隧道复合式路面结构的力学响应分析

隧道复合式路面是由沥青层和水泥混凝土层构成的路面结构，其在车辆荷载作用下的受力特点与普通的沥青路面和水泥路面存在较大差异。路面力学响应分析是进行路面结构设计的核心，已经有很多学者对隧道复合式路面在荷载作用下的力学响应进行研究，但是，这些研究大多只涉及复合式路面中沥青层的受力状况，而未考虑水泥混凝土层以及沥青层与水泥混凝土层层间的受力特性。水泥混凝土层以及层间的受力对于整个复合式路面结构的使用寿命同样重要，因此，有必要对隧道复合式路面进行较为全面的力学响应分析。

本文运用有限元软件ABAQUS建立隧道复合式路面力学计算模型，根据路面的主要病害类型确定关键设计指标，全面分析竖向荷载、水平荷载以及层间接触状态对复合式路面力学响应的影响，并在此基础上提出隧道复合式路面结构设计的合理建议。

1  有限元模型及相关参数

有限元模型采用ABAQUS软件建立，模型各层的结构与材料参数见表1。模型行车方向、垂直行车方向的尺寸均为6m，采用三维六面二次单元C3D20R，边界条件假设为：底面完全固定，左右两侧面没有横向位移，前后两侧没有纵向位移，水泥混凝土层与路基层间接触状态为完全连续。

静态力学计算采用的竖向荷载为双矩形荷载，单一矩形尺寸为18.9×18.9cm、双矩形中心距为32cm，水平荷载作用于竖向荷载作用面的表面，方向沿行车方向。

2  关键力学指标的确定

隧道复合式路面沥青层的主要病害为车辙变形、开裂等，车辙变形是由沥青层内的剪应力引起的，而开裂是由沥青层内的拉应变引起；水泥混凝土层的主要病害为开裂，开裂是由水泥混凝土层内的拉应力过大引起的；沥青层与水泥混凝土层的层间粘结破坏主要是由层间剪应力引起的。因此，选取沥青层剪应力和水平拉应变、水泥混凝土层水平拉应力以及层间剪应力作为复合式路面力学计算的关键指标。

3  计算结果分析

3.1  竖向荷载对力学响应的影响

选取0.7、0.9、1.1MPa三个竖向荷载应力水平分别进行计算，计算结果表明：随着竖向荷载的增大，沥青层内的剪应力和水平拉应变最大值、水泥混凝土层内的水平拉应力最大值以及沥青层与水泥混凝土层的层间剪应力最大值均呈现逐渐增大的变化趋势。竖向荷载应力从0.7MPa增加到1.1MPa，剪应力、水平拉应变、水平拉应力以及层间剪应力的最大值分别从0.195MPa、182.24με、0.072MPa、0.057 MPa增大至0.307MPa、283.06με、0.113MPa、0.091MPa，增大幅度分别为57%、55%、57%、60%。

3.2  水平荷载对力学响应的影响

竖向荷载应力为0.7Mpa时，采用0、0.2、0.5三种水平力系数（水平应力与竖向荷载应力的比值）分别进行计算，表征车辆没有制动、缓慢制动及紧急制动的情况。计算结果表明：随着水平力系数的增大，沥青层内的剪应力和水平拉应变最大值以及沥青层与水泥混凝土层的层间剪应力最大值均逐渐增大，而水泥混凝土层内的水平拉应力最大值几乎没有变化。水平力系数从0增加到0.5，剪应力、水平拉应变以及层间剪应力的最大值分别从0.195MPa、182.24με、0.057 MPa增大至0.444MPa、412.36με、0.075MPa，增大幅度分别为128%、126%、32%。产生这种现象的主要原因是水平荷载是作用于沥青层表面，水平荷载作用下路面产生的应力、应变沿深度方向衰减较快，因此，水平荷载大小对沥青层以及沥青层与水泥混凝土层层间的力学响应影响较大，而对水泥混凝土层的最大拉应力（位于水泥混凝土层层底）影响较小。

3.3  层间接触状态对力学响应的影响

竖向荷载应力为1.1MPa、水平力系数为0.5，采用0、0.45、0.9三种层间摩擦系数进行计算。计算结果表明：层间摩擦系数不同时，沥青层内的剪应力、水平拉应变以及水泥混凝土层内的水平拉应力沿深度方向的变化规律相同，随着层间摩擦系数的增大，水泥混凝土层内各深度处的水平拉应力几乎没有变化，沥青层内剪应力、水平拉应变的最大值不变，但沥青层底面的剪应力和水平拉应变变化较大，层间摩擦系数从0增大到0.9时，沥青层底面的水平拉应变从330.14με减小到272.86με，减小幅度为17%，而沥青层底面的剪应力从0.013MPa增大到0.111MPa。

4  结语

（1）采用ABAQUS建立三维有限元模型，选取沥青层内的剪应力和水平拉应变、水泥混凝土层内的水平拉应力以及沥青层与水泥混凝土层的层间剪应力作为关键力学指标。

（2）竖向荷载、水平荷载以及层间接触状态对复合式路面力学响应的影响规律如下：

随着竖向荷载的增大，沥青层内的剪应力和水平拉应变最大值、水泥混凝土层内的水平拉应力最大值以及沥青层与水泥混凝土层的层间剪应力最大值均呈现逐渐增大的变化趋势。

随着水平荷载的增大，沥青层内的剪应力和水平拉应变最大值以及沥青层与水泥混凝土层的层间剪应力最大值均逐渐增大，而水泥混凝土层内的水平拉应力最大值几乎没有变化。

随着层间摩擦系数的增大，水泥混凝土层内各深度处的水平拉应力几乎没有变化，沥青层内剪应力、水平拉应变的最大值不变，但沥青层底面的剪应力和水平拉应变变化较大。

（3）由力学计算结果可知：在车辆荷载较大的情况下，隧道复合式路面的受力较为不利，应优化路面结构设计，提高路面抵抗荷载作用的能力。同时，应增大沥青层与水泥混凝土层的层间摩擦系数，从而有效防止沥青层底的疲劳开裂。