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小流量混凝土路的设计与施工：中国的经验
Ya Weialowast;, Siming Lianga, Xiang Gaoa and Jiliang Feng
a中国清华大学土木工程系，中国北京 b云南长滩科技有限公司，昆明国家经济技术开发区，中国云南昆明
（2017年10月16日收到; 2018年6月18日接受）
农村地区的小流量公路是中国道路网络的主要组成部分。这些道路具有重要的社会和经济功能；但是，用于其建造和维护的预算不足。因此，需要探索用于耐用和低成本小流量道路的设计和建造方法。在这项研究中，介绍了在中国西南山区建造的小流量道路（LVR）的设计，施工和性能评估的经验。可以找到2.0 mtimes;2.0 m或更小的小型平板，它承受车轮载荷而不是轮轴载荷，适用于小流量道路。小型平板的厚度范围为10厘米至20厘米，这与平板尺寸有关。这种类型的平板拓宽了混凝土路面在低成本，耐用，小流量道路上的应用。预期这项研究的结果将为小流量道路的设计和建造提供示范。
关键词：设计与施工； 小流量道路； 小型平板； 温度梯度； 薄板
1.引言
目前，中国人口的50.32％生活在农村地区。农村公路总长度约为395万公里，这些公路通常通行能力低且通行车辆很少或根本没有重型卡车。术语“小流量”是指经过要么是重载但很少的车辆，要么是轻载而又很多的车辆（Scott＆Hess，2002）。小流量道路是中国交通基础设施的重要组成部分。虽然小流量道路在总体交通量中所占的比例很小，它们的社会和经济功能是不可替代的。不幸的是，在中国，小流量道路的设计仅引起了有限的关注，由于对这种道路的重要性认识不足。因此，迫切需要用于小流量道路的坚固路面设计程序。
低成本耐用的混凝土路面应被视为中国农村山区公路建设的最佳选择。通常，混凝土路面由于其在交通荷载和恶劣气候条件下的耐久性而适合于重型道路。混凝土路面也适用于建设小流量道路。在建设小流量道路时，混凝土路面可能比沥青路面更可取，尤其是在山区，因为在山区公路上坡和下坡路段通常用于沥青路面的大型摊铺机和压路机难以运转。但是，在该区域可以轻松采用易于施工的固定式混凝土铺路。
小流量道路的设计方法已在美国进行了调查并广泛使用（Hall和Bettis，2000年； Li，Xiao和Hall，2011年； Titus-Glover，Mallela，Darter，Voigt和Waalkes，2005年； Warith，Anastasopoulos，Seidel和Haddock，2015年）。但是，小流量道路设计通常使用简化版的大流量道路设计程序。这可能导致使用厚混凝土板进行小流量交通。在中国也是如此，这可能导致非常保守的设计和高昂的建造成本。
中国农村地域辽阔，地域复杂。中国西南部以山区和多样的气候条件而闻名。这些地区的经济欠发达；因此，运输量非常低，很少见到很重的运输负荷。结果，对小流量道路的需求很大。混凝土路面正在成为沥青和混凝土路面之间的首选路面类型，因为所需的材料可以在当地获得，并且施工不需要特殊的设备。然而，目前在中国山区的小流量道路混凝土路面的设计，施工和性能评估方面缺乏经验。
这项研究旨在设计一条耐用且经济高效的小流量道路。这种路面设计的基础是板厚和尺寸的选择。疲劳损伤结合临界荷载位置、温度梯度和容许破坏的重复次数，介绍了基于厚度的板坯设计方法。介绍了在西南山区修建的小流量公路的设计，施工和性能评估的经验。本研究旨在验证基于疲劳损伤的低容积公路设计方法，并实现混凝土路面在小流量公路（尤其是中国山区）中的广泛应用。
2.中国常规混凝土路面设计
这项研究的重点是用于小流量道路的混凝土路面平板尺寸和厚度的结构设计。在介绍小流量道路的设计方法之前，请先简要回顾JTG D40-2011中指定的常规混凝土路面设计方法的原理，以与本研究中探讨的小流量混凝土路面设计进行比较。
在设计阶段，板坯厚度设计基于标准轴载荷在运行期间的通过总数。设计中使用的标准设计轴载荷是单轴和双轴，JTG D40-2011建议使用重量为100 kN的轮胎。对于某些在重型卡车上行驶的道路，建议选择最受欢迎的重型卡车的轴荷作为设计轴。
可以通过第i个轴载荷组（Ni）的重复的总和来计算标准轴载荷的重复（Ns），如下所示：
(1)
其中Ns是设计使用寿命中标准轴重的总重复次数； Ni是第i个轴负荷组的重复； Pi是第i个轴组的轴载荷； Ps是设计轴荷，根据JTG D40-2011的规定为100 kN。轮胎与道路之间的轮胎接触压力为0.7 MPa，每个轮胎的接触面积约为0.0357平方米。
对于常规混凝土路面，在JTG D40-2011中规定，板长应为4 m至6 m，板宽应为3 m至4.5 m，板长与板宽之比应不超过1.35， 板顶表面的面积不应超过25平方米。除了上述的板坯尺寸规格外，选择板坯长度和宽度时还应考虑以下几点：（1）板坯长度（以米为单位）小于板坯的四分之一厚度（厘米）和（2）板坯长度可以随板坯厚度的增加而增加。
然后，在设计使用寿命期间，基于标准轴载荷的总重复次数选择的板坯厚度将由交通载荷和温度梯度引起的综合疲劳损伤的最终状态进行验证。这就要求在平板中产生的疲劳应力要低于混凝土的抗弯强度：
gamma;r(sigma;pr sigma;tr) le; fr (2)
其中gamma;r是可靠性系数； sigma;pr是在临界载荷位置施加的车辆载荷引起的疲劳应力; sigma;tr是根据板坯温度梯度在临界载荷位置的疲劳应力； fr是混凝土的抗弯强度。
除方程式（2）外，还应使用方程式（3）对路面结构的设计进行验证，以防止在最大轴载荷下板坯的断裂损坏。这需要
gamma;r(sigma;p,max sigma;t,max) le; fr (3)
其中sigma;p，max是在关键载荷位置处由于预期道路承受的最大轴重产生的最大应力，而sigma;t，max是从板中的最高温度梯度开始在临界载荷位置产生的最大应力。
在10年的设计期内，标准轴荷的总重复次数少于3times;104，则该道路被归类为轻型道路。因此，对于小流量道路，路基的弹性模量被指定为不小于40 MPa。对于高和低方差，平板厚度分别指定为190 mm至220 mm和180 mm至210 mm。对于厚度小于220毫米的板，建议不要安装销钉。现场调查表明，对于较短的节距，骨料联锁所提供的载荷传递通常较高，载荷传递系数在10％到70％之间，随接头开度和骨料类型等而变化。（ Colley＆Humphrey，1967； Wu Tia＆Choubane，2007）。
3.拟议的小流量道路新设计方法
在中国，没有针对小流量道路的设计方法。在中国广大的农村地区，尤其是山区，很少有重型卡车在公路上行驶，道路建设预算非常低。因此，小流量道路设计应以控制建设成本为目标。为此，更薄的平板是优选的，因为它可以减少混凝土的使用。同时，板的长度，宽度和厚度应至少确保混凝土板在标准车轴载荷下的承载能力，对于具有两个轮胎的单车轴，规范为100 kN。
降低建造成本的最有效方法是减小板坯厚度。随着板坯厚度的减小，应相应减小板坯的长度和宽度，因为已指定板坯长度（以米为单位）应小于板坯厚度（以厘米为单位）的四分之一，并且应小于板坯长度的比例到板坯的宽度不应超过1.35（JTG D40，2011）。
以下是针对中国小流量道路的一种新设计方法，其中考虑了临界载荷位置，温度梯度，最大拉应力和疲劳应力。进行了有限元（FE）分析（Liang，Wei，Wu和Hansen，2018年; Liang和Wei，2018年），以验证满足温度和热负荷的小尺寸平板的尺寸和厚度范围广中国的小流量道路。
3.1 交通调查
设计期间道路上的行车类型和荷载大小是路面设计的关键因素。在这项研究中，交通数据收集了中国西南四个现有的当地农村公路。这些数据包括车辆类型和通过给定轴数量的路面。表1总结了在四个地方调查的轴数道路分布。可以看出，四条道路中的每条道路的每日交通车辆总数都少于400。大多数车辆是摩托车，占总交通量的40％，其次是小型拖拉机（17％），中型卡车（15％），轻型卡车（13％）和小汽车（10％）。几乎没有大型拖拉机和重型卡车，也没有超重型卡车。
不同的车辆会对道路造成不同程度的损害，因此有必要转换各种轴载荷等于等效的单轴载荷（ESAL）。在这项研究中，通过使用JTG D40-2011规范中给出的等效轴负载系数和程序，将收集的数据（轴类型，轴负载和频率）转换为ESAL。标准等效轴负载为100 kN。实际上，道路大部分受拖拉机，中型卡车，重型卡车和大型卡车的影响。其他车辆类型被忽略，因为它们对道路损坏的贡献可能是被忽略。在JTG D40-2011中规定的最低水平的10年设计期内对于道路，计算出的累积ESAL如图1所示。车轮跟踪横向分布的速度增长率和系数分别为6％和0.58。
根据车辆或ESAL的数量，不同的代理商对小流量道路有不同的定义。例如，联邦公路管理局将小流量道路分类为平均每日通行量少于500辆的道路（Asif，2012； Hall＆Bettis，2000）； 美国国家公路和交通运输协会1993年设计指南，如5times;104 lt;ESALs lt;100times;104（Hall＆Bettis，2000年）； 和沥青研究所，如ESALs lt;1times;104（沥青研究所，1991）。在中国，当ESALs lt;3times;104时，道路被认为是小流量道路。图1显示，所有四条道路的ESAL计算值均低于3times;104。因此，所有以上分类都属于小批量道路。
表1.四个典型的低流量道路的每日交通分布
图1.中国西南部四条设计周期为10年的乡村公路的累积ESAL
图2.在（a）正温度差Tgt; 0和（b）负温度差T lt;0的情况下，常规和小型板坯的临界加载位置。
3.2。临界装载位置
交通荷载是路面破坏的主要原因之一。混凝土板所产生的应力因板的卷曲条件和施加的车辆载荷的位置而异。当板坯中产生的拉应力达到最大值时，板坯的临界载荷位置就是施加轴载荷的位置。
在板坯的负和正温度梯度下，尽管所施加的交通载荷的大小保持不变，临界载荷位置是不同的。在正温度梯度下，临界载荷位置在中板的边缘，最大拉应力在板的底面和中板的边缘产生（图2（a））。当温度梯度为负时，临界载荷位置在板的角部（图2（b）），并且最大拉伸应力在板顶部表面的中板边缘处产生。
临界载荷位置也受平板尺寸的影响。相同的轴载荷和温度梯度可能会在不同尺寸的平板中产生不同的应力。图2显示了常规板和小型板在正和负温度梯度下的临界载荷位置。对于常规尺寸的板坯，板坯长度通常在4 m至6 m之间，板坯长度与板坯宽度之比不超过1.35（JTG D-40，2011）；然后，轴可以完全位于平板内。对于小型平板，由于平板尺寸小，车轮载荷而不是车轴载荷位于平板内部。在这项研究中，将一个小型平板定义为仅承受车轮载荷的平板。图2表明，对于常规和小型板坯，临界载荷位置在正温度梯度时位于板中部边缘，在负温度梯度时位于板角处。但是，轴载荷和车轮载荷分别施加到常规和小型平板上。
3.3。平板最大拉应力的有限元分析
混凝土路面的设计通常集中在确定平板的厚度上。混凝土路面的厚度通常为了减小由交通荷载以及板中的温度和湿度梯度产生的拉应力而设计。
由于平板的大小和厚度是相互关联的，因此在两者之间进行适当的优化有助于实现所需的设计目标。为了优化板坯的尺寸和厚度，本研究进行了有限元分析，以计算在临界流量和温度梯度下具有不同尺寸和厚度的板坯产生的最大拉应力。然后将计算出的最大拉伸应力与疲劳应力进行比较，以选择厚度更小的平板以降低成本。由Winkler支持，路面被建模为平板。Winkler由一系列非线性弹簧元件组成。这些弹簧元件只能承受压缩载荷，因此模拟了板与路基之间的无粘结状态。对于小流量道路建设，这是正确的，因为平板和路基之间通常没有粘结。将平板离散化为二十个节点的砖元素，即C3D20元素，它们可以反映混凝土平板的弯曲行为（Wei等人，2018a）。平板连接中未假设使用销钉，因为它们不用于实际的小批量道路以降低成本。另一方面，销钉条没有按规范建模为将其安装在厚度小于22厘米的平板中（JTG D-40，2011）。
对板坯尺寸不同（0.5 mtimes;0.5 m，1.0 mtimes;1.0 m，1.5 mtimes;1.5 m，2.0 mtimes;2.0 m，2.5mtimes;2.5 m和4.5 mtimes;4.5 m）且厚度为10 cm至20 对在临界流量载荷和0°C，plusmn;5°C，plusmn;10°C和plusmn;15°C的温度梯度下平板中产生的最大拉伸应力建模。Winkler地基的反应模量假定为40 MPa / m至160 MPa / m。这涵盖了典型基础的模量值。车轴载荷的大小作为100 kN的标准单车轴载荷，混凝土的弹性模量为24.8 GPa，泊松比为0.15。
3.4。板坯尺寸和厚度对板坯最大拉应力的影响
图3显示了通过FE分析计算出的不同尺寸和厚度的平板在T = 15°C和T = minus; 15°C时的最大拉应力。图中还标出了4.5MPa的弯曲抗拉强度和2.7MPa的疲劳极限。在路面设计规范中，对于90天龄期的混凝土，要求其抗弯强度为4.5 MPa（JTG D-40，2011）。疲劳极限取为抗拉强度的60％。确定疲劳极限的方
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