永久路面结构的力学模型的制作方法

本发明涉及隧道公路修建技术领域。更具体地说，本发明涉及一种永久路面结构的力学模型及其设计方法。

背景技术：

随着高速公路建设的发展，高速公路穿过的隧道越来越多，越来越长，隧道公路通常需要穿越山体，而水流是由上向下流，隧道公路处于底层位置，所以经常处理潮湿的环境中，尤其是在雨季时，潮湿程度更甚，对隧道公路的保养非常不利。再结合目前交通流量大，且经常出现超载现象，更影响隧道公路的使用寿命，因此，如何利用隧道本身地理环境，设计一款适用于隧道公路的永久路面结构模型是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种永久路面结构的力学模型，利用隧道本身的洞穴结构，尤其是洞穴结构所产生的贯通的风力，在路面结构内设置风干模型，以利用自然风力带动风干模型内的扇叶、渗透管运行，达到将路面结构内部水分随气流带出，而促进路面结构内部加速去湿的目的。提供一种永久路面结构的力学模型的设计方法，施工方式简单易行。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种永久路面结构的力学模型，包括：

滤水型土工织物模型，其铺设于已整平的路面上；

级配碎石模型，其铺设于所述滤水型土工织物模型上；

沥青玛蹄脂碎石混合料模型，其铺设于所述级配碎石模型上，所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型沿垂直于隧道轴向的长度小于所述级配碎石模型；

风干模型，其穿设于所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型内，所述风干模型包括：

多个通风管，多个通风管间隔穿设于所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型中，所述通风管垂直于隧道轴向水平设置，所述通风管包括位于所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型两侧侧壁外部的引风段、位于所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型内部的滤沙段和渗透段，所述通风管两端设有第一滤网，所述引风段沿周向设有进风网，所述引风段内设有至少一个扇叶，所述滤沙段内设有至少一个第二滤网，所述渗透段设有多组渗透管，每组渗透管沿所述渗透段的周向发散设置，所述渗透管一端与所述渗透段连通，所述渗透管另一端上设有滤布；

力学支架，其包括沿所述通风管的轴向设置的多个拱形的底架和连接相邻两个底架的顶部的弧形筋，所述底架的两端分别位于所述通风管的两侧，所述底架的底部抵接至所述级配碎石模型上，所述弧形筋朝下弯曲，相邻两个底架的顶部高度不同，所述力学支架与所述通风管和所述渗透管均不接触；

沥青混凝土模型，其铺设于所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型；

其中，所述级配碎石模型外表面、所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型侧壁、隧道侧壁形成沟槽，所述沟槽顶部设有滤水板，所述引风段位于所述沟槽内。

优选的是，所述引风段与所述滤沙段可拆卸连接，所述第二滤网与所述滤沙段可拆卸连接，所述第二滤网的中心固定于同一根拉杆上，所述拉杆一端靠近所述引风段。

优选的是，所述渗透管呈圆台形，所述渗透管与所述通风管连通的一端的直径小于另一端。

优选的是，所述渗透段的直径与所述渗透管的长度的比为1:1～1.25。

优选的是，所述底架由槽钢弯曲形成，并且槽钢的开口朝上，相邻两个底架之间的距离小于17cm。

优选的是，所述级配碎石层的厚度为10～20cm，所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型的厚度小于12cm，所述沥青混凝土模型的厚度为15～25cm。

提供一种永久路面结构的力学模型的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、整平路面，依次铺设所述滤水型土工织物模型和所述级配碎石模型，所述滤水型土工织物模型和所述级配碎石模型形成基底层，所述基底层的压实系数大于0.90；

步骤二、在所述级配碎石模型上铺设所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型，在铺设的同时预留和埋入所述通风管和所述力学支架，然后压实；

步骤三、在所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型铺设沥青混凝土模型，然后压实；

步骤四、检测并计算力学模型的力学参数，所述力学参数包括所述级配碎石模型的压应变，所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型的拉应变。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、利用隧道本身的洞穴结构，尤其是洞穴结构所产生的贯通的风力，在路面结构内设置风干模型，以利用自然风力带动风干模型内的扇叶、渗透管运行，达到将路面结构内部水分随气流带出，而促进路面结构内部加速去湿的目的，完全利用自然风力，不需要额外施加动力。并且通过设计力学支架以保护通风管及其内部结构，使引风管和力学支架也均能够达到设计年限的使用寿命，构建一种适用于隧道公路的永久路面结构力学模型。

第二、级配碎石模型的材料包括不同尺寸的碎石、粘土、细沙，逐层铺设，分层压实。级配碎石模型主要具有以下作用，一是用于提高基础底面以下地基浅层的承载力，地基中的剪切破坏由基础底面下边角位置处开始，随着基底压力的增大而逐渐朝纵深发展，因而当基底面以下浅层范围内的可能被剪切破坏的土层被强度较大的垫层材料置换后，就可以提高承载能力。

二是减少沉降量，通常基础下浅层的沉降量中所占得比例较大。由于土体侧向变形引起的沉降，理论上也是浅层部分占的比例较大。以垫层材料代替土层，可大大减少这部分的沉降量。

三是加速地基的排水固结。用砂石作为垫层材料，由于其透水层大，在地基受压后便是良好的排水面，可使基础下面的空隙水压力迅速消散，避免地基土的塑性破坏，且可加速垫层下土层的固结及其强度的提高。

第三、沥青玛蹄脂碎石混合料是由高含量粗集料、高含量矿粉、较大沥青用量，低含量中间粒径颗粒组成的骨架密实结构型沥青混合料。沥青玛蹄脂碎石混合料模型的组成特征主要包括两个方面，一是含量较多的粗集料互相嵌锁组成高稳定性(抗变形能力强)的结构骨架；二是细集料矿粉、沥青和纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂将骨架胶结一起，并填充骨架空隙，使混合料有较好的柔性及耐久性。

第四、引风段位于沟槽内，由于隧道本身的洞穴结构，隧道内通常形成贯穿隧道轴向的气流，即沿隧道轴向的风，在引风段上设有进风网，风可以进入到引风段内，带动设置在引风段内的扇叶转动，同一个通风管的两端的扇叶设置为向同一方向引风，这样有助于在通风管内形成沿同一方向流动的气流，由于气流在可以带动沥青玛蹄脂碎石混合料模型内部流动，所以可以带走内部的水分，起到对路面结构力学模型内部水分风干的作用，发散设置的渗透管具有从多个方向引入水分的作用，有助于通风管内的气流带走引入的水分。

第五、沥青玛蹄脂碎石混合料模型本身具有一定的柔性，以适应路面被加载负荷时的应变，但由于引风管的长度较长，容易造成引风管结构的破坏，因此，设置力学支架，采用拱形结构有利于抵抗变形，从而保护位于力学支架内的通风管，使其达到设计使用年限。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的其中一种技术方案的所述力学模型的纵向剖面示意图；

图2为本发明其中一种技术方案的所述通风管和所述力学支架的细节图；

图3为本发明其中一种技术方案的所述通风管的细节图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～3所示，本发明提供一种永久路面结构的力学模型，包括：

滤水型土工织物模型1，其铺设于已整平的路面上；滤水型土工织物模型是采用一层或多层滤水型土工织物形成，允许水通过，而阻止细粒土随水流失。可以防止翻浆冒泥，以提高基底层的稳定性。

级配碎石模型2，其铺设于所述滤水型土工织物模型1上；级配碎石模型的材料包括不同尺寸的碎石、粘土、细沙，逐层铺设，分层压实。级配碎石模型主要具有以下作用，一是用于提高基础底面以下地基浅层的承载力，地基中的剪切破坏由基础底面下边角位置处开始，随着基底压力的增大而逐渐朝纵深发展，因而当基底面以下浅层范围内的可能被剪切破坏的土层被强度较大的垫层材料置换后，就可以提高承载能力。

二是减少沉降量，通常基础下浅层的沉降量中所占得比例较大。由于土体侧向变形引起的沉降，理论上也是浅层部分占的比例较大。以垫层材料代替土层，可大大减少这部分的沉降量。

三是加速地基的排水固结。用砂石作为垫层材料，由于其透水层大，在地基受压后便是良好的排水面，可使基础下面的空隙水压力迅速消散，避免地基土的塑性破坏，且可加速垫层下土层的固结及其强度的提高。

沥青玛蹄脂碎石混合料模型3，其铺设于所述级配碎石模型2上，所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3沿垂直于隧道轴向的长度小于所述级配碎石模型；沥青玛蹄脂碎石混合料是由高含量粗集料、高含量矿粉、较大沥青用量，低含量中间粒径颗粒组成的骨架密实结构型沥青混合料。沥青玛蹄脂碎石混合料模型3的组成特征主要包括两个方面，一是含量较多的粗集料互相嵌锁组成高稳定性(抗变形能力强)的结构骨架；二是细集料矿粉、沥青和纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂将骨架胶结一起，并填充骨架空隙，使混合料有较好的柔性及耐久性。

风干模型4，其穿设于所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3内，用于加速路面结构内部的水分的风干。所述风干模型4包括：

多个通风管41，通风管41为钢管，多个通风管41间隔穿设于所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3中，所述通风管41垂直于隧道轴向水平设置，所述通风管41包括位于所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3两侧侧壁外部的引风段401、位于所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3内部的滤沙段402和渗透段403，所述通风管41两端设有第一滤网42，所述引风段401沿周向设有进风网43，所述引风段401内设有至少一个扇叶44，所述滤沙段402内设有至少一个第二滤网45，所述渗透段403设有多组渗透管46，每组渗透管46沿所述渗透段403的周向发散设置，所述渗透管46一端与所述渗透段403连通，所述渗透管46另一端上设有滤布47，防止细小颗粒进入到渗透管46内；

引风段401位于沟槽6内，由于隧道本身的洞穴结构，隧道内通常形成贯穿隧道轴向的气流，即沿隧道轴向的风，在引风段401上设有进风网43，风可以进入到引风段401内，带动设置在引风段401内的扇叶44转动，同一个通风管41的两端的扇叶44设置为向同一方向引风，这样有助于在通风管41内形成沿同一方向流动的气流，由于气流在可以带动沥青玛蹄脂碎石混合料模型3内部流动，所以可以带走内部的水分，起到对路面结构力学模型内部水分风干的作用，发散设置的渗透管46具有从多个方向引入水分的作用，有助于通风管41内的气流带走引入的水分。

力学支架48，其包括沿所述通风管41的轴向设置的多个拱形的底架481和连接相邻两个底架481的顶部的弧形筋482，所述底架481的两端分别位于所述通风管41的两侧，所述底架481的底部抵接至所述级配碎石模型2上，所述弧形筋482朝下弯曲，相邻两个底架481的顶部高度不同，所述力学支架48与所述通风管41和所述渗透管46均不接触；沥青玛蹄脂碎石混合料模型3本身具有一定的柔性，以适应路面被加载负荷时的应变，但由于引风管的长度较长，容易造成引风管结构的破坏，因此，设置力学支架48，采用拱形结构有利于抵抗变形，从而保护位于力学支架48内的通风管41，使其达到设计使用年限。

沥青混凝土模型5，其铺设于所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3；沥青混凝土俗称沥青砼，人工选配具有一定级配组成的矿料，碎石或轧碎砾石、石屑或砂、矿粉等，与一定比例的路用沥青材料，在严格控制条件下拌制而成的混合料。沥青混凝土的强度主要表现在两个方面。一是沥青与矿粉形成的胶结料的粘结力。二是集料颗粒间的内摩阻力和锁结力。其中，所述级配碎石模型2外表面、所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3侧壁、隧道侧壁形成沟槽6，所述沟槽6顶部设有滤水板7，所述引风段401位于所述沟槽6内。沟槽6一是可以排水，二是可以保护引风管。

在上述技术方案中，利用隧道本身的洞穴结构，尤其是洞穴结构所产生的贯通的风力，在路面结构内设置风干模型4，以利用自然风力带动风干模型4内的扇叶44、渗透管46运行，达到将路面结构内部水分随气流带出，而促进路面结构内部加速去湿的目的，完全利用自然风力，不需要额外施加动力。并且通过设计力学支架48以保护通风管41及其内部结构，使引风管和力学支架48也均能够达到设计年限的使用寿命，构建一种适用于隧道公路的永久路面结构力学模型。

在另一种技术方案中，所述引风段401与所述滤沙段402可拆卸连接，所述第二滤网45与所述滤沙段402可拆卸连接，所述第二滤网45的中心固定于同一根拉杆451上，所述拉杆451一端靠近所述引风段401。由于引风段401裸露在沥青玛蹄脂碎石混合料模型3和力学支架48外面，容易受到外界的破坏，设置可拆卸的连接方式，方便更换。引风段401与滤沙段402可以采用螺接的方式连接在一起。同样，由于第二滤网45位于扇叶44后面，从沟槽6内通过的细沙，泥巴容易进入到引风段401和滤沙段402内，当第二滤网45前积累较多细沙或泥巴时，影响气流的通过，因此，设置拉杆451可以方便的将第二滤网45拉出，清理细沙和泥巴。

在另一种技术方案中，所述渗透管46呈圆台形，所述渗透管46与所述通风管41连通的一端的直径小于另一端。有助于水分从沥青玛蹄脂碎石混合料模型3内渗透到渗透管46内，提高提成出效率。

在另一种技术方案中，所述渗透段403的直径与所述渗透管46的长度的比为1:1～1.25。一方便有利于将水分导入到渗透段403内；另一方面有助于渗透段403与沥青玛蹄脂碎石混合料模型3相融合，有助于通风管41的稳定。

在另一种技术方案中，所述底架481由槽钢弯曲形成，并且槽钢的开口朝上，相邻两个底架481之间的间距小于17cm。由于轮胎的断面宽度范围在17.5～31.5cm，为使轮胎行驶时，正下方都有底架481支撑，将底架481之间的距离设置小于17cm，而且槽钢具有较强的抗变形能力，开口朝上的弯曲成形，更有利于抵抗外界压力，保持在原有位置，从而保护通风管41。

在另一种技术方案中，所述级配碎石层的厚度为10～20cm，所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3的厚度小于12cm。根据我国现行的沥青混凝土路面设计规范规定，新建高速公路沥青混凝土路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计沥青混凝土层底拉应力作为高等有公路沥青混凝土路面厚度设计的验算指标。将所述级配碎石层的厚度为10～20cm，所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3的厚度小于12cm，所述沥青混凝土模型5的厚度为15～25cm即可满足设计年限为30年时各指标的要求，即上述路面结构的力学模型可以满足沥青混凝土模型5的压应变大于120με，沥青玛蹄脂碎石混合料模型3的拉应变为100～110με。

提供一种永久路面结构的力学模型的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据我国现行的沥青混凝土路面设计规范规定，新建高速公路沥青混凝土路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计沥青混凝土层底拉应力作为高等有公路沥青混凝土路面厚度设计的验算指标。

步骤二、选取一段长为1km的路段作为试验路段，清理路面，使表面清洁，无杂物，整平路面，依次铺设所述滤水型土工织物模型1和所述级配碎石模型2，所述滤水型土工织物模型1和所述级配碎石模型2形成基底层，并压实，所述基底层的压实系数为0.96；每摊铺一层，厚度不大于10cm，然后洒水碾压，采用重型振动压路机碾压8次，然后摊铺下一层，直至基底层达到预设的厚度。

步骤二、在所述级配碎石模型2上铺设所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3，在铺设的同时预留和埋入所述通风管41和所述力学支架48，然后压实；由于需要在沥青玛蹄脂碎石混合料模型3内安装通风管41和力学支架48，所以先摊铺一层沥青玛蹄脂碎石混合料，并压实，然后安装通风管41和力学支架48，并将底架481底部压入到沥青玛蹄脂碎石混合料内，至直底架481的底部到达级配碎石模型2上，然后再将剩余的沥青玛蹄脂碎石混合料摊铺，并覆盖底架481顶部，达到摊铺厚度后，压实即可。

步骤三、在所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3铺设沥青混凝土模型5，然后压实；

步骤四、检测并计算力学模型的力学参数，所述力学参数包括所述沥青混凝土模型5的压应变，所述沥青玛蹄脂碎石混合料模型3的拉应变，设计年限末总的累积塑性变形。

检测得到沥青混凝土模型5的压应变为122με，沥青玛蹄脂碎石混合料模型3的拉应变为105με。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

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