高速公路路基邊坡預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)方法研究

許 曄 汪潔文 張士剛

(齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司東營(yíng)分公司，山東 東營(yíng) 257000)

0 引言

近年來(lái)隨著公路網(wǎng)的不斷完善，高速公路運(yùn)營(yíng)里程不斷增加，老路病害不斷出現(xiàn)，公路養(yǎng)護(hù)逐漸成為了公路工作重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于路面工程的養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)研究相當(dāng)成熟，而對(duì)于路基邊坡養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)的研究較少，主要原因是路基預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)較難把握。本文通過(guò)分析路基邊坡病害成因、性能指標(biāo)預(yù)測(cè)及養(yǎng)護(hù)費(fèi)用效益成本，對(duì)路基邊坡養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)辦法尋找對(duì)策。

1 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)影響因素分析

路基邊坡養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)的影響因素很多，核心是養(yǎng)護(hù)質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)效益成本兩者的合理控制，運(yùn)用性能指標(biāo)—費(fèi)用—效益成本三者對(duì)比的方法能夠較好的反映邊坡養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)機(jī)。

1.1 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)性能指標(biāo)預(yù)測(cè)

1)路基邊坡地形地貌分析。通過(guò)地質(zhì)水文調(diào)查報(bào)告，分析路基邊坡走向是直線狀還是曲線狀，并計(jì)算路基邊坡極限狀態(tài)下的應(yīng)力值及路基彎沉值大小。通過(guò)地質(zhì)勘測(cè)得到路基邊坡的巖體地層結(jié)構(gòu)，計(jì)算路基邊坡穩(wěn)定性，得到極限狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性的主要特征。

2)邊坡病害預(yù)測(cè)及穩(wěn)定指標(biāo)預(yù)測(cè)。要分析路基邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)，還要對(duì)邊坡的病害進(jìn)行預(yù)測(cè)，目前路基邊坡病害預(yù)測(cè)方法很多，主要分為定性預(yù)測(cè)和定量預(yù)測(cè)，兩者結(jié)合使用能更準(zhǔn)確合理的預(yù)測(cè)路基邊坡病害[1]。根據(jù)上述方法預(yù)測(cè)病害并模擬不同病害下邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)合應(yīng)力值及路基彎沉值等數(shù)值的比較，得出影響路基穩(wěn)定的主要指標(biāo)。

3)數(shù)值模擬計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。穩(wěn)定的邊坡自身具有一定的抗剪強(qiáng)度，可以通過(guò)折減系數(shù)，將抗剪強(qiáng)度折減到一定的極限平衡狀態(tài)[2]。通過(guò)折減的強(qiáng)度值分析邊坡滑動(dòng)面的受力點(diǎn)及受力方向，結(jié)合上面路基穩(wěn)定的主要指標(biāo)，分析不同受力點(diǎn)指標(biāo)的變化，這個(gè)過(guò)程可以展示出邊坡的受損過(guò)程，最后通過(guò)演化的受損過(guò)程可以得到一個(gè)安全系數(shù)，這個(gè)系數(shù)可以表達(dá)路基邊坡的穩(wěn)定性。

安全系數(shù)計(jì)算如下：

以上所述的安全系數(shù)的定義方法是通過(guò)參考文獻(xiàn)及規(guī)范得出的，這種安全系數(shù)的計(jì)算會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的收斂等數(shù)學(xué)問(wèn)題。解決上述問(wèn)題的方法如下：

將邊坡粘聚力c和內(nèi)摩擦角的正切值tanφ同時(shí)除以折減系數(shù)F，得到新的ce和φe值；再通過(guò)新的ce和φe值重復(fù)上述公式，直到結(jié)果剛好收斂為止[3]。這里臨界狀態(tài)下的Fs被稱為最小安全穩(wěn)定系數(shù)，同時(shí)極限狀態(tài)下的邊坡發(fā)生剪切破壞。

折減公式如下：

通過(guò)運(yùn)用路基邊坡滑動(dòng)面的平均抗剪強(qiáng)度與實(shí)際的平均剪應(yīng)力比值我們可以得到臨界滑動(dòng)面的平均安全系數(shù)：

τ=σtanφ+c。

兩者結(jié)合，得到：

通過(guò)養(yǎng)護(hù)性能安全指標(biāo)，再結(jié)合預(yù)防性養(yǎng)護(hù)質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，得出路基邊坡使用性能評(píng)價(jià)等級(jí)及維修對(duì)策，見表1。

表1 高速公路路基邊坡使用性能評(píng)價(jià)等級(jí)

1.2 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)費(fèi)用分析

對(duì)于費(fèi)用分析，其目的主要是分析出不同的路基邊坡養(yǎng)護(hù)方案下的后期管理工作所產(chǎn)生的相對(duì)費(fèi)用差別，通過(guò)路基邊坡使用性能評(píng)價(jià)等級(jí)可以得出維修對(duì)策，并計(jì)算養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，一些對(duì)養(yǎng)護(hù)影響不大或者無(wú)關(guān)的費(fèi)用均不考慮在內(nèi)[4]。

1.2.1費(fèi)用組成

關(guān)于路基邊坡費(fèi)用組成，這里選擇養(yǎng)護(hù)預(yù)算中比較重要的費(fèi)用組成進(jìn)行分析，見表2。

1.2.2費(fèi)用參數(shù)分析

養(yǎng)護(hù)水平直接影響路基邊坡后期的穩(wěn)定性及維修成本。路基邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)從日常小修保養(yǎng)記錄著手，運(yùn)用以下公式計(jì)算[5]：

MC=CR+CC+CJ+CN。

其中，MC為養(yǎng)護(hù)管理所需的總費(fèi)用；CR為養(yǎng)護(hù)管理期間所需的現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場(chǎng)人員的工時(shí)費(fèi)；CC為養(yǎng)護(hù)管理期間所需的材料成本費(fèi)用；CJ為養(yǎng)護(hù)管理期間所需的機(jī)械臺(tái)班機(jī)械租借費(fèi)用；CN為養(yǎng)護(hù)施工中遇到的不確定因素產(chǎn)生的費(fèi)用。

由于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)必須在邊坡病害發(fā)生之前進(jìn)行，所以這里不考慮后期產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，可以得到養(yǎng)護(hù)費(fèi)用隨著邊坡指標(biāo)的增強(qiáng)而減少。

表2 道路工程養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)的費(fèi)用組成

1.3 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)成本效益估算

前文可知，安全系數(shù)是表示邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的主要指標(biāo)。結(jié)合折減的應(yīng)力強(qiáng)度值分析邊坡滑動(dòng)面的受力點(diǎn)及受力方向，可以計(jì)算得到相對(duì)安全系數(shù)值，結(jié)合前文安全系數(shù)的計(jì)算得到最終安全系數(shù)，如下：

通過(guò)安全系數(shù)的估算可知，路基邊坡滑動(dòng)面的安全系數(shù)的衰變曲線與安全系數(shù)的最小值圍成的面積稱為效益指標(biāo)面積[6]。借鑒這種方法，可通過(guò)安全系數(shù)的變化曲線與安全系數(shù)最小值的基線圍成的面積計(jì)算預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的成本效益，如圖1所示。

圖1中，SW為日常養(yǎng)護(hù)效益面積；SC為進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)后的效益面積；Yz為極限狀態(tài)下的安全系數(shù)(基線值)；T為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)所需要的時(shí)間；TW為原有指標(biāo)衰減到最小值所用的時(shí)間；TC為采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)后指標(biāo)衰減到最小值所用的時(shí)間。

2 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)估算分析

結(jié)合預(yù)防性養(yǎng)護(hù)性能指標(biāo)、費(fèi)用和效益成本三者的分析得出養(yǎng)護(hù)最優(yōu)方法，結(jié)論如下：

1)通過(guò)高速公路路基使用性能評(píng)價(jià)等級(jí)來(lái)確定路基邊坡滿足的條件，選取影響路基邊坡穩(wěn)定性的主要指標(biāo)作為效益成本計(jì)算指標(biāo)。

2)選取路基邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)的極限值，極限值可根據(jù)修建高速公路技術(shù)能力及資金水平，地質(zhì)水文條件等來(lái)決定極限值的范圍。

3)根據(jù)高速公路路基邊坡病害預(yù)測(cè)得出的指標(biāo)系數(shù)，分析上述指標(biāo)對(duì)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實(shí)施的邊坡穩(wěn)定性。

4)結(jié)合管養(yǎng)合同及邊坡性能等級(jí)評(píng)價(jià)，計(jì)算養(yǎng)護(hù)費(fèi)用占比，得到養(yǎng)護(hù)費(fèi)用最佳值。

5)根據(jù)費(fèi)用計(jì)算養(yǎng)護(hù)實(shí)施方案后，選出最優(yōu)方案(指標(biāo)產(chǎn)生效益最大化)，計(jì)算指標(biāo)在滿足成本效益的前提下所需要時(shí)間和相同指標(biāo)下邊坡養(yǎng)護(hù)效益面積最大值。由于不同指標(biāo)的效益面積相互影響，可以通過(guò)權(quán)重分配比來(lái)確定出綜合的效益指標(biāo)。

6)將效益指標(biāo)與養(yǎng)護(hù)費(fèi)用結(jié)合，得到性能指標(biāo)—費(fèi)用—成本效益三者比值，在指標(biāo)滿足規(guī)范要求的情況下使養(yǎng)護(hù)費(fèi)用最小化而養(yǎng)護(hù)效益最大化。

3 結(jié)語(yǔ)

路基預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)應(yīng)通過(guò)養(yǎng)護(hù)指標(biāo)費(fèi)用及養(yǎng)護(hù)效益成本指標(biāo)進(jìn)行分析，將效益指標(biāo)與養(yǎng)護(hù)費(fèi)用相結(jié)合，通過(guò)邊坡病害的預(yù)測(cè)，從定性和定量的角度得出邊坡滑動(dòng)面在應(yīng)力場(chǎng)中的指標(biāo)系數(shù)，并在指標(biāo)系數(shù)滿足規(guī)范要求的情況下使養(yǎng)護(hù)費(fèi)用最小化而養(yǎng)護(hù)效益最大化。本文指標(biāo)較單一，還需要更多的指標(biāo)來(lái)計(jì)算分析預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)。