车辆超载对路基路面强度和刚度的影响分析.docx

车辆超载对路基路面强度和刚度的影响分析 3郭兰英(鲁东大学交通学院 山东烟台264001)摘要通过对普遍存在的公路车辆超载问题的研究 , 分析了超载是使路基路面强度和刚度降低 、路面结构早期破坏的主要原因 , 并提出一些相应的合理化建议。关键词超载路基工作区回弹模量承载力式中za 路基工作区深度 , m;p车轮荷载 ; kn;k 系数 , 取 k = 015; 土的容重 , kn /m3 ; n 系数 , n = 5 10。前言路面承载力包括强度和刚度两方面。强度 : 指路基路面结构抵抗车轮荷载引起的各 种应力能力 , 保证不发生压碎、拉断、剪切等各种 破坏。刚度 : 是指路基路面抵抗车轮荷载引起的过量 变形的能力 。路基路面结构整体或某一部分刚度不足 , 即使 强度足够 , 在车轮荷载作用下也会产生过量的变 形 , 而形成车辙、沉陷或波浪等破坏。因此 , 路基路面结构应有足够的刚度 , 使整个路面结构及其各 组成部分的变形量控制在允许的范围内 , 即 (路 表实际弯沉 ) l r l d (路表设计弯沉 ) 。随着高速公路网主框架的基本形成 , 高速公路 上重型载货汽车所占比重不断增加 。在现有交通量 构成中 , 中型以上的货车占到 60 %以上 , 并有继续增长的趋势。随着汽车运输行业市场竞争的日益 加剧 , 大约有 80 %以上的货车超载运输。超载吨 位比车辆额定吨位增加 50 % 150 % , 导致路面出现大面积车辙、网裂 、沉陷等病害 , 使路面结构 出现早期破坏 , 缩短了公路的使用寿命 , 给国家造 成了极大的经济损失 。下面就车辆超载对路基路面强度和刚度的影响做一分析。从 ( 1 ) 式可以看出 , 车辆荷载 p越重 , 路基工作区的深度 za 就越大。而在路基路面设计时 ,车辆荷载是按标准的额定轴载考虑的 , 当公路建成 后 , 路基工作区的深度已经是固定成型了。公路交付使用后 , 当公路上车辆超载运行时 , 路基工作区的深度 za 必将会随之加大。由于超载的缘故 , 路 基工作区的实际深度超出了预设深度 , 这样未经处 理的超出部分的路基强度 、稳定性、刚度明显不足 , 在实际使用中 , 就会使路基路面产生沉陷 、车 辙 、变形过大等病害。路面结构的损坏除了它本身的原因之外 , 路基的变形过大是重要原因之一。路基土变形包括弹性 变形和塑性变形 , 过大的塑性变形将导致各种沥青路面产生车辙和纵向不平整。对水泥混凝土路面而言 , 路基的塑性变形将引起板块断裂 。弹性变形过 大将使得沥青路面和水泥混凝土路面板产生疲劳开 裂 。在路面结构总变形中 , 土基的变形占很大部 分 , 约占 70 % 95 % , 所以提高路基的抗变形能 力是提高路基路面结构整体强度和刚度的重要 手段。而提高路基抗变形能力的措施之一 , 是首先要 将公路使用初期的交通量参数预测准确 , 然而在结 构设计时 , 设计年限初期的交通量参数的获取手段 太过于粗糙 , 难以准确预测。另外 , 我国路面设计 标准轴载定为 100 kn , 过于偏小 , 往往比通车后 的实测交通量及轴载小得多 , 实际日标准轴载作用 次数远远超出设计值 , 使路面设计与其服务对象存 在较大的偏差 , 超出了 沥青路面设计规范 的 使用范围。据统计我国公路主要物流干道上实际行 驶着大量轴重超过 130 kn ( 沥青路面设计规范 中规定轴重超过 130 kn 的车不允许通行 ) 的车辆 , 这些车辆对路面的破坏作用是主导性的。1 车辆超载加大了路基工作的深度车辆荷载的作用对路基路面产生应力 、应变 、 位移影响较大的区域是在路基 (包含路面 ) 工作 区内 , 可见路基工作区内 , 土基的强度和稳定性对保证路面强度和稳定性极为重要 , 在设计、施工等 方面 , 都对路基工作区深度范围内的土质选择 、土 的含水量 、路基的压实度相应提出较高的要求 。路基工作区深度 za 的计算如公式( 1 ) :1 / 3za = ( knp /)( 1 )3 本文获刘宝琛院士基金资助。郭兰英 , 女 , 副教授。郭兰英 : 车辆超载对路基路面强度和刚度的影响分析9在公路上行驶的汽车载重 , 首先是传给车轴(前轴承担总重的 1 /3 1 /4 , 后轴承担总量 2 /3 3 /4 ) , 车轴再传给车轮 , 由轮胎传给路面压力。 可见 , 路面并不直接与车轮荷载、轴重发生关系 ,而是与车轮轮胎的压力发生关系。我国沥青路面设计规范中车轮的标准内压力是按 p = 017m pa 设 计的。由于高气压可以减少行车阻力 , 经常性超载的车辆一般都把气压打到超过标准气压 。据某条主干 公路调查统计资料表明 , 91 %的后轮轮胎压力超过017 m pa, 有 49 %的载货货车后轮轮压超过了 111m pa。因为沥青路面的大部分破坏类型与接地压力 的相关性超过与轴载的相关性 , 轮胎压力过大对沥青路面的危害最大 , 超载运输是我国沥青路面早期破坏的主要原因。对于水泥混凝土路面来说 , 轮压 过大将加速路表面的冲击 、板底脱空 、断板等病害的发生。2 车辆超载导致路基路面承载力的降低在车轮荷载作用下 , 路面结构的强度和刚度除 了与路面材料的品质有关之外 , 路基的支承起着决 定性的作用 。路基作为路面结构的基础 , 它的抵抗车轮荷载能力的大小 , 主要决定于路基顶面在一定应力级位下抵抗变形的能力。所以路基承载能力都 采用一定级位下的抗变形能力来表征。尽管沥青(柔性 ) 路面设计和水泥 (刚性 ) 路面设计以不同的设计理论体系为基础 , 不同的设计方法有不同的 假定前提 , 但是用于表征路基承载力的各项指标 , 它们的前提 , 基本上是相同的 , 也就是土基在一定 应力级位下的抗变形能力。用于表征土基承载力的 参数指标之一是回弹模量 e0 。2 11 路基 (包括路面 ) 承载力与回弹模量的关系以回弹模量表征土基的承载能力 , 可以反映土 基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质 , 因而可以 用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系 。以回 弹模量作为表征土基承载能力的参数 , 可以在弹性 理论为基础体系的各种设计方法中得到应用 。土基 的承载能力与回弹模量的关系表达式为式 ( 2 ) :( e0 )3 结语事实上我国公路运输的超载超限现象已经到了 触目惊心的程度 , 有关资料表明 , 87 %的货车超载 , 54 %的后轴单轴重超限 , 轴载整体情况基本 上为 13 t, 大大超出法定的最大轴重 10 t, 最大后轴重竟达 31 t。轮胎压力与轴重存在良好的统计线性关系。面对全新重交通道路的特征 , 结构和材料设计 手段必须做相应的外延和调整 , 政府职能部门加强 公路管理力度 , 遏制因超载降低路基路面强度 、刚 度 , 造成公路使用寿命降低的现象 。具体措施有以 下几点。( 1 ) 提高设计标准轴重 。为了能使用现行路 面设计方法设计重载道路 , 在路面结构厚度设计 时 , 需充分考虑超载车辆的影响 , 将设计标准轴重 作相应的调整 , 通过大量轴载的调查 、研究后 , 推 荐重载路面的设计标准轴重采用 13 t。( 2 ) 作足路面厚度 。路基路面的病害发展和 公路使用寿命对超载运输特别敏感 。鉴于超载运输 治理工作的长期性和复杂性 , 公路设计单位在进行 路面设计时首先进行轴载检测 , 并充分考虑超载运 输长期得不到有效治理的可能性和现实性 , 将路面 结构厚度做足 。理论分析表明 , 水泥混凝土路面的 使用寿命对路面厚度特别敏感 , 厚度增加 2 cm , 累计轴载作用次数可提高 10 倍左右 , 而造价仅增 加 5 % (总造价考虑基层和面层 ) 或 8 % (总造 价只考虑面层 ) , 可见加强路面结构厚度的做法在 经济上是合适的。在新建路基上修筑路面时 , 应在 土基与基层之间设置厚 50 cm 左右并在路基全宽范2l r = 2 p ( 1 - 0 ) / e0式中 : l r 路表距离荷载中心轴为 直位移 , 也称弯沉值 , cm;p圆形垂直均布荷载 , m pa;( 2 )r某点处的垂圆形垂直均布荷载面积半径 ,0 土的泊松系数 , 取 0135;e0 土基回弹模量 , m pa;cm;竖向位移系数 ,时 , = 1。是r/的函数 ,r /= 0由式 ( 2 )看出 , 在一定的车轮荷载p 作用下 , 土基的回弹模量 e0 越大 , 所产生的回弹弯沉l r 就越小。这标志着土基的承载能力大 , 抵抗变 形的能力强 。路面 设 计 时 , 是 以 路 表 设 计 弯 沉 值 l d =- 012600n e ac a s ab 为控制指标的。即 : 是在确定的路基强度 e0 和车轮荷载 p、交通量大小、轴载大小 、 公路等级 ac 、面层类型 a s 、基层类型 a b 的前提下 , 按 l r = l d 的条件下完成设计及施工的。公路建成投入使用后 , 如果车辆超载行驶 , 就会打破固 有的路面结构平衡 , 会导致路基路面强度不足以抵抗实际增大的车轮荷载压力 , 产生过大的 l r , 致 使路面实际弯沉 l r l d (控制路面设计的指标 ) ,造成路面沉陷、裂缝 、坑槽等病害 ,期破坏 , 降低公路的使用寿命。2 12 超载运行对轮压的影响分析使路面出现早10全国中文核心期刊路基工程2006年第 1期 (总第 124期 )煤矸石路堤施工研究 3朱建德1孙就忠2 任俊娟 1( 1, 鲁东大学交通学院 山东烟台264025; 2 , 山东省菏泽市公路管理局 )摘要结合工程实践 , 探讨煤矸石路基施工工艺和施工质量控制。煤矸石应用于高速公路路基工程 , 变废为宝 ,关键词煤矸石具有很好的经济效益和社会效益。路基施工质量控制要求。2 12 施工准备1 工程概况京福高 速 公 路(界 张 段 ) 第 二 合 同 段 k82+ 112k103 + 500 位于山东省滕州市南 , 主线全 长 211388 km , 连接线长 317 km。全线除个别路段 为路堑外 , 其它均为路堤 , 填方总数为 2941837 万 余立方米 。沿线附近有魏庄、刘村 、八一、井亭等 煤矿 , 每个煤矿都弃置大量煤矸石 。这样 , 使用煤 矸石填筑路堤就成为路基施工的首选方案。经过监 理和施工单位共同研究 、分析和试验 , 决定采用煤 矸石填筑路堤 , 通过实践探索出一套比较可行的煤矸石路基施工方法。填筑煤矸石前首先将原地面进行清理 、整平、压实 , 达到规范要求的压实度。为便于边坡植草 , 在填筑煤矸石之前 , 路基两侧填筑护肩土 , 护肩土 宽 018 110 m , 土的塑性指数以不小于 15 为宜。 由于土的松铺系数为 115 , 大于煤矸石松铺系数113 , 因此护肩土填筑厚度不宜高于煤矸石 5 cm 左 右 , 如图 1所示。2 施工工艺2 11 选择原材料 煤矸石是采煤过程中清理出来的一种废料 , 由于表面粘附着一定数量的煤 , 即经自燃 , 但仍存有 未充分燃烧的成份 。煤在含水量较高时 , 形成煤 泥 , 没有强度 , 用来填筑路堤 , 危害较大 , 因此首 先要对煤矸石进行烧失量试验 , 凡是烧失量大于16 %的煤矸石不得用于路堤填筑 。此外 , 还要进行 含水量试验 、击实试验 (重型标准 ) 等 , 试验方 法同一般土工试验 , 试验指标应满足路基设计2 13 填筑煤矸石堆弃的煤矸石山体比较疏松 , 可以直接采用挖 掘机挖装 , 自卸车运输 。在路基位置 , 首先根据各运输车的载重量、煤矸石的松铺系数计算各车卸料的纵横间距 , 由专人指挥卸车。土和煤矸石结合部 位应尽可能地卸细粒料 , 便于土、石结合 , 增强整 体结构。然后用推土机摊铺 、粗平 , 平地机细平。3 本文得到刘宝琛院士基金资助。围内布置砂砾垫层 (垫层与土基表面之间宜铺设一层土工布 ) , 以减少或防止重交通条件下的土基 塑性变形及路面结构唧泥。( 3 ) 交通部门加强与汽车行业的协调。汽车单轴超载对路基路面的破坏力远远大于双轴或多轴 超载的破坏力。以双后轴为例 , 假定双后轴每根轴10 t (两根后轴合重 20 t) , 根据理论计算 , 对于水泥路面而言 , 双后轴 20 t对路基路面的破坏力