超载运输车辆对沥青路面的破坏及制动距离的影响

刘晨阳，冯继豪，张永祥，徐广印

(1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002； 2. 生物质能源河南省协同创新中心，河南 郑州 450002)

超载运输车辆对沥青路面的破坏及制动距离的影响

刘晨阳1,2，冯继豪1,2，张永祥1,2，徐广印1,2

(1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002； 2. 生物质能源河南省协同创新中心，河南 郑州 450002)

利用现行规范规定的计算方法，在不同超载率情况下，对2种典型的路面和3种不同的初速度进行分析。结果表明，以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标，当车辆轴载为160 kN时，对路面的破坏却增加了近8倍；当车辆轴载为300 kN时，对路面的破坏增加了近119倍；以半刚性材料层的拉应力为设计指标，车辆轴载为200 kN时，对路面的破坏却增加了256倍；车辆轴载为300 kN时，对路面的破坏增加了6 561倍。当车辆初速度为30 km·h-1时，超载率为50%时，制动距离增加近3 m，超载率为100%时，制动距离增加近6 m；当车辆初速度为50 km·h-1时，超载率为50%时，制动距离增加超过8 m；超载率为100%时，制动距离增加超过16 m；当车辆初速度为90 km·h-1时，超载率为50%时，制动距离增加近27 m；超载率为100%时，制动距离增加超过53 m。

超载运输；沥青公路；危害；制动距离

随着公路运输车辆越来越多，运输市场的竞争也越来越激烈，货运经营者为了节约成本，获得更多的利益，大多数人都选择超载运输来实现这一目的。但是超载运输会给公路带来巨大的危害，当超限超载运输经营者盈利1元时，将会以付出100元的公路损坏为代价，使中国每年用于公路养护的费用增加数百亿元[1]。此外，超载运输还会影响车辆的刹车距离，对于超载运输的车辆，由于载重过大，产生的惯性也大大增加，制动距离就会更长，容易引发交通事故[2]。20世纪初期，欧尔德和哥德贝尔通过对路面板的断裂试验观察，提出载荷应力计算公式。1958年，美国公路部门对各类车辆轴载重量对各种结构的公路路面损坏程度之后，得出车辆对路面的损坏程度与车辆实际轴载质量和标准轴载质量之比的n次方之间成正比例的关系。孙立军等[3]对公路柔性路面进行了研究，得出轴载换算公式；王选仓等[4]通过线性和非线性的方法研究车辆轴重对弯沉和弯拉的影响，得出弯沉和弯拉的等效换算轴载公式；周乐燕等[5]对沥青路面使用寿命进行研究，建立了轴重超载的标准轴载换算公式。李盛等[6]对刚性层沥青层破坏进行研究，得出车辙深度随轴载作用次数增加而增加；张敏江等[7]研究车辆超载对沥青路面结构及车辙的影响分析，得出要使重载车辆作用下的路面结构使用寿命达到标准轴载作用下的使用寿命，应增加路面结构层的厚度。由于车辆长度、宽度和高度超过国家规定限制或公路特殊限定标准的情况较少，且对公路及交通安全危害较小。在2004年，国家发改委颁布了《关于在全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案》[8]为集中治理各类超限超载的运输车辆，制定了统一的检测标准。所以，本文仅研究超载车辆的车货总质量和车辆轴载质量的对公路的破坏及刹车距离的影响，以期为运输管理提供依据。

1 超载运输车辆对沥青路面的破坏

对于以路面设计弯沉值和沥青层底层的拉应力作为设计标准的公路[9]，对于轴载重量大于25 kN的车辆，各级轴载P1对沥青路面的作用次数n1，可按照式(1)对车辆的实际轴载作用次数换算成标准轴载的当量作用次数N。

(1)

式中：N为标准轴载的当量次数；ni为被换算车辆的各级轴载作用次数；P为标准轴载，kN；Pi为被换算车辆的各级轴载，kN；k为被换算车辆的类型数；C1为轴数系数，C1=1+1.2(m-1)，m是轴数。对于车辆的轮轴之间距离大于3 m时，按照1个单独的轮轴计算，对于车辆的轮轴之间距离小于3 m时，要重新计算轴数系数；C2为轮组系数，单轮组6.4，双轮组1，4轮组0.38。

对于以半刚性材料层的拉应力作为设计标准的路面[9]，对于轴载重量大于50 kN的车辆，各级轴载P1的作用次数n1，可按照式(2)对车辆的实际轴载作用次数换算标准轴载的当量作用次数N。

(2)

从公式(1)、(2)可知，当车辆的轴载增加一定比例时，对其进行标准轴载作用次数换算时，其次数并不是按一定的比例增长的，而是呈几何级数增长的，即超载车辆对路面的作用次数与车辆实际轴载和标准轴载比值的n次方成正比。由此可知，相比于标准轴载的车辆在公路上行驶，超载车辆在公路上行驶会使累计标准轴次呈级数增加，加快了公路的破坏，使公路使用寿命缩短。

当路面以设计弯沉以及沥青层层底的拉应力为设计标准时，可按照式(3)求超载车辆对路面的破坏系数Q1。

(3)

式中：Q1为实际轴载Pi对路面的破坏作用次数换算成标准轴载P对路面重复作用次数的换算系数，也称为破坏系数。

当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，货车运输重量与路面破坏系数之间的关系如表1所示。

由表1可以看出，当车辆超载使轴载重量为160 kN时，对路面的破坏却增加了近8倍，即160 kN通过路面1次，相当于标准轴载车辆通过8次；当车辆超载使轴载为300 kN时，对路面的破坏却增加了近119倍，即300 kN通过路面1次，相当于标准轴载车辆通过119次。沥青公路正常使用年限为15年时，若超载运输车辆在该公路上通行较多，公路在很短的时间内，路面结构就会被破坏。由此可见，超载运输对沥青公路的破坏是极其严重的。

表1 轴载重量对路面的破坏系数Table1 Damage coefficient of axle weighing to pavement

当以半刚性基层层底的拉应力为设计标准时，可按照式(4)求超载车辆对路面的破坏系数Q2。

(4)

当以半刚性材料层的拉应力为设计指标时，货车运输重量与路面破坏系数之间的关系如表2所示。

由表2可以看出，当车辆超载使轴载重量为200 kN时，轴载重量扩大1倍，对路面的破坏则增加了256倍，即轴载重量为200 kN通过路面1次，相当于标准轴载车辆通过256次；当车辆超载使轴载为300 kN时，轴载重量扩大2倍，对路面的破坏却增加了6 561倍，即轴载重量为300 kN通过路面1次，相当于标准轴载车辆通过6 561次。由此可见，超载运输对沥青公路的破坏是极其严重的，极大的缩短了公路的使用寿命。

表2 轴载重量对路面的破坏系数Table 2 Failure coefficient of axle load mass on pavement

2 超载运输对车辆制动性能的影响

影响货车制动距离的因素有很多，当车辆在正常情况下行驶时，车辆载荷的变化是影响制动距离的主要因素。载有货物的货车在制动时，由于惯性作用会使车辆重心前倾，引起前轮承受载荷增加，后轮所承受载荷降低，此时就使地面对车辆的作用力发生改变从而使制动距离也发生变化，由于货车的制动系统在后轴，货车载有货物时，惯性也会加大，因此的减速度要比货车空载时的减速度要小。由于超载增加了制动所需的安全距离，常常在紧急情况下，使司机不能及时躲避前面的危险，导致事故的发生。

车辆制动所需要的距离与车辆的安全行驶有直接的关系，而制动时车辆的减速度则是直接反映地面对车辆制动力的大小，决定制动距离的一项重要因素，如式(5)是计算车辆制动距离L的公式：

(5)

式中：L为制动距离，m；T0为驾驶员接到制动停车信号后的反应时间，s；T1为从加速踏板移动至制动踏板所需的换位时间，以及为消除制动装置中的间隙和弹性所需的接合时间，然后开始产生制动压力的增长，这些时间的总和,s；T2为制动器增力时间，s；V0为制动初始速度，m·s-1。

在上述分析中，为使计算简便，不考虑动力学因素，忽略汽车的滚动阻力偶、空气阻力以及旋转质量的惯性矩。根据动力学关系，根据式(6)可求汽车制动力F：

F=G·α

(6)

式中：F为制动力,kN；α为车辆减速度，m·s-2；G为车辆总重量,kN。

根据GB 7258—04标准可知，整车最大制动力达到车辆满载时总重量G的60%，最大整车制动力F为60%×G，以轻卡江铃JC528T8为例，该车重2.47 t，额定载重量1.895 t，满载时总重4.495 t。当在附着力充足的道路上，完全作用于满载的车辆在车辆减度时所能产生的最大减速度见公式(7)。

(7)

根据公式(7)计算可知，不同超载率情况下制动距离增加如表3所示。

由表3可知，随着车辆超载率的增加，制动距离与超载率呈线性增长关系。当车辆初速度为30 km·h-1，使超载率为50%时，制动距离增加近3 m，超载率为100%时，制动距离增加近6 m；当车辆初速度为50 km·h-1时，超载率为50%时，制动距离增加超过8 m；超载率为100%时，制动距离增加超过16 m。当车辆初速度为90 km·h-1时，超载率为50%时，制动距离增加近27 m；超载率为100%时，制动距离增加超过53 m。可见，当车速一定时，车辆制动所需的安全距离与超载率的增加成正比例关系，同时车速增加也会使制动距离增加。由此可见，超载运输给交通安全造成了较为严重的威胁。

表3 超载率与制动距离关系Table 3 Relationship between overrun rate and braking distance

3 结论

在不同超载率情况下，对2种设计指标的路面进行数值计算表明，当车辆超载使轴载重量为160 kN时，对路面的破坏却增加了近8倍，即160 kN通过路面1次，相当于标准轴载车辆通过8次；当车辆超载使轴载重量为300 kN时，对路面的破坏增加了近119倍，即300 kN通过路面1次，相当于标准轴载车辆通过119次；以半刚性材料层的拉应力为设计指标，当车辆超载使轴载重量为200 kN时，轴载重量扩大1倍，对路面的破坏则可增加256倍，即轴载重量为200 kN通过路面1次，相当于标准轴载车辆通过256次；当车辆超载使轴载为300 kN时，轴载重量扩大2倍，对路面的破坏却增加了6 561倍，即轴载重量为300 kN通过路面1次，相当于标准轴载车辆通过6 561次。

在不同超载率情况下，对3种不同初速度的车辆进行数值计算表明，当车辆初速度为30 km·h-1使，超载率为50%时，制动距离增加近3 m，超载率为100%时，制动距离增加近6 m；当车辆初速度为50 km·h-1时，超载率为50%时，制动距离增加超过8 m；超载率为100%时，制动距离增加超过16 m；当车辆初速度为90 km·h-1时，超载率为50%时，制动距离增加近27 m；超载率为100%时，制动距离增加超过53 m。

本文分别研究了不同超载率的车辆对沥青公路的破坏程度和制动距离的影响，得出公路的破坏程度与超超载率呈几何级数增长的关系，随着超载率的增加，对公路的破坏程度增长越快；在车速一定的情况下，刹车距离与超载率的增加成正比例的关系。由此可见，超载运输缩短了沥青公路的使用寿命，也对公共安全存在极大的威胁。

[1] 白建军.超限运输的危害及治理超限的对策[J].现代经济信息,2009(14)：120-121.

[2] 吕建新，田杰，刘银.超限运输及其经济学分析[J].武汉理工大学学报,2008,30(6)：941-903.

[3] 孙立军,姚祖康,李舜范,等.柔性路面轴载换算式在北京地区的验证与补充[J].中国公路学报,1992,5(3):1-6.

[4] 王选仓,谭权,王新岐,等.重载沥青路面研究[J].西安公路交通大学学报,1998, 18(4):9-12.

[5] 周乐燕,邓扬.车辆超载下沥青路面使用寿命评估[J].公路与汽运,2015(3):107-109.

[6] 李盛,陈尚武,刘朝晖,等.刚性基层沥青路面沥青层破坏行为与机理[J]. 中南大学学报,2016,47(3):1065-1070.

[7] 张敏江,石岩,王新波,等. 车辆超载对沥青路面结构的影响分析[J]. 沈阳建筑大学学报,2008,24(1):16-20.

[8] 交通运输部.关于在全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案[J]. 交通标准化,2004(9):12-16.

[9] 交通运输部.公路沥青路面设计规范[M].北京：人民交通出版社,2005.

(责任编辑：蒋国良)

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

河南省交通科技攻关项目(2012PⅡ04)

刘晨阳(1993-)，男，河南商丘人，硕士研究生，从事农产品物流技术与工程方面的研究。

徐广印(1963-)，男，河南南阳人，教授，博士研究生导师。

1000-2340(2016)04-0490-04

U416. 217

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