摘要：水泥混凝土路面是我国等级公路路面结构的主要形式之一，普遍认为水泥路面具有耐久性好等优点，因此水泥的设计寿命可长达30年。然而已建成的水泥路面，往往在远没有达到设计寿命时就出现了开裂、断板等病害，说明已建成的水泥路面的可靠性不足。水泥路面的结构参数、所处的环境因素以及承受的交通荷载作用都具有不确定性，使得路面结构的使用寿命成为随机变量，因此需要对水泥路面进行可靠度研究。
关键词：水泥路面；结构可靠度；路面设计，存在的问题
引言
近十年来我国加大基础建设投资和力度，交通事业迅猛发展、公路建设里程和高等级公路比例快速增加。我国等级公路的路面结构形式主要为水泥混凝土路面和沥青混凝土路面。水泥混凝土路面具有刚度大、材料来源丰富、耐久性及结构稳定性好等特点，使得水泥混凝土被广泛的应用于各等级公路的中。根据2011的统计数据，水泥混凝土路面建设里程达到152.34万公里，占有铺装公路里程75%左右。水泥混凝土路面在我国公路整体结构中占有很大比例，特别是在县乡公路中，水泥路面是最主要的路面结构形式之一。
1结构可靠度的基本概念
结构设计就是应用先进的设计理论设计适合的结构，使得结构不仅能承受住设计时间内的所有荷载并提供满足设计要求的功能，还能够让建设、运行和养护的费用最小化，即兼顾结构安全、造价合理服务性能良好等特点。如水泥路面结构需要在设计基准年限内不出现裂缝、同时平顺性和抗滑性能也保持一定标准。而设计结构是否能够达到上述要求是不确定的，结构能以多大的概率满足人们预期的功能、或者结构不满足要求的概率是多少，就是结构的可靠性问题。
2路面设计理论的发展
路面设计方法的起源大概追溯到20世纪初。从1901年，在美国麻省道路委员会第八次年会上提出了第一个路面设计的公式到现在，世界各国沥青路面设计方法大体分为两类，一类是以试验为依据的经验法，另一类是以力学分析为依据的理论法。经验设计法或理论设计法的分类是按照设计方程或主要设计参数的来源进行的。主要设计参数来自于试验或回归分析的设计方法被称为经验设计法。经验设计法中影响较大的主要有马克里奥设计法、CBR设计法、AASHTO设计法。而来自于力学计算的则称为理论设计法，理论设计法(力学法)中有代表性的有Shell设计法和AI设计法等。
20世纪40年代初，Burmister的路面分析研究得出弹性层状体系理论，形成了基于以力学为基础的路面分析和设计方法，他的重要工作是提出了二层和三层弹性体系的典型荷载响应，限于当时的计算条件，Burmister的解限制了层间接触条件，而且解的形式通常只能用图表的形式。解决了经验设计法无从反映路面层状的局限性，为柔性路面设计理论分析法奠定了基础。推动了路面设计理论研究的发展。1948年福克斯(Fox)和亨格(Hank)等给出了应力的数值解，1949年奥德曼(Odemark)进行了弯沉量与曲率半径的研究，1951年阿勘姆(Acum)和福克斯求得三层体系各界面中心点上的应力，直至1962年琼斯(Jones)和皮蒂(Peattie)发表了方便实用的计算图表，使理论法进入了实用阶段。我国在1964年完成了双层和三层体系应力与位移的数值解，同时这项理论在路面设计中的应用也有了良好的开端。
从20世纪50年代开始，粘弹性层状体系基本理论开始发展起来，对其他研究工作者的研究工作起了很大的推动作用。1955年E.H.Lee首先发表了《粘弹性体的应力分析》一文，提出了一般粘弹性材料的分析方法。60年代Monismith等人利用流变学的观点研究了沥青混凝土和层状体系的粘弹性工作性质。Kenji Ishihara Tsutomu Kimura，J.E.Ashton F.Moavenzadeh，Y.H.Huang等人又就某些模型提出了双层、三层和多层粘弹性体系应力与位移的理论解并得出了若干计算结果，为粘弹性层状体系理论的深入研究打下了一定的基础。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
80年代以来，道路工程研究者开始重视粘弹性路面的研究工作，使粘弹性体系理论的研究开始走上实际应用的轨道。邓肯(Duncan)于1968年首先应用有限元法分析柔性路面，有限元法开始应用于路面结构的响应分析中。有限元方法的优点在于它能较灵活的反映路面材料的非线性特性，从而能够更加合理地给出弹性层状体系或粘弹性体系的非线性响应。
3我国路面可靠度研究发展情况
我国大范围的公路建设启动较晚，路面结构设计理论与方法也较国外落后，随着公路建设的加快，路面结构也出现了很多问题，路面使用寿命远达不到设计寿命，路面结构的可靠性设计方法研究也逐渐引起了大家的注意1991年谈至明等推导了混凝土路面疲劳寿命为两参数分布的路面结构可靠度计算式，提出了精度高且计算方便的求解路面结构可靠度的降次积分法2012年戴鸿哲等提出了基于自适应Metropolis算法和快速高斯变换技术的结构可靠性高效自适应重要抽样方法，拉丁超立方抽样是其中一种比较常见而且应用最多的改进抽样方法。2000年，战高峰等分析了刚性路面结构可靠度的模糊性，提出了相应的计算模型，计算了路面结构的模糊可靠度。2002年我国颁布了《公路水泥混凝土路面设计规范（JTG40-2002）》，摒弃了原来的确定型计算方法，通过引入可靠度系数来考虑路面结构的可靠度，使水泥路面的设计从确定型转变为概率型，使路面结构设计更符合实际情况。
4我国水泥路面可靠度的研究存在的问题
（1）现有的水泥路面结构可靠度的设计方法，只考虑面板厚度、基层顶面当量回弹模量、面层弯拉强度、面层模量的变异性。并且这些变量的分布是在90年代路面调查的基础上提出的，随着我国道路施工技术的发展，其准确性有待考究。
（2）水泥路面计算方法中忽略了交通荷载变异的影响，而随着近年道路运输事业的快速发展，超载等因素因成为路面破坏的主因之一，这一点在2011年新的设计规范中加入极限断裂验算可以看出其重要性。
（3）对理论模型与实际的不相符，采用了实地调查的方式加以修正，这种方式有很大的时间局限性。
（4）路面结构投入使用后，在荷载和环境的共同作用下，路面材料的性能会发生衰减现象，变异性也会增大，同时，也会出现板底不均匀支撑等与设计状态不一致的工况，因此建立在实际路面的使用状况基础上的现有路面结构的可靠度预测评估还不足。
5结语
十多年来，我国路面结构可靠性分析的研究也处于不断的发展之中，把路面模型、计算方法、载荷、材料、环境等诸多随机因素作为随机变量，发展形成的路面结构可靠性理论体系更加能够反映实际工程的状态。我国路面结构设计规范虽然采用了可靠性设计，但是在路面设计时，依旧以定值进行设计，因此，确定性分析方法越来越不合理的弊端日益暴露出其应用的局限性，如何应用可靠性理论到路面结构设计中成为了亟待解决的课题之一。
参考文献：
[1]李硕等.可靠性理论和方法在公路水泥混凝土路面设计中的应用.西安公路学院学报,1991,45(2):45-48.
[2]何兆益,邓学钧.柔性路面系统可靠度的分析[J].东南大学学报,1994,24(1):1-4
[3]谈至明,姚祖康.混凝土路面的可靠性分析[J].同济大学学报,1991,19(2):157-166.
[4]戴鸿哲,赵威,王伟.结构可靠度分析高效自适应重要抽样方法[J].力学学报,2011,4(6):1-6.
[5]占高峰,王洪范.模糊数学理论在确定水泥混凝土路面目标可靠度时的应用[J].公路交通科技,2000(S1):4-6.
[6]武清玺.结构可靠度分析及随机有限元法[M].机械工业出版社2005:133-136.
[7]杜进生,秦权,刘西拉.分析结构变异反应和结构可靠度的工具-随机有限元[J].公路交通科技1999(3):30-34.
论文作者:张宜健, 力传玺
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/13
标签：路面论文; 结构论文; 水泥论文; 粘弹性论文; 可靠论文; 混凝土论文; 理论论文; 《城镇建设》2019年第11期论文;