重庆丘陵山区农业机械参数及机耕道路面研究

花可可，魏朝富，邵景安，张平仓，丁文峰

（1.西南大学资源环境学院三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715；2.重庆师范大学三峡库区山地生态与区域发展研究所，重庆 400047；3.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

重庆丘陵山区农业机械参数及机耕道路面研究

花可可1，魏朝富1，邵景安2，张平仓3，丁文峰3

（1.西南大学资源环境学院三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715；2.重庆师范大学三峡库区山地生态与区域发展研究所，重庆 400047；3.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

针对重庆丘陵山区农村机耕道（田间道）不适应农业机械化发展需要的问题，以重庆市合川区大石镇作为研究对象，运用荷载和温度疲劳理论对农村机耕道路路面进行设计优化。农业机械标准轴载为145次／d，标准轴载累计作用次数为112.82万次；当农村机耕道路水泥混凝土路面厚度为0.18 m时，荷载疲劳应力（σpr）和温度疲劳应力（σtr）值分别为3.75，0.32 MPa，rr（σpr＋σtr）值为4.36 MPa，小于普通混凝土面层的弯拉强度标准值fr（4.5 MPa）。当厚度为0.16 m时，rr（σpr＋σtr）值为4.86 MPa，大于普通混凝土面层的弯拉强度标准值fr。因此，农村机耕道路水泥混凝土路面面层最小设计厚度为0.18 m，最大厚度为0.22 m，基层采用0.18 m水泥稳定粒料、0.20 m块石垫层，该路面结构可以有效承受设计基准期内农业机械荷载和温度疲劳应力的综合作用。

农业机械化；路面；荷载疲劳应力；温度疲劳应力；重庆丘陵山区

1 概 述

农业机械化作为农业现代化的重要标志，在农业和农村经济工作中居于非常重要的地位。农业机械化的发展水平直接影响到农业的物质装备水平，影响农村劳动力的转移和传统农业向现代农业的转变［1］。2005年底，全国粮食作物耕、种、收机械化水平分别为35.9%，而重庆市的机耕率仅为17.1%，远远低于全国发展的平均水平［2］。重庆丘陵山区道路设施与农业机械化发展水平矛盾十分突出，农业机械的效率和优势不能充分发挥。农村机耕道路远远不适应农机化发展的需要，农村机耕道路建设滞后，路面状况日益恶化，路面铺装材料低级等一系列问题造成原有的路面设计远远不能满足农机机械荷载行驶的要求，导致农业机械（具）在转移行走中掉沟、翻车等现象常有发生［1］。

道路工程研究集中在高等级公路路面材料特性和不同地质区路基设计方面。路面研究多集中在不同材料对路面性质的影响。众多学者关注路面新型材料的发展态势，着重对复合式路面以及SBS改性沥青路面进行研究［3］。此外，特定路面材料的破坏机理及模型分析也是路面研究的另外一个重要的方面。陈向上等［4］提出沥青路面冷再生基层材料与级配、龄期、不同添加剂等因素密切相关。在低应变条件下，沥青混合料疲劳极限和应变水平符合幂函数疲劳方程［5］。填缝材料耐久性差是造成水泥混凝土材料接缝破坏及其他病害的主要原因［6］。水泥混凝土的原材料、路面结构及施工工艺等非荷载因素是混凝土路面早期破坏的主要原因［7］。在路基研究方面，章金钊，霍明等以东北岛状多年冻土为研究对象，提出了冻土厚度＜2m和＞2m路基的不同设计［8］。一些学者还针对生态环境特点，从生态环境保护的角度出发，对高原草原、湿地保护区域，季节性冻土路基处理进行研究，并总结出适合高原草原、湿地地区的公路设计形式［9］。

基于此，已有大量的学者对山区、高原等特殊的地貌类型下高等级公路路面材料及路基工程的设计开展了研究，而很少有人关注农村机耕道路等低等级道路路面设计研究。面对农业机械化蓬勃发展的趋势，选择适宜的路面结构满足农业机械化发展显得十分重要。究竟影响农村机耕道路路面结构设计的主要因素及作用机理是什么，采取何种路面设计形式才能较好地满足今后农业机械化发展的需要，是值得深思的问题。因此，本文以重庆丘陵山区为研究背景，以重庆市合川区大石镇为例，在分析农业机械参数的基础上，运用荷载和温度疲劳理论对区域内农村机耕道路进行研究，从而为重庆丘陵山区农村机耕道路建设提供理论依据。

2 研究区概况与研究方法

重庆市合川区大石镇位于重庆市合川区西南部，介于东经106°10＇24″～106°12′45″，北纬30°04′06″～30°06′35″之间。属亚热带湿润性季风气候，年平均气温18.10℃，年平均降雨量为1 124.0 mm。地貌类型为丘陵，海拔高度为220.9～337.8 m；大地构造区域属四川中台坳，次级构造单元为大石背斜。岩石由侏罗系沙溪庙组泥岩、砂岩组成，为河流相碎屑岩系。土壤主要为紫色土和紫色水稻土。距合川主城区约10km，处于城市与乡村的结合部。境内县、乡、村级公路纵横交错，水陆交通十分方便。2008年区内人口8 108人，人均年收入4 161元，人均耕地0.076 hm2，是重庆市基本农田保护示范区和西部生态建设农田整治工程建设区，也是合川区主要的粮经产区。

图1 研究区区位图Fig.1 Location of the study area

2.1 农业机械参数的确定

农村机耕道路同农业生产作业过程直接相联系，具有货运量大、运输距离短、季节性强等特点，农村机耕道路设计与农业机械类型密切相关［10］。2008年9月份对重庆市合川区大石镇农业机械组成状况进行了分析，方法采用OD调查法［11］；农业机械参数选标准轴载、累计当量轴次和农业机械增长率作为路面设计的主要指标［12－15］。路面结构设计以100 kN的单轴双轮组荷载为标准荷载，以BZZ－100表示［16］。设计基准期内路面层承受的标准轴载作用次数，计算公式为

式中：Ne为标准轴载累计作用次数；N1为设计初始平均日通行量；t为设计基准期；γ为农业机械年平均增长率（%）。

2.2 路面设计

农村机耕道路普遍存在路面铺装质量差，基本以为铺装的土质路面为主再加之道路的后期养护条件不足。而水泥混凝土路面具有承载力大、养护费用少、寿命长、行车节油等优点，已成为我国农村道路修建的主要路面类型。水泥混凝土路面在农村机耕道路的建设中，将起到不可替代的作用，在村中路和低等级道路的规划建设中水泥混凝土路面有较突出的优点，应考虑首选［17］。依据路面结构层次理论对农村机耕道路路面结构进行组合设计［16］。首先根据路面材料确定相应参数。计算出相应残料参数下荷载疲劳应力和温度疲劳应力。再依据荷载疲劳应力（σpr）和温度疲劳应力（σtr）之和与路面可靠度系数（rr）乘积与水泥混凝土弯拉强度标准值（fr）的关系综合判定路面层的厚度。

2.2.1 路面材料参数确定

路面材料参数主要包括基层和底基层或垫层的当量回弹模量、基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度，路面材料设计参数主要包括基层和底基层或垫层的当量回弹模量（Ex）、当量弯曲刚度（Dx）、当量厚度（hx）和基层顶面当量回弹模量（Et）等［16］。计算公式为

式中：Et为基层顶面当量回弹模量（MPa）；E0为路床顶面当量回弹模量（MPa）；Ex为基层和底基层或垫层的当量回弹模量（MPa）；E1，E2为基层和底基层或垫层的当量回弹模量（MPa）；hx为基层和底基层或垫层的当量厚度（cm）；Dx为基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度（MN·m）；h1，h2为基层和底基层或垫层的厚度（cm）；a，b为与Ex／E0有关的回归系数。普通混凝土面层的相对刚度半径为

式中：h为水泥混凝土板的厚度（m）；Ec为水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa）；Et为基层顶面当量回弹模量（MPa）。

2.2.2 荷载疲劳和温度应力计算

荷载疲劳应力计算公式为

式中：σps为标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力；r为水泥混凝土路面板的相对刚度半径（m），r＝0.537h（Ec／Et）1／3；h为水泥混凝土板的厚度（m）；Ec为水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa）；Et为基层顶面当量回弹模量（MPa）。

式中：kf为设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；Ne为设计基准期内标准轴载累计作用次数；υ为与混合料性质有关的指数，普通混凝土取υ＝0.057。

考虑到偏载荷动载等因素对路面疲劳损坏的综合系数kc＝1.1，

式中：σpr为标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力；σps为标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力；kr为考虑接缝传荷能力的应力折减系数。当纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时，kr＝1.0；kf为考虑设计基准年内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数（计算公式如前）；kc为考虑超载、偏载、动载等因素对路面疲劳损坏的综合系数，普通混凝土路面kc取值为1.1。

重庆丘陵山区公路自然区属Ⅴ区。最大温度梯度取88（℃／m）由温度应力系数图［16］可查普通混凝土板厚h时，相应的Bx值，由下式可计算最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：

式中：σtm为最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力（MPa）；kt为考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；ac为混凝土线性膨胀系数，通常取1× 105／℃；Tg为水泥混凝土面层最大温度梯度标准值，通常取1×105／℃；Bx为综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数，由混凝土板长l与相对半径r的比值及混凝土板厚h查温度应力系数确定；fr为水泥混凝土弯拉强度标准值（MPa），不同的交通等级有不同的标准，由水泥混凝土弯拉强度标准值确定；a1，b1，c1为回归系数，根据所在地区确定。

2.2.3 路面厚度综合判定

农村机耕道路为四级安全等级，其变异水平等级为中级，目标可靠度为80%［15］。从而确定可靠度系数rr，计算出rr（σpr＋σtr）与fr值之间的关系，若rr（σpr＋σtr）≤fr，则路面设计厚度满足要求，否则不满足要求，重新确定。

3 结果与分析

3.1 农业机械参数

通过OD调查分析，重庆丘陵山区农业机械类型主要以中小型农业机械为主，类型多样。其中以摩托车所占道路宽度最小为0.7 m，四轮自卸农用车宽度最大，其值为1.9 m，总体宽为0.7～1.9 m。日最大通行量为53次／d（豪爵摩托车125K－2），最小通行量为45次／d（长安星光4500 SC6443C3 N1K），均小于60次／d（表1）；农业机械平均日综合通行量为145次／d，换算为标准轴载作用次数为93.48次／d，设计年限内累计标准轴载作用次数为112.82万次（表2），说明研究区内农业机械具有综合日通行量较少，轴载轻。主要由农村机耕道路本身的特点决定，它的主要功能是为农业生产服务，同农业生产作业过程密切相关。

表1 重庆丘陵山区农业机械类型Table 1 The types of farm machinery in hilly region in Chongqing City

表2 农业机械荷载Table 2 The load of farm machinery

3.2 路面计算

依据路面结构层次理论对水泥混凝土路面板厚度进行设计，计算结果如表3。路面可靠度系数（rr）值为1.07。初拟普通混凝土面层厚度0.18 m，基层选用水泥用量为5%的水泥稳定粒料，厚度为0.18 m。垫层采用厚度为0.20 m厚块石。路面平面尺寸为宽3.5 m，长5.0 m。纵缝采用不设拉杆的平缝。载疲劳应力（σpr）和温度疲劳应力（σtr）值分别为3.75，1.1 MPa，rr（σpr＋σtr）的值为4.36 MPa，＜4.5 MPa。可判定当路面采用0.18 m混凝土，基层为0.18 m水泥稳定粒料、垫层为0.20 m块石时，这种设计结构可以承受设计基准期内荷载力和温度应力的综合疲劳作用。同理可验证，当混凝土路面厚度为0.16 m时，载疲劳应力（σpr）和温度疲劳应力（σtr）值分别为4.42，0.12 MPa，rr（σpr＋σtr）的值为4.86 MPa，＞4.5 MPa，因此当路面厚度为0.16 m时，则不能满足设计基准期内载疲劳应力和温度疲劳应力的综合作用。可综合判定农村机耕道路水泥混凝土路面厚度最小值为0.18 m。根据《水泥混凝土路面设计规范》，四级安全等级的道路面层厚度最大值为0.22 mm［18］，综合说明，农村机耕道路面层厚度0.18 m≤h≤0.22 m，基层厚度为0.18 m水泥稳定碎石层，垫层厚度为0.20 m块石层，这种结构可以较好地满足设计期内农业机械的荷载要求（图2、表4）。

表3 荷载疲劳应力及温度疲劳应力等物理力学参数Table 3 The physical parameters of pavement load and temperature fatigue stresses

图2 农村机耕道路面设计示意Fig.2 The schematic diagram of agricultural mechanization road pavement design

表4 农村机耕道路面结构参数Table 4 The structures and material parameters of field road surface

4 结 语

农业机械参数是影响农村机耕道路路面设计的主要因素，农业机械参数的差异会对路面面层的计算结果有直接的影响。文静［19］通过对四川地区农村道路的农机机械参数进行分析，并依据结果得出该区内水泥混凝土路面的最小厚度为0.15 m。韦奔［20］提出唐山市农村道路水泥混凝土路面的最小厚度为0.16 m。而本研究结果水泥混凝土面层最小的设计厚度为0.18 m，与前人的研究结果相比，路面面层设计最小值偏高。主要是由于研究区处于城市与乡村的结合部，经济发展水平较高，农业机械发展水平较快且类型多样，综合荷载作用较大。农业机械类型不仅含有常规小型的耕作机械，还包括LJ2010PD型自卸四轮农用运输车和长安星光4500 SC6443C3 N1K等以运输为主要功能的中型机械，从而对路面产生较大的荷载疲劳应力，进而对路面设计的最小厚度产生直接影响。此外，由于重庆地区空气潮湿，雨水多，其路基透水性较差，地表水和地下水对水泥混凝土材料冲刷浸泡的影响较为强烈，其温度疲劳应力较大，对路面厚度也会产生一定的影响。

农业机械类型及增长率与经济发展密切相关。农业机械类型和增长率的差别会对农村机耕道路路面设计产生直接影响。而重庆丘陵山区地貌类型复杂，区域经济发展水平差异较大，今后应加强不同地区的农业机械化参数和农村机耕道路路面设计模式研究，进而完善重庆丘陵山区农村机耕道路路面设计技术。此外，本文仅从道路设计的一个方面展开对重庆丘陵山区农业机械道路设计的探讨，因此今后还应加强其道路横断面及路基设计的探讨，从而为重庆丘陵山区农村机耕道路建设体系提供参考。

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（编辑：刘运飞）

Parameters of Agricutural M achinery and Rural Field Road Design in Hilly Region in Chongqing

HUA Ke-ke1，WEIChao-fu1，SHAO Jing-an2，ZHANG Ping-cang3，DINGWen-feng3
（1.Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region（Ministry of Education），College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing 400715，China；2.Institute of Hilly area Ecology and Regional Development in Three-Gorges Reservoir region，Chongqing Normal University，Chongqing 400047，China；3.Soil and Water Conservation Institute of Yangtze Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The rural field road in Chongqing hilly region could notadapt to the developmentof agricuturalmechanization.Taking Dashi Town in Hechuan County as the research object，in this paper the pavement load fatigue stress

and temperature fatigue stress theories were applied to optimize the pavement design of rural field road.The research result showed that the standard axle load of agriculturemachine was 145 times per day and the cumulative action number of the standard axle load was 1 128 200.When the concrete pavement thickness of the rural field road is0.18 m，the research for the pavement showed that the load fatigue stress（σpr）and the temperature fatigue stress（σtr）are 3.75，0.32，respectively，the numerical value rr（σpr＋σtr）is4.36，which is less than the flexural tensile strength.When the concrete thickness is0.16 m，the load fatigue stress（σpr）and the temperature fatigue stress（σtr）are 4.42，0.12，respectively，and rr（σpr＋σtr）is 4.86，which is beyond the flexural tensile strength.Consequently，it is concluded that the least thickness of cement concrete is0.18 m，and themaximum is 0.22 m.At the same time，cement stabilized aggregateswith size of 0.18m are used as the basematerial of road and rubbleswith size of 0.20 m are used as the cushion material.So the road structure could preferably bear the comprehensive action from the load and temperature fatigue stress.

hilly region in Chongqing City；agriculturalmechanization；pavement；load fatigue stress；temperature fatigue stress

U416

A

1001－5485（2010）11－0044－05

2010-09-10

国家科技支撑计划课题（2008BAD98B02）；教育部科学技术研究重点项目（210181）

花可可（1983-），男，安徽凤台人，硕士，主要从事土壤工程与技术研究，（电话）18780206656（电子信箱）huakeke1220＠126.com。

魏朝富（1962-），男，四川乐山人，教授，博士生导师，主要从事土壤物理学、土地利用与生态过程方面研究，（电话）023-68251249（电子信箱）weicf＠swu.edu.cn。