交通工程技术及应用：案例分析及振级与路面级别分析

共和至玉树高速公路（简称共玉高速）全线平均海拔大于4 100 m，其中K420+810—K433+053路段位于玛多县内，地处高海拔高温不稳定退化性多年冻土区，平均年日照时数是2 800 h[16]，而且路基存在阴阳坡效应[17]。现场调研发现，K420+810—K433+053路段车辆来往频繁，超载重载卡车较多，局部路面的不均匀变形已使行车车辆产生强烈的颠簸，而且此路段处于高原缺氧环境，气温低，恶劣天气时常发生，在此路段上进行长距离、长时间、复杂、精准测量是比较困难和危险的，同时使用高精度监测设备的成本和人工费用也很高。

1.1.2.1测振车辆与车速

测振中使用的车辆为丰田汉兰达（丰田牌GTM6480AD），总质量是2 540kg，整备质量是1 775 kg，额定载客5人，轴数是2，轴荷是1015/1525，轴距是2 790 mm，轮胎数是4，轮胎规格是245/65R17，前轮距是1 625 mm，后轮距是1 630 mm，最高车速是173 km/h。参考《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）[18]中高速公路的设计车速，实际采用80 km/h、100 km/h和120 km/h三种平均测振车速。

1.1.2.2测振步骤

（1）将车辆沿着右（左）路面的中心线匀速直线行驶，行驶过程中保持车体中心线与右（左）路面的中心线方向一致，由于所选监测路段近似直线，测量过程中无须考虑侧倾、横摆以及车辆变速行驶等不利因素。

（2）车辆行驶过程中，将安装Smart Tools软件的手机固定于车辆后排的座位中心。

（3）以测量右路面（从K420+810至K433+53，平均车速为80 km/h）为例，将车辆停在K420+310的位置，启动车辆，加速至80 km/h，然后保持80 km/h向前行驶，当车辆前轮到达K420+810位置时，运行测振计软件，软件开始自动记录振动数据，当车辆前轮到达K433+53位置时，停止测振计（过程见图1-2），此时Smart Tools软件会自动统计从整个测量路段测得的振级分布情况并且自动输出分布图。

图1-2　测量过程

1.1.2.3测振结果与分析

（1）测振结果及路面级别分析依据

通过测振计软件测得汽车起动后自振时的MMI平均值为3.4，忽略其他次要影响，路面引起的座位的振级MMI2=MMI-3.4，根据式（1-1）可得式（1-2）。

根据竖向最大加速度amax[1]和路面级别[6]的关系、式（1-2）中竖向最大加速度amax与MMI2的关系，可得MMI、amax和路面级别三者的关系（见图1-3）。张丙强等[1]通过在C级路面上研究车速对竖向最大加速度的影响，当车速从20 m/s提高到30 m/s时，竖向最大加速度减小2.34%，竖向最大加速度[1]和路面级别[6]的关系是基于25 m/s的车速，本案例中的最小车速80 km/h（22.22 m/s）接近25 m/s，竖向最大加速度的误差小于2.34%，所以在80 km/h情况下，可以近似地使用图1-3的MMI、amax和路面级别关系图来判定监测路段的路面级别。

图1-3　MMI、a和路面级别关系图

（a）MMI、amax和路面级别（A—D）关系图

续图1-3 MMI、amax和路面级别关系图

（b）MMI、amax和路面级别（E—H）关系图

（2）不同车速测振结果及路面级别

共和—玉树高速公路K420+810—K433+053路段通风管路基段（K432+911—K433+53）长度为142 m，此路段中有一个涵洞（见图1-4）。图1-5（a）显示了车辆沿左路面（近阳坡）行驶时的实测MMI值。以80 km/h行驶40 m距离后，局部MMI连续上升［见图1-5（b）的箭头处］，之后MMI又持续波动，40 m距离之前MMI的波动最大范围为2.9～4.1，40 m距离之后MMI的波动最大范围为3.5～5.3，将40 m距离前后的MMI分别进行线性拟合［见图1-5（b）］，结果显示，行驶过程中MMI呈波动变化，但40 m距离之前的MMI具有稍微下降的趋势（斜率为-0.0055），40 m距离之后的MMI具有稍微上升的趋势（斜率为0.0065），其他两种车速条件下出现类似的规律。100 km/h时，分界距离为50 m，两个斜率分别是-0.0152、0.0057，两个最大波动范围是2.9～4.6、3.6～5.5。120 km/h时，分界距离为44 m，两个斜率分别是-0.032、0.0078，两个最大波动范围是2.5～4.6、3.3～5.5。由此可见，当车速从80 km/h变化到120 km/h时，单位时间内MMI采集量会随之减少，该监测段局部的MMI也发生变化，但是三种车速条件下分界距离前后的MMI变化趋势是一致的。(www.xing528.com)

图1-4　试验路段中的涵洞

图1-5　MMI变化图和路面级别分布图

此外，通过图1-5（b）可知，80 km/h车速条件下，通风管段①的MMI平均值是3.42，通风管段②的MMI平均值是4.24。100 km/h车速时两个通风管段的MMI平均值分别是3.66、4.51，120 km/h车速时两个MMI平均值分别是3.61、4.09。所以，通风管段①的路面纵向变形程度小于通风管段②，由于通风管段①的路基平均高度比通风管段②的路基平均高度大约小0.5 m，也反映出通风管段①的路基高度更加合理。由图1-5（a）可知，靠近通风管段①的路基过渡段的MMI明显大于靠近通风管段②路基过渡段的MMI，说明靠近通风管段①的路基过渡段的不均匀沉降变形明显大于靠近通风管段②路基过渡段。图1-5（a）显示，80 km/h车速条件下，通风管段①处路面级别主要介于B级和C级之间，通风管段②处路面级别主要介于C级和D级之间。

所以，如果测量时间充足，采取80 km/h的车速测得的MMI会更加全面地反映出路面纵向变形程度。如果测量时间不充分，采用120 km/h的行驶速度测得的MMI也能反映出不同区段路面纵向变形程度差别，有利于及时发现不均匀变形严重的路面，并展开仔细调研和及时修补。

（3）不同路基测振结果及路面级别

共和—玉树高速公路K420+810—K433+053路段整个监测段中通风管路基的里程约占2.61%，片块石路基的里程约占73.97%，石渣路基的里程约占17.39%，为了研究不同路基条件下的MMI变化和路面级别分布情况，对上述三种路基监测段进行车速为80 km/h条件下的MMI测量研究。图1-6中被测量的通风管路基段所对应公路里程为K432+911—K433+53，通风管路基左侧（阳坡）地基略高于右侧（阴坡）地基，片块石路基段对应公路里程为K432+769—K432+911，石渣路基对应公路里程为K420+810—K420+950，片块石路基和石渣路基左右两侧地基高度一致。

如图1-6（a）所示，通风管路基段路面的MMI平均值是4.01（平均路面级别接近C级），片块石路基段路面的MMI平均值是4.29（平均路面级别介于C级和D级之间），石渣路基段路面的MMI平均值是4.72（平均路面级别接近D级），所以靠近阳坡的石渣路基段路面纵向平均变形程度＞片块石路基段路面纵向平均变形程度＞通风管路基段路面纵向平均变形程度，也说明此监测段中阳坡路基中通风管稳定冻土路基的效果最好，石渣路基的效果最差。如图1-6（b）所示，通风管路基段路面的MMI平均值是4.1（平均路面级别接近C级），片块石路基段路面的MMI平均值是4.11（平均路面级别接近C级），石渣路基段路面的MMI平均值是4.49（平均路面级别接近D级），所以片块石路基段路面纵向平均变形程度与通风管路基段比较接近，此监测段中阴坡路基中石渣路基的效果也是最差。近阳坡的石渣路基段和片块石路基段路面MMI平均值（4.72、4.29）都分别大于近阴坡的路面MMI平均值（4.49、4.11），说明这两种路基不能明显地消除阴阳坡对冻土路基稳定性的影响，近阳坡的通风管路基段路面MMI平均值（4.1）比近阴坡的（4.01）稍大，说明了通风管的冷却效果比较好。除了以MMI平均值来比较不同路基的路面级别情况，图1-6还显示了不同距离处的路面级别情况，有利于对路面局部变形情况的了解。

图1-6　三种路基条件下MMI变化图和路面级别分布图

（4）全监测段测振结果及路面级别

图1-7和表1-1显示了三种车速条件下K420+810—K433+53监测段整体的MMI和路面级别统计情况。由图1-7可知，左、右路面小于B级和大于E级的路面所占百分比很小，在C级至D级之间路面最多，所以该监测段路面整体纵向变形程度主要在C级至D级之间。表1-1显示，三种车速条件下，左右两个路面的MMI平均值之差分别为0.01、0.02、0.02，差别非常小，所以监测路段左、右路面整体纵向变形差异性不显著，现场调查可知，因为该监测路段右侧的高速公路复线正在建设，建设设施以及材料的重载运输都需要经过该监测路段的右路面，加上该监测段不同位置的不同冻土地质条件，所以出现左路面与右路面整体纵向变形差异性不显著的情况。

表1-1　统计结果关键值

图1-7　路面MMI和路面级别统计分布情况

续图1-7　路面MMI和路面级别统计分布情况

1.1.2.4测振结论

本节将智能手机测振功能应用于共和至玉树高速公路K420+810—K433+053路段路面变形的监测中，根据监测数据可知：在80 km/h的车速条件下使用智能手机会较全面地反映出路面纵向变形程度，在大于80 km/h的车速条件下能间接、有效地反映出不同区段路面纵向变形的差异；监测路段中石渣路基段路面纵向平均变形程度（或平均路面级别）＞片块石路基段路面纵向平均变形程度＞通风管路基段路面纵向平均变形程度，说明该监测段中通风管路基的冻土稳定性最高；监测路段左路面与右路面整体纵向变形差异性不显著。