礦區(qū)早期低等級公路路面結(jié)構(gòu)大修優(yōu)化設(shè)計(jì)

祁亮

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

由于我國較多礦區(qū)從二十世紀(jì)五六十年代就開始工作運(yùn)營，當(dāng)時(shí)為了保障礦區(qū)正常生產(chǎn)生活，修建了一些低等級公路，但由于運(yùn)營時(shí)間過長，需要對低等級公路路面加以大修維護(hù)。路面結(jié)構(gòu)大修設(shè)計(jì)技術(shù)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)即是獲得路面結(jié)構(gòu)極限荷載值[1]，這關(guān)乎著公路使用壽命，因而研究路面結(jié)構(gòu)使用壽命期限內(nèi)的極限荷載值具有重要意義[2,3]。大修設(shè)計(jì)方案需要經(jīng)過技術(shù)手段的優(yōu)化，獲得最佳使用方案，為設(shè)計(jì)人員提供參考，減少工程成本，延長路面結(jié)構(gòu)最佳使用壽命[4]。

1 工程概況

某礦區(qū)不僅在礦區(qū)附近建立了采、選礦的生產(chǎn)線，而且還具備后期礦物原料二次加工的能力，整個(gè)礦區(qū)由四通八達(dá)的交通網(wǎng)構(gòu)成。早期為了方便運(yùn)輸?shù)V物原料及生產(chǎn)人員，在礦區(qū)進(jìn)出口修建了一條雙向兩車道的低等級公路，設(shè)計(jì)時(shí)速僅40 km/h，路面結(jié)構(gòu)采用的是水泥路面，該公路延伸至該礦區(qū)附近最近的高速公路入口，為礦區(qū)作業(yè)人員生產(chǎn)及生活帶來了較大的幫助。

該公路通行車輛主要為采礦運(yùn)輸車、工人出入礦區(qū)的客車、施工機(jī)械車輛等，由于礦區(qū)運(yùn)營多年，公路水泥路面破壞較嚴(yán)重，出現(xiàn)較多橫向、縱向縫，威脅往來車輛的安全行駛，給工人生產(chǎn)生活帶來較大的不便。因而，相關(guān)管理部門考慮對該路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行大修改造，保證礦區(qū)交通暢通。

2 路面結(jié)構(gòu)大修設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化

由于該公路為礦區(qū)生產(chǎn)線上的主干道，承擔(dān)著貨物運(yùn)輸及人員出入的任務(wù)，因而，該公路路面必須要承受較大荷載。路面結(jié)構(gòu)安全性與路面結(jié)構(gòu)最大荷載有關(guān)，必須要確定路面結(jié)構(gòu)承載最大荷載值，才可進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。

2.1 路面結(jié)構(gòu)最大荷載確定

在確定最大荷載值之前，指定該公路每車道軸向載荷標(biāo)準(zhǔn)值為2 550萬次，在設(shè)計(jì)年限內(nèi)每車道軸向載荷最小值為1 350萬次。路面結(jié)構(gòu)承載力與彎曲變形值、拉應(yīng)力值及車轍深度值均有關(guān)，比較不同參數(shù)指標(biāo)獲得的最大荷載值確定最佳荷載值，路面結(jié)構(gòu)不同軸向荷載下的彎曲變形值、拉應(yīng)力值已在前期調(diào)研過程中獲得，如表1，表2所示。

表1 不同軸向荷載下各模型彎曲變形值 ×10-2 mm

表2 不同軸向荷載下各模型拉應(yīng)力值 MPa

2.1.1彎曲變形指標(biāo)

彎曲變形指標(biāo)確定最大荷載值可按式(1)確定:

(1)

其中，F(xiàn)1,F2均為軸向荷載值；l1,l2均為對應(yīng)軸向荷載下的彎曲變形。

基于累計(jì)軸向荷載換算原理，獲得累計(jì)最大軸向荷載值為:

(2)

其中，0.3指重載車輛的占比系數(shù)；0.7為路面結(jié)構(gòu)承受的其他車輛荷載系數(shù)。

由上式并聯(lián)立表1中數(shù)據(jù)，以彎曲變形指標(biāo)為中間換算參數(shù)，獲得各個(gè)路面結(jié)構(gòu)不同軸向荷載值下的路面壽命值，如表3所示。

表3 不同軸向荷載下各模型使用壽命值 萬次

y=437 125x-1.164

(3)

y=543 674x-1.118

(4)

y=580 671x-1.176

(5)

y=652 409x-1.118

(6)

圖1為各個(gè)路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型不同軸向荷載下壽命值曲線。從圖1及表3中可看出，在同一路面結(jié)構(gòu)模型中，隨著軸向荷載值的增大，使用壽命逐漸遞減，結(jié)構(gòu)一模型下100 kN軸向荷載值的使用壽命是260 kN的3.08倍。在圖1中依據(jù)最小二乘擬合法，獲得各個(gè)路面結(jié)構(gòu)壽命值與軸向荷載之間的關(guān)系式，如式(3)～式(6)。基于路面結(jié)構(gòu)壽命值關(guān)系式，結(jié)構(gòu)一～結(jié)構(gòu)四設(shè)計(jì)模型使用壽命分別為1 350萬次，1 850萬次，1 350萬次，1 850萬次，代入各個(gè)結(jié)構(gòu)模型關(guān)系式(式(3)～式(6))中，獲得荷載極大值分別為167.4 kN，175.6 kN，94 kN，119.3 kN。

2.1.2拉應(yīng)力指標(biāo)

路面結(jié)構(gòu)不僅需要承載自重，在公路長期運(yùn)營過程中，還受到路面結(jié)構(gòu)層的拉應(yīng)力影響，以表2中數(shù)據(jù)繪出各個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型下拉應(yīng)力與軸向荷載之間關(guān)系圖，如圖2所示?；诰€性擬合獲得各個(gè)模型拉應(yīng)力與軸向荷載之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并依據(jù)各個(gè)設(shè)計(jì)模型在設(shè)計(jì)之時(shí)考慮的最大允許拉應(yīng)力值，反算獲得各模型最大允許軸向荷載值，如表4所示。

2.1.3車轍指標(biāo)

由于該礦區(qū)內(nèi)大型運(yùn)輸?shù)V物原料貨車較多，貨車超載常常會在路面上形成顯著車轍，不同車轍深度對路面結(jié)構(gòu)影響有所差異，同樣與路面的軸向荷載值息息相關(guān)，因而，可由車轍深度確定軸向荷載極限值。車轍深度的計(jì)算本文采用的是數(shù)值模擬軟件，從各個(gè)路面結(jié)構(gòu)模型出發(fā)，分別建立合適的計(jì)算模型，劃分單元網(wǎng)格，并輸入相關(guān)外參數(shù)，如軸向荷載標(biāo)定值，以100 kN，120 kN，140 kN，160 kN，180 kN，200 kN，220 kN，240 kN,260 kN為已知荷載值進(jìn)行計(jì)算，獲得各個(gè)模型車轍深度值，如表5所示。

表5 各個(gè)模型車轍深度值 mm

與彎曲變形及拉應(yīng)力指標(biāo)參數(shù)類似，構(gòu)建車轍深度與軸向荷載之間的關(guān)系式，如式(7)～式(10)。車轍深度值與軸向荷載關(guān)系曲線見圖3。以路面結(jié)構(gòu)允許車轍深度值為16 mm，分別計(jì)算得到四種結(jié)構(gòu)模型的軸向荷載極限值，如表6所示。

y=0.721 9e0.021 6x

(7)

y=0.598 8e0.021 6x

(8)

y=0.510 7e0.021 8x

(9)

y=0.406 6e0.022 2x

(10)

表6 以車轍深度計(jì)算極限荷載值

2.1.4最大荷載

綜合比較四個(gè)設(shè)計(jì)模型分別以彎曲變形、拉應(yīng)力及車轍深度三個(gè)指標(biāo)確定的最大荷載值如表7所示。

表7 極限荷載值 kN

為保證路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，以各個(gè)參數(shù)指標(biāo)獲得的最小荷載值為各模型的極限荷載值，結(jié)構(gòu)一～結(jié)構(gòu)四模型極限荷載確定為167.4 kN，152.1 kN，94 kN，119.3 kN。

2.2 路面結(jié)構(gòu)大修優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文路面結(jié)構(gòu)大修設(shè)計(jì)方案以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型二為例，結(jié)構(gòu)模型二由3 cm～5 cm AC-14瀝青、7 cm～9 cm AC-19瀝青及17 cm～19 cm冷再生水泥碎石依次從上而下構(gòu)成，設(shè)計(jì)壽命10年，由前文所知允許軸向荷載值為152.1 kN，允許拉應(yīng)力值為0.288 MPa，彎曲變形值為0.01 mm。采用數(shù)值模擬軟件分別對該模型中不同中修次數(shù)的三種方案進(jìn)行優(yōu)化分析。

以三種方案在數(shù)值模型中迭代計(jì)算優(yōu)化，各方案路面結(jié)構(gòu)使用壽命費(fèi)用與優(yōu)化過程結(jié)果如圖4所示。從曲線整體表現(xiàn)可看出，在同等路面結(jié)構(gòu)使用壽命費(fèi)用下，隨著中修次數(shù)的增多，壽命周期優(yōu)化過程更長。另一方面，當(dāng)中修次數(shù)為0時(shí)，路面結(jié)構(gòu)使用壽命費(fèi)用隨壽命周期優(yōu)化過程逐漸由迅速降低至緩慢降低，路面使用壽命維護(hù)費(fèi)用降低趨勢呈現(xiàn)階段狀；當(dāng)中修次數(shù)為1時(shí)，路面結(jié)構(gòu)使用壽命費(fèi)用為一條斜直線，降低速率近乎一致，路面結(jié)構(gòu)壽命費(fèi)用降低穩(wěn)定；當(dāng)中修次數(shù)為2時(shí)，路面結(jié)構(gòu)壽命費(fèi)用呈三階段降低特征，先快后慢再快的一個(gè)過程，費(fèi)用降低梯度不易控制。

三個(gè)方案優(yōu)化后的具體使用參數(shù)及單價(jià)如表8所示，相比較而言，方案二更能控制路面使用壽命維修費(fèi)用，且大修單價(jià)相對較低，雖然需要進(jìn)行1次中修，但對于路面壽命的維護(hù)及延長具有較高的作用，另一方面，實(shí)施過程中設(shè)置有1次中修方案，可以保障路面結(jié)構(gòu)在長期使用過程中的性能穩(wěn)定性，不需要間接增加工程費(fèi)用，而若中修次數(shù)過多之時(shí)，中修費(fèi)用太多，同樣會引起工程手續(xù)繁瑣與費(fèi)用增加，因而，經(jīng)技術(shù)可行性與工程效益對比后，最佳方案為方案二。

表8 路面使用壽命各方案優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)語

分析了某礦區(qū)早期公路結(jié)構(gòu)大修設(shè)計(jì)方案，以彎曲變形、拉應(yīng)力及車轍深度三個(gè)參數(shù)指標(biāo)分別得到各設(shè)計(jì)模型極限荷載值，并確定結(jié)構(gòu)一～結(jié)構(gòu)四模型極限荷載值為167.4 kN，152.1 kN，94 kN，119.3 kN。以結(jié)構(gòu)二模型為大修方案，開展設(shè)計(jì)優(yōu)化，方案二路面結(jié)構(gòu)壽命費(fèi)用降低穩(wěn)定，且大修單價(jià)最低，降低工程維護(hù)及額外增加費(fèi)用，中修次數(shù)合理，減少工程手續(xù)繁瑣與費(fèi)用增加，不僅提高大修結(jié)構(gòu)路面經(jīng)濟(jì)效益，且能維護(hù)及延長路面壽命。該設(shè)計(jì)方案通過施工完成后的實(shí)際效果檢驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，對類似工程的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。