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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国农村公路建设资金短缺、路网覆盖面不足
2、、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79月就项目研究的资料调查、理论研
3、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，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，
4、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
5、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
6、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200800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
7、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
8、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0.71.0m范围内取值；中间带在0.60.9m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
9、原有的砂石路和大车道进行改造。图2-3单车道路基宽度的轮迹道路横断面形式图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
10、车道应尽量设在地势高视线开阔的路段上；3）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，考虑了交通混杂、低速农用人力和畜力车
11、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)3.5201062306.20200440402455402.2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
12、，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
13、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1015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-130000轻-210000轻-330003）提出不同情况下轮迹路面的结构组合设计原则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
14、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
15、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，局部有坑槽或松散。E050MPa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0.8m0.9m板厚180mm板长1.3m Ec4.0 MPa原砂石路上改建轮迹道路1516轮迹-一般土质路基E040MPa多雨地区5
16、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0.9m1.0m板厚180mm200mm板长1.3m1.7m；Ec4.0 MPa级配碎石、级配砾石、片石、未筛分碎石等材料作排水基层200mmEt60MPa2122轮迹- 一般土质路基E040MPa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0.9m1.0m板厚180mm200mm板长1.6m2.0m Ec4.0 MPa可以用石灰稳定土、二灰土、二灰砂砾、水泥稳定山
17、砂等模量较高的半刚性材料做基层300mmEt120MPa2123轮迹- 一般土质路基E040MPa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3050mm砂垫层。排水式基层150mmEt60MPa1516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。
18、2）交通条件和自然条件与表中情况有差异时，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
19、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。4.轮迹路面的经济性分析试验路每公里造价为18.4720.43万元，按照当年吉林省榆树地区的单价测算，试验路初期建设费用比相同通行标准的普通水泥混凝土路面省30-40%以上，比沥青表处路面省15-20%以上。考虑后期维修养护，轮迹路面维修养护方法简单便捷，养护周期长成本低，总的建养费用比水泥混凝土路面可节省40%以上。表4-1建设及养护周期需资金成本比较项目建设成本（万元）20年养护成本合计（
20、万元）建养费用合计（万元）总费用节省（%）每公里乡道沥青路面22.0022.2044.22较沥青路面节省：46%较水泥路面节省：45%每公里乡道水泥路面35.008.2243.22每公里轮迹路面20.433.2823.71因此，在我国社会经济还不是高度发达的现阶段，轮迹道路的应用可以作为通达、通畅的农村交通运输体系的重要组成部分。轮迹道路可以在不增加农民负担的情况下，改善农村的生产和生活条件，提高乡村道路交通运输的质量，促进村镇对外的经济和文化交流，它将在社会主义新农村建设中体现出巨大的社会效益，将有很好的推广前景。存在的一些不足之处还需要在实践中不断完善。交通部于2007年在吉林省进行了农村公路建设巡查，之后在农村公路发展纲要中肯定了轮迹路面在我国目前农村公路建设中的重要作用，建议推广使用。
