毕业论文路面结构设计

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水泥混凝土路面结构可靠性设计及评估 水泥混凝土路面结构可靠性设计及评估 牛义昌1，胡延海2 （1.河南省交通科学技术研究院有限公司，郑州 450006；2.河南省有色金属地质矿产局第六地质大队，郑州450016） 【摘 要】随着我国社会经济的不断发展，混凝土工程规模也逐渐扩大。就水泥混凝土路面结构来说，仍然存在着较多的问题。例如,使用寿命短、早期破坏严重以及运营效益低等，提高水泥混凝土路面结构的可靠性势在必行。论文对水泥混凝土路面结构的可靠性进行了设计和评估，希望具有借鉴意义。 【关键词】水泥混凝土；路面结构；可靠性；设计评估 【DOI】 1 引言 目前，我国公路通车里程持续增加，但是公路建设中仍然存在较多的问题，例如寿命短、破坏严重等。造成这种问题的原因主要是施工控制不严、长期超载使用以及设计方法不完善等，对这些原因进行研究控制能够充分提升我国公路建设的质量。现在水泥混凝土公路路面设计所应用的设计参数都是统一的确定型设计方案。要想保证路面设计符合需求，就必须考虑筑路材料的不同环境和荷载对设计因素产生的影响。但在实际上，路面结构体系具有不确定性，其可测定的参数（如路面的设计、施工以及养护）都具有变异性，对其确定性的设计难以选定。如果计算中应用平均值，可靠度只能为50%，不能满足实际需求[1]。部分设计者处于安全考虑，应用了保守值，导致最后设计结果太过保守，如果对设计参数值随意选取，会导致不同的设计结果变化幅度很大。概率理论能够对不确定因素有效处理，将概率方法应用到路面结构设计中，则能有效解决上述问题。 2 水泥混凝土路面结构可靠性设计 确定型设计方法 我国目前针对公路混凝土路面的设计规范中，对路面板疲劳开裂损坏的控制作为设计水泥混凝土路面厚度的标准。混凝土板温度疲劳应力与荷载疲劳应力的和要不大于混凝土路面设计抗弯拉强度。本次的设计标准是温度应力和荷载应力形成的综合疲劳损坏，所以将形成最大综合疲劳损坏的路面板位置当成临界荷位。首先是荷载应力计算，标准荷载在临界荷位上形成的荷载疲劳是以下4个数值的乘积，即接缝传荷能力基础上的应力折减系数、路面疲劳损坏受动载和超载因素的综合影响系数、荷载应力累计疲劳作用在设计使用年限内的疲劳应力系数，以及标准荷载在临界荷位形成的没考虑接缝转荷能力下的荷载应力[2]。其次是温度应力计算，因为板边缘中点受到温度梯度作用所形成的温度疲劳应力，是由混凝土板在最大温度梯度时的温度应力以及温度应力累计疲劳作用下的疲劳应力系数。 概率基础 可靠度定义 结构可靠性通过结构可靠度来进行概率度量，所谓可靠度标准工程定义，即是规定时间和条件下，结构完成预定功能的概率。联系路面结构特点，可靠度定义可以这样认为：规定设计使用时间内并在规定环境交通条件下，能够满足预定水平要求的路面使用性能的概率[3]。 概率方法 荷载、几何参数、材料性能以及计算公式精确性等因素都会对结构可靠度产生一定的影响。这些因素存在着随机性的特点，可以将其作为基本变量，其结构功能可以通过功能函数表示即Z=g(X1,X2,…,Xn)，其中X是基本变量，如果Z大于零，则表明结构位处可靠状态；如果Z等于零，则表明结构位处极限状态；如果Z小于零，则表明结构位处失效状态。即极限状态方程表达式位Z=g(X1,X2,…,Xn)=0；结构可靠状态、失效状态以及极限状态的概率可以用P1、P2、P3表示。因为Xn是连续型变量，所以我们可以姑且这么认为：功能函数z=g(X1,X2,…,Xn)的分布函数是连续函数。这种条件下，可以用概率论知识得知：P3=0，P2+P3=1。 可靠性设计方法 设计参数和它的变异系数 因为，受到结构与材料构成存在的不均质性以及质量控制水平和施工技术等因素的影响。路面结构各设计参数会在一定范围内波动。按照变异系数分布实际，可以把各项设计参数变异水平分成高、中、低3个等级，在不同公路等级、质量控制水平以及施工技术等级分别应用。因为路面结构本身的特点，路面设计相关的所有参数都存在一定程度的变换性。这些变换性参数中最为显著或最起决定作用的主要有以下内容：混凝土弯拉弹性模量、混凝土弯拉强度、板长、板厚、基层顶面当量回弹模量、底面和顶面最大温度梯度、在使用初期设计车道中的标准轴载作用次数（分别是Ec、滓in、L、h、E1、J、N0）。在对它们变异性进行研究过程中,假设它们是互相独立的[4]。通过大规模的调查工作，获得不同水泥混凝土路面中的相关设计参数信息，在进行多次室内外试验之后，应用随机理论来建立统计数据库，从而获得这些参数的变异水平。如表1所示。 表1 设计参数变异系数 设计参数 低 中 高变异水平 变异水平设计参数 低 中 高σin0 . 1 0～0 . 1 2 0 . 1 5～0 . 1 8 0 . 2 1～0 . 2 5 Ec0 . 1 0～0 . 1 5 0 . 2 0～0 . 3 0 0 . 3 5～0 . 4 5 E10 . 1 0～0 . 2 0 0 . 2 5～0 . 3 5 0 . 4 5～0 . 5 0 J 0 . 0 4～0 . 0 8 0 . 0 8～0 . 1 2 0 . 1 5～0 . 2 0 h 0 . 0 1～0 . 0 3 0 . 0 5～0 . 0 8 0 . 1 0～0 . 1 2 N00 . 5 0～0 . 8 0 0 . 8 0～1 . 2 0 1 . 5 0～2 . 0 0 L 0 . 0 1～0 . 0 3 0 . 0 5～0 . 0 8 0 . 1 0～0 . 1 2 路面结构理论可靠度及其系数 所谓路面结构理论可靠度，它是按照规范所给的图表和计算式，只考虑受到设计参数变异性影响获知的路面结构可靠性。结构理论可靠度可以通过降次积分法和干涉理论来计算。就分布规律而言，所有设计参数变异性对于理论可靠度具有统一的影响。任何一个参数变异系数增大，理论可靠度会随之下降，可以引入理论可靠系数来考虑这种影响。 实际可靠度及其系数 由调查统计验证路段损坏情况可知，路面实际可靠度和理论之间存在偏差，理论的可靠度大于实际，对理论可靠性进行修正十分必要。引入可靠度系数概念，将两者可靠度的偏差用可靠系数偏差表示，继而考虑对不相符偏差的修正。按照这一思路，可以得出理论和实际两种可靠度系数F1、F2的良性线性关系。即F2=。再建立可靠性设计方法。由此，可以用可靠性理论来表述水泥混凝土路面结构设计方法。关系式为：实际可靠度系数F2=混凝土板温度疲劳应力+荷载疲劳应力，不大于混凝土路面板设计抗弯拉强度。 3 水泥混凝土路面结构可靠性评价 和路面结构可靠性设计相比，其可靠性评估主要有以下特点：即规定条件和时间不同、预定的功能不同、车辆荷载与路面承载力的变化等[5]。水泥混凝土路面结构可靠性评估有新建和现有2个方面。就新建来说，在正常使用和养护条件下，主要考虑环境等因素的影响在预定设计基准期内可以达到预定使用性能要求的能力即为新建路面结构的可靠性，公式为：P(TS)=P{Z(t)≥0,t∈[0,TX]},其中TX为设计使用基准期。针对现有公路来说，其可靠度表达式为PS(t1,TS")=P(Z(t1,t1)≥0,t∈[t1, t1+TS"])。其中t1和TS"分别表示路面结构已经使用的年份以及希望继续使用的年份即服役运营基准期。其可靠度与使用时刻路面结构使用性能技术状况的广义抗力随机过程和效应随机过程有关。其使用性能评估需要考虑路面损坏情况、修建和养护时间、路面结构承载能力、抗滑能力、交通状况、平整度以及路面路基排水情况。 4 结语 公路交通的质量关乎着国计民生，要想衡量一个国家的现代化水平，公路交通是重要内容。公路水泥混凝土路面结构设计过去常采用经验法和力学经验法来分析评估，难以取得实际效果。而通过应用可靠度理论法，则能有效地促进我国路面结构设计的完善，提高我国公路质量。 【参考文献】 【1】资建民,朱飞,江滔.水泥混凝土路面结构可靠性设计方法[J].公路运输文摘,2002（12）:12-14. 【2】谈至明,姚祖康,刘伯莹.水泥混凝土路面结构可靠性设计方法[J].公路,2002（8）:7-10. 【3】张进宁.旧沥青路面加铺水泥混凝土层路面结构可靠性分析[J].河北工业大学学报,2010（4）:105-108. 【4】王芳,刘凯,王选仓,等.旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构可靠性分析[J].公路交通科技,2015（3）:1-6+19. 【5 珺】史 峰.新水泥混凝土路面结构设计可靠性分析[J].上海公路, 2013（4）:7-10+19+101. CementConcretePavementStructuralReliabilityDesignandEvaluation NIUYi-chang1,HUYan-hai2 ( 450006,China； Bureauof GeologyandMineralResourcesof NonferrousmetalGeologicalBrigade6,Zhengzhou 450016,China) 【Abstract】With the continuous development of social economy in our country,gradually expand the scale of the concrete lowoperatingefficiency, designandevaluationofcementconcretepavementstructure,thesignificanceofreferencetothehope. 【Keywords】cementconcrete;pavementstructure;reliability;designevaluation 【中图分类号】; 【文献标志码】B 【文章编号】1007-9467（2017）03-0143-03 【收稿日期】2016-11-21 【作者简介】牛义昌（1984～），男,河南林州人，工程师，从事路基路面和岩土工程设计与研究。

高速公路路面优化设计论文

1常安高速公路路面优化设计需要解决的难点分析

高温稳定性

常安高速公路工程项目所处地区为最高气温超过40℃的夏炎热区。在这种苛刻的环境下，必须要求路面混合料拥有极高的抗变形性能。同时，因为在这一个高速公路段，交通量较大且重载车比例高，这些都加重了公路路面负荷。此外，有部分路段为长大纵坡路段，高温条件下重载交通对长大纵坡段层间剪切滑动也产生不利影响。因此，在进行路面结构优化方案设计时，需要重点关注在高温条件下路面的抗车辙性能与抗剪性能。

水稳定性

工程项目沿线年降雨量约为1500mm左右，属于年降雨量＞1000mm的潮湿区。通过对湖南地区整体高速公路使用情况的分析，可看出部分路段的早期水损害问题仍然比较严重。因而，在进行路面结构优化设计时，必须充分考虑到混合料设计、原材料指标控制等对水稳定性方面问题。

低温抗裂性

常安高速公路工程项目所处地区的年极端最低气温低于－10．0℃，属于冬冷区。因此，进行优化设计时，既要保证路面拥有足够高温稳定性，又要确保其具备一定的低温抗裂性能。

抗疲劳性

高速公路的交通量大，且重载车较多，极易造成沥青路面结构层疲劳破坏现象的形成，因此，需在优化方案中采取相应的措施提高其抗疲劳性能。总之，在常安高速公路路面结构优化设计方案中，需要以解决重载交通下车辙病害问题和早期水损害的问题为主要方向。通过优化路面结构、合理设计混合料、严格控制施工质量，并对特殊路段特殊处理，达到减少早期病害、提高路面耐久性、降低全寿命周期成本的目的。

2沥青结构层的优化分析

在原设计中，沥青路面结构层为:上面层为4cm改性沥青SMA－13;中面层为6cm改性沥青AC－20C;下面层为8cm普通沥青AC－25C。进行优化设计时，结合路面结构层的厚度及路用性能，对沥青路面结构层进行如下优化。

沥青上面层优化

根据常安高速公路通车后的交通量预测，在初期没有太大交通量的情况下，路面荷载的影响深度主要在于中面层，因此从功能性和经济性这两方面考虑，在优化中，在上面层采用4cm厚AC－13C，沥青采用SBS改性沥青，在有效降低工程造价成本的同时，也能充分满足其功能要求。AC－13C采用石质较坚硬、耐磨耗的集料，如玄武岩和辉绿岩等，以确保抗滑磨耗表层的功能(如表1)。在此基础上，将地产的辉绿岩材料用于上面层，相比于SMA－13所需要的外购的玄武岩便宜，造价有所降低。并且，考虑到工程项目所在地为高温多雨潮湿区，在上面层采用AC－13C型沥青混凝土。

沥青中、下面层优化

原施工图设计方案的中、下面层结构为:中面层6cm的AC－20C、下面层8cm的AC－25C，沥青的中面层所在层处于整个路面结构的高剪应力受力区域，在高温地区重载交通条件下，中面层应具有较好的高温稳定性，因此，中面层需要采用高温稳定性较好的沥青混合料，沥青胶结料采用SBS改性沥青。沥青的下面层主要起承重层及粘结层的作用，同时还必须具有较好的抗疲劳性能和抗水损害性能，因此需要采用50#A级道路石油沥青。在优化设计中，将原方案中面层6cm的AC－20C调整为6．0cm的'Sup－20，胶结料采用改性沥青，并要求达到PG70－22级性能标准;下面层8cm的AC－25C调整为8cm的Sup－25，采用50#道路石油沥青，要求达到PG64－16级性能标准。

水稳基层优化

在原路面结构设计中，由于水泥剂量用量较高，水稳易产生裂缝，1cm的石油沥青表处不能起到抗反射裂缝的作用。因此，在优化设计中，水稳基层通过降低水泥剂量的方式来控制水稳裂缝的产生，同时采取有效的工程措施来延缓沥青路面的反射裂缝。在水稳基层和沥青面层之间设置防水粘接层，以便沥青面层的应力和应变因离开应力集中的接缝或者裂缝端部而得到降低。同时，加强加铺层结构的抗拉能力与抗剪能力。其中，在防水粘接层类型的选择方面，结合高性能聚酯玻纤布、稀浆封层、橡胶沥青应力吸收层(SA-MI)等三类防水粘接层的特点分析，优先选用1cm橡胶沥青应力吸收层来延缓沥青路面的反射裂缝。

3常安高速公路路面优化设计的对比分析

技术分析

传统的AC型沥青混合料采用悬浮密实型连续级配，高温稳定性较差，即使对其级配进行调整，也难以避免传统设计方法的缺陷。而传统的马歇尔设计方法采用击实成型试件，不能准确模拟路面压路机实际碾压的揉搓效果，因此导致试件油石比往往较实际路面大0．3%至0．5%。而在优化设计方案中，引入Superpave技术从施工检测及工程应用效果来看，Superpave设计的沥青混合料表面均匀、密实，高温性能有较大程度的提高，抗水损害性能良好，其各方面性能均优于传统的悬浮密实型AC混合料，能提高整体的路面性能，特别是高温抗车辙性能。

路面基本建设费用分析

优化方案较原设计方案将有效提高路面性能和延长路面使用寿命。并且，通过清单报价计算，优化后的主线路面结构比原设计路面结构可节约基本建设费用2219万元。

使用效果分析

目前，我国高速公路沥青路面的研究和发展方向是，延长沥青路面的使用寿命，减少早期损害，更好的体现全寿命周期成本设计理念。通过上述分析所得，常安高速公路路面结构优化将在解决原工程项目中的特点及难点问题，在保证路面优质服务功能的基础上，实现路面“耐久、节约、环保”的目标。

4结束语

优化设计的目的在于，在保证使用功能的前提下，能有效降低造价。而通过综合评估得出，原设计路面结构建筑安装工程费预算为83556．84万元;优化后路面结构建筑安装工程费预算为80450．27万元，优化后路面结构比原设计路面结构节省造价3106．57万元。二者对比可看出，常安高速的路面结构优化方案既节约了投资，也保证了路面结构的使用功能，在经济上和技术上均是可行的，且技术经济效益明显，能有效降低工程造价。