关于水泥混凝土路面工程可靠性的研究

【摘 要】随着我国水泥路面建设的迅速增长，水泥路面技术的研究也经历了一个快速发展的时期，并在路面结构设计、施工技术的开发和推广上取得了突破性的进展。与此同时，由于车辆荷载和道路环境等因素作用的不确定性以及路面结构设计参数的复杂性，使得水泥混凝土路面结构设计与实际情况存在不相符现象，因此保证结构的安全性、适用性和耐久性在路面建设的过程中就显得尤为重要。

【关键词】水泥混凝土；耐久性；路面结构可靠性

随着交通量逐年增大，各种原因引起的交通事故也呈现出增长趋势，道路使用者对混凝土路面的使用性能也提出了更高的要求，主要表现在行驶舒适、行车安全、运行经济以及减少对环境的不良影响(如降低噪声)等方面。而在我国的道路建设中存在着使用寿命短、营运效益低等问题，因此公众对道路的耐久与可靠性存在一系列的质疑。相信随着可靠度理论研究以及对耐久性研究的深入和大量实践将越来越受到重视，在工程中也将扮演越来越重要的角色。

1 我国在该领域研究的现状

由于水泥混凝土路面在发达国家己有较长的修建历史，因此对混凝土路面的养护维修经验较为成熟，一些国家早在二十世纪六十年代便开始对水泥混凝土路面技术进行了研究，随着交通量的增长及交通组成的不断变化，路面结构也不断得到完善，对水泥混凝土路面评价与结构维修技术的研究持续至今。西方国家对水泥胡泥土路面工程的可靠性分析及研究早于中国，且已经取得一定成就。

我国对路面结构可靠度的研究起步较晚，始于20实际纪80年代中期。我国自1984年公布实施国家标准《建筑结构设计统‘标汀L》(GBJ68一84)!71以来，各部门都在组织编制同一层次的统一标准。1986年国家计委又下达了《公路工程结构可靠度设计统一标准 (GB/T50283)，其内容中明确提出以结构可靠性为基础的概率极限状态设计法作为结构设训一的总原则。1985年郭忠印发表了“水泥混凝上路面设计可靠性分析”一文，文中介绍了可靠性理论在刚性路面设计中的应用研究，所采用的分布假设和求解方法与克尔的基本相同。郭忠印首先对混凝土路面设计方法的可靠度做了试探性分析，而后，张国栋、李硕四、侯子仪、谈至明等先后应用一次一阶矩法・积分法和蒙特卡罗模拟技术对水泥混凝土路面结构可靠度进行了分析计算。 1988年，李硕对各结构参数的变异水平和分布规律进行了统计分析，分析了各结构参数对混凝上路面结构设计的影响，提出了水泥混凝土路面结构安全度的概率分析，总结出了在不同交通量分级的才下，设计结构可靠度水平的推荐值。1989年，张国栋等人对考虑荷载应力和温度应劳作用的混凝土路面结构设计方法的可靠性进行了系统分析，认为混凝土抗折疲笠度服从威布尔分布，荷载重复作用次数服从对数正态分布。1990年，谈至明等人探讨一次二阶矩法对求解混凝土路面结构疲劳寿命的均值和均方差的适用性，并且提出一种更精确的求解方法――降次积分法，采用更合理的混凝土疲劳方程分析路面结构可靠度。1997年，黄立葵利用蒙特卡洛法计算路面结构可靠度，发表了“水泥混凝三面设计方法的可靠性分析”一文，文中对主要结构参数的取值及其变异水平进行了二计算。2000年，战高峰运用模糊数学理论进行路面结构的可靠度计算，发表了“糊数学理论在确定水泥混凝土路面目标可靠度时的应用”一文，为确定目标可靠度提出了一个重要依据。

随着水泥混凝土路面里程不断增长，路面病害及维修问题愈加突出，尽管多年来国内外不少设计、施工及养护管理单位、科研院所、大专院校都对水泥混凝土路面可靠度进行了研究。但这是一个复杂的、综合性的研究课题，它涉及到路面的混凝土材料、路面设计理论和方法，以及其他相关课题，一时还难以取得重大突破和根本解决。

2 水泥混凝土路面可靠性研究

工程设计的基本目的是在一定的经济条件下，赋予结构以适当的可靠度，使结构在预定的使用期限内，能满足设计所预期的各种功能要求，一般说来，工程结构必须满足安全性、适用性和耐久性的功能要求。一个结构具有安全、适用、耐久的性能，人们就认为它存在可靠性。因此，结构可靠度是指在规定的时间内，在规定的条件下，结构能完成预定功能的概率。不同的结构由于它的结构构造特性、工作环境、工作状态和使用要求的不同，人们要求它具有不同的功能。在路面结构设讨论中有两大类功能指标，即承载能力和使用品质。形成这两类功能的原因是由于结构性质、几何尺寸和材料性质的变异。同时考虑到行车荷载和温度也会随机发生变化，只能对其做规定性的假设和预侧，因此这些因素都包含着很大的不确定性。另外，路面结构可靠度的设计理论和计算公式与路面结构的实际情况也存在一定的偏差。因此，传统的设计方法是通过采用安全系数来加以考虑，即对路面结构本身的“能力”加以某种缩小或对“外部”作用予以某种放大。安全系数是根据工程实践经验的积累得到的。通过引入安全系数来对路面结构进行设计时，对各项设计数的变异程度和它们对路面结构的影响程度并不十分明确。因而，对所设计的面可度并不明确，也不了解该设计结构实际具有或可能达到的路面可靠度。因此，利用安全系数来计算路面结构可靠度对其结果的把握是模糊的，不确切的。

以概率为基础的结构可靠度理论最突出的特点就是承认和揭示了结构属性中存在不确定性，将影响路面结构可靠度的各种因素作为随机变量，使它们恢复固有的自然性，并通过检测数据得到这种客观变异性。实际上，水泥混凝土路面结构在设计和施中都涉及材料、行车荷载、施工工艺和环境等因素，严格地说，这些因素和与这些因素相关的设计参数都具有不确定性和随机性，在概率分布和变异范围上均具有一定的统规律。因此，在对水泥混凝土路面进行结构设计时，考虑厚度、模量等设计参数的变性，建立新的路面结构设计方法成为一种新的发展趋势，即结构可靠度理论。这一理论己经在工程的各个领域上得到了广泛的应用。我国交通部已颁发了新的《公路水泥混上路面设计规范》 (JTGD40一2003) (简称新规范)，对可靠度设计的基本理论作了绍。最主要的是新规范以“概率极限状态设计法”，取代了原规范 (JTJ012一94)“定值设计法”，即用可靠度系数代替了原规范的安全系数。因此，在度量路面结构靠性上由经验法转变为数理统计的方法。从而使得路面结构更科学，更符合实际情况。

3 对该领域研究有哪些意义

路面结构的质量是路面耐久性和适用性的决定因素。路面施工过程中的质量控制力求在经济合理的基础上，通过质量控制行为来得到预定功能的路面产品，使得路面产品的质量满足一定的保证度即可靠度。可靠性分析法既可以用来进行水泥混凝土路面的设计，也可以用来作为水泥混泥土路面施工质量控制的一种方式。因此，可靠度理论在水泥混凝土路面方中具有重要意义。

首先，路面产品的可靠度能反应出路面结构的整体质量，可以作为路面施工质量控制始终的指标。考虑到水泥混凝土路面各个质量指标对路面整体质量的影响程度，应突出路面产品可靠度影响最大的几个指标，并确定它们的权重，忽略其他影响较小的指标，即确定关键指标和权重。因为路面产品的变异性主要是受制于这些关键指标稳定的影响。在此，应突出考虑这些关键指标对路面结构可靠度和路面施工的影响，忽略其他指标的影响。

其次，以影响水泥混凝上路面可靠度的关键指标为随机变量，采用疲劳概率分析模型，分析随机变量的变异性和概率分布，计算路面可靠度，评价路面是否达到目标可靠度，从而控制路面结构整体质量。通过可靠度的研究，可为今后评价水泥混凝土路面结构整体质量和施工技术水平提供参考依据。

再次，在工程实践,因各种原因而导致路面破损的现象是十分普遍的。路面破损的后果是,公路不能正常使用,直接影响行车速度、运输成本、行车安全和舒适,进而造成公路使用率低,通过能力下降,对车辆的磨损加剧,综合使用成本升高,由此带来的经济损失是十分可观的。因此,对路面的可靠性进行分析,设法提高路面的工作可靠性,有着十分重要的意义。

4 结语

以可靠度理论为基础的设计方法，承认和揭示了结构属性中存在的不确定性，并在结构设计中充分考虑到施工管理水平的影响，使得设计结果更趋科学和合理。该方法实用性强,可靠度分析本上反映了该公路施工质量的实际情况，用于分析道路路面结构的可靠度是可行的，在类似的水泥混凝土路面工程可靠度模拟计算中具有推广价值。由于对混凝土路面可靠性的研究才刚刚开始，这方面的统计数据较少，今后需对这方面进行更进一步的研究，得出统计数据，以使结构可靠性设计更加趋于合理。

参考文献：

[1]王康明.混凝土路面的可靠性分析[J].同济大学学报, 2009, 19(2).

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[3]张森.公路工程结构可靠度理论及其应用[M].北京:人民交通出版社,1995.