英標體系下重型鋪面設計的工程應用和 相關設計參數探討

李 鑄 蘇東升

（南昌軌道交通集團有限公司， 江西 南昌 330038）

1 工程情況

本工程位于厄瓜多爾波索爾哈鎮，瓜亞斯河河口、瓜亞基爾港口下游，主要內容包括400m長的順岸式集裝箱高樁碼頭，以及約34萬平堆場的新建。堆場分為海域吹填區和陸域區，經過堆載預壓、振沖、強夯、振動碾壓等地基處理后鋪設路面。

本工程位于強震區，盡管是熱帶雨林氣候，但因瀕臨海灣，年平均氣溫在25°左右。全年分冬季（12月至次年4月）和夏季（5月至11月），雨水集中在冬季，全年平均降雨量約為2000mm。

2 設計內容

聯鎖塊其具備成本低廉、施工方便、易于修補、抗滑抗油性能好的優點，此外，較之于傳統的瀝青路面和混凝土大板路面，能夠更好地應對土基遇水膨脹所引起的不均勻沉降，以及地震后會引起的路面高程變化。因此，本項目堆場采用的是聯鎖塊鋪面。

3 規范解讀

本文采用的是英國規范THE STRUCTURAL DESIGN OF HEAVY DUTY PAVEMENTS FOR PORTS AND OTHER INDUSTRIES（EDITION 4）（以下簡稱“英標”）。它是以彈性層狀理論體系為基礎，首先建立軸對稱理想化的圓柱體層狀體系模型（包括面層、基層、底基層），再通過在模型頂部中心施加一個局部荷載，得出設計圖表。設計圖表的核心是臨界荷載的有效重復次數，設計師通過這兩個數可以查表得到水穩基層CBGM的厚度，而臨界荷載的選擇需根據堆場機械和機械運營情況考慮車輪臨近系數、動力荷載系數等因素；有效重復次數則是當量輪荷載的等效次數的累加值。面層方面，考慮到結構受力和經濟性，80mm的聯鎖塊與30mm的墊層可作為最佳選擇。

4 實際運用

4.1 荷載要求

堆場的主要機械是RTG，正面吊和拖車。RTG是配筋的混凝土路面，在此文不做詳細介紹。因此，對于堆場聯鎖塊鋪面而言，主要控制因素是正面吊和拖掛車，其臨界荷載和作用次數如下：

1）正面吊：負載時前軸軸荷載為100t，后軸軸荷載為18.5t，作用次數為60,000次。空載時前軸軸荷載為45t，后軸軸荷載為38t，作用次數為150,000。

2）拖掛車：35t拖掛車負載時1軸軸荷載6.3t,2軸軸荷載為19.4t,3軸軸荷載為13.2t，4軸軸荷載為13.2t，作用次數為2,850,000次；空載時1軸軸荷載5.5t,2軸軸荷載為5.9t,3軸軸荷載為2.9t，4軸軸荷載為2.9t，作用次數為7,500,000次。

4.2 面層計算

以正面吊為例，現場地基加州承載比CBR值為9%，根據有效深度公式：有效深度=300×(3500÷(CBR×10))，可得值2190mm。

原則上，需要對每個輪的鄰近系數進行求解，方可得出臨界荷載，但通過工程機械的對稱性（見圖表 1和圖表 2），以及英標表19可知，輪距越大，鄰近系數越小，內側輪比外側輪的鄰近系數大，因此被選為主輪。根據有效深度，經過內插相加可得正面吊的前軸主輪鄰近系數為1.94，后軸主輪鄰近系數為1.04。

圖表 1 正面吊輪距示意圖

圖表 2 拖掛車輪距示意圖

考慮到轉彎因素，前后輪均取動力系數為0.4，可得出前輪荷載為

100×1000kg×9.8N/kg÷4×0.4=665.42Kn，同理可得后輪荷載為131.48kN,當量輪荷載為兩者中的大值，為665.42kN,可算得后輪荷載的等效系數為〖(131.48kn÷665.42)〗^3.75=0.0022，總作用次數為60,000+60,000×0.0022=60,137次。同理可得空載時當量輪荷載299.4kN,總作用次數為251,844。

用同樣的步驟可以得到拖掛車的當量輪荷載和作用次數，最終得到臨界荷載665.42kN和作用次數142,713次，查英標章節14圖表可得，水穩層（CBGM）厚度至少為525mm。因此，堆場的聯鎖塊鋪面結構自上而下為：80mm的高強聯鎖塊，30mm的墊層，525mm的水穩層和150mm的級配碎石層。

5 核心設計參數取值的探討

5.1 土基的CBR值

土基的CBR值與有效深度、鄰近系數成負相關關系，CBR值越小，有效深度和鄰近系數越大，最后所需的鋪面厚度隨之增大。根據現場經驗，地基處理后的土基CBR值一般能達到8%-15%之間。如果地基處理的效果好，就能有效提高CBR值，進而減少路面的厚度，節約工程造價。當時投標策略相對比較保守，CBR取值是8%，最終現場試驗結果是9%，能夠滿足要求。需要注意的是，根據美國材料試驗協會ASTM D1883《CBR標準試驗方法》，此處用到的CBR是浸水CBR值，如果采用現場實測的CBR值，往往偏大，進而可能會導致最終的鋪面設計厚度不夠。但如果工程處于干燥地區，并能夠通過地區類似項目、排水條件，路面結構等因素，論證浸水4天值含水量存在明顯差異的話，可在與業主溝通后，適當改變浸水時間，使CBR值更符合現場實際。需要提醒的是，當路基CBR小于5%時，在150mm的底基層下方是需要再鋪設不小于250mm的覆蓋層，具體可根據英標表20確定。一般來說，CBR＜5%的情況主要出現在未進行地基處理的情況，針對的大多數是改造項目。

5.2 臨界荷載

臨界荷載，是指在工程機械在裝卸某集裝箱時對路面造成最大損害時的荷載，此時的集裝箱荷載稱之為臨界集裝箱荷載。

其中，D是損壞效應，W是在不同集裝箱總荷載情況下所對應的車輪載荷，P是輪壓，N是根據英標規范中港口40標箱和20標箱的比例所查得的百分數值。通過公式可知，不同情況下集裝箱荷載對應不一樣的D值，當D值最大時，所對應的荷載即為臨界荷載。如果業主無法提供詳細的標箱尺寸，在最初的分析階段，臨界集裝箱荷載可考慮如下：如果全是40英寸標箱，臨界集裝箱荷載可認為是22,000kg，如果全為20英寸標箱，臨界集裝箱荷載可認為是20,000kg。如果40英寸標箱和20英寸標箱都有的話，臨界集裝箱荷載可認為是21,000kg。一般而言，每個軸的臨界荷載會在業主的招標文件中會直接給出，即水穩層厚度計算的臨界荷載。

5.3 鄰近系數

鄰近系數，是根據輪距和有效深度查表所得的系數。當兩個車輪輪距小于300mm時，軸荷載可以被當成是車輪靜荷載。一般而言，內側的車輪為主輪，鄰近系數值為大值，進而得到最終的當量單輪荷載。

5.4 動力系數

在英標表17中，對于各種常用機械而言，因為剎車、轉彎、加速、堆場的不平整度而規定了動力系數。針對剎車，對于前部的車輪需要取正值，對于后部的車輪需要取對應的負值；此外，還需要根據輪與車的中心線的相對距離大小將動力系數按比例增大或縮小；針對轉彎，可以根據圖表直接進行取值；針對加速，一般可以和制動或者轉彎結合著取值；對于堆場不平整度，針對工程的改造或者擴建時，可考慮取值。隨著時代的進步，越來越多的高速自動化機械已經得到廣泛應用，此時，建議在原動力系數上再增加原值的50%。在本項目中，正面吊主要考慮的是轉彎，取的是0.4；拖掛車主要考慮的是轉彎和加速，取的也是0.4。假若本項目是改造項目，可能需要根據現場實際情況加上不平整度，即取值為0.6。當量輪荷載將變成760.5kN,查表可得水穩層厚度約為585mm，比現有的525mm多了60mm，將額外增加不少工程造價。在業主沒有提出特殊要求的時候，一般可以取0.4，這也是英美咨工比較認可的通用取值慣例。

5.5 工程機械的作用次數

根據臨界荷載、鄰近系數和動力系數可得到當量單輪荷載（SEWL），再把其他車輪荷載等效為當量輪荷載的等效值累加，乘以此工程機械在此處的作用次數，最終可得不同車輪經過某一點的當量作用次數。作用次數往往在招標文件就會明確提出，道路工程師往往會直接按照此作業次數進行計算，但筆者建議工藝專業需復核下各工程機械的作用次數，如有疑問，及時提出澄清。本項目招標文件中的作用次數高于我們的經驗次數，盡管最后經過多輪的據理力爭，說服了業主采用我們的作用次數，但確實造成了不小的麻煩。

5.6 MEFs

根據路面結構的抗彎強度和剛度與抗拉強度的比例關系，英標還規定了一個材料等值系數MEFs（已在大量的工程實例中得到證明并廣泛應用）。設計師可以通過各種基層材料的轉換關系很方便地從一種鋪面結構擴展到其他的鋪面結構，再通過當地的土基情況、料源供應、物價水平來決定最終采取哪種鋪面形式。一般而言，80mm的聯鎖塊鋪面和30mm的墊層，可以等值替換為110mm的C8/10水穩層（CBGM）。在實際工程中，也可以考慮用將水穩層直接等值替換成C8/10混凝土大板，但是造價偏高，僅限于趕工等特殊時期考慮。作為底基層的級配碎石（CBR＞80%）,MEFs是3，意味著150mm的級配碎石可等值為50mm的水穩層。如果當地碎石質量特別好，可以根據實際情況降低MEFs至2，甚至是1。

6 結語

本文通過2019年在拉美竣工工程實例的講解，詳細介紹了堆場路面的詳細設計，并對核心技術參數的選取進行了深層次的闡述和探討，為今后類似工程的投標準備、詳細設計和具體實施提供了寶貴的經驗。