1、轮迹路面设计与施工技术研究 报告简本 1.项目概况 目前，在加 速我国农村公路建设，大力推进农村经济可持续发展的进程中，表现 最突出的问题是建设资金和建设规模的矛盾问题。本项目是在 近几年交通部 先后 组织的农村公路建设相关技术 问题 研究的基础上， 针对我国广大边远贫困地区低 交通量道路的运输特性 ，充分考虑农村公路建设中存在的实际困难，所开展的如何因地制宜，多种形式建设农村公路的又一专项研究。 轮迹路面是一种仅在行车轮迹带上设有铺装结构的道路形式，轮迹带一般采用水泥混凝土板或条（块）石。其具有结构形式灵活多样、建设成本低、 养护维修容易、环境适应性等优 良特性 ，能够有效地 缓解 现阶段我
2、国农村公路建设资金短缺、路网覆盖面不 足 、 通达性不够等 诸多问题，从而加速农村经济的可持续发展。 该项目是在调查和分析国内外有关轮迹道路相关信息资料及研究成果，并在充分分析了轮迹道路的优良特性及适用性和可行性的基础上，于 2006 年 7 月在西部交通建设科技项目办立项。立项目的是要 通过理论研究和试验路工程完成 轮 迹道路的交通适应性、断面形式、路面的结构设计及施工技术等 一系列 的研究 工作 ，力争建立一套较为实用的设计 和施工 标准和方法，为今后一段时期加快我国广大农村公路 建设的步伐提供有益的技术支持。 项目合同期限为 2006 年 7 月 2008 年 12 月；项目承担单位为吉
3、林省长春公路 管理 处，项目 合作 单位有哈尔滨工业大学。 2006 年 7 9 月 就 项目研究的 资料调查、理论研究、试验路筹备等几方面工作 分头实施 ， 9 月初对阶段性的理论研究成果进行了总结整理，研究论证了试验路 设计和施工 方案， 10 月中旬完成了轮迹路面的混凝土工程， 11 月 初 完成了全部试验路工程。 2007 年 ， 进行试验路工程的后期观测 ；同时对理论研究工作做了进一步的补充完善， 分析研究了轮迹路面的设计方法和设计标准； 研究 总结了 轮迹路 面施工工艺和质量控制标准。 2008 年， 进行了轮迹路面典型结构的研究分析；撰写研究报告；编写指南。 课题整个执行过程中，
4、主管单位和参加单位配合积极配合，领导 们 都给予了充分的重视，努力协调各方面工作，使得在各地 市 县乡的相关调查工作 及试验工程的组织和实施 非常顺利 。同时研究环节技术力量配备坚实，人员充足，理论分析准备充分，和实际 结合 紧密，取得了一系列的研究成果，达到了预期的目的。后期吉林省交通厅对轮迹路面在吉林省农村公路建设中的推广工作力度也很大，两年多全省已有 500 多公路的轮迹路面，积累了宝贵的实践经验 。 图 1-1 轮迹道路结构形式 图 1-2 轮迹道路景观效果 图 1-3 榆树轮迹试验路景观 2.主要研究内容和 研究成果 本 项目 诣在通过对轮迹道路全面而系统的理论分析和试验研究，提出
5、其在农村 公路中 使用的技术依据 。 制定的 研究内容 如下 ： 1) 农村公路选择轮迹道路的适应性分析和选择依据的研究 2) 水泥混凝土轮迹结构受力分析 3) 轮迹路面设计方法和设计标准的研究 4) 轮迹路面典型结构分析 5) 轮迹路面的施工工艺及控制标准的研究 6）经济 效益分析 2.1 农村公路选择轮迹道路的适应性和选择依据的研究 2.1.1 农村公路交通特征分析 农村公路是根据行政等级划分为县道、乡道、村屯道。交通部公路科学研究所所做的西部交通建设科技项目小交通量道路路面设计方法研究曾对全国九个省份的农村公路做过有关农村县、乡、村级公路等级标准与路面类型的专项调查，结果说明：农村公路因
6、地域和发展水平上的差异，使各行政级别的公路等级和相应的路面结构形式有较大的差别，等级越低这种差异越大，因地制宜，路面结构形式选择余地也越大，等级和标准与交通需求的对应性参差不齐。 本项目研 究中 以吉林和黑龙江为主要调查对象，重点对通乡通村公路进行了调查，分析了我国农村公路交通运输的规律和特殊性， 分析了低交通量农村公路 车辆组成特征。 调查结果，县乡之间多为 200 800 辆 /昼夜；乡乡之间通常 400 辆 /昼夜，以农用车为主；等外级道路 50 辆 /昼夜，基本上是农用小型车辆。低交通量的乡村级农村公路，车速低，非机动车混合较多，大型的车辆较少，一般 5 吨以下车辆占 80%以上，最重
7、车辆在 20 吨左右。 从以上的分析可以做出如下的总结： 目前农村公路建设中，应量力而行，应根据道路在公路网中的作用及其交通运输的需 求来确定合理的路面结构形式和相应的建设标准 ；同时， 对于经济条件相对落后、地域偏远地区的低交通量农村公路，如何使其在低成本条件下，在建设和养护水平较低的情况下，选择相对合理又耐用的路面形式， 以缓解建设资金的压力， 尽快 使更多的乡村改善其出行条件，激活地方经济 ；结构设计 还 可以考虑分阶段提高标准 ，并且要 充分 利用已有的稳定 砂石路或大车道；同时，低填或零填的乡村公路尤其要 重视路基的排水 问题 。 2.1.2 轮迹 路面 适宜的 断面 形式研究 轮迹
8、道路的特点就是仅在行车轮迹处铺设有一定宽度的路面结构的道路形式，面层下面可以根据需要 设置基层或垫层结构。整个轮迹道路路基宽度范围内包括三个部分轮迹带、中间带、路肩带（包括有硬化处理部分和土 路肩部分）。分析轮迹道路的断面形式主要是指分析确定合理的轮迹带 宽度和中间带宽度， 这两个宽度的确定主要取决于道路的交通组成，取决于主要的服务车辆 类型（即车辆左右轮距尺寸）；硬化的路肩带宽度值将影响着路面上有效的行车宽度，对轮迹道路的通行能力和通行顺畅程度有着至关重要的影响。轮迹道路不同的断面形式将决定其最大通行能力，也因此决定了轮迹道路的适用条件。 图 2-1 砂石路轮迹带示意图 图 2-2 农村公路
9、车辆轮距统计分析 通过对所调查 乡村公路的交通量、交通组成、轮迹分布、车辆轮距等的分析，同时 参考国外轮迹道路的使用经验，考虑我国农村公路行驶车辆的规格，轮迹带宽度一般在 0.7 1.0m范围内取值；中间带在 0.6 0.9m范围内取值。应用时，应根据所在地农用车辆轮距规格特征选择合理的尺寸。 轮迹路面可以根据路基宽度和通行能力要求选择以下两种断面形式，如图2-3 和 2-4，而且要充分利用原有的砂石路和大车道进行改造。 0500100015002000250030000 20 40 60 80 100车辆数轮距（mm）货车 客车 轿车 农用运输车图 2-3 单车道路基宽度的轮迹道路横断面形式
10、 图 2-4 双车道路基宽度的轮迹道路横断面形式 2.1.3 轮迹路面的 错车道问题 单车道路基宽度的轮迹道路，错车道位置应加宽路基，可以单车加宽，也可双侧加宽，路基宽度不小于 6m；双车道路基宽度的轮迹道路，错车道位置的路基宽度满足错车要求，若路基的稳定性较好，能满足车辆临时停驻的承载要求，可以不设置铺面，否则需要将中间带和部分路肩进行铺面硬化，以保证路基路面结构长期的整体稳定性。路肩带通常做铺砖、砌块、泥结碎石或泥结砂等简易的硬化处理，依条件选择。 错车道主要的技术要求有： 1）错车道间距一般取 300m 左右，错车道 长度不小于 30m； 2）错车道应尽量设在地势高视线开阔的路段上； 3
11、）错车道不得设在桥涵建筑物上，也不得设在高填和特殊设计的路段。 2.1.4 轮迹路面的排水系统 轮迹路面的排水也分路表排水和路面结构内部排水 ， 结构内部排水 是 轮迹路面排水的关键。 研究中分析了不同路基条件 、 基层条件 、 路面铺筑形式 、 路肩带和中间带铺筑形式等 条件下 轮迹路面排水应遵循的原则。 2.1.5 轮迹路面的结构组合和材料适应性分析 研究 从基层类型对轮迹路面结构受力 、 路面结构排水 、 材料供应 、 造价等的综合影响 进行了分析 。 2.1.6 轮迹道路通行能力分析 选择了 3.5m 和 6.0m 两种路基宽度为分析对象，分析了会车的安全性和会车次数及延误时间， 考虑
12、了交通混杂、低速农用人力和畜力车带来的干扰，农忙季节还有超 宽农用车辆产生的干扰，及车辆行驶服务标准需要等诸多因素，研究两种轮迹 路 面 所能适应的最大交通量。 以上分析计算的轮迹道路能适应的年平均日交通量集中汇于表 2-1 中。 表 2-1 轮迹道路能适应的年平均日交通量 路基宽度 （） 设计速度 （ km/h） 基本通行能力 (pcu/h) 适应交通量 (pcu/d) 3.5 20 106 230 6. 20 200 440 40 245 540 2.2 水泥混凝土轮迹路面结构受力分析 本研究重点分析了 水泥混凝土轮迹 路面板的结构 破坏模式 ；采用与普通水泥混凝土路面相似的弹性地基上的小
13、挠度有限尺寸板，面层与基层层间完全连续的分析模型，选择常用偏低等级的路面材料及结构组合，利用有限元分析方法，分析了轮迹板的最大主应力随板的尺寸、基础支承条件等的变化规律，依次确定不同情况下轮迹板的合理尺寸范围，以及不同板块对基础的要求。 并分析了不同组合条件下的温度应力响应。计算分析所得的主要结论为： 1） 为减小轮迹板底的拉应力，短板 优于 长板，加 强基层将大幅度减小板底拉应力； 2）对低等级的农村公路来说，增强板下的基础对减小薄板的温度翘曲应力有非常显著的作用。 3）轮迹路面车 辆行驶速度不快，所以板不宜取过长，长板太长，荷载应力和温度应力 均会增大，对基层的要求也会提高。 4）轮迹路面
14、板厚板长以及基层材料的选择，既要考虑承载的需要又要兼顾路面的排水、行车舒适、施工便捷、减低造价等多个因素。 2.3 水泥混凝土 轮迹路面 设计方法的研究 主要取得如下研究成果： 1）考虑轮迹路面的使用条件，确定水泥混凝土轮迹路面的设计基准期定为10 15 年。 2） 结合轮迹道路的 设计交通量，参考农村公路交通组成状况，选择一典型结构进行分析，并根据路网使用要求及经验，确定轮迹路面的交通等级划分为表 2-2。 表 2-2 轮迹路面交通分级 交通等级 BZZ-100 累计标准轴次 （次 /车道） 轻 -1 30000 轻 -2 10000 轻 -3 3000 3）提出不同情况下轮迹路面的结构组合
15、设计原则 4）提出轮迹路面结构设计采用疲劳断板和极限断裂两个指标来控制混凝土板的断裂。 5）根据轮迹路面小尺寸板下半刚性基层的受力特点提出了将半刚性基层的作用弱化为不同强度的柔性基层进行路面设计的思 想 ，并给出了弱化原则 。 6）选择轮迹路面常用结构组合形式和可能的轮迹板几何尺寸，按照上述方法进行轮迹路面结构设计，将计算结果分析整理绘制了结构设计诺谟图，并给出了插图方法，供设计参照使用。 如下图 2-5： 图 2-5 轮迹板宽 80cm 路面结构设计诺谟图 7） 对上述轮迹路面常用结构进行了一次荷载作用的极限断裂的分析，给出了 特定 轮迹路面 结构 极限 轴 载的基准值， 并给出了依次确定一
16、般轮迹路面结构极限轴载的原则。 8）参考相关研究成果，整理分析了联锁块轮迹路面的设计方法。 2.4 轮迹路面 典型结构 分析 按照前述提出的轮迹路 面设计方法，给出了四种具有代表性的典型结构 ，分析了其适宜的交通量 、 基层条件 、 路基条件 、 降水条件 、 轮迹路面形式 、 极限轴载及参考造价等等。这为无设计条件情况下的农村公路建设提供了极大的方便。见表 2-3。 表 2-3 推荐 轮迹路面典型结构 序号 路基条件 气候特征 交通条件 处理措施 水泥混凝土轮迹板推荐 基层材料及 基层顶面的综合模量Et 的建议 参考造价 （万 /km） 轮迹 - 原为砂石路，水稳定性良好、承载力足够，局部有
17、坑槽或松散。 E0 50MPa 干旱少雨地区 5 吨以上车辆占交通量的比例小于 2%； 设计年限 内标准轴载累计作用次数接近 1万次； 极限轴载 限制 12 吨。 修整路基平整密实后直接铺设轮迹路面 板宽 0.8m 0.9m 板厚 180mm 板长 1.3m Ec 4.0 MPa 原砂石路上改建轮迹道路 15 16 轮迹 - 一般土质路基 E0 40MPa 多雨地区 5 吨以上车辆占交通量的比例小于 3%； 设计年限内标准轴载累计作用次数接近 3万次； 极限轴载 限制 13 吨。 土基顶面设 50mm粘土封层，并增大横向坡度。 板宽 0.9m 1.0m 板厚 180mm 200mm 板长 1.
18、3m 1.7m； Ec 4.0 MPa 级配碎石、级配砾石、片石、未筛分碎石等材料作排水基层200mm Et 60MPa 21 22 轮迹 - 一般土质路基 E0 40MPa 雨水较少的地带 5 吨以上车辆占交通量的比例小于 3%； 设计年限内标准轴载累计作用次数接近 3万次； 极限轴载 限制 18 吨。 土基修整平整密实 板宽 0.9m 1.0m 板厚 180mm200mm 板长 1.6m 2.0m Ec 4.0 MPa 可以用石灰稳定土、二灰土、二灰砂砾、水泥稳定山砂等模量较高的半刚性材料做基层 300mm Et 120MPa 21 23 轮迹 - 一般土质路基 E0 40MPa 雨水较少
19、的地带 5 吨以上车辆占交通量的比例小于 3%； 设计年限内标准轴载累计作用次数小于 3万次 ； 年平均日交通量小于 300 辆； 极限轴载限制 12 吨。 土 基 修整 平整 密实，且土基顶面设50mm 粘土封层。 联锁块结构，可采用混凝土预制块或凿制天然石块； 轮迹带的宽度宜取 1.0m，块厚100mm； 联锁块铺面提供边缘约束； 下设 30 50mm 砂垫层。 排水式基层150mm Et 60MPa 15 16 注： 1）板宽的取值应遵循车辆数多、大车多、行车速度快时取宽板，否则取窄板的原则； 板厚板厚的关系应遵循板厚即取长板，板薄即取短板的原则。 2） 交通条件和自然条件与表中情况有差
20、异时，可参照选取。 3）表中造价是参考吉林省榆树地区造价测算。 2.5 轮迹路面的施工工艺及控制标准的研究 试验路选在吉林省榆树市，起点位于怀家镇东山屯，终点止于秀色山庄，路线长 2.353 公里，共有六个试验段方案。 试验路工程从轮迹路面通行服务 、 结构组合 、 断面形式 、 几何尺寸 、 错车形式 、 施工工艺 、 质量控制管理等 多 方面 进行了实体的验证。后期进行了两年多的跟踪观测表明，该通村公路修筑轮迹路面的方案经济合理， 技术可行。在总结经验不断完善的基础上，推广于农村乡村公路建设中前景会很好。 图 2-6 试验路工程 3.编制轮迹路面设计与施工技术指南 通过以上理论分析和实体工程的总结，编制供设计和施工使用的技术指南，指南分 “设计部分 ”和 “施工部分 ”。设计部分将设计原则 、 设计步骤 、 设计标准 、 参数选择等一一列出；施工部分将工艺要求 、 质量标准等 一一列出。这将为轮迹路面的进一步推广提供一定的技术指导。
