隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析

隧道復(fù)合式路面是由瀝青層和水泥混凝土層構(gòu)成的路面結(jié)構(gòu)，其在車輛荷載作用下的受力特點(diǎn)與普通的瀝青路面和水泥路面存在較大差異。路面力學(xué)響應(yīng)分析是進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)隧道復(fù)合式路面在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行研究，但是，這些研究大多只涉及復(fù)合式路面中瀝青層的受力狀況，而未考慮水泥混凝土層以及瀝青層與水泥混凝土層層間的受力特性。水泥混凝土層以及層間的受力對(duì)于整個(gè)復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的使用壽命同樣重要，因此，有必要對(duì)隧道復(fù)合式路面進(jìn)行較為全面的力學(xué)響應(yīng)分析。

本文運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立隧道復(fù)合式路面力學(xué)計(jì)算模型，根據(jù)路面的主要病害類型確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)，全面分析豎向荷載、水平荷載以及層間接觸狀態(tài)對(duì)復(fù)合式路面力學(xué)響應(yīng)的影響，并在此基礎(chǔ)上提出隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理建議。

1  有限元模型及相關(guān)參數(shù)

有限元模型采用ABAQUS軟件建立，模型各層的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)見(jiàn)表1。模型行車方向、垂直行車方向的尺寸均為6m，采用三維六面二次單元C3D20R，邊界條件假設(shè)為：底面完全固定，左右兩側(cè)面沒(méi)有橫向位移，前后兩側(cè)沒(méi)有縱向位移，水泥混凝土層與路基層間接觸狀態(tài)為完全連續(xù)。

靜態(tài)力學(xué)計(jì)算采用的豎向荷載為雙矩形荷載，單一矩形尺寸為18.9×18.9cm、雙矩形中心距為32cm，水平荷載作用于豎向荷載作用面的表面，方向沿行車方向。

2  關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)的確定

隧道復(fù)合式路面瀝青層的主要病害為車轍變形、開(kāi)裂等，車轍變形是由瀝青層內(nèi)的剪應(yīng)力引起的，而開(kāi)裂是由瀝青層內(nèi)的拉應(yīng)變引起；水泥混凝土層的主要病害為開(kāi)裂，開(kāi)裂是由水泥混凝土層內(nèi)的拉應(yīng)力過(guò)大引起的；瀝青層與水泥混凝土層的層間粘結(jié)破壞主要是由層間剪應(yīng)力引起的。因此，選取瀝青層剪應(yīng)力和水平拉應(yīng)變、水泥混凝土層水平拉應(yīng)力以及層間剪應(yīng)力作為復(fù)合式路面力學(xué)計(jì)算的關(guān)鍵指標(biāo)。

3  計(jì)算結(jié)果分析

3.1  豎向荷載對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響

選取0.7、0.9、1.1MPa三個(gè)豎向荷載應(yīng)力水平分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：隨著豎向荷載的增大，瀝青層內(nèi)的剪應(yīng)力和水平拉應(yīng)變最大值、水泥混凝土層內(nèi)的水平拉應(yīng)力最大值以及瀝青層與水泥混凝土層的層間剪應(yīng)力最大值均呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)。豎向荷載應(yīng)力從0.7MPa增加到1.1MPa，剪應(yīng)力、水平拉應(yīng)變、水平拉應(yīng)力以及層間剪應(yīng)力的最大值分別從0.195MPa、182.24με、0.072MPa、0.057 MPa增大至0.307MPa、283.06με、0.113MPa、0.091MPa，增大幅度分別為57%、55%、57%、60%。

3.2  水平荷載對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響

豎向荷載應(yīng)力為0.7Mpa時(shí)，采用0、0.2、0.5三種水平力系數(shù)（水平應(yīng)力與豎向荷載應(yīng)力的比值）分別進(jìn)行計(jì)算，表征車輛沒(méi)有制動(dòng)、緩慢制動(dòng)及緊急制動(dòng)的情況。計(jì)算結(jié)果表明：隨著水平力系數(shù)的增大，瀝青層內(nèi)的剪應(yīng)力和水平拉應(yīng)變最大值以及瀝青層與水泥混凝土層的層間剪應(yīng)力最大值均逐漸增大，而水泥混凝土層內(nèi)的水平拉應(yīng)力最大值幾乎沒(méi)有變化。水平力系數(shù)從0增加到0.5，剪應(yīng)力、水平拉應(yīng)變以及層間剪應(yīng)力的最大值分別從0.195MPa、182.24με、0.057 MPa增大至0.444MPa、412.36με、0.075MPa，增大幅度分別為128%、126%、32%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是水平荷載是作用于瀝青層表面，水平荷載作用下路面產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變沿深度方向衰減較快，因此，水平荷載大小對(duì)瀝青層以及瀝青層與水泥混凝土層層間的力學(xué)響應(yīng)影響較大，而對(duì)水泥混凝土層的最大拉應(yīng)力（位于水泥混凝土層層底）影響較小。

3.3  層間接觸狀態(tài)對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響

豎向荷載應(yīng)力為1.1MPa、水平力系數(shù)為0.5，采用0、0.45、0.9三種層間摩擦系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：層間摩擦系數(shù)不同時(shí)，瀝青層內(nèi)的剪應(yīng)力、水平拉應(yīng)變以及水泥混凝土層內(nèi)的水平拉應(yīng)力沿深度方向的變化規(guī)律相同，隨著層間摩擦系數(shù)的增大，水泥混凝土層內(nèi)各深度處的水平拉應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化，瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力、水平拉應(yīng)變的最大值不變，但瀝青層底面的剪應(yīng)力和水平拉應(yīng)變變化較大，層間摩擦系數(shù)從0增大到0.9時(shí)，瀝青層底面的水平拉應(yīng)變從330.14με減小到272.86με，減小幅度為17%，而瀝青層底面的剪應(yīng)力從0.013MPa增大到0.111MPa。

4  結(jié)語(yǔ)

（1）采用ABAQUS建立三維有限元模型，選取瀝青層內(nèi)的剪應(yīng)力和水平拉應(yīng)變、水泥混凝土層內(nèi)的水平拉應(yīng)力以及瀝青層與水泥混凝土層的層間剪應(yīng)力作為關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)。

（2）豎向荷載、水平荷載以及層間接觸狀態(tài)對(duì)復(fù)合式路面力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律如下：

隨著豎向荷載的增大，瀝青層內(nèi)的剪應(yīng)力和水平拉應(yīng)變最大值、水泥混凝土層內(nèi)的水平拉應(yīng)力最大值以及瀝青層與水泥混凝土層的層間剪應(yīng)力最大值均呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)。

隨著水平荷載的增大，瀝青層內(nèi)的剪應(yīng)力和水平拉應(yīng)變最大值以及瀝青層與水泥混凝土層的層間剪應(yīng)力最大值均逐漸增大，而水泥混凝土層內(nèi)的水平拉應(yīng)力最大值幾乎沒(méi)有變化。

隨著層間摩擦系數(shù)的增大，水泥混凝土層內(nèi)各深度處的水平拉應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化，瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力、水平拉應(yīng)變的最大值不變，但瀝青層底面的剪應(yīng)力和水平拉應(yīng)變變化較大。

（3）由力學(xué)計(jì)算結(jié)果可知：在車輛荷載較大的情況下，隧道復(fù)合式路面的受力較為不利，應(yīng)優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高路面抵抗荷載作用的能力。同時(shí)，應(yīng)增大瀝青層與水泥混凝土層的層間摩擦系數(shù)，從而有效防止瀝青層底的疲勞開(kāi)裂。

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