基于不同格柵加筋層位的瀝青路面加鋪層結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

楊維國

（深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518034）

0 引言

隨著我國高等級公路建設(shè)的飛速發(fā)展，公路網(wǎng)骨架基本完成，公路事業(yè)的重點將轉(zhuǎn)移到舊路養(yǎng)護、改擴建工程上來。在我國，舊瀝青路面上加鋪瀝青混凝土層已成為一種切實可行、簡單有效的修復(fù)措施。采用格柵加筋瀝青加鋪層已經(jīng)被證明能夠有效地提高路面結(jié)構(gòu)強度和改善路面使用性能。

目前，國內(nèi)研究主要集中在格柵在舊水泥混凝土路面加鋪中的應(yīng)用，而對于格柵在舊瀝青路面加鋪中的應(yīng)用研究甚少。關(guān)于格柵在加鋪層中的位置，現(xiàn)有的研究主要是將其設(shè)在加鋪層的底部，對其他位置研究很少。但現(xiàn)實工程中卻有許多將格柵放在其他位置并取得較好的效果的實例。所以，對于整個格柵加筋的層位，目前尚缺乏系統(tǒng)的理論分析。本文擬通過對舊瀝青路面不同格柵加筋加鋪層層位進行力學(xué)分析，提出瀝青加鋪層中格柵加筋的最優(yōu)層位。

1 不同格柵層位的瀝青加鋪層力學(xué)模型建立

視路面結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系，從上至下由瀝青加鋪層、格柵、舊瀝青路面和基礎(chǔ)組成，建立空間三維模型。對瀝青加鋪層、舊瀝青路面和基礎(chǔ)采用8節(jié)點實體單元，格柵采用三維薄膜單元進行分析。采用大型有限元軟件ANSYS進行計算。模型及坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)計算模型

在計算溫度應(yīng)力時，采用三維模型solid70單元，不僅理論上符合實際情況，而且可與荷載應(yīng)力進行耦合分析。因此，溫度應(yīng)力計算模型與荷載應(yīng)力計算模型相同。經(jīng)過計算得出無格柵時最不利溫度應(yīng)力點為接縫處加鋪層底部的A點（如圖2a）所示），有格柵時采用應(yīng)力格柵底部A1點及瀝青加鋪層底部B點來計算（如圖2b）所示）。

圖2 溫度應(yīng)力計算點位

2 不同格柵位置的加鋪層結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力分析

假設(shè)層間狀態(tài)為連續(xù)，瀝青加鋪層厚度h＝12cm，固定瀝青加鋪層模量EAC＝1200MPa，舊路當(dāng)量回彈模量Et＝400MPa，格柵模量Eg＝3000MPa。當(dāng)舊路有裂縫時，假設(shè)舊路裂縫深10cm、寬5mm。格柵從加鋪層層底逐漸上移h／6、h／3、h／2、2h／3，采用有限元計算模型，根據(jù)開裂機理，分析格柵之下瀝青層層底及格柵之上瀝青層表面的受力狀況，結(jié)果見表1。

表1 格柵位置對加鋪層結(jié)構(gòu)荷載內(nèi)力的影響分析

由表1可以看出以下幾點。

第一，無論舊路有無裂縫，格柵的層位對加鋪層表面的彎沉影響都比較小，但依然隨著格柵層位的上升先增大后減小，在h／3～h／2處出現(xiàn)最大值。

第二，無論舊路是否有縫，格柵本身的最大應(yīng)力σm隨著格柵層位的上升而減小，也就是說隨著格柵的上移，格柵抵抗拉力的價值逐漸得不到體現(xiàn)。當(dāng)格柵置于瀝青混凝土加鋪層最底部時，格柵上方瀝青加鋪層最厚，相對而言格柵承受較大拉應(yīng)力，但根據(jù)格柵的抗拉強度，不同格柵鋪設(shè)位置均不致明顯影響格柵本身的壽命。

第三，隨著格柵位置的上移，加鋪層層底的最大拉應(yīng)力、拉應(yīng)變隨之增大。當(dāng)格柵從加鋪層層底移至中間，舊路無縫時的加鋪層層底的最大拉應(yīng)力、拉應(yīng)變分別增大27.3%、16.7%，舊路有縫時加鋪層層底的最大拉應(yīng)力、拉應(yīng)變分別增大26.8%、17.2%。而加鋪層層底剪切應(yīng)力τyz則先減小后增大，在h／6處出現(xiàn)最小值，舊路無裂縫時為0.098MPa，比格柵位于加鋪層底部減少19.39%，舊路有裂縫時為0.183MPa，比格柵位于加鋪層底部減少8.7%。

所以，在只考慮整個加鋪層底部的最大拉應(yīng)力、拉應(yīng)變的情況下，格柵設(shè)置在加鋪層底部的抗拉效果比其他層位要好。

根據(jù)以上的分析，格柵的上移使格柵之下加鋪層的受力不利，卻換取格柵之上加鋪層優(yōu)越的受力環(huán)境。由于格柵擁有優(yōu)異的抗拉、抗裂性能，在格柵上、下加鋪層之間起到一個隔離層的作用，所以，即使格柵之下的加鋪層有一些性能損失，仍能確保格柵之上加鋪層處于一個良好的狀態(tài)。可以說格柵之下的加鋪層是格柵之上加鋪層的保護層，但同時考慮其他的因素，該保護層不能太厚。而這個保護層與工程實際中的應(yīng)力吸收層功能相似，即格柵與應(yīng)力吸收層聯(lián)合使用，能取得更好的效果。

圖3 格柵置于底部與h/6處時格柵之上加鋪層的應(yīng)力應(yīng)變比較

3 不同格柵位置的加鋪層結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

假設(shè)層間狀態(tài)為連續(xù)，瀝青加鋪層厚度h＝12cm，固定瀝青加鋪層模量EAC＝1200MPa，舊路當(dāng)量回彈模量Et＝400MPa，格柵模量Eg＝3000MPa。當(dāng)舊路有裂縫時，假設(shè)舊路裂縫深10cm、寬5mm。格柵從加鋪層層底逐漸上移h／6、h／3、h／2、2h／3，取ΔT＝－10℃。計算結(jié)果見表2。

表2 格柵位置對加鋪層層底及加鋪層表面的結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力影響分析

從表2中可以得出，格柵之上的加鋪層的溫度應(yīng)力不受有、無格柵和格柵層位的影響。加鋪層層底的最大溫度應(yīng)力和最大應(yīng)變只有在格柵位于層底和h／6處才有所變動，其他情況下與無格柵時一樣。格柵本身的拉應(yīng)力在h／6處最大，為0.275MPa，當(dāng)格柵層位大于h／2時，與無格柵的情況一樣。即可得出只有將格柵置于加鋪層層底與h／2之間時，才會影響加鋪層層底的溫度應(yīng)力、應(yīng)變，而且影響不明顯。

4 結(jié)論

4.1 在只考慮整個加鋪層底部的最大拉應(yīng)力、拉應(yīng)變的情況下，格柵設(shè)置在加鋪層底部時的抗拉效果比設(shè)置在其他層位要好。

4.2 隨著格柵位置的上移，格柵之上的加鋪層最大拉應(yīng)力、拉應(yīng)變迅速減小，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，格柵鋪設(shè)在h／6處比鋪設(shè)在加鋪層底部更能有效延長加鋪層的疲勞壽命。

4.3 格柵之下的加鋪層（保護層）其功能和厚度與應(yīng)力吸收層相似，即可推導(dǎo)出應(yīng)力吸收層與格柵聯(lián)合使用能取得更好的效果的結(jié)論。

4.4 格柵之上的加鋪層其溫度應(yīng)力不受有、無格柵和格柵層位的影響。只有將格柵置于加鋪層層底與h／2之間時，才會影響加鋪層層底的溫度應(yīng)力、應(yīng)變，而且影響不明顯。

[1]李淑明，許志鴻，蔡喜棉.土工織物對復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響分析[J].中國公路學(xué)報，2006，19（1）：28-31.

[2]王朝輝，王選倉，楊維國，等.不同層位格柵加筋瀝青混凝土的抗車轍性能[J].長沙交通學(xué)院學(xué)報，2008，（4）：27-31.

[3]王朝輝，王選倉.基于瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)疲勞壽命的夾層位置確定[J].中國公路學(xué)報，2008，21（1）：29-34.

[4]陳拴發(fā)，鄭木蓮，楊斌，等.破裂水泥混凝土路面板瀝青加鋪層溫度應(yīng)力影響因素[J].交通運輸工程學(xué)報，2005，5（3）：25-30.