萬正華，黃 超，郭洪軍，張長弓，楊永利

(中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司,湖北 武漢 430051)

0 引言

近年來，高速公路隧道因路面抗滑性能不足引起的交通安全事故屢見報(bào)道，特別是在我國西部山區(qū)某些特長隧道，隧道采用水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，隨著通車運(yùn)營年限的增長，在車輛行車荷載的作用下，表面紋理被磨光，造成其抗滑性能逐年衰減，由此引發(fā)的道路安全事故頻發(fā)，隧道運(yùn)營安全越來越引起人們的重視。

以湖北省西部山區(qū)高速公路為例，為改善隧道水泥混凝土路面抗滑性能衰減問題，管養(yǎng)單位早期采用銑刨拉毛方式來提高水泥混凝土路面的抗滑性能。但從改善效果看，銑刨拉毛處理后不到一年的時間，抗滑性能再次衰減到規(guī)范要求值以下，且采用銑刨拉毛的方式造成水泥混凝土路面的厚度逐漸變薄，勢必造成路面其他性能的衰減。近年來，管養(yǎng)單位為避免水泥混凝土路面厚度進(jìn)一步降低，同時結(jié)合隧道凈空等因素，采用加鋪1層6 cm厚的SMA-13方式改善既有水泥混凝土路面的抗滑性能。

較多學(xué)者通過有限元模擬的方式分析計(jì)算路面力學(xué)行為以及路面的動態(tài)響應(yīng)，馮偉等[1]基于足尺路面環(huán)道路面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用ABAQUS有限元模擬及灰關(guān)聯(lián)分析法，分析了不同溫度、行車速度、荷載水平以及荷載作用次數(shù)對車轍的影響，得到了溫度與荷載水平對車轍的影響較大等重要結(jié)論；董澤蛟等[2]基于現(xiàn)場實(shí)測應(yīng)變，通過三維有限元建模，分析了在不同車速、不同荷載、不同作用位置等條件下路面結(jié)構(gòu)層的動力響應(yīng)，得到了彎拉應(yīng)變在低速時拉壓應(yīng)變交變幅度較大，低速條件下路面受力最不利等重要結(jié)論；舒富民等[3]通過建立移動荷載作用下的三維仿真模型，分析了移動荷載作用下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)，得到了隨著車速的提高瀝青路面動態(tài)響應(yīng)峰值均減小的重要結(jié)論；胡小弟等[4]利用實(shí)測輪胎接地壓力分布，運(yùn)用三維有限元方法分析了不同類型輪胎在不同胎壓和軸重作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)層的力學(xué)響應(yīng)，得到了輕型貨車同樣產(chǎn)生了不利的荷載響應(yīng)等結(jié)論；許濤等[5]采用有限元法分析了橋面鋪裝層在移動荷載作用下的動力響應(yīng)，得到了最大水平剪應(yīng)力發(fā)生在鋪裝表面，且隨深度的增加迅速減小等重要結(jié)論；嚴(yán)戰(zhàn)友等[6]建立整車-橡膠輪胎-瀝青路面三維有限元模型，對比分析無路面不平度與B級路面不平度激勵下，路面各結(jié)構(gòu)層動力響應(yīng)；周正峰等[7]分別運(yùn)用彈性層狀體系理論的道面設(shè)計(jì)方法與中國民用機(jī)場水泥混凝土道面設(shè)計(jì)方法，建立了復(fù)合道面剩余壽命的預(yù)估方法，提出應(yīng)從結(jié)構(gòu)性和功能性兩方面綜合預(yù)估道面剩余壽命等重要結(jié)論；肖川等[8]在現(xiàn)場埋設(shè)應(yīng)變傳感器，通過控制車輛的軸重、胎壓、車速等加載條件，分析了車輛軸型、軸重、車速和胎壓對路面結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)變響應(yīng)的影響規(guī)律。

筆者擬采用ABAQUS有限元軟件建模，通過分析隧道水泥混凝土路面加鋪1層6 cm厚SMA-13的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)，為此類路面結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 有限元模型建立

運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行仿真，建立復(fù)合路面三維有限元模型，模型寬度為5 m、高度為6.5 m、沿行車方向長度為5 m。模型整體如圖1所示，路面結(jié)構(gòu)層為面層SMA-13 cm，基層為混凝土24，40 cm仰拱回填(填充物為C20片石混凝土)，土基6 m。

圖1 有限元模型與標(biāo)準(zhǔn)軸載荷載分布Fig.1 Finite element model and distribution of standard axle loads

本研究模擬采用移動帶的方式實(shí)現(xiàn)動態(tài)加載，荷載以20 m/s(72 km/h)的速度沿著荷載區(qū)域移動，移動荷載通過ABAQUS子程序中的DLOAD實(shí)現(xiàn)[9-13]。行車荷載使用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，將其簡化為矩形均布荷載(圖1(b))，豎直均布壓力大小取為0.7 MPa[14]。瀝青路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表1。在計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)中，對于一般土木工程結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)阻尼比ζ通常小于0.14，一般范圍為2%～9%。在路面結(jié)構(gòu)動力學(xué)計(jì)算中，大多數(shù)學(xué)者都將這一參數(shù)取為5%[15]。因此，本研究假定路面結(jié)構(gòu)阻尼比ζ為恒定值5%，按兩階頻率與阻尼比計(jì)算相應(yīng)的Rayleigh阻尼比例系數(shù)，應(yīng)用兩階不等振動頻率所給定的阻尼比來確定比例系數(shù)，即：

表1 路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)Tab.1 Parameters of each structural layer of pavement

(1)

(2)

式中，ωi,ωj為任意兩振型的固有圓頻率；ζi,ζj為與之相對應(yīng)的阻尼比。使用ABAQUS線性攝動分析步(Linear Perturbation)中的頻率模塊對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，本研究模擬的振動頻率范圍設(shè)定為100階，取第1,第2階的ω1與ω2代入式(1)與式(2)計(jì)算，得到α與β值。計(jì)算結(jié)果為α=5.152,β=3.210×10-4。

2 荷載作用下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 靜態(tài)荷載作用下路面力學(xué)響應(yīng)分析

研究該路面結(jié)構(gòu)在靜載作用下瀝青層底以及水泥混凝土基層層底的力學(xué)響應(yīng)。由圖2(a)可以看出，在靜態(tài)荷載作用下沿著行車和垂直行車方向?yàn)r青層底不同位置受力狀態(tài)不同，呈現(xiàn)“M”形狀；在輪隙中心處拉應(yīng)變達(dá)到峰值，垂直于行車方向輪隙中心拉應(yīng)變?yōu)?1 με，沿著行車方向輪隙中心拉應(yīng)變?yōu)?9.48 με。由圖2(b)可以看出基層層底彎拉應(yīng)變呈現(xiàn)雙峰值，沿著行車方向，基層層底一直處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)變?yōu)?.50 με，垂直于行車方向則存在較小的拉應(yīng)變，主要原因是基層水泥混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高所致。

圖2 層底彎拉應(yīng)變Fig.2 Flexural and tensile strain at bottom of asphalt layer

由圖3(a)可以看出瀝青層底橫向剪應(yīng)變以輪隙為中心沿路面橫向呈反對稱分布，橫向最大剪應(yīng)變111.55 με，對應(yīng)的最大剪應(yīng)力為0.84 MPa；由圖3(b)縱向剪應(yīng)變以輪隙為中心沿路面縱向呈反對稱，縱向最大剪應(yīng)變107.71 με，對應(yīng)的最大剪應(yīng)力為0.81 MPa。由應(yīng)變云圖可以看出縱向剪切應(yīng)變對稱點(diǎn)較橫向剪切應(yīng)變對稱點(diǎn)發(fā)生前移。

圖3 路面瀝青層底剪切應(yīng)變Fig.3 Shear strain at bottom of asphalt layer of pavement

由圖4可以看出基層層底縱向、橫向剪切應(yīng)變均較小，橫向剪切應(yīng)變最大值為8.01 με，縱向剪切應(yīng)變最大值為8.89 με，與面層相比其剪切應(yīng)變基本可以忽略不計(jì)。

圖4 路面基層層底剪切應(yīng)變Fig.4 Shear strain at base course bottom of pavement

計(jì)算最大剪應(yīng)力點(diǎn)位如圖1(d)所示，由圖5可以看出剪應(yīng)力沿路面深度方向呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大剪應(yīng)力峰值在路面深度5.8 cm處，靠近瀝青層底部，極易造成瀝青面層內(nèi)部松散，當(dāng)其達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度峰值時即發(fā)生剪切破壞，在行車荷載作用下容易形成裂縫、坑槽等病害。圖5通過提取1～7計(jì)算點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)最大剪應(yīng)力峰值在外側(cè)輪載接地輪廓的外邊緣處，由此可見輪胎外邊緣處瀝青路面容易發(fā)生剪切破壞。

圖5 最大剪應(yīng)力峰值Fig.5 Maximum peak shear stress

2.2 室內(nèi)斜剪、拉拔試驗(yàn)

在室內(nèi)成型的水泥混凝土試塊表面分別涂抹改性乳化瀝青、反應(yīng)型防水黏結(jié)劑、環(huán)氧瀝青3種黏層油，再將瀝青混凝土非成型面黏合在涂刷有3種黏層油的水泥混凝土試件上，成型試件如圖6、圖7所示。環(huán)氧瀝青黏層油試件根據(jù)國產(chǎn)環(huán)氧瀝青的特性，其養(yǎng)生條件為：放入50 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中養(yǎng)生4 h，再將溫度升至120 ℃繼續(xù)養(yǎng)生12 h，取出冷卻至室溫。其他試件在常溫下養(yǎng)護(hù)。將養(yǎng)生好的試件分別進(jìn)行45°斜剪和拉拔試驗(yàn)，如圖8、圖9所示。

圖6 不同黏層油試件Fig.6 Binder specimens with different viscous layers

圖7 拉拔試件Fig.7 Pull-out specimens

圖8 斜剪試驗(yàn)Fig.8 Oblique shear test

圖9 拉拔試驗(yàn)Fig.9 Pull-out test

室內(nèi)斜剪試驗(yàn)結(jié)果見圖10，改性乳化瀝青黏層、反應(yīng)型防水黏結(jié)劑黏層和環(huán)氧瀝青黏層的層間抗剪強(qiáng)度分別為0.4，1.1，2.96 MPa，對比2.1節(jié)計(jì)算層底最大剪應(yīng)力0.84 MPa，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、匹配性，推薦在隧道水泥路面中加鋪單層SMA-13瀝青混合料時層間黏層油選用反應(yīng)型防水黏結(jié)劑。其中試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黏層油灑布量并不是越多越好，過多反而在界面產(chǎn)生油膜導(dǎo)致其層間拉拔、抗剪強(qiáng)度降低，其試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，建議黏層油撒布量控制在1.0 kg/m2左右。

圖10 不同黏層油抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)圖Fig.10 Test diagram of shear strength of binder with different viscous layers

圖11 反應(yīng)型黏層油用量抗剪強(qiáng)度、拉拔試驗(yàn)Fig.11 Shear strength and pull-out test of reactive binder dosage

2.3 勻速荷載下路面結(jié)構(gòu)層動態(tài)響應(yīng)分析

在移動荷載作用下，通過改變軸重、胎壓、車速等因素，分析計(jì)算輪胎中心點(diǎn)及其豎向位置處瀝青路面的動力響應(yīng)。

圖12(a)為瀝青面層層底彎拉應(yīng)變時程曲線，可以看出瀝青面層層底縱向和橫向應(yīng)變的時程曲線差異較大，縱向最大拉應(yīng)變?yōu)?1.38 με，而橫向最大拉應(yīng)變?yōu)?2.39 με；瀝青面層層底縱向應(yīng)變處于拉壓交替狀態(tài)，并且縱向壓應(yīng)變左右峰值并不相等，右側(cè)壓應(yīng)變峰值小于左側(cè)壓應(yīng)變峰值，這是由于瀝青混凝土為黏彈性材料，在受拉狀態(tài)下表現(xiàn)出黏滯性，短時間瀝青無法恢復(fù)到原狀[16-18]。瀝青面層層底橫向彎拉應(yīng)變始終處于受拉狀態(tài)，且應(yīng)變恢復(fù)到初始狀態(tài)需要較長時間，由此可以看出縱向彎拉應(yīng)變更容易造成面層的疲勞破壞。由圖12(b)可以看出基層層底彎拉應(yīng)變縱向與橫向時程曲線相似，且應(yīng)變水平與面層層底彎拉應(yīng)變相比，明顯小了很多。

圖12 層底彎拉應(yīng)變Fig.12 Bending and tensile strain at base course bottom

圖13為瀝青面層底剪應(yīng)變時程曲線，其層底縱向處于復(fù)雜的受剪狀態(tài)，荷載移動到研究點(diǎn)位前表現(xiàn)出正向的受剪狀態(tài)，即路面表現(xiàn)出向前推擠變形，此時瀝青面層容易發(fā)生縱向剪切流變，而荷載離開研究點(diǎn)位后表現(xiàn)出突變負(fù)向的剪應(yīng)變，即路面表現(xiàn)出向后的推擠變形。另外，面層層底縱向剪應(yīng)變從正向變?yōu)樨?fù)向的變化時間短，且變化幅值較大，在勻速移動荷載反復(fù)作用下，瀝青面層易產(chǎn)生縱向流動變形。面層層底橫向剪應(yīng)變始終表現(xiàn)為單向的受剪狀態(tài)。圖14為不同軸重下面層層底剪應(yīng)變隨深度的變化情況，可以看出不同軸重下瀝青面層層底縱向剪應(yīng)變分布圖，其剪應(yīng)變隨著軸重的增大而增大，峰值剪應(yīng)變位于3 cm處，BZZ-240 kN時峰值剪應(yīng)變?yōu)?3 με，BZZ-100 kN時峰值剪應(yīng)變?yōu)?6 με。圖15為不同胎壓、車速下的瀝青面層層底彎拉應(yīng)變峰值情況，隨著車速的增加層底彎拉應(yīng)變峰值明顯降低，隨著胎壓的增大層底彎拉應(yīng)變峰值均增大，其中超壓對橫向彎拉應(yīng)變的影響明顯小于縱向彎拉應(yīng)變。

圖13 瀝青層底剪應(yīng)變時程曲線Fig.13 Time history curve of shear strain of asphalt layer bottom

圖14 不同軸重下瀝青面層層底剪應(yīng)變Fig.14 Shear strain of asphalt surface course bottom under different axle loads

圖15 瀝青層底峰值彎拉應(yīng)變Fig.15 Peak flexural tensile strain at asphalt layer bottom

3 結(jié)論

基于隧道水泥混凝土路面加鋪單層瀝青層的剛?cè)釓?fù)合路面結(jié)構(gòu)，建立了靜載、移動荷載作用下瀝青路面三維有限元模型，得出路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的時程變化和空間分布情況，基于其分布規(guī)律及影響因素的分析，得出以下結(jié)論：

(1)靜載作用下瀝青面層層底不同位置處受力狀態(tài)不同，且橫向應(yīng)變幅值大于縱向應(yīng)變幅值，而基層層底縱、橫向彎拉應(yīng)變均較小。

(2)最大剪應(yīng)力位于輪胎邊緣，沿路面深度方向5.8 cm處，極易發(fā)生剪切破壞。

(3)通過室內(nèi)斜剪、拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)，分析改性乳化瀝青、反應(yīng)型防水黏結(jié)劑、環(huán)氧瀝青的層間黏結(jié)效果，綜合經(jīng)濟(jì)性、適用性等因素，在隧道水泥混凝土路面加鋪單層瀝青面層的結(jié)構(gòu)中，采用反應(yīng)型防水黏結(jié)劑作為黏層油更為合理。

(4)移動荷載作用下，輪胎中心處層底拉應(yīng)變峰值左邊大于右邊，瀝青面層表現(xiàn)出明顯的黏彈性，短時間內(nèi)瀝青面層拉應(yīng)變無法恢復(fù)到原狀，體現(xiàn)了瀝青混合料的黏滯性。

(5)輪胎胎壓在超胎壓狀態(tài)下對瀝青層底橫向彎拉應(yīng)變峰值影響小于縱向彎拉應(yīng)變峰值，隨著車速的增加，層底彎拉應(yīng)變峰值減?。浑S著胎壓的增大，層底彎拉應(yīng)變也隨著增大。

(6)隧道水泥混凝土路面加鋪瀝青層的應(yīng)變響應(yīng)與各結(jié)構(gòu)層模量有直接關(guān)系，本研究數(shù)值模擬分析僅給出了應(yīng)變的變化規(guī)律，需通過實(shí)測各結(jié)構(gòu)層模量以獲取基本參數(shù)，才能反映該路面結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變水平。