瀝青路面結構的可靠度優化設計

張培賢，劉 寧，吳軍軍，李大明

(山東中咨公路咨詢設計有限公司，山東 東營 257091)

瀝青路面結構的可靠度優化設計

張培賢，劉 寧，吳軍軍，李大明

(山東中咨公路咨詢設計有限公司，山東 東營 257091)

針對目前瀝青路面結構進行可靠度設計過程中存在的問題影響，分析了研究瀝青路面結構可靠度優化設計的現實意義與影響設計不穩定的具體因素，并提出了優化可靠度設計的方法策略，其目的是為相關建設者提供一些理論依據。結果表明，要想實現瀝青路面結構的可靠度設計，相關人員應從問題角度入手，即在明確分析方法、設計過程以及施工過程存在的不確定因素情況下，使優化設計策略具有一定針對性。

瀝青路面結構；可靠度；模型選擇；遺傳算法；彎沉設計

1 影響瀝青路面結構可靠度設計不穩定因素分析

1.1 分析方法不確定性

以柔性路面采用的瀝青混合料為例，設計人員利用其空隙率變異的概率進行了建模，并結合有限元模型、該理論以及仿真技術，來實現結構的可靠度控制。具體來說，就是利用隨機場法和均一化法，通過量化空隙結構不確定性對瀝青混合料力學性能的影響。結果表明，均一化方法的可靠度設計未開裂柔性路面性能的實際變異影響，即忽略了材料力學性能可能帶來的不確定性。

1.2 設計過程不確定性

設計過程的不確定性主要體現在參數的不確定性，即交通參數、路面結構材料以及路面結構集合參數。其中交通參數是指，路面設置基準內，標準軸載累計作用次數的變異性；路面材料是指，結構各項物理力學性能因施工技術、施工管理水平以及材料的影響，而出現不缺性問題。這里的物理力學性能包括：路面結構層回彈模量、土基回彈模量以及整體性結構層的劈裂強度。此外，隨著車流量的不斷增加，載重問題導致交通參數變異統計變小，而現有的施工與管理水平，會導致材料性能與幾何參數等統計值過大。而且，相關建設人員并未將現有的X射線CT成像技術作用于實際統計，這就使得設計過程存在的不確定性問題難以得到有效控制。

1.3 施工過程不確定性

經分析證實，施工參數的不確定性與瀝青路面的施工質量密切相關，即不僅會對瀝青路面使用性能造成影響，還會降低結構使用的耐久性。具體來說，當前瀝青路面結構設計采用疲勞破壞原則，這就使得施工與設計要求不可避免的存在差異。這種情況，導致工程建成后的瀝青路面疲勞壽命與設計疲勞壽命，也會出現一定差異。造成施工過程不確定性問題存在的原因為，施工材料的理論研究成果與建成后路面工程的實際效果偏差，甚至脫節。此問題的存在，是研究人員對實際施工成型路面的不確定因素考慮較少導致的。

2 優化瀝青路面結構可靠度設計應用策略

2.1 優化可靠度設計模型選擇

由于我國對瀝青路面結構可靠度設計理念研究起步較晚，使得其因失效破壞而產生的成本費用，并未得到有效的控制。為此，結構可靠度設計人員應通過優化設計模型的選擇，來避免造價成本提升所帶來的影響。具體來說，目標函數為

約束條件為：s.t.pfl≤pfio

himin≤hi≤himax

公式中，si為各個瀝青路面結構層的單價；hi為各個瀝青路面結構層的厚度；n為瀝青路面的結構層數；pfl為彎沉失效概率；pfio為彎沉容許失效概率。而后，經過上述建模公式后，再進行綜合考慮各項費用，通過比選，最終，確定具有經濟合理性的路面結構方案來進行設計優化與施工選用處理。

2.2 遺傳算法應用控制

該方法主要根據進化論原理，其以應用效果的高效性、隨機搜索性，廣泛作用于各種結構設計的優化。具體來說，遺傳算法將待解決的目標對象看成遺傳學中的“染色體”，即代表二進制的編碼串。同時，在執行遺傳算法前，設計人員應通過給出一系列“染色體”，即問題假設，來將諸多不穩定因素納入到其中。而后，就能將這些“染色體”解置于當前的問題環境中，并按照相應的規范標準，通過變異、交叉等方式，提高適應環境的效果。這樣一來，眾多不確定問題就能在交叉與變異過程中，實現設計控制手段的進化，從而選出一個最具環境適應效果的“染色體”，即基于瀝青路面結構所處實際施工設計環境的可靠度優化設計方案。

2.3 彎沉設計方法

路面的功能函數，即路面的極限狀態方程定義為：g=N-n。其中：N為路面的疲勞壽命；n為預估軸載重復作用次數，其可靠度R=P(g>0)=P(N>n)，公式中：ls為路表實際彎沉；lR為路表容許回彈彎沉。可見，采用lR-ls和N-n兩種功能函數并無差異。因此，在瀝青路面的可靠性分析中，彎沉的解析解是關于路面結構層模量、結構層厚度等參數的極為復雜的隱函數。為了對柔性路面進行可靠性分析，采用標準FORTRAN語言編制了計算機程序RELF1，該程序采用了概率分析中的蒙特卡洛模擬法，在每次模擬中，利用計算彎沉的簡化公式來求三層體系路面結構雙圓荷載輪隙中心點的彎沉值以及路面結構的疲勞壽命。

3 結束語

總體而言，我國道路工程的瀝青路面結構建設市場已經呈現出多元化的發展趨勢，其全面提升工程建設使用效果的同時，也為結構設計的科學合理性帶來的新的要求與挑戰。相關人員應加大可靠度設計的優化研究，即在明確缺陷的基礎上，找出科學技術應用方向與重點。事實證明，只有這樣，才能使瀝青路面的可靠度優化設計達到工程項目對其結構作用效果提出的需求目標，從而緩解現代化經濟建設給交通運輸業發展帶來的壓力。為此，研究人員應結合工程建設的實際情況，采用具有針對性的可靠度優化設計策略，來降低市場環境的多元化發展對工程建設穩定性所帶來的影響。

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U412

C

1008-3383(2017)10-0060-02

2017-08-01

張培賢(1986-)，男，工程師，研究方向：總體、路線、交通工程及沿線設施。