組合荷載作用下英標和法標港口鋪面結構設計方法對比

肖 強，徐 剛，馬 強

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，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準。法標僅在法屬國家有所應用，英標應用更加廣泛，被國際業(yè)主及咨工認可。伴隨著“一帶一路”倡議的深入推進，須加強對法標港口鋪面設計的研究。目前國際上英標港口堆場鋪面設計大多采用港口鋪面重型結構設計手冊[1]，法國并無針對港口鋪面設計的專用規(guī)范，而是基于法國路面結構設計規(guī)范(NF P98-086)[2]及文獻[3]來實現(xiàn)港口鋪面結構設計。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準荷載的組合荷載設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構設計方法，并與英標設計方法進行對比，分析兩種標準下鋪面結構設計方法的差異，并對兩種鋪面結構設計方案進行經(jīng)濟分析，為該項目堆場鋪面建設提供技術支撐。

1 法標組合荷載作用下鋪面結構設計

法國港口鋪面設計基于NF P98-086路面設計規(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?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構層考慮，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，其他結構層之間的接觸狀態(tài)均為連續(xù)接觸。動荷載作用下，水硬性結合料穩(wěn)定材料結構層之間的接觸按半連續(xù)接觸考慮，其余材料結構層的層間接觸狀態(tài)均為連續(xù)接觸。

1.4 材料容許應力、應變計算

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力，路基承臺頂面的容許豎向垂直壓應力見表1。對于水硬性結合料穩(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力應變的計算見表3。

表3 容許應力應變計算公式

1.5 設計準則

法標鋪面設計準則要求在荷載作用下鋪面結構最不利荷載位置處應力、應變值或者疲勞損傷滿足材料容許值的要求[6]。

1.5.1靜荷載下鋪面結構設計準則

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

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合料穩(wěn)定材料層底的最大彎拉應力；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，設計準則為地基承臺頂面的垂直壓應力要小于表1給出的容許壓應力值。

1.5.2動荷載下鋪面結構設計準則

動態(tài)荷載下的鋪面結構設計準則要求各計算指標值不大于容許指標值，見表4。

表4 動態(tài)荷載下的鋪面結構設計計算指標

1.6 荷載組合設計

1.6.1靜荷載組合設計

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構最不利荷位的應力或應變值，修正后使其滿足材料的容許值。

1.6.2動荷載組合設計

計算單個動荷載作用下鋪面結構不利荷位處的最大應力或應變值，結合材料的容許應力或應變值和應力應變-疲勞關系曲線，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，當總疲勞損傷不大于1時，則該鋪面結構滿足設計要求。

1.6.3靜動荷載組合設計

先按動荷載組合設計方法確定鋪面結構方案，再按靜載組合設計方法對鋪面結構層最不利荷位處的應力或應變進行驗算，當最大應力或應變值小于容許值，則該結構滿足設計要求，否則調整鋪面結構重復上述過程。

2 英標組合荷載作用下鋪面結構設計

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

2.1 靜載組合設計

英標的靜載組合設計比較簡單，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、使用要求確定標準路基和路面結構，最后根據(jù)施工要求和材料換算系數(shù)選擇合適的各結構層材料。

2.2 動載組合設計

對于多個動荷載組合設計，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量輪載和在設計壽命周期內的當量作用總次數(shù)，然后找出最大的當量輪載作為設計荷載(SEWLmax)，并將其余流動機械設計壽命周期內的當量作用總次數(shù)等效換算為設計荷載在設計壽命周期內的作用總次數(shù)(PEtotel)，最后根據(jù)設計荷載和設計壽命周期內的設計荷載總作用次數(shù)查規(guī)范第14章設計曲線確定C810 CBGM基層的厚度。

2.2.1鋪面設計荷載(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)各流動機械的單側當量輪載(SEWL)來確定鋪面設計荷載(SEWLmax)。而流動機械的單側當量輪載(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)計算單側當量輪載(SEWL)。

最大的有效靜輪載WEmax對應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當量輪載(SEWL)，計算公式為：

SWEL=Fd·WEmax

(4)

式中：SWEL為單側當量輪載；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當量輪載，其中最大的即為鋪面設計荷載(SEWLmax)。

2.2.2設計壽命周期內設計荷載作用次數(shù)(Ptotel)計算

鋪面設計時，認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，計算時將設計壽命周期內不同軸上輪胎的總作用次數(shù)等效換算為控制輪的當量總作用次數(shù)(PE)，其計算公式為：

(5)

式中：PE為設計壽命周期內控制輪的當量總作用次數(shù)；P為設計壽命周期內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計壽命周期內控制輪的當量總作用次數(shù)后，需要將各流動機械控制輪的當量作用次數(shù)等效換算為設計壽命周期內設計荷載的總作用次數(shù)PEtotel，計算公式為：

(6)

式中：PEtotel為設計壽命周期內設計荷載的總作用次數(shù)；PEi為設計壽命周期內第i個流動機械控制輪的當量總作用次數(shù)；SEWLi為第i個流動機械的單側當量輪載；SEWLmax為鋪面的設計荷載。

2.3 靜動載組合設計

英標中靜載和動載組合設計是將動載按照本文2.2節(jié)的動載組合設計方法確定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 英標和法標鋪面結構設計結果對比

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

表6 英標和法標下鋪面結構

由表6可知，按法標設計的該港口堆場的鋪面總厚度均比按英標設計的要薄，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+水硬性結合料基層的鋪面結構，故本文只采用英標和法標對該鋪面結構進行經(jīng)濟性分析。根據(jù)現(xiàn)場調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，結果見表7。

表7 英標和法標設計方案經(jīng)濟性分析

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

4 結論

1)采用英標進行鋪面結構設計時，只考慮荷載大小而不考慮其作用面積或接地應力，而法標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)采用法標對瀝青鋪面結構進行設計時，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，而英標中沒有考慮這些因素，所以法標設計的鋪面結構能體現(xiàn)地區(qū)氣候的影響。

3)英標動荷載組合作用下的鋪面結構設計是根據(jù)鋪面設計荷載和其作用次數(shù)查表的經(jīng)驗法來實現(xiàn)的，法標是根據(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?shù)鼗休d能力較高、針對水硬性結合料穩(wěn)定材料基層聯(lián)鎖塊鋪面結構時，采用法標設計的鋪面方案相對于英標方案經(jīng)濟性更好，可降低鋪面材料總成本約6%。