賈志超王林余四新韋金城韓燁

(1.山東建筑大學交通工程學院，山東濟南250101；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南250031)

0 引言

交通荷載是造成路面結構破壞的重要因素，故在路面結構分析與設計中必須考慮[1]。與此同時，因交通量大、軸型及車型多、軸重分布區(qū)間較大等原因，導致交通荷載是難以準確確定的參數(shù)。目前，描述交通荷載參數(shù)沒有統(tǒng)一的規(guī)定，傳統(tǒng)道路設計中主要采用以累積當量標準軸次描述和以軸載譜描述交通荷載2種方法描述交通荷載參數(shù)[2]。傳統(tǒng)路面結構設計中，以單軸雙輪組100 kN為標準軸載，將不同重量的軸載按一定的原則進行換算，以累積當量軸次描述交通荷載[3]；現(xiàn)行規(guī)范借鑒美國AASHTO力學—經(jīng)驗法[4]設計指南，利用車輛組成和軸載譜描述交通荷載，該方法利用實際軸載進行力學計算，每個實際軸載水平均參與計算，故可以準確、全面地描述交通荷載，從而有效地避免了當量軸載換算帶來的誤差[5]。現(xiàn)行的瀝青路面設計規(guī)范規(guī)定，采用軸載譜方法分析采集數(shù)據(jù)，但當量軸載仍作為輸入?yún)?shù)[6-8]。隨著計重收費系統(tǒng)在山東省高速公路收費站的普及應用，實測軸載譜數(shù)據(jù)成為可能，計重收費系統(tǒng)統(tǒng)計了車輛數(shù)量、類型、軸型、輪組、總重、軸重、通過時間等信息。通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，可在無法確定交通荷載數(shù)據(jù)的情況下，為區(qū)域道路結構設計與分析參數(shù)提供參考依據(jù)，省去交通荷載參數(shù)收集、分析環(huán)節(jié)，極大程度地提高工作效率。

1 車輛類型分類

從不同角度對車輛有不同的分類方法，理論上車輛類型分類越詳細，描述交通組成特性的數(shù)據(jù)就越全面、越準確，但缺點是分析過程繁瑣；若分類過于簡單，則描述交通組成較為粗糙、不全面、不準確[6]。為方便不同車型數(shù)量的統(tǒng)計和后續(xù)軸載譜數(shù)據(jù)的分析，按照現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范，車輛軸型根據(jù)輪組和軸組可分成7類，其中1為單軸(每側單輪胎)、2為單軸(每側雙輪胎)、3為雙聯(lián)軸(每側單輪胎)、4為雙聯(lián)軸(每側各一單輪胎、雙輪胎)、5為雙聯(lián)軸(每側雙輪胎)、6為三聯(lián)軸(每側單輪胎)和7為三聯(lián)軸(每側雙輪胎)。

目前，通過對青銀高速淄博段交通車輛統(tǒng)計分析，常見軸型為1(單軸單胎)、2(單軸雙胎)、5(雙聯(lián)軸)、7(三聯(lián)軸)4種軸型。根據(jù)軸型對車輛進行分類(比如11型，共2軸，前軸和后軸都是每側單輪胎，其余車型亦如此)，見表1。

表1 常見車型與分類表

2 青銀高速交通量分析

利用數(shù)據(jù)庫軟件對采集的交通數(shù)據(jù)按不同車型分類統(tǒng)計，分別對2013—2015年青銀高速淄博段交通觀測資料進行分析，分別得到1～11類車型數(shù)量。各種車型交通量統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

由表2計算可知，1～11類車輛數(shù)量和呈上升趨勢。2013年1類車(輕型小汽車)占總交通量的72%，2014、2015年1類車在交通組成中略＞66%，與2013年相比，雖然1類車數(shù)量逐年增加，但是在交通組成中所占比例卻逐漸減小，意味著大型客車和載重汽車在交通組成中比重增大。采用環(huán)比法分析，2013—2014年間增速＜1%，2014—2015年增速＞4%，由此可見，通行的私家車數(shù)量在迅速增長。2013年平均日交通量略＞10 000輛/日，到2015年，年平均交通量可達12 000輛/日。

表2 2013—2015年青銀高速淄博段交通量數(shù)據(jù)表

在路面結構設計中，只考慮大型客車和載重汽車對路面結構的影響，2013—2014年間大型客車和載重汽車交通量增幅為34%，增幅較大；2014—2015年間增幅為4%，相對平穩(wěn)。2、3、9、10類車數(shù)量較多且基本呈上升趨勢，尤其是9類車增幅明顯，基本呈直線比例上升且數(shù)量在同年中大于其他車型(其中9、10類車為半掛車，2、3類分別為大型客車和整體式貨車)。6類車數(shù)量約為50 000且呈穩(wěn)步上升趨勢，7、8類車數(shù)量＜30 000且逐年下降。4、5和11類車數(shù)量較小且變化趨勢不明顯，2014—2015年，5、11類車交通量甚至為零。

3 青銀高速交通軸載譜參數(shù)分析

1類車為輕型小汽車，因其軸重和總重均較輕對路面損害很小，在路面結構分析、設計中可忽略不計，故不列入軸載譜數(shù)據(jù)研究范圍，以下分析只研究2～11類車的軸載譜數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律。

3.1 車輛類型分布系數(shù)分析

車輛類型分布系數(shù)為2～11類車中某一類車型數(shù)量占相應類型車輛總數(shù)的百分比[3]，其意義在于反映交通組成情況。分別對2013—2015年青銀高速淄博段交通量數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計和計算，得到2～11類車型的車輛類型分布系數(shù)。表3為3年的車輛類型分布系數(shù)。

從表3可看出，青銀高速淄博段半掛車(7～9和10類車)分布系數(shù)達到50%，其次是整體式貨車(3、6類車)分布系數(shù)之和為23%，再次是2類車(12型大客車)，4、5和11類車分布系數(shù)之和＜1%。其中，在交通組成中，7、8類車分布系數(shù)連續(xù)3年明顯減少，9類車分布系數(shù)呈上升趨勢，3、6類車分布系數(shù)雖有波動但并無明顯變化規(guī)律，2013—2014年間2類車分布系數(shù)雖然增速較快，但其后增速趨于穩(wěn)定。

表3 車輛類型分布系數(shù)表

3.2 軸數(shù)系數(shù)

平均軸數(shù)指某一類車中某一軸型數(shù)量與該類車數(shù)量的比值。因為某一類車可能包含幾種車型，所以對某類車軸載組成數(shù)據(jù)進行全面統(tǒng)計、分析后得到的平均軸數(shù)不一定為整數(shù)。2013—2015年間青銀高速淄博段交通各類車的平均軸數(shù)見表4。

表4 2013—2015年各類車輛中不同軸型平均軸數(shù)表

由表4可以看出，部分車類只對應一種固定的車型，如2～5和9類車，不論其對應的交通量如何變化，其平均軸數(shù)永遠都是定值。相對而言，6～8、10～11類車都包含幾種車型，故其對應的平均軸數(shù)會隨著各車型交通量的變化而變化。有幾類車在某年份的平均軸數(shù)全部為零表示該類車在該年的交通量為零。

3.3 月分布系數(shù)

眾所周知，路面結構直接暴露在大氣環(huán)境中，其不僅受車輛荷載豎向力、水平力和沖擊力的作用，同時受水、溫度變化的影響。因生產(chǎn)生活受季節(jié)變化影響，故交通量隨時間變化而變化，交通量的增加或減少勢必對道路結構工作性能產(chǎn)生一定的影響。與此同時，山東省淄博市位于華北沿海地區(qū)，屬暖溫帶季風氣候類型，降水集中、雨熱同期，春秋短暫、冬夏較長[9]。路面材料性質(zhì)也會在一年四季中隨水分、溫度的變化而發(fā)生一定規(guī)律的變化。在炎熱的夏季，路面結構溫度＞60℃，瀝青混凝土的動態(tài)模量下降，在交通荷載作用下易發(fā)生車轍病害；在寒冷的冬季，路面結構溫度接近環(huán)境溫度，瀝青混合料模量較高，其抗變形能力強，在交通荷載作用下不易變形，但瀝青混合料屬于黏彈性材料，也有熱脹冷縮的特點，若瀝青混合料塑性差，則易產(chǎn)生裂縫病害。這種溫度變化影響路面工作性能不僅反映在季節(jié)變化上，而且在白天和夜間溫度變化亦如此。雨季或春融時期，地下水位上升，土基的含水量增大，使得道路結構整體抗變形能力減弱。假如高溫季節(jié)或者春融時期重載交通量大，不論是瀝青混合料面層還是半剛性基層，抑或路基產(chǎn)生損壞的概率都會高于其他時間段。故統(tǒng)計分析交通量隨時間的變化規(guī)律是必要的，通過確定月分布系數(shù)來反映一年內(nèi)交通量的變化。

交通量月分布系數(shù)為某一類車輛各月的交通量占年總交通量的百分比[10]。對2013—2015年交通數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分別得到2013—2015年的交通量月分布系數(shù)，如圖1所示。3年內(nèi)交通量月分布系數(shù)變化規(guī)律大致相同，分別在5、8和10月出現(xiàn)峰值，“五一”和“十一”為國家法定節(jié)假日，直接導致交通量急劇增加，8月出現(xiàn)峰值是由于淄博市是重工業(yè)城市，其材料、產(chǎn)品購買和出售的運輸較多；不同之處在于2014年1月份交通量月分布系數(shù)明顯高于其他兩年，這是由于2014年農(nóng)歷春節(jié)是1月31日，春運期間客流量急劇增大，區(qū)域間物資交流頻繁；交通量集中在4～10月份，該時間段也是雨季和高溫季節(jié)，故道路結構面臨重載、高溫、多雨等多重挑戰(zhàn)。通過分析交通量隨時間的變化規(guī)律，結合道路材料隨季節(jié)的變化特性，可以定性描述交通荷載對道路結構的破壞作用。

圖1 2013—2015交通量月分布系數(shù)變化曲線圖

3.4 軸載譜分析

根據(jù)JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規(guī)范》規(guī)定，分別計算2～11類車輛不同軸型在不同軸重區(qū)間所占的百分比，得到不同軸型的軸重分布系數(shù)，即軸載譜[3]。根據(jù)車型對交通量進行分類，分別統(tǒng)計各類車中單軸單胎、單軸雙胎、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸的數(shù)量、軸重信息[7]，在確定軸載譜時，對于不同的軸型采用如下不同的軸重區(qū)間[3]:

(1)單軸單胎 從0～10 kN開始并作為第一個軸重區(qū)間，每隔2.5 kN劃分一個軸重區(qū)間，至200 kN為止；

(2)單軸雙胎 從0～13.5 kN開始并作為第一個軸重區(qū)間，每隔4.5 kN劃分一個軸重區(qū)間，至360 kN為止；

(3)雙聯(lián)軸 從0～27 kN開始并作為第一個軸重區(qū)間，每隔9.0 kN劃分一個軸重區(qū)間，至720 kN為止；

(4)三聯(lián)軸 從0～54 kN開始并作為第一個軸重區(qū)間，每隔13.5 kN劃分一個軸重區(qū)間，至945 kN為止。

根據(jù)上述所劃分的軸重區(qū)間，利用位于各軸重區(qū)間的軸型數(shù)量除以該軸型總數(shù)量再乘以100%即得到該軸型的軸重分布系數(shù)。通過對該研究路段交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，分別得出3年的單軸單胎、單軸雙胎、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸的軸重分布系數(shù)[11-16]。為繪圖方便，取各軸重區(qū)間中值為橫坐標，軸重分布系數(shù)為縱坐標，如圖2～5所示。

圖2為2013—2015年間各類車單軸單胎軸重分布曲線。對于2類車，其單軸單胎軸重基本分布于0～30 kN之間，10～25 kN較為集中，軸重較小；對于3類車，其單軸單胎軸重分布于10～60 kN之間，軸重分布范圍較大，20～50 kN較為集中；對于6類車，其單軸單胎軸重分布于10～70 kN之間，軸重分布范圍較大，20～60 kN較為集中；對于7類車，其單軸單胎軸重分布于20～70 kN之間，軸重分布范圍較大，30～60 kN較為集中；對于8類車，2013年其單軸單胎軸重分布于20～80 kN之間，而2014、2015年其單軸單胎軸重分布于30～70 kN之間，有向中間聚攏的趨勢，35～65 kN較為集中；對于9類車，2013—2014年其單軸單胎軸重分布于 30～70 kN之間，2015年其單軸單胎軸重分布于20～80 kN之間，軸載分布范圍有擴大的趨勢，40～60 kN較為集中；對于10類車，其單軸單胎軸重分布于10～60 kN 之間，20～50 kN 較為集中，2013、2014年的分布曲線呈明顯的雙峰，分別在40、50 kN達到峰值，是由于10類車基本全是1127型車，而2個單軸軸重又是不同的，2015年無明顯雙峰。

圖3為2013—2015年各類車單軸雙胎軸重分布曲線。對于2類車，其單軸雙胎軸重主要位于軸重區(qū)間0～40 kN，軸重較小，單峰曲線；對于3類車，其單軸雙胎軸重主要分布于區(qū)間30～140 kN，在45 kN軸重分布系數(shù)達到最大峰值，110 kN軸重分布系數(shù)達到較小峰值，呈雙峰曲線；對于6類車，其軸重主要分布于區(qū)間30～160 kN，50 kN時達到峰值；對于7類車，主要分布于30～140 kN，并于50 kN達到峰值，隨著軸重增大呈下降趨勢；對于8類車，主要分布于30～160 kN，呈雙峰曲線，并分別于45、120 kN達到最大峰值和極小峰值；對于10類車大部分分布于20～180 kN，呈雙峰曲線，并分別于35、140 kN達到最大峰值和極小峰值。圖3所述雙峰曲線分別對應空載和滿載2種狀態(tài)。

圖4為2013—2015年各類車雙聯(lián)軸軸重分布曲線。對于6類車，2013年軸重分布系數(shù)分別在70、220 kN達到最大峰值和極小峰值，2014、2015年分別大致在70、200 kN達到最大峰值和極小峰值，從3年軸重分布系數(shù)來看，軸重有向小軸重方向變化的趨勢，2013、2014、2015年軸重分布系數(shù)達到最大峰值時，數(shù)值分別＜10%、略＞10%和明顯＞10%；對于7類車，2013、2014年分別在70、170kN達到最大峰值和極小峰值，而2015年分別在60、170 kN達到最大峰值和極小峰值，從3年軸重分布系數(shù)變化趨勢看，軸載分布有變小的趨勢；對于9類車，軸重分布系數(shù)都呈雙峰曲線，大約都在60 kN達到最大峰值，但系數(shù)明顯呈變大趨勢，2013、2014和2015年分別在190、180和160 kN達到滿載時的峰值，總之軸載分布系數(shù)有變小的趨勢。圖4所述雙峰曲線分別對應空載和滿載2種狀態(tài)。

圖5為2013—2015年各類車三聯(lián)軸軸重分布曲線。3年的軸重分布系數(shù)圖形都呈雙峰型，對于8類車，2013、2014 和 2015 年分別在 60、70、70 kN時達到最大峰值，峰值有波動，分別在 240、250、200 kN達到極小峰值；對于 9類車，2013、2014和2015年分別在60、70、70 kN達到最大峰值，峰值先變大后變小，3年分別在280、250、240 kN達到極小峰值，軸重有變小的趨勢；對于10類車，2013、2014和2015年分別在30、60、60 kN達到最大峰值，峰值略有變大，3年分別在290、300、300 kN達到極小峰值，峰值有變小趨勢。圖5所述雙峰曲線分別對應空載和滿載2種狀態(tài)。

圖2 2013—2015年各類車單軸單胎軸重分布曲線圖

圖3 2013-2015年個類車單軸雙胎軸重分布曲線圖

圖4 2013—2015年各類車雙聯(lián)軸軸重分布曲線圖

圖5 2013—2015年各類車三聯(lián)軸軸重分布曲線圖

4 結論

通過上述分析可知:

(1)2013-2015年總體交通量呈上升趨勢，交通組成中，1類車所占比例最大，可達72%，而3年內(nèi)交通組成中所占比重呈現(xiàn)下降趨勢；2、3、9、10類車所占比例較大，呈現(xiàn)上升趨勢；6、7、8類車所占比例相對較小，連續(xù)3年呈下降趨勢；4、5和11類車數(shù)量少甚至為零，變化規(guī)律不明顯。

(2)2、3和9類車平均軸數(shù)是定值，不隨交通量改變而變化；6、7、8和10類車因包含2種以上的車型，故軸數(shù)系數(shù)隨交通量變化而變化。

(3)交通量分別在5、8和10月達到峰值，這與國家法定節(jié)假日及淄博段區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展密切相關；在4～10月份該路段交通量大，重載車輛多，同時該時間段雨熱同期，道路結構面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。

(4)單軸單胎(方向軸)的軸重分布系數(shù)基本呈單峰特性；對于整體式貨車和半掛貨車的單軸雙胎、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸的軸重分布系數(shù)呈明顯的雙峰特性。3年內(nèi)4種軸型的軸重分布系數(shù)略有波動，但并無明顯規(guī)律。