公路水泥混凝土路面可靠度設計方法探究

王嘯萍

（湖南省公路設計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刻路面結構性指標、功能性指標表征出來，并對使用期末的要求水平做出規定。對于公路水泥混凝土的路面結構的可靠性則可以通過不同的標準與設訓給出不同的定義。若是以控制荷載應力作用下疲勞斷裂作為設計標準公路面可靠性度的定義為荷載應力小于混凝土疲勞度強度的概率；以控制服務能力下降作為標準可靠度的定義則為路面服務能力指數的下降程度小于預定最低限的概率度；以控制荷載應力與溫度應力雙重作用下的疲勞斷裂作為設計標準可靠度的定義為路面溫度應力與荷載應力小于混凝土疲勞強度的概率。

2 水泥混凝土路面可靠度設計方法的意義和特點

2.1 水泥混凝土路面可靠度設計方法的意義

水泥混凝土路面結構的可靠性主要是通過規定條件下與時間內路面的質量是否可以到達相應的標準要求來判斷，進而就可以測試出路面的使用性能是不是能夠滿足運輸的需求。隨著我國經濟的快速發展，我國對基礎建設的需求量不斷增加，大量的新公路不斷被開發。公路水泥混凝土路面的設計規范對路面結構的設計方向的選擇不僅需要與路面整體結構相結合，同時也需要結合當地的行車荷載以及溫度。對于公路水泥混凝土路面結構保障性的判斷可以通過實驗數據進行判斷，即在規定條件與時間內對行車荷載疲勞應力、溫度坡度應力以及混凝土彎拉強度進行測量，當溫度坡度應力與行車荷載疲勞應力之和小于混凝土彎拉強度時公路水泥混凝土結構具有保障，反之公路水泥混凝土結構不具有保障。眾所周知，公路水泥混凝土路面的質量與路面結構有非常大的關系。當公路水凝混凝土路面中某一部位出現損害，就很有可能引發路面結構其他部分也出現損害，進而對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量在設計路面的時必須遵循科學性與合理性，只有這樣才能有效保障水凝混凝土路面結構的剛度與強度，進而保障公路水凝混凝土路面的使用性能。

2.2 水泥混凝土路面結構可靠度設計方法的特點

結構可靠度理論是以概率為基礎，該理論最大的特點就是將結構屬性中的不確定性揭示出來，并承認這些不確定性因素。在結構可靠度理論中將對結構可靠度產生影響的因素作為隨機變量，恢復了其自然特性，通過實驗數據總結出客觀變異性。可靠度計算的方法需要以實際測量與統計作為基礎，運用可靠度數學理論將結構可靠的指標β或者失效概率Pt計算出來，根據計算的結果對結構安全水平做出判斷，該理論已經被廣泛應用在工程領域中。現行路面設計規范中已經引入可靠度理論，并用可靠系數代替了就規范中的安全系數。另外，舊規范中的定值設計法也被概率極限狀態設計法取代。換言之，公路路面結構可靠度的量度方法由原先的經驗方法換成了數學統計方法，這樣可以使公立路面結構更加科學合理，符合交通運輸的實際需求。

路面結構可靠度設計方法將施工與設計有效結合，不僅考慮到了公路的的重要性與等級，同時也結合了施工單位的施工水平，綜合兩者做出了不同的設計方案與要求，對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實現路面結構的預定功能。

水泥混凝土路面設計時運用結構可靠度設計方法，不僅要考慮影響路面結構可靠度的各種因素，也要結合路面實際損傷情況，對路面的極限狀態做出評估，通過檢驗數據對偏差做出調整與修正，保證設計出的水凝混凝土路面結構的使用性能與可靠度滿足實際需求。

3 水泥混凝土路面結構可靠度設計

3.1 水泥混凝土路面結構不確定性的構成

水泥混凝土路面結構的不確定性主要表現在時間與空間兩個方面：路面結構時間不確定性主要體現在隨機性與漸變性。通常情況下，隨著時間的增長混凝土的強度以及路面使用性能呈現出衰退漸變，而隨著時間的增長水泥混凝土路面所處的環境與荷載則具有隨機性。路面結構空間的不確定主要體現在承載荷載、結構層厚度以及材料性能等方面。

水泥混凝土路面結構不確定性的來源可以劃分為三類：第一類是設計參數發生變異，如結構的幾何尺寸發生變化、材料性能發生變化、公路所承受的負載發生變化等；第二類為預估的交通荷載與實際交通荷載存在偏差，如軸載的年平均增長率預估存在偏差、交通量預估存在偏差；第三類是設計方法不符合實際情況，這種情況的出現主要是由設計方法中的假定與近似處理導致。因不同的不確定性對路面結構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不同。

3.2 水泥混凝土路面結構疲勞方程

通常情況下，水泥混凝土路面的疲勞壽命比較長，所以對路面疲勞壽命做現場試驗研究不僅難，而且用時也比較長。目前，就路面疲勞壽命現場試驗研究成果比較少，只有美國AASHTO試驗路有少量的研究成果。當前，水泥混凝土疲勞試驗都是在室內完成，在混凝土小梁試件上施加固定幅度變化的循環荷載，混凝土小梁試件出現斷裂時反復荷載作用的次數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度與循環荷載最大值的比值被稱為應力水平。循環應力、材料性能以及環境等因素都會對水泥混凝土疲勞特性造成影響。雖然應力水平的應用可以規避這些因素的影響，但是混凝土自身的特性以及實驗環境也會對混凝土疲勞壽命的計算造成影響。

3.3 水泥混凝土路面結構可靠度設計步驟

第一，對水凝混凝土路面使用期限內的標準軸載累計作用次數進行計算。首先，根據現行的規范明確設計公路的等級、基準期、交通量年增長率以及臨界荷位處輪跡橫向分布系數；其次，假設交通量平均年增長量的預估設計參數服從對數正太分布，計算出設計基準期車道標準軸載累計作用次數的平均值，進而得出變異系數以及標準差；最后，通過最終的計算得出概率分布密度函數。

第二，擬定路面結構層與類型組合的方案。通過分析公路的等級與可能出現的變異，明確設計路面的材料與尺寸。

第三；對公路結構的疲勞壽命進行計算。首先，確定已選定混凝土路面結構的面板厚度，普通混凝土面層的拉彎彈性與強度的模型。按照現行的規范計算出已選定混凝土路面層結構的材料的基層頂面當量回彈模量。其次，假設水凝混凝土路面的疲勞壽命符合威布爾分布，并且運用隨機有限元模擬分析其特征，獲取相應的參數。

第四，綜合上述計算得出水泥混凝土路面結構的可靠度，確定設計公路的最終方案。

4 結語

水凝混凝土路面結構可靠度不僅要考慮交通量參數、結構參數以及材料的變異性，同時也要考慮到設計變量中的不確定性，只有這樣才能將設計方案與施工技術、管理水平結合在一起，從而保證路面結構的可靠性、安全性。另外，水泥混凝土路面的可靠度設計時還有融入近年來積累的各種設計經驗與研究成果，不僅可以提高設計公路的適用性，同時還可以促進我國設計規范的完善與發展。