雙向土工格柵加筋水穩碎石力學特性試驗研究

王開鳳 李邦彥 袁 明

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430070) (深圳市城市交通規劃設計研究中心股份有限公司2) 深圳 518000)

0 引 言

水穩基層承受來自面層的荷載，并將荷載擴散到路基中，從而大幅提高路面的整體承載能力，在我國公路建設中應用廣泛.目前，我國道路交通量日益增加，車輛迅速大型化且超載現象嚴重[1].我國提高路面質量的傳統方法是嚴格控制路面施工質量、采用合理的路面結構設計，如提高路面結構層材料的施工均勻性、嚴把路面材料關、加強路面施工組成設計等.這些無疑是提高路面質量的有效辦法，但是路面的開裂、沉陷等病害[2]，不僅僅和路面本身質量有關，而且還和水穩基層路用性能有很大的關系.大量工程實踐應用結果表明：水穩基層材料雖然具有較好的承載力，但是這類材料具有明顯脆性，同時在車輛荷載作用下及受自身干縮溫縮特性的影響，使得在后期使用過程中很容易出現裂縫.裂縫自下而上，反射到面層，導致表面水從裂縫空隙中滲入道路結構，并且難以排出，基層內部含水量飽和，在行車荷載的反復作用下，會出現沖刷和唧泥現象，從而導致裂縫的進一步擴大，降低道路的使用質量和壽命.

Hayssam等[3]將土工格柵設置于加鋪層，根據土工格柵的抗拉性和延展性，發現其提供的抗拉強度能夠控制反射裂縫的擴展，證明了土工格柵的加筋作用.文中嘗試利用雙向土工格柵加筋作用防治水泥穩定碎石基層裂縫，提高水泥穩定碎石的抗拉、抗剪和承載能力.將雙向土工格柵設置于水泥穩定碎石中，壓制成試件，通過無側限抗壓強度試驗、彎拉強度試驗、干縮試驗及溫縮試驗，根據不同層數不同養生齡期下試件的力學性能變化趨勢，研究雙向土工格柵加筋對水泥穩定碎石力學特性的影響.

1 雙向土工格柵加筋水泥穩定碎石原材料性能

1.1 水泥

選用湖北省鄂州市某公司生產的P.C 32.5R復合硅酸鹽水泥，其各項性能滿足JTG/T-F20—2015《公路路面基層施工技術細則》[4]要求.

1.2 集料

根據文獻[4]可知，為確保測試的水穩材料具有與實際相符的道路性能，對水穩基層所用材料有明確的技術要求.選用南京斧山碎石場的石灰石，各項性能指標見表1.

表1 集料性能指標

本次試驗選用的四檔集料，粒徑分別為0～2.36，2.36～4.75，4.75～13.2，13.2～26.5 mm，根據文獻[4]可知，水泥穩定碎石的級配范圍選用高速公路C-B-1，集料篩分后進行配合比計算，確定出四檔集料的配合比，其比例為：(0～2.36 mm)∶(2.36～4.75 mm)∶(4.75～13.2 mm)∶(13.2～26.5 mm)=21.5∶30.9∶9.6∶38.

1.3 雙向土工格柵

土工格柵是由抗拉條帶單元結合形成的有規則網格型式的土工合成材料，是目前工程上應用最廣的一種加筋材料[5].雙向土工格柵的網孔會與水穩碎石之間發生相互摩擦，產生摩擦阻力，提高水泥穩定碎石的穩定性，土工格柵的高抗拉強度，可以在較大的面積范圍之內將荷載應力均勻的擴散，使得水泥穩定碎石處于靜力平衡的狀態[6].

試驗選用的雙向土工格柵是拉伸塑料土工格柵[7].其網孔形狀為30 mm×30 mm的正方形，筋帶橫截面積近似取為9×10-6m2，雙向土工格柵力學性能指標數據見表2.

表2 雙向土工格柵力學性能

2 雙向土工格柵加筋水泥穩定碎石力學性能試驗設計

為了驗證雙向土工格柵對水泥穩定碎石的加筋作用，需要進行水泥穩定碎石的性能試驗，實驗包括無側限抗壓強度試驗、彎拉強度試驗、干縮試驗及溫縮試驗.無側限抗壓強度試驗使用圓柱形試件，彎拉強度試驗、干縮試驗、溫縮試驗使用梁式試件.而水泥穩定碎石的最大干密度和最佳含水量是試件成型的關鍵因素.

采用擊實試驗來確定水泥穩定碎石的最大干密度和最佳含水量[8].根據圖1干密度-含水量的關系曲線，確定出試樣的最大干密度和最佳含水量為2.376 g/cm3和5.55%.

圖1 干密度-含水量關系曲線圖

按照最大干密度和最佳含水量為標準確定好試料，使用圓柱形、梁式試模和壓力機壓制水泥穩定碎石試件，試件脫模后進行養生，試件成型過程見圖2和圖3.

圖2 圓柱形試件成型過程

2.2 雙向土工格柵的布置

圓柱形試件中，土工格柵分別布置0、1、2和3層，具體的布置方式見圖4，其中虛線代表土工格柵，n為土工格柵層數.為了防止格柵裸露，須先在試模底部鋪入一薄層水泥穩定碎石，再放入格柵.

圖4 圓柱形試件加筋布置示意圖(單位：mm)

梁式試件中，土工格柵以相等的間距分別布置0、1、2和3層，具體的布置方式見圖5，其中虛線代表土工格柵，n為土工格柵層數.為了防止格柵裸露，須先在試模底部鋪入一薄層水泥穩定碎石，再放入格柵.

圖5 梁式試件加筋布置示意圖(單位：mm)

2.3 試驗方案與過程

通過向試件中設置不同的格柵層數，在不同養生天數的條件下，得到相關的力學性能試驗數據，具體試驗方案見表3.

表3 試驗方案

2.3.1無側限抗壓強度試驗過程

將取出的試件放入水中浸置一晝夜，第二天將其表面水分擦干，放到壓力機上進行無側限抗壓試驗，試驗過程保證加載速率為1 mm/min，記錄試件被破壞時承受的最大壓力為P(N)，按照7，28，60 d三種養護齡期分為三個對照組，每種齡期又各設置無格柵、一層格柵、兩層格柵、三層格柵的對比實驗組.

2.3.2彎拉強度試驗過程

試件從養護室取出，用濕毛巾覆蓋并及時進行試驗，記錄試件破壞的極限荷載為P(N)，按照28、60、90 d三種養護齡期分為三個對照組，每種齡期又各設置無格柵、一層格柵、兩層格柵、三層格柵的對比實驗組.試驗采用三分點加壓的方法進行，加載速率控制在50 mm/min.

2.3.3干縮試驗過程

設置四個對照組，分別為無格柵、一層格柵、二層格柵、三層格柵.

試件養生完畢后，用干抹布擦去表面水，風干2 h，以除去表面水.將試件兩端長軸面用刮板抹平，并用502黏膠將玻璃片粘結在試件兩面.然后把千分表和試件一同放入室內，從放入室內的當天開始算起，一個星期內，每天讀一次數，讀數記為Xi,1、Xi,2、Xi,3、Xi,4(精確至0.001 mm)，稱量標準試件的質量為mi，7 d之后，分別在14，21，28 d讀取千分表的示數，并稱量試件的總質量.

2.3.4溫縮試驗過程

設置四個對照組，分別為無格柵、一層格柵、二層格柵、三層格柵.

試件養生齡期的最后1 d，試件飽水24 h，養生結束后，將試件放入105 ℃的烘箱中烘10～12 h至恒量，烘干后，將試件放到干燥通風的地方至常溫.試驗前用游標卡尺測量試件的初始長度，取3次測量的平均值.

將試件安裝好后，放到高低溫交變試驗箱中.本次試驗溫度選用6個溫度級別，分別為40～30，30～20，20～10，10～0，0～-10，-10～-20 ℃.試驗從高溫開始，逐級降溫，按照降溫速率0.5 ℃/min，當溫度降到設定的級位時，保溫3 h，在保溫結束前的5 min內讀取千分表讀數.

3 雙向土工格柵加筋水泥穩定碎石力學特性

3.1 無側限抗壓強度試驗結果分析

試件受壓時，表面開始出現微裂縫，微裂縫持續擴展，導致集料陸續剝落，直至試件完全被破壞，過程見圖6，得到的數據見表4.

圖6 圓柱形試件無側限抗壓過程

表4 無側限抗壓強度

由表4可知，在相同齡期的情況下，隨著格柵層數的增加，試件的無側限抗壓強度在增大，在養護7 d時，設置一層、二層、三層土工格柵的試件比未設置格柵試件的無側限抗壓強度分別大0.28%、1.25%、2.79%，在養護28 d時，設置一層、二層、三層土工格柵的試件比未設置格柵試件的無側限抗壓強度分別大2.54%、3.53%、3.17%，在養護60 d時，設置一層、二層、三層土工格柵的試件比未設置格柵試件的無側限抗壓強度分別大3.11%、4.16%、4.84%，說明向試件中設置土工格柵會在一定程度上提高試件的無側限抗壓強度，并且隨著格柵層數的增加，試件的無側限抗壓強度也在小幅度增大.

無側限抗壓強度反映了試件的承載能力，當試件受到豎直壓力，試件中部開始膨脹變大，表面集料陸續剝落，此時，可以聽到雙向土工格柵與水穩碎石互相撕拉的“嗞嗞”聲響.在豎向壓力的作用下，試件中部的水穩碎石有發生橫向位移的趨勢，但由于雙向土工格柵設置在試件中，在土工格柵的放置位置，網眼對水穩碎石有嵌鎖的作用，網眼和水穩碎石的互相作用吸收了一部分應變能，一定程度上阻礙了水穩碎石的橫向位移，使得試件更慢地發生橫向變形，從而增強了抗裂性能和剛度，提高了試件的強度和穩定性，在一定程度上抑制裂縫的產生和發展.

3.2 彎拉強度試驗結果分析

本次試驗對象為含有零層、一層、二層、三層雙向土工格柵的梁式試件，分別測其28，60，90 d的彎拉強度，對比分析彎拉強度的變化趨勢.梁式試件斷裂見圖7.

圖7 梁式試件斷裂圖

無格柵試件受壓時，中間截面開始裂開，由下至上形成縱向的裂紋，裂紋擴展的速度較快且方向單一，在20～85 s時裂紋貫穿整個試件截面，直至試件完全斷開被破壞，失去承載能力(見圖7a))，深色線條為裂紋擴展路徑.

有格柵試件受壓時，中間截面開始裂開，在此過程中，由于雙向土工格柵網眼的嵌鎖作用，會與水穩碎石之間產生摩擦咬合力，因此，可以聽到雙向土工格柵與水穩碎石互相撕拉的“嗞嗞”聲響，并由下至上形成縱向的裂紋，當縱向裂紋遇到雙向土工格柵時，裂紋擴展方向發生變化，開始沿著不同方向發展，說明雙向土工格柵改變了試件內部的應力場，阻止了裂紋由下至上的發展趨勢.其中，裂紋開始出現的時間會延遲3～8 s，且裂紋擴展的速度較慢，試件能承受一段時間的荷載，在30～100 s時裂紋貫穿整個試件截面，說明此時雙向土工格柵的抗拉性能起到了一定的作用，見圖7b)，深色線條為裂紋擴展路徑.試驗得到的數據見表5.

表5 彎拉強度

由表5可知，在相同齡期的情況下，隨著格柵層數的增加，試件的彎拉強度在增大，在養護28 d時，設置一層、二層、三層土工格柵的試件比未設置格柵試件的彎拉強度分別大0.81%、6.5%、7.32%，在養護60 d時，設置一層、二層、三層土工格柵的試件比未設置格柵試件的彎拉強度分別大0.76%、4.58%、6.11%，在養護90 d時，設置一層、二層、三層土工格柵的試件比未設置格柵試件的彎拉強度分別大1.49%、5.97%、8.21%，說明向試件中設置土工格柵會在一定程度上提高試件的彎拉強度.

將雙向土工格柵設置于試件中，在試件未開裂階段，試件下部分的土工格柵承擔了一部分的彎矩.試件在出現裂縫及裂縫的擴展階段，由于土工格柵的網格與周圍的水穩材料通過咬合、嵌擠作用產生摩阻力抵消了一部分彎拉應力，使得試件表現出一定的延展性，不會很快失去承載能力，呈現出“裂而不斷”的性狀，阻止裂縫由下至上的擴展趨勢.當試件中部開始產生裂紋時，筋材在拉力的作用下向裂紋區運動，使得筋材與水穩碎石之間產生剪應力，阻止裂紋區的筋材進一步撓曲，提高試件的承載力.因此，雙向土工格柵的設置可以提高試件的彎拉強度，在一定程度上抑制裂縫的產生和發展.

3.3 干縮試驗結果分析

水泥穩定碎石試件成型后，由于表面水分的蒸發和集料內部的水化作用，使得試件的含水量逐漸減小，結合料之間的毛細管產生張力作用、吸附水及分子間力的作用、礦物晶體或者膠凝體的層間水作用和碳化作用，這些作用會導致試件體積收縮進而產生干縮裂縫.材料的干縮性能由干縮系數表征，其數值越小，材料就越不容易開裂.將試驗所得數據計算得到干縮系數.

干縮系數：

(1)

總干縮系數：

(2)

式中：wi為第i次失水率，%；δi為第i次觀測干縮量；σdi為第i次干縮系數，%；l為標準試件的長度，mm.

計算得到干縮系數后，繪制出不同工況下的折線圖，見圖8.

圖8 不同層數格柵試件在不同時間的干縮系數

由圖8可知，一層土工格柵設置于試件，對試件的干縮系數影響較小，無法有效對水穩碎石起到嵌鎖錨固的作用，因此數據上有突變趨勢，但是隨著土工格柵設置層數的增加，干縮系數整體呈現減小的趨勢，時間為7 d時，設置三層土工格柵的試件比未設置格柵試件的干縮系數小8.68%，在時間為28 d時，設置三層土工格柵的試件比未設置格柵試件的干縮系數小9.37%.

由于雙向土工格柵在水穩碎石中，有一定的界面粘結力和物理咬合力，且雙向土工格柵沒有發生主動變形，所以水穩碎石試件在發生體積收縮時，試件嵌入了土工格柵的部位，土工格柵與水穩碎石的界面粘接力和嵌鎖作用會阻礙試件和土工格柵發生水平的相對位移，從而減小試件沿土工格柵放置方向的收縮變形，說明雙向土工格柵可以在一定程度上降低水穩碎石的收縮性能，阻止試件的開裂.

3.4 溫縮試驗結果分析

水泥穩定碎石試件是由固相、液相和氣相組成，其宏觀的膨脹和收縮是內部固、液、氣三相的溫度效應綜合影響的結果.當溫度上升時，微觀粒子的熱運動程度不斷加劇，粒子的振動幅度加大，宏觀上表現為物體整體體積的膨脹，當溫度下降時，微觀粒子的熱運動程度減弱，粒子的振動幅度減少，宏觀上表現為物體整體體積的收縮.由于環境溫度的變化，導致水泥穩定碎石試件體積發生收縮，進而產生溫縮裂縫.材料的溫縮性能由溫縮系數表征，其數值越小，材料就越不容易開裂.將得到的實驗數據進行計算得到溫縮系數.

溫縮應變：

(3)

溫縮系數：

(4)

式中：li為第i個溫度區間的千分表讀數和的平均值，mm；ti為溫度控制程序設定的第i個溫度區間，℃；L0為試件的初始長度，mm；εi為第i個溫度下的平均收縮應變，%；αt為溫縮系數.

計算得到溫縮系數繪制出折線圖，見圖9.

圖9 不同層數格柵試件在不同溫度范圍的溫縮系數

由圖9可知，在相同溫度范圍下，隨著格柵層數的增加，試件的溫縮系數在減小.在40～0 ℃的溫度范圍內，隨著溫度的逐漸降低，試件的溫縮系數逐漸減小，但是到0 ℃以下時，試件的溫縮系數反而增大，究其原因，主要是溫度過低，導致混合料未完全烘干的水分結冰，使得試件的體積膨脹，從而使溫縮系數增大.在溫度范圍為40～30 ℃時，設置一層、二層、三層土工格柵的試件比未設置土工格柵試件的溫縮系數分別小0.89%、2.22%、3.11%.在溫度范圍為-10～-20 ℃時，設置一層、二層、三層土工格柵的試件比未設置格柵試件的溫縮系數分別小2.94%、6.3%、11.34%.在溫度范圍為10～0 ℃時，試件的溫縮系數最小，設置一層、二層、三層土工格柵的試件比未設置格柵試件的溫縮系數分別小2.55%、5.73%、10.19%.

從實驗結果來看，在同一溫度條件下，土工格柵的層數越多，試件的溫縮系數越小，土工格柵網眼與水穩碎石之間的錨固嵌鎖一定程度上阻礙了它們的相對位移，使得水穩碎石的收縮變小，說明雙向土工格柵可以在一定程度上降低水穩碎石的收縮性能，阻止試件的開裂.

4 結 論

1) 通過無側限抗壓強度試驗，同齡期條件下，隨著土工格柵層數的增加，試件的無側限抗壓強度在增大，水泥穩定碎石的承載能力就越強，說明雙向土工格柵的抗拉摩擦性能可以抑制一部分拉應力，起到加筋防裂作用.

2) 通過彎拉強度試驗，同齡期條件下，隨著土工格柵層數的增加，試件的彎拉強度在增大，這說明雙向土工格柵可以抵消一部分彎拉應力.同時小梁試件加筋前后裂縫擴展變化規律表明雙向土工格柵加筋作用能有效改變試件內部的應力分布狀態，能增強水泥穩定碎石的抗變形能力.

3) 通過干縮試驗，隨著土工格柵層數的增加，試件的干縮系數在總體上呈現降低的趨勢，說明雙向土工格柵可以在一定程度上降低水泥穩定碎石的收縮性能，有利于水泥穩定碎石的防裂.

4) 通過溫縮試驗，當雙向土工格柵設置入水泥穩定碎石后，試件的溫縮系數會減小，說明當環境溫度變化時，雙向土工格柵的設置可以阻礙水泥穩定碎石的收縮，從而起到加筋防裂的作用.