重载水泥路面设计规范研究

重载水泥路面设计规范研究

长安大学二OO

二年十月二十二日主要研究内容1我国重载公路交通状况调查分析2重载水泥混凝土路面应力分析与疲劳关系研究3重载作用下路用材料特性及设计参数研究4重载水泥混凝土路面设计方法5重载作用下贫混凝土基层水泥混凝土路面研究

6重载水泥混凝土路面实验路验证7规范条文1我国重载公路交通状况

调查分析

1.1重载道路轴重情况

1.2重载轴载分布情况综述

1.3本部分结论

1.1重载道路轴重情况

为了进一步了解重载道路的交通特性，对当前道路交通及轴载分布情况状况有个较为全面的认识，并为新的重载道路路面设计方法的提出提供依据，课题组通过轴载调查和轴重测试，收集了国内典型重载道路的交通、轴载资料，对其进行整理分析并绘出了轴载分布图。

1.1.1郑常线

郑常线是焦作地区晋煤外运最繁忙的一条路线,交通量大,超载现象严重,现有郑常公路詹泗段上设有北贾桥连续式交通量观测站,历年的交通量观测结果见下表。表1北贾桥观测站历年交通量数据

数量年（辆）分类1990199119921993199419951996汽车绝对2402393153645971775193139972汽车折算2606416755065685725787888901混合折算3092491562566460824396839539从表1中数据可见,郑常公路詹店至泗沟段汽车交通量增长十分迅速,1992年～1996年年均增长率高达16.8%,据1995年、1996年部分观测资料表明,昼夜汽车交通量高达一万辆以上的观测日已不鲜见。表2郑常公路“OD”调查点交通量数据

调查点车型观测量年均日交通量小货中货大货拖挂小客大客1点绝对58115443253305210756284248732折算581154432549581054562902493542点绝对4481716143330540965261023410608折算448171614349582048526935897003点绝对5279554233395215550179568247折算5279554235093107750185768889从上表中1995年“OD”调查数据表明,北贾桥观测站昼夜交通量汽车绝对数为10233辆。通过加权平均求得郑常线相应路段日交通量为9072辆中型标准车／日,换算成年平均日交通量为9403辆中型标准车／日。

表3实载率表

车型分析对象小货中货大货拖挂货车平均詹泗路南半幅0.840.780.972.221.95詹泗路北半幅0.520.350.200.130.18整个通道0.610.590.651.050.9

从整个通道实载率分析结果来看,通道内运输十分繁忙,货车平均实载率高达0.9,这主要是因为货车严重超载而导致的。特别是拖挂车,平均实载率高达1.05。据实地调查,许多拖挂车实际载重超过额定吨位1～2倍,由此可见通道内运输量之大,车辆超载十分严重。从詹泗路南北半幅实载率分析结果可以看出,两半幅货车实载情况相差较大,南北半幅货车平均实载率分别为1.95和0.18,而拖挂车尤为明显,实载率分别为2.22和0.13。因此,在路面设计过程中,对南北半幅的结构可分别设计。

表4车型比例表

车型分析对象小货中货大货拖挂货车平均小客大客客车平均詹泗路南半幅7.8112.556.4652.0784.159.476.3815.85詹泗路北半幅8.2013.316.1452.7483.4610.496.0516.54整个通道12.8617.996.2432.6074.4217.568.0225.58从上表中可以看到，整个通道内车型比例来看,拖挂车比例最高,为32.60%,客货车比例分别为25.58%和74.42%。而詹泗路货车比例则为83%以上,尤其是拖挂车,竟高达52%,这一数据充分说明了郑常线是一条大交通量的重载运输干线。

表5詹泗路车型比例表车型二轴车三轴车四轴车五轴车总计比例(%)39.685.4347.777.12100上表中对南半幅重车道测试时间为48小时,可见,詹泗路拖挂车(四轴车和五轴车)占机动车总量的比例高达54.89%,与1995年“OD”调查所得的52.07%十分接近,说明调查结果是比较准确的。另外,拖挂率的多少反映了一条道路上货物运输的繁忙程度,詹泗路上大于50%的拖挂率表明了它是一条运煤车辆十分集中的重载道路。图1詹泗路车重分布统计图2詹泗路二轴车车重分布统计图3詹泗路三轴车车重分布统计图4詹泗路四轴车车重分布统计图5詹泗路五轴车车重分布统计图6詹泗路单轴轴重分布统计图7詹泗路双轴轴重分布统计

我国规定的汽车限重见表6。单轴限值为10t，双轴限值为18t。由上图实测结果可以看出，单轴超过10t的车超过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%，超载比例更大，最大双轴重超过50t。超载的数量及程度都远比以前超载研究的情况要大，实际调查中也发现，这些超载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。表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16全挂44单轴610三轴24半挂42双联轴1018四轴28集装箱44半挂三联轴1221.5集装箱半挂双联轴201.1.2其他道路１晋博线

图8单轴轴重分布

图9晋博线双轴轴重分布

晋博线上单轴轴重＞10t的轴数占单轴总数23.96%,双轴轴重＞20t的轴数占双轴总数的56.39%。其中单轴最大轴重超过25t，双轴最大轴重超过50t。

２

107国道耒宜段

通过动态称重设备（WIM）在湖南省耒宜段的三个测试点宜章、良田、油市调查双向行车道上实际通过的轴次和轴重，其轴载谱如下图所示。

图10(a)良田测点轴载谱

图10(b)油市测点轴载谱

图10(c)宜章南测点轴载谱

图10(d)耒宜段平均轴载谱

对轴载谱调查资料分析可知，轴重大于13t的轴数占有效轴数（轴重大于2.5t的为有效轴数）的22％，其中大于19t的占2％左右，17~19t的约占4％~6％左右，15~17t的约占6％~7％左右，13~15t的约占8％~10％左右，说明重载轴数的数量相当大。

1.1.3河北省主要干线公路

用HDS-1型涵式轴重仪进行车辆轴载测试，测试结果整理如下图所示

图11(a)中型货车轴载谱

图11(b)大型货车轴载谱

1.1.4国道109线孙启庄－大同段轴载分布

国道109线孙启庄－大同段高速公路是晋煤外运的主要通道之一。为获得较为详尽的交通资料，在交通量观测的同时，对各类车辆的轴型和轮型进行了分类登记，并利用煤检站的地磅对各类车辆的轴重进行了抽样测定。对收集资料整理可得出该段道路轴载谱如下图所示。图12(a)单轴单轮组车辆轴重分布图

图12(b)单轴双轮组车辆轴重分布图

图12(c)单轴车辆轴重分布图

图12(d)双轴双轮组汽车轴载分布图

由交通量观测可知，单后轴单轮组的轴重达到102kN，单后轴双轮组的轴重达到234kN，双后轴的轴重达到410kN。同时由轴载谱可以看出，轴重分布频率出现三个峰值：（1）单轴双轮组的峰值出现在轴重级位为156kN~165kN级位处，其轴数占该组的54.90％，主要是双后轴红岩车的拖车。（2）单轴单轮组的峰值出现在轴重级位为76kN~85kN级位处，其轴数频率占该组的51.20％，主要是红岩和东风153车的前轴及解放141车的拖车。（3）双轴双轮组的峰值出现在400kN~420kN级位处，轴数频率达到96.92％，主要是红岩双后轴车。

1.1.5天津市津围公路轴载分布情况

图13(a)津围公路车辆轴载分布图

图13(b)津围公路车辆轴载分布图（天津方向）

由调查及观测结果可知，单轴轴重在10t以上的占31％；13t以上的占22％，其中上下行轴载分布极不均衡，由蓟县向天津方向车道轴重在10t以上的占53％，13t以上的占38.6％，而由天津向蓟县方向车道轴重10t以上的仅占5.4％，13t以上的仅占2.7％。1.1.6上海15条干线公路轴载分布情况

1998年4~9月间，选取了上海市具有代表性的15条干线公路进行了车辆组成情况调查和轴载称重测定。15条干线公路包括主要国道和省市干线，是上海市重要的出入境道路及境内主干线，以及通往大型厂矿和集装箱码头的大件运输路线，重和特重交通所占比重较大。测定结果整理如下。表7上海市15条干线公路货车装载情况车型1＋11＋21＋1*S11＋1*S21＋2*S21＋2*S3空载车的比例（％）29.536.243.342.635.6－超载车的比例（％）37.628.544.721.724.333.3平均装载率（％）86.466.277.661.564.3144.3最大装载率（％）380.0195.6256.5201.55193.8277.2由上表可看出超限车比重一般在20％~45％的范围内，其中三轴半挂车的比重最大，接近45％，其次是单后轴整车，超过37％。从该表还可看出各车型的最大装载率可达200％以上，其中单后轴的最大装载率高达380％。

表8上海市15条干线公路上货车超限情况车型1＋11＋21＋1*S11＋1*S21＋2*S21＋2*S3测定车辆样本数（辆）4136617065243总质量超过40t的比例（％）－－－2012.566.7单轴质量超过10t的比例（％）20.8－21.3616.9－－双联轴质量超过18t的比例（％）－54.5－18.562.533.3三联轴质量超过22t的比例（％）－－－－－66.7由上表可看出上海市干线公路上货车超限行驶的现象相当严重，超限车的比例约在20％以上。总质量超限的情况发生在4轴和4轴以上的半挂车车型；单后轴质量超限的情况主要出现在单后轴整车和3轴半挂车车型；双联轴质量超限发生在双后轴整车和4轴以上半挂车车型。

图14(a)上海15条干线公路1＋1型货车后轴轴载谱

图14(b)上海15条干线公路1＋2型货车后轴轴载谱

1.1.7湖北襄樊重载道路轴载组成调查

图15(a)车重分布图

图15(b)二轴车车重分布图

图15(c)三轴车车重分布图

图16(a)单轴轴重分布图

图16(b)双轴轴重分布图

1.1.8河南豫31线重车现状其中车型代号表示如下：1为单轴单轮胎、2为单轴双轮胎、3为双联轴。比如123型货车，具体车轴情况依次为：单轴单轮胎、单轴双轮胎以及双联轴。各车轴限载值如下：1型轴限载值为6吨，2型轴限载值为10吨，3型轴限载值为18吨。①11型货车轴重组成11型货车限载为12吨，此次共调查37辆，全部存在超载现象，其中，最大超载为144.8%，单轴次最大超载为217.7%。

②

1111型货车轴重组成

1111型货车限载值为24吨，此次调查此类车31辆，其中有9辆存在超载现象，超载车辆占调查车辆的29.0%，单车最大超载率为62.9%，单轴最大超载率为148.7%。

③12型货车轴重组成

12型货车限载为16吨，此次调查这种车辆177辆，有142辆车超载，超载车辆占调查车辆的80.2%。其中，最大单车超载率为100.9%,6吨轴最大超载率为160.7%，10吨轴最大超载率为63.8%。

④1211型货车轴重组成

1211型货车限载值为28吨，此次共调查162辆，其中有65辆车超载，超载车辆占调查车辆的40.1%，最大单车超载率为49.9%，6吨轴最大超载率为65.7%，10吨轴最大超载率为144.8%。

⑤二轴车轴重组成

此次调查的车辆中，共有二轴车294辆，其中有246辆车存在超载现象，超载车辆占二轴车总量的83.7%。

⑥

三轴车轴重组成

此次调查的车辆中，共有三轴车60辆，其中有56辆车存在超载现象，超载车辆占三轴车总量的93.3%。

⑦

四轴车轴重组成

此次调查的车辆中，共有四轴车447辆，其中有329辆车存在超载现象，超载车辆占四轴车总量的73.6%。

⑧单轴单轮胎型后轴超载情况表

超载率（%)小于20%小于40%小于60%小于80%小于100%小于150%小于200%大于等于200%实重（KG)小于7200小于8400小于9600小于10800小于12000小于15000小于18000大于等于18000轴数7260646060606060百分比(%)19.519.519.519.519.519.519.519.5图17单轴单轮胎型后轴超载分布图

规范上规定，单轴单轮胎型轴重限载值为6000kg，但附表中显示，实际情况为单轴单轮胎轴重最大已达13460kg,超载率为224.3%。从上边图表中可以得出，超载率超过100%的已占总数的21.1%之多，超载率超过40%的已占总数的62.8%。

⑨单轴双轮胎型后轴超载情况表

超载率（%)小于10%小于20%小于30%小于40%小于50%小于60%小于70%大于等于70%实重（KG)小于11000小于12000小于13000小于14000小于15000小于16000小于17000大于等于17000轴数14582736757312212百分比(%)29.816.91513.811.76.44.52.5图18单轴双轮胎型后轴超载分布图

规范规定，单轴双轮胎型轴重限载值为10000kg,但豫31线上的此类货车最大轴重已达19340kg,超载率为93.4%，而且超载现象普遍。从上边图表中可以得出，超载率超过50%的占总数的13.4%，超载率超过30%的已占总数的38.9%。⑩双联轴型后轴轴载谱

超载率（%)小于10%小于20%小于30%小于40%小于50%小于60%小于70%小于80%实重（KG)小于19800小于21600小于23400小于25200小于27000小于28800小于30600大于等于32400轴数222420917724百分比(%)2122.9198.616.26.71.93.8图19双联轴型后轴超载情况表双联轴型后轴限重为18000kg，但豫31线上通过的双联轴型货车双联轴轴重最大已达32260kg，超载率为79.2%。从上边图表中可以得出，超载率超过50%的占总数的12.4%，超载率超过30%的占总数的37.2%。1.2重载轴载分布情况综述

由以上几条道路的轴载组成情况可知:单轴轴重大于10t的比例在20％～80％之间，某道路甚至达到100％；大于13t的约占22％～42％；轴重在15t～20t的约占12％～42％；大于20t的约占8％左右；单后轴最大轴重达到25t。双后轴轴重大于18t的约占44.2％～96％，最大双后轴轴重达到50t左右。本部分结论1.由以上调查可以看出，超载情况在全国是一种普遍现象，其道路性质一类是运煤路，如山西及其周边省市；一类是厂矿、建材运输等道路。

2.超载严重车辆几乎均进行了改装，主要有加高、增加弹簧钢板、更换高强轮胎甚至换轴，最高轮胎内压有的车辆高达1.2Mpa。

3.在所调查重载路上，超载率均很高，重车方向超载率一般在50%～80%，有的路更高，几乎达到100%。4.典型重载路超载程度平均超载率为50%～70%，近年，限重管理较严格道路有较大幅度下降。

5.不少道路单轴超过10t的车超过20%，有的高达40%，还有一定量单轴超过20t。

6.超过20t的双轴比例更大，约为50%～80%，有的路段几乎达到100%；最大双轴重超过50t。总重超过100t的车亦为数不少。

2重载水泥混凝土路面应力分析与疲劳关系研究

2.1重载应力分析

2.2大应力比疲劳实验与疲劳方程

2.3重载水泥混凝土路面的轴载换算

2.4本部分结论

2.1重载应力分析（常规应力）2.1重载应力分析（重载应力）

单轴单轮的轮压分别为0.5和0.8MPa时，A值的差异已达到60%以上，说明轮压是影响荷载应力关系的一个不可忽视的参数，因而在原有的关系中加入轮压p的参数（指数t）补充：其中的t值反映了相同轴载条件下轮胎的变化对产生荷载应力的影响荷载应力公式回归系数轴型AmntsR单轮单轴1.86120.75440.69250.38560.04010.9992双轮单轴0.67140.84140.79180.26660.04460.9989双轮双轴0.37000.75660.82230.00820.04080.9991双轮三轴0.26940.75140.85600.01970.03630.9988表12.2大应力比疲劳关系研究

大应力比疲劳实验通常在N于～范围内得出线性疲劳方程：

S=（３）式中：——反复应力最大值；

——混凝土的弯拉强度；

——疲劳试验确定的系数。式（３）所示的疲劳方程，是在低应力保持不变（等于或接近于0）而施加不同级位高应力的循环加荷情况下得到的。84规范

浙江省交通设计院采用疲劳实验结果，提出了未考虑高低应力比R的单对数疲劳方程：（4）该疲劳方程不能反映高低应力水平不同或者说应力级位不同对疲劳方程的影响，既不能反映不同级位轴载对路面疲劳损伤作用程度上的差异。

94规范

同济大学采用不同低应力进行了混凝土的弯曲疲劳试验，运用回归分析方法，对试验结果进行统计分析，得到如下式所示的双对数形式的疲劳方程：

lgS=lga-0.0422(1-R)lgN（5）式中：a—回归系数。现行水泥混凝土路面设计规范中所采用的疲劳方程即在此基础上提出来的。

重载疲劳实验

针对超重载车辆的交通特性、路面受力状况，对超重载所引出的高应力水平时的水泥混凝土弯曲疲劳特性进行了研究，以建立同样也适用于超重载的水泥混凝土路面的疲劳方程。实验分两阶段进行：

第一阶段为应力水平在0.85～1的大应力疲劳实验。

第二阶段为应力水平在0.75～0.85之间的疲劳实验,以期建立全应力范围内的疲劳方程。应力水平R=0.85～1的大应力比疲劳实验

试验成型梁试件77根，立方试块21个。全部试验分两部分：静力试验和疲劳试验。 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。疲劳试验在MTS850材料试验机上进行，实验中梁试件应力水平分级如表2-5所示。试验施加的动荷载为正弦荷载，当应力水平S≤0.90时荷载作用频率为1.5Hz。各种加载状态下混凝土梁试件根数

表16高低应力比R施加应力水平S0.850.900.9250.950.97510.0825332

0.202582

10.5034664

高低应力比R应力水平S疲劳寿命N高低应力比R应力水平S疲劳寿命N高低应力比R应力水平S疲劳寿命0.080.854920.200.902110.500.9068768230.92526570.90290.925584349138178286431210000*26212210.92565519*0.95286505221743184790.9510.9561653214374*117780.97540.500.85313660.975250.200.85520642005396*2035640150.9021060.909330*71515000*

1291061

疲劳试验结果

表17

应力水平R=0.85～1的大应力比

疲劳实验

疲劳方程为：

lgS=lga-b(1-R)lgN疲劳方程回归系数值ρ

0.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50a0.9530.9861.0111.0271.0331.0341.0361.0381.0381.020b0.06010.05370.05480.05350.05050.04660.04430.04210.04020.0388表18结果应用分析

本次实验所得疲劳方程主要是针对超重载作用下的大应力比提出来的，其适用范围为应力比R在0.85～1之间。但该疲劳方程很难与规范疲劳方程实现在高应力水平与常规应力水平间的平滑衔接。针对此问题，本研究开始第二阶段的疲劳实验研究，以期建立全应力水平的疲劳方程。

应力水平R=0.75～0.85的大应力比疲劳实验

试验成型梁试件5批80根，立方体试块15个，每批试件平均抗压与平均抗折强度如表19。

各批试件平均抗压强度与平均抗折强度表19批号12345R(MPa)36.5739.3235.4338.1536.07Ra(MPa)5.826.305.436.155.68疲劳试验施加的动荷载为正弦荷载，荷载作用频率当应力水平S>=0.85时为1Hz，当S<0.85时为20Hz，循环特征值同前实验。疲劳试验在MTS850材料试验机上进行，试验时，调节MTS上﹑下限荷载，待示值稳定后即进行交变加荷，交变幅度为Pmin至Pmax。高低应力比R应力水平S疲劳寿命N高低应力比R应力水平S疲劳寿命N高低应力比R应力水平S疲劳寿命N0.08

0.70263760.080.852560.200.77531524537893730.979400000*0.9541310.7533360.200.8516720.50.9579637820940.9235165150.82513739671945235410.854359211800*554252740.77568471083120831105030.8032730.8350370.8629687870924172315280772543341743740134400.7757852971000.775792121243420.8253266163553071209510351911623疲劳试验结果

表18实验结果分析

通过对比可发现二次曲线疲劳方程对数据的拟合优于线性疲劳方程。即说明曲线疲劳方程比线性疲劳方程更符合材料的实际受力状况。由实验数据，通过数理统计、回归分析整理可建立保证率为50%时在全应力范围内直线和二次曲线疲劳方程，分别如式8、9所示。并在此基础上进行轴载换算公式的研究。

疲劳方程（直线方程）（二次曲线方程）线性方程回归系数

表21失效概率回归系数A回归系数b相关系数R0.05-0.0220.04040.9450.10-0.00760.04090.96610.150.00310.04150.97430.200.01030.04180.9780.250.01540.04190.98020.300.02060.04210.98120.350.02480.04220.98130.400.02860.04230.98080.450.03190.04230.97990.500.0350.04230.9785

二次曲线方程回归系数

表22失效概率回归系数A回归系数b回归系数c相关系数R0.05-0.00210.0296-0.03120.94940.10-0.00190.03-0.0190.96990.15-0.00160.0315-0.00890.97690.20-0.00150.0319-0.00250.98040.25-0.00150.03170.00160.98260.30-0.00140.03230.00660.98330.35-0.00130.03260.01050.98320.40-0.00130.03270.01390.98260.45-0.00130.03270.01670.98170.50-0.00130.03260.01920.9803现行轴载换算公式

（10）式中：Pi——轴载（KN）；

Ps——标准轴载（KN）；Ni——轴载PI的作用次数；——轴数系数；2.3重载水泥混凝土路面轴载换算公式的建立

依据二次曲线疲劳方程，建立轴载换算公式，解决了不同应力水平下的轴载换算问题，在实际应用中，可对超重载路面进行合理的设计。

某二级公路采用水泥混凝土面层，地基计算回弹模量E=120MPa，板厚取20cm，温度应力取为1.0Mpa，则140KN单轴双轮组荷载换算为标准荷载为：(1)按现行规范换算关系(2)按大应力比换算关系三种轴载换算关系对比（1）三种轴载换算关系对比（2）(3)按二次曲线换算关系则取，则

，

根据疲劳方程（14）把系数代入式（14），则得到对比分析

事实上把做为因变量，把作为自变量，对式（14）进行求导，则（15）则Y即为S在各不同点的导数值，而的变化在1到10或者更大，故Y的变化区间为（0.0352，0.0586），所以换算关系的次数变化为14至26或者更大，而前面所用到的16次方或19次方只是适用于其中某一点的应力水平。

2.4主要结论

1.在既有全部疲劳试验数据的基础上，通过对疲劳方程合理形式的分析，指出现规范所采用的直线双对数疲劳方程的不足，并建立了全应力水平范围的二次曲线形式的疲劳方程。

2.根据二次曲线疲劳方程，轴载换算关系则要根据板厚，所换算轴载的级位，温度应力的大小，及地基模量等因素综合确定，建立轴载换算公式，其关系式在保证率50％情况下为：3重载作用下路用材料特性及设计参数研究

3.1路用材料应力应变非线性分析

3.2重载作用下土基与半刚性材料设计参数

3.3重载水泥混凝土路面设计参数许多实践证明，公路、城市道路及机场路（道）面中的土基、基层材料在行车荷载到作用下，其应力－应变（荷载－变形）均表现为非线性性质，因而其回弹模量不是常数，依赖于材料的应力状态，即土基、基层材料在路面结构中到实际回弹模量值，随车辆荷载大小、路面结构层组合、层位及毗邻结构层的刚度而异；

本部分在已有研究结果的基础上，着重以下几方面的研究：1、重载交通作用下，路用材料的应力应变（σ-ε）的非线形分析；2、半刚性基层材料应力－应变试验分析；3、重载作用下土基与半刚性材料设计参数研究；4、重载交通作用下，水泥混凝土路面基层顶面当量回弹模量增长系数的分析研究。

3.1路用材料应力应变非线性分析

1、土基应力应变非线性分析

应力依赖模型：2、粒料类材料应力应变非线性分析

应力依赖模型：3、半刚性材料应力应变非线性分析应力依赖模型：半刚性材料承载板试验应力应变回归结果表24材料回归系数相关系数R显著性检验A（10－4）M碎石灰土5.03851.02910.9999极高度二灰碎石4.73281.05430.9988极高度二灰砂砾3.61661.00260.9940极高度水泥砂砾1.46060.99680.9998极高度

二灰砂砾三轴试验应力应变回归结果表25材料侧压力（Mpa）回归系数相关系数R显著性检验A（10－4）M二灰砂砾0.213.3261.0380.9976极高度3.2重载作用下土基与半刚性材料设计参数研究

1、土基重载设计参数研究

现行沥青路面设计规范取1.0mm回弹变形计算土基回弹模量，这与半刚性路面下土基实际变形情况有较大的差异。因此，在1991年进行土基承载板试验时取对应于回弹变形0.3mm的回弹模量作为土基回弹模量。但在重载情况下，轴重在10T以上的情况下，回弹变形已经大大的向后延续了，根据试验路的测试及襄樊地区的调查资料,确定回弹变形为0.6mm作为重载土基回弹模量承载板法的界线。由数据可以表明在控制回弹变形为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2～6％。

为确定重载作用下路面的回弹变形情况，对试验路沥青面层采用后轴重为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：

弯沉测试表表26

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七10T17.17920.61232.75526.13121.85726.24320.65214T28.25430.55537.56729.79139.56933.98536.87718T30.07849.78953.57838.95345.59551.81841.162下图是在随南路测定的弯沉－荷载曲线关系图。图25弯沉-轴重曲线图控制不同回弹变形情况下地基回弹模量比较表

回弹变形测点1.0mm0.3mm0.6mm0.6mm较0.3mm的减小量198102.6100.52.01％273.670.368.42.7％353.855.854.92.7％456.459.457.43.4％581.391.586.45.6％平均值72.675.973.43.3％表272、重载材料参数推荐值

根据大量的二灰碎石小梁及水泥碎石小梁试验数据，建议重载作用下水泥稳定类材料设计模量值取试验测得回弹模量值的80％左右；二灰稳定类材料取试验测得模量的85％左右。

根据实际试验结果来分析，试验测得应力应变数据如下表。试件编号强度（MPa）应力级位模量值（MPa）减少量（％）10.330.5S280030.90.79S193620.460.5S357114.10.8S306730.360.49S311412.30.76S273040.520.47S378017.60.78S311550.350.51S295825.40.83S220660.390.49S406618.00.77S333370.480.51S351016.10.77S294480.440.5S364013.60.84S314590.30.55S297820.00.77S2321二灰碎石应力应变试验结果表28二灰碎石应力应变试验结果分析

上述试验结果反映的是二灰碎石小梁在荷载从极限强度的50％左右变化到极限强度的80％左右时，梁的回弹模量都有了不同程度的减小，减小量的平均值为18.7％。

水泥碎石应力应变试验结果

试件编号强度（MPa）应力级位模量值（MPa）减少量（％）10.390.6S462421.3076S364020.810.5S615719.030.8S498530.650.55S505321.70.82S395940.500.47S421118.030.825S343850.680.52S544218.760.78S442160.670.53S520119.70.79S417770.560.53S453523.860.84S345380.540.44S471621.880.82S368490.60.49S526423.40.79S4031水泥碎石应力应变试验结果分析上述试验结果反映的是水泥碎石小梁在荷载从极限强度的50％左右变化到极限强度的80％左右时，梁的回弹模量都有了不同程度的减小，减小量的平均值为20.8％。可见，半刚性材料的这种非线性的变化对路面结构设计会有很大的影响。

推荐结果

由于试验测得模量的离散性较大，根据上述分析，建议重载作用下水泥稳定类材料设计模量值取试验测得回弹模量值的80％左右；二灰稳定类材料取试验测得模量的85％左右。

3.3重载水泥混凝土路面设计参数研究

1、n值的变化当地基的当量回弹模量较大，一般情况下，大于200的时候，规范中的将会出现小于1的情况，不能够反映模量修正的意义，反映不了对其修正的目的，反而有一种错误的概念，好像随着地基模量的增大，混凝土板的承受荷载的能力降低了，对于n值的变化可以参见分报告3。

1984年规范公式：（21）1994年规范公式：（22）同济大学推荐半刚性基层混凝土路面计算公式：

（23a）

（23b）2、重载作用下模量增长系数的修正

重载作用下，考虑地基（基层、底基层、垫层、土基的综合体）受力与变形的非线性特性，则模量增长系数需要进一步的修正变小，修正后n’＝kn

其中：k与轴载有关，关系式如下：

K与P之间的关系见下表：P(KN)120130150180200K0.87150.81040.70570.58480.5803P(KN)250300350400K0.0730.32810.27230.23034重载水泥混凝土路面设计方法

4.1重载界限

4.2超载率标准

4.3交通参数

4.4设计使用期内交通量年平均当量轴次增长率γe

4.5方向系数

4.6土基及材料参数

4.7疲劳应力系数

4.8n值的变化

4.9重载应力分析

4.10规范公式与建议公式的比较

4.11重载结构要求

4.12重载水泥混凝土路面设计流程与算例4.1重载界限

1、绝对轴载标准一次荷载作用即导致面板破坏，允许的最大轴重（单位：KN）（见下页表）

一次荷载作用下路面板允许的最大轴重（单位：KN）

板厚cm轴型模量比Ec/Ect

20018016014012010024单后轴247.1255.0264.1274.8287.7303.8双后轴593.5616.7643.7675.8714.9764.026单后轴279.3288.2298.5310.6325.1343.3双后轴663.1689.1719.3755.1798.7853.6板厚cm轴型模量比Ec/Ect

20018016014012010028单后轴312.7322.7334.2347.8364.1384.4双后轴734.8763.6797.1836.8885.1945.930单后轴347.5358.6371.4386.4404.6427.1双后轴808.6840.2877.0920.7973.91040.832单后轴383.5395.7409.8426.4446.5471.4双后轴884.2918.8949.11006.91065.11138.22、不同应力水平与不同面层厚度下的重载界限（KN）

（1）、S=0.50时，（2）、S＝0.60时，（3）、S＝0.70时，（4）、S＝0.80时，

不同应力水平与不同面层厚度下的重载界限（KN）

应力水平厚度5060708024179.4223.7269.4316.726202.7252.7304.5357.928226.9282.9341.0400.930252.0314.3378.9445.532278.0346.9418.1491.84.2超载率标准

单轴:大于100KN轴载

>15%；双轴:大于180KN轴载

>30%。

4.3交通参数

轴载换算公式的选取：在面板较厚、应力水平较低的情况下，规范轴载换算公式与曲线轴载换算公式换算结果非常接近，由于曲线轴载换算公式涉及因素较多，和通常的设计思路不相符，我们可近似采用规范方法进行轴载换算。而对于现有路面在特重荷载作用下的损坏评估，由于路面较薄、轴载较大，建议采用曲线轴载换算公式进行轴载换算。

二次曲线公式换算系数

轴重（kN）换算系数N1N2N3h=18(cm)h=20h=22h=25h=284000000005000000006000000.0010.0010.001700.00300.0020.0030.0050.0070.009800.0280.0080.0190.0260.0330.0420.051900.1850.1050.1470.1720.1940.2190.2410011111111105865544120184935252015131306727418110977534114021813409014522821731231506575866428717769805323481601845233441970566843252155993917048668542988276242351035243802430180121442902903885888516331799118496051190288449232661693846291596946893100214572200655362767209736820697743627441478737340472101430577861274322447643221515776728194715774092203011362127381414321321610482570215400047015817170723061326155077688652058688338068365869054111110637243124012116581369369283080156928108476160157528552575501791450不同轴载换算公式对板内应力水平的影响

为比较几种轴载换算公式的不同，取标准轴载为100kN，混凝土面板抗折强度为5.0Mpa，温度应力为1.0Mpa，分别利用现行规范轴载换算公式及文中所提出的基于线性和曲线疲劳方程的轴载换算公式计算不同面板厚度、轴载在40~240kN范围内的荷载应力、应力水平及轴载换算系数，计算结果见下图。

图37不同面板厚度时应力水平s对比图

备注：N1代表基于现行规范轴载换算公式的换算系数；N2、N3分别代表基于本文所提出的由线性及曲线全应力疲劳方程所建立的轴载换算公式的换算系数。

不同面板厚度时N3换算系数对比

由上表及图37可看出，应力水平随轴重增加而增大，面板越薄，应力水平增加的幅度就越大。面板厚度h=18cm时，轴载超过130kN应力水平大于0.7，处于高应力水平状态，轴载为190kN时应力水平大于1，也即当轴载大于190kN时，轴载作用一次面板即出现断裂破坏。随着面板的增厚，大应力水平区间出现点也随之推后，h=20cm时，应力水平大于0.7的轴载点为170kN；h=22cm时轴载点为210kN；h=25cm、28cm时没有出现大应力水平区间，轴载作用下面板处于小应力水平状态。

图38不同面板厚度时的N3换算系数对比图

图39面板厚度h=18cm时三种轴载换算公式换算系数对比图由图39可看出，面板厚度较薄时，基于现行规范的轴载换算系数变化较平缓，文中所提方法随轴重的增加变化幅度较大。当轴重P<170kN时，N2、N3比较接近，N2略大于N3；轴重P>170kN时，N3随着轴重的增加而急剧增加，N3远远大于N1及N2。这是因为面板厚度较薄时，重轴载所产生的疲劳损坏作用越大，其所处的应力水平也很高。而N1没有考虑重载因素，低估了超重载的疲劳损坏作用；N2虽考虑了重载因素，但仅考虑了某一点应力水平，对重载因素估计不足，也同样低估了超重载的疲劳损坏作用。图44面板厚度h=28cm时三种轴载换算公式换算系数对比图图45面板厚度h=28cm时N1、N3换算系数对比图厚板时不同方法换算系数

由图44、45可知，当面板厚度h=28cm时，N1、N3比h=25cm时更为接近，此时N1略高于N3，这是由于面板所处应力水平更小的缘故。同h=25cm，当轴重很大时，N2远远大于N1和N3，N2过高估计了重载对路面的疲劳损坏作用。

4.4设计使用期内交通量年平均当量轴次增长率γe

交通量年平均增长率γ和年平均当量轴次的增长率γe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，γ与γe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。

当量轴次增长率γe和交通量增长率γ对照表

表33路线名称魏樊路国道207新樊路寺沙路郑常线新济线洛常线交通量增长率γ（％）12.4318.8910.610.9116.811.5711.9当量轴次增长率γe（％）19.4725.8818.119.2128.7219.6223.5

4.5方向系数

对于常规道路，通常情况下方向系数取为0.5，进行道路结构设计时通常不予考虑分方向分车道设计。而对于重载道路而言，根据交通量调查和轴载测试可以发现,在重载道路上往往会发生两个方向机动车交通量大致相等,而累计标准轴次相差很大的现象因此需要根据实际情况确定方向系数。4.6土基及材料参数

对于重载水泥混凝土路面，由于在重载作用下应力工作区间后延，模量值变小，所以对刚性路面基层顶面计算回弹模量值也有所变小。4.7疲劳应力系数4.8n值的变化

对n值的修正：

K=0.87(120KN)---0.23(400KN)P=200KN时，K=0.584.9重载应力分析

对现行的荷载应力计算公式进行修正，应用有限元程序重新计算板边缘最大纵向荷载应力，重新标定各系数值。（见下页表）计算荷载应力公式回归系数表

轴型AmnS单轮单轴0.95260.70670.88110.02双轮单轴0.33140.86150.90520.02双轮双轴0.17980.84280.89260.024.10规范公式与建议公式对比为比较规范应力计算公式与所建议应力计算公式的差异，选取不同的计算参数、面层厚度和轴重，分别按规范回归系数表5-1与表5-2中的回归系数计算相应的板边缘荷载应力值，计算结果如下表所示。

车型轴重（kN）规范公式建议应力公式

l=50l=100l=50l=100h=20h=25h=20h=25h=20h=25h=20h=25单轴双轮组801.470.942.441.561.270.812.311.481001.761.132.941.881.561.002.831.811202.051.313.422.191.841.183.342.141402.331.493.882.482.111.353.842.461602.601.664.332.772.381.534.332.771802.861.834.783.062.651.704.823.082003.122.005.213.342.921.875.303.392203.382.165.643.613.182.035.783.702403.632.326.063.883.442.206.254.00双轴双轮组1200.960.621.781.140.870.561.561.001601.220.782.241.441.130.722.021.292001.460.932.691.721.380.882.471.582401.691.083.111.991.621.042.901.862801.911.223.532.261.861.193.332.133202.131.363.932.512.091.343.752.403602.341.504.322.762.321.494.172.674002.551.634.703.012.551.634.582.93规范荷载应力公式与建议荷载应力公式计算结果比较表表364.11重载结构要求

面板厚度：Hmin=26cm

抗弯拉强度不小于5MPa

抗弯拉弹性模量不小于38MPa

其他构造要求与特重交通相同。

4.12重载水泥混凝土路面设计流程软件界面图设计示例

示例：S101郑吴线台前至吴坝段水泥混凝土路面结构设计；本示例分别按常规与重载两种方法计算。

（见总报告68---73页）5.重载作用下贫混凝土基层水泥混凝土路面研究

5.1重载水泥混凝土路面基层的技术要求

5.2贫混凝土性能和设计参数的确定

5.3采用贫混凝土基层的水泥混凝土路面荷载应力分析

5.4采用贫混凝土基层水泥混凝土路面设计方法研究

5.1贫水泥混凝土路面基层的优点

1．强度高、板体性好。

2．稳定性好，抗冲刷能力高

3．与面层结合良好

4．排水性好

5．传荷能力高

6．保护土基

7．早期强度高，可以为面层施工提供平整的施工平面

8．充分利用当地材料5.2贫混凝土性能和设计参数的确定

贫混凝土抗压强度指标：贫混凝土推荐模量：贫混凝土的疲劳性能：

5.3采用贫混凝土基层的水泥混凝土路面荷载应力分析

三维等参元模型的建立

建立的三维有限元模型为三层弹性连续体系，即弹性地基上的有限尺寸四边自由的单块板，采用扩大尺寸的地基模型来模拟弹性半空间体地基，在纵缝边缘有0.5m的LCB加宽。对于考虑层间作用的模型，在PCC和LCB之间设置了反映层间接触的接触单元，LCB板和地基之间完全光滑，耦合地基和LCB对应节点的z方向的自由度。荷载采用单后轴双轮组荷载，轴重100KN，作用位置在临界荷位，即纵缝边缘的中部。为了有限元计算方便，荷载作用面取为正方形，面积为0.2×0.2m.

板的平面尺寸取混凝土路面常用的5m×4m的形状。地基的边界条件为：底面固定，与底面垂直的面约束其法向位移。

层间作用对路面应力和弯沉的影响分析

本文提出用弯沉指标确定层间结合系数k。结合系数k定义为实际的弯沉盆形状系数处于结合式与分离式之间的程度，即下式：

βs－不同结合状态下的弯沉盆形状系数；β0－结合状态下的形状系数；β1－分离状态下的弯沉盆形状系数。直接加铺的结构形式对应的结合系数为0.6，双层聚乙烯为0.1，砂层为0.2，AC层为0.35

PCC与LCB层间摩擦作用状态

弯沉盆面积随摩擦系数增大，呈对数曲线形式，摩擦系数在0.1～3之间时，变化尤其明显；而弯沉盆形状系数的变化曲线呈双曲线形式，基本可以分为三个阶段。摩擦系数对上层板底拉应力影响最大，随着摩擦系数的增大而急剧减小，层间作用对PCC板底拉应力的影响远远大于LCB板底。

车辆荷载作用下的厚度优化

1、厚度优化的数学模型或约束条件：

（1）结构层最小厚度的约束

（2）路面防冻厚度的约束

（3）结构层最小强度要求的约束

（4）避免早期破坏的约束

5.4采用贫混凝土基层水泥混凝土路面设计方法研究

1、贫混凝土基层设计参数的确定：

贫混凝土的设计强度应该以实测28天的抗折强度为准，不能低于要求的最小值。

贫混凝土设计抗折强度和弹性模量

交通等级特重重中等设计抗折强度（MPa）3.53.02.5抗折弹性模量（×104MPa）2.52.01.5

设计弹性模量的确定：贫混凝土的抗折弹性模量应该以实测为准，但其测量方法既费时又不准确。因而，在无条件测量时，可以直接采用表中的推荐值泊松比：建议贫混凝土基层进行结构设计时取与普通混凝土相同的泊松比，即为0.15。

建议采用贫混凝土基层的水泥混凝土路面设计中不考虑结合式结构，只进行分离式和半结合式结构的设计。对于分离式结构，贫混凝土基层荷载应力偏差不大，不需要进行修正。对于半结合式结构，推荐层间结合系数为0.6～0.7，相应的贫混凝土基层应力修正系数ks为0.75～0.80。6、重载水泥混凝土路面实验路验证1

（湖北魏樊路）1．魏樊路的历史背景及试验路段的确定

11.1魏樊路的历史背景

11.2试验路段的确定

22．施工基本情况

22.1路段结构布置及筑路材料情况

32.2对原有水泥砼路面的处理

52.3沥青路面结构及施工

62.4水泥砼路面结构及施工

14（接上页）3．各层质量检测数据统计分析

163.1各层表面回弹弯沉

163.2基层压实度及抗压强度

173.3对检测数据的统计分析

174．防裂措施 194.1开裂原因及处理方案

194.2土工格栅处理

194.3处理后的效果

225．验收情况

22图6-2襄樊市魏樊路超载车辆试验路路面实施示意图路面结构C35水泥砼425＃中粒式沥青混凝土4cmC35水泥砼425＃中粒式沥青混凝土4cm沥青碎石8cm粗粒式沥青砼5cm沥青碎石8cm粗粒式沥青砼5cm水泥碎石26cm水泥碎石18cm二灰碎石18cm水泥碎石18cm水泥碎石26cm水泥碎石18cm二灰碎石18cm水泥碎石18cm水泥石灰综合稳定集料18cm水泥石灰综合稳定集料18cm桩号4K+900～5K＋1505K+150～4005K+400～6005K+600～8005K+800～6