者：宋高嵩 于晓坤 徐闯 单位：黑龙江工程学院 东北林业大学 公路设计院

1水泥混凝土路面设计选用可靠度理论的意义

路面的结构可靠度是指在规定的时间内,在规定条件下,路面使用性能满足预定水平要求的概率。新水泥路面设计规范选定的水泥混凝土结构设计方法,仅考虑满足路面的结构性能要求,并以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计标准。因而,混凝土路面结构可靠度也可定义为,在规定的设计基准期内,在规定的交通和环境条件下,行车荷载疲劳应力和温度梯度疲劳应力的总和不超过混凝土弯拉强度的概率。水泥混凝土路面结构是由各种混合料构成的组合结构,一般包括土基、基层、垫层和面层组成一个整体结构。因此,这个整体结构在使用过程中,任何一个部分受到损害,都将影响整体结构的性能。从路面结构设计的功能要求来看,必须使路面整体结构具有足够的强度和刚度、足够的稳定性和耐久性、良好的表面平整度和表面的抗滑性能等要求。以往的路面结构设计方法是输入给定的材料和结构参数、交通参数以及环境参数,通过结构分析,得到在设计年限内满足预定使用要求所需要的结构层厚度的确定值。然而,由于路面结构是用混合材料在现场修筑而成的,材料性质的不均匀性及路面结构(几何尺寸和特性)的不均匀性,使路面结构的物理力学性能和使用性能有很大的不确定性;同时,路面结构设计理论和计算公式,同路面结构实际使用状况很大差异。运用结构可靠性理论分析路面结构可靠度,对上述的各种不确定性因素都加以合理的考虑,使其结构设计更符合实际。

2水泥混凝土路面设计参数变异水平等级确定

水泥混凝土路面结构的参数主要有路面厚度(几何尺寸)、混凝土弯拉强度、弹性模量、基层顶面综合回弹模量和结构的疲劳寿命等。水泥混凝土路面结构层厚度的变异性,可以通过水准仪测厚和钻芯测厚的方法取得基本数据。在此基础上进行分析,它的变异系数值分为低、中、高3级水平,其数值列于表1,面板厚度的概率分布类型,可采用正态分布或对数正态分布。混凝土弯拉强度和弹性模量的变异性,可采用标准小梁试件测强法和钻芯测劈裂强度,以及标准小梁试件测弯拉模量等取得基本数据。基层顶面综合回弹模量可采用弯沉测定。水泥混凝土强度бs和弹性模量Ec的相关性对路面结构可靠度的影响很明显,Ps随着бs-Ec的相关系数的增大而增大。若бs-Ec的相关系数为0~1时,路面结构可靠度Ps相差2~8个百分点。因此,бs-Ec的相关性应予以考虑,其相关系数一般可取为0.5。动荷效应参数S变异性水平与路面结构可靠度Ps关系是只有当其它结构参数变异性较小(或者说Ps值较大)时,S的变异性对Ps的影响稍明显。但若动效应的变异系数δs变化5个百分点时,使Ps的变化仍不足0.5个百分点。因此,运荷效应实测结果的分析,其变异系数δs在0.20~0.25。基层顶面综合路基回弹模量Er的变异性对路面结构可靠度Ps的影响比水泥混凝土强度和模量以及板厚的变异性影响小得多,若地基回弹模量的变异系数δ在0.20~0.50范围内时,对Ps的影响只有1个百分点。

3水泥混凝土路面设计中的问题浅析

3.1水泥混凝土路面设计目标可靠度的分析公路工程结构的设计安全等级为3个等级,路面工程的安全等级仅考虑高速公路、一级公路和二级公路的路面,相应的安全等级要求规定为一级、二级和三级。为三级和四级公路路面增加一个设计安全等级———四级,并规定了相应的设计基准期为20a;而设计安全等级为四级的路面结构的目标可靠指标和目标可靠度,系按前三级的数值级差递降得到的。按施工技术、施工质量控制和管理要求达到和可能达到的具体水平,选用其他等级。降低选用的变异水平等级,须增加混凝土面层的设计厚度要求;而提高选用的变异水平等级,则可降低混凝土面层的设计厚度或混凝土的设计强度要求。可通过技术经济分析和比较予以确定。但对于高速公路的路面,为保证优良的行驶质量,不宜降低变异水平等级。材料性能和结构尺寸参数的变异水平等级,按施工技术、施工质量控制和管理水平分为低、中、高三级。由滑模或轨道式施工机械施工,并进行认真、严格的施工质量控制和管理的工程,可选用低变异水平等级。由滑模或轨道式施工机械施工,但施工质量控制和管理水平较弱的工程,或者采用小型机具施工,而施工质量控制和管理认真、严格的工程,可选用中低变异水平等级。采用小型机具施工,施工质量控制和管理水平较弱的工程,可选用高变异水平等级。设计时,可依据各设计参数变异系数值在各变异水平等级变化范围内的情况选择可靠度系数。目标可靠度是所设计路面结构应具有的可靠度水平。它的选取是一个工程经济问题:目标可靠度定得较高,则所设计的路面结构较厚,初期修建费用较高,但使用期间的养护费用和车辆运行费用较低;目标可靠度定得较低,初期修建费用可降低,但养护费用和车辆运行费用需提高。通常采用“校准法”来确定目标可靠度。“校准法”是对按现行设计规范或设计方法设计的已有路面进行隐含可靠度的分析,参照隐含可靠度制定目标可靠度,则所设计的路面结构接纳了以往的工程设计和使用经验,包含了与原有设计方法相等的可接受性和经济合理性。

3.2交通量计算取值的分析轴载换算公式是以等效疲劳断裂损坏原则导出的。对于同一路面结构,轴载和标准轴载产生相同疲劳损耗时,才能等效换算。在交通调查分析双向交通的分布情况时,应选取交通量方向分配系数,一般可取0.5;并依据设计公路的车道数,确定交通量车道分配系数(应剔除2轴4轮以下的客、货车交通量),即为设计车道的年平均日货车交通量ADTT,然后用轴载当量换算系数法或车辆当量轴载系数法求得Ns,再根据设计基准期t和轮迹分布系数、交通量增长率求得累计作用次数Ne,确定交通分级。

3.3水泥混凝土路面结构组合的设计分析对于路基用土,高液限粘土及含有机质细粒土,不能用做高速公路和一级公路的路床填料或二级和二级以下公路的上路床填料;高液限粉土及塑性指数大于16或膨胀率大于3%的低液限粘土,不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制而必须采用上述土做填料时,应掺加石灰或水泥等结合料进行改善。对于基层材料选择时,特重交通适宜贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土时,设计计算应按复合式路面分析,且强度以试验为准。对水泥混凝土面层下基层的首要要求是抗冲刷能力。不耐冲刷的基层表面,在渗入水和荷载的共同作用下,会产生唧泥、板底脱空和错台等病害,导致行车的不舒适,并加速和加剧板的断裂。混凝土面层下采用贫混凝土基层,主要是为了增加基层的抗冲刷能力,并不要求它有很高的强度。高强度的贫混凝土并不能使面层厚度降低很多,反而会增加混凝土面层的温度翘曲应力,并产生会影响到面层的收缩裂缝。另外,新规范取消了基层顶面综合模量的规定值的要求。对于面层板来说,我国绝大部分混凝土路面的横向缩缝均未设传力杆。不设传力杆的主要原因是施工不便。但接缝是混凝土路面的最薄弱处,唧泥和错台病害,除了基层不耐冲刷外,接缝传荷能力差也是一个重要原因。同时,在出现唧泥后,无传力杆的接缝由于板边挠度大而容易迅速产生板块断裂。此外,接缝无传力杆的旧混凝土面层在考虑设置沥青加铺层时,往往会因接缝传荷能力差易产生反射裂缝而不得不加大加铺层的厚度。为了改善混凝土路面的行驶质量,保证混凝土路面的使用寿命,便于在使用后期铺设加铺层,新规定了在承受特重和重交通的普通混凝土面层的横向缩缝内必须设置传力杆。另外,新规范仅强调了在邻近桥梁或其他固定构造物处设置胀缝,取消了变坡点、小半径曲线设胀缝的限制,使行车更顺畅。

4结束语

综上所述,在公路水泥混凝土路面设计中,还有许多问题,只有认真研究设计规范,并结合生产实际,才能设计出经济合理的路面结构。