格柵加強瀝青路面結構設計分析

趙艷紅

（北京市龍泰工程設計咨詢有限公司，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狀結構材料，經過特殊的涂復處理工藝而形成新型優良的土工織物。由于土工格柵自身具有較高的剛度和抗拉強度，所以與其他土工合成材料相比，土工格柵可以產生獨特的加固效果。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，國外的研究結果表明，當土工格柵用于道路工程時，它具有減小路面永久豎向變形，限制側向變形，控制裂縫開展，以及減小道路基層設計厚度的作用，所以土工格柵用于路基加固工程的技術已經較為成熟[1]。近幾年，我國關于土工格柵用于路面面層結構也進行了一些研究[2,3]，然而將土工格柵用于路面面層結構則仍處于研究階段，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度與路用性能，并會改變路面結構的應力分布，因此有必要對土工格柵加強瀝青路面結構進行力學分析與計算，探討土工格柵對瀝青路面結構的加強效果。

1 格柵加強瀝青路面結構設計理論

國內外關于格柵加強瀝青路面結構成熟的分析方法尚不多見，針對新建瀝青路面，當認為路面結構各層處于完好狀態時，土工格柵加強瀝青路面結構的分析思路大致有以下幾類：力學分析方法、經驗方法、有限元數值分析方法、復合材料模擬法。本文中采用復合材料模擬法，即根據復合材料力學的有關原理把土工格柵與鄰近的路面材料換算為一種復合材料作為瀝青路面中的新結構層，即土工格柵與路面材料的復合材料層，該層是豎直方向受壓，水平方向受彎拉的各向異性材料。據此，土工格柵加強瀝青路面結構設計模型和復合材料參數分析如下。

1.1 土工格柵加強瀝青路面結構設計模型

土工格柵加筋瀝青混凝土路面結構仍假定為彈性層狀體系，其結構設計示意見圖1，其中，車輛荷載標準仍為均布標準車載，單圓直徑為21.3 cm，均布壓力為0.7 MPa，土工格柵鋪設于第一層與第二層面層之間，實際厚度為0.5～1.0 mm。

圖1 土工格柵加強瀝青混凝土路面結構

1.2 格柵與瀝青混合料復合層材料參數的確定

玻纖格柵屬剛性網格，其剛度較大，經測定彈性模量高達67000 MPa，這種網格能夠依靠自身的剛度擴散荷載分布范圍，且本身強度很高，能夠承受較大應力。因此，當將玻纖格柵用于瀝青面層時，平行于格柵方向的“增強”性能極其明顯。土工網格是一種網狀結構，鋪于路面中的網格會被瀝青混合料所填充，同時土工網格的厚度較小，一般不大于1 mm，故在分析中把它獨立作為一層計算與實際情況會有較大區別。根據復合材料力學的有關原理，將土工網格與其鄰近的1cm厚的瀝青混合料換算為一種復合材料，作為瀝青路面中新的結構層，即土工網格（Geogrid）與瀝青混合料（AC）的復合材料層，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，其它各層均為連續體，各層間完全連續。則圖1所示結構將變換為如圖2所示的結構。

圖2 格柵加強瀝青路面結構變換模型

根據復合材料增強效應分析理論，對于G-AC層，確定其水平方向彈性模量的力學模型可考慮為并聯模型，則復合材料的彈性模量的表達式為：

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

VG——格柵材料體積與復合材料總體積比。

當復合材料層厚度以1 cm厚度計，格柵層厚度為0.5～1.0 mm，網格尺寸為17～23 mm，格柵條筋寬度2～4 mm時，VG取值一般在0.02～0.1。復合材料彈性模量EG-AC計算結果見表1，由結果可知，格柵加強瀝青路面復合材料彈性模量大體在3000～8000 MPa之間，隨增大而增大。

表1 復合材料彈性模量EG-AC計算表（20℃）

2 格柵加強瀝青路面結構分析

格柵在路面結構中起到“加筋”的作用，加入格柵后將明顯改變路面結構的受力狀態。表1已經證明，與普通瀝青層相比，格柵加強瀝青層的彈性模量顯著增加，根據瀝青路面設計理論可知，面層彈性模量的增加將使面層的層底拉應力和路表的彎沉值均減小。如此，若使路面達到同樣的設計標準，格柵加強瀝青路面的厚度可小于未使用格柵的常規瀝青路面，本文通過計算對格柵加強瀝青路面的厚度減薄效應進行具體的分析。

2.1 格柵加強瀝青路面的力學性能的提高

根據現行《公路瀝青路面設計規范》[6]的要求，瀝青混凝土在整體強度驗算時采用20℃抗壓回彈模量指標，在拉應力驗算時則采用15℃抗壓回彈模量與劈裂強度指標。因此，在對格柵加強瀝青路面減薄厚度效應進行分析前，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℃劈裂抗拉強度和15℃及20℃抗壓回彈模量進行測定。

劈裂試驗結果表明，加入格柵的瀝青混合料的15℃劈裂抗拉強度，較普通瀝青混合料強度提高了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。

抗壓回彈模量的試驗結果則顯示，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置一層格柵，尺度效應有限所致。

通過上述分析，格柵的加入可有效提高瀝青路面的力學性能，包括劈裂抗拉強度和抗壓彈性模量。以此為基礎，進行厚度減薄效應分析。

2.2 格柵加強瀝青路面厚度減薄效應分析

（1）特定荷載交通條件下設計指標的確定。

在本研究中，以高等級瀝青路面為設計條件，初擬路面結構為：3 cm細粒式瀝青混凝土＋6 cm中粒式瀝青混凝土＋2×18 cm水泥穩定碎石＋18 cm水泥穩定土。根據當地環境與土質條件確定路基彈性模量為35 MPa。路面設計年限為15 a，設計交通量為黃河標準車斷面交通量4000輛/d，車道系數取0.25，交通量平均年增長率為6%；另外，公路等級系數、面層類型系數和基層類型系數均取1。利用路面結構計算程序HLS得到軸載換算及設計彎沉值和容許拉應力的計算結果如下：

當以設計彎沉值為指標及瀝青層層底拉應力驗算時，路面竣工后第一年日平均當量軸次為5436輛/d，設計年限內一個車道上累計當量軸次為1.016939×107輛；當進行半剛性基層層底拉應力驗算時，路面竣工后第一年日平均當量軸次為4788輛/d，設計年限內一個車道上累計當量軸次為1.016939×107輛。路面設計彎沉值為23.2（0.01 mm）。各路面結構層的容許拉應力見表2。

表2 路面各結構層的容許應力計算結果

（2）利用路面結構設計程序HMPD對常規瀝青路面進行結構設計。

設計的公路等級為一級公路，新建路面的層數為5層，標準軸載為BZZ-100，路面設計彎沉值為23.2（0.01 mm），路面設計層層位為第4層，設計層的最小厚度取15 cm。設計層的具體參數見表3。

表3 各結構層的設計參數

基于上述設計條件與參數，按設計彎沉值計算設計層厚度，其結果為17.9 cm，并對路面各結構層的層底拉應力進行驗算，結果顯示各層驗算結果均滿足要求。將設計厚度取整后得18 cm。在此基礎上，還對路面的防凍厚度進行了驗算，結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）格柵加強瀝青路面減薄厚度效應分析

在上述常規瀝青路面的設計結果基礎上，再次利用路面結構設計程序HMPD，對瀝青層厚度進行計算，考察格柵加強瀝青路面厚度減薄效應。各結構層的設計參數見表4，由于將格柵置于上面層和下面層之間（見圖2），所以在進行結構設計時，兩面層間產生了一個新的結構層——格柵瀝青混合料復合層，如前所述該層厚度取1 cm，復合材料模量取3200/4000 MPa（20/15℃）（體積比率VG為0.035左右），其中設計層位為第3層，該層最小設計層厚度為4 cm，其他條件和設計要求與常規瀝青路面相同。

按照上述設計條件及參數，按容許彎沉值為23.2計算，得出設計結構層厚度為4.2 cm，按照該厚度驗算各結構層的層底拉應力，結果顯示均滿足設計標準要求。在此基礎上對路面防凍厚度亦進行了驗算，結果表明路面總厚度大于50 cm，滿足防凍要求。最后，設計層厚度取4.2 cm。

將格柵加強瀝青層的路面結構設計結果與常規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23%。在本文所示試驗中，格柵的體積比僅為0.035，若格柵層的剛度或體積比率進一步提高時，由表1可知復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的方法之一，同時減少瀝青混合料的生產量也對環境保護大有益處。

表4 各結構層的設計參數

3 結論

本文將玻纖格柵作為加筋材料鋪設于上下瀝青面層之間，利用路面結構設計程序對常規瀝青路面和格柵加強瀝青路面分別進行計算，其中采用復合材料模擬法將格柵和瀝青混合料等效為二者的復合材料，作為新的結構層置于路面中，并給出了復合材料參數的計算方法。路面結構設計結果顯示，與常規瀝青路面相比，格柵加強瀝青路面厚度減薄效應顯著，當格柵與復合材料體積比為0.035時，減薄率為23%，當體積比增加，即格柵的厚度增加，厚度減薄效應將更加顯著。

[1]Perkins,S.W.Mechanistic-Empirical Modeling and Design Model Development of Geosynthetic Reinforced Flexible Pavements:Final Report[R].Montana Department of Transportation,Helena,Montana,Report No.FHWA/MT-01/002/99160-1a,2001.

[2]陳亭,孟玉平,于濤.玻璃纖維格柵加強瀝青路面施加工藝研究[J].公路交通科技(應用技術版),2011(S1):34-36.

[3]肖永亮,張新天.玻纖格柵加強瀝青路面抗疲勞性能試驗研究[J].北京建筑工程學院學報,2008(3):35-38.

[4]JTG D50—2006,公路瀝青路面設計規范[S].北京:人民交通出版社,2006.