纖維格柵加筋半剛性基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

摘要 為探索通過纖維格柵加筋方式提升半剛性基層抗裂性能及力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，文章以某高速公路段為例，應(yīng)用有限元軟件構(gòu)建起加筋半剛性基層路面仿真分析模型，對(duì)加筋層位和加筋材料進(jìn)行模擬確定；并從允許拉應(yīng)力計(jì)算，以及半剛性基層厚度、水穩(wěn)碎石基層抗拉強(qiáng)度、纖維格柵與水穩(wěn)碎石界面摩擦強(qiáng)度計(jì)算等方面提出纖維格柵加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。結(jié)果表明，在半剛性基層內(nèi)部的中間層位鋪設(shè)玄武巖纖維格柵，能較好地抑制基層應(yīng)力和應(yīng)變，提升結(jié)構(gòu)的整體抗裂性能，可在類似公路工程中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 纖維格柵；加筋；半剛性基層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U416.223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）13-0157-03

0 引言

反射裂縫泛指公路路面基層施工期間，因水穩(wěn)碎石材料在溫度及濕度影響下發(fā)生溫度收縮和干燥收縮而開裂，并在外界環(huán)境及行車荷載反復(fù)作用后，裂縫擴(kuò)展至瀝青表面層的現(xiàn)象。反射裂縫的存在既不利于路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，又使水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)回彈模量和抗拉強(qiáng)度持續(xù)降低，嚴(yán)重影響公路路面的服役性能和使用壽命。結(jié)合近年來瀝青路面反射裂縫防治應(yīng)用的研究結(jié)果，在半剛性基層結(jié)構(gòu)中鋪設(shè)纖維格柵材料后能形成格柵與半剛性基層共同受力體系，使瀝青混合料防裂性能明顯提升?；诖耍撐囊劳泄饭こ虒?shí)際，展開纖維格柵加筋半剛性基層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以期為此類型加筋瀝青路面的推廣應(yīng)用提供借鑒參考。

1 工程概況

某公路二期工程起訖樁號(hào)為K19+420.65～K38+830.65，線路長(zhǎng)16.41 km，采用雙向四車道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合地形地質(zhì)條件及路基高度，決定以第Z2合同段右幅路基為試驗(yàn)段，開展加筋半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)自上而下為4 cm厚的AC-13C改性瀝青上面層、6 cm厚的AC-20C改性瀝青中面層、8 cm厚的瀝青穩(wěn)定碎石下面層、18 cm厚的級(jí)配碎石上基層、18 cm厚的水穩(wěn)碎石基層及18 cm厚的水穩(wěn)碎石底基層。

2 加筋半剛性基層瀝青路面仿真分析

2.1 模型構(gòu)建

通過加筋彈性層狀理論以及ABAQUS軟件展開該公路半剛性基層的模擬計(jì)算，同時(shí)假定各層均為線彈性體，相鄰層間完全連續(xù)、無相對(duì)滑移可能；路基底部按完全約束處理，其余層面則均視為水平約束，面層為自由面、無約束[1]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，該公路所在地區(qū)道路橫向裂縫間距基本在5.0 m左右，故按照5.0 m×5.0 m×2.0 m確定加筋模型尺寸。纖維土工格柵屬于平板形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格劃分情況見圖1所示。根據(jù)所依托公路工程，開展路面結(jié)構(gòu)的參數(shù)選取，具體見表1所示。纖維土工格柵彈性模量按照6.0 GPa取值。

2.2 半剛性基層加筋層位確定

為確定纖維格柵鋪設(shè)層位對(duì)加筋效果的影響，依次將格柵材料鋪設(shè)于基層底面和基層內(nèi)部中間層位，并開展標(biāo)準(zhǔn)軸載下基層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的模擬分析。

2.2.1 路表彎沉

與輪隙中心不同水平距離下測(cè)點(diǎn)處的路表彎沉模擬結(jié)果見表2所示。據(jù)此看出，受到標(biāo)準(zhǔn)軸載作用后，路表所表現(xiàn)出的位移對(duì)稱分布。其中，荷載輪中心路表處對(duì)應(yīng)的彎沉值最大，依次向輪隙中心路表處遞減，在路表邊緣接近零。在半剛性基層層底以及基層內(nèi)部中間層鋪設(shè)格柵加筋材料的情況下，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用中心處路表彎沉峰值分別達(dá)到0.431 2 mm和0.420 9 mm，比未設(shè)置格柵材料時(shí)依次降低2.00%和4.34%。可見，纖維格柵加筋材料鋪設(shè)后路表彎沉僅小幅降低，意味著纖維格柵抑制彎沉、提升瀝青路面抗變形性能的能力較為有限。

2.2.2 面層剪應(yīng)力

在受到標(biāo)準(zhǔn)軸載作用后，路表面剪應(yīng)力值較小，此后隨著結(jié)構(gòu)層深度的增大而升高，在瀝青面層與路表的距離達(dá)到7.0 cm處時(shí)達(dá)到峰值，而后緩慢遞減。在半剛性基層層底以及基層內(nèi)部中間層鋪設(shè)格柵加筋材料的情況下，瀝青面層剪應(yīng)力峰值分別為?129.1 kPa和126.2 kPa，分別比未加鋪格柵加筋材料時(shí)降低2.30%和3.76%，降幅較小，意味著鋪設(shè)纖維格柵加筋材料對(duì)半剛性基層路面面層剪應(yīng)力的抑制作用較小。

2.2.3 路基頂面豎向壓應(yīng)力

在比較標(biāo)準(zhǔn)軸載作用后纖維格柵加筋路基頂面豎向壓應(yīng)力變動(dòng)趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，展開路基頂面豎向壓應(yīng)力取值情況模擬，結(jié)果見表3所示。根據(jù)結(jié)果，因受到標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用，半剛性基層路基頂面是豎向壓應(yīng)力的主要承力層；未加鋪格柵加筋材料時(shí)頂面所承受的豎向壓應(yīng)力峰值主要出現(xiàn)在距輪隙中心水平距離的2.5 m處，達(dá)到?10.4 kPa；豎向壓應(yīng)力值隨荷載距離的增大而遞減。鋪設(shè)格柵加筋材料后，路基頂面豎向壓應(yīng)力值基本無變動(dòng)。在半剛性基層層底以及基層內(nèi)部中間層鋪設(shè)格柵加筋材料時(shí)，路基頂面豎向壓應(yīng)力峰值分別為?10.3 kPa和?9.9 kPa，比未加鋪格柵加筋材料時(shí)分別降低0.96%和4.81%?？梢姡O(shè)置纖維格柵加筋材料對(duì)半剛性基層路基頂面豎向壓應(yīng)力的抑制作用較小。

根據(jù)模擬結(jié)果，半剛性基層鋪設(shè)纖維土工格柵后，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下受力程度有所改善，對(duì)抗變形性能及抑制剪應(yīng)力的作用效果較小，但抗拉性能提升較高；此外，在基層內(nèi)部中間層位加筋后的改善效果明顯高出基層底部加筋，主要原因在于纖維格柵屬于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可與水穩(wěn)碎石材料較好相容；在結(jié)構(gòu)內(nèi)部層間鋪設(shè)后會(huì)與水穩(wěn)碎石材料形成復(fù)合體系[2]，提升路面結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度。因纖維格柵作用范圍有限，在基層內(nèi)部中間層位鋪設(shè)后，路表彎沉、面層剪應(yīng)力的降低程度均較為有限。從提升基層結(jié)構(gòu)抗拉性能，降低基層層底拉應(yīng)力的綜合作用看，應(yīng)將纖維格柵鋪設(shè)在基層內(nèi)部的中間層位。

2.3 半剛性基層加筋材料確定

不同種類的土工格柵材料對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平拉應(yīng)力的抑制效果不盡一致，此處主要比較塑料格柵、玻璃纖維格柵、玄武巖纖維格柵的加筋效果。不同加筋材料鋪設(shè)后，半剛性基層層底水平拉應(yīng)力的模擬結(jié)果見表4所示。據(jù)此看出，不鋪設(shè)格柵材料的層底水平拉應(yīng)力值最大，鋪設(shè)玄武巖纖維格柵材料的層底水平拉應(yīng)力值最小?？梢?，格柵材料的鋪設(shè)能較好降低半剛性基層層底的水平拉應(yīng)力，提升半剛性基層抗裂性能，降低裂縫發(fā)生的可能。

3 纖維格柵加筋半剛性基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 半剛性基層允許拉應(yīng)力確定

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）確定標(biāo)準(zhǔn)軸載，同時(shí)結(jié)合公路工程實(shí)際及瀝青路面使用年限，按照拉應(yīng)力等效原則確定標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)[3]。半剛性基層實(shí)際拉應(yīng)力應(yīng)不超出拉應(yīng)力允許值，后者主要根據(jù)下列公式確定：

式中，σR、σS——半剛性基層拉應(yīng)力允許值、半剛性基層劈裂強(qiáng)度極限值（MPa）；KS——半剛性基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)；AC——表征公路等級(jí)的系數(shù)；Ne——當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次；γ——設(shè)計(jì)路段交通量增長(zhǎng)程度（%）；Nl——日當(dāng)量軸次均值（次/天）；t——公路瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限（年）。

結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范及公路實(shí)際，在得出半剛性基層劈裂強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步展開應(yīng)力允許值的計(jì)算，所得到的半剛性基層劈裂強(qiáng)度為0.57 MPa，拉應(yīng)力允許值為0.274 MPa。

3.2 加筋半剛性基層設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

3.2.1 半剛性基層厚度

該研究依據(jù)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范開展半剛性基層厚度設(shè)計(jì)，規(guī)范中對(duì)于最大公稱粒徑為37.5 mm、31.5 mm、26.5 mm和19.0 mm的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層而言，半剛性基層厚度應(yīng)達(dá)到150 mm以上；而對(duì)于最大公稱粒徑53.0 mm的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層，基層厚度應(yīng)控制在180 mm以上。對(duì)于該公路工程而言，先進(jìn)行纖維格柵加筋基層厚度的初擬，而后應(yīng)用多層彈性理論展開基層層底拉應(yīng)力、面層剪應(yīng)力等取值驗(yàn)算，若驗(yàn)算值達(dá)不到規(guī)范要求，則應(yīng)重新調(diào)整初擬厚度，再次展開驗(yàn)算，直至滿足規(guī)范為止[4]。按照以上程序，得到的該公路路面半剛性基層設(shè)計(jì)厚度應(yīng)位于18～25 cm之間。

3.2.2 水穩(wěn)碎石基層抗拉強(qiáng)度

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2021），使用工程所在地的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，以及粗細(xì)集料制備的玄武巖纖維格柵加筋半剛性基層檢測(cè)試塊，按照三分點(diǎn)加壓法開展試塊抗拉強(qiáng)度檢測(cè)，所涉及的計(jì)算公式如下[5]：

Rs=P·L/（b2·h） （4）

式中，Rs——半剛性基層彎拉強(qiáng)度（MPa）；P——極限破壞荷載（kN）；L——三分點(diǎn)加壓過程中相鄰支點(diǎn)間距（mm）；b、h——試塊寬度和高度（mm）。

將該公路工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入式（4）后，得出的不同齡期試塊彎拉強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表5所示：

3.2.3 玄武巖纖維格柵強(qiáng)度及彈性模量

結(jié)合規(guī)范要求，開展玄武巖纖維格柵材料的物理力學(xué)性能檢測(cè)。此外，通過萬能試驗(yàn)機(jī)按50 mm/min的拉伸速率對(duì)材料展開橫縱向拉伸試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，該公路所選用的玄武巖纖維格柵單位質(zhì)量為598.41 g/m2，網(wǎng)孔尺寸為48.7 mm，幅寬5.50 m；在最大測(cè)試?yán)?0.65 kN和10.95 kN時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別為162.35 kN/m和112.01 kN/m。可見，此類材料力學(xué)性能符合要求。

3.2.4 纖維格柵與水穩(wěn)碎石摩擦強(qiáng)度

為確保玄武巖纖維格柵加筋半剛性基層穩(wěn)定受力，必須保證格柵和水穩(wěn)碎石間的作用力符合規(guī)范要求，這種作用力通過相對(duì)位移和摩擦強(qiáng)度體現(xiàn)。該研究主要通過拉拔試驗(yàn)，檢測(cè)不同上覆荷載下的拉拔力峰值，據(jù)此計(jì)算界面摩擦強(qiáng)度，判斷半剛性基層受力的穩(wěn)定程度。計(jì)算公式如下：

τ=Td /（2B·L' ） （5）

式中，τ——玄武巖纖維格柵與水穩(wěn)碎石界面摩擦強(qiáng)度（kPa）；Td——玄武巖纖維格柵所承受的拉拔力峰值（kN）；B、L'——水穩(wěn)碎石基層內(nèi)所鋪設(shè)的玄武巖纖維格柵寬度和長(zhǎng)度（m）。

將檢測(cè)結(jié)果和該公路段相關(guān)參數(shù)取值代入式（5），計(jì)算出的摩擦強(qiáng)度值見表6所示。根據(jù)表6可知，在玄武巖纖維格柵材料從水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)中徹底拔除前，界面摩擦強(qiáng)度隨著拉拔位移的增大呈近線性分布。表明在相應(yīng)層位鋪設(shè)格柵材料后，可與相鄰層材料穩(wěn)固黏結(jié)，且黏結(jié)性能隨上覆荷載和拉拔位移的增大而增大。

4 結(jié)論

綜上所述，行車荷載作用后半剛性基層路面表現(xiàn)出不同的力學(xué)響應(yīng)，行車荷載也是影響此類瀝青路面路用性能及使用壽命的關(guān)鍵因素。一旦結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力峰值超出層間材料的允許承力水平，必將引發(fā)結(jié)構(gòu)開裂。半剛性基層鋪設(shè)玄武巖纖維加筋層后，路表彎沉和面層剪應(yīng)力的變化均較為有限；而層底拉應(yīng)力大幅降低，基層抗裂性能提升，裂縫發(fā)生的可能性明顯下降。尤其是在基層內(nèi)部中間層位鋪設(shè)格柵材料時(shí)，層底拉應(yīng)力降低效果最為明顯。按照分析結(jié)果，該公路段在基層內(nèi)部中間層位鋪設(shè)玄武巖纖維加筋材料后，半剛性基層瀝青路面的路用性能顯著提升，反射裂縫得到有效遏制。

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收稿日期：2024-02-07

作者簡(jiǎn)介：武立（1991—），男，碩士研究生，工程師，從事公路橋梁勘察設(shè)計(jì)等工作。