（道路与铁道工程专业论文）季冻区重交通沥青路面设计研究.pdf

摘要 随着国民经济和公路交通运输事业的迅速发展，我国运输车辆中大型货运车辆的比 重不断增加，载货汽车的超限、超载现象越来越严重，汽车超限超载己是普遍存在的问 题，在季冻区特殊气候环境的影响下，沥青路面出现了严重的疲劳、车辙、裂缝、冻胀、 融沉等破坏，降低了路面的使用寿命和服务水平，制约了高速公路的进一步发展。论文 旨在就吉林省季冻区重交通路面结构优化及施工方法进行深入研究，对提升该地区沥青 路面设计及施工水平具有重要的理论及现实意义。 论文针对吉林省季冻区温差变化复杂、气候条件严酷、车辆重轴比例大、超限超载 普遍等现象，分析了季冻区重载交通特性及沥青路面病害产生机理，通过对该地区重交 通轴载参数的研究，提出了吉林省轴载换算季节修正系数。结合该地区的交通特点，采 用基于力学理论的分析方法及a n s y s 计算程序，在分析吉林省重交通路面典型结构力 学响应的基础上，对重载作用下沥青路面结构的设计指标及标准进行了深入研究。借鉴 长寿命沥青路面设计方法和s u p e r p a v e 沥青混合料设计法，采用力学分析法，对季冻区 重交通路面结构进行了对比优化，提出了适应于吉林季冻区重交通条件下的长寿命路面 结构，并依托长一珲高速公路实体工程铺筑了试验路，验证了室内研究成果。 本研究在季冻区重交通路面结构设计时，采用了设置抗疲劳层的路面结构形式，分 别选用s u p e r p a v 一2 5 和a t b 一2 5 混合料作为抗疲劳层，并利用由美国进口的u t m 2 5 力 学试验机，通过室内四分点加载小梁重复弯曲疲劳试验测试对比了s u p e r p a v e 2 5 与 a t b 2 5 的疲劳性能，提出了基于s h r p d e s i g n a t i o nm 0 0 9 的疲劳寿命计算的改进方法， 分析确定了该类混合料的疲劳极限和疲劳寿命，为季冻区重交通长寿命沥青路面设计奠 定了基础。 关键词：重载交通，长寿命沥青路面，轴载换算，s u p e r p a v e 设计法，路面结构力学分 析，抗疲劳层，沥青混合料疲劳极限 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dr o a dt r a n s p o r t a t i o n ，m o r ea n dm o r e v e h i c l e so fo v e r s i z ea n do v e r l o a da r eo p e r a t i n go nr o a d w i t ht h ei n f l u e n c eo ft h es p e c i a l c l i m a t i ce n v i r o n m e n ti ns e a s o n a lf r o z e n r e g i o n , t h e r ea r ed i s t r e s s e s s u c ha s f a t i g u e ， r u t t i n g ，f r a c t u r e ，f r o s th e a v i n ga n dt h a wc o l l a p s i n ge t c ，s h o r t e n st h es e r v i c el i f eo fa s p h a l t p a v e m e n ta n dw o r s e n si t sp e r f o r m a n c el e v e l ，w h i c hb e c o m eo n eo ft h ek e yf a c t o r sr e s t r i c t i n g t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fa s p h a l tp a v e m e n t s t h i sp a p e rc o n c e r s 、以t l lc o n t e n t sf o rp a v e m e n t s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o nm e t h o da n dt e c h n o l o g ya b o u to v e r l o a di ns e a s o n a lf r o z e nr e g i o n i ti s i m p o r t a n tt oi m p r o v ed e s i g nm e t h o df o rc o n s t r u c t i o nl e v e lf o ra s p h a l tp a v e m e n t s b a s e do nt h ec o m p l e xc l i m a t ec o n d i t i o no fs e a s o n a lf r o z e nr e g i o ni nj il i np r o v i n c ea n d t r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c so fo v e r s i z ea n do v e r l o a d ，t h em o s td i s t r e s s e sh a v eb e e na n a l y s i s e df o r a s p h a l tp a v e m e n t s t h i sp a p e rp r o p o s e sc o r r e c t i o nf a c t o ro fa x l el o a dc o n v e r s i o nb ys t u d y i n g o np a r a m e t e ro fa x l el o a dc o n v e r s i o n t h e n , m e c h a n i c a lr e s p o n s ea n a l y s i sa b o u t t y p i c a l s t r u c t u r e sw a sp e r f o r m e du s i n gm e c h a n i ct h e o r i e sw i t ha n s y sp r o g r a mt or a i s et h ei n d e x e s f o rh e a v yt r a f f i ca s p h a l tp a v e m e n td e s i g n r e f e r e n c i n gf o rd e s i g nm e t h o do fp e r p e t u a l a s p h a l tp a v e m e n ta n ds u p e r p a v e ，p a v e m e n ts t r u c t u r e sh a v eb e e no p t i m i z e df o rp r o p o s i n gt o n e w p a v e m e n ts t r u c t u r e si ns e a s o n a lf r o z e nr e g i o n t h et e s tp a v e m e n t sh a v eb e e np a v e do n c h a n g h u ih i g h w a y i nt h i ss t u d y , t h i sp a p e ra p p l y sf op a v e m e n tm e c h a n i ca n a l y s i s ，s t r u c t u r e s r e s i s t a n t i n g f a t i g u eb yt e s t i n gu t m - 2 5i m p o r t e df r o ma m e r i c a t h es t r u c t u r e so fs p e r p v a e 2 5r e s i s t a n t i n g f a t i g u eh a v eb e e ns e ti ns e a s o n a lf r o z e nr e g i o n ，t h ef o u r t hp o i n tr e p e a t e di n tr e p e a t e df l e x u r a l b e n d i n gf a t i g u et e s th a sb e e nc h o s e nt od e t e r m i n et h ef a t i g u el i f eo fs u p e r a p v e 2 5 ，a n dt o c a l c u l a t i n gf a t i g u el i f ea n df a t i g u el i m i t i ti si m p o r t a n tf o rt r u c t u r ec o n s t r u c t i o nm e t h o da n d t e c h n o l o g ya b o u to v e r l o a di ns e a s o n a lf r o z e nr e g i o n k e yw o r d s ：h e a v yt r a f f i c ，p e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t ，a x l el o a dc o n v e r s i o n ，d e s i g n i n g m e t h o do fs u p e r p a v e ，p a v e m e n tm e c h a n i ca n a l y s i s ，s t r u c t u r e sr e s i s t a n t i n gf a t i g u e ，f a t i g u e l i m i to fa s p h a l tm i x t u r e i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弓瓤 1 引肘日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 荔锄j 中老镌 年多肘日 年月 e t 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三；百t 匕 1 1 课题背景 近几年，随着国民经济的我国公路建设进入了发展速度快、建设规模大、科技含量 不断提高的新时期。年均新增加通车里程由初期的几百公里增长到近期的几万公里。高 速公路及其他高等级公路的建设，大大改善了我国公路技术等级结构，明显缓解了对国 民经济发展的瓶颈制约。我国主要公路运输通道交通紧张状况得到明显缓解，长期存在 的运输能力紧张状况得到明显改善。 高速公路的快速发展，大大缩短了省际之间、重要城市之间的时空距离，加快了区 域间人员、商品、技术、信息的交流速度，有效降低了生产运输成本，在更大空间上实 现了资源有效配置，拓展了市场，对提高企业竞争力、促进国民经济发展和社会进步都 起到了重要作用。 在国民经济快速发展的同时，公路运输也出现了“重载、大流量和渠化交通”的特 点。交通流量大幅度的增加，形成重型载货车和超载车辆数量急剧上升，从而带来的负 面效应是：载货汽车的超载日益严重，引起实际累计标准轴载的剧增，直接导致路面出 现严重的损坏。因此，在我国道路里程不断增加的同时，路面的早期破坏现象也越来越 突出，许多地区出现了“当年修，来年坏”的现象，其中一个主要原因就是重载车辆和 超载车辆作用的结果，在国际道路界称之为重任务交通( h e a v yd u t yt r a f f i c ) 【l 】。在发达 国家，重载交通主要体现为货运向集装箱、大型化、多轴化方向发展；在我国，重载交 通则往往反映在车辆的载重超限，即运输车辆轴重超过了有关法律所规定的限值，超过 了有关设计标准，它对路面的一次性破坏较为严重。 吉林省位于中国的东北地区中部，地处北温带，与辽宁省、黑龙江省、内蒙古自治 区毗邻，与俄罗斯、朝鲜接壤，属于季冻区，随着改革开放的不断深入和经济建设的迅 速发展，近几年公路交通基础设施建设进一步加快，但同时也出现了重载、超载的问题， 在季冻区这样环境、地质条件复杂的情况下，重载对路面的影响极为严重，路面结构出 现了车辙、裂缝、冻胀、融沉、松散、坑槽、翻浆冒泥等各种破坏。 如何根据季冻区气候及重交通特点，合理地选择材料及路面结构，使路面具有较高 的高温抗车辙能力和抗低温缩裂性能，对于提高公路使用质量具有重要意义。本研究主 要针对季冻区重交通，开展路面结构相关研究，旨在提出适合于该地区重交通的沥青路 面结构设计方法及合理路面结构。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 多年来，重载交通问题一直是国内外道路研究的热点之一，很多国家、地区和独立 研究机构都对重载交通进行了有益的尝试和探讨，像美国、德国、法国、日本等，主要 随着研究工作的不断深入，一些设计理论、设计方法和结构组合模式越来越趋向于满足 重载交通的需要。 对于重载沥青路面，联邦公路管理局的f r e d d y l r o b e r t s ，h a r o l d v o n q u i n t u s 和 r o n a l d h u d s o n 针对行驶重型车辆的公路进行了旨在修建高级路面结构的研究，提出了免 养护路面的设计指标和方法。 澳大利亚公路学会在路面设计公路路面结构设计指南一书中，提出了保证路用 性能的设计交通量与有粘结基层( 水泥处治稳定集料) 的设计表层弯沉值之间的关系。 法国大型环道试验进行了不同轴载作用下的车辙研究，并给出了回归公式。 重载【1 】( 重任务，h e a v yd u t y ) 对路面影响的研究主要分为结构设计和材料设计两个 部分。结构设计的研究主要集中于轴载换算问题，材料设计的研究主要集中于沥青路面 的车辙问题。 1 9 6 1 年，美国各州公路工程师协会( a s s h t o ) 试验的一个最重要的研究成果就是提 出了轴载当量换算的概念。 加拿大安大略省在8 0 年代对本省的车辆尺寸和荷载情况做了详细调查，发现在允 许一定程度的超载时测得公路车辆荷载分布明显偏重，并且通过对车辆总重和轴载分布 的数据分析，提出了某种车型的总重和各组轴荷载分布的关系。对于超限部分的轴荷载， 采用力学分析方法研究路面在重载作用下的力学反应变化，并以此作为衡量路面损坏的 标准，建立了力学模型以计算不同级别荷载产生的力学损耗。 1 9 9 3 年，全美公路合作研究计划中也由美国密歇根大学和英国剑桥大学共同进行关 于重车特性对路面力学响应及性能影响的研究f n c h r pr e p o r t 3 5 3 ) i ”。将路面结构与货车 的力学模型整合为一个车一路的整体模拟系统，并选取了全美最为常见的3 6 种货车型 式，对比评价了不同重车特性对路面结构的损坏效果。他们认为t u r n e r 标准的车辆是最 具有运输效率，同时也是对道路损耗最小的车型。对于刚性路面和柔性路面结构，道路 损伤的最主要的决定因素都是行驶车辆的最大轴荷载。 然而，对于季冻区的重载路面，气候变化复杂，温度变化大，路面不但会出现重载 交通常有的道路病害( 高温车辙、低温开裂等) ，还会出现冻胀、融沉等各种特有的破 2 长安大学硕士学位论文 坏特点，国外对此研究较少，目前还没有比较好的解决办法。只是提出了一些相应的典 型路面结构等。像德国提出的典型结构包括柔性路面和半刚性路面两种，都以交通量和 防冻路面厚度( 实际考虑地区性) 两个变量为设计参数，表1 1 所示为德国路面标准结构。 表1 1 德国路面标准结构 结构等级 ii i 交通指数( 万次) 1 8 0 09 0 0 1 8 0 03 0 0 9 0 06 0 3 0 0 抗冻路面厚度( c m ) 5 06 07 08 05 06 07 08 05 06 07 08 05 06 07 08 0 磨耗层( c m ) 4444 底面层( c m )8 8 40 沥青基层( c m )1 0888 水硬性结合料( c m )1 51 51 51 5 防冻层厚度( c m ) 1 32 33 34 31 52 53 54 51 92 93 94 93 34 35 36 3 注：1 、一个车道上的日平均交通量，以总重大于2 0 t 的车计。 2 、防冻层顶面综合模量至少1 2 0 m p a 或1 0 0 m p a ( 较小交通) ，碎石基层至少1 8 0 m p a 或1 5 0 m p a 。 1 2 2 国内研究现状 由于重型车辆的不断增加，国内不少机构和学者也对重载交通路面进行了探索研 究。山西交通科学研究所的黄勇、虞文景等人针对重载道路的特点，利用国内几种典型 半刚性基层材料的疲劳试验结果，根据疲劳等效原则，并考虑了车辆超载效应，在借鉴 国外研究成果的基础上，得出了以基层底面拉应力为指标的适应于重交通条件和半刚性 基层沥青路面特点的车辆轴载换算公式和相应的设计方法。 1 9 9 6 年，交通部、东南大学、长沙交通学院和北京市公路局联合进行了沥青路面轴 载换算标准的研究，对现有规范中不能对重载车辆进行换算等问题进行了探讨。分别进 行了典型路况的调查、非线性理论分析、修建试验路进行加速加载试验三个方面，得出 了适用于重载车辆的轴载换算公式，并且对以车辙为指标的轴载换算公式进行了初拟。 在结构组合方面，为适应重交通道路，近年来，对r c c + a c 路面、r c c + c c 路面 进行了广泛研究，已取得了突破性进展，基层的选用也逐渐偏向采用无机结合料稳定类 基层。 综上所述，国内外在重载交通路面设计方面和理论研究方面进行了一些有益的探 讨，亦在某些方面取得了较大的进展和一些研究成果，但对于季冻区重交通路面的研究 还不够深入，没有形成一套完整的理论体系，针对季冻区重交通条件下，路面会产生水 损害、冻融、车辙、融沉、开裂等各种复杂的公路病害进行全面系统的研究。 因此，结合季冻区特有的气候、地质等环境因素，开展超载车辆研究与对策分析， 提出重载交通条件下的沥青路面结构设计方法具有十分重要的理论意义及实用价值。 3 第一章绪论 1 3 研究内容 为适应吉林省公路建设的高速发展，为吉林省重载沥青路面设计、施工和养护决策 提供科学依据，通过研究，提出适合于吉林省重载公路建设特点、充分考虑吉林省的自 然环境、交通、土基状况和筑路材料供应情况、施工技术等因素的沥青路面典型结构， 以供该地区公路设计、施工和养护参考借鉴。本论文研究的主要内容如下： 1 调查分析吉林省重交通特性，研究季冻区重交通条件下公路主要破坏形式，如 车辙、裂缝、冻胀、融沉等，并分析其原因。 2 研究重交通轴载参数、轴载换算方法，国内外对轴载限制标准，结合吉林省特 有的气候特点，提出吉林省轴载换算的季节修正系数。 3 以有限元分析软件a n s y s 为工具，运用三维空间有限元位移法，建立不同轴载 作用下的力学模型，计算分析重载车辆对沥青路面结构层的应力、应变影响。 4 根据吉林省的实际情况，包括交通状况、自然条件、筑路材料等因素，以吉林 省已建成的几条主要高速公路为例进行力学分析，进行不同结构组合对路面受力状况的 差异性分析，评价这些结构组合设计的优劣性。 5 借鉴长寿命路面设计理念对重交通沥青路面进行结构优化，研究适合于季冻区 重交通的路面结构。 6 采用s u p e r p a v e 混合料设计法进行级配优化设计，室内沥青混合料成型时采用旋 转压实法，使混合料级配设计更接近实际施工，减小设计级配与实际施工的差异。 7 通过小梁疲劳试验，研究季冻区重交通条件下沥青路面的疲劳寿命。主要探讨 疲劳试验仪器、试验过程、试验方法及试验数据处理，提出改进后的疲劳寿命计算方法， 最后确定疲劳极限。 8 依托实体工程( 长珲高速公路) 进行结构组合设计，包括试验路概况、材料设 计、级配设计及施工关键技术分析，并对其高温抗车辙性能、低温抗裂性能进行了比较， 验证其结构的合理性。 通过上述八个方面的纵横向对比分析与讨论，对季冻区重交通条件下路面早期破 坏、车辆超限及结构组合设计等问题有一个更全面、更深入的认识，得出一些有价值的 结论，可供养护管理部门、设计部门及施工单位作参考，并为今后季冻区重载交通沥青 路面设计提出一些思路。 4 长安大学硕士学位论文 1 4 技术路线 研究技术路线见图1 1 。 图1 1 研究技术路线 5 第二章吉林省重交通特性及沥青路面主要病害 第二章吉林省重交通特性及沥青路面主要病害 2 1 重交通特性调查分析 2 1 1 车辆分类及特点 由于不同道路的交通特性不尽相同，本论文调查收集了吉林省主要干线公路( 包括 长余、长平、长吉等各条高速公路) 的车辆装载称重调查资料。为了分析重载车辆的车 重及轴重情况，调查资料包括利用自动称量装置称量并记录的通行车辆的轴重( 包括前 轴和挂车后轴) 及总装载重量。 在进行吉林省交通量统计分析时，一般将车辆分成1 3 类即：小型货车、中型货车、 大型货车、小型客车、大型客车、拖挂车、集装箱车、小型拖拉机、大型拖拉机、自行 车、人力车、畜力车和摩托车。为了研究车辆超载对路面结构的影响，主要统计汽车数 量，而未统计自行车、人力车、畜力车、和摩托车的数量。 国内外的研究成果【6 】显示，对路面造成损坏的主要是2 轴4 轮以上的货车，2 轴4 轮和4 轮以下的车辆对路面损坏很小，可以不考虑这部分车辆的影响。2 轴4 轮以上的 货车可分为整车类、半挂车类和全挂车类；车辆的轴型可以分为单轴、双联轴和三联轴； 轮型可分为单轮和双轮组。吉林省主要干线公路上重载车辆常见的轴轮组合有单轴单 轮、单轴双轮、双联轴双轮和三联轴双轮，如图2 1 所示。 _ - 簟鞠簟轮 l 1 一 簟瓣顶转 i e j i 最屉艳 1 1 1 - - - - - - l 1 日l 兰囊袖摹轮 图2 1 货车常见轴型 由于汽车类型繁多、轴数不一，为此收集了各类车辆的轴载的统计资料。在进行统 计分析时，除去了单轴重3 0 吨，或轴总重不足5 0 吨的车辆数，并且按轴数进行了分 类，观测中发现重载车辆主要是二轴类、三轴类、四轴类、五轴类和六轴类的货车。各 类货车的基本车型见下图2 2 。 6 长安大学硕士学位论文 二轴类重载货车 兰轴类重载货车 四轴类重载货车 五轴类重载货车 六轴类重载货车 图2 2 各类货车基本类型 为了对所调查交通量有更清楚的了解，对所调查路段的主要车型1 】进行了统计，结 果如下表2 1 。 表2 1 交通车型统计表 车型标准荷载轮组重车实载 主5 吨单轴双轮 东风1 4 1 类2 1 吨 挂4 吨单轴单轮 主8 吨双轴双轮 东风1 5 3 类 2 7 吨 挂6 吨单轴单轮 a 主1 0 5 吨 双轴双轮 4 0 吨 卡玛斯 挂1 0 吨 单轴双轮 主1 0 5 吨双轴双轮 b3 8 吨 挂8 吨单轴单轮 主1 0 吨单轴双轮 罗曼类 2 6 吨 挂6 吨单轴单轮 解放1 4 2 类 主1 0 吨 双轴双轮 1 6 吨 东风1 4 4 主8 吨双轴双轮1 3 屯 主2 1 吨双轴双轮 斯尔太9 l5 3 吨 挂1 5 吨 单轴双轮 主1 5 吨 双轴双轮 黄河1 2 6 13 6 吨 挂1 0 吨单轴双轮 太拖拉主1 5 吨双轴双轮1 6 吨 大客东风1 4 1 标准载 由表2 1 可知交通车辆重主要为大中型货车及拖挂车，且实际载重超载严重。 2 1 2 交通量调查及分析 目前，吉林省主要高速公路及国道交通量大，重载车辆比重较高。本次交通量调查 主要包括吉林省几条主要高速公路和长珲高速公路。吉林省长吉、长平、长余高速公路 各个主要站点2 0 0 4 - 2 0 0 7 年的交通量增长如图2 3 。 7 第二章吉林省重交通特性及沥青路面主要病害 图2 3 吉林主要高速公路交通量增长图 从图2 3 中可以更直观地看出各道路交通量增长趋势。长平的交通量最大，在1 8 0 0 0 辆日以上。交通量随着年份的增加呈上升趋势，长余高速公路近期交通量增长率为 1 1 8 ，长平高速公路近期交通量增长率为8 5 ，长吉高速公路近期交通量增长率为 1 2 5 ，长吉高速公路的交通量增长速度较快。从这三条主要高速公路的交通增长图可以 看出吉林省交通的增长速度特别快，高速公路面临重载、超载现象。 在修建长珲高速公路之前，相关部门对此高速公路相应的交通量做了详细的调查， 与本项目【l 】相关的2 4 小时断面交通量观测站有蛟河、蛟白、大桥、朝阳川和凉水五个测 站，断面交通量观测结果见表2 3 ，并根据其增长率各因素对未来几十年的交通量进行 了预测，结果见表2 4 表2 3 交通量观测结果 混合 测站 小货车中货车大货车特大货拖挂车集装箱特种车小客车大客车汽车折算 折算 蛟河 3 8 93 1 04 1 82 0 71 0 95 33 81 4 5 51 6 34 7 5 94 8 9 7 蛟白 3 3 82 8 63 6 35 89 632 87 0 51 4 03 0 4 13 1 1 9 大桥 5 6 72 6 94 1 02 3 69 2372 0 5 02 1 85 5 6 6 56 0 2 8 朝阳l i5 6 5 3 1 2 5 6 1 2 6 4 7 93 92 73 8 2 55 7 9 8 4 4 9 9 2 4 0 凉水 2 4 29 0 3 9 26 91 24 93 71 2 9 32 8 43 4 5 03 5 7 l 长安大学硕士学位论文 表2 4 交通量预测结果 路段2 0 1 0 年2 0 1 5 年2 0 2 0 年2 0 2 5 年2 0 3 0 年 江密峰至天岗段1 0 9 2 7 1 6 5 7 1 2 5 1 3 03 4 7 4 14 8 0 2 8 天岗至新站段9 9 2 i1 5 0 6 12 2 8 6 53 1 6 3 14 3 7 5 8 新站至蛟河段 9 0 6 81 3 8 0 12 1 0 0 42 8 9 9 84 0 0 3 4 蛟河至黄松甸段 5 3 2 38 1 2 i1 2 3 9 01 7 1 1 72 3 6 4 9 江密峰至黄松甸段 8 3 6 01 2 7 0 81 9 3 1 72 6 7 0 33 6 9 1 4 黄松甸至黄泥河段 5 9 5 49 0 8 01 3 8 4 81 9 0 5 42 6 2 1 9 黄泥河至秋梨沟段 6 5 7 61 0 0 3 21 5 3 0 52 0 9 1 52 8 5 8 0 秋梨沟至太平岭段 7 9 7 i1 2 1 1 71 8 4 2 0 2 5 2 1 03 4 5 0 3 太平岭至敦化段 1 0 8 8 61 6 5 8 92 5 2 7 83 4 6 2 94 7 4 4 0 黄松甸至敦化段6 9 6 41 0 6 1 21 6 1 7 l2 2 1 7 13 0 3 9 8 敦化至大石头段 9 1 1 41 3 8 7 4 2 1 1 2 1 2 9 0 3 73 9 9 2 0 大石头至安图段 6 6 1 51 0 0 8 11 5 3 6 42 1 0 5 92 8 8 6 4 安图至朝阳川段 7 8 1 41 1 8 4 21 7 9 4 52 4 7 5 13 4 1 3 9 朝阳川至延吉段 5 2 0 07 9 5 i1 2 1 5 71 6 6 5 52 2 8 1 8 敦化至延吉段 7 1 6 91 0 9 0 61 6 5 8 92 2 8 0 03 1 3 3 4 图们至凉水段 5 7 8 58 8 8 91 3 6 5 81 8 8 6 12 6 0 4 7 凉水至珲春段 7 7 9 41 1 8 2 41 7 9 3 92 4 7 0 2。3 4 0 1 5 珲春至终点段 4 8 8 67 4 4 2i 1 3 3 51 5 6 3 i2 1 5 5 6 图们至珲春段 6 8 2 31 0 3 8 91 5 8 1 92 1 8 0 33 0 0 5 0 全线加权平均7 4 1 7 1 1 2 8 61 7 1 7 12 3 6 4 63 2 5 6 3 由表2 3 和2 4 可知，长珲高速公路修建成功后，主要交通车辆以大中型货运车为 主，且交通量较大，在未来几十年，车辆增长很快，达到了重交通的行驶能力，所以对 其路面结构设计时要考虑到重交通特性。 2 1 3 轴载调查 经过对吉林地区的几条主要道路进行现场调研后，发现重载、超载车辆较多，为了 获得该条公路上车辆实际运行状况，课题组与吉林省高建局共同对与本项目相关的2 4 小时断面交通量观测站( 蛟河、蛟白、大桥、朝阳川和凉水) 进行了车辆载重调查，其 结果总结见表2 5 。 表2 5 车型比例统计表 车型二轴车三轴车四轴车五轴车 总计 比例( ) 3 4 6 71 2 4 34 4 0 48 8 61 0 0 从上表可见，此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6 5 ，这反映了该地区高速公路货物运输非常繁忙，长珲高速公路将是一条载货汽车 较为集中的重载道路。 根据调查结果，对各轴车辆的车重分布统计如图2 4 、2 5 、2 6 、2 7 、2 8 ，轴重分 9 第二章吉林省重交通特性及沥青路面主要病害 布统计如下图2 9 、2 1 0 、2 1 1 5 0 4 5 4 0 3 5 ：3 0 丑2 5 鑫2 0 1 5 1 0 5 0 ， - 丑 求 1 皿 6 0 6 0 - 一 舒0 隶 眦 2 0 一 、， 丑 彘 妞 0 o - 55 - l ol o - 2 02 0 - 3 0 3 0 - 4 04 0 - 鲫 5 0 丰重( t ) 图2 4 车重分布统计表 4 1 铀 2 9 7 3 5 7 5 翼 2 0 6 9 囫霪 2 2 7 只刀口 0 - 1 0l o - 2 0 _ 3 03 0 - 4 0 ) 帅 车重( t ) 图2 6 三轴车车重分布统计表 l o 2 02 0 - 3 03 0 - 4 04 0 - 5 0 车重( t ) 图2 8 五轴车车重分布统计表 2 8 6 4 霞 2 5 3 4 霞 3 2 8 眵刁0 1 7 o - 1 01 0 - 2 02 0 - 3 03 0 - 4 0 4 0 轴重( t ) 图2 1 0 双轴轴重分布统计 3 5 2 5 = 茁 求1 5 l l o 5 o 辐 2 5 艺 筮 隶1 5 i 皿 l o 5 o 4 5 4 0 箱 三3 0 筮2 5 鑫2 0 1 5 1 0 5 0 7 0 舳 4 0 丑 鑫3 0 1 0 0 l o o 55 1 01 0 - 1 51 5 - 2 02 0 - 2 5 2 5 车重( t ) 图2 5 二轴车车重分布统计表 l o - 2 02 0 _ 3 0 _ 4 04 0 - 5 0 5 0 车重( t ) 图2 7 四轴车车重分布统计表 o - 2 525 - 55 - 1 0i o - 1 51 5 - 2 0) 2 0 轴重( t ) 图2 9 单轴轴重分布统计 o - 1 0l o 一2 0 轴釜嚣) 3 0 - 4 0 4 0 图2 1 1 三轴轴重分布统计 拈 衢 衢 临 m 5 o 拍 砧 拍 播 坩 0 o 长安大学硕士学位论文 我国规定的车辆限重见表2 6 。单轴限重1 0t ，双轴限重1 8 t ，三轴限重2 2 t 。由图 2 9 - 2 1 1 可以看出，单轴超过l o t 占2 3 ，还有1 8 的单轴超过2 0 t ，超载l 倍以上。 双轴超过2 0 t 占2 9 ，三轴超过2 0 t 占2 9 ，最大轴载超过4 0 t ，超载程度非常严重。另 外在调查中发现，这些超载车辆大多进行了改装，基本上都增加了弹簧钢板，更换了高 强轮胎。其次，货车轮胎压力普遍超过规范值。对于轴载超过的轮胎，胎压一般在一范 围内。随着轴重的增加，胎压也增大，胎压谱见图2 1 2 。 表2 6 我国道路车辆允许最大质量( t ) 总质量 轴载质量 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= 联轴1 22 2 集装箱半 2 0 挂双联轴 3 0 2 5 2 0 丑1 5 求 舡 1 0 5 0 77 - 88 - 99 1 0 胎压( 0 1 m p a ) 图2 1 2 胎压分布图 1 0 2 2 季冻区重交通沥青路面主要病害成因分析 在季冻区重交通条件下，由于温度变化快，交通荷载较大，沥青路面主要的病害为 车辙、裂缝、冻胀融沉等，吉林省主要路面病害以车辙为主，占到7 0 以上，其次是裂 缝为2 0 左右，其他病害占1 0 左右，所以针对以上的公路病害，在高速公路设计时应 该考虑超载情况，选择合适的路面结构。主要高速公路病害比例见图2 1 3 、2 1 4 、2 1 5 。 第= 章吉林省重交通特性厦沥青路面主要病害 圈2 1 3 长余高速公路病害比例圈图2 1 4 长吉高速公路病害比倒圈 图2 1 5 长平高速公路病害比倒田 221 车辙 在渠化交通的重变通道路上，路面的车辙破坏极为严重。车辙致使路表产生过量的 变形，影响路面的平整度，轮迹处沥青层厚度减薄，会消弱面层及路面结构的整体强度， 从而易于诱发其它公路瘸害，雨天路表排水不畅，降低路面的抗滑能力，甚至会由于辙槽 内积水导致车辆漂滑，影响高速行车的安全；车辆在超车或更换车道时方向失控，影响 车辆操纵的稳定性。可见，由于车辙的产生，严重影响了路面服务质量和使用寿命。 根据车辙形成原因不同，车辙分为三大类型口1 】： 1 、失稳型车辙； 2 、结构型车辙； 3 、磨耗型车辙。 据此，课题组对吉林省一些主要的高速公路进行了车辙病害详细调查，吉林省高速 公路沥青路面车辙类型中，以结构性车辙和失稳性车辙所占比例最大，图21 6 为车辙形 式，图2 1 7 为长余高速公路车辙面积折线图，每公里车辙面积为4 0 0 8 0 0 m 2 ，说明车辙 情况比较严重。对其车辙深度比例也进行了调查，结果详见图2 1 8 。 i 一 长安大学硕学位论文 图2 1 6 失稳型车辙 ( a ) 拉林河方向 ( b ) 长春方向 图2 1 7 长余高速公路车辙面积折线图 第二章吉林省重交通特性厦沥青路面主要病害 7 00 “ 6 00 5 00 “ i 4 0 啉 要3 0 帆 2 0 。o l 。0 ， 口# n 她 - 右轮进；： c m n 。i ，o 。n 1 5 up nb、? “ a 长春方向 b 拉林河方向 21 8 长余高速公路车辙深度比例 由图21 8 可知，由于重载车辆比例较多，车辙深度较大，长余高速公路车辙深度达 到5 l o m m 的占5 0 左右，达到l o 1 5 m m 的占4 0 ，甚至有一部车辙深度超过了1 5 m m ， 可以见车辙破坏及其严重，分析原因如下： 1 交通量大 吉林省近几年随着经济的发展，各高速公路的交通量也迅速增加，据调查长平的交 通量最大，在1 8 0 0 0 辆，日以上。交通量随着年份的增加呈上升趋势，长余高速公路近期 交通量增长率为1 18 ，长平高速公路近期交通量增长率为85 ，长吉高速公路近期交 通量增长率为1 2 5 。长吉高速公路的交通量增长速度较快。在实际的交通量情况下， 一些高速公路的累积交通轴载已经达到设计值，干线高速公路交通运营情况处于满负载 状态，所以交通量过大是引起沥青路面车辙破坏的原因之一。 2 汽车超载因素 目前，公路运输由于片面强调运输行业的经济效益及缺乏有效的管理，导致各种车 辆普遍超载，有些车辆甚至超载达1 0 0 p a 上，据实际称重表明，有些车辆( 如康巴斯、 罗曼等) 的中、后轴轴重达2 5 吨以上，己经远远超出了现行路面设计规范允许值( 轴重 1 3 吨) 的上限，现行路面设计规范的路面设计并不考虑汽车的超载因素，从而使重车行 驶路段的路面设计缺乏必要的安全保证，路面超负荷破坏严重。 据统计，2 0 0 2 年吉林省高速公路通行车辆为1 4 7 0 万辆，其中货车7 3 9 万辆，占总 数的5 0 还多，而货车中8 0 为超限、超载车辆( 见图21 9 ) ，且主要集中在长平、长 余这两条国省主干线上。在吉林省，仅修补高速公路路面一项，2 0 0 0 年投入资金就达 8 5 11 3 万元而2 0 0 1 年，此项资金投入达1 6 3 82 8 万元，几乎翻了一番，近几年一直在 长安 学硕学位论文 逐倍增长，超限使公路养护维修费用每年成倍增加 ( a )( b ) 图2 1 9超载车辆照片 3 路面结构厚度不合理 根据调查，长平，长吉、长余等各高速公路的沥青层厚度均在1 5 1 6 c m 左右，而研 究表明，沥青路面的沥青层厚度在1 8 c m 以上，一般不会出现车辙破坏，吉林省的主要 干道中，沥青层厚度较薄，加上交通量大，超载严重，必然会产生较大的车辙破坏，严 重影响道路的正常使用。 4 施工方面的因素 要保证路面的使用品质优良，除合理的设计外，严格的施工也是一个非常重要的环 节。在调查中发现，有些旌工单位的竣工文件编制与实际工程情况不相符合，有些缺乏 系统的原始资料，这样不仅工程质量难以保证，也给总结经验教训带来了困难。据部分 路段的开挖发现，有些路段存在有严重的施工质量问题，基层松散，毫无板体性，基层 和面层厚度也达不到设计值，有些地方基层总厚度仅为设计厚度的6 0 ，面层厚度仅为 设计厚度的7 5 ，这必然大大降低路面的承载能力，造成路面车辙破坏。 222 裂缝 沥青路面建成后，或多或少地都会产生各种形式的裂缝。沥青路面的裂缝按形状不 同分为横向裂缝、纵向裂缝、龟网裂等类型。 在季冻区，在温度变化和冻融循环作用下，路面会产生开裂，这是季冻区公路病害 的一个显著特点。 在重载交通条件下，季冻区路面产生裂缝主要原因如下： 1车轮荷载作用下，其强度大于半刚性基层材料的抗拉强度时，半剐性基层的底 部就会很快开裂。在行车荷载的反复作用下，底部的裂缝会逐渐扩展到上部，并使沥青面 第二章吉林省重交通特性及沥青路面主要病害 层也产生开裂破坏。特别在超载严重的情况下，荷载越大，基层开裂越严重，疲劳破坏 也比一般道路严重。影响拉应力主要因素有面层的厚度、基层本身的厚度。选取不同的 沥青面层厚度和半刚性基层厚度，能够防止裂缝产生。 2 沥青材料在较高温度条件下，具有良好的应力松驰性能，温度升降产生的变形不 致于产生过大的温度应力，但当气温大幅度下降时，沥青材料逐渐发硬并开始收缩。此时 半刚性基层的底部将产生拉应力，当拉应力沥青混合料的应力松驰赶不上温度应力增 长，混合料劲度急剧增大。由于沥青面层在路面中是受到约束的，面层中产生的收缩拉 应力或拉应变一旦超过沥青混合料的抗拉强度，沥青面层就会开裂【针。季冻区温度变化复 杂，早晚温度差异比较大，在低温情况下容易出现温缩裂缝。 2 2 3 冻胀及融沉 1 冻胀 冻胀是指由于土的冻结作用而造成的体积膨胀现象在季节冻土区，道路常常遇见这 种病害。吉林地区土质为风积土，风积土的密度为2 0 9 锄3 左右，颗粒密度为2 6 , - - - , 2 7 c i i l 3 ，平均含水量为1 5 7 - 1 7 9 ，并且颗粒成分中细颗粒为主要颗粒，由此可见吉林 地区风积土的结构相对致密，平均含水量要大于黄土，一般情况下浸水后不具有明显的 湿陷性，因此发生大量的道路冻胀现象。 冻胀本身不仅引起道路破坏，还可引起桥梁、涵洞基础的冻害。这种病害在早期修 建的道路、桥梁工程中尤为突出。主要表现为道路在使用年限内破坏，或一些公路建筑 物基础上抬、倾斜。 2 融沉 在季冻区，季节性冻土的热平衡状态将发生变化，路基土将发生从上部向下的融化。 这样道路面层下的土层处于饱和状态；溶解的水被土层阻挡，这部分水会停留在未解冻的 土层上，而溶解的土层，土的密度减小，土基的承载力明显降低，当大量的车辆和行人 通过时，沥青混凝土板或者水泥混凝土板下表面的拉应力增大，土基表面的垂直变形增 加，当超过其极限值时，其融化土层在土体重力和外部荷载作用力下产生局部沉陷。这 种冻害在吉林地区普遍发生。 2 3 本章小结 通过对吉林地区主要高速公路( 包括长余、长平、长吉等高速公路) 交通特性和公 路病害调查分析，可以得出以下结论： 1 6 长安大学硕士学位论文 1 吉林地区高速公路交通量大、车辆种类繁多，主要以中型以上货车和大客车为 主，所占比例超过了8 0 ，交通量增长率较大，达到了1 0 以上，各条高速公路面临重 载、超载趋势。 2 吉林省主要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6 5 ，轴载超限非常严重，单轴超过l o t 占2 3 ，双轴超过2 0 t 占2 9 ，三轴超过2 0 t 占2 9 ，最大轴载超过4 0 t ，并且超载车辆大多进行了改装，基本上都增加了弹簧钢板， 更换了高强轮胎。 3 在气候复杂、重交通条件下，公路病害严重，主要以车辙、裂缝、冻胀及融沉 为主，是典型的季冻区重载路面破坏形式，车辙面积多，深度大，深度在5 - - - l o m m 内 的占到了5 0 以上，超过l o m m 以上的达到了1 0 。裂缝以基层强度不足引起的结构性 裂缝和温缩裂缝为主。 4 沥青路面出现车辙、裂缝等破坏的主要原因为：温度变化复杂：交通量大；汽 车超载严重；路面