礦區早期低等級公路路面結構大修優化設計

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節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

某礦區不僅在礦區附近建立了采、選礦的生產線，而且還具備后期礦物原料二次加工的能力，整個礦區由四通八達的交通網構成。早期為了方便運輸礦物原料及生產人員，在礦區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附近最近的高速公路入口，為礦區作業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、工人出入礦區的客車、施工機械車輛等，由于礦區運營多年，公路水泥路面破壞較嚴重，出現較多橫向、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，保證礦區交通暢通。

2 路面結構大修設計技術優化

由于該公路為礦區生產線上的主干道，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，F1,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；0.7為路面結構承受的其他車輛荷載系數。

由上式并聯立表1中數據，以彎曲變形指標為中間換算參數，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)?；诼访娼Y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?；诰€性擬合獲得各個模型拉應力與軸向荷載之間的數學關系式，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

由于該礦區內大型運輸礦物原料貨車較多，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值模擬軟件，從各個路面結構模型出發，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，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

為保證路面結構穩定安全，以各個參數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。采用數值模擬軟件分別對該模型中不同中修次數的三種方案進行優化分析。

以三種方案在數值模型中迭代計算優化，各方案路面結構使用壽命費用與優化過程結果如圖4所示。從曲線整體表現可看出，在同等路面結構使用壽命費用下，隨著中修次數的增多，壽命周期優化過程更長。另一方面，當中修次數為0時，路面結構使用壽命費用隨壽命周期優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階段狀；當中修次數為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定；當中修次數為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。

三個方案優化后的具體使用參數及單價如表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定性，不需要間接增加工程費用，而若中修次數過多之時，中修費用太多，同樣會引起工程手續繁瑣與費用增加，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化結果

3 結語

分析了某礦區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，開展設計優化，方案二路面結構壽命費用降低穩定，且大修單價最低，降低工程維護及額外增加費用，中修次數合理，減少工程手續繁瑣與費用增加，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。