重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074
摘要：隧道内路面结构有其特殊的工作环境，隧道内路面处于相对封闭的环境内，受阳光、雨水等因素直接影响较少，而且隧道内温度场变化、下承层强度也与一般路段不同，且渠化交通严格、加减速频繁，隧道路面的使用性能及荷载作用下的力学响应也有其自身的特点。本文在调研隧道路面结构组成、病害类型、环境特征等的基础上，在隧道内铺筑复合式路面结构层，结构层为4cmSMA-13+6cmAC-20，基层结构为24cmC40钢筋混凝土，路床为岩石，并在结构层内安放温度传感器和应变传感器，用全环境路面加速加载车对路面进行加速加载试验，记录不同结构层的温度和应变响应。
关键词：隧道路面；力学响应；传感器
0 前言
在我国已建成的公路隧道中，隧道路面结构主要有三种形式：水泥混凝土路面、沥青混凝土路面、复合式路面[1-4]。目前国内外关于隧道工程的研究主要集中在隧道洞体的结构设计、施工技术、隧道通风、照明等方面，对隧道路面的研究主要从2004年由同济大学等几家单位共同参与完成的西部项目“隧道路面结构与材料的研究”开始，后续十多年来，关于隧道路面系统研究则展开的较少[5]。复合式路面包括水泥混凝土复合式路面及水泥混凝土+沥青混凝土复合式路面[6-7]，其中水泥混凝土+沥青混凝土层复合式路面集中了刚性路面和柔性路面的优点，柔中有刚，刚柔相济，可以大幅度提高路面的使用寿命。
1 加载车及传感器的介绍
1.1全环境路面加速加载车
ALT-F600全环境路面加速加载试验加载设备试验机正常加载运行的速度为 6~16km/h，本试验采用10km/h 的运行速度加载，加载时采用的轴载为单轴100kN，胎压为 1.0MPa。
1.2混凝土应变计
DH1204 埋入式应变计广泛适用于高温和高压载荷作用下的沥青路面以及混凝土内结构。该应变计用于现场的检测，采用高弹性、耐久性材料，确保数据长期准确的采集。
1.3动态沥青应变计
动态沥青应变计（ASG/VASG）在高频（动态）条件下测量复合式路面的轴向应变。动态沥青应变计尺寸上小，布线灵活可以承受高强度轴载和很高的温度，更好的适应现场加载环境,可以更精准的记录实际的动态轴载。
1.4温度传感器
本试验采用JCJ100TW的温度传感器，其工作原理为铂热电阻感温其外封裝不锈钢温报，具有反应灵敏、测温准确度高，性能稳定耐用等优点，测量的最大范围为-200~400℃。
2 试验段铺筑及传感器埋设
2.1试验段的铺筑
复合式面层结构为4cmSMA-13+6cmAC-20，基层结构为24cmC40钢筋混凝土，路床为岩石。先浇16cm左右的素混凝土,再将孔径长为10cm、宽为10cm和直径8mm的钢筋网铺到素混混土上，然后再将8cm左右的素混土浇到钢筋网上。混凝土浇筑完成养护1天对混凝土进行切缝，养护7天再铺设面层的6cmAC-20和4cmSMA-13。
2.2传感器埋设
复合式路面传感器布设：在混凝土切缝处布设混凝土应变计和温度传感器，1个温度传感器和1个混凝土应变计用扎带绑定在一起为一组，在距岩石路床的高度别为0cm、6cm、15cm处分别安放。在距切缝行车方向2m处，距岩石路床的高度为0cm、6cm非切缝处分别安放一组传感器。
复合式路面AC-20层传感器布设：在切缝布设1个沥青应变计和1个温度传感器，在非切缝处布设1个沥青应变计和1个温度传感器。
复合式路面SMA-13层传感器布设：在SMA-13层布设4个沥青应变计和4个温度传感器，1个沥青应变计和1个温度传感器用扎带固定为一组，在切缝处沥青应变计和非切缝处安放沥青应变计，在切缝处右边1m处安放沥青应变计和非切缝处左边1m处安放沥青应变计。传感器埋置和安放流程和AC-20层相同。
3 隧道复合式路面结构响应
3.1 加速加载试验条件
3.1.1荷载条件
现场加速加载试验次数为100万次/段，加载过程中荷载条件如下：①行车荷载：100kN；②轮胎气压：0.7MPa；③运行速度：10km/h；④采用固定轮迹，不作横向移动。
3.1.2采集方式
采样连续采样方式，采样频率为200Hz。
3.2 隧道路面结构内温度场
沥青路面结构受温度和湿度环境的影响很大，由于试验是在隧道内进行的降雨、阳光等对加载段几乎无影响，在隧道内加载期间，隧道内并无雨水。因此，温度成为加速加载试验的主要影响因素。
3.2.1结构层温度分布
隧道复合式路面各层加载试验过程中温度分布,加载时间段为7月22日至8月23日，各层温度均分布在27~32℃区间,通常情况下认为路面发生疲劳开裂的温度为15~25℃,温度较高或较低都不利于裂缝的产生,方案一路面的温度分布29~32℃之间，此时间段隧道路面受到车辆动载,路面产生疲劳裂缝的概率较小。
3.3 隧道复合式路面沥青层底应变响应
隧道内复合式路面中，非切缝处的沥青上面层层底的累积应变、应变的波峰与波谷值均为负值说明上面层层底的应变为压应变。隧道内复合式路面振幅在加载80万次时出现振幅台阶式减小，之后又呈现处振幅不变的现象。出现该振幅台阶式减小的原因可能是加速加载过程中，对沥青路面的二次压密，当二次压密累积到一定数量时，产生沥青路面的质的变化，即沥青面层应变振幅减小、模量增大。
3.4 隧道复合式路面混凝土层底应变响应
3.4.1混凝土层非切缝应变响应
隧道内复合式路面结构中混凝土内温度深度方向梯度较小，混凝土内部9cm~24cm处温度梯度最大为2℃。该温度梯度引起的温度翘曲应变很小，在隧道内的环境条件下，标准荷载作用下复合式路面结构的混凝土结构层中的早期应变主要为收缩徐变引起。混凝土的收缩徐变，受到路面结构纵向的约束而产生了拉应变，在混凝土层底则由于混凝土与下承层之间的固结作用使得混凝土层底产生压应变。
由于沥青面层厚度的差异及混凝土内7cm处钢筋网的加筋作用改变了混凝土内的应变状态，使得混凝土内整体呈现受压状态。隧道内复合式路面中混凝土结构内早期应变主要由混凝土的收缩徐变构成，即此时混凝土内的应变表征了混凝土的收缩徐变的整体趋势。在加速加载周期内，加速加载作用次数的增加对方非切缝位置混凝土应变响应未产生改变，即荷载作用对非切缝位置混凝土的影响很小。
3.4.1混凝土层切缝应变响应
在加载 0～42万次之间，混凝土层出现明显的加载产生应变、卸载变形恢复的过程，该阶段是混凝土弹性特性的体现。出现应变突变的位置对应为混凝土内部出现为裂缝的现象，在加载中的42万次、63万次等位置处，均出现了应变突变现象。混凝土层在9cm、18cm处出现裂缝的加载次数均为42万次，说明，混凝土路面一旦开始产生裂缝，由于混凝土的刚性使得裂缝在路面深度方向其发展非常迅速，几乎由上而下同时裂通。在隧道路面中每加载1万次处理一次数据，因此为体现裂缝发展到不同深度的寿命。
混凝土层在8cm、18cm处，在加载的0-42万次之间，结构内均承受压应变，但是在重复荷载作用下，切缝下方在42万次时结构内产生了微裂缝。
混凝土层43万次～63万次加载过程中，出现的混凝土层内应变变小、
且呈锯齿状发展的状态，其原因为在混凝土层顶以下7cm处加铺的钢筋网，在裂缝发展到该深度后，钢筋网加筋作用的体现，同时微裂缝出现后，在裂缝界面上集料、混凝土开裂面之间的齿合作用对混凝土也存在类似加筋的作用，该二种因素的共同作用产生了43～63万次之间的应变的锯齿状波动。 混凝土层在加载66万次、73万次之后，混凝土内再次出现应变的增加，对应着混凝土内部裂缝的继续发展、变宽。
4 结论
本章以试验方案路面结构类型理论研究为基础，针对隧道特殊条件设计了路面传感器埋设方案和采集器安装方案，并记录了各结构层内的温度和动态应变响应。主要研究结论如下：
（1）通过数值模拟及专家组对方案的讨论论证确定了隧道路面结构为：面层4cmSMA（改性）-13+6cmAC-20（改性），基层24cm C40（钢筋网）。
（2）隧道路面的振幅在加载80万次时出现振幅台阶式减小，之后又呈现处振幅不变的现象。出现该振幅台阶式减小的原因可能是加速加载过程中，对沥青路面的二次压密，当二次压密累积到一定数量时，产生沥青路面的质的变化，即沥青面层应变振幅减小、模量增大。
（3）隧道基层切缝在42万次、63万次出现应变突变的位置对应为混凝土内部出现为裂缝的现象且切缝中，9cm、18cm、出现裂缝的加载次数均为42万次，说明，混凝土路面一旦开始产生裂缝，由于混凝土的刚性使得裂缝在路面深度方向其发展非常迅速。
参考文献
[1] 史小丽. 基于环境因素的公路隧道路面结构型式研究[D].长安大学,2009.
[2] 任大鹏. 复合式路面使用性能评价预测研究[D].北京交通大学,2007.
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[6] 史小丽，王选仓. 公路隧道内路面温度场分析[J]. 武汉理工大学学报，2009, 31(20): 50-54.
[7] 足尺路面加速加载试验系统的研究[D]. 山东大学, 2012.