楊吉龍， 張林艷*， 李先延， 徐默楠， 劉維娟

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

隨著公路建設(shè)從平原向丘陵山區(qū)的推進，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合式瀝青砼路面為主。而復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；但受自身材料的影響，在頻繁制動、超載及淋水等因素下性能衰減過快。而相關(guān)研究表明，復合式結(jié)構(gòu)破壞主要出現(xiàn)于路表，并把面層作為路表磨耗層，并認為進行定期更換磨耗層可實現(xiàn)長壽命要求[6]。國外發(fā)達國家對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配瀝青混凝土(AC)、瀝青瑪碲脂碎石混合料(SMA)、開級配瀝青磨耗層(OGFC)為主。Cai等[9]通過對比AC-13、SMA-13和OGFC-13進行功能性測試，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致耐久性、抗疲勞性差等問題，嚴重制約隧道路表結(jié)構(gòu)的耐久性[10]。環(huán)氧瀝青具有優(yōu)異的物理力學性質(zhì)，具備強度高、抗疲勞性能、耐久性好和阻燃等優(yōu)點[11]；環(huán)氧瀝青相較于傳統(tǒng)改性瀝青，在提高開級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，直到目前仍在運營[14]。新西蘭交通局對環(huán)氧改性開級配多孔瀝青(EMOGPA)的性能進行研究，壽命預測可達144年，表明環(huán)氧瀝青是一種理想的潛在解決方案。

中國對隧道復合式路面疲勞壽命和抗開裂性能也有大量的研究。但多集中在標準軸載下的研究；而現(xiàn)行的規(guī)范以彈性層狀體系為力學模型，假設(shè)各層間界面為完全連續(xù)接觸，與實際不符；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隧道復合式路面的瀝青層厚度進行了研究。Nunez等[16]認為將假定各層間處于完全連續(xù)狀態(tài)進行復合式路面的設(shè)計。黃優(yōu)等[17]研究了標準軸載下不同層間接觸狀況對剛?cè)釓秃鲜铰访婕魬?yīng)力的影響。為此，以環(huán)氧瀝青材料為基礎(chǔ)，研究環(huán)氧瀝青復合式隧道路表結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)，以期為中國隧道路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考及依據(jù)。

1 有限元模型與材料力學參數(shù)的確定

利用有限元軟件ABAQUS進行計算分析。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)進行研究。

1.1 復合式隧道路面結(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象；研究砼板塊間橫縫對瀝青層的影響，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展2 m和豎向擴展4 m時，圍巖尺寸對結(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；有限元計算模型如圖1所示。

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

利用ABAQUS建立C3D8R實體單元的三維有限元結(jié)構(gòu)模型，3個自由度為：x方向為行車方向，y方向為橫縫方向，z方向為路面結(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)命令進行分析層間接觸狀態(tài)對結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)的影響，此外假設(shè)為完全連續(xù)接觸。

1.2 有限元模型力學參數(shù)

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

表1 復合式隧道路面結(jié)構(gòu)材料力學參數(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)，采用方形尺寸來進行擬合實際路面受力狀況。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)計規(guī)范》(JTGD50—2017)，行車荷載采用標準軸載BZZ-100，輪胎接地壓強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：標準軸載(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(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)氧瀝青作為面層進行力學分析，保證其足夠厚度進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)在標準軸載下的力學響應(yīng)變化規(guī)律如圖3所示?？梢钥闯觯S著面層與基層層間接觸狀態(tài)的提升，層間接觸對結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)結(jié)果影響甚微；若將層間接觸提升至綁定約束時，力學指標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)改變對環(huán)氧瀝青復合式路面結(jié)構(gòu)研究結(jié)論相一致。結(jié)構(gòu)力學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，結(jié)構(gòu)力學響應(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，同時其剪應(yīng)力值僅為0.077 MPa，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)標準軸載下最不利荷位為荷位03。

圖3 標準軸載下力學結(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%作用下的力學響應(yīng)變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 超載工況下力學結(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，超載情況下力學特征值變化規(guī)律與標準軸載工況下相類似，表明僅豎向荷載作用下對結(jié)構(gòu)具有相同的影響規(guī)律，力學響應(yīng)規(guī)律與荷載大小無關(guān)。以實際層間接觸狀態(tài)(摩擦系數(shù)為0.4)時，取荷位03的力學結(jié)果，相較于標準軸載力學響應(yīng)結(jié)果，拉應(yīng)力增幅達81.3%，拉應(yīng)變增幅達83.7%，剪應(yīng)力增幅達79.4%，表明超載對結(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%和緊急制動同時作用下的力學響應(yīng)變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 特殊工況下力學結(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，隨著面層與剛性基層的層間接觸狀態(tài)的提升，對力學響應(yīng)結(jié)果影響甚微，偏載作用下力學特征值隨層間摩擦系數(shù)增大呈非線性遞減，力學響應(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，以荷位03為例，力學響應(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93.7%、91.6%和77.1%，表明水平荷載作用下層間接觸狀態(tài)對結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)值影響顯著。參考文獻資料及室內(nèi)試驗確定環(huán)氧瀝青混合料抗拉強度為3.721 MPa、抗剪強度1.5 MPa[23]；并按照《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》(CJJ 169—2012)及試驗獲得的抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)為2.24，計算進行容許抗剪強度和抗拉強度為1.19 MPa和1.66 MPa,且最大應(yīng)力均小于容許強度值。通過分析其力學特征值隨層間接觸狀態(tài)的包絡(luò)圖，僅豎向荷載作用時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時的力學結(jié)果進行對比研究，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)變增幅分別為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)力學性能的關(guān)鍵影響因素，超載對結(jié)構(gòu)疲勞性能較為敏感，水平荷載對結(jié)構(gòu)的抗剪切滑移破壞能力敏感度更高。而結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)最值所映射的區(qū)域；在僅豎向荷載作用時，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；當水平荷載作用時，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)計提出的力學設(shè)計指標出現(xiàn)的位置相一致，同時剪應(yīng)力為橫向剪應(yīng)力τxy。

2.2 單層環(huán)氧瀝青厚度對結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)的影響

環(huán)氧瀝青層的厚度直接關(guān)系復合式隧道路面結(jié)構(gòu)的強度、剛度和受力特性，同時也影響其工程造價。因此采用標準軸載作用下單層環(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)氧厚度對力學響應(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響應(yīng)值、施工難度及經(jīng)濟性考慮，單層環(huán)氧瀝青復合式隧道路表結(jié)構(gòu)推薦厚度為2～5 cm。

3 應(yīng)力吸收層對結(jié)構(gòu)的敏感性分析

反射裂縫是復合式路面的常見病害，是當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和級配碎石S-5進行對比研究。

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、力學模擬結(jié)果合經(jīng)濟性的因素。同時保證有足夠的路表厚度4 cm，滿足隧道進出口位置溫度梯度變化引起溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響[24]。進而確保結(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，同時研究應(yīng)力吸收層類型和厚度對結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)的影響規(guī)律，根據(jù)力學分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)的比選。

3.1 應(yīng)力吸收層AC-10對結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)的影響

應(yīng)力吸收層AC-10作為一種細粒式密集配瀝青混合料，能夠同時兼?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，進而有效降低初期建設(shè)費用；同時因模量相對較低，需保證其適宜厚度。不同厚度的對結(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1.5倍，剪應(yīng)力增幅達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厚度的增大對結(jié)構(gòu)應(yīng)力增長呈正相關(guān)關(guān)系，且拉應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響更大；同時最大拉應(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，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)氧瀝青復合式隧道路表結(jié)構(gòu)。

3.2 應(yīng)力吸收層S-5對結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)的影響

應(yīng)力吸收層S-5級配碎石則因其低模量特性，能夠有效緩解其反射裂縫對結(jié)構(gòu)的影響，同時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，還能夠降低路表磨耗層的厚度，進而使復合式隧道路表結(jié)構(gòu)初期建設(shè)成本得到有效的控制；除上述因素之外，仍需嚴格控制其厚度，使而確保應(yīng)力吸收層過厚而對結(jié)構(gòu)性能及結(jié)構(gòu)功能性的影響。因此，進一步深入研究應(yīng)力吸收層厚度對環(huán)氧瀝青路表磨耗層結(jié)果結(jié)構(gòu)的影響，以期能夠為環(huán)氧瀝青復合式隧道路表結(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)氧瀝青復合式隧道路表結(jié)構(gòu)力學響應(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，但隨厚度的增加會導致路表彎沉值增加，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)的控制指標為層底彎拉應(yīng)變。根據(jù)上述分析、經(jīng)濟性和對照分析的綜合考慮，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)的力學響應(yīng)分析

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

結(jié)構(gòu)一實質(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)以及病損控制指標及確定其設(shè)計指標，進而為長期性能監(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)下的力學響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果如圖9所示。

圖9 力學響應(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：力學指標的宏觀變化趨勢相類似，僅豎向荷載作用時，層間摩擦接觸對結(jié)構(gòu)力學結(jié)果影響甚微；而水平荷載作用時，力學結(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，3種荷載工況下力學指標隨著荷載標準軸載、超載及同時作用下變化規(guī)律為，拉應(yīng)變增幅分別為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，假定在達到路面壽命時其損壞標準是相同的，以瀝青路面彎拉應(yīng)變與為指標，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；同時以材料疲勞壽命按假設(shè)40年達10億次進行驗證[25]。取摩擦系數(shù)為0.4的實際層間接觸狀態(tài)進行驗算，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)疲勞方程驗算環(huán)氧瀝青疲勞壽命，其計算公式為

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，新西蘭對環(huán)氧瀝青排水研究壽命預估結(jié)果表明，其壽命可達144年。

4.2 EOGFC-13+S-5路表結(jié)構(gòu)力學響應(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)對結(jié)構(gòu)下的力學響應(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，其計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 力學響應(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，對結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)結(jié)果影響不顯著；特殊荷載工況下，力學特征指標應(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，力學指標隨著荷載標準軸載、超載及超載緊急制動下變化規(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)力學特征指標所映射的最不利位置與單層環(huán)氧瀝青復合式路面結(jié)構(gòu)相一致，顯然其控制指標為層底彎拉應(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進行結(jié)構(gòu)疲勞壽命預估，其計算結(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)氧瀝青復合式隧道路表結(jié)構(gòu)對比分析

通過對比分析起兩種擬推薦結(jié)構(gòu)的力學性能及結(jié)構(gòu)疲勞壽命預估，并結(jié)合經(jīng)濟性進行綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)選；其具體結(jié)果如表7所示,其中結(jié)構(gòu)一試驗段鋪筑效果如圖11所示。

由表7可知：學響應(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)的性能對比分析Table 7 Performance co MParison analysis of two proposed structures

圖11 環(huán)氧瀝青復合式隧道路表結(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頻繁的路段。OGFC-13屬于開級配路表磨耗層；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水壓力、地下水及路表水對路面結(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相對頻繁的位置可鋪設(shè)EOGFC-13+S-5的隧道路表結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

通過研究環(huán)氧瀝青復合式隧道路表結(jié)構(gòu)力學響應(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；僅豎向荷載作用時為恰好通過橫向縮縫邊緣位置，水平荷載作用下時為恰好到達橫向縮縫位置。而水平荷載作用時，層間接觸狀態(tài)的提升能夠有效降低結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)值，對兩種結(jié)構(gòu)影響次序為拉應(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)力指標作為復合式路面結(jié)構(gòu)的力學設(shè)計指標能夠較好表征結(jié)構(gòu)實際受力狀態(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，低模量的應(yīng)力吸收層S-5對應(yīng)的結(jié)構(gòu)組合其預測性能相較于結(jié)構(gòu)一更優(yōu)。

(4)基于橋渡原理對兩種結(jié)構(gòu)的疲勞性能預估，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)氧瀝青復合式隧道路表結(jié)構(gòu)形式。