多層土工織物加筋的瀝青路面力學性能分析

曹玉貴 高文光

瀝青路面在長期使用過程中受車輛荷載的反復作用和自然因素的不斷影響,會產生不同程度的破壞,而裂縫是瀝青路面最常見、對道路危害最嚴重的一種病害。土工格柵的使用,使得瀝青混合料內的顆粒位移受到均勻的限制,全面提高材料的強度與路用性能,并會改變路面結構的應力分布,極大的減小了在荷載作用下混合料內部的應力集中程度,阻止了微裂縫的發展,能有效提高破壞強度和延緩疲勞壽命,從而提高路面的使用壽命,且已在我國道路工程中得到一定的應用[1,2]。

但是,目前大部分的相關理論和實際應用只是針對單層土工格柵加筋的瀝青路面,因此,有必要對多層土工格柵加筋的瀝青路面結構進行力學分析,從機理上探討土工格柵對路面所起的加筋作用,土工格柵層數對加筋效果的影響,以及加筋路面結構強度及剛度與土工格柵模量的關系,以便建立合理的選材體系,從而對道路達到優化設計的目的。

1 計算模型與參數

1.1 荷載大小及作用形式

由于路面上行駛的車輛種類較多,所以必須選擇一種標準軸載,將不同類型軸載的作用次數換算為這種標準軸載的作用次數,考慮到我國公路汽車運輸車輛現狀及發展趨勢,路面設計一般以軸載重100 kN作為標準軸載,表示為BZZ-100。計算荷載采用標準雙輪軸載100 kN,胎壓0.707 MPa。所以單個輪胎與路面的接觸面積為Ac=25 103/0.707=35 506 mm2,輪胎接觸面積由一個矩形和兩個半圓形組成,其接觸面積為:Ac=π(0.3L)2+0.4L×0.6L=0.522 7L2,故 L=260 mm;為方便有限元計算,輪胎接觸面積可進一步簡化為等寬的單一矩形0.871 2L×0.6L,即輪胎接觸面積為(226.5×156)mm2。

1.2 模型的建立

根據復合材料力學的有關原理,可把格柵與鄰近的瀝青混合料換算為一種材料,認為在瀝青路面中存在一新的結構層,即格柵(Geogrid)與瀝青混合料(AC)復合材料層,簡稱G-AC層。因此,可建立由土基、基層、G-AC層、面層4層構成的彈性層狀體系模型。

復合材料G-AC層的彈性模量EG-AC可根據下式計算:

EG-AC=(EgVg+EaVa)/(Vg+Va)。

其中,Eg,Ea分別為玻璃纖維格柵和瀝青混合料的彈性模量;Vg,Va分別為玻璃纖維格柵和瀝青混合料的體積。取玻璃纖維格柵所處位置的垂直方向1 cm范圍內材料進行換算。計算中,取路面縱斷面,格柵分工況分別鋪設在瀝青混合料上面層底部、中面層底部,以及下面層底部。計算表明,換算后的G-AC層材料彈性模量在3 000 MPa～8 000 MPa之間。路面結構、材料組成、各層厚度等參數見表1。

表1 瀝青路面參數

路面結構計算采用的是某道路設計斷面,路面模型尺寸為(X,Y,Z)4 m×4 m×3.72 m。邊界條件假設:底面上沒有Z方向位移,左右兩側面沒有X方向位移,前后兩側面沒有Y方向位移。同時采用網格—梯度法對荷載作用區域的路面結構進行網格細化,網格的最小尺寸為0.5 cm,最大尺寸為15 cm。圖1為分析模型一半的有限元網格劃分。

2 計算結果及分析

2.1 土工格柵層數對瀝青路面的影響分析

土工網格可考慮設置于瀝青路面中的不同位置,如瀝青層的上部、中部和底部,通過計算分析,尋找設置網格的最佳層數,從而使瀝青路面處于最有利的應力狀態。為了比較土工格柵鋪設不同層數時對結構層底拉應力及剪應力的影響,本文分別將格柵鋪筑一層(鋪筑上面層下)、兩層(鋪筑上面層下和中面層下)、三層(鋪筑上面層下、中面層下、下面層下)三種工況,對路面進行了分析(見表2)。

表2 瀝青路面的各層應力 MPa

由表2可以看出,瀝青混凝土路面不同結構層位鋪設土工格柵后,各結構層正應力SY發生了較大變化。隨著格柵層數增加,上面層的最大拉應力逐漸增大,對路面起到了一定的不利作用,而底基層最大拉應力則是逐漸減小,由0.032 9 M Pa減小為0.031 2 MPa(減小了5%);當瀝青混凝土路面土工格柵層數由一層增大到兩層時,下面層剪應力最大值由0.016 6 MPa減小為0.013 5 MPa(減小了18.7%),當增大到三層時,由0.013 5 MPa增加為0.019 6 MPa(增大了45.2%),說明土工格柵為兩層時,對下面層的抗剪有利;而路面的彎沉值則是先增大后減小。以上說明當土工格柵層數布置合適時,土工格柵與路面材料的嵌鎖咬合作用可以提供結構的抗剪切傳荷能力,降低層間相對位移,有效防止瀝青路面發生推移壅包而破壞。

2.2 格柵模量對瀝青路面的影響

經計算知換算后G-AC層材料彈性模量在 3 000 MPa～8 000 MPa之間。下面分別研究土工格柵模量對路面結構的受力影響。彈性模量分別取:3 000 MPa,4 500 MPa,6 000 MPa,8 000 MPa;然后對不同土工格柵加勁層數分析,計算結果如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可以看出,土工格柵彈性模量提高對路面結構影響較大。當G-AC層模量由3 000 MPa變化到8 000 MPa時,路面彎沉均減小,尤其是土工格柵鋪筑三層時,路面彎沉減少3%;結構層底面最大拉應力由0.032 MPa減小到 0.031 MPa,可見隨著土工格柵模量增大,結構層底部拉應力減小,壓應力增大;計算表明,設置土工格柵可使瀝青面層的壓應力減小,但幅度很小;下面層的剪應力也隨著彈模的增加逐漸增大,這是由于土工格柵彈性模量的增大導致瀝青層剛度突變,增大了層間剪應力。

3 結語

1)設置土工網格能夠增加路面整體剛度,減小車輛荷載作用下的路表彎沉,且彎沉值隨土工網格模量增大而減小。

2)土工格柵層數的增大,對底基層的抗拉性能有利,但不利于路表的抗拉性能。因此在設置土工格柵層數時,應該綜合考慮路面性能指標,以便找到土工格柵合理的鋪筑層數。

3)土工格柵彈性模量的增大導致瀝青層剛度突變,增大了層間剪應力,因此要求土工網格材料具有剛度小而強度高的特性。

[1] 曹東偉,郝大力,韓瑞民.土工網格加強瀝青混合料路面結構的力學分析[J].重慶交通學院學報,2000,19(1):47-51.

[2] 李 衛,謝曉東,鄧 敏.鋪設土工格柵的半剛性基層瀝青路面溫度應力有限元分析[J].公路交通技術,2006,12(6):41-45.

[3] 李培健,周建華,陳明清.瀝青路面抗車轍性能影響因素研究[J].山西建筑,2008,34(31):282-283.