基于Alize-LCPC 軟件的法標港口鋪面設計方法

范學勇， 徐 剛， 廖 源

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司， 廣東 廣州510230)

國外港口鋪面工程設計多采用英標設計方法[1]進行計算， 該設計方法通過地基承載能力及功能需求確定面層、 基層結構， 將港區內各種流動機械荷載換算為單一等效軸載作用作為設計荷載， 通過軸載及設計期內交通量確定基層厚度[2]。計算過程中等效為單一設計荷載作用產生的疲勞損傷， 與鋪面結構實際承受多種流動機械荷載作用產生的累積破壞并不一致， 且未對結構層間的接觸關系進行定義， 設計方法與鋪面結構實際工作狀態存在一定的偏差。

法國的路面結構設計規范(NF P98-086)[3]作為目前主流道路設計方法之一， 被廣泛應用于海外道路建設工程中。 在西非部分法語區國家港口建設中， 要求根據法標設計方法進行港口鋪面進行設計， 法標港口鋪面設計方法采用NF P98-086的設計理論， 以鋪面結構力學分析模型為基礎，根據鋪面結構材料破壞準則進行鋪面結構設計，該方法可對港口中不同流動荷載作用和層間接觸關系進行定義， 能更好地模擬實際鋪面流動機械荷載作用以及各結構層間受力狀態[4]。 本文使用Alize-LCPC 軟件進行法標鋪面結構計算， 并與英標設計方法的結果進行對比分析， 從而為法標設計方法在港口鋪面工程中的應用提供參考。

1 動載作用下法標鋪面結構計算

1.1 荷載定義

本文根據港區內流動機械工作情況， 選取45 t正面吊和Tr-60 集裝箱牽引半掛車作為設計荷載進行計算。 45 t 正面吊滿載作業時前、 后軸單輪輪載分別為300、 100 kN； Tr-60 拖掛車Ⅰ～Ⅳ軸單輪輪載分別為20、 70、 56、 56 kN。 流動機械輪載布置及Alize-LCPC 軟件中荷載定義如圖1、 2 所示。

圖1 45 t 正面吊輪載布置及荷載定義

圖2 Tr-60 集裝箱牽引半掛車輪載布置及荷載定義

1.2 地基承載能力定義

法標設計方法中將路基承臺劃分為不同等級[5-6]， 各承臺等級對應不同的回彈模量， 承臺等級劃分及對應參數見表1。

表1 路基承載能力等級

法標港口鋪面設計要求路基承臺承載能力應達到PF2qs 的80 MPa 以上， 若地基承載能力不能滿足要求時， 須在路基頂面設置粒料類或水穩類材料底基層[7]。

1.3 鋪面結構及材料參數

聯鎖塊鋪面由于其承載能力強、 造價低、 易于修護的特點， 被廣泛應用于港口鋪面結構中。因此， 本文通過英標和法標兩種設計方法進行聯鎖塊鋪面結構計算， 計算過程中將聯鎖塊(厚8 cm)與砂墊層(厚3 cm)視為整體結構層， 通過軟件內置材料庫選取各結構層材料及對應回彈模量E和泊松比μ； 根據法標設計方法中對結構層間接觸關系進行定義， 在動荷載作用下， 水穩類材料結構層間采用半連續接觸狀態， 其他材料結構層采用連續接觸。 根據英標和法標中對于無機結合料穩定類材料的定義， 英標中C8∕10 CBGM材料與法標中GC-T4 材料一致， 因此以GC-T4(C8∕10)作為基層材料。 聯鎖塊鋪面結構形式及材料參數見表2。

表2 聯鎖塊鋪面結構參數

1.4 設計準則

法標計算方法中， 以荷載最不利位置處材料應力、 應變或疲勞損傷不大于允許值為設計準則。針對半剛性基層聯鎖塊鋪面， 以基層層底彎拉應力為控制指標進行計算， 允許應力的計算公式:

式中: σt，adm為材料容許拉應力； σ6為100 萬次作用下材料的疲勞破壞應力；NE為荷載作用次數；b為疲勞參數；kc為實際修正系數；kr為風險修正系數；ks為地基修正系數；kd為均勻性修正系數。

1.5 不同荷載作用次數計算結果分析

本文通過計算兩種流動機械荷載不同作用次數下的鋪面結構基層厚度， 并與英標計算結果進行對比分析， 從而對不同軸載作用次數下兩種設計方法計算結果的差異進行對比分析。 結合英標計算中對荷載作用次數的劃分， 本文選取流動機械作用為25 萬、 150 萬、 400 萬、 800 萬次分別進行計算。 根據NF P98-086 中相關規定以及港口鋪面實際工作情況對軟件的設計參數進行定義[8]。

根據英標方法， 通過地基強度和流動機械軸載布置計算當量輪載以及設計年限內總作用次數， 將所得最大輪載作為設計荷載， 并將其他流動機械作用換算為設計荷載作用次數， 通過查詢設計曲線確定C8∕10 CBGM 基層厚度[9]。 研究結果表明， 法標地基承載能力為80 MPa 可等效為英標中地基的加州承載比CBR 為10%， 法標地基承載能力為50 MPa 可等效為英標中地基的加州承載比CBR 為5%， 結合法標中對地基承載能力的要求， 本文選取地基變形模量(與回彈模量相等)為80 MPa(CBR=10%)進行計算。 不同軸載作用次數下， 兩種設計方法計算結果如圖3所示。

圖3 兩種設計方法的計算結果

由計算結果可知， 兩種設計方法計算基層厚度均隨作用次數的增加而增大； 在正面吊荷載作用下， 隨作用次數增加法標計算基層厚度增長幅度更大， 而在拖掛車作用下法標計算基層厚度增長幅度小于英標計算結果， 說明在重型荷載作用下法標設計方法對作用次數變化更為敏感。

正面吊荷載作用下， 法標各荷載作用次數計算結果均小于英標計算結果， 4 種作用次數下基層厚度平均降低了10%， 且在25 萬和400 萬次作用時降低幅度較大。 拖掛車荷載作用下， 荷載作用為25 萬次時法標計算結果與英標相比增加了11.1%， 且在荷載作用低于150 萬次時， 英標計算基層厚度均低于法標計算結果； 當荷載作用高于150 萬次時， 法標計算基層厚度逐漸小于英標計算結果， 在作用400 萬和800 萬次時， 法標計算結果比英標平均降低了27.5%， 且隨荷載作用次數增加降低幅度明顯增大。

由此可知， 在正面吊重型荷載作用下， 通過法標方法進行鋪面設計更為經濟； 在拖掛車荷載作用下， 軸載作用小于150 萬次時通過英標方法計算基層厚度較薄， 而當荷載作用大于150 萬次時， 通過法標方法進行計算基層厚度明顯低于英標計算結果。

1.6 不同地基承載能力計算結果分析

為研究地基承載能力較低時法標設計方法的計算特點， 本文在兩種流動荷載作用的基礎上，分別計算地基承載能力為50 MPa(CBR=5%)和80 MPa(CBR=10%)時基層厚度， 對地基承載能力與兩種設計方法計算結果之間的關系進行研究。不同荷載作用次數與地基承載能力條件下， 基層結構厚度計算結果如圖4、 5 所示。

圖4 正面吊不同作用次數下的基層厚度

圖5 拖掛車不同作用次數下基層厚度

對比地基承載能力為50 和80 MPa 的結果可知， 隨著地基承載能力的增加， 兩種機械荷載不同作用次數條件下， 法標計算基層厚度降低幅度均大于英標計算結果。 兩種機械荷載作用下， 隨地基承載能力提高法標計算基層厚度均降低了10%左右， 而英標計算結果僅在荷載作用25 萬次時降低了2%左右， 說明法標計算方法對地基承載能力變化更為敏感， 其計算結果與地基承載能力具有更好的相關性。 隨地基承載能力和荷載作用次數升高， 正面吊重型荷載作用下法標計算基層厚度降低幅度逐漸增大； 而在拖掛車輕型荷載作用下，法標計算基層厚度降低幅度逐漸減小， 說明在重型荷載作用下， 通過提高地基承載能力可有效降低法標計算結構厚度。

地基承載能力為50 MPa 時， 正面吊荷載作用在400 萬次以上時法標計算基層厚度明顯大于英標計算結果， 且在作用800 萬次時厚度差最大，法標計算基層厚度較英標計算結果增加了9.3%，說明地基承載能力較低、 重型荷載作用次數較大情況下法標方法計算基層厚度偏厚。 地基承載能力為50 MPa 時， 拖掛車荷載作用小于310 萬次(圖5a)兩曲線交點) 時法標計算基層厚度大于英標計算結果， 當荷載作用大于310 萬次時， 法標方法計算基層厚度明顯小于英標計算結果， 當荷載作用800 萬次時， 法標計算結果較英標降低了29.5%。 由計算結果可知， 當地基承載能力較低時， 重型荷載作用小于75 萬次(圖4a)兩曲線交點) 或輕型荷載作用大于310 萬次條件下， 通過法標設計方法進行計算更為經濟； 當地基承載能力較高時， 通過法標方法進行設計較為經濟。

2 靜載作用下法標鋪面結構計算

2.1 荷載定義

為分析不同靜載條件下法標鋪面結構厚度計算， 本文對不同堆箱高度、 箱角間距、 地基承載能力條件下鋪面結構厚度進行計算。 根據堆箱區集裝箱布置情況， 本文選取堆箱高度為1 ～5 層進行計算， 各堆箱高度對應的荷載見表3。 《港口工程荷載規范》[10]中規定箱角間距c、d為200 ～400 mm， 箱角間距布置如圖6a)所示， Alize-LCPC 軟件中荷載定義結果如圖6b)所示。

表3 各堆箱高度對應的荷載

圖6 箱角間距布置及荷載定義

2.2 設計準則

法標設計方法以靜荷載作用下半剛性基層層底的最大彎拉應力為設計依據[11]， 計算方法為:

式中:Kstatic為靜態荷載矯正系數； σt為層底最大彎拉應力；Rfk28為半剛性基層材料28 d 靜態抗彎拉強度特征值。

2.3 不同堆箱高度計算結果分析

本文選取地基承載能力為80 MPa， 箱角間距c、d均為200 mm， 通過英、 法標設計方法對不同堆箱高度條件下聯鎖塊鋪面結構基層厚度進行計算。 英標靜載作用下計算方法較為簡單， 根據作用荷載查詢設計曲線即可得到鋪面基層厚度， 根據地基承載能力及功能需求確定最終鋪面結構。兩種方法基層厚度計算結果如圖7 所示。

圖7 各堆箱高度對應的基層厚度

由計算結果可知， 各堆箱高度下法標計算基層厚度明顯小于英標結果， 堆箱高度為1 層時法標計算基層厚度與英標相比降低了55%， 堆箱高度為5 層時法標計算基層厚度與英標相比降低了27%， 且基層厚度降低幅度隨堆箱高度的增加而逐漸降低， 說明靜載作用下通過法標方法進行鋪面結構計算較為經濟。 隨著堆箱高度的增加， 兩種方法計算基層厚度的增長幅度均呈逐漸降低的趨勢， 但法標計算結果的增長幅度明顯高于英標計算結果， 說明在靜載作用計算過程中， 法標計算方法與作用荷載具有更好的相關性。

2.4 不同箱角間距計算結果分析

根據《港口工程荷載規范》中對箱角間距的要求， 本文選取箱角間距c×d分別為200 mm×200 mm、 200 mm×400 mm 和400 mm×400 mm 3 種布置形式， 地基承載能力為80 MPa。 英標計算方法中未對箱角布置形式進行區分， 因此本文僅通過法標設計方法對不同箱角布設形式下基層厚度計算結果進行研究， 計算結果如圖8 所示。

圖8 不同箱角間距基層厚度

不同箱角間距布置條件下， 隨堆箱高度增加法標方法計算基層厚度的增長趨勢基本一致。 在同一堆箱高度下， 法標計算基層厚度隨箱角間距的增加而逐漸降低， 且基層厚度降低幅度隨箱角間距的增加而逐漸增大。 當堆箱為5 層時， 箱角間距由200 mm×200 mm 增加至400 mm×200 mm時基層厚度降低了6%， 箱角間距由400 mm×200 mm增加至400 mm×400 mm 時基層厚度降低了12%， 且基層厚度降低幅度隨堆箱高度增加而逐漸降低。 由此可知， 在以法標方法進行計算時，箱角間距的增加可有效降低基層厚度。

2.5 不同地基承載能力靜荷載計算分析

由于英標方法在靜載計算過程中未對地基承載能力進行明確區分， 因此本文通過法標方法對靜載作用下地基承載能力為80 和50 MPa條件下基層厚度進行計算， 計算結果如圖9所示。

圖9 不同地基條件基層計算厚度

在相同箱角間距條件下， 隨地基承載能力提高法標方法計算基層厚度明顯降低， 地基承載能力由50 MPa 提高到80 MPa 時， 箱角間距為200 mm×200 mm 條件下基層厚度平均降低了7%；箱角間距為400 mm×400 mm 條件下基層厚度平均降低了11%； 且在箱角間距為400 mm×400 mm時， 基層厚度隨地基承載能力增加的降低幅度明顯高于箱角間距為200 mm×200 mm。 相同箱角間距條件下地基承載能力由50 MPa 提高到80 MPa時， 基層計算厚度的降低幅度隨堆箱高度的增加而逐漸降低， 當堆箱高度為1 層時兩種箱角間距下基層厚度降低幅度均值為14%， 當堆箱高度為5 層時兩種箱角間距下基層厚度降低幅度均值為8.5%。 由此可知， 通過法標方法進行靜荷載作用結構計算時， 通過提高地基承載能力可有效降低基層厚度。

3 結論

1)英標設計基于經驗方法， 而法標設計方法以結構力學模型為基礎， 材料破壞準則為依據， 計算結果與鋪面結構實際受力狀態具有更好的相關性。

2)地基承載能力較高時， 重型荷載作用下法標設計方法計算厚度更為合理； 輕型荷載作用下，荷載作用大于150 萬次時， 通過法標設計方法進行結構計算更為合理。 地基承載能力較低時， 在重型荷載作用小于75 萬次或輕型荷載作用大于310 萬次條件下， 通過法標設計方法進行結構計算更為合理。

3)靜載作用下通過法標方法進行基層厚度計算更為合理， 以法標方法進行靜載作用鋪面結構計算時， 箱角間距的增加可有效降低基層厚度。

4)法標設計方法對地基承載能力要求更高，在動荷載或靜荷載作用下， 基層厚度均隨地基承載能力提高而逐漸降低， 通過提高地基承載能力可有效降低鋪面結構厚度。