纖維穩(wěn)定土基層參數(shù)對路面力學響應的影響分析

楊林， 劉雨彤

(東北林業(yè)大學土木工程學院， 哈爾濱150040)

纖維穩(wěn)定土基層參數(shù)對路面力學響應的影響分析

楊林， 劉雨彤

(東北林業(yè)大學土木工程學院， 哈爾濱150040)

為了分析聚丙烯纖維加筋水泥石灰土基層材料對路面結構設計及重載交通的影響，以聚丙烯纖維加筋水泥石灰土為對象，借助正交分析法，選取基層厚度、基層模量(聚丙烯纖維摻量)和底基層厚度作為主要影響因素，對聚丙烯纖維水泥石灰土基層瀝青路面結構設計參數(shù)進行計算；同時分析了不同超載作用下纖維水泥石灰土基層瀝青路面結構的彎沉及應力情況。結果表明：提高基層厚度有利于路面結構受力，同時使用聚丙烯纖維摻量為0.2%的水泥石灰土作基層材料，對于優(yōu)化重載作用下的路面結構設計更為顯著。為聚丙烯纖維加筋水泥石灰土在石料匱乏地區(qū)的應用提供了依據(jù)。

路面基層；聚丙烯纖維；水泥石灰土；有限元數(shù)值分析法；重載

引言

我國平原地區(qū)面積約占總國土面積的12%，該地區(qū)砂石材料較匱乏，石料的遠距離運輸又會大幅增加材料造價，平原地區(qū)地下黏土分布極為廣泛，且取用方便。為節(jié)約筑路材料成本可選用水泥、石灰及粉煤灰等無機結合料穩(wěn)定土修筑路面基層。但水泥石灰綜合穩(wěn)定土抗壓回彈模量不高[1]，聚丙烯纖維具有模量高、收縮變形小、對溫度變化不敏感及價格低廉等優(yōu)點，已有研究表明[2-4]，聚丙烯纖維已經(jīng)廣泛應用于混凝土工程、水穩(wěn)碎石基層、瀝青路面等土木工程領域，本文采用聚丙烯纖維加筋的方法提高綜合穩(wěn)定土的模量。目前針對水泥石灰綜合穩(wěn)定土材料的室內(nèi)試驗研究已經(jīng)很廣泛了[5]，但是有關水泥石灰土基層對路面結構影響的研究幾乎空白。鑒于我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展和車輛大型化，大部分地區(qū)超載現(xiàn)象嚴重[6-8]，需進一步探討聚丙烯纖維增強水泥石灰土作為基層材料能否滿足越來越繁重的交通需求。本研究針對聚丙烯纖維增強水泥石灰土基層的設計參數(shù)對路面結構的影響，借助有限元軟件ABAQUS及正交分析法，進行路面結構設計指標的計算與分析。

1 路面結構設計參數(shù)計算分析

1.1 正交分析法方案設計

在路面結構設計過程中，經(jīng)濟耐久性是道路設計的重要指標，應找出其關鍵影響因素并選擇其最佳組合值。方案的比選是多方面的，不易采用單一指標判斷。在多方案中選擇最優(yōu)方案時，可通過正交分析法綜合考慮各關鍵因素[9-11]，在綜合分析的基礎上做出最佳選擇。

1.1.1選擇影響因素

基層作為路面結構的主要承重層，其承受由面層傳遞的車輛荷載并進行荷載分散。基層的厚度和剛度對整個路面的性能和使用壽命具有重大的影響[12-13]，另外基層下底基層的厚度也起到一定制約路面使用性能的作用[14-15]。因此選取基層厚度、基層模量和底基層厚度作為影響因素進行路面結構設計。

1.1.2確定基層材料的抗壓回彈模量

根據(jù)《公路路面基層施工技術細則》(JTC/T F20-2015)中規(guī)定綜合穩(wěn)定細粒材料水泥劑量最小值為4%，以節(jié)約成本和環(huán)保為原則選擇最低水泥劑量4%，同時推薦水泥和石灰的比例宜取60∶40、50∶50或40∶60，為簡化實驗操作只研究聚丙烯纖維摻量對綜合穩(wěn)定土抗壓回彈模量的影響，試驗采用水泥和石灰的比例為50∶50，即4%水泥+4%石灰綜合穩(wěn)定土。依據(jù)《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)中給定的抗壓回彈模量測定方法，選用頂面法對不同聚丙烯纖維摻量的水泥石灰土進行測試，試驗采用圓柱形試件，規(guī)格為Φ10 cm×h10 cm，成型壓實度為96%，養(yǎng)生90 d，試驗結果如圖1所示。

圖1聚丙烯纖維的摻量對水泥石灰土抗壓回彈 模量的影響

由圖1試驗結果可知，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，試件的抗壓回彈模量逐步提高，纖維摻量為0.1%的水泥石灰土較普通水泥石灰土抗壓回彈模量提高了12.48%，纖維摻量由0.1%增加到0.2%時，模量提高了10.58%，當纖維摻量達到0.3%時，相比摻量為0.2%的水泥石灰土模量僅提高了6.92%。這是由于纖維摻量的增加，混合料中的纖維網(wǎng)逐步密集，模量的提高效果越明顯，當摻加過多纖維時，不僅影響纖維在土體中的分散性而且由于土體中沒有足夠的水化物粘結纖維與土顆粒，導致纖維水泥石灰土抗壓回彈模量增長率出現(xiàn)下降的趨勢，繼續(xù)增大聚丙烯纖維摻量還會導致水泥石灰土抗壓回彈模量的降低。

1.1.3確定因素水平

選用“瀝青面層+半剛性基層+半剛性底基層”典型路面結構進行力學響應分析，路面結構和材料參數(shù)見表1。

表1聚丙烯纖維增強水泥石灰土基層 瀝青路面結構與材料參數(shù)

1.1.4選擇考核指標

由于選用了半剛性基層材料，瀝青混凝土面層底部受壓應力作用不需考慮其拉應力值，因此選取路表彎沉、基層及底基層層底拉應力作為考核指標。

1.2 力學計算及結果分析

1.2.1ABAQUS與HPDS計算結果對比

借助有限元軟件ABAQUS簡化計算三維路面結構力學問題，選擇8結點雙向二次平面應變四邊形減縮積分單元，路面結構尺寸為6 m×3 m，模型左右兩側(cè)無水平方向位移，底部無豎向位移，假設各結構層間完全連續(xù)，施加標準荷載0.707 MPa。選用HPDS計算軟件中彎沉值和層底拉應力計算子程序(HMPC)進行對比。由于表1含三個考察因素每種因素具有四個水平，選取L16(43)作為正交分析表(表2)，兩種軟件計算結果如圖2所示。

由圖2可知，HPDS程序計算出的路表彎沉值略小于ABAQUS程序計算值，但彎沉變化趨勢基本一致。由ABAQUS軟件計算出的基層層底拉應力略小于HPDS程序，但變化規(guī)律相同，兩種軟件計算出的底基層層底拉應力值基本一致且變化趨勢相同。綜上所述，可認為ABAQUS建立的模型正確。

圖2ABAQUS與HPDS計算路表彎沉值、基層及 底基層層底拉應力對比圖

試驗號考核因素A基層厚度/cmB基層模量/MPaC底基層厚度/cm1201034302201163403201286504201375605301034406301163307301286608301375509401034501040116360114012863012401375401350103460145011635015501286401650137530

1.2.2直觀分析

直觀分析結果見表3，比較不同因素間的極差關系，如圖3所示。基層模量與底基層厚度的極差變化值均為與基層厚度的相對極差。對比基層厚度A、基層模量B、底基層厚度C三因素對路表彎沉和基層、底基層層底拉應力的影響。

圖3不同因素的相對極差

考核指標因素K1K2K3K4R最優(yōu)值路表彎沉/mmA13255121298576925563A4B12996115496487434252B4C123521035999610222356C3基層層底拉應力/MPaA012130137010200750062A4B009080112011601180027B1C013410104010300950039C4底基層層底拉應力/MPaA007890063005800570022A4B00633006420064500650002B1C0072006610059700590012C4

(1)路表彎沉

路表彎沉的影響：基層厚度>基層模量>底基層厚度，由此可知，減小路表彎沉的最有效途徑是增大基層厚度。當基層材料造價過高不宜增加厚度時，可摻加聚丙烯纖維提高水泥石灰土基層模量以降低路表彎沉。

(2)基層層底拉應力

基層層底拉應力的影響：基層厚度>底基層厚度>基層模量，基層厚度的極值是其他兩因素的2倍，因此減小基層層底拉應力的最好方法是增加基層厚度，當基層厚度變化不大時，可提高底基層厚度以降低基層層底拉應力。由直觀分析表(表3)可知，基層大厚度低模量受力性更佳，基層模量為1034 MPa，基層、底基層厚度分別為50 cm、40 cm時組合較好。

(3)底基層層底拉應力

底基層層底拉應力的影響：基層厚度>底基層厚度>基層模量，基層厚度的影響程度是基層模量的13.25倍，基層模量對底基層層底拉應力的影響很小。若要降低底基層層底拉應力，應提高基層、底基層厚度。結合直觀分析表(表3)得出，大厚度的基層受力效果最好，底基層厚度宜在50 cm左右。

1.2.3 因素變化對各指標的影響

根據(jù)表3繪制關系圖，如圖4～圖6所示，為基層厚度、基層模量、底基層厚度變化對路表彎沉、基層層底拉應力及底基層層底拉應力的影響關系圖。

(1)路表彎沉

圖4因素變化與路表彎沉變化關系圖

圖5因素變化與基層層底拉應力變化關系圖

圖6因素變化與底基層層底拉應力變化關系圖

由圖4可知，各因素水平的增長使得路表彎沉均呈降低趨勢。底基層厚度變化的影響線相對緩和，基層模量的影響較底基層厚度明顯，基層厚度影響最為顯著，當基層厚度由20 cm增加到40 cm、50 cm時，路表彎沉分別降低了25.674%、41.972%，纖維摻量為0.2%的水泥石灰土基層材料較普通水泥石灰土基層材料模量提高了25.798%，當纖維摻量增加到0.3%時，模量提高了32.72%，基層模量后期變化率小于前中期，所以提高基層模量要適度，采用纖維摻量為0.2%的水泥石灰土基層材料，在相同路表彎沉條件下可適當減薄基層厚度。

(2)基層層底拉應力

如圖5所示，隨著基層厚度的增加，基層層底拉應力呈先增大后大幅減小的趨勢，50 cm厚基層較20 cm厚基層層底拉應力降低了38.054%，因此應盡量增大基層厚度。底基層厚度在30 cm～40 cm范圍內(nèi)能夠大幅降低基層層底拉應力，而繼續(xù)增加底基層厚度，應力變化不大。聚丙烯纖維增強水泥石灰土基層材料纖維摻量在0.1%范圍內(nèi)，基層層底拉應力增幅較大，0.1%～0.3%摻量范圍內(nèi)，應力增幅較平緩。

(3)底基層層底拉應力

如圖6所示，基層厚度的變化對層底拉應力的影響較大，基層厚度由20 cm增加到30 cm時，對層底拉應力降低作用效果最顯著，而在試驗范圍內(nèi)基層厚度由20 cm增加到50 cm，底基層層底拉應力共下降了27.425%。底基層厚度在30 cm～50 cm厚度范圍內(nèi)對應力降低效果明顯，繼續(xù)增加底基層厚度，應力幾乎無變化。基層模量影響線變化幅度不大，說明基層模量的變化對層底拉應力基本無影響，若要控制底基層層底拉應力應適當增大基層、底基層厚度。

2 重載作用分析

車輛荷載反復作用下，路面易出現(xiàn)縱向裂縫從而形成網(wǎng)裂、龜裂破壞。路表彎沉反應路面整體結構狀態(tài)，其中包含路面結構層應力與抗力的失衡關系；同時半剛性基層、底基層層底拉應力對路面疲勞開裂起控制作用[16-18]。由于我國大部分地區(qū)超載現(xiàn)象越來越嚴重，還需對超載路面結構設計考核指標進行計算，最終確定合理的基層厚度、模量及底基層厚度。在標準軸載下(圖4～圖6)，三因素對路表彎沉、基層及底基層層底拉應力計算分析可知，基層厚度越大，對各指標越有利，從而確定基層厚度為50 cm；隨著底基層厚度的增大，其影響線趨于平緩，底基層厚度宜為40 cm。而基層材料的選擇對路表彎沉及層底拉應力有不同程度的影響，分別計算不同纖維摻量下的水泥石灰土基層結構在重載情況下的路表彎沉與層底拉應力。

2.1 荷載參數(shù)及形式

在單軸雙輪組標準軸載100 kN的基礎上，分析軸載分別為125 kN、150 kN、200 kN，即超載率分別為25%、50%、100%三種重載情況不同纖維摻量下水泥石灰土基層結構對路表彎沉和層底拉應力的影響。相關資料表明，只有在標準軸載作用下車輪荷載可轉(zhuǎn)化為當量圓均勻荷載，若超過標準軸載，輪胎接地形狀更近似于矩形[19]，矩形面積計算公式：

S=0.8712L×0.6L

其中，L為輪胎接地長度(cm)。

計算重載車胎接地面積可采用比利時軸載—接地面積統(tǒng)計關系式[20]：

Α=0.008P+152

其中，P為作用于車輪上的荷載(N)。路面結構荷載參數(shù)見表4。

2.2 計算及結果分析

通過ABAQUS軟件計算出在不同重載情況下，含不同摻量聚丙烯纖維的水泥石灰土基層路面結構的路表彎沉與層底拉應力，計算結果如圖7～圖9所示。其中設計彎沉值、基層和底基層容許拉應力值為中等交通等級下(1.2×107次/車道)的計算值。

表4路面結構荷載參數(shù)

圖7路表彎沉計算值

圖8基層層底拉應力計算值

圖9底基層層底拉應力計算值

由圖7～圖9可知，隨著軸載的增大，路表彎沉、基層及底基層層底拉應力均增加。如圖7所示，當軸載增加到125 kN時，普通水泥石灰土基層路面結構的路表彎沉較標準軸載100 kN增加了3.808，而摻加0.2%聚丙烯纖維后，路表彎沉僅增加了2.761；軸載增加到150 kN時，普通基層路面結構的路表彎沉增大了7.757，而添加0.2%聚丙烯纖維后，路表彎沉僅增大了5.853；當軸載達到200 kN，普通基層路面結構的路表彎沉增大了14.891，而添加0.2%聚丙烯纖維后，路表彎沉僅增大了11.555。超載率為100%時，普通水泥石灰土基層、纖維摻量為0.1%的水泥石灰土基層路面結構的路表彎沉已超過設計彎沉值，不滿足規(guī)范要求，但隨著纖維摻量的提高，可滿足設計要求，說明聚丙烯纖維增強水泥石灰土基層材料能夠緩解超載地區(qū)路表彎沉增大的現(xiàn)象。聚丙烯纖維摻量在0.1%～0.2%區(qū)間內(nèi)彎沉具有顯著的下降趨勢，纖維摻量宜為0.2%。

由圖8可知，在標準軸載100 kN條件下，摻加0.2%聚丙烯纖維的水泥石灰土基層層底拉應力較普通水泥石灰土增大了0.004 612 MPa；軸載增加到125 kN時，摻加0.2%聚丙烯纖維的水泥石灰土基層層底拉應力較普通水泥石灰土增大了0.011 769 MPa；同理，軸載達到150 kN，層底拉應力增大了0.023 174 MPa。可知，聚丙烯纖維的添加不僅增加了基層層底拉應力，而且隨著軸載的增大層底拉應力增幅越大。雖然基層層底拉應力小于容許拉應力，但應盡量避免重載超載現(xiàn)象。

當超載100%時，普通水泥石灰土基層、聚丙烯纖維摻量為0.1%的水泥石灰土基層層底拉應力均超過其容許拉應力，說明超載達到100%時，基層先發(fā)生拉伸開裂，裂縫向上擴展形成反射裂縫，這是常見的路面破壞形式。當纖維摻量達到0.2%或0.3%時，基層層底拉應力小于其容許拉應力，滿足極限強度驗算指標。由圖9知，聚丙烯纖維增強水泥石灰土基層材料對底基層層底拉應力稍有影響但不大，聚丙烯纖維摻量不超過0.3%時，超載率不大于100%各結構底基層層底拉應力均小于容許拉應力，滿足設計要求。

3 結論

(1)通過正交設計分析出路面結構設計中關鍵因素對指標的影響。其中對路表彎沉的影響：基層厚度>基層模量>底基層厚度；對基層層底拉應力的影響：基層厚度>底基層厚度>基層模量；對底基層層底拉應力的影響：基層厚度>底基層厚度>基層模量。水泥石灰土基層厚度由20 cm增加到50 cm時，路表彎沉、基層層底拉應力、底基層層底拉應力分別降低了41.972%、38.054%、27.425%。

(2)選用聚丙烯纖維摻量為0.2%的水泥石灰土基層材料，聚丙烯纖維水泥石灰土基層較同厚度普通水泥石灰土基層瀝青路面結構路表彎沉降低了25.798%。而在相同路表彎沉條件下，應用聚丙烯纖維水泥石灰土作基層材料，可適當減薄基層厚度，滿足經(jīng)濟合理成本最低化要求。

(3)在重載條件下，選用聚丙烯纖維增強水泥石灰土基層路面結構，可顯著降低路表彎沉，聚丙烯纖維水泥石灰土基層材料在重載作用下具有良好的路用性能；已知路面結構其他條件，比選出路面結構參數(shù)：聚丙烯纖維增強水泥石灰土基層厚度宜為50 cm，聚丙烯纖維摻量宜為0.2%，石灰土底基層厚度宜為40 cm。

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Analysis of Influence of Fiber Stabilized Soil Base Parameters on Mechanical Response of Pavement

YANGLin,LIUYutong

(School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In order to analyze the effect of polypropylene fiber reinforced cement lime soil base material on pavement structure design and heavy load traffic. In this study, taking polypropylene fiber reinforced cement lime soil as the research object, by means of orthogonal analysis, the thickness of the base layer, the base layer modulus (polypropylene fiber content) and the subbase layer thickness are selected as the main factors, and the design parameters of asphalt pavement structure of fiber cement lime soil base are calculated. At the same time, the deflection and stress of asphalt pavement structure of fiber cement lime soil under different overload conditions are analyzed. The results show that increasing the thickness of the basement is beneficial to the stress of the pavement structure, simultaneously, using polypropylene fiber content of 0.2% of the cement lime soil as the base material, is more significant for the optimization of heavy load under the pavement structure design.

pavement base; polypropylene fiber; cement lime stabilized soil; finite element numerical analysis method; heavy load

1673-1549(2017)06-0076-07

10.11863/j.suse.2017.06.14

2017-10-09

黑龍江省交通運輸廳科技項目(20101018)

楊 林(1970-)，男，吉林長嶺人，副教授，博士，主要從事道路工程及材料方面的研究，(E-mail)mryanglin@163.com

劉雨彤(1993-)，女，黑龍江大慶人，碩士生，主要從事道路與鐵道工程方面的研究，(E-mail)liuyutongoffice@163.com

U416.212

A