輪跡路面設計與施工技術研究

1、輪跡路面設計與施工技術研究報告簡本1.項目概況目前，在加速我國農村公路建設，大力推進農村經濟可持續(xù)發(fā)展的進程中，表現最突出的問題是建設資金和建設規(guī)模的矛盾問題。本項目是在近幾年交通部先后組織的農村公路建設相關技術問題研究的基礎上，針對我國廣大邊遠貧困地區(qū)低交通量道路的運輸特性，充分考慮農村公路建設中存在的實際困難，所開展的如何因地制宜，多種形式建設農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有鋪裝結構的道路形式，輪跡帶一般采用水泥混凝土板或條（塊）石。其具有結構形式靈活多樣、建設成本低、養(yǎng)護維修容易、環(huán)境適應性等優(yōu)良特性，能夠有效地緩解現階段我國農村公路建設資金短缺、路網覆蓋面不足

2、、通達性不夠等諸多問題，從而加速農村經濟的可持續(xù)發(fā)展。該項目是在調查和分析國內外有關輪跡道路相關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上，于2006年7月在西部交通建設科技項目辦立項。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性、斷面形式、路面的結構設計及施工技術等一系列的研究工作，力爭建立一套較為實用的設計和施工標準和方法，為今后一段時期加快我國廣大農村公路建設的步伐提供有益的技術支持。項目合同期限為2006年7月2008年12月；項目承擔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。2006年79月就項目研究的資料調查、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整理，研究論證了試驗路設計和施工方案，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計方法和設計標準；研究總結了輪跡路面施工工藝和質量控制標準。2008年，進行了輪跡路面典型結構的研究分析；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，領導們都給予了充分的重視，努力協調各方面工作，使得在各地市縣鄉(xiāng)的相關調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)技術力量配備堅實，

4、人員充足，理論分析準備充分，和實際結合緊密，取得了一系列的研究成果，達到了預期的目的。后期吉林省交通廳對輪跡路面在吉林省農村公路建設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驗。圖1-1輪跡道路結構形式圖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，提出其在農村公路中使用的技術依據。制定的研究內容如下：1) 農村公路選擇輪跡道路的適應性分析和選擇依據的研究2) 水泥混凝土輪跡結構受力分析3) 輪跡路面設計方法和設計標準的研究4) 輪跡路面典型結構分析5) 輪跡路面的施工工藝

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

6、村公路交通運輸的規(guī)律和特殊性，分析了低交通量農村公路車輛組成特征。調查結果，縣鄉(xiāng)之間多為200800輛/晝夜；鄉(xiāng)鄉(xiāng)之間通常400輛/晝夜，以農用車為主；等外級道路50輛/晝夜，基本上是農用小型車輛。低交通量的鄉(xiāng)村級農村公路，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：目前農村公路建設中，應量力而行，應根據道路在公路網中的作用及其交通運輸的需求來確定合理的路面結構形式和相應的建設標準；同時，對于經濟條件相對落后、地域偏遠地區(qū)的低交通量農村公路，如何使其在低成本條件下，在建設和養(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，激活地方經濟；結構設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有一定寬度的路面結構的道路形式，面層下面可以根據需要設置基層或墊層結構。整個輪跡道路路基寬度范圍內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農村公路車輛輪距統(tǒng)計分析通過對所調查鄉(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驗，考慮我國農村公路行駛車輛的規(guī)格，輪跡帶寬度一般在0.71.0m范圍內取值；中間帶在0.60.9m范圍內取值。應用時，應根據所在地農用車輛輪距規(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，錯車道位置應加寬路基，可以單車加寬，也可雙側加寬，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，以保證路基路面結構長期的整體穩(wěn)定性。路肩帶通常做鋪磚、砌塊、泥結碎石或泥結砂等簡易的硬化處理，依條件選擇。錯車道主要的技術要求有：1）錯車道間距一般取300m左右，錯車道長度不小于30m；2）錯

10、車道應盡量設在地勢高視線開闊的路段上；3）錯車道不得設在橋涵建筑物上，也不得設在高填和特殊設計的路段。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構內部排水，結構內部排水是輪跡路面排水的關鍵。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遵循的原則。2.1.5輪跡路面的結構組合和材料適應性分析研究從基層類型對輪跡路面結構受力、路面結構排水、材料供應、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及延誤時間，考慮了交通混雜、低速農用人力和畜力車

11、帶來的干擾，農忙季節(jié)還有超寬農用車輛產生的干擾，及車輛行駛服務標準需要等諸多因素，研究兩種輪跡路面所能適應的最大交通量。以上分析計算的輪跡道路能適應的年平均日交通量集中匯于表2-1中。表2-1輪跡道路能適應的年平均日交通量路基寬度（）設計速度（km/h）基本通行能力(pcu/h)適應交通量(pcu/d)3.5201062306.20200440402455402.2水泥混凝土輪跡路面結構受力分析本研究重點分析了水泥混凝土輪跡路面板的結構破壞模式；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構組合，利用有限元分析方法

12、，分析了輪跡板的最大主應力隨板的尺寸、基礎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的要求。并分析了不同組合條件下的溫度應力響應。計算分析所得的主要結論為：1）為減小輪跡板底的拉應力，短板優(yōu)于長板，加強基層將大幅度減小板底拉應力；2）對低等級的農村公路來說，增強板下的基礎對減小薄板的溫度翹曲應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，荷載應力和溫度應力均會增大，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計基準期定為1015年。2）結合輪跡道路的設計交通量，參考農村公路交通組成狀況，選擇一典型結構進行分析，并根據路網使用要求及經驗，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構組合設計原則4）提出輪跡路面結構設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

14、計的思想，并給出了弱化原則。6）選擇輪跡路面常用結構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構設計，將計算結果分析整理繪制了結構設計諾謨圖，并給出了插圖方法，供設計參照使用。如下圖2-5：圖2-5輪跡板寬80cm路面結構設計諾謨圖7）對上述輪跡路面常用結構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構極限軸載的基準值，并給出了依次確定一般輪跡路面結構極限軸載的原則。8）參考相關研究成果，整理分析了聯鎖塊輪跡路面的設計方法。2.4輪跡路面典型結構分析按照前述提出的輪跡路面設計方法，給出了四種具有代表性的典型結構，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。這為無設計條件情況下的農村公路建設提供了極大的方便。見表2-3。表2-3推薦輪跡路面典型結構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%；設計年限內標準軸載累計作用次數接近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%；設計年限內標準軸載累計作用次數接近3萬次；極限軸載限制13噸。土基頂面設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%；設計年限內標準軸載累計作用次數接近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%；設計年限內標準軸載累計作用次數小于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50mm粘土封層。聯鎖塊結構，可采用混凝土預制塊或鑿制天然石塊；輪跡帶的寬度宜取1.0m，塊厚100mm；聯鎖塊鋪面提供邊緣約束；下設3050mm砂墊層。排水式基層150mmEt60MPa1516注：1）板寬的取值應遵循車輛數多、大車多、行車速度快時取寬板，否則取窄板的原則；板厚板厚的關系應遵循板厚即取長板，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、結構組合、斷面形式、幾何尺寸、錯車形式、施工工藝、質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濟合理，技術可行。在總結經驗不斷完善的基礎上，推廣于農村鄉(xiāng)村公路建設中前景會很好。圖2-6試驗路工程3.編制輪跡路面設計與施工技術指南通過以上理論分析和實體工程的總結，編制供設計和施工使用的技術指南，指南分“設計部分”和“施工部分”。設計部分將設計原則、設計步驟、設計