英標體系下重型鋪面設(shè)計的工程應(yīng)用和 相關(guān)設(shè)計參數(shù)探討

李 鑄 蘇東升

（南昌軌道交通集團有限公司， 江西 南昌 330038）

1 工程情況

本工程位于厄瓜多爾波索爾哈鎮(zhèn)，瓜亞斯河河口、瓜亞基爾港口下游，主要內(nèi)容包括400m長的順岸式集裝箱高樁碼頭，以及約34萬平堆場的新建。堆場分為海域吹填區(qū)和陸域區(qū)，經(jīng)過堆載預(yù)壓、振沖、強夯、振動碾壓等地基處理后鋪設(shè)路面。

本工程位于強震區(qū)，盡管是熱帶雨林氣候，但因瀕臨海灣，年平均氣溫在25°左右。全年分冬季（12月至次年4月）和夏季（5月至11月），雨水集中在冬季，全年平均降雨量約為2000mm。

2 設(shè)計內(nèi)容

聯(lián)鎖塊其具備成本低廉、施工方便、易于修補、抗滑抗油性能好的優(yōu)點，此外，較之于傳統(tǒng)的瀝青路面和混凝土大板路面，能夠更好地應(yīng)對土基遇水膨脹所引起的不均勻沉降，以及地震后會引起的路面高程變化。因此，本項目堆場采用的是聯(lián)鎖塊鋪面。

3 規(guī)范解讀

本文采用的是英國規(guī)范THE STRUCTURAL DESIGN OF HEAVY DUTY PAVEMENTS FOR PORTS AND OTHER INDUSTRIES（EDITION 4）（以下簡稱“英標”）。它是以彈性層狀理論體系為基礎(chǔ)，首先建立軸對稱理想化的圓柱體層狀體系模型（包括面層、基層、底基層），再通過在模型頂部中心施加一個局部荷載，得出設(shè)計圖表。設(shè)計圖表的核心是臨界荷載的有效重復(fù)次數(shù)，設(shè)計師通過這兩個數(shù)可以查表得到水穩(wěn)基層CBGM的厚度，而臨界荷載的選擇需根據(jù)堆場機械和機械運營情況考慮車輪臨近系數(shù)、動力荷載系數(shù)等因素；有效重復(fù)次數(shù)則是當(dāng)量輪荷載的等效次數(shù)的累加值。面層方面，考慮到結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟性，80mm的聯(lián)鎖塊與30mm的墊層可作為最佳選擇。

4 實際運用

4.1 荷載要求

堆場的主要機械是RTG，正面吊和拖車。RTG是配筋的混凝土路面，在此文不做詳細介紹。因此，對于堆場聯(lián)鎖塊鋪面而言，主要控制因素是正面吊和拖掛車，其臨界荷載和作用次數(shù)如下：

1）正面吊：負載時前軸軸荷載為100t，后軸軸荷載為18.5t，作用次數(shù)為60,000次?？蛰d時前軸軸荷載為45t，后軸軸荷載為38t，作用次數(shù)為150,000。

2）拖掛車：35t拖掛車負載時1軸軸荷載6.3t,2軸軸荷載為19.4t,3軸軸荷載為13.2t，4軸軸荷載為13.2t，作用次數(shù)為2,850,000次；空載時1軸軸荷載5.5t,2軸軸荷載為5.9t,3軸軸荷載為2.9t，4軸軸荷載為2.9t，作用次數(shù)為7,500,000次。

4.2 面層計算

以正面吊為例，現(xiàn)場地基加州承載比CBR值為9%，根據(jù)有效深度公式：有效深度=300×(3500÷(CBR×10))，可得值2190mm。

原則上，需要對每個輪的鄰近系數(shù)進行求解，方可得出臨界荷載，但通過工程機械的對稱性（見圖表 1和圖表 2），以及英標表19可知，輪距越大，鄰近系數(shù)越小，內(nèi)側(cè)輪比外側(cè)輪的鄰近系數(shù)大，因此被選為主輪。根據(jù)有效深度，經(jīng)過內(nèi)插相加可得正面吊的前軸主輪鄰近系數(shù)為1.94，后軸主輪鄰近系數(shù)為1.04。

圖表 1 正面吊輪距示意圖

圖表 2 拖掛車輪距示意圖

考慮到轉(zhuǎn)彎因素，前后輪均取動力系數(shù)為0.4，可得出前輪荷載為

100×1000kg×9.8N/kg÷4×0.4=665.42Kn，同理可得后輪荷載為131.48kN,當(dāng)量輪荷載為兩者中的大值，為665.42kN,可算得后輪荷載的等效系數(shù)為〖(131.48kn÷665.42)〗^3.75=0.0022，總作用次數(shù)為60,000+60,000×0.0022=60,137次。同理可得空載時當(dāng)量輪荷載299.4kN,總作用次數(shù)為251,844。

用同樣的步驟可以得到拖掛車的當(dāng)量輪荷載和作用次數(shù)，最終得到臨界荷載665.42kN和作用次數(shù)142,713次，查英標章節(jié)14圖表可得，水穩(wěn)層（CBGM）厚度至少為525mm。因此，堆場的聯(lián)鎖塊鋪面結(jié)構(gòu)自上而下為：80mm的高強聯(lián)鎖塊，30mm的墊層，525mm的水穩(wěn)層和150mm的級配碎石層。

5 核心設(shè)計參數(shù)取值的探討

5.1 土基的CBR值

土基的CBR值與有效深度、鄰近系數(shù)成負相關(guān)關(guān)系，CBR值越小，有效深度和鄰近系數(shù)越大，最后所需的鋪面厚度隨之增大。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，地基處理后的土基CBR值一般能達到8%-15%之間。如果地基處理的效果好，就能有效提高CBR值，進而減少路面的厚度，節(jié)約工程造價。當(dāng)時投標策略相對比較保守，CBR取值是8%，最終現(xiàn)場試驗結(jié)果是9%，能夠滿足要求。需要注意的是，根據(jù)美國材料試驗協(xié)會ASTM D1883《CBR標準試驗方法》，此處用到的CBR是浸水CBR值，如果采用現(xiàn)場實測的CBR值，往往偏大，進而可能會導(dǎo)致最終的鋪面設(shè)計厚度不夠。但如果工程處于干燥地區(qū)，并能夠通過地區(qū)類似項目、排水條件，路面結(jié)構(gòu)等因素，論證浸水4天值含水量存在明顯差異的話，可在與業(yè)主溝通后，適當(dāng)改變浸水時間，使CBR值更符合現(xiàn)場實際。需要提醒的是，當(dāng)路基CBR小于5%時，在150mm的底基層下方是需要再鋪設(shè)不小于250mm的覆蓋層，具體可根據(jù)英標表20確定。一般來說，CBR＜5%的情況主要出現(xiàn)在未進行地基處理的情況，針對的大多數(shù)是改造項目。

5.2 臨界荷載

臨界荷載，是指在工程機械在裝卸某集裝箱時對路面造成最大損害時的荷載，此時的集裝箱荷載稱之為臨界集裝箱荷載。

其中，D是損壞效應(yīng)，W是在不同集裝箱總荷載情況下所對應(yīng)的車輪載荷，P是輪壓，N是根據(jù)英標規(guī)范中港口40標箱和20標箱的比例所查得的百分數(shù)值。通過公式可知，不同情況下集裝箱荷載對應(yīng)不一樣的D值，當(dāng)D值最大時，所對應(yīng)的荷載即為臨界荷載。如果業(yè)主無法提供詳細的標箱尺寸，在最初的分析階段，臨界集裝箱荷載可考慮如下：如果全是40英寸標箱，臨界集裝箱荷載可認為是22,000kg，如果全為20英寸標箱，臨界集裝箱荷載可認為是20,000kg。如果40英寸標箱和20英寸標箱都有的話，臨界集裝箱荷載可認為是21,000kg。一般而言，每個軸的臨界荷載會在業(yè)主的招標文件中會直接給出，即水穩(wěn)層厚度計算的臨界荷載。

5.3 鄰近系數(shù)

鄰近系數(shù)，是根據(jù)輪距和有效深度查表所得的系數(shù)。當(dāng)兩個車輪輪距小于300mm時，軸荷載可以被當(dāng)成是車輪靜荷載。一般而言，內(nèi)側(cè)的車輪為主輪，鄰近系數(shù)值為大值，進而得到最終的當(dāng)量單輪荷載。

5.4 動力系數(shù)

在英標表17中，對于各種常用機械而言，因為剎車、轉(zhuǎn)彎、加速、堆場的不平整度而規(guī)定了動力系數(shù)。針對剎車，對于前部的車輪需要取正值，對于后部的車輪需要取對應(yīng)的負值；此外，還需要根據(jù)輪與車的中心線的相對距離大小將動力系數(shù)按比例增大或縮??；針對轉(zhuǎn)彎，可以根據(jù)圖表直接進行取值；針對加速，一般可以和制動或者轉(zhuǎn)彎結(jié)合著取值；對于堆場不平整度，針對工程的改造或者擴建時，可考慮取值。隨著時代的進步，越來越多的高速自動化機械已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，此時，建議在原動力系數(shù)上再增加原值的50%。在本項目中，正面吊主要考慮的是轉(zhuǎn)彎，取的是0.4；拖掛車主要考慮的是轉(zhuǎn)彎和加速，取的也是0.4。假若本項目是改造項目，可能需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況加上不平整度，即取值為0.6。當(dāng)量輪荷載將變成760.5kN,查表可得水穩(wěn)層厚度約為585mm，比現(xiàn)有的525mm多了60mm，將額外增加不少工程造價。在業(yè)主沒有提出特殊要求的時候，一般可以取0.4，這也是英美咨工比較認可的通用取值慣例。

5.5 工程機械的作用次數(shù)

根據(jù)臨界荷載、鄰近系數(shù)和動力系數(shù)可得到當(dāng)量單輪荷載（SEWL），再把其他車輪荷載等效為當(dāng)量輪荷載的等效值累加，乘以此工程機械在此處的作用次數(shù)，最終可得不同車輪經(jīng)過某一點的當(dāng)量作用次數(shù)。作用次數(shù)往往在招標文件就會明確提出，道路工程師往往會直接按照此作業(yè)次數(shù)進行計算，但筆者建議工藝專業(yè)需復(fù)核下各工程機械的作用次數(shù)，如有疑問，及時提出澄清。本項目招標文件中的作用次數(shù)高于我們的經(jīng)驗次數(shù)，盡管最后經(jīng)過多輪的據(jù)理力爭，說服了業(yè)主采用我們的作用次數(shù)，但確實造成了不小的麻煩。

5.6 MEFs

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的抗彎強度和剛度與抗拉強度的比例關(guān)系，英標還規(guī)定了一個材料等值系數(shù)MEFs（已在大量的工程實例中得到證明并廣泛應(yīng)用）。設(shè)計師可以通過各種基層材料的轉(zhuǎn)換關(guān)系很方便地從一種鋪面結(jié)構(gòu)擴展到其他的鋪面結(jié)構(gòu)，再通過當(dāng)?shù)氐耐粱闆r、料源供應(yīng)、物價水平來決定最終采取哪種鋪面形式。一般而言，80mm的聯(lián)鎖塊鋪面和30mm的墊層，可以等值替換為110mm的C8/10水穩(wěn)層（CBGM）。在實際工程中，也可以考慮用將水穩(wěn)層直接等值替換成C8/10混凝土大板，但是造價偏高，僅限于趕工等特殊時期考慮。作為底基層的級配碎石（CBR＞80%）,MEFs是3，意味著150mm的級配碎石可等值為50mm的水穩(wěn)層。如果當(dāng)?shù)厮槭|(zhì)量特別好，可以根據(jù)實際情況降低MEFs至2，甚至是1。

6 結(jié)語

本文通過2019年在拉美竣工工程實例的講解，詳細介紹了堆場路面的詳細設(shè)計，并對核心技術(shù)參數(shù)的選取進行了深層次的闡述和探討，為今后類似工程的投標準備、詳細設(shè)計和具體實施提供了寶貴的經(jīng)驗。