環(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

楊吉龍， 張林艷*， 李先延， 徐默楠， 劉維娟

(1. 云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院， 昆明 650550; 2. 云南賓南高速公路有限責(zé)任公司， 大理 671000;3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 昆明 650000)

隨著公路建設(shè)從平原向丘陵山區(qū)的推進(jìn)，截至2019年底[1]，公路隧道總長約1 896.66×104m，近十年來，以每年1 100 km速度快速增長，公路隧道占比從0.133%增長到0.378%[2]。而隧道路面屬于一種特殊半封閉的管狀空間結(jié)構(gòu)；長隧道的路面使用性能指標(biāo)PQI與一般路面和短隧道路面有完全不同的性能衰減趨勢[3]。行車過程中，由于洞內(nèi)光線弱、可視距離短，且受到剎車、淋水、油煙等因素的影響，導(dǎo)致易出現(xiàn)抗滑性能衰減快、壽命短、噪音大等問題[4-5]。

目前，隧道路面以水泥砼路面或復(fù)合式瀝青砼路面為主。而復(fù)合式瀝青砼路面具備水泥砼路面度高、阻燃和壽命長，瀝青路面其行車舒適性好、噪音小、抗滑性能衰減慢等優(yōu)點(diǎn)；但受自身材料的影響，在頻繁制動(dòng)、超載及淋水等因素下性能衰減過快。而相關(guān)研究表明，復(fù)合式結(jié)構(gòu)破壞主要出現(xiàn)于路表，并把面層作為路表磨耗層，并認(rèn)為進(jìn)行定期更換磨耗層可實(shí)現(xiàn)長壽命要求[6]。國外發(fā)達(dá)國家對(duì)磨耗層的耐久性研究的主要思路是通過增加瀝青層厚度的方法[7]。中國常采用加鋪瀝青混凝土薄層罩面的形式來修復(fù)路表性能的衰減，但易出現(xiàn)層間剪切滑移等破壞[8]。

傳統(tǒng)隧道路表鋪裝層材料以密級(jí)配瀝青混凝土(AC)、瀝青瑪碲脂碎石混合料(SMA)、開級(jí)配瀝青磨耗層(OGFC)為主。Cai等[9]通過對(duì)比AC-13、SMA-13和OGFC-13進(jìn)行功能性測試，表明OGFC-13具有優(yōu)異的抗滑、降噪性能，能夠滿足隧道路表功能需求。而因傳統(tǒng)膠結(jié)料高粘改性瀝青、SBS(苯乙烯—丁二烯—苯乙烯)等熱塑性改性瀝青，在特殊行車荷載、溫度與水的作用下容易導(dǎo)致耐久性、抗疲勞性差等問題，嚴(yán)重制約隧道路表結(jié)構(gòu)的耐久性[10]。環(huán)氧瀝青具有優(yōu)異的物理力學(xué)性質(zhì)，具備強(qiáng)度高、抗疲勞性能、耐久性好和阻燃等優(yōu)點(diǎn)[11]；環(huán)氧瀝青相較于傳統(tǒng)改性瀝青，在提高開級(jí)配混合料耐久性方面具備顯著潛力[12-13]。舊金山的海灣大橋于1976—1977年鋪設(shè)了環(huán)氧瀝青，直到目前仍在運(yùn)營[14]。新西蘭交通局對(duì)環(huán)氧改性開級(jí)配多孔瀝青(EMOGPA)的性能進(jìn)行研究，壽命預(yù)測可達(dá)144年，表明環(huán)氧瀝青是一種理想的潛在解決方案。

中國對(duì)隧道復(fù)合式路面疲勞壽命和抗開裂性能也有大量的研究。但多集中在標(biāo)準(zhǔn)軸載下的研究；而現(xiàn)行的規(guī)范以彈性層狀體系為力學(xué)模型，假設(shè)各層間界面為完全連續(xù)接觸，與實(shí)際不符；此外，將水泥混凝土層作為無裂縫的連續(xù)整體處理，忽略了橫向縮縫對(duì)路表結(jié)構(gòu)的影響。李英濤[15]通過控制基層裂縫的思路對(duì)隧道復(fù)合式路面的瀝青層厚度進(jìn)行了研究。Nunez等[16]認(rèn)為將假定各層間處于完全連續(xù)狀態(tài)進(jìn)行復(fù)合式路面的設(shè)計(jì)。黃優(yōu)等[17]研究了標(biāo)準(zhǔn)軸載下不同層間接觸狀況對(duì)剛?cè)釓?fù)合式路面剪應(yīng)力的影響。為此，以環(huán)氧瀝青材料為基礎(chǔ)，研究環(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，以期為中國隧道路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考及依據(jù)。

1 有限元模型與材料力學(xué)參數(shù)的確定

利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算分析。將面層與基層結(jié)構(gòu)假定為多層層狀彈性體系，而圍巖地基假設(shè)為彈性半空間體地基(E地基)進(jìn)行研究。

1.1 復(fù)合式隧道路面結(jié)構(gòu)有限元模型

利用ABAQUS有限元軟件建立三維隧道路面結(jié)構(gòu)有限元模型，取相鄰兩塊水泥砼板為研究對(duì)象；研究砼板塊間橫縫對(duì)瀝青層的影響，假設(shè)橫縫寬度為10 mm，取板塊尺寸為長×寬=4 m×5 m，路面結(jié)構(gòu)尺寸為長×寬=4 m×10.01 m。圍巖地基尺寸水平方向各擴(kuò)展2 m和豎向擴(kuò)展4 m時(shí)，圍巖尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)變異性較小[18]，表明模型正確，尺寸長×寬×高為8 m×14.01 m×4 m；有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 復(fù)合式隧道路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型Fig.1 Finite element calculation model of composite tunnel pavement structure

利用ABAQUS建立C3D8R實(shí)體單元的三維有限元結(jié)構(gòu)模型，3個(gè)自由度為：x方向?yàn)樾熊嚪较?，y方向?yàn)闄M縫方向，z方向?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)層的厚度方向。此外，假定模型底部為固定約束，側(cè)面僅約束垂直于側(cè)面的水平位移；面層與基層層間接觸狀態(tài)以Goodman假定引入層間接觸狀態(tài)系數(shù)，來表征其層間的實(shí)際工作狀態(tài)。水泥混凝土面板不同的處置方式，其摩擦系數(shù)為0.412～0.483[19]。取摩擦系數(shù)分別0、0.2、0.4及綁定(tie)命令進(jìn)行分析層間接觸狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，此外假設(shè)為完全連續(xù)接觸。

1.2 有限元模型力學(xué)參數(shù)

以環(huán)氧瀝青材料為基礎(chǔ)，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和試驗(yàn)路段的環(huán)境特征，材料參數(shù)如表1所示。

表1 復(fù)合式隧道路面結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of structural materials of composite tunnel pavement

1.3 行車荷載簡化及布置

在實(shí)際行車過程中，車輪與路面的接觸形狀并非為圓形，而是更接近于矩形或方形；李浩等[20]研究發(fā)現(xiàn)，采用方形尺寸來進(jìn)行擬合實(shí)際路面受力狀況。將單輪荷載簡化為20.4 cm×20.4 cm，雙輪間距為11.6 cm，軸距為1.82 m[21]。有限元模擬車輪輪載布置及尺寸簡化如圖2所示。

圖2 行車荷載位置及尺寸簡圖 Fig.2 Schematic diagram of position and size of driving load

行車荷載是影響隧道路面結(jié)構(gòu)損傷或性能衰減的重要影響因素，按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD50—2017)，行車荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎接地壓強(qiáng)p為0.7 MPa。加載位置的定義：荷位01：行車荷載恰到橫縫邊緣位置；荷位02：荷載作用正處橫縫上部位置；荷位03：荷載作用恰好通過了橫縫位置。荷載工況：工況一：標(biāo)準(zhǔn)軸載(0.7 MPa)；工況二：超載80%(1.26 MPa)；工況三:特殊荷載工況，即超載80%+緊急制動(dòng)(水平力系數(shù)取0.5,即0.35 MPa)。

2 單層環(huán)氧瀝青結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析

環(huán)氧瀝青作為一種高性能的長壽命材料，同時(shí)路表磨耗層因受層位功能的影響，直接受外部條件的作用，因此面層厚度不宜過厚或薄，因此取3cm單層環(huán)氧瀝青作為面層進(jìn)行力學(xué)分析，保證其足夠厚度進(jìn)而避免厚度過小引起的結(jié)果變異性。

2.1 荷載工況、位置及層間接觸狀況對(duì)最不利荷位的影響

取3 cm厚的環(huán)氧路表磨耗層結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)軸載下的力學(xué)響應(yīng)變化規(guī)律如圖3所示。可以看出，隨著面層與基層層間接觸狀態(tài)的提升，層間接觸對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果影響甚微；若將層間接觸提升至綁定約束時(shí)，力學(xué)指標(biāo)相較于摩擦接觸狀態(tài)下彎拉應(yīng)力、應(yīng)變偏小，剪應(yīng)力略有提升，這與劉鵬程等[22]通過層間接觸狀態(tài)改變對(duì)環(huán)氧瀝青復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)研究結(jié)論相一致。結(jié)構(gòu)力學(xué)特征值隨著荷載位置的改變，隨著層間接觸狀態(tài)的提升呈非線性遞減，拉應(yīng)力和拉應(yīng)變的排序依次為：荷位03>荷位01>荷位02，剪應(yīng)力排序依次為：荷位01>荷位03>荷位02。層間接觸狀態(tài)在摩擦接觸時(shí)，結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)變化包絡(luò)圖表明，層底彎拉應(yīng)力、應(yīng)變的最不利荷位是荷位03，剪應(yīng)力最不利荷位為荷位01，同時(shí)其剪應(yīng)力值僅為0.077 MPa，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)軸載下最不利荷位為荷位03。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)軸載下力學(xué)結(jié)果隨荷位及層間接觸狀態(tài)的變化關(guān)系Fig.3 The relationship of mechanical results under standard axle load with load position and interlayer contact state

取3 cm厚的環(huán)氧路表磨耗層結(jié)構(gòu)在超載80%作用下的力學(xué)響應(yīng)變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 超載工況下力學(xué)結(jié)果隨荷位及層間接觸狀態(tài)的變化關(guān)系Fig.4 Relationship of mechanical results with load position and interlayer contact state under overload conditions

由圖4可知：隨著層間接觸狀態(tài)的提升，超載情況下力學(xué)特征值變化規(guī)律與標(biāo)準(zhǔn)軸載工況下相類似，表明僅豎向荷載作用下對(duì)結(jié)構(gòu)具有相同的影響規(guī)律，力學(xué)響應(yīng)規(guī)律與荷載大小無關(guān)。以實(shí)際層間接觸狀態(tài)(摩擦系數(shù)為0.4)時(shí)，取荷位03的力學(xué)結(jié)果，相較于標(biāo)準(zhǔn)軸載力學(xué)響應(yīng)結(jié)果，拉應(yīng)力增幅達(dá)81.3%，拉應(yīng)變?cè)龇_(dá)83.7%，剪應(yīng)力增幅達(dá)79.4%，表明超載對(duì)結(jié)構(gòu)的受力特性極為不利。取3 cm厚的環(huán)氧路表磨耗層結(jié)構(gòu)在超載80%和緊急制動(dòng)同時(shí)作用下的力學(xué)響應(yīng)變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 特殊工況下力學(xué)結(jié)果隨荷位及層間接觸狀態(tài)的變化關(guān)系Fig.5 Relationship of mechanical results with load position and interlayer contact state under special working conditions

由圖3～圖5可知：僅豎向荷載作用時(shí)，隨著面層與剛性基層的層間接觸狀態(tài)的提升，對(duì)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果影響甚微，偏載作用下力學(xué)特征值隨層間摩擦系數(shù)增大呈非線性遞減，力學(xué)響應(yīng)結(jié)果整體排序依為荷位03、荷位02和荷位01。特殊荷載工況作用時(shí)，以荷位03為例，力學(xué)響應(yīng)值隨著層間接觸的提升層底彎拉應(yīng)力、拉應(yīng)變及剪應(yīng)力減幅分別高達(dá)93.7%、91.6%和77.1%，表明水平荷載作用下層間接觸狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)值影響顯著。參考文獻(xiàn)資料及室內(nèi)試驗(yàn)確定環(huán)氧瀝青混合料抗拉強(qiáng)度為3.721 MPa、抗剪強(qiáng)度1.5 MPa[23]；并按照《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 169—2012)及試驗(yàn)獲得的抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)為2.24，計(jì)算進(jìn)行容許抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度為1.19 MPa和1.66 MPa,且最大應(yīng)力均小于容許強(qiáng)度值。通過分析其力學(xué)特征值隨層間接觸狀態(tài)的包絡(luò)圖，僅豎向荷載作用時(shí)最不利荷載位置為荷位03，在水平荷載作用下最不利荷載位置為荷位01。取荷位03層間摩擦系數(shù)0.4時(shí)的力學(xué)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，隨著荷載工況的提高，拉應(yīng)力增幅分別為81.3%和18.8；拉應(yīng)變?cè)龇謩e為83.7%和16.5%；剪應(yīng)力增幅分別為79.4%和81.6%；表明超載及水平荷載作用是結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)鍵影響因素，超載對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能較為敏感，水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的抗剪切滑移破壞能力敏感度更高。而結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)最值所映射的區(qū)域；在僅豎向荷載作用時(shí)，彎拉拉應(yīng)力、拉應(yīng)變及剪應(yīng)力最值在均出現(xiàn)于層底，拉應(yīng)力應(yīng)變均為縱向，剪應(yīng)力為豎向剪應(yīng)力τxz；當(dāng)水平荷載作用時(shí)，最大剪應(yīng)力則出現(xiàn)于路表，與孫立軍教授基于柔性基層和半剛性基層路面結(jié)構(gòu)材料一體化設(shè)計(jì)提出的力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)出現(xiàn)的位置相一致，同時(shí)剪應(yīng)力為橫向剪應(yīng)力τxy。

2.2 單層環(huán)氧瀝青厚度對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

環(huán)氧瀝青層的厚度直接關(guān)系復(fù)合式隧道路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和受力特性，同時(shí)也影響其工程造價(jià)。因此采用標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下單層環(huán)氧瀝青厚度的影響分析，其厚度的敏感性分析結(jié)果如表2、圖6所示。

表2 單層環(huán)氧厚度對(duì)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果的影響Table 2 Influence of the thickness of epoxy layer on the mechanical response results

圖6 力學(xué)響應(yīng)結(jié)果隨單層環(huán)氧厚度的變化Fig.6 The result of mechanical response varies with the thickness of single layer epoxy

由圖6可知：隨著厚度的增加，瀝青層層底拉應(yīng)變逐漸減小，變化幅度較小，減幅為19%；剪應(yīng)力呈先快速下降后緩慢減小的趨勢，減幅達(dá)67.6%；而拉應(yīng)力則呈先減小后上升出現(xiàn)峰值之后緩慢減小的趨勢，峰值為0.155 MPa；究其原因是隨疲勞厚度的增加，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及整體性的提高，致使拉應(yīng)變和剪應(yīng)力隨厚度增加而減小，拉應(yīng)力則隨厚度增大而增大的趨勢，表明厚度的增加不利于結(jié)構(gòu)的抗疲勞開裂性能。通過綜合分析其力學(xué)響應(yīng)值、施工難度及經(jīng)濟(jì)性考慮，單層環(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)推薦厚度為2～5 cm。

3 應(yīng)力吸收層對(duì)結(jié)構(gòu)的敏感性分析

反射裂縫是復(fù)合式路面的常見病害，是當(dāng)前面臨亟待解決的難題，通常采用增加瀝青層厚度、設(shè)置應(yīng)力吸收層及鋪設(shè)級(jí)配碎石等方法處置；而應(yīng)力吸收層是一種最為有效的處置措施。因此選用兩種應(yīng)力吸收層AC-10和級(jí)配碎石S-5進(jìn)行對(duì)比研究。

結(jié)構(gòu)層瀝青面層和應(yīng)力吸收層厚度的選擇充分考慮溫度應(yīng)力、力學(xué)模擬結(jié)果合經(jīng)濟(jì)性的因素。同時(shí)保證有足夠的路表厚度4 cm，滿足隧道進(jìn)出口位置溫度梯度變化引起溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響[24]。進(jìn)而確保結(jié)構(gòu)能滿足功能性要求和抗車轍等結(jié)構(gòu)性能，控制其結(jié)構(gòu)層厚度。最終取3 cmEOGFC-13作為路表磨耗層，同時(shí)研究應(yīng)力吸收層類型和厚度對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的比選。

3.1 應(yīng)力吸收層AC-10對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

應(yīng)力吸收層AC-10作為一種細(xì)粒式密集配瀝青混合料，能夠同時(shí)兼?zhèn)鋺?yīng)力吸收層、封水層和下面層的作用，既能起到阻隔水分的作用，又能夠減少環(huán)氧瀝青結(jié)構(gòu)層的厚度，進(jìn)而有效降低初期建設(shè)費(fèi)用；同時(shí)因模量相對(duì)較低，需保證其適宜厚度。不同厚度的對(duì)結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果如表3、圖7所示。

表3 應(yīng)力吸收層AC-10厚度復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的影響Table 3 Influence of stress absorption layer AC-10 thickness composite pavement structure

圖7 力學(xué)響應(yīng)結(jié)果隨應(yīng)力吸收層AC-10厚度的變化Fig.7 Mechanical response results change with the thickness of the stress absorbing layer AC-10

由圖7可知：隨著厚度的增加，力學(xué)響應(yīng)結(jié)果總體呈先增長后緩慢降低并趨于穩(wěn)定的趨勢，增幅達(dá)29.4%，減幅為16.8%；而應(yīng)力則總體呈上升的趨勢，拉應(yīng)力增幅達(dá)1.5倍，剪應(yīng)力增幅達(dá)1.6倍，究其原因是路表磨耗層和基層均為高模量材料，而應(yīng)力吸收層在結(jié)構(gòu)中起到軟夾層作用，導(dǎo)致隨著厚度增加出現(xiàn)上述變化趨勢，表明應(yīng)力吸收層厚度的增加能夠提升其結(jié)構(gòu)疲勞壽命，但也需兼顧厚度增加對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向位移的影響。隨著厚度的增長，磨耗層應(yīng)變減幅遠(yuǎn)小于其應(yīng)力的增幅，表明應(yīng)力吸收層AC-10厚度的增大對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力增長呈正相關(guān)關(guān)系，且拉應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響更大；同時(shí)最大拉應(yīng)力及剪應(yīng)力分別為0.274 MPa、0.176 MPa，均小于材料容許值，此外隨應(yīng)力吸收層厚度增加不利于控制其路表彎沉值指標(biāo)，因此應(yīng)力吸收層的厚度不宜過厚，應(yīng)力吸收層AC-10的推薦厚度為1～3 cm，控制指標(biāo)為層底彎拉應(yīng)變。根據(jù)上述結(jié)論與分析，并從路面結(jié)構(gòu)功能性能及結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行綜合分析；最終確定擬推薦結(jié)構(gòu)一：為3 cmEOGFC-13+1 cmAC-10的環(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)。

3.2 應(yīng)力吸收層S-5對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

應(yīng)力吸收層S-5級(jí)配碎石則因其低模量特性，能夠有效緩解其反射裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)其易獲取和低成本特性，因而被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中；同時(shí)，還能夠降低路表磨耗層的厚度，進(jìn)而使復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)初期建設(shè)成本得到有效的控制；除上述因素之外，仍需嚴(yán)格控制其厚度，使而確保應(yīng)力吸收層過厚而對(duì)結(jié)構(gòu)性能及結(jié)構(gòu)功能性的影響。因此，進(jìn)一步深入研究應(yīng)力吸收層厚度對(duì)環(huán)氧瀝青路表磨耗層結(jié)果結(jié)構(gòu)的影響，以期能夠?yàn)榄h(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和新的結(jié)構(gòu)組合形式參考。

環(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果隨著應(yīng)力吸收層S-5厚度增加的變化，其影響規(guī)律如表4、圖8所示。由圖8可知：路表磨耗層拉應(yīng)變隨應(yīng)力吸收層厚度的增加總體呈先增長后緩慢變小的趨勢，增幅為15.3%，減幅達(dá)28.5%；拉應(yīng)力則呈現(xiàn)先快速增長然后趨于平緩的趨勢，其增長程度為1.1倍，衰減程度為1倍，而剪應(yīng)力呈上升的趨勢，增長程度達(dá)2.2倍，其原因是應(yīng)力吸收層的模量較低，而環(huán)氧瀝青和水泥砼基層模量相較于S-5可類似于雙層剛性薄板，因此行車荷載作用下應(yīng)力應(yīng)變能夠很好擴(kuò)散到S-5整體，應(yīng)力集中影響較小，從而形成上述規(guī)律，但隨厚度的增加會(huì)導(dǎo)致路表彎沉值增加，正亦如此需控制應(yīng)力吸收層的厚度。結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)值，最大拉應(yīng)力為0.236 8 MPa,出現(xiàn)于應(yīng)力吸收層厚度為4 cm的結(jié)構(gòu)中，最大剪應(yīng)力0.22 MPa，出現(xiàn)于6 cm應(yīng)力吸收層厚時(shí)的結(jié)構(gòu)中，均小于材料的容許值表明該結(jié)構(gòu)的控制指標(biāo)為層底彎拉應(yīng)變。根據(jù)上述分析、經(jīng)濟(jì)性和對(duì)照分析的綜合考慮，最終擬推薦結(jié)構(gòu)二：為3 cmEOGFC-13+1 cmS-5環(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)；且應(yīng)力吸收層S-5推薦厚度范圍為1～3 cm。

表4 應(yīng)力吸收層S-5厚度復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的影響Table 4 Influence of stress absorption layer S-5 thickness composite pavement structure

圖8 力學(xué)響應(yīng)結(jié)果隨應(yīng)力吸收層S-5厚度的變化Fig.8 Mechanical response results vary with the thickness of the stress absorbing layer S-5

4 兩種擬定結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析

4.1 EOGFC-13+AC-10路表結(jié)構(gòu)學(xué)響應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)一實(shí)質(zhì)屬于一種超薄的排水路面結(jié)構(gòu)，為能夠更清楚了解該結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及病損控制指標(biāo)及確定其設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)而為長期性能監(jiān)測和傳感器的布設(shè)提供依據(jù)。分析不同層間接觸狀態(tài)和荷載工況參數(shù)下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果如圖9所示。

圖9 力學(xué)響應(yīng)結(jié)果隨荷載工況、層間接觸狀態(tài)的變化關(guān)系Fig.9 Relationship between mechanical response and load condition and interlayer contact state

由圖9可知：力學(xué)指標(biāo)的宏觀變化趨勢相類似，僅豎向荷載作用時(shí)，層間摩擦接觸對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)果影響甚微；而水平荷載作用時(shí)，力學(xué)結(jié)果隨層間接觸狀態(tài)的提高而減小，減幅分別為75.1%、56.6%和65.3%，影響較為顯著；表明了水平荷載作用下層間接觸狀態(tài)是影響其結(jié)構(gòu)服役性能的關(guān)鍵影響因素。取層間摩擦系數(shù)為0.4時(shí)，3種荷載工況下力學(xué)指標(biāo)隨著荷載標(biāo)準(zhǔn)軸載、超載及同時(shí)作用下變化規(guī)律為，拉應(yīng)變?cè)龇謩e為75.5%和17.2%，拉應(yīng)力為76.5%和3.4%，剪應(yīng)力為81.24%和54.3%，表明超載是影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的關(guān)鍵因素，而水平荷載不利于結(jié)構(gòu)的抗剪切推移性能。結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的極值為0.894 MPa和0.547 MPa,應(yīng)力均小于環(huán)氧瀝青材料容許強(qiáng)度值，證明其環(huán)氧瀝青材料的優(yōu)異性能。

采用橋渡原理以研究其結(jié)構(gòu)的長期性能，假定在達(dá)到路面壽命時(shí)其損壞標(biāo)準(zhǔn)是相同的，以瀝青路面彎拉應(yīng)變與為指標(biāo)，并采用環(huán)氧瀝青冪函數(shù)疲勞方程來表征結(jié)構(gòu)壽命；同時(shí)以材料疲勞壽命按假設(shè)40年達(dá)10億次進(jìn)行驗(yàn)證[25]。取摩擦系數(shù)為0.4的實(shí)際層間接觸狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，而不同荷載工況下的疲勞壽命如表5所示。

表5 環(huán)氧瀝青路表磨耗層不同荷載工況下的疲勞壽命Table 5 Fatigue life of epoxy asphalt surface wear layer under different load conditions

采用冪函數(shù)疲勞方程驗(yàn)算環(huán)氧瀝青疲勞壽命，其計(jì)算公式為

lgN=27.01-7.141lgε

(1)

式(1)中：N為環(huán)氧瀝青路表磨耗層疲勞壽命；ε為環(huán)氧瀝青磨耗層層底彎拉應(yīng)變。

由表5可知：結(jié)構(gòu)無論何種荷載工況作用下，結(jié)構(gòu)疲勞壽命均滿足40年109次的假定；究其原因是環(huán)氧瀝青為一種高模量、高性能的長壽命材料，已在南京長江二橋應(yīng)用并得到很好的驗(yàn)證；且環(huán)氧瀝青混合料目前最長使用壽命在國外已超49年，新西蘭對(duì)環(huán)氧瀝青排水研究壽命預(yù)估結(jié)果表明，其壽命可達(dá)144年。

4.2 EOGFC-13+S-5路表結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

研究3 cmEOGFC-13+1 cmS-5+基層隧道路面結(jié)構(gòu)在層間接觸狀態(tài)和荷載工況參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，目的是能夠更深入了解結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及病損控制指標(biāo)，其計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 力學(xué)響應(yīng)結(jié)果隨荷載工況、層間接觸狀態(tài)的變化關(guān)系Fig.10 Relationship between the mechanical response results and the load conditions and the contact state between layers

由圖10可知：隨著層間接觸狀態(tài)的提升，荷載工況對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響效果與結(jié)構(gòu)一相類似，豎向荷載作用時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果影響不顯著；特殊荷載工況下，力學(xué)特征指標(biāo)應(yīng)力應(yīng)變隨著接觸狀態(tài)的提升而逐步減小，減幅分別為70.3%、55%和62.6%，即表明提高層間的黏結(jié)性能或基層增糙處置，可有效抑制由水平荷載造成的推移、擁包等剪切滑移破壞。結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力、應(yīng)變和剪應(yīng)力最值分別為0.919 6 MPa、263 με和0.550 9 MPa，應(yīng)力均小于材料容許值，原因是環(huán)氧瀝青的高模量等優(yōu)異性能決定。 取層間摩擦系數(shù)0.4時(shí)，力學(xué)指標(biāo)隨著荷載標(biāo)準(zhǔn)軸載、超載及超載緊急制動(dòng)下變化規(guī)律為，拉應(yīng)變的增幅分別為74.51%和20%，拉應(yīng)力增幅分別為75.2%和8.06%，剪應(yīng)力增幅為81.5%和58.8%；表明僅豎向荷載作用時(shí)超載是影響結(jié)構(gòu)服役性能的關(guān)鍵因素，控制其結(jié)構(gòu)疲勞開裂；水平荷載作用下影響結(jié)構(gòu)層間剪切滑移破壞。結(jié)構(gòu)力學(xué)特征指標(biāo)所映射的最不利位置與單層環(huán)氧瀝青復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)相一致，顯然其控制指標(biāo)為層底彎拉應(yīng)變、彎拉應(yīng)、橫向剪應(yīng)力和豎向剪應(yīng)力。

按環(huán)氧瀝青冪函數(shù)疲勞方程[式(1)]，取層間摩擦系數(shù)為0.4進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)估，其計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 環(huán)氧瀝青路表磨耗層不同荷載工況下的疲勞壽命Table 6 Fatigue life of epoxy asphalt surface wear layer under different load conditions

由表6可知：設(shè)應(yīng)力吸收層S-5的路表結(jié)構(gòu)疲勞壽命無論何種荷載工況下其疲勞壽命均能達(dá)40年10億次的假定，證明該結(jié)構(gòu)是一種超薄的長壽命隧道路表結(jié)構(gòu)。

4.3 兩種環(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

通過對(duì)比分析起兩種擬推薦結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)估，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)選；其具體結(jié)果如表7所示,其中結(jié)構(gòu)一試驗(yàn)段鋪筑效果如圖11所示。

由表7可知：學(xué)響應(yīng)結(jié)果其結(jié)構(gòu)一力均大于結(jié)構(gòu)二，表明其低模量的應(yīng)力吸收層起到了軟夾層的作用，能夠有效抑制反射裂縫的向上反射，能夠很好

表7 兩種擬推薦結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比分析Table 7 Performance co MParison analysis of two proposed structures

圖11 環(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)一的施工效果圖Fig.11 Construction effect diagram of epoxy asphalt composite tunnel surface structure 1

阻隔橫向縮縫位置處傳力桿失效造成的不利荷載狀況。通過疲勞壽命對(duì)比分析表明低模量應(yīng)力吸收層、層間接觸狀態(tài)的提升及嚴(yán)格控制行車荷載作用能夠有效提升結(jié)構(gòu)服役壽命。同時(shí)按層間摩擦系數(shù)為0.4為例，特殊荷載工況下結(jié)構(gòu)二力學(xué)結(jié)果更接近于無水平荷載作用的情況，表明結(jié)構(gòu)二更適用于彎道或者坡度較大緊急制動(dòng)頻繁的路段。OGFC-13屬于開級(jí)配路表磨耗層；路面結(jié)構(gòu)上部早設(shè)防水層，下部早設(shè)調(diào)平層深防水能夠有效避免動(dòng)水壓力、地下水及路表水對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響[26]。而應(yīng)力吸收層AC-10作為一種密集配瀝青混合料，能夠起到防止雨水下滲的作用，而應(yīng)力吸收層S-5不具阻隔雨水作用。因此，EOGFC-13+AC-10的路表結(jié)構(gòu)更適應(yīng)于隧道路面，而在隧道內(nèi)部水損較少且緊急制動(dòng)相對(duì)頻繁的位置可鋪設(shè)EOGFC-13+S-5的隧道路表結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

通過研究環(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果隨不同荷載位置、荷載工況、層間接觸狀態(tài)的影響分析，得到如下結(jié)論。

(1)復(fù)合式隧道路表鋪裝結(jié)構(gòu)其最不利荷載位置為偏載；僅豎向荷載作用時(shí)為恰好通過橫向縮縫邊緣位置，水平荷載作用下時(shí)為恰好到達(dá)橫向縮縫位置。而水平荷載作用時(shí)，層間接觸狀態(tài)的提升能夠有效降低結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)值，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)影響次序?yàn)槔瓚?yīng)力>剪應(yīng)力>拉應(yīng)變；能有效阻止水平荷載作用下的推移、擁包剪切滑移破壞等病害的出現(xiàn)。

(2)結(jié)構(gòu)病害位置與水平荷載有關(guān)；僅豎向荷載作用下，力學(xué)響應(yīng)最值均出現(xiàn)于瀝青層層底，剪應(yīng)力為豎向剪應(yīng)力τxz；而在水平荷載作用下，剪應(yīng)力則上移到路表，而剪應(yīng)力為橫向剪應(yīng)力τxy。以層底彎拉應(yīng)力、彎拉應(yīng)變、豎向剪應(yīng)力和橫向剪應(yīng)力指標(biāo)作為復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)能夠較好表征結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)。

(3)結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響因素包括結(jié)構(gòu)層厚度、層間接觸狀態(tài)和超載工況，影響次序依次為超載>層間接觸狀態(tài)>結(jié)構(gòu)層厚度；水平荷載作用下隨著層間接觸狀態(tài)的提升而增大，僅豎向荷載作用下隨著超載工況的出現(xiàn)而衰減。因此設(shè)計(jì)施工過程中需充分重視層間黏結(jié)性能，路面養(yǎng)維過程中嚴(yán)格控制超載現(xiàn)象，保證其結(jié)構(gòu)服役年限。而路表結(jié)構(gòu)層厚度從經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)性能和功能性能綜合考慮；環(huán)氧瀝青層推薦厚度為2～5 cm;應(yīng)力吸收層AC-10及S-5的推薦厚度均為1～3 cm。同時(shí)，低模量的應(yīng)力吸收層S-5對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)組合其預(yù)測性能相較于結(jié)構(gòu)一更優(yōu)。

(4)基于橋渡原理對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的疲勞性能預(yù)估，表明均能滿足40年疲勞壽命109次的假定。3 cmEOGFC-13+1 cmAC-10+PCC隧道路表結(jié)構(gòu)常規(guī)荷載工況下疲勞壽命為2.43×1013次，適宜應(yīng)用于富水公路隧道或隧道進(jìn)出口位置。而3 cmEOGFC-13+1 cmS-5+PCC隧道路表結(jié)構(gòu)疲勞壽命為4.47×1013次，更適宜應(yīng)用于雨水影響較小、隧道中部彎道或坡度較大的位置。綜上所述，宜推薦采用結(jié)構(gòu)一的環(huán)氧瀝青復(fù)合式隧道路表結(jié)構(gòu)形式。