隧道復合式路面結構的力學響應分析

張明杰

【摘 要】運用有限元軟件ABAQUS建立隧道復合式路面力學計算模型，選取瀝青層內的剪應力和水平拉應變、水泥混凝土層內的水平拉應力及層間剪應力作為關鍵指標，全面分析豎向荷載、水平荷載及層間接觸狀態對復合式路面力學響應的影響。在力學計算結果分析的基礎上，提出隧道復合式路面結構設計的合理建議。

【關鍵詞】有限元;復合式路面;力學響應;結構設計

【中圖分類號】U452.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）02-0166-02

隧道復合式路面是由瀝青層和水泥混凝土層構成的路面結構，其在車輛荷載作用下的受力特點與普通的瀝青路面和水泥路面存在較大差異。路面力學響應分析是進行路面結構設計的核心，已經有很多學者對隧道復合式路面在荷載作用下的力學響應進行研究，但是這些研究大多只涉及復合式路面中瀝青層的受力狀況，很少考慮水泥混凝土層及瀝青層與水泥混凝土層層間的受力特性。水泥混凝土層及層間的受力對于整個復合式路面結構的使用壽命同樣重要，因此，有必要對隧道復合式路面進行較為全面的力學響應分析。

本文運用有限元軟件ABAQUS建立隧道復合式路面力學計算模型，根據路面的主要病害類型確定關鍵設計指標，全面分析豎向荷載、水平荷載及層間接觸狀態對復合式路面力學響應的影響，并在此基礎上提出隧道復合式路面結構設計的合理建議。

1 有限元模型及相關參數

有限元模型采用ABAQUS軟件建立，模型各層的結構與材料參數見表1。模型行車方向、垂直行車方向的尺寸均為6 m，采用三維六面二次單元C3D20R，邊界條件假設如下：底面完全固定，左右兩側面沒有橫向位移，前后兩側沒有縱向位移，水泥混凝土層與路基層間接觸狀態為完全連續。

靜態力學計算采用的豎向荷載為雙矩形荷載，單一矩形尺寸為18.9 cm×18.9 cm、雙矩形中心距為32 cm，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 關鍵力學指標的確定

隧道復合式路面瀝青層的主要病害為車轍變形、開裂等，車轍變形由瀝青層內的剪應力引起，而開裂是由瀝青層內的拉應變引起;水泥混凝土層的主要病害為開裂，開裂由水泥混凝土層內的拉應力過大引起;瀝青層與水泥混凝土層的層間黏結破壞主要由層間剪應力引起。因此，選取瀝青層剪應力和水平拉應變、水泥混凝土層水平拉應力及層間剪應力作為復合式路面力學計算的關鍵指標。

3 計算結果分析

3.1 豎向荷載對力學響應的影響

選取0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa 3個豎向荷載應力水平分別進行計算，計算結果表明：隨著豎向荷載的增大，瀝青層內的剪應力和水平拉應變最大值、水泥混凝土層內的水平拉應力最大值及瀝青層與水泥混凝土層的層間剪應力最大值均呈現逐漸增大的變化趨勢。豎向荷載應力從0.7 MPa增加到1.1 MPa，剪應力、水平拉應變、水平拉應力及層間剪應力的最大值分別從0.195 MPa、182.24 με、0.072 MPa、0.057 MPa增大至0.307 MPa、283.06 με、0.113 MPa、0.091 MPa，增大幅度分別為57%、55%、57%、60%。

3.2 水平荷載對力學響應的影響

豎向荷載應力為0.7 MPa時，采用0、0.2、0.5不同水平力系數（水平應力與豎向荷載應力的比值）分別進行計算，表征車輛沒有制動、緩慢制動及緊急制動的情況。計算結果表明：隨著水平力系數的增大，瀝青層內的剪應力和水平拉應變最大值及瀝青層與水泥混凝土層的層間剪應力最大值均逐漸增大，而水泥混凝土層內的水平拉應力最大值幾乎沒有變化。水平力系數從0增加到0.5，剪應力、水平拉應變及層間剪應力的最大值分別從0.195 MPa、182.24 με、0.057 MPa增大至0.444 MPa、412.36 με、0.075 MPa，增大幅度分別為128%、126%、32%。產生這種現象的主要原因是水平荷載作用于瀝青層表面，水平荷載作用下路面產生的應力、應變沿深度方向衰減較快，因此，水平荷載大小對瀝青層及瀝青層與水泥混凝土層層間的力學響應影響較大，而對水泥混凝土層的最大拉應力（位于水泥混凝土層層底）影響較小。

3.3 層間接觸狀態對力學響應的影響

豎向荷載應力為1.1 MPa、水平力系數為0.5，采用0、0.45、0.9不同層間摩擦系數進行計算。計算結果表明：層間摩擦系數不同時，瀝青層內的剪應力、水平拉應變及水泥混凝土層內的水平拉應力沿深度方向的變化規律相同，隨著層間摩擦系數的增大，水泥混凝土層內各深度處的水平拉應力幾乎沒有變化，瀝青層內剪應力、水平拉應變的最大值不變，但瀝青層底面的剪應力和水平拉應變變化較大，層間摩擦系數從0增大到0.9時，瀝青層底面的水平拉應變從330.14 με減小到272.86 με，減小幅度為17%，而瀝青層底面的剪應力從0.013 MPa增大到0.111 MPa。

4 結語

（1）采用ABAQUS建立三維有限元模型，選取瀝青層內的剪應力和水平拉應變、水泥混凝土層內的水平拉應力及瀝青層與水泥混凝土層的層間剪應力作為關鍵力學指標。

（2）豎向荷載、水平荷載及層間接觸狀態對復合式路面力學響應的影響規律如下。

隨著豎向荷載的增大，瀝青層內的剪應力和水平拉應變最大值、水泥混凝土層內的水平拉應力最大值及瀝青層與水泥混凝土層的層間剪應力最大值均呈現逐漸增大的變化趨勢。

隨著水平荷載的增大，瀝青層內的剪應力和水平拉應變最大值及瀝青層與水泥混凝土層的層間剪應力最大值均逐漸增大，而水泥混凝土層內的水平拉應力最大值幾乎沒有變化。

隨著層間摩擦系數的增大，水泥混凝土層內各深度處的水平拉應力幾乎沒有變化，瀝青層內剪應力、水平拉應變的最大值不變，但瀝青層底面的剪應力和水平拉應變變化較大。

（3）由力學計算結果可知：在車輛荷載較大的情況下，隧道復合式路面的受力較為不利，應優化路面結構設計，提高路面抵抗荷載作用的能力。同時，應增大瀝青層與水泥混凝土層的層間摩擦系數，從而有效防止瀝青層底的疲勞開裂。

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[責任編輯：陳澤琦]