者：宋高嵩 于曉坤 徐闖 單位：黑龍江工程學院 東北林業大學 公路設計院

1水泥混凝土路面設計選用可靠度理論的意義

路面的結構可靠度是指在規定的時間內,在規定條件下,路面使用性能滿足預定水平要求的概率。新水泥路面設計規范選定的水泥混凝土結構設計方法,僅考慮滿足路面的結構性能要求,并以行車荷載和溫度梯度綜合作用產生的疲勞斷裂作為設計標準。因而,混凝土路面結構可靠度也可定義為,在規定的設計基準期內,在規定的交通和環境條件下,行車荷載疲勞應力和溫度梯度疲勞應力的總和不超過混凝土彎拉強度的概率。水泥混凝土路面結構是由各種混合料構成的組合結構,一般包括土基、基層、墊層和面層組成一個整體結構。因此,這個整體結構在使用過程中,任何一個部分受到損害,都將影響整體結構的性能。從路面結構設計的功能要求來看,必須使路面整體結構具有足夠的強度和剛度、足夠的穩定性和耐久性、良好的表面平整度和表面的抗滑性能等要求。以往的路面結構設計方法是輸入給定的材料和結構參數、交通參數以及環境參數,通過結構分析,得到在設計年限內滿足預定使用要求所需要的結構層厚度的確定值。然而,由于路面結構是用混合材料在現場修筑而成的,材料性質的不均勻性及路面結構(幾何尺寸和特性)的不均勻性,使路面結構的物理力學性能和使用性能有很大的不確定性;同時,路面結構設計理論和計算公式,同路面結構實際使用狀況很大差異。運用結構可靠性理論分析路面結構可靠度,對上述的各種不確定性因素都加以合理的考慮,使其結構設計更符合實際。

2水泥混凝土路面設計參數變異水平等級確定

水泥混凝土路面結構的參數主要有路面厚度(幾何尺寸)、混凝土彎拉強度、彈性模量、基層頂面綜合回彈模量和結構的疲勞壽命等。水泥混凝土路面結構層厚度的變異性,可以通過水準儀測厚和鉆芯測厚的方法取得基本數據。在此基礎上進行分析,它的變異系數值分為低、中、高3級水平,其數值列于表1,面板厚度的概率分布類型,可采用正態分布或對數正態分布。混凝土彎拉強度和彈性模量的變異性,可采用標準小梁試件測強法和鉆芯測劈裂強度,以及標準小梁試件測彎拉模量等取得基本數據。基層頂面綜合回彈模量可采用彎沉測定。水泥混凝土強度бs和彈性模量Ec的相關性對路面結構可靠度的影響很明顯,Ps隨著бs-Ec的相關系數的增大而增大。若бs-Ec的相關系數為0~1時,路面結構可靠度Ps相差2~8個百分點。因此,бs-Ec的相關性應予以考慮,其相關系數一般可取為0.5。動荷效應參數S變異性水平與路面結構可靠度Ps關系是只有當其它結構參數變異性較小(或者說Ps值較大)時,S的變異性對Ps的影響稍明顯。但若動效應的變異系數δs變化5個百分點時,使Ps的變化仍不足0.5個百分點。因此,運荷效應實測結果的分析,其變異系數δs在0.20~0.25。基層頂面綜合路基回彈模量Er的變異性對路面結構可靠度Ps的影響比水泥混凝土強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δ在0.20~0.50范圍內時,對Ps的影響只有1個百分點。

3水泥混凝土路面設計中的問題淺析

3.1水泥混凝土路面設計目標可靠度的分析公路工程結構的設計安全等級為3個等級,路面工程的安全等級僅考慮高速公路、一級公路和二級公路的路面,相應的安全等級要求規定為一級、二級和三級。為三級和四級公路路面增加一個設計安全等級———四級,并規定了相應的設計基準期為20a;而設計安全等級為四級的路面結構的目標可靠指標和目標可靠度,系按前三級的數值級差遞降得到的。按施工技術、施工質量控制和管理要求達到和可能達到的具體水平,選用其他等級。降低選用的變異水平等級,須增加混凝土面層的設計厚度要求;而提高選用的變異水平等級,則可降低混凝土面層的設計厚度或混凝土的設計強度要求。可通過技術經濟分析和比較予以確定。但對于高速公路的路面,為保證優良的行駛質量,不宜降低變異水平等級。材料性能和結構尺寸參數的變異水平等級,按施工技術、施工質量控制和管理水平分為低、中、高三級。由滑模或軌道式施工機械施工,并進行認真、嚴格的施工質量控制和管理的工程,可選用低變異水平等級。由滑模或軌道式施工機械施工,但施工質量控制和管理水平較弱的工程,或者采用小型機具施工,而施工質量控制和管理認真、嚴格的工程,可選用中低變異水平等級。采用小型機具施工,施工質量控制和管理水平較弱的工程,可選用高變異水平等級。設計時,可依據各設計參數變異系數值在各變異水平等級變化范圍內的情況選擇可靠度系數。目標可靠度是所設計路面結構應具有的可靠度水平。它的選取是一個工程經濟問題:目標可靠度定得較高,則所設計的路面結構較厚,初期修建費用較高,但使用期間的養護費用和車輛運行費用較低;目標可靠度定得較低,初期修建費用可降低,但養護費用和車輛運行費用需提高。通常采用“校準法”來確定目標可靠度。“校準法”是對按現行設計規范或設計方法設計的已有路面進行隱含可靠度的分析,參照隱含可靠度制定目標可靠度,則所設計的路面結構接納了以往的工程設計和使用經驗,包含了與原有設計方法相等的可接受性和經濟合理性。

3.2交通量計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出的。對于同一路面結構,軸載和標準軸載產生相同疲勞損耗時,才能等效換算。在交通調查分析雙向交通的分布情況時,應選取交通量方向分配系數,一般可取0.5;并依據設計公路的車道數,確定交通量車道分配系數(應剔除2軸4輪以下的客、貨車交通量),即為設計車道的年平均日貨車交通量ADTT,然后用軸載當量換算系數法或車輛當量軸載系數法求得Ns,再根據設計基準期t和輪跡分布系數、交通量增長率求得累計作用次數Ne,確定交通分級。

3.3水泥混凝土路面結構組合的設計分析對于路基用土,高液限粘土及含有機質細粒土,不能用做高速公路和一級公路的路床填料或二級和二級以下公路的上路床填料;高液限粉土及塑性指數大于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,應摻加石灰或水泥等結合料進行改善。對于基層材料選擇時,特重交通適宜貧混凝土、碾壓混凝土或瀝青混凝土時,設計計算應按復合式路面分析,且強度以試驗為準。對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,會產生唧泥、板底脫空和錯臺等病害,導致行車的不舒適,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度。高強度的貧混凝土并不能使面層厚度降低很多,反而會增加混凝土面層的溫度翹曲應力,并產生會影響到面層的收縮裂縫。另外,新規范取消了基層頂面綜合模量的規定值的要求。對于面層板來說,我國絕大部分混凝土路面的橫向縮縫均未設傳力桿。不設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,唧泥和錯臺病害,除了基層不耐沖刷外,接縫傳荷能力差也是一個重要原因。同時,在出現唧泥后,無傳力桿的接縫由于板邊撓度大而容易迅速產生板塊斷裂。此外,接縫無傳力桿的舊混凝土面層在考慮設置瀝青加鋪層時,往往會因接縫傳荷能力差易產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量,保證混凝土路面的使用壽命,便于在使用后期鋪設加鋪層,新規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必須設置傳力桿。另外,新規范僅強調了在鄰近橋梁或其他固定構造物處設置脹縫,取消了變坡點、小半徑曲線設脹縫的限制,使行車更順暢。

4結束語

綜上所述,在公路水泥混凝土路面設計中,還有許多問題,只有認真研究設計規范,并結合生產實際,才能設計出經濟合理的路面結構。