基于轴载谱特性的重载道路设计方法研究

摘要：对武汉市化工区周边重载道路交通调查数据进行轴载分析，以此为依据分析重载交通引发的早期病害的影响从道路结构材料和路面结构组合优化等提出相应的设计建议，为重载道路路面的设计提供参考。

关键词：重载交通；轴载谱；水泥混凝土路面；组合设计

中图分类号：S611 文献标识码： A

0引言

化工区道路上货运车辆重载、超载现象普遍，致使路面发生严重的早期破坏，屡修屡破，造成巨大的经济损失。车辆重载不仅使混凝土路面疲劳寿命锐减，同时极易导致混凝土路面板发生一次性破坏。轴载数据是路面结构设计的主要依据，仅仅按照实践经验进行换算设计，会存在较大计算误差，造成路面早期损坏。弄清各种车辆轴载类型、轴载分布，尤其是超重载车辆的轴载分布规律，建立基于车辆轴载谱统计特性的当量设计轴载换算关系，较准确地预估路面在设计使用期内的当量设计轴载累计作用次数，对于设计满足化工区重载水泥混凝上路面结构，提高道路使用性能和寿命是极为重要的。本文结合工程实例，对重载道路交通轴载谱进行分析和探讨，从道路材料和路面结构设计两方面进行重载道路方法研究。

1 重载道路轴载特性分析

1.1 轴载调查

为了解重载道路具体轴载水平，并为路面结构层厚度计算提供合理的设计参数，本文选取武汉某化工新区几条主要重载交通典型道路进行现场调研。并利用动态轴重检测台对通行车辆的每根轮轴进行测试。由于空载货车及小客车的轴重较轻，对路面结构影响微弱，可忽略不计，因此根据前期交通量情况，选取满载二轴货车、三轴货车、四轴货车、五轴货车、六轴货车比例及样本数如表1所示。

表1 调查取样表

轴载谱是指各级轴载所占的比例。根据选取的样本数绘制轴载谱，分析结果如下。

图1 单轴双轮轴载谱

图2 双轴双轮轴载谱

（2）三轴、四轴货车后轴为双轴双轮。双轴轴重都超过了18t，轴重的轴载谱近似于偏正态分布，峰值集中在40～50t比例最大，占35.7%。

图3 三轴双轮轴载谱

（3）五轴、六轴货车轴载主要集中在后三轴双轮上，从图3上可以看出。三联轴轴重都超过了22t，其中三联轴轴重小于60t的比例最大，占37.9%，其次是66～70t的比例为27.6%。

由于各轴型车前轴起支撑作用，轴载相对比较小，对路面结构影响较少，而各轴型车的双联轴，三联轴都不同程度超载，尤其以三轴、四轴货车最为明显，轴载分布范围较宽且较为集中轴重分布大多在40～50t之间，对路面结构影响极大。根据轴载调查得到的重载车辆的轴载谱，分析得到车辆当量轴载换算次数如表2所示

表2 每辆典型车辆当量轴载换算次数

从表2可知，重载车辆对道路结构破坏影响最大的车辆类型为三轴货车和四轴货车（俗称“后八轮”），其在道路上行驶一次相当于标准车辆行驶3亿次，可见此种类型的车辆对道路的破坏作用巨大。

2道路各结构层材料优化组合

2.1面层

水泥混凝土面层直接承受行车荷载和环境因素（温度和湿度）的作用，应具有足够的抗弯拉强度、耐久性和良好的表面特性及平整度。水泥混凝土面板在重轴载作用下极易产生路面露石、剥落、开裂、断板等早期病害，耐久性问题受到了严峻的挑战。因此，提高路面的耐久性降低道路维修成本是重载路面结构材料设计的首要出发点，所以对于重载交通水泥混凝土路面，面层宜采用高性能路面混凝土[1]。

2.2基层

混凝土路面基层的主要作用是为面板提供均匀支承，因此要求基层有足够的耐冲刷性和一定的刚度，以防止唧泥和错台等导致板底脱空。对于承受重载交通的混凝土路面，基层的抗冲刷能力和刚度的要求越高，宜选择贫混凝土或水泥用量大的水泥稳定碎石混合料作基层。选用多孔隙粒料或者水泥或者沥青稳定开级配碎石作透水基层，可以将通过面层接缝或裂缝渗入路面结构内的水分迅速排除，从而提高路面的使用性能和使用寿命。

2.3垫层

垫层的主要作用为改善路面结构的水环境状况，减少由路基不均匀变形对路面结构产生的影响。通常设置在排水不良和有冰冻翻浆路段，起排水、隔水、防冻、防污等作用。此外，垫层还起到扩散行车荷载应力、减小土基产生的应力和变形作用，并能阻止路基土挤入基层影响基层的结构性能。选择垫层材料应尽量做到就地取材，避免使用水泥或石灰煤渣稳定土、二灰稳定土等易产生水损坏材料。优先选择级配碎（砾）石、粗砂、炉渣、水泥稳定粒料等具有自由排水和适应荷载或温度作用时板变形的能力的材料做垫层，考虑其在荷载反复作用下产生剪切变形，施工时要充分压实[2]

2.4路基

多年的施工实践表明，因路基不稳定、不均匀沉降造成的水泥混凝土路面断板及沉陷破坏占多数，尤其在超载、重载交通作用下导致过大的沉降，导致面板脱空，从而加速了破坏。为保证重载作用下路基的稳定、密实、匀质，应采取下列措施：

（2）保证路床处于中湿或干燥状态。受标高限制不能达到时，须采取相应的措施，提高填料的水稳性和降低地下水位。如未能达到中湿状态的路基临界高度，应选用粗粒土或低剂量石灰或水泥稳定细粒土做路床或上路床填料：未能达到潮湿状态的路基临界高度，除采用上述调料措施外，还应采取降低地下水位措施。

（3）路基土的湿度变化与周围环境的影响处于动态平衡状态，在多雨潮湿地区，此平衡状态的湿度接近于土的塑限。高液限土及塑性指数大于16或膨胀率大于3%的低液限粘土的塑限，接近于轻型压实标准时土的最佳含水量。这些土采用重型击实标准压实时，其最佳含水量远低于土的塑限。因而压实土在随后与环境动态破坏平衡过程会吸收水分而产生较大的膨胀变形。对这类土宜采用轻型压实标准。

3路面结构内部排水系统

水破坏现象十分普遍，尤其在重载车辆繁重的路段，是导致混凝土路面早期损坏的重要原因，水冲刷破坏主要表现为基层冲刷引起板底脱空、接缝错台及面板的早期断裂[4]。目前，所采用的措施基本上都是从“堵的原则”提出的，进入路面结构内部的水无法有效排除，重载交通产生的动水压力反复作用于基层，即使冲刷性能非常良好的贫混凝土基层也难以抵制这种水的侵蚀作用，出现唧泥、脱空等破坏。因此，在这种情况下，必须设置路面结构内部排水系统，将积滞在路面结构内的水分迅速排除到路面及路基范围之外，可以改善水泥混凝土路面的使用性能，提高其使用寿命。

4 重载道路路面结构组合设计

路面结构的设计流程如图3所示

图3 重载路面结构设计流程

5 结论

重载化交通是经济发展的必然趋势，研究适合重载交通的路面材料与结构，以防止重载交通作用下水泥混凝土路面的早期破坏，这是目前路面设计与施工中急待解决的问题。本文在分析重载交通轴载特性的基础上，从路面材料与结构进行组合设计研究，可供工程实践参考。