公式(1)、(2)可知，當(dāng)車(chē)輛的軸載增加一定比例時(shí)，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)換算時(shí)，其次數(shù)并不是按一定的比例增長(zhǎng)的，而是呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的，即超載車(chē)輛對(duì)路面的作用次數(shù)與車(chē)輛實(shí)際軸載和標(biāo)準(zhǔn)軸載比值的n次方成正比。由此可知，相比于標(biāo)準(zhǔn)軸載的車(chē)輛在公路上行駛，超載車(chē)輛在公路上行駛會(huì)使累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次呈級(jí)數(shù)增加，加快了公路的破壞，使公路使用壽命縮短。

當(dāng)路面以設(shè)計(jì)彎沉以及瀝青層層底的拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可按照式(3)求超載車(chē)輛對(duì)路面的破壞系數(shù)Q1。

(3)

式中：Q1為實(shí)際軸載Pi對(duì)路面的破壞作用次數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載P對(duì)路面重復(fù)作用次數(shù)的換算系數(shù)，也稱(chēng)為破壞系數(shù)。

當(dāng)以設(shè)計(jì)彎沉值和瀝青層層底拉應(yīng)力為指標(biāo)時(shí)，貨車(chē)運(yùn)輸重量與路面破壞系數(shù)之間的關(guān)系如表1所示。

由表1可以看出，當(dāng)車(chē)輛超載使軸載重量為160 kN時(shí)，對(duì)路面的破壞卻增加了近8倍，即160 kN通過(guò)路面1次，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載車(chē)輛通過(guò)8次；當(dāng)車(chē)輛超載使軸載為300 kN時(shí)，對(duì)路面的破壞卻增加了近119倍，即300 kN通過(guò)路面1次，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載車(chē)輛通過(guò)119次。瀝青公路正常使用年限為15年時(shí)，若超載運(yùn)輸車(chē)輛在該公路上通行較多，公路在很短的時(shí)間內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞。由此可見(jiàn)，超載運(yùn)輸對(duì)瀝青公路的破壞是極其嚴(yán)重的。

表1 軸載重量對(duì)路面的破壞系數(shù)Table1 Damage coefficient of axle weighing to pavement

當(dāng)以半剛性基層層底的拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可按照式(4)求超載車(chē)輛對(duì)路面的破壞系數(shù)Q2。

(4)

當(dāng)以半剛性材料層的拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，貨車(chē)運(yùn)輸重量與路面破壞系數(shù)之間的關(guān)系如表2所示。

由表2可以看出，當(dāng)車(chē)輛超載使軸載重量為200 kN時(shí)，軸載重量擴(kuò)大1倍，對(duì)路面的破壞則增加了256倍，即軸載重量為200 kN通過(guò)路面1次，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載車(chē)輛通過(guò)256次；當(dāng)車(chē)輛超載使軸載為300 kN時(shí)，軸載重量擴(kuò)大2倍，對(duì)路面的破壞卻增加了6 561倍，即軸載重量為300 kN通過(guò)路面1次，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載車(chē)輛通過(guò)6 561次。由此可見(jiàn)，超載運(yùn)輸對(duì)瀝青公路的破壞是極其嚴(yán)重的，極大的縮短了公路的使用壽命。

表2 軸載重量對(duì)路面的破壞系數(shù)Table 2 Failure coefficient of axle load mass on pavement

2 超載運(yùn)輸對(duì)車(chē)輛制動(dòng)性能的影響

影響貨車(chē)制動(dòng)距離的因素有很多，當(dāng)車(chē)輛在正常情況下行駛時(shí)，車(chē)輛載荷的變化是影響制動(dòng)距離的主要因素。載有貨物的貨車(chē)在制動(dòng)時(shí)，由于慣性作用會(huì)使車(chē)輛重心前傾，引起前輪承受載荷增加，后輪所承受載荷降低，此時(shí)就使地面對(duì)車(chē)輛的作用力發(fā)生改變從而使制動(dòng)距離也發(fā)生變化，由于貨車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)在后軸，貨車(chē)載有貨物時(shí)，慣性也會(huì)加大，因此的減速度要比貨車(chē)空載時(shí)的減速度要小。由于超載增加了制動(dòng)所需的安全距離，常常在緊急情況下，使司機(jī)不能及時(shí)躲避前面的危險(xiǎn)，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

車(chē)輛制動(dòng)所需要的距離與車(chē)輛的安全行駛有直接的關(guān)系，而制動(dòng)時(shí)車(chē)輛的減速度則是直接反映地面對(duì)車(chē)輛制動(dòng)力的大小，決定制動(dòng)距離的一項(xiàng)重要因素，如式(5)是計(jì)算車(chē)輛制動(dòng)距離L的公式：

(5)

式中：L為制動(dòng)距離，m；T0為駕駛員接到制動(dòng)停車(chē)信號(hào)后的反應(yīng)時(shí)間，s；T1為從加速踏板移動(dòng)至制動(dòng)踏板所需的換位時(shí)間，以及為消除制動(dòng)裝置中的間隙和彈性所需的接合時(shí)間，然后開(kāi)始產(chǎn)生制動(dòng)壓力的增長(zhǎng)，這些時(shí)間的總和,s；T2為制動(dòng)器增力時(shí)間，s；V0為制動(dòng)初始速度，m·s-1。

在上述分析中，為使計(jì)算簡(jiǎn)便，不考慮動(dòng)力學(xué)因素，忽略汽車(chē)的滾動(dòng)阻力偶、空氣阻力以及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性矩。根據(jù)動(dòng)力學(xué)關(guān)系，根據(jù)式(6)可求汽車(chē)制動(dòng)力F：

F=G·α

(6)

式中：F為制動(dòng)力,kN；α為車(chē)輛減速度，m·s-2；G為車(chē)輛總重量,kN。

根據(jù)GB 7258—04標(biāo)準(zhǔn)可知，整車(chē)最大制動(dòng)力達(dá)到車(chē)輛滿(mǎn)載時(shí)總重量G的60%，最大整車(chē)制動(dòng)力F為60%×G，以輕卡江鈴JC528T8為例，該車(chē)重2.47 t，額定載重量1.895 t，滿(mǎn)載時(shí)總重4.495 t。當(dāng)在附著力充足的道路上，完全作用于滿(mǎn)載的車(chē)輛在車(chē)輛減度時(shí)所能產(chǎn)生的最大減速度見(jiàn)公式(7)。

(7)

根據(jù)公式(7)計(jì)算可知，不同超載率情況下制動(dòng)距離增加如表3所示。

由表3可知，隨著車(chē)輛超載率的增加，制動(dòng)距離與超載率呈線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)車(chē)輛初速度為30 km·h-1，使超載率為50%時(shí)，制動(dòng)距離增加近3 m，超載率為100%時(shí)，制動(dòng)距離增加近6 m；當(dāng)車(chē)輛初速度為50 km·h-1時(shí)，超載率為50%時(shí)，制動(dòng)距離增加超過(guò)8 m；超載率為100%時(shí)，制動(dòng)距離增加超過(guò)16 m。當(dāng)車(chē)輛初速度為90 km·h-1時(shí)，超載率為50%時(shí)，制動(dòng)距離增加近27 m；超載率為100%時(shí)，制動(dòng)距離增加超過(guò)53 m。可見(jiàn)，當(dāng)車(chē)速一定時(shí)，車(chē)輛制動(dòng)所需的安全距離與超載率的增加成正比例關(guān)系，同時(shí)車(chē)速增加也會(huì)使制動(dòng)距離增加。由此可見(jiàn)，超載運(yùn)輸給交通安全造成了較為嚴(yán)重的威脅。

表3 超載率與制動(dòng)距離關(guān)系Table 3 Relationship between overrun rate and braking distance

3 結(jié)論

在不同超載率情況下，對(duì)2種設(shè)計(jì)指標(biāo)的路面進(jìn)行數(shù)值計(jì)算表明，當(dāng)車(chē)輛超載使軸載重量為160 kN時(shí)，對(duì)路面的破壞卻增加了近8倍，即160 kN通過(guò)路面1次，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載車(chē)輛通過(guò)8次；當(dāng)車(chē)輛超載使軸載重量為300 kN時(shí)，對(duì)路面的破壞增加了近119倍，即300 kN通過(guò)路面1次，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載車(chē)輛通過(guò)119次；以半剛性材料層的拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)，當(dāng)車(chē)輛超載使軸載重量為200 kN時(shí)，軸載重量擴(kuò)大1倍，對(duì)路面的破壞則可增加256倍，即軸載重量為200 kN通過(guò)路面1次，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載車(chē)輛通過(guò)256次；當(dāng)車(chē)輛超載使軸載為300 kN時(shí)，軸載重量擴(kuò)大2倍，對(duì)路面的破壞卻增加了6 561倍，即軸載重量為300 kN通過(guò)路面1次，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載車(chē)輛通過(guò)6 561次。

在不同超載率情況下，對(duì)3種不同初速度的車(chē)輛進(jìn)行數(shù)值計(jì)算表明，當(dāng)車(chē)輛初速度為30 km·h-1使，超載率為50%時(shí)，制動(dòng)距離增加近3 m，超載率為100%時(shí)，制動(dòng)距離增加近6 m；當(dāng)車(chē)輛初速度為50 km·h-1時(shí)，超載率為50%時(shí)，制動(dòng)距離增加超過(guò)8 m；超載率為100%時(shí)，制動(dòng)距離增加超過(guò)16 m；當(dāng)車(chē)輛初速度為90 km·h-1時(shí)，超載率為50%時(shí)，制動(dòng)距離增加近27 m；超載率為100%時(shí)，制動(dòng)距離增加超過(guò)53 m。

本文分別研究了不同超載率的車(chē)輛對(duì)瀝青公路的破壞程度和制動(dòng)距離的影響，得出公路的破壞程度與超超載率呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的關(guān)系，隨著超載率的增加，對(duì)公路的破壞程度增長(zhǎng)越快；在車(chē)速一定的情況下，剎車(chē)距離與超載率的增加成正比例的關(guān)系。由此可見(jiàn)，超載運(yùn)輸縮短了瀝青公路的使用壽命，也對(duì)公共安全存在極大的威脅。

[1] 白建軍.超限運(yùn)輸?shù)奈：爸卫沓薜膶?duì)策[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息,2009(14)：120-121.

[2] 呂建新，田杰，劉銀.超限運(yùn)輸及其經(jīng)濟(jì)學(xué)分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(6)：941-903.

[3] 孫立軍,姚祖康,李舜范,等.柔性路面軸載換算式在北京地區(qū)的驗(yàn)證與補(bǔ)充[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),1992,5(3):1-6.

[4] 王選倉(cāng),譚權(quán),王新岐,等.重載瀝青路面研究[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào),1998, 18(4):9-12.

[5] 周樂(lè)燕,鄧揚(yáng).車(chē)輛超載下瀝青路面使用壽命評(píng)估[J].公路與汽運(yùn),2015(3):107-109.

[6] 李盛,陳尚武,劉朝暉,等.剛性基層瀝青路面瀝青層破壞行為與機(jī)理[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào),2016,47(3):1065-1070.

[7] 張敏江,石巖,王新波,等. 車(chē)輛超載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響分析[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2008,24(1):16-20.

[8] 交通運(yùn)輸部.關(guān)于在全國(guó)開(kāi)展車(chē)輛超限超載治理工作的實(shí)施方案[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化,2004(9):12-16.

[9] 交通運(yùn)輸部.公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社,2005.

(責(zé)任編輯：蔣國(guó)良)

Damageofoverloadtransportationtoasphaltpavementandtheinfluenceonbrakingdistance

LIU Chenyang1,2, FENG Jihao1,2, ZHANG Yongxiang1,2, XU Guangyin1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China；2.Collaborative Innovation Center of Biomass Energy, Zhengzhou 450002, China)

By using the calculation method of the current codes,2 typical pavements and 3 different initial velocities are analyzed under different loading rates. The results show that,when the design deflection value and tensile stress in surface layer bottom as an index and the vehicle axle load is 160 kN,the destruction of pavement has increased by nearly 8 times;when the vehicle axle load is 300 kN, the destruction of pavement increased by nearly 119 times; to tensile stress of semi-rigid material layer for the design index,when the axle load is 200 kN, the destruction of pavement increases by 256 times;when axle load is 300 kN, the destruction of pavement increased by 6 561 times. When the vehicle initial velocity is 30 km·h-1,with overloading rate of 50%, the braking distance increases by nearly 3 m.When the overloading rate is 100%, the braking distance increases by nearly 6m; When the vehicle initial speed of 50 km·h-1, overloading rate is 50%, the braking distance increases by more than 8 m;When the overloading rate is 100%,the brake distance increases by over 16 m; when the vehicle initial speed reaches 90 km·h-1,with overloading rate of 50%, the braking distance increases nearly 27 m;When the overloading rate is 100%, the braking distance increases by more than 53 m.

overload transportation; asphalt road; harm; braking distance

2016-01-19

河南省交通科技攻關(guān)項(xiàng)目(2012PⅡ04)

劉晨陽(yáng)(1993-)，男，河南商丘人，碩士研究生，從事農(nóng)產(chǎn)品物流技術(shù)與工程方面的研究。

徐廣印(1963-)，男，河南南陽(yáng)人，教授，博士研究生導(dǎo)師。

1000-2340(2016)04-0490-04

U416. 217

：A