多層土工織物加筋的瀝青路面力學(xué)性能分析

曹玉貴 高文光

瀝青路面在長期使用過程中受車輛荷載的反復(fù)作用和自然因素的不斷影響,會產(chǎn)生不同程度的破壞,而裂縫是瀝青路面最常見、對道路危害最嚴(yán)重的一種病害。土工格柵的使用,使得瀝青混合料內(nèi)的顆粒位移受到均勻的限制,全面提高材料的強度與路用性能,并會改變路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布,極大的減小了在荷載作用下混合料內(nèi)部的應(yīng)力集中程度,阻止了微裂縫的發(fā)展,能有效提高破壞強度和延緩疲勞壽命,從而提高路面的使用壽命,且已在我國道路工程中得到一定的應(yīng)用[1,2]。

但是,目前大部分的相關(guān)理論和實際應(yīng)用只是針對單層土工格柵加筋的瀝青路面,因此,有必要對多層土工格柵加筋的瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析,從機(jī)理上探討土工格柵對路面所起的加筋作用,土工格柵層數(shù)對加筋效果的影響,以及加筋路面結(jié)構(gòu)強度及剛度與土工格柵模量的關(guān)系,以便建立合理的選材體系,從而對道路達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。

1 計算模型與參數(shù)

1.1 荷載大小及作用形式

由于路面上行駛的車輛種類較多,所以必須選擇一種標(biāo)準(zhǔn)軸載,將不同類型軸載的作用次數(shù)換算為這種標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù),考慮到我國公路汽車運輸車輛現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,路面設(shè)計一般以軸載重100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載,表示為BZZ-100。計算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)雙輪軸載100 kN,胎壓0.707 MPa。所以單個輪胎與路面的接觸面積為Ac=25 103/0.707=35 506 mm2,輪胎接觸面積由一個矩形和兩個半圓形組成,其接觸面積為:Ac=π(0.3L)2+0.4L×0.6L=0.522 7L2,故 L=260 mm;為方便有限元計算,輪胎接觸面積可進(jìn)一步簡化為等寬的單一矩形0.871 2L×0.6L,即輪胎接觸面積為(226.5×156)mm2。

1.2 模型的建立

根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)的有關(guān)原理,可把格柵與鄰近的瀝青混合料換算為一種材料,認(rèn)為在瀝青路面中存在一新的結(jié)構(gòu)層,即格柵(Geogrid)與瀝青混合料(AC)復(fù)合材料層,簡稱G-AC層。因此,可建立由土基、基層、G-AC層、面層4層構(gòu)成的彈性層狀體系模型。

復(fù)合材料G-AC層的彈性模量EG-AC可根據(jù)下式計算:

EG-AC=(EgVg+EaVa)/(Vg+Va)。

其中,Eg,Ea分別為玻璃纖維格柵和瀝青混合料的彈性模量;Vg,Va分別為玻璃纖維格柵和瀝青混合料的體積。取玻璃纖維格柵所處位置的垂直方向1 cm范圍內(nèi)材料進(jìn)行換算。計算中,取路面縱斷面,格柵分工況分別鋪設(shè)在瀝青混合料上面層底部、中面層底部,以及下面層底部。計算表明,換算后的G-AC層材料彈性模量在3 000 MPa～8 000 MPa之間。路面結(jié)構(gòu)、材料組成、各層厚度等參數(shù)見表1。

表1 瀝青路面參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)計算采用的是某道路設(shè)計斷面,路面模型尺寸為(X,Y,Z)4 m×4 m×3.72 m。邊界條件假設(shè):底面上沒有Z方向位移,左右兩側(cè)面沒有X方向位移,前后兩側(cè)面沒有Y方向位移。同時采用網(wǎng)格—梯度法對荷載作用區(qū)域的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,網(wǎng)格的最小尺寸為0.5 cm,最大尺寸為15 cm。圖1為分析模型一半的有限元網(wǎng)格劃分。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 土工格柵層數(shù)對瀝青路面的影響分析

土工網(wǎng)格可考慮設(shè)置于瀝青路面中的不同位置,如瀝青層的上部、中部和底部,通過計算分析,尋找設(shè)置網(wǎng)格的最佳層數(shù),從而使瀝青路面處于最有利的應(yīng)力狀態(tài)。為了比較土工格柵鋪設(shè)不同層數(shù)時對結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力及剪應(yīng)力的影響,本文分別將格柵鋪筑一層(鋪筑上面層下)、兩層(鋪筑上面層下和中面層下)、三層(鋪筑上面層下、中面層下、下面層下)三種工況,對路面進(jìn)行了分析(見表2)。

表2 瀝青路面的各層應(yīng)力 MPa

由表2可以看出,瀝青混凝土路面不同結(jié)構(gòu)層位鋪設(shè)土工格柵后,各結(jié)構(gòu)層正應(yīng)力SY發(fā)生了較大變化。隨著格柵層數(shù)增加,上面層的最大拉應(yīng)力逐漸增大,對路面起到了一定的不利作用,而底基層最大拉應(yīng)力則是逐漸減小,由0.032 9 M Pa減小為0.031 2 MPa(減小了5%);當(dāng)瀝青混凝土路面土工格柵層數(shù)由一層增大到兩層時,下面層剪應(yīng)力最大值由0.016 6 MPa減小為0.013 5 MPa(減小了18.7%),當(dāng)增大到三層時,由0.013 5 MPa增加為0.019 6 MPa(增大了45.2%),說明土工格柵為兩層時,對下面層的抗剪有利;而路面的彎沉值則是先增大后減小。以上說明當(dāng)土工格柵層數(shù)布置合適時,土工格柵與路面材料的嵌鎖咬合作用可以提供結(jié)構(gòu)的抗剪切傳荷能力,降低層間相對位移,有效防止瀝青路面發(fā)生推移壅包而破壞。

2.2 格柵模量對瀝青路面的影響

經(jīng)計算知換算后G-AC層材料彈性模量在 3 000 MPa～8 000 MPa之間。下面分別研究土工格柵模量對路面結(jié)構(gòu)的受力影響。彈性模量分別取:3 000 MPa,4 500 MPa,6 000 MPa,8 000 MPa;然后對不同土工格柵加勁層數(shù)分析,計算結(jié)果如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可以看出,土工格柵彈性模量提高對路面結(jié)構(gòu)影響較大。當(dāng)G-AC層模量由3 000 MPa變化到8 000 MPa時,路面彎沉均減小,尤其是土工格柵鋪筑三層時,路面彎沉減少3%;結(jié)構(gòu)層底面最大拉應(yīng)力由0.032 MPa減小到 0.031 MPa,可見隨著土工格柵模量增大,結(jié)構(gòu)層底部拉應(yīng)力減小,壓應(yīng)力增大;計算表明,設(shè)置土工格柵可使瀝青面層的壓應(yīng)力減小,但幅度很小;下面層的剪應(yīng)力也隨著彈模的增加逐漸增大,這是由于土工格柵彈性模量的增大導(dǎo)致瀝青層剛度突變,增大了層間剪應(yīng)力。

3 結(jié)語

1)設(shè)置土工網(wǎng)格能夠增加路面整體剛度,減小車輛荷載作用下的路表彎沉,且彎沉值隨土工網(wǎng)格模量增大而減小。

2)土工格柵層數(shù)的增大,對底基層的抗拉性能有利,但不利于路表的抗拉性能。因此在設(shè)置土工格柵層數(shù)時,應(yīng)該綜合考慮路面性能指標(biāo),以便找到土工格柵合理的鋪筑層數(shù)。

3)土工格柵彈性模量的增大導(dǎo)致瀝青層剛度突變,增大了層間剪應(yīng)力,因此要求土工網(wǎng)格材料具有剛度小而強度高的特性。

[1] 曹東偉,郝大力,韓瑞民.土工網(wǎng)格加強瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報,2000,19(1):47-51.

[2] 李 衛(wèi),謝曉東,鄧 敏.鋪設(shè)土工格柵的半剛性基層瀝青路面溫度應(yīng)力有限元分析[J].公路交通技術(shù),2006,12(6):41-45.

[3] 李培健,周建華,陳明清.瀝青路面抗車轍性能影響因素研究[J].山西建筑,2008,34(31):282-283.