復(fù)合式路面加筋防裂夾層防治反射裂縫性能模擬研究

吳梓敬，李汝凱，李先延，李 杰，陳金彪

（1云南交投集團(tuán)投資有限公司，云南昆明 650000；2重慶交通大學(xué)，重慶 400074；3云南云嶺高原山區(qū)公路工程檢測有限公司，云南昆明 650000）

復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，即瀝青柔性面層+水泥混凝土板剛性基層（PCC+AC）路面結(jié)構(gòu)，結(jié)合了傳統(tǒng)剛性路面和柔性路面的優(yōu)點(diǎn)，其中水泥混凝土板剛性基層作為支承結(jié)構(gòu)層，模量大、強(qiáng)度高，可以提高整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的承載能力，有效減少路面車轍的產(chǎn)生；瀝青混凝土柔性面層既能夠抵抗行車荷載對(duì)水泥混凝土板的沖擊，又可以彌補(bǔ)水泥混凝土板的一些缺點(diǎn)，還能提高路面的抗滑性能和防水性能，改善了路面結(jié)構(gòu)的行車舒適性[1-6]。但實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，剛?cè)釓?fù)合式路面有一個(gè)重大的缺陷——反射裂縫。由于溫度和濕度的雙重作用，基層混凝土板容易發(fā)生溫縮和干縮裂縫，在交通荷載的循環(huán)作用下，這些裂縫極易向上擴(kuò)展直到瀝青面層表面，形成反射裂縫[7-8]，這些反射裂縫還破環(huán)了路面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性與整體性，在水泥混凝土板接縫處應(yīng)力集中明顯，更加嚴(yán)重的是擴(kuò)展到瀝青面層表面的反射裂縫會(huì)使路表水進(jìn)入基層或路基土中，引起脫空、唧泥等病害，致使路面結(jié)構(gòu)在正常使用年限內(nèi)發(fā)生了不同程度的結(jié)構(gòu)性破壞，極大地縮短了路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。

國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究并采取相應(yīng)措施來防止復(fù)合式路面反射裂縫的產(chǎn)生，模擬復(fù)合式路面各結(jié)構(gòu)層之間的受力情況。美國加州大學(xué)的Monismith和Coetzee[9]用平面有限單元法，以有效應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)，研究了瀝青路面開裂后在交通荷載和溫度荷載作用下裂縫附近的應(yīng)力分布，同時(shí)分析了橡膠瀝青夾層在防止反射裂縫中的作用，該研究稱反射裂縫主要是由于下臥基層開裂后的水平和垂直位移引起的，松軟的中間夾層具有削減裂縫尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象的潛力。江蘇省交通科學(xué)研究院有限公司的符冠華[10]通過試驗(yàn)?zāi)M了舊水泥混凝土路面上加鋪層的運(yùn)動(dòng)行為，并對(duì)不同夾層材料、加鋪層材料和路面結(jié)構(gòu)組合的防反效果進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，并且提出了科學(xué)的防治反射裂縫的措施。廣西大學(xué)的楊斌[11]通過有限元方法對(duì)設(shè)置STRATA應(yīng)力吸收層和未設(shè)置STRATA應(yīng)力吸收層的加鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析，結(jié)果表明設(shè)置應(yīng)力吸收層后加鋪層荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力均顯著降低。目前，國內(nèi)對(duì)于夾層材料主要集中在土工布、土工格柵、玻纖格柵、聚酯玻纖布等防裂材料，但對(duì)防治剛?cè)釓?fù)合式路面反射裂縫的效果一般，主要原因是加筋作用不明顯[12]。

鑒于此，通過ABAQUS有限元軟件對(duì)剛?cè)釓?fù)合式路面加筋防裂夾層結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了模擬研究，分析了加筋防裂層不同布置位置、荷載變化時(shí)加鋪瀝青層的力學(xué)響應(yīng)，并對(duì)加鋪土工布、土工格柵、鍍鋅鋼絲網(wǎng)等不同加筋材料防治反射裂縫的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，旨在為剛?cè)釓?fù)合式路面提供較優(yōu)的防反技術(shù)。其中，鍍鋅鋼絲網(wǎng)是將鋼絲經(jīng)過特種機(jī)械加工處理后得到的網(wǎng)眼狀物體浸在熔融的鋅液中，利用界面發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，在表面鍍上一層金屬鋅，以起到防腐的目的，拉伸強(qiáng)度可達(dá)到100kN/m。

1 三維有限元模型建立

1.1 邊界假定

在建模過程中對(duì)路面結(jié)構(gòu)作出如下基本假定[13]：

（1）路面各結(jié)構(gòu)層層間完全連續(xù)，不計(jì)任何層間摩擦作用；

（2）鍍鋅鋼絲網(wǎng)與路面結(jié)構(gòu)層完全粘結(jié)，不存在任何空隙；

（3）數(shù)值分析時(shí)忽略各結(jié)構(gòu)層自重；

（4）不考慮路面結(jié)構(gòu)在接縫處的荷載傳遞；

（5）路面結(jié)構(gòu)在水平方向上無約束，只在地基底面施加完全約束。

1.2 力學(xué)分析指標(biāo)

當(dāng)瀝青層底的最大拉應(yīng)力超過了瀝青層的抗拉強(qiáng)度時(shí)，瀝青層便會(huì)產(chǎn)生張開型反射裂縫；當(dāng)瀝青層底的最大剪應(yīng)力超過了瀝青層的抗剪強(qiáng)度時(shí)，瀝青層便會(huì)產(chǎn)生剪切型反射裂縫；另外水泥混凝土板由于存在天然的施工接縫，其受到荷載作用（主要是受到偏載作用）后位于接縫兩側(cè)的水泥混凝土板的彎沉值會(huì)有不同，當(dāng)彎沉差較大時(shí)，便會(huì)對(duì)瀝青層造成豎向剪切作用，使瀝青層層底出現(xiàn)應(yīng)力集中從而出現(xiàn)反射裂縫。因此，本研究選取瀝青層層底最大拉應(yīng)力σa、瀝青層層底最大剪應(yīng)力τa和水泥混凝土板板頂最大彎沉差Δl作為分析瀝青面層反射裂縫的力學(xué)指標(biāo)。

1.3 單元模型

選取二次減縮積分實(shí)體單元(C3D20R)來模擬復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，并用二次完全積分實(shí)體單元(C3D20)來模擬車輛荷載輪跡作用處及混凝土板接縫處[14]。鍍鋅鋼絲網(wǎng)不僅能承受拉伸作用，還能承受彎拉作用，所以選用三維梁單元B32來模擬鋼絲網(wǎng)的鋼絲單元；土工格柵網(wǎng)孔形狀為矩形，各筋條只能抵抗軸向拉伸，無法抵抗彎拉作用和軸向壓縮，所以土工格柵選用三維桿單元(T3D2)來模擬；針對(duì)土工布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及力學(xué)性能，使用薄膜單元M3D8R來進(jìn)行模擬。加筋材料的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 加筋?yuàn)A層計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of stiffened interlayer

1.4荷載模型

我國在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)使用雙輪組單軸載100kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，以BZZ-100表示。通過實(shí)地觀測，車輛在路面上行駛時(shí)，輪胎與路面的真實(shí)接觸情形為橢圓形接觸。為了簡化模型，基于面積等效原則，將車輛荷載的作用區(qū)域等效為矩形，矩形大小為18.6cm×19.2cm，如圖1所示。

圖1 荷載接觸面模型（單位：cm）Fig. 1 Model of load contact surface (unit: cm)

1.5 路面結(jié)構(gòu)及其材料參數(shù)

路面各結(jié)構(gòu)層材料力學(xué)參數(shù)參照相關(guān)規(guī)范取值，見表2。其中瀝青面層分為4cm的上面層和8cm的下面層。路面結(jié)構(gòu)模型平面尺寸由四塊水泥混凝土板決定，其中每塊板長5m、寬4m，每塊板之間的接縫距離均為5mm。

表2 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Table 2 Pavement structure calculation parameters

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 加筋材料位置對(duì)瀝青面層荷載應(yīng)力分析

將鋼絲網(wǎng)防裂夾層布置在新建AC+PCC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)中的形式分為三種，分別為方案一（鍍鋅鋼絲網(wǎng)防裂夾層布置于瀝青上、下面層之間）、方案二（鍍鋅鋼絲網(wǎng)防裂夾層布置于瀝青下面層與水泥混凝土板之間）和方案三（鋼絲網(wǎng)防裂夾層雙層布置于瀝青上、下面層之間及瀝青下面層與水泥混凝土板之間），并與相同路面結(jié)構(gòu)下未布置鍍鋅鋼絲網(wǎng)防裂夾層的情況進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)計(jì)算，分析鍍鋅鋼絲網(wǎng)防裂夾層的合理布置形式。

由表3可得，與未布置鋼絲網(wǎng)加筋防裂夾層的路面結(jié)構(gòu)相比，三種加筋方案的AC層層底最大拉應(yīng)力σa、AC層層底最大剪應(yīng)力τa及PCC板頂最大彎沉差Δl都有較大幅度地降低。對(duì)于AC層層底最大拉應(yīng)力，三種加筋方案分別比未加筋方案小0.078、0.285、0.308 MPa，減小幅度分別為10.6%、38.8%、41.9%。由于AC層層底最大拉應(yīng)力σa反映了路面結(jié)構(gòu)抵抗橫向張開型反射裂縫的能力，可見對(duì)于防治橫向張開型反射裂縫，防裂效果從優(yōu)到劣的排序是方案三、方案二、方案一、未加筋。

表3 鋼絲網(wǎng)不同布置位置的力學(xué)響應(yīng)Table 3 Mechanical response of wire mesh at different positions

對(duì)于AC層層底最大剪應(yīng)力，三種加筋方案分別比未加筋方案小0.155、0.497、0.520 MPa，減小幅度分別為9.4%、30.0%、31.4%。由于AC層層底最大剪應(yīng)力τa反映了路面結(jié)構(gòu)抵抗水平剪切型反射裂縫的能力，可見對(duì)防治水平剪切型反射裂縫，防裂效果從優(yōu)到劣的排序是方案三、方案二、方案一、未加筋。

對(duì)于PCC板頂最大彎沉差，三種加筋方案分別比未加筋方案小0.195×10-5、0.233×10-5、0.262×10-5m，減小幅度分別為12.6%、15.0%、16.9%。由于PCC板頂最大彎沉差Δl反映了路面結(jié)構(gòu)抵抗豎向剪切型反射裂縫的能力，可見對(duì)于防治豎向剪切型反射裂縫，防裂效果從優(yōu)到劣的排序同樣是方案三、方案二、方案一、未加筋。

綜合上述分析，可知在防治反射裂縫的效果上，方案三>方案二>方案一>未加筋，其中方案二和方案三遠(yuǎn)優(yōu)于方案一，對(duì)于方案二和方案三來說，雖然方案三的防裂效果要略微好于方案二，但其工程造價(jià)卻是方案二的兩倍，施工也更復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)效益方案二優(yōu)于方案三，因此選取方案二為加筋防裂夾層的最優(yōu)布置方案。

2.2 荷載變化對(duì)瀝青面層荷載應(yīng)力的影響

研究加筋防裂夾層結(jié)構(gòu)在超載作用下對(duì)AC+PCC剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)反射裂縫的防治效果，加載范圍為0.7~1.2 MPa，按步長0.1MPa依次取值，對(duì)布置與未布置鍍鋅鋼絲網(wǎng)防裂夾層的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖2~圖4所示。

圖2 荷載變化對(duì)AC層層底最大拉應(yīng)力的影響Fig. 2 Influence of load change on the maximum tensile stress at the bottom of AC layer

圖3 荷載變化對(duì)AC層層底最大剪應(yīng)力的影響Fig. 3 Influence of load change on maximum shear stress at the bottom of AC layer

圖4 荷載變化對(duì)PCC板頂最大彎沉差的影響Fig. 4 Influence of load change on maximum deflection of PCC plate roof

從圖2~圖4可以看出，隨著胎壓的增大，布置加筋防裂夾層與未布置加筋防裂夾層的復(fù)合式路面AC層層底最大拉應(yīng)力、層底最大剪應(yīng)力、PCC板頂最大彎沉差都隨之增長。當(dāng)胎壓從0.7MPa增大到1.2MPa，未布置鋼絲網(wǎng)的路面結(jié)構(gòu)AC層層底最大拉應(yīng)力增長幅度為101%，層底最大剪應(yīng)力增長幅度為161%，PCC板頂最大彎沉差增長幅度為93%；布置鋼絲網(wǎng)路面結(jié)構(gòu)AC層層底最大拉應(yīng)力增長幅度為65%，層底最大剪應(yīng)力增長幅度為104%，PCC板頂最大彎沉差增長了48%，未布置鋼絲網(wǎng)路面結(jié)構(gòu)三個(gè)力學(xué)分析指標(biāo)的增長速度明顯大于布置了鋼絲網(wǎng)路面結(jié)構(gòu)。

通過橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，在相同輪壓作用下布置鋼絲網(wǎng)各力學(xué)指標(biāo)明顯小于未布置鋼絲網(wǎng)的路面結(jié)構(gòu)，并且胎壓越大，減小幅度越大。當(dāng)胎壓為1.2MPa時(shí)，布置鋼絲網(wǎng)比未布置鋼絲網(wǎng)AC層層底最大拉應(yīng)力比減小50%，層底最大剪應(yīng)力減小45%，PCC板頂最大彎沉差減小35%。從圖2可得，在胎壓為1.2MPa時(shí)布置鋼絲網(wǎng)AC層層底最大拉應(yīng)力與胎壓為0.7MPa時(shí)未布置鋼絲網(wǎng)AC層層底最大拉應(yīng)力相當(dāng)。

從以上分析中可以得出，在荷載作用下，布置鋼絲網(wǎng)加筋防裂夾層的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)相較于未布置防裂夾層的路面結(jié)構(gòu)能夠改善AC層和PCC層的的受力狀態(tài)，鋼絲網(wǎng)通過自身的高抗拉作用與低延伸率來達(dá)到緩解接縫處的應(yīng)力集中程度與豎向剪切位移的目的，降低AC層層底最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，使PCC板頂裂縫兩端受力均勻，減小板頂最大彎沉差，并且隨著荷載的增加，鋼絲網(wǎng)加筋防裂夾層的這種改善效果越明顯。因此，鋼絲網(wǎng)加筋防裂夾層能夠有效抑制重載交通作用下的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)張開型和剪切型反射裂縫。

2.3 不同加筋材料防裂效果比較

分別以鋼絲網(wǎng)、土工格柵、土工布作為夾層筋材，分析計(jì)算不同的筋材加筋A(yù)C+PCC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)各力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)。

（1）AC層層底最大剪應(yīng)力

設(shè)置三種不同加筋材料后剛?cè)釓?fù)合式路面AC層層底最大拉應(yīng)力σa的柱狀圖如圖5所示。同未布置任何加筋?yuàn)A層的路面結(jié)構(gòu)相比，布置了不同加筋?yuàn)A層的路面結(jié)構(gòu)AC層層底最大拉應(yīng)力σa的減小率見表4。

表4 不同筋材AC層層底最大拉應(yīng)力σa減小率Table 4 Reduction rate of maximum tensile stress σa at the bottom of AC layer with different reinforcement

圖5 不同筋材AC層層底最大拉應(yīng)力σa柱狀圖Fig. 5 Bar diagram of maximum tensile stress σa at the bottom of AC layer with different bars

由表4和圖5可知，不同加筋材料對(duì)降低剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)AC層層底最大拉應(yīng)力σa的貢獻(xiàn)從大到小為鋼絲網(wǎng)、土工格柵、土工布。與未布置任何夾層相比，布置了鋼絲網(wǎng)、土工格柵、土工布后路面結(jié)構(gòu)AC層層底最大拉應(yīng)力σa分別減小了38.78%、11.43%、8.30%。由此可見，鋼絲網(wǎng)加筋防裂夾層防治橫向張開型反射裂縫的能力明顯優(yōu)于土工格柵和土工布。

（2）AC層層底最大剪應(yīng)力

設(shè)置三種不同加筋材料后剛?cè)釓?fù)合式路面AC層層底最大剪應(yīng)力τa的柱狀圖如圖6所示。同未布置任何加筋?yuàn)A層的路面結(jié)構(gòu)相比，布置了不同加筋?yuàn)A層的路面結(jié)構(gòu)AC層層底最大剪應(yīng)力τa的減小率見表5。

圖6 不同筋材AC層層底最大剪應(yīng)力τa柱狀圖Fig. 6 Bar diagram of maximum shear stress τa at the bottom of AC layer with different bars

表5 不同筋材AC層層底最大剪應(yīng)力τa 減小率Table 5 Reduction rate of maximum shear stress τa at the bottom of AC layer with different reinforcement

由表5和圖6可知，不同加筋材料對(duì)降低剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)AC層層底最大剪應(yīng)力τa的貢獻(xiàn)從大到小為鋼絲網(wǎng)、土工格柵、土工布。與未布置任何夾層相比，布置了鋼絲網(wǎng)、土工格柵、土工布后路面結(jié)構(gòu)AC層層底最大剪應(yīng)力τa分別減小了30.01%、7.79%、4.41%。由此可見，鋼絲網(wǎng)加筋防裂夾層防治水平剪切型反射裂縫的能力明顯優(yōu)于土工格柵和土工布。

（3）PCC板板頂彎沉差

不同材料加筋剛?cè)釓?fù)合式路面后PCC板板頂最大彎沉差Δl的柱狀圖如圖7所示。同未布置任何加筋?yuàn)A層的路面結(jié)構(gòu)相比，布置了不同加筋?yuàn)A層的路面結(jié)構(gòu)PCC板板頂最大彎沉差Δl的減小率見表6。

圖7 不同筋材PCC板板頂最大彎沉差Δl柱狀圖Fig. 7 Maximum bending and settling error Δl bar chart of PCC plate with different bars

表6 不同筋材PCC板板頂最大彎沉差Δl減小率Table 6 Maximum bending and settling error Δl reduction rate of PCC plates with different bars

由表6和圖7可知，不同加筋材料對(duì)降低剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)PCC板板頂最大彎沉差Δl的貢獻(xiàn)從大到小為鋼絲網(wǎng)、土工格柵、土工布。與未布置任何夾層相比，布置了鋼絲網(wǎng)、土工格柵、土工布后路面結(jié)構(gòu)PCC板板頂最大彎沉差Δl分別減小了15.02%、3.61%、1.81%。由此可見，鋼絲網(wǎng)加筋防裂夾層防治豎向剪切型反射裂縫的能力明顯優(yōu)于土工格柵和土工布。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于AC+PCC剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)，瀝青面層的攤鋪方式各不相同，造成鋼絲網(wǎng)的布置位置有差異。當(dāng)鋼絲網(wǎng)加筋防裂夾層布置于AC+PCC剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青面層與水泥混凝土基層之間時(shí)，其防裂效果與經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

（2）隨著荷載增大，復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)AC層層底最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力以及PCC板板頂最大彎沉差均與之增長，即荷載作用是復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反射裂縫的重要原因之一，加鋪防裂層材料能顯著提高復(fù)合式路面防治反射裂縫的性能，可有效抑制橫向張開型、水平剪切型與豎向剪切型反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

（3）鋼絲網(wǎng)加筋防裂夾層防治橫向張開型、水平剪切型以及豎向剪切型反射裂縫的能力明顯優(yōu)于土工格柵和土工布，防裂性能排序?yàn)椋轰摻z網(wǎng)>土工格柵>土工布。