者：宋高嵩 于曉坤 徐闖 單位：黑龍江工程學(xué)院 東北林業(yè)大學(xué) 公路設(shè)計(jì)院

1水泥混凝土路面設(shè)計(jì)選用可靠度理論的意義

路面的結(jié)構(gòu)可靠度是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),在規(guī)定條件下,路面使用性能滿足預(yù)定水平要求的概率。新水泥路面設(shè)計(jì)規(guī)范選定的水泥混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,僅考慮滿足路面的結(jié)構(gòu)性能要求,并以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因而,混凝土路面結(jié)構(gòu)可靠度也可定義為,在規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi),在規(guī)定的交通和環(huán)境條件下,行車荷載疲勞應(yīng)力和溫度梯度疲勞應(yīng)力的總和不超過(guò)混凝土彎拉強(qiáng)度的概率。水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)是由各種混合料構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu),一般包括土基、基層、墊層和面層組成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。因此,這個(gè)整體結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中,任何一個(gè)部分受到損害,都將影響整體結(jié)構(gòu)的性能。從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能要求來(lái)看,必須使路面整體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度、足夠的穩(wěn)定性和耐久性、良好的表面平整度和表面的抗滑性能等要求。以往的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是輸入給定的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)、交通參數(shù)以及環(huán)境參數(shù),通過(guò)結(jié)構(gòu)分析,得到在設(shè)計(jì)年限內(nèi)滿足預(yù)定使用要求所需要的結(jié)構(gòu)層厚度的確定值。然而,由于路面結(jié)構(gòu)是用混合材料在現(xiàn)場(chǎng)修筑而成的,材料性質(zhì)的不均勻性及路面結(jié)構(gòu)(幾何尺寸和特性)的不均勻性,使路面結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能和使用性能有很大的不確定性;同時(shí),路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算公式,同路面結(jié)構(gòu)實(shí)際使用狀況很大差異。運(yùn)用結(jié)構(gòu)可靠性理論分析路面結(jié)構(gòu)可靠度,對(duì)上述的各種不確定性因素都加以合理的考慮,使其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更符合實(shí)際。

2水泥混凝土路面設(shè)計(jì)參數(shù)變異水平等級(jí)確定

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的參數(shù)主要有路面厚度(幾何尺寸)、混凝土彎拉強(qiáng)度、彈性模量、基層頂面綜合回彈模量和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命等。水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)層厚度的變異性,可以通過(guò)水準(zhǔn)儀測(cè)厚和鉆芯測(cè)厚的方法取得基本數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析,它的變異系數(shù)值分為低、中、高3級(jí)水平,其數(shù)值列于表1,面板厚度的概率分布類型,可采用正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。混凝土彎拉強(qiáng)度和彈性模量的變異性,可采用標(biāo)準(zhǔn)小梁試件測(cè)強(qiáng)法和鉆芯測(cè)劈裂強(qiáng)度,以及標(biāo)準(zhǔn)小梁試件測(cè)彎拉模量等取得基本數(shù)據(jù)。基層頂面綜合回彈模量可采用彎沉測(cè)定。水泥混凝土強(qiáng)度бs和彈性模量Ec的相關(guān)性對(duì)路面結(jié)構(gòu)可靠度的影響很明顯,Ps隨著бs-Ec的相關(guān)系數(shù)的增大而增大。若бs-Ec的相關(guān)系數(shù)為0~1時(shí),路面結(jié)構(gòu)可靠度Ps相差2~8個(gè)百分點(diǎn)。因此,бs-Ec的相關(guān)性應(yīng)予以考慮,其相關(guān)系數(shù)一般可取為0.5。動(dòng)荷效應(yīng)參數(shù)S變異性水平與路面結(jié)構(gòu)可靠度Ps關(guān)系是只有當(dāng)其它結(jié)構(gòu)參數(shù)變異性較小(或者說(shuō)Ps值較大)時(shí),S的變異性對(duì)Ps的影響稍明顯。但若動(dòng)效應(yīng)的變異系數(shù)δs變化5個(gè)百分點(diǎn)時(shí),使Ps的變化仍不足0.5個(gè)百分點(diǎn)。因此,運(yùn)荷效應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果的分析,其變異系數(shù)δs在0.20~0.25。基層頂面綜合路基回彈模量Er的變異性對(duì)路面結(jié)構(gòu)可靠度Ps的影響比水泥混凝土強(qiáng)度和模量以及板厚的變異性影響小得多,若地基回彈模量的變異系數(shù)δ在0.20~0.50范圍內(nèi)時(shí),對(duì)Ps的影響只有1個(gè)百分點(diǎn)。

3水泥混凝土路面設(shè)計(jì)中的問(wèn)題淺析

3.1水泥混凝土路面設(shè)計(jì)目標(biāo)可靠度的分析公路工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全等級(jí)為3個(gè)等級(jí),路面工程的安全等級(jí)僅考慮高速公路、一級(jí)公路和二級(jí)公路的路面,相應(yīng)的安全等級(jí)要求規(guī)定為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。為三級(jí)和四級(jí)公路路面增加一個(gè)設(shè)計(jì)安全等級(jí)———四級(jí),并規(guī)定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為20a;而設(shè)計(jì)安全等級(jí)為四級(jí)的路面結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)和目標(biāo)可靠度,系按前三級(jí)的數(shù)值級(jí)差遞降得到的。按施工技術(shù)、施工質(zhì)量控制和管理要求達(dá)到和可能達(dá)到的具體水平,選用其他等級(jí)。降低選用的變異水平等級(jí),須增加混凝土面層的設(shè)計(jì)厚度要求;而提高選用的變異水平等級(jí),則可降低混凝土面層的設(shè)計(jì)厚度或混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。可通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和比較予以確定。但對(duì)于高速公路的路面,為保證優(yōu)良的行駛質(zhì)量,不宜降低變異水平等級(jí)。材料性能和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的變異水平等級(jí),按施工技術(shù)、施工質(zhì)量控制和管理水平分為低、中、高三級(jí)。由滑模或軌道式施工機(jī)械施工,并進(jìn)行認(rèn)真、嚴(yán)格的施工質(zhì)量控制和管理的工程,可選用低變異水平等級(jí)。由滑模或軌道式施工機(jī)械施工,但施工質(zhì)量控制和管理水平較弱的工程,或者采用小型機(jī)具施工,而施工質(zhì)量控制和管理認(rèn)真、嚴(yán)格的工程,可選用中低變異水平等級(jí)。采用小型機(jī)具施工,施工質(zhì)量控制和管理水平較弱的工程,可選用高變異水平等級(jí)。設(shè)計(jì)時(shí),可依據(jù)各設(shè)計(jì)參數(shù)變異系數(shù)值在各變異水平等級(jí)變化范圍內(nèi)的情況選擇可靠度系數(shù)。目標(biāo)可靠度是所設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)應(yīng)具有的可靠度水平。它的選取是一個(gè)工程經(jīng)濟(jì)問(wèn)題:目標(biāo)可靠度定得較高,則所設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)較厚,初期修建費(fèi)用較高,但使用期間的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和車輛運(yùn)行費(fèi)用較低;目標(biāo)可靠度定得較低,初期修建費(fèi)用可降低,但養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和車輛運(yùn)行費(fèi)用需提高。通常采用“校準(zhǔn)法”來(lái)確定目標(biāo)可靠度。“校準(zhǔn)法”是對(duì)按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的已有路面進(jìn)行隱含可靠度的分析,參照隱含可靠度制定目標(biāo)可靠度,則所設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)接納了以往的工程設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn),包含了與原有設(shè)計(jì)方法相等的可接受性和經(jīng)濟(jì)合理性。

3.2交通量計(jì)算取值的分析軸載換算公式是以等效疲勞斷裂損壞原則導(dǎo)出的。對(duì)于同一路面結(jié)構(gòu),軸載和標(biāo)準(zhǔn)軸載產(chǎn)生相同疲勞損耗時(shí),才能等效換算。在交通調(diào)查分析雙向交通的分布情況時(shí),應(yīng)選取交通量方向分配系數(shù),一般可取0.5;并依據(jù)設(shè)計(jì)公路的車道數(shù),確定交通量車道分配系數(shù)(應(yīng)剔除2軸4輪以下的客、貨車交通量),即為設(shè)計(jì)車道的年平均日貨車交通量ADTT,然后用軸載當(dāng)量換算系數(shù)法或車輛當(dāng)量軸載系數(shù)法求得Ns,再根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期t和輪跡分布系數(shù)、交通量增長(zhǎng)率求得累計(jì)作用次數(shù)Ne,確定交通分級(jí)。

3.3水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)組合的設(shè)計(jì)分析對(duì)于路基用土,高液限粘土及含有機(jī)質(zhì)細(xì)粒土,不能用做高速公路和一級(jí)公路的路床填料或二級(jí)和二級(jí)以下公路的上路床填料;高液限粉土及塑性指數(shù)大于16或膨脹率大于3%的低液限粘土,不能用做高速公路和一級(jí)公路的上路床填料。因條件限制而必須采用上述土做填料時(shí),應(yīng)摻加石灰或水泥等結(jié)合料進(jìn)行改善。對(duì)于基層材料選擇時(shí),特重交通適宜貧混凝土、碾壓混凝土或?yàn)r青混凝土?xí)r,設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)按復(fù)合式路面分析,且強(qiáng)度以試驗(yàn)為準(zhǔn)。對(duì)水泥混凝土面層下基層的首要要求是抗沖刷能力。不耐沖刷的基層表面,在滲入水和荷載的共同作用下,會(huì)產(chǎn)生唧泥、板底脫空和錯(cuò)臺(tái)等病害,導(dǎo)致行車的不舒適,并加速和加劇板的斷裂。混凝土面層下采用貧混凝土基層,主要是為了增加基層的抗沖刷能力,并不要求它有很高的強(qiáng)度。高強(qiáng)度的貧混凝土并不能使面層厚度降低很多,反而會(huì)增加混凝土面層的溫度翹曲應(yīng)力,并產(chǎn)生會(huì)影響到面層的收縮裂縫。另外,新規(guī)范取消了基層頂面綜合模量的規(guī)定值的要求。對(duì)于面層板來(lái)說(shuō),我國(guó)絕大部分混凝土路面的橫向縮縫均未設(shè)傳力桿。不設(shè)傳力桿的主要原因是施工不便。但接縫是混凝土路面的最薄弱處,唧泥和錯(cuò)臺(tái)病害,除了基層不耐沖刷外,接縫傳荷能力差也是一個(gè)重要原因。同時(shí),在出現(xiàn)唧泥后,無(wú)傳力桿的接縫由于板邊撓度大而容易迅速產(chǎn)生板塊斷裂。此外,接縫無(wú)傳力桿的舊混凝土面層在考慮設(shè)置瀝青加鋪層時(shí),往往會(huì)因接縫傳荷能力差易產(chǎn)生反射裂縫而不得不加大加鋪層的厚度。為了改善混凝土路面的行駛質(zhì)量,保證混凝土路面的使用壽命,便于在使用后期鋪設(shè)加鋪層,新規(guī)定了在承受特重和重交通的普通混凝土面層的橫向縮縫內(nèi)必須設(shè)置傳力桿。另外,新規(guī)范僅強(qiáng)調(diào)了在鄰近橋梁或其他固定構(gòu)造物處設(shè)置脹縫,取消了變坡點(diǎn)、小半徑曲線設(shè)脹縫的限制,使行車更順暢。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,在公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)中,還有許多問(wèn)題,只有認(rèn)真研究設(shè)計(jì)規(guī)范,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,才能設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理的路面結(jié)構(gòu)。