重載車輛對水泥混凝土路面設計的影響

齊賽，牛犇

（北京冠亞偉業民用建筑設計有限公司市政工程設計分公司,北京市 100053）

重載車輛對水泥混凝土路面設計的影響

齊賽，牛犇

（北京冠亞偉業民用建筑設計有限公司市政工程設計分公司,北京市 100053）

在水泥混凝土路面設計工作中，由于重載車輛的通行造成交通參數選用不合理，常使得路面使用壽命達不到設計要求，進而其自身的諸多優勢也大大削弱，最終造成經濟及資源的損失。結合北京某道路設計實踐分析交通參數對水泥混凝土路面設計的影響。

水泥混凝土路面；交通參數；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構形式，具有路面強度高、擴散荷載能力強、穩定性好、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點，在國內外得到了廣泛應用。

《2012年公路水路交通運輸行業發展統計公報》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輸事業不斷發展，伴隨交通量的劇增及車輛軸載重型化，特別是交通超載、超限現象嚴重，公路在經受繁重的軸載負荷和密集交通量的反復作用下，對路面使用壽命造成不利影響。

在水泥混凝土路面設計工作中，通常以車輛正常使用狀態為設計依據，往往與實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不到設計要求，進而其自身的諸多優勢也大大削弱，最終造成經濟及資源的損失。

交通參數是路面結構設計的主要依據之一，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，對于設計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計的影響

進行瀝青路面設計時，車道上各種車輛荷載的換算累計當量軸次是關鍵的設計計算指標，當有超重載車輛時，其換算得到的當量軸次是標準荷載的幾何級倍數。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，影響公路的服務水平。同時通過計算可見，超重荷載引起路面結構內的應力大幅增加，使路面結構產生較大的拉壓應力，這些力的作用會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《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011），以100 kN單軸-雙輪組荷載作為設計軸載，各級軸載作用次數Ni按下式換算為設計軸載的作用次數Ns。

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

假設Pi=1.5Ps，那么軸載換算系數為657；Pi=2Ps，那么軸載換算系數為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計的影響

在軸載換算時，有著較大的隨意性，不同設計者根據相同的交通量數據，仍會得到不同的設計軸載作用次數。主要是不同的設計者會根據個人的設計經驗將現況運營車輛簡單地套用《公路水泥混凝土路面設計規范》中所提供的車型，然后進行軸載換算，從而產生不同的計算結果。

表1　汽車超重時軸載作用次數的變化情況

例如，現況道路運營大型貨車多為雙后軸貨車，選取規范中雙后軸貨車車型中太脫拉81553及紅巖CQ30290進行計算比較，見表2。

表2　車型比較

由表2計算得太脫拉81553及紅巖CQ30290換算成標準軸載系數分別為2.74及32.34，雖然兩者滿載總質量僅相差3.4 t，但兩者軸載系數相差11倍。故計算車型選取不當，會對軸載換算系數的計算產生較大偏差，進而對路面設計產生較大影響，或是設計強度不足造成水泥混凝土路面的早期損壞，或是設計強度過于保守造成很大的經濟浪費。

由于《公路水泥混凝土路面設計規范》中所提供的車型現今多已淘汰，為了盡量與實際相符并統一標準，設計時可按照通行車輛的車型、軸型及輪組數，從《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質量限值》（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　設計實例

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，是一條既解決區域性交通出行及沿河觀賞交通，又具備旅游服務功能的道路。2015年初，路側新辟一處鐵礦采礦場并逐步出料運營，礦區車輛將通過該道路全線往返，運送礦料至鄰近鐵礦廠進行深加工。采礦場運營5個月后，原道路瀝青路面出現了嚴重的破損。本次擬建道路路面結構采用水泥混凝土路面結構，道路等級提升為三級公路。

4.1交通調查

經現場實地調查，目前采礦場運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，實際裝載后總質量均達到35～40 t/輛；另一種是六軸拖掛車（見圖3），每天100輛次，實際裝載后總質量均達到70～75 t/輛。

根據實際運營車輛，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%計算設計軸載的作用次數Ns，見表6。

表6　設計軸載計算

計算累計當量軸次，三級公路的設計基準期為15 a，安全等級為三級，輪機橫向分布系數η= 0.54，gr=0.03，則

滿載時

屬中等交通等級。

超重50%時

屬特重交通等級。

4.3結構設計

滿載時：設計路面結構為普通混凝土面層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，縱縫為設拉桿平縫，橫縫為不設傳力桿的假縫。工程造價180元/m2。

超重50%時：設計路面結構為普通混凝土面層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，縱縫為設拉桿平縫，橫縫為設傳力桿的假縫。工程造價310元/m2。

4.4案例分析

通行車輛按滿載計算結果為中等交通等級，按超重50%計算結果為特重交通等級。由計算結果可知，假如按滿載設計，通行均為超重50%車輛時，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，但設計按超重50%計算路面結構，新建水泥混凝土路面使用壽命將遠遠大于路面的設計年限，造成經濟的極大浪費。

5　結　語

由于水泥混凝土路面設計期間交通組成預估脫離實際情況，使其早期使用狀況欠佳，使用壽命遠遠低于設計使用年限，尤其是一些重載交通干道，早期損壞嚴重，使得水泥混凝土路面不但沒有體現出使用壽命長、養護費用低等優點，反而進一步凸顯了開放交通遲、有接縫及維修困難的弱點，甚至造成一些地區認為修建水泥路面不如修建瀝青路面，進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計使用要求，有必要建立一套自然交通量與汽車軸載之間的換算系數。或者在有條件的情況下，設置長期軸重觀測設備，通過實測的數據進行統計分析，得到每類車型的各種軸載在不同軸重區間的分布比例，也就是軸載譜，從而換算成為標準軸載累計當量次數，使車輛超載情況在設計中得到反映，為路面結構設計提供基礎數據支撐。

只要充分認識交通現況，并準確預測發展趨勢，并以此來指導設計、施工，是完全可以達到水泥混凝土路面結構預期效果并充分發揮其自身優勢的。但由于超載車輛的超載率及通行量無法準確預測及有效控制，增加路面結構設計強度雖然能夠一定程度上增強超載車輛對路面結構損壞的抵抗能力，但不能完全避免超載車輛對路面結構的損壞。故有關部門在道路施工及運營期間增加監管力度，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、軸荷及質量限制[S].

[2]JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[3]趙隊家，劉少文，申俊敏.重載交通水泥混凝土路面結構設計[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，從事道路設計工作。