[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(guò)對(duì)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(duì)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(duì)全國(guó)典型重載交通道路的情況，特別是對(duì)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(duì)現(xiàn)有道路的實(shí)際超載情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)，在此基礎(chǔ)上對(duì)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(duì)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(guò)修筑實(shí)驗(yàn)路段，并對(duì)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(duì)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(guó)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(guó)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(jí)公路4 4 8 5 公里，三級(jí)公路3 2 1 5 公里，四級(jí)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(lái)，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(lái)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(lái)，隨著我國(guó)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(guò)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(guò)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(duì)公路的使用壽命有著重大的影響，因此有必要通過(guò)對(duì)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(guó)內(nèi)外關(guān)于重載交通的研究概況汽車超載是不少國(guó)家特別是發(fā)展中國(guó)家中普遍存在的問(wèn)題，我國(guó)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(lái)，重載問(wèn)題一直是國(guó)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(duì)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(duì)道路養(yǎng)護(hù)造價(jià)的影響：美國(guó)聯(lián)邦公路局凱萊赫與勞而森對(duì)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(guó)，法國(guó)，巴西，澳大利亞等國(guó)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(duì)重載柔性路面進(jìn)行了研究；同濟(jì)大學(xué)在中國(guó)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(duì)路面的影響及減輕重型貨車對(duì)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(duì)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(guó)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(duì)此我國(guó)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(duì)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(duì)這種亟待解決的問(wèn)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(duì)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(duì)超載的具體情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)，得到了可靠的超載數(shù)據(jù)；結(jié)合對(duì)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(duì)瀝青路面進(jìn)行了優(yōu)化研究，對(duì)以上研究成果通過(guò)修筑實(shí)驗(yàn)路進(jìn)行了驗(yàn)證，以望對(duì)我國(guó)重載路面設(shè)計(jì)能有所裨益。1 3 本文的主要研究?jī)?nèi)容本課題對(duì)全國(guó)典型重載道路的情況及國(guó)外研究狀況進(jìn)行的調(diào)研，并對(duì)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(duì)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(duì)現(xiàn)有道路的實(shí)際超載情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)。在此基礎(chǔ)上對(duì)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(guò)對(duì)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(guó)家規(guī)范、規(guī)程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，室外試槽測(cè)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(guò)試驗(yàn)路面鋪筑進(jìn)行綜合測(cè)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Ｖ埦W(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(cè)站，歷年的交通量觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2 1。表2 1北賈橋觀測(cè)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(duì)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(jiàn)，鄭常公路詹店至泗溝段汽車交通量增長(zhǎng)十分迅速，1 9 9 2年1 9 9 6 年年均增長(zhǎng)率高達(dá)1 6 8。據(jù)1 9 9 5 年、1 9 9 6 年部分觀測(cè)資料表明，晝夜汽車交通量高達(dá)一萬(wàn)輛以上的觀測(cè)日已不鮮見(jiàn)。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(jiàn)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(cè)量交通量小貨中貨大貨拖掛小客大客絕對(duì)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(duì)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(duì)，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(cè)站晝夜交通量汽車絕對(duì)數(shù)為1 0 2 3 3 輛。通過(guò)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(duì)該路的載貨情況進(jìn)行了“O D”調(diào)查。調(diào)查結(jié)果見(jiàn)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(lái)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(guò)額定噸位1 2 倍，由此可見(jiàn)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(guò)程中，對(duì)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(duì)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(jiàn)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(lái)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(shuō)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(cè)試1。測(cè)試布置測(cè)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(cè)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(shuō)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(jiàn)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(cè)試時(shí)間為4 8 小時(shí)，南半幅重車逆。從上表可見(jiàn)，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(shuō)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(cè)試，測(cè)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(guó)規(guī)定的汽車限重見(jiàn)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(cè)結(jié)果可以看出，單軸超過(guò)1 0 t 的車超過(guò)2 4 3 4，還有近1 單軸超過(guò)2 0 t，超載近l 倍，超過(guò)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(guò)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(guó)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(hào)：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(jiàn)下表。表2-7焦作地區(qū)常見(jiàn)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(yú)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(duì)運(yùn)煤車輛進(jìn)行限載。武陟監(jiān)測(cè)站曾記錄過(guò)超過(guò)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(guò)對(duì)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(guò)2 5 t，雙軸最大軸重超過(guò)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(guò)這里。該路總長(zhǎng)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(kāi)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(jiàn)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(lái)計(jì)算的，來(lái)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(duì)未來(lái)交通量的估計(jì)嚴(yán)重不足詹泗路1 9 8 8 年開(kāi)始修建時(shí)，年綜合交通量?jī)H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(zhǎng)是設(shè)計(jì)中所沒(méi)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?jī)H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(jiǎn)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(lái)了困難。據(jù)部分路段的開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)，有些路段存在有嚴(yán)重的施工質(zhì)量問(wèn)題，基層松散，毫無(wú)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(duì)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(guò)量超載的緣故。這種不合理的荷載分配對(duì)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(guó)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(lái)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(guò)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(jí)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(duì)主要道路：A=(0 0 0 8 P 十1 5 2)土7 0對(duì)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(guó)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(jiàn)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(jiàn)，式(2 3)比較適合我國(guó)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(guó)的路面設(shè)計(jì)規(guī)范正是以此為基礎(chǔ)，對(duì)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(lái)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(jí)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(jí)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(jí)配見(jiàn)表2 1 4 所示。表2“水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石礦料級(jí)配組成篩孔尺寸2 52 01 052O 50 0 7 5(r a m)通過(guò)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(wàn)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(guò)承載板試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)得出的A、m 值，見(jiàn)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(jiǎn)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(lái)，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(duì)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(duì)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(duì)回彈彎沉進(jìn)行非線性分析。3 重載作用對(duì)路表彎沉的影響在研究路表回彈彎沉?xí)r，考慮非線性問(wèn)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(guò)13 0 K N，引起輪壓增加，輪胎接地面積增大，輪隙減小(見(jiàn)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(guò)1 3 0 K N，輪隙保持相應(yīng)比例(見(jiàn)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(duì)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(jiàn)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(duì)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(lái)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(jiàn)，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(duì)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(jiàn)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(duì)路表彎沉的影響程度是不同的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)，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(zhǎng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的破壞程度要大于正常車型對(duì)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(shì)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(duì)層底拉應(yīng)力的影響為了說(shuō)明軸重增加對(duì)路面結(jié)構(gòu)彎拉破壞的影響，本節(jié)以焦作常見(jiàn)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(jiàn)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(jí)配碎石1 5 a m土基水泥穩(wěn)定級(jí)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(jiàn)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(jiàn)，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(zhǎng)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(kāi)裂一樣，是瀝青路面的主要損壞現(xiàn)象之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)利用各種粘彈塑性模型對(duì)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(duì)待重軸載至今還沒(méi)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?jī)煞矫鎸?duì)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(duì)其常規(guī)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)表2 2 3)表2 2 3細(xì)集料指標(biāo)測(cè)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(cè)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(jí)配的確定為了研究不同軸重對(duì)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(jí)配及A C 一1 6 間斷型級(jí)配，具體級(jí)配見(jiàn)下表：表2-2 5A C-2 0 一I I 級(jí)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(guò)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(jí)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(guò)百分1 0 09 78 06 04 53 03 02 51 71 28比()注：衰中所用級(jí)配為分級(jí)篩分級(jí)逐級(jí)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(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定。試驗(yàn)所用儀器為英國(guó)E L E公司生產(chǎn)的自動(dòng)馬歇爾儀，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(jí)配類型()(g c m 2)lA C 0 2 一I I44 525 1655 61 4 93 6l間斷級(jí)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(píng)價(jià)瀝青混合料對(duì)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(lái)表示)和試件減薄量(車轍深度)來(lái)評(píng)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(jiàn)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(wèn)分別為6 0、45 分鐘時(shí)的變形量。(m m)S通過(guò)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiàn)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(shuō)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(zhǎng)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(shì)。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(lái)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(jiàn)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(duì)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(wàn)，(b)圖2 16車轍與加載次數(shù)的關(guān)系由圖2 1 6(a)對(duì)比級(jí)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(wàn)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(wàn)次時(shí)的車轍還不到2 0 m m，說(shuō)明半剛性基層具有良好的抗車轍的性能。對(duì)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(shuō)明1 0 0 K N軸載和1 4 0 K N 軸載對(duì)相同的路面結(jié)構(gòu)具有不同的作用效果。對(duì)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(shì)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(shuō)明不同軸重對(duì)路面車轍的影響很大。b 等效換算指數(shù)假定不同軸載對(duì)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