礦區(qū)早期低等級公路路面結構大修優(yōu)化設計

祁亮

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

由于我國較多礦區(qū)從二十世紀五六十年代就開始工作運營，當時為了保障礦區(qū)正常生產生活，修建了一些低等級公路，但由于運營時間過長，需要對低等級公路路面加以大修維護。路面結構大修設計技術中最重要的一個環(huán)節(jié)即是獲得路面結構極限荷載值[1]，這關乎著公路使用壽命，因而研究路面結構使用壽命期限內的極限荷載值具有重要意義[2,3]。大修設計方案需要經過技術手段的優(yōu)化，獲得最佳使用方案，為設計人員提供參考，減少工程成本，延長路面結構最佳使用壽命[4]。

1 工程概況

某礦區(qū)不僅在礦區(qū)附近建立了采、選礦的生產線，而且還具備后期礦物原料二次加工的能力，整個礦區(qū)由四通八達的交通網構成。早期為了方便運輸?shù)V物原料及生產人員，在礦區(qū)進出口修建了一條雙向兩車道的低等級公路，設計時速僅40 km/h，路面結構采用的是水泥路面，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)人員生產及生活帶來了較大的幫助。

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

2 路面結構大修設計技術優(yōu)化

由于該公路為礦區(qū)生產線上的主干道，承擔著貨物運輸及人員出入的任務，因而，該公路路面必須要承受較大荷載。路面結構安全性與路面結構最大荷載有關，必須要確定路面結構承載最大荷載值，才可進行設計方案的優(yōu)化。

2.1 路面結構最大荷載確定

在確定最大荷載值之前，指定該公路每車道軸向載荷標準值為2 550萬次，在設計年限內每車道軸向載荷最小值為1 350萬次。路面結構承載力與彎曲變形值、拉應力值及車轍深度值均有關，比較不同參數(shù)指標獲得的最大荷載值確定最佳荷載值，路面結構不同軸向荷載下的彎曲變形值、拉應力值已在前期調研過程中獲得，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力值 MPa

2.1.1彎曲變形指標

彎曲變形指標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均為對應軸向荷載下的彎曲變形。

基于累計軸向荷載換算原理，獲得累計最大軸向荷載值為:

(2)

其中，0.3指重載車輛的占比系數(shù)；0.7為路面結構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，以彎曲變形指標為中間換算參數(shù)，獲得各個路面結構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為各個路面設計結構模型不同軸向荷載下壽命值曲線。從圖1及表3中可看出，在同一路面結構模型中，隨著軸向荷載值的增大，使用壽命逐漸遞減，結構一模型下100 kN軸向荷載值的使用壽命是260 kN的3.08倍。在圖1中依據最小二乘擬合法，獲得各個路面結構壽命值與軸向荷載之間的關系式，如式(3)～式(6)。基于路面結構壽命值關系式，結構一～結構四設計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，代入各個結構模型關系式(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拉應力指標

路面結構不僅需要承載自重，在公路長期運營過程中，還受到路面結構層的拉應力影響，以表2中數(shù)據繪出各個結構設計模型下拉應力與軸向荷載之間關系圖，如圖2所示。基于線性擬合獲得各個模型拉應力與軸向荷載之間的數(shù)學關系式，并依據各個設計模型在設計之時考慮的最大允許拉應力值，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

由于該礦區(qū)內大型運輸?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構影響有所差異，同樣與路面的軸向荷載值息息相關，因而，可由車轍深度確定軸向荷載極限值。車轍深度的計算本文采用的是數(shù)值模擬軟件，從各個路面結構模型出發(fā)，分別建立合適的計算模型，劃分單元網格，并輸入相關外參數(shù)，如軸向荷載標定值，以100 kN，120 kN，140 kN，160 kN，180 kN，200 kN，220 kN，240 kN,260 kN為已知荷載值進行計算，獲得各個模型車轍深度值，如表5所示。

表5 各個模型車轍深度值 mm

與彎曲變形及拉應力指標參數(shù)類似，構建車轍深度與軸向荷載之間的關系式，如式(7)～式(10)。車轍深度值與軸向荷載關系曲線見圖3。以路面結構允許車轍深度值為16 mm，分別計算得到四種結構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 以車轍深度計算極限荷載值

2.1.4最大荷載

綜合比較四個設計模型分別以彎曲變形、拉應力及車轍深度三個指標確定的最大荷載值如表7所示。

表7 極限荷載值 kN

為保證路面結構穩(wěn)定安全，以各個參數(shù)指標獲得的最小荷載值為各模型的極限荷載值，結構一～結構四模型極限荷載確定為167.4 kN，152.1 kN，94 kN，119.3 kN。

2.2 路面結構大修優(yōu)化設計

本文路面結構大修設計方案以結構設計模型二為例，結構模型二由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成，設計壽命10年，由前文所知允許軸向荷載值為152.1 kN，允許拉應力值為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)的三種方案進行優(yōu)化分析。

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

三個方案優(yōu)化后的具體使用參數(shù)及單價如表8所示，相比較而言，方案二更能控制路面使用壽命維修費用，且大修單價相對較低，雖然需要進行1次中修，但對于路面壽命的維護及延長具有較高的作用，另一方面，實施過程中設置有1次中修方案，可以保障路面結構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用，而若中修次數(shù)過多之時，中修費用太多，同樣會引起工程手續(xù)繁瑣與費用增加，因而，經技術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)化結果

3 結語

分析了某礦區(qū)早期公路結構大修設計方案，以彎曲變形、拉應力及車轍深度三個參數(shù)指標分別得到各設計模型極限荷載值，并確定結構一～結構四模型極限荷載值為167.4 kN，152.1 kN，94 kN，119.3 kN。以結構二模型為大修方案，開展設計優(yōu)化，方案二路面結構壽命費用降低穩(wěn)定，且大修單價最低，降低工程維護及額外增加費用，中修次數(shù)合理，減少工程手續(xù)繁瑣與費用增加，不僅提高大修結構路面經濟效益，且能維護及延長路面壽命。該設計方案通過施工完成后的實際效果檢驗驗證，取得了良好的技術經濟效應，對類似工程的設計具有一定的參考價值。