胡洪龍,談至明,袁靜波
(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804;2.廣西交通投資集團(tuán)廣西金盟工程有限公司,廣西 南寧 530000;3.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司巖土所,廣東 廣州 510000)
作用于港區(qū)堆場(chǎng)和道路鋪面結(jié)構(gòu)的裝運(yùn)機(jī)械類型繁多,有叉車、集裝箱叉車、正面吊、輪胎式起重機(jī)、汽車式起重機(jī)、集裝箱跨運(yùn)車、輪胎式龍門吊、集裝箱拖掛車、國(guó)產(chǎn)平板車和特種平板車等。不同類型機(jī)械的輪-軸型,輪、軸數(shù)以及輪、軸距等荷載參數(shù)各不相同,甚至同類型不同型號(hào)的裝運(yùn)機(jī)械的荷載參數(shù)也有較大的不同。因此,在鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于港區(qū)裝運(yùn)機(jī)械荷載難以按照公路與城市道路中簡(jiǎn)便且精度良好的輪-軸型換算系數(shù)進(jìn)行軸載換算,而必須考慮距離較近的旁側(cè)輪或鄰軸的影響。對(duì)于荷載類型較為復(fù)雜的鋪面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),一般采用將多輪荷載當(dāng)量為單輪荷載的方法,機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)中即采用類似方法。
對(duì)當(dāng)量單輪荷載的研究最早始于第二次世界大戰(zhàn)時(shí)B-29轟炸機(jī)的出現(xiàn),由于當(dāng)時(shí)用于機(jī)場(chǎng)柔性道面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于單輪荷載,隨著這種雙輪飛機(jī)的出現(xiàn),需要為此種受荷情況提出新的準(zhǔn)則。Boyd(波依,1950)等根據(jù)彈性半空間理論,基于豎向應(yīng)力指標(biāo)提出了確定當(dāng)量單輪荷載的半解析方法[1]。Foster(福斯特,1958)等利用布辛尼斯克解的撓度公式對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn),當(dāng)量單輪荷載量的大小以深度等于路面厚度處的豎向撓度為等效原則[2]。黃仰賢(1968)應(yīng)用波密斯特雙層理論,假設(shè)單輪和雙輪具有同樣的接觸壓力,按照雙層體系界面撓度等效的原則,提出了確定當(dāng)量單輪荷載的簡(jiǎn)單曲線圖[3]。此后,又對(duì)基于不同設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的當(dāng)量單輪荷載進(jìn)行了理論研究[4]。Gerrard(蓋勒,1970)等假設(shè)所有車輪具有相同的接觸半徑,對(duì)單輪、雙輪和雙軸雙輪進(jìn)行了類似的研究[5]。英國(guó)(1996,2007)在《港口及其他工業(yè)的重載鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》中引入了當(dāng)量單輪荷載概念,雖考慮到多輪應(yīng)力疊加時(shí)徑向和切向應(yīng)力方向性,但車輪荷載的徑向切向應(yīng)力仍采用布辛尼斯克公式進(jìn)行估算[6-7]。美國(guó)(2009)、澳大利亞(2007)等國(guó)的重載鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)裝運(yùn)機(jī)械荷載的處理與英國(guó)的相似或直接套用英國(guó)的方法[8-9]。
采用半無(wú)限彈性體與實(shí)際的鋪面結(jié)構(gòu)狀況相差甚遠(yuǎn),其結(jié)果難言精度。層狀彈性理論更符合鋪面的實(shí)際狀況,但黃仰賢等人的研究?jī)H針對(duì)單輪、雙輪和雙軸雙輪的荷載形式,設(shè)計(jì)曲線具有局限性。此外,鋪面結(jié)構(gòu)損壞不僅限于一種,當(dāng)量單輪荷載應(yīng)針對(duì)相應(yīng)的控制指標(biāo)進(jìn)行等效“當(dāng)量”,若“當(dāng)量”與鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)脫節(jié),就不符合“當(dāng)量”之內(nèi)含。因此,亟待建立針對(duì)基于不同鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)的當(dāng)量方法和簡(jiǎn)易的計(jì)算公式。
作用于港區(qū)堆場(chǎng)和道路鋪面結(jié)構(gòu)的常用裝運(yùn)機(jī)械的荷載圖式見(jiàn)表1,裝運(yùn)機(jī)械型號(hào)及結(jié)構(gòu)參數(shù)可參見(jiàn)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》。由表1可以看出,港口裝運(yùn)機(jī)械和運(yùn)輸車輛類型繁多,輪-軸型,輪、軸數(shù)以及輪、軸距各不相同,變化范圍非常寬泛。為了表征多輪的港區(qū)流動(dòng)裝運(yùn)機(jī)械對(duì)鋪面結(jié)構(gòu)的影響,引入當(dāng)量單輪荷載概念,荷載圓半徑按某一輪接地面積計(jì),荷載量按其產(chǎn)生的鋪面結(jié)構(gòu)的“指定”設(shè)計(jì)指標(biāo)值與多輪裝運(yùn)機(jī)械產(chǎn)生的鋪面結(jié)構(gòu)的“指定”設(shè)計(jì)指標(biāo)值相等的條件得出。由此定義,多輪裝運(yùn)機(jī)械的當(dāng)量單輪荷載可由下式求得:
表1 裝運(yùn)機(jī)械荷載圖式Table 1 Load schema of shipping machinery
續(xù)表1
粒料基層的柔性鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用控制土基頂面壓應(yīng)變?chǔ)舲,以避免土基出現(xiàn)過(guò)量的塑性變形;粒料基層的瀝青鋪面還需控制瀝青面層層底彎拉應(yīng)變?chǔ)臿,以防止瀝青面層疲勞開裂;剛性、半剛性基層的鋪面結(jié)構(gòu),由于基層剛度較大,土基頂面壓應(yīng)變和瀝青面層彎拉應(yīng)變一般均較小,對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不起控制作用,但半剛性基層易因彎拉應(yīng)力過(guò)大而造成結(jié)構(gòu)斷裂,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)基層底部彎拉應(yīng)力σb值加以控制。
結(jié)構(gòu)層彎拉應(yīng)力、應(yīng)變的旁鄰輪影響系數(shù)的定義式參見(jiàn)式(2)。由文獻(xiàn) [10]可知,結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力與彎拉應(yīng)變近似成正比,其比值僅與結(jié)構(gòu)層材料的二個(gè)力學(xué)參數(shù):彈性模量、泊松比有關(guān)。因此,結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力與彎拉應(yīng)變的旁鄰輪影響系數(shù)可認(rèn)為相同(見(jiàn)式(2)),可統(tǒng)一記作φk(徑向:k=r、切向:k=θ)。
φk可由層狀彈性理論軟件求得,也可按文獻(xiàn)[11]給出的回歸公式近似求得。計(jì)算φk時(shí)必須考慮多輪荷載應(yīng)力迭加的影響。
所有輪載的旁鄰輪影響系數(shù)三個(gè)分量φx,φy,φxy可按下式計(jì)算:
式中:Pj為被換算輪j的荷載量,kN;Pi為主換算輪i的荷載量,kN;θj為第j被換算輪與主換算輪連線與預(yù)設(shè)軸x的夾角。
主換算輪的總旁鄰輪影響系數(shù)φαr,φαθ則為:
文獻(xiàn)[12]指出土基頂面豎向壓應(yīng)變與壓應(yīng)力近似成正比關(guān)系。因此,旁鄰輪對(duì)主換算輪的土基壓應(yīng)變和壓應(yīng)力的旁鄰輪影響系數(shù)可認(rèn)為近似相等。任一旁側(cè)輪載對(duì)主輪的旁鄰輪影響系數(shù)φk可由層狀彈性理論軟件求得,也可按文獻(xiàn) [11]給出的計(jì)算方法得到。土基壓應(yīng)變是單向的,計(jì)算土基壓應(yīng)變的旁鄰輪影響系數(shù)較結(jié)構(gòu)層彎拉應(yīng)力的簡(jiǎn)單很多,且考慮到旁鄰輪的影響是不利的,因此,建議在計(jì)算φk時(shí)計(jì)入所有旁鄰輪的影響。
叉車、正面吊的前軸為單軸-雙輪組,雙輪間距取3倍的荷載半徑(后文如無(wú)特殊說(shuō)明,雙輪間距均按3倍的荷載半徑取值),后軸為單軸-單輪。滿載時(shí),瀝青面層彎拉應(yīng)變,剛性、半剛性基層彎拉應(yīng)力的最大值發(fā)生在表1中的A點(diǎn);空載時(shí),結(jié)構(gòu)層彎拉應(yīng)變和彎拉應(yīng)力的最大值則出現(xiàn)在B點(diǎn)。由于前、后軸的軸距較大,對(duì)于結(jié)構(gòu)層彎拉應(yīng)變和彎拉應(yīng)力而言,前、后軸輪載相互影響較小。叉車、正面吊在雙層結(jié)構(gòu)(上下層廣義模量比,20,E1、μ1和 E0、μ0分別為上、下層的彈性模量和泊松比),前軸A點(diǎn)考慮后軸的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ′與不考慮后軸的當(dāng)量單輪荷載系數(shù) ζ的相對(duì)偏差(ζ′- ζ)/ζ′最大不超過(guò)1.5%,且均為負(fù)誤差,因此,可保守地考慮而不計(jì)前、后軸之間的相互影響。
叉車、正面吊滿載時(shí)通過(guò)A點(diǎn)或空載時(shí)通過(guò)B點(diǎn)時(shí),鋪面結(jié)構(gòu)效應(yīng)在A點(diǎn)或B點(diǎn)產(chǎn)生的最大峰值均只有一次。滿載時(shí),ζ隨著相對(duì)剛度半徑l的增加而增加,隨著上下層廣義模量比λE的增加而減小。l=0.3~1.6m、λE=10~100的范圍內(nèi),ζ在1.05~1.99之間變化??蛰d時(shí),叉車、正面吊的ζ很小,同時(shí)空載時(shí)代表荷載量較滿載代表荷載量小1/4~1/3,因此,空載時(shí)的旁側(cè)輪引起的鋪面結(jié)構(gòu)疲勞損耗可忽略,即空載時(shí)可不計(jì)旁鄰輪的影響。
輪胎式起重機(jī)、汽車式起重機(jī)起吊時(shí)用支腿作為支撐,支腿間距較大,對(duì)鋪面結(jié)構(gòu)響應(yīng)而言,不需要考慮不同支腿之間的疊加效應(yīng),因此,在計(jì)算當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ時(shí)只考慮其行走時(shí)的情況。輪胎式起重機(jī)的前后軸均為單軸-單輪,瀝青面層彎拉應(yīng)變,剛性、半剛性基層彎拉應(yīng)力的最大值均發(fā)生在表1中的A點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)算,對(duì)于A點(diǎn)而言,計(jì)入前軸的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ′值與僅考慮后軸的ζ值的偏差(ζ′-ζ)很小,不超過(guò)0.02且為負(fù)值,可予忽略。
汽車式起重機(jī)的后軸為雙軸-雙輪組,計(jì)入2根后軸與僅計(jì)1根重軸的ζ之差值較小且為負(fù)值,故保守起見(jiàn),建議只計(jì)1根軸。起重機(jī)前軸駛過(guò)時(shí),每根前軸在B點(diǎn)產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力(或土基壓應(yīng)變)約為最重軸在B點(diǎn)產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力(或土基壓應(yīng)變)的35%~50%,疲勞效應(yīng)較小,可忽略前軸的影響,整個(gè)汽車式起重機(jī)通過(guò)B點(diǎn)時(shí),彎拉應(yīng)力(或土基壓應(yīng)變)最大值按2次計(jì)。
輪胎式起重機(jī)的旁鄰輪影響系數(shù)φ很小,最大不超過(guò)0.05,在一般工程精度要求下可予忽略不計(jì),即ζ可直接取1。
對(duì)于集裝箱跨運(yùn)車,瀝青面層彎拉應(yīng)變,剛性、半剛性基層彎拉應(yīng)力的最大值發(fā)生在表1中的A點(diǎn)。由于跨運(yùn)車的輪距較大,左右輪之間的影響很小,可忽略不計(jì)。
鋪面結(jié)構(gòu)剛度半徑l小于0.5m時(shí),跨運(yùn)車的旁鄰輪影響系數(shù)φ最大不超過(guò)0.04,僅當(dāng)l≥0.5 m時(shí),旁鄰輪對(duì)主輪的影響才變得顯著。外側(cè)輪通過(guò)A點(diǎn)時(shí)的φ值比內(nèi)側(cè)輪通過(guò)A點(diǎn)時(shí)的φ值稍小一點(diǎn),最大不超過(guò)0.06,可保守地忽略其差異。因此,整個(gè)跨運(yùn)車通過(guò)A點(diǎn)時(shí),瀝青面層彎拉應(yīng)變,剛性、半剛性基層彎拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)次數(shù)可按4次計(jì)。
輪胎式龍門吊的跨度至少在17m以上,在計(jì)算當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ時(shí)可只考慮單側(cè)輪的情況。對(duì)于輪胎式龍門吊,瀝青面層彎拉應(yīng)變,剛性、半剛性基層彎拉應(yīng)力的最大值發(fā)生在表1中所示的A點(diǎn)、B點(diǎn)或C點(diǎn)。輪胎式龍門吊滿載時(shí)ζ值比空載時(shí)ζ值略大,絕大多數(shù)情況下兩者相差不超過(guò)0.01,故在計(jì)算空載時(shí)的ζ值時(shí)可直接使用滿載時(shí)的ζ值。
RTG46D41和RTG57D41計(jì)全部單側(cè)輪(共計(jì)8輪)時(shí)較為復(fù)雜,計(jì)單側(cè)8輪與僅計(jì)橫向2個(gè)輪載時(shí)ζ的差值均為負(fù),建議在計(jì)算RTG46D41和RTG57D41的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ時(shí)僅計(jì)1根軸。
RTG34S30.5通過(guò)A點(diǎn)時(shí),鋪面結(jié)構(gòu)效應(yīng)在該點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生2次峰值;對(duì)于其他型號(hào)的輪胎式龍門吊,中間兩軸通過(guò)B點(diǎn)或C點(diǎn)時(shí),鋪面結(jié)構(gòu)效應(yīng)的最大值分別產(chǎn)生1次,最前軸和最后軸通過(guò)B點(diǎn)或C點(diǎn)時(shí),鋪面結(jié)構(gòu)效應(yīng)值與最大值的相對(duì)誤差不會(huì)超過(guò)5%,建議整個(gè)龍門吊通過(guò)B點(diǎn)或C點(diǎn)時(shí),鋪面結(jié)構(gòu)效應(yīng)的最大值共計(jì)4次。
港區(qū)專用的運(yùn)輸車輛主要有集裝箱專用拖掛車、國(guó)產(chǎn)平板車和特種平板車。集裝箱拖掛車的牽引車部分的荷載量較小,可不考慮其對(duì)鋪面結(jié)構(gòu)損傷作用;半掛車部分為雙軸-雙輪組荷載,其荷載圖式見(jiàn)表1。不同載重量(t)或機(jī)械代號(hào)的平板車的軸數(shù)、輪距、軸距、軸重等參數(shù)各異,荷載形式復(fù)雜,其荷載圖式見(jiàn)表1。平板車的雙輪間距很小,可將雙輪荷載等效為一單輪荷載,等效后的單輪荷載面積、輪重與原雙輪荷載的總面積、總輪重相等。
集裝箱拖掛車的半掛車部分的輪距、軸距與汽車式起重機(jī)后軸的輪距、軸距較為接近。由第3.2節(jié)中的分析可知,鄰軸的影響為負(fù),在計(jì)算集裝箱拖掛車的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ值時(shí),僅保守地計(jì)1根軸。對(duì)于鋪面結(jié)構(gòu)剛度半徑l=0.3~0.8m,集裝箱拖掛車的ζ在1.15~1.85范圍內(nèi)。瀝青面層彎拉應(yīng)變,剛性、半剛性基層彎拉應(yīng)力的最大值發(fā)生在表1中的A點(diǎn),車輛通過(guò)該點(diǎn)時(shí),鋪面結(jié)構(gòu)效應(yīng)在該點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生2次最大值。
國(guó)產(chǎn)平板車有2~4根承重軸,在大多數(shù)情況下,計(jì)1根主軸時(shí)的ζ值稍大于計(jì)所有軸時(shí)的ζ值??紤]到安全和計(jì)算的方便,建議在計(jì)算ζ值時(shí),國(guó)產(chǎn)平板車僅計(jì)1根主軸,l在0.3~1.0m變化時(shí),ζ=1.11~1.97。
特種平板車的軸數(shù)更多,共10~24根軸,每排2軸,不同類型特種平板車的單排軸載圖式相同。絕大多數(shù)情況下,鄰排車輪對(duì)當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ的影響為負(fù)。若兩排車輪之間的距離更遠(yuǎn),相互之間的影響將更弱。考慮到多輪軸計(jì)算的復(fù)雜性及最不利的情況,建議在計(jì)算特種平板車的ζ值時(shí),僅計(jì)1排2軸。當(dāng)l=0.3~0.8m時(shí),ζ在1.05~1.65之間變化。
基于土基壓應(yīng)變指標(biāo)的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ僅與鋪面結(jié)構(gòu)剛度半徑l有關(guān),其值隨著剛度半徑l的增加而增加。對(duì)于叉車、正面吊滿載時(shí),l在0.3~1.6m變化時(shí),ζ=1.03~2.03;空載時(shí)的叉車、正面吊的旁鄰輪影響系數(shù)φ很小,一般不超過(guò)0.04,可忽略不計(jì),ζ可直接取1。
對(duì)于輪胎式起重機(jī),旁鄰輪影響系數(shù)φ很小,l在0.3~0.8m范圍內(nèi),φ不會(huì)超過(guò)0.05,可不計(jì),土基頂面壓應(yīng)變最大值按2次計(jì)。汽車式起重機(jī)的旁鄰輪影響不可以忽略,l在0.3~0.8m的范圍內(nèi),ζ=1.22~1.69,土基頂面壓應(yīng)變最大值按4次計(jì)。
跨運(yùn)車全部通過(guò)A點(diǎn)時(shí),土基頂面壓應(yīng)變的最大值會(huì)出現(xiàn)2次(內(nèi)側(cè)輪經(jīng)過(guò)),外側(cè)輪通過(guò)A點(diǎn)時(shí),土基頂面壓應(yīng)變值比最大值略小,仍可按最大值計(jì),故跨運(yùn)車全部通過(guò)A點(diǎn)時(shí),土基頂面壓應(yīng)變最大值按4次計(jì)。鋪面結(jié)構(gòu)剛度半徑l在0.3~1.0m范圍內(nèi),ζ在1.00~1.16之間變化。
輪胎式龍門吊空載和滿載時(shí),當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ的差值最大不超過(guò)0.01,故空載時(shí)的ζ值可直接使用滿載時(shí)的ζ值。對(duì)于單側(cè)2輪或單側(cè)4輪的龍門吊,l≤0.8m時(shí),φ不會(huì)超過(guò)0.03,僅當(dāng)l>0.8m以后,旁鄰輪的影響才變得顯著。
對(duì)于集裝箱拖掛車、國(guó)產(chǎn)平板車和特種平板車等運(yùn)輸車輛,l=0.3~0.8m時(shí),ζ分別在1.14~2.35、1.06~2.98、1.04~2.33范圍變化。
由于瀝青面層的相對(duì)剛度半徑l較小,相距較大的旁側(cè)輪影響可不計(jì),只需計(jì)雙輪組的影響即可。雙輪中心距均取3δ,當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ可不必按第2節(jié)所列的計(jì)算步驟確定,而直接按下式近似確定。
對(duì)于剛性、半剛性基層的彎拉應(yīng)力而言,當(dāng)量單輪荷載只需計(jì)1根(或1排2根軸)軸載,或一側(cè)輪載的影響。
假定上下層廣義模量比λE=20時(shí)的結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)下的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ20與鋪面結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度半徑l的關(guān)系可用二次拋物線的形式來(lái)表示:
式中:Ab,Bb為回歸系數(shù),不同流動(dòng)機(jī)械的Ab,Bb值見(jiàn)表2。
表2 回歸系數(shù)Ab,Bb,Cb,Az,Bz取值Table 2 Regression coefficient values of Ab,Bb,Cb,Az,Bz
上下層的廣義模量比λE變化時(shí),結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ隨之改變,它與λE=20時(shí)的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ20有如下所示的關(guān)系:
式中:Cb為回歸系數(shù),見(jiàn)表2。
土基壓應(yīng)變的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ與上下層的模量比λE無(wú)關(guān),與鋪面結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度半徑l的關(guān)系可用二次拋物線的形式來(lái)表示:
式中:Az,Bz為回歸系數(shù),不同流動(dòng)機(jī)械的Az,Bz值見(jiàn)表2。
1)為了表征多輪的港區(qū)流動(dòng)裝運(yùn)機(jī)械對(duì)鋪面結(jié)構(gòu)的影響,引入了當(dāng)量單輪荷載概念。當(dāng)量單輪荷載量與鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)、荷載半徑及旁鄰輪或軸的距離有關(guān)。
2)在計(jì)算瀝青面層層底彎拉應(yīng)變的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ時(shí)只需計(jì)雙輪組的影響;計(jì)算剛性、半剛性基層層底彎拉應(yīng)力的ζ時(shí)可僅考慮計(jì)1根(或1排2根軸)軸載,或一側(cè)輪載的影響;計(jì)算土基頂面壓應(yīng)變的ζ時(shí)需計(jì)入所有旁鄰輪的影響。
3)不同額定起重量(t)或機(jī)械代號(hào)的裝運(yùn)機(jī)械的當(dāng)量單輪荷載系數(shù)ζ與鋪面結(jié)構(gòu)的剛度半徑l有關(guān),其值可按第5節(jié)中給出的近似回歸式計(jì)算得到。
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