肖 強，徐 剛，馬 強

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州510230)

西非某國新建一集裝箱堆場，由于該國屬于法語地區(qū)，業(yè)主傾向于采用法國標(biāo)準(zhǔn)。法標(biāo)僅在法屬國家有所應(yīng)用，英標(biāo)應(yīng)用更加廣泛，被國際業(yè)主及咨工認(rèn)可。伴隨著“一帶一路”倡議的深入推進，須加強對法標(biāo)港口鋪面設(shè)計的研究。目前國際上英標(biāo)港口堆場鋪面設(shè)計大多采用港口鋪面重型結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[1]，法國并無針對港口鋪面設(shè)計的專用規(guī)范，而是基于法國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(NF P98-086)[2]及文獻[3]來實現(xiàn)港口鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對港口鋪面作用荷載差別較大、各荷載的作用區(qū)域明確、將多種荷載等效為標(biāo)準(zhǔn)荷載的組合荷載設(shè)計方法不能真實反映荷載作用的情況，本文介紹一種組合荷載作用下港口鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并與英標(biāo)設(shè)計方法進行對比，分析兩種標(biāo)準(zhǔn)下鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的差異，并對兩種鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行經(jīng)濟分析，為該項目堆場鋪面建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 法標(biāo)組合荷載作用下鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計

法國港口鋪面設(shè)計基于NF P98-086路面設(shè)計規(guī)范和文獻[3]的要求，運用Alize-LCPC軟件來實現(xiàn)。對于港口鋪面設(shè)計中的荷載，可以分為靜態(tài)荷載和動態(tài)荷載，根據(jù)靜載和動載的組合方式可以分為靜載組合、動載組合和靜動載組合。

1.1 荷載定義

法標(biāo)中荷載定義是在Alize-LCPC軟件中實現(xiàn)的，通過荷載大小、荷載接地面積和輪胎布局等參數(shù)來定義實際的荷載作用。法標(biāo)中荷載定義見圖1。

圖1 荷載定義

1.2 材料參數(shù)定義

法標(biāo)路面規(guī)范中對路面材料進行了詳細的分類。對于動荷載作用下，瀝青材料的模量需要考慮荷載的作用形式、作用頻率以及當(dāng)?shù)販囟葪l件。靜態(tài)荷載作用時，瀝青材料的模量取值為[4]：瀝青混合料取1.5 GPa，半柔性瀝青混凝土、高模量瀝青混凝土基層、道路瀝青基層、高模量瀝青混凝土取1 GPa。

對于聯(lián)鎖塊鋪面，聯(lián)鎖塊與其下砂墊層作為一個整體結(jié)構(gòu)層考慮，模量取4 GPa，泊松比取0.15，但是靜荷載作用下位于瀝青混合料基層上的聯(lián)鎖塊和砂墊層的整體模量取2.5 GPa。

1.3 層間接觸定義

在靜態(tài)荷載下，水泥混凝土面層與素混凝土基層之間的接觸狀態(tài)按滑動考慮，其他結(jié)構(gòu)層之間的接觸狀態(tài)均為連續(xù)接觸。動荷載作用下，水硬性結(jié)合料穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)層之間的接觸按半連續(xù)接觸考慮，其余材料結(jié)構(gòu)層的層間接觸狀態(tài)均為連續(xù)接觸。

1.4 材料容許應(yīng)力、應(yīng)變計算

對于柔性路面和全厚式路面，需要驗證路基承臺頂部的豎向垂直壓應(yīng)力，路基承臺頂面的容許豎向垂直壓應(yīng)力見表1。對于水硬性結(jié)合料穩(wěn)定基層路面和水泥混凝土路面，需要驗證水泥板板底或水硬性結(jié)合料穩(wěn)定層層底的抗彎拉強度，其容許彎拉強度Rfk28見表2[5]。

表1 路基承臺的頂面容許豎向垂直壓應(yīng)力

表2 混凝土和半剛性基層材料的28 d靜態(tài)容許彎拉強度

動態(tài)荷載下的材料容許應(yīng)力應(yīng)變的計算見表3。

表3 容許應(yīng)力應(yīng)變計算公式

1.5 設(shè)計準(zhǔn)則

法標(biāo)鋪面設(shè)計準(zhǔn)則要求在荷載作用下鋪面結(jié)構(gòu)最不利荷載位置處應(yīng)力、應(yīng)變值或者疲勞損傷滿足材料容許值的要求[6]。

1.5.1靜荷載下鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則

對于靜態(tài)荷載作用下的混凝土鋪面或水硬性結(jié)合料穩(wěn)定材料基層鋪面，設(shè)計準(zhǔn)則為：

Kstatic·σt≤Rfk28

(1)

式中：Kstatic為靜荷載修正系數(shù)；σt為靜荷載作用下混凝土層底或水硬性結(jié)合料穩(wěn)定材料層底的最大彎拉應(yīng)力；Rfk28為水泥混凝土或半剛性基層材料的28 d靜態(tài)容許彎拉強度，見表2。

對于靜荷載作用下的全厚式瀝青鋪面或柔性鋪面，設(shè)計準(zhǔn)則為地基承臺頂面的垂直壓應(yīng)力要小于表1給出的容許壓應(yīng)力值。

1.5.2動荷載下鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則

動態(tài)荷載下的鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則要求各計算指標(biāo)值不大于容許指標(biāo)值，見表4。

表4 動態(tài)荷載下的鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計計算指標(biāo)

1.6 荷載組合設(shè)計

1.6.1靜荷載組合設(shè)計

將多個荷載分開單獨考慮，分別計算單個荷載作用在鋪面上時結(jié)構(gòu)最不利荷位的應(yīng)力或應(yīng)變值，修正后使其滿足材料的容許值。

1.6.2動荷載組合設(shè)計

計算單個動荷載作用下鋪面結(jié)構(gòu)不利荷位處的最大應(yīng)力或應(yīng)變值，結(jié)合材料的容許應(yīng)力或應(yīng)變值和應(yīng)力應(yīng)變-疲勞關(guān)系曲線，分別計算各荷載對鋪面的疲勞損傷，再根據(jù)曼諾定律對疲勞損傷進行線性疊加[7]，得到總疲勞損傷，當(dāng)總疲勞損傷不大于1時，則該鋪面結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

1.6.3靜動荷載組合設(shè)計

先按動荷載組合設(shè)計方法確定鋪面結(jié)構(gòu)方案，再按靜載組合設(shè)計方法對鋪面結(jié)構(gòu)層最不利荷位處的應(yīng)力或應(yīng)變進行驗算，當(dāng)最大應(yīng)力或應(yīng)變值小于容許值，則該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，否則調(diào)整鋪面結(jié)構(gòu)重復(fù)上述過程。

2 英標(biāo)組合荷載作用下鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計

英標(biāo)中港口鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)第4版《英國港口鋪面重型結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》來實現(xiàn)的[8]。該規(guī)范將鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計按面層、基層、底基層和路基共4部分分別設(shè)計。其中鋪面面層、底基層和路基設(shè)計根據(jù)使用要求和地基條件確定，只須根據(jù)作用荷載和設(shè)計壽命來確定基層的厚度。

2.1 靜載組合設(shè)計

英標(biāo)的靜載組合設(shè)計比較簡單，對于多個靜載組合，只須用最大的靜載值查規(guī)范第14章設(shè)計曲線得到C810 CBGM基層的厚度，然后根據(jù)地基承載能力、使用要求確定標(biāo)準(zhǔn)路基和路面結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)施工要求和材料換算系數(shù)選擇合適的各結(jié)構(gòu)層材料。

2.2 動載組合設(shè)計

對于多個動荷載組合設(shè)計，根據(jù)地基強度、軸載布局和流動機械類型等參數(shù)分別計算各流動機械當(dāng)量輪載和在設(shè)計壽命周期內(nèi)的當(dāng)量作用總次數(shù)，然后找出最大的當(dāng)量輪載作為設(shè)計荷載(SEWLmax)，并將其余流動機械設(shè)計壽命周期內(nèi)的當(dāng)量作用總次數(shù)等效換算為設(shè)計荷載在設(shè)計壽命周期內(nèi)的作用總次數(shù)(PEtotel)，最后根據(jù)設(shè)計荷載和設(shè)計壽命周期內(nèi)的設(shè)計荷載總作用次數(shù)查規(guī)范第14章設(shè)計曲線確定C810 CBGM基層的厚度。

2.2.1鋪面設(shè)計荷載(SEWLmax)計算

由于鋪面受到多種流動機械的輪載作用，需要根據(jù)各流動機械的單側(cè)當(dāng)量輪載(SEWL)來確定鋪面設(shè)計荷載(SEWLmax)。而流動機械的單側(cè)當(dāng)量輪載(SEWL)根據(jù)荷載的有效深度Ed、胎靠近系數(shù)Pf和動力荷載影響系數(shù)Fd來確定。具體如下：

1)計算荷載的有效深度Ed。

根據(jù)地基的承載能力CBR值來確定。計算公式為：

(2)

2)計算輪胎靠近系數(shù)Pf。

根據(jù)輪距和有效深度查規(guī)范表19確定輪胎靠近系數(shù)Pf。

3)確定動力荷載影響系數(shù)Fd。

根據(jù)流動機械類型、操作方式和道路條件在規(guī)范中查表17確定動力荷載影響系數(shù)Fd。

4)計算各輪的有效靜輪載。

根據(jù)各個輪胎的靜載輪載Wi和靠近系數(shù)Pf按式(3)計算各輪的有效靜輪載WEi。

(3)

式中：WEi為i輪的有效靜荷載；Wi為i輪的靜荷載；Pfji為j輪對i輪的靠近系數(shù)。

5)計算單側(cè)當(dāng)量輪載(SEWL)。

最大的有效靜輪載WEmax對應(yīng)的輪胎即為該流動機械的控制輪，最大有效靜輪載WEmax乘以動態(tài)系數(shù)Fd得到該流動機械的單側(cè)當(dāng)量輪載(SEWL)，計算公式為：

SWEL=Fd·WEmax

(4)

式中：SWEL為單側(cè)當(dāng)量輪載；Fd為動力荷載影響系數(shù)；WEmax為最大有效靜輪載。

6)確定鋪面設(shè)計荷載(SEWLmax)。

由于荷載越大鋪面破壞的可能性也越大，所以比較各流動機械的單側(cè)當(dāng)量輪載，其中最大的即為鋪面設(shè)計荷載(SEWLmax)。

2.2.2設(shè)計壽命周期內(nèi)設(shè)計荷載作用次數(shù)(Ptotel)計算

鋪面設(shè)計時，認(rèn)為同一軸上各輪胎的靜荷載是相同的，不同軸上輪胎的荷載是不同的，計算時將設(shè)計壽命周期內(nèi)不同軸上輪胎的總作用次數(shù)等效換算為控制輪的當(dāng)量總作用次數(shù)(PE)，其計算公式為：

(5)

式中：PE為設(shè)計壽命周期內(nèi)控制輪的當(dāng)量總作用次數(shù)；P為設(shè)計壽命周期內(nèi)控制輪的實際總作用次數(shù)；WEi為i輪的有效靜荷載；Fd為動力荷載影響系數(shù)。

確定各流動機械在設(shè)計壽命周期內(nèi)控制輪的當(dāng)量總作用次數(shù)后，需要將各流動機械控制輪的當(dāng)量作用次數(shù)等效換算為設(shè)計壽命周期內(nèi)設(shè)計荷載的總作用次數(shù)PEtotel，計算公式為：

(6)

式中：PEtotel為設(shè)計壽命周期內(nèi)設(shè)計荷載的總作用次數(shù)；PEi為設(shè)計壽命周期內(nèi)第i個流動機械控制輪的當(dāng)量總作用次數(shù)；SEWLi為第i個流動機械的單側(cè)當(dāng)量輪載；SEWLmax為鋪面的設(shè)計荷載。

2.3 靜動載組合設(shè)計

英標(biāo)中靜載和動載組合設(shè)計是將動載按照本文2.2節(jié)的動載組合設(shè)計方法確定C810 CBGM基層的厚度，然后再將靜載按本文2.1節(jié)的靜態(tài)荷載組合設(shè)計方法確定C810CBGM基層的厚度，兩者之間較大的基層厚度即為該鋪面的設(shè)計基層厚度。

3 案例分析

3.1 項目簡介

西部非洲某國新建一集裝箱堆場，根據(jù)業(yè)主要求，采用聯(lián)鎖塊鋪面，地基的加州承載比(CBR)為10%，變形模量(EV2)為80 MPa。根據(jù)使用功能的不同可分為堆箱區(qū)、主要道路和RTG跑道3部分。各區(qū)域的作用荷載見表5。其中6層集裝箱滿載時4個箱腳的荷載總和為1 097 kN。正面吊滿載作業(yè)時前軸的軸載為912 kN、后軸為397 kN；空載作業(yè)時前軸為415 kN、后軸為444 kN。RTG滿載作業(yè)時每個輪胎的荷載為220 kN。拖掛車滿載作業(yè)時，Ⅰ軸20 kN輪，Ⅱ軸70 kN輪，Ⅲ軸、Ⅳ軸56 kN輪；空載作業(yè)時，Ⅰ軸13 kN輪，Ⅱ軸、Ⅲ軸、Ⅳ軸12 kN輪。荷載的作用位置見圖2。

表5 集裝箱堆場不同區(qū)域及對應(yīng)的作用荷載和作用次數(shù)

圖2 荷載作用位置(單位：m)

3.2 英標(biāo)和法標(biāo)鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果對比

根據(jù)英標(biāo)和法標(biāo)對材料的定義，英標(biāo)中的水泥穩(wěn)定級配碎石C810等效于法標(biāo)中的GC-T4，故本文按英標(biāo)計算時基層采用C810 CBGM，按法標(biāo)計算時基層采用GC-T4。按英標(biāo)規(guī)范設(shè)計要求，在CBR=10%的路基上須設(shè)置150 mm厚的級配碎石(CBR≥80%)底基層，而根據(jù)英標(biāo)材料等效換算公式，該結(jié)構(gòu)層可以用50 mm C810 CBGM等效替代，故本文英標(biāo)設(shè)計方案采用50 mm厚的C810 CBGM底基層，并將其合并到基層的CBGM中，設(shè)計的鋪面結(jié)構(gòu)見表6。

表6 英標(biāo)和法標(biāo)下鋪面結(jié)構(gòu)

由表6可知，按法標(biāo)設(shè)計的該港口堆場的鋪面總厚度均比按英標(biāo)設(shè)計的要薄，其中堆場鋪面總厚度減少5 cm、RTG跑道減少7 cm、主要道路減少7 cm。

3.3 經(jīng)濟性分析

本項目的堆場鋪面采用聯(lián)鎖塊面層+水硬性結(jié)合料基層的鋪面結(jié)構(gòu)，故本文只采用英標(biāo)和法標(biāo)對該鋪面結(jié)構(gòu)進行經(jīng)濟性分析。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查獲得的材料價格為：聯(lián)鎖塊14美元m2，中粗砂17.3美元m3，C810 CBGM和GC-T4為47美元m3。在不考慮施工條件差異的情況下，對兩種方案的路面材料進行經(jīng)濟性分析，結(jié)果見表7。

表7 英標(biāo)和法標(biāo)設(shè)計方案經(jīng)濟性分析

由表7可知，法標(biāo)方案相對英標(biāo)方案，鋪面材料價格降低了5.21%～7.54%。所以，在港口堆場鋪面設(shè)計中，采用水硬性結(jié)合料穩(wěn)定材料基層的聯(lián)鎖塊鋪面時，法標(biāo)設(shè)計方案相對于英標(biāo)設(shè)計方案經(jīng)濟性更好。

4 結(jié)論

1)采用英標(biāo)進行鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，只考慮荷載大小而不考慮其作用面積或接地應(yīng)力，而法標(biāo)既考慮荷載大小又考慮接地面積，能更真實地反映鋪面實際受力狀態(tài)。

2)采用法標(biāo)對瀝青鋪面結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，需要根據(jù)溫度和荷載作用頻率來確定瀝青材料的模量取值，而英標(biāo)中沒有考慮這些因素，所以法標(biāo)設(shè)計的鋪面結(jié)構(gòu)能體現(xiàn)地區(qū)氣候的影響。

3)英標(biāo)動荷載組合作用下的鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)鋪面設(shè)計荷載和其作用次數(shù)查表的經(jīng)驗法來實現(xiàn)的，法標(biāo)是根據(jù)不同荷載對鋪面的疲勞損傷累積來實現(xiàn)的。

4)在相同的工況條件下，當(dāng)?shù)鼗休d能力較高、針對水硬性結(jié)合料穩(wěn)定材料基層聯(lián)鎖塊鋪面結(jié)構(gòu)時，采用法標(biāo)設(shè)計的鋪面方案相對于英標(biāo)方案經(jīng)濟性更好，可降低鋪面材料總成本約6%。