格柵加強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

趙艷紅

（北京市龍?zhí)┕こ淘O(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京市 100045）

0 前言

玻璃纖維土工格柵（簡稱玻纖格柵）是以玻璃纖維無堿無捻粗紗為主要原料，采用一定的編織工藝制成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料，經(jīng)過特殊的涂復(fù)處理工藝而形成新型優(yōu)良的土工織物。由于土工格柵自身具有較高的剛度和抗拉強(qiáng)度，所以與其他土工合成材料相比，土工格柵可以產(chǎn)生獨(dú)特的加固效果。目前土工格柵主要被廣泛用于路基土的加固和道路的加鋪工程中，國外的研究結(jié)果表明，當(dāng)土工格柵用于道路工程時(shí)，它具有減小路面永久豎向變形，限制側(cè)向變形，控制裂縫開展，以及減小道路基層設(shè)計(jì)厚度的作用，所以土工格柵用于路基加固工程的技術(shù)已經(jīng)較為成熟[1]。近幾年，我國關(guān)于土工格柵用于路面面層結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了一些研究[2,3]，然而將土工格柵用于路面面層結(jié)構(gòu)則仍處于研究階段，已有研究表明，將土工格柵用于瀝青路面面層，可提高瀝青混合料的強(qiáng)度與路用性能，并會改變路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，因此有必要對土工格柵加強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析與計(jì)算，探討土工格柵對瀝青路面結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)效果。

1 格柵加強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論

國內(nèi)外關(guān)于格柵加強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)成熟的分析方法尚不多見，針對新建瀝青路面，當(dāng)認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)各層處于完好狀態(tài)時(shí)，土工格柵加強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)的分析思路大致有以下幾類：力學(xué)分析方法、經(jīng)驗(yàn)方法、有限元數(shù)值分析方法、復(fù)合材料模擬法。本文中采用復(fù)合材料模擬法，即根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)的有關(guān)原理把土工格柵與鄰近的路面材料換算為一種復(fù)合材料作為瀝青路面中的新結(jié)構(gòu)層，即土工格柵與路面材料的復(fù)合材料層，該層是豎直方向受壓，水平方向受彎拉的各向異性材料。據(jù)此，土工格柵加強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型和復(fù)合材料參數(shù)分析如下。

1.1 土工格柵加強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

土工格柵加筋瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)仍假定為彈性層狀體系，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意見圖1，其中，車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)仍為均布標(biāo)準(zhǔn)車載，單圓直徑為21.3 cm，均布壓力為0.7 MPa，土工格柵鋪設(shè)于第一層與第二層面層之間，實(shí)際厚度為0.5～1.0 mm。

圖1 土工格柵加強(qiáng)瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)

1.2 格柵與瀝青混合料復(fù)合層材料參數(shù)的確定

玻纖格柵屬剛性網(wǎng)格，其剛度較大，經(jīng)測定彈性模量高達(dá)67000 MPa，這種網(wǎng)格能夠依靠自身的剛度擴(kuò)散荷載分布范圍，且本身強(qiáng)度很高，能夠承受較大應(yīng)力。因此，當(dāng)將玻纖格柵用于瀝青面層時(shí)，平行于格柵方向的“增強(qiáng)”性能極其明顯。土工網(wǎng)格是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鋪于路面中的網(wǎng)格會被瀝青混合料所填充，同時(shí)土工網(wǎng)格的厚度較小，一般不大于1 mm，故在分析中把它獨(dú)立作為一層計(jì)算與實(shí)際情況會有較大區(qū)別。根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)的有關(guān)原理，將土工網(wǎng)格與其鄰近的1cm厚的瀝青混合料換算為一種復(fù)合材料，作為瀝青路面中新的結(jié)構(gòu)層，即土工網(wǎng)格（Geogrid）與瀝青混合料（AC）的復(fù)合材料層，記為G-AC層。因此，可建立由土基、底基層、基層、面層和G-AC層等五層構(gòu)成的彈性層狀體系模型，并假定除基層可能存在裂縫外，其它各層均為連續(xù)體，各層間完全連續(xù)。則圖1所示結(jié)構(gòu)將變換為如圖2所示的結(jié)構(gòu)。

圖2 格柵加強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)變換模型

根據(jù)復(fù)合材料增強(qiáng)效應(yīng)分析理論，對于G-AC層，確定其水平方向彈性模量的力學(xué)模型可考慮為并聯(lián)模型，則復(fù)合材料的彈性模量的表達(dá)式為：

式中：EG-AC、EG、EAC——分別為復(fù)合材料、格柵、瀝青混合料的彈性模量；

VG——格柵材料體積與復(fù)合材料總體積比。

當(dāng)復(fù)合材料層厚度以1 cm厚度計(jì)，格柵層厚度為0.5～1.0 mm，網(wǎng)格尺寸為17～23 mm，格柵條筋寬度2～4 mm時(shí)，VG取值一般在0.02～0.1。復(fù)合材料彈性模量EG-AC計(jì)算結(jié)果見表1，由結(jié)果可知，格柵加強(qiáng)瀝青路面復(fù)合材料彈性模量大體在3000～8000 MPa之間，隨增大而增大。

表1 復(fù)合材料彈性模量EG-AC計(jì)算表（20℃）

2 格柵加強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)分析

格柵在路面結(jié)構(gòu)中起到“加筋”的作用，加入格柵后將明顯改變路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。表1已經(jīng)證明，與普通瀝青層相比，格柵加強(qiáng)瀝青層的彈性模量顯著增加，根據(jù)瀝青路面設(shè)計(jì)理論可知，面層彈性模量的增加將使面層的層底拉應(yīng)力和路表的彎沉值均減小。如此，若使路面達(dá)到同樣的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，格柵加強(qiáng)瀝青路面的厚度可小于未使用格柵的常規(guī)瀝青路面，本文通過計(jì)算對格柵加強(qiáng)瀝青路面的厚度減薄效應(yīng)進(jìn)行具體的分析。

2.1 格柵加強(qiáng)瀝青路面的力學(xué)性能的提高

根據(jù)現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的要求，瀝青混凝土在整體強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)采用20℃抗壓回彈模量指標(biāo)，在拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)則采用15℃抗壓回彈模量與劈裂強(qiáng)度指標(biāo)。因此，在對格柵加強(qiáng)瀝青路面減薄厚度效應(yīng)進(jìn)行分析前，首先分別對普通瀝青混合料和加入格柵的瀝青混合料的15℃劈裂抗拉強(qiáng)度和15℃及20℃抗壓回彈模量進(jìn)行測定。

劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明，加入格柵的瀝青混合料的15℃劈裂抗拉強(qiáng)度，較普通瀝青混合料強(qiáng)度提高了10%～15%，可以說明加入格柵后瀝青混合料的抗彎拉能力有較大的改善，具有一定的厚度效應(yīng)。

抗壓回彈模量的試驗(yàn)結(jié)果則顯示，加入格柵的瀝青混合料與未加入格柵的相比，不論試驗(yàn)溫度是20℃還是15℃，抗壓模量均有所提高，但是作用并不顯著，這是由于在瀝青混合料層中僅設(shè)置一層格柵，尺度效應(yīng)有限所致。

通過上述分析，格柵的加入可有效提高瀝青路面的力學(xué)性能，包括劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓彈性模量。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行厚度減薄效應(yīng)分析。

2.2 格柵加強(qiáng)瀝青路面厚度減薄效應(yīng)分析

（1）特定荷載交通條件下設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定。

在本研究中，以高等級瀝青路面為設(shè)計(jì)條件，初擬路面結(jié)構(gòu)為：3 cm細(xì)粒式瀝青混凝土＋6 cm中粒式瀝青混凝土＋2×18 cm水泥穩(wěn)定碎石＋18 cm水泥穩(wěn)定土。根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境與土質(zhì)條件確定路基彈性模量為35 MPa。路面設(shè)計(jì)年限為15 a，設(shè)計(jì)交通量為黃河標(biāo)準(zhǔn)車斷面交通量4000輛/d，車道系數(shù)取0.25，交通量平均年增長率為6%；另外，公路等級系數(shù)、面層類型系數(shù)和基層類型系數(shù)均取1。利用路面結(jié)構(gòu)計(jì)算程序HLS得到軸載換算及設(shè)計(jì)彎沉值和容許拉應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如下：

當(dāng)以設(shè)計(jì)彎沉值為指標(biāo)及瀝青層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，路面竣工后第一年日平均當(dāng)量軸次為5436輛/d，設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上累計(jì)當(dāng)量軸次為1.016939×107輛；當(dāng)進(jìn)行半剛性基層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，路面竣工后第一年日平均當(dāng)量軸次為4788輛/d，設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上累計(jì)當(dāng)量軸次為1.016939×107輛。路面設(shè)計(jì)彎沉值為23.2（0.01 mm）。各路面結(jié)構(gòu)層的容許拉應(yīng)力見表2。

表2 路面各結(jié)構(gòu)層的容許應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

（2）利用路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序HMPD對常規(guī)瀝青路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的公路等級為一級公路，新建路面的層數(shù)為5層，標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ-100，路面設(shè)計(jì)彎沉值為23.2（0.01 mm），路面設(shè)計(jì)層層位為第4層，設(shè)計(jì)層的最小厚度取15 cm。設(shè)計(jì)層的具體參數(shù)見表3。

表3 各結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)參數(shù)

基于上述設(shè)計(jì)條件與參數(shù)，按設(shè)計(jì)彎沉值計(jì)算設(shè)計(jì)層厚度，其結(jié)果為17.9 cm，并對路面各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果顯示各層驗(yàn)算結(jié)果均滿足要求。將設(shè)計(jì)厚度取整后得18 cm。在此基礎(chǔ)上，還對路面的防凍厚度進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果表明路面總厚度大于最小防凍厚度50 cm，滿足防凍要求。

（3）格柵加強(qiáng)瀝青路面減薄厚度效應(yīng)分析

在上述常規(guī)瀝青路面的設(shè)計(jì)結(jié)果基礎(chǔ)上，再次利用路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序HMPD，對瀝青層厚度進(jìn)行計(jì)算，考察格柵加強(qiáng)瀝青路面厚度減薄效應(yīng)。各結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)參數(shù)見表4，由于將格柵置于上面層和下面層之間（見圖2），所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，兩面層間產(chǎn)生了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)層——格柵瀝青混合料復(fù)合層，如前所述該層厚度取1 cm，復(fù)合材料模量取3200/4000 MPa（20/15℃）（體積比率VG為0.035左右），其中設(shè)計(jì)層位為第3層，該層最小設(shè)計(jì)層厚度為4 cm，其他條件和設(shè)計(jì)要求與常規(guī)瀝青路面相同。

按照上述設(shè)計(jì)條件及參數(shù)，按容許彎沉值為23.2計(jì)算，得出設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)層厚度為4.2 cm，按照該厚度驗(yàn)算各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力，結(jié)果顯示均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。在此基礎(chǔ)上對路面防凍厚度亦進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果表明路面總厚度大于50 cm，滿足防凍要求。最后，設(shè)計(jì)層厚度取4.2 cm。

將格柵加強(qiáng)瀝青層的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果與常規(guī)瀝青路面相比較可以直觀的得出，瀝青混合料下面層厚度由5.5 cm減少至4.2 cm，減薄率高達(dá)23%。在本文所示試驗(yàn)中，格柵的體積比僅為0.035，若格柵層的剛度或體積比率進(jìn)一步提高時(shí)，由表1可知復(fù)合材料模量也將隨之增加，減薄瀝青路面效果將更加顯著。瀝青層厚度的減少是有效降低路面造價(jià)的方法之一，同時(shí)減少瀝青混合料的生產(chǎn)量也對環(huán)境保護(hù)大有益處。

表4 各結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)參數(shù)

3 結(jié)論

本文將玻纖格柵作為加筋材料鋪設(shè)于上下瀝青面層之間，利用路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序?qū)ΤＲ?guī)瀝青路面和格柵加強(qiáng)瀝青路面分別進(jìn)行計(jì)算，其中采用復(fù)合材料模擬法將格柵和瀝青混合料等效為二者的復(fù)合材料，作為新的結(jié)構(gòu)層置于路面中，并給出了復(fù)合材料參數(shù)的計(jì)算方法。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，與常規(guī)瀝青路面相比，格柵加強(qiáng)瀝青路面厚度減薄效應(yīng)顯著，當(dāng)格柵與復(fù)合材料體積比為0.035時(shí)，減薄率為23%，當(dāng)體積比增加，即格柵的厚度增加，厚度減薄效應(yīng)將更加顯著。

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