公路水泥混凝土路面可靠度設(shè)計(jì)方法探究

王嘯萍

（湖南省公路設(shè)計(jì)有限公司廣州分公司， 廣東 廣州 510000）

1 概述

公路水泥混凝土路面的使用性能可以通過某一時(shí)刻路面結(jié)構(gòu)性指標(biāo)、功能性指標(biāo)表征出來，并對(duì)使用期末的要求水平做出規(guī)定。對(duì)于公路水泥混凝土的路面結(jié)構(gòu)的可靠性則可以通過不同的標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)訓(xùn)給出不同的定義。若是以控制荷載應(yīng)力作用下疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)公路面可靠性度的定義為荷載應(yīng)力小于混凝土疲勞度強(qiáng)度的概率；以控制服務(wù)能力下降作為標(biāo)準(zhǔn)可靠度的定義則為路面服務(wù)能力指數(shù)的下降程度小于預(yù)定最低限的概率度；以控制荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力雙重作用下的疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可靠度的定義為路面溫度應(yīng)力與荷載應(yīng)力小于混凝土疲勞強(qiáng)度的概率。

2 水泥混凝土路面可靠度設(shè)計(jì)方法的意義和特點(diǎn)

2.1 水泥混凝土路面可靠度設(shè)計(jì)方法的意義

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的可靠性主要是通過規(guī)定條件下與時(shí)間內(nèi)路面的質(zhì)量是否可以到達(dá)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求來判斷，進(jìn)而就可以測試出路面的使用性能是不是能夠滿足運(yùn)輸?shù)男枨蟆ｋS著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的需求量不斷增加，大量的新公路不斷被開發(fā)。公路水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方向的選擇不僅需要與路面整體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，同時(shí)也需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐男熊嚭奢d以及溫度。對(duì)于公路水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)保障性的判斷可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，即在規(guī)定條件與時(shí)間內(nèi)對(duì)行車荷載疲勞應(yīng)力、溫度坡度應(yīng)力以及混凝土彎拉強(qiáng)度進(jìn)行測量，當(dāng)溫度坡度應(yīng)力與行車荷載疲勞應(yīng)力之和小于混凝土彎拉強(qiáng)度時(shí)公路水泥混凝土結(jié)構(gòu)具有保障，反之公路水泥混凝土結(jié)構(gòu)不具有保障。眾所周知，公路水泥混凝土路面的質(zhì)量與路面結(jié)構(gòu)有非常大的關(guān)系。當(dāng)公路水凝混凝土路面中某一部位出現(xiàn)損害，就很有可能引發(fā)路面結(jié)構(gòu)其他部分也出現(xiàn)損害，進(jìn)而對(duì)公路路面的整體性能造成影響。為了保障公路水泥混凝土路面的質(zhì)量在設(shè)計(jì)路面的時(shí)必須遵循科學(xué)性與合理性，只有這樣才能有效保障水凝混凝土路面結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度，進(jìn)而保障公路水凝混凝土路面的使用性能。

2.2 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)可靠度理論是以概率為基礎(chǔ)，該理論最大的特點(diǎn)就是將結(jié)構(gòu)屬性中的不確定性揭示出來，并承認(rèn)這些不確定性因素。在結(jié)構(gòu)可靠度理論中將對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度產(chǎn)生影響的因素作為隨機(jī)變量，恢復(fù)了其自然特性，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出客觀變異性。可靠度計(jì)算的方法需要以實(shí)際測量與統(tǒng)計(jì)作為基礎(chǔ)，運(yùn)用可靠度數(shù)學(xué)理論將結(jié)構(gòu)可靠的指標(biāo)β或者失效概率Pt計(jì)算出來，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)安全水平做出判斷，該理論已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域中?，F(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范中已經(jīng)引入可靠度理論，并用可靠系數(shù)代替了就規(guī)范中的安全系數(shù)。另外，舊規(guī)范中的定值設(shè)計(jì)法也被概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法取代。換言之，公路路面結(jié)構(gòu)可靠度的量度方法由原先的經(jīng)驗(yàn)方法換成了數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，這樣可以使公立路面結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，符合交通運(yùn)輸?shù)膶?shí)際需求。

路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法將施工與設(shè)計(jì)有效結(jié)合，不僅考慮到了公路的的重要性與等級(jí)，同時(shí)也結(jié)合了施工單位的施工水平，綜合兩者做出了不同的設(shè)計(jì)方案與要求，對(duì)施工單位提出了明確的要求。此外，還可以通過控制施工中某些參數(shù)實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)的預(yù)定功能。

水泥混凝土路面設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法，不僅要考慮影響路面結(jié)構(gòu)可靠度的各種因素，也要結(jié)合路面實(shí)際損傷情況，對(duì)路面的極限狀態(tài)做出評(píng)估，通過檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)偏差做出調(diào)整與修正，保證設(shè)計(jì)出的水凝混凝土路面結(jié)構(gòu)的使用性能與可靠度滿足實(shí)際需求。

3 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)

3.1 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)不確定性的構(gòu)成

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的不確定性主要表現(xiàn)在時(shí)間與空間兩個(gè)方面：路面結(jié)構(gòu)時(shí)間不確定性主要體現(xiàn)在隨機(jī)性與漸變性。通常情況下，隨著時(shí)間的增長混凝土的強(qiáng)度以及路面使用性能呈現(xiàn)出衰退漸變，而隨著時(shí)間的增長水泥混凝土路面所處的環(huán)境與荷載則具有隨機(jī)性。路面結(jié)構(gòu)空間的不確定主要體現(xiàn)在承載荷載、結(jié)構(gòu)層厚度以及材料性能等方面。

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)不確定性的來源可以劃分為三類：第一類是設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變異，如結(jié)構(gòu)的幾何尺寸發(fā)生變化、材料性能發(fā)生變化、公路所承受的負(fù)載發(fā)生變化等；第二類為預(yù)估的交通荷載與實(shí)際交通荷載存在偏差，如軸載的年平均增長率預(yù)估存在偏差、交通量預(yù)估存在偏差；第三類是設(shè)計(jì)方法不符合實(shí)際情況，這種情況的出現(xiàn)主要是由設(shè)計(jì)方法中的假定與近似處理導(dǎo)致。因不同的不確定性對(duì)路面結(jié)構(gòu)靠性造成的影響也有所不同，因此處理不確定性的方法也會(huì)不同。

3.2 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)疲勞方程

通常情況下，水泥混凝土路面的疲勞壽命比較長，所以對(duì)路面疲勞壽命做現(xiàn)場試驗(yàn)研究不僅難，而且用時(shí)也比較長。目前，就路面疲勞壽命現(xiàn)場試驗(yàn)研究成果比較少，只有美國AASHTO試驗(yàn)路有少量的研究成果。當(dāng)前，水泥混凝土疲勞試驗(yàn)都是在室內(nèi)完成，在混凝土小梁試件上施加固定幅度變化的循環(huán)荷載，混凝土小梁試件出現(xiàn)斷裂時(shí)反復(fù)荷載作用的次數(shù)被視為混凝土疲勞壽命。通常情況下，混凝土小梁試件在一次荷載作用下的極限強(qiáng)度與循環(huán)荷載最大值的比值被稱為應(yīng)力水平。循環(huán)應(yīng)力、材料性能以及環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)水泥混凝土疲勞特性造成影響。雖然應(yīng)力水平的應(yīng)用可以規(guī)避這些因素的影響，但是混凝土自身的特性以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境也會(huì)對(duì)混凝土疲勞壽命的計(jì)算造成影響。

3.3 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)步驟

第一，對(duì)水凝混凝土路面使用期限內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)進(jìn)行計(jì)算。首先，根據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范明確設(shè)計(jì)公路的等級(jí)、基準(zhǔn)期、交通量年增長率以及臨界荷位處輪跡橫向分布系數(shù)；其次，假設(shè)交通量平均年增長量的預(yù)估設(shè)計(jì)參數(shù)服從對(duì)數(shù)正太分布，計(jì)算出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期車道標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)的平均值，進(jìn)而得出變異系數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)差；最后，通過最終的計(jì)算得出概率分布密度函數(shù)。

第二，擬定路面結(jié)構(gòu)層與類型組合的方案。通過分析公路的等級(jí)與可能出現(xiàn)的變異，明確設(shè)計(jì)路面的材料與尺寸。

第三；對(duì)公路結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算。首先，確定已選定混凝土路面結(jié)構(gòu)的面板厚度，普通混凝土面層的拉彎彈性與強(qiáng)度的模型。按照現(xiàn)行的規(guī)范計(jì)算出已選定混凝土路面層結(jié)構(gòu)的材料的基層頂面當(dāng)量回彈模量。其次，假設(shè)水凝混凝土路面的疲勞壽命符合威布爾分布，并且運(yùn)用隨機(jī)有限元模擬分析其特征，獲取相應(yīng)的參數(shù)。

第四，綜合上述計(jì)算得出水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的可靠度，確定設(shè)計(jì)公路的最終方案。

4 結(jié)語

水凝混凝土路面結(jié)構(gòu)可靠度不僅要考慮交通量參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料的變異性，同時(shí)也要考慮到設(shè)計(jì)變量中的不確定性，只有這樣才能將設(shè)計(jì)方案與施工技術(shù)、管理水平結(jié)合在一起，從而保證路面結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性。另外，水泥混凝土路面的可靠度設(shè)計(jì)時(shí)還有融入近年來積累的各種設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與研究成果，不僅可以提高設(shè)計(jì)公路的適用性，同時(shí)還可以促進(jìn)我國設(shè)計(jì)規(guī)范的完善與發(fā)展。