輪跡路面設(shè)計與施工技術(shù)研究

1、輪跡路面設(shè)計與施工技術(shù)研究報告簡本1.項目概況目前，在加速我國農(nóng)村公路建設(shè)，大力推進農(nóng)村經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的進程中，表現(xiàn)最突出的問題是建設(shè)資金和建設(shè)規(guī)模的矛盾問題。本項目是在近幾年交通部先后組織的農(nóng)村公路建設(shè)相關(guān)技術(shù)問題研究的基礎(chǔ)上，針對我國廣大邊遠貧困地區(qū)低交通量道路的運輸特性，充分考慮農(nóng)村公路建設(shè)中存在的實際困難，所開展的如何因地制宜，多種形式建設(shè)農(nóng)村公路的又一專項研究。輪跡路面是一種僅在行車輪跡帶上設(shè)有鋪裝結(jié)構(gòu)的道路形式，輪跡帶一般采用水泥混凝土板或條（塊）石。其具有結(jié)構(gòu)形式靈活多樣、建設(shè)成本低、養(yǎng)護維修容易、環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)良特性，能夠有效地緩解現(xiàn)階段我國農(nóng)村公路建設(shè)資金短缺、路網(wǎng)覆蓋面不足

2、、通達性不夠等諸多問題，從而加速農(nóng)村經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。該項目是在調(diào)查和分析國內(nèi)外有關(guān)輪跡道路相關(guān)信息資料及研究成果，并在充分分析了輪跡道路的優(yōu)良特性及適用性和可行性的基礎(chǔ)上，于2006年7月在西部交通建設(shè)科技項目辦立項。立項目的是要通過理論研究和試驗路工程完成輪跡道路的交通適應(yīng)性、斷面形式、路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工技術(shù)等一系列的研究工作，力爭建立一套較為實用的設(shè)計和施工標準和方法，為今后一段時期加快我國廣大農(nóng)村公路建設(shè)的步伐提供有益的技術(shù)支持。項目合同期限為2006年7月2008年12月；項目承擔(dān)單位為吉林省長春公路管理處，項目合作單位有哈爾濱工業(yè)大學(xué)。2006年79月就項目研究的資料調(diào)查、理論研

3、究、試驗路籌備等幾方面工作分頭實施，9月初對階段性的理論研究成果進行了總結(jié)整理，研究論證了試驗路設(shè)計和施工方案，10月中旬完成了輪跡路面的混凝土工程，11月初完成了全部試驗路工程。2007年，進行試驗路工程的后期觀測；同時對理論研究工作做了進一步的補充完善，分析研究了輪跡路面的設(shè)計方法和設(shè)計標準；研究總結(jié)了輪跡路面施工工藝和質(zhì)量控制標準。2008年，進行了輪跡路面典型結(jié)構(gòu)的研究分析；撰寫研究報告；編寫指南。課題整個執(zhí)行過程中，主管單位和參加單位配合積極配合，領(lǐng)導(dǎo)們都給予了充分的重視，努力協(xié)調(diào)各方面工作，使得在各地市縣鄉(xiāng)的相關(guān)調(diào)查工作及試驗工程的組織和實施非常順利。同時研究環(huán)節(jié)技術(shù)力量配備堅實，

4、人員充足，理論分析準備充分，和實際結(jié)合緊密，取得了一系列的研究成果，達到了預(yù)期的目的。后期吉林省交通廳對輪跡路面在吉林省農(nóng)村公路建設(shè)中的推廣工作力度也很大，兩年多全省已有500多公路的輪跡路面，積累了寶貴的實踐經(jīng)驗。圖1-1輪跡道路結(jié)構(gòu)形式圖1-2輪跡道路景觀效果圖1-3榆樹輪跡試驗路景觀2.主要研究內(nèi)容和研究成果本項目詣在通過對輪跡道路全面而系統(tǒng)的理論分析和試驗研究，提出其在農(nóng)村公路中使用的技術(shù)依據(jù)。制定的研究內(nèi)容如下：1) 農(nóng)村公路選擇輪跡道路的適應(yīng)性分析和選擇依據(jù)的研究2) 水泥混凝土輪跡結(jié)構(gòu)受力分析3) 輪跡路面設(shè)計方法和設(shè)計標準的研究4) 輪跡路面典型結(jié)構(gòu)分析5) 輪跡路面的施工工藝

5、及控制標準的研究6）經(jīng)濟效益分析2.1農(nóng)村公路選擇輪跡道路的適應(yīng)性和選擇依據(jù)的研究2.1.1農(nóng)村公路交通特征分析農(nóng)村公路是根據(jù)行政等級劃分為縣道、鄉(xiāng)道、村屯道。交通部公路科學(xué)研究所所做的西部交通建設(shè)科技項目小交通量道路路面設(shè)計方法研究曾對全國九個省份的農(nóng)村公路做過有關(guān)農(nóng)村縣、鄉(xiāng)、村級公路等級標準與路面類型的專項調(diào)查，結(jié)果說明：農(nóng)村公路因地域和發(fā)展水平上的差異，使各行政級別的公路等級和相應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)形式有較大的差別，等級越低這種差異越大，因地制宜，路面結(jié)構(gòu)形式選擇余地也越大，等級和標準與交通需求的對應(yīng)性參差不齊。本項目研究中以吉林和黑龍江為主要調(diào)查對象，重點對通鄉(xiāng)通村公路進行了調(diào)查，分析了我國農(nóng)

6、村公路交通運輸?shù)囊?guī)律和特殊性，分析了低交通量農(nóng)村公路車輛組成特征。調(diào)查結(jié)果，縣鄉(xiāng)之間多為200800輛/晝夜；鄉(xiāng)鄉(xiāng)之間通常400輛/晝夜，以農(nóng)用車為主；等外級道路50輛/晝夜，基本上是農(nóng)用小型車輛。低交通量的鄉(xiāng)村級農(nóng)村公路，車速低，非機動車混合較多，大型的車輛較少，一般5噸以下車輛占80%以上，最重車輛在20噸左右。從以上的分析可以做出如下的總結(jié)：目前農(nóng)村公路建設(shè)中，應(yīng)量力而行，應(yīng)根據(jù)道路在公路網(wǎng)中的作用及其交通運輸?shù)男枨髞泶_定合理的路面結(jié)構(gòu)形式和相應(yīng)的建設(shè)標準；同時，對于經(jīng)濟條件相對落后、地域偏遠地區(qū)的低交通量農(nóng)村公路，如何使其在低成本條件下，在建設(shè)和養(yǎng)護水平較低的情況下，選擇相對合理又耐用

7、的路面形式，以緩解建設(shè)資金的壓力，盡快使更多的鄉(xiāng)村改善其出行條件，激活地方經(jīng)濟；結(jié)構(gòu)設(shè)計還可以考慮分階段提高標準，并且要充分利用已有的穩(wěn)定砂石路或大車道；同時，低填或零填的鄉(xiāng)村公路尤其要重視路基的排水問題。2.1.2 輪跡路面適宜的斷面形式研究輪跡道路的特點就是僅在行車輪跡處鋪設(shè)有一定寬度的路面結(jié)構(gòu)的道路形式，面層下面可以根據(jù)需要設(shè)置基層或墊層結(jié)構(gòu)。整個輪跡道路路基寬度范圍內(nèi)包括三個部分輪跡帶、中間帶、路肩帶（包括有硬化處理部分和土路肩部分）。分析輪跡道路的斷面形式主要是指分析確定合理的輪跡帶寬度和中間帶寬度，這兩個寬度的確定主要取決于道路的交通組成，取決于主要的服務(wù)車輛類型（即車輛左右輪距尺

8、寸）；硬化的路肩帶寬度值將影響著路面上有效的行車寬度，對輪跡道路的通行能力和通行順暢程度有著至關(guān)重要的影響。輪跡道路不同的斷面形式將決定其最大通行能力，也因此決定了輪跡道路的適用條件。圖2-1砂石路輪跡帶示意圖圖2-2農(nóng)村公路車輛輪距統(tǒng)計分析通過對所調(diào)查鄉(xiāng)村公路的交通量、交通組成、輪跡分布、車輛輪距等的分析，同時參考國外輪跡道路的使用經(jīng)驗，考慮我國農(nóng)村公路行駛車輛的規(guī)格，輪跡帶寬度一般在0.71.0m范圍內(nèi)取值；中間帶在0.60.9m范圍內(nèi)取值。應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)所在地農(nóng)用車輛輪距規(guī)格特征選擇合理的尺寸。輪跡路面可以根據(jù)路基寬度和通行能力要求選擇以下兩種斷面形式，如圖2-3和2-4，而且要充分利用

9、原有的砂石路和大車道進行改造。圖2-3單車道路基寬度的輪跡道路橫斷面形式圖2-4雙車道路基寬度的輪跡道路橫斷面形式2.1.3輪跡路面的錯車道問題單車道路基寬度的輪跡道路，錯車道位置應(yīng)加寬路基，可以單車加寬，也可雙側(cè)加寬，路基寬度不小于6m；雙車道路基寬度的輪跡道路，錯車道位置的路基寬度滿足錯車要求，若路基的穩(wěn)定性較好，能滿足車輛臨時停駐的承載要求，可以不設(shè)置鋪面，否則需要將中間帶和部分路肩進行鋪面硬化，以保證路基路面結(jié)構(gòu)長期的整體穩(wěn)定性。路肩帶通常做鋪磚、砌塊、泥結(jié)碎石或泥結(jié)砂等簡易的硬化處理，依條件選擇。錯車道主要的技術(shù)要求有：1）錯車道間距一般取300m左右，錯車道長度不小于30m；2）錯

10、車道應(yīng)盡量設(shè)在地勢高視線開闊的路段上；3）錯車道不得設(shè)在橋涵建筑物上，也不得設(shè)在高填和特殊設(shè)計的路段。2.1.4輪跡路面的排水系統(tǒng)輪跡路面的排水也分路表排水和路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水，結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水是輪跡路面排水的關(guān)鍵。研究中分析了不同路基條件、基層條件、路面鋪筑形式、路肩帶和中間帶鋪筑形式等條件下輪跡路面排水應(yīng)遵循的原則。2.1.5輪跡路面的結(jié)構(gòu)組合和材料適應(yīng)性分析研究從基層類型對輪跡路面結(jié)構(gòu)受力、路面結(jié)構(gòu)排水、材料供應(yīng)、造價等的綜合影響進行了分析。2.1.6輪跡道路通行能力分析選擇了3.5m和6.0m兩種路基寬度為分析對象，分析了會車的安全性和會車次數(shù)及延誤時間，考慮了交通混雜、低速農(nóng)用人力和畜力車

11、帶來的干擾，農(nóng)忙季節(jié)還有超寬農(nóng)用車輛產(chǎn)生的干擾，及車輛行駛服務(wù)標準需要等諸多因素，研究兩種輪跡路面所能適應(yīng)的最大交通量。以上分析計算的輪跡道路能適應(yīng)的年平均日交通量集中匯于表2-1中。表2-1輪跡道路能適應(yīng)的年平均日交通量路基寬度（）設(shè)計速度（km/h）基本通行能力(pcu/h)適應(yīng)交通量(pcu/d)3.5201062306.20200440402455402.2水泥混凝土輪跡路面結(jié)構(gòu)受力分析本研究重點分析了水泥混凝土輪跡路面板的結(jié)構(gòu)破壞模式；采用與普通水泥混凝土路面相似的彈性地基上的小撓度有限尺寸板，面層與基層層間完全連續(xù)的分析模型，選擇常用偏低等級的路面材料及結(jié)構(gòu)組合，利用有限元分析方法

12、，分析了輪跡板的最大主應(yīng)力隨板的尺寸、基礎(chǔ)支承條件等的變化規(guī)律，依次確定不同情況下輪跡板的合理尺寸范圍，以及不同板塊對基礎(chǔ)的要求。并分析了不同組合條件下的溫度應(yīng)力響應(yīng)。計算分析所得的主要結(jié)論為：1）為減小輪跡板底的拉應(yīng)力，短板優(yōu)于長板，加強基層將大幅度減小板底拉應(yīng)力；2）對低等級的農(nóng)村公路來說，增強板下的基礎(chǔ)對減小薄板的溫度翹曲應(yīng)力有非常顯著的作用。3）輪跡路面車輛行駛速度不快，所以板不宜取過長，長板太長，荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力均會增大，對基層的要求也會提高。4）輪跡路面板厚板長以及基層材料的選擇，既要考慮承載的需要又要兼顧路面的排水、行車舒適、施工便捷、減低造價等多個因素。2.3水泥混凝土輪跡路

13、面設(shè)計方法的研究主要取得如下研究成果：1）考慮輪跡路面的使用條件，確定水泥混凝土輪跡路面的設(shè)計基準期定為1015年。2）結(jié)合輪跡道路的設(shè)計交通量，參考農(nóng)村公路交通組成狀況，選擇一典型結(jié)構(gòu)進行分析，并根據(jù)路網(wǎng)使用要求及經(jīng)驗，確定輪跡路面的交通等級劃分為表2-2。表2-2輪跡路面交通分級交通等級BZZ-100累計標準軸次（次/車道）輕-130000輕-210000輕-330003）提出不同情況下輪跡路面的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計原則4）提出輪跡路面結(jié)構(gòu)設(shè)計采用疲勞斷板和極限斷裂兩個指標來控制混凝土板的斷裂。5）根據(jù)輪跡路面小尺寸板下半剛性基層的受力特點提出了將半剛性基層的作用弱化為不同強度的柔性基層進行路面設(shè)

14、計的思想，并給出了弱化原則。6）選擇輪跡路面常用結(jié)構(gòu)組合形式和可能的輪跡板幾何尺寸，按照上述方法進行輪跡路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，將計算結(jié)果分析整理繪制了結(jié)構(gòu)設(shè)計諾謨圖，并給出了插圖方法，供設(shè)計參照使用。如下圖2-5：圖2-5輪跡板寬80cm路面結(jié)構(gòu)設(shè)計諾謨圖7）對上述輪跡路面常用結(jié)構(gòu)進行了一次荷載作用的極限斷裂的分析，給出了特定輪跡路面結(jié)構(gòu)極限軸載的基準值，并給出了依次確定一般輪跡路面結(jié)構(gòu)極限軸載的原則。8）參考相關(guān)研究成果，整理分析了聯(lián)鎖塊輪跡路面的設(shè)計方法。2.4輪跡路面典型結(jié)構(gòu)分析按照前述提出的輪跡路面設(shè)計方法，給出了四種具有代表性的典型結(jié)構(gòu)，分析了其適宜的交通量、基層條件、路基條件、降水條件、輪

15、跡路面形式、極限軸載及參考造價等等。這為無設(shè)計條件情況下的農(nóng)村公路建設(shè)提供了極大的方便。見表2-3。表2-3推薦輪跡路面典型結(jié)構(gòu)序號路基條件氣候特征交通條件處理措施水泥混凝土輪跡板推薦基層材料及基層頂面的綜合模量Et的建議參考造價（萬/km）輪跡-原為砂石路，水穩(wěn)定性良好、承載力足夠，局部有坑槽或松散。E050MPa干旱少雨地區(qū)5噸以上車輛占交通量的比例小于2%；設(shè)計年限內(nèi)標準軸載累計作用次數(shù)接近1萬次；極限軸載限制12噸。修整路基平整密實后直接鋪設(shè)輪跡路面板寬0.8m0.9m板厚180mm板長1.3m Ec4.0 MPa原砂石路上改建輪跡道路1516輪跡-一般土質(zhì)路基E040MPa多雨地區(qū)5

16、噸以上車輛占交通量的比例小于3%；設(shè)計年限內(nèi)標準軸載累計作用次數(shù)接近3萬次；極限軸載限制13噸。土基頂面設(shè)50mm粘土封層，并增大橫向坡度。板寬0.9m1.0m板厚180mm200mm板長1.3m1.7m；Ec4.0 MPa級配碎石、級配礫石、片石、未篩分碎石等材料作排水基層200mmEt60MPa2122輪跡- 一般土質(zhì)路基E040MPa雨水較少的地帶5噸以上車輛占交通量的比例小于3%；設(shè)計年限內(nèi)標準軸載累計作用次數(shù)接近3萬次；極限軸載限制18噸。土基修整平整密實板寬0.9m1.0m板厚180mm200mm板長1.6m2.0m Ec4.0 MPa可以用石灰穩(wěn)定土、二灰土、二灰砂礫、水泥穩(wěn)定山

17、砂等模量較高的半剛性材料做基層300mmEt120MPa2123輪跡- 一般土質(zhì)路基E040MPa雨水較少的地帶5噸以上車輛占交通量的比例小于3%；設(shè)計年限內(nèi)標準軸載累計作用次數(shù)小于3萬次；年平均日交通量小于300輛；極限軸載限制12噸。土基修整平整密實，且土基頂面設(shè)50mm粘土封層。聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)，可采用混凝土預(yù)制塊或鑿制天然石塊；輪跡帶的寬度宜取1.0m，塊厚100mm；聯(lián)鎖塊鋪面提供邊緣約束；下設(shè)3050mm砂墊層。排水式基層150mmEt60MPa1516注：1）板寬的取值應(yīng)遵循車輛數(shù)多、大車多、行車速度快時取寬板，否則取窄板的原則；板厚板厚的關(guān)系應(yīng)遵循板厚即取長板，板薄即取短板的原則。

18、2）交通條件和自然條件與表中情況有差異時，可參照選取。 3）表中造價是參考吉林省榆樹地區(qū)造價測算。2.5輪跡路面的施工工藝及控制標準的研究試驗路選在吉林省榆樹市，起點位于懷家鎮(zhèn)東山屯，終點止于秀色山莊，路線長2.353公里，共有六個試驗段方案。試驗路工程從輪跡路面通行服務(wù)、結(jié)構(gòu)組合、斷面形式、幾何尺寸、錯車形式、施工工藝、質(zhì)量控制管理等多方面進行了實體的驗證。后期進行了兩年多的跟蹤觀測表明，該通村公路修筑輪跡路面的方案經(jīng)濟合理，技術(shù)可行。在總結(jié)經(jīng)驗不斷完善的基礎(chǔ)上，推廣于農(nóng)村鄉(xiāng)村公路建設(shè)中前景會很好。圖2-6試驗路工程3.編制輪跡路面設(shè)計與施工技術(shù)指南通過以上理論分析和實體工程的總結(jié)，編制供設(shè)計和施工使用的技術(shù)指南，指南分“設(shè)計部分”和“施工部分”。設(shè)計部分將設(shè)計原則、設(shè)計步驟、設(shè)計