考慮混凝土劣化的隧道內路面結構力學行為研究

【摘要】以賀州至巴馬高速公路工程為依托，通過Flac3D軟件建立數值模型，對比研究運營期公路隧道內普通硅酸鹽混凝土OPC（膠凝材中含有100%水泥）和多元復摻膠凝材混凝土F20G30S5（膠凝材中含有粉煤灰20%、礦粉30%、硅灰5%）路面結構混凝土考慮劣化和車輛荷載耦合影響下路面結構的力學行為與安全性，并分析了對隧道襯砌結構的影響。結果表明：（1）受車輛荷載影響下，OPC與F20G30S5兩種材料混凝土路面位移基本不受劣化影響；（2）F20G30S5混凝土的抗劣化性能高于OPC混凝土。（3）隧道襯砌壓應力變化則隨著OPC混凝土劣化進行，逐漸增大，最大變化值為0.3952MPa，襯砌應力變化值大于F20G30S5混凝土路面結構劣化后的變化值。

【關鍵詞】隧道； 劣化； 多元復摻膠凝材； 路面結構； 混凝土

【中圖分類號】U416.216A

0 引言

隨著經濟迅速發展，我國汽車保有輛不斷增加，高速公路車流量及其載荷也有增加趨勢，對道路質量提出了更高要求。在此情況下，一旦路面混凝土受復雜環境影響出現耐久性問題，便會導致路面結構力學性能下降，造成斷板、錯臺等現象，影響車的安全性與舒適性，也會導致混凝土路面本身耐久性下降［1］。為保證工程質量和路面水泥混凝土的使用壽命，眾多學者對路面水泥混凝土進行了相關研究。王秉綱［2］通過室內小梁試驗研究了重載路面混凝土疲勞特性，得到了路面混凝土全應力水平范圍疲勞方程。張培等［3］研究了疲勞荷載作用下混凝土的變形規律，研究表明疲勞荷載作用下混凝土應變發展呈現三階段：初始階段、發展階段和破壞階段，并基于變形規律建立了混凝土疲勞壽命方程以預測混凝土剩余疲勞壽命。王飛［4］通過數值模擬，全面地研究了公路隧道混凝土路面板寬度、路面板厚度、路面板長度、路面板強度等參數下的預應力混凝土路面的輪載應力，得到了各參數對預應力混凝土路面特性指標的影響規律。謝生華等［5］采用非離子水干濕循環、抗壓強度試件循環疲勞加載及兩因素耦合作用方式，研究了混凝土的強度損失率。

文獻調研表明，既有研究大多數是從車輛荷載下混凝土路面疲勞角度進行研究，對考慮路面混凝土劣化下路面結構的力學特性研究方面極少涉及，尤其是針對高速公路隧道內路面混凝土在材料劣化和車輛荷載耦合作用下的研究鮮有報道。使用多元復摻膠凝材料是一種保證混凝土強度及其耐久性的有效方式［6-8］，但目前基于多元復摻膠凝材料路面水泥混凝土運用于隧道路面的力學特征研究還較少。因此，本文基于賀州至巴馬高速公路隧道工程，引入路面混凝土材料劣化函數，采用數值模擬對比分析普通硅酸鹽混凝土、多元復摻膠凝材混凝土路面結構在考慮劣化和車輛荷載耦合影響下的力學特征，并分析了其對隧道襯砌結構的受力影響。

1 工程背景

賀州至巴馬高速公路（來賓至都安段），路線起于柳州至南寧高速公路穿山樞紐互通，接賀州至巴馬高速公路（象州至來賓段），路線由東向西，終于都安縣澄江鄉東謝村G210國道附近，順接賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段），方案路線長134.037 km。沿線地貌類型以溶蝕峰叢地貌洼地、谷地地貌為主，間夾溶蝕丘陵地貌、堆積溶蝕殘丘平原地貌等。鳳凰1號隧道位于來賓市興賓區鳳凰鎮大王村西南約3.5 km處，歷史最長連續降雨日數為16天，降雨量為393.9 mm，存在酸雨現象。隧道左、右線出洞口山體自然坡度約15～25°，里程范圍為YK242+137～YK245+182，區間總長為3.045 km，隧道初支厚度為10 cm，采用C25噴射混凝土，二襯厚度為40 cm，采用C35混凝土。橋涵設計汽車荷載等級采用公路-Ⅰ級。其襯砌斷面如圖1所示。

2 數值模擬方法

2.1 計算模型

本文數值模擬計算采用FLAC3D有限差分通用計算軟件，通過三維精細建模充分模擬隧道以及路面結構，分析路面結構受力及變形響應，分析劣化對路面結構安全風險及襯砌結構的影響。數值模型根據實際工程情況建立，圍巖、初支和二襯均采用實體單元建立。圍巖材料與路基為服從Mohr-Coulomb強度準則的理想彈塑性材料，襯砌材料和路面材料采用彈性本構進行模擬。為了消除邊界條件影響，模型左右寬度為100 m，隧道仰拱距離模型底部為80 m，隧道拱頂至地表為150 m。模型前后、左右邊界進行水平約束，底面采用豎向約束，頂面為自由面，計算模型如圖2（a）、圖2（b）所示。

2.2 計算參數

鳳凰1號隧道圍巖等級為III級，隧道襯砌采用無仰拱設計形式。隧道內路面結構共4層，分為路面層三層，基底一層，計算參數如表1［6］所示。本數值模擬第四層基層選用普通硅酸鹽水泥混凝土OPC（膠凝材中含有100%水泥）與多元復摻膠凝材混凝土F20G30S5（膠凝材中含有粉煤灰20%、礦粉30%、硅灰5%）兩種作為路面混凝土結構材料。采用強度折減方法等效模擬隧道圍巖劣化與混凝土材料力學性能的衰減［9-12］。由于本文重點研究考慮材料劣化和車輛荷載耦合作用下的路面混凝土力學性能演變規律，參考文獻［13］對圍巖力學參數折減50%，以模擬圍巖劣化。因模擬隧道運營期隧道路面劣化情況，車輛荷載依據JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》確定。根據規范，本文標準軸載取為雙輪組單軸載100 kN，將荷載接地面積近似看作是600 mm的圓形，輪胎接地壓強采用0.7 MPa，車輪間距為1.8 m［14］。車輛荷載依據JTG B01-2014《公路工程技術標準》進行加載，如圖2（c）。

3 混凝土劣化計算規律

新型膠凝材配方混凝土配比如表2所示。根據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，以膠凝材配方混凝土為研究對象測試在5%濃度的硫酸鹽溶液中干濕循環一定次數后的物理性能變化，選取其抗壓強度與同齡期混凝土抗壓強度的比值作為劣化系數，研究分析膠凝材劣化規律，測得結果如表3所示。詳細試驗過程及試驗數據詳見文獻［6］。

根據試驗數據，用1stopt函數擬合軟件對OPC與F20G30S5

兩種膠凝材混凝土的劣化規律進行曲線擬合，擬合曲線如式（1）、式（2）所示：

K_opc=e^{-1.1572×10-3n-2.0402×10-5n2} （1）

K_F20G30S5=e^{6.8270×10-4n-1.4922×10-5n2} （2）

式中：K_opc是OPC混凝土隨干濕循環次數的強度腐蝕系數；K_F20G30S5是F20G30S5混凝土隨干濕循環次數的強度腐蝕系數；n表示干濕循環次數。

為研究兩種膠凝材混凝土在作為隧道路基材料在隧道運營過程中的力學性能變化，根據式（1）、式（2）兩種膠凝材混凝土的劣化規律，結合隧道使用壽命與劣化同時間的關系，為確保膠凝材劣化效果明顯， 選取干濕循環次數n為60、90、120、150、180的情況，計算得到OPC與F20G30S5兩種材料劣化系數如圖3，并以此為計算工況進行數值模擬，如表4所示。

從圖3能看出隨著干濕循環次數增加，兩種材料的劣化系數均減小。OPC材料劣化系數呈線性下降趨勢；F20G30S5材料劣化系數呈拋物線變化趨勢。相同干濕循環次數下，OPC材料劣化系數均小于F20G30S5；干濕循環次數為180時，OPC材料劣化系數為0.419，比F20G30S5材料劣化系數0.695小0.276，減少幅度為39.71%，表明OPC材料抗劣性不如F20G30S5材料。

4 數值模擬結果與分析

4.1 混凝土劣化對路面結構位移的影響

隧道運營過程中，路面結構穩定性受混凝土劣化影響較大，路面結構位移是評價劣化影響程度的重要指標。本節分析隧道路面結構位移變化，總結混凝土劣化對路面結構穩定性的影響。

圖4是隧道路面結構隨路面混凝土劣化系數的豎向位移變化曲線與云圖。隨著劣化程度的增加，F20G30S5混凝土路面結構隆起基本沒有變化；OPC混凝土路面結構隆起從12.623 mm增至12.629 mm，變化極小。因4層路面共同承擔車輛荷載，膠凝材混凝土路面劣化對隧道路面隆起影響較小。

兩種材料位移最大處均位于路面中點附近，因車輛荷載影響，位移隆起有向右偏移的趨勢。

4.2 混凝土劣化對路面結構力學性能的影響

混凝土劣化會導致隧道路面結構力學性能下降，可能造成結構受力改變，本節針對隧道路面結構應力分布和拉、壓應力變化進行分析，總結其變化規律。

圖5（a）、圖5（b）為不同劣化系數情況下，混凝土分別為OPC與F20G30S5時路面結構的最大壓應力與最大拉應力變化曲線圖與云圖。F20G30S5混凝土路面結構受壓應力隨劣化基本無變化，為7.22 MPa；隨著劣化進行，OPC壓應力從7.18 MPa減至7.12 MPa，緩慢減小。

因隧道力學特性會出現應力重分配，便針對路面安全系數分析隧道穩定性。隧道路面安全系數采用強度折減法［15］進行計算。由圖6可知，F20G30S5混凝土路面結構安全系數呈現拋物線變化規律，當劣化系數小于0.874時，安全系數下降幅度趨于平緩；F20G30S5安全系數在5次劣化下，安全系數仍然高于3.15。OPC混凝土路面結構安全系數呈現線性變化規律，隨劣化系數的降低而降低；OPC安全系數在第二次劣化時（劣化系數為0.763），安全系數為2.968，低于3.00。當n為180（劣化系數為0.763）時，安全系數為2.856。相同干濕循環次數下，F20G30S5混凝土路面結構安全系數均大于OPC混凝土路面結構安全系數，平均相差0.28。

4.3混凝土劣化對襯砌結構力學性能的影響

混凝土路面結構力學性質變化會導致隧道應力重分布，使襯砌受力發生變化，本節針對隧道襯砌應力分布及變化進行分析。

圖7為隧道襯砌隨兩種材料劣化進行而出現的壓應力變化值趨勢。F20G30S5混凝土路面結構從劣化開始襯砌壓應力相對于劣化前的變化值均為0.39 MPa；隧道襯砌壓應力變化則隨著OPC混凝土劣化進行，逐漸增大，最大變化值為0.3952 MPa，且襯砌應力變化值大于F20G30S5混凝土路面結構。路面結構劣化時隧道整體會應力重分配，整體穩定性受到影響。應力云圖反應出襯砌最大受壓點在左右邊墻處，受力較對稱。

5 結論

本文基于賀州至巴馬高速公路（來賓至都安段），通過數值模擬，研究多元復摻膠凝材混凝土路面考慮劣化后在車輛荷載影響下的力學性質。根據分析結果提出的關于多元復摻膠凝材混凝土路面劣化規律，對隧道路面結構施工具有參考意義。本文得出以下結論：

（1）干濕循環次數相同時，F20G30S5材料劣化系數均大于OPC材料劣化系數，且差值隨循環次數的增加而增加。OPC材料抗劣化性不如F20G30S5材料。

（2）兩種材料劣化對路面隆起影響較小；隨著劣化進行，F20G30S5混凝土結構路面受壓、拉應力基本無變化，OPC混凝土結構路面受應力緩慢下降。表明OPC混凝土路面結構承壓能力小于F20G30S5混凝土路面結構，OPC劣化會導致隧道整體進行應力重分配。

（3）路面結構安全系數會隨著兩種材料的劣化而降低，OPC混凝土結構路面呈線性下降；F20G30S5混凝土路面結構呈拋物線下降趨勢，后半段趨于平緩。OPC混凝土結構路面安全系數在同樣干濕循環次數時均小于F20G30S5混凝土結構路面。

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