（道路与铁道工程专业论文）张石高速公路重载长寿命沥青路面结构研究.pdf

摘要 在国内，交通量随着经济文化的快速增长，道路荷载在不断增加，这对路面 的承受能力提出了新的挑战，其结果使得沥青路面过早地出现损害，影响路面行 车状况，危及行车安全。当前的路面结构设计是否适应新的交通特点形式下的使 用要求，应怎样建立经济合理的路面结构设计是近来设计研究人员急需解决的问 题。长寿命路面已成为世界各国研究的热点内容，并在欧洲，美国，日本，南非 等国家进行了实践，取得一定的研究成果。 本文结合张石高速公路具体的情况，针对道路界普遍存在三种不同形式基层 的沥青路面结构，运用有限元方法和正交试验法对矩形非均布荷载作用下的不同 基层形式路面结构进行了弹性有限元分析和等效轴载换算。 本文第一部分，采用间隙式方法对交通量进行了调查，包括各类车重、轴重 以及车轮轮载压力。调查结果显示，该高速公路为重载交通，超载严重。 本文第二部分，从我国目前应用于重载长寿命沥青路面结构的各类形式基层 中，选用有代表性的基层的材料进行材料的性能特点和路用特点分析。 本文第三部分，进行了轮胎荷载作用面积、轴载与轮胎接地面积的关系、轮 胎接地压力分布形式的重载特性调查研究，并拟定不同基层的路面结构，利用正 交试验方法和有限元法对比分析各因素对路面结构的影响。 本文第四部分，对三种不同的基层路面结构确定其各自的等效换算指标，并 进行等效轴载换算公式的推导。 关键词：重载交通长寿命路面柔性复合基层沥青路面刚性基层沥青 路面半刚性基层沥青路面有限元方法正交分析轴载等效换算 a b s t r a c t i nc h i n a ，t r a f f i cv o l u m ei n c r e a s e s g r e a t l ya l o n gw i t ht h er a p i dg r o w t ho f e c o n o m ya n dc u l t u r e ，a n dl o a di si n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l ya l s o ，t h ec a p a c i t yo ft h e r o a di s c h a l l e n g e d ，a n dt h er e s u l t sl e a d t ot h ed e t r i m e n to f a s p h a l tp a v e m e n t p r e m a t u r e l y , a f f e c t i n gr o a dt r a f f i cc o n d i t i o n s ，e n d a n g e r i n gt r a f f i cs a f e t ya sw e l l w h e t h e rt h ec u r r e n tp a v e m e n ts t r u c t u r a ld e s i g na d a p tt ou s er e q u i r e m e n t su n d e rt h e n e wf e a t u r e so f t r a n s p o r t ，h o wt oe s t a b l i s he c o n o m i ca n dr a t i o n a lp a v e m e n ts t r u c t u r a l d e s i g ni sr e c e n t l yn e e d e dt ob es o l v e db yr e s e a r c h e r s 1 0 n g l i f ep a v e m e n th a sb e c o m e ah o tp o i n tw o r l d w i d e ，b e s i d e s ，i ne u r o p e ，t h eu n i t e ds t a t e s ，j a p a n ，a n ds o u t ha f r i c a w e r ep r a c t i c e d ，s o m er e s e a r c hr e s u l t sa r e g o t t e n i nt h i sp a p e r , t h es p e c i f i cs i t u a t i o no fz h a n g s h ih i g h w a y , i nv i e wo fe x i s t i n g a s p h a l tp a v e m e n t ss t r u c t u r eb a s e do nt h r e ed i f f e r e n tf o r m so fb a s et h a ta r ep r e v a l e n t i nr o a ds e c t o r ，u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d sa n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o d ， e l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h ee q u i v a l e n ta x l el o a dc o n v e r s i o nw e r ed o n et o p a v e m e n ts t r u c t u r eb a s e do nd i f f e r e n tf o r m so fb a s et h a ta r ei m p o s e db yn o n - u n i f o r m l o a do nt h er e c t a n g u la rf o r c e i nt h ef i r s tp a r t ，t h et r a f f i cv o l u m ew a si n v e s t i g a t e dw i t hg a p - t y p ea p p r o a c h ；i t c o n s i s t so fv a r i o u st y p e so fv e h i c l ew e i g h t ，a x l el o a d ，p l u st h ep r e s s u r eo ft h ew h e e l s u r v e yr e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h w a yi sc o m p o s e do fh e a v yt r a f f i c ，a n do v e r l o a d i n gi s 岛e v e r e i nt h es e c o n dp a r t ，a c c o r d i n gt oa l lk i n d so fb a s e s p a v e m e n tt h a tb e a r i n gh e a v yt r a f f i ci nc h i n ap r e s e n t l y , c h a r a c t e r i s t i co fs t a b l eb a s e sm a t e r i a la r ea n a l y z e d a p p l i e di nl o n g l i f ea s p h a l t t h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e i nt h et h i r dp a r to ft h i st h e s i s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na x l el o a da n dt i r ec o n t a c t a r e a ，a n dt h eo v e r l o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft i r ec o n t a c tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nf o r mw e r e s u r v e y e da n ds t u d i e d t h ei m p a c t so fd i f f e r e n tp r i m a r ys t r u c t u r e so np a v e m e n t s t r u c t u r ew e r ec o m p a r a t i v e l ya n a l y z e dw i t ho r t h o g o n a lt e s tm e t h o da n df i n i t ee l e m e n t m e t h o d i nt h ef o u r t h p a r t ，e a c h e q u i v a l e n tc o n v e r s i o ni n d i c a t o r sw a sc o n f i r m e da n d e q u i v a l e n ta x l el o a dc o n v e r s i o ne q u a t i o ni sd e d u c e d k e yw o r d s ：h e a v yt r a f f i c ，l o n g - l i f ep a v e m e n t ，f l e x i b l ec o m p o s i t e a s p h a l t n p a v e m e n t ，r i g i db a s ep a v e m e n t ，s e m i - r i g i da s p h a l tp a v e m e n t ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，o r t h o g o n a la n a l y s i s ，e q u i v a l e n ta x l el o a dc o n v e r s i o n i i l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 幽 驴 日期：刎。年歹月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：训玖 一j 翮戳：阁锄1 日期：柳年r 月专j 日 日期卿年i - 月冬7 日 第一章绪论 1 1 问题的提出背景及意义 近年来，国际道路界有二个备受关注的名词一长寿命沥青路面( l o n gl i f e a s p h a l tp a v e m e n t ) 和重任务交通( h e a v yd u t yt r a f f i c ) 。 重任务交通是指道路通车后交通量累计当量标准轴次( e s a l s ) 大大超过一般 水平，路面性能衰减超常规发展的现象。在我国，这类情况习惯称之为重载交通， 主要包含两个方面的含义：超限运输和超载运输，在发达国家，重载交通主要体 现为货运集装箱、大型化、多轴化。 长寿命路面最早是针对重交通而提出的，其概念最先是由国外等发达国家提 出，它的理念是确保路面在使用期间不会产生结构性破坏，只需定期进行表层维 修就可以长时间地使用下去，其设计寿命考虑为4 0 5 0 年，1 0 1 5 年修复表面 层仅一次【。 在我国改革开放三十多年来，经济文化生活得到大幅度提高，公路交通建设 事业随之突飞猛进，特别是“九五”以来，高速公路建设进入高峰期，预计到2 0 1 0 年底，我国高速公路里程将达到约7 万公里，而在这些建设的路面中，沥青路面 占有绝对的数量，经调查发现在这些已修建高等级重载交通沥青路面中沥青路面 往往在较短的时间内就发生大面积破坏，很多地区还出现了“当年修，当年坏” 的现象，远没有达到设计年限，路面费用维修过高，对交通影响越发严重。尽管 我国进行十几年高速公路建设，制定了相应的设计规范，但这都是建立在传统的 低等级道路基础上，它对当前重载交通高等级路面设计与施工指导具有较大的局 限性【2 1 。因此为减少路面维修，提高道路经济社会效益，改进我国沥青路面设计 理念，发展重载长寿命沥青路面的设计体系是必然趋势。 目前我国占主流的结构设计大概可以分两类：厚半刚性基层思想和厚沥青层 思想。前者是在保持现有主流面层厚度的同时，继续增厚增强半刚性层厚度，进 一步提高路面结构承载能力；后者则是增大沥青层厚度，基层仍然以采用半刚性 层为主。 应该来讲，针对近些年我国高速公路大规模建设中出现的问题，相当一部分 道路工作者认为增厚沥青面层是一种比较有效的防治早期破坏的方法，但规范的 思路仍未跳出传统设计思路，而国外的全厚式沥青路面是否能直接用于设计也未 有定论。而且，就目前我国整体的经济、技术和资源条件，大范围推广厚沥青面 层结构不符合我国现阶段的国情。因此我国当前路面结构设计中，设计与管理人 员都陷入了普遍的迷茫，到底采用何种路面结构才是既经济而又行之有效的【3 1 。 最近有些道路工程研究人员逐渐摆脱半刚性基层设计，吸纳国内外的路面基 层结构设计思想，采用柔性级配碎石基层、柔性复合式基层、刚性基层等进行重 载长寿命路面结构设计并取得了一定的效果，但仍为我国传统设计理论，没真正 体现客观条件一重载轴载施加给路面的实质。 本文结合河北省交通厅科技计划建设项目“重载条件下高强耐久沥青路面关 键技术研究”，针对项目依托工程一河北省张石高速公路三期工程中涞源到涞水段 公路试验路，从半刚性材料基层沥青路面结构、柔性复合基层路面结构和刚性基 层路面结构角度入手，对项目在理论上和实践中的可行性进行研究，提出能适应 重载交通长寿命性能各代表基层的沥青路面结构的影响因素及设计方法并指导施 工，旨在解决该地区沥青路面过早的破坏现象。本文的预期研究成果将在一定程 度上解决我国目前高速公路重载交通各种基层沥青路面普遍存在的早期损坏问 题，对目前重载交通高速公路的工程建设具有重大的经济效益和社会意义，同时 对城市道路沥青路面和机场跑道沥青路面的建设具有指导和参考价值。 1 2 国内外研究现状 经济的繁荣带动了交通的迅猛发展，在全世界范围内，公路上的交通量以及 汽车载重量的不断增加，按现行路面设计体系和设计标准设计的路面常常达不到 设计年限就出现了损坏，需要进行大修。概括起来，重载交通给沥青路面带来的 危害表现在以下方面： 1 ) 造成累计当量轴次急剧增加 重载交通对路面结构的破坏主要是轴载对路面的一种重复疲劳破坏作用。路 面设计中一个重要设计指标为设计年限内一个车道的累计当量轴次n e ，即将车辆 各级轴载作用次数按照弯沉等效的作用原则，换算成的累计标准当量轴次。重载 交通的行驶大大增加了车辆的当量轴载作用次数，使得道路运营车辆实际车道累 计当量轴次提前达到路面的设计累计当量轴次，从而大幅度减少路面的使用寿命 【4 】 0 2 ) 导致路面快速破坏 重载交通车辆高压轮胎引起应力的增加随之引起路面产生以下几种主要的快 速破坏现象： ( 1 ) 一次性破坏：一辆运货的特重车，在正常道路上行驶一次，便可将路面彻 底压坏，即一次性破坏作用。由于其重量大，加之车辆的振动冲击作用，一次作 用就可能使基层底面产生微细裂缝，造成一次性破坏。 ( 2 ) 车辙：沥青路面具有高温软化特性，加之公路的渠化交通作用，在车辆的 反复作用下将产生车辙；重载运输车辆由于重量大、速度慢，将会大大加快车辙 的形成。 ( 3 ) 剪切推动：车辆在刹车、上下坡即转弯过程中，将会产生较大的推动力， 重载车辆的这种剪切推动将显著增强，加速沥青面层的剪切破坏，致使重车行驶 的行车道上，推移、拥包明显增多。所以重载交通将加速沥青面层的剪切破坏。 ( 4 ) 结构性破坏：在重载交通的作用下，原设计的路面弯沉值、路面结构层厚 度及沥青混凝土面层、半刚性材料基层、底基层弯拉强度可能无法满足实际要求， 从而使路面结构提前破坏。 3 ) 危及行车安全 重载交通造成路面结构性破坏和路面严重变形，使得路面的平整度恶化，直 接影响车辆行驶的速度和安全性。车辆严重超载超限，容易引发道路交通事故， 车辆超载一方面会影响车辆制动系统出现异常，在紧急制动时易引起交通事故， 另一方面造成车轴断裂、车辆爆胎等故障；车辆在停车带上维修会影响行车道、 超车道车辆的正常运行。 1 2 1 国外研究状况 项目的大修必然造成交通的拥挤或堵塞，延长用户的驾车时间，增加燃油消 耗，对于高速公路、城市间的重要交通干道以及市内快速道路，这是不允许发生 的。从寿命周期费用分析的角度来看，这也是非常不经济的。这就对各国的沥青 路面提出了新的挑战，长寿命路面正是基于寿命周期内总费用最经济的原则，最 早在欧洲提出的【5 1 。长寿命沥青路面( l o n g - 1i f ea s p h a l tp a v e m e n t so r l o n g l a s t i n gp a v e m e n t s ) 又叫永久性沥青路面( p e r p e t u a lp a v e m e n t ) 。欧洲在 1 9 世纪9 0 年代提出了长寿命路面，最早被英国确认，英国在2 0 世纪5 0 年代初 期修筑了多条设计寿命为2 0 年的试验路，在分析这些试验路的路面性能基础上， 根据p o w e l l 等人的设计理论提出了早期的沥青路面设计方法。p o w e l l 的理论主 张道路使用2 0 年后，通过对原路面补强来实现4 0 年的设计寿命【6 1 。自从2 0 世纪 8 0 年代中期采用这种设计方法以来，由于交通量的持续增长影响了道路上正常的 交通通行，因此，英国运输与道路研究所对5 1 条厚沥青层路面长期性能调查，并 通过对柔性道路4 0 年周期费用经济分析，包括道路路面性能的变异性、交通延误 费用、维修相关费用，表明对于重载交通道路，较经济的道路设计就是增加设计 年限为最少4 0 年，这样无须结构性维修，以降低道路维修费用，减少道路交通延 误，长寿命路面是首选设计方案。因此，公路署、英国建筑材料协会和沥青协会 委托英国运输与道路研究所集成最新的路面使用性能信息，对现行沥青路面理论 加以评述，以期获得不需结构性维修而使用期至少长达4 0 年的道路即长寿命道路 】。长寿命路面的理念：设计的沥青路面寿命可以达到4 0 - - 5 0 年或更长，采用较 厚的沥青层，降低传统的沥青层开裂和避免结构性车辙，由于此路面的损坏仅陷 于路面顶部( 2 5 一l o o m m ) ，因此只需定期的表恧铣铋、罩面修复或加铺，使得沥 青路面在使用年限内不需要结构性重建【7 】。其特点是，以一次性较大的投资，换 取路面较长的使用寿命、较低的经常性养护频率、较低的寿命周期内总费用。 在美国，美国沥青路面联盟最早提出了长寿命路面的概念，并由其组织美国 沥青协会及3 6 个州的沥青联盟联合进行长寿命路面设计方法研究。自从2 0 世纪 6 0 年代，就开始修建全厚式沥青混凝土路面( f u l 卜d e p t ha s p h a l tp a v e m e n t ) 和 高强度厚沥青路面( d e e ps t r e n g t ha s p h a l tp a v e m e n t ) 。全厚式沥青混凝土路面 是一定厚度的沥青混凝土直接铺在路基土上，而高强度厚沥青路面是一定厚度的 沥青面层铺在较薄的粒料底基层上【引。因此长寿命路面实际上是全厚式沥青路面、 高强度厚沥青路面良好使用性能的延伸。 2 0 世纪末以来，长寿命路面成为世界各国沥青路面最为热门的研究内容，英 国以及美国的很多州，如加利福尼亚、肯塔基、伊利诺斯、密西根、明尼苏达、 新泽西、俄亥俄、德克萨斯、威斯康星、弗吉利亚等，都已进行了长寿命路面的 实践，取得了有价值的经验。在美国俄亥俄州已经有7 个这样的工程获得了国家 永久道路奖。实践表明，设计、施工良好的路面都表现出了优秀的使用性能，提 供了有效的长期服务【9 d0 1 。此外，德国、法国、荷兰、加拿大、澳大利亚、以及 南非等都已开展了实质性的试验与研究。 在e a p a ( e u r o p e a na s p h a l tp a v e m e n ta s s o c i a t i o n ) 1 9 9 6 年国际会议， i s a p ( i n t e r n a t i o n a ls o c i e t yf o ra s p h a l tp a v e m e n t s ) 1 9 9 7 年、2 0 0 2 年第 8 、9 届国际会议中，长寿命沥青路面一直是会议一个重要议题。在2 0 0 4 年的世 界范围内不同的沥青路砸组织都在组织长寿命路面研讨会，特别是2 0 0 4 年6 月 i s a p 组织的长寿命沥青路面国际研讨会，共有5 0 多个国家的道路专家参加，会 议主要介绍美国、欧洲、加拿大长寿命沥青路面使用经验、长寿命沥青路面的技 术回顾等，就长寿命沥青路面的设计，施工进行广泛讨论。欧洲的e l l p g ( e u r o p e a n l o n g - l i f ep a v e m e n tg r o u p ) 及美国的a p a ( a s p h a l t a l 1l a n c e ) 都对长寿命沥青 路面的研究、推广进行了大量工作【6 l ，美国最近在材料选择、混合料设计、性能 试验以及路面结构设计等方面所做的大量工作为获得大于4 0 年路面使用性能( 面 层需要定期修复) 的路面提供了可靠的方法。结果表明，长寿命沥青路面要求长寿 命路面采用抗车辙、不透水、抗磨耗的表面层，抗车辙的联接层及抗疲劳的沥青 基层，并强调一个坚实的路面基础【】。具有较厚沥青层旦精心旌工的沥青路面损 坏仅发生在表面层，特别是表面裂缝，是长寿命路面设计理念的重要理论依据， 为此进行了大量调查、分析。 各国长寿命路面设计方法已经有几个版本，在设计参数，设计标准上还是存 在不统一，还在不断变化、统一中。伊利诺斯州的基于力学的路面结构设计方法 是由伊利诺斯大学制定的，这一方法以i l l - - p a v e 程序的有限元分析结果为基 础，采用了一个控制应变的疲劳方程，这个疲劳方程可以用来控制h m a 层的配 合比、拉应力和路用性能，在i d o t ( i l l i n o i sd e p a r t m e n to ft r a n s p o r t a t i o n ) 典 型设计结果中要求层底弯拉应变不大于6 0 i t c ，这种设计方法已经被i d o t 所采纳； 以明尼苏达公路研究课题采集的数据为基础，明尼苏达州制定了一种力学设计方 法，这种层状弹性理论计算机程序w e s l e a 被用于计算路面结构在荷载下的响 应，从明尼苏达公路研究工程的数据分析中获得了关于材料性质的季节变化和服 务标准的一些建议，现在，这种方法正在被评估和修改以备为明尼苏达州交通部 门所采纳；密歇根州沥青联盟利用e l s y m s 程序来计算路面结构的应变、应力， 并用累计损伤方法计算4 0 年设计周期的路面【1 2 】。不管采用何种力学设计方法， 其主要原理都是确定交通荷载作用下路面结构层的应力、应变响应。长寿命沥青 路面设计中的交通参数是设计轴载，以某一设计轴载计算路面厚度，当汽车轴重 超过设计轴载时，结构层中就有可能出现超过极限应变的情况，从而引起结构层 疲劳损伤，达到一定程度时会导致路面的破坏，失去长寿命路面的意义。 1 2 2 国内研究状况 我国对于长寿沥青路面起步较晚。广深高速公路1 9 9 4 年通车，路面结构采 用了较厚的沥青层，客货运输量相当大，据调查，1 9 9 7 年交通量已达7 4 5 0 0 辆 日，1 9 9 5 年一1 9 9 7 年，交通量增长率为9 4 。近年来，其交通量仍为稳定增长 之势，1 9 9 9 年达8 9 5 万辆次日，2 0 0 0 年达1 0 8 5 万辆次日，2 0 0 1 年达1 1 9 4 万辆次日，2 0 0 2 年己达到1 2 7 万辆次日。在交通量中，集装箱运输车辆数量 多、重量大、轴载大，货运年辆仍然存在超载严重的问题。广深高速公路累计车 流量达到2 1 8 8 3 万车次，折合行驶全程断面车流量7 5 6 9 4 万车次，折合单向标 准轴载( b z z - 1 0 0 ) 车流量为2 1 5 8 万车次。 2 0 0 2 年公路交通科研所和长沙交通学院对广深路进行了路况调查，调查结果 表明，广深高速路面的损害主要为表面层损坏( 坑涮、麻面) 和路面表面功能( 平整 度、抗滑、排水) 衰减，而从路面结构上分析，其承载能力是较强的，广深高速公 路路面的结构强度完全满足要求。 为了修复路面表面功能，2 0 0 2 年广深路维修工程对长约4 2 5 9 k m 的路段进行 了轻微铣刨，并加铺了4 c m 的s m a l 3 表面层，修复后路况良好【1 3 1 4 1 。 从以上长寿命沥青路面的实例我们可以发现，由于实际道路在远超过设计年 限或设计交通量下保持较好的结构整体性和结构强度，从没有出现过结构性维修， 所以认为，长寿命沥青路面理念至少应部分来源于实践。 2 0 0 3 2 0 0 4 年间，同济大学与广东省云浮市广云高速公路有限公司签订了“长 寿命沥青路面结构行为研究”的合作科研项目，在广梧( 广州一梧州) 高速公路广 东省云浮市境内修筑了l0 0 0 m 长寿命沥青路面试验路段。该项目吸收国外长寿命 路面结构研究经验，采用国外长寿命路面设计的设计标准及设计参数【”】。总而言 之，目前我国在长寿命沥青路面领域还处于相对落后的状态，在分析探讨适合我 国具体交通特点的长寿命路面材料参数，设计轴载及设计指标等方面还需深层次 研究。 1 3 本文主要研究内容 本文在总结国内外研究成果的基础上，采取理论与调查分析相结合的方法， 针对张石高速公路交通特点，以现行公路沥青路面设计规范( j t j d 5 0 - 2 0 0 6 ) 为参考基础，研究其重载交通特性、重载对路面结构的影响。有以下内容： ( 1 ) 张石高速公路重载交通特性调查与分析； ( 2 ) 对重载长寿命路面存在的各种类型的基层材料性能研究。 ( 3 ) 针对张石高速公路的重载交通特点，根据轴载与轮胎接地面积的关系提出 轮胎轮压的非对称分布荷载模式。 ( 4 ) 以三维有限元方法( 借助a b a q u s 软件) 为主要的研究工具，对所拟定的 半刚性基层，柔性复合基层，刚性基层三种不同沥青路面结构的影响因素采用 l 1 8 ( 2 1 3 7 ) 正交试验分析方法，得到各因素影响程度的大小。 ( 5 ) 针对所拟定的三种不同基层沥青路面结构，按其各种指标从理论上进行了 等效轴载换算。 第二章张石高速重载交通荷载调查及分析 公路交通荷载调查可为公路建设总体布局与规划、公路建设可行性研究、旧 路技术改造、公路工程设计、制定养护计划及交通管理措施等提供重要的基础数 据，同时也是进行路面结构方案比选的重要依据。交通荷载调查主要指交通量及 其组成和行车速度的调查或观测，以及对原始数据的计算整理和分析【i 们。为了分 析各种不同交通状况对路面结构的使用要求，交通荷载调查还包括车辆轴载调查 ( 轴重分布和胎压大小等) 。 2 1 现有交通量调查内容和方法 行驶在各级道路上的车辆种类繁多，轴重分布和胎压大小各不相同，在路面 结构分析和设计时，需要按照一定的换算原则( 弯沉等效、拉应力等效等) ，把各 种不同轴载作用次数换算为标准轴载的作用次数。 为了分析交通状况对具有不同基层结构的沥青路面的使用要求，交通荷载调 查主要包括交通量、轴载调查( 轴重分布和胎压大小等) 。 1 ) 按照调查的时间，交通荷载调查可分为： ( 1 ) 间隙式观测：按预先确定的观测日期，对交通量进行定期统计观测。 ( 2 ) 连续式观测：全年分小时连续不断地对交通量进行统计观测。 2 ) 按照调查的手段，交通荷载调查可分为： ( 1 ) 人工调查方法 用人工将通过规定观测断面的各种类型车辆分车型记录在表格或计数器具 上，每小时终了，将记录结果进行整理并登记于规定的表格上。这种调查方法主 要用于间隙式观测，在进行调查前，需要对观测人员进行相关培训( 主要包括各 种车型的分类等) ；在实地观测时，需要观测人员对各种车型的实载率进行目测， 对于超载情况严重的路段，车辆的实际装载量往往是额定总量的数倍，目测根本 无法准确判断；在交通高峰时段需要配备多人进行交通量观测。这种方法耗时费 力，精度较低，现在主要作为一种辅助调查方法。 ( 2 ) 仪器调查方法 为了弥补人工调查方法的不足，提高交通荷载调查的精度和效率，各级交通 管理部门正逐渐采用仪器进行交通荷载调查。按照仪器的工作方式，可把交通荷 载调查仪器分为： 1 ) 静态称重设备 静态称重设备( 如地磅) 要求车辆静止停放在设备上，因而影响正常交通， 只能指定对象进行，无法保证获得数据的连续性和客观性。 2 ) 动态称重设备 1 9 5 2 年美国最先研究开发出动态称重w i m ( w e i g hi nm o t i o n ) 技术，随后英 国、瑞典、日本、德国等都先后进行了类似产品的研制。相对于目测以及静态称 重系统而言，w i m 技术的优点在于不影响路上的正常交通，可以实现自动记录， 可以得到动态轴载数据，人为干扰因素少，提高了车辆和调查人员的安全性，减 少了车辆称重的单位费用；其缺点是无法与静态设备的精确性比较，初始费用较 高，增加了对使用人员的技术要求等1 1 7 】。 目前的w i m 设备大多采用的是应力应变原理，以钢筋混凝土或钢板作成称重 平台，在平台四周或底部埋设应变片和传感器，但是这些设备一般体积大而且都 很笨重，有的在安装时还要开挖路面。也有一些国家，如德国、法国、南非等利 用液压、陶瓷压电和电容转换原理做出比较轻便的产品，但是称重效果不够稳定。 总的来说，目前的w i m 设备可以分成两类：固定式和移动式。固定式w i m 设 备的优点是：便于长期观测，有利于轴载数据的长期积累；完全不干扰车辆交通。 但是对于固定设备，要进行多测点的调查就必须安装多组设备，代价比较昂贵， 而且每一个测点需要进行路面开挖安装，有的甚至要修建专门的辅道，还需建立 固定的数据收集等硬件设施以及配备一定数量的专业人员，以及需要长期的、定 期的维护保养，所以固定式w i m 的投资较大。移动式w i m 设备的优点是，便于挟 带，使用灵活，有利于多点重复利用，可以作为路政管理人员进行超限车辆处罚 的设备，在我国尚未形成较大规模的称重站系统之前是比较实用的；但是移动式 设备也存在着干扰交通等缺点。 3 ) 收费站( 点) 或监控设施方法 这种方法主要适用于高速公路的交通荷载调查。可根据收费站( 点) 资料或 高速公路监控设施，获得一定时间内通过某一收费站( 点) 或某一区段的交通荷 载。 2 2 张石高速公路交通量的调查 采用间隙式方法进行观测，按预先确定的观测日期，对交通量进行定期统计 观测。项目工程人员和相关负责工作人员对2 0 0 7 年6 月- 1 2 月交通量进行了调查 和系统统计观测。将记录结果进行整理并登记于规定的表格上。经整理得如下： 表2 1 观测站2 0 0 7 年6 月1 2 月交通量一览表( 单位：辆日) 车型6 月 7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月均值 小型货车1 5 3 21 5 4 81 9 1 8l 哽y 71 9 5 11 6 1 31 3 0 3 1 6 9 5 中型货车 5 2 3 05 2 4 16 3 5 06 6 9 4 6 5 4 85 5 2 14 5 7 55 7 3 7 大型车 3 8 0 63 8 0 l 4 6 7 44 7 5 24 7 2 44 0 4 33 1 7 2 4 1 3 9 撇l3 ”5l 4 4 8 8 l 4 7 3 4 l 4 7 7 9 i4 埘l 3 4 9 8 l 4 2 1 6 4 0 2 i姗i 4 2 8 l 5 ” i 5 6 5 3 7 3 i 2 6 9 l 4 1 7 5 1 0 l 5 9 7 1 7 8 2 i 8 1 38 3 9 l 5 2 6 i 3 8 2 l 6 3 6 1 5 4 7 5l1 5 3 2 71 8 6 2 4i1 8 4 9 31 8 2 4 2il 锚9l1 4 1 6 5i1 6 7 5 9 i 一- 口- ，i f i ? ! 剥 x# 母21 日平均交通量车型分布 参照我国沥青路面设计规范( j t gd 5 0 2 0 0 6 ) 我国规范对公路交通等级的划 分如下表： 表22 我国规范对公路交通等级的捌分 通过表2 1 与表22 对照可很容易得知该条高速公路为特重交通。 参照我国沥青路面技术标准将各种不同车型( 小型货车、中型货车、大型货 车、小客车、大客车、拖挂车) 按下表换算成当量数： 衰2 3 各汽车代表车型与车辆折算系敷 将上述观测6 月1 2 月表格按月将各自换算成标准当量数如上表。并将各月 变通量所占百分比数汇总在如下表： 誊一 表24 观测站2 0 0 7 年6 门至1 2 月交通量组成览表 下掣 6j j 7 月 8 j9j 1 ( 】门1 1 川 1 2 川l 均位 小e “货1 99 p o j 1 0lc p o1 03 0 1 08 0 f1 07 ( mo5 0 9 2 0 1 0 0 7 中型债叩l 3 38 0 l3 4 2 ( p o l 弘i ( i 2 0 【3 5 q 艘al 乳5 0 i 丑3 0 53 4 、4 n ，i 夫l “货下l2 4 6 0 l2 4 】笛】0 l 2 57 0 2 5 帅l2 38 ( p 。l2 2 4 0 2 4 6 1 小样乍l2 5 8 【蹦l 2 d5 0 i 2 4 1 0 l 2 5 ( 1 3 0 o 2 6 2 0 l2 5 1 0 l2 4 7 0 2 5 1 4 人窨节l 26 0 l 2 4 0 l 23 0 2 8 0 3 l o l 22 0 j 】9 0 2 a 7 0 , ， 拖捧乍l 33 ( 肌l3 毗i4 i 0 l4 肿 4 6 昕0 3 1 0 1 z 7 0 1 3 7 4 1 懑曲 佣一 十$ 女十十# $# $ 日 图22 日平均交通量车型比倒 血。1 得到备种不同类型车辆的交通垦合计平均百分比数如图23 平均日交通量比捌以及车型分布倩况 太客牟 小客车2 5l f 丈货车，2 46 1 圈23 日平均交通量总体车型比例 2 3 张石高速公路轴载调查 d 小货车 r 】货车 口大货车 口小客车 太客车 口拖撞车 为了进一步了解重载、超载道路的交通特性，对当前道路交通及轴载分布状 况有个较为全面的认识，并为本论文以后如重载车辆轴载换算方法的提出，路面 结构的计算等提供依据，就需进一步进行交通轴载、轴重调查、因为其值大小直 接关系到路面结构的承载力及结构强度能否与之相适应的问题，不同重量的轴戟 给路面结构会带来不同程度的损坏。 经过上述道路交通量进行调查分析后可知张石高速公路在数量上达到国家 规范规定重交道要求为了进一步进行路面调查研究，因此需获得该条公路上车 辆轴重实际运行状况，本课题组与当地公路局养护工作的人员在收费站进行变通 量轴载观测，观测时间为( 连续一天) 2 4 小时，其中调查中代表车型如图24 。 为统计、分析方便本论文将其归类为双轴车辆、三轴车辆、四轴车辆、五轴车辆。 双轮 餐l ， 职轴辅 单轮 霾一。_ _ = ：一 型 雾。二；i = 轴辅 二型kq 一型 岛蠹h 嘲 四轴辎自 二型 霞餮碱q 翼 _ 型 鞋一h 壤 五皲输 二型 禽赫一蹦固尊 图24 车辆分类圈 在调查同时利用d c s 一3 0 k 动态轴重检测台对通行车辆的每根轴进行测试，测 试结果见下表： 袁2 5 车型比例统计表 车型 l = 辑i = j 蚌1 日! 蚌i j 擗总计 比倒( ) 2 19 81 7 g g5 3 4 36 7 11 0 0 从上表可见，张石高速公路载重货车( 三轴车、四轴车、五轴车) 所占的比例 较高达到了7 8 0 2 ，这反映了张石高速公路货物运输非常繁忙，是一条载货汽 车较为集中的重载道路。 根据测试结果，对各轴车辆的车重分布统计如下系列图，轴重分布统计如下。 2 31 车重分布调查 对于一天2 4 小时内的调查车辆数按车重( t ) 进行分类。其中4 0 t 5 0 t 车辆 占总车辆的7 4 5 ，5 0 t 以上达到17 ，如图25 。 图2 5 车重分布统计 对于调查车辆按二轴车车重分布统计，对于二轴车辆的质量，我国规定其最 大质量为1 6 t ，但路面实际情况2 0 t 一2 5 t 占所用二轴车辆的车重的1 3 7 ，大于 2 5 t 占1 9 ，有超过2 0 的二轴车辆车重大于1 6 t 。如图2 6 。 ) u u 2 7 0 3r 2 5 0 z z 3 拿2 0 0 圈 网 1 冀7 军1 5 0 求 1 1 3 豳 1 9 忸1 0 0 翰隰 5 o 目豳 盈豳圈 u v 0 - 55 - 1 01 0 - 1 51 5 - 2 02 0 - 2 5 2 5 车重( t ) 图2 6 二轴车车重 对于调查车辆按三轴车车重分布统计，对于三轴车辆的质量，我国规定其最 大质量为2 4 t ，但路面实际情况3 0 t 4 0 t 占所用三轴车辆的车重的2 2 1 ，大于 4 0 t 占1 5 ，有超过3 0 的三轴车辆车重大于2 4 t 。如图2 7 。 3 8 9 3 0 0 习 3 0 o 豳 2 2 1 黟缪锈 誉 鍪? 草2 0 0 彩p4 镯 求 雕 爹翼 錾 翼 馨凌 1 5 血 瞄豳隧缓蒯i 矗臃 1 0 0 亡 陵溯。 u u 0 1 0l o 。2 02 0 3 0 3 0 4 0 4 0 车重( t ) 图2 7 三轴车车重分布统计 对于调查车辆按四轴，把其看成半挂车，按车辆车重分布统计，我国规定四 轴车辆车重的其最大质量为4 2 t ，但路面实际情况大于4 2 t 占所用四轴车辆车重 超过1 5 ，如图2 8 。 图2 8 四轴车车重分布统计 对于调查车辆按五轴车车重分布统计，将五轴车看成全挂或集装箱半挂，我 国规定其最大质量为4 4 t ，但路面实际情况5 0 t 6 0 t 占所用五轴车辆的车重8 6 ， 大于6 0 t 占2 7 ，有超过1 5 的五轴车辆车重大于4 4 t 。如图2 9 。 图2 9 五轴车车重分布统计 2 3 2 轴重分布统计调查 对于一天2 4 小时内的调查车辆数按车轴轴重( t ) 进行分类。 其中单轴轴重我国规定最大轴重限制为l o t ，据统计1 5 t 2 0 t 占所调查数的 图2 1 0 单轴轴重分布统计 其中双轴轴重我国规定最大轴重限制为1 8 t ，据统计2 0 t 一- - 3 0 t 占所调查数的 1 4 1 ，3 0 t 4 0 t 占所调查数的1 9 ，有超过2 0 的单轴轴重大于1 8 t 。如图2 1 1 。 图2 1 l 双轴轴重分布统计 其中三轴轴重我国规定最大轴重限制为2 2 t ，据统计3 0 t 一4 0 t 三轴轴重占所 调查数的1 3 8 ，大于4 0 t 的三轴轴重占调查数的2 5 ，有超过2 0 的单轴轴重 大于2 2 t 。如图2 1 2 。 图2 1 2 三轴轴重分布统计 我国规定各车车辆总质量和各轴载轴重质量限值见表2 6 。 表2 6 我国道路车辆允许最大质量 总质量( t )轴载质量( t ) 汽车汽车列车每侧单轮胎 每侧双轮胎 双轴 1 6 全挂 4 4 单轴 61 0 三轴2 4半挂4 2双联轴 1 01 8 四轴 2 8 集装箱半挂 4 4 三轴 1 22 2 集装箱半挂双联轴 2 0 由以上车辆总质量、各轴载轴重重质量的图表分析可知，超载程度比较严重， 且当时交通调查和轴载调查期间，当地公路行政管理部门正着力整治超载的现象， 大量的超载车辆被迫停止运行，超载的现象比平时少很多，另外，在研究调查中 还发现，有些载运车辆户主为追求经济利益，私自把车辆进行了改装，经常采用 增加弹簧钢板、更换高强轮胎的办法，对路面可能造成更大损害。 2 4 张石高速公路胎压测量调查分析 近些年相关调查研究表明车辆重载不仅表现为轴载的增重，同时体现在高压 轮胎的采用上【l8 1 。而汽车通过轮胎与路面接触，准确的描述轮胎作用于路面接地 压力分布形式和大小，可以正确分析路面结构的力学响应，目前主要是通过试验 仪器直接测量或者数值计算求得。利用仪器直接测量轮胎接地压力的大小和分布。 目前主要的方法有：压力板法、压力传感器法、压敏膜法和光吸收法等 1 ) 压力板法【1 9 】 压力板是一块带有锥形颗粒的硫化橡胶板，橡胶板上各锥形颗粒的大小相同， 并且呈一定阵列均匀分布。用压力板法直接得到的是轮胎接地压力分布的印痕， 对接地压力分布印痕计算和处理后，便可以得到轮胎接地压力分布的三维图。 压力板法测量轮胎接地压力分布的方法简单易行，测量成本低。一次测量就 可以得到在静态下的整个接地面的垂直压力分布。这种方法的不足之处在于： ( 1 ) 痕纸新旧对压力的敏感程度不同，这将会直接影响到印痕直径的大小和 印迹边缘的模糊程度，边缘模糊会使印迹难于分辨，从而影响测量的准确性。建 议每次测量都使用新的印痕纸。 ( 2 ) 环境温度的变化和橡胶的老化造成橡胶硬度的变化会使实际的压力换算 曲线与