（道路与铁道工程专业论文）沥青路面车辙对车辆行驶质量的影响研究.pdf

摘要 摘要 车辙已经成为我国沥青路面的一种主要损坏形式，它的存在严重影响了路面的使用寿命和服务质 量，是交通运输的安全隐患。针对目前从车辆行驶质量角度探讨车辙危害较少的情况，本文利用 m a t l a b 语言，进行车辆一路面系统动力学仿真，从道路使用者的角度出发，研究路面车辙的存在对 车辆行驶质量的影响。 本文首先研究了对车辆行驶质量产生影响的车辙断面几何要素，除车辙深度外，还包括车辙断面 其它指标，如车辙侧壁倾角、车辙底面不平整等。在此基础上，根据车轮在车辙断面行驶位置的不同： 车轮在车辙辙槽底部、车轮跨越车辙、车轮在车辙侧壁斜面上行驶，确定了三种路面输入激励模型： 其次，根据车身的振动响应，分别选用了两自由度单轮车辆模型和五自由度整车模型，推导了轮胎侧 向力，并根据牛顿定律推导出车辆模型的运动方程；然后进行车辆一路面系统动力学仿真分析，运用 m a t l a b 计算程序求解出系统的振动响应，根据仿真结果确定对行驶质量有显著影响的车辙评价指标， 并依据i s 0 2 6 3 1 人体承受全身振动的评价指南，建议了各指标的评价标准；最后探讨了路面存在积 水时，车辙的存在对车辆正常行驶的影响。 从车辆行驶质量的角度对车辙病害的危害进行分析更具现实意义。本文的研究完善了表征路面车 辙形态的评价指标体系，为进一步揭示车辙特征参数与车辆行驶质量之间的关系奠定了基础，也为道 路管理部门在进行路面养护管理决策时提供了参考。 关键词：路面车辙；车辆行驶质量；车辆一路面系统；m a t l a b s i m u l i n k ；模型仿真 a b s t r a c t r u t t i n gh a sg r o w na sap r i m a r yd i s t r e s sf o ra s p h a l tp a v e m e n ti nc h i n a i th a sad e t r i m e n t a li m p a c to nt h e s e r v i c el i f ea n dq u a l i t y , w h i c hp o t e n t i a l l yl e a d st ot r a f f i ca c c i d e n t s d u et ot h ei n a d e q u a c yo fe x i s t i n gr e s e a r c h o nt h eh a z a r d o u s n e s so fr u t t i n gf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft i d i n gq u a l i t i e s ，t h i sp a p e rp l a c e si t sf o c u so nt h e s i m u l a t i o no ft h ed y n a m i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nv e h i c l ea n dp a v e m e n tu s i n gm a t l a bl a n g u a g ea n dd u r i n g t h i sp r o c e s s ，t h ee f f e c to f r u t t i n go nr i d i n gq u a l i t i e sh a sb e e nd i s c u s s e d f i r s ti nt h ep a p e r , t h ei n f l u e n c e so fg e o m e t r i c a lp r o f i l eo fr u t t i n go nt i d i n gq u a l i t i e sh a v eb e e nd i s c u s s e d , i n c l u d i n gr u t t i n gd e p t ha n d8 0 m eo t h e ri n d i c e s ，s u c ha ss i d ew a l la n g l e ，u n e v e n n e s so ft h eb o t t o m ，a n ds oo n t 0g oo ni nt h i ss t u d y , t h r e et y p e so fi n p u te x c i t i n gs i m u l a t i o n sh a v e b e e nr e c o m m e n d e db a s e do nt h ed i f f e r e n t l o c a t i o no ft h et i r e s 谢也r e g a r dt ot h er u t t i n ge , t o a ss e c t i o n t op u ti nd e t a i l ，f i r et r a v e l i n ga tt h eb o t t o mo ft h e r u t t i n g ，p a s s i n gt h er u t t i n gt r e n c ha n dt r a v e l i n go nt h es i d ew a l lo ft h er u t t i n gh a v eb e e ns i m u l a t e d ，w h i c h r e q u i r et h r e ek i n d so fc o r r e s p o n d i n gi n p u t s s e c o n d l y , b a s e do nt h ev i b r a t i o nr e s p o n s eo ft h ev e h i c l e t w od i f f e r e n tt y p e so fs u s p e n s i o ns y s t e m sa m o d e l e d ，w h i c ha r es i n g l ef i r em o d e lo ft w od e g r e e so ff r e e d o ma n dw h o l ev e h i c l em o d e lo ff i v ed e g r e e so f f r e e d o m ；m o r e o v e r , t h et r a n s v 撇d y n a m i c so ft i r em o d e li sa n a l y z e d t h r o u g hn e w t o nt h e o r y , e q u a t i o n so f m o t i o na r ed e r i v e d t h i r d l y , t h ev e h i c l e - p a v e m e n td y n a m i ci n t e r a c t i o ni ss i m u l a t e d b ym e a n so fs e l f - d e f m e dm a t l a bl a n g u a g e ， t h ed y n a m i cv i b r a t i o nf o r m u l a sa r es o l v e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，e v a l u a t i o ni n d e x e so fr u t t i n g ， w h i c hh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so nt i d i n gq u a l i t i e s ，a r ea s c e r t a i n e d w h a t sm o r e ，t h ec o r r e s p o n d i n g e v a l u a t i o nc r i t e r i aa r es u g g e s t e db a s e do ni s 0 2 6 31g u i d e f o ，t h ee v a l u a t i o no f h u m a ne x p o s u r et ow h o l eb o d y v i b r a t i o n f i n a l l y , t h ei n f l u e n c eo ft h ep o n df o r m e di nr u t t i n go nt h et i d i n gq u a l i t yi sd i s c u s s e db a s e d o ni n v e s t i g a t i o n s a n dr e l a t e de x p e r i m e n t sa th o m ea n da b r o a d i ti so fm o r ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi n t e r p r e tt h ei n f l u e n c eo fr u t t i n gf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fr i d i n gq u a l i t i e s t h i ss m d yf u r t h e rp e r f e c t st h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fr u t t i n gf o r ma n da l s oh e l p st or e v e a lm o r ep a r t i c u l a r i n f l u e n c eo fr u t t i n go nr i d i n gq u a l i t i e s ，w h i c hw i l lp r o v i d es u p p o r t i n gi n f o r m a t i o nf o rt h er e s p o n s i b l ea g e n c i e s i nt h ed e c i s i o nm a k i n gp r o c e s sf o rm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n tp l a n n i n g k e y w o r d s ：r u t t i n g o fa s p h a l tp a v e m e n t ； r i d i n gq u a l i t i e s ； v e h i c l e - p a v e m e n td y n a m i cs y s t e m ； m a t l a b s i m u l i n k ；m o d e ls i m u l a t i o n i i 符号注释表 符号注释表 符号 物理量单位符号物理量单位 b f前轴轮距mb r 后轴轮距m c s悬架阻尼系数 l 洲m s c t 轮胎阻尼系数l 洲m s c n轮胎侧偏刚度 斟m r a d f y 侧向力n 车辆质心距地面的 g o 路面不平度系数蔷| 心 h g m 高度 车辆绕x 轴的 车辆绕y 轴的 i xk g l n 2i y k g m 2 侧倾转动惯量俯仰转动惯量 车辆绕z 轴的 i z埏m 2k 悬架弹簧刚度 n m 横摆转动惯量 l ( t轮胎垂向刚度 n ml轴距m 车辆质心到车辆质心到 l f m l rm 前轴距离后轴距离 车身质量车轮质量 m bk gm wk g ( 簧载质量) ( 非簧载质量) m 整车质量k g r d 车辙深度 m m s 空间谱密度 m 2 m 。1 v 车辆的前进速度 m s z 垂向位移 m 轮胎侧偏角 t a d 或( o ) 车辙断面左侧a 2 车辙断面右侧 仅l r a d 或( o )l a d 或( o ) 侧壁倾角侧肇倾角 5 f 前轮转向角r a d 或( o ) e 车身俯仰角t a d 或( o ) 9 车身侧倾角t a d 或( o )、l ，车身横摆角t a d 或( o ) v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出 全世界每年有1 0 0 多万人死于交通事故【，影响道路交通安全的主要因素包括人、汽车、道路和交 通环境条件 2 1 ( 见图1 1 ) 。从已发生的大量道路交通事故的实际过程及结果看，除少量事故是驾驶员 的粗心驾驶所造成以外，绝大多数道路交通事故并非驾驶员的失误和错误操作所致，主要是由困难的 行驶条件所引起，而困难的行驶条件又与道路规划、道路设计以及道路养护等密切相关。 图1 1 道路交通安全性的主要影响因素 性能 行驶 状况 就道路条件与道路交通事故之间的关系而言，良好的道路条件对预防道路交通事故的发生有明显 的影响作用，而不良的道路条件对诱发道路交通事故亦有相应的影响作用【3 l 。 前苏联学者季沃奇金对前苏联境内i v 级公路上约1 3 0 0 0 起道路交通事故进行分析，在仔细考虑 了事故地点的特征后得出结论：不良道路条件的影响是7 0 道路交通事故发生的直接或间接原冈。 欧洲联合经济委员会对预防道路不幸事件的研究结论亦相同：7 0 道路交通事故是由于道路的缺 陷所致。 法国国家保险公司在详细研究了1 0 6 4 个道路交通事故实例后认为：一些通常被视为因驾驶员的失 误或错误操作而导致的交通事故背后隐含着相当比率的道路因素。在认定的因驾驶员的不良生理状态 ( 如疲倦、生病、酗酒等) 为原因引起的事故中，由于不利的道路条件促使事故发生的占4 0 ；在认 定的冈驾驶员的操作失误( 如不正确的超车等) 为原因引起的事故中，由于不利的道路条件促使事故 发生的占4 1 ；在认定的冈驾驶员的判断失误( 如过高的车速、制动距离判断不正确等) 为原冈引起 的事故中，由于不利的道路条件促使事故发生的占3 4 。 由此可见，引发交通事故的主要原因之一是道路条件。道路条件包括道路线形和路面性能，在路 面性能中，抗滑性能和路面不平整是道路安全的最重要影响因素。德国境内多条高速公路上抗滑性能、 路面不平整与交通事故率的大量统计数据显示：交通事故率与二者有很大相关性1 4 】。 目前，高速公路事业在世界各国引起了普遍重视，沥青路面在全世界范围内得到了广泛的应用， 并且已经成为一种主要的现代路面结构形式。美国等西方国家的沥青路面所占比例多在9 0 以上，沥 青路面在我国也得到了蓬勃发展：截至2 0 0 7 年底我国公路通车总里程达3 5 7 3 万公里，高速公路5 3 6 东南大学硬学位论文 万套里其中约”采用了沥青混凝土路面9 l 。 车辙是沥青路面特有的主要破坏现象之。2 0 世纪7 0 年代末，美国各州公路与运输j 。作者协会 ( a a s h t o ) 曾经做过调查统计，在被调查的“条州际公路和干线公路中，有1 3 条公路的路面破坏 是由车辙引起的，占涸裔总教的2 吼5 ；日丰累计交通量超过3 0 0 万辆的高速公路上。车辙深度超过 1 0 删的占5 0 咀上，路面的养护维修有8 0 是由于车辙变形引起的1 6 ；在我国由于国民经济高速发 展而带来的交通量迅速增长、车辆大型化超载严重、车辆渠道化等原因，沥青路面车辙辅害尤为严 重如图1 - 2 ，并且呈现出病害出现更早的现象，许多仅为i o 年。黠面车辙的存在严重影响了高述 公路的使用寿命和服务质量，构成了交通运输的安全隐患。 圈1 - 2 高速公路沥青路面车辅病害 路面上车辙形成后t 所引起的危害包括以f 几个方面1 1 ： ( 1 ) 路面表面过量的变形影响路面的平整度； ( 2 ) 轮迹处沥青层厚度减薄，酆弱丁面层及其路面结构的整体强度，易于诱发其他精害： ( 3 ) 雨天车辙内积水导致车辆出现飘滑影响高速行车的安全性； ( 4 ) 冬季车辙槽内聚冰，降低路面的抗滑能力行车产生冰帽现象； ( 5 ) 车辆在超车或变换车道时方向失控，影响车辆的操纵稳定性。 车辆干i 驶时，由于车辙所导致的路面不平接等困素馊车辆处丁振动的状态，路面给车辆以激威， 车辆做出相应的振动响应。垂向响应表现为行驶动力学通过悬架和轮胎垂向力引起车身跳动和俯仰， 较大的垂向加速度和俯仰角会使 婷到颠簸，影响乘坐的舒适性；横向响应表现为操纵动力学。与轮 胎侧向力有关，影响车辆行驶的稳定性，较大的横向位移和横摆舟会明显改变乍辆的运动状态和行驶 方向，而较太的侧倾角则会增火车辆笸生侧向倾覆的可能性1 8 。 在行车动荷载的作用t ，由于车辙等病害的出现，路面的平整度出现衰减，即路面平整度变差。 汽车行驶在不平整的路面上，车辆行驶的稳定性受到威胁，同时车轮对路面产生附加动荷载，这种动 荷载将加速路面平整度的衰减，而路面平整度的变差又将导致车辆行驶安垒性的丧失以及附加动荷载 的增加。如此恶性循环使得路面午辙病害与车辆行驶质量的芙系问厦成为养护部门和递路使月 者共 同芙注的焦点。 1 2 研究的背景与意义 关于车辙问题的研究，现阶段主要集中在班f 几个方面：一是车辙破坏帆理及影响团嘉i 二是评 价车辙的试验方法；三是车辙的控制指标及释许值：四是车辙预估方法及模 i ! ：五是车辙控制与防治 措施。在路面车辙病害对道路交通的影响方面，道路t 程师的研究重点多集中在对午辙的预防、维修 时机的选取，以及维修册方珐等方面上具体表现为从路面结构没计、基层和面层掘合料的配台比设 第1 章绪论 计、路面结构形式、施工工艺、材料、管理等方面寻找原因，减少或延缓车辙病害的发生；在路面养 护技术规范中确定车辙病害的控制指标及其标准值，以确保不延误最佳的养护时机。 对于车辙指标的选取，纵观国内外现行规范，多采用车辙深度作为车辙病害的评价指标。然而， 采用车辙深度作为车辙病害养护维修的指标多有不妥之处，比如：不同道路管理者所采用的测量方法 不同、以及对车辙深度的定义不同，都会导致对同一路段所测得的结果值相差异；并且该指标的提出 多是基于大量的历史数据和丰富的认知经验，并未另外考虑道路使用者的要求，而仅是从公路养护管 理的角度对路面车辙进行的一维度量。 路面使用性能直接的服务对象是道路使用者，而道路使用者所能直观感受到的是乘车的舒适性、 操纵的稳定性、行驶的安全性等车辆的行驶质量变化情况。因而，从道路使用者的角度看，路面车辙 病害的评价指标应当可以反映车辆行驶其上时行驶质量产生的变化，而车辙病害指标容许值的确定则 应保证车辆行驶质量所容许的界限。 研究路面对行驶其上的车辆行驶质量的影响，常采用两种方法1 9 ：一种是实车现场试验：另一种是 采用基于车辆动力学的模拟试验( 车辆一路面系统动力学模拟) 。其中车辆一路面系统动力学模拟目前 得到了显著的发展，并且由于其可以安全、快捷、经济的评价不同路面的使用性能，日益成为研究者 们关注的焦点。 车辆一路面系统动力学分析，是介于汽车动力学与路面力学之间的- - f 2 学科。对于道路工程领域 来说，以路面为研究主体，主要关心行车荷载对路面结构的影响。将车辆简化为单一的静力荷载或移 动荷载模型，作为一种稳态输入，分析对不同路面结构组合类型的应力作用；对于汽车工程领域来说， 以车辆为研究主体，主要关心如何获得更理想的车辆性能。路面往往作为一种不平整输入，通过设计 合理可靠的悬挂参数、阻尼常数和弹性刚度等，改善汽车荷载的变动，降低车身加速度均方值，实现 汽车行驶的安全平稳。 研究车辆一路面相互作用系统的必要性，可以从以下几个方面的需求表o a t l o j ：首先，作为道路的 使用者，他们关注的是如何改善行车安全、提高驾车舒适性、降低车辆营运费用等；其次，作为道路 管理部门，他们关注的是确定养护维修方案、抓住养护时机。以及减少维修费用等；再有，作为汽车 制造部门，他们关注的则是改善汽车的运行舒适性、完善车辆的功能和构造；另外，从行政部门的角 度出发，如何保护人民群众的生命财产安全，才是重中之重。 1 3 国内外研究状况 1 3 1 我国 我国高等级公路交通渠化现象明显、大型运输车辆的超载问题严重，车辙已经成为我国高等级公 路沥青路面的典型病害之一。现行的公路沥青路面养护技术规范( j t j0 7 3 2 2 0 0 1 ) 【l l 】和高速公路 养护质肇检评方法( 试行) ( 2 0 0 2 ) 1 2 】都未将路面车辙列为一项独立的评价内容，从整体上看只是将 其视为众多路面病害形式中的一类( 属于变形类损坏) ，在确定路面综合破损率( d r ) 和路面状况指 数( p c i ) 时予以考虑。 2 0 0 1 版公路沥青路面养护技术规范，结合国外对车辙标准的规定情况和我国的实际情况，首次 对高速公路和一级公路提出了车辙的养护技术标准，见表1 1 。 表1 1 沥青路面车辙养护质量标准 i评价指数高速公路、级公路 其他等级公路 路面车辙深度( n u n )s 1 5 m m 注：对于其他等级公路不对车辙深度作要求。 由上述可知，我国现行规范中采用的处理方法实质上是将车辙与其它路面病害形式等同对待，对 所有车辙形式不加区分、统一处理，仅从路面养护的角度出发提出基于经验的车辙深度指标，未明确 3 东南大学硕士学位论文 道路使用者对车辆行驶质量的要求，显然与当前道路车辙问题突出的实际情况不符。 1 3 2 日本 日本从上世纪7 0 年代开始研究车辙，之前主要是研究最佳沥青用量，为解决车辙与开裂的矛盾， 其后发展了改性沥青的研究。日本建设省技术研究会专项课题对道路铺装的管理前后进行了三阶段调 查研究：第一阶段，从裂缝率、车辙量及平坦性方面计算出了路面维修管理指数m c i ：第二阶段，制 作出了设计一施工一管理一条龙的铺装管理运营系统p m s ；第三阶段，提出了从现场调查到判断是否 要修，再到具体怎么修的一个流程。 在第1 3 次道路技术研讨会上，就一般的道路使用者和沿线居民对路面的要求作了分析总结，如下 表1 2 。 表1 2 日本道路使用者和沿线居民对道路路面的性能要求( 2 0 0 5 ) 道路使用者沿线居民 道路使 无塞车舒适安全 道路使 用性能用性能 无塞车无噪音无振动无溅水 道路表 平坦性 平坦性 平坦性 面性能 车辙 车辙道路表 落差 落差面性能 路面纹理车辙车辙 指标坑洼指标 落差落差坑洼 坑洼 坑洼 抗滑性 日本基于对本国内车辙现状的多方位调研，分别进行了车辙路面的行驶性能、车辙与积水溅水、 车辙与抗滑、车辙与噪音、车辙与交通事故等方面的统计分析研究，并在此基础上，综合道路管理者、 使用者、沿线居民等多方面的考虑制订了车辙深度指标，见表1 3 。 表1 3 日本道路路面的维修指标( 1 9 8 7 ) 指标 道路维修 标准水准下限值 理想水准 车辙深度一般道路高速公路一般地区雪寒地区 下限值 ( m m )3 口q 02 53 5 4 5 2 0 - 3 0 1 3 3 美国 ( 1 ) 美国沥青协会( a i ) 路面设计手册 a i 认为：只要路面各结构层充分压实、沥青混合料经过认真设计，路面车辙深度不会大于1 2 5 m m ， 并以此值作为路面车辙的设计标准。 ( 2 ) 美国a a s h t o 路面设计指南1 1 4 j 在a a s h t o 路面设计指南( 1 9 9 3 ) 中，路面服务性能指数( p s i ) 的临界标准为2 5 ，与p s i = 2 5 时对应的路面平均车辙深度为1 5 m m 。a a s h t o 规定：高速公路的路面车辙养护标准为1 0 m m ，一般 公路为3 0 m m ，如表1 4 。 表1 4 美国a a s h t o 车辙评价标准 一级( l e v e l1 ) 2 5 m m 4 第1 章绪论 ( 3 ) 美国s h r p 研究计划【1 6 1 s h i 心在研究沥青路面永久变形预测时提出的车辙深度极限值为1 2 5 m m 。 ( 4 ) 美国m i n n e s o t a ( 明尼苏达) 州 交通事故的发生不仅仅与车辙深度有关，还与司机醉酒、超速行驶和闯红灯等有关。路面是否需 要进行路面翻新应考虑的因素包括：交通事故率、裂缝和行车舒适性等。在明尼苏达州，一般车辙达 到1 2 7 m m 时，就需要修复，如下表1 5 。然而大多数情况下，当车辙深度小于1 2 7 m m 时，路面就已 经出现了温度裂缝等破坏类型而影响行车舒适性，此时就需要进行修复、加铺罩面或翻新。 表1 5 美国m i n n e s o t a 州车辙评价标准 轻( l i g h t ) 6 3 5 m m 1 2 7 m m 中( m o d e r a t e )1 2 7 m m 一2 5 4 m m 重( s e v e r e ) 2 5 4 m m 1 3 4 其他国家 ( 1 ) 瑞典 在瑞典，统计数据表明：交通事故率与车辙深度没有直接关系，但随着不平度( u ) 的增大而增 大。此外，若要研究事故率与车辙深度的关系还应考虑季节( 夏、冬) 的影响。规范要求车辙深度不 得超过1 5 m m 。 ( 2 ) 德国 车辙用两个参数描述横断面：车辙深度( z w s p r r ) 和车辙积水深度( 2 w s p h ) 。根据交通量的大 小将道路分为三个等级( f k l 、n q 和f k 3 ) ，又根据车辙对路面性能的影响分别提出了3 个界值，如 下表1 6 。 表1 6 德国车辙深度控制指标 车辙深度 等级 车辙积水深度 等级 ( z w s p t )f k lf k 2f 硒( z w s p h )f k lf l qf l o 允许允许 ( s p t l ，m m ) 4440 10 10 1 ( s p h l ，m m ) 警告警告 ( s p t 2 ，n u n ) 1 01 5 2 0468 ( s p h 2 ，m m ) 上限上限 ( s p t 3 ，l l l m ) 2 0 2 5 3 0691 2 ( s p h 3 ，m m ) 注：f k l 交通量大：f k 2 般交通量；f k 3 交通量少。 ( 3 ) 南非 车辆发生水漂现象与车速、胎压和辙槽的积水深度有关。在确定可能引起水漂的车辙深度时，应 考虑道路横坡。一般情况下，高速公路的车辙深度控制在1 0 - - 1 2 5 m m 以内，一般公路的车辙深度控制 在2 0 2 5 m m 以内。 ( 4 ) 英国 英国路面设计规范【17 】( d m r b ) 认为，应当从路面结构和行车安全两方面来确定容许车辙深度。 当车辙深度达到1 0 m m 时，认为路面已经进入临界状态；当车辙深度达到2 0 m m 时，则认为路面已经 损坏；当车辙深度超过1 3 m m 时，在积水情况下就可能引起水漂或路面抗滑性能的下降，影响高速行 车的安全性，见表1 7 。 5 东南大学硕士学位论文 表1 7 英国路面快速检测规范( t t s ) 车辙评价标准 良好( s o u n d ) 2 0 r a m ( 5 ) 比利时 车辙深度与车辙宽度之半的比值应在2 3 的范围之内，干线公路的容许车辙深度为1 2 r a m ，一 般公路为8 r a m 。 ( 6 ) 沙特 为了预防车辙病害，制定了沥青混合料设计过程中以及路面维修的标准，如表1 8 表1 8 所示。 表1 8 沙特沥青路面设计、维修标准 控制范围 试验项目 无车辙设计标准车辙维修标准 回弹模量 4 9 6 6 4 9 1 2 3 1 0 9 以上资料多是采用邮件调查的方式求得。从各国专家的反馈信息中不难发现：车辙深度是多数国 家采用的车辙评价指标，而对于该指标具体的评价标准，各国规定都不尽相同。可以明确的一点是： 各国规范的容许车辙深度值，多是基于历史数据以及认知经验，综合各方面影响而确定的路面养护指 标。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究目标 目前，国内外对于沥青路面车辙病害的评价多是从道路养护管理的角度出发，采用容许车辙深度 作为路面车辙病害的评价指标，然而单一的车辙深度指标并不足以反映路面状况对于车辆行驶质量的 影响。作为道路使用者最为关心的车辆行驶质量，在制订沥青路面车辙控制指标及其标准时，予以专 项考虑，更具现实意义。 本文从道路使用者的角度出发，在选择合理的沥青路面车辙激励模型、科学简化车辆振动模型的 基础上，进行车辆一路面系统动力学仿真。根据仿真结果，确定对车辆行驶质量影响显著的车辙评价 指标，并依据i s 0 2 6 3 1 人体承受全身振动的评价指南，建议各指标的容许值，以保证车辆在有车辙 路面上行驶时的行驶质量，也为管理部门在进行养护决策时提供参考。 1 4 。2 研究内容 ( 1 ) 建立有车辙路面激励模型： 目前，国内外多采用车辙深度作为路面车辙状况的评价指标，然而其并不能全面的表明车辙病害 对车辆行驶质量的影响。在分析实测路面车辙断面形态的基础上，本文根据车轮在车辙断面行驶位置 的不同，考虑三种路面输入激励： 1 ) 理想状态车轮在车辙底面宽度范围内沿辙槽行驶。 2 ) 车轮跨越辙槽。 6 第1 章绪论 3 ) 车轮在车辙侧肇斜面上行驶。 ( 2 ) 建立基于动载分析的车辆振动模型； 车辆动力学计算中常采用的模型有1 4 车辆模型、1 2 车辆模型、整车模型等，并根据实际的分析 问题确定不同模型的自由度数。模型的选用主要根据预期的车辆响应性能指标的确定，本文根据车轮 在车辙断面行驶位置的不同因而输出不同的系统振动响应，分别选用两种车辆模型： 1 ) 当车辆在车辙内沿辙槽底部行驶时，拟选用二自由度单轮车辆模型。 2 ) 当车辆跨越辙槽和在车辙侧壁斜面上行驶时。拟选用五自由度整车模型。 ( 3 ) 车辆一路面相互作用系统动力学仿真； 以车辆一路面相互作用系统为研究对象，根据n e w t o n 第二定律和d a l e m b e x t 原理，建立系统的 运动平衡条件和动力平衡条件，得到系统的运动微分方程组。利用m a t l a b 计算软件，编制程序求解 微分方程组，获得反映车辆行驶质量的各自由度响应。 ( 4 ) 分析车辆行驶质量随各影响因素的变化情况； 1 ) 车辆在车辙内沿辙槽底部行驶时，分析车辙底面不平整、车辆行驶速度、l 4 车辆模型中轮胎 阻尼，以及车辆类型等对车身纵向响应的影响。 2 ) 车轮跨越辙槽时，分析不同车辙深度，如5 m m 、1 0 m m 、1 5 r a m 及2 0 m m 等，对车辆横向响应 的影响。 3 ) 车轮在车辙侧壁斜面上行驶，分析车辙断面侧壁倾角对车辆行驶质量的影响，车辙侧壁倾角根 据实测路面车辙断面，分别选用l o 、2 0 、3 0 和5 0 。 ( 5 ) 路面存在积水的情况下，车辙的存在对车辆行驶质量的影响。 借助国外漂滑模拟试验的数据资料，整理出路面积水深度和行车速度对摩擦系数的影响；分别从 车辆漂滑、操纵稳定性能以及我国现行养护管理规范三个角度，分析得到理论上的路面积水深度容许 值，并通过车辙形状换算系数将其转换为车辙深度的容许值；总结日本关于车辙深度与车辆溅水方面 的研究，扩展对车辙病害的认识，从行车溅水的角度推荐路面车辙深度的容许值。 7 东南大学硕士学位论文 1 4 3 技术路线 图1 - 3 本文技术路线图 8 第2 章沥青路面车辕激励模型 第2 章沥青路面车辙激励模型 沥青路面车辙已成为我目公路的主要痛害之一车辙的出现不仅降低了道路整体结构的强度和稳 定性、恶化了车辆的行驶质量，而且增加了道路养护雏修的费用以及由此导致的车辆运营费用( 比 如；轮胎磨耗、燃油消耗、车辆运行时间的增长等) 。作为车辆行驶过程中主要的澈励来源，车辙是影 响路面使用性能的重要方面，也是评价道路服务品质的重要指标车辙所导致的路面不平整等因素， 使得行驶其上的车辆处于振动状态影响乘坐的舒适性；路面车辙产生的“沟槽效应”直接影响着车 辆与路面问的相互作用，亦即影响着车辆的制动教能和制动时车辆的方向稳定性；另外，雨天辙槽积 承，会导致车辆转向失控，甚至会产生漂滑现象，严重影响着车辆的行驶安全。 在以人为本、公路为使用者提供快速、安全、舒适经济交锺环境的今天，从车辙对车辆行驶质 量影响的角度评价车辙病害，更具现实意卫。对于道路使用者来说。能够直接感觉到的并不是路面结 构的强度与稳定性，而是与路面不平度、溜精噤声等有关的功能性能。使用者更加关心的是其驾车 行驶在公路上时，车辆操纵的难易程度和车辆行驶质量的好坏。 车辙深度作为一维的单一评价指标，虽然目前被各田规范所广泛采用，然而其在袭征车辆行驶质 量的评价输入中却并不完善。本章将探讨对车辆行驶质量影响显著的车辙形态评价指标，为后文的车 辆一路面系统动力学分析打下基础。 2 1 沥青路面车辙形成机理 沥青路面在缓慢移动或重交通作用f 会产生变形并留下永久性的徽变形，随着时间的推移。这些 微变形会积累并产生车辙现象。根据路面车辙的形成原因国内外文献中一般将其划分为四种类型1 2 0 l ： ( 1 ) 结构型车辙 结构型车辙( s m u ：t u r ed e f o r m a t i o n ) 是由于车辆荷载作用传播扩散后超过路面各层的强度导致 路面结构产生整体性永久变形。这类车辙主要是由路基和基层变形传递至面层而产生通常会伴有裂 缝出现，车辙形状较宽，两侧没有隆起现象，车道横断面里浅盆状的“u ”字形，如图2 - 1 所示。 o q 帖1 辅 * - lz 一5 固2 - 1 结构型车檄 ( 2 ) 流动型车辙 流动型车辙( p l t t s t i cd e f o m m t i o n ) 亦称失稳型车辙，是由于沥青混台料的侧向流动变形所致。在 高温条件下，经过车辆荷载的反复作只 路面结构内部产生的剪切应力超过沥青混台科的抗剪强度， 即稳定度极限，致使塑性流动变形不断累积形成车辙。因此，流动型车辙主要取决于沥青混台料的高 温稳定性能。这种车辍在车轮荷载的中心位置处产生下凹变形，在车轮荷载作用较少的两侧向上隆起， 在弯道处还明显向外推挤车道线及停车线因此成为曲线。它尤其容易发生在上坡路段、交叉口附近， 即车速慢、轮胎接地产生横向应力太的地方，如图2 - 2 所示。 东南 学顾i 擘位论立 图2 - 2 流动型车辙 ( 3 ) 压密型车辙 压密型车辙( i n i t i a ld e n s i f i c a t l o n ) 是由于沥青i l i 台科内部存在空隙尤其是在施工中压实不足的 情况下，由于车轮荷载的碾压，路面出现再压实沥青路面厚度碱薄，在车轮荷载集中的地方出现凹 陷，形成车辙。在这样的路段上，沥青层只有在交通车辆的反复碾压作 i 下空隙率不断减小，达到 极限的残余空隙牢后才稳定。由此可见，保证路面结构的充分压实是防止或减少此类车鞋产生的重 要措旌这种乖辕一般两侧没有隆起，只有下凹 ( 4 ) 磨耗型车辙 磨耗型车辙( s u r f a o e w e a r ) 是路面表面材料在车轮和自然因素作用f 持续不断地磨损喊剥落而形 成的车辙，尤其是车辆使用了防滑链或埋钉轮胎后这种情况就更容易发生。磨耗型车辙在我国并不 常见 其实沥青路面永久变形的产生是各种机理井同作用的结果，既有结构层的强度变形，也有沥青 批合料的漉动变形以及压密变形和磨损变形。几种机理在车辙形成过程中由于所历时的阶段不同，所 处的环境不同对于车辕的贡献也不相同。 就我国实际情况而言，目前我国公路广泛采用的是半剐性基层沥青路面结构。由于半刚性基层的 强度和刚度较大，且扩散下来的戍力也较小，路基的受力及变形必然很小通常忽略半刚性基层产生 的变骺。田此，在保证路基和基层压实质鼍的情况f 沥青路面车辙主要发生在沥青面层。 2 2 沥青路面车辙的检测方法与检测设备 快速、安全、准确地获取路面车辙或道路横断面信息，对丁道路养护管理和交通安全都至关重要。 在近半个世纪的发展过程中，国内外研究者曾推出过多种路面车辙检测方法和检蔫设备，它们在检测 基本原理、使用特点和戊用情况等方面不尽相同根据检测方式的不同，大体上可以分为两种类型： 人1 1 检测设备和自动化检测设备见表2i 。 表21 国内外路面车辅检测方法和检测设备览 直尺或量线车辙深度静态 l2 m i8 m 2 m 直尺 人工检测a a s h t o 车辙鬻规车辙深度静态 水准仪和水准尺横断面静态 表面高程计横断面 静卷，动态f a c e d i p s t i c k 手推式断面仪 横断面 动态 w a l k i n g p r o f i l e r 横向轮廓仪横断面静卷 t p 自动化检测 幽像摄影检测系统 横断面 动态 自动乍辙仪车辙深度懒断面 动态 3 5 7 传感器 横断面扫描仪 横断面 动态 p p s 和l r m s 第2 章沥青路面车辙激励模型 各种车辙检测方法和检测设备的实质都是测量道路横断面上各点的高程信息，然后描述出横断面的 形状，再据此计算各种路面车辙指标，所不同的是横断面检测方式、覆盖宽度、测点密度和数据精度等。 人工检测设备速度慢、效率低、人为因素影响大而且安全性差，不适用于大规模路面车辙检测， 因此常作为标定设备使用。自动车辙仪是基于非接触式位移传感器进行工作，这类仪器具有快速、高 效、操作安全和不影响车辆正常通行等优点，是目前应用最为广泛的自动化路面车辙检测设备，但是 其测量结果随传感器类型、数量和位置的不同具有很大差别。 2 3 沥青路面车辙形态分析 分析国内外公路的实测车辙断面图可以发现【2 2 2 3 1 ，实际车辙形态各异，总体类似抛物线，并且关 于中心线呈非对称分布，如图2 3 。有的路段还出现一侧轮迹带车辙比另一侧轮迹带车辙深的现象， 由左右辙槽深度差造成的坡度，使得车辆行驶在此路段中出现偏载和侧倾的可能，对行车安全极为不 利。根据大量的统计调查，车辙形态归结为如图2 4 所示的7 种类型【7 】。 车 辙0 凄2 0 冒4 0 邑6 0 o5 01 0 0 1 5 02 2 如3 0 0 3 5 0 4 0 0 图2 3 某高速公路某路段车辙实测图 车辙呈现的形态与很多因素有关，如与沥青混合料的类型、车辆组成与轴载谱、路面横坡的大小、 旅工时材料的离析、压实的不均匀等都有密切的关系。目前，还没有足够的数据来证明车辙的形态主 要由哪个因素决定，因为还没有可靠的手段来准确评价施工质量的均匀性以及沥青面层的真实的工作 性能。 2 3 4 5 6 7 东南大学硕士学位论文 2 4 沥青路面车辙评价指标分析 国内外在对路面车辙状况进行评价时，车辙深度是最为常用的调查指标，同时也可以直接作为评 价指标使用。该指标符合大多数道路工程师的评价习惯，并且还积累了大量的历史数据和丰富的认知 经验。但是，这项指标自身还不够全面，仅仅是对路面车辙的维度量，虽然在一定程度上也涵盖了 对车辆行驶质量的考虑，但是意义并不明确，有时无法反映出真实的路面损坏状况，而且也不足以说 明车辙对路面结构性能、乘车舒适性和行驶安全性的影响。 不同车辆行驶状态( 蛇行和直行) 下，通过实测车身加速度的实车试验( 表2 2 ) 表明 2 4 1 ：车身 的振动并不是简单的随着车辙深度的增大而增大，而且许多检测结果中还出现了车辙深度较大但不平 整却很小的情况t d j 。 表2 2 实车试验路段及实测车身加速度 平均车辙深度 车身加速度范圉( m s 2 ) 路段起止桩号 车辆行驶状态 ( r a m ) 垂向 横向 13 + 5 0 0 - - l2 + 0 0 04 7 17 6 9 1 1 5 37 2 8 - 9 2 2 蛇行 2 4 + 0 0 0 2 2 + o o o 4 2 93 3 4 3 3 91 4 5 1 2 4 直行 2 7 + 0 0 0 2 6 + 0 0 06 1 63 1 2 4 2 41 0 3 1 8 6直行 3 0 + 0 0 0 2 8 + 0 0 04 4 0- 4 6 5 4 6 02 4 4 2 5 7直行 9 8 + 5 0 0 - + 9 7 + 0 0 01 4 6 16 0 每4 6 25 7 8 5 0 4直行 101 + 0 0 0 - + 9 9 + 0 0 0 9 4 7- 4 9 8 - 5 1 15 2 1 - 5 5 5 直行 从上表2 2 可以看出，当测试车行驶状态同为直行，k 2 7 + 0 0 0 - - k 2 6 + 0 0 0 路段平均车辙深度 ( 6 1 6 m m ) 较k 3 0 + 0 0 0 k 2 8 + 0 0 0 段( 4 4 0 m m ) 大，然其垂向以及横向振动均较小。分析可知：当车 辙发展形成辙槽后，如果车辙沿纵向变化不均匀，相近的断面高程差值较大，辙槽底部的不平度较大， 这样对行车产生的激励相应增加，车身的振动较大；而如果车辙深度变化均匀，相近车辙断面高程变 化小，辙槽底部相对平整，路面对行车产生的激励也较小，车身振动弱。这同时也说明，当车轮在辙 槽内运动时，对其产生作用的路面激励不是车辙深度，而是辙槽底部路面的平整状况。 k 1 3 + 5 0 0 k 1 2 + 0 0 0 路段，测试车蛇行，不断跨越辙槽，辙槽深度虽小，但车身垂向和横向振