行车荷载作用对路面差异沉降的影响分析

贾海艳

行车荷载作用对路面差异沉降的影响分析

贾海艳

（黄冈职业技术学院 建筑学院，湖北 黄冈 438002）

交通运输行业的高速发展，同时伴随着重型运输车辆的快速增长，因此我们要高度重视由汽车荷载引起的路面破坏问题。本文以行车荷载作用对路面差异沉降的影响为研究对象，考虑影响路面差异沉降有关因素及发展机理，分析研究行车荷载作用下路面差异沉降的影响规律，为工程实际中对路面差异沉降的防治措施提供思路。

行车荷载；差异沉降；路面；影响分析

当前在国内正实施的路面设计相关规范中，路面结构计算是采用汽车静荷载进行，这与实际情况有差别，车辆在路面上行驶时是以移动荷载的形式，只有在长期驻停时才表现为静荷载形式[1]。路面结构与车辆荷载之间是一个相互作用、相互影响的复杂系统，路面相关特性、行车速度、车辆载重等均会导致车辆动荷载发生变化，同时路面结构的应力应变状态也会随车辆荷载的变化发生改变[2]。这种相互影响及相互作用使得车辆通过承台过渡段时产生的动荷载以及路面结构响应变得更加复杂[3]。

1 行车荷载作用对路面动力响应的影响分析

1.1 车速对路面动力响应的影响分析

为分析路面结构的动力响应随车速变化的影响规律，车速取值从大到小分别为90km/h、80km/h、70km/h、60km/h、50km/h、40km/h、30km/h、20km/h、10km/h。同时把行驶车辆对路面引起的附加振动冲击荷载作用考虑进去，分析在不同车速条件下，路面面层底部剪应变及路表弯沉的变化规律。

图1 面层底部剪应变

图2 路表弯沉

图1、图2分别为面层底部剪应变和路面弯沉随车速变化的关系曲线，由图中曲线可见：

（1）路面结构动力响应会随车速的增大产生明显变化，其变化与粘弹性动力学规律保持一致，面层底部纵向剪应变、横向剪应变及路表弯沉指标均随车速增加反而减小。车速从l0km/h提高到90km/h对各个动力响应指标的影响也不同，具体表现为面层底部纵向剪应变降低36.0%，面层底部横向剪应变降低31.3%，其路表弯沉从0.075mm降至0.063mm，降低15.8%，由此可见行车速度的变化对面层底部纵向剪应变影响最为敏感。

（2）从变化曲线可以看出行车速度对路面结构动力响应的影响并非为线性关系，车速越大，动力响应随车速变化的幅度越小。当车速小于40km/h时，随车速增加各动力响应指标减小幅度明显，尤其是路表弯沉的变化成陡降趋势，当车速增长到40～90km/h范围内时，各路面动力响应指标随车速变化均较小，趋于缓和。

1.2 车辆载重对路面动力响应的影响分析

为分析路面结构的动力响应随车辆载重变化的影响规律，计算载重由重到低分别取值为250kN、200kN、170kN、150kN、130kN、100kN、80kN、 60kN和29.5kN。其中载重200kN～250kN为严重超载情况。载重130kN～170kN为常见的超载情况；载重100kN为用于路面结构设计的标准轴载重；载重60kN～80kN为常见的欠载情况；载重29.5kN为空车情况。车速按40km/h取值计算，分析路面面层底部弯拉应变、土基顶部竖向压应变、路表弯沉以及面层底部剪应变在不同车辆载重条件下的变化规律。

图3 面层底部弯拉应变

图4 土基顶部竖向压应变

图5 路表弯沉

图6 面层底部剪应变

上图3至图6分别为面层底部弯拉应变、土基顶部竖向压应变、路表弯沉、面层底部纵向剪应变和横向剪应变指标随车辆载重不同的变化曲线，从图中曲线变化规律可见：

路面动力响应各指标与载重变化关系中，车辆载重变化对面层底部弯拉应变影响最为复杂，当车辆载重小于标准轴载100kN时，载重变化与面层底部弯拉应变呈线性增长关系；当载重大于标准轴载100kN时，随着车辆载重继续增加，其面层底部弯拉应变会继续增大，但增加幅度逐渐减小；当载重增加到170kN的超载情况后，面层底部的弯拉应变会随载重增加反而减小；随着车辆载重的增加，其土基顶部的竖向压应变、路表弯沉以及面层底部纵向剪应变和横向剪应变均基本呈线性增加。另外从图6中发现，当车辆载重相同时，其面层底部横向剪应变要小于底部纵向剪应变。

2 路面差异沉降病害影响分析

2.1 附加动荷载系数随路面不平整度的变化

为了分析不同载重及车速条件下动载系数随路面不平整度变化的曲线，分别将路面不平整度系数q(Ω0) 从大到小取值为64 m2/m-1、32 m2/m-1、16 m2/m-1、8m2/m-1、4m2/m-1，计算随路面不平整度变化其动载系数变化曲线，发现行车附加荷载的比例越高，其动载系数越大，如下图7、图8所示。

下图7为随路面不平整度变化，在不同车速条件下动载系数的变化曲线，从下图可见：

（1）如果车速保持不变时，其动荷载系数与路面不平整度呈线性增长关系，这也符合实际经验，动荷载系数会因路面不平整度有放大效应。因此，当实际路面差异沉降越大时，引起的附加荷载比例将越高。

（2）当路面不平整度条件相同时，如果车速越低，动荷载系数也会越小，并且车速越小，其对应曲线斜率也越小，也就是动荷载系数会随着车速增高其增大速度越快。因此，当行驶的车辆以高速通过路面差异沉降病害路段时，与行驶车辆以低速通过良好路段时产生的荷载相比，行驶车辆自身的振动与路面差异沉降引起的车辆振动两者相叠加时，导致其产生的附加荷载会大大增加。

图7 路面不平整度与动载系数曲线(车速)

图8 路面不平整度与动载系数曲线(载重)

上图8为随路面不平整度变化，在不同载重条件下动载系数的变化曲线，从上图可见：

（1）如果路面不平整度保持不变时，动载系数会随车辆载重增加反而越小，从图中看出计算载重为100kN时所对应的动载系数最小，其对应曲线斜率最小，即附加荷载增加比例最低，因此可见，随着车辆载重越低，其产生的附加荷载比例越低。

（2）虽然从曲线中发现车载越重产生的附加荷载系数越低，但是由于随着车辆本身载重增大对路面产生的总荷载值也会增大，因此，重载型车辆仍然会对路面产生破坏有较大的影响。

2.2 附加动荷载系数在不同路面病害类型下的变化

下图9为在不同载重条件下车辆动荷载系数的变化曲线，其计算模型为折线型、曲线型以及错台型三种路面病害条件，车速按60km/h保持不变来计算分析。从下图可以发现：

（1）当车速保持不变时，对应三种病害类型曲线，均表现为随车辆载重增加其动荷载系数反而减小，其中折线型路面对应车辆动载系数减小幅度最小，错台型路面对应车辆动载系数减小幅度最大，说明错台型路面在不同载重条件下对路面附加荷载影响较大。

（2）对应三种病害类型曲线中，其中动荷载系数最小对应的是折线型路面病害类型，动荷载系数最大对应的是错台型路面病害类型，这说明错台型路面病害会导致车辆动荷载增大的幅度将远大于其它类型路段，在桥台与道路连接处经常出现的差异沉降，导致该处路面承受的附加动力较大，因此该处的路面病害往往较严重。

（3）从下面三条曲线中发现，不同路面病害类型对车辆附加动载产生的影响，错台型路面病害影响最大，折线形路面病害影响最小，因此，对于路面不均匀沉降的防治措施可以从这两方面考虑：使差异沉降变化为折线型或者想办法处理路面差异沉降。

图9 车辆载重-动载系数曲线

图10 车辆速度-动载系数曲线

上图10为在不同车速条件下车辆动荷载系数的变化曲线，其计算模型为折线型、曲线型以及错台型三种路面病害条件，载重按30kN保持不变来计算分析。从下图可以发现：

（1）当车辆载重保持不变时，车辆动载系数会随车速增加呈递增趋势，并且车辆动载系数最大对应的是错台型路面病害类型，且其增加的幅度也最大。

（2）对应三种病害类型曲线中，折线型路面条件下曲线最为平缓，折线型路面条件下下，车辆动载系数随车速变化幅度最小，说明随着车速增加，折线型路面条件下产生的车辆附加动载较小，对路面病害的程度影响较低。

3 路面差异沉降处治技术

根据路面差异沉降病害分析可知，处治路面差异沉降的技术可以从做好软土地基处理出发，通过对软土地基处理，提高原地基承载能力，从而减小地基沉降。软土地基处理方法，按处理目的可分为沉降处理和稳定处理两大类。其中沉降处理包括加速固结沉降和减小动沉降量；稳定处理包括控制剪切变形、阻止地基强度降低、促进地基强度增长以及增加地基抗滑阻力。软土地基处理方法多种多样，常用的处理技术主要有换填法、灌浆法、排水固结法、加筋法、桩基法等。由于不同的处理方法其加固机理和施工工艺存在差异，应结合工程实际选择合理的沉降处治方法，首先应根据道路对地基的要求和软土地基条件确定地基处理的范围、深度以及处理效果，然后根据地基处理的具体要求、地基处理的方法原理、施工设备及材料提出多种地基处理方案，最后对提出的方案进行技术、经济、环保等方面的对比分析，确定一种或几种地基处理方法，并视工程情况开展试验段的处理，根据试验结果进行设计和施工。

4 结论

路面差异沉降导致路面发生不平整、波浪、断裂错台等变形，严重影响行车舒适性，大大降低路面使用年限[4]。随着行车速度和车辆载重不断增加，影响路面结构的动力响应也会逐渐增大，并且如果在路面病害严重情况下，对路面振动响应就越大。车辆在行驶时路面差异沉降病害也会引起附加荷载的产生，并且引起附加荷载比例会随路面差异沉降的增大而变高。

[1]胡斌.高架桥下路面差异沉降分析及防治技术研究[D].华中科技大学,2019.

[2]孙吉书,肖田,梅林健等.重载条件下路基工作区深度影响因素分析[J].低温建筑技术,2017, 39(7):75-77.

[3]谭祥韶.车辆动荷载影响深度的现场试验研究[J].湖南交通科技,2010,36(4):35-38.

[4]孙吉书,梅林健,杨辉.施工车辆荷载对低路堤软土地基的影响深度分析[J].河北工业大学学报,2018,47(4):93-97.

Analysis of influence on Vehicling Load on Differential Settlement of Pavement

Jia Haiyan

（Huanggang Polytechnic College, Huanggang 438002 Hubei）

At present, the rapid development of transportation industry is accompanied by the rapid growth of heavy transport vehicles, so we should attach great importance to the road damage caused by vehicle load. In this paper, the influence of driving load on differential settlement of road surface is taken as the research object, and the influencing factors and mechanism of differential settlement of road surface are considered, to analyze the influence law of driving load on differential settlement of road surface, so as to provide ideas for prevention and control measures of differential settlement of road surface in engineering practice.

Vehicle load；Differential settlement；Pavement；Effect analysis

TU433

A

1672-1047（2021）06-0127-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2021.06.33

2021-11-02

黄冈职业技术学院科研项目“高架桥下路面差异沉降破坏机理及防治技术研究”（2021C2012105）。

贾海艳，女，江西萍乡人，硕士，副教授。研究方向：道路桥梁工程设计与施工管理。

[责任编辑：黄国祥]