基于Alize-LCPC 軟件的法標(biāo)港口鋪面設(shè)計方法

范學(xué)勇， 徐 剛， 廖 源

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

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

法國的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(NF P98-086)[3]作為目前主流道路設(shè)計方法之一， 被廣泛應(yīng)用于海外道路建設(shè)工程中。 在西非部分法語區(qū)國家港口建設(shè)中， 要求根據(jù)法標(biāo)設(shè)計方法進(jìn)行港口鋪面進(jìn)行設(shè)計， 法標(biāo)港口鋪面設(shè)計方法采用NF P98-086的設(shè)計理論， 以鋪面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型為基礎(chǔ)，根據(jù)鋪面結(jié)構(gòu)材料破壞準(zhǔn)則進(jìn)行鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計，該方法可對港口中不同流動荷載作用和層間接觸關(guān)系進(jìn)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(jié)構(gòu)層間受力狀態(tài)[4]。 本文使用Alize-LCPC 軟件進(jìn)行法標(biāo)鋪面結(jié)構(gòu)計算， 并與英標(biāo)設(shè)計方法的結(jié)果進(jìn)行對比分析， 從而為法標(biāo)設(shè)計方法在港口鋪面工程中的應(yīng)用提供參考。

1 動載作用下法標(biāo)鋪面結(jié)構(gòu)計算

1.1 荷載定義

本文根據(jù)港區(qū)內(nèi)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(shè)計荷載進(jìn)行計算。 45 t 正面吊滿載作業(yè)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(biāo)設(shè)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(yīng)不同的回彈模量， 承臺等級劃分及對應(yīng)參數(shù)見表1。

表1 路基承載能力等級

法標(biāo)港口鋪面設(shè)計要求路基承臺承載能力應(yīng)達(dá)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(shè)置粒料類或水穩(wěn)類材料底基層[7]。

1.3 鋪面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

聯(lián)鎖塊鋪面由于其承載能力強、 造價低、 易于修護(hù)的特點， 被廣泛應(yīng)用于港口鋪面結(jié)構(gòu)中。因此， 本文通過英標(biāo)和法標(biāo)兩種設(shè)計方法進(jìn)行聯(lián)鎖塊鋪面結(jié)構(gòu)計算， 計算過程中將聯(lián)鎖塊(厚8 cm)與砂墊層(厚3 cm)視為整體結(jié)構(gòu)層， 通過軟件內(nèi)置材料庫選取各結(jié)構(gòu)層材料及對應(yīng)回彈模量E和泊松比μ； 根據(jù)法標(biāo)設(shè)計方法中對結(jié)構(gòu)層間接觸關(guān)系進(jìn)行定義， 在動荷載作用下， 水穩(wěn)類材料結(jié)構(gòu)層間采用半連續(xù)接觸狀態(tài)， 其他材料結(jié)構(gòu)層采用連續(xù)接觸。 根據(jù)英標(biāo)和法標(biāo)中對于無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料的定義， 英標(biāo)中C8∕10 CBGM材料與法標(biāo)中GC-T4 材料一致， 因此以GC-T4(C8∕10)作為基層材料。 聯(lián)鎖塊鋪面結(jié)構(gòu)形式及材料參數(shù)見表2。

表2 聯(lián)鎖塊鋪面結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.4 設(shè)計準(zhǔn)則

法標(biāo)計算方法中， 以荷載最不利位置處材料應(yīng)力、 應(yīng)變或疲勞損傷不大于允許值為設(shè)計準(zhǔn)則。針對半剛性基層聯(lián)鎖塊鋪面， 以基層層底彎拉應(yīng)力為控制指標(biāo)進(jìn)行計算， 允許應(yīng)力的計算公式:

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

1.5 不同荷載作用次數(shù)計算結(jié)果分析

本文通過計算兩種流動機械荷載不同作用次數(shù)下的鋪面結(jié)構(gòu)基層厚度， 并與英標(biāo)計算結(jié)果進(jìn)行對比分析， 從而對不同軸載作用次數(shù)下兩種設(shè)計方法計算結(jié)果的差異進(jìn)行對比分析。 結(jié)合英標(biāo)計算中對荷載作用次數(shù)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(jìn)行計算。 根據(jù)NF P98-086 中相關(guān)規(guī)定以及港口鋪面實際工作情況對軟件的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行定義[8]。

根據(jù)英標(biāo)方法， 通過地基強度和流動機械軸載布置計算當(dāng)量輪載以及設(shè)計年限內(nèi)總作用次數(shù)， 將所得最大輪載作為設(shè)計荷載， 并將其他流動機械作用換算為設(shè)計荷載作用次數(shù)， 通過查詢設(shè)計曲線確定C8∕10 CBGM 基層厚度[9]。 研究結(jié)果表明， 法標(biāo)地基承載能力為80 MPa 可等效為英標(biāo)中地基的加州承載比CBR 為10%， 法標(biāo)地基承載能力為50 MPa 可等效為英標(biāo)中地基的加州承載比CBR 為5%， 結(jié)合法標(biāo)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(jìn)行計算。 不同軸載作用次數(shù)下， 兩種設(shè)計方法計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種設(shè)計方法的計算結(jié)果

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

正面吊荷載作用下， 法標(biāo)各荷載作用次數(shù)計算結(jié)果均小于英標(biāo)計算結(jié)果， 4 種作用次數(shù)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(biāo)計算結(jié)果與英標(biāo)相比增加了11.1%， 且在荷載作用低于150 萬次時， 英標(biāo)計算基層厚度均低于法標(biāo)計算結(jié)果； 當(dāng)荷載作用高于150 萬次時， 法標(biāo)計算基層厚度逐漸小于英標(biāo)計算結(jié)果， 在作用400 萬和800 萬次時， 法標(biāo)計算結(jié)果比英標(biāo)平均降低了27.5%， 且隨荷載作用次數(shù)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(biāo)方法進(jìn)行鋪面設(shè)計更為經(jīng)濟； 在拖掛車荷載作用下， 軸載作用小于150 萬次時通過英標(biāo)方法計算基層厚度較薄， 而當(dāng)荷載作用大于150 萬次時， 通過法標(biāo)方法進(jìn)行計算基層厚度明顯低于英標(biāo)計算結(jié)果。

1.6 不同地基承載能力計算結(jié)果分析

為研究地基承載能力較低時法標(biāo)設(shè)計方法的計算特點， 本文在兩種流動荷載作用的基礎(chǔ)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(shè)計方法計算結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行研究。不同荷載作用次數(shù)與地基承載能力條件下， 基層結(jié)構(gòu)厚度計算結(jié)果如圖4、 5 所示。

圖4 正面吊不同作用次數(shù)下的基層厚度

圖5 拖掛車不同作用次數(shù)下基層厚度

對比地基承載能力為50 和80 MPa 的結(jié)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(shù)條件下， 法標(biāo)計算基層厚度降低幅度均大于英標(biāo)計算結(jié)果。 兩種機械荷載作用下， 隨地基承載能力提高法標(biāo)計算基層厚度均降低了10%左右， 而英標(biāo)計算結(jié)果僅在荷載作用25 萬次時降低了2%左右， 說明法標(biāo)計算方法對地基承載能力變化更為敏感， 其計算結(jié)果與地基承載能力具有更好的相關(guān)性。 隨地基承載能力和荷載作用次數(shù)升高， 正面吊重型荷載作用下法標(biāo)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(biāo)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(biāo)計算結(jié)構(gòu)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(biāo)計算基層厚度明顯大于英標(biāo)計算結(jié)果， 且在作用800 萬次時厚度差最大，法標(biāo)計算基層厚度較英標(biāo)計算結(jié)果增加了9.3%，說明地基承載能力較低、 重型荷載作用次數(shù)較大情況下法標(biāo)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(biāo)計算基層厚度大于英標(biāo)計算結(jié)果， 當(dāng)荷載作用大于310 萬次時， 法標(biāo)方法計算基層厚度明顯小于英標(biāo)計算結(jié)果， 當(dāng)荷載作用800 萬次時， 法標(biāo)計算結(jié)果較英標(biāo)降低了29.5%。 由計算結(jié)果可知， 當(dāng)?shù)鼗休d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(biāo)設(shè)計方法進(jìn)行計算更為經(jīng)濟； 當(dāng)?shù)鼗休d能力較高時， 通過法標(biāo)方法進(jìn)行設(shè)計較為經(jīng)濟。

2 靜載作用下法標(biāo)鋪面結(jié)構(gòu)計算

2.1 荷載定義

為分析不同靜載條件下法標(biāo)鋪面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行計算。 根據(jù)堆箱區(qū)集裝箱布置情況， 本文選取堆箱高度為1 ～5 層進(jìn)行計算， 各堆箱高度對應(yīng)的荷載見表3。 《港口工程荷載規(guī)范》[10]中規(guī)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(jié)果如圖6b)所示。

表3 各堆箱高度對應(yīng)的荷載

圖6 箱角間距布置及荷載定義

2.2 設(shè)計準(zhǔn)則

法標(biāo)設(shè)計方法以靜荷載作用下半剛性基層層底的最大彎拉應(yīng)力為設(shè)計依據(jù)[11]， 計算方法為:

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

2.3 不同堆箱高度計算結(jié)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(biāo)設(shè)計方法對不同堆箱高度條件下聯(lián)鎖塊鋪面結(jié)構(gòu)基層厚度進(jìn)行計算。 英標(biāo)靜載作用下計算方法較為簡單， 根據(jù)作用荷載查詢設(shè)計曲線即可得到鋪面基層厚度， 根據(jù)地基承載能力及功能需求確定最終鋪面結(jié)構(gòu)。兩種方法基層厚度計算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 各堆箱高度對應(yīng)的基層厚度

由計算結(jié)果可知， 各堆箱高度下法標(biāo)計算基層厚度明顯小于英標(biāo)結(jié)果， 堆箱高度為1 層時法標(biāo)計算基層厚度與英標(biāo)相比降低了55%， 堆箱高度為5 層時法標(biāo)計算基層厚度與英標(biāo)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(biāo)方法進(jìn)行鋪面結(jié)構(gòu)計算較為經(jīng)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(biāo)計算結(jié)果的增長幅度明顯高于英標(biāo)計算結(jié)果， 說明在靜載作用計算過程中， 法標(biāo)計算方法與作用荷載具有更好的相關(guān)性。

2.4 不同箱角間距計算結(jié)果分析

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)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(biāo)計算方法中未對箱角布置形式進(jìn)行區(qū)分， 因此本文僅通過法標(biāo)設(shè)計方法對不同箱角布設(shè)形式下基層厚度計算結(jié)果進(jìn)行研究， 計算結(jié)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(biāo)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(biāo)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(dāng)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(biāo)方法進(jìn)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(biāo)方法在靜載計算過程中未對地基承載能力進(jìn)行明確區(qū)分， 因此本文通過法標(biāo)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(jìn)行計算， 計算結(jié)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(biāo)方法進(jìn)行靜荷載作用結(jié)構(gòu)計算時， 通過提高地基承載能力可有效降低基層厚度。

3 結(jié)論

1)英標(biāo)設(shè)計基于經(jīng)驗方法， 而法標(biāo)設(shè)計方法以結(jié)構(gòu)力學(xué)模型為基礎(chǔ)， 材料破壞準(zhǔn)則為依據(jù)， 計算結(jié)果與鋪面結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)具有更好的相關(guān)性。

2)地基承載能力較高時， 重型荷載作用下法標(biāo)設(shè)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(biāo)設(shè)計方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(biāo)設(shè)計方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算更為合理。

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

4)法標(biāo)設(shè)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(jié)構(gòu)厚度。