重載車輛對水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的影響

齊賽，牛犇

（北京冠亞偉業(yè)民用建筑設(shè)計(jì)有限公司市政工程設(shè)計(jì)分公司,北京市 100053）

重載車輛對水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的影響

齊賽，牛犇

（北京冠亞偉業(yè)民用建筑設(shè)計(jì)有限公司市政工程設(shè)計(jì)分公司,北京市 100053）

在水泥混凝土路面設(shè)計(jì)工作中，由于重載車輛的通行造成交通參數(shù)選用不合理，常使得路面使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而其自身的諸多優(yōu)勢也大大削弱，最終造成經(jīng)濟(jì)及資源的損失。結(jié)合北京某道路設(shè)計(jì)實(shí)踐分析交通參數(shù)對水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的影響。

水泥混凝土路面；交通參數(shù)；軸載換算；重載

1　概　述

水泥混凝土路面作為一種高等級路面結(jié)構(gòu)形式，具有路面強(qiáng)度高、擴(kuò)散荷載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、使用壽命長、能源消耗少、耐高溫、耐磨耗、適用于繁重交通等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

《2012年公路水路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，2012年全國公路總里程423.75萬km，公路密度為44.14萬km/百萬km2，其中水泥混凝土路面165.32萬km，較2011年末增加14.10萬km。

隨著我國公路交通運(yùn)輸事業(yè)不斷發(fā)展，伴隨交通量的劇增及車輛軸載重型化，特別是交通超載、超限現(xiàn)象嚴(yán)重，公路在經(jīng)受繁重的軸載負(fù)荷和密集交通量的反復(fù)作用下，對路面使用壽命造成不利影響。

在水泥混凝土路面設(shè)計(jì)工作中，通常以車輛正常使用狀態(tài)為設(shè)計(jì)依據(jù)，往往與實(shí)際車輛重載情況存在一定差距，常使得水泥混凝土路面使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而其自身的諸多優(yōu)勢也大大削弱，最終造成經(jīng)濟(jì)及資源的損失。

交通參數(shù)是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一，整理各種車輛軸載類型、軸載分布，尤其是道路上行駛的超載車輛的軸載分布，對于設(shè)計(jì)重載交通水泥混凝土路面，提高道路使用性能和壽命極其重要。

2　超重對水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的影響

進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)，車道上各種車輛荷載的換算累計(jì)當(dāng)量軸次是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)，當(dāng)有超重載車輛時(shí)，其換算得到的當(dāng)量軸次是標(biāo)準(zhǔn)荷載的幾何級倍數(shù)。所以，超重載車輛對瀝青路面的破壞作用異常突出，路面使用性能衰減加速，影響公路的服務(wù)水平。同時(shí)通過計(jì)算可見，超重荷載引起路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力大幅增加，使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力，這些力的作用會(huì)使路面損壞過程加快、損壞程度加深，將大大縮短路面的使用壽命。

根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011），以100 kN單軸-雙輪組荷載作為設(shè)計(jì)軸載，各級軸載作用次數(shù)Ni按下式換算為設(shè)計(jì)軸載的作用次數(shù)Ns。

從式（1）可以看出，當(dāng)車輛軸載增加時(shí)，軸載作用次數(shù)不是按線性比例增加，而是按16次方增加，見表1。

假設(shè)Pi=1.5Ps，那么軸載換算系數(shù)為657；Pi=2Ps，那么軸載換算系數(shù)為65 536。具體而言，一輛額定軸載為100 kN的車輛若超重50 kN，那么超重后的車輛通過一次，相當(dāng)于額定軸載車輛通過657次對路面所造成的損壞作用；一輛額定軸載為100 kN的車輛若超重一倍，那么超重后的車輛通過一次，相當(dāng)于額定軸載車輛通過65 536次對路面所造成的損壞作用。

3　車型選擇對水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的影響

在軸載換算時(shí)，有著較大的隨意性，不同設(shè)計(jì)者根據(jù)相同的交通量數(shù)據(jù)，仍會(huì)得到不同的設(shè)計(jì)軸載作用次數(shù)。主要是不同的設(shè)計(jì)者會(huì)根據(jù)個(gè)人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將現(xiàn)況運(yùn)營車輛簡單地套用《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中所提供的車型，然后進(jìn)行軸載換算，從而產(chǎn)生不同的計(jì)算結(jié)果。

表1　汽車超重時(shí)軸載作用次數(shù)的變化情況

例如，現(xiàn)況道路運(yùn)營大型貨車多為雙后軸貨車，選取規(guī)范中雙后軸貨車車型中太脫拉81553及紅巖CQ30290進(jìn)行計(jì)算比較，見表2。

表2　車型比較

由表2計(jì)算得太脫拉81553及紅巖CQ30290換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載系數(shù)分別為2.74及32.34，雖然兩者滿載總質(zhì)量僅相差3.4 t，但兩者軸載系數(shù)相差11倍。故計(jì)算車型選取不當(dāng)，會(huì)對軸載換算系數(shù)的計(jì)算產(chǎn)生較大偏差，進(jìn)而對路面設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響，或是設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足造成水泥混凝土路面的早期損壞，或是設(shè)計(jì)強(qiáng)度過于保守造成很大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

由于《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中所提供的車型現(xiàn)今多已淘汰，為了盡量與實(shí)際相符并統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)可按照通行車輛的車型、軸型及輪組數(shù)，從《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》（GB 1589—2004）中對汽車及掛車單軸/并裝軸的最大允許軸荷的最大限值要求中選取，見表3、表4及圖1。

表3　汽車及掛車單軸的最大允許軸荷的最大限值

表4　汽車及掛車并裝軸的最大允許軸荷的最大限值

圖1　車輛軸型

4　設(shè)計(jì)實(shí)例

北京某道路，道路等級為四級公路，瀝青混凝土路面，道路寬7 m，全長5.3 km，是一條既解決區(qū)域性交通出行及沿河觀賞交通，又具備旅游服務(wù)功能的道路。2015年初，路側(cè)新辟一處鐵礦采礦場并逐步出料運(yùn)營，礦區(qū)車輛將通過該道路全線往返，運(yùn)送礦料至鄰近鐵礦廠進(jìn)行深加工。采礦場運(yùn)營5個(gè)月后，原道路瀝青路面出現(xiàn)了嚴(yán)重的破損。本次擬建道路路面結(jié)構(gòu)采用水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，道路等級提升為三級公路。

4.1交通調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，目前采礦場運(yùn)輸車輛主要有兩種車型：一種是三軸大貨車（見圖2），每天150輛次，實(shí)際裝載后總質(zhì)量均達(dá)到35～40 t/輛；另一種是六軸拖掛車（見圖3），每天100輛次，實(shí)際裝載后總質(zhì)量均達(dá)到70～75 t/輛。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)營車輛，分析車輛最大允許軸荷的最大限值如下：

三軸大貨車額定軸-輪型為：三軸貨車單軸單輪7 t+并裝雙軸（軸距≥1 300 mm,且<1 800 mm）18 t，見表5。

圖2　三軸大貨車

圖3　六軸拖掛車

表5　道路代表車型

六軸拖掛車額定軸-輪型為：半掛牽引車單軸單輪7t+并裝雙軸（軸距≥1 300 mm,且<1 800 mm）18 t+掛車并裝三軸（相鄰兩軸之間距離>1 300 mm,且≤1 400 mm）24 t，見表5。

4.2軸載分析

按滿載及超重50%計(jì)算設(shè)計(jì)軸載的作用次數(shù)Ns，見表6。

表6　設(shè)計(jì)軸載計(jì)算

計(jì)算累計(jì)當(dāng)量軸次，三級公路的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為15 a，安全等級為三級，輪機(jī)橫向分布系數(shù)η= 0.54，gr=0.03，則

滿載時(shí)

屬中等交通等級。

超重50%時(shí)

屬特重交通等級。

4.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滿載時(shí)：設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)為普通混凝土面層0.21 m，基層選用級配碎石0.2 m。普通混凝土板的平面尺寸4.5 m×3.5 m，縱縫為設(shè)拉桿平縫，橫縫為不設(shè)傳力桿的假縫。工程造價(jià)180元/m2。

超重50%時(shí)：設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)為普通混凝土面層0.24 m，基層選用貧混凝土0.2 m，面層與基層之間設(shè)置40 mm厚的瀝青混凝土夾層，底基層選用0.2 m級配碎石。普通混凝土板的平面尺寸4.5 m× 3.5 m，縱縫為設(shè)拉桿平縫，橫縫為設(shè)傳力桿的假縫。工程造價(jià)310元/m2。

4.4案例分析

通行車輛按滿載計(jì)算結(jié)果為中等交通等級，按超重50%計(jì)算結(jié)果為特重交通等級。由計(jì)算結(jié)果可知，假如按滿載設(shè)計(jì)，通行均為超重50%車輛時(shí)，新建水泥混凝土路面使用壽命大大縮短。反之，假如通行均為滿載車輛時(shí)，但設(shè)計(jì)按超重50%計(jì)算路面結(jié)構(gòu)，新建水泥混凝土路面使用壽命將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路面的設(shè)計(jì)年限，造成經(jīng)濟(jì)的極大浪費(fèi)。

5　結(jié)　語

由于水泥混凝土路面設(shè)計(jì)期間交通組成預(yù)估脫離實(shí)際情況，使其早期使用狀況欠佳，使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)使用年限，尤其是一些重載交通干道，早期損壞嚴(yán)重，使得水泥混凝土路面不但沒有體現(xiàn)出使用壽命長、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，反而進(jìn)一步凸顯了開放交通遲、有接縫及維修困難的弱點(diǎn)，甚至造成一些地區(qū)認(rèn)為修建水泥路面不如修建瀝青路面，進(jìn)而限制了水泥混凝土路面的使用。

為了保證修建水泥混凝土路面能滿足設(shè)計(jì)使用要求，有必要建立一套自然交通量與汽車軸載之間的換算系數(shù)?；蛘咴谟袟l件的情況下，設(shè)置長期軸重觀測設(shè)備，通過實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到每類車型的各種軸載在不同軸重區(qū)間的分布比例，也就是軸載譜，從而換算成為標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)當(dāng)量次數(shù)，使車輛超載情況在設(shè)計(jì)中得到反映，為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

只要充分認(rèn)識(shí)交通現(xiàn)況，并準(zhǔn)確預(yù)測發(fā)展趨勢，并以此來指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工，是完全可以達(dá)到水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)預(yù)期效果并充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢的。但由于超載車輛的超載率及通行量無法準(zhǔn)確預(yù)測及有效控制，增加路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度雖然能夠一定程度上增強(qiáng)超載車輛對路面結(jié)構(gòu)損壞的抵抗能力，但不能完全避免超載車輛對路面結(jié)構(gòu)的損壞。故有關(guān)部門在道路施工及運(yùn)營期間增加監(jiān)管力度，限制超載車輛通行，才能從根源上避免水泥混凝土路面早期損壞。

[1]GB 1589—2004，道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限制[S].

[2]JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]趙隊(duì)家，劉少文，申俊敏.重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社，2012.

U416.216

A

1009-7716（2016）04-0032-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.010

2015-12-16

齊賽（1984-），女，工程碩士，工程師，從事道路設(shè)計(jì)工作。