重载交通道路路面研究

1、重载交通道路路面研究鞠江庆 河南省焦作市公路管理局摘 要 本文针对汽车超载造成路面早期破坏的问题，以河南省焦作地区道路超载实际情况及自然地理特征为依据，对超载的具体情况进行了实测；针对水泥混凝土路面的应力分析进行了水泥混凝土试件的大应力比疲劳试验，提出了超载、重载时水泥混凝土路面的疲劳方程；结合对重载沥青路面的非线性分析及重载车辙试验，得到了重载沥青路面的轴载换算关系；通过修筑实验路进行了验证。弥补了我国重载路面设计理论与方法的不足。关键词 轴载 重载 超载 沥青路面 非线性分析 重载车辙试验 水泥混凝土路面 应力分析 大应力比疲劳试验 大应力比疲劳试验方程1引 言重载问题是国内外道路研究的重

2、点之一。Walter.P.Ki-lareki对重车的影响及超载限值进行了研究；奥地利维也纳技术大学H.Knoflacher研究了超载对道路养护造价的影响；美国联邦公路局凯莱赫与劳而森对重载交通下设有传力杆的水泥混凝土路面进行了研究。美国、法国、巴西、澳大利亚等国采用贫水泥混凝土作为重载刚性路面的基层，比利时提出了用于重载交通的复合式混凝土路面结构。山西省虞文景、黄勇、钱恒达等人先后对重载柔性路面进行了研究；同济大学从汽车设计角度研究了重轴对路面的影响及减轻重型货车对道路的损伤。我国路面设计方法是以常规荷载为依据，加之路面材料的非线性性质，将之用于超载路面设计，从安全性而言是不能容许的。公路沥青

3、路面设计规范（JTJ01497）规定，适用轴重13吨以下，对于轴重大于13吨，规范尚未提及，使重载路面设计存在盲目性，成为导致许多路面早期破坏的主要原因之一。本文以河南焦作地区道路超载实际情况、筑路材料、路面状况及主要破坏原因为依据，对超载情况进行了实测，进行了水泥混凝土试件的大应力比疲劳试验，提出了超载、重载时水泥混凝土路面的疲劳方程。通过对重载沥青路面的非线性分析及重载车辙试验，得到了重载沥青路面的轴载换算关系，以望对我国重载路面设计能有所裨益。2轴重测试分析焦作是豫西北重镇，是晋煤外运的主要通道。省道豫06、13、14、18及国道207贯穿整个地区，形成以焦作市为中心，沟通各县乡并与国道

4、310和107相接的公路网。近年来，由于公路运输的迅速发展，许多路段超期、超载、超重现象日趋严重，特别是郑常路詹泗段，由于晋煤外运车辆严重超载和近年交通量猛增，行驶重车的南半幅路面已严重受损。为得到准确的超载资料，对郑常路詹泗段、晋博路进行了轴重实测，得到了此两条道路上车辆总数、总重、车速、轴数、轴距及单轴、双轴、三轴、四轴等多轴的实际轴重分布。以詹泗路为例，其单轴、双轴重及所占比例见图-1。我国规定的汽车限重见表1，单轴限值为10t，双轴限值为18t。由图-1实测结果可以看出，单轴超过10t的车约为24.34%，还有近1%单轴超过20t,超载近1倍，超过20t的双轴约为88.51%，超载比例

5、更大，最大双轴重超过50t，总重超过100t的车亦为数不少。超载数量及程度都远比以前研究的情况严重。这些车辆大多进行了改装，增加弹簧钢板，更换高强轮胎的现象非常普遍。我国道路车辆允许最大质量（t） 表1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16全挂44单轴610三轴24半挂42双联轴1018四轴28集装箱半挂44三联轴1221.5集装箱半挂双联轴20图-1 轴载组成图3.重载沥青路面研究3.1沥青路面材料的非线性分析我国的沥青路面结构设计计算,是以线弹性层状体系理论为模型,这种假设在常规荷载范围内是可行的,但对重载来说，显然不能适应。设计规范中也提出仅适用于轴载13吨以下，而对

6、13吨以上轴载如何处理尚未涉及。因此，我们对沥青路面材料进行了的非线性试验与分析，由试验可以看出，当半刚性材料内部拉应力大于0.5倍抗弯拉强度时，材料显示出不可忽视的非线性变形(图-2)。图-2 荷载与的关系(a-与y的关系,b-与x的关系)3.2重载对路面弯沉的影响由超载时计算结果图-3可见，在同等轴载作用下，超载方式引起弯沉的增量大于非超载方式引起的弯沉增量，轴重愈大，二者的偏离程度愈大；结构愈弱，二者的偏离程度愈大。偏离的起点一般在100KN和150KN之间，偏离量一般在6%10%之间。弯沉值增大意味着路面强度降低，势必引起路面使用性能的下降和使用寿命的缩短，超载引起轴重增长对路面结构的

7、破坏程度要大于正常车型对路面的破坏程度。因此，在车辆等效轴载换算方法的研究中，必须重视超载因素，否则得到的设计年限内的累计标准轴次将是危险的。 图-3 弯沉 图-4 层底弯拉应力3.3重载对层底弯拉应力的影响由图-4结构层底弯拉应力计算结果可见，在非超载情况下，路面结构层底弯拉应力随轴重增加呈幂函数增长形式，即其=·pn1中n1<1；在超载情况下，路面结构层底拉应力几乎呈直线增长。轴重愈大，偏离程度愈大；路面结构强度愈低，偏离程度愈大。两者偏离的起点也在100KN和150KN之间。在轴重较大，路面结构强度较低的情况下，后者引起的层底拉应力远大于前者。对非超载情况下常用的石灰土加

8、铺沥青碎石结构而言，当单轴轴重大于200KN时，重车通过一次就可能导致石灰土基层开裂破坏。3.4重载轴载换算方法3.4.1以路表弯沉值为设计指标的轴载换算方法单后轴双轮轴的主要车型，其轴载换算公式可用下式表示： (1)经推导可得： (2)指数c取0.2，可得表5。等效弯沉的轴载换算指数表 表5线 性非 线 性超 载非 超 载超 载n1nn1nn1n1.0091.0175.025.090.9100.9354.554.681.021.155.125.763.4.2 以拉应力为设计指标的轴载换算方法同法可得，单后轴双轮轴载换算公式: (3)取c=0.108，可得表6等效弯拉的轴载换算指数表 表6超

9、载非 超 载n1nn1n0.9911.0169.189.410.7820.9867.249.133.4.3 换算指数的推荐值以上分析可见，当车辆超载时，假定路面材料线弹性，则弯沉等效指数n5.0；假定路面材料非线性，则指数n5.5。当车辆非超载时，单轴重一般小于130KN，其中弯拉等效指数n4.6；当车辆超载时，弯拉等效指数n9.0；当车辆非超载时，对柔性路面n8.0。结合规范规定与以上研究，指数n可用以下分段函数表示：弯沉等效 n=4.35 P130KN n=5.0 P130KN （4）弯拉等效 n=8.0 P130KN n=9.0 P130KN 3.5重载作用下车辙特性研究本研究着重从不同

10、轮重下车辙的试验和基于车辙等效的轴载换算方法两方面对重载作用下沥青路面的车辙特性进行探讨。通过对AC16与AC20两种级配不同试件的车辙试验，轴载与动稳定度的关系为：AC16： LgDS=3.530850.00331115P轴 （5）AC20： LgDS=4.146190.00615609P轴DS与轴重的关系见图5。DS(秒/mm)图5 轴重与动稳定度间关系由图-5可以看出，车辆轴重的增加造成沥青混合料动稳定度下降。说明在应力较高的情况下，沥青混合料抵抗剪切变形、侧向流动的能力降低，塑性变形增长加快，因此在重车较多的车道上车辙量将迅速激增。4重载水泥混凝土路面研究水泥混凝土路面是高等级公路路面

11、的主要类型之一，国内不少水泥混凝土路面在重载的作用下，出现严重的早期破坏，带来不必要的经济损失。其原因一方面是由于车辆的严重超载，另一方面是由于规范设计方法中对重载考虑的不足。我们从重载对水泥混凝土路面影响及分析入手，通过大应力比混凝土弯曲疲劳实验，建立了重载水泥混凝土路面轴载换算方法。4.1重载水泥混凝土路面应力分析现行规范中轴载换算公式是在一定条件下得到的，严格讲该疲劳方程在应力比S的主要部分（常用范围）Sab内是适应的（这里为应力水平，maxr，max为施加的最大疲劳应力，r为抗折强度），经过对不同结构组合、不同板厚、不同基础模量板的应力计算分析，其两个端点Sa在0.55左右，b在0.8

12、6左右，至于在高应力水平（0.851）范围内的疲劳，由于在一般情况下较少遇到，因此对其研究也较为鲜见。这样，轴载换算公式就有其适用的轴载范围，而一概而论，难免产生较大误差。对于应力水平0.851.0在刚性路面设计中反映为：S=(p+t)/fcm=0.81.0 （6）式中：p 荷载应力（Pa）t 温度疲劳应力（Pa）fcm 混凝土弯拉强度（Pa）4.2大应力比疲劳实验方程由前述可知，刚性路面常规结构在一般荷载作用下的应力水平范围为0.200.65，但在重载超载情况下，应力水平往往超过0.85，因此，要研究重载水泥混凝土路面须首先研究应力水平0.851.00时水泥混凝土的弯曲疲劳特性，从而建立大应

13、力比疲劳方程。为进行大应力比疲劳试验,我们共制作了7批试件，每批15×15×55cm梁试件11根，15×15×15立方试件块3个，共成型梁试件77根，立方试块21个。试验分为静力试验和疲劳试验两部分。静力试验包括：（a）21个立方试块的28天抗压强度试验。（b）每批3根小梁（共21根）的抗折强度试验。加载方式为三个分点加载，两支点距离15cm，试验的龄期与该批试件进行疲劳试验的龄期相同。其试验结果见图-6。根据以上结果，可推导出重载等效轴载换算公式为: （7）式中的各系数值列于表7中，换算时纵边中点取n/b21，横边中点取n/b22。应指出，轴载换算公式

14、的指数较大，这是因为疲劳方程的b值较小，是由混凝土的疲劳特性确定的。 轴载换算公式中各参数值 表7荷 位轴 型an/b纵边中点单后轴121.3双后轴1.46×10-5Pi-0.0376720.8横边中点单后轴121.9双后轴1.24×10-4Pi-0.237421.6图6 不同应力水平下的等效疲劳寿命与失效概率回归关系图5.重载交通路面实验验证为使研究成果有效地运用到实践中，结合河南焦作地区重车多，超载严重的特点，在河南焦作詹泗路上铺筑了重载交通刚柔性路面七种组合试验路0.7km(见图-7)。k71+8505cm ZLH24cm振碾式砼15cm 5% SWS30cm 10%

15、 ST7柔 性 路 面 图-7詹泗路试验路示意图图中符号意义如下: CLH-粗粒式沥青混凝土 ZLH-中粒式沥青混凝土 ZLS-中粒式沥青碎石 CLS-粗粒式沥青碎石 SWS-水泥稳定级配碎石 ST-石灰土 RS-二灰碎石 RH-二灰土k71+9504cm ZLH+5cm CLH6cm CLS28cm5%SWS30cM10%ST6k72+0504cm ZLH8cm CLS28cm5%SWS30cM10%ST5k72+1504cm ZLH8cm CLS28cm RS30cm RH4k72+250跨径20米小桥k72+336.826cm水泥砼18cm RS30cm RH3水泥混凝土路面k72+43

16、6.820+6cm水泥砼15cm 5% SWS29cm10% ST2k72+536.826cm水泥砼15cm 5% SWS29cm10% ST1k72+636.8试验路于1995年7月开工，1996年10月完工。通过两年多的使用观察，效果良好，为不同等级重载道路路面的设计与使用积累了经验，也初步对本文研究成果进行了验证。主要参考文献1黄勇，柔性路面的弹塑性分析初探，山西交通科研所，19892交通部公路规划设计院，沥青路面设计指标与参数研究，19953.交通部公路科学研究所,半刚性基层沥青路面典型结构加速加载试验研究,“八五”国家重点科技项目(攻关)85-403-02-02(分报告-XIX)，1

17、9954澳大利亚公路学会,公路路面结构设计指南，北京中通公路桥梁工程咨询发展有限公司译,19955吴幼珍等,超载超重车辆对沥青路面使用质量及使用寿命影响初探,云南公路科技,1993年第1期6刘维生,车辆严重超载与公路建设及养护关系的探讨,湖南交通科技，Vol.19,No.2,1993.67甘雨红,浅谈超限运输公路损失补偿费的计算方法,甘肃公路,1995年第2期8. 交通部公路规划设计院、同济大学，水泥混凝土路面设计理论、方法和参数的研究，1986.109.石小平等，水泥混凝土的弯曲疲劳特征，中国土木工程学报，1990.310.周德云、姚祖康，水泥混凝土路面疲劳分析，华东公路，1992.311. 交通部公路规划设计院，我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研究，1991.412.虞文景、黄勇等，重交通路段使用状况的调查与分析，山西省交通科研所，1989.713.黄卫、陈荣生，刚性路面优化设计研究，东南大学学报，1989.214.按“疲劳等效”原理合理确定重车路段的轴载换算公式，山西公路，1993.615.石小平等，水泥混凝土路面超载系数的研究，同济大学，199316Dr.Sameh Zaghloul and Professor Thomas D.White,"Load Equivalency Factors