重载交通道路路面研究

重载交通道路路面研究

鞠江庆河南省焦作市公路管理局

摘要本文针对汽车超载造成路面早期破坏的问题，以河南省焦作地区道路超载实际情况及自然地理特征为依据，对超载的具体情况进行了实测；针对水泥混凝土路面的应力分析进行了水泥混凝土试件的大应力比疲劳试验，提出了超载、重载时水泥混凝土路面的疲劳方程；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；通过修筑实验路进行了验证。弥补了我国重载路面设计理论与方法的不足。

关键词轴载重载超载沥青路面非线性分析重载车辙试验水泥混凝土路面应力分析大应力比疲劳试验大应力比疲劳试验方程

1．引言

重载问题是国内外道路研究的重点之一。Walter.P.Ki-lareki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.Knoflacher研究了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。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。

我国路面设计方法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，从安全性而言是不能容许的。《公路沥青路面设计规范（JTJ014—97）》规定，适用轴重13吨以下，对于轴重大于13吨，规范尚未提及，使重载路面设计存在盲目性，成为导致许多路面早期破坏的主要原因之一。

本文以河南焦作地区道路超载实际情况、筑路材料、路面状况及主要破坏原因为依据，对超载情况进行了实测，进行了水泥混凝土试件的大应力比疲劳试验，提出了超载、重载时水泥混凝土路面的疲劳方程。通过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，以望对我国重载路面设计能有所裨益。

2．轴重测试分析

焦作是豫西北重镇，是晋煤外运的主要通道。省道豫06、13、14、18及国道207贯穿整个地区，形成以焦作市为中心，沟通各县乡并与国道310和107相接的公路网。近年来，由于公路运输的迅速发展，许多路段超期、超载、超重现象日趋严重，特别是郑常路詹泗段，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。

为得到准确的超载资料，对郑常路詹泗段、晋博路进行了轴重实测，得到了此两条道路上车辆总数、总重、车速、轴数、轴距及单轴、双轴、三轴、四轴等多轴的实际轴重分布。以詹泗路

为例，其单轴、双轴重及所占比例见图-1。我国规定的汽车限重见表1，单轴限值为10t，双轴限值为18t。由图-1实测结果可以看出，单轴超过10t的车约为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，总重超过100t 的车亦为数不少。超载数量及程度都远比以前研究的情况严重。这些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。

图-1 轴载组成图

3.重载沥青路面研究

3.1沥青路面材料的非线性分析

我国的沥青路面结构设计计算,是以线弹性层状体系理论为模型,这种假设在常规荷载范围内是可行的,但对重载来说，显然不能适应。设计规范中也提出仅适用于轴载13吨以下，而对13吨以上轴载如何处理尚未涉及。因此，我们对沥青路面材料进行了的非线性试验与分析，由试验可以看出，当半刚性材料内部拉应力大于0.5倍抗弯拉强度时，材料显示出不可忽视的非线性变形(图-2)。

图-2 荷载与ε的关系(a-与εy 的关系,b-与εx 的关系)

3.2重载对路面弯沉的影响

由超载时计算结果图-3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，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。偏离的起点一般在100KN 和150KN 之间，偏离量一般在6%～10%之间。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，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。因此，在车辆等效轴载换算方法的研究中，必须重视超载因素，否则得到的设计年限内的累计标准轴次将是危险的。

图-3 弯沉 图-4 层底弯拉应力

(a)

50100150200

1

2

3

4

5

6

7

p(1/10)

S T R A I N (E -08

)

(b)

102030405060

1

2

3

4

5

6

7

p(1/10)

S T R A I N (

E -08)

()

1

2

12

1n p p l l =

()

()

n

P P P P N N c

n 1

2

11

22

1=

=

()

'

1

1

22

1c n P P N N =

3.3重载对层底弯拉应力的影响

由图-4结构层底弯拉应力计算结果可见，在非超载情况下，路面结构层底弯拉应力随轴重增加呈幂函数增长形式，即其σγ=α·p n1

中n 1<1；在超载情况下，路面结构层底拉应力几乎呈直线增长。轴重愈大，偏离程度愈大；路面结构强度愈低，偏离程度愈大。两者偏离的起点也在100KN 和150KN 之间。在轴重较大，路面结构强度较低的情况下，后者引起的层底拉应力远大于前者。对非超载情况下常用的石灰土加铺沥青碎石结构而言，当单轴轴重大于200KN 时，重车通过一次就可能导致石灰土基层开裂破坏。

3.4重载轴载换算方法

3.4.1以路表弯沉值为设计指标的轴载换算方法

单后轴双轮轴的主要车型，其轴载换算公式可用下式表示：

(1)

经推导可得：

(2)

指数c 取0.2，可得表5。

3.4.2 以拉应力为设计指标的轴载换算方法

同法可得，单后轴双轮轴载换算公式:

(3)

取c ＇=0.108，可得表6

等效弯拉的轴载换算指数表 表6