[硕士]重载交通道路路面结构优化研究
硕士重载交通道路路面结构优化研究,硕士,重载,交通,道路,路面,结构,优化,研究
筑龙网 WWW.ZHULONG.COM摘要本文通过对重载交通道路路面结构的破坏原因、破坏机理进行分析,从而对重载交通路面结构的材料组成,结构类型以及使用性能进行了较为系统的研究。首先针对全国典型重载交通道路的情况,特别是对焦作地区的重载道路现状以及由于重载交通引起的路面破坏现象、原因进行了细致的调查和较为系统的研究分析,并利用H D S-2 移动式轴载仪,对现有道路的实际超载情况进行了实测,在此基础上对重载和沥青路面,进行了半刚性材料的非线性实验以及沥青路面重载车辙试验。从而对柔性路面结构提出了相应的优化设计方法及路面结构类型。通过修筑实验路段,并对使用效果详细观察,以及技术经济效果的比较,取得了一定的研究成果。该研究成果对于指导焦作地区以及同类型的重载交通地区路面结构设计和施工具有重要意义。关键词:重载交通、路面结构、优化设计、试验筑龙网 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筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究第一章绪论1 1 重载交通道路路面结构优化研究的背景及意义河南省焦作市是豫西北重要城镇,地理位置重要,交通便利,是晋煤南下和东运的主要通道。焦作地区东西向省道豫1 3、豫0 6、豫1 4 及南北向国道2 0 7、省道豫1 8 纵横贯穿整个地区,形成了以焦作市为中心,沟通各县乡并与国道3 1 0 和1 0 7 以及2 0 7 相接的公路网络。截止1 9 9 7 年底,焦作市公路里程己达1 9 1 8 公里,其中二级公路4 4 8 5 公里,三级公路3 2 1 5 公里,四级公路1 0 3 2 O 公里,等外公路1 1 6 2 公里。公路密度为0 4 6 8 公里平方公里,机动车保有量为2 6 5 4 5 辆。近年来,由于公路运输的迅速发展,许多路段“三超”(超期、超载、超负荷)现象日趋严重,与山西省相通的新济线、洛常线、郑常线尤为严重。特别是郑常线的詹泗段,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,根据目前的实际情况和交通调查分析可以看出,仅靠维修养护来保证通车,已到不采取重大工程措施难以为继的程度。近年来,随着我国经济的蓬勃发展,公路交通事业在迅猛地发展,新、改建公路工程项目在数量上比起以往任何时候都有了大幅度的增加,但是,由于焦作地区独特的地理位置(过量的超载交通)以及设计、施工方面的种种原因,使得投入巨额资金的公路往往达不到使用年限就过早地损坏,前修后坏的现象仍时有发生,造成了巨大的资金浪费。路面基层是道路的主要承重层,基层的好坏对公路的使用寿命有着重大的影响,因此有必要通过对各种类型的基层进行深入的研究,确定一个确实符合焦作地区实际的最佳结构组合并摸索出一整套成熟的施工方法、施工工艺,以指导以后的设计、施工。1 2 国内外关于重载交通的研究概况汽车超载是不少国家特别是发展中国家中普遍存在的问题,我国不少省市道路上此类现象亦相当严重,致使许多路面发生严重的早期破坏,造成了巨大的经济损失。多年来,重载问题一直是国内外道路研究者研究的重点之一。W a l t e r P K i l a r e k i 曾经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 K n o f l a c h e r 研究了卡车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;在结构研究方面,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;同济大学在中国汽车工业总公司及重型汽车工业总公司的支持下,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。以上研究为重载路面研究奠定了基础,但从机理上揭示重载对刚性路面的破坏机理,系统提出重载路面设计方法均显不足。筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究我国现行路面设计方法均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,从工程结构的安全性而苦是不能容许的。对此我国公路沥青路面设计规范(J T J O l 4 9 7)明确规定,仅适用轴重13 吨以下,对于轴重大于13 吨,现行规范尚未提及,使工程设计存在盲目性,成为导致许多路面早j 田破坏的主要原因之一。本课题针对这种亟待解决的问题,以河南焦作地区道路超载实际情况及自然地理特征为依据对焦作地区筑路材料路用性能、路面状况及主要破坏原因进行了系统地研究,利用轴重仪对超载的具体情况进行了实测,得到了可靠的超载数据;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,提出了相应的设计方法,结合以上研究对沥青路面进行了优化研究,对以上研究成果通过修筑实验路进行了验证,以望对我国重载路面设计能有所裨益。1 3 本文的主要研究内容本课题对全国典型重载道路的情况及国外研究状况进行的调研,并对焦作地区的交通状况,特别是超载情况进行了详细认真的调查,对道路现状及重载引起的破坏现象原因进行了系统的研究分析,利用高密度l I D S 一2 移动式轴重仪,对现有道路的实际超载情况进行了实测。在此基础上对重载沥青路,进行了水泥混凝土大应力比疲劳试验、半刚性材料的非线性实验以及沥青路面重载车辙的试验。通过对焦作地区交通现状的调查分析和重载交通路面破坏机理的研究,采用定额编列和成果推出的路面基层结构类型,因地制宜选择几种性能好的基层结构,即石灰土类,二灰土类、碎砾石类,按国家规范、规程、技术标准,通过室内试验,室外试槽测试,按柔性路面设计原理进行优化组合设计,然后通过试验路面铺筑进行综合测试研究,推荐最佳施工方法、机械组合,为我区推出在不同地基模量情况下,路面基层最佳结构方案,适应晋煤外运大交通量、大载重、严重超载汽车交通运输的需要。筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究第二章重载交通路面破坏机理的研究2 1 交通调查分析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表2 1。表2 1北贾桥观测站历年交通量数据年份1 9 9 01 9 9 l1 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 6汽车绝对辆2 4 0 23 9 3 15 3 6 45 9 7 17 7 5 19 3 1 39 9 7 2汽车折算辆2 6 0 64 1 6 75 5 0 65 6 8 57 2 5 78 7 8 88 9 0 1混合折算辆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 年为半幅施工半幅通车,交通盈数据仅供参考。从表中数据可见,郑常公路詹店至泗沟段汽车交通量增长十分迅速,1 9 9 2年1 9 9 6 年年均增长率高达1 6 8。据1 9 9 5 年、1 9 9 6 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。为了更准确地掌握郑常线的交通状况,1 9 9 5 年5 月河南省交通规划勘察设计院和焦作市交通局共同组织了焦作地区机动车”O D”调查,其结果见表2 2。表2 2郑常公路4 0 D”调查点交通量数据调查车型年均日点观测量交通量小货中货大货拖挂小客大客绝对5 8 11 5 4 43 2 53 3 0 52 1 0 75 6 28 4 2 48 7 3 21 点折算5 8 l1 5 4 43 2 54 9 5 81 0 5 45 6 29 0 2 49 3 5 4绝对4 4 81 7 1 61 4 33 3 0 54 0 9 65 2 61 0 2 3 41 0 6 0 83 点折算4 4 81 7 1 61 4 34 9 5 82 0 4 85 2 69 3 5 89 7 0 0 绝对,5 2 79 5 54 2 33 3 9 52 1 5 55 0 17 9 5 68 2 4 76 点折算5 2 79 5 54 2 35 0 9 31 0 7 75 0 l8 5 7 68 8 8 9筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究1 9 9 5 年“O D”调查数据表明,北贾桥观测站昼夜交通量汽车绝对数为1 0 2 3 3 辆。通过加权平均求得郑常线相应路段日交通量为9 0 7 2 辆中型标准车曰,换算成年平均日交通量为9 4 0 3 辆中型标准车日。2 1 1 交通特性分析1 实载率统计为了更准确地了解詹泗路车辆实载率,组织人员对该路的载货情况进行了“O D”调查。调查结果见表2-3。表2-3实载率表车型小货中货大货拖挂货车平均詹泗路南半幅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整个通道O 6 10 5 9O 6 51 0 50 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O 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 0 5。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 9 5 和0 1 8,而拖挂车尤为明显,实载率分别为2 2 2 和0 1 3。因此,在路面设计过程中,对南北半幅的结构可分别设计。2 车型组成在“0 D”调查时,为了能够充分了解各种车型的组成情况,对詹泗的交通分为南半幅与北半幅进行了详细调查,见表2-4。表2 4车型比例表()货车平客车平车型小货中货大货拖挂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整个通道1 28 61 7 9 96 2 43 2 6 07 44 21 7 5 68 0 22 5 5 8筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究从整个通道内车型比例来看,拖挂车比例最高,为3 2 6 0,客货车比例分别为2 5 5 8 和7 4 4 2。而詹泗路货车比例则为8 3 以上,尤其是拖挂车,竟高达5 2,这一数据充分说明了郑常线是条大交通量的重载运输干线。2 1 2 詹泗路轴载测试1。测试布置测试地点:詹泗路南半幅重车道,涵洞宽1 5 m,涵洞底面到路表距离为0 8 m。测试时间:1 9 9 6 年1 1 月2 91 31 8 时1 9 9 6 年1 2 月1 日1 8 时。2 轴型统计仅有交通量是不能说明道路运输情况,需要进一步将车辆轴型情况进行详细调查,从而了解道路的货物运输情况,调查结果见表2 5。表2 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L-I:;例()3 9 6 85 4 34 7 7 77 1 21 0 0注:测试时间为4 8 小时,南半幅重车逆。从上表可见,詹泗路拖挂车(四轴车和五轴车)占机动车总量的比例高达5 4 8 9,与1 9 9 5 年”O D”调查所得的5 2 0 7 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条道路上货物运输的繁忙程度,詹泗路上大于5 0 的拖挂率表明了它是一条运煤车辆十分集中的重载道路。3 车重分布统计詹泗路是一条晋煤外运的主要通道,车辆超载现象严重,为了更准确地了解超载的具体情况,进行了实地测试,测试结果如下图: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 车重分布统计筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究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)二轴车车重分布统计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)三轴车车重分布统计Rn 62 6 If1 6 0 81 0 0 9;一翟筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究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筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究图2-2 詹泗路轴重分布统计我国规定的汽车限重见表2 6。单轴限值为1 0 t,双轴限值为1 8 t。由图2 2 实测结果可以看出,单轴超过1 0 t 的车超过2 4 3 4,还有近1 单轴超过2 0 t,超载近l 倍,超过2 0 t 的双轴约为8 8 5 1,超载比例更大,最大双轴重超过5 0 t。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2-6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1 6全挂4 4单轴61 0三轴2 4半挂4 2双联轴1 01 8四轴2 8集装箱半挂4 4三联轴1 22 1 5集装箱半挂双联轴2 05 典型车辆车重及轴重分布统计根据实地调查,在焦作干线公路上行驶的运煤车辆主要有以下型号:中型二轴货车或四轴拖挂:东风E Q l 4 0、新解放大型二轴货车或四轴拖挂:黄河J N l l 7 5、罗曼大型三轴货车或五轴拖挂:斯泰尔、卡玛斯、拉巴、红岩其主车、挂车标准装载量见下表。表2-7焦作地区常见典型车辆代表车主车挂车型东风新黄河红岩单轴单轮单轴双轮额定载51 01 856 1 0重(t)自重(t)4 581 223 5后轴重6 9 31 1 42 X 1 1 9n)车货9 51 83 079 1 5总重(t)以下给出各车型车重及轴重分布统计图(三轴及五轴车与图2 1、图2 2 统筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究计结果近似,故略去)。3 53 02 52 01 51 0501 c-二_-i i堕l-99 8l 一1 U I90 11 1 E|m 一一一|_。,_一一一二_。二筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究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兰_-_I_ 二生-11 47 2_ 二筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重塑銮望堂堕竖亘鱼塑垡些丛塞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斯泰尔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东风5 31 2 55 7 61 2 55 3 5新黄河8 11 9 11 2 5筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究表2 8 中的超载车资料多为1 9 9 7 年3 月后的记录数据,9 6 年1 l 胃后焦作地区对运煤车辆进行限载。武陟监测站曾记录过超过百吨的斯泰尔型五轴拖挂。从上述资料可以确定,H D S I I 型涵式自动轴重仪记录的数据是十分可信的。通过对H D S I I 型涵式自动轴重仪记录的数据分析,可以获得比较准确的重载道路(詹泗路)上的车型比例及轴载分布,为重载道路设计方法的研究提供了可靠依据。在焦作地区重载道路上超限的轴数数量巨大。詹泅路上单轴轴重 1 0 t 的轴数占单轴总数的2 4 3 4,双轴轴重 2 0 t 的轴数占双轴总数的8 8 5 1:其中单轴最大轴重超过2 5 t,双轴最大轴重超过5 0 t。2 2 重载交通路面破坏原因的分析1 路面状况调查詹泗路全称为郑州至常平公路詹店至泗沟段,它是焦作地区乃至全省北上山西的主要干线公路之一,晋煤南运的车辆8 0 以上要经过这里。该路总长度为5 5 K M,路面结构为:2 2 c m 水泥混凝土面板+2 0 c m 3 水泥、1 0 石灰稳定土,或2 2 c m 水泥混凝土面板+2 5 c m 泥灰结碎石,土质类型主要为粉性土及砂性土,部分路段为潮湿软土。詹泗路始建于1 9 8 8 年,1 9 9 0 年底建成竣工通车,自1 9 9 1 年开始,就出现了不同程度的病害,目前已达到了相当严重的地步,部分路段面板损坏率已达6 0 以上,已经严重影响了道路的正常通行(详见表2 9 表2 一“)。水泥混凝土路面损坏状况调查汇总表2-9路线名称:詹泗路调查面积:9 0 0 0 M。1 9 9 5 年5 月K 6 9+7 0 0 K 7 0+7 0 0病害名称单位合计损坏率1234沉陷M 23 6 02 2 55 5 04 8 01 6 l51 7 9 4破碎M 2板角断裂M 21 8 01 2 03 2 03 6 09 8 01 0 8 9裂横向M 24 5 02 2 59 0 08 7 7 52 4 5 2 52 7 2 5缝纵向M 2I3 51 1 2 52 7 01 8 06 9 7,57 7 5合计M 25 7 4 56 3 8 3注:1 表中所统计裂缝为中等程度以上。2,表中1、2 栏分别代表进山西方向内、外车道,3、4 栏分别代表出山西方向内、外车道。3 表中接缝损坏是按道来计算的,来统计在总的合计中。以下各表同。筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究水泥混凝土路面损坏状况调查汇总表2 1 0路线名称:詹泗路调查面积:9 0 0 0 M 219 9 5 年5 月K 8 1+1 0 0 K 8 2+10 0病害名称单位合计损坏率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板角断裂M 21 1 2 5l8 02 7 02 2 57 8 7 58 7 5裂横向M 24 5 03 8 2 59 0 07 8 7 52 5 2 02 8缝纵向M 2合计5 6 9 2 56 3 7 5水泥混凝土路面损坏状况调查汇总表2 1 1路线名称:詹泗路调查面积:9 0 0 0 M219 9 5 年5 月K 8 9+7 0 0 K 9 0+7 0 0病害名称单位合计损坏率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板角断裂M 29 01 1 2 52 4 7 52 0 2 56 5 2 57 2 5裂横向M 24 0 53 3 7 57 6 56 7 52 1 8 2 52 4 2 5缝纵向M 2合计4 3 7 54 8 6 12 破坏原因分析从表中我们可以看出,本路段的路面破坏主要是由于承载能力不足而造成的结构性破坏,其原因有以下几个方面:A 设计方面原因a 对未来交通量的估计严重不足詹泗路1 9 8 8 年开始修建时,年综合交通量仅为2 0 0 0 辆日,折算成B Z Z l 0 0标准轴载约3 0 0 辆日,但通车当年(1 9 9 1 年),年综合交通量即达到4 1 6 7 辆筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究日,折算成B Z Z l 0 0 标准轴载约6 5 0 辆日,至1 9 9 5 年,年综合交通量更达到l0 0 0 0 辆日,折算成B Z Z l O O 标准轴载未计超载已达约1 6 0 0 辆日;这种惊人的增长是设计中所没有预料到的,其直接结果是造成验算的路面结构明显偏薄,致使路面先天不足,降低了路面使用的安全性,耐久性。b 路面结构组合选用不当詹泗路为水泥混凝土路面,基层多采用石灰稳定土,部分路段采用的是水泥、石灰综合稳定土,水泥含量仅为3,这种类型的基层水稳性较差,在车辆荷载和自由水的作用下,面板下基层材料易产生搬迁、堆积,造成唧泥,使混凝土面板下脱空,处于类似简支板的受力状态,很快引发面板断裂、破坏。B 汽车超载因素当前,公路运输由于片面强调运输行业的经济效益及缺乏有效的管理,致使运煤车辆普遍超载,有些车辆甚至超载达1 0 0 以上,据实际称重表明,有些车辆(如康巴斯、罗曼等)的中、后轴轴重达2 5 吨以上,已经远远超出了现行路面设计规范允许值(轴重13 吨)的上限,现行路面设计规范的路面设计并不考虑汽车的超载因素,从而使重车行驶路段的路面设计缺乏必要的安全保证,路面超负荷破坏严重。C 施工方面的因素路面的修建质量除合理的设计外,严格的施工也是一个必不可少的条件。在调查中发现,有些施工单位的竣工文件编制与实际工程情况不相符合,有些缺乏系统的原始资料,这样不仅工程质量难以保证,也给总结经验教训带来了困难。据部分路段的开挖发现,有些路段存在有严重的施工质量问题,基层松散,毫无板体性,基层和面层厚度也达不到设计值,有些地方基层总厚度仅为设计厚度的6 5,面层厚度仅为设计厚度的8 0,这必然大大降低路面的承载能力,造成路面早期破坏。2 3重载交通路面破坏机理的研究2 3 1重载交通柔性路面破坏机理的研究焦作地区早期沥青路面结构多为3 0 a m 的石灰土基层加铺5 5 c m 沥青碎石面层,路面强度较低。在大交通量和超载车辆作用下,路面早期破坏极为严重,出现了十分显著的沉陷、坑槽、网裂和龟裂现象。路面不得不进行经常性的修补或重建。这种路面结构显然适应不了重载道路的要求,因此有必要首先对重载破坏机理进行研究,以拟定新的承载力较强的路面结构。1、轴载与轮压、轮胎接地面积的关系由H D S I I 涵式自动轴重仪采集的轴重数据可知,焦作地区轴载分布范围很大,单轴轴重从2 0 K N 到接近3 0 0 K N,很多轴重远大于规定的轴重上限。车辆轴重的提高,并非是使用了特殊的大型运输车辆,而是因为普通载贷汽车盲目改造车身、使用高强轮胎导致过量超载的缘故。这种不合理的荷载分配对路筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究面产生很不利的影响。因此,在分析轴重与路面内应力、应变的关系之前,必须详细探讨轴重与轮压和轮胎接地而积的关系。我国研究人员通常采用轴重提高,轮胎接地面积增加而假定轮压不变的分析方法来进行路面结构应力研究。这种方法与焦作地区重载道路上载重车辆的实际状况是不相符合的。由表2-12 可以看出,超载车辆通过使用高强轮胎和加大胎内压强重的增加不致影响车辆的正常行驶。因此在分析中,引入比利时设计方法中的轮载与轮压、轮胎接地面积关系的经验公式。车型单轴重(t)轮压(M P a l轮胎规格轮胎层级拉巴1 8 50 91 3 0 0 2 02 0黄河1 1 7 51 60 8 612 0 0 2 0l8红岩1 90 9 I14 0 0 2 02 0注:若为双后轴车辆,单轴重指其中一个轴轴重。该法标准轴载为8 0 K N,即标准轮载为2 0 K N,但他仍考虑了轮载的接地面积随轮胎性质和路面状况而异。高压胎与路面接触面积小,能承担大的荷载,低压胎与路面接触面积大,故牵引力大,而且还受路面状况和冲击力的影响,所以该方法不像其它设计法那样假定轮载增大时轮压基本不变,而是根据路上的实际调查得出以下统计公式:对主要道路:A=(0 0 0 8 P 十1 5 2)土7 0对次要道路:A=(0 0 0 9 P 十1 3 2)士9 0式中:A 一一轮胎接地面积(C M 2);(2 1)(2 2)P 一一每一个轮胎的荷载(N)。士7 0 和土9 0 为保证率达到9 5 的离差范围。在此公式基础上,再假定轮载P 均匀分布在相当该接触面积的圆面积上,圆半径为r,并求得接地压力p。p 尸=;=导根据我国道路的实际情况。采用如下形式A=0 0 0 8 P 十1 5 2其计算结果见表(2-1 3)表2 1 3轴重与轮压、轮胎接地面积关系(2-3)轴重(K N)6 01 0 01 2 01 6 02 0 02 2 02 6 03 0 0接地面积2 7 23 5 23 9 24 7 25 5 25 9 26 7 27 5 2(C M)半径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)轮压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)筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究由表2 13 可见,式(2 3)比较适合我国道路交通的具体情况,也反映了随着轴重增加,轮压和轮胎接地面积变化的正确规律。因而在以后一的分析中,采用式(2 3)作为研究的基本模型。2、路面结构材料的非线性分析在低应力水平下,将路面材料视为线弹性的假定是正确的。我国的路面设计规范正是以此为基础,对路面进行力学分析。但是当轴重很大,路面结构内部的应力水平比较高时,这个假定是否还准确,值得我们进一步研究和分析。A、半刚性材料劈裂试验研究劈裂试验是能够比较真实地反映路面材科受力特性的试验方法,劈裂试件的受力状况与路面材料的实际受力状况比较接近。因此,用劈裂试验来研究材料的非线性特性是十分合适的。本试验采用养生9 0 d 的水泥稳定级配碎石进行上述研究。a 原材料性质试验材料为水泥稳定级配碎石。掺配比例为水泥:碎石=5:9 5。水泥采用4 2 5#水泥,碎石级配见表2 1 4 所示。表2“水泥稳定级配碎石矿料级配组成筛孔尺寸2 52 01 052O 50 0 7 5(r a m)通过百分率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 粒径(m m)2 0 2 51 0-2 05 1 02 50 5 2兀d H0 5 S 时,半刚材料出现了不可忽视的非线性变形。oMo,4P(a)外加荷载与e,的关系(b)外加荷载与s,的关系图2 4 外加荷载与e,的关系B、路面材料非线性回弹变形分析大量的试验数据表明,路面材料的应力应变关系基本符合幂硬化规律锄伸恤懈恤悃o一暑山一兰暮一8函一薹壬嚣筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究上式中的6 和e 分别为材料所受的广义应力及产生的广义应变。s:击瓜i 污可i 两盯瓣=击瓜I 万五五雨石习丽厕甭(2 4)s=粤酊i 再可可而。2 季 压百i 百i i 网i沼s,在应力较小的情况下,5 和e 关系十分接近于线性关系,在应力较高的情况下6 和e 则表现出非线性关系。文献(9)给出了通过承载板试验和三轴试验得出的A、m 值,见表2 1 5、2 1 6 所示:表2 一1 5路面材料承载板试验应力应变回归结果回归系数相关系数显著性检验材料A(1 0。4)R沥青混合料l O 7 5 8 7】0 8 5 80 9 9 9 2极高度碎石灰土5 0 3 8 51 0 2 9 l0 9 9 9 9极高度二灰碎石4 7 3 2 81 0 5 4 30 9 9 8 8极高度二灰砂砾3 6 1 6 61 0 0 2 60 9 9 4 0极高度水泥砂砾1 4 6 0 60 9 9 6 80 9 9 9 8极高度路基土1 2 8 5 0 01 3 2 8 00 9 9 8 8极高度表2 1 6路面材料三轴试验应力应变回归结果侧压力回归系数相关系数显著性检材料(M p a)A(1 0。4)mR验沥青混合料O 21 3 7 6 01 0 6 70。9 9 9 2极高度二灰砂砾0 2l3 3 2 61 0 3 80 9 9 7 6极高度路基土O 21 2 7 7 21 0 7 10 9 9 9 9极高度C 应力与应变的非线性分析如何解决非线性的应力、应变关系,有许多种方法,但最为简便的就是将应力、应变的非线性关系反映到模量的变化上来,即将回弹模量表示筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究为应力或应变的函数。E=E(6)或E=E()一(2-6)对于材料的竖向回弹变形,有下式成立:。=A。术6。经转换可得鲁=扣“即:-昱:三61 一4(2 7)试验结果证明,在应力水平比较低的情况下,应力应变关系是线性的,即材料的模量是一个定值;当应力水平较高时,发生非线性变形,材料模量值发生变化。因此式(2-7)不能很好地反映路面材料的变形特性。考虑到劈裂试验的结论,当路面材料内横向拉应力6。(或6,)大于材料劈裂强度的5 0,材料的非线性因素不可忽略。水泥稳定材料疲劳特性的研究成果”也表明,如果材料所受的拉应力(6,)约为破坏强度(S)的5 0 时,水泥稳定材料层底面将产生微小裂缝,表现出明显的非线性性质。因此,取6,=0 5 s 为路面材料受力变形线性与非线性的分界点是合适的。故式(2-7)可变换为如下形式:E=E o弘去s 8 0 5 S6 0 5 S(2 8)鉴于本文需对重载下弯沉进行详细分析,以便求得基于弯沉等效的换算指数,因此仅对回弹弯沉进行非线性分析。3 重载作用对路表弯沉的影响在研究路表回弹弯沉时,考虑非线性问题的近似方法是:路面结构中应力分布用弹性理论计算,并假定模量不变,而确定结构中的变形时,则考虑材料的非线性因素,认为模量随应力的变化而变化。在确定计算图式时,分两种情况考虑。(1)车辆轴重因超载而增加,。单轴轴重可以超过13 0 K N,引起轮压增加,轮胎接地面积增大,轮隙减小(见图2 5(a);(2)车辆轴重随车型变化而增加,单轴轴重一般不超过1 3 0 K N,轮隙保持相应比例(见图2 5(b)。筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究rj 托牡=(a)超载情况-l=(b)非超载情况图2 5 荷载弯沉图f z本节拟定如下几种结构进行重载作用对路表弯沉影响的研究。沥青混凝土1 2 c m水泥稳定碎石2 8 c m二灰土3 0 c m沥青混凝土6 c m水泥稳定碎石2 5 c m土基沥青碎石5 5 c m石灰土3 0 c m一一土基结构1结构2结构3图2 6 路面结构图l I k筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究所采用材料参数值见表2 17材料抗压模量(M p a)弯拉模量(M p a)弯拉强度S(M p a)沥青混凝土1 2 0 01 6 0 02 6水泥稳定碎石6 0 02 8 0 0I 0沥青碎石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 超载对路表弯沉的影响图2-5 是根据弹性层状体系理论,综合考虑式(2-3)和式(2-7)计算得来的,计算图式取图2-2(a),计算点位置取在双轮轮隙。m(州)(a)结构1L c 岫f 删】(b)结构2U m,m 1(c)结构3图2 7 荷载与弯沉关系图2la-zQ|:茁一-OzQ妊1j币E筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究由图2 7 可见,当路面结构材料视为完全线弹性时,根据弹性层状体系理论可以得出以下结论,随着轴重的增加,路面回弹弯沉也线性增加j 即有下式成立:丽P i=鲁(2 9)H】加、7当路面结构材料在一定应力条件下,呈现非线性性质时,随着轴重的增加,路表回弹弯沉呈非线性增加,与根据线性关系得到直线逐渐偏离。偏离程度与路面的结构特性有关,结构愈强,偏离程度愈低,非线性性质不显著,对结构强度很高的结构1,甚至接近线性关系,结构愈弱,偏离程度愈大,非线性性质比较显著。除结构强度明显偏弱的结构3 外,偏离起点一般在1 0 0 K N 和1 5 0 K N之间。非线性关系可由下式表示:1=aP。(2-10)式中:1 一一理论弯沉值(c m);P 一一轴重(K N);a,n i 一回归系数。图2 7 中各结构的回归系数见表2 一1 0结构系数结构I结构2结构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 不考虑非线性情况下两种计算图式的比较超载车辆和正常车型在同等轴重条件下,对路表弯沉的影响程度是不同的计算结果见图2 8。l|=;i l4il 乡7jlI|iI O,两口啪 埘结构1i;_ 雷嘲锣ji0 7。蛐挪幻叫2m 搿惯田瞒口喳吐哪嘲一5一z2矗J吐咖螂叫啡咂叫蚪噼,B-z譬培I筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究L(,、D【H 结构3图2 8 荷载与弯沉关系图由图2-8 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。且轴重愈大,二者的偏离程度愈大;结构愈弱,二者的偏离程度愈大。从图中可以看出,偏离的起点一般落在1 0 0 K N 和1 5 0 K N 之间。偏离量一般在6 一1 0 之间。由上述分析可知,超载引起轴重增长对路面结构的破坏程度要大于正常车型对路面的破坏程度弯沉值代表了路面结构的整体强度,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。因此,在车辆等效轴载换算方法的研究中,必须考虑超载因素,否则得到的设计年限内的累计标准轴次将是偏不安全的。4 重载对层底拉应力的影响为了说明轴重增加对路面结构弯拉破坏的影响,本节以焦作常见路面结构及试验路段的路面结构为例,用弹性层状体系理论分析层底弯拉应力,研究也分超载和非超载(正常车型)两种情况加以考虑。计算点取在双轮轮隙底基层(或基层)底部。拟定结构见图2-9。中粒式沥青混凝土4 a m中粒式沥青混凝土5 a m沥青碎石5 5 c m粗粒式沥青混凝土5 c m振碾混凝土2 4 c m石灰土3 0 c m沥青碎石6 a m水泥稳定级配碎石1 5 a m土基水泥稳定级配碎石2 8 c m石灰土3 0 a m石灰土3 0 a m土基土基结构l结构2结构3图2-9 路面结构图筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究材料参数同表2 17 振碾混凝土抗压模量为3 0 0 0 0 M p a,弯拉模量为3 5 0 0 0 M p a。计算结果见图2 10。结构1结构3图2 1 0 荷载与应力关系结构2由图2 一l O 可见,在非超载情况下,路面结构层底拉应力随轴重增加呈幂函数增长形式,即6,=a P“,其中r l,1 3 0 K N弯拉等效n=8 0P 1 3 0 K Nn=9 0P l3 0 K N7 重载作用下车辙特性研究沥青路面的车辙是影响路面平整度、路面使用性能、行车安全和舒适的重要因素,它与疲劳开裂一样,是沥青路面的主要损坏现象之一。近年来,国内外研究机构利用各种粘弹塑性模型对车辙形成的机理和车辙预估做了大量卓有成效的工作,如英荷壳牌方法和同济大学修正b u r g e s 模型。但是这些方法仅适用于一般轴重的情况下,对待重轴载至今还没有人提出相应的车辙机理和预估方法。为此,本文仅从不同轮重下车辙的试验研究和基于车辙等效的轴载换算方法研究两方面对重载作用下沥青路面的车辙待性进行初步探讨。h 不同轮重作用下的车辙试验研究a 材料性能1)沥青的常规技术指标试验所用沥青为新疆克拉玛依1 0 0#普通道路石油沥青对其常规技术指标进行测定,试验结果见表2 2 2。表2 2 2沥青常规技术指标l1 5 针入度2 5 针人度1 0 延度(c m)软化点()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)集料的技术指标(见表2 2 3)表2 2 3细集料指标测定结果孔径大小矿粉0 15 O 3O 3 O 60 6 4 184 18 2 3 6(m m l2 3 64 7 5表观密度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租集料指标测定结果l孔径大小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 表观密度2 8 0 22,8 1 32 8 2 22 8 1 92 8 2 7l(g c m 3)筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究粗细集料均采用天津地区产机轧玄武岩3)沥青混合料级配的确定为了研究不同轴重对沥青混合料车辙形成的影响,本试验选用A C 一2 0 I I型级配及A C 一1 6 间断型级配,具体级配见下表:表2-2 5A C-2 0 一I I 级配组成筛选尺寸2 6 51 9 01 6 0l329 54 7 52 3 61 18O60 3O 15o 0 7 5(m m)通过百分比()1 0 09 57 56 15 03 5 52 4 51 81 2 58 563 5表2 2 6A C 1 6 间断型级配组成筛选尺寸(m m)1 91 6l3 29 547 523 61 1 80 60 30 1500 7 5通过百分1 0 09 78 06 04 53 03 02 51 71 28比()注:衰中所用级配为分级筛分级逐级称量回配而得。4)沥青混合料中沥青用量的确定混合料中沥青的最佳用量通过马歇尔试验确定。试验所用仪器为英国E L E公司生产的自动马歇尔仪,试验结果见表2 2 7。表2 2 7沥青混合料马歇尔试验汇总表J、试验内容最佳沥青用混合料l 量密度空隙率稳定度流值()(K N)(1,1 0 m m)I 级配类型()(g c m 2)lA C 0 2 一I I44 525 1655 61 4 93 6l间断级配4 323 2 87 5 6l O 2 23 1【A C 一1 6b 不同轮重的轮辙试验轮辙试验是评价沥青混合料对塑性变形的抵抗能力的室内试验方法。本研究采用的是从日本引进的浸水式轮辙试验机,经改装后可进行非浸水试验j轮辙试验以动稳定度(试件减薄l m m 所需碾压次数,用D S 来表示)和试件减薄量(车辙深度)来评价。1)试验方法概要混合料按马歇尔密度控制,由拌和机拌和后,用手动碾碾压成型,碾压温度1 0 0 13 0,试件尺寸为3 0 3 0 X5 c m。碾压成型试件在室内冷却后脱模。试验轮荷重及接地压力标准荷重7 0 0 K N,接地压力为0 7 M p a 31筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究试验中重载情况荷重为9 3 0 N。轻载情况荷重为3 4 0 N。试验温度本试验采取标准温度6 0。试件养生为使试件中心温度达到规定试验温度,试件在6 0 温度下恒温6 个小时。行走速度,采用2 1 次m i n。2)轮辙试验结果若标准轮荷重?0 0 K N 相当于汽车轴重P=1 0 0 K N,则本试验的轮重9 3 0 N和3 4 0 N 分别相当于轴重1 3 3 K N 和4 9 K N。试验结果见表2-2 8表2 2 86 0 车辙试验结果、混合料类型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 函指车轮行走时问分别为6 0、45 分钟时的变形量。(m m)S通过对表2-2 5 中的试验数据进行非线性回归分析,得出如下规律,随着轮荷重的增加(轮压增加),沥青混合料的动稳定度D S 逐渐呈半对数降低j 即:l g D S=a+b x P#式中:D S 一一沥青混合料的动稳定度(次)P#一一轴重(K N 。根据本试验,对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#对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)筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重茎銮望幽亘熊塑垡些翌窒D 5 与轴重的关系见图2 1 4L a 岫t 州J图2-1 4 动稳定度与轴载的关系上述结论表明,车辆轴重的增加造成沥青混合料动稳定度下降。说明在应害霉高紫情况下,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。8 基于车辙标准的轴载换算方法研究车辙是渠化交通道路上重要的破坏现象之一,车辙的发展受路面结构类型、沥青面层厚度和车辆轴重的影响,表现出不同的变化趋势。为了方便计算,有必要引入基于车辙标准的轴载换算方法,将不同轴载的作用次数转化为某一标准轴载(一般取I O O K N)的作用次数,从而来分析和预估给定时间的车辙量。a。快速加载试验河北正定试验路上进行了不同轴重的快速加载车辙试验,路面结构布置见1 2 1 5 c m C4 6 c m Ce c m c1 2 0 巾 C6 m水泥土j 踱怒习壤霹水泥水泥水泥曩蘑对叫=灰土执“l 搿 怒碎石碎石碎石3 如m2 5 c ma 抛m3 0 c m沙垫层5 0齐旃舟碎石s 未抑分碎石i I l,2l Il O985532,图2 15 加速加裁试验路段路面结构布置图Eia筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究车辕(r a t a)衄五次敦(万,(b)图2 16车辙与加载次数的关系由图2 1 6(a)对比级配砾石柔性基层的第1 0、l l 试验段和半刚性层的第1 2 段的试验结果可以发现,柔性基层路面结构的车辙比半刚性基层的车辙发展要快得多,两种柔性基层分别加载了3 2 5 和5 7 6 万次后,车辙已分别达到6 3 m m 和5 1 m m,而水泥稳定土基层加载到1 1 万次时的车辙还不到2 0 m m,说明半刚性基层具有良好的抗车辙的性能。对于第1 1 和第1 2 试验段在1 0 0 K N 轴载作用下,柔性基层结构的车辙仍然比半刚性基层结构的车辙发展得快,与1 4 0 K N 轴载作用下不同的是,到了加后期,两种不同结构的车辙的差值比在1 4 0 K N 轴载作用下要小得多,说明1 0 0 K N轴载和1 4 0 K N 轴载对相同的路面结构具有不同的作用效果。对比第7 试验段分别在1 2 0 K N 和l G O K N 轴载作用下的试验结果,可以发现两种轴载作用下的车辙发展趋势相同,但1 6 0 K N 轴载的车辙要比1 2 0 K N 轴载的筑龙网 WWW.ZHULONG.COM重载交通道路路面结构优化研究车辙大得多。说明不同轴重对路面车辙的影响很大。b 等效换算指数假定不同轴载对相同的路面结构产生了相同深度的车辙,此时的加载次数等效,则按公式:M和图2-1 3 中给的的数据,可得下表(2 2 9,2 3 0)表2 2 9不同车辙深度时的轴载换算指数表I车辙第1 1 段第1 2 段深度1 0 0 K N1
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