摘要：為解決車輛駛經(jīng)城市下穿隧道入口處碾壓截水溝蓋板產(chǎn)生噪聲并達(dá)噪聲峰值的問(wèn)題，本文提出一種排水型路面結(jié)構(gòu)體系：即把截水溝結(jié)構(gòu)下沉到高透水性瀝青路面以下。下穿隧道下坡段雨水流經(jīng)高透水性瀝青路面至橫向截水溝，再排至隧道縱向排水溝，達(dá)到排水目的。通過(guò)引入成自瀘高速入城段（皇經(jīng)樓路）改造工程，并對(duì)工程中排水型路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其力學(xué)行為。研究結(jié)果表明：（1）單次軸載作用下，車輛緊急制動(dòng)造成的路面沉降值最大，此最大路面沉降值最大為：0.52 mm；在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)瀝青層彎拉設(shè)計(jì)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次為：2 786.27萬(wàn)次/車道，經(jīng)疲勞驗(yàn)算后，發(fā)現(xiàn)最大變形累計(jì)值為9.6 mm，滿足規(guī)范要求。（2）在不同行車狀態(tài)（正常啟動(dòng)、一般制動(dòng)、緊急制動(dòng)）下，路面鋪裝層層間最大剪應(yīng)力值均出現(xiàn)在車輛緊急制動(dòng)時(shí)，最大剪應(yīng)力值為0.34 MPa，且截水溝箱體正上方處是抗剪切破壞的最不利位置。（3）不同工況條件，不同行車狀態(tài)下的層間錯(cuò)動(dòng)值數(shù)據(jù)分析得到：車輛緊急制動(dòng)時(shí)引起的接觸層層間錯(cuò)動(dòng)值最大，且所有接觸層的最大層間錯(cuò)動(dòng)值均不大于0.25 mm。

關(guān)鍵詞：城市下穿隧道；降噪研究；數(shù)值計(jì)算；排水型路面結(jié)構(gòu)；層間剪切；層間錯(cuò)動(dòng)

中圖分類號(hào)：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-6478（2023）01-0150-07

Study on Mechanical Behavior of Drainage Pavement Structure Under Vehicle Load

TU Guo XIAO Jun LIN Zhiyu YIN Qiang JIANG Kejin AI Jia

（1. Southwest Jiaotong University，Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Chengdu Sichuan 610031，China；2. Chengdu Expressway Construction and Development Co.，Ltd.，

Chengdu Sichuan 610031，China）

Abstract：To solve the problem of the noise peak generated by rolling the intercepting ditch cover plate at the entrance of urban underpass tunnel，a drainage pavement structure system is proposed，by sinking the intercepting ditch structure below the high permeability asphalt pavement. The rainwater in the downhill section of the tunnel passes through the high permeability asphalt pavement to the transverse intercepting ditch，and then to the longitudinal drainage ditch of the tunnel to achieve the purpose of drainage. Through introducing the reconstruction project of Chengdu Zigong Luzhou Expressway，the drainage road structure in the project is numerically calculated and its mechanical behavior is analyzed. The results show that：（1）Under single axle load，the maximum pavement settlement caused by vehicle emergency braking is 0.52 mm；within the design service life，the cumulative standard axle times of bending and pulling design of asphalt layer is 27.862 7 million times / lane. After fatigue checking calculation，it is found that the cumulative value of maximum deformation is 9.6 mm，which meets the specification requirements.（2）Under different driving conditions （normal start，general braking and emergency braking），the maximum shear stress between pavement layers occurs when the vehicle is in emergency braking，the maximum shear stress is 0.34 MPa，and the most unfavorable position to resist shear damage is directly above the intercepting ditch box.（3）According to the analysis of interlaminar slip value data under different working conditions and driving conditions，the maximum interlaminar slip value caused by vehicle emergency braking is obtained. And the maximum interlayer dislocation value of all contact layers shall not be greater than 0.25 mm..

Key words：urban undercrossing tunnel；noise reduction research；numerical calculation；drainage pavement structure；interlaminar shear；interlayer dislocation

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展，2020年，我國(guó)常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá)63.89%，城市數(shù)量達(dá)687個(gè)，城市建成區(qū)面積達(dá)6.1萬(wàn)平方公里。城市常住人口的增加給我國(guó)城市交通帶來(lái)巨大壓力，為解決城市交通擁堵問(wèn)題，使城市生活更加便利，城市內(nèi)建設(shè)了越來(lái)越多的下穿隧道。

城市下穿隧道正成為城市公共交通的重要組成部分，其運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的交通噪聲不容忽視。此外，隧道屬于半密閉空間，交通噪聲經(jīng)過(guò)多次反射、疊加后將會(huì)產(chǎn)生更大的噪聲，對(duì)駕駛員或者維護(hù)人員的健康造成危害[1]。隧道內(nèi)噪聲源主要有通行車輛產(chǎn)生的噪聲以及射流風(fēng)機(jī)等隧道內(nèi)自有設(shè)備產(chǎn)生的噪聲[2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道噪聲問(wèn)題做了大量研究。張銳等[3]計(jì)算了隧道內(nèi)襯吸聲材料的降噪效果，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)襯吸聲材料能有效降低隧道噪聲，并建議隧道內(nèi)路面材料選擇開(kāi)級(jí)配抗滑磨耗層混合料和瀝青瑪碲脂碎石混合料。李智、孟繁誠(chéng)[4-5]研究了隧道路面鋪裝材料，發(fā)現(xiàn)密級(jí)配薄層瀝青砼加鋪技術(shù)在降噪性能、二次養(yǎng)護(hù)等方面均具有優(yōu)勢(shì)，并發(fā)現(xiàn)高性能改性瀝青能提高瀝青混合料礦料間隙率，使路面具有良好的降噪性能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青的降噪性能明顯優(yōu)于SBS類改性瀝青的降噪性能。史小麗等[6]研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)空間降噪設(shè)計(jì)中需連續(xù)鋪設(shè)吸聲材料，在地面和某側(cè)邊墻連續(xù)布設(shè)70%長(zhǎng)度的吸聲材料可達(dá)最佳降噪效果。但目前為止，在解決車輛經(jīng)過(guò)下穿隧道入口處截水溝蓋板產(chǎn)生較大聲響的問(wèn)題方面，需要進(jìn)一步研究。黃俊等[7]對(duì)8座典型城市隧道進(jìn)行噪聲實(shí)測(cè)得出：隧道內(nèi)噪聲平均高于隧道外噪聲8.6 dBA，隧道外噪聲值在60 ～ 80 dBA范圍之間。車輛通過(guò)隧道入口處的截水溝蓋板時(shí)，噪聲值明顯高于其他時(shí)候并達(dá)到噪聲峰值。

為降低車輛通過(guò)隧道入口處截水溝蓋板時(shí)所造成的噪聲峰值，本文提出一種排水型路面結(jié)構(gòu)體系：即把截水溝結(jié)構(gòu)下沉到高透水性瀝青路面以下。下穿隧道下坡段雨水流經(jīng)高透水性瀝青路面至橫向截水溝，再排至隧道縱向排水溝，達(dá)到排水目的。

這一新型排水路面結(jié)構(gòu)體系的承載能力以及路面變形是否滿足規(guī)范要求還需進(jìn)一步驗(yàn)證。有鑒于此，本文結(jié)合實(shí)際工程案例，利用有限元軟件計(jì)算分析排水型路面結(jié)構(gòu)在不同行車狀態(tài)及不同位置的受力特性，為類似工程的施工提供理論參考。

1 工程概況

排水型路面結(jié)構(gòu)體系，即把截水溝結(jié)構(gòu)下沉到高透水性面層鋪裝層以下，如圖1所示。下坡段雨水流經(jīng)高透水性面層鋪裝層至截水溝，再排至隧道縱向排水溝。高透水性面層鋪裝層不僅要求高透水性，還需要滿足路面承載力要求。

為便于排水型路面結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)行為研究，引入一個(gè)具體實(shí)際工程進(jìn)行研究。

1.1 工程概述

本次研究依托工程為成自瀘高速入城段（皇經(jīng)樓路）改造工程，該工程起點(diǎn)為成自瀘高速出入口（K0+000），終點(diǎn)為皇經(jīng)樓三街（K1+363.719），項(xiàng)目全長(zhǎng)1 363.719 m，其中下穿隧道全長(zhǎng)1 097.337 m。下穿隧道起點(diǎn)位于錦秋二街至琉新路，終點(diǎn)位于皇經(jīng)樓三街，主要分為擋墻段（117.337 m）、船槽段（295 m）和框架段（685 m）。下穿隧道為雙向六車道，隧道線形為直線，擋墻段、船槽段紅線寬度為54 m。輔道起點(diǎn)為錦秋一街，終點(diǎn)為錦江大道，長(zhǎng)447 m，雙向四車道，道路紅線寬度30 m、40 m。

1.2 新型排水路面結(jié)構(gòu)形式與關(guān)鍵參數(shù)

本工程中排水采用排水降噪型路面結(jié)構(gòu)體系，下穿隧道改用全路面瀝青，瀝青采用國(guó)內(nèi)具有代表性的幾種類型，而路面結(jié)構(gòu)內(nèi)埋置預(yù)制好的截水溝，路面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

排水降噪型路面結(jié)構(gòu)體系中截水溝采用預(yù)制透水截水溝箱，并在預(yù)留溝槽處進(jìn)行安裝。截水溝箱兩邊預(yù)埋兩道φ16錨固鋼筋，預(yù)埋錨固鋼筋一共四道，間距均為1 m。截水溝箱采用120 MPa的超高性能混凝土進(jìn)行制作。截水溝箱須錨固牢固后，再澆筑調(diào)平層混凝土。截水溝區(qū)域內(nèi)鋪裝為兩層高粘彈透水瀝青層，坡道除截水溝區(qū)域外的面層均采用透水瀝青砼鋪裝。

2 排水型路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析模型

汽車荷載是通過(guò)輪胎的胎面向路面?zhèn)鬟f的，因此對(duì)輪胎與路面接觸面以及接觸面上荷載分布進(jìn)行合理描述是準(zhǔn)確分析路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)。隨著測(cè)試手段的進(jìn)步，人們已經(jīng)能夠大致實(shí)測(cè)出不同輪載和胎壓下輪胎的真實(shí)接地形狀，以及接地壓強(qiáng)的三維分布形式。研究表明，輪胎與路面的接地形狀介于矩形和橢圓形之間[8]，但對(duì)于載重車輪胎，取矩形接地形狀進(jìn)行計(jì)算。

綜上所述，本文采用矩形接地形狀進(jìn)行計(jì)算，矩形的邊長(zhǎng)計(jì)算采用PCA（1984）法。該法中，矩形接觸面的長(zhǎng)為0.871 2K，寬為0.6K，面積為0.522 7K²，K據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算[9]：

Ｋ=A_cb/0.5227（1）

式中，A_cb為輪胎與路面的接觸面積。

計(jì)算時(shí)采用雙輪單軸100 kN荷載，考慮到雙輪之間的間距是固定的，雙輪的中心間距采用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）中規(guī)定的31.98 cm。當(dāng)單輪荷載為25 kN時(shí)，矩形接觸面積Acb=356.997 cm2，帶入式（1）可得矩形接觸面的長(zhǎng)a=22.77 cm，寬b=15.68 cm。

3 排水型路面結(jié)構(gòu)受力特性分析

3.1 計(jì)算模型建立及參數(shù)選取

考慮到邊際效應(yīng)和減少計(jì)算量，建立模型寬度取矩形接觸面寬度的2倍，采用有限元軟件建立三維有限元模型尺寸為：2.73（道路長(zhǎng)） m×0.447（道路寬） m×1.05 m（道路厚）；路面結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示，模型監(jiān)測(cè)位置布置如圖4所示。

為研究車輛荷載以不同行車狀況行駛（正常啟動(dòng)、一般制動(dòng)、緊急制動(dòng)）至三處關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置時(shí)，路面的力學(xué)性能表現(xiàn)，包括路面彎沉值、路面剪應(yīng)力值、鋪裝層層間錯(cuò)動(dòng)值。設(shè)置3個(gè)計(jì)算工況，具體設(shè)置如表1所示。荷載大小為單輪25 kN，各荷載工況在有限元模型中的設(shè)置如圖5所示。

路面結(jié)構(gòu)模型單元均采用三維8節(jié)點(diǎn)體單元，根據(jù)彈性層狀體系理論，在利用有限元方法分析瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)時(shí)，路面結(jié)構(gòu)體系各層鋪裝假定為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性材料。

參考工程基本資料，得到各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)如表2所示。

車輛在路面上以不同行車狀態(tài)行駛時(shí)，對(duì)路面不僅施加有垂向載荷的作用，也有水平力的作用。車輛對(duì)路面的垂向力主要由車輛的軸載（載重量和自重）產(chǎn)生。路面受到的車輛水平載荷，則受路線狀況（上坡、下坡、轉(zhuǎn)彎等）、車輛運(yùn)行狀態(tài)（勻速行駛、正常加速、一般制動(dòng)、緊急制動(dòng)）等的影響。車輛在水平路面上勻速行駛時(shí)，水平力主要是由于滾動(dòng)摩擦作用產(chǎn)生，數(shù)值較小。另外，車輛在啟動(dòng)、制動(dòng)、緊急制動(dòng)等不同的行駛狀態(tài)下，對(duì)路面產(chǎn)生水平力相差也很大。一般認(rèn)為水平載荷的大小和垂向載荷之間有一定的線性關(guān)系，可用水平力系數(shù)來(lái)衡量，常用的水平載荷如式2計(jì)算：

F=μP （2）

式中，μ為水平力系數(shù)；P為車輛對(duì)路面的垂向荷載。車輛在不同行駛狀態(tài)下的常用水平力系數(shù)μ如表3所示。

本計(jì)算模型中討論的行車狀態(tài)分別為正常啟動(dòng)（μ=0.1）、一般制動(dòng)（μ=0.25）、緊急制動(dòng)（μ=0.5）。并設(shè)置車輛行駛方向?yàn)閺挠蚁蜃蟆?/p>

3.2 排水結(jié)構(gòu)體系變形特性分析

3.2.1 路面結(jié)構(gòu)彎沉值分析

路表彎沉值是路面設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。荷載施加完成后，經(jīng)計(jì)算得出結(jié)果數(shù)據(jù)。根據(jù)提取的各工況計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制不同行車狀況下（正常啟動(dòng)、一般制動(dòng)、緊急制動(dòng)），路面縱向監(jiān)測(cè)線上路面彎沉值曲線圖如圖6所示。

根據(jù)圖6各曲線圖，對(duì)比三種工況在相同行車狀態(tài)下知：工況2的最大路面沉降值最小，工況3的最大路面沉降值最大，工況1的最大路面沉降值介于工況2、3之間。工況1、3的最大路面沉降值位于荷載作用中心位置附近，工況2的最大路面沉降值位于荷載作用中心位置右側(cè)，距荷載作用中心0.09 m。對(duì)比同種工況下，不同車輛行駛狀態(tài)下路面的沉降值可知：在工況1、3中，在車輛緊急制動(dòng)情況下的路面沉降值最大，分別為0.43 mm，0.52 mm。在工況2中，車輛正常啟動(dòng)情況下的路面沉降最大值為0.39 mm。

因此，即使在工況3，車輛緊急制動(dòng)（μ=0.5）的情況下，路面最大沉降值為0.52 mm，道路主線設(shè)計(jì)使用年限為15年，設(shè)計(jì)年限內(nèi)彎沉設(shè)計(jì)與瀝青層彎拉設(shè)計(jì)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次為：2 786.27萬(wàn)次/車道。根據(jù)Monismith模型知：路面結(jié)構(gòu)彎沉值Sp可據(jù)式（3）計(jì)算：

S_p=S_ON^b （3）

其中，SO為單次車輛荷載作用下路面結(jié)構(gòu)彎沉值；N為累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次；b常取0.17。

經(jīng)計(jì)算可得S_p=9.6 mm，滿足規(guī)范JTG D50—2017要求。

3.2.2 截水溝箱體變形值分析

由3.2.1分析可知，在截水溝箱體正上方位置處，即工況1，車輛緊急制動(dòng)時(shí)，路表沉降值最大為0.43 mm，相應(yīng)此時(shí)截水溝箱體變形應(yīng)為最大。提取此時(shí)截水溝箱體變形云圖如圖7所示。

由圖7可知，截水溝箱體整體變形情況基本關(guān)于對(duì)稱軸對(duì)稱，對(duì)稱軸位于沿荷載作用中心向水平力作用方向偏移；截水溝箱體最大變形位置出現(xiàn)在荷載作用中心位置附近，最大變形區(qū)域呈橢圓形分布，最大變形值為0.23 mm。故截水溝箱體變形滿足要求。

3.3 排水結(jié)構(gòu)體系受力特性分析

從整體結(jié)構(gòu)受力情況分析結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力值是否滿足允許應(yīng)力值。

3.3.1 路面結(jié)構(gòu)受力特性分析

三種工況條件下，比較三種行車狀態(tài)（正常啟動(dòng)、一般制動(dòng)、緊急制動(dòng)）路面結(jié)構(gòu)的層間水平最大剪應(yīng)力值，結(jié)果見(jiàn)表4。

根據(jù)表4可知，三種工況條件下的最大剪應(yīng)力值均出現(xiàn)在車輛緊急制動(dòng)（μ=0.5）的情況下，且最大剪應(yīng)力值均出現(xiàn)在荷載作用中心位置附近。由于緊急制動(dòng)時(shí)水平力系數(shù)μ最大，所以此時(shí)水平力最大，又由于水平力對(duì)路面結(jié)構(gòu)面層的縱向剪應(yīng)力影響較大，因此層間水平最大剪應(yīng)力值最大，與實(shí)際情況相符。三種工況總的來(lái)看，工況1的最大剪應(yīng)力值是三者中的最大值：0.34 MPa，表明截水溝箱體正上方處是抗剪切破壞的最不利位置。

3.3.2 截水溝箱體受力特性分析

因?yàn)樵诠r1條件下車輛緊急制動(dòng)時(shí)，截水溝箱體受荷載作用影響最大，所以分析此時(shí)截水溝箱體受力情況。提取工況1車輛緊急制動(dòng)行駛狀態(tài)下，截水溝箱體第1主應(yīng)力云圖和第3主應(yīng)力云圖如圖8（a）、（b）所示。

根據(jù)圖8可知：工況1（μ=0.5）截水溝第1、3主應(yīng)力云圖具有明顯的對(duì)稱性，第1主應(yīng)力最大應(yīng)力值為58 117.6 Pa，第3主應(yīng)力最大應(yīng)力值為82 850.3 Pa。

3.4 排水結(jié)構(gòu)體系鋪裝層層間錯(cuò)動(dòng)分析

排水結(jié)構(gòu)體系各層間需具有足夠抗剪強(qiáng)度，若層間抗剪能力不足，道路常出現(xiàn)面層的推移、擁抱等病害[10-11]。因此，應(yīng)該研究此排水結(jié)構(gòu)體系在不同行車狀態(tài)下，不同鋪裝層的層間錯(cuò)動(dòng)值。分別提取圖4所示的4個(gè)接觸層在不同行車狀態(tài)下的層間錯(cuò)動(dòng)值，具體數(shù)據(jù)如圖9所示：

根據(jù)圖9數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：正常啟動(dòng)與一般制動(dòng)和緊急制動(dòng)情況下，曲線走勢(shì)情況相反，應(yīng)該是由于水平力作用方向不同。車輛正常啟動(dòng)時(shí)，水平力方向向右（與行進(jìn)方向相反）。車輛制動(dòng)時(shí)，水平力方向向左（與行進(jìn)方向一致）。另外，接觸層2、3、4是位于同一水平位置的不同鋪裝材料層的接合面處，接觸層2、3、4的最大層間水平錯(cuò)動(dòng)值分別為：0.170 mm、0.067 mm、0.022 mm，對(duì)比三者可知隨著離荷載作用面縱向距離增加，接觸層的最大層間錯(cuò)動(dòng)值減小，表明水平力對(duì)層間錯(cuò)動(dòng)的影響隨著距水平力垂向距離的增加而減少。除此之外，最大層間錯(cuò)動(dòng)值均出現(xiàn)在距荷載作用中心-0.3 ～ -0.2 m區(qū)間范圍。最后對(duì)比4個(gè)接觸層的最大層間錯(cuò)動(dòng)值知，接觸層1的最大層間錯(cuò)動(dòng)值0.218 mm在四者中最大。所有接觸層的最大層間錯(cuò)動(dòng)值均不大于0.25 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

為研究一種新型透排水路面結(jié)構(gòu)體系在車輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)特性，本文結(jié)合成自瀘高速入城段（皇經(jīng)樓路）改造工程，通過(guò)有限元軟件分析該排水結(jié)構(gòu)體系在靜力作用下的路面結(jié)構(gòu)彎沉值、截水溝箱體變形值、路面結(jié)構(gòu)不同鋪裝層處最大剪應(yīng)力及截水溝箱體受力特性分析以及接觸層層間錯(cuò)動(dòng)值分析，得出以下結(jié)論：

（1）在車輛荷載作用下，在同一種工況中，不同的行車狀態(tài)相比，車輛緊急制動(dòng)造成的路面沉降值最大。綜合來(lái)看，車輛緊急制動(dòng)情況下，最大路面沉降值最大為0.52 mm，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)截水溝箱體最大變形值為0.23 mm，滿足變形要求。

（2）在不同工況條件和不同行車狀態(tài)下，最大剪應(yīng)力值均出現(xiàn)在車輛緊急制動(dòng)時(shí)，且工況1的最大剪應(yīng)力值是三種工況條件中的最大值（0.34 MPa），表明截水溝箱體正上方處是抗剪切破壞的最不利位置。

（3）三種行車狀態(tài)相比，車輛緊急制動(dòng)所引起的接觸層層間錯(cuò)動(dòng)值最大。各最大層間錯(cuò)動(dòng)值對(duì)比后知：接觸層1的最大層間錯(cuò)動(dòng)值0.218 mm在四者中最大。且所有接觸層的最大層間錯(cuò)動(dòng)值均不大于0.25 mm。

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