重载交通水泥混凝土路面结构设计与施工关键技术研究毕业论文.pdf

分类号：u41；u2 10710-2009121204 硕 士 学 位 论 文 重载交通水泥混凝土路面结构设计与施工 关键技术研究 李 镇 导师姓名职称 王选仓 教授 申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 道路与铁道工程 论文提交日期 2012 年 4 月 28 日 论文答辩日期 2012 年 6 月 8 日 学位授予单位 长安大学 study on structure design and construction of key technology of heavy traffic cement concrete pavement a dissertation submitted for the degree of master candidate：li zhen supervisor：pro.wang xuancang changan university,xian,china i 摘 要 水泥混凝土路面作为一种高级路面结构形式，以其强度高、稳定性和耐久性好、耐 高温、耐磨耗以及养护费用少等优点而得到了广泛的应用，但是随着我国公路交通运输 事业不断发展，公路超载运输现象越来越严重，重载车辆在交通运输组成中的比例也越 来越大，按照现行公路水泥混凝土路面设计规范和公路水泥混凝土路面施工技术 规范设计和施工质量良好的水泥混凝土路面，早期破坏相当严重，很多在使用初期就 发生了严重的结构损坏，路面的使用寿命大大缩短，严重影响了公路的通行能力、行车 安全和投资效益。因此，本文从设计和施工两个方面对重载交通水泥混凝土路面修筑技 术进行了深入的研究。 本文主要内容为：通过系统深入调查国内 20 余条典型重载交通水泥混凝土路面 结构，深层次揭示目前重载交通水泥混凝土结构层设计及结构组合设计存在的问题； 在重载交通作用下，对现行水泥混凝土路面结构设计方法中交通参数（轴载换算系数和 当量轴次增长率）和结构参数（土基重载设计参数和半刚性材料设计参数）做进一步深 入的研究，提出适用于重载交通水泥混凝土路面结构的合理设计参数；借助大型有限 元分析软件包，对重载水泥混凝土路面的极限承载能力进行分析，提出分析混凝土路面 极限承载力的方法，分析极限承载力的影响因素，并探讨重载对水泥混凝土路面板应力 以及疲劳寿命的影响；在调查分析国内现有重载水泥混凝土路面结构基础上，提出重 载交通水泥混凝土路面结构组合的原则， 对重载交通水泥混凝土路面的各结构层进行研 究，在此基础上，推荐重载交通水泥混凝土路面的典型结构；研究重载交通水泥混凝 土路面板块划分、路面板切缝时机及抗滑构造三个施工关键技术，以期为现有重载水泥 混凝土路面的施工提供一定的技术指导。 关键词：重载交通；水泥混凝土路面；设计参数；极限承载力；结构组合；施工关 键技术 ii abstract cement concrete has some advantages of high strength,stability,good durability,high temperature,abrasion and less conservation costs,so it has been widely used.with the continuous development of chinas road transport undertakings,highway overload the transport phenomenon is more and more serious.the proportion of heavy vehicles in the composition of transportation is also growing. the cement concrete pavement with good quality,which is designed and constructed according to design specifications of highway cement concrete pavement and technical specifications for construction of highway cement concrete pavement.some have the initial period of serious structural damage.it has short performance highway capacity,traffic safety and investment returns is badly affected. we have profound research to the heavy traffic of cement concrete pavement from the design and construction. the main content of this paper has researched as follows：first,he problems of overloaded cement concrete layer design and structure of composite design is revealed, through in-depth investigation to more than 20 typical heavy cement concrete pavement structure.second, under heavy traffic, coefficient of axle load conversion,rebound modulus of subgrade and semi-rigid material design parameters of design specifications of highway cement concrete pavement of the existing cement concrete pavement structural design methods are studied. reasonable design parameters applicable to the structure of the heavy traffic of cement concrete pavement is put forward.third,the ultimate bearing capacity of heavy cement concrete pavement is analyzed by the fem software ansys.the method of the ultimate bearing capacity is put forward.the heavy cement concrete pavement slab stress and fatigue life is explored. fourth, the principle of the combination of heavy traffic pavement structure is put forward and the typical structure of the heavy traffic of cement concrete pavement is recommended from investigation of the existing overloaded cement concrete pavement structure.fifth,slab division,lancing time of cement concrete pavement slab and antiskid construction of cement concrete pavement of heavy traffic is studied,which is a necessary complement to existing of overloading cement concrete construction technical specifications and guidelines. keywords: heavy traffic; cement concrete pavement; design parameter; ultimate bearing capacity; structure combination; critical technique iii 目目 录录 第一章 绪论 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 国外研究现状 . 3 1.2.2 国内研究现状 . 4 1.3 本文的研究内容 . 5 第二章 重载交通路面结构设计合理参数研究 7 2.1 交通参数研究 . 7 2.1.1 轴载换算系数研究 7 2.1.2 当量轴次增长率研究 10 2.2 结构参数研究 . 13 2.2.1 土基重载设计参数研究 13 2.2.2 半刚性材料设计参数研究 15 2.3 本章小结 . 18 第三章 重载交通水泥混凝土路面结构力学特性分析 20 3.1 水泥混凝土路面结构极限承载力确定方法研究 . 20 3.1.1 路面荷载破坏分级 20 3.1.2 极限承载能力概念 20 3.1.3 极限承载能力确定 21 3.2 基于多因素影响下的极限承载能力研究 . 23 3.2.1 基于不同荷载作用位置的极限承载能力影响分析 23 3.2.2 基于温度梯度作用下的极限承载能力影响分析 24 3.2.3 基于不同可靠度系数的极限承载能力影响分析 25 3.2.4 基于多因素影响下的极限承载能力分析 26 3.3 水泥混凝土极限验算标准研究 . 27 3.3.1 最重轴载在不同纵缝位置处的荷载应力 27 3.3.2 不同温度梯度作用下的温度应力计算 28 3.3.3 荷载应力和温度应力组合 28 3.4 重载交通对路面结构的应力影响分析 . 29 3.5 重载交通对路面结构疲劳寿命的影响分析 . 31 iv 第四章 重载交通水泥混凝土路面结构组合研究 36 4.1 国内重载交通水泥混凝土路面结构调查分析 . 36 4.2 重载交通路面结构组合原则 . 39 4.2.1 层间结合形式 39 4.2.2 路面结构内部排水系统 40 4.2.3 刚性路肩 41 4.2.4 传力杆布设 43 4.3 重载交通水泥混凝土路面结构层研究 . 44 4.3.1 路基 44 4.3.2 垫层 45 4.3.3 基层 45 4.3.4 应力吸收层 47 4.3.5 面层 54 4.4 重载交通路面典型结构组合推荐 . 56 4.5 本章小结 . 57 第五章 重载交通水泥混凝土路面施工关键技术研究 59 5.1 重载交通水泥混凝土路面板块合理划分 . 59 5.1.1 板块划分原则 59 5.1.2 不同尺寸板块的纵缝位置对板块受力的影响 59 5.1.3 板块划分具体实例分析 61 5.2 重载交通水泥混凝土路面合理切缝时机研究 . 62 5.2.1 水泥混凝土合理切缝时机确定 62 5.2.2 切缝时间预测基本模型 63 5.2.3 混凝土强度增长关系曲线 63 5.3 重载交通水泥混凝土路面抗滑构造研究 . 67 5.3.1 水泥混凝土路面抗滑构造研究技术要求 67 5.3.2 水泥混凝土路面抗滑构造工艺 68 5.3.3 刻槽抗滑构造研究 69 5.4 本章小结 . 77 主要研究结论及进一步建议 79 参考文献 83 致 谢 85 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 随着国民经济的发展，国家加大了对 交通基础设施建设的投入，尤其是高速公路建 设的投入， “十五” 、 “十一五”是我国公路建设的高速发展十年，截至 2011 年底我国高 速公路总里程达 8.5 万公里， “十二五”末我国计划高速公路总里程将达 10.8 万公里。 我国公路建设，正以前所未有的速度向前发展。公路造 价和公路使用质量决 定了路 面的种类，由 于国产优质沥青资源越 来越缺乏，主要沥青品 种含蜡量较高，沥 青混凝土 不适 宜应用于重载交 通路面，且高速公 路的沥青面层大多采 用进口沥青，导致道 路建设 成本大大提 高， 而我国是世界水 泥生产和出口第 一大国， 拥有千余家大中 型水泥生产厂， 修 筑水泥混凝土路面 料源相当丰富，运 距一般不超过 200km，因此，在我 国具备了修筑 水泥混 凝土路面的资源优 势。 同时近年来我 国水泥混凝土路面 的施工工艺与十几 年前相 比有很大的进 步， 尤其日益成 熟的高等级公 路路面滑模摊铺技 术迅速提高了水泥 混凝土 路面的舒适 性和平整度，己能满 足高速公路的行车需 要。因此，发展水泥混 凝土路面成 为当前我 国高等级公路建 设的重要方向，尤其 是在“十五” 、 “十一五”期 间，我国水泥 路面发 展势头相当迅猛。 随着国民经济和公 路交通运输事业的发 展，重型货运车 辆在交通运输组 成中的比 例不 断上升，汽车的轴 载质量和总载重 量不断提高，呈大型 化发展的趋势，且 换代速度 相 当快。单轴超过 10t，双 轴超过 18t，三 轴超过 22t 的重 载车辆在公路上也越 来越普遍。 重载交 通显然已成为一 个全国性的、普遍 性的现象，且超 载超限情况也越 来越严重。对 上海几条重 要运煤道路进 行超载情况调查23-25，调 查结果表明，40%以上的中型及以上 货车超载，最高超 载率达到了 300%以 上，单轴轴载大 于 10t 的车占货 车的 24%，最高 单轴 轴载为 17t，最高双 联轴轴载为 29t；天 津超载车辆调查表 明，超载车辆 约占重车比 例的 30%70%，平 均超载率 50%70%；长 沙交通学院在 107 国 道郴州市附近路 段采用 国际先 进的加拿大产 wim 动 态称重仪调查发 现后轴重在 110kn 以 上的车辆占整个交 通 量的 30%以上，而轴 重大于 130kn 的比 例大于 20%，多 数货车超载系 数达 0.71.0，甚 至达 到 1.21.835。有关部 门对山西 109 国 道的运煤车辆进 行了超载车辆调 查，单轴单 轮组最 重达到了 10.2t，单轴双轮 组达到 24t，双轴双 轮组达到 41t；河南 省是一个运煤 大省，在河 南省武险超限检 测站发现了超过 100t 的 斯太尔型拖挂车，其 双轴轴重达到 了 60t。对 107 国道郑州黄河桥超载车辆进行了调 查，调查了 200 辆运煤 车，调查结果 第一章 绪论 2 发现 200 辆运煤车竟 然全部超载，最 高超载率超过了 200%；根 据山西一些重要矿区的 调查30，10 吨以上重型货车的超 载比例在 40%以上，个 别路段超过了 80%，最大超载 率达到了 300%；湖 南大学李嘉等对湖 南省境内 107 国道耒 宜段交通调查资料分 析结果 表明26，该路 段最大超载达额 定荷载的 300%，车辆轴 重 100kn 以上的重型 货车占整个 交通 量的 63%，其中 100kn 以 上的车辆占 45.6%，重 车超载率一般在 70%200%之间。 如此严重的重 载交通，使水泥 混凝土路面早期损 坏变得越来越严重，许 多地区修筑 的水泥混 凝土路面还未达 到设计使用年限，在 使用初期即出现断 裂、唧泥、脱空、错台 等损坏，严重的路 段路面板发生断 裂甚至完全碎裂现 象，使水泥混凝土 路面使用寿命大 大缩短，路面使用性 能急剧衰减。 随着重载车 辆超载率的增大，水 泥混凝土路面内 部产生的荷载应力也随 着增大，实 际累计当 量标准轴次远远大 于按标准轴载设计的累 计当量标准轴次， 导致 水泥混凝土路 面的疲 劳损坏。超载严重的路 段，很可能造成水泥混 凝土路面的一次性极限破 坏，而远 没达到疲劳破 坏。在超、重载比例较大的路 线上，由于实际载 重远远超出设计及修 筑时 所规定的标准轴 载，甚至出现了“当 年修，来年坏”的现 象。重载交通已成 为水泥混凝 土路面大范 围早期损坏的最关 键的外部因素。 水泥混 凝土路面疲劳损 坏的直接后果是路 面通 行能力降低，维修量急 剧增长，且维修困难、维修费 用高。在河北、山西、内 蒙古， 超载超限每 年造成的损失也都 有 10 亿甚至几十 亿元。车辆超限超 载每年给全国公 路造 成的损失超 过 300 亿元，给国家财 产造成了巨额损失。 以上情况的出 现， 固然有多方面的 因素， 但最主要的原 因就是公路的超载超 限车辆， 路面设 计对车辆荷载估计不 足。目前，对于重载水 泥混凝土路面设计，国 内外均没有相 关设 计规范和技术指南， 重 载水泥混凝土路面的设 计绝大多数是参考普通水 泥混凝土路 面，对重载交通未 作考虑，显然不能满足重载条 件下的要求。因此，为 了适应交通事业 发展，对重 载交通道路的研究变得越来越 迫切。 1.2 国内外研究现状 随着交通量的大 幅度提高与车辆荷载大 型化、重型化的发展，载 货汽车超载现象也 越来 越普遍，重载交通对水 泥混凝土路面结构的影 响愈加严重。这已经得到 了国外研究 人员和设 计工作者越来越广泛关 注， 有关重载交通路 面的研究和超载对 路面结构影响的 研 究也陆续开展起来。近 些年来，一些设计理论、设 计方法和路面结构组 合模式越来越 偏向于适应 重载交通的需要。 长安大学硕士学位论文 3 1.2.1 国外研究现状 南非在 70 年代就开始采用动态称重系统(weigh-in-motion)进行公路轴载分布的研 究，认为由于在路面设计中对实际车辆轴载的预测不准确，低估了超载的加速损耗，才 导致路面设计厚度不足以至提前损坏。南非的研究建立在力学分析的基础上，它利用重 车模拟机(hvs)研究了不同荷载型式和荷载级别条件下，路面结构的应力应变反应，并 根据相应的疲劳方程进行单轴荷载等效系数 lefs 计算。 美国新泽西州 80 年代也作过公路的超载研究27-28， 它引用 aashto 的轴载换算标 准，认为当量标准轴次的增加会引起相同比例的路面使用寿命的减少。在对车辆超载规 律的研究中它提出一种卸载概念，即将超载部分货物卸下后作另外多次运输，保证总的 货运量一定。 认为超载引起的路面使用寿命缩短的比例减去卸载后的缩短比例才是真正 由超载引起的路面损耗。 加拿大安大略省在 80 年代对本省的车辆尺寸和荷载情况做了长期调查，发现在允 许一定程度的超载时测得的公路车辆荷载分布明显偏重， 并且通过对车辆总重和轴荷载 分布的数据分析提出了某种车型的总重与各组轴载分布的关系。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，建立力学模型以计算不同级别荷载产生的力学损耗51。 全美运输研究协会(trb)对所有联邦资助公路和州际公路进行全面的调查，它采用 wim 系统和电子牌照板进行全天候自动识别并记录行驶中的车辆荷载，得到了比较准 确的车辆荷载分布数据，并按照 aashto 方法将实际交通荷载换算为标准轴载，从而 将不同轴载与路面损坏程度(使用期末的 psi 值)之间建立相关模型。 美国 illinois 大学的 ballonb 与几 texas 大学的 zogerlin 提出了适应于普通混凝土路 面与钢筋混凝土路面(复合式路面)，以防止疲劳应力产生横向开裂的设计方法，该方法 考虑了荷载应力与翘曲应力的叠加；美国各州公路工作者协会(aashto)以大型环道试 验路为依托进行了混凝土路面疲劳特性的野外研究， 在对大量实测数据系统分析的基础 上，提出了基于概率统计形式的可靠度设计方法；美国 kentucky 大学黄仰贤教授提出 了一个基于概率统计形式的有限元计算程序 pmrpd，可用于液态地基、固态地基和层 状地基等不同的地基模型。 美国联邦公路局 kellerhold 与 loerosn 研究了重载交通条件下具有传力杆的接缝混 凝土路面设计方法；losbegr 等人以屈服线理论为基础，发展了混凝土路面结构的极限 承载力理论。 第一章 绪论 4 美国 purdue 大学的 sameh zaghloul 和 thomas d.white 借助三维有限元，用多种模 型研究了基于车辙等效的轴载换算公式，并根据大量的实测数据建立了回归方程，它能 够求解单轴、双轴、三轴乃至多轴的等效换算系数，适用于不同的轴载范围。联邦公路 管理局（fhwa）的 freddy l.roberts，harold von quintus 和 w.ronald hudson 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。 比利时提出了用于重载交通的复合式路面典型结构。在结构组合模式方面，一方面 板厚增加、板强度增大，日本现行手册指出有繁重载交通的道路板厚最大达到 30cm； 另一方面结构形式也发生变化，多采用复合式结构，基层多采用水硬性结合料处治的稳 定性基层。巴西、澳大利亚、法国、美国等国采用贫水泥混凝土作为重载交通水泥混凝 土路面的基层。 美国联邦公路局 kellerhold 与 loerson 详细论述了重载交通下具有传力杆的接缝 混凝土路面设计方法。在结构组合模式方面，一方面板厚增加（日本现行设计手册中， 繁重载交通道路板厚达 30cm） ，板体强度增大；另一方面结构形式也发生了变化，多采 用复合式结构，基层多采用水硬性结合料处置的稳定性基层，且兼顾排水35。 1.2.2 国内研究现状 我国的重载问 题，从发生、发展到目前道 路工程界的普遍关 注所经历的时间 很短。 近年来，不少学者 对重载交通路面也开 始进行了探索性的研 究。 90 年代初同 济大学和山西省交通 厅对大同地区的车 辆运行情况做了调 查， 发现不同 车型的超 载规律是不同的。额 定吨位越小的车超 载就越严重，吨 位接近的车型超 载情况 差不多，但 当时对荷载的判 断主要依据目测和静 态称重，因而数据 少且不够准确。后 来 河北省采用目测与 仪器(hds-1 涵式动态轴 载称重仪)相结合的方 式对省内一些干 线道路 进行调查，最 终选取了几种代 表车型并列出各自的轴 载谱，这对于合 理进行路面设计十 分有利。但在调查过 程中首先目测判断 其满载后再用仪器测 其轴重，这样的结果必 然偏 重， 而不能体现真 正的轴载分布规 律。 95 年东南大学根 据一系列假设条 件提出模拟不同 轴载限 值下公路轴载谱 的分布函数，但 对轴载的统计过 于粗略，而且假设条 件较多，使 得结果可 信度不高。 长安大学王选 仓教授对于重载交 通条件下的水泥混 凝土路面设计中疲 劳方程、 轴载 换 算以及疲劳系数进行了 详尽的研究， 给重载交 通条件下的水泥混 凝土路面设计方法提 长安大学硕士学位论文 5 供了理论依据， 并提出了 以工程造价最低为目标函数的重载交 通水泥混凝土路 面结构优 化设计方 法32。 长安大学王秉 纲教授和同济大学许 志鸿教授等对重载交 通作用下贫混凝 土基 层特性及贫混凝土基 层水泥混凝土路 面结构设计方法进行 了研究2。 同济大 学的石小平等人针对 重车引起混凝土板底脱 空、唧泥、错台和断裂等，提 出 了控制板角挠度的设计方法，该方法对 于特重载交通(厚度大于 26cm)的水 泥混凝土路 面，比 控制疲劳应力的方法更 切合实际37。 长沙交 通学院刘朝晖从重 载交通荷载的状况分 析出发， 提出了车辆标 准轴载换算方 法，提 出了板的平面尺寸优 化和重荷载应力控 制面板结构厚度的设 计方法；针对钢纤维 混凝 土的塑性性质，符冠 华、陈荣生应用塑性理 论，提出了由路面板 中、板边和板角部 位的极限承载力控制的 钢纤维混凝土路 面的极限状态设计方 法39。 长安大 学的蒋应军对重载交 通水泥混凝土路 面的结构组合原则进 行了研究， 对重载 交通 下的各结构层提出了要 求，提出了重载交通水 泥混凝土路面的设 计标准，对重载交 通水泥混凝土路 面设计方法进行了 初步研究。 综上所 述，国内外对重载交 通水泥混凝土路面的研 究己经取得了一定的成 就，其中 的思路、方法 和成果很值得借 鉴。在此基础上，本 文结合实际情况，针对 重载现象，从 重载 交通下水泥混凝土的特 性出发，提出切实可 行的结构设计方法，从而弥 补现行规范 中的不足。 1.3 本文的研究内容 （1）重载交通水泥混凝土路面结构调查 通过系统深入调查国内 20 余条典型重载水泥混凝土路面结构，深层次揭示了目前 重载水泥混凝土结构层设计及结构组合设计存在的问题。 （2）重载交通路面结构设计合理参数研究 在重载交通作用下，对现行水泥混凝土路面结构设计方法中交通参数（轴载换算系 数和当量轴次增长率）和结构参数（土基重载设计参数和半刚性材料设计参数）做了进 一步深入的研究，提出了适用于重载交通水泥混凝土路面结构的合理设计参数。 （3）重载交通水泥混凝土路面结构力学特性分析 借助大型有限元分析软件包，对重载水泥混凝土路面的极限承载能力进行了分析， 提出了确定混凝土路面极限承载力的方法，进行了多因素影响下的极限承载能力研究， 第一章 绪论 6 并探讨重载对水泥混凝土路面板应力以及疲劳寿命的影响。 （4）重载交通水泥混凝土路面结构组合研究 在调查分析国内现有重载水泥混凝土路面结构基础上， 提出了重载交通水泥混凝土 路面结构组合的原则， 对重载交通水泥混凝土路面的各结构层进行了研究， 在此基础上， 推荐了重载交通水泥混凝土路面的典型结构。 （5）重载交通水泥混凝土路面施工关键技术研究 对重载交通水泥混凝土路面板块划分、 路面板切缝时机及抗滑构造三个施工关键技 术进行研究，以期为现有重载水泥混凝土路面的施工提供一定的技术指导。 长安大学硕士学位论文 7 第二章 重载交通路面结构设计合理参数研究 随着重载超载车辆在交通组成中所占比例的明显增大， 现有水泥混凝土路面设计 方法中的设计参数已不能满足重载交通的要求。 重载交通水泥混凝土路面设计参数如何 选取成为一个亟待解决的问题， 本章对水泥混凝土路面结构设计中的交通参数和结构参 数进行了深入的研究，为重载水泥混凝土路面结构设计提供参考。 2.1 交通参数研究 2.1.1 轴载换算系数研究 我国目前水泥路面设计规范对行车荷载的考虑主要是上世纪 80 年代以前的情况， 但随着我国道路重载程度的提高，尤其是道路上普遍存在的重轴载和特重车辆，有些道 路交通等级达到了现行规范的极重标准，这些轴载已远远超出规范研究范围，并且路面 结构型式也有所变化，因而有必要对原有的轴载换算方法重新分析，提出更为合理的轴 载换算方法。 （1）线性疲劳方程确定轴载换算系数 我国水泥混凝土路面设计方法中， 对于路面结构的临界破坏状态是以面层的荷载应 力和温度应力产生的综合疲劳损坏为依据的。由室内小梁疲劳试验结果，按混凝土路面 的受力情况，取温度应力 t 为低应力 min ，荷载和温度的综合应力为高应力 max ，得到 如下疲劳方程 lglglg p rt abn f （2.1） 在荷载应力和温度应力综合作用下混凝土面层的疲劳寿命也可表示为： 1 () b rt p a f n （2.2） 则轴载p作用一次所引起的疲劳损耗d为 1 1 () b p rt d na f （2.3） 根据疲劳损耗等效原则43，对于同一路面结构，轴载累计作用 i p次和标准轴载 s p作 用从次产生相同的疲劳损耗，即 iss n dn d。则 第二章 重载交通路面结构设计合理参数研究 8 1 i p s sp s nd l nd （2.4） 式中： l轴载换算系数。 材料疲劳指数 水泥混凝土 路面结构荷载应力大小主要影响因素有板厚、地基和板的弹性模量等。 通过选取典型荷载和典型路面结构，然后通过大量应力解算后，回归出荷载应力关系式 i pi 2 n mp ar h （2.5） 式中： i p一轴重（kn） r一混凝土面板的相对 刚度半径(m) h水泥混凝土 面板厚度(m) nm、a回归系数，取值见表 2.1 表表 2.1 回归系数表回归系数表 a m n 0.00175 0.862 0.905 将式(2.5)代入式(2.4)即得到轴载换算系数关系式 s n b i s a s e np l np （2.6） 式中 a 为 1.00，b 值为 0.0516。 水泥混凝土路面 结构的相对刚度半径一般在 0.7-0.9m 范围内变化， 近似地取用相对 刚度半径的平均值为 0.8m，将此值、标准轴载及回归系数值代入式（2.6） ，便得到轴载 换算为 标准轴载时的换算公式 16 i s p l p （2.7） （2）二次曲线疲劳方程确定轴载换算系数 通过二次曲线疲劳方程推导的 轴载换算关系式不仅考虑了轴载所产生应力所 长安大学硕士学位论文 9 处的应力水平，也考虑了温度应力对轴载换算推导的影响，相对于通过线性疲劳方程确 定 的轴载换算公式，曲线疲劳方程 确定的轴载换算关系考虑 得较为周全，也比较合理。 对曲线疲劳方程： cnbnaslglg)(lglg 2 (2.8) 进行简单的代数运算，则有 1 22 4lglg lg 2 bbacs n a (2.9) 此时取 c=1.0，并略去+号，则有 1 2 2 4 lg 2 10 bbas a n (2.10) 则： l= 11 22 22 4 lg4 lg 2 10 is basbas s a i n n (2.11) 式中： l轴载换算系数 pi单轴-单轮、单轴-双轮组、双轴-双轮组轴型或三轴-双轮组轴型 i 级轴载的总重（kn） ； n轴型和轴载级位数； ni各类轴型 i 级轴载的作用次数； ss等效应力水平， m ps s cmt s f ， ps 是标准轴载 ps产生的应力（mpa） ， mt 是温度翘曲应力（mpa） ； is等效应力水平， m pi i cmt s f ， pi 是行车轴载 pi产生的应力（mpa） ， mt 是温度应力（mpa） ； a、b回归系数，其中，a 取-0.0013，b 取 0.0326。 (3)两种换算方法的轴载换算系数对比分析 为比较两种轴载换算公式的不同，取标准轴载为 l00kn，混凝土面板抗折强度 fcm 第二章 重载交通路面结构设计合理参数研究 10 为 5.0mpa，温度应力为 1.0mpa，按照文中提出的基于线性疲劳方程和曲线疲劳方程的 两种轴载换算公式计算轴载在 60300kn 之间的轴载换算系数，计算结果见表 2.2。 表表 2.2 不同疲劳方程轴载换算系数对比表不同疲劳方程轴载换算系数对比表 标准轴载 不同疲劳 方程 作用次数 轴载 线性疲劳方程 曲线疲劳方程 100kn 1 1 110kn 4.6 4.8 120kn 18 22 130kn 66 91 160kn 1844 5084 180kn 12144 62780 200kn 65536 624467 240kn 1211657 555504567 260kn 4360874 521455940 300kn 43046721 4729262000 由上表分析可知，pi130kn 时，按本文换算的标准轴载作用次数远大于按现行 公路水泥混凝土路面设计规范换算标准轴载作用次数，当 pi=200kn 时，按本文换算的 标准轴载作用次数是按现行公路水泥混凝土路面设计规范换算的标准轴载作用次数的 9.52 倍，当 pi=260kn 时，达到了 119 倍。 通过对本文公式和规范公式换算系数的对比可以看出： 超限运输车辆不能直接采用 现有规范的轴载换算公式进行换算，否则可能会低估重轴载对路面的破坏作用，这也是 符合实际的路况调查结果的。因此，建议重载交通水泥水泥混凝土路面，pi130kn 时，按本文的方法进行换算。 2.1.2 当量轴次增长率研究 （1）当量轴次增长率概念 交通量增长率是重要的交通参数，它反映了交通量的增长状况。众所周知，所谓交 通量是指在单位时间内通过公路某一断面的车辆数，我国现行公路交通量调查中，交通 量系指折算成中型载重车后的总数，那么，交通量增长率反映的是折算成中型载重车的 交通量增长状况，并按下式估算第 t 年的交通量 nt： 1 - t 1t 1nn）（ 长安大学硕士学位论文 11 式中： nt第 t 年的平均日交通量；n1为设计初始年(第 1 年)的平均日交通量 为设计年限 t 年内交通量的平均年增长率 在路面结构设计中使用的所谓交通量是累计当量轴次，并按下式计算 36511 t s e n n （2.12） 式中 ne设计基准期内设计车道所承受的设计轴载累计次数（轴次/车道） ； t设计基准期（年） ； 基准期内货车交通量的年平均增长率（以分数计） ； 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数。 设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数 ne计算公式中增长率 gr是指使 用期内交通量年平均增长率而非当量轴次增长率。对于一般道路而言，使用交通量增长 率来代替当量轴次增长率，由于不造成太大误差，可认为是可行的。但实际上，交通量 年平均增长率 gr和年平均当量轴次增长率 e是两个不同的概念， 前者反映的是折算成中 型载重车的交通量增长状况，主要用于设计年限内交通量的估算并以此确定公路等级。 而当量轴次增长率 e反映的是标准当量轴次的增长状况。 进行路面结构设计时所需要的 是轴载作用次数，而求算设计年限末累计轴载作用次数采用的是交通量年平均增长率， 显然二者不一致，这种矛盾在重载道路上尤为突出，重型车在年平均日交通量中所占比 例虽小，但其换算为标准作用次数却很大，这预示着重型车辆的增长率远不能反映其换 算为标准车辆作用次数的增长率。因此，对于重载道路路面设计，建议采用当量轴次增 长率 e。 （2）当量轴次增长率 e与交通量增长率 的关系 交通量年平均增长率 和年平均当量轴次的增长率 e概念虽然不同， 但两者之间也 存在着一定的关系。下面就对其进行分析。 设第 1 年的交通量 n1和当量轴次 e n 1 分别为 iik fnn 111 （2.13） ii kfnn ee 111 （2.14） 设第 t 年的交通量 nt和当量轴次 e t n 分别为 tiitt kfnn （2.15） 第二章 重载交通路面结构设计合理参数研究 12 tiitt kfnn ee （2.16） 其中，n1、nt分别为第 1 年、第 t 年调查所得的混合交通量。 同时，由于 1 11 t t nn （2.17） 1 1 1 t et ee nn （2.18） 因而 ii t tiit kfnkfn 11 1 1 （2.19） i r i t etiit kfnkfn ee 11 1 1 （2.20） 由此可求得两者的关系为 1 1 1 1 11 t tiiii tiiii e kfkf kfkf e e （2.21） 其中 kti为第一年第 i 车型在交通量中所占比例；kti为第 t 年第 i 车型所占比例；fi 为第 i 车型的折算系数； e i f 为第 i 车型的换算系数。 由上式可知， 交通量年平均增长率 和年平均当量轴次增长率 e的关系不仅与交通 组成有关，而且与车辆的换算系数和折算系数相关。由于换算和折算两者的出发点、目 的及方法不同，其换算系数与折算系数是不相等的。折算系数与车辆的行驶速度和该车 在道路上所占的面积有关，考虑的是对公路通行能力的影响；而换算系数是与车辆的轴 载大小有关，考虑的是对路面结构疲劳损坏的影响。 由于各个时期的交通组成是不同的，即 tii kk 1 ，当重车（轴载较大）增长较快时， e ；当小车增长较快时， e ，甚至出现0 e （即当量轴次出现负增长的情况） ； 只有当交通组成不变即 tii kk 1 时， 才会出现 e 的情况， 一般是不会出现这种情况的。 （3）当量轴次增长率 e的计算方法 现有的交通量预估公式一般认为交通量逐年递增规律相同，即 t 年的交通量按式(1) 计算。由于这种计算方法受第一年年和 t 年的当量轴次 n1和 nt的偶然性影响较大，即没 有计入各中间年交通量或当量轴次的影响， 所得增长率用来计算累计交通量或当量轴次 误差较大。因而可采用 t 年内的平均增长率，即按下式来计算 t 年内的平均增长率 e t e t i i nn 11 1 1 （2.22） 式中： t i i n 1 t 年内累计当量轴次； 长安大学硕士学位论文 13 1 n第一年内累计当量轴次； e设计年限内年平均当量轴次增长率； t 年限； 综上所述， 交通量年平均增长率 和年平均当量轴次的增长率 e之间存在一定的偏 差，特别对于重载水泥混凝土路面，若重载车辆增加较快，由于较高的轴载换算次数， 与 e间相差更大。也就是说，进行路面结构设计时，如采用交通量增长率作参数，会 导致较大的偏差，而采用当量轴次增长率为参数，比较能够客观的反映实际情况。 2.2 结构参数研究 2.2.1 土基重载设计参数研究 在路面结构设计中，土基回弹模量是一个重要的设计参数之一，土基回弹模量的取 值大小将直接影响路面结构厚度。土基回弹模量值取过小，计算出的路面厚度太大，必 然会造成资金的浪费；而土基回弹模量取值过大，施工上往往达不到要求，又会引起路 面的过早损坏。因此，土基回弹模量的 合理选择将直接关系到路面结构的安全性和经济 性。 80 年代，我国低等级道路占绝大多数，低等级公路路面弯沉比较大，路面整体强度 也不高，在 不利季节时，标准轴作用 100kn 作用下，弯沉往往能够超过 1.0mm，因此， 规范取回弹变形小于 1.0mm 的点用线性归纳法 计算土基回弹模量。90 年代，半刚性基 层、 底基层路面的广泛使用， 路表弯沉值大大降低， 路面的整体强度有了大幅度的提高。 大量试验路检测结果表明， 高等级公路半刚性基层路面在 100kn 标准轴载作用下， 路表 弯沉一般小于 0.5mm，绝大多数都在 0.10.35mm 之间23。 相关研究表明，土基顶面的竖向变形为 路表弯沉的 60%70%，可见，土基提供了 大部分的路表弯沉。因此，在实测土基回弹模量时，必须参照土基受力与变形选择合理 的回弹变形。公路部门多年来一直延续取 1.0mm 回弹变形计算 土基回弹模量，但是这 与土基实际变形情况有较大的差异。 为确定重载作用下路面的回弹变形情况，对试验路采用后轴重为 10t、14t、18t 的汽车进行了回弹弯沉测试。实测弯沉分析结果见下表： 第二章 重载交通路面结构设计合理参数研究 14 表表 2.3 弯沉测试表弯沉测试表 结构形式 轴重 结构一 结构二 结构三 结构四 结构五 结构六 结构七 10t 17.179 20.612 32.755 26.131 21.857 26.243 20.652 14t 28.254 30.555 37.567 29.791 39.569 33.985 36.877 18t 30.078 49.789 53.578 38.953 45.595 51.818 41.162 从表 2.3 可以看出， 在标准轴载作用下， 上述几种半刚性基层结构的回弹变形 基本 在 0.3mm 的范围内，但随着轴重的增大，在重载 14t 和 18t 时，回弹变形已经大大的 向后延续了。因此，将 0.6mm 的回弹变形定为重载土基回弹模量 承载板法的界线。下 面以公式 2 00 1 4 i i l p d e为基础，计算分析了现场承载板试验确定的土基回弹模 量，结果见下表。 表表 2.4 不同回弹不同回弹 变形情况下变形情况下土基土基回弹模量回弹模量对比对比表表 回弹变形 测点 1.0mm 0.3mm 0.6mm 0.6mm 较 0.3mm 的减小量 1 98 102.6 100.5 2.01 2 73.6 70.3 68.4 2.7 3 53.8 55.8 54.9 2.7 4 56.4 59.4 57.4 3.4 5 81.3 91.5 86.4 5.6 平均值 72.6 75.9 73.4 3.3 由表 2.4 可以看到在控制 回弹变形为 0.6mm 的情况下， 土基模量较控制回弹变形为 0.3mm 的情况平均减小了 26。 为研究土基回弹模量的变化对基层厚度的影响，下面拟定一种结构层，土基回弹模 量按表 2.4 中的平均值选取，通过变化土基回弹模量，计算土基回弹模量的变化对基层 厚度的影响，计算结构见表 2.5。 表表 2.5 土基模量变化对基层厚度的影响表土基模量变化对基层厚度的影响表 结构层形式 三层体系 四层体系 五层体系 六层体系 累计当量轴次 106107次 106107次 107108次 107108次 基层厚度变化 0.51cm 0.51cm 0.461cm 0.490.56cm 土基微小的变化会带来结构层 0.51cm 的厚度变化， 可见合理确定土基模量值对水 泥混凝土路面设计具有重要意义。 根据上述分析，推荐路基土回弹变形的范围为 0.6mm，即在野外用承载板法测定路 基回弹模量时，取回弹变形小于 0.6mm 的点用线性归纳法计算土基回弹模量。 长安大学硕士学位论文 15 2.2.2 半刚性材料设计参数研究 道路设计是整个公路工程建设中至关重要的环节，路面材料的回弹模量、强度等是 路面结构设计的核心参数，其取值的合理性，决定了公路的使用寿命和公路建设成本。 目前， 对于半刚性材料设计参数的取值， 不是通过实测而依靠查规范推荐值来确定， 其准确性不能有效保证。 本文在对二灰稳定碎石和水泥稳定碎石两种半刚