[碩士]重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

[碩士]重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,碩士,重載,交通,道路,路面,結(jié)構(gòu),優(yōu)化,研究 筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM摘要本文通過對重載交通道路路面結(jié)構(gòu)的破壞原因、破壞機(jī)理進(jìn)行分析，從而對重載交通路面結(jié)構(gòu)的材料組成，結(jié)構(gòu)類型以及使用性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。首先針對全國典型重載交通道路的情況，特別是對焦作地區(qū)的重載道路現(xiàn)狀以及由于重載交通引起的路面破壞現(xiàn)象、原因進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)查和較為系統(tǒng)的研究分析，并利用H D S-2 移動(dòng)式軸載儀，對現(xiàn)有道路的實(shí)際超載情況進(jìn)行了實(shí)測，在此基礎(chǔ)上對重載和瀝青路面，進(jìn)行了半剛性材料的非線性實(shí)驗(yàn)以及瀝青路面重載車轍試驗(yàn)。從而對柔性路面結(jié)構(gòu)提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及路面結(jié)構(gòu)類型。通過修筑實(shí)驗(yàn)路段，并對使用效果詳細(xì)觀察，以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的比較，取得了一定的研究成果。該研究成果對于指導(dǎo)焦作地區(qū)以及同類型的重載交通地區(qū)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。關(guān)鍵詞：重載交通、路面結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、試驗(yàn)筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COMA b s t r a c tT h i Sp a p e rw h i c ha n a l y z e st h er e a s o na n dm e c h a n i s m so fd e s t r o y e dh e a v y d u t yt r a f f i Cr o a ds u r f a c e c a r r i e so u ts y s t e m a t i cr e s e a r c ho fm a t e r i a l S，s t r u c t u r a lt y p e sa n dp e r f o r a n c ec h a r a c t e r is ti C So fi t F i r s t，a i m i n ga tt h ec o n d i t i o no ft y p i c a lh e a v y-d u t yt r a f f i Cr o a di nt h ew h 0 1 en a t i o ne s p e c i a l l yi nJ i a o z u o，i tc a r r i e so u tc a r e f u li n v e s t i g a t i O na n dr e l a t i v e l ys y s t e m a t i Cr e s e a r c hf o rt h ed e s t r o y e dr o a dc a u s e db yh e a v y d u t yt r a f f i a H D S 一2m o v a b l ea x leiSa lS Ou s e dt om a k ea ne x p e r i m e n to nt h ea c t u a lo v e r l o a d e dc o n d i t i o no fe x i s t i n gr o a d f o ra n dp i t c hr o a ds u r f a c eo fh e a v yd u t y，i tc o n d u c t Sn o n li n e a re x p e r i m e n to fh a l fr i g i dm a t e r i a la n dh e a v y d u t yr u t so fp i t c hr o a ds u r f a c e A sar e s u l t，f o rt h ef l e x i b l es t r u c t u r eo fr o a ds u r f a c e，i ta i m su pw i t hc o r r e s p o n d i n go p t i m u md e s i g nm e t h o d sa n ds t r u c t u r a lt y p e so fr o a ds u r f a c e T h r o u g hb u il d i n ge x p e r i m e n tr o a d，d e t a i l e do b s e r v a t i o no fU S i n ge f f e c ta sw e l la st h ec o m p a r i s o no ft e c h n i a l e c o n o m i Ce f f e c t，i ta c h i e v e sc e r t a i na c c o m l i s h m e n tw h i c hi ss i g n i f i c a n to fg u i d i n gs t r u c t u r a ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fh e a v y d u t yr o a di nJ i a o z u oa n do t h e ra r e a s K e yw o r d s：h e a v y d u t yt r a f f i c，s t r u c t u r eo fr o a ds u r f a c e，o p t i m u md e s l g n，e x p e r i m e n t5筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究第一章緒論1 1 重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的背景及意義河南省焦作市是豫西北重要城鎮(zhèn)，地理位置重要，交通便利，是晉煤南下和東運(yùn)的主要通道。焦作地區(qū)東西向省道豫1 3、豫0 6、豫1 4 及南北向國道2 0 7、省道豫1 8 縱橫貫穿整個(gè)地區(qū)，形成了以焦作市為中心，溝通各縣鄉(xiāng)并與國道3 1 0 和1 0 7 以及2 0 7 相接的公路網(wǎng)絡(luò)。截止1 9 9 7 年底，焦作市公路里程己達(dá)1 9 1 8 公里，其中二級公路4 4 8 5 公里，三級公路3 2 1 5 公里，四級公路1 0 3 2 O 公里，等外公路1 1 6 2 公里。公路密度為0 4 6 8 公里平方公里，機(jī)動(dòng)車保有量為2 6 5 4 5 輛。近年來，由于公路運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，許多路段“三超”(超期、超載、超負(fù)荷)現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，與山西省相通的新濟(jì)線、洛常線、鄭常線尤為嚴(yán)重。特別是鄭常線的詹泗段，由于晉煤外運(yùn)車輛嚴(yán)重超載和近年交通量猛增，行駛重車的南半幅路面已嚴(yán)重受損，根據(jù)目前的實(shí)際情況和交通調(diào)查分析可以看出，僅靠維修養(yǎng)護(hù)來保證通車，已到不采取重大工程措施難以為繼的程度。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，公路交通事業(yè)在迅猛地發(fā)展，新、改建公路工程項(xiàng)目在數(shù)量上比起以往任何時(shí)候都有了大幅度的增加，但是，由于焦作地區(qū)獨(dú)特的地理位置(過量的超載交通)以及設(shè)計(jì)、施工方面的種種原因，使得投入巨額資金的公路往往達(dá)不到使用年限就過早地?fù)p壞，前修后壞的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的資金浪費(fèi)。路面基層是道路的主要承重層，基層的好壞對公路的使用壽命有著重大的影響，因此有必要通過對各種類型的基層進(jìn)行深入的研究，確定一個(gè)確實(shí)符合焦作地區(qū)實(shí)際的最佳結(jié)構(gòu)組合并摸索出一整套成熟的施工方法、施工工藝，以指導(dǎo)以后的設(shè)計(jì)、施工。1 2 國內(nèi)外關(guān)于重載交通的研究概況汽車超載是不少國家特別是發(fā)展中國家中普遍存在的問題，我國不少省市道路上此類現(xiàn)象亦相當(dāng)嚴(yán)重，致使許多路面發(fā)生嚴(yán)重的早期破壞，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。多年來，重載問題一直是國內(nèi)外道路研究者研究的重點(diǎn)之一。W a l t e r P K i l a r e k i 曾經(jīng)對重車的影響及超載限值進(jìn)行了研究；奧地利維也納技術(shù)大學(xué)H K n o f l a c h e r 研究了卡車超載對道路養(yǎng)護(hù)造價(jià)的影響：美國聯(lián)邦公路局凱萊赫與勞而森對重載交通下設(shè)有傳力桿的水泥混凝土路面進(jìn)行了研究；在結(jié)構(gòu)研究方面，美國，法國，巴西，澳大利亞等國采用貧水泥混凝土作為重載剛性路面的基層，比利時(shí)提出了用于重載交通的復(fù)合式混凝土路面結(jié)構(gòu)，山西省虞文景，黃勇，錢恒達(dá)等人先后對重載柔性路面進(jìn)行了研究；同濟(jì)大學(xué)在中國汽車工業(yè)總公司及重型汽車工業(yè)總公司的支持下，從汽車設(shè)計(jì)角度研究了重軸對路面的影響及減輕重型貨車對道路的損傷。以上研究為重載路面研究奠定了基礎(chǔ)，但從機(jī)理上揭示重載對剛性路面的破壞機(jī)理，系統(tǒng)提出重載路面設(shè)計(jì)方法均顯不足。筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究我國現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)方法均是以常規(guī)荷載為依據(jù)，加之路面材料的非線性性質(zhì)，將之用于超載路面設(shè)計(jì)，從工程結(jié)構(gòu)的安全性而苦是不能容許的。對此我國公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(J T J O l 4 9 7)明確規(guī)定，僅適用軸重13 噸以下，對于軸重大于13 噸，現(xiàn)行規(guī)范尚未提及，使工程設(shè)計(jì)存在盲目性，成為導(dǎo)致許多路面早j 田破壞的主要原因之一。本課題針對這種亟待解決的問題，以河南焦作地區(qū)道路超載實(shí)際情況及自然地理特征為依據(jù)對焦作地區(qū)筑路材料路用性能、路面狀況及主要破壞原因進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，利用軸重儀對超載的具體情況進(jìn)行了實(shí)測，得到了可靠的超載數(shù)據(jù)；結(jié)合對重載瀝青路面的非線性分析及重載車轍試驗(yàn)，得到了重載瀝青路面的軸載換算關(guān)系，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合以上研究對瀝青路面進(jìn)行了優(yōu)化研究，對以上研究成果通過修筑實(shí)驗(yàn)路進(jìn)行了驗(yàn)證，以望對我國重載路面設(shè)計(jì)能有所裨益。1 3 本文的主要研究內(nèi)容本課題對全國典型重載道路的情況及國外研究狀況進(jìn)行的調(diào)研，并對焦作地區(qū)的交通狀況，特別是超載情況進(jìn)行了詳細(xì)認(rèn)真的調(diào)查，對道路現(xiàn)狀及重載引起的破壞現(xiàn)象原因進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，利用高密度l I D S 一2 移動(dòng)式軸重儀，對現(xiàn)有道路的實(shí)際超載情況進(jìn)行了實(shí)測。在此基礎(chǔ)上對重載瀝青路，進(jìn)行了水泥混凝土大應(yīng)力比疲勞試驗(yàn)、半剛性材料的非線性實(shí)驗(yàn)以及瀝青路面重載車轍的試驗(yàn)。通過對焦作地區(qū)交通現(xiàn)狀的調(diào)查分析和重載交通路面破壞機(jī)理的研究，采用定額編列和成果推出的路面基層結(jié)構(gòu)類型，因地制宜選擇幾種性能好的基層結(jié)構(gòu)，即石灰土類，二灰土類、碎礫石類，按國家規(guī)范、規(guī)程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)，室外試槽測試，按柔性路面設(shè)計(jì)原理進(jìn)行優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，然后通過試驗(yàn)路面鋪筑進(jìn)行綜合測試研究，推薦最佳施工方法、機(jī)械組合，為我區(qū)推出在不同地基模量情況下，路面基層最佳結(jié)構(gòu)方案，適應(yīng)晉煤外運(yùn)大交通量、大載重、嚴(yán)重超載汽車交通運(yùn)輸?shù)男枰?。筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究第二章重載交通路面破壞機(jī)理的研究2 1 交通調(diào)查分析鄭常線是焦作地區(qū)晉煤外運(yùn)最繁忙的一條路線，交通量大，超載現(xiàn)象嚴(yán)重，現(xiàn)有鄭常公路詹泗段上設(shè)有北賈橋連續(xù)式交通量觀測站，歷年的交通量觀測結(jié)果見表2 1。表2 1北賈橋觀測站歷年交通量數(shù)據(jù)年份1 9 9 01 9 9 l1 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 6汽車絕對輛2 4 0 23 9 3 15 3 6 45 9 7 17 7 5 19 3 1 39 9 7 2汽車折算輛2 6 0 64 1 6 75 5 0 65 6 8 57 2 5 78 7 8 88 9 0 1混合折算輛3 0 9 24 9 1 56 2 5 66 4 6 08 2 4 39 6 8 39 5 3 9注：詹泗路在8 8 9 1 年改建，9 0 年、9 1 年為半幅施工半幅通車，交通盈數(shù)據(jù)僅供參考。從表中數(shù)據(jù)可見，鄭常公路詹店至泗溝段汽車交通量增長十分迅速，1 9 9 2年1 9 9 6 年年均增長率高達(dá)1 6 8。據(jù)1 9 9 5 年、1 9 9 6 年部分觀測資料表明，晝夜汽車交通量高達(dá)一萬輛以上的觀測日已不鮮見。為了更準(zhǔn)確地掌握鄭常線的交通狀況，1 9 9 5 年5 月河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院和焦作市交通局共同組織了焦作地區(qū)機(jī)動(dòng)車”O(jiān) D”調(diào)查，其結(jié)果見表2 2。表2 2鄭常公路4 0 D”調(diào)查點(diǎn)交通量數(shù)據(jù)調(diào)查車型年均日點(diǎn)觀測量交通量小貨中貨大貨拖掛小客大客絕對5 8 11 5 4 43 2 53 3 0 52 1 0 75 6 28 4 2 48 7 3 21 點(diǎn)折算5 8 l1 5 4 43 2 54 9 5 81 0 5 45 6 29 0 2 49 3 5 4絕對4 4 81 7 1 61 4 33 3 0 54 0 9 65 2 61 0 2 3 41 0 6 0 83 點(diǎn)折算4 4 81 7 1 61 4 34 9 5 82 0 4 85 2 69 3 5 89 7 0 0 絕對，5 2 79 5 54 2 33 3 9 52 1 5 55 0 17 9 5 68 2 4 76 點(diǎn)折算5 2 79 5 54 2 35 0 9 31 0 7 75 0 l8 5 7 68 8 8 9筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究1 9 9 5 年“O D”調(diào)查數(shù)據(jù)表明，北賈橋觀測站晝夜交通量汽車絕對數(shù)為1 0 2 3 3 輛。通過加權(quán)平均求得鄭常線相應(yīng)路段日交通量為9 0 7 2 輛中型標(biāo)準(zhǔn)車曰，換算成年平均日交通量為9 4 0 3 輛中型標(biāo)準(zhǔn)車日。2 1 1 交通特性分析1 實(shí)載率統(tǒng)計(jì)為了更準(zhǔn)確地了解詹泗路車輛實(shí)載率，組織人員對該路的載貨情況進(jìn)行了“O D”調(diào)查。調(diào)查結(jié)果見表2-3。表2-3實(shí)載率表車型小貨中貨大貨拖掛貨車平均詹泗路南半幅O 8 4O 7 8O 9 72 2 2l _ 9 5詹泗路北半幅O 5 20 3 50 2 0O 1 3O 1 8整個(gè)通道O 6 10 5 9O 6 51 0 50 9從整個(gè)通道實(shí)載率分析結(jié)果來看，通道內(nèi)運(yùn)輸十分繁忙，貨車平均實(shí)載率高達(dá)O 9，這主要是因?yàn)樨涇噰?yán)重超載而導(dǎo)致的。特別是拖掛車，平均實(shí)載率高達(dá)1 0 5。據(jù)實(shí)地調(diào)查，許多拖掛車實(shí)際載重超過額定噸位1 2 倍，由此可見通道內(nèi)運(yùn)輸量之大，車輛超載十分嚴(yán)重。從詹泗路南北半幅實(shí)載率分析結(jié)果可以看出，兩半幅貨車實(shí)載情況相差較大，南北半幅貨車平均實(shí)載率分別為1 9 5 和0 1 8，而拖掛車尤為明顯，實(shí)載率分別為2 2 2 和0 1 3。因此，在路面設(shè)計(jì)過程中，對南北半幅的結(jié)構(gòu)可分別設(shè)計(jì)。2 車型組成在“0 D”調(diào)查時(shí)，為了能夠充分了解各種車型的組成情況，對詹泗的交通分為南半幅與北半幅進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，見表2-4。表2 4車型比例表()貨車平客車平車型小貨中貨大貨拖掛小客大客均均詹泗路南半幅7 8 l1 2 5 56 4 65 2 0 78 4 1 59 4 76 3 81 5 8 5詹泗路北半幅8 2 01 3 3 16 1 45 2 7 48 3 4 61 0 4 96 0 51 6 5 4整個(gè)通道1 28 61 7 9 96 2 43 2 6 07 44 21 7 5 68 0 22 5 5 8筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究從整個(gè)通道內(nèi)車型比例來看，拖掛車比例最高，為3 2 6 0，客貨車比例分別為2 5 5 8 和7 4 4 2。而詹泗路貨車比例則為8 3 以上，尤其是拖掛車，竟高達(dá)5 2，這一數(shù)據(jù)充分說明了鄭常線是條大交通量的重載運(yùn)輸干線。2 1 2 詹泗路軸載測試1。測試布置測試地點(diǎn)：詹泗路南半幅重車道，涵洞寬1 5 m，涵洞底面到路表距離為0 8 m。測試時(shí)間：1 9 9 6 年1 1 月2 91 31 8 時(shí)1 9 9 6 年1 2 月1 日1 8 時(shí)。2 軸型統(tǒng)計(jì)僅有交通量是不能說明道路運(yùn)輸情況，需要進(jìn)一步將車輛軸型情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，從而了解道路的貨物運(yùn)輸情況，調(diào)查結(jié)果見表2 5。表2 5詹泗路車型比例表車型二軸車三軸車四軸車五軸車總計(jì)L-I：；例()3 9 6 85 4 34 7 7 77 1 21 0 0注：測試時(shí)間為4 8 小時(shí)，南半幅重車逆。從上表可見，詹泗路拖掛車(四軸車和五軸車)占機(jī)動(dòng)車總量的比例高達(dá)5 4 8 9，與1 9 9 5 年”O(jiān) D”調(diào)查所得的5 2 0 7 十分接近，說明調(diào)查結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。另外，拖掛率的多少反映了條道路上貨物運(yùn)輸?shù)姆泵Τ潭?，詹泗路上大? 0 的拖掛率表明了它是一條運(yùn)煤車輛十分集中的重載道路。3 車重分布統(tǒng)計(jì)詹泗路是一條晉煤外運(yùn)的主要通道，車輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重，為了更準(zhǔn)確地了解超載的具體情況，進(jìn)行了實(shí)地測試，測試結(jié)果如下圖：2 82 42 01 61 2840 1 11 88 7一-yl，。，70 7_一。0-55-1 01 0-2 02 0-3 03 0 4 04 0 5 0 5 0(a 車重分布統(tǒng)計(jì)筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究5 55 04 54 03 53 02 52 01 51 0502 22 01 81 61 41 21 08642O4 84 03 22 41 6801 7 8 71 78l一1 28 5_a m一一_”_-_”=_“、0-55 1 01 0 1 51 5 2 02 0 2 52 5-3 0 3 0(b)二軸車車重分布統(tǒng)計(jì)1 71 317m1 51 3I j6 l1 1 5 2，y O_m，石D_一一i型，口，_i1 一_ _ _ 10 55 1 01 0 一1 51 5 2 02 0 2 52 5 3 03 0 3 53 5-4 0 4 0(c)三軸車車重分布統(tǒng)計(jì)Rn 62 6 If1 6 0 81 0 0 9；一翟筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究4 03 53 02 52 01 51 0501 92 0 41 4I4 8I4 4_1 8 7 24o一一0 8 82。7 2IIIo5 4筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究圖2-2 詹泗路軸重分布統(tǒng)計(jì)我國規(guī)定的汽車限重見表2 6。單軸限值為1 0 t，雙軸限值為1 8 t。由圖2 2 實(shí)測結(jié)果可以看出，單軸超過1 0 t 的車超過2 4 3 4，還有近1 單軸超過2 0 t，超載近l 倍，超過2 0 t 的雙軸約為8 8 5 1，超載比例更大，最大雙軸重超過5 0 t。超載的數(shù)量及程度都遠(yuǎn)比以前超載研究的情況要大，實(shí)際調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，這些超載車輛大多進(jìn)行了改裝，增加彈簧鋼板、更換高強(qiáng)輪胎的現(xiàn)象非常普遍。表2-6我國道路車輛允許最大質(zhì)量(t)總質(zhì)量軸載質(zhì)量汽車汽車列車每側(cè)單輪胎每側(cè)雙輪胎雙軸1 6全掛4 4單軸61 0三軸2 4半掛4 2雙聯(lián)軸1 01 8四軸2 8集裝箱半掛4 4三聯(lián)軸1 22 1 5集裝箱半掛雙聯(lián)軸2 05 典型車輛車重及軸重分布統(tǒng)計(jì)根據(jù)實(shí)地調(diào)查，在焦作干線公路上行駛的運(yùn)煤車輛主要有以下型號：中型二軸貨車或四軸拖掛：東風(fēng)E Q l 4 0、新解放大型二軸貨車或四軸拖掛：黃河J N l l 7 5、羅曼大型三軸貨車或五軸拖掛：斯泰爾、卡瑪斯、拉巴、紅巖其主車、掛車標(biāo)準(zhǔn)裝載量見下表。表2-7焦作地區(qū)常見典型車輛代表車主車掛車型東風(fēng)新黃河紅巖單軸單輪單軸雙輪額定載51 01 856 1 0重(t)自重(t)4 581 223 5后軸重6 9 31 1 42 X 1 1 9n)車貨9 51 83 079 1 5總重(t)以下給出各車型車重及軸重分布統(tǒng)計(jì)圖(三軸及五軸車與圖2 1、圖2 2 統(tǒng)筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究計(jì)結(jié)果近似，故略去)。3 53 02 52 01 51 0501 c-二_-i i墮l-99 8l 一1 U I90 11 1 E|m 一一一|_。，_一一一二_。二筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究d 03 53 02 52 01 51 050d 03 53 02 52 01 51 0502 921 95 11 93 2，R，一5 1 2蘭_-_I_ 二生-11 47 2_ 二筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重塑鑾望堂墮豎亙魚塑垡些叢塞4 41 32 432 01 5_49 452 4_2 U1)_)l q45 411 _1 _5 6 6i 8 81 8 5 2|巾L 一一一一一一|2 0 4 82 I。0 48 8 515 3 81 9 4 27 3 6斯泰爾7 8 61 4 4 815 3 81 8 91 9 38 l _ 8拉巴，9 4 41 6 5 61 7 6 47 I3 1 7解放3 21 3 47 15 7 62 9 9東風(fēng)5 31 2 55 7 61 2 55 3 5新黃河8 11 9 11 2 5筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究表2 8 中的超載車資料多為1 9 9 7 年3 月后的記錄數(shù)據(jù)，9 6 年1 l 胃后焦作地區(qū)對運(yùn)煤車輛進(jìn)行限載。武陟監(jiān)測站曾記錄過超過百噸的斯泰爾型五軸拖掛。從上述資料可以確定，H D S I I 型涵式自動(dòng)軸重儀記錄的數(shù)據(jù)是十分可信的。通過對H D S I I 型涵式自動(dòng)軸重儀記錄的數(shù)據(jù)分析，可以獲得比較準(zhǔn)確的重載道路(詹泗路)上的車型比例及軸載分布，為重載道路設(shè)計(jì)方法的研究提供了可靠依據(jù)。在焦作地區(qū)重載道路上超限的軸數(shù)數(shù)量巨大。詹泅路上單軸軸重 1 0 t 的軸數(shù)占單軸總數(shù)的2 4 3 4，雙軸軸重 2 0 t 的軸數(shù)占雙軸總數(shù)的8 8 5 1：其中單軸最大軸重超過2 5 t，雙軸最大軸重超過5 0 t。2 2 重載交通路面破壞原因的分析1 路面狀況調(diào)查詹泗路全稱為鄭州至常平公路詹店至泗溝段，它是焦作地區(qū)乃至全省北上山西的主要干線公路之一，晉煤南運(yùn)的車輛8 0 以上要經(jīng)過這里。該路總長度為5 5 K M，路面結(jié)構(gòu)為：2 2 c m 水泥混凝土面板+2 0 c m 3 水泥、1 0 石灰穩(wěn)定土，或2 2 c m 水泥混凝土面板+2 5 c m 泥灰結(jié)碎石，土質(zhì)類型主要為粉性土及砂性土，部分路段為潮濕軟土。詹泗路始建于1 9 8 8 年，1 9 9 0 年底建成竣工通車，自1 9 9 1 年開始，就出現(xiàn)了不同程度的病害，目前已達(dá)到了相當(dāng)嚴(yán)重的地步，部分路段面板損壞率已達(dá)6 0 以上，已經(jīng)嚴(yán)重影響了道路的正常通行(詳見表2 9 表2 一“)。水泥混凝土路面損壞狀況調(diào)查匯總表2-9路線名稱：詹泗路調(diào)查面積：9 0 0 0 M。1 9 9 5 年5 月K 6 9+7 0 0 K 7 0+7 0 0病害名稱單位合計(jì)損壞率1234沉陷M 23 6 02 2 55 5 04 8 01 6 l51 7 9 4破碎M 2板角斷裂M 21 8 01 2 03 2 03 6 09 8 01 0 8 9裂橫向M 24 5 02 2 59 0 08 7 7 52 4 5 2 52 7 2 5縫縱向M 2I3 51 1 2 52 7 01 8 06 9 7，57 7 5合計(jì)M 25 7 4 56 3 8 3注：1 表中所統(tǒng)計(jì)裂縫為中等程度以上。2，表中1、2 欄分別代表進(jìn)山西方向內(nèi)、外車道，3、4 欄分別代表出山西方向內(nèi)、外車道。3 表中接縫損壞是按道來計(jì)算的，來統(tǒng)計(jì)在總的合計(jì)中。以下各表同。筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究水泥混凝土路面損壞狀況調(diào)查匯總表2 1 0路線名稱：詹泗路調(diào)查面積：9 0 0 0 M 219 9 5 年5 月K 8 1+1 0 0 K 8 2+10 0病害名稱單位合計(jì)損壞率1234沉陷M 21 8 02 2 54 0 54 5破碎M 22 9 2 53 3 7 57 2 06 7 52 0 2 52 2 5板角斷裂M 21 1 2 5l8 02 7 02 2 57 8 7 58 7 5裂橫向M 24 5 03 8 2 59 0 07 8 7 52 5 2 02 8縫縱向M 2合計(jì)5 6 9 2 56 3 7 5水泥混凝土路面損壞狀況調(diào)查匯總表2 1 1路線名稱：詹泗路調(diào)查面積：9 0 0 0 M219 9 5 年5 月K 8 9+7 0 0 K 9 0+7 0 0病害名稱單位合計(jì)損壞率1234沉陷M 2l5 7 51 1 2 52 7 03破碎M 21 6 2 51 4 05 1 7 54 5 01 2 7 01 4 1 1板角斷裂M 29 01 1 2 52 4 7 52 0 2 56 5 2 57 2 5裂橫向M 24 0 53 3 7 57 6 56 7 52 1 8 2 52 4 2 5縫縱向M 2合計(jì)4 3 7 54 8 6 12 破壞原因分析從表中我們可以看出，本路段的路面破壞主要是由于承載能力不足而造成的結(jié)構(gòu)性破壞，其原因有以下幾個(gè)方面：A 設(shè)計(jì)方面原因a 對未來交通量的估計(jì)嚴(yán)重不足詹泗路1 9 8 8 年開始修建時(shí)，年綜合交通量僅為2 0 0 0 輛日，折算成B Z Z l 0 0標(biāo)準(zhǔn)軸載約3 0 0 輛日，但通車當(dāng)年(1 9 9 1 年)，年綜合交通量即達(dá)到4 1 6 7 輛筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究日，折算成B Z Z l 0 0 標(biāo)準(zhǔn)軸載約6 5 0 輛日，至1 9 9 5 年，年綜合交通量更達(dá)到l0 0 0 0 輛日，折算成B Z Z l O O 標(biāo)準(zhǔn)軸載未計(jì)超載已達(dá)約1 6 0 0 輛日；這種驚人的增長是設(shè)計(jì)中所沒有預(yù)料到的，其直接結(jié)果是造成驗(yàn)算的路面結(jié)構(gòu)明顯偏薄，致使路面先天不足，降低了路面使用的安全性，耐久性。b 路面結(jié)構(gòu)組合選用不當(dāng)詹泗路為水泥混凝土路面，基層多采用石灰穩(wěn)定土，部分路段采用的是水泥、石灰綜合穩(wěn)定土，水泥含量僅為3，這種類型的基層水穩(wěn)性較差，在車輛荷載和自由水的作用下，面板下基層材料易產(chǎn)生搬遷、堆積，造成唧泥，使混凝土面板下脫空，處于類似簡支板的受力狀態(tài)，很快引發(fā)面板斷裂、破壞。B 汽車超載因素當(dāng)前，公路運(yùn)輸由于片面強(qiáng)調(diào)運(yùn)輸行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及缺乏有效的管理，致使運(yùn)煤車輛普遍超載，有些車輛甚至超載達(dá)1 0 0 以上，據(jù)實(shí)際稱重表明，有些車輛(如康巴斯、羅曼等)的中、后軸軸重達(dá)2 5 噸以上，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范允許值(軸重13 噸)的上限，現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范的路面設(shè)計(jì)并不考慮汽車的超載因素，從而使重車行駛路段的路面設(shè)計(jì)缺乏必要的安全保證，路面超負(fù)荷破壞嚴(yán)重。C 施工方面的因素路面的修建質(zhì)量除合理的設(shè)計(jì)外，嚴(yán)格的施工也是一個(gè)必不可少的條件。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有些施工單位的竣工文件編制與實(shí)際工程情況不相符合，有些缺乏系統(tǒng)的原始資料，這樣不僅工程質(zhì)量難以保證，也給總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)帶來了困難。據(jù)部分路段的開挖發(fā)現(xiàn)，有些路段存在有嚴(yán)重的施工質(zhì)量問題，基層松散，毫無板體性，基層和面層厚度也達(dá)不到設(shè)計(jì)值，有些地方基層總厚度僅為設(shè)計(jì)厚度的6 5，面層厚度僅為設(shè)計(jì)厚度的8 0，這必然大大降低路面的承載能力，造成路面早期破壞。2 3重載交通路面破壞機(jī)理的研究2 3 1重載交通柔性路面破壞機(jī)理的研究焦作地區(qū)早期瀝青路面結(jié)構(gòu)多為3 0 a m 的石灰土基層加鋪5 5 c m 瀝青碎石面層，路面強(qiáng)度較低。在大交通量和超載車輛作用下，路面早期破壞極為嚴(yán)重，出現(xiàn)了十分顯著的沉陷、坑槽、網(wǎng)裂和龜裂現(xiàn)象。路面不得不進(jìn)行經(jīng)常性的修補(bǔ)或重建。這種路面結(jié)構(gòu)顯然適應(yīng)不了重載道路的要求，因此有必要首先對重載破壞機(jī)理進(jìn)行研究，以擬定新的承載力較強(qiáng)的路面結(jié)構(gòu)。1、軸載與輪壓、輪胎接地面積的關(guān)系由H D S I I 涵式自動(dòng)軸重儀采集的軸重?cái)?shù)據(jù)可知，焦作地區(qū)軸載分布范圍很大，單軸軸重從2 0 K N 到接近3 0 0 K N，很多軸重遠(yuǎn)大于規(guī)定的軸重上限。車輛軸重的提高，并非是使用了特殊的大型運(yùn)輸車輛，而是因?yàn)槠胀ㄝd貸汽車盲目改造車身、使用高強(qiáng)輪胎導(dǎo)致過量超載的緣故。這種不合理的荷載分配對路筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究面產(chǎn)生很不利的影響。因此，在分析軸重與路面內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系之前，必須詳細(xì)探討軸重與輪壓和輪胎接地而積的關(guān)系。我國研究人員通常采用軸重提高，輪胎接地面積增加而假定輪壓不變的分析方法來進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力研究。這種方法與焦作地區(qū)重載道路上載重車輛的實(shí)際狀況是不相符合的。由表2-12 可以看出，超載車輛通過使用高強(qiáng)輪胎和加大胎內(nèi)壓強(qiáng)重的增加不致影響車輛的正常行駛。因此在分析中，引入比利時(shí)設(shè)計(jì)方法中的輪載與輪壓、輪胎接地面積關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。車型單軸重(t)輪壓(M P a l輪胎規(guī)格輪胎層級拉巴1 8 50 91 3 0 0 2 02 0黃河1 1 7 51 60 8 612 0 0 2 0l8紅巖1 90 9 I14 0 0 2 02 0注：若為雙后軸車輛，單軸重指其中一個(gè)軸軸重。該法標(biāo)準(zhǔn)軸載為8 0 K N，即標(biāo)準(zhǔn)輪載為2 0 K N，但他仍考慮了輪載的接地面積隨輪胎性質(zhì)和路面狀況而異。高壓胎與路面接觸面積小，能承擔(dān)大的荷載，低壓胎與路面接觸面積大，故牽引力大，而且還受路面狀況和沖擊力的影響，所以該方法不像其它設(shè)計(jì)法那樣假定輪載增大時(shí)輪壓基本不變，而是根據(jù)路上的實(shí)際調(diào)查得出以下統(tǒng)計(jì)公式：對主要道路：A=(0 0 0 8 P 十1 5 2)土7 0對次要道路：A=(0 0 0 9 P 十1 3 2)士9 0式中：A 一一輪胎接地面積(C M 2)；(2 1)(2 2)P 一一每一個(gè)輪胎的荷載(N)。士7 0 和土9 0 為保證率達(dá)到9 5 的離差范圍。在此公式基礎(chǔ)上，再假定輪載P 均勻分布在相當(dāng)該接觸面積的圓面積上，圓半徑為r，并求得接地壓力p。p 尸=；=導(dǎo)根據(jù)我國道路的實(shí)際情況。采用如下形式A=0 0 0 8 P 十1 5 2其計(jì)算結(jié)果見表(2-1 3)表2 1 3軸重與輪壓、輪胎接地面積關(guān)系(2-3)軸重(K N)6 01 0 01 2 01 6 02 0 02 2 02 6 03 0 0接地面積2 7 23 5 23 9 24 7 25 5 25 9 26 7 27 5 2(C M)半徑9 3 0 51 05 8 51 1 1 7 012 2 5 7132 5 5l3 7 2 71 46 2 5154 7 2(c m)輪壓0 5 5 IO 7 1 00 7 6 508 4 709 0 60 9 2 90，9 6 70 9 9 7(M p a)筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究由表2 13 可見，式(2 3)比較適合我國道路交通的具體情況，也反映了隨著軸重增加，輪壓和輪胎接地面積變化的正確規(guī)律。因而在以后一的分析中，采用式(2 3)作為研究的基本模型。2、路面結(jié)構(gòu)材料的非線性分析在低應(yīng)力水平下，將路面材料視為線彈性的假定是正確的。我國的路面設(shè)計(jì)規(guī)范正是以此為基礎(chǔ)，對路面進(jìn)行力學(xué)分析。但是當(dāng)軸重很大，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力水平比較高時(shí)，這個(gè)假定是否還準(zhǔn)確，值得我們進(jìn)一步研究和分析。A、半剛性材料劈裂試驗(yàn)研究劈裂試驗(yàn)是能夠比較真實(shí)地反映路面材科受力特性的試驗(yàn)方法，劈裂試件的受力狀況與路面材料的實(shí)際受力狀況比較接近。因此，用劈裂試驗(yàn)來研究材料的非線性特性是十分合適的。本試驗(yàn)采用養(yǎng)生9 0 d 的水泥穩(wěn)定級配碎石進(jìn)行上述研究。a 原材料性質(zhì)試驗(yàn)材料為水泥穩(wěn)定級配碎石。摻配比例為水泥：碎石=5：9 5。水泥采用4 2 5#水泥，碎石級配見表2 1 4 所示。表2“水泥穩(wěn)定級配碎石礦料級配組成篩孔尺寸2 52 01 052O 50 0 7 5(r a m)通過百分率1 0 08 9 8 85 6 3 64 0 7 73 6 3 91 8 2 33 7 5()O 0 7 5 一O 粒徑(m m)2 0 2 51 0-2 05 1 02 50 5 2兀d H0 5 S 時(shí)，半剛材料出現(xiàn)了不可忽視的非線性變形。oMo,4P(a)外加荷載與e，的關(guān)系(b)外加荷載與s，的關(guān)系圖2 4 外加荷載與e，的關(guān)系B、路面材料非線性回彈變形分析大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，路面材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本符合冪硬化規(guī)律鋤伸恤懈恤悃o一暑山一蘭暮一8函一薹壬囂筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究上式中的6 和e 分別為材料所受的廣義應(yīng)力及產(chǎn)生的廣義應(yīng)變。s：擊瓜i 污可i 兩盯瓣=擊瓜I 萬五五雨石習(xí)麗廁甭(2 4)s=粵酊i 再可可而。2 季 壓百i 百i i 網(wǎng)i沼s，在應(yīng)力較小的情況下，5 和e 關(guān)系十分接近于線性關(guān)系，在應(yīng)力較高的情況下6 和e 則表現(xiàn)出非線性關(guān)系。文獻(xiàn)(9)給出了通過承載板試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)得出的A、m 值，見表2 1 5、2 1 6 所示：表2 一1 5路面材料承載板試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變回歸結(jié)果回歸系數(shù)相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)材料A(1 0。4)R瀝青混合料l O 7 5 8 7】0 8 5 80 9 9 9 2極高度碎石灰土5 0 3 8 51 0 2 9 l0 9 9 9 9極高度二灰碎石4 7 3 2 81 0 5 4 30 9 9 8 8極高度二灰砂礫3 6 1 6 61 0 0 2 60 9 9 4 0極高度水泥砂礫1 4 6 0 60 9 9 6 80 9 9 9 8極高度路基土1 2 8 5 0 01 3 2 8 00 9 9 8 8極高度表2 1 6路面材料三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變回歸結(jié)果側(cè)壓力回歸系數(shù)相關(guān)系數(shù)顯著性檢材料(M p a)A(1 0。4)mR驗(yàn)瀝青混合料O 21 3 7 6 01 0 6 70。9 9 9 2極高度二灰砂礫0 2l3 3 2 61 0 3 80 9 9 7 6極高度路基土O 21 2 7 7 21 0 7 10 9 9 9 9極高度C 應(yīng)力與應(yīng)變的非線性分析如何解決非線性的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系，有許多種方法，但最為簡便的就是將應(yīng)力、應(yīng)變的非線性關(guān)系反映到模量的變化上來，即將回彈模量表示筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究為應(yīng)力或應(yīng)變的函數(shù)。E=E(6)或E=E()一(2-6)對于材料的豎向回彈變形，有下式成立：。=A。術(shù)6。經(jīng)轉(zhuǎn)換可得魯=扣“即：-昱：三61 一4(2 7)試驗(yàn)結(jié)果證明，在應(yīng)力水平比較低的情況下，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性的，即材料的模量是一個(gè)定值；當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，發(fā)生非線性變形，材料模量值發(fā)生變化。因此式(2-7)不能很好地反映路面材料的變形特性?？紤]到劈裂試驗(yàn)的結(jié)論，當(dāng)路面材料內(nèi)橫向拉應(yīng)力6。(或6，)大于材料劈裂強(qiáng)度的5 0，材料的非線性因素不可忽略。水泥穩(wěn)定材料疲勞特性的研究成果”也表明，如果材料所受的拉應(yīng)力(6，)約為破壞強(qiáng)度(S)的5 0 時(shí)，水泥穩(wěn)定材料層底面將產(chǎn)生微小裂縫，表現(xiàn)出明顯的非線性性質(zhì)。因此，取6，=0 5 s 為路面材料受力變形線性與非線性的分界點(diǎn)是合適的。故式(2-7)可變換為如下形式：E=E o弘去s 8 0 5 S6 0 5 S(2 8)鑒于本文需對重載下彎沉進(jìn)行詳細(xì)分析，以便求得基于彎沉等效的換算指數(shù)，因此僅對回彈彎沉進(jìn)行非線性分析。3 重載作用對路表彎沉的影響在研究路表回彈彎沉?xí)r，考慮非線性問題的近似方法是：路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布用彈性理論計(jì)算，并假定模量不變，而確定結(jié)構(gòu)中的變形時(shí)，則考慮材料的非線性因素，認(rèn)為模量隨應(yīng)力的變化而變化。在確定計(jì)算圖式時(shí)，分兩種情況考慮。(1)車輛軸重因超載而增加，。單軸軸重可以超過13 0 K N，引起輪壓增加，輪胎接地面積增大，輪隙減小(見圖2 5(a)；(2)車輛軸重隨車型變化而增加，單軸軸重一般不超過1 3 0 K N，輪隙保持相應(yīng)比例(見圖2 5(b)。筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究rj 托牡=(a)超載情況-l=(b)非超載情況圖2 5 荷載彎沉圖f z本節(jié)擬定如下幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行重載作用對路表彎沉影響的研究。瀝青混凝土1 2 c m水泥穩(wěn)定碎石2 8 c m二灰土3 0 c m瀝青混凝土6 c m水泥穩(wěn)定碎石2 5 c m土基瀝青碎石5 5 c m石灰土3 0 c m一一土基結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)3圖2 6 路面結(jié)構(gòu)圖l I k筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究所采用材料參數(shù)值見表2 17材料抗壓模量(M p a)彎拉模量(M p a)彎拉強(qiáng)度S(M p a)瀝青混凝土1 2 0 01 6 0 02 6水泥穩(wěn)定碎石6 0 02 8 0 0I 0瀝青碎石8 0 0二灰土4 0 01 2 0 00 6石灰土4 0 01 2 0 00 5土基3 0A 超載對路表彎沉的影響圖2-5 是根據(jù)彈性層狀體系理論，綜合考慮式(2-3)和式(2-7)計(jì)算得來的，計(jì)算圖式取圖2-2(a)，計(jì)算點(diǎn)位置取在雙輪輪隙。m(州)(a)結(jié)構(gòu)1L c 岫f 刪】(b)結(jié)構(gòu)2U m，m 1(c)結(jié)構(gòu)3圖2 7 荷載與彎沉關(guān)系圖2la-zQ|：茁一-OzQ妊1j幣E筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究由圖2 7 可見，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)材料視為完全線彈性時(shí)，根據(jù)彈性層狀體系理論可以得出以下結(jié)論，隨著軸重的增加，路面回彈彎沉也線性增加j 即有下式成立：麗P i=魯(2 9)H】加、7當(dāng)路面結(jié)構(gòu)材料在一定應(yīng)力條件下，呈現(xiàn)非線性性質(zhì)時(shí)，隨著軸重的增加，路表回彈彎沉呈非線性增加，與根據(jù)線性關(guān)系得到直線逐漸偏離。偏離程度與路面的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，結(jié)構(gòu)愈強(qiáng)，偏離程度愈低，非線性性質(zhì)不顯著，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很高的結(jié)構(gòu)1，甚至接近線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)愈弱，偏離程度愈大，非線性性質(zhì)比較顯著。除結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯偏弱的結(jié)構(gòu)3 外，偏離起點(diǎn)一般在1 0 0 K N 和1 5 0 K N之間。非線性關(guān)系可由下式表示：1=aP。(2-10)式中：1 一一理論彎沉值(c m)；P 一一軸重(K N)；a，n i 一回歸系數(shù)。圖2 7 中各結(jié)構(gòu)的回歸系數(shù)見表2 一1 0結(jié)構(gòu)系數(shù)結(jié)構(gòu)I結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)3、a(1 0 4)5 5 1 1 0 16 0 3 5 2 l6 4 4 9 9 61 1 11 0 2 0 3 41 1 3 7 8 91 15 2 9 7B 不考慮非線性情況下兩種計(jì)算圖式的比較超載車輛和正常車型在同等軸重條件下，對路表彎沉的影響程度是不同的計(jì)算結(jié)果見圖2 8。l|=；i l4il 鄉(xiāng)7jlI|iI O，兩口啪 塒結(jié)構(gòu)1i；_ 雷嘲鑼ji0 7。蛐挪幻叫2m 搿慣田瞞口喳吐哪嘲一5一z2矗J吐咖螂叫啡咂叫蚪噼，B-z譬培I筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究L(，、D【H 結(jié)構(gòu)3圖2 8 荷載與彎沉關(guān)系圖由圖2-8 可見，在同等軸載作用下，超載方式引起彎沉的增量大于非超載方式引起的彎沉增量。且軸重愈大，二者的偏離程度愈大；結(jié)構(gòu)愈弱，二者的偏離程度愈大。從圖中可以看出，偏離的起點(diǎn)一般落在1 0 0 K N 和1 5 0 K N 之間。偏離量一般在6 一1 0 之間。由上述分析可知，超載引起軸重增長對路面結(jié)構(gòu)的破壞程度要大于正常車型對路面的破壞程度彎沉值代表了路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，彎沉值增大意味著路面強(qiáng)度降低，勢必引起路面使用性能的下降和使用壽命的縮短。因此，在車輛等效軸載換算方法的研究中，必須考慮超載因素，否則得到的設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次將是偏不安全的。4 重載對層底拉應(yīng)力的影響為了說明軸重增加對路面結(jié)構(gòu)彎拉破壞的影響，本節(jié)以焦作常見路面結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)路段的路面結(jié)構(gòu)為例，用彈性層狀體系理論分析層底彎拉應(yīng)力，研究也分超載和非超載(正常車型)兩種情況加以考慮。計(jì)算點(diǎn)取在雙輪輪隙底基層(或基層)底部。擬定結(jié)構(gòu)見圖2-9。中粒式瀝青混凝土4 a m中粒式瀝青混凝土5 a m瀝青碎石5 5 c m粗粒式瀝青混凝土5 c m振碾混凝土2 4 c m石灰土3 0 c m瀝青碎石6 a m水泥穩(wěn)定級配碎石1 5 a m土基水泥穩(wěn)定級配碎石2 8 c m石灰土3 0 a m石灰土3 0 a m土基土基結(jié)構(gòu)l結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)3圖2-9 路面結(jié)構(gòu)圖筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究材料參數(shù)同表2 17 振碾混凝土抗壓模量為3 0 0 0 0 M p a，彎拉模量為3 5 0 0 0 M p a。計(jì)算結(jié)果見圖2 10。結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)3圖2 1 0 荷載與應(yīng)力關(guān)系結(jié)構(gòu)2由圖2 一l O 可見，在非超載情況下，路面結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力隨軸重增加呈冪函數(shù)增長形式，即6，=a P“，其中r l，1 3 0 K N彎拉等效n=8 0P 1 3 0 K Nn=9 0P l3 0 K N7 重載作用下車轍特性研究瀝青路面的車轍是影響路面平整度、路面使用性能、行車安全和舒適的重要因素，它與疲勞開裂一樣，是瀝青路面的主要損壞現(xiàn)象之一。近年來，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)利用各種粘彈塑性模型對車轍形成的機(jī)理和車轍預(yù)估做了大量卓有成效的工作，如英荷殼牌方法和同濟(jì)大學(xué)修正b u r g e s 模型。但是這些方法僅適用于一般軸重的情況下，對待重軸載至今還沒有人提出相應(yīng)的車轍機(jī)理和預(yù)估方法。為此，本文僅從不同輪重下車轍的試驗(yàn)研究和基于車轍等效的軸載換算方法研究兩方面對重載作用下瀝青路面的車轍待性進(jìn)行初步探討。h 不同輪重作用下的車轍試驗(yàn)研究a 材料性能1)瀝青的常規(guī)技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)所用瀝青為新疆克拉瑪依1 0 0#普通道路石油瀝青對其常規(guī)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果見表2 2 2。表2 2 2瀝青常規(guī)技術(shù)指標(biāo)l1 5 針入度2 5 針人度1 0 延度(c m)軟化點(diǎn)()比重(g c m 3)i(0 1 m m)r 0 1 m m)|3 61 0 1 1 0 04 5 60 9 7 6 6l2)集料的技術(shù)指標(biāo)(見表2 2 3)表2 2 3細(xì)集料指標(biāo)測定結(jié)果孔徑大小礦粉0 15 O 3O 3 O 60 6 4 184 18 2 3 6(m m l2 3 64 7 5表觀密度2 7 6 92 7 8 42 7 7 32 8 1 02 8 0 52 7 9 7(g c m 3)表2 2 4租集料指標(biāo)測定結(jié)果l孔徑大小4 7 5 9 59 5 1 3 21 3 2 1 6 01 6 0 1 901 9 0 2 6 5【(m m)I 表觀密度2 8 0 22，8 1 32 8 2 22 8 1 92 8 2 7l(g c m 3)筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究粗細(xì)集料均采用天津地區(qū)產(chǎn)機(jī)軋玄武巖3)瀝青混合料級配的確定為了研究不同軸重對瀝青混合料車轍形成的影響，本試驗(yàn)選用A C 一2 0 I I型級配及A C 一1 6 間斷型級配，具體級配見下表：表2-2 5A C-2 0 一I I 級配組成篩選尺寸2 6 51 9 01 6 0l329 54 7 52 3 61 18O60 3O 15o 0 7 5(m m)通過百分比()1 0 09 57 56 15 03 5 52 4 51 81 2 58 563 5表2 2 6A C 1 6 間斷型級配組成篩選尺寸(m m)1 91 6l3 29 547 523 61 1 80 60 30 1500 7 5通過百分1 0 09 78 06 04 53 03 02 51 71 28比()注：衰中所用級配為分級篩分級逐級稱量回配而得。4)瀝青混合料中瀝青用量的確定混合料中瀝青的最佳用量通過馬歇爾試驗(yàn)確定。試驗(yàn)所用儀器為英國E L E公司生產(chǎn)的自動(dòng)馬歇爾儀，試驗(yàn)結(jié)果見表2 2 7。表2 2 7瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)匯總表J、試驗(yàn)內(nèi)容最佳瀝青用混合料l 量密度空隙率穩(wěn)定度流值()(K N)(1，1 0 m m)I 級配類型()(g c m 2)lA C 0 2 一I I44 525 1655 61 4 93 6l間斷級配4 323 2 87 5 6l O 2 23 1【A C 一1 6b 不同輪重的輪轍試驗(yàn)輪轍試驗(yàn)是評價(jià)瀝青混合料對塑性變形的抵抗能力的室內(nèi)試驗(yàn)方法。本研究采用的是從日本引進(jìn)的浸水式輪轍試驗(yàn)機(jī)，經(jīng)改裝后可進(jìn)行非浸水試驗(yàn)j輪轍試驗(yàn)以動(dòng)穩(wěn)定度(試件減薄l m m 所需碾壓次數(shù)，用D S 來表示)和試件減薄量(車轍深度)來評價(jià)。1)試驗(yàn)方法概要混合料按馬歇爾密度控制，由拌和機(jī)拌和后，用手動(dòng)碾碾壓成型，碾壓溫度1 0 0 13 0，試件尺寸為3 0 3 0 X5 c m。碾壓成型試件在室內(nèi)冷卻后脫模。試驗(yàn)輪荷重及接地壓力標(biāo)準(zhǔn)荷重7 0 0 K N，接地壓力為0 7 M p a 31筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究試驗(yàn)中重載情況荷重為9 3 0 N。輕載情況荷重為3 4 0 N。試驗(yàn)溫度本試驗(yàn)采取標(biāo)準(zhǔn)溫度6 0。試件養(yǎng)生為使試件中心溫度達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)溫度，試件在6 0 溫度下恒溫6 個(gè)小時(shí)。行走速度，采用2 1 次m i n。2)輪轍試驗(yàn)結(jié)果若標(biāo)準(zhǔn)輪荷重?0 0 K N 相當(dāng)于汽車軸重P=1 0 0 K N，則本試驗(yàn)的輪重9 3 0 N和3 4 0 N 分別相當(dāng)于軸重1 3 3 K N 和4 9 K N。試驗(yàn)結(jié)果見表2-2 8表2 2 86 0 車轍試驗(yàn)結(jié)果、混合料類型D S(次，m m)A C 2 0 I IA C 1 6磊二途P=4 9 K N7 0 0 02 3 3 43 0 0 01 4 0 0P=1 0 0 K N3 8 2 41 8 0 02 5 0 01 1 4 0P=l3 3 K N1 7 5 01 3 2 82 2 0 0姜二等(次加搠)口6 0 q j武o 函指車輪行走時(shí)問分別為6 0、45 分鐘時(shí)的變形量。(m m)S通過對表2-2 5 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析，得出如下規(guī)律，隨著輪荷重的增加(輪壓增加)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度D S 逐漸呈半對數(shù)降低j 即：l g D S=a+b x P#式中：D S 一一瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度(次)P#一一軸重(K N 。根據(jù)本試驗(yàn)，對A C 一1 6，有：l g D S=3。5 3 0 8 5 0 0 0 3 3 I i l 5P#對A C 一2 0 有1 9 D S=4 1 4 6 1 9-0 0 0 6 1 5 6 0 9P#(2 2 1)(2 2 2)筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重莖鑾望幽亙熊塑垡些翌窒D 5 與軸重的關(guān)系見圖2 1 4L a 岫t 州J圖2-1 4 動(dòng)穩(wěn)定度與軸載的關(guān)系上述結(jié)論表明，車輛軸重的增加造成瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降。說明在應(yīng)害霉高紫情況下，瀝青混合料抵抗剪切變形、側(cè)向流動(dòng)的能力降低，塑性變形增長加快，因此在重車較多的車道上車轍量將迅速激增。8 基于車轍標(biāo)準(zhǔn)的軸載換算方法研究車轍是渠化交通道路上重要的破壞現(xiàn)象之一，車轍的發(fā)展受路面結(jié)構(gòu)類型、瀝青面層厚度和車輛軸重的影響，表現(xiàn)出不同的變化趨勢。為了方便計(jì)算，有必要引入基于車轍標(biāo)準(zhǔn)的軸載換算方法，將不同軸載的作用次數(shù)轉(zhuǎn)化為某一標(biāo)準(zhǔn)軸載(一般取I O O K N)的作用次數(shù)，從而來分析和預(yù)估給定時(shí)間的車轍量。a?？焖偌虞d試驗(yàn)河北正定試驗(yàn)路上進(jìn)行了不同軸重的快速加載車轍試驗(yàn)，路面結(jié)構(gòu)布置見1 2 1 5 c m C4 6 c m Ce c m c1 2 0 巾 C6 m水泥土j 踱怒習(xí)壤霹水泥水泥水泥曩蘑對叫=灰土執(zhí)“l(fā) 搿 怒碎石碎石碎石3 如m2 5 c ma 拋m3 0 c m沙墊層5 0齊旃舟碎石s 未抑分碎石i I l，2l Il O985532，圖2 15 加速加裁試驗(yàn)路段路面結(jié)構(gòu)布置圖Eia筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究車轅(r a t a)衄五次敦(萬，(b)圖2 16車轍與加載次數(shù)的關(guān)系由圖2 1 6(a)對比級配礫石柔性基層的第1 0、l l 試驗(yàn)段和半剛性層的第1 2 段的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，柔性基層路面結(jié)構(gòu)的車轍比半剛性基層的車轍發(fā)展要快得多，兩種柔性基層分別加載了3 2 5 和5 7 6 萬次后，車轍已分別達(dá)到6 3 m m 和5 1 m m，而水泥穩(wěn)定土基層加載到1 1 萬次時(shí)的車轍還不到2 0 m m，說明半剛性基層具有良好的抗車轍的性能。對于第1 1 和第1 2 試驗(yàn)段在1 0 0 K N 軸載作用下，柔性基層結(jié)構(gòu)的車轍仍然比半剛性基層結(jié)構(gòu)的車轍發(fā)展得快，與1 4 0 K N 軸載作用下不同的是，到了加后期，兩種不同結(jié)構(gòu)的車轍的差值比在1 4 0 K N 軸載作用下要小得多，說明1 0 0 K N軸載和1 4 0 K N 軸載對相同的路面結(jié)構(gòu)具有不同的作用效果。對比第7 試驗(yàn)段分別在1 2 0 K N 和l G O K N 軸載作用下的試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)兩種軸載作用下的車轍發(fā)展趨勢相同，但1 6 0 K N 軸載的車轍要比1 2 0 K N 軸載的筑龍網(wǎng) WWW.ZHULONG.COM重載交通道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究車轍大得多。說明不同軸重對路面車轍的影響很大。b 等效換算指數(shù)假定不同軸載對相同的路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了相同深度的車轍，此時(shí)的加載次數(shù)等效，則按公式：M和圖2-1 3 中給的的數(shù)據(jù)，可得下表(2 2 9，2 3 0)表2 2 9不同車轍深度時(shí)的軸載換算指數(shù)表I車轍第1 1 段第1 2 段深度1 0 0 K N1