新型土工格室加筋瀝青路面實(shí)測(cè)響應(yīng)特性研究

李小偉 朱云升 趙世杰 王先镕 蘇天圣 張振武

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北交通投資集團(tuán)有限公司2) 武漢 430070)(湖北黃黃高速公路經(jīng)營有限公司3) 蘄春 436300) (蘭州德科材料工程有限公司4) 蘭州 730000)

0 引 言

在重載交通作用下，瀝青路面的各種病害問題會(huì)減小瀝青路面的使用壽命，還會(huì)影響行車時(shí)的舒適性和安全性[1-3].將土工合成材料應(yīng)用于瀝青路面中，可以改善其路用性能，減少瀝青路面各類病害產(chǎn)生[4-7].Ferrotti等[8]基于重復(fù)循環(huán)荷載試驗(yàn)研究了纖維土工格柵在柔性路面上的應(yīng)用，Pasquini等[9]通過真實(shí)尺度的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、界面剪切試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)分析了土工格柵加筋后瀝青路面的各種力學(xué)指標(biāo)，Saghebfar等[10]進(jìn)行了一系列試驗(yàn)來分析土工布對(duì)路面結(jié)構(gòu)的加筋效果.土工格柵和土工布通過界面間摩擦力與骨料間互鎖改善應(yīng)變響應(yīng)，但其改善作用有限.三維加筋材料土工格室加筋機(jī)理體現(xiàn)在格室產(chǎn)生的側(cè)向約束作用，常用于地基、斜坡、擋土墻和路堤[11]之中并取得了很好的應(yīng)用效果，但目前國內(nèi)外相關(guān)研究還未涉及到三維土工格室用于加筋瀝青路面，文中嘗試?yán)萌S土工格室側(cè)向約束作用進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)瀝青面層加筋，預(yù)期可有效減少瀝青路面結(jié)構(gòu)裂縫病害.

土工格室對(duì)瀝青混凝土的抗壓性能、低溫抗裂性、抗疲勞性能、抗剪切流動(dòng)變形性能等方面均具有明顯的加筋提升作用，而文中則主要是通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來檢驗(yàn)其加筋效果，通過現(xiàn)場(chǎng)土工格室加筋瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，來研究土工格室材料對(duì)真實(shí)瀝青路面面層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響[12].為了保證土工格室的展開和直立，在攤鋪之前采用張拉器對(duì)土工格室進(jìn)行拉伸，在其完全張拉伸展之后再填入瀝青混合料進(jìn)行攤鋪，而為了滿足攤鋪時(shí)的溫度要求，通過高溫變形性能測(cè)試后采用具有良好耐高溫性能的聚丙烯(polypropylene,PP)材料來制備土工格室.試驗(yàn)路段完工后，通過動(dòng)態(tài)和靜態(tài)采集系統(tǒng)分別檢測(cè)不同車速與車載作用下加筋路段與未加筋路段的應(yīng)變響應(yīng)，并基于路面結(jié)構(gòu)瀝青下面層底部的縱向拉應(yīng)變響應(yīng)、路面蠕變變形和應(yīng)變改善系數(shù)，評(píng)價(jià)土工格室對(duì)瀝青層的加筋效果.

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路選擇及試驗(yàn)方案

1.1 路面結(jié)構(gòu)性能

試驗(yàn)場(chǎng)地為湖北某高速公路K765+000—K767+000路段，該公路為一條四車道高速公路，每條車道寬度3.75 m，路面結(jié)構(gòu)組成見表1.該路段瀝青路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫病害、翻漿病害和車轍病害，經(jīng)過多次常規(guī)養(yǎng)護(hù)維修后無法消除路面結(jié)構(gòu)病害，文中結(jié)合本路段瀝青路面大修工程，選擇50 m需要進(jìn)行瀝青面層全厚銑刨并重新加鋪的路段進(jìn)行土工格室加筋瀝青面層的應(yīng)用，土工格室鋪設(shè)于維修路面的交通流量大的主行車道上.

表1 路面結(jié)構(gòu)和厚度

試驗(yàn)所用土工格室類型為注塑預(yù)定型，PP土工格室，其由高強(qiáng)土工格室條帶整體編制而成.格室高度為20 mm，兩節(jié)點(diǎn)間距為60 mm，節(jié)點(diǎn)處采用注塑成型工藝.改性后的PP格室條帶的軟化溫度為158.8 ℃，即在158.8 ℃下格室的物理力學(xué)性能不發(fā)生變化，其最大能夠承受165 ℃高溫，但此時(shí)格室片會(huì)受熱稍微向內(nèi)蜷縮，在土工格室內(nèi)進(jìn)行填料時(shí)，格室會(huì)整體向內(nèi)收縮，這里的收縮變形很小，且不會(huì)隨著溫度降低而恢復(fù)，即在水平方向上給瀝青混凝土施加了一個(gè)較小的預(yù)應(yīng)壓力，增強(qiáng)了格室的側(cè)向約束力.25 ℃下PP土工格室節(jié)點(diǎn)及條帶的拉伸性能見表2.

表2 土工格室的性能

1.2 耐高溫土工材料選擇及觀測(cè)元件埋設(shè)

現(xiàn)場(chǎng)使用的PP土工格室及應(yīng)變計(jì)見圖1.格室條帶強(qiáng)度可達(dá)3.2 MPa，節(jié)點(diǎn)相對(duì)于條帶更容易破壞，而節(jié)點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度也達(dá)到了1.5 MPa，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于車輛荷載在瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力水平，可以確保在車輛荷載作用下格室材料不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度破壞.使用日本進(jìn)口的應(yīng)變計(jì)KM-HAS采集路面結(jié)構(gòu)特定位置應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)，該種應(yīng)變計(jì)既可以監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變，也可監(jiān)測(cè)靜態(tài)應(yīng)變，工作溫度范圍為-20～180 ℃，滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的溫度要求.

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)土工格室及應(yīng)變計(jì)(單位：mm)

在主行車道上布設(shè)兩個(gè)測(cè)試斷面，一個(gè)斷面在瀝青下面層底部鋪設(shè)土工格室，另外一個(gè)斷面不鋪設(shè)土工格室，應(yīng)變計(jì)直接安裝在輪跡帶正下方的瀝青下面層底部，每個(gè)試驗(yàn)段安裝4個(gè)應(yīng)變計(jì)，見圖2.每側(cè)分別采用兩個(gè)不同的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，減少數(shù)據(jù)的偶然性，兩種應(yīng)變計(jì)相距10 m，見圖2a)，結(jié)構(gòu)層的厚度，以及土工格室和應(yīng)變計(jì)的深度位置見圖2b).

圖2 應(yīng)變計(jì)埋設(shè)截面示意圖(單位：m)

在鋪設(shè)土工格室之前，需要在預(yù)先確定的安裝位置上提前準(zhǔn)備粒徑較細(xì)的瀝青混合料墊層，見圖3a).Willis等[13-14]指出，瀝青路面同一位置縱向拉應(yīng)變比橫向拉應(yīng)變更加敏感，因此KM-HAS應(yīng)變計(jì)僅用于監(jiān)測(cè)路面結(jié)構(gòu)瀝青下面層底部的縱向拉應(yīng)變，以減少工作量和經(jīng)濟(jì)成本.采用張拉器將土工格室張拉固定于基層，以確保土工格室能直立于高溫瀝青混合料中，見圖3b).

圖3 應(yīng)變計(jì)和張拉器的現(xiàn)場(chǎng)安裝及瀝青混凝土攤鋪

1.3 土工格室現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)效果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

對(duì)服役一段時(shí)間后的加筋路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣，見圖4.芯樣中土工格室及瀝青混合料的結(jié)構(gòu)保持完好，條帶在壓路機(jī)重力及搓揉作用下仍然完全保持直立，并沒有在現(xiàn)場(chǎng)攤鋪及壓實(shí)的過程中產(chǎn)生倒塌.此外，土工格室條帶與瀝青混合料的粘結(jié)比較緊密，未產(chǎn)生明顯分離，這表明與土工格室接觸部位的瀝青混合料密實(shí)性良好.土工格室的加入不會(huì)破壞瀝青面層的整體性能，可以有效地發(fā)揮加筋作用.

圖4 現(xiàn)場(chǎng)芯樣中土工格室條帶分布狀態(tài)

在三種不同軸載下，進(jìn)行了三種不同車速下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn).考慮到試驗(yàn)路段重載交通比例較大的實(shí)際情況，加載車軸載由100 kN變化到200 kN，增量為50 kN.在每種車載條件下，卡車的速度在20～60 km/h，速度增量為20 km/h.不同的車速和軸載代表了不同的加載條件，在每種條件下的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)載試驗(yàn)均重復(fù)3次.如果兩個(gè)相鄰10 m的應(yīng)變計(jì)的數(shù)據(jù)誤差大于20%時(shí)，則重新采集數(shù)據(jù)，如果誤差小于20%，則取其平均值作為采集的數(shù)據(jù).采用與動(dòng)載試驗(yàn)相同的三種軸載進(jìn)行靜載試驗(yàn)，平行試驗(yàn)次數(shù)也與動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)相同，表3為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試加載工況方案.

表3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況

2 路面響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于加筋和未加筋瀝青路面結(jié)構(gòu)，當(dāng)車速為20 km/h時(shí)，不同軸載下瀝青下面層底部的縱向拉應(yīng)變見圖5a).由圖5a)可知:動(dòng)載作用下的縱向拉應(yīng)變的變化趨勢(shì)基本一致為“M”形，應(yīng)變隨軸載的增大而增大.當(dāng)卡車前軸通過監(jiān)測(cè)段時(shí)，瀝青下面層底部的縱向拉應(yīng)變達(dá)到第一個(gè)峰值，當(dāng)卡車后軸通過監(jiān)測(cè)段時(shí)，監(jiān)測(cè)段的荷載達(dá)到最大，產(chǎn)生第二個(gè)更大的縱向拉應(yīng)變峰值.

“M”形應(yīng)變分布的原因與瀝青混合料的黏彈性特性有關(guān)，彈性應(yīng)變恢復(fù)快，黏性應(yīng)變恢復(fù)慢，而且卡車的重心偏向于第二軸，這是瀝青下面層底部的縱向拉應(yīng)變的第二個(gè)峰值大于第一個(gè)峰值的原因.由圖5b)可知，土工格室加筋后的瀝青下面層底部的縱向拉應(yīng)變的第一峰值應(yīng)變和第二峰值應(yīng)變略有降低.上述結(jié)果可知，土工格室在控制縱向拉應(yīng)變響應(yīng)方面有明顯的效果，一方面是土工格室自身對(duì)瀝青混合料起到了側(cè)向約束的作用，另一方面則是土工格室與瀝青混合料之間形成了一種加筋復(fù)合層結(jié)構(gòu)，能夠更好的分擔(dān)車輛荷載在路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力.

圖5 時(shí)速20 km/h不同軸載縱向拉應(yīng)變時(shí)程曲線與峰值應(yīng)變

圖6～7為車速為40 km/h和60 km/h時(shí)，土工格室加筋結(jié)構(gòu)和未加筋結(jié)構(gòu)在不同軸載下瀝青下面層底部的縱向拉應(yīng)變響應(yīng).由圖6～7可知:縱向拉應(yīng)變的變化規(guī)律與之前相似，相比于未加筋結(jié)構(gòu)，土工格室加筋后的路面在縱向拉應(yīng)變峰值的控制方面表現(xiàn)出更好的效果.值得注意的是，兩個(gè)峰值之間的時(shí)間隨著速度的增加而減少，這是由于車速越快，車輛前軸與后軸經(jīng)過檢測(cè)斷面的時(shí)間間隔越短.

圖6 時(shí)速40 km/h不同軸載縱向拉應(yīng)變時(shí)程曲線與峰值應(yīng)變

2.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果

靜態(tài)加載縱向應(yīng)變時(shí)程曲線見圖8.由圖8可知，加筋路面結(jié)構(gòu)和未加筋路面結(jié)構(gòu)均為拉應(yīng)變，在相同的軸載作用下，土工格室加筋路面結(jié)構(gòu)的瀝青下面層底部縱向拉應(yīng)變要小于未加筋結(jié)構(gòu).當(dāng)軸載分別為100，150和200 kN時(shí)，140 s時(shí)未加筋路面結(jié)構(gòu)的下面層底部縱向拉應(yīng)變分別為152.6×10-6、195.8×10-6和336.8×10-6，而加筋路面結(jié)構(gòu)則為75.8×10-6、100.2×10-6和134.5×10-6.這表明土工格室對(duì)瀝青下面層的拉應(yīng)變有明顯的抑制作用，對(duì)瀝青面層抗裂性能有一定的提升.此外，試驗(yàn)路段的位置選擇在基層有輕微裂縫處，這也說明這種抑制作用在一定程度上可以預(yù)防基層反射裂縫自下而上的擴(kuò)展，有效減小瀝青面層反射裂縫產(chǎn)生.

圖8 靜載作用下的縱向拉應(yīng)變變化曲線

瀝青混合料的蠕變變形行為主要由其粘彈性性質(zhì)決定，因此，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的路面結(jié)構(gòu)縱向拉應(yīng)變剔除瞬態(tài)彈性應(yīng)變，其時(shí)程曲線見圖9.由圖9可知，未加筋路面結(jié)構(gòu)的的縱向拉應(yīng)變相比于加筋路面結(jié)構(gòu)明顯減小，例如，當(dāng)軸載分別為100，150與200 kN時(shí)，140 s時(shí)加筋路面結(jié)構(gòu)瀝青下面層底部產(chǎn)生的蠕變縱向拉應(yīng)變?yōu)?1.8×10-6、17.2×10-6和23.7×10-6，而未加筋路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的蠕變縱向拉應(yīng)變則為25×10-6、28.1×10-6和28.8×10-6，可以看出:土工格室加筋有效抑制瀝青路面結(jié)構(gòu)的縱向蠕變變形.

圖9 不同軸載作用下蠕變應(yīng)變變化曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果討論

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中不同車速下瀝青下面層底部的縱向拉應(yīng)變峰值見表4.由表4可知:在未加筋和土工格室加筋的兩種情況下，縱向拉應(yīng)變峰值隨車速的增加而減小.根據(jù)以往的研究分析，下降的原因是由于瀝青路面的固有頻率相對(duì)較低.當(dāng)貨車低速行駛時(shí)，車輛荷載的主導(dǎo)頻率接近瀝青路面的固有頻率，路面的振動(dòng)被放大.也就是說，土工格室降低了瀝青路面結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而減小了路面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng).

表4 瀝青下面層層底動(dòng)態(tài)荷載下縱向拉應(yīng)變峰值

為了描述PP土工格室隨著車載和車速增加時(shí)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的加筋改善作用，本文提出了瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)變改善系數(shù)的概念，動(dòng)態(tài)應(yīng)變改善系數(shù)Fm為

(1)

式中：Ff為加筋路面結(jié)構(gòu)瀝青下面層底部的縱向拉應(yīng)變的第一個(gè)峰值；Fs為加筋路面結(jié)構(gòu)下面層底部的縱向拉應(yīng)變的第二個(gè)峰值;Fuf為未加筋路面結(jié)構(gòu)下面層底部的縱向拉應(yīng)變的第一個(gè)峰值；Fus為未加筋路面結(jié)構(gòu)下面層底部的縱向拉應(yīng)變的第二個(gè)峰值.

由圖7～8可知:靜載試驗(yàn)加載140 s后，蠕變應(yīng)變緩慢增加，瀝青下面層底部的縱向蠕變拉應(yīng)變趨于穩(wěn)定.因此，將140 s時(shí)路面瀝青下面層底部的縱向拉應(yīng)變近似視為靜態(tài)應(yīng)變響應(yīng)峰值.靜載試驗(yàn)中不同軸載作用下的路面結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)變響應(yīng)峰值見表5.

圖7 時(shí)速60 km/h不同軸載縱向拉應(yīng)變時(shí)程曲線與峰值應(yīng)變

表5 瀝青下面層層底靜態(tài)荷載作用140 s時(shí)的縱向拉應(yīng)變

為了體現(xiàn)土工格室在靜載試驗(yàn)中的加筋改善作用，同樣定義路面結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)變改善系數(shù)(Fm)為

(2)

式中：FRE為加筋系統(tǒng)的靜態(tài)應(yīng)變；FUN為未加筋系統(tǒng)的靜態(tài)應(yīng)變.

路面結(jié)構(gòu)瀝青下面層底部在不同靜態(tài)軸載和動(dòng)態(tài)軸載作用下縱向拉應(yīng)變的改善系數(shù)隨行車速度的變化情況見圖10.由圖10可知，F(xiàn)m隨著軸載的增加而增大，這表明車輛軸載越大，路面結(jié)構(gòu)瀝青下面層底部動(dòng)態(tài)應(yīng)變改善系數(shù)顯著提高，也就是說，在土工格室條帶和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度足夠而不發(fā)生強(qiáng)度破壞的條件下，隨著軸載的增加，土工格室對(duì)路面結(jié)構(gòu)瀝青混合料的側(cè)向約束作用越強(qiáng)，其對(duì)瀝青路面的加筋改善作用發(fā)揮越充分，可以更加有效地改善瀝青面層的抗裂性能，這也表明土工格室加筋瀝青路面結(jié)構(gòu)是緩解重載交通下的瀝青路面病害問題的一種行之有效的解決措施.

圖10 路面結(jié)構(gòu)縱向拉應(yīng)變改善系數(shù)Fm

此外，F(xiàn)m隨著車速的增加而減小.路面結(jié)構(gòu)在靜態(tài)車輛軸載作用下(車速為0 km/h)瀝青下面層底部縱向拉應(yīng)變改善系數(shù)最大，對(duì)瀝青層蠕變變形的抑制作用最強(qiáng)，而隨著車輛行駛速度提高，瀝青下面層底部縱向拉應(yīng)變改善系數(shù)逐步減小，土工格室加筋改善作用發(fā)揮相對(duì)減弱，這是由于當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，軸載對(duì)路面作用時(shí)間迅速減少，變相的減少了路面負(fù)載，從而使得改善系數(shù)下降.

3 結(jié) 論

1)與聚乙烯(PE)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)相比，聚丙烯(PP)具有更好的耐溫性，是一種適用于加筋瀝青面層的土工格室材料.此外，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的施工表明，使用張拉器可以很好地避免土工格室在瀝青混合料高溫作用下收縮和翹曲.

2)從動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果看，PP土工格室加筋路面系統(tǒng)對(duì)抑制瀝青層底部縱向拉應(yīng)變峰值是有效的，可以有效提高瀝青面層抗裂性能.當(dāng)車速40 km/h時(shí)，軸載為100，150和200 kN下的改善系數(shù)分別為0.45，0.75和0.97，車載越重，加筋改善作用發(fā)揮效果越好，有利于緩解重載交通下的路面病害.此外，當(dāng)軸載為150 kN時(shí)，車速為20，40和60 km/h下的改善系數(shù)分別為0.89、0.75和0.61，可以看出，車速增加，加筋改善作用降低.

3)從靜載試驗(yàn)結(jié)果來看，瀝青層在車輛荷載作用下發(fā)生蠕變，而土工格室加筋對(duì)瀝青路面的蠕變變形有一定的抑制作用.此外，與未加筋路面相比，土工格室還可以降低瀝青層在靜載作用下的縱向拉應(yīng)變，同樣提高了瀝青層的抗裂性能.軸載為100 kN、150 kN和200 kN下的改善系數(shù)分別為0.78，0.96和1.21，與動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果一致，軸載越大，瀝青層的加筋作用發(fā)揮越充分.