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纤维格栅加筋半刚性基层结构设计探析

2024-07-05 12 上传者：管理员

摘要：为探索通过纤维格栅加筋方式提升半刚性基层抗裂性能及力学性能的结构设计要点，文章以某高速公路段为例，应用有限元软件构建起加筋半刚性基层路面仿真分析模型，对加筋层位和加筋材料进行模拟确定；并从允许拉应力计算，以及半刚性基层厚度、水稳碎石基层抗拉强度、纤维格栅与水稳碎石界面摩擦强度计算等方面提出纤维格栅加筋结构设计思路。结果表明，在半刚性基层内部的中间层位铺设玄武岩纤维格栅，能较好地抑制基层应力和应变，提升结构的整体抗裂性能，可在类似公路工程中推广应用。

关键词：
加筋
半刚性基层
开裂
纤维格栅
结构设计
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反射裂缝泛指公路路面基层施工期间，因水稳碎石材料在温度及湿度影响下发生温度收缩和干燥收缩而开裂，并在外界环境及行车荷载反复作用后，裂缝扩展至沥青表面层的现象。反射裂缝的存在既不利于路面结构稳定，又使水稳碎石结构回弹模量和抗拉强度持续降低，严重影响公路路面的服役性能和使用寿命。结合近年来沥青路面反射裂缝防治应用的研究结果，在半刚性基层结构中铺设纤维格栅材料后能形成格栅与半刚性基层共同受力体系，使沥青混合料防裂性能明显提升。基于此，该文依托公路工程实际，展开纤维格栅加筋半刚性基层的结构设计，以期为此类型加筋沥青路面的推广应用提供借鉴参考。

1、工程概况

某公路二期工程起讫桩号为K19+420.65～K38+830.65，线路长16.41 km，采用双向四车道建设标准。结合地形地质条件及路基高度，决定以第Z2合同段右幅路基为试验段，开展加筋半刚性基层沥青路面的结构设计。试验段路面结构自上而下为4 cm厚的AC-13C改性沥青上面层、6 cm厚的AC-20C改性沥青中面层、8 cm厚的沥青稳定碎石下面层、18 cm厚的级配碎石上基层、18 cm厚的水稳碎石基层及18 cm厚的水稳碎石底基层。

2、加筋半刚性基层沥青路面仿真分析

2.1模型构建

通过加筋弹性层状理论以及ABAQUS软件展开该公路半刚性基层的模拟计算，同时假定各层均为线弹性体，相邻层间完全连续、无相对滑移可能；路基底部按完全约束处理，其余层面则均视为水平约束，面层为自由面、无约束[1]。结合现场调查结果，该公路所在地区道路横向裂缝间距基本在5.0 m左右，故按照5.0 m×5.0 m×2.0 m确定加筋模型尺寸。纤维土工格栅属于平板形网状结构，其网格划分情况见图1所示。根据所依托公路工程，开展路面结构的参数选取，具体见表1所示。纤维土工格栅弹性模量按照6.0 GPa取值。

图1路面结构网格划分

表1路面结构参数取值

2.2半刚性基层加筋层位确定

为确定纤维格栅铺设层位对加筋效果的影响，依次将格栅材料铺设于基层底面和基层内部中间层位，并开展标准轴载下基层结构力学响应的模拟分析。

2.2.1路表弯沉

与轮隙中心不同水平距离下测点处的路表弯沉模拟结果见表2所示。据此看出，受到标准轴载作用后，路表所表现出的位移对称分布。其中，荷载轮中心路表处对应的弯沉值最大，依次向轮隙中心路表处递减，在路表边缘接近零。在半刚性基层层底以及基层内部中间层铺设格栅加筋材料的情况下，标准轴载作用中心处路表弯沉峰值分别达到0.431 2 mm和0.420 9 mm，比未设置格栅材料时依次降低2.00%和4.34%。可见，纤维格栅加筋材料铺设后路表弯沉仅小幅降低，意味着纤维格栅抑制弯沉、提升沥青路面抗变形性能的能力较为有限。

2.2.2面层剪应力

在受到标准轴载作用后，路表面剪应力值较小，此后随着结构层深度的增大而升高，在沥青面层与路表的距离达到7.0 cm处时达到峰值，而后缓慢递减。在半刚性基层层底以及基层内部中间层铺设格栅加筋材料的情况下，沥青面层剪应力峰值分别为-129.1 k Pa和126.2 k Pa，分别比未加铺格栅加筋材料时降低2.30%和3.76%，降幅较小，意味着铺设纤维格栅加筋材料对半刚性基层路面面层剪应力的抑制作用较小。

2.2.3路基顶面竖向压应力

在比较标准轴载作用后纤维格栅加筋路基顶面竖向压应力变动趋势的基础上，展开路基顶面竖向压应力取值情况模拟，结果见表3所示。根据结果，因受到标准轴载的作用，半刚性基层路基顶面是竖向压应力的主要承力层；未加铺格栅加筋材料时顶面所承受的竖向压应力峰值主要出现在距轮隙中心水平距离的2.5 m处，达到-10.4 k Pa；竖向压应力值随荷载距离的增大而递减。铺设格栅加筋材料后，路基顶面竖向压应力值基本无变动。在半刚性基层层底以及基层内部中间层铺设格栅加筋材料时，路基顶面竖向压应力峰值分别为-10.3 k Pa和-9.9 k Pa，比未加铺格栅加筋材料时分别降低0.96%和4.81%。可见，设置纤维格栅加筋材料对半刚性基层路基顶面竖向压应力的抑制作用较小。

根据模拟结果，半刚性基层铺设纤维土工格栅后，在标准轴载作用下受力程度有所改善，对抗变形性能及抑制剪应力的作用效果较小，但抗拉性能提升较高；此外，在基层内部中间层位加筋后的改善效果明显高出基层底部加筋，主要原因在于纤维格栅属于网状结构，可与水稳碎石材料较好相容；在结构内部层间铺设后会与水稳碎石材料形成复合体系[2]，提升路面结构的抗拉强度。因纤维格栅作用范围有限，在基层内部中间层位铺设后，路表弯沉、面层剪应力的降低程度均较为有限。从提升基层结构抗拉性能，降低基层层底拉应力的综合作用看，应将纤维格栅铺设在基层内部的中间层位。

2.3半刚性基层加筋材料确定

不同种类的土工格栅材料对路面结构内部水平拉应力的抑制效果不尽一致，此处主要比较塑料格栅、玻璃纤维格栅、玄武岩纤维格栅的加筋效果。不同加筋材料铺设后，半刚性基层层底水平拉应力的模拟结果见表4所示。据此看出，不铺设格栅材料的层底水平拉应力值最大，铺设玄武岩纤维格栅材料的层底水平拉应力值最小。可见，格栅材料的铺设能较好降低半刚性基层层底的水平拉应力，提升半刚性基层抗裂性能，降低裂缝发生的可能。

3、纤维格栅加筋半刚性基层结构设计

3.1半刚性基层允许拉应力确定

根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）确定标准轴载，同时结合公路工程实际及沥青路面使用年限，按照拉应力等效原则确定标准轴载的作用次数[3]。半刚性基层实际拉应力应不超出拉应力允许值，后者主要根据下列公式确定：

表2不同加筋材料下路表弯沉模拟结果

表3不同加筋材料下路基顶面竖向压应力模拟结果

表4不同加筋材料下基层层底水平拉应力

式中，σR、σS——半刚性基层拉应力允许值、半刚性基层劈裂强度极限值（MPa);KS——半刚性基层结构强度系数；AC——表征公路等级的系数；Ne——当量标准轴次；γ——设计路段交通量增长程度（%）；Nl——日当量轴次均值（次/天）；t——公路沥青路面设计使用年限（年）。

结合设计规范及公路实际，在得出半刚性基层劈裂强度的基础上，可进一步展开应力允许值的计算，所得到的半刚性基层劈裂强度为0.57 MPa，拉应力允许值为0.274 MPa。

3.2加筋半刚性基层设计参数的确定

3.2.1半刚性基层厚度

该研究依据沥青路面设计规范开展半刚性基层厚度设计，规范中对于最大公称粒径为37.5 mm、31.5 mm、26.5 mm和19.0 mm的无机结合料稳定层而言，半刚性基层厚度应达到150 mm以上；而对于最大公称粒径53.0 mm的无机结合料稳定层，基层厚度应控制在180 mm以上。对于该公路工程而言，先进行纤维格栅加筋基层厚度的初拟，而后应用多层弹性理论展开基层层底拉应力、面层剪应力等取值验算，若验算值达不到规范要求，则应重新调整初拟厚度，再次展开验算，直至满足规范为止[4]。按照以上程序，得到的该公路路面半刚性基层设计厚度应位于18～25 cm之间。

3.2.2水稳碎石基层抗拉强度

根据设计规范及《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2021），使用工程所在地的P.O42.5普通硅酸盐水泥，以及粗细集料制备的玄武岩纤维格栅加筋半刚性基层检测试块，按照三分点加压法开展试块抗拉强度检测，所涉及的计算公式如下[5]:

式中，Rs——半刚性基层弯拉强度（MPa);P——极限破坏荷载（k N);L——三分点加压过程中相邻支点间距（mm);b、h——试块宽度和高度（mm）。

将该公路工程实测数据代入式（4）后，得出的不同龄期试块弯拉强度计算结果见表5所示：

表5半刚性基层不同龄期试块弯拉强度

3.2.3玄武岩纤维格栅强度及弹性模量

结合规范要求，开展玄武岩纤维格栅材料的物理力学性能检测。此外，通过万能试验机按50 mm/min的拉伸速率对材料展开横纵向拉伸试验。根据测试结果，该公路所选用的玄武岩纤维格栅单位质量为598.41 g/m2，网孔尺寸为48.7 mm，幅宽5.50 m；在最大测试拉力为10.65 k N和10.95 k N时，抗拉强度分别为162.35 k N/m和112.01 k N/m。可见，此类材料力学性能符合要求。

3.2.4纤维格栅与水稳碎石摩擦强度

为确保玄武岩纤维格栅加筋半刚性基层稳定受力，必须保证格栅和水稳碎石间的作用力符合规范要求，这种作用力通过相对位移和摩擦强度体现。该研究主要通过拉拔试验，检测不同上覆荷载下的拉拔力峰值，据此计算界面摩擦强度，判断半刚性基层受力的稳定程度。计算公式如下：

式中，τ——玄武岩纤维格栅与水稳碎石界面摩擦强度（k Pa);Td——玄武岩纤维格栅所承受的拉拔力峰值（k N);B、L'——水稳碎石基层内所铺设的玄武岩纤维格栅宽度和长度（m）。

将检测结果和该公路段相关参数取值代入式（5），计算出的摩擦强度值见表6所示。根据表6可知，在玄武岩纤维格栅材料从水稳碎石结构中彻底拔除前，界面摩擦强度随着拉拔位移的增大呈近线性分布。表明在相应层位铺设格栅材料后，可与相邻层材料稳固黏结，且黏结性能随上覆荷载和拉拔位移的增大而增大。

表6纤维格栅与水稳碎石界面摩擦强度

4、结论

综上所述，行车荷载作用后半刚性基层路面表现出不同的力学响应，行车荷载也是影响此类沥青路面路用性能及使用寿命的关键因素。一旦结构层拉应力峰值超出层间材料的允许承力水平，必将引发结构开裂。半刚性基层铺设玄武岩纤维加筋层后，路表弯沉和面层剪应力的变化均较为有限；而层底拉应力大幅降低，基层抗裂性能提升，裂缝发生的可能性明显下降。尤其是在基层内部中间层位铺设格栅材料时，层底拉应力降低效果最为明显。按照分析结果，该公路段在基层内部中间层位铺设玄武岩纤维加筋材料后，半刚性基层沥青路面的路用性能显著提升，反射裂缝得到有效遏制。

参考文献:

[1]张兴华.层间界面条件变化对半刚性基层沥青路面结构性能的影响[J].城市道桥与防洪, 2023(12):38-40+15.

[2]张泽南.沥青路面半刚性基层材料与结构疲劳损伤研究[J].中华建设, 2023(10):154-156.

[3]刘笑同,黎育文.半刚性基层沥青路面结构设计[J].交通建设与管理, 2022(6):140-141.

[4]田波,权磊,张艳聪.半刚性基层损伤开裂机制与微裂技术研究综述[J].山西交通科技, 2022(5):1-8.

[5]房娜仁,胡士清,李琪琪,等.基于半刚性基层强度控制的反射裂缝防治对策研究[J].公路, 2022(9):51-60.

文章来源:武立.纤维格栅加筋半刚性基层结构设计探析[J].交通科技与管理,2024,5(13):157-159.